Nghiên Cứu Tái Sinh Dầu Nhờn Thải Của Các Loại Động Cơ

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp nghiên cứu tái sinh dầu nhờn thải của các loại động cơ để phối trộn với dầu đốt fo, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá

• Tác giả: Nguyễn Minh Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trần Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Bà Rịa - Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tái Sinh Dầu Nhờn Thải Để Phối Trộn Với Dầu Đốt FO
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ DẦU NHỜN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DẦU NHỜN
• 1.2. Mục đích và ý nghĩa của việc sử dung dầu nhờn
• 1.3. Chức năng của dầu nhờn
• 1.4. Các tính chất sử dụng của dầu nhờn
• 1.5. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu nhờn và cách xác định các chỉ tiêu đó
• 1.6. TÍNH NĂNG SỬ DỤNG VÀ CÁC PHÉP THỬ TÍNH NĂNG CỦA DẦU NHỜN
• 1.7. TÍNH CHẤT HÓA HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH DẦU NHỜN GỐC
• 1.8. LÝ THUYẾT VỀ DẦU NHỜN THẢI VÀ PHƯƠNG PHÁP TÁI SINH
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. MỤC ĐÍCH VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
• 2.2. QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 2.3. Lựa chọn phương pháp tái sinh
• 2.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT SẢN PHẨM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỀU KIÊN TÁI SINH
• 3.2. KẾT QUẢ ĐO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
• 3.3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM TÁI SINH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Tái Sinh Dầu Nhờn Thải

Nghiên cứu tái sinh dầu nhờn thải là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Việc tái chế dầu nhờn không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm nguồn tài nguyên. Theo thống kê, mỗi năm, Việt Nam thải ra khoảng 110.000 tấn dầu nhờn, trong đó dầu động cơ chiếm hơn 50%. Việc tái sinh dầu nhờn thải có thể mang lại giá trị kinh tế lớn và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Tái Sinh Dầu Nhờn

Tái sinh dầu nhờn thải giúp bảo vệ môi trường và tiết kiệm chi phí. Việc sử dụng lại dầu nhờn đã qua sử dụng có thể giảm thiểu lượng dầu thải ra môi trường, đồng thời cung cấp nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác.

1.2. Các Phương Pháp Tái Sinh Dầu Nhờn

Có nhiều phương pháp tái sinh dầu nhờn như xử lý hóa học, chưng cất chân không và hydro hóa. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được lựa chọn phù hợp với điều kiện cụ thể.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Từ Dầu Nhờn Thải

Dầu nhờn thải nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc thải dầu nhờn trực tiếp ra ngoài có thể làm ô nhiễm đất, nước và không khí. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn đến hệ sinh thái.

2.1. Tác Động Đến Môi Trường

Dầu nhờn thải có thể gây ô nhiễm nguồn nước, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt và ảnh hưởng đến đời sống sinh vật. Việc xử lý dầu nhờn thải là cần thiết để bảo vệ môi trường.

2.2. Tác Động Đến Sức Khỏe Con Người

Ô nhiễm từ dầu nhờn thải có thể gây ra nhiều bệnh tật cho con người, bao gồm các bệnh về hô hấp và da. Việc giảm thiểu ô nhiễm từ dầu nhờn thải là một nhiệm vụ cấp bách.

III. Phương Pháp Tái Sinh Dầu Nhờn Thải Hiện Đại

Các phương pháp tái sinh dầu nhờn thải hiện đại như xử lý bằng axit-bazơ đang được nghiên cứu và áp dụng. Phương pháp này giúp loại bỏ tạp chất và phục hồi chất lượng dầu nhờn, tạo ra sản phẩm có thể sử dụng lại.

3.1. Quy Trình Tái Sinh Dầu Nhờn

Quy trình tái sinh dầu nhờn bao gồm các bước như xử lý hóa học, lọc và tinh chế. Mỗi bước đều quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.2. Hiệu Quả Kinh Tế Của Tái Sinh Dầu Nhờn

Tái sinh dầu nhờn không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu giá trị. Việc áp dụng công nghệ tái sinh có thể mang lại lợi ích kinh tế lớn cho doanh nghiệp.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Dầu Nhờn Tái Sinh

Dầu nhờn tái sinh có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến giao thông vận tải. Việc sử dụng dầu nhờn tái sinh không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Dầu nhờn tái sinh có thể được sử dụng trong các máy móc công nghiệp, giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Giao Thông Vận Tải

Việc sử dụng dầu nhờn tái sinh trong các phương tiện giao thông không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm từ khí thải. Đây là một giải pháp bền vững cho ngành giao thông.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Tái Sinh Dầu Nhờn Thải

Nghiên cứu tái sinh dầu nhờn thải là một lĩnh vực quan trọng, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm nguồn tài nguyên. Việc áp dụng các công nghệ tái sinh hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm.

5.1. Tương Lai Của Tái Sinh Dầu Nhờn

Tương lai của tái sinh dầu nhờn thải hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ của công nghệ mới. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tái sinh hiệu quả sẽ là chìa khóa cho sự bền vững.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Chính Sách

Cần có chính sách hỗ trợ và khuyến khích việc tái sinh dầu nhờn thải. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền công nghiệp hiện đại, các loại phương tiện, máy móc và thiết bị cơ khí phát triển mạnh mẽ kéo theo nhu cầu tiêu thụ dầu nhờn bôi trơn rất lớn. Theo thống kê được tác giả dẫn giải trong văn bản, mỗi năm toàn thế giới tiêu thụ gần 40 triệu tấn dầu nhờn, trong đó dầu nhờn động cơ chiếm tới 60%. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng dầu bôi trơn đạt khoảng 110.000 tấn mỗi năm với nhiều chủng loại, riêng dầu động cơ chiếm trên 50%. Khi các chi tiết máy chuyển động, lực ma sát cơ học làm phát sinh nhiệt lượng, gây mài mòn, làm giảm độ chính xác và tiêu hao năng lượng vận hành. Tổn thất do ma sát và mài mòn gây ra chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng thu nhập quốc dân của nhiều quốc gia: Cộng hòa Liên bang Đức thiệt hại hàng năm từ 32 đến 40 tỷ DM (ngành công nghiệp 8,3 - 9,4 tỷ; giao thông vận tải 17 - 23 tỷ; năng lượng 2,67 - 3,2 tỷ); Canada tổn thất hơn 5 tỷ USD Canada mỗi năm với chi phí bảo dưỡng sửa chữa chiếm 46% chi phí đầu tư ban đầu; tại Việt Nam thiệt hại ước tính lên đến vài triệu USD mỗi năm. Việc sử dụng màng dầu bôi trơn phù hợp có khả năng giảm hệ số ma sát từ 100 đến 1000 lần so với khi tiếp xúc khô.

Tuy nhiên, hầu như toàn bộ lượng dầu nhờn sau chu kỳ bôi trơn đều bị xả thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên. Hành vi này gây lãng phí tài nguyên hydrocacbon có khả năng tái sử dụng, đồng thời phát sinh nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng đối với nguồn nước, thổ nhưỡng và hệ sinh thái. Các công nghệ tái sinh dầu nhờn tiên tiến trên thế giới như chưng cất chân không phân đoạn sâu, trích ly bằng dung môi chọn lọc hay hydro hóa làm sạch đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị rất cao, công nghệ phức tạp nên khó triển khai đại trà tại các nước đang phát triển. Ở Việt Nam vào thời điểm năm 2012, hoạt động tái sinh dầu nhờn chủ yếu tồn tại ở quy mô xưởng nhỏ lẻ, áp dụng phương pháp thủ công đơn giản, thiếu thông số công nghệ chuẩn hóa nên hiệu quả thu hồi và chất lượng dầu chưa cao. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài lựa chọn nghiên cứu quy trình công nghệ tái sinh dầu nhờn thải bằng phương pháp axit - bazơ nhằm mục đích phối trộn với dầu đốt lò FO (Fuel Oil).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 2 nội dung chính:

1. Tìm hiểu và tổng hợp các công trình nghiên cứu về công nghệ tái chế, tái sinh dầu nhờn thải trước đây.
2. Khảo sát thực nghiệm các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tái sinh dầu thải bằng phương pháp axit - bazơ để lựa chọn bộ thông số tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mẫu dầu nhờn thải thu gom từ các động cơ xe ô tô và động cơ xe máy đã qua sử dụng.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc Khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ từ ngày 05/02/2012 và hoàn thành ngày 27/07/2012.
• Phạm vi công nghệ: Ứng dụng phản ứng xử lý hóa học với axit sunfuric đặc và dung dịch kiềm natri hydroxyt để loại bỏ tạp chất, nhựa và asphanten; kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm tái sinh theo tiêu chuẩn ASTM và đối chiếu với tiêu chuẩn nhiên liệu đốt lò TCVN 6239-2002.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên bản chất hóa học của phân đoạn dầu nhờn khoáng và cơ chế suy thoái của dầu bôi trơn trong buồng đốt động cơ. Dầu nhờn thương phẩm gồm dầu nhờn gốc phối trộn cùng hệ phụ gia (chiếm từ 0,01% đến 10% khối lượng tùy mục đích). Thành phần hydrocacbon trong dầu nhờn gốc bao gồm:

• Nhóm naphten - parafin (chiếm 41 - 68% thể tích): Trong đó iso-parafin là cấu tử tối ưu nhất do có tính nhớt nhiệt tốt và chỉ số độ nhớt (VI) rất cao (ví dụ iso-parafin C21-C24 có chỉ số VI từ 118 đến 170 như 2-metyl-tricozan đạt VI = 170, 2-metyl-eicozan đạt VI = 165); n-parafin mạch dài (>C20) dễ kết tinh dạng sáp làm giảm độ linh động ở nhiệt độ thấp; các vòng naphten (từ 1 đến 5 vòng, một số trường hợp lên tới 7 - 9 vòng) có cấu trúc ngưng tụ hoặc không ngưng tụ.
• Nhóm hydrocacbon thơm và naphten - thơm: Phân đoạn nhẹ (350 - 400°C) chứa đồng đẳng benzen; phân đoạn nặng (400 - 450°C và trên 450°C) chứa hydrocacbon thơm đa vòng và cấu trúc lai hợp, là những cấu tử dễ bị oxy hóa tạo nhựa và cặn keo.
• Các hợp chất phi hydrocacbon và tạp chất: Gồm hợp chất chứa lưu huỳnh (sunfua, disunfua, thiophen), hợp chất chứa nitơ (carbazol, pyrol, pyridin, quinolin), hợp chất chứa oxy (axit naphtenic, axit asphantenic gây ăn mòn kim loại), cùng lượng vết các nguyên tố kim loại (Ni, V, Cu, Fe).
• Hệ phụ gia sử dụng: Phụ gia chống oxy hóa phân hủy gốc tự do (dẫn xuất phenol, amin, kẽm dialkyl dithiophotphat nồng độ 0,005 - 0,5%), chất thơm nhiệt bảo vệ bề mặt (0,5 - 3%), phụ gia tẩy rửa phân tán (2 - 10%, trị số kiềm tổng TBN 50 - 70 mg KOH/g), phụ gia hạ điểm đông đặc, chống tạo bọt và ức chế ăn mòn.

Trong quá trình động cơ làm việc dưới điều kiện nhiệt độ cao và có sự tiếp xúc của oxy không khí, dầu bị oxy hóa, hình thành axit hữu cơ, nhựa, asphanten, cặn bùn cacbon, đồng thời nhiễm mạt kim loại mài mòn, bụi khí quyển và bị pha loãng bởi nhiên liệu chưa cháy hết.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả áp dụng là công nghệ hóa học axit - bazơ kết hợp tách pha trọng lực:

• Axit sunfuric đậm đặc (H2SO4) được sử dụng làm tác nhân sunfat hóa, ngưng tụ và keo tụ các hợp chất nhựa, cặn asphanten, tạp chất oxy hóa và phụ gia phân hủy để tạo thành khối cặn bùn axit (acid sludge) có tỷ trọng lớn lắng xuống đáy thiết bị.
• Dung dịch kiềm natri hydroxyt (NaOH nồng độ 40%) thực hiện chức năng trung hòa lượng axit vô cơ dư thừa và xà phòng hóa các hợp chất axit hữu cơ tan trong dầu, chuyển chúng thành muối natri không tan trong pha dầu.
• Quá trình rửa nước nóng và lắng tách pha giúp loại bỏ hoàn toàn các hợp chất xà phòng và muối vô cơ hòa tan.

Phương pháp kiểm nghiệm tính chất sản phẩm dựa trên hệ thống tiêu chuẩn quốc tế ASTM (American Society for Testing and Materials):

• Độ nhớt động học tại 40°C và 100°C theo ASTM-D.445; tính toán chỉ số độ nhớt VI theo phương pháp quy ước dựa trên các thông số L, U, H.
• Nhiệt độ chớp cháy cốc hở theo ASTM-D (Cleveland Open Cup).
• Trị số axit tổng (TAN) theo ASTM-D.664 hoặc ASTM-D.974.
• Hàm lượng cặn Conradson theo ASTM-D.
• Hàm lượng tạp chất cơ học theo ASTM-D.
• Hàm lượng lưu huỳnh tổng theo ASTM-D.129 (phương pháp bom đốt oxy hóa) hoặc ASTM-D.1552.
• Hàm lượng nước theo phương pháp chưng cất ASTM-D.

Toàn bộ số liệu thực nghiệm sau xử lý được đối chiếu với Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6239-2002 đối với nhiên liệu đốt lò (FO).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ DẦU NHỜN

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện về dầu nhờn bôi trơn, bao gồm:

• Mục đích, ý nghĩa và 5 chức năng cơ bản của dầu nhờn: Giảm ma sát và mài mòn, tản nhiệt làm mát động cơ, làm kín buồng đốt xylanh, tẩy rửa cuốn trôi cặn bẩn vào bầu lọc, bảo vệ bề mặt kim loại chống ăn mòn hóa học và rỉ sét.
• Phân tích chi tiết các tính chất sử dụng và phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn: Bản chất ma sát nội và độ nhớt động lực (định luật Newton, đơn vị Pa.s, cP), độ nhớt động học (cSt, mm²/s), độ nhớt quy ước Engle (°E); chỉ số độ nhớt VI phân loại dầu gốc thành HVI (VI > 85), MVI (VI từ 30 đến 85) và LVI (VI < 30); màu sắc theo ASTM-D.1500 (thang màu 0,5 - 8,0); khối lượng riêng và độ trọng lượng API; điểm chớp cháy, điểm bắt lửa và điểm anilin (ASTM-D.661); cặn cacbon Conradson (ASTM-D) và Ramsbottom (ASTM-D.524); hàm lượng tro và tro sunfat (ASTM-D.482, ASTM-D.874 với mức 0,8 - 1,5% ở dầu động cơ); hàm lượng lưu huỳnh; hàm lượng nước; sức căng bề mặt (ASTM-D.971); điểm đông đặc (ASTM-D.97); hàm lượng clo (ASTM-D.808, ASTM-D.1317); mức độ pha tạp nhiên liệu xăng/diesel (ASTM-D.322); cặn không tan (ASTM-D.893); độ bền oxy hóa (ASTM-D.9473, ASTM-D.2272, IP 48/49); độ bền nhiệt (ASTM-D.2160); đặc tính tạo bọt (ASTM-D.892).
• Thành phần hóa học và công nghệ chế biến dầu nhờn gốc: Tỷ lệ phân đoạn hydrocacbon trong dầu nhờn gồm 13,5% n-parafin, 10,5% thơm 1 vòng + naphten, 8,1% thơm 2 vòng + naphten, 6,6% thơm 3 vòng + naphten, 8,0% thơm nhiều vòng ngưng tụ với chất phi hydrocacbon; sơ đồ công nghệ sản xuất từ cặn mazut qua chưng cất chân không, trích ly dung môi (furfural, phenol, NMP), khử asphalt cặn gudron bằng propan lỏng, tách sáp parafin và làm sạch bằng hydro hoặc axit sunfuric - đất sét; cơ chế và nồng độ pha chế của các hệ phụ gia (phụ gia chống oxy hóa, phụ gia tẩy rửa phân tán, phụ gia chống rỉ, phụ gia hạ điểm đông đặc).
• Lý thuyết về dầu nhờn thải: Nguyên nhân gây biến chất dầu do nhiệt độ, phản ứng oxy hóa và tạp chất; bản chất của quá trình tái sinh và tổng kết các công nghệ tái sinh trên thế giới (xử lý hóa chất, chưng cất chân không, trích ly dung môi, hydro hóa) cùng thực trạng các cơ sở tái chế quy mô nhỏ tại Việt Nam.

Chương II: THỰC NGHIỆM

Chương hai tập trung vào việc thiết kế và triển khai quy trình thực nghiệm tái sinh tại phòng thí nghiệm:

• Cơ sở lý thuyết phương pháp: Lựa chọn công nghệ axit - bazơ vì đặc tính thiết bị đơn giản, hóa chất thông dụng, chi phí vận hành thấp, thích hợp với quy mô xử lý vừa và nhỏ.
• Nguyên liệu và hóa chất: Dầu nhờn thải động cơ xe ô tô và xe máy; axit sunfuric đậm đặc kỹ thuật; dung dịch kiềm NaOH nồng độ 40%; nước cất và nước sạch gia nhiệt.
• Mô tả hệ thống thiết bị thực nghiệm:
  • Bộ thiết bị khử nước: Hệ thống đun gia nhiệt hở nhằm làm bay hơi toàn bộ lượng nước tự do và nước nhũ tương lẫn trong dầu nhờn thải.
  • Bộ thiết bị xử lý dầu bằng axit: Bình phản ứng chịu axit trang bị cánh khuấy cơ học điều chỉnh tốc độ, nhiệt kế đo dải 0 - 150°C và bếp gia nhiệt ổn nhiệt.
  • Bộ thiết bị lắng cặn và xà phòng: Phễu chiết thủy tinh và bình lắng trọng lực đáy côn cho phép tháo bỏ lớp cặn bùn axit sẫm màu và lớp xà phòng lắng cặn.
  • Bộ thiết bị rửa và lắng nước: Hệ thống khuấy rửa dầu bằng dung dịch NaOH và nước ấm gia nhiệt ở 60 - 80°C để hòa tan muối và phân tách pha nước thải ra khỏi pha dầu tái sinh.
• Quy trình tiến hành gồm 4 giai đoạn nối tiếp: (1) Gia nhiệt sơ bộ mẫu dầu thải để khử nước; (2) Châm axit sunfuric theo tỷ lệ khảo sát, gia nhiệt đến nhiệt độ quy định, khuấy trộn liên tục trong khoảng thời gian xác định, sau đó để lắng yên tĩnh nhằm tách triệt để cặn bùn axit; (3) Bổ sung dung dịch NaOH 40% để trung hòa axit dư và xà phòng hóa tạp chất ở nhiệt độ khảo sát; (4) Rửa dầu nhiều lần bằng nước ấm, kiểm tra độ trung hòa, sau đó lắng gạn thu lấy sản phẩm dầu tái sinh trong sạch.
• Các phương pháp xác định tính chất sản phẩm: Quy trình lấy mẫu và đo đạc thực nghiệm độ nhớt động học, nhiệt độ chớp cháy cốc hở, trị số axit TAN, cặn Conradson, tạp chất cơ học, hàm lượng lưu huỳnh và hàm lượng nước.

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương này trình bày toàn bộ số liệu thu được từ các thí nghiệm khảo sát thông số công nghệ và phân tích sản phẩm:

• Khảo sát các điều kiện tái sinh tối ưu:
  • Tỷ lệ axit/dầu: Tác giả khảo sát các tỷ lệ axit sunfuric bổ sung vào khối lượng dầu thải nhằm xác định điểm cân bằng giữa hiệu suất thu hồi dầu và khả năng tách loại cặn nhựa.
  • Nhiệt độ xử lý axit: Khảo sát ảnh hưởng của dải nhiệt độ đến độ nhớt hỗn hợp phản ứng, khả năng phân tán axit và hiện tượng cracking nhiệt không mong muốn.
  • Thời gian khuấy trộn phản ứng: Đánh giá thời gian tiếp xúc giữa pha axit và dầu để phản ứng sunfat hóa đạt trạng thái hoàn toàn mà không kéo dài chu kỳ công nghệ.
  • Lượng dung dịch NaOH 40%: Xác định thể tích kiềm cần thiết để đưa chỉ số axit về ngưỡng trung hòa mà không tạo lượng bùn xà phòng quá lớn.
  • Nhiệt độ xử lý bằng kiềm: Đánh giá sự biến thiên nhiệt độ đến tốc độ phân tách pha dầu - xà phòng và hiệu suất thu hồi sản phẩm dầu sạch.
• Kết quả đo lường và đánh giá chất lượng sản phẩm:
  • Phân tích chi tiết các thông số của mẫu dầu động cơ xe ô tô và mẫu dầu động cơ xe máy sau tái sinh.
  • Đánh giá sự biến đổi của nhiệt độ chớp cháy cốc hở: Dầu tái sinh có điểm chớp cháy tăng rõ rệt so với dầu thải ban đầu nhờ loại bỏ các phân đoạn nhẹ dễ cháy và nước.
  • Đánh giá hàm lượng tạp chất cơ học và cặn Conradson: Lượng tạp chất cơ học và cặn cacbon giảm sâu, đáp ứng yêu cầu vận hành lò đốt công nghiệp.
  • Đánh giá chung: So sánh các chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm với tiêu chuẩn nhiên liệu đốt lò FO theo TCVN 6239-2002 để chứng minh tính khả thi của phương án phối trộn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã xác lập các điều kiện công nghệ để thực hiện quá trình tái sinh dầu nhờn thải động cơ ô tô và xe máy bằng phương pháp axit - kiềm ở quy mô phòng thí nghiệm. Dưới đây là bảng tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính của dầu nhờn thải, dầu sau tái sinh và đối chiếu với tiêu chuẩn nhiên liệu đốt lò TCVN 6239-2002:

Chỉ tiêu kỹ thuật	Dầu nhờn thải ban đầu	Dầu sau tái sinh (phương pháp Axit - Kiềm)	Tiêu chuẩn nhiên liệu đốt lò FO (TCVN 6239-2002)	Phương pháp thử nghiệm
Độ nhớt động học ở 40°C	Cao, dao động thất thường do lẫn cặn bùn và muội than	Nằm trong dải độ nhớt ổn định của phân đoạn dầu nhờn	Quy định theo từng cấp độ nhớt nhiên liệu đốt lò FO	ASTM-D.445
Nhiệt độ chớp cháy cốc hở	Thấp do lẫn nhiên liệu rò rỉ và nước	Tăng cao rõ rệt sau khi khử nước và xử lý axit	Đạt ngưỡng an toàn phòng chống cháy nổ (>66°C)	ASTM-D
Hàm lượng tạp chất cơ học	Rất cao (mạt kim loại, đất cát, muội than)	Giảm mạnh, lượng cặn lắng triệt để	Phù hợp giới hạn cho phép của nhiên liệu đốt lò	ASTM-D
Hàm lượng cặn Conradson	Rất cao do nhiều nhựa, asphanten và sản phẩm oxy hóa	Giảm sâu do cặn asphanten đã bị sunfat hóa và lắng gạn	Nằm trong giới hạn quy định của tiêu chuẩn FO	ASTM-D
Hàm lượng nước	Chứa nước tự do và nước nhũ tương	Loại bỏ triệt để sau giai đoạn đun khử nước	Không vượt quá mức cho phép tiêu chuẩn	ASTM-D
Trị số axit (TAN)	Cao do sản phẩm oxy hóa trong quá trình bôi trơn	Được trung hòa về ngưỡng an toàn nhờ dung dịch NaOH	Không gây ăn mòn đường ống và vòi phun lò đốt	ASTM-D.664 / ASTM-D.974

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

• Kiến nghị sử dụng sản phẩm dầu sau tái sinh bằng phương pháp axit - bazơ làm nguyên liệu phối trộn với dầu đốt lò FO thương phẩm. Giải pháp này giúp các cơ sở công nghiệp tận dụng nguồn nhiệt năng của dầu nhờn thải, giảm tiêu hao dầu FO nguyên chất mà không đòi hỏi chi phí đầu tư các dây chuyền tinh chế dầu nhờn gốc đắt tiền.
• Đề xuất quy trình công nghệ 4 bước tinh gọn (khử nước sơ bộ - xử lý axit sunfuric - trung hòa kiềm NaOH 40% - rửa nước ấm tách pha) để ứng dụng cho các trạm xử lý chất thải hoặc các xưởng tái chế quy mô vừa và nhỏ tại địa phương.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước:

• Tác giả tự nêu việc chứng minh tính khả thi kỹ thuật của phương pháp tái sinh axit - kiềm đối với hai nguồn dầu nhờn thải phổ biến nhất tại Việt Nam (dầu động cơ xe máy và dầu động cơ ô tô).
• Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về sự biến thiên của các chỉ tiêu hóa lý quan trọng (nhiệt độ chớp cháy, tạp chất cơ học, cặn Conradson, độ nhớt) trước và sau xử lý, xác lập cơ sở khoa học cho hướng phối trộn nhiên liệu FO thay vì xả thải trực tiếp gây ô nhiễm môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Phương pháp xử lý bằng axit sunfuric phát sinh một lượng cặn bùn axit (acid sludge) lắng đọng dưới đáy thiết bị và nước thải kiềm chứa muối natri/xà phòng; văn bản chưa đi sâu giải quyết phương án xử lý môi trường triệt để cho nguồn cặn bùn thứ cấp này.
• Thử nghiệm chỉ được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm với dung tích mẫu nhỏ, chưa có số liệu vận hành ở quy mô pilot hoặc xưởng công nghiệp liên tục.
• Đồ án chưa khảo sát tỷ lệ phối trộn tối đa cụ thể giữa dầu tái sinh và dầu FO thương phẩm, cũng như chưa kiểm tra thực nghiệm đặc tính phát thải khói và hàm lượng khí SOx/NOx khi đốt cháy hỗn hợp trên buồng đốt công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nghiên cứu công nghệ xử lý và tận dụng cặn bùn axit thành các sản phẩm phụ như bitum, chất chống thấm hoặc trung hòa an toàn trước khi thải bỏ.
• Mở rộng quy mô thử nghiệm trên hệ thống pilot bán công nghiệp nhằm xác định các thông số tiêu hao năng lượng và tổn thất công nghệ.
• Tiến hành thử nghiệm phối trộn thực tế ở các tỷ lệ khác nhau với dầu FO công nghiệp, đo đạc nhiệt trị cháy và phân tích thành phần khí thải lò đốt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa dầu và Công nghệ Môi trường: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về tính chất hóa lý của dầu nhờn, cấu trúc hydrocacbon và quy trình phân tích kiểm nghiệm theo hệ thống tiêu chuẩn ASTM.
• Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở tái chế chất thải, xưởng xử lý dầu mỡ nhờn công nghiệp: Tham khảo quy trình vận hành phương pháp axit - bazơ, các bước lắng tách pha và kiểm soát nhiệt độ phản ứng.
• Phần đáng tham khảo nhất trong văn bản:
  • Hệ thống cơ sở lý thuyết tại Chương 1 về các chỉ tiêu chất lượng dầu bôi trơn và các phép thử ASTM tương ứng (ASTM-D.445, ASTM-D.974, ASTM-D, ASTM-D.1500, ASTM-D.129).
  • Dữ liệu tra cứu về chỉ số độ nhớt VI của các hydrocacbon iso-parafin C21-C24 (Bảng 1.2) và thành phần phân bố vòng naphten (Bảng 1.3).
  • Sơ đồ thiết bị thực nghiệm và quy trình 4 giai đoạn khử nước - xử lý axit - trung hòa kiềm - rửa lắng nước được mô tả chi tiết tại Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn mẫu dầu nhờn thải được sử dụng để nghiên cứu trong đồ án được thu thập từ đâu?
Nguồn nguyên liệu thực nghiệm trong đồ án được thu gom từ hai nhóm phương tiện giao thông phổ biến nhất tại Việt Nam là dầu nhờn thải của động cơ xe ô tô và dầu nhờn thải của động cơ xe máy sau chu kỳ sử dụng.

2. Hóa chất chính và nồng độ được sử dụng trong quy trình tái sinh là gì?
Đề tài sử dụng hai tác nhân hóa học chính gồm axit sunfuric kỹ thuật đậm đặc (H2SO4) đóng vai trò tác nhân sunfat hóa/keo tụ cặn nhựa asphanten, và dung dịch kiềm natri hydroxyt (NaOH) nồng độ 40% dùng để trung hòa lượng axit dư và xà phòng hóa các hợp chất axit hữu cơ.

3. Sản phẩm sau tái sinh được định hướng sử dụng cho mục đích gì và đối chiếu theo tiêu chuẩn nào?
Sản phẩm dầu tái sinh không được định hướng làm lại dầu nhờn động cơ mà được nghiên cứu để phối trộn với dầu đốt FO (Fuel Oil) sử dụng cho lò đốt công nghiệp; các chỉ tiêu chất lượng được đối chiếu trực tiếp với Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6239-2002 về nhiên liệu đốt lò.

4. Vì sao nhóm hydrocacbon iso-parafin lại được coi là thành phần có lợi nhất trong dầu nhờn?
Theo số liệu văn bản, các iso-parafin mạch nhánh dài có tính nhớt nhiệt vượt trội và chỉ số độ nhớt (VI) rất cao (từ 118 đến 170 đối với phân tử C21-C24), giúp dầu duy trì màng bôi trơn ổn định khi nhiệt độ làm việc thay đổi mà không bị đông đặc tạo sáp như n-parafin mạch thẳng.

5. Các chỉ tiêu hóa lý cốt lõi nào đã thay đổi mạnh nhất sau quá trình xử lý axit - bazơ?
Sau quá trình xử lý, nhiệt độ chớp cháy cốc hở tăng cao rõ rệt nhờ loại bỏ nước và phân đoạn nhẹ; hàm lượng tạp chất cơ học và hàm lượng cặn Conradson giảm sâu nhờ phản ứng lắng tách cặn bùn axit; chỉ số axit TAN được hạ thấp về ngưỡng an toàn nhờ phản ứng trung hòa bằng dung dịch NaOH 40%.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Minh Huy đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ tái sinh dầu nhờn thải từ động cơ xe ô tô và xe máy bằng phương pháp hóa học axit - bazơ ở quy mô phòng thí nghiệm. Quy trình xử lý gồm các bước khử nước, sunfat hóa bằng H2SO4, trung hòa bằng dung dịch NaOH 40% và rửa lắng nước đã loại bỏ hiệu quả tạp chất cơ học, nhựa, asphanten và giảm mạnh hàm lượng cặn Conradson. Sản phẩm dầu thu được có các chỉ tiêu hóa lý tương thích với tiêu chuẩn nhiên liệu đốt lò TCVN 6239-2002, khẳng định tính khả thi của giải pháp phối trộn với dầu FO công nghiệp nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ DẦU NHỜN 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DẦU NHỜN 1. Mục đích và ý nghĩa của việc sử dụng dầu nhờn [4, 6] Dầu nhờn có tầm quan trọng rất lớn trong việc bôi trơn các chi tiết chuyển động, giảm ma sát, giảm mài mòn và ăn mòn các chi tiết máy, tẩy sạch bề mặt tránh tạo thành các lớp cặn bùn, tản nhiệt làm mát và làm khít các bộ phận cần làm kín. Thật vậy, tất cả các bộ phận máy móc lớn hay nhỏ dù có tinh chế kỹ đến thế nào thì những bề mặt của chúng vẫn không khỏi không có những chổ gồ ghề rất nhỏ mà mắt thường không nhìn thấy được.

Khi hai bề mặt phẳng chuyển động thì những chỗ lồi, lõm vô cùng bé đó cũng sẽ ngăn cản nhau, tạo ra một lực cản gọi là lực ma sát, chính lực này đã làm cho các bộ phận máy móc bị nóng lên, và khi nhiệt độ lên quá cao làm cho các mặt tinh chế chảy dính lên trên các mặt của vật bị cọ xát. Do đó, lực ma sát tăng lên và làm cho các bộ phận máy móc bị hư hỏng. Và có lực ma sát thì làm cho các chi tiết máy móc bị mài mòn dẫn đến độ chính xác của máy móc giảm sút, đồng thời ảnh hưởng đến cả tính chính xác của công việc và năng suất của máy móc đồng thời lại tiêu hao năng lượng (vì muốn vận hành được máy móc cần phải có năng lượng nhưng do có ma sát nên một phần năng lượng bị tiêu hao vào việc chống lại lực ma sát). Như vậy, lực ma sát trong những trường hợp này là những lực ma sát có hại.

Muốn giảm bớt lực ma sát này và hậu quả của nó thì nhất thiết phải có dầu mỏ bôi trơn. Khi ta tra dầu mỡ bôi trơn vào các bề mặt chi tiết thì các phân tử sẽ phân phối vào các chỗ lồi lõm của mặt phẳng cọ xát, làm cho sự ma sát giữa các phân tử sẽ hơn rất nhiều lần lực ma sát giữa hai mặt phẳng của bề mặt chi tiết [6]. Trong đời sống hằng ngày cũng như trong công nghiệp, vấn đề ma sát luôn luôn được chúng ta đối mặt. Bởi vì, trong thực tế có nhiều ngành kinh tế chỉ sử dụng máy móc chỉ ở mức là 30% nhưng vẫn có hao mòn máy móc.

Nguyên nhân chủ yếu gây ra hao mòn cho các chi tiết máy móc là do lực ma sát. Không chỉ với những nước đang phát triển như nước ta mà ngay cả những nước phát triển, tổn thất do ma sát và do mài mòn gây ra chiếm tới vài phần trăm tổng thu nhập quốc dân. Chẳng hạn như là [4]: Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học - Khóa III - Năm 2012 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu - CHLB Đức: Thiệt hại do mài mòn và do ma sát các chi tiết hàng năm từ 32 - 40 tỷ DM. Trong đó ngành công nghiệp là 8,3 - 9,4 tỷ, ngành năng lượng là 2,67- 3,2 tỷ, ngành giao thông vận tải là 17 - 23 tỷ.

- Canada: Tổn thất hàng năm do ma sát là lên đến hơn 5 tỷ USD Canada. Chi chí sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị tăng nhanh, chiếm 46% so với chi phí đầu tư ban đầu. Riêng trong ngành lâm nghiệp, chi phí sửa chữa gấp 3,5 chi phí ban đầu đầu tư. - Việt Nam: Theo ước tính của các chuyên gia cơ khí thiệt hại do ma sát, mài mòn và chi phí bảo dưỡng hàng năm lên vài triệu USD.

Chính vì vậy, việc làm giảm tác động của lực ma sát luôn là mục tiêu quan trọng của các nhà sản xuất máy móc, thiết bị cũng như người sử dụng chúng. Để thực hiện điều này người ta đã dùng dầu bôi trơn. Khi hai mặt phẳng của chi tiết chuyển động thì chúng được cách ly hoàn toàn bằng một lớp màng dầu, nếu sử dụng loại dầu nhờn phù hợp với các điều kiện làm việc của máy móc thì hệ số ma sát sẽ giảm đi 100 - 1000 lần so với khi chưa có lớp dầu ngăn cản. Chức năng của dầu nhờn [3] Khi cho dầu nhờn vào động cơ ta nhận thấy rằng động cơ hoạt động êm hơn, máy ít nóng hơn, lâu mài mòn hơn, vậy dầu nhờn có chức năng như thế nào? Chức năng dầu nhờn như sau: 1.

Làm giảm ma sát, chống mài mòn và chống xước Đây là mục đích chính của dầu nhờn, bởi vì, khi máy móc làm việc thì các bộ phận máy móc có các bề mặt chi tiết cọ sát nhau sinh ra sức cản làm cho máy móc hư mòn. Với sự có mặt của dầu nhờn thì hai bề mặt tiếp xúc nhau được tách ra chỉ còn ma sát nội tại của dầu nhờn, ma sát này nhỏ hơn rất nhiều so với ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc của chỉ tiết máy. Do đó, ma sát giảm đi đáng kể, dẫn đến độ mài mòn giảm và các bề mặt tiếp xúc được bảo vệ khỏi bị xước. Như vậy, dầu nhờn trong động cơ có tác dụng làm cho máy trơn giảm đi sự cọ sát, giảm bớt sự mài mòn, bị xước của máy giúp máy hoạt động êm hơn và đảm bảo cho máy móc làm việc có công suất tối đa.

Tác dụng làm mát máy Một tác dụng quan trọng nữa của dầu nhờn là làm mát máy và chống lại sự quá nhiệt ở các chi tiết. Khi động cơ làm việc thì nhiên liệu cháy và sinh nhiệt, một phần nhiệt năng sinh ra thì biến thành công, một phần nhiệt năng còn lại cần phải đưa ra ngoài, hơn nữa ở bề mặt cọ xát giữa hai chi tiết vẫn sinh ra nhiệt, những phần Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học - Khóa III - Năm 2012 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu nhiệt này cần phải đưa ra ngoài để tránh sự hư hỏng máy móc. Người ta dùng dầu nhờn ngoài tác dụng bôi trơn giảm ma sát thì dầu nhờn phải thu hút nhiệt năng và truyền ra nước làm nguội. Dầu nhờn đổ vào trong máy luôn luôn đưa vào tất cả các bộ phận của máy móc và lưu động tuần hoàn trong máy.

Cho nên khi độ nhớt của dầu nhờn mà còn nhỏ thì dầu lưu động trên bề mặt chi tiết càng nhanh và nhiệt năng truyền ra càng nhiều. Trong điều kiện nhiệt độ giống nhau thì dầu nhờn có độ dính cao, thì tính lưu động kém hơn và nhiệt năng truyền ra tương đối ít. Và ngược lại dầu nhờn có độ dính thấp có thể tản nhiệt tương đối nhanh.3 Tác dụng làm kín, khít Cho dù cố gắng đến mấy thì người ta cũng không thể nào khắc phục những chỗ hở trong quá trình gia công và dù cố gắng đến mấy thì con người vẫn không thể nào làm được cho bề mặt kim loại hoàn toàn nhẵn, và rồi khi hoạt động thì các bề mặt chi tiết cũng không thể nhẵn được mãi. Chính những chỗ hở này đã gây nên hiện tượng xì hơi ở buồng nổ của động cơ.

Và ta hình dung rằng nếu trong xylanh không có dầu nhờn thì hơi thừa sẽ từ buồng nổ qua các khe hở nhỏ đưa vào trong cacte. Khi ta cho dầu nhờn vào thì dầu nhờn sẽ lắp đầy khít những khe hở nhỏ thành màng dầu có tác dụng ngăn hơi thừa không đi qua được và đảm bảo được công suất cho động cơ. Dầu nhờn có độ bám dính cao thì tính năng làm kín sát càng cao. Tác dụng tẩy rửa Khi động cơ làm việc, do sự tiếp xúc của hai bề mặt kim loại sinh ra các hạt mịn kim loại đồng thời khi máy móc hoạt động thì luôn luôn hút không khí vào, bụi cát cũng theo không khí mà vào động cơ, khi hỗn hợp đốt cháy sẽ hình thành mụi than, bản thân dầu nhờn ở những nơi có nhiệt độ cao sẽ sinh ra hiện tượng bốc hơi, tách ly tạo thành hydrocacbua như keo.

Những chất sinh ra này luôn luôn loại bỏ khỏi bề mặt cọ xát. Công việc này sẽ do dầu nhờn đảm nhiệm. Nhờ vào trạng thái chảy lỏng dầu được lưu chuyển qua các bề mặt chi tiết và cuốn theo các tạp chất có hại nêu trên và đưa cào cacte dầu, rồi từ cacte đưa vào bầu lọc, dầu nhờn qua bầu lọc được biến thành dầu sạch còn các chất cặn bẩn thì ở lại trong bầu lọc. Bảo vệ bề mặt kim loại Bề mặt chi tiết, máy móc khi làm việc thường tiếp xúc với oxy, hơi nước làm cho kim loại bị ăn mòn.

Nhờ dầu nhờn tạo thành màng mỏng phủ kín lên bề mặt Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học - Khóa III - Năm 2012 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu kim loại nên ngăn cách được kim loại với tác nhân gây ăn mòn, nhờ vậy mà bảo vệ bề mặt kim loại khỏi bị ăn mòn. Dầu nhờn còn được dùng để bảo quản dụng cụ kim loại trong bảo quản và vận chuyển để chống han rỉ. Với những chức năng ưu việt vừa nêu trên thì dầu nhờn ngày càng khẳng định rõ vai trò vô cùng quan trọng của mình trong sự phát triển của ngành công nghiệp trên thế giới. Các tính chất sử dụng của dầu nhờn Để dầu nhờn có được những chức năng vừa nêu trên thì dầu nhờn cần phải có những tính chất sau: 1.

Tính chất bôi trơn làm giảm ma sát [6, 17] Khi một vật chuyển động lên một vật khác thì xuất hiện lực ma sát. Chính lực ma sát này cản trở chuyển động của các chi tiết đó. Để giảm đi sự cản trở này người ta dùng dầu nhờn có tính bôi trơn tốt, tức là khả năng chảy loãng ra trên bề mặt các chi tiết. Tính chất phức tạp này gọi là tính chất bôi trơn của dầu nhờn [6].

Theo nguyên lý bôi trơn [6], thì khi dầu được đặt vào giữa hai bề mặt tiếp xúc nhau, chúng sẽ chảy loãng và bám chắc vào bề mặt tạo nên một màng dầu rất mỏng đủ sức tách riêng hai bề mặt tiếp xúc nhau. Khi hai bề mặt này chuyển động chỉ có các phân tử trong lớp dầu tiếp xúc trượt lên nhau tạo nên ma sát chống lại lực tác dụng gọi là lực ma sát nội (hay ma sát lỏng của dầu nhờn). Nhờ thế làm giảm ma sát của các chi tiết hoạt động trong động cơ máy móc.