Xác định thành phần phân đoạn có thể thực hiện bằng các phương pháp khác nhau dựa vào sự khác nhau về tính chất lý hóa của các chất chứa trong dầu thô. Thông thường người ta dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ sôi ( chưng cất và tinh cất) ; chênh lệch tốc độ bay hơi phụ thuộc chủ yếu vào phân tử lượng ( chưng cất phân tử, bay hơi lớp mỏng) ; vào khả năng hấp phụ trên các chất xốp khác nhau ( sắc ký) ; vào khả năng hòa tan trong các dung môi khác nhau ( chiết), vào nhiệt độ nóng chảy ( kết tinh trong dung dịch)…
Trong phân tích dầu, nhiên liệu động cơ và khí hydrocacbon phương pháp phân đoạn chính được ứng dụng là phân chia theo nhiệt độ sôi, nghĩa là chưng cất và tinh cất. Khi nghiên cứu thành phần nhóm của distilat dầu các phương pháp hấp phụ có vai trò quan trọng trong phân tách hỗn hợp. Xác định thành phần phân đoạn của dầu nhờn được tiến hành theo phương pháp bay hơi lớp mỏng. Phân tách các chất cao phân tử của dầu thô tiến hành theo phương pháp chưng cất phân tử, chiết, hấp phụ và kết tinh.
Xác định thành phần phân đoạn dầu, dầu tổng hợp và bán tổng hợp bằng chưng cất trong thiết bị chuẩn. Trong điều kiện kỹ thuật thành phần phân đoạn là chỉ số quan trọng đối với xăng máy bay, xăng ôtô, dầu hỏa và dầu máy kéo, nhiên liệu diesel và các dung môi. Đối với các sản phẩm dầu này thực hiện chưng cất phân đoạn trong điều kiện chuẩn nhằm xác định nhiệt độ cất 10, 50, 90 và 97,5%t.t. so với nguyên liệu, cặn và đôi khi cả nhiệt độ sôi cuối.
Hình 2.4a. Thiết bị chuẩn để chưng cất sản phẩm dầu.
Bình cầu ; 2- nhiệt kế ; 3- ống sinh hàn ; 4,6- lỗ dẩn nước vào và ra ; 5- bể làm lạnh ; 7- ống đang ; 8- tấm lót amian ; 9- chụp
Chưng cất phân đoạn các sản phẩm dầu tiến hành theo GOST 2177-66 trong thiết bị chuẩn như trong hình 2.4a. Nước có thể chứa nước, nên trước khi chưng cất cần loại nước bằng cách để lắng và làm khan.
Qui trình thí nghiệm
Bằng ống đong 7 rót vào bình cầu 1 sạch, khô 100 ml dầu có nhiệt độ 20+3oC. Tiếp theo lắp nhiệt kế 2 có khoảng nhiệt độ đo là 0-360oC vào miệng bình qua nút bấc thật kín. Trục của nhiệt kế phải trùng với trục của cổ bình cầu, và mép trên của quả cầu thuỷ ngân trùng với vạch dưới của ống ra. Nối ống sinh hàn 3 qua nút . Ống nhánh của bình cầu phản ngập sau trong ống sinh hàn 25-40 mm và không chạm vào thành sinh hàn.
Nếu chưng cất xăng thì cho đá vào bể làm lạnh để giữ nhiệt độ từ 0 đến 5oC. Khi chưng cất sản phẩm dầu có nhiệt độ sôi cao hơn thì làm lạnh bằng nước lạnh dẫn qua lỗ 6 và ra qua lỗ 4. Nhiệt độ nước không quá 30oC.
Toàn bộ sơ đồ đã lắp ráp được đặt trên tấm lót amian 8 và chụp 9 được giữ thật thẳng đứng. Ống đong được đặt dưới nép của ống sinh hàn, sao cho ống sinh hàn ngập trong ống đong không ít hơn 25 mm, nhưng không quá vạch 100 ml. Khi chưng cất nhiên liệu nặng thì sử dụng ống đong sạch và khô.
Khi chưng cất xăng ống đong được đặt trong chậu thuỷ tinh có chứa nước, sao cho nó không bị nổi lên ( đế có tấm dằn). Cổ ống đong được đậy bông.
Sử dụng đèn đốt hoặc bếp điện có nút điều chỉnh để gia nhiệt cho bình cầu. sau khi đã lắp đặt xong thiết bị bắt đầu nung nóng bình cầu từ từ. Sản phẩm dầu bay hơi , được ngưng tụ trong sinh hàn và chảy vào ống đong. Để duy trì điều kiện cất chuẩn cần điều chỉnh gia nhiệt sao cho từ khi bắt đầu gia nhiệt đến khi giọt lỏng đầu tiên rơi xuống ống đong không ít hơn 5 phút và không quá 10 phút ( đối với kerosen và nhiên liệu diesel nhẹ – 10-15 phút).
Nhiệt độ, tại đó giọt lỏng đầu tiên rơi vào ống đong là nhiệt độ sôi đầu. Cường độ gia nhiệt tiếp theo sao cho tốc độ cất ổn định khoảng 4-5 ml/phút, ứng với 20-25 giọt trong 10 giây. Ghi kết quả xác định thành phần phân đoạn : hoặc là ghi nhiệt độ mà thể tích trong ống đong ứng với phần cất 10 ; 50 ; 90 ; 97,5 ; 98%, hoặc , ngược lại, ghi thể tích cất được ở các nhệt độ chuẩn ( thí dụ 100 ; 200 ; 260 ; 270oC). Nếu cần cũng ghi nhiệt độ sôi cuối.
Sau khi cất 90% sản phẩm dầu, chỉnh lửa sao cho đến khi kết thúc cất (tắt lửa) là 3-5 phút. Khi chưng cất kerosen và diesel nhẹ sau khi cất 95% không tăng cường gia nhiệt, mà quan sát thời gian cho đến lúc kết thúc chưng cất không quá 3 phút. Tắt lửa khi thể tích chất lỏng trong ống đong bằng lượng cất trên (97,5 ; 98%...) đối với các sản phẩm dầu. Nếu tiêu chuẩn là nhiệt độ sôi cuối thì gia nhiệt cho đến khi cột thuỷ ngân của nhiệt kế dừng lại ở độ cao nào đó, sau đó bắt đầu hạ xuống.
Ghi thể tích phần cất cuối cùng trong ống đong sau khi ngưng cấp nhiệt 5 phút, để chất lỏng chảy hết xuống ống đong. Để xác định phần cặn, tháo thiết bị, rót cặn nóng vào ống đong có dung tích là 10 ml. Sau khi để nguội đến 20+3oC xác định thể tích cặn. Tất cả tính toán trong chưng cất tính với độ chính xác đến 0,5 ml và 1oC. Chênh lệch giữa 100 ml và tổng thể tích phần chưng và cặn được coi là mất mát.
Nếu tiến hành chưng cất ở áp suất áp kế cao hơn 770 mm Hg (102.103 Pa) hoặc thấp hơn 750 mm Hg (99,8.103 Pa), thì thêm vào chỉ số của nhiệt kế lượng hiệu chỉnh :
Trong đó:
C = 0,00012 (760-p) (273 +t)
P - áp suất áp kế trong thời gian chưng cất, mm Hg ; t - nhiệt độ chỉ trong nhiệt kế , oC.
Đối với hai lần cất song song sai số cho phép như sau : đối với nhiệt độ chưng cất đầu 4 oC ; điểm chưng cất cuối và trung gian là 2oC và 1ml ; đối với cặn : 0,2 ml.
Khi chưng cất sản phẩn dầu nặng cường độ nhiệt ban đầu sao cho giọt đầu tiên xuất hiện ở đuôi sinh hàn không sớm hơn 10 phút và không chậm hơn 20 phút kể từ thời điểm bắt đầu gia nhiệt, còn tốc độ chưng cất 8-10 ml đầu tiên là 2-3 ml/phút. Phần cất tiếp theo tốc độ là 4-5 ml/phút.
Khi chưng cất nhiên liệu với nhiệt độ đông đặc co hơn -5oC, tốc độ nạp
nước trong bể làm lạnh điều chỉnh sao cho nhiệt độ ra khỏi bề làm lạnh khi chưng cất ở nhiệt độ duới 250oC trong khoảng 30-40oC, còn trên 250oC- trong khoảng 60-75oC. Nếu điều kiện này không được thực hiện thì parafin động đặc cao sẽ nằm lại trong ống sinh hàn.
Chưng cất điểm sôi thực (ĐST) là chưng cất phân đoạn nhiều lần, có tinh lọc. Thiết bị để thực hiện sự tiếp xúc liên tục giữa pha hơi đi lên với lượng ngưng tụ đi xuống từ bình ngưng, được gọi là «cột chưng cất phân đoạn có tinh lọc». Thiết bị chưng cất ĐST theo tiêu chuẩn ASTM 2892 có 15 mâm lý thuyết. Các phân đoạn nhẹ có nhiệt độ sôi tới 210 ÷ 230oC được chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ trong bình chưng cất giữ không quá 300oC để tránh phân hủy dầu. Sau khi chưng cất ở áp suất khí quyển phần cặn được chuyển sang chưng cất áp suất thấp theo tiêu chuẩn ASTM D 1160 hoặc ASTM D 5236 để chưng cất tiếp tới nhiệt độ sôi 500 ÷ 560oC (ở áp suất thường).
Thiết bị chưng cất AUTODEST-800 AC trong hình 2.4b và 2.4c.
Thiết bị chưng cất có bộ phận cân khối lượng dầu thô, xác định khối lượng riêng của mẫu thu được, vẽ đường điểm sôi thực (ĐST). Sau khi chưng cất đạt nhiệt độ đỉnh cột 350 ÷ 360oC (ở áp suất khí quyển) thì kết thúc phần chưng cất theo tiêu chuẩn ASTM D2892. Phần cặn còn lại trong bình chưng được tiếp tục chưng cất ở áp suất thấp hơn theo tiêu chuẩn ASTM D5236. Quá trình chưng cất trong khoảng nhiệt độ có thể đạt tới 400oC, ở áp suất khoảng 10 ÷ 0,1 mmHg, tương ứng với nhiệt độ ở áp suất khí quyển là 565oC. Kết quả chưng cất thiết lập đường ĐST.
Hình 2.4b. Sơ đồ chưng cất điểm sôi thực FISCHER AUTODEST- 800 AC theo tiêu chuẩn ASTM D2892.
Chú thích
1Phần thu nước tách khỏi dầu:
1.1 Sinh hàn để ngưng tụ nước.
1.2Phần thu nước.
1.3Máy làm lạnh cho sinh hàn ngưng tụ nước.
2 Phần chưng cất:
2.1 Sinh hàn.
2.2 Cột chưng cất.
2.3 Bình chưng cất.
2.4 Hệ thống bếp điện.
3 Phần thu sản phẩm:
3.1 Bộ phận thu sản phẩm, cân, đo tỉ trọng.
3.2 Bộ phận đặt các ống thu sản phẩm chưng cất.
4 Bình thép thu C3, C4.
5 Các máy lạnh phục vụ làm ngưng tụ sản phẩm.
6 Bộ phận điều khiển quá trình chưng cất.
7. Bình lạnh bảo vệ hệ thống bơm.
8. Máy tính với chương trình điều khiển quá trình chưng cất.
Hình 2.4c. Sơ đồ chưng cất điểm sôi thực FISCHER AUTODEST- 860 AC theo tiêu chuẩn ASTM D5236
Chú thích
1. Bộ phận nâng bếp điện:
1.1Bếp điện có khuấy từ.
2.Bình chưng cất thủy tinh:
2.1Bao chịu nhiệt lót bình.
2.2Áo bọc cách nhiệt cho bình chưng.
2.3Khuấy từ.
2.4Bộ ngắt lạnh (thép đặc biệt) với bộ dò nhiệt độ.
2.41Ống đỡ đặt đầu đo nhiệt trong bình khi tháo lắp.
3.Cột chưng cất với bộ phận ngưng tụ.
4.Ống làm lạnh an toàn.
5.Bẫy thu (bằng thép chất lượng cao):
5.1Đường hút chân không.
5.3Bộ tiếp nhận thu phần cất.
5.4Bộ đỡ bình dewar.
5.5Bình dewar.
5.6Tiếp nối bình dewar.
6.Ống thu các phân đoạn chưng cất:
6.4Bộ nâng hệ thống thu các phân đoạn chưng cất.
6.41Công tắc đóng ngắt cho bộ nâng.
6.17Bộ phận hâm nóng các phân đoạn chưng cất.
6.17Đầu dò nhiệt độ Pt-100 cho 6.17.
7.5. 7.5Đường từ bình dewar đến đầu dò chân không.
10.Khung giá đỡ trái:
10.1Khung giá đỡ phải
10.5. 10.05Bộ đỡ hệ thống thu
.11.Đầu đo nhiệt độ của phần hơi
11.1Ống đỡ
12.Bao giữ nhiệt cho cột
13Ống thu ban đầu
13.1Van solenoid
13.2Bộ phận hâm nóng ống thu ban đầu
15. 15.Bộ đo áp suất.