CHƯNG CẤT CÁC SẢN PHẨM DẦU MỎ

BÀI THỰC HÀNH SỐ 1: CHƯNG CẤT CÁC SẢN PHẨM DẦU MỎ - ASTM D86

(Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at Atmospheric Pressure)

Danh mục: EBOOK ĐẠI HỌC

Tác giả: Nhiều tác giả

------------------------------------------------------------------------------------------

1. Phạm vi áp dụng

Phương pháp này áp dụng cho chưng cất khí quyển các sản phẩm dầu mỏ được sử dụng trong phòng thí nghiệm để định lượng đặc tính giới hạn sôi của các sản phẩm dầu như: Xăng tự nhiên, phân đoạn cất nhẹ và trung bình, nhiên liệu động cơ đốt trong ôtô, nhiên liệu diesel có hàm lượng sulfur thấp, kerosene…

2. Mục đích và ý nghĩa

Phương pháp chưng cất là cơ sở xác định khoảng sôi của sản phẩm dầu mỏ bằng chưng cất mẻ đơn giản.

Tính chất bay hơi của hydrocacbon có ý nghĩa quan trọng trong việc giữ an toàn và sử dụng, đặc biệt trong lĩnh vực sử dụng nhiên liệu và dung môi. Giới hạn sôi cho biết thông tin về thành phần và sự thay đổi của nhiên liệu trong lưu trữ bảo quản và sử dụng. Khả năng bay hơi của các hydrocacbon xác định khuynh hướng tạo hỗn hợp nổ tiềm ẩn.

Tính chất bay hơi là đặc tính tối quan trọng để đánh giá chất lượng cho cả xăng máy bay và xăng ôtô, khả năng khởi động, khả năng đốt nóng, và khả năng tạo hơi khi vận hành ở nhiệt độ cao hay ở độ cao. Sự hiện diện của cấu tử có giới hạn sôi cao trong nhiên liệu dẫn đến mức độ hình thành muội than rắn cao.

Tính chất dễ bay hơi tác động lớn đến tốc độ bay hơi, nó là chỉ tiêu và yếu tố quan trọng của nhiều dung môi, đặc biệt là trong ngành sơn.

Giới hạn chưng cất thường được đưa vào trong các yêu cầu chất lượng sản phẩm dầu mỏ thương mại, ứng dụng điều khiển quá trình lọc dầu.

3. Một số thuật ngữ

Thể tích mẫu (Charge volume): Thể tích của mẫu đem phân tích, 100ml, được

nạp vào bình chưng cất.

Sự phân hủy (Decomposition): Hydrocacbon bị phân huỷ nhiệt (Cracking) sinh ra các phân tử nhỏ hơn có nhiệt độ sôi thấp hơn so với các hydrocacbon ban đầu.

Ghi chú: Dấu hiệu nhận biết sự phân hủy nhiệt đó là có khói phát ra và nhiệt độ quan sát được trên nhiệt kế giảm xuống bất thường.

Điểm sôi đầu (Innital boiling point): Là nhiệt đo tại đó giọt lỏng đầu tiên ngưng tụ rơi từ condenser xuống ống đong hứng mẫu.

Điểm sôi cuối (Final boiling point): Là nhiệt độ cao nhất đọc được trên nhiệt

kế.

Phần trăm thu hồi được (Percent recovered): Thể tích của phần mẫu ngưng tụ quan sát được trong ống đong hứng mẫu ở mỗi nhiệt độ tương ứng được tính theo phấn trăm thể tích mẫu được nạp vào bình cất.

Tổng phần trăm thu hồi (Percent total recovery): Kết hợp phần trăm thu hồi và phần trăm cặn trong bình cất.

Phần trăm cặn (Percent residue): Thể tích của phần cặn trong bình và được tính bằng phần trăm so với thể tích mẫu đem cất.

4. Tóm tắt phương pháp

Tiến hành chưng cất 100ml mẫu dưới điều kiện tương ứng. Quá trình chưng cất được thực hiện bằng dụng cụ chưng cất trong phòng thí nghiệm ở áp suất khí quyển và tương ứng như chưng cất một đĩa lý thuyết. Các số liệu về nhiệt độ theo thể tích chưng cất được ghi chép lại một cách hệ thống và tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng số liệu, mà các kết quả ghi nhận được về nhiệt độ, thể tích, cặn, mất mát sẽ được báo cáo.

Sau khi chưng cất xong, nhiệt độ sôi có thể được hiệu chỉnh theo áp suất và các số liệu được đánh giá về sự phù hợp theo yêu cầu đặt ra. Thí nghiệm được lặp lại cho đến khi thỏa mãn những yêu cầu của phép phân tích.

Kết quả thường được báo cáo dưới dạng phần trăm thu hồi (percent recovered) theo nhiệt độ tương ứng, kể cả bảng hay đồ thị của đường chưng cất.

5. Thiết bị và hóa chất:

6. Qui trình thử nghiệm

a.Chuẩn bị bể làm lạnh

- Cho nước đá cục vào bể làm lạnh.

- Thêm nước vào bể làm lạnh cho đến khi ngập hoàn toàn ống sinh hàn.

- Trước khi tiến hành thử nghiệm các mẫu nhẹ (xăng) thì nhiệt độ bể làm lạnh phải nhỏ hơn 5^oC.

b. Chuẩn bị mẫu

- Vệ sinh bình cầu bằng cách tráng bình cầu với một ít mẫu.

- Cho một ít đá bọt vào bình cầu để tránh hiện tượng sôi bùng.

- Dùng ống đong lấy chính xác 100 ml mẫu xăng cần phân tích cho vào bình cầu.

- Lắp nhiệt kế vào bình cầu sao cho bầu thủy ngân nằm ngay tâm của ngã rẽ (hình 1.2) và quay nhiệt kế ra đối diện để dễ quan sát.

Chú ý: Khi rót mẫu vào bình cầu phải thật nhanh và giữ bình cầu sao cho ống thoát hơi hướng lên để tránh đổ mẫu ra ngoài. Khi lắp nhiệt kế vào ta nên ấn nhẹ nút cao su cho khít vào bình cầu để tránh tình trạng nhiệt kế bị bung ra khi gia nhiệt.

c. Tiến hành thử nghiệm

- Lắp bình cầu vào thiết bị chưng cất.

- Điều chỉnh tốc độ gia nhiệt từ lúc bắt đầu đến khi xuất hiện giọt lỏng đầu tiên chảy ra khỏi đuôi ống sinh hàn là: 5 – 10 phút (thông thường mức gia nhiệt ở 2-3).

- Khi xuất hiện giọt lỏng đầu tiên. Ta đọc và ghi nhận nhiệt độ trên nhiệt kế (đó chính là nhiệt độ điểm sôi đầu).

- Lắp miếng hướng dòng vào thành ống đong và dùng bông đã thấm nước vắt khô bao xung quanh miệng ống đong và ống sinh hàn để tránh bị thất thoát hơi mẫu.

- Từ đây, ta điều chỉnh tốc độ gia nhiệt sao cho tốc độ chưng cất khoảng: 4 – 5 ml/phút (thường mức gia nhiệt ở 3 – 5).

- Ghi lần lượt các giá trị nhiệt độ ứng với thể tích sản phẩm cất thu

được trong ống đong tại các thời điểm: 5, 10, 20,…, 90 ml.

- Sau khi chưng cất được 90%, điều chỉnh tốc độ gia nhiệt sao cho thời gian từ lúc chưng cất được 90% đến khi kết thúc chưng cất là: 3 – 5 phút

(thông thường ở mức gia nhiệt từ 4.0 – 4.5).

- Tiếp tục gia nhiệt nhưng khi thấy cột thủy ngân của nhiệt kế dâng lên một độ cao nào đó rồi bắt đầu hạ xuống: ghi nhận nhiệt độ cao nhất này (đó chính là điểm sôi cuối).

- Tắt thiết bị gia nhiệt, chờ nhiệt độ trên nhiệt kế của bình cầu hạ xuống dưới 40^oC

ta đọc thể tích thu được trong ống đong (gọi là thể tích cất).

- Lấy bình cầu ra một cách cẩn thận như lúc gắn vào.

- Dùng pipet hút hết phần mẫu còn lại trong bình cầu vào ống đong. Xác định thể tích vừa thu được (đó chính là thể tích cặn).

- Vệ sinh thiết bị cho lần thử nghiệm kế tiếp.

6. Báo cáo kết quả

- Thể tích cất (ml): V_cất

- Thể tích cặn (ml): V_cặn

- Thể tích mất mát (ml): V_mm

- V_mm = 100 – (V_cất + V_cặn)

- Điểm sôi đầu (^oC): T_sđ

- Điểm sôi cuối (^oC): T_sc

- Vẽ đồ thị đường cong chưng cất

7. Độ chính xác

Yêu cầu kết quả giữa hai lần chưng cất song song cho phép sai số như sau:

-	Nhiệt độ sôi đầu	: 4^oC
-	Nhiệt độ sôi cuối và các điểm trung gian	: 2^oC
-	Thể tích cặn	: 0,2 ml

9. Bảng kết quả

STT	Thể tích	Xăng A92

1	Điểm sôi đầu	39

2	5	48

3	10	52

4	20	56

5	30	66

6	40	78

7	50	95

8	60	105

9	70	120

10	80	141

11	90	160

12	95	173

% Thể tích thu hồi		95 %
%Thể tích cặn		3,6%
%Thể tích mất mát		1,4%

10. Đồ thị đường cong chưng cất

- Nhận xét đồ thị : Kết quả thu được khi chưng cất xăng:

V_ngưng thu được khá cao (95%) nguyên nhân chủ yếu do một phần hơi đã thoát ra đã được ngưng tụ hoàn toàn (do các nút lie gắn bình chưng với nhiệt kế, bình chưng với bộ phận sinh hàn sát và miệng ống hứng chưa được bịt kín bằng cao su non). Lượng mất mát ở mức cho phép ( 1,4 %). Ngoài ra, một số chất có thể bị phân huỷ ở nhiệt độ cao làm giảm thể tích ngưng thu được (do quá trình chưng cất, nhiệt độ chưng tăng không đều, làm nhiệt độ tăng cao) do kiểm soát nhiệt không tốt làm nhiệt độ tăng cao, không ổn định làm một số cấu tử bị phân huỷ nhiệt dẫn tới V_cặn cao ( 3,6%).

Vì vậy, nếu kiểm soát tốt nhiệt độ và làm kín thiết bị tránh bay hơi thất thoát thì V_ngưng có thể đạt từ 95÷97% vol, và thể tích phần mất mát chỉ có 0,5÷1%vol, V_cặn < 1% vol có nghĩa là phải kéo dài thời gian chưng cất và chưng ở nhiệt độ xăng vừa bay hơi để ngưng tụ tổng thể tích distillate bay hơi của sản phẩm ở mức cao nhất.

- Nhận xét sơ đồ chưng cất Engler:

Dựa vào đồ thị đường cong chưng cất ta rút ra một số nhận xét sau:

· Thể tích phần mất mát chiếm tỉ lệ cho phép, gần bằng 1,4% thể tích

cất chứng tỏ khả năng mất mát hơi không ngưng tụ được khi tiến hành

thử nghiệm là thấp. Vì vậy, thể tích distilat thu được sẽ cao, chỉ đạt 95% ở nhiệt độ 173^oC.

· Nhiệt độ sôi đầu là 39^oC nằm trong khoảng cho phép của nhiên liệu xăng cho mùa

hè, ở nhiệt độ này động cơ dễ dàng khởi động khi động cơ còn nóng hay vào buổi sáng

sớm.

Ban đầu % chưng cất tăng ứng với mỗi lần tăng nhiệt độ, càng về sau nhiệt

độ tăng nhưng % phần cất thu được giảm đi là do ban đầu xăng có các cấu tử

nhẹ, có khả năng bay hơi tốt vì vậy khi tăng nhiệt độ thì khả năng bay hơi

tăng. Càng về sau, trong xăng càng chứa nhiều cấu tử nặng khó bay hơi hơn,

nếu ở phần này ta nâng nhiệt độ quá cao thì các c ấu tử chƣa kịp bay hơi đã

bị phân huỷ bởi nhiệt tạo nhiều cặn và giảm thể tích ngưng thu được.

11. Bàn luận:

- Nguồn gốc:

Sản phẩm đem thí nghiệm là xăng không chì RON 92 dùng cho động cơ.

Xăng RON 92 là sản phẩm được pha trộn từ nhiều nguồn sản phẩm khác nhau trong quá trình lọc và chế biến dầu như xăng từ phân đoạn xăng chưng cất từ dầu mỏ, từ sản phẩm các quá trình reforming, cracking, alkyl hoá.. cho tới sản phẩm của quá trình đồng phân hóa, polymer hóa từ condensat.

- Ý nghĩa của đƣờng cong chƣng cất ASTM, điểm sôi đầu, điểm sôi cuối?

Đường cong chưng cất Engler thể hiện khả năng bay hơi của phân đoạn hay

sản phẩm dầu.Tính chất bay hơi của dầu mỏ hay các sản phẩm của nó có ý nghĩa rất lớn trong quá trình bảo quản, vận chuyển cũng như trong quá trình sử dụng. Vì vậy đây là một tính chất hết sức quan trọng của dầu mỏ.

- Thành phần cất phân đoạn của xăng động cơ có ý nghĩa rất quan trọng:

· Nhiệt độ sôi đầu (Initial Boiling Point - IBP): Giới hạn sôi đầu (từ IBP đến nhiệt độ sôi 10%) có ảnh hưởng đến khả năng khởi động của động cơ và khả năng tạo nút hơi. Nếu các giá trị này quá thấp, động cơ dễ dàng khởi động nguội, nhưng lại khó khởi động nóng và dễ tạo nút hơi, làm gián đoạn quá trình cung cấp xăng cho xy lanh, hao hụt tồn chứa vận chuyển sẽ lớn. Ngược lại, nếu hai nhiệt độ này quá cao, động cơ sẽ khó khởi động nguội, nhất là khi để qua đêm vào mùa đông.

Hai giá trị nhiệt độ này được khống chế trái chiều nhau, tức là quy định giá trị tối thiểu của nhiệt độ sôi đầu (min 30^oC) và giá trị tối đa của nhiệt độ sôi 10% (max 70⁰C). Nếu đã khống chế khoảng áp suất hơi thì có thể không cần khống chế nhiệt

độ sôi đầu.

· Nhiệt độ sôi cuối (Final Boiling Point – FBP): Nhiệt độ FBP được dùng để đánh giá mức độ tạo cặn trong buồng đốt, mức độ tan lẫn trong dầu bôi trơn, mức độ độc hại của khí xả động cơ, FBP càng cao thì các khả năng trên càng lớn và ngược lại. Vì vậy, FBP bị khống chế bởi một giá trị tối đa, thường là 215÷220^oC. Tuy nhiên FBP quá thấp, dưới 170^oC, cũng không phải là một dấu hiệu tốt vì nó làm giảm trị số octane và ăng suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Nhiệt độ FBP còn được sử dụng để đánh giá mức độ lẫn các loại nhiên liệu khác (dầu hỏa và diesel) vào trong xăng trên cơ sở so sánh với mẫu lưu trong phòng thí nghiệm.

· Khoảng nhiệt độ sôi tương đương với 10 đến 90% cất được (T10 và T90) được gọi là giới hạn sôi giữa và rất quan trọng đối với hiệu suất của động cơ khi chạy trên đường. Nó cũng ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc sau khi khởi động và hạn chế hiện tượng chết máy khi dừng giữa đường. Các loại xăng có T90 từ 170÷220^oC. Giá trị này nếu quá thấp sẽ làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu, giảm công suất động cơ xuống dưới mức thiết kế.

- Đánh giá sản phẩm thử nghiệm với xăng không chì (TCVN 6776:2005)

STT	Tên chỉ tiêu	Xăng không	Phương pháp
		chì	thử

1	Thành phần cất phân đoạn:	Báo cáo

2	- Điểm sôi đầu, max.	70
	- Điểm sôi 50%, max.	120	TCVN
	- Điểm sôi 90%, max.	190	2698:2002
	- Điểm sôi cuối, max	215

3	- Cặn cuối, % thể tích, max.	2
	- Hao hụt, % thể tích, max.	4

Nhận xét: Kết quả thu được khi chưng cất mẫu sản phẩm, từ điểm sôi đầu IBP đến điểm sôi cuối FBP đều nằm trong giới hạn quy định cho sản phẩm theo TCVN 6776:2005. Vì vậy mẫu sản phẩm xăng A92 này đạt tiêu chuẩn chất lượng và được sử dụng trên thị trường

· Kết quả chưng cất của xăng E20 và E50:

% Thể tích, ml			Nhiệt độ sôi

	E20			E50

1		50		55
5		55		60
10		60		63

15		64	68
20		67	71
25		68	73
30		70	75
35		72	76
40		75	77
45		77	78
50		78	79
55		79	79
60		80	79
65		120	79
70		130	80
75		138	81
80		145	82
85		156	88
90		170	156
95		176	178
V cất	95 ml		96 ml

V cặn	2,5ml		1,5 ml

V mất mát	2,5ml		2,5 ml