KEROSENE
Giới thiệuKerosene (kerosine), còn được gọi là parrafine hoặc dầu Parrafine, là một chất lỏng không màu, hoặc màu vàng nhạt, dễ cháy, có mùi đặc trưng, độ bay hơi tương đối nằm trung gian giữa xăng và dầu diesel, là thành phần chưng cất giữa 125°C (257°F) và 260°C (500°F) ) (Table 7.1; Fig. 7.1)
(Nguồn: Gruse and Stevens, 1960; Guthrie, 1967; Sefton, 1973;Weissermel and Arpe, 1978; Francis and Peters, 1980; Hoffman, 1983; Austin 1984; Chenier, 1992; Hoffman and McKetta, 1993; Hemighaus, G. 1998; Speight, 1999; Heinrich and Duée, 2000).Kerosene là một phân đoạn dầu mỏ có điểm chớp cháy khoảng 25oC(77oF), thích hợp cho sự sử dụng như một chất chiếu sáng khi nó được đốt cháy trong cái đèn rộng . Thuật ngữ ‘kerosene’ thường được áp đặt không đúng cho một số những loại dầu đốt nhiên liệu (fuel oils), nhưng dầu đốt thực sự, nhưng một dầu đốt thì thật sự là sản phẩm lỏng hoặc sản phẩm dầu mỏ lỏng đều sản sinh ra nhiệt khi đốt cháy trong một bình chứa thích hợp hoặc sản sinh ra công khi mà đốt cháy trong một động cơ.
</em><br><br>Trong những năm gần đây của công nghiệp dầu mỏ, kerosene được bán nhiều nhất và là sản phẩm dầu mỏ quan trọng nhất. Nhu cầu kerosene như là một số nhà máy lọc dầu, sử dụng nhiều loại dầu thô khác nhau, để tăng khả năng sử dụng của các phân đoạn dầu mỏ khác nhau, do đó việc sinh ra các sản phẩm nguy hiểm có điểm chớp cháy thấp và gồm cả việc thành phần sôi cao không mong muốn. Các dầu đốt thường được sản xuất từ sự lựa chọn cẩn thận các loại dầu thô hoặc sử dụng các sản phẩm hóa dầu khác nhau để cho sản phẩm có độ bay hơi cần thiết và chất lượng cháy cao.<br><br><u><strong>Sự sản xuất và tính chất: </strong></u><br><br>Kerosene được sản xuất đầu tiên vào thập niên 1850 từ nhựa than đá (coal tar), từ đó từ “dầu than đá (coal oil)” thường được áp đặt cho kerosene, nhưng dầu mỏ trở thành là nguyên liệu chính từ sau năm 1859. Từ thời gian đó, phân đoạn kerosen đã tồn tại, và là một phân đoạn của dầu mỏ. Tuy nhiên số lượng và chất lượng thay đổi tùy thuộc vào loại dầu thô, mặc dù vài loại dầu thô có hiệu suất thu kerosen tuyệt vời, nhưng những sản phẩm kerosen khác cũng cần thiết trong nhà máy lọc dầu.<br><br><div style=)
Kerosene có khả năng bay hơi thấp hơn so với xăng (gasoline), phạm vi sôi xấp xỉ 140°C/285°F to 320°C/610°F, và được chứa đựng trong phân đoạn dầu mỏ. Để giảm sự sinh ra khói, các thành phần parrafine được sử dụng trong sản xuất kerosene dùng để chiếu sáng và đốt nóng. Cùng lý do đó, các thành phần aromatic và các thành phần bẽ gãy của nó nên tránh. Một vài loại dầu thô, đặc biệt là dầu thô parrafinic, chứa đựng thành phần kerosene chất lượng cao, nhưng những loại dầu thô khác như là chúng chứa asphalt gốc sẽ được lọc kỹ lưỡng để tách loại thành phần aromatic và lưu huỳnh trước khi thành phần kerosene đạt yêu cầu. Việc bẽ gãy các thành phần ít bay hơi của dầu mỏ giờ là quá trình chính cho việc sản xuất kerosene.
Gần đây, những kerosene nghèo hơn đang được xử lý với số lượng lớn acid sulfuric để chuyển đổi nó thành những sản phẩm có giá trị thương mại. Tuy nhiên việc kết quả xử lý có độ acid sự mất mát kerosene cao, nhưng sự phát triển sau đó của quá trình Edeleanu (the Edeleanu process) (Nguồn: Speight, 1999) đã giải quyết những vấn đề trên.
Kerosene là một sản phẩm có độ ổn định cao, và việc thêm các phụ gia để tăng chất lượng là không cần thiết. Ngoài việc loại bỏ những số lượng quá mức của aromatic bằng quá trình Edeleanu, phân đoạn kerosen có thể cần chỉ cần rửa bằng kiềm hoặc 1 quá trình xử lý nếu H2S (hydrogen sulfide) có mặt để loại bỏ mercaptan (Speight, 1999). Khi dầu thô paraffinic thấp lưu huỳnh được phân tách để đạt hiệu quả phạm vi phân đoạn sôi thích hợp, chỉ có quá trình vận hành khô ráo (drying operation) có thể được yêu cầu trước khi xuất vận.
Ứng dụng:Kerosene được sử dụng làm nhiên liệu phản lực và nhiên liệu sinh hoạt dân dụng.
Nhiên liệu cho động cơ phản lực có thể được chia thành ba dạng chính: Dạng Kerosene, dạng Kerosene với điểm chớt cháy cao và dạng phân đoạn rộng.
Loại nhiên liệu được dùng cho các máy bay dân dụng trên thế giới là dạng kerosene Jet A1 tương ứng F-35 của khối OTAN, ở Hoa Kỳ thì dùng cho máy bay dân dụng này là loại Jet A tương tự như loại Jet A1 ở trên nhưng điểm chảy của nó cao hơn (-40oC thay vì -47oC).
Đối với dạng thứ hai cho phép tồn chứa rất an toàn trong những khoang chứa của máy bay. Còn loại thứ ba thì có nhiệt độ sôi đầu rất thấp khoảng 70oC, thực chất đây là sản phẩm thu được từ việc phối trộn của phân đoạn naphta nhẹ với Kerosene.
Ngoài ra nhiên liệu phản lực còn có nhiều dạng khác nhau phục vụ cho những mục đích khác nhau như loại nhiên liệu co nhiệt năng cao dùng cho hoả tiễn.
Thành phần phân đoạn Kerosene khi được sử dụng làm nhiên liệu phản lực và nhiên liệu sinh hoạt dân dụng:•
Ảnh hưởng của thành phần hydrocacbon đến quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ phản lực.Nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực được chế tạo từ phân đoạn phân đoạn kerosene hoặc từ hỗn hợp giữa phân đoạn kerosene và phân đoạn xăng.
Đặc điểm cơ bản nhất của nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực là làm sao có tốc độ cháy lớn, dễ dàng tự bốc cháy ở bất kỳ nhiệt độ và áp suất nào, cháy điều hoà, không bị tắt trong dòng khí có tốc độ cháy lớn, nghĩa là quá trình cháy phải có ngọn lửa ổn định. Về phương diện này, cấu trúc của buồng đốt có tính chất vô cùng quan trọng quyết định đến tính ổn định của ngọn lửa, nhưng thành phần hoá học của nhiên liệu đảm bảo có nhiều hydrocacbon parafinic mạch thẳng cũng tạo ra điều kiện bốc cháy dễ và tốc độ cháy mong muốn.
Thành phần các hydrocacbon trong nhiên liệu còn ảnh hưởng đến nhiệt năng của quá trình cháy đó là một tiêu chuẩn quan trọng đảm bảo khả năng tạo nên công suất lớn khi sử dụng nhiên liệu trong các động cơ phản lực. Về tính chất này các hydrocacbon thơm kém hơn các hydrocacbon parafinic và naphtenic.
Để đảm bảo yêu cầu về nhiệt cháy của nhiên liệu phản lực trên 10.200 kcal/kg rõ ràng thành phần nhiên liệu phải có nhiều parafin và naphten. Tuy nhiên quan trọng
hơn cả là các naphtenic nhiều vòng bởi vì nếu tăng cường thành phần parafin mạch thẳng thì sẽ làm tăng khả năng mất tính linh động của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp, điều này rất nguy hiểm đối với các máy bay phản lực hoạt động ở tầm cao (lên cao 10.000m nhiệt độ khí quyển hạ xuống -56oC) trong khi đó các naphten vẫn ở trạng thái lỏng vừa đảm bảo việc cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt không bị gián đoạn, vừa có nhiệt cháy cũng không kém gì các parafin.
Quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ phản lực đòi hỏi nhiên liệu phải cháy hoàn toàn, không được phân hủy trước khi cháy tạo nên các cặn cacbon, bám vào vật liệu tới buồng đốt ở gần tuy-e, hoặc bám vào nến điện ở gần lổ phun nhiên liệu làm thay đổi hình dạng và kích thước ban đầu của chúng. Về mặt này, các hydrocacbon thơm có nhiệt độ sôi cao (chủ yếu là loại nhiều vòng có trong phân đoạn) có xu hướng tạo tàn và cặn cốc rất mạnh còn các parafin bao giờ cũng có khả năng cháy hoàn toàn và ít có xu hướng tạo tàn, tạo cốc. Xu hướng tạo tàn, tạo cốc của các hydrocacbon có thể sắp xếp theo chiều giảm dần như sau:
Thơm > monoolefin > iso-parafin và naphten > n-parafin.
Để đánh giá khả năng tạo cặn cacbon này, đối với nhiên liệu phản lực thường dùng đại lượng chiều cao ngọn lửa không khói, tính bằng (mm) để so sánh. Chiều cao ngọn lửa sáng, ít tạo muội tạo cặn cacbon. Các hydrocacbon parafinic có chiều cao ngọn lửa không khói cao nhất, nhưng chiều dài mạch cacbon lớn, trị số này càng giảm. Đối với các hydrocacbon parafinic có mạch nhánh, chiều cao này nhỏ hơn so với các parafin mạch thẳng tương ứng, còn đối với các hydrocacbon naphtenic, chiều cao ngọn lửa không khói cũng tượng tự các iso-parafinic nhiều nhánh. Các hydrocacbon thơm có chiều cao ngọn lửa không khói thấp nhất.
Tóm lại, trong thành phần hydrocacbon của phân đoạn kerosene thì các hydrocacbon parafinic và naphtenic thích hợp với những đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ phản lực nhất. Và vậy, phân đoạn kerosene và phân đoạn xăng của dầu mỏ họ naphteno-parafinic hoặc parafino-naphtenic là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất nhiên liệu cho động cơ phản lực. Khi có hàm lượng hydrocacbon thơm quá cao, phải tiến hành loại chúng ra để giữ trong giới hạn dưới 20-25%.
Khi trong phân đoạn có chứa nhiều parafin mạch thẳng có nhiệt độ kết tinh cao, phải tiến hành loại chúng ra nhằm đảm bảo cho nhiên liệu vẫn đảm bảo được tính linh động tốt ở nhiệt độ thấp (chỉ cho phép nhiên liệu bắt đầu mất tính linh động ở -60oC).
Nói chung hàm lượng các hydrocacbon parafinic trong nhiên liệu phản lực có thể thay đổi từ 30 + 60%, càn hàm lượng các hydrocacbon naphtenic có thể thay đổi từ 20-45%.
Ảnh hưởng của các thành phần khác, ngoài hydrocacbon đến tính chất của nhiên liệu phản lực.Nói chung, những thành phần không phải là hydrocacbon trong phân đoạn kerosene, đều là những cấu tử có ảnh hưởng xấu đến tính chất sử dụng của nhiên liệu phản lực.
Các hợp chất lưu huỳnh khi cháy tạo SO2 và SO3 và gây ăn mòn ở nhiệt độ thấp. Đồng thời các hợp chất của lưu huỳnh còn gây tạo nên cặn cacbon bám trong buồng đốt chủ yếu là trên nến điện, voi phun, tuy-e thoát sản phẩm cháy.
Các hợp chất của oxy, như axit naphtenic, phenol đều làm tăng khả năng ăn mòn các thùng chứa, ống dẩn nhiên liệu. Các sản phẩm tạo ra do ăn mòn (các muối kim loại của axit naphtenic) lại góp phần tạo cặn và tạo tàn khi cháy bám vào trong buồng đốt).
Các hợp chất của nitơ làm cho nhiên liệu kém ổn định, làm biến màu ban đầu của nhiên liệu.
Các kim loại, nhất là Vanadi, Natri nằm trong sản vật cháy ở nhiệt độ cao 650-850oC khi đập vào các tuốc bin chính, sẽ gây ăn mòn phá hỏng rất mạnh các chi tiết của tuốc bin, vì vậy hàm lượng kim loại và tro trong nhiên liệu thường là phải rất nhỏ, khoảng vài phần triệu.
•
Tính chất của phân đoạn kerosene khi sử dụng làm nhiên liệu sinh hoạt dân dụng.Phân đoạn kerosene khi sử dụng để sản xuất dầu hoả dân dụng cũng có những đặc tính riêng, trong đo thành phần các hydrocacbon đóng một vai trò rất quan trọng.
Khi dùng dầu hoả để thắp sáng hay để đun nấu, yêu cầu cơ bản nhất là làm sao để ngọn lửa phải cháy sáng, không có màu vàng-đỏ, không tạo nhiều khói đen, không tạo nhiều tàn đọng ở đầu bấc và dầu phải dễ dàng theo bấc lên phía trên để cháy.
Romp đã làm thí nghiệm dùng 6 ngọn đèn được đốt bằng 6 loại hydrocacbon dưới đây:
- Tetrahydronaphtalen C10H12
- Mezitilen tức [C6H3(CH3)3]
- Phần hydrocacbon thơm tách ra từ phân đoạn kerosene
- Phân đoạn kerosene đã tách hydrocacbon thơm
- Xêten, C16H32
- Xêtan, C16H34
Sau đó, nâng dần bấc nến lên cho đến khi thấy ngọn lửa xuất hiện khói đen và đo chiều cao của ngọn lửa này. Ông ta nhân thấy rằng, ngọn lửa đèn đốt bằng xêtan cho ngọn lửa cao nhất, và càng trở lên trên (tức càng giảm dần đặc tính parafinic, tăng dần tính chất thơm) ngọn lửa càng thấp dần.
Do đó, thành phần parafin trong phân đoạn kerosene góp phần làm tăng chiều cao ngọn lửa không khói, là một đặc tính quan trọng khi dùng nó để thắp sáng và đun nấu. Các parafin và các naphten nói chung khi đốt, ngọn lửa của chúng đều có màu sáng xanh trong khi đó, các hydrocacbon thơm khi đốt cho ngọn lửa đỏ vàng có nhiều muội, khói đen. Nguyên nhân vì các parafin và naphten có chứa nhiều H2 trong phân tử, quá trình cháy sảy ra nhanh, không kịp để xảy ra quá trình phân hủy(cracking) dẩn đến tạo cacbon. Trong khi đó, các hydrocacbon thơm có tốc độ cháy chậm, quá trình phân hủyxảy ra trước quá trình cháy, nên tạo nhiều muội than và có nhiều khói đen.
Vì vậy, khi sử dụng phân đoạn kerosene dùng làm dầu hoả dân dụng phải loại bỏ các hydrocacbon thơm, nhất là các hydrocacbon thơm nhiều vòng, và trong thành phần của chúng còn lại các parafin và các naphten có số nguyên tử từ C10-C14.
Để đánh giá đặc tính của dầu hoả dân dụng, thường dùng đại lượng chiều cao ngọn lửa không khói để đặc trưng. Đại lượng này phải đảm bảo trên 20(mm) (khi đốt trong ngọn đèn tiêu chuẩn) mới có thể dùng làm dầu hoả cho sinh hoạt dân dụng.
Mối liên hệ giữa chiều cao ngọn lửa không khói và thành phần hydrocacbon có trong phân đoạn có trong phân đoạn có thể xác định qua quan hệ như sau:
[/url]
các hợp chất không phải hydrocacbon có trong thành phần phân đoạn kerosene, thì các hợp chất lưu huỳnh có ảnh hưởng quan trọng. Khi dùng dầu hoả có nhiều S để đốt, các sản phẩm cháy của nó đều rất độc cho người sử dụng. Bên cạnh đó, các hợp chất S khi cháy bám vào bóng đèn, tạo nên lớp màng đục, giảm độ chiếu sáng thực tế của đèn.
Nói chung, phân đoạn kerosene của dầu mỏ họ parafinic hoàn toàn thích hợp dùng để sản xuất dầu hoả dân dụng không đòi hỏi một quá trình biến đôi thành phần của nó bằng các phương pháp hóa học phức tạp.
Tài liệu tham khảo:
1. Handbook of Petroleum Product Analysis By: Speight, James G. © 2002 John Wiley & Sons
2. Hóa học dầu mỏ và khí – PGS. TS Đinh Thị Ngọ
3. Petroleum Products Handbook –Guithrie, Virgil B.,
