Tiểu luận dầu nhờn công nghệ tách asphalten

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

Trang 1


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

1.

Tổng quan quá trình tách asphalten

Trong cặn của quá trình chưng cất chân không bên cạnh các hydrocabon
phân tử lượng cao còn chứa hàm lượng lớn chất asphalten và nhựa. Nhiều trong
số các hydrocacbon kể trên là thành phần không mong muốn cho dầu nhờn, do
đó nhiệm vụ là phải làm sạch các phân đoạn dầu này. Cặn chưng cất chân không
được xem như một hệ keo của các hợp chất có phân tử lớn gồm asphalten, nhựa.
Trong đó asphalten là những cấu tử có cấu trúc thơm đa vòng ngưng tụ có dạng
phẳng, chứa khoảng từ 6 đến 20 vòng thơm, khối lượng phân tử trung bình
khoảng 1000 đến 2000 đơn vị, phân tử của chúng chiếm trên 100 C và các các
hợp chất chứa lưu huỳnh, nito và các kim loại. Về mặt tổng thể ta có thể nói
asphalten tan trong môi trường dầu có kích thước rất nhỏ và được bao bọc bởi
nhựa lơ lửng trong dầu. Sự có mặt của nhựa, asphalten trong dầu gốc chính là
nguyên nhân làm cho dầu gốc có độ nhớt cao, chỉ số độ nhớt (VI_Viscosity
Index) thấp, có độ bền oxi hoá thấp, dễ gây ăn mòn và làm xấu màu dầu (do
thường có các dị nguyên tố trong chúng), là nguyên nhân xuất hiên keo làm mất
tính đổng nhất của dầu.
Quá trình tách asphalten với mục đích loại asphalten và các hợp chất nhựa
có trong cặn chưng cất chân không ra khỏi môi trường dầu, quá trình này luôn
được xem là công đoạn lọc dầu trung gian, nhất thiết phải có, nó đồng bộ trong
sơ đồ công nghệ lọc dầu vì nó làm tăng giá trị cho các sản phẩm đó là các phân
đoạn asphanlten, nhựa và phân đoạn dầu nhờn

Quá trình tách asphalten có thể được làm bằng cách sử dụng dung môi.
Hiệu quả làm sạch cặn dầu khỏi chất nhựa bằng dung môi lựa chọn đơn chất là
không cao ngay cả khi bội số dung môi cao. Điều này có thể đượcgiải thích là do
không phải tất cả các thành phần của nhựa hòa tan tốt trongdung môi lựa chọn.
Về cơ bản các chất asphalten hòa tan hoặc phân tán trong nguyên liệu có thể
được loại ra bằng cách xử lý cặn bằng axit sulfuric, cũng như alkan phân tử
lượng thấp hóa lỏng như propane, butane. Phương pháp loại asphalten bằng axit
sulfuric đặc biệt khi kết hợp với làm sạch tiếp xúc bằng đất sét phù hợp để sản
xuất dầu nhờn từ phần cô dầu thô ít nhựa. Tuy nhiên, do chi phí axit sulfuric cao
và tạo thành lượng lớn axit gudron khó sử dụng khiến cho phương pháp này
kém hiệu quả. Quá trình tách asphalten và nhựa bằng alkan phân tử lượng thấp
hóa lỏng được ứng dụng trong sản xuất không chỉ dùng cho dầu nhờn nhớt cao,
mà cả nguyên liệu cho cracking xúc tác và hydrocracking. Dung môi được dùng
rộng rãi là propan hóa lỏng nhưng trong một số nhà máy cũng sử dụng hỗn hợp
propan - butan.
Trang 2


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

Ở nhiệt độ gần với nhiệt độ tới hạn của propan (96,8 oC), độ hòa tan của các
phần trong nguyên liệu dầu nhờn giảm. Điều này diễn ra là do khi nhiệt độ dung
dịch gần tới vùng trạng thái tới hạn của dung môi thì khối lượng riêng của nó
giảm mạnh, dẫn tới tăng mạnh thể tích mol. Chỉ số này đối với hydrocacbon
phân tử lượng cao thay đổi ít do lực kéo giữa các phân tử dung môi và
hydrocacbon giảm làm giảm độ hòa tan.
Độ hòa tan của hydrocacbon nguyên liệu dầu nhờn trong propan trong vùng
nhiệt độ cao (75 ÷ 90oC) giảm khi khối lượng riêng và phân tử lượng tăng. Nhựa
và đặc biệt là asphanten là những chất hòa tan kém nhất trong propan lỏng. Trên
cơ sở này đã sử dụng propan làm dung môi cho quá trình tách asphalten. Khi

tiếp tục tăng nhiệt độ các hydrocacbon đa vòng phân tử lượng cao, các
hydrocacbon ít vòng với mạch alkyl dài ở lại trong dung dịch. Độ hòa tan của
các hydrocacbon đa vòng và nhựa ở nhiệt độ gần với nhiệt độ tới hạn của propan
gần đến 0, còn độ hòa tan của hydrocacbon naphten và hydrocacbon thơm nhẹ
tiếp tục giảm. Sự phụ thuộc này của khả năng hòa tan của propan vào nhiệt độ
(trong vùng gần với nhiệt độ tới hạn của propan) quan sát thấy ở áp suất ứng với
áp suất bão hòa của hơi propan ở nhiệt độ xác định. Việc tạo áp suất cao hơn áp
suất hơi bão hòa của propan dẫn tới tăng khối lượng riêng và khả năng hòa tan
của nó. Do đó, nếu ở hai nhiệt độ khối lượng riêng của propan như nhau (thí dụ,
409 kg/m3), hiệu suất và tính chất của các hydrocacbon hòa tan trong propan
như nhau.
Thông thường quá trình tách asphalten thực hiện ở áp suất cao hơn đôi chút
so với áp suất hơi bão hòa của propan hóa lỏng. Lượng dung môi cần để bão hòa
nguyên liệu phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu và nhiệt độ. Trong nguyên
liệu chứa càng nhiều chất nhựa - asphanten và hydrocacbon phân tử lượng cao
thì lượng dung môi cần thiết cho bão hòa càng thấp. Nhiệt độ càng thấp, chi phí
dung môi cho tạo hỗn hợp bão hòa càng cao.
Khi tiếp tục thêm propan (ở nhiệt độ hỗn hợp cố định) tạo thành pha thứ hai
gồm propan và hydrocacbon hòa tan. Như trên đã nói, ở nhiệt độ gần với nhiệt
độ tới hạn, propan hòa tan một lượng hạn chế hydrocacbon. Dung dịch bão hòa
hydrocacbon trong propan tạo thành bằng cách này (lớp trên) cân bằng với dung
dịch bitum bão hòa (lớp dưới). Để phân tách tốt nguyên liệu trong hai pha (dầu
nhờn và bitum) bội số propan so với nguyên liệu tương đối cao - không thấp hơn
3 phần thể tích propan và 1 phần thể tích nguyên liệu. Do hòa tan của
hydrocacbon phân tử lượng cao trong propan lỏng giới hạn, để tách các thành
phần mong muốn ra khỏi nguyên liệu cần dư nhiều dung môi. Đồng thời cũng
Trang 3


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

cần tiến hành tách naphten ở nhiệt độ cao khi độ hòa tan của hydrocacbon trong
propan giảm. Đây là đặc điểm của propan so với nhiều dung môi khác (phenol,
furfurol và các chất khác).
Ở nhiệt độ ôn hòa (40 ÷ 70o) khi tăng bội propan chất lượng sản phẩm loại
asphalten (deasphantizat) tăng, nhưng hiệu suất giảm. Sau khi đạt được độ hòa
loãng tối ưu hiệu suất deasphantizat tăng, nhưng chất lượng giảm. Ở nhiệt độ rất
gần với nhiệt độ tới hạn của propan không có được bội tối ưu của propan với
nguyên liệu; chi phí propan tăng.
Bội cần thiết của propan đối với kết tủa các chất nhựa - asphalten phụ thuộc
vào nồng độ hydrocacbon mong muốn trong nguyên liệu. Đối với nguyên liệu ít
nhựa có hàm lượng parafin - dầu nhờn cao cần có bội propan cao hơn so với
nguyên liệu giàu nhựa - asphanten. Thí dụ, loại asphalten trong phần cô của dầu
ít nhựa tỷ lệ tối ưu propan : nguyên liệu là 8:1 (theo thể tích), còn khi loại
asphalten trong gudron dầu nhiều nhựa cần tỷ lệ 4 : 1. Điều kiện khác không
kém phần quan trọng là nhiệt độ quá trình loại asphalten. Nên tiến hành quá
trình ở vùng nhiệt độ tương đối thấp, khoảng 50 ÷ 85 oC, do dưới 40 ÷ 50oC nhựa
trung hòa hòa tan trong propan tuy không nhiều. Ở nhiệt độ 90 oC, gần với nhiệt
độ tới hạn của propan (96,8oC), nhiều hydrocacbon mong muốn không hòa tan
trong nó và bị tách ra cùng với nhựa.
Thông số chính của quá trình loại asphalten không chỉ là nhiệt độ, áp suất và bội
propan so với nguyên liệu, mà cả dạng dung môi và độ sạch của nó. Butan có độ
lựa chọn thấp hơn propan nhưng cao hơn etan. Metan và etan làm cho hơi
propan khó cô đọng trong máy lạnh. Với nồng độ etan trongdung môi không
đáng kể quá trình loại asphanten diễn ra ở áp suất quá cao, do đó trong propan
kỹ thuật chứa không quá 7% (k.l.) các hydrocacbon khác cùng dãy, trong đó
không quá 3% etan. Sự hiện diện của propylen và butylene cũng không mong
muốn, do chúng làm tăng độ hòa tan nhựa và hydrocacbon thơm đa vòng.
Hiệu quả loại asphalten cũng phụ thuộc vào mức độ loại phân đoạn dầu
nhờn trong chưng cất chân không mazut - chứa trong phân đoạn gudron đến

500oC. Như trên đã thấy, phân đoạn phân tử lượng thấp của deasphantizat hòa
tan trong propan nhiều hơn phân đoạn phân tử lượng cao ở vùng nhiệt độ gần
với nhiệt độ tới hạn. Ngoài ra, do ảnh hưởng của lực phân tán các phân đoạn
phân tử lượng thấp hoạt động như dung môi trung gian, làm tăng độ hòa tan của
các phân đoạn sôi cao và nhựa trong propan. Điều này khiến cho việc phân tách
chúng sẽ khó hơn. Nguyên liệu với thành phần phân đoạn rộng tách asphalten
Trang 4


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

kém hơn nguyên liệu đã loại phân đoạn nhẹ. Loại asphalten dầu nhiều dầu nhờn,
nhận được từ nguyên liệu cô đặc (không có phân đoạn dưới 500oC), có độ cốc và
độ màu thấp hơn deasphantizat với phân đoạn sôi thấp.
Mức độ loại asphalten ra khỏi nguyên liệu trong tháp được đánh giá trước
tiên thông qua độ cốc của deasphantizat, do nhựa và hydrocacbon đa vòng có độ
cốc cao. Sau khi loại naphten, độ cốc, khối lượng riêng và hàm lượng kim loại
(niken và vanady) giảm; các chất này cô đặc trong sản phẩm đáy - bitum loại
naphten. Hàm lượng lưu huỳnh trong deasphantizat thấp hơn trong nguyên liệu,
nhưng loại lưu huỳnh sâu không diễn ra.
Nhựa và đặc biệt là asphalten được đặc trưng là có khả năng nhuộm
màu cao. Gudron với khối lượng riêng lớn có màu đen, còn deasphantizat có
màu từ vàng sáng đến xanh - xám tối. Tăng mức làm sạch, cường độ màu của
deasphantizat giảm.
Phụ thuộc vào đặc tính của nguyên liệu, yêu cầu về chất lượng và điều kiện
quá trình hiệu suất deasphantizat dao động từ 26 đến 90%. Nhìn chung khi
nguyên liệu chứa nhiều cốc, hiệu suất deasphantizat nhận được trong quá trình
loại asphanlen bằng propan giảm.
1.

Đánh giá và lựa chọn công nghệ tách asphalten

Để tách nhựa, asphalten thông thường người ta dung phương pháp chiết với
dung môi thích hợp. Viêc lựa chọn dung môi phụ thuộc vào tính chọn lọc của
nó, tức là vào khả năng phân tách hai nhóm cấu tử khác nhau về mặt hoá học.
Dung môi dùng phải rẻ, sẳn có, bền về mặt hoá học trong khi sử dụng, không
gây ăn mòn và dễ sử dụng. Hiêu suất của quá trình chiết phụ thuộc vào ba yếu
tố ca bản: bản chất của dung môi, nhiêt độ tiến hành và tỉ lê dung môi trên
nguyên liêu.
Quá trình tách asphan bằng axit sunfuric đã không cho thấy nhiều nhược
điểm của nó như chỉ áp áp dụng đối với cặn gudron có chứa hàm lượng asphaten
và nhựa thấp, chi phí cho acit cao, tạo ra hỗn hộp axit gudron rất khó tách hoàn
toàn và acit có lẫn trong dầu gốc là một điều không mong muốn. Do vậy việc sử
dụng dung môi propane mang lại kết quả tốt hơn như là không gây ảnh hưởng
đến sản phẩm dầu gốc, áp dụng được với nguyên liệu có hàm lượng nhựa –
asphalten cao và đặc biệt dung môi propane là nguyên liệu sẵn có từ quá trình
chưng cất khí quyển. Dung môi tách asphalten cho phép loại bỏ các hợp chất lưu

Trang 5


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

huỳnh và nitơ cũng như các thành phần kim loại bằng cách cân bằng năng suất
với các tính chất nguyên liệu mong muốn.
Quá trình tách asphalten ra khỏi dầu với các dung môi là các hydrocacbon
nhẹ hóa lỏng (C3, C4, C5) ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển, trong khi
tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu nó sẽ hòa tan tốt môi trường dầu và nhờ đó
giúp sự kết tủa của asphan trong dầu dễ dàng hơn. Để sản xuất dầu nhờn có chất
lượng cao khi không có phân đoạn xử lý tạp chất bằng hydro thì propan là dung

môi tốt nhất vì nó cho chất lượng dầu cao tuy nhiên hiệu suất lại không được
cao. Đó là do propan hòa tan rất chọn lọc chỉ trong môi trường dầu, điều đó có
nghĩa là cả asphan và nhựa đều kết tủa rất dễ.
2.

Tách asphalten bằng Propane

Cặn chân không được tiếp xúc ngược dòng với propan. Sau đó dung dịch
dầu đã tách asphan lấy ra ở đỉnh tháp, còn pha chứa asphalten chảy ra ở đáy, hai
pha tiếp tục được gia nhiệt và lôi cuốn bằng hơi nước.

2.1.

Các thông số ảnh hưởng quá trình tách asphalten

Các thông số ảnh hưởng tới quá trình tách asphan đó là cấp độ chưng cạn kiệt, tỷ
lệ dung môi, bản chất dung môi, nhiệt độ tháp tách.
2.1.1.

Cấp độ chưng cạn kiệt

Cấp độ chưng cạn kiệt trong tháp chưng cất chân không của cùng một loại cặn
khí quyển được thể hiện bằng hiệu suất phần cặn chưng không thu ở đáy tháp.
Ngoại trừ bản chất nguyên liệu cấp độ chưng cạn kiệt của nguyên liệu cũng có
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dầu khử asphan ở cùng điều kiện vận hành
khi cấp độ chưng cạn kiệt càng lớn nghĩa là nguyên liệu đầu vào có thành phần
nhẹ trong cặn càng ít, điều đó sẽ làm giảm hiệu suất thu hồi dầu khử asphan, nó
sẽ làm giảm chất lượng dầu do khôi lượng riêng thấp độ nhớt cao.
2.1.2.

Bản chất dung môi

Thông số có ảnh hưởng nhất đến quá trình tách asphan khỏi dầu chính là bản
chất dung môi. Nó quyết định rất lớn đến hiệu suất và chất lượng của pha dầu
nhờn trích ly được. dung môi paraffin càng nặng thì hiệu suất pha malten càng
tăng, hậu quả là dầu khử chứa nhiều nhựa làm giảm chất lượng dầu. như vậy
butan và pentan có khả năng hòa tan nhựa mềm và cứng, trong khi đó propan kết
Trang 6


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

tủa không chỉ asphan mà còn nhựa còn đáng kể trong dầu do vậy propan được
cho là dung môi tôt trong sản xuất dầu nhờn.
2.1.3.

Tỷ lệ dung môi

Độ chọn lọc của công đoạn khử asphan sẽ được cải thiệt đáng kể bằng cách tăng
tỷ lệ dung môi. Đây là một biến số cơ bản làm tăng chất lượng của dầu. càng
nhiều lượng dung môi thì lượng hòa tan dầu càng cao hiệu suất thu hồi dầu sẽ
cao hơn.
2.1.4.

Nhiệt độ tháp tách

Tác động của nhiệt độ tách đến độ chọn lọc của quá trình là liên quan đến khả
năng hòa tan dung môi. Sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm tăng khả năng hòa tan dung
môi trong asphan, làm cho hiệu suất thu hồi dầu giảm nhưng chất lượng dầu lại
tăng.

Nhằm mục đích tạo dòng hồi lưu nội đáng kể trong vùng giữa tháp đến đỉnh
để gia tăng thu hồi dầu tách asphan do vậy khoảng chênh lệch nhiệt độ đỉnh và
nguyên liệu phải lớn hơn 20oC.
Nhằm mục đích tạo thuận lợi cho quá trình lắng asphan nhiệt độ vùng lắng
phải là thấp nhất và là gần bằng nhiệt độ nguyên liệu, do vậy khoảng chênh lệch
nhiệt độ của nguyên liệu và đáy tháp nhỏ hơn 5oC.
2.2.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ công nghệ tách asphanlten

Trang 7


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

Trên hình 1 là sơ đồ công nghệ tách asphalten bằng dung môi propane. Nguyên
liệu cặn chân không qua thiết bị trao đổi nhiệt được đưa lên đỉnh tháp, dung môi
propane đi qua thiết bị trao đổi nhiệt được đưa vào đáy tháp tách, tại tháp tách
cặn chân không được tiếp xúc ngược với dung môi propane và lôi cuốn bằng hơi
nước, tại đỉnh tháp tách dòng ra là dung dịch dầu đã tách asphalten được đi qua
thiết bị bay hơi propane với hơi nước áp suất cao thực hiện quá trình hồi lưu
dung môi. Tại thiết bị bay hơi propane một dòng thực hiện quá trình bay hơi
propane qua thiết bị ngưng tụ trở về thiết bị chứa dung môi hoàn thành chu kỳ
hồi lưu dung môi, dòng ra thứ hai là dòng dầu đã tách asphalten lẫn một ít dung
môi chưa bay hơi hết được qua thiết bị bay hơi tiếp theo, tại thiết bị bay hơi thứ
hai lượng dung môi còn trong dung dịch được bay hơi hết nối tiếp vào quá trình
bay hơi của quá trình hồi lưu dung môi của thiết bị bay hơi dung môi thứ nhất.
phần ra của thiết bị bay hơi thứ hai chỉ còn dầu đã tách asphalten và hơi nước,
dòng dầu này được đưa tới tháp lôi cuốn hơi nước để cho ra sản phẩm dầu đã
tách asphalten. Hơi nước được cuốn từ tháp đến thiết bị ngưng tụ một phần được

thải ra ngoài một phần được qua máy nén. Sau khi qua máy nén hơi nước được
nối tiếp vào dòng hồi lưu dung môi. Sản phẩm ra từ đáy tháp tách asphalten là
dòng sản phẩm chứa asphalten, dòng sản phẩm chứa asphalten sẽ qua lò nung
đến thiết bị chưng cất nhanh. Tại thiết bị chưng cất nhanh có hai dòng đi ra,
dòng đi ra ở đỉnh là phần dung môi đi ra từ đáy tháp tách asphalten quay trở lại
Trang 8


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

thực hiện quá trình hồi lưu dung môi, phần ra từ đáy thiết bị chưng cất nhanh
gồm asphalten và nước được qua thiết bị lôi cuốn hơi nước. tại thiết bị lôi cuốn
hơi nước một phần hơi nước được lôi cuốn đi lên đến thiết bị ngưng tụ, phần
asphalten đi ra từ đáy tháp lôi cuốn hơi nước và hoàn thành quá trình tách
asphalten bằng dung môi.

Trang 9


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Toàn

Trang 10