Chế biến dầu thô thành sản phẩm xăng dầu như thế nào?

Dầu mỏ khi khai thác lên chúng là một hỗn hợp của nhiều chất (những chất này có tên khoa học là hydrocacbon). Dầu khi lấy lên khỏi mỏ có mầu đen giống như dầu mazut, có khi lỏng, có khi sền sệt, có loại lại đông đặc. Khi đưa về nhà máy lọc dầu trước hết phải làm sạch hết nước, tách loại muối và các tạp chất lẫn trong dầu rồi mới bắt đầu công đoạn lọc dầu hoặc còn gọi là chế biến dầu thô. Lọc dầu thường bắt đầu bằng công đoạn chưng cất dầu thô, thực chất là dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau cuả các chất để phân tách chúng. Như vậy người ta dựa vào sự khác nhau về nhiệt độ sôi của các chất trong dầu thô để phân tách chúng thành các phân đoạn có khoảng nhiệt độ sôi khác nhau ở áp suất khí quyển, tương ứng với xăng (các chất có nhiệt độ sôi từ 35- 180⁰C), dầu hỏa (các chất có nhiệt độ sôi trong khoảng 180-250⁰C), dầu diezen (250-350⁰C;). Cặn chưng cất khí quyển có nhiệt độ sôi trên 350⁰C phải chưng cất tiếp ở áp suất thấp (chân không ) để lấy ra phân đoạn có nhiệt độ sôi 400-550⁰C được chế biến tiếp qua công nghệ crackinh xúc tác để sản xuất các sản phẩm nhẹ như xăng, dầu hỏa, nhiên liệu điezen... hoặc sản xuất các loại dầu nhờn.

Lượng cặn gồm các chất có nhiệt độ sôi trên 550⁰C nhiều hay ít tùy theo từng loại dầu thô. Căn này được dùng làm nhiên liệu đốt lò ngay trong nhà máy hoặc sản xuất nhựa đường hoặc sản xuất dầu nhờn nặng.

Sau khi chưng cất dầu thô thành các phân đoạn sản phẩm, các phân đoạn này phải trải qua các công đoạn chế biến tiếp theo, rồi pha trộn… thành các thành phẩm lọc dầu.

Khi chưng cất, phần khí lẫn trong dầu thô được tách ra. Trong đó có khí mêtan, êtan thường được dùng làm nhiên liệu trong nhà máy lọc dầu; propan và butan được nén vào trong các bình chứa, chính là khí gas bán trên thị trường cho ta đun bếp, còn gọi là khí dầu hóa lỏng (LPG).

Tùy theo tính chất của từng loại dầu thô và yêu cầu cụ thể của từng nhà máy về sản phẩm mà giới hạn khoảng nhiệt độ sôi của từng phân đoạn sản phẩm có thể thay đổi khác nhau chút ít.Trường hợp nhà máy lọc dầu Dung quất-Quảng ngãi, qua phân xưởng chưng cất khí quyển đã phân tách thành các phân đoạn cơ bản có nhiệt độ như sau:

- Khí nhiên liệu: từ -161^oC đến -89^oC (mêtan, êtan) làm nhiên liệu đốt lò trong nhà máy

- Khí dầu hóa lỏng (LPG): từ -42 đến 36^oC (propan, butan)

Phân đoạn: 36 - 70^oC và 70 - 165^oC để sản xuất xăng

Phân đoạn: 165 - 205^oC để sản xuất dầu hỏa và nhiên liệu phản lực

Phân đoạn: 205 - 330^oC và 330 - 370^oC để sản xuất nhiên liệu điezen

Cặn chưng cất khí quyển có nhiệt độ sôi trên 370⁰C được đưa tới phân xưởng crakinh xúc tác để chế biến thành các phân đoạn sản phẩm nhẹ, như khí, xăng, nhiên liệu diezen. Loại dầu thô của ta là loại dầu thô tốt, ít lưu huỳnh nên có thể dùng cặn chưng cất khí quyển làm nguyên liệu đưa thẳng vào công đoạn crakinh xúc tác, không phải dùng công đoạn chưng cất chân không.

Chất lượng sản phẩm xăng dầu là yêu cầu quan trọng trong việc chế biến dầu thô. Mỗi nước đều có hệ thống tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm của mình, trong đó quy định các chỉ tiêu chất lượng của từng sản phẩm. Nhìn chung, các nước trên thế giới thường tham chiếu hệ thống tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm của Mỹ (API) hoặc của Châu Âu (EU) để xây dựng hoặc áp dụng hệ thống tiêu chuẩn của mình (Trước đây các nước xã hội chủ nghĩa tham chiếu hệ thống tiêu chuẩn của Liên Xô – GOST).

Mỗi sản phẩm xăng dầu có một số chỉ tiêu chất lượng tương ứng được quy định trong tiêu chuẩn quốc gia.

Chỉ tiêu chất lượng của xăng là : Thành phần chưng cất, tỉ trọng, áp suất hơi, độ axit, hàm lượng lưu huỳnh, trị số octan… tương úng cho từng loại xăng. Trong đó trị số octan ( viết tắt là RON ) thường được coi là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất.

Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Thí dụ ta gọi xăng RON 92, tức là loại xăng này có chất lượng cháy tương đương với một chất chuẩn (trong đó có 92% chất izooctan + 8% chất n-Heptan) được so sánh với nhau khi cùng chạy trong một động cơ chuẩn gọi là máy đo trị số ốc tan. Chất izoôctan như đã nói, là chất cháy nghiêm túc, cháy êm đẹp, không gây kích nổ. Người ta lấy chất này làm chuẩn cao và quy cho nó có trị số ốc tan là 100. Ngược lại một chất cháy dở nhất, cháy không nghiêm túc, dễ bị kích nổ, rất xấu cho động cơ người ta lấy chất này làm chuẩn thấp và quy cho nó có trị số ốc tan bằng không (0) chất này là n-Heptan.

Các loại xăng khác như xăng RON95, RON 98 là xăng có trị số ốc tan là 95, 98. Cách diễn giải tương tự như trên. Như vậy trị số ốctan chính bằng số phần trăm izooctan trong mẫu chuẩn khi so sánh tương đương với xăng cần đo và đó cũng là trị số ốc tan của xăng cần đo. Sau khi chưng cất, các phân đoạn xăng thô chỉ có trị số ốc tan khoảng 60-70, nghĩa là chất lượng chưa có thể sử dụng cho xe máy ngày nay được. Các dòng xe đời mới đòi hỏi chất lượng xăng rất cao, có trị số ốc tan 95, 98 và cao hơn. Động cơ chạy xăng, công suất lớn, có hệ số nén của piston lớn thì cần xăng có RON cao để trách kích nổ.

Để tăng trị số ốc tan, người ta đã nghiên cứu và pha vào xăng nhiều chất hóa học khác nhau, tuy nhiên cũng chỉ được pha ở mức giới hạn vì nhiều lý do khác. Như vậy muốn tăng trị số octan một cách cơ bản và bền vững chỉ còn cách đầu tư công nghệ. Nhà máy lọc dầu Dung quất đã đầu tư cho công nghệ tái cấu trúc (reforminh), công nghệ làm nhánh hóa (đồng phân hóa)…cho xăng chất lượng cao, có trị số octan RON 92 và RON- 95 mà không cần pha thêm phụ gia hóa học khác. Hiện nay xăng của ta tốt hơn xăng ngoại là vì lẽ này, xăng ngoại nhập thường có pha các chất phụ gia hóa học.

Ngoài trị số ôctan, chất lượng xăng còn yêu cầu nhiều chỉ tiêu quan trọng khác ví dụ như xăng nhẹ quá dễ bay hơi tạo thành các bóng hơi trong ống dẫn xăng, gây khó nổ và dễ chết máy. Khi tồn chứa, bảo quản bị hao hụt nhiều.

Trong xăng phải giới hạn lượng benzen vì nó là chất rất độc hại, gây ung thư. Ở Viêt nam hiên nay quy định chất này phải nhỏ hơn 2,5%, trong khi các nước công nghiệp phát triển như EU, chỉ cho phép tỷ lệ benzen trong xăng phải nhỏ hơn 1%. Benzen là chất dễ bay hơi nên trong hơi xăng bay ra có lẫn benzen rất độc, không nên dùng mồm hút xăng bằng ống nhựa.

Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu phản lực bao gồm: thành phần chưng cất, tỉ trọng, hàm lượng lưu huỳnh, độ dài ngọn lửa không khói, nhiệt độ kết tinh …

Nhiên liệu cho máy bay phản lực thì cần có những quy định khắt khe về tiêu chuẩn chất lượng, kỵ nhất là lẫn nước hoặc có nhiều chất mà khi ở nhiệt độ thấp chúng kết tinh, gây tắc hệ thống dẫn nhiên liệu. Khi bay trên cao nhiệt độ bên ngoài máy bay là khoảng -450C… Chính vì thế nhiên liệu bay phản lực Jet-A1 thường quy định có nhiệt độ kết tinh khoảng từ -500C đến -470C. Sản phẩm này của nhà máy lọc dầu Dung quất có chất lượng quốc tế, nay được các hãng bay ở Việt Nam đang sử dụng.

Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diezen bao gồm: thành phần chưng cất, tỉ trọng, hàm lượng lưu huỳnh, trị số Xetan, độ axit, nhiệt độ đông đặc…

Nhiên liệu điezen, thường gọi là dầu DO, dùng cho các thiết bị chạy bằng động cơ diezen , như ô tô du lịch, xe tải nặng, các máy phát điện, tầu thủy…. Nhà máy lọc dầu Dung quất chỉ sản xuất DO chất lượng cao, có hàm lượng lưu huỳnh < 0,05%. Để có chất lượng này đã phải đầu tư thêm công nghệ loại lưu huỳnh bằng hydro (Hydrodesulfuration), chi thêm khoảng 80 triệu USD. Theo tiêu chuẩn mới của Việt nam, TCVN 5689: 2005 quy định nhiên liệu điezen DO có hàm lượng lưu huỳnh giảm xuống còn 0,05% - 0,25% thay vì trước kia có loại tối đa là 0,5%.

Nhiên liệu đốt lò FO cần quan tâm đến nhiệt lượng cháy, lượng lưu huỳnh, tỉ trọng, nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ đông đặc ...Theo tiêu chuẩn Việt nam hàm lượng lưu huỳnh phải < 2%. Sản lượng dầu FO của nhà máy lọc dầu Dung quất chỉ khoảng dưới 10% trong tổng sản phẩm, từ cặn của quá trình crackinh xúc tác.

Trường hợp muốn sản xuất dầu nhờn, parafin, nhựa đường thì phải theo một sơ đồ công nghệ khác. Khi đó cặn chưng cất khí quyển > 370⁰C, phải tiếp tục chưng cất ở áp suất thấp (thường gọi là chưng cất chân không). Nếu tiếp tục đun nóng, nhiệt độ cao dần sẽ gây phân hủy dầu.Vậy muốn phần cặn tiếp tục bay hơi khi chưng cất thì phải giảm áp suất vì nhiệt độ sôi của các chất giảm khi áp suất giảm. Dựa vào tính chất này, người ta chưng cất thành các phân đoạn nặng có nhiệt độ sôi đến 400⁰C, 400-450⁰C,450-500⁰C và cặn chưng cất chân không sôi trên 500⁰C hoặc trên 550⁰C. Các phân đoạn này phải qua công nghệ tách parafin, tách nhựa để sản xuất được các loại dầu nhờn gốc. Từ các loại dầu nhờn gốc được phân ra và pha trộn với các loại phụ gia khác nhau để sản xuất các chủng loại dầu nhờn khác nhau: dầu nhờn bôi trơn và làm mát cho động cơ, dầu nhờn cho máy biến thế, dầu thủy lực, dầu cho máy lạnh, v.v. Dầu nhờn thường thấy nhất là dầu nhờn cho động cơ ô tô, xe máy. Các dầu nhờn có độ nhớt khác nhau, ít biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ là dầu nhờn tốt(gọi là dầu nhờn có chỉ số nhớt cao). Để có sản phẩm dầu nhờn đạt các chỉ tiêu chất lượng của từng loại là cả một kỹ nghệ phức tạp.

Các tầng đĩa bên trong tháp chưng cất

Parafin (sáp) được dùng trong nhiều ngành công nghiệp, có thể oxy hóa để thành axit béo, làm chất tẩy rửa tổng hợp. Khi chế biến axit béo với sút (gọi là xà phòng hóa) được một loại sản phẩm dùng để kết hợp với dầu nhờn gốc để sản xuất mỡ. Người ta trộn 30-35% axit béo đã sà phòng hóa với 65-70% dầu nhờn gốc, làm nóng cho tan chảy thành lỏng, pha các chất phụ gia, để nguội từ từ cho đông lại, rồi khuấy trộn cho ra các loại mỡ bôi trơn (thường gọi là mỡ bò). Có rất nhiều loại mỡ khác nhau, cho ổ trục, vòng bi, loại chịu nhiệt, chịu lạnh.v.v

Sản phẩm lọc dầu cuối cùng, từ phần cặn của các quá trình chưng cất mà lại khá quen thuộc và cần thiết đó là nhựa đường (bitum). Không phải loại dầu thô nào cũng có thể sản xuất được nhựa đường. Dầu thô Việt nam hiên có, nhất là dầu Bạch hổ thì không thể sản xuất nhựa đường vì thành phần của cặn quá nhiều parafin, rất ít các chất nhựa và asphalten, các chất này vừa dẻo vừa kết dính chắc, bền khi kết hợp với vật liệu vô cơ như đá, cát… là tiêu chí cần thiết của nhựa đường.

Dầu mỏ có tính naphtenic, như các loại dầu mỏ Trung đông là loại sản xuất nhựa đường rất tốt vì trong cặn chưng cất có thành phần các chất nhựa, asphalten rất cao, rất ít parafin (vì khi có parafin thì nhựa đường dễ nóng chảy, không dẻo, dòn, kết dính kém, giảm chất lượng nhựa đường).

Cặn chưng cất > 500^oC của các loại dầu naphtenic, thu được qua phân xưởng sản xuất nhựa đường. Ở đây người ta đun nóng, xục không khí để ô xy hóa, biến các chất nặng trong đó thành nhựa, thành asphalten đến khi có được tỷ lệ thích hợp trong thành phần của nhựa đường để đảm bảo đạt 3 chỉ tiêu chất lượng quan trọng (độ kéo dài, độ chảy mềm và độ xuyên kim).

Sản xuất các sản phẩm lọc dầu trên thế giới đã có lịch sử phát triển trên 150 năm, là một ngành công nghệ đã tập hợp , tích lũy và ứng dụng rất nhiều thành quả sáng tạo của loài người về mặt khoa học, kỹ thuật. Cũng từ đó, ngoài các công nghệ lọc dầu cổ điển, đã có nhiều công nghệ chế biến dầu thô tiên tiến ngày càng gắn liền với công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa dầu.

TS.Trương Đình Hợi