CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Dầu mỏ và quá trình chế biến dầu mỏ [7], [8] 1. Định nghĩa: - Dầu mỏ là một chất lỏng hỗn hợp sánh, nhớt, có màu từ nâu sáng đến màu đen, tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng lỏng - khí, nằm sâu trong lòng đất, đáy biển, ở độ sâu từ vài trăm mét đến hàng ngàn kilomet. - Thành phần chủ yếu của dầu mỏ là một tập hợp các hydrocacbon (hợp chất của H và C), ngoài ra còn có các chất không thuộc loại hydrocacbon, tức là các hợp chất hữu cơ của oxy, nitơ, lưu huỳnh, nhựa, asphanten, các hợp chất cơ kim (hydrocacbon có chứa nguyên tố kim loại trong công thức phân tử), các nguyên tố kim loại: V, Ni, Fe, Cu, Zn, Mg,.và các tạp chất cơ học như: cát, đất, nhũ tương.
Nguồn gốc của dầu mỏ Cơ chế hình thành dầu mỏ được giải thích dựa trên 2 giả thiết: - Xuất phát từ nguồn gốc vô cơ của dầu mỏ. - Xuất phát từ nguồn gốc hữu cơ của dầu mỏ. Nguồn gốc vô cơ Theo giả thiết này, trong lòng quả đất có chứa các cacbua kim loại như Al4C3, CaC2, các chất này bị phân hủy bởi hơi nước để tạo ra CH4 và C2H2. Al4C3 + 12H2O 4Al(OH)3 + 3CH4 CaC2 + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2 Các chất khởi đầu đó (CH4 và C2H2) qua quá trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao trong lòng đất với xúc tác là các khoáng sét, tạo thành những loại hydrocacbon có trong dầu khí.
Để chứng minh cho điều đó, năm 1866, Berthelot đã tổng hợp được hydrocacbon thơm từ axetylen ở nhiệt độ cao trên xúc tác than hoạt tính. Năm 1901, Sabatier và Sendereus thực hiện phản ứng hydro hoá axetylen trên xúc tác niken và sắt ở nhiệt độ 200 300oC và đã thu được một loạt các hydrocacbon tương ứng trong thành phần của dầu mỏ. Với các thí nghiệm trên, giả thiết về nguồn gốc vô cơ của dầu mỏ đã được chấp nhận trong một thời gian khá dài. Sau này, khi trình độ khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển thì người ta bắt đầu hoài nghi luận điểm trên vì: THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ 6 - Đã phân tích được (bằng phương pháp hiện đại) trong dầu thô có chứa các porphyrin có nguồn gốc từ động vật; - Trong vỏ quả đất hàm lượng cacbua kim loại là không đáng kể; - Các hydrocacbon thường gặp trong các lớp trầm tích, tại đó nhiệt độ ít khi vượt quá 150 200oC (vì áp suất rất cao), nên không đủ nhiệt độ cần thiết cho phản ứng tổng hợp xảy ra. Chính vì vậy mà nguồn gốc vô cơ ngày càng phai mờ và ít thuyết phục. Nguồn gốc hữu cơ Theo giả thiết này thì dầu mỏ được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc hữu cơ, cụ thể là từ xác chết của động thực vật và trải qua một quá trình biến đổi phức tạp trong một thời gian dài (hàng chục đến hàng trăm triệu năm) dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau như vi khuẩn, nhiệt độ, áp suất và xác tác có sẵn trong lòng đất và đôi khi còn có sự tác động của các bức xạ ở trong lòng đất. Thực tế thì quá trình hình thành dầu khí là một quá trình lâu dài và liên tục, nhưng để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu của sự biến đổi từ các xác chết của động thực vật đến dầu khí ngày nay thì quá trình hình thành có thể được mô tả tóm tắt như sau: Giai đoạn 1: Tích đọng các vật liệu hữu cơ ban đầu: từ xác các động thực vật chết và lắng xuống đáy biển, các vi khuẩn sẽ phá hủy chúng để tạo thành khí và các sản phẩm tan trong nước.
Phần bền vững nhất không tan sẽ lắng đọng lại, qua hàng triệu năm chúng tích đọng lại thành lớp trầm tích ở đáy bể. Sự lắng đọng trong thiên nhiên xảy ra vô cùng chậm từ 12mm đến vài chục cm trong khoảng một ngàn năm. Giai đoạn 2: Biến đổi các chất hữu cơ bền vững thành các hydrocacbon ban đầu của dầu khí: Những chất hữu cơ bền vững không bị các vi khuẩn phá hủy ở giai đoạn 1, đó chính là các hợp chất lipid, một nhóm gọi chung của các chất mà đặc trưng của chúng là trong phân tử có các mạch hydrocacbon thẳng hoặc vòng như các axit béo, các rượu bậc cao. theo hàng triệu năm đã bị lún chìm.
Càng xuống sâu, nhiệt độ và áp suất càng tăng lên, có thể lên đến 100 200oC và 2001000 atm. Với điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác thời gian như vậy, các thành phần hữu cơ bền vững với vi khuẩn đều bị biến đổi do các phản ứng hoá học để tạo nên các hydrocacbon ban đầu của dầu khí. Giai đoạn 3: Di cư của dầu khí đến các bồn chứa thiên nhiên, các hydrocacbon ban đầu được tạo thành thường nằm dưới dạng phân bố rãi rác trong các lớp trầm tích chứa dầu được gọi là đá mẹ. Vì áp suất trong các lớp trầm tích rất cao, các hydrocacbon ban đầu này liền THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ 7 bị đẩy ra ngoài và buộc chúng phải tìm đường di cư đến nơi ở mới. Quá trình di cư đó thường diễn ra trong các lớp sa mạc, đá vôi hoặc các loại nham thạch có độ rỗng, xốp được gọi là đá chứa và nó sẽ ở lại nếu cấu trúc địa chất có khả năng giữ được nó và bảo vệ nó, nghĩa là tạo được những bồn chứa tự nhiên. Những bồn chứa này là những cái bẩy chỉ có vào mà không ra được, với cấu trúc bao giờ cũng có 1 tầng đá chắn ở trên có tác dụng giữ dầu và khí ở lại. Trong suốt quá trình di cư, dầu khí ban đầu sẽ chịu nhiều biến đổi hoá học, kết quả là chúng sẽ nhẹ hơn.
Giai đoạn 4: Biến đổi áp lực trong bồn chứa tự nhiên: Ở giai đoạn này tính chất của dầu khí biến đổi ít, không đáng kể. Trong trường hợp các bẩy dầu nằm không sâu lắm và các tầng đá chắn không bảo vệ tốt, dầu có thể bay hơi, nước sẽ lẫn vào oxy hoá làm dầu xấu đi. kết quả dầu lại nặng thêm, có nhiều nhựa và asphanten. Tóm lại, dầu và khí trong thiên nhiên đều có cùng nguồn gốc.
Chính vì vậy, nơi nào có dầu thì nơi đó cũng sẽ có khí hay ngược lại. Tuy nhiên, do quá trình di cư có thể khác nhau, nên mặc dù chúng sinh ra ở một nơi chúng vẫn có thể cư trú ở những nơi khác nhau. Vì vậy, có thể gặp những bẫy chứa khí nằm xa những bẩy chứa dầu. Hydrocacbon: Ít nhất lượng các hợp chất hydrocacbon lớn hơn 50% thể tích, còn nhiều nhất đạt tới 97-98% thể tích.
Các hợp chất hydrocacbon luôn có trong dầu mỏ được chia thành 5 loại sau: - Parafin có cấu trúc mạch thẳng: chiếm 25-30% thể tích - Parafin có cấu trúc mạch nhánh: chiếm 10-15% thể tích - Parafin có cấu trúc mạch vòng: chiếm 30-60% thể tích - Aromatic (hydrocacbon thơm): chiếm 5-10% thể tích - Hydrocacbon hỗn hợp: naphten-thơm: > 10% thể tích 1. Các hợp chất chứa lưu huỳnh: chiếm từ nhỏ hơn 0,3 đến lớn hơn 0,8% (có loại dầu lên đến 13%), bao gồm 2 nhóm chính: mercaptan, sunfure. Các hợp chất chứa nitơ: chiếm từ nhỏ hơn 0,01 đến 1,7%, bao gồm 3 nhóm chính: nitro, amin, cianure. Các hợp chất chứa oxy: Chiếm từ nhỏ hơn 0,05 đến 3,6% bao gồm 8 nhóm: ancol, phenol, andehyt, xeton, anhydrit, axit, este, ete.
Các tạp chất khác có trong dầu thô: Ngoài các chất chủ yếu làm nên thành phần dầu thô như đã nêu trên, dầu thô từ mỏ khai thác lên còn chứa 1 lượng nhỏ các nhóm chất sau đây: THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 8 - Các khí hydro nhẹ từ C1 đến C5 và khí vô cơ như H2S, CO2, He; - Nước các nhũ tương nước - dầu và dầu - nước; - Các chất dầu nhựa, asphanten; - Các chất phức cơ kim của V, Ni, Fe, Cu. từ vài phần vạn đến vài phần triệu; - Các chất bẩn cơ học: cát, đá, sạn. Sơ lược về quá trình chế biến dầu mỏ Quá trình chế biến dầu mỏ gồm những bước cơ bản sau: • Bước 1: Tách cặn, nước: dầu mỏ từ các giếng khai thác được đưa tới các bể lắng để tách các tạp chất cơ học và nước.
• Bước 2: Gia nhiệt: dầu mỏ được đưa tới các lò ống gia nhiệt, sau khi ra lò nó có nhiệt độ khoảng 200 325oC. • Bước 3: Chưng cất: dầu mỏ được đưa vào tháp chưng cất tùy theo mục đích mà người ta thu được các sản phẩm ở các phân đoạn sau: + Phân đoạn xăng: (còn có thể chia làm 2 phân đoạn: xăng nhẹ chứa các cấu tử từ C3 C6 có nhiệt độ sôi <110oC, xăng nặng chứa các cấu tử từ C7 C10 có nhiệt độ sôi từ 110oC 180oC) với khoảng nhiệt độ sôi < 180oC; + Phân đoạn kerosene: với khoảng nhiệt độ sôi 180oC 250oC, bao gồm các cấu tử từ C11 C15; + Phân đoạn gasoil nhẹ: với khoảng nhiệt độ sôi từ 250oC 350oC, bao gồm các cấu tử từ C16 C20; + Phân đoạn gasoil nặng hay còn gọi là dầu nhờn (tùy theo mục đích chế biến tiếp đó) với khoảng nhiệt độ sôi khoảng 350oC 500oC, bao gồm các cấu tử từ C21 C35 có thể lên đến C40; + Phân đoạn cặn goudron với khoảng nhiệt độ sôi >500oC, bao gồm các cấu tử từ C41 trở lên, có thể lên đến C50 C60. • Bước 4: Chế biến sâu hơn để được nhiều sản phẩm như ý muốn, người ta làm thay đổi cấu trúc hydrocacbon bằng cách thực hiện các quá trình cracking, alkyl hoá, reforming. • Bước 5: Tinh chế và pha thêm phụ gia cho ra các sản phẩm theo nhu cầu sử dụng.
Tầm quan trọng của các sản phẩm dầu mỏ THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 9 Các sản phẩm dầu mỏ đóng vai trò hàng đầu trong quá trình phát triển nền kinh tế quốc dân của mỗi nước. Chúng là nhiên liệu các ngành kinh tế, vận tải, công nghiệp, nông nghiệp,. Đặc biệt nó còn là nguồn nguyên liệu vô cùng quý giá cho ngành công nghiệp hoá chất.
Sản phẩm dầu mỏ là nguồn năng lượng bền vững cho nhu cầu năng lượng của toàn thế giới [9]. Tháp chưng cất ở áp suất thường 1. Nhiên liệu xăng 1. Giới thiệu chung Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng của môtô, xe máy, ôtô con,.
được gọi chung là xăng động cơ.