Tìm hiểu nhiên liệu động cơ xăng và phương pháp sản xuất xăng thương phẩm hiện nay

LỜI MỞ ĐẦU Trong số các sản phẩm dầu mỏ thì xăng và nhiên liệu diesel luôn là các sản phẩm được biết đến nhiều nhất và quan trọng nhất. Xăng luôn là các sản phẩm mong muốn thu được nhiều nhất trong quá trình chế biến dầu mỏ. Vì vậy chúng được sử dụng như một chỉ tiêu để đánh giá trong quá trình thiết kế công nghệ và lựa chọn nguyên liệu của một nhà máy lọc dầu. Nhu cầu sử dụng xăng và diesel của các nước trên thế giới không ngừng tăng qua các năm. Mặc dù, với sự phát triển kỹ thuật vượt bậc của động cơ diesel và động cơ phản lực, xăng vẫn chiếm vị trí hàng đầu. Nhu cầu sử dụng xăng trên toàn thế giới chiếm khoảng 20 – 50% tổng các sản phẩm dầu mỏ tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của mỗi nước. Đối với mỗi quốc gia, tuy khác nhau về điều kiện khí hậu, trang thiết bị, nhưng nhu cầu sử dụng nhiên liệu lỏng ngày càng tăng. Song nhìn chung xu hướng sử dụng xăng không chì, xăng sạch ngày càng chiếm chủ đạo. Đặc biệt là các quốc gia điển hình như: Ở Mỹ hiện nay sử dụng xăng không chì đã lớn hơn 40%50% khối lượng nhiêu liệu, ở Đức,Ý, Pháp, Nhật… Xu thế chuyển xăng thông dụng sang xăng sạch không chì, Việt Nam đã không còn sử dụng xăng không chì, hàm lượng Benzen trong xăng không chì xuống còn < 1% thể tích, mà thay vào đó là sử dụng các phụ gia tăng trị số octan Etanol, MTBE… giúp xăng thương phẩm có chất lượng tốt hơn và không tác động đến môi trường. Xăng được sản xuất từ các quá trình như chưng cất, isomer hóa, ankyl hóa, cracking, reforming,… có chỉ số octan cao và ít gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, xăng được sản xuất từ những quá trình này chưa thể đưa vào sử dụng ngay được vì chưa đáp ứng đủ điều kiện của xăng thương phẩm. Để xăng được đưa vào sử dụng đảm bảo chất lượng, đáp ứng nhu cầu sử dụng xăng ngày một tăng và mang lại hiệu quả kinh tế cho các nhà sản xuất thì việc phối trộn các sản phẩm xăng từ các quá trình đơn lẻ kết hợp với một số phụ gia có thể nâng cao chất lượng, và hiệu quả kinh tế của xăng thành xăng thương phẩm đã và đang được các nhà sản suất sử dụng. Để hiểu rõ hơn về đặc điểm, tính chất đặc trưng cũng như các phương pháp sản xuất xăng thương phẩm em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu nhiên liệu động cơ xăng và phương pháp sản xuất xăng thương phẩm hiện nay”.

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này, với lòng biết ơn sâu sắc:

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy, ThS Đoàn Văn Huấn, thầy đã tậntình quan tâm, giúp đỡ và hướng dẫn em trong quá trình thu thập nguồn tài liệu,nghiên cứu, làm thực nghiệm và hoàn thành đồ án

Em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy, cô giáo trong bộ môn Hóa Dầu, trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợicho em học tập, nghiên cứu và thực hiện nội dung của đồ án này

Lọc-Cuối cùng, em xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và toàn thểngười thân đã động viên, ủng hộ và giúp đỡ em trong thời gian tìm hiểu và hoànthành đồ án tốt nghiệp của mình

Trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành đồ án mặc dù rất cố gắng nhưng donhận thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót

Vì vậy em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô, ý kiến đóng góp củacác bạn trong lớp

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 11 năm 2013

Sinh viênNguyễn Đình Tuấn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG 8

1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu cho động cơ xăng 8

1.2 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng 10

1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng 10

1.2.2 Đặc điểm của quá trình hoạt động trong động cơ xăng 11

CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA NHIÊN LIỆU XĂNG 13

2.1 Thành phần hoá học của nhiên liệu xăng 13

2.1.1 Giới thiệu chung về thành phần hoá học của xăng 13

2.1.2 Thành phần hoá học của xăng 15

2.1.2.1 Thành phần hydrocacbon của xăng 15

2.1.2.2 Thành phần phi hydrocacbon của xăng 15

2.2 Đặc điểm của các nguồn dùng để phối trộn xăng 16

2.2.1 Xăng của quá trình reforming 16

2.2.2 Xăng cracking 17

2.2.3 Xăng chưng cất trực tiếp 18

2.2.4 Alkylat 18

2.2.5 Các nguồn phối liệu khác 19

2.3 Một số tính chất kĩ thuật đặc trưng của xăng 20

2.3.1 Tính chống kích nổ 20

2.3.2 Tính hóa hơi của nhiên liệu và áp suất hơi bão hòa 21

2.3.3 Khối lượng riêng của xăng 22

2.3.4 Tính ổn định hóa học của xăng 23

2.3.5 Tính ăn mòn của nhiên liệu 23

2.3.6 Tính bay hơi của xăng 23

2.4 Phân loại xăng 27

2.4.1 Phân loại xăng dựa vào trị số octan 27

2.4.2 Phân loại xăng dựa vào thành phần pha trộn bổ sung 27

2.4.3 Phân loại theo tiêu chuẩn thế giới và địa phương 27

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT XĂNG THƯƠNG PHẨM 29

3.1 Sản xuất xăng gốc 29

3.1.1 Sản xuất xăng gốc từ quá trình chưng cất dầu thô 29

3.1.2 Sản xuất xăng cracking xúc tác 33

3.1.3 Sản xuất xăng từ quá trình isomer hóa 35

3.1.4 Sản xuất xăng từ quá trình reforming xúc tác CCR 36

3.1.5 Sản xuất xăng từ quá trình ankyl hóa 42

3.2 Phụ gia cho xăng 43

3.3 Pha trộn xăng 44

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC CHŨ VIẾT TẮT

CCR: Reforming xúc tác tái sinh liên tục (Continuous Catalyst Reforming)

RVP: Áp suất hơi bão hòa Reid (Reid Vapor Pressure)

MON: Chỉ số octan động cơ (Motor Octan Number)

RON: Chỉ số octan nghiên cứu (Research Octan Number)

FO: Dầu đốt (Fuel Oil)

EBP: Nhiệt độ điểm sôi cuối (End Boiling Point)

IBP: Nhiệt độ điểm sôi đầu (Initial Boiling Point)

LNG: Khí tự nhiên hóa lỏng (Liquefied Nature Gases)

HDS: Qúa trình khử lưu huỳnh (Hydrodesulfurization)

MTBE: Metyl tert butyl ete

1 Bảng 1 Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và

theo họ hydrocacbon của một loại xăng superthương phẩm

14

2 Bảng 2 Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và

theo họ hydrocacbon của một loại xăng thườngthương phẩm

14

3 Bảng 3 Đặc trưng xăng reforming nhiệt của 2 phân đoạn từ

nguồn dầu thô Irắc

17

4 Bảng 4 Các tính chất kỹ thuật của xăng chưng cất Nhà máy

lọc dầu Dung Quất

31

5 Bảng 5 Thành phần và tính chất lý hóa của Condensat

Bạch Hổ

32

6 Bảng 6 Các tính chất kỹ thuật nguyên liệu RFCC và xăng

crăckat nhà máy lọc dầu Dung Quất

34

7 Bảng 7 Các tính chất kỹ thuật của xăng Somerisat 36

8 Bảng 8 Các tính chất kỹ thuật của xăng reformat nhà máy

lọc dầu Dung Quất

LỜI MỞ ĐẦU

Trong số các sản phẩm dầu mỏ thì xăng và nhiên liệu diesel luôn là các sảnphẩm được biết đến nhiều nhất và quan trọng nhất Xăng luôn là các sản phẩmmong muốn thu được nhiều nhất trong quá trình chế biến dầu mỏ Vì vậy chúngđược sử dụng như một chỉ tiêu để đánh giá trong quá trình thiết kế công nghệ vàlựa chọn nguyên liệu của một nhà máy lọc dầu

Nhu cầu sử dụng xăng và diesel của các nước trên thế giới không ngừngtăng qua các năm Mặc dù, với sự phát triển kỹ thuật vượt bậc của động cơ diesel

và động cơ phản lực, xăng vẫn chiếm vị trí hàng đầu Nhu cầu sử dụng xăng trêntoàn thế giới chiếm khoảng 20 – 50% tổng các sản phẩm dầu mỏ tùy thuộc vàonhu cầu sử dụng của mỗi nước

Đối với mỗi quốc gia, tuy khác nhau về điều kiện khí hậu, trang thiết bị,nhưng nhu cầu sử dụng nhiên liệu lỏng ngày càng tăng Song nhìn chung xuhướng sử dụng xăng không chì, xăng sạch ngày càng chiếm chủ đạo Đặc biệt làcác quốc gia điển hình như: Ở Mỹ hiện nay sử dụng xăng không chì đã lớn hơn40%-50% khối lượng nhiêu liệu, ở Đức,Ý, Pháp, Nhật… Xu thế chuyển xăngthông dụng sang xăng sạch không chì, Việt Nam đã không còn sử dụng xăngkhông chì, hàm lượng Benzen trong xăng không chì xuống còn < 1% thể tích, màthay vào đó là sử dụng các phụ gia tăng trị số octan Etanol, MTBE… giúp xăngthương phẩm có chất lượng tốt hơn và không tác động đến môi trường

Xăng được sản xuất từ các quá trình như chưng cất, isomer hóa, ankyl hóa,cracking, reforming,… có chỉ số octan cao và ít gây ô nhiễm môi trường Tuynhiên, xăng được sản xuất từ những quá trình này chưa thể đưa vào sử dụng ngayđược vì chưa đáp ứng đủ điều kiện của xăng thương phẩm

Để xăng được đưa vào sử dụng đảm bảo chất lượng, đáp ứng nhu cầu sửdụng xăng ngày một tăng và mang lại hiệu quả kinh tế cho các nhà sản xuất thìviệc phối trộn các sản phẩm xăng từ các quá trình đơn lẻ kết hợp với một số phụ

gia có thể nâng cao chất lượng, và hiệu quả kinh tế của xăng thành xăng thươngphẩm đã và đang được các nhà sản suất sử dụng.

Để hiểu rõ hơn về đặc điểm, tính chất đặc trưng cũng như các phương pháp

sản xuất xăng thương phẩm em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu nhiên liệu động cơ xăng và phương pháp sản xuất xăng thương phẩm hiện nay”.

CHƯƠNG 1: NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG

Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợpchứa nhiều các hợp chất khác nhau Nhiên liệu cho động cơ xăng là một sản phẩmquan trọng của nhà máy lọc dầu, nó đã trở thành một mặt hàng quen thuộc trongđời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như hoạt động sản xuất trongcông nghiệp

Động cơ xăng ra đời sớm hơn động cơ Diesel (được phát minh ra đồng thời

ở Pháp và Đức vào khoảng 1860), nó đã phát triển mạnh mẽ từ sau những năm 50của thế kỷ trước Với nền công nghiệp chế tạo ô tô hiện đại như ngày nay đã cho

ra đời nhiều chủng loại với công suất khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnhvực của đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người

Cùng với sự gia tăng về số lượng động cơ xăng, nhu cầu về xăng nhiên liệungày càng tăng nhanh, điều này đã mang đến cho các nhà sản xuất nhiên liệunhững cơ hội và cả những thách thức mới, bởi trong thực tế, bên cạnh những lợiích mà động cơ này mang lại cho con người thì đồng thời nó cũng thải ra môitrường một lượng lớn các chất độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và cả môitrường sinh thái Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêucầu không những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất nhiệt màcòn phải bảo đảm các yêu cầu về bảo vệ môi trường

Thông thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơ bản như sau:

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Động cơ hoạt động không bị kích nổ;

 Không kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hoà khí;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Không tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng là ít nhất;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Các chất độc hại thải ra môi trường càng ít càng tốt

Khi nhu cầu về xăng tăng lên thì phân đoạn này không đủ để cung cấp chocác nhu cầu thực tế, vì vậy bắt buộc con người phải chế biến các phần thu khácnhằm thu hồi xăng với hiệu suất cao hơn, điều này đã làm xuất hiện các phânxưởng khác như phân xưởng crăcking, alkyl hoá

Ngoài lý do vừa nêu ở trên thì do yêu cầu về hiệu suất của động cơ ngàycàng tăng và chất lượng xăng ngày càng cao nên các nhà sản xuất nhiên liệu phảiđưa ra nhiều quá trình sản xuất khác nhằm đảm bảo các yêu cầu của xăng thươngphẩm Thực tế trong các nhà máy lọc dầu hiện nay xăng thương phẩm được phốitrộn từ những nguồn sau:

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Xăng của quá trình FCC;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Xăng chưng cất trực tiếp;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Xăng của quá trình isomer hoá;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Alkylat;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Xăng của quá trình giảm nhớt, cốc hoá, các quá trình xử lý bằng hydro;

 ƒ Khởi động tốt khi đang ở nhiệt độ thấp; Xăng thu được từ các quá trình tổng hợp như Methanol, Ethanol,MBTE

Nói chung hai loại đầu tiên là các nguồn chính để phôi trộn, phần còn lạiphụ thuộc vào yêu cầu về chất lượng của xăng và yêu cầu của từng quốc gia mànguồn nguyên liệu và hàm lượng của nó được chọn khác nhau

Tỉ lệ phối trộn xăng ở Pháp từ năm 2000 [1]:

 0% < MTBE < 5% (Trường hợp đặc biệt 15%)

1.2 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm của động cơ xăng

1.2.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ xăng[1,4]

Động cơ xăng là một động cơ nhiệt dùng để biến năng lượng hoá học củanhiên liệu khi bị đốt cháy thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay.Động cơ này làm việc theo nguyên tắc một chu trình gồm bốn giai đoạn: nạp, nén,cháy nổ và giản nở sinh công, thải khí cháy ra ngoài Sơ đồ nguyên lý như sau: từđiểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xupap nạp mở, xupap thảiđóng, trục khuỷu quay từ vị trí φ0= 0 đến 1800.Trong kỳ nạp tiêu tốn công kéopiston xuống, thể tích xi lanh tăng lên, áp suất trong xi lanh giảm xuống tạosựchênh lệch áp suất, do đó xăng và không khí từ bộ chế hoà khí được hút vàotrong xi lanh Để tăng lượng kkí nạp trong mỗi chu kỳ thì khi piston đi từ ĐCTxuống, xupap nạp được mở sớm trước ĐCT một góc φ1= 10÷450 và đóng muộnsau ĐCD một góc φ2 = 40-800 Vì vậy, quá trình nạp trên đồ thị công là: I-a-II,được tiến hành trong phạm vi góc quay trục khuỷu là φ1 + 1800+ φ2.

Hình 1 Đồ thị công và đồ thị phối khíPiston đi từ ĐCD đến ĐCT, cả hai xupap nạp và thải đều đóng, trục khuỷuquay từ vị trí 1800÷ 3600 Trong kỳ nén tiêu tốn công piston đi lên nén hỗn hợp,thể tích xi lanh giảm trong điều kiện hai van đóng nên áp suất hỗn hợp nhiên liệutrong xi lanh tăng lên Để chuẩn bị cho quá trình cháy được tốt thì gần cuối quátrình nén Bugi bật tia lửa điện sớm trước ĐCT, tại điểm c' Do vậy, quá trình nén

trên đồ thị công là từ điểm II - c'.Piston đi từ ĐCT đến ĐCD, cả hai xupap đềuđóng, trục khuỷu đi từ vị trí φ =3600 đến 5400 Trong hành trình này, nhờ quá trìnhcháy làm tăng áp lực trong buồng cháy và áp lực này đẩy piston đi xuống và sinhcông, nó bao gồm hai quá trình: cháy và giãn nở Quá trình cháy bắt đầu tại điểmc' trước ĐCT một góc đánh lửa sớm φ = φ1= 10-30 o và kết thúc tại điểm d sauĐCT, còn quá trình giãn nở bắt đầu từ điểm d và kết thúc tại III Piston đi từ ĐCDđến ĐCT, xupap thải mở, xupap nạp đóng, trục khuỷu quay từvị trí φ = 540o đến

720o Trong kỳ thải tiêu tốn công đưa piston đi lên và đẩy sản vật cháy ra ngoài.Xupap thải được mở sớm tại điểm III trước ĐCD một góc φ3, nếu φ3 quá lớn sẽtăng tổn thất công giãn nở ở kỳ cháy Để quá trình thải triệt để các chất thải củaquá trình cháy ra ngoài, xupap thải đóng muộn sau ĐCT một góc φ4, tại điểm IV.Quá trình thải được biểu diễn trên đồ thị công là III-b-IV, được tiến hành trongphạm vi góc quay trục khuỷu là φ3+1800+ φ4, còn đoạn I-r-IV gọi là đoạn trùngđiệp, tức cả hai van nạp và thải đều mở Như vậy, toàn bộ chu trình làm việc đượcthực hiện theo bốn hành trình trong hai vòng quay của trục khuỷu, trong bốn hànhtrình này chỉ có một hành trình cháy và giãn nở là sinh công, còn ba hành trìnhkhác thì phải tiêu tốn công

1.2.2 Đặc điểm của quá trình hoạt động trong động cơ xăng

Từ việc phân tích hoạt động của động cơ xăng ở trên ta rút ra được nhữngđặc điểm của động cơ này như sau:

 Nhiên liệu trước khi nạp vào xylanh nó đã được phối trộn với không khí vớimột tỷ lệ nhất định phù hợp nhất để tạo hỗn hợp khi cháy cho ra hiệu suấttỏa nhiệt là cao nhất Nhằm tránh hiện tượng cháy không ổn định, khó điềukhiển động cơ đặc biệt do hiện tượng hẫng hụt của động cơ

 Quá trình cháy của nhiên liệu chỉ được thực hiện khi bugie bật lửa hoặc khimàng lửa lan truyền đến

Trong trường hợp khi nhiên liệu bị đốt nóng bởi bức xạ quang nhiệt, ở đâu

đó trước mặt lửa vẫn có thể xảy ra sự cháy Sự cháy này xảy ra làm hỗn loạn các

khí trong xy lanh, áp suất đè lên mặt xy lanh không đồng đều Sự cháy này cũng

có thể xảy ra quá nhanh, quá đột ngột Kết quả là piston chuyển động dật cục, máylàm việc không êm, gây nhiều tiếng gõ hỗn loạn, máy giảm công suất bị mài mònnhanh và bị quá nóng Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cháy kích nổ Hiệntượng cháy kích nổ là một hiện tượng rất phức tạp, nó phụ thuộc vào một số yếu tốsau:

- Hình dạng, kích thước của xylanh

- Tốc độ quay của động cơ

- Độ nén

- Thời điểm bật tia lửa điện (so với ĐCT)

- Tỷ số nhiên liệu – không khí trong xylanh

- Bản chất hóa học của nhiên liệu

Trong các yếu tố trên thì yếu tố bản chất hóa học của nhiên liệu là đóng vai trò chủyếu

Nguyên nhân của hiện tượng cháy kích nổ là do sự tích tụ của những hợpchất peoxyt hữu cơ không bền, dễ cháy Dưới tác dụng của trường quang nhiệt,hỗn hợp khí nhiên liệu vùng trước mặt lửa bị đốt nóng, các hợp chất peoxyt hữu cơR-O-O-R’ được tạo thành Khi đạt tới một nồng độ nào đó, bản thân các peoxytnày tự bốc cháy khi mặt lửa chính chưa làn đến Khả năng tạo peoxyt cũng nhưkhả năng tự bốc cháy của peoxyt phụ thuộc vào bản chất nhiên liệu, tức là phụthuộc bản chất các hydrocacbon tạo ra xăng

Để tránh hiện tượng này thì người ta đã nghiên cứu và đưa ra một số chấtphụ gia nhằm giảm hiện tượng cháy kích nổ Để đặc trưng cho khả năng chốngcháy kích nổ của xăng người ta dùng tới đại lượng có tên là trị số octan ON

CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA NHIÊN

LIỆU XĂNG

2.1 Thành phần hoá học của nhiên liệu xăng

2.1.1 Giới thiệu chung về thành phần hoá học của xăng

Xăng thương phẩm không phải là sản phẩm của một quá trình nào đó trongnhà máy lọc dầu mà nó là một hỗn hợp được phối trộn cẩn thận từ một số nguồnkhác nhau, kết hợp với một số phụ gia nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt động củađộng cơ trong những điều kiện vận hành thực tế và cả trong các điều kiện vậnchuyển, tồn chứa và bảo quản khác nhau Thành phần hoá học chính của xăng làcác hydrocacbon có số nguyên tử từ C4÷ C10 thậm chí có cả các hydrocacbon nặnghơn như C11, C12 và cả C13 Ngoài ra trong thành phần hoá học của xăng còn chứamột hàm lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocacbon của lưu huỳnh, nitơ và oxy Với

số nguyên tử cacbon như trên, trong thành phần của xăng chứa đầy đủ cả ba họhydrocacbon và hầu như các chất đại diện cho các họ này đều tìm thấy trong xăng.Mặc dù trong thành phần của dầu mỏ ban đầu không có các hợp chất không nonhư olefin nhưng trong quá trình chế biến đã xảy ra quá trình cắt mạch hình thànhnên các hợp chất đói này, do đó trong thành phần hoá học của xăng thương phẩmcòn có mặt các hợp chất đói Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon vàtheo họ hydrocacbon của một loại xăng super thương phẩm Các cấu tử không xácđịnh chiếm 2.26%, các giá trị được cung cấp bởi IFP

Bảng 1 Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ

hydrocacbon của một loại xăng super thương phẩm [1]

Bảng 2 Sự phân bố các cấu tử theo số nguyên tử cacbon và theo họ

hydrocacbon của một loại xăng thường thương phẩm [1]

Các cấu tử không xác định chiếm 0.4%

2.1.2 Thành phần hoá học của xăng

Khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ cũng như các phânđoạn hay sản phẩm của nó thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm haiphần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon

2.1.2.1 Thành phần hydrocacbon của xăng[2]

 Họ parafinic

Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như

đã nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân

nhánh (iso parafin), với các isoparafin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủyếu là gốc metyl.[1]

Olefin Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạothành từ các, quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốchoá Các olefine này cũng bao gồm hai loại n-olefin và iso-olefin

 Họ naphtenic

Hydrocacbon naphtenic là các hydrocacbon mạch vòng no với công thứcchung là: CnH2n và các vòng này thường 5 hoặc 6 cạnh, các vòng có thể có nhánhhoặc không có nhánh, hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương đối lớn,trong đó các hợp chất đứng đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nó, nhữngđồng phân này thường có nhiều nhánh và nhánh lại rất ngắn chủ yếu là gốc metyl(-CH3)

 Họ aromatic

Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong

ba họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó

2.1.2.2 Thành phần phi hydrocacbon của xăng

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợpchất phi hydrocacbon như các hợp chất của O2, N2, S Trong các hợp chất này thìngười ta quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ônhiễm môi trường Trong xăng, S chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan(RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít haynhiều lưu huỳnh và hiệu quả quá trình xử lý HDS Các hợp chất của các nguyên tửkhác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạngpyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng thường ở dạng phenol và đồngđẳng

2.2 Đặc điểm của các nguồn dùng để phối trộn xăng

Ngoài các nguồn chính trên thì xăng còn được phối liệu từ các nguồnkhác như: xăng giảm nhớt, xăng cốc hóa đây là các sản phẩm phụ của các quá

trình Đặc điểm của xăng này là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon lớn,xăng kém ổn định vì chứa lượng lớn các hợp chất không no Cùng các loại xăngtrên thì ngày nay khi yêu cầu về việc giảm các chất gây ô nhiễm môi trường trongkhói thải của động cơ càng khắt khe thì việc dùng cácn cấu tử được tổng hợp từcác phản ứng hoá học có trị số octane cao như: MTBE, TAME, methanol,ethanol để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được áp dụng rộng rãi.

2.2.1 Xăng của quá trình reforming

Xăng thu được của quá trình reforming xúc tác được gọi là reformat Đây lànguồn nguyên liệu chính để phối trộn tạo xăng có chất lượng cao, chúng có chứamột hàm lượng các hợp chất aromatic cao nên chỉ số octan của no cao (RON = 95-102)

- Xăng refoming nhiệt có chỉ số octan cao hơn nhiều so với xăng cất trực tiếp từdầu thô Bảng 3 dưới đây trình bày các đặc trưng của xăng refoming nhiệt của 2phân đoạn tương đối khác nhau của cùng dầu thô Irắc

Bảng 3 Đặc trưng xăng reforming nhiệt của 2 phân đoạn từ nguồn dầu thô Irắc[3]

Chúng ta thấy rằng refomat nhiệt có chỉ số octan cao hơn nhiều so với chỉ

số octan của nguyên liệu đầu

- Xăng refoming xúc tác: Quá trình refoming xúc tác các hydrocacbon là mộtquá trình rất phức tạp bao gồm:

+ Đehyđro hoá các naphten thành các hydrocacbon thơm

+ Đehyđro vòng hoá các parafin thành các naphten

+ Đồng phân hoá các parafin và naphten thành isoparafin

Các quá trình này đều dẫn tới các loại hydrocacbon có chỉ số octan cao.Chính vì thế, các đặc trưng của xăng refoming xúc tác là rất tốt cho các động cơôtô và máy bay Ví dụ,chỉ số octan RON là 92,5, điểm chưng cất 50% ở 111°C

2.2.2 Xăng cracking

Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu Trị số octane củaxăng này khoảng 87- 92 tuỳ theo điều kiện công nghệ Thành phần hóa học chứatới 9- 13% hydrocacbon olefine Sự có mặt của của các olefine này chính lànguyên nhân làm mất tính ổn định của xăng

Xăng cracking là xăng thu được sau quá trình cracking một phân đoạn nhấtđịnh của dầu thô

Những tính chất của xăng craking:

Các xăng craking nhiệt có chỉ số octan đặc biệt cao hơn các xăng chưng cấttrực tiếp Thông thường chỉ số octan RON của xăng craking nhiệt là 70 ÷ 80 Xăngcraking nhiệt không bền vững, chúng có khuynh hướng để cho nhựa (gôm) pháttriển tương đối mạnh trong quá trình bảo quản tại kho với sự có mặt của khôngkhí Tuy nhiên người ta đã tìm ra các phương pháp làm sạch xăng hay dùng chấtkìm hãm tạo gôm cho phép có thể dùng xăng mà không có bất kỳ một bất tiện nàođối với ôtô

Nhưng người ta không thể, ngay cả bằng cách tăng cường các biện pháp xử

lí hoá học bằng các chất kìm hãm, làm cho xăng craking nhiệt có một độ bền vữngđủđể sử dụng chúng làm xăng máy bay Ngược lại, craking xúc tác cho các kết quảthoả mãn hơn nhiều, vì thực tế các xăng craking xúc tác không chứa nhữnghydrocacbon đi etylenic mà chúng là những hydrocacbon kém bền vững nhất

Chỉ số octan RON > 90 của các xăng craking xúc tác là do:

- Các hydrocacbon nhẹ của xăng chứa một tỉ lệ lớn các iso-parafin và iso-olefin

- Các hydrocacbon nặng của xăng đặc biệt giầu các hydrocacbon thơm Chúng tabiết rằng chỉ số octan của ba loại hydrocacbon này lớn hơn nhiều so với chỉ sốoctan của các parafin mạch thẳng

2.2.3 Xăng chưng cất trực tiếp

Phân xưởng chưng cất ở áp suất khí quyển là một phân xưởng quan trọng nhất trong nhà máy lọc dầu có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành nhiều phân đoạn khác nhau Phần hơi thu được ở đỉnh sau khi ổn định ta sẻ thu được xăng Loại xăng chưng cất trực tiếp này có chỉ số octan thấp khoảng 54 - 65 nên chỉ dùng mộtlượng ít để phối trộn còn phần chính được phân chia thành xăng nhẹ (chủ yếu C5

và C6) và xăng nặng Phần xăng nhẹ thường làm nguyên liệu cho quá trình isomer hoá còn phần xăng nặng làm nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác

2.2.4 Alkylat

Trong công nghệ lọc hóa dầu người ta sử dụng quá trình alkyl hóa để sảnsuất xăng có trị số octane cao Ngày nay quá trình alkyl hóa được sử dụng phổbiến ở các nước trên thế giới Với quá trình này, người ta đã tạo ra một nguồn phốiliệu có trị số octane cao hầu như không có tạp chất và các hợp chất aromatic đápứng yêu cầu sản suất xăng sạch bảo đảm các yêu cầu về động cơ và môi trường

Trong các nhà máy lọc hoá dầu có các khí dư:

- Loại parafin: CH4, C2H6, C3H8, C4H10 và iso-C4H10

- Loại etylenic: C3H4, C3H6, 1-buten, 2-buten và iso-buten

Đây là nguồn nguyên liệu quý để tổng hợp các xăng có chỉ số octan cao.Chúng ta biết rằng các hyđrocacbon có tính kháng nổ cao là các đồng phân phânnhánh, nghĩa là trong các phân tử này chứa nguyên tử cacbon bậc ba Sự phânnhánh càng nhiều thì chỉ số octan của phân tử càng cao Hơn nữa người ta cũngnhận thấy rằng độ bền của phân tử với sự va chạm tăng lên khi phân tử “tự tậptrung lại” hay dưới tác dụng của hiệu ứng phân nhánh

Nói chung, người ta nhận thấy rằng những hydrocacbon etylenic riêng biệt

có chỉ số octan cao hơn một chút so với các parafin tương ứng, trước hết là nhữnghydrocacbon C8

Mặt khác, độ nhạy và chỉ số octan của hỗn hợp các hydrocacbon etylenic làcao hơn nhiều so với độ nhạy và chỉ số octan của hỗn hợp các parafin có cùng sốnguyên tử cacbon

Chỉ số octan của các naphten cao hơn một chút so với chỉ số octan của cácparafin tương ứng nhưng độ nhạy của chúng không cao hơn

Những hydrocacbon aromat có chỉ số octan rất cao Độ nhạy của chúngtrong hỗn hợp cũng rất lớn như chỉ số octan khi nồng độ của chúng trong hỗn hợpnhỏ Từ những nhận xét trên đây ta sẽ thực hiện chuyển hoá các khí thành cácnhiên liệu có chỉ số octan càng cao càng tốt Các phương pháp tổng hợp như sau:

2.2.5 Các nguồn phối liệu khác

Ngoài các nguồn chính trên thì xăng còn được phối liệu từ các nguồn khácnhư: xăng giảm nhớt, xăng cốc hóa đây là các sản phẩm phụ của các quátrình.Đặc điểm của xăng này là hàm lượng các hợp chất phi hydrocacbon lớn,xăng kém ổn định vì chứa lượng lớn các hợp chất không no

Cùng các loại xăng trên thì ngày nay khi yêu cầu về việc giảm các chất gây

ô nhiễm môi trường trong khói thải của động cơ càng khắt khe thì việc dùng cáccấu tửđược tổng hợp từ các phản ứng hoá học có trị số octane cao như: MTBE,TAME, methanol, ethanol để phối trộn xăng thương phẩm cũng đang được ápdụng rộng rãi

2.3 Một số tính chất kĩ thuật đặc trưng của xăng

Để động cơ hoạt động tốt và có hiệu suất cao, xăng phải tương thích vớiđộng cơ nghĩa là xăng phải đáp ứng được một số yêu cầu sau:

- Có khả năng bay hơi đủ tốt

- Cháy điều hòa, nghĩa là cháy không kích nổ, lan truyền theo mọi trật tựnhất định

- Có nhiệt cháy lớn

- Không tạo cặn

- Không ăn mòn động cơ

- Dễ lưu chuyển

- Khí thải có ít thành phần độc hại đối với môi trường và con người

Vì vậy để đánh giá khả năng làm việc của xăng người ta thường căn cứ vàomột số tính chất hóa lý đặc trưng của chúng

2.3.1 Tính chống kích nổ.

Đây là một chỉ số chống kích nổ quan trọng, nó chỉ ra khả năng chống cháykích nổ trong động cơ xăng Tính chống kích nổ của xăng được biểu thị qua trị sốoctan

Trị số octan là một đơn vị quy ước Trị số octan có giá trị là x nếu xăng đó

có khả năng cháy điều hòa tương đương với hỗn hợp gồm x% thể tích iso octan và(100-x) % thể tích n-heptan

Với cùng một khoảng chạy pittông, nếu tỷ số càng cao thì công suất động

cơ càng lớn, tuy nhiên tỷ số nén cao quá thì dễ gây ra hiện tượng chống kích nổ

Vậy khi sử dụng xăng tùy theo tỷ số nén của động cơ mà ta chọn loại xăngthích hợp Nếu động cơ có tỷ số nén cao mà chọn xăng có trị số octan thấp thì sẽ

gây kích nổ Nếu động cơ có tỷ số nén thấp mà chọn xăng có trị số octan cao thì sẽ

+ Chọn phân đoạn xăng gốc trị số octan cao

+ Pha trộn các cấu tử có trị số octan cao

+ Dùng phụ gia

2.3.2 Tính hóa hơi của nhiên liệu và áp suất hơi bão hòa

Nhiên liệu lỏng có hiện tượng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí,tính hóa hơi thể hiện tốc độ chuyển pha Quá trình cháy của nhiên liệu xăng trongbuồng đốt phụ thuộc nhiều vào tính hóa hơi của nó, muốn nhiên liệu được đốtcháy hết thì nó phải bốc hơi hoàn toàn và cháy trong thời gian ngắn nhất (0,05 -0,1 giây) nếu khả năng này khó thành hiện thực ta gọi tính hóa hơi của nhiên liệukém.

Khi nhiên liệu bốc hơi kém thì sẽ có các tác hại:

- Khó khởi động máy: nhiệt độ ban đầu thấp, lượng hơi bốc lên ít không đủnhiên liệu hơi cần thiết trong hỗn hợp khí dễ cháy

- Máy chạy không khỏe: nhiên liệu cháy khi còn đang ở dạng sương nênkhông đủ nhiệt lượng, nhiên liệu cháy chậm làm sinh công ít nên máy yếu

- Loãng phí nhiên liệu và làm máy bẩn: nhiên liệu cháy không hết và bị xả

ra ngoài, một phần đọng lại ở xy lanh dần dần biến thành muội than

- Làm loãng dầu nhờn và gây mài mòn máy

Khi nhiên liệu bốc hơi quá dễ, nó sẽ hóa hơi ngay trên đường ống dẫn, gâyhiện tượng nút hơi bị thiếu hụt nhiên liệu làm mất ổn định khi chạy và có thể dẫnđến tắt máy Trong bảo quản cũng có thể gây hao hụt và hỏa hoạn

a) Các yếu tố ảnh hưởng đến tính hóa hơi của nhiên liệu

Thành phần nhiên liệu: nếu trong thành phần của nhiên liệu có hàm lượngcác phân tử nhẹ lớn hơn thì nhiên liệu có độ sôi thấp, dễ bốc hơi

Áp suất hơi: đối với các nhiên liệu có phạm vi chưng cất như nhau thì nhiênliệu nào có áp suất hơi cao sẽ bốc hơi nhanh

Ẩn nhiệt bay hơi của nhiên liệu là nhiệt lượng cần thiết để một đơn vị trọnglượng nhiên liệu chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, nó phụ thuộc vàobản chất và thành phần của nhiên liệu

Nhiệt độ và áp suất không khí; nhiệt độ càng cao thì áp suất môi trườngcàng nhỏ thì tốc độ bay hơi càng nhanh

Diện tích mặt thoáng và thể tích khoảng trống càng lớn thì càng tạo điềukiện cho nhiên liệu bốc hơi dễ dàng, vì xu hướng của nhiên liệu phải bốc hơi nhiềumới đạt mức bão hòa.

b) Áp suất hơi bão hòa

Áp suất hơi bão hòa của xăng là điểm tới hạn quan trọng ảnh hưởng tới đặctính khởi động của động cơ và là nguyên nhân tạo các nút hơi trong hệ thống cungcấp nhiên liệu, áp suất hơi bão hòa càng cao thì xăng có nhiều cấu tử hydrocacbonnhẹ, xăng càng cao cấp

Áp suất hơi bão hòa Reid đặc trưng cho khả năng bay hơi của xăng, áp suấthơi bão hòa càng lớn thì độ bay hơi càng cao Đối với xăng thì đại lượng này cógiá trị khoảng 0,5 - 0,8 bar

2.3.3 Khối lượng riêng của xăng

Tuy không được chính xác lắm nhưng qua khối lượng riêng ta có thể xemxét được việc xăng có bị trộn lẫn bởi các sản phẩm nặng hay không, đồng thời dựđoán được hàm lượng các hydrocacbon trong xăng

2.3.4 Tính ổn định hóa học của xăng

Xăng phải có độ ổn định hóa học nhất định, có thành phần hóa học ít biếnđổi theo thời gian

Đây là khả năng chống lại sự oxi hóa làm biến chất sản phẩm dầu mỏ đốivới môi trường xung quanh, xăng có tính ổn định càng cao thì khả năng biến chấtcàng khó nên giữ được lâu, ít ảnh hưởng đến động cơ, khi tính ổn định kém thìxăng dễ bị biến chất, các tính chất sẽ thay đổi nhanh chóng

2.3.5 Tính ăn mòn của nhiên liệu

Sự ăn mòn là do các tạp chất trong nhiên liệu và các hợp chất của oxi hìnhthành từ olefin Những chất ăn mòn là axit, bazơ, hợp chất của lưu huỳnh

Các chất ăn mòn ở trong xăng sẽ tấn công những đường ống dẫn, van, cácchi tiết góp phần làm tăng các tạp chất cơ học trong xăng

Để đánh giá tính ăn mòn của nhiên liệu ta thường xem xét các chỉ tiêu sau:

+ Hàm lượng axit, bazơ tan trong nước.

+ Độ axit trong nhiên liệu

+ Độ ăn mòm tấm đồng

+ Hàm lượng mercaptan và hàm lượng lưu huỳnh tổng

2.3.6 Tính bay hơi của xăng

Yêu cầu của xăng nhiên liệu phải đủ khả năng hóa hơi để dễ khởi động,nhanh chóng sưởi ấm động cơ và phải có độ bay hơi thích hợp để phân bố đềugiữa cá xilanh Do đó mà nhiên liệu phải được chuyển sang pha hơi với không khí,nếu nhiên liệu không chuyển hoàn toàn sang trạng thái hơi thì khi cháy sẽ tạo ramuội, tạo tro Từ đây ta có thể nói tính bay hơi liên quan đến khởi động của độngcơ

Động cơ muốn khởi động được thì phải phụ thuộc vào thành phần củaxăng Nếu xăng bay hơi quá dễ sẽ hóa hơi ngay trên đường ống dẫn, gây hiệntượng tạo nút hơi làm cho xăng phun lên có lẫn bọt khí, không đảm bảo đủ hơixăng cung cấp cho động cơ nên hoạt động không ổn định, có thể bị cháy máy hoặclàm hỏng động cơ Nhưng ngược lại nếu bay hơi ở nhiêt độ cao thì dẫn đến cónhiều phần nặng không bay hơi thì sẽ thu được nhiệt độ sôi thấp Xăng khó bayhơi dẫn đến khó điều chỉnh máy, gây nên khó khởi động máygây lãng phí nhiênliệu do cháy không hết dẫn đến tạo muội than, làm bẩn máy, làm loãng dầu nhờn,gây hiện tượng mài mòn nhiều hơn mức bình thường

Tính bay hơi của xăng được đánh giá bằng các chỉ tiêu phẩm chất

+ Thành phần của điểm sôi

+ Áp suất hóa hơi

+ Tỷ trọng hay khối lượng riêng

Phương pháp xác định thành phần điểm sôi của xăng được tiến hành theotiêu chuẩn TCVN 2698 – 1995, ASTM – D86