Giáo trình Nhiên liệu và vật liệu bôi trơn (Nghề: Vận hành máy thi công nền - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ giới (2022)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Nhiên liệu và vật liệu bôi trơn (Nghề: Vận hành máy thi công nền - Trung cấp) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Tổng quan về nhiên liệu, dầu mỏ và chế biến dầu mỏ; Tính chất lý hóa của sản phẩm dầu mỏ; Nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhiên liệu và vật liệu bôi trơn (Nghề: Vận hành máy thi công nền - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ giới (2022)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: NHIÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN NGHỀ: VẬN HÀNH MÁY THI CÔNG NỀN TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: / QĐ-CĐCG ngày … tháng.... năm 2022 của Trường cao đẳng Cơ giới 1
Quảng Ngãi, năm 2022 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Nhiên liệu là vật chất được sử dụng để giải phóng năng lượng khi cấu trúc vật lý hoặc hóa học bị thay đổi. Nhiên liệu giải phóng năng lượng thông qua quá trình hóa học như cháy hoặc quá trình vật lý, ví dụ phản ứng nhiệt hạch, phản ứng phân hạch. Tính năng quan trọng của nhiên liệu đó là năng lượng có thể được giải phóng khi cần thiết và sự giải phóng năng lượng được kiểm soát để phục vụ mục đích của con người. Mọi dạng sự sống trên Trái đất từ những cấu trúc vi sinh vật cho đến động vật và con người, đều phụ thuộc và sử dụng nhiên liệu là nguồn cung cấp năng lượng. Các tế bào trong cơ thể sống tham gia quá trình biến đổi hóa học mà qua đó năng lượng trong thức ăn hoặc ánh sáng Mặt trời được chuyển hóa thành những dạng năng lượng có thể duy trì sự sống. Con người sử dụng nhiều cách thức nhằm biến đổi năng lượng ở nhiều hình thức thành những dạng phù hợp mới mục đích sử dụng phục vụ cuộc sống và các quá trình xã hội. Ứng dụng giải phóng năng lượng từ nhiên liệu rất đa dạng trong cuộc sống như đốt cháy khí tự nhiên để đun nấu, kích nổ xăng dầu để chạy động cơ, biến năng lượng hạt nhân thành điện năng, v.v.. Các dạng nhiên liệu phổ biến được dùng là dầu hỏa, xăng dầu, than đá, chất phóng xạ, v.v.. Tuy vậy giáo trình này chỉ đề cập đến các loại nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong, đây là các loại nhiên liệu có yêu cầu rất khắt khe để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả nhất. Năng lượng truyền thống sử dụng cho động cơ đốt trong là năng lượng nhiệt do đốt cháy nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ: xăng, diesel, khí hóa lỏng,… Quảng Ngãi, ngày tháng năm 2022 Tham gia biên soạn 1. Phạm Như Cường Chủ biên 2. ………….............. 3. ……….............…. MỤC LỤC 3
TT NỘI DUNG TRANG 4
1. Lời giới thiệu 2 2. Mục lục 3 3. Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu, dầu mỏ và chế biến dầu 10 mỏ 4. 1. Dầu mỏ 11 5. 2. Sơ lược về công nghệ chế biến dầu mỏ 13 6. 3. Các sản phẩm của quá trình chế biến dầu mỏ 21 7. Chương 2: Tính chất lý hóa của sản phẩm dầu mỏ 23 8. 1. Màu sắc 24 9. 2. Độ nhớt 24 10. 3. Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bắt cháy 25 11. 4. Nhiệt độ vẫn đục và nhiệt độ đông đặc 26 12. 5. Độ ổn định oxy hóa 27 13. 6. Nhiệt trị của nhiên liệu 27 14. 7. Hàm lượng cốc, tro 28 15. 8. Hàm lượng nhựa 28 16. Chương 3: Nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong 31 17. 1. Nhiên liệu xăng 32 18. 2. Nhiên liệu diesel 42 19. 3. Nhiên liệu khí 51 20. 4. Nhiên liệu sinh học 55 21. Chương 4: Vật liệu bôi trơn 60 22. 1. Khái niệm về ma sát và bôi trơn 63 23. 2. Dầu bôi trơn 65 24. 3. Mỡ bôi trơn 84 5
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: NHIÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN Mã môn học: MH11 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học được bố trí dạy sau các môn học lý thuyết chuyên môn nghề. Môn học này cũng có thể được bố trí dạy song song với các Môn học chuyên môn nghề. - Tính chất: Là môn học chuyên môn nghề. - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Việc sử dụng tốt phương tiện thi công cơ giới có ý nghĩa rất to lớn. Do đó người thợ không chỉ nắm vững cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của máy xúc mà còn phải biết được các loại nhiên liệu và vật liệu bôi trơn để sử dụng cho việc vận hành và bảo dưỡng xe máy trong quá trình thi công, nhằm khai thác triệt để năng suất của máy xúc, đảm bảo an toàn cho người và máy trong quá trình vận hành. Môn học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản nhiên liệu và vật liệu bôi trơn dùng cho máy thi công nền. - Đối tượng: Là giáo trình áp dụng cho học sinh trình độ Trung cấp nghề Vận hành máy thi công nền. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: A1. Trình bày được khái niệm, đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của các loại nhiên liệu, dầu bôi trơn và mỡ bôi trơn; A2. Nhận biết được nhiên liệu, dầu bôi trơn, mỡ bôi trơn bằng các giác quan, màu sắc, tỷ trọng,… - Về kỹ năng: B1. Lựa chọn đúng nhiên liệu, dầu bôi trơn, mỡ bôi trơn phù hợp cho từng công việc vận hành, bảo dưỡng hay sửa chữa những hư hỏng thông thường trên máy thi công nền; B2. Đọc được ký hiệu nhiên liệu, dầu bôi trơn, mỡ bôi trơn; - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: C1. Bảo quản được các loại nhiên liệu, dầu, mỡ bôi trơn theo quy định kỹ thuật; C2. Chấp hành đúng nội quy, quy định về công tác an toàn và vệ sinh công nghiệp 1. Chương trình khung nghề Vận hành máy thi công nền Mã Tên môn Số tín chỉ Thời gian đào tạo (giờ) 6
Trong đó Thực MH/ học, Môn Tổng hành/thực Lý Kiểm MĐ học số tập/Thí thuyết tra nghiệm/bài tập I Các môn học chung/đại 15 255 94 148 13 cương MH 01 Chính trị 02 30 15 13 2 MH 02 Pháp luật 01 15 9 5 1 MH 03 Giáo dục thể chất 01 30 4 24 2 Giáo dục quốc phòng – An MH 04 02 45 21 21 3 ninh MH 05 Tin học 03 45 15 29 1 MH 06 Ngoại ngữ (Anh văn) 06 90 30 56 4 II Các môn học, Môn học chuyên môn ngành, nghề II.1 Các Môn học, môn học kỹ 39 1350 357 947 46 thuật cơ sở MH 07 Vẽ kỹ thuật 04 60 46 10 4 Dung sai và kỹ thuật đo MH 08 02 30 20 8 2 lường trong cơ khí MH 09 Cơ kỹ thuật 03 45 35 7 3 MH 10 Điện kỹ thuật 03 45 35 7 3 Nhiên liệu và vật liệu bôi MH 11 02 30 25 3 2 trơn An toàn lao động và vệ MH 12 02 30 25 3 2 sinh công nghiệp MH 13 Kỹ thuật thi công nền 02 30 25 3 2 Bảo dưỡng máy thi công MĐ 14 05 150 34 112 4 nền Bảo dưỡng hệ thống điện MĐ 15 02 60 20 38 2 trên máy thi công nền MĐ 16 Vận hành máy san 05 150 15 131 4 MĐ 17 Vận hành máy lu 02 60 11 47 2 MĐ 18 Vận hành máy xúc 04 120 18 98 4 MĐ 19 Vận hành máy xúc 04 120 15 101 4 MĐ 20 Vận hành máy ủi 04 120 15 101 4 MĐ 21 Vận hành máy xúc lật 02 60 7 51 2 Xử lý tình huống khi thi MĐ 22 02 60 7 52 1 công MĐ 23 Thực tập nghề nghiệp 06 180 4 175 1 Tổng cộng: 54 1605 451 1095 59 7
2. Chương trình chi tiết Môn học Tên các bài Thời gian (giờ) Số trong Môn TT Tổng Lý Thực Kiểm học số thuyết hành tra Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu, dầu mỏ 1 2 2 và chế biến dầu mỏ Chương 2: Tính chất lý hóa của sản phẩm 2 3 2,5 0,5 dầu mỏ Chương 3: Nhiên liệu sử dụng cho động cơ 3 12 10 1 1 đốt trong 4 Chương 4: Vật liệu bôi trơn 11 9 1 1 5 Chương 5: Chất tẩy rửa và làm mát 2 2 Cộng: 30 25,5 2,5 2 3. Điều kiện thực hiện môn học: 3.1. Phòng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 3.2. Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ.... 3.3. Học liệu, dụng cụ, mô hình, phương tiện: Giáo trình, mô hình thực hành, bộ dụng cụ nghề, các mẫu nhiên liệu, vật liệu bôi trơn, chất tẩy rửa, làm mát,… 3.4. Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về nhiên liệu, dầu mỏ, vật liệu bôi trơn tại các doanh nghiệp, nhà máy sản xuất. 4. Nội dung và phương pháp đánh giá: 4.1. Nội dung: - Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức - Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp. + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. 4.2. Phương pháp: Người học được đánh giá tích lũy môn học như sau: 4.2.1. Cách đánh giá 8
- Áp dụng quy chế đào tạo Trung cấp hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội. - Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Cơ giới như sau: Điểm đánh giá Trọng số + Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40% + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học 60% 4.2.2. Phương pháp đánh giá Phương pháp Phương pháp Hình thức Chuẩn đầu ra Số Thời điểm đánh giá tổ chức kiểm tra đánh giá cột kiểm tra Thường xuyên Viết/ Tự luận/ A1, A2, C1, C2 1 Sau 10 giờ. Thuyết trình Trắc nghiệm/ Báo cáo Định kỳ Viết và Tự luận/ A3, B1, C1, C2 2 Sau 20 giờ thực hành Trắc nghiệm/ thực hành Kết thúc môn Vấn đáp và Vấn đáp và A1, A2, B1, B2, C1, 1 Sau 30 giờ học thực hành thực hành C2, trên mô hình 4.2.3. Cách tính điểm - Điểm đánh giá thành phần và điểm thi kết thúc môn học được chấm theo thang điểm 10 (từ 0 đến 10), làm tròn đến một chữ số thập phân. - Điểm môn học là tổng điểm của tất cả điểm đánh giá thành phần của môn học nhân với trọng số tương ứng. Điểm môn học theo thang điểm 10 làm tròn đến một chữ số thập phân, sau đó được quy đổi xúcg điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4 theo quy định của Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ. 5. Hướng dẫn thực hiện môn học 5.1. Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Trung cấp Vận hành máy thi công nền 5.2. Phương pháp giảng dạy, học tập môn học 5.2.1. Đối với người dạy * Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: Trình chiếu, thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập cụ thể, câu hỏi thảo luận nhóm…. * Thực hành: 9
- Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập thực hành theo nội dung đề ra. - Khi Thực hành Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và sửa sai tại chỗ cho người học. - Sử dụng các mô hình, học cụ mô phỏng để minh họa. * Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra. * Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân công các thành viên trong nhóm tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày nội dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm. 5.2.2. Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau: - Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu...) - Sinh viên trao đổi với nhau, thực hiện bài thực hành và báo cáo kết quả - Tham dự tối thiểu 70% các giờ giảng tích hợp. Nếu người học vắng >30% số giờ tích hợp phải học lại Môn học mới được tham dự kì thi lần sau. - Tự học và thảo luận nhóm: Là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 2-3 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm. - Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ. - Tham dự thi kết thúc môn học. - Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học. 6. Tài liệu tham khảo: [1]. GS.TS. Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, Nhà xuất bản Giáo dục, 2000 [2]. Ths. Văn Thị Bông, Nhiên liệu, dầu mỡ và chất lỏng chuyên dùng, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh [3]. Ths. Nguyễn Quang Trung, Nhiên liệu và vật liệu bôi trơn, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng [4]. Ths. Đỗ Quốc Ấm, Chuyên đề Nhiên liệu và dầu mỡ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh [5]. PGS.TS. Nguyễn Văn Nhận, Nhiên liệu và môi chất chuyên dụng, Trường Đại học Nha Trang 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU, DẦU MỎ VÀ CHẾ BIẾN DẦU MỎ Mã bài: MH11-01 Giới thiệu: Nhiên liệu là không thể thiếu đối với động cơ sử dụng trên các loại máy thi công nền. Ứng với loại động cơ có thể sử dụng nhiên liệu xăng hay dầu diesel. Bài học này giúp cho người thợ vận hành biết được đặc điểm, tính chất của từng loại nhiên liệu và cách chế biến của từng loại nhiên loại đó. Mục tiêu: - Nêu được thành phần của dầu mỏ; - Trình bày được tính chất của các loại Cacbuahydro có trong dầu mỏ; - Rèn luyện tính cẩn thận chính xác, đảm bảo an toàn. Phương pháp giảng dạy và học tập bài mở đầu - Đối với người dạy: Sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề, thao tác mẫu, uốn nắn và sửa sai tại chỗ cho người học); yêu cầu người học nhớ các giá trị đại lượng, đơn vị của các đại lượng. Các bước quy trình thực hiện. - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học, thực hiện thao tác theo hướng dẫn. Điều kiện thực hiện bài học - Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Xưởng chuyên môn máy thi công - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác, mô hình thực hành và các mẫu nhiên liệu, vật liệu..... - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan. - Các điều kiện khác: Không có Kiểm tra và đánh giá bài học - Nội dung:  Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức  Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.  Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. 11
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. - Phương pháp:  Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)  Kiểm tra định kỳ lý thuyết: không có Kiểm tra định kỳ thực hành: không có Nội dung chính: 1. DẦU MỎ Dầu mỏ thường ở thể lỏng nhớt, nhưng cũng có loại dầu ngay ở nhiệt đô thường đã đông đặc lại. Dầu mỏ có màu sắc thay đổi từ vàng nhạt tới đen sẫm, có ánh huỳnh quang. Độ nhớt của dầu mỏ thay đổi trong một khoảng rất rộng, từ 5 tới 100 cSt (10 -6 m2/s) và có thể hơn nữa. Độ nhớt lớn hơn hàng trăm lần so với nước nhưng tỷ trọng lại thấp hơn. Dầu mỏ là sản phẩm phân hủy của xác động thực vật trong các lớp trầm tích, dưới tác dụng phá hủy của các vi khuẩn hiếu khí. Dầu mỏ hình thành và có thể di chuyển khỏi nơi xuất hiện ban đầu dưới tác động của các quy luật địa - vật lý, hóa - lý tự nhiên. Dầu mỏ sẽ ngừng dịch chuyển và tồn tại ở những nơi có điều kiện địa chất thích hợp, hình thành những vỉa dầu. Các vỉa dầu thường ở sâu trong lòng đất khoảng 2.000m trở lên. Muốn khai thác dầu mỏ, người ta phải khoan những giếng khoan tới vỉa dầu. Dầu mỏ có thể tự phun lên do áp suất cao tại các giếng dầu hoặc có thể được hút lên bằng các kỹ thuật và phương tiện bơm hút phù hợp. Khí dầu mỏ tồn tại ở hai dạng: khí đồng hành và khí thiên nhiên. Ở vỉa dầu, áp suất rất lớn, một lượng khí dầu mỏ hòa tan trong dầu. Khi khai thác dầu mỏ, áp suất giảm chúng sẽ chuyển thành thể khí đi kèm theo dầu, gọi là khí đồng hành. Cũng có những mỏ khí tồn tại riêng không có dầu, gọi là khí thiên nhiên. Dầu mỏ và khí thiên nhiên có một ý nghĩa trọng đại trong sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Từ dầu khí người ta chế biến thành các loại nhiên liệu cung cấp năng lượng cho hoạt động của phần lớn những chủng loại động cơ, thiết bị, máy móc. Ngoài nhiên liệu, từ dầu mỏ người ta sản suất các loại dầu mỡ khác nhau, các loại nhựa đường,.... Cũng từ nhiên liệu dầu khí con người đã tạo lập ra một ngành công nghiệp hùng mạnh vào bậc nhất trên thế giới là ngành công nghiệp hóa dầu. 1.1.Thành phần của dầu mỏ và khí tự nhiên 1.1.1.Thành phần nguyên tố của dầu mỏ và khí tự nhiên Những nguyên tố chủ yếu tạo nên các hợp phần của dầu mỏ là cacbon (C) và hydro (H). Hàm lượng cacbon chiếm 83,5-87% và hydro chiếm 11,5-14% khối lượng dầu mỏ. Hàm lượng hydro trong dầu mỏ cao hơn hẳn so với các khoáng vật có nguồn gốc động, thực vật phân hủy khác, như trong than bùn chỉ là 8%. Chính hàm lượng hydro cao so với cacbon giải thích nguyên nhân dầu mỏ tồn tại ở trạng thái lỏng. 12
Cũng với cacbon và hydro, trong tất cả các loại dầu mỏ đều có lưu huỳnh (S), oxy (O) và nitơ (N). Tổng hàm lượng S, O, N rất hiếm khi vượt quá 2-3% khối lượng. Trong số các nguyên tố này, nitơ chiếm phần nhỏ, khoảng 0,001-0,3%. Hàm lượng oxy khoảng 0,1 – 1%, tuy nhiên có loại dầu nhiều nhựa oxy chiếm tới 2-3%. Hàm lượng lưu huỳnh chiếm phần chủ yếu. Ở loại dầu ít lưu huỳnh, hàm lượng S chiếm 0,1-1% khối lượng (dầu mỏ Việt Nam có rất ít lưu huỳnh, hàm lượng lưu huỳnh nhỏ hơn 0,1%). Loại dầu nhiều lưu huỳnh có hàm lượng lưu huỳnh lên tới 1-3% khối lượng hoặc hơn nữa như trong một số dầu mỏ Mexico hàm lượng lưu huỳnh lên tới 3,65-5,30%, dầu Uzơbekistan 3,2-6,3%. Dầu mỏ ít lưu huỳnh là dầu ngọt, có giá trị kinh tế cao, ngược lại, dầu mỏ nhiều lưu huỳnh là dầu chua, giá trị thấp. Tồn tại trong dầu mỏ với hàm lượng thấp còn có một số nguyên tố khác, chủ yếu là các kim loại như Vanadi (V), niken (Ni), sắt (Fe), magie (Mg), crom (Cr), titan (Ti), coban (Co), kali (K), canxi (Ca), natri (Na) cũng như phốtpho (P) và silic (Si). Hàm lượng những nguyên tố này rất nhỏ, tuy vậy sự tồn tại của một số nguyên tố này cũng gây khó khăn cho các dây chuyền cho công nghệ chế biến dầu, do các hợp chất vanadi và niken ảnh hưởng đến đa số chủng loại xúc tác hóa dầu. Các nguyên tố kim loại này thường tồn tại dưới dạng các hợp chất cơ kim, cấu tạo phức tạp có trong phần cặn dầu. 1.1.2.Thành phần hóa học của dầu mỏ và khí tự nhiên Thành phần chủ yếu tạo nên dầu khí là hydrocacbon. Hydrocacbon là những hợp chất hữu cơ cấu tạo bởi hai nguyên tố hóa học là hydro (H) và cacbon (C). Những phân tử các chất hydrocacbon này khác nhau bởi số lượng nguyên tử C và cách sắp xếp các nguyên tử C, từ đó hình thành nên những nhóm hydrocacbon với cấu trúc hóa học khác nhau và có tính chất dị biệt. 1.1.2.1 Nhóm hydrocacbon parafin (hydrocacbon al-kan hay hydrocacbon no) bao gồm các hydrocacbon có công thức tổng quát C nH2n+2. Trong đó n chính là số cacbon có trong mạch phân tử. Ở phân tử hydrocacbon parafin, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo nên một mạch cacbon hở, bằng liên kết đơn bền vững nên có tên là hydrocacbon no. Ở nhiệt độ và áp suất thường (250C và 1bar), hydrocacbon parafin có thể ở các trạng thái khác nhau : Thể khí (khi n = 1,2,3,3) như khí metan (CH 4), etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10). Thể lỏng (khi n = 5-17), như hexan (C 6H14), heptan (C7H16), octan (C8H18), nonan (C9H20), decan (C10H22), xetan (C16H34),… Thể rắn (khi n=18) trở lên như octadecan (C18H38), nonadecan (C19H40),... Cả ba trạng thái của nhóm hydrocacbon parafin đều có trong dầu mỏ. Khi nằm trong vỉa dầu các hydrocacbon khí ở thể hòa tan trong dầu thô. Khi ra khỏi vỉa trong quá trình khai thác, do áp suất giảm chúng chuyển thành thể khí, đó là khí đồng hành có thành phần là khí metan, etan, propan, butan, và một phần pentan (C 5H10). Trong các mỏ khí tự nhiên 13
thành phần khí cũng bao gồm các hydrocacbon từ C 1 tới C5, nhưng nhiều thành phần nhẹ là metan hơn. Các hydrocacbon parafin rắn cũng hòa tan trong các hydrocacbon thể lỏng. Như vậy có thể hiểu dầu mỏ là một thể hỗn hợp các hydrocacbon, trong đó các hydrocabon khí và rắn hòa tan trong các hydrocacbon lỏng Hydrocacbon parafin có hai dạng cấu tạo hóa học: Các nguyên tử cacbon liên kết thành mạch thẳng gọi là dạng n-parafin hay n-alkan như n-octan (n-C8H18). Các nguyên tử cacbon liên kết thành mạch nhánh gọi là dạng iso-parafin hay iso-alkan như iso-octan (2.2.4-trimetylpentan) 1.2.2.2. Nhóm hydrocacbon naphten (hydrocacbon vòng no) bao gồm các hydrocacbon có công thức tổng quát là CnH2n. Trong đó n là số nguyên tử cácbon trong mạch phân tử. Ở phân tử hydrocacbon naphten, các nguyên tử cácbon liên kết với nhau tạo nên một vòng cácbon kín bằng liên kết đơn bền vững, nên có tên là hydrocacbon vòng no. Loại hydrocacbon naphten chủ yếu là vòng năm cacbon và vòng sáu cacbon có tên là cyclopentan và cyclohexan. 1.2.2.3. Nhóm hydrocacbon aromat (hydrocacbon thơm) bao gồm các hydro cacbon có công thức tổng quát CnH2n-6. Trong đó n chính là số cácbon trong mạch phân tử. Ở nhóm hydrocacbon aromat, có một chất cơ bản là benzen với công thức nguyên là C 6H6. Trong phân tử benzen, sáu nguyên tử cacbon liên kết thành một vòng có ba liên kết đơn và ba liên kết đôi sắp xếp liên hợp với nhau. Trên cơ sở vòng benzen hình thành các hydrocacbon thơm khác nhau chủ yếu bằng cách thế các nguyên tử hydro bằng các gốc alkyl với độ dài và cấu trúc mạch khác nhau. 14
1.2.2.3. Nhóm hydrocacbon olefin còn có tên hydrocacbon alken hay hydrocacbon không no, bao gồm các hydrocacbon có công thức tổng quát C nH2n. Trong đó n là số cacbon trong mạch phân tử. Ở phân tử hydrocacbon olefin, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo nên một mạch cacbon hở, bằng liên kết đơn và liên kết đôi kém bền vững. Do đó các olefin có hoạt tính cao, kém ổn định, kém bền. Các olefin cũng có cấu trúc mạch thẳng (normal) và nhánh (izo). Các hydrocacbon olefin không có mặt trong dầu thô và khí thiên nhiên, nhưng lại tồn tại với hàm lượng đáng kể trong các sản phẩm chế biến từ dầu mỏ, nhất là các loại khí, các loại xăng và các nhiên liệu khác thu được từ một số dây chuyền công nghệ chế biến sâu của nhà máy lọc dầu. 1.1.2.4. Những thành phần khác Trong khí dầu mỏ ngoài các hợp phần hydrocacbon còn có các khí khác như khí cacbonnic (CO2), khí nitơ (N2), khí sunfua hydro (H2S) và các khí trơ argon (Ar), heli (He) … Trong dầu có những thành phần phức tạp như các chất nhựa asphalten là các hợp chất thơm ngưng tụ, có khối lượng phân tử cao nhựa chất nhựa có khối lượng phân tử bằng 600- 1000, còn asphalten có khối lượng phân tử lên tới 1000-2500 hoặc cao hơn. Nhựa asphalten có tính ổn định hóa học kém, dễ bị oxy hóa, dễ làm sản phẩm dầu mỏ biến chất, đổi màu, dễ tạo cốc và làm ảnh hưởng xấu các quá trình xúc tác trong chế biến dầu. Ngoài nhựa asphlten trong dầu thô còn có các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ và các kim loại nặng. Đây đều những tạp chất làm giảm chất lượng của dầu, gây độc hai cho quá trình chế biến dùng xúc tác, đồng thời gây ăn mòn kim loại và ô nhiễm môi trường. 2. SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU MỎ 15
Nghành công nghiệp chế biến dầu mỏ phát triển rất nhanh, nhất là sau chiến tranh thế giới lần thứ hai cho tới nay. Theo đánh giá chung trong tương lai lâu dài, dầu mỏ vẫn còn chiếm vị trí rất quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hóa học mà không loại nguyên liệu nào có thể thay thế được. Dầu mỏ sau khi khai thác sẽ qua khâu xử lý tách nước, tách muối và được đưa vào nhà máy lọc dầu để chế biến thành các sản phẩm đa dạng và phong phú. Công nghệ chế biến dầu mỏ chủ yếu qua ba công đoạn chính là tách dầu mỏ thành các phân đoạn riêng biệt bằng chưng cất, biến đổi thành các dạng hidrocacbon thích hợp bằng các quá trình chế hóa (hình 1.1) và tinh luyện để loại bỏ những thành phần không mong muốn, có hại. 2.1. Chưng cất dầu mỏ Chưng cất dầu mỏ là chế biến trực tiếp dầu mỏ trong các tháp chưng cất với các điều kiện về áp suất và nhiệt độ khác nhau để tách dầu mỏ thành các phân đoạn riêng biệt có phạm vi độ sôi thích hợp. Trong quá trình chưng cất không xảy ra sự biến đổi hóa học thành dầu mỏ. Quá trình chưng cất được tiến hành theo hai giai đoạn: Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ chế biến dầu mỏ 2.1.1. Chưng cất khí quyển Dầu mỏ được đưa vào trong lò ống, tại đó dầu được đun nóng lên tới 330-350 0C, chuyển thành hơi di chuyển lên tháp tinh cất. Tháp có cấu tạo đĩa hoặc vật liệu nhồi để tăng 16
cường quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa hai luồng vật chất ở thể lỏng và thể hơi vận chuyển nguợc chiều nhau, nhờ đó có thể phân chia hỗn hợp hơi dầu mỏ thành các phân đoạn có phạm vi độ sôi khác nhau. Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng, phạm vi độ sôi của các phân đoạn chỉ là tương đối, có thể thay đổi, phụ thuôc vào yêu cầu chất lượng sản phẩm, vào đặc tính dầu thô chưng cất và những tính toán cụ thể của nhà sản xuất nhằm thu được hiệu quả kinh tế cao nhất. Những phân đoạn chủ yếu của chưng cất khí quyển là: - Xăng thô (naphtha) từ 40 đến 2000C. - Dầu hỏa (kerosinc) từ 140-3000C. - Phân đoạn điêzen (gas oil) từ 230-3500C. - Cặn chưng cất (residue) độ sôi lớn hơn 3500C. Phân đoạn naphta còn gọi là xăng chưng cất, nó có thể dùng pha chế với các loại xăng khác làm xăng thương phẩm. Ngoài ra có thể chưng cất xăng thô thành các phân đoạn có phạm vi sôi hẹp hơn là naphta nhẹ, naphta trung bình, naphta nặng dùng làm nguyên liệu cho các quá trình chế biến sau. Phân đoạn kerosin (KO) có thể tinh chế dung làm nhiên liệu phản lực. Ngoài ra cũng có thể dùng kerosin làm khí đốt hay làm nguyên liệu cho các dây chuyền công nghệ khác. Phân đoạn gasoil có thể dùng làm nhiên liệu cho động cơ diezen (DO), đồng thời có thể dùng làm nguyên liệu cho quá trình chế biến sau. Phân đoạn cặn chưng chất khí quyển còn gọi là cặn mazut (resi-duc) có thể dùng làm nhiên liệu đốt lò (FO) hoặc chuyển vào tháp chưng cất khí quyển – chân không để tách làm các phân đoạn nặng có phạm vi độ sôi khác nhau. 2.1.2. Chưng cất khí quyển – chân không Cặn chưng cất khí quyển được đưa vào tháp chưng cất khí quyển chân không. Tại dây mazut được phân chia thành 3 phân đoạn và phần cặn: - Phân đoạn nhẹ (lingt fraction) - Phân đoạn trung bình (midle fraction) - Phân đoạn nặng (heavy fraction) - Phần cặn (vacuum residue hay gudron), có độ sôi > 5000C Ba phân đoạn này sử dụng làm nguyên liệu chế biến ba loại dầu nhờn gốc. Phần cặn chưng cất chân không có thể dùng làm nguyên liệu tách lọc dầu nhờn cặn (bright stok) hay nguyên liệu sản xuất bitum, hoặc làm nguyên liệu cho công nghệ chế biến sau. 2.2. Các công nghệ chế hóa dầu mỏ Quá trình chưng cất dầu mỏ chủ yếu dựa vào tính chất vật lý là bay hơi và ngưng tụ. Trong quá trình chưng cất không xảy ra các quá trình hóa học biến đổi thành phần 17
hydrocacbon có trong dầu do đó hiệu suất và chất lượng các sản phẩm chưng cất không đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Để nâng cao chất lượng cũng như hiệu suất các loại sản phẩm có giá trị kinh tế, cần có những quá trình biến đổi các thành phần chứa trong dầu mỏ. 2.2.1. Cracking Cracking là quá trình bẻ gãy mạch cacbon của hydrocacbon. Trong công nghệ dầu mỏ, quá trình này được ứng dụng để biến đổi các phân đoạn nặng thành các sản phẩm nhẹ tương ứng với các khoảng sôi của các sản phẩm như xăng, kerosen, diesel. Có thể thực hiện phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ (cracking nhiệt) và xúc tác (cracking xúc tác) Cracking nhiệt là quá trình phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt, thực hiện ở nhiệt độ 470-5400C, áp suất 20-70 at. Mục tiêu quá trình nhằm thu hồi xăng từ phần nặng và thu hồi một số olefin sử dụng trong công nghiệp tổng hợp hoá dầu. Nguyên liệu của công đoạn này là phần cặn chưng cất mazut và gudron cũng như các phần cặn của quá trình chế biến khác. Quá trình cracking nhiệt đơn thuần cho ra các sản phẩm kém giá trị, do đó người ta sáng tạo ra các công nghệ kết hợp sử dụng nhiệt với các chất xúc tác (cracking xúc tác) để nâng cao chất lượng sản phẩm thu đựơc. Các chất xúc tác được sử dụng có tác dụng: - Tăng tốc độ phản ứng. - Làm giảm nhiệt độ cần thiết của phản ứng. - Tăng tính chọn lọc (hướng phản ứng theo hướng cần thiết). Mục đích của cracking xúc tác nhằm biến đổi các phân đoạn dầu mỏ có phân tử lượng lớn thành các cấu tử xăng có chất lượng cao. Ngoài ra còn thu thêm các sản phẩm phụ khác như khí, nhiên liệu diezen. Các chất xúc tác thường dùng là các alumino silicat dạng vô định hình hoặc tinh thể zeolit. 2.2.2. Reforming xúc tác Dây chuyền reforming xúc tác nhằm thu được xăng có chất lượng cao, hỗn hợp hydrocacbon thơm và khí hydro kỹ thuật nhờ quá trình chuyển hóa xúc tác các phân đoạn naphta của chưng cất hoặc chế biến sau. Xúc tác sử dụng có thể là hệ đơn kim loại, nhị kim loại hoặc đa kim loại, chủ yếu là bạch kim (Pt) với chất kích hoạt xúc tác ở dạng axit là flor (F) hoặc clo (Cl). Nguyên liệu dùng cho reforming xúc tác tùy thuộc vào nhu cầu sản phẩm nên rất khác nhau: - Để sản xuất xăng dùng phân đoạn naphta rộng (60 – 900C tới 1800C). - Để sản xuất các hydrocacbon thơm benzen, tuloen và xylen dùng các phân đoạn naphta hẹp có phạm vi độ sôi tương ứng là 62-8500C, 85-1050C và 105-1400C. Sản phẩm thu được gồm: - Hỗn hợp khí chứa trong thành phần nhiều metan, etan, propan và butan, dùng làm nhiên 18
liệu hoặc được tách lọc thành những hợp phần thích hợp dùng cho tổng hợp hóa dầu. - Reformat là hỗn hợp lỏng có thành phần các nhóm hydrocacbon thơm 40-65%, hydrocacbon pharafin và naphten 34-59%, còn nhóm hydrocacbon không no rất ít 0,5-1,1%. Sản phẩm này có thể dùng làm hợp phần pha chế xăng thương phẩm, gọi là xăng reforming có tính ổn định hóa học tốt. Cũng do hàm lượng hydrocacbon thơm rất cao nên dùng làm nguyên liệu tách lọc các loại hydrocacbon thơm: benzen, toluen và xylen làm nguyên liệu cho hóa dầu. - Khí hydro kỹ thuật có chứa tới 75-85% thể tích khí hydro nguyên chất, được dùng làm nguồn cung cấp hydro cho các quy trình công nghệ khác như làm sạch bằng hydro, hydrocracking, đồng phân hóa… 2.2.3. Polymer hoá (polymerization) Công nghệ sản xuất xăng từ hydrocarbon ở thể khí bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều phân tử hydrocarbon nhỏ thành một phân tử hydrocarbon có nhiệt độ sôi trong phạm vi nhiệt độ sôi của xăng. Nguyên liệu cho công nghệ polymer hoá thường là butane, propane hoặc hỗn hợp butane-propane. 100 % sản phẩm thu được là olefin, trong đó chủ yếu là olefin C8 và C9 . Quá trình polymer hoá hiện nay thường được tiến hành trong điều kiện áp suất tới 50 bar, nhiệt độ tới 700 0C và có chất xúc tác. 2.2.4. Isomer hoá và Alky hoá ( isomerization, alkylation ) Trong quá trình isomer hoá, các parafin thường có cấu trúc mạch thẳng được biến đổi thành isoparafin có cấu trúc mạch nhánh. Trong quá trình alky hoá, các phân tử olefin và isoparafin ở thể khí được kết hợp thành phân tử isoparafin lỏng, thí dụ : Butene + Isobutane → Isooctane. Cả hai quá trình trên đều được tiến hành dưới tác dụng của chất xúc tác và nhằm mục đích tạo ra isoparafin có tính chống kích nổ cao 2.2.5. Hydrocracking Quy trình hydrocracking nhằm bẻ gãy các mối nối C-C có sự tham gia của hydro. Dưới ảnh hưởng của khí hydro các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy có trong nguyên liệu được hoàn toàn loại bỏ, các hợp chất không no được no hóa. Do đó sản phẩm hydrocracking hầu như chỉ là các sản phẩm sáng màu có độ sạch và tính ổn định cao, không có phần cặn dầu. Nguyên liệu cho quy trình hydrocracking khá phong phú, có thể sử dụng từ phần nhẹ naphta đến các phân đoạn nặng trong chưng cất chân không, phân đoạn gas oil của các quy trình chế biến sau, các loại dầu mazut. Sản phẩm thu được bao gồm: - Hỗn hợp khí chủ yếu là khí hydrocacbon no như propan và butan, dùng làm nguyên liệu 19
cho tổng hợp hóa dầu sau khi xử lý tách lọc. - Naphta hydrocraking có tính ổn định chống oxy hóa tốt, dùng pha chế xăng máy bay. Người ta thường chưng cất naphta này thành hai phân đoạn: xăng nhẹ dùng pha chế xăng thương phẩm. Phần nặng có thể dùng làm nguyên liệu cho quy trình reforming. - Kerosin có tính ổn định tốt dùng làm hợp phần cho nhiên liệu phản lực. 2.4. Chế biến dầu nhờn Dầu mỡ nhờn còn được gọi là dầu mỡ bôi trơn cũng là một loại sản phẩm của công nghệ chế biến dầu mỏ. Dưới dây sẽ giới thiệu nguyên tắc chế biến dầu nhờn theo phương pháp truyền thống. 2.4.1. Khử asphalten đối với cặn dầu (gudron) Là quy trình tách các chất asphalten - nhựa, các hợp chất đa vòng kém ổn định dễ biến chất, dễ tạo cốc, có độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ, nhằm thu được các phân đoạn sản xuất dầu nhờn cặn, đồng thời có thể dùng làm nguyên liệu cho các quá trình chế biến sâu khác như cracking xúc tác và hydrocracking. Dung môi sử dụng trong quy trình này để thu được nguyên liệu chế biến dầu nhờn là propan lỏng. Trong trường hợp cần thu nguyên liệu cho cracking xúc tác và hydrocracking, không cần khử asphalten triệt để, có thể dùng butan lỏng, pentan hoặc xăng nhẹ. Khi cặn dầu được xử lý bằng các loại dung môi này trong điều kiện kỹ thuật phù hợp về áp suất, nhiệt độ, tỷ lệ dung môi/nguyên liệu… thì các hợp chất cần loại bỏ sẽ lóng đọng xuống thành cặn asphalten (dùng để chế biến nhựa đường). Còn hỗn hợp đã khử asphlten sẽ được chế biến tiếp tục thành dầu nhờn cặn hoặc làm nguyên liệu cho cracking xúc tác và hydrocracking. 2.4.2. Làm sạch các phân đoạn nguyên liệu cho dầu nhờn: Nhằm mục đích tách loại khỏi các phân đoạn nguyên liệu các thành phần xấu có hại cho chất lượng của dầu nhờn, đó là các chất keo nhựa, các hợp chất hydrocacbon thơm có cấu trúc phức tạp đa vòng để nâng cao chất lượng sản phẩm: Giảm khả năng tạo cốc, tăng tính ổn định của độ nhớt đối với nhiệt độ, làm màu sắc của dầu sáng hơn. Phương pháp làm sạch là quá trình chiết tách (trích ly) lỏng - lỏng. Nguyên lý của phương pháp là dùng một dung môi chọn lọc không hòa tan các hydrocacbon có trong nguyên liệu, đồng thời có khẳ năng chiết tách các hợp phần cần loại bỏ ra khỏi nguyên liệu ở dạng cặn phân lớp với phần sản phẩm. Từ đó có thể tách phần cặn ra khỏi sản phẩm. Nguyên liệu cho quá trình làm sạch bằng dung môi chọn lọc là các phân đoạn dầu nhờn thu được từ chưng cất dưới áp suất thấp và phần cặn dầu đã khử asphalten. Dung môi chọn lọc thường dùng hiện nay là sunfuro, phenol… sản phẩm chính rafinat là nguyên liệu cho công đoạn tách lọc parafin tiếp theo để sản xuất các loại dầu nhờn gốc. Phần cặn dùng chế biến nhựa đường hoặc cacbon kỹ thuật dùng trong công nghệ sản xuất cao su. 20