Dầu mỏ | Khái niệm hoá học

1. Nguồn gốc của dầu mỏ

Dầu mỏ là một chất lỏng, sánh có trong lòng đất, màu từ nâu sẫm đến đen, có mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước, không tan trong nước và cháy được. Thành phần chủ yếu của dầu mỏ là hỗn hợp các ankan, xicloankan, aren. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ dẫn xuất chứa oxi, lưu huỳnh, nitơ. 

Cho đến nay, vấn đề nguồn gốc dầu mỏ vẫn chưa được giải thích một cách thỏa đáng. Các giả thuyết về nguồn gốc dầu mỏ được hình thành trên hai hướng: nguồn gốc vô cơ và nguồn gốc hữu cơ. Một số nhà bác học tiếp tục các công trình theo hướng vô cơ như thuyết cacbon kim loại của Mendeleep, thế nhưng chính ông cũng thừa nhận dầu mỏ Baku thuộc nguồn gốc hữu cơ. Hiện nay, đa số nhà khoa học đều cho rằng dầu mỏ có nguồn gốc hữu cơ. Thuyết này dựa trên cơ sở nhiều loại dầu mỏ có chứa hợp chất của nitơ như clorophin, hemin cũng như các hidrocacbon hoạt động quang học. Điều này chứng tỏ dầu lửa không thể chịu tác dụng của nhiệt độ trên 250^oC

Như vậy, dầu mỏ được tạo thành từ động vật hoặc thực vật tích lũy lâu ngày nằm dưới đáy đại dương, đầm hồ ở dạng bùn và chịu tác dụng của vi khuẩn trong điều kiện thiếu không khí. 

2. Thành phần và phân loại dầu mỏ

a. Thành phần

- Thành phần nguyên tố: thành phần nguyên tố của dầu mỏ như sau

Cacbon: 82-87%, hidro: 11-14%; lưu huỳnh: 0,01-7%, nitơ: 0,01 - 2%, oxi 0,01 - 7%, ngoài ra còn có một số nguyên tố khác chiếm hàm lượng không đáng kể.

- Các hợp chất hóa học: dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp của các chất hữu cơ. Thành phần của nó thay đổi phụ thuộc vào nguồn gốc và địa chất từng vùng, song đều cấu thành từ hai loại hợp chất chính: hợp chất hidrocacbon và hợp chất không thuộc loại hidrocacbon có chứa các nguyên tố oxi, lưu huỳnh, nitơ trong đó các hợp chất hidrocacbon là chủ yếu và quan trọng nhất của dầu mỏ.

Các hợp chất hidrocacbon trong dầu mỏ gồm:

+ Hidrocacbon loại parafin

+ Hidrocacbon loại mạch vòng (xicloankan hay naphten)

+ Hidrocacbon loại thơm (Aren đơn vòng hoặc đa vòng ngưng tụ)

+ Hidrocacbon loại hỗn tạp naphten thơm.

Trong dầu mỏ không có anken hoặc ankin. Bằng các phương pháp phân tích hiện đại cho đến nay đã phát hiện được khoảng 425 hidrocacbon trong dầu mỏ

Các hợp chất không thuộc loại hidrocacbon trong dầu mỏ gồm:

- Các hợp chất chứa lưu huỳnh như: mecaptan, sunfua, thiophen...

-  Những hợp chất chứa oxi như axit, phenol, xeton, este, lacon.

- Các hợp chất chứa ni tơ thuộc loại piridin, quinolin, isoquinolin; các chất có 4 nguyên tử nitơ thuộc nhóm porphirin dưới dạng phức chất với V hoặc Ni.

- Nhựa và atphan:

+ Các chất nhựa là những chất lỏng nhớt, quành, màu nâu đen. Về cấu trúc, trong phân tử nhựa có chứa những hệ đa vòng ngưng tụ trong đó có bộ phận là vòng thơm, bộ phận là vòng naphten. Những hệ vòng ngưng tụ này mang các nhánh bao quanh, liên kết với nhau qua các dị tố (S,O).

+ Atphan là hợp chất rắn của dầu mỏ có màu nâu thẫm hoặc đen, đó là các sản phẩm ngưng tụ oxi hóa và trùng hợp hóa, các hidrocacbon thơm cao. Tỉ lệ cacbon/hidro trong atphan khá lớn, chứng tỏ mức độ ngưng tụ rất cao. Khối lượng phân tử từ 2500 - 3500. Atphan được kết tủa từ mazut.

2. Phân loại

Có nhiều cách phân loại dầu mỏ

a. Phân loại dựa trên cơ sở tỉ khối

- Loại dầu nhẹ, tỉ khối d(15/15)$\le$ 0,828.

- Loại dầu trung bình, tỉ khối d(15/15) = 0,829 - 0,884. Dầu mỏ đảo Bạch Hổ VN thuộc loại này.

- Loại dầu nặng, tỉ khối d(15/15) $\ge$ 0,885

b. Phân loại theo thành phần hóa học

Theo thành phần hóa học trội hơn, người ta phân ra các loại dầu sau:

- Dầu parafin có thành phần parafin trên 61% như dầu Cận Đông, Nam Bocneo VN, Grozonui 

- Dầu naphten có thành phần xicloparafin khoảng từ 61 đến 76%.

- Dầu aren có thành phần hidrocacbon thơm khoảng 40% như ở Bocneo

- Dầu atphan, loại dầu có nhiều hợp chất chứa oxi và khi chế biến nó bị nhựa hóa nhiều.

3. Qúa trình chế biến dầu mỏ 

a. Xử lí ban đầu và chế biến sơ cấp

- Giai đoạn xử lí ban đầu chuyển dầu thô thành dầu gốc

Trước khi đưa vào chế biến sơ cấp, dầu mỏ được xử lí ban đầu, khử nước, phá hủy nhũ nước bằng cách đun nóng đến 50-160^oC dưới áp suất 5-10 atm, dùng các chất hoạt động bề mặt, chất phá hủy nhũ để phá nhũ tương. Khi khử nước, các muối clorua vẫn còn hòa tan trong dầu nên phải dùng các thiết bị khử muối bằng điện. Sau khi tách nước và các tạp chất ta được dầu gốc để đưa vào chế biến sơ cấp.

+ Giai đoạn chế biến sơ cấp

Chế biến sơ cấp là giai đoạn chưng cất dầu mỏ bằng nhiệt qua các phân đoạn. Qúa trình chưng cất được tiến hành trong các tháp hình ống hoạt động liên tục theo nguyên tắc chưng cất phân đoạn. Những phân đoạn tách được có thể được sử dụng trực tiếp để chế biến thành các sản phẩm tương ứng: Phân đoạn xăng được sử dụng sản xuất xăng oto hoặc máy bay, phân đoạn dầu hỏa để sản xuất nhiên liệu cho động cơ phản lực hoặc dầu hỏa dân dụng, phân đoạn dầu diezen để sản xuất nhiên liệu diezen, phân đoạn mazut để sản xuất các loại dầu nhờn. Phần cặn mazut (500^oC) còn lại chiếm khoảng 30 - 45% dầu thô để sản xuất parafin, atphan.

 + Nhiên liệu

- Phân đoạn xăng

Xăng là nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong có bộ chế hòa khí. Yêu cầu quan trọng là cháy đều đặn, không bị kích nổ.

 Nguyên nhân của hiện tượng kích nổ có liên quan tới cấu tạo của hidrocacbon trong xăng. Bởi vì các hidrocacbon dưới tác dụng nhiệt của xi lanh bị oxi hóa do oxi của không khí tạo thành các hidro peoxit. Hợp chất này không bền, rất dễ phân hủy thành các gốc tự do, tạo điều kiện để phát triển nhanh phản ứng cháy, làm tăng đột ngột áp suất và kích nổ. Nghiên cứu hiện tượng này cho thấy, các hidrocacbon không nhánh (n-parafin) rất dễ tạo các peoxit. Các naphten và olefin nằm ở trung gian. Bởi vậy, khi sử dụng xăng cần phải chống tính kích nổ của xăng.

Chỉ số octan: tính chống kích nổ được đặc trưng bằng chỉ số octan. Về trị số nó được biểu thị bằng số phần trăm thể tích isooctan (2,2,4-trimetylpentan) trong hỗn hợp với n-heptan. Thực tế cho thấy isooctan chống kích nổ tốt nhất, được quy ước là 100, còn n-hepten kém nhất có chỉ số là 0. Như vậy, một loại xăng có khả năng chống kích nổ tương đương với hỗn hợp gồm 70% isooctan và 30% n-heptan thì có chỉ số octan là 70.

Xăng thu được từ phân đoạn chưng cất trực tiếp dầu mỏ có chỉ số octan thấp và nhiều n-parafin và naphten, có rất ít hidrocacbon thơm và isoparafin.

- Phân đoạn dầu hỏa

Phân đoạn dầu hỏa được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ máy bay phản lực và làm nhiên liệu sinh hoạt (Dầu hỏa).

Dầu hỏa thắp đèn và bếp: dầu hỏa thường lấy ở phân đoạn trong khoảng nhiệt độ từ 170-270 gồm từ C₁₀ - C₁₅. Yêu cầu dầu phải dễ dàng lên theo bấc, ngọn lửa sáng không khói và tàn. Các hidrocacbon thơm 2 vòng ngưng tụ, hợp chất chứa lưu huỳnh, nito không đảm bảo yêu cầu chất lượng. Ngược lại, các parafin góp phần nâng cao chất lượng dầu. Chất lượng dầu hỏa được đánh giá bằng chiều cao của ngọn lửa không khói tính bằng mm.

- Phân đoạn dầu diezen.

Dầu diezen được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cracking và nhiệt phân. Đồng thời bản thân nó được trực tiếp sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diezen.Yêu cầu của nhiên liệu diezen là nhiệt độ tự bốc cháy thấp, thời gian chậm bốc cháy càng ngắn, động cơ làm việc càng tốt. Các hidrocacbon có nhiệt độ tự bốc cháy cao do đó không thích hợp.

b. Các phương pháp chế biến thứ cấp

- Cracking: về mặt hóa học dầu mỏ, là phản ứng cắt phân tử hidrocacbon thành các phần tử nhỏ hơn. Về mặt kĩ thuật chế biến dầu mỏ, là phương pháp điều chế xăng từ các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao hơn.

- Nhiệt phân: là sự phân hủy các hidrocacbon hoặc phân đoạn của dầu mỏ dưới tác dụng của nhiệt độ ở trên 650^oC trong áp suất thấp. Nhiệt phân cho sản phẩm khí là các anken và ankan từ C₁ đến C₄ cùng H₂ và sản phẩm lỏng, trong đó các hidrocacbon thơm chiếm 70%. Từ các phân đoạn sản phẩm khí và lỏng này người ta sẽ tách được các hóa chất tinh khiết là chất đầu quan trọng của ngành Hóa dầu.

- Refoming xúc tác

Phương pháp này nhầm thay đổi cấu trúc của hidrocacbon theo hướng đồng phân hóa (tăng chỉ số octan) mà không gây ra những thay đổi đáng kể về khối lượng phân tử. Nguyên liệu của các phân đoạn xăng đã chưng cất được. Qúa trình được tiến hành ở áp suất hidro từ 35 -65 atm, nhiệt độ từ 450 - 500^oC trên các xúc tác đa chức năng Pt, Pd, Ir, Ni hoặc các oxit kim loại gắn trên chất mang là nhôm oxit hoặc nhôm silicat.