Các dầu thô có thành phần rất khác nhau. Thành phần hóa học, thành phần phân đoạn của dầu quyết định công nghệ chế biến và sản phẩm dầu sản xuất ra nhớt khoáng, dầu gốc. Do đó để lựa chọn được công nghệ chế biến dầu và hoạch định hướng sản phẩm cần biết:
Phân loại dầu thô.
Nắm được thành phần hóa học.
Thành phần phân đoạn.
Một số tính chất vật lý của dầu.
Phân loại dầu thô theo phương pháp hóa học và vật lý
Phân loại dầu theo phương pháp hóa học
Theo phương pháp của Viện dầu mỏ Hoa kỳ
Ở Hoa kỳ phân loại dầu thô dựa trên cơ sở kết hợp giữa tỉ trọng và thành phần hóa học. Theo cách phân loại này dầu được chia thành hai phân đoạn: phân đoạn I có nhiệt độ sôi trong khoảng 250 ÷ 275oC ở áp suất khí quyển và phân đoạn II sôi trong khoảng 275 ÷ 300oC ở áp suất dư 40 mm Hg.
Nếu tỉ trọng tương đối của phân đoạn có nhiệt độ sôi 250 ÷ 275oC bằng 0,825 hoặc thấp hơn được coi là dầu parafin, nếu tỉ trọng lớn hơn hoặc bằng 0,860 - dầu naphten, còn giữa 0,825 và 0,860 - dầu trung gian.
Nếu tỉ trọng của phân đoạn có nhiệt độ sôi 275 ÷ 300oC không quá 0,876 là dầu parafin, lớn hơn hoặc bằng 0,934 - dầu naphten, còn giữa 0,876 và 0,934 - dầu trung gian.
Theo phương pháp phân đoạn này dầu được chia thành bảy loại: 1) parafin; 2) parafin-trung gian; 3) trung gian-parafin; 4) trung gian; 5) trung gian-naphten; 6) naphten-trung gian; 7) naphten (xem trong bảng 2.1).
Bảng 2.1. Phân loại dầu thô theo phương pháp của Viện dầu mỏ Hoa kỳ dựa vào tỉ trọng dầu
Cách phân loại này khá phức tạp và chưa phản ánh được bản chất hóa học của dầu thô.
Phân loại theo phương pháp Nelson, Watson và Murphy
Vatson và Nelson [1] đã đề suất thừa số đặc trưng K xác định theo phương trình sau:
Đối với các phân đoạn hẹp có thể sử dụng nhiệt độ cất 50% thay cho nhiệt độ sôi trung bình. Theo số liệu của Nelson dầu parafin có thừa số đặc trưng K trong khoảng 12,15 ÷ 12,9; dầu naphten: K = 10,5 11,45; dầu trung gian K = 11,5 12,1.
Theo phương pháp của Viện nghiên cứu chế biến dầu Groznu (GrozNII) (Nga )
Theo cách phân loại của GrozNII có 6 loại dầu khác nhau: 1) parafin; 2) parafin-naphten; 3)naphten; 4) parafin-naphten-aromat; 5) parafin-aromat; 6) aromat (bảng 2.2).
Bảng 2.2. Phân loại dầu thô theo GrozNII
Trong dầu parafin phân đoạn xăng chứa không ít hơn 50% khối lượng (%k.l.) parafin, phân đoạn dầu nhờn có hàm lượng parafin rắn có thể đạt tới 20%k.l. (trung bình 10%k.l). Hàm lượng parafin rắn trong dầu loại này dao động trong khoảng 2 đến 10%, còn lượng naphten và nhựa trung hòa rất ít.
Dầu parafin - naphten chứa lượng đáng kể naphten và lượng nhỏ hydrocacbon thơm. Parafin rắn trong loại dầu này tương tự như trong dầu parafin, asphanten và nhựa rất ít.
Trong dầu naphten tất cả các phân đoạn đều có hàm lượng naphten cao, đạt tới 60%k.l. và đôi khi cao hơn. Dầu naphten chứa lượng parafin rắn thấp nhất và lượng nhỏ nhựa trung hòa và asphanten.
Dầu parafin – naphten - thơm có hàm lượng hydrocacbon các nhóm này xấp xỉ nhau. Hàm lượng parafin rắn trong dầu loại này thấp hơn 1 ÷ 1,5%k.l., hàm lượng nhựa và asphanten khá cao (khoảng gần 10%k.l.).
Đối với dầu naphten-aromat hàm lượng naphten và hydrocacbon thơm tăng nhanh khi phân đoạn nặng dần lên. Parafin chỉ có trong phân đoạn nhẹ, lượng parafin rắn không quá 0,3%k.l. Trong các dầu này chứa khoảng 15 ÷ 20% nhựa và asphanten.
Dầu aromat được đặc trưng là tất cả các phân đoạn có tỉ trọng cao và hàm lượng hydrocacbon thơm cao.
Theo phương pháp của Viện Dầu mỏ Pháp (IFP)
Viện Dầu mỏ Pháp (IFP) phân loại dầu thô dựa vào tỉ trọng ( d4 20 ) của phân đoạn 250 ÷ 300oC của dầu trước và sau khi xử lý bằng axit sulfuric (bảng 2.3).
Bảng 2.3. Phân loại dầu thô theo Viện Dầu mỏ Pháp (IFP)
Phân loại dầu theo hàm lượng lưu huỳnh, parafin
Dầu chứa không quá 0,5%k.l. lưu huỳnh được coi là dầu ít lưu huỳnh và thuộc lớp I. Nếu như hàm lượng lưu huỳnh trong các sản phẩm dầu vượt quá ngưỡng qui định (trong xăng: < 0,15%; trong nhiên liệu phản lực: < 0,1%; nhiên liệu diesel: < 0,2%) thì chúng sẽ thuộc lớp II.
Dầu chứa từ 0,51 đến 2% lưu huỳnh được coi là dầu lưu huỳnh và chúng thuộc lớp II. Tuy nhiên trong trường hợp các distilat nhiên liệu có hàm lượng không cao hơn qui định cho dầu lớp I thì dầu sẽ thuộc loại ít lưu huỳnh và thuộc lớp I.
Dầu chứa trên 2,0% lưu huỳnh thuộc loại lưu huỳnh cao và thuộc lớp III. Tuy nhiên nếu tất cả nhiên liệu được điều chế từ dầu này có hàm lượng lưu huỳnh không quá ngưỡng qui định cho dầu lưu huỳnh thì dầu thô sẽ thuộc lớp II.
Theo hàm lượng parafin dầu được chia thành 3 dạng P1, P2 và P3. Dạng P1 là dầu ít lưu huỳnh, chứa không quá 1,5%k.l. parafin có nhiệt độ nóng chảy 50oC. Dầu parafin thuộc dạng P2, có hàm lượng parafin 1,51 ÷ 6%. Dầu parafin cao có hàm lượng parafin trên 6%.
Phân loại dầu theo phương pháp vật lý
Theo tỉ trọng dầu
Thuở bình minh của sự phát triển công nghiệp chế biến dầu tỉ trọng được coi là tham số cơ bản của tính chất dầu thô. Dầu thô được chia thành loại nhẹ ( d 15 < 0,828), tương đối nặng ( d 15 = 0,828 ÷ 0,884) và nặng. Thực tế cho thấy dầu nhẹ có khối lượng tương đối của phân đoạn xăng và dầu hỏa lớn và ít lưu huỳnh và nhựa. Từ dầu loại này sản xuất được dầu nhờn chất lượng cao. Dầu nặng, ngược lại, có hàm lượng nhựa cao, ít khả năng sản xuất dầu nhờn, là nguyên liệu cho sản xuất bitum chất lượng tốt và hiệu suất sản phẩm sáng thấp.
Theo chỉ số oAPI
Chỉ số oAPI có thể thay thế cho tỉ trọng dầu trong phân loại dầu thô.
Theo chỉ số tương quan
Smith [3] đưa ra chỉ số tương quan để phân loại dầu thô. Chỉ số tương quan được xác định theo phương trình sau:
Phân đoạn với giá trị CI từ 0 đến 15 là parafin; 15 50 là naphten hoặc hỗn hợp parafin, naphten và aromat; CI > 50 là hydrocacbon thơm.
Thành phần hóa học của dầu thô, thành phần hydrocacbon
Các nguyên tố hóa học cơ bản tham gia trong thành phần dầu thô là cacbon (82 ÷ 87%k.l.), hydro (11 ÷ 15%k.l.), lưu huỳnh (0,1 ÷ 7,0%k.l.), nitơ
(dưới 2,2% k.l.) và oxy (dưới 1,5%k.l.). Trong dầu có chứa V, Ni, Fe, Ca, Na,K, Cu, Cl, I, P, Si, As.... Trong thành phần của dầu thô chứa các hydrocacbon 4 nhóm sau: parafin, olefin, naphten và aromat. Tuy nhiên, trong thực tế rất ít gặp olefin trong dầu thô.
Hydrocacbon parafin
Các parafin thấp - metan, etan, propan, butan ở thể khí. Các parafin từ pentan trở lên trong điều kiện thông thường ở thể lỏng. Với cùng số nguyên tử cacbon trong phân tử hydrocacbon cấu trúc nhánh có tỉ trọng, nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ sôi thấp hơn parafin mạch thẳng. Các isoparafin cho xăng chất lượng tốt hơn, trong khi đó parafin mạch thẳng có tác dụng tiêu cực lên tính chất của nhiên liệu động cơ đốt trong. Parafin mạch thẳng với hàm lượng không vượt quá giá trị xác định nào đó là thành phần mong muốn cho nhiên liệu phản lực, diesel và dầu nhờn.
Các parafin từ C17 trở lên ở điều kiện thông thường tồn tại ở thể rắn, có nhiệt độ nóng chảy tăng khi phân tử lượng tăng. Hydrocacbon rắn là thành phần của parafin và xerezin. Parafin có cấu trúc tinh thể dạng phẳng hoặc dạng sợi, nhiệt độ nóng chảy dao động từ 40 đến 70oC, số nguyên tử cacbon trong phân tử từ 21 đến 32, phân tử lượng từ 300 đến 450. Parafin rắn tồn tại chủ yếu trong phân đoạn dầu bôi trơn có nhiệt độ sôi 350 ÷ 500oC.
Hydrocacbon không no
Trong dầu nhờn hiếm gặp olefin. Olefin và các hydrocacbon không no khác có trong các sản phẩm dầu là kết quả của chế biến phá hủy cấu trúc. Các hydrocacbon này có hoạt tính cao và do đó dễ polymer hóa, tạo nhựa dẫn đến giảm thời gian tồn trữ và thời gian sử dụng của sản phẩm dầu. Hydrocacbon không no là thành phần không mong muốn cho nhiên liệu động cơ và dầu bôi trơn. Nhiều hydrocacbon không no- axetilen, etylen, propylen, butylen, butadien được ứng dụng trong sản xuất polyetylen, polypropylen, alcohol và cao su tổng hợp, chất dẻo và các sản phẩm khác.
Hydrocacbon naphten
Naphten trong các phân đoạn nhẹ của dầu mỏ là dẫn xuất của cyclopentan và cyclohexan. Trong dầu thô chứa các hydrocacbon naphten một, hai, ba và bốn vòng. Sự phân bố của naphten trong các phân đoạn rất khác nhau. Trong một số dầu hàm lượng naphten tăng khi phân đoạn nặng dần, trong các dầu khác hàm lượng của chúng lại không đổi hoặc giảm.
Naphten là thành phần quan trọng của nhiên liệu động cơ và dầu nhờn. Đối với xăng ôtô chúng tạo tính sử dụng cao. Naphten đơn vòng với mạch
nhánh dài là thành phần mong muốn của nhiên liệu phản lực, diesel và dầu nhờn. Là thành phần cơ bản của dầu nhờn chúng tạo cho dầu nhờn có độ nhớt ít thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Với cùng số nguyên tử cacbon trong phân tử so với parafin naphten có tỉ trọng cao hơn và nhiệt độ đông đặc thấp hơn.
Naphten được ứng dụng chính làm nguyên liệu để sản xuất hydrocacbon thơm: benzen, toluen, xylen.
Hydrocacbon thơm
Trong thành phần dầu mỏ có các hydrocacbon thơm với số vòng từ 1 đến 4. Chúng phân bố khác nhau trong các phân đoạn. Về nguyên tắc, trong các dầu nặng hàm lượng của hydrocacbon thơm tăng mạnh khi nhiệt độ sôi của phân đoạn tăng. Trong các dầu thô có tỉ trọng trung bình và giàu naphten hydrocacbon thơm phân bố tương đối đồng đều trong các phân đoạn. Trong dầu nhẹ, giàu phân đoạn xăng, hàm lượng hydrocacbon thơm giảm mạnh khi nhiệt độ phân đoạn tăng. Hydrocacbon thơm của phân đoạn xăng (nhiệt độ sôi 30 ÷ 200oC) là các đồng đẳng của benzen. Trong phân đoạn kerosen
(nhiệt độ sôi 200 ÷ 300oC) bên cạnh đồng đẳng benzen còn có lượng nhỏ naphtalen. Hydrocacbon thơm của phân đoạn gasoil (400 ÷ 500oC) phần chính là đồng đẳng naphtalen và antrasen.
So với các nhóm hydrocacbon khác aromat có tỉ trọng cao nhất. Theo độ nhớt chúng chiếm vị trí trung gian giữa parafin và naphten. Hydrocacbon thơm là thành phần mong muốn của xăng, nhưng chúng làm giảm chất lượng của nhiên liệu phản lực và diesel vì làm xấu đặc tính cháy của chúng. Thường hàm lượng aromat của các nhiên liệu này không quá 20 ÷ 22%.
Hydrocacbon thơm đơn vòng với mạch nhánh isoparafin dài tạo cho dầu bôi trơn tính chất nhiệt - nhớt tốt. Về phương diện này hydrocacbon thơm không có mạch nhánh và đa vòng là không mong muốn. Tuy nhiên để tăng độ bền hóa học của dầu bôi trơn cần phải có một lượng nhỏ các aromat loại này.
So với các hydrocacbon nhóm khác aromat có khả năng hòa tan cao đối với các chất hữu cơ, nhưng hàm lượng của chúng trong một số dung môi cần hạn chế vì lý do độc hại. Hàm lượng cho phép của hơi benzen trong không khí là 5 mg/m3, toluen và xylen – 50 mg/m3.
Ngày nay hydrocacbon thơm được ứng dụng là thành phần của sản phẩm dầu, dung môi và sản suất chất nổ và nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu.