Bài 8: Chế Biến Dầu Mỏ | Chuyên đề học tập Hóa học 11 | Chuyên Đề 3: Dầu Mỏ Và Chế Biến Dầu Mỏ - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 42)

I. CÁC GIAI ĐOẠN CHẾ BIỂN DẦU MỎ

1. Tiền xử lí dầu thô

Dầu thô có chứa nhiều nước, muối (MgCl₂, NaCI, CaCl₂, FeCl₃....), khoáng sét, cát, tạp chất cơ học,... không bị lắng đọng trong bể chứa nên cần được loại bỏ. Nước hoà tan các tinh thề muối và phân tán trong dầu, tạo thành các hạt nhũ tương hình cầu rất nhỏ có đường kính khoảng 1 - 10 micromet nên không thể lắng đọng theo trọng lực mà phải dùng phương pháp sa lắng (tác động của trường điện từ) định hướng các hạt nhũ tương kết hợp với nhau thành các hạt lớn và tách khỏi dầu rồi lắng xuống dưới.

2. Chưng cất dầu thô

Nguyên tắc của quá trình chưng cất phân đoạn dầu thô là dựa vào sự khác nhau nhiệt độ sối của các chất để tách ra những sản phầm mong muốn ở từng phân đoạn như hydrocarbon nhẹ, xăng (gasoline), dầu hoả (kerosene), nhiên liệu phản lực, diesel, dầu đốt, dầu bôi trơn, nhựa đường,... Quá trình chưng cất gồm hai giai đoạn: chưng cất khi quyền (chưng cất ở áp suất thường) và chưng cất chân khống (chưng cất ở áp suất thấp, 10– 20 mmHg).

(Trang 43)

3. Cracking dầu mỏ

a) Cracking nhiệt

Quá trình cracking nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ cao, áp suất khí quyển. Trong điều kiện này parafin mạch dài, không phân nhánh dễ bị cracking nhất, thu được các sản phẩm khí, lỏng và rắn. Trong đó sản phẩm chính là các hydrocarbon có nhiệt độ sôi thấp hơn so với nguyên liệu. Nếu thực hiện cracking ở nhiệt độ cao 850 °C – 900 °C thì sản phẩm chính là ethene.

b) Cracking xúc tác

Cracking xúc tác là quá trình chuyển hoá hoá học các hydrocarbon có khối lượng phân tử lớn thông qua phản ứng phân cắt liên kết carbon – carbon (liên kết C–C) để thu được các alkane và các alkene mạch ngắn hơn với sự hỗ trợ của xúc tác. Cracking xúc tác là quá trình có quy mô lớn nhất trong ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ và là một trong các quá trình chính để sản xuất xăng chất lượng cao đồng thời nhận được sản phẩm alkene C2 – C4 làm nguyên liệu cho công nghệ hoá dầu.

4. Reforming xúc tác

Reforming là quá trình “tái cấu trúc” một số alkane mạch không phân nhánh (nguyên liệu là phân đoạn naphtha nặng) thành cấu trúc alkane có nhiều nhánh và các arene (benzene, toluene, xylene), được sử dụng làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hoá dầu. Quá trình reforming được tiến hành ở áp suất từ 4 – 20 bar và nhiệt độ trong khoảng 490 °C – 540 °C, xúc tác chính là Pt. Reforming xúc tác là quá trình làm tăng chất lượng của xăng nhưng không làm thay đổi nhiều nhiệt độ sôi của nhiên liệu.

Trong quá trình reforming xúc tác, các alkane không phân nhánh được đồng phân hoá thành alkane phân nhánh, thơm hoá thành các arene, vòng hoá thành các naphthene. Đây là quá trình cơ bản, quan trọng nhất để nhận được xăng có chất lượng cao và các arene chứa một vòng benzene, tạo nguồn arene cho công nghệ tổng hợp hữu cơ và vật liệu.

Ví dụ:

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ 

II. CÁC SẢN PHẨM CỦA DẦU MỎ

1. Các sản phẩm nhiên liệu

– Khí dầu mỏ hoá lỏng (liquefied petroleum gas – LPG): Khi dầu mỏ chưa propane C₃H₈ và butane C₄H₁₀. Để dễ vận chuyển và dễ sử dụng thường phải hoá lỏng ở áp suất cao. LPG thương phẩm phải thêm chất tạo mùi để phát hiện sự rò rỉ gas người tiêu dùng.

(Trang 44)

– Xăng (gasoline): Xăng là tập hợp các hydrocarbon có nhiệt độ sôi từ 38 °C – 205 °C, gồm các hydrocarbon C5 – C11. Xăng được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong, vì vậy nó phải đáp ứng được các yêu cầu của loại động cơ này, trong đó có hai tiêu chí quan trọng nhất là chỉ số octane phải cao để đảm bảo khả năng cháy điều hoà, an toàn về môi trường và áp suất hơi phải tương thích.

– Dầu hoả (kerosene): Dầu hoả có nhiều loại nhưng đều được lấy từ phân đoạn kerosene với khoảng nhiệt độ sôi từ 150 °C – 300 °C hoặc cho đến 250 °C – 360 °C. Thường gồm các hydrocarbon C11 – C18. Thành phần phân đoạn kerosene chứa các alkane không phân nhánh (rất ít isoparaffin), naphthene và arene.

– Nhiên liệu phản lực (jet fuel): Nhiên liệu phản lực lấy từ phân đoạn kerosene có nhiệt độ sôi 140 °C – 300 °C. Do đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ phản lực, yêu cầu đối với nhiên liệu này là phải có tốc độ cháy cao, dễ dàng bốc cháy khi có tia lửa điện, có nhiệt trị cao, cháy điều hoà, có ngon lửa ổn định và cháy hoàn toàn không tạo cặn.

– Diesel (gasoil hay DO): Dầu diesel DO chứa các hydrocarbon có nhiệt độ sôi nằm trong khoảng 200 °C – 350 °C, chứa các hydrocarbon C15 – C21.

Công dụng chính của diesel là làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Tiêu chuẩn quan trọng nhất của nhiên liệu diesel là khả năng tự bốc cháy, được đặc trưng bởi chỉ số cetane (CN).

– Dầu đốt (FO): Dầu đốt hay còn gọi là nhiên liệu đốt lò (fuel oil) là khái niệm khá rộng, có thể là dầu bất kì nhiên liệu lỏng nào (trừ xăng), được sử dụng để đốt lò, cấp nhiệt cho nồi hơi hoặc sử dụng để tạo thành các động cơ. Tuy nhiên, dầu đốt thường là cặn FO (residual FO) hoặc FO nặng (heavy FO). Cặn dầu là phân đoạn lại sau khi đã tách hết các phân đoạn có nhiệt độ sôi khoảng 600 °C với thành phần hydrocarbon C40 – C80.

2. Dầu bôi trơn và nhựa đường

Dầu bôi trơn, hay còn gọi là dầu nhờn, thu được sau khi chế biến phân đoạn gasoil nặng. Phân đoạn dầu nhờn có khoảng nhiệt độ sôi từ 350 °C – 375 °C đến khoảng 500 °C. Phần đoạn này chứa các hydrocarbon C21 – C35, thậm chí lên đến C40. Thành phần hoá học của dầu bôi trơn rất phức tạp gồm nhiều hợp chất arene đa vòng và naphthene, chưa ít alkane.

Nhựa đường, hay còn gọi là bitumen, là sản phẩm tạo ra từ cặn dầu. Thành phần hoá học của cặn dầu thường được chia thành ba nhóm chính:

– Chất dầu gồm các hydrocarbon có thành phần phức tạp, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng arene và vòng naphthene.

– Chất nhựa màu đen hoặc màu nâu gồm các chất trung tính và các chất có tính acid, làm cho nhựa có tính dẻo có khả năng dính kết và kéo dài.

– Asphaltene màu đen, cấu trúc tinh thể, chứa phần lớn các hợp chất dị vòng chứa S, N, O.

(Trang 45)

Hình 8.1. Nhựa đường

3. Sản phẩm hoá dầu

Công nghệ hoá dầu thực hiện các quy trình chuyển hoá hoá học các hydrocarbon chủ yếu là alkene và arene thành nguồn nguyên liệu để sản xuất những sản phẩm có giá trị phục vụ cho đời sống và cho nhiều ngành công nghiệp như: hoá chất, dung môi, vật liệu xây dựng, sản xuất thuốc nổ, thuốc tuyển quặng, cao su tổng hợp, các monomer, vật liệu polymer, composite, vải, sợi, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc thú y, thuốc nổ, phân bón, các chất màu, sơn, mĩ phẩm, nguyên liệu tổng hợp hoá dược,…

Ví dụ:

Từ ethylene, propene, buta-1,3-diene có thể sản xuất các sản phẩm:

– Chất dẻo, nhựa và cao su để chế tạo các vật dụng phục vụ cho đời sống và sản xuất như: polyethylene (PE); poly(vinyl chloride) (PVC); poly(vinyl acetate) (PVA); poly(ethylene terephthalate) (PET); polypropylene (PP); cao su styrene-butadiene (SBR) và cao su butadiene (BR);…

Hình 8.2. Một số ứng dụng của poly(vinyl chloride) (PVC)

III. CHỈ SỐ OCTANE VÀ CÁCH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

1. Chỉ số octane

a) Khái niệm

Chỉ số octane là một đại lượng quy ước để đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của nhiên liệu. Chỉ số octane càng cao thì khả năng chịu nén của nhiên liệu trước khi phát nổ (đốt cháy) càng lớn.

Bảng 8.1. Chỉ số octane của một số hydrocarbon

b) Các biện pháp nâng cao chỉ số octane cho xăng

Chỉ số octane trong xăng thường được nâng cao bằng hai biện pháp:

– Từ quá trình chưng cất nhận được phân đoạn naphtha nhẹ và naphtha nặng tương đương với nhiên liệu xăng. Để tăng chỉ số octane cho phân đoạn naphtha nhẹ, các alkane không phân nhánh được đồng phân hoá xúc tác thành isoparaffin. Còn phân đoạn naphtha nặng, để tăng chỉ số octane, các alkane không phân nhánh được xử lí bằng quá trình reforming xúc tác để chuyển hoá thành isoparaffin và các arene.

Chỉ số octane của xăng cũng được nâng lên nhờ bồ sung các chất phụ gia. Những phụ gia hiện nay đang sử dụng là các hợp chất chứa oxygen, trong đó phỗ biến là các alcohol (C1 – C4) và các ether. Đó là những chất có chỉ số octane cao và ít hoặc không gây ô nhiễm môi trường.

Bảng 8.2. Chỉ số octane của một số chất phụ gia

2. Cách sử dụng nhiên liệu an toàn, tiết kiệm, hiệu quả, bảo vệ môi trường

Nhiên liệu xăng có chỉ số octane càng cao thì khả năng cháy điều hoà càng cao, chất lượng xăng càng tốt. Ethanol vừa là nhiên liệu sinh học có khả năng thay thế xăng (một phần hoặc hoàn toàn), vừa là phụ gia tăng chỉ số octane đang được dùng phổ biến nhất. Ở Việt Nam, hiện đang lưu hành xăng E5 RON 92 được pha trộn 5% thể tích ethanol với xăng RON 92.

⁽¹⁾ RON: Viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Research Octane Number.

(Trang 47)

Đối với nhiên liệu diesel, một trong những giải pháp đang được quan tâm là sử dụng biodiesel. Biodiesel là các mono methyl ester của các acid béo. Biodiesel thuộc loại năng lượng tái tạo, khả năng phân huỷ sinh học nhanh, không độc hại, không chứa sulfur và arene.

Để bảo vệ sức khoẻ cho con người, trong tiêu chuẩn của nhiên liệu đều có yêu cầu nghiêm ngặt về hàm lượng cho phép của arene, kim loại nặng, sulfur và các chất độc hại khác. Theo tiêu chuẩn EURO V, hàm lượng benzene trong xăng quy định là không lớn hơn 35% thể tích và hàm lượng benzene không lớn hơn 1% thể tích; đối với nhiên liệu diesel, hàm lượng sulfur không lớn hơn 10 mg/kg, hàm lượng arene đa vòng không lớn hơn 11% khối lượng.