§å ¸n m«n häc : ThiÕt kÕ th¸p trÝch ly
dÇu nhên b»ng dung m«i furfurol
Sv : Bïi Thµnh Tµi
Líp : Ho¸ dÇu 1_K49
1
MỞ ĐẦU
Trên thế giới hiện nay dầu nhờn vấn là chất bôi trơn chủ yếu trong các
ngành công nghiệp và dân dụng. Với vai trò quan trọng của mình, dầu nhờn
đã trở thành một loại vật liệu công nghiệp không thể thiếu. Cũng với sự phát
triển của xã hội các loại máy móc, thiết bị, Công cụ được đưa vào ứng dụng
trong công nghiệp và dân dụng ngày càng nhiều dẫn đến mức tiêu thụ dầu
mỡ bôi trơn tăng lên không ngừng trong những năm qua. Theo thống kê,
mức tiêu thụ dầu mỡ bôi trơn trên thế giới hiện nay khoảng 40 triệu tấn mối
năm và ở nước ta tuy mức tiêu thụ dầu mỡ bôi trơn thấp hơn rất nhiều so với
các nước phát triển nhưng cũng đặt ở mức khoảng 100.000 tấn mỗi năm đối
với mức tăng trưởng 4 – 8 % / năm. Đây quả là một con số không nhỏ. Toàn
bộ lượng dầu nhờn này hầu như là nhập từ nước ngoài dưới dạng thành phần
hoặc dưới dạng dầu gốc cùng với các loại phụ gia rồi tự pha chế.
Khoa học kỷ thuật ngày càng phát triển thì nhiều công cụ máy móc
mới càng phát triển. Khi đó thì những máy móc này đòi hỏi dầu mỡ bôi trơn
ngày càng tốt chỉ số độ nhờn cao và chỉ số độ nhờn phải ít thay đổi theo
nhiệt độ nhất là phải đáp ứng được yêu cầu: Chống mài mòn bảo vệ kim
loại, chống oxy hoá .
Ở nước ta theo đánh giã của các chuyên gia dầu khí, thiệt hại gio ma sát
mài mòn và các chi phí bảo dưỡng hàng năm khoảng vài triệu đô la. Tổn thất
gio ma sát và mài mòn có nhiều nguyên nhân, nhưng gio thiếu dầu bôi trơn
và sử dụng dầu bôi trơn vớ độ nhờn và phẩm cấp không phù hợp chiếm 30
%. Vì vậy sử dụng đầu bôi trơn có chất lượng phù hợp với quy định của chế
tạo máy thiết bị, kỷ thuật bôi trơn đúng có vai trò lớn để đảm bảo thiết bị
làm việc liên tục, ổn định, giảm chi phí bảo dưỡng nhằm nâng cao tuổi thọ
động cơ, hiệu suất sử dụng và độ tin cậy của máy móc. Tuy nhiên để sản
xuất dầu nhờn đảm bảo những yêu cầu trên, cần tách các cấu tử không mong
muốn trong sản xuất dầu nhờn được thưc hiện nhờ quá trình tách lọc dầu sẽ
cho phép sản xuất dầu gốc có chất lương cao.
Qua đây ta thấy rằng công ngệ chưng cất chân không để sản xuất dầu
nhờn gốc từ dầu thô gồm các phân đoan chủ yếu sau:
- Chưng cất chân không từ nguyên liệu cặn mazut.
- Chiết tách, trích ly bằng dung môi
- Tách hydrocacbon rắn
- Làm sạch cuối cùng bằng hydro
Quá trình trích ly dầu nhờn bằng dung môi chọn lọc là một quá trìch sử
dụng một dung môi để hoà tan cấu tử cần tách khỏi dầu nhờn mà những chất
này làm cho chất lượng dầu nhờn kém đi. Đồng thời qua đó ta tách ra những
cấu tử có lợi cho dầu nhờn. Trích ly là một phương pháp làm sạch rất phổ
biến hiện nay nhất là trích ly bằng dung môi chọn lọc để tạo ra loại dầu nhờn
tốt cho công nghiệp.
§å ¸n m«n häc : ThiÕt kÕ th¸p trÝch ly
dÇu nhên b»ng dung m«i furfurol
Sv : Bïi Thµnh Tµi
Líp : Ho¸ dÇu 1_K49
2
PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I .
THÀNH PHẦN TÍNH CHẤT VÀ CÔNG DỤNG CỦA DẦU NHỜN
I.1. Mục đích và ý nghĩa của việc sử dụng dầu nhờn .
Dầu nhờn có tầm quan trọng rất lớn trong việc bôi trơn các chi tiết chuyển
động, giảm ma sát, giảm mài mòn và ăn mòn các chi tiết máy, tẩy sạch bề mặt
tránh tạo thành các lớp cặn bùn, tản nhiệt làm mát và làm khít các bộ phận
cần làm khít…
Trong đời sống hàng ngày, chúng ta luôn đối mặt với lực ma sát chúng
xuất hiện giữa các bề mặt tiếp xúc của tất cả mọi vật và chống lại sự chuyển
động của vật này sang vật khác .Mặt khác đối với sự hoạt động của các máy
móc, thiết bị, lực ma sát gây ra cản trở lớn. Trên thế giới hiện nay xu thế của
xã hội sử dụng máy móc càng đòi hỏi máy móc phải bền nhưng nguyên nhân
gây ra hao mòn các chi tiết máy móc vẫn là sự mài mòn .Không chỉ ở các
nước phát triển, tổn thất do ma sát và mài mòn gây ra chiếm tới vài phần
trăm tổng thu nhập quốc dân .Ở cộng Hoà Liên Bang Đức thiệt hại do ma
sát mài mòn các chi tiết máy hàng năm từ 30 đến 40 tỷ, trong đó ngành công
nghiệp là 8,3 đến 9,4 tỷ, ngành năng lượng là 2,67 đến 3,2 tỷ. Ngành giao
thông vận tải là 17 đến 23 tỷ. Ở Canađa tổn thất loại này hàng năm lên tới 5 tỷ
đô la Canađa. Chi phí sữa chữa bảo dưỡng thiết bị tăng nhanh chiếm 60% chi
phí đầu tư ban đầu. Ở nước ta theo ước tính của chuyên gia cơ khí, thiệt hại
do ma sát, mai mòn và chi phí bảo dưỡng hàng năm tới vài triệu USD …chính
vì vậy việc làm giảm tốc độ ma sát luôn là mục tiêu quan trọng của các nhà
sản xuất ra các loại máy móc thiết bị,cũng như những người sử dụng chúng
.Để thực hiện điều này người ta sử dụng chủ yếu dầu hoặc mỡ bôi trơn. Dầu
nhờn hoặc mỡ bôi trơn làm giam ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc bằng cách
cách ly.Các bề mặt này để chống lại sự tiếp xúc trức tiếp giữa hai bề mặt kim
loại khi dầu nhờn được đặt giữa hai bề mặt tiếp xúc nên tạo ra một màng dầu
rất mỏng đủ sức tách riêng ra hai bề mặt không cho tiếp xúc trực tiếp với
nhau. Khi hai bề mặt này chuyển động, chỉ có các lớp phân tử trong lớp dầu
giữa hai bề mặt tiếp xúc trượt lên nhau tạo nên một lực ma sát chống lại lực
tác dụng gọi là ma sát nội tại của dầu nhờn, lực ma sát này nhỏ và không đáng
kể so với lực ma sát sinh ra khi hai bề mặt tiếp xúc khô với nhau .Nếu hai bề
mặt này được cách ly hoàn toàn bằng một lớp màng dầu phù hợp thì hệ số ma
sát giảm đi đến 100 đến 1000 lần so với khi chưa có lớp dầu ngăn cách. Dầu
nhờn cho động cơ là loại dầu quan trọng nhất trong các loại dầu bôi trơn ,tính
trung bình chúng chiếm khoảng 40% tổng các loại dầu bôi trơn sản xuất trên
thế giới .Ở Việt Nam dầu nhờn động cơ chiếm 60% dầu nhờn bôi trơn. Sư đa
dạng của kích cỡ động cơ và đối tượng sử dụng dẫn đến các yêu cầu bôi trơn
§å ¸n m«n häc : ThiÕt kÕ th¸p trÝch ly
dÇu nhên b»ng dung m«i furfurol
Sv : Bïi Thµnh Tµi
Líp : Ho¸ dÇu 1_K49
3
khác nhau. Cùng với việc làm giảm ma sát trong chuyển động, dầu nhờn còn
có một số chức năng khác góp phần cải thiện nhiên liệu, nhược điểm của máy
móc, thiết bị chức năng của dầu nhờn được trình bày như sau:
- Bôi trơn để làm giảm lực ma sát và cường độ mài mòn, ăn mòn các bề
mặt tiếp xúc, làm cho máy móc hoạt động êm ,qua đó đảm bảo cho máy
móc có công suất làm việc tối đa và tuổi thọ động cơ được kéo dài.
- Làm sạch, bảo vệ động cơ và các thiết bị bôi trơn, chống lại sự mài
mòn, đảm bảo cho máy móc hoat động tốt hơn .
- Làm mát động cơ, chống lại sự quá nhiệt của chi tiết.
- Làm khít động cơ do dầu nhờn có thể lấp kín được những chỗ hở không
thể nào khắc phục đựơc trong qua trình chế tạo và gia công máy móc .
- Giảm mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị, giảm chi phí bảo dưỡng,
sửa chữa cũng như thời gian chết do hỏng hóc thiết bị.
I.2. Thành phần hoá học của dầu nhờn.
Dầu mỏ là thành phần chính để sản xuất dầu nhờn,thành phần chính
của nó là hydrocacbon và phi hydrocacbon. Nguyên liệu chủ yếu để sản
xuất dầu nhờn là phần cất ở nhiệt độ sôi trên 3500c từ dầu mỏ (Phân đoạn
gazoil chân không ). Vì vậy hầu hết các hợp chất có mặt trong phân đoạn
này đều có mặt trong thành phần của dầu nhờn. Trong phân đoạn này,
ngoài thành phần chủ yếu là hỗn hợp của nhóm hydrocacbon chữa các
nguyên tử ôxy, lưu huỳnh, niken và kim loại (niken, vanadi…) những hợp
chất nói trên có những tính chất khác nhau.Có những phần có lợi cho dầu
nhờn, song cũng có những thành phần có hại cần phải loại bỏ.
I.2.1. Các hợp chất hydrocacbon naphten và paraphin.
Các nhóm hydro cacbon này được gọi chung là các nhóm hydrocacbon
Naphten-paraphin. đây là nhóm hydrocacbon chủ yếu có trong dầu gốc, từ
dầu mỏ. Hàm lượng của nhóm này tuỳ thuộc vào bản chất của dầu mỏ và
khoảng nhiệt độ sôi chiếm từ 41 đến 86 %. Nhóm hydro cacbon này có cấu
trúc chủ yếu là hydro cacbon vòng naphten (vòng 5-6 cạnh), có kết hợp các
nhánh ankyl hoặc izo ankyl và số nguyên tử cacbon trong phân tử có thể từ 20
đến 70 cấu trúc vòng có thể ở hai dạng : cấu trúc không ngưng tụ ( phân tử có
thể chứa từ 1-6 vòng). Cấu trúc ngưng tụ ( phân tử có thể chứa từ 2-6 vòng
ngưng tụ). Cấu trúc nhánh của các vòng Naphten này cũng rất đa dạng chúng
khác nhau bởi một số mạch nhánh ,chiều dài của mạch, mức độ phân nhánh
của mạch và vị trí thế của mạch trong vòng. Thông thường người ta nhận thấy
rằng:
-Phân đoạn nhờn nhẹ có chứa chủ yếu là các dãy đồng đẳng của xyclo
hexan, xyclo pentan.
-Phân đoạn nhờn trung bình chủ yếu các vòng naphten có các mạch
nhánh ankyl,izo ankyl với số vòng từ 2-4 vòng .
-Phân đoạn nhờn cao phát hiện thấy các hợp chất các vòng ngưng tụ từ
2-4 vòng .
§å ¸n m«n häc : ThiÕt kÕ th¸p trÝch ly
dÇu nhên b»ng dung m«i furfurol
Sv : Bïi Thµnh Tµi
Líp : Ho¸ dÇu 1_K49
4
Ngoài hydro cacbon vòng naphten, trong nhóm này còn có các
hydrocacbon dạng n-paraphin và iso paraphin. Hàm lượng của chúng không
nhiều và mạch cacbon thường chứa không quá 20 nguyên tử cacbon và nếu
số nguyên tử cacbon lớn hơn 20 thì paraphin sẽ ở dạng rắn và được tách ra
trong qua trình sản xuất dầu nhờn.
I.2.2. Nhóm hydro cacbon thơm và hydro cacbon naphten-thơm.
Loại này phổ biến ở trong dầu chúng thường nằm ở phân đoạn có nhiệt
độ sôi cao. Thành phần cấu trúc của nhóm hydrocacbon này có ý nghĩa quan
trọng đối với dầu gốc. Một loạt các tính chất sử dụng của dầu nhờn như tính
ổn định chống oxy hoá, tính nhờn nhiệt, tính chống bào mòn, tính hấp thụ phụ
gia phụ thuộc vào tính chất và hàm lượng của nhóm hydro cacbon này. Tuy
nhiên hàm lượng và cấu trúc của chúng còn tuỳ thuộc vào bản chất dầu gốc và
nhiệt độ sôi của các phân đoạn.
-Phân đoạn nhờn nhẹ (350-4000C) có mặt chủ yếu các hợp chất các dãy
đồng đẳng benzen và naphtalen .
- Phân đoạn nhờn nặng hơn (400-4500C) phát hiện thấy hydro cacbon
thơm 3 vòng dạng đơn hoăc kép .
- Trong phân đoạn có nhiệt độ sôi cao hơn có chứa các chất thuộc dãy
đồng đẳng naphtalen, phenatren, antraxen và một số lượng đáng kể loại hydro
cacbon đa vòng .
Các hydro cacbon thơm ngoài khác nhau về số lượng vòng thơm, còn
khác nhau bởi số nguyên tử cacbon ở mạch nhánh và vị trí của nhánh trong
nhóm này còn phát hiện sự có mặt của vòng thơm ngưng tụ đa vòng. Một
phần của chúng tồn tại ngay trong dầu gốc với tỷ lệ tuỳ theo nguồn gốc của
dầu mỏ còn một phần được hình thành trong quá trình chưng cất do phản ứng
trùng ngưng, trùng hợp dưới tác dụng của nhiệt. Một thành phần nữa trong
nhóm hydrocacbon thơm là một hydro cacbon hỗn hợp naphten – aromat.
Loại hydrocacbon này làm giảm phẩm chất của dầu nhờn thương phẩm vì
chúng có tính nhớt nhiệt kém và rất dễ bị oxy hoá tạo ra các chất keo nhựa
trong qua trình làm việc của động cơ và máy móc.
I.2.3. Nhóm hydrocacbon rắn .
Các hydrocacbon rắn có trong nguyên liệu sản xuất dầu đôi khi lên tới
40 %50÷ tuỳ thuộc bản chất của dầu thô. Phần lớn các hợp chất này được
loại khỏi dầu bôi trơn nhờ quy trình lọc tách parafin rắn. Tuỳ theo kĩ thuật lọc
mà nhóm hydrocacbon rắn được tách triệt để hay không, nhưng dù sao chúng
vẫn còn tồn tại trong dầu với hàm lượng rất nhỏ. Sự có mặt của nhóm
hydrocacbon này trong dầu nhờn làm tăng nhiệt độ đông đặc, giảm khả năng
sử dụng dầu ở nhiệt độ thấp nhưng lại làm tăng tính ổn định của độ nhớt theo
nhiệt độ và tính ổn định oxy hoá.
Nhóm này có hai loại hydrocacbon rắn là parafin rắn (có thành phần chủ
yếu là các ankal có mạch lớn hơn 20) và xerezin (là hỗn hợp của các
hydrocacbon naphten có mạch nhánh ankyl dạng thẳng hoặc dạng nhánh và
một lượng không đáng kể hydrocacbon rắn có vòng thơm và alkyl).
§å ¸n m«n häc : ThiÕt kÕ th¸p trÝch ly
dÇu nhên b»ng dung m«i furfurol
Sv : Bïi Thµnh Tµi
Líp : Ho¸ dÇu 1_K49
5
Ngoài những thành phần chủ yếu nói trên, trong dầu bôi trơn còn có
hợp chất hữu cơ như : lưu huỳnh, Nitơ, oxy, tồn tại ở dạng các hợp chất nhựa
,asphanten. Nhìn chung đây là những hợp chất có nhiều thành phần làm giảm
chất lượng của dầu bôi trơn, chúng có màu sẫm, dễ bị biến chất, tạo cặn trong
dầu khi làm việc ở nhiệt độ và áp suất cao, chúng được loại khỏi dầu nhờ quá
trình tách lọc và làm sạch .
I.3. Các tính chất cơ bản của dầu nhờn .
I.3.1 Khối lượng riêng và tỷ trọng .
Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích của một chất ở
nhiệt độ tiêu chuẩn, đo bằng gam/cm3 hay Kg/m3. Tỷ trọng là một tỷ số giữa
khối lượng riêng của một chất đã cho ở nhiệt độ qui định và khối lượng riêng
của nước ở nhiệt độ qui định đó. Do vậy tỷ trọng có giá trị đúng bằng khối
lượng riêng khi coi trọng lượng của nước ở 40c bằng 1. Trong thế giới tồn tại
các hệ thống đo tỷ trọng như sau : 20
4
d, 15
4
d,6,15
6,15
d. Trong đó các chỉ số trên d
là nhiệt độ của dầu hay sản phẩm dầu trong lúc thí nghiệm, còn chỉ số dưới là
nhiệt độ của nước khi thử nghiệm. Ngoài ra trên thị trường dầu thế giới còn
sử dụng độ
A
PI
0 thay cho tỷ trọng và
A
PI
0được tính như sau :
A
P
I
0 = 6,15
6,15
5,141
d -131,5
Khối lượng riêng là một tính chất cơ bản và cùng với những tính chất vật lý
khác nó có đặc trưng cho từng loại phân đoạn dầu mỏ cũng như dùng để đánh
giá phần nào chất lượng của dầu thô. Đối với dầu bôi trơn ,khối lượng riêng
ít có ý nghĩa để đánh giá chất lượng. Khối lượng riêng của dầu đã qua sử
dụng không khác nhau là mấy so với dầu chưa qua sử dụng. Tuy nhiên một
giá trị bất thường nào đó của khối lượng riêng cũng có thể giúp ta phán đoán
về sự có mặt trong dầu một phần nhiên liệu. Sử dụng chủ yếu của khối lượng
riêng là dùng để chuyển đổi sang thể tích và ngược lại trong lúc pha trộn, vận
chuyển, tồn chứa, cung cấp họăc mua bán dầu nhờn.
I.3.2.Độ nhớt của dầu nhờn.
Độ nhớt của một số phân đoạn dầu nhờn là một đại lượng vật lý đặc
trưng cho trở lực do ma sát nội tại của nó sinh ra khi chuyển động. Do vậy độ
nhớt có liên quan đến khả năng bôi trơn của dầu nhờn.
Để thực hiện nhiệm vụ bôi trơn, dầu nhờn có độ nhớt phù hợp, bám chắc
lên bề mặt kim loại và không bị đẩy ra ngoài có nghĩa là ma sát nội tại nhỏ.
Khi độ nhớt quá lớn sẽ làm giảm công xuất máy do tiêu hao nhiều công để
thắng trở lực của dầu, khó khởi động máy, nhất là vào mùa đông nhiệt độ môi
trường thấp, giảm khả năng làm mát máy, làm sạch máy do dầu lưu thông
kém.