Công nghệ lọc dầu: Quá trình chưng cất dầu thô (P.1)
27.01.2008 15:53

Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần
nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue).
QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT DẦU THÔ
1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất
1.1 Sự sôi của dung dịch
Sự sôi của chất nguyên chất: Một chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ mà tại đó áp suất hơi bão hoà của nó bằng áp suất
môi trường đè lên mặt thoáng. Ví dụ như nước sẽ sôi ở 1000C tại P = 1 atm (760mmHg).
Nhiệt độ sôi của Butan
Áp suất, atm Nhiệt độ,oC
1 0
3.41 36
4.80 50
Ta gọi chất có áp suất hơi bão hoà lớn, có nhịêt độ sôi thấp là chất dễ sôi. Chất khó sôi có áp suất hơi bão hoà
bé, có nhiệt độ sôi cao.
Thành phần pha hơi sinh ra khi đun sôi một dung dịch: Pha hơi sinh ra khi chất lỏng nguyên chất sôi là pha hơi
đơn chất. Pha hơi sinh ra khi một dung dịch sôi là một hỗn hợp của tất cả các hợp phần của dung dịch và có
thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov.

Định luật Konovalov: Khi sôi một dung dịch lỏng cho ra một pha hơi giàu chất dễ sôi hơn so với dung dịch
lỏng.
1.2 Nguyên lý của quá trình chưng cất
Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần
nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue).

Như vậy, phép chưng cất có thể thu được Distillat có thành phần mong muốn bằng cách chưng cất nhiều lần.
Nhưng chưng cất nhiều lần như vậy rất phiền phức, tốn thời gian mà không kinh tế. Để khắc phục
nhược điểm này ta dùng hệ thống chưng cất có cột chưng cất. Cột chưng cất có số đĩa lý thuyết càng lớn,
thì có khả năng cho một distillat có thành phần khác càng nhiều so với dung dịch trong bình đun, tức là

được thực hiện một cách đặc biệt nhờ các đĩa.
Tại các đĩa xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và dòng lỏng. Đồng thời tại đây cũng xảy ra quá trình
trao đổi chất, phần nhẹ trong pha lỏng bay hơi theo pha hơi, phần nặng trong pha hơi ngưng tụ theo dòng lỏng.
Như vậy, khi dòng hơi lên đến đỉnh thì rất giàu cấu tử nhẹ, còn dòng lỏng đi xuống đáy lại giàu cấu tử nặng
hơn.
Có rất nhiều dạng đĩa khác nhau được sử dụng tuỳ vào loại nguyên liệu. Nhưng mục đích chung nhằm đảm bảo
sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi phải lớn để quá trình phân tách hiệu quả.
Hiện nay, sử dụng chủ yếu các dạng đĩa sau:
− Đĩa nhiều lỗ (Sieve Trays)
− Đĩa chụp (Bubble–Cap Trays)
− Đĩa ống khói (Chimmey Trays)
− Đĩa Van (Valve Trays)Mâm kiểu van
Sự phân bố dòng chảy qua van ảnh hưởng rất lớn đến sự tiếp xúc pha và chất lượng các phân đoạn. Một số kiểu
phân bố dòng chảy trong tháp được trình bày như sau:2.4 Sự Stripping
Đối với chưng cất dầu thô, dòng trích ngang luôn có lẫn sản phẩm đỉnh.
Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này, người ta thực hiện quá trình tái hoá hơi riêng phần các phần nhẹ. Quá trình này
gọi là quá trình stripping.
Quá trình này được thực hiện trong những cột nhỏ từ 4-10 đĩa, đặt bên cạnh tháp chưng cất khí quyển và
thường dùng hơi nước trực tiếp.
Ngoài ra có thể stripping bằng nhiệt (phân đoạn Kerozen).

2.5 Sự hồi lưu (Relux)
Nhằm tạo ra dòng lỏng có nhiệt độ thấp đi từ đỉnh tháp xuống đáy tháp để trao đổi nhiệt với dòng hơi. Từ đó
làm cho quá trình trao đổi chất tách phân đoạn được triệt để và thu được chất lượng distillat mong muốn.

quá trình phân rã xác các động vật và tảo biển nhỏ thời tiền sử (các cây cối trên mặt đất thường có khuynh
hướng hình thành than). Qua hàng thiên niên kỷ vật chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn sâu dưới các lớp
trầm tích dày. Kết quả làm tăng nhiệt và áp suất khiến cho những thành phần này bị biến hoá, đầu tiên thành
một loại vật liệu kiểu sáp được gọi là kerogen, và sau đó thành một hydrocarbons khí và lỏng trong một quá
trình được gọi là catagenesis. Bởi vì hydrocarbons có mật độ nhỏ hơn đá xung quanh, chúng xâm nhập lên phía
trên thông qua các lớp đá ngay sát đó cho tới khi chúng bị rơi vào bẫy bên dưới những tảng đá không thể ngấm
qua, bên trong những lỗ xốp đá gọi là bể chứa. Sự tập trung hydrocarbons bên trong một bẫy hình thành nên
một giếng dầu, từ đó dầu lỏng có thể được khai thác bằng cách khoan và bơm.
Các nhà địa chất cũng đề cập tới "cửa sổ dầu" (oil window). Đây là tầm nhiệt độ mà nếu thấp hơn thì dầu không
thể hình thành, còn cao hơn thì lại hình thành khí tự nhiên. Dù nó tương thích với những độ sâu khác nhau ở
những vị trí khác nhau trên thế giới, một độ sâu 'điển hình' cho cửa sổ dầu có thể là 4-6 km. Cần nhớ rằng dầu
cũng có thể rơi vào các bẫy ở độ sâu thấp hơn, thậm chí nếu nó không được hình thành ở đó. Cần có ba điều
kiện để hình thành nên bể dầu: có nhiều đá, mạch dẫn dầu xâm nhập, và một bẫy (kín) để tập trung
hydrocarbons.
Các phản ứng tạo thành dầu mở và khí tự nhiên thường như những phản ứng phân rã giai đoạn đầu, khi kerogen
phân rã thành dầu và khí tự nhiên thông qua nhiều phản ứng song song, và dầu cuối cùng phân rã thành khí tự
nhiên thông qua một loạt phản ứng khác.
Thuyết vô cơ
Cuối thế kỷ 19 nhà hóa học người Nga Dmitri Ivanovich Mendeleev đã đưa ra lý thuyết vô cơ giải thích sự hình
thành của dầu mỏ. Theo lý thuyết này dầu mỏ phát sinh từ phản ứng hóa học giữa cacbua kim loại với nước tại
nhiệt độ cao ở sâu trong lòng trái đất tạo thành các hiđrocacbon và sau đó bị đẩy lên trên. Các vi sinh vật sống
trong lòng đất qua hàng tỷ năm đã chuyển chúng thành các hỗn hợp hiđrôcacbon khác nhau. Lý thuyết này là
một đề tài gây nhiều tranh cãi trong giới khoa học, tạo thành trường phái Nga - Ukraina trong việc giải thích
nguồn gốc dầu mỏ.
Thuyết hạt nhân
Lý thuyết thứ ba, được giải thích trong nguyệt san khoa học Scientific American vào năm 2003, cho rằng các
hợp chất hyđrocacbon được tạo ra bởi những phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất.
Lịch sử
Do nhẹ hơn nước nên dầu xuất hiện lộ thiên ở nhiều nơi, vì thế loài người đã tìm thấy dầu hằng ngàn năm trước
Công Nguyên. Thời đó dầu thường được sử dụng trong chiến tranh. Còn rất nhiều dấu tích của việc khai thác

H
10
(butan)
— ở dạng khí, sôi ở nhiệt độ -161.6 °C, -88.6 °C, -42 °C, và -0.5 °C tương ứng (-258.9°, -127.5°, -43.6°, và
+31.1 °F).
Các chuỗi trong khoảng C5-7 là các sản phẩm dầu mỏ nhẹ, dễ bay hơi. Chúng được sử dụng làm dung môi, chất
làm sạch bề mặt và các sản phẩm làm khô nhanh khác. Các chuỗi từ C6H14 đến C12H26 bị pha trộn lẫn với
nhau được sử dụng trong đời sống với tên gọi là xăng. Dầu hỏa là hỗn hợp của các chuỗi từ C10 đến C15, tiếp
theo là dầu điêzen/dầu sưởi (C10 đến C20) và các nhiên liệu nặng hơn được sử dụng cho động cơ tàu thủy. Tất
cả các sản phẩm từ dầu mỏ này trong điều kiện nhiệt độ phòng là chất lỏng.
Các dầu bôi trơn và mỡ (dầu nhờn) (kể cả Vadơlin®) nằm trong khoảng từ C16 đến C20.
Các chuỗi trên C20 tạo thành các chất rắn, bắt đầu là sáp parafin, sau đó là hắc ín và nhựa đường bitum.
Khoảng nhiệt độ sôi của các sản phẩm dầu mỏ trong chưng cất phân đoạn trong điều kiện áp suất khí quyển tính
theo độ C là:
Xăng ête: 40-70 °C (được sử dụng như là dung môi)
Xăng nhẹ: 60-100 °C (nhiên liệu cho ô tô)
Xăng nặng: 100-150 °C (nhiên liệu cho ô tô)
Dầu hỏa nhẹ: 120-150 °C (nhiên liệu và dung môi trong gia đình)
Dầu hỏa: 150-300 °C (nhiên liệu )
Dầu điêzen: 250-350 °C (nhiên liệu cho động cơ điêzen/dầu sưởi)
Dầu bôi trơn: > 300 °C (dầu bôi trơn động cơ)
Các thành phần khác: hắc ín, nhựa đường, các nhiên liệu khác
Khai thác
Muốn khai thác dầu, người ta khoan những lỗ khoan gọi là giếng dầu. Khi khoan trúng lớp dầu lỏng, dầu sẽ tự
phun lên do áp suất cao của khí dầu mỏ. Khi lượng dầu giảm thì áp suất khí cũng giảm, người ta phải dùng bơm
hút dầu lên hoặc bơm nước xuống để đẩy dầu lên.
Phân loại
Ngành công nghiệp dầu mỏ phân chia "dầu thô" theo khu vực mà nó xuất phát (ví dụ "West Texas
Intermediate" (WTI) hay "Brent") thông thường theo tỷ trọng và độ nhớt tương đối của nó ("nhẹ", "trung bình"
hay "nặng"); các nhà hóa dầu còn nói đến chúng như là "ngọt", nếu nó chứa ít lưu huỳnh, hoặc là "chua", nếu nó

đây và đạt mức cao nhất vào năm 2003. Người ta dự đoán rằng trữ lượng dầu mỏ sẽ đủ dùng cho 50 năm nữa.
Năm 2003 trữ lượng dầu mỏ nhiều nhất là ở Ả Rập Saudi (262,7 tỉ thùng), Iran (130,7 tỉ thùng) và ở Iraq (115,0
tỉ thùng) kế đến là ở Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất, Kuwait và Venezuela. Nước khai thác dầu nhiều
nhất thế giới trong năm 2003 là Ả Rập Saudi (496,8 triệu tấn), Nga (420 triệu tấn), Mỹ (349,4 triệu tấn), Mexico
(187,8 triệu tấn) và Iran (181,7 triệu tấn). Việt Nam được xếp vào các nước xuất khẩu dầu mỏ từ năm 1991 khi
sản lượng xuất được vài ba triệu tấn. Đến nay, sản lượng dầu khí khai thác và xuất khẩu hàng năm đạt vào
khoảng 20 triệu tấn/năm.
Vì tầm quan trọng kinh tế, dầu mỏ cũng là lý do cho những mâu thuẫn chính trị. Tổ chức các nước xuất khẩu
dầu mỏ (OPEC) đã sử dụng dầu mỏ như vũ khí trong cuộc xung đột Trung Đông và tạo ra cuộc khủng hoảng
dầu mỏ vào năm 1973 và 1979.
Ảnh hưởng dầu mỏ đến môi trường
Dâu mỏ bị tràn ra biển gây ô nhiễm môi trường , ảnh hưởng đời sống sinh vật biển . Dầu mỏ đem đốt cũng gây
ra ô nhiễm vì sinh ra nhiều khí như SO2 , CO2 . Xe cộ , máy móc chạy bằng xăng góp phần làm Trái Đất
nóng lên .
Trong hơn 100 năm qua, dầu hỏa đã được mệnh danh là chất “vàng đen” vì đây là nhiên liệu chính dùng để vận
hành tất cả mọi phương tiện di chuyển hiện đại và là yếu tố cần thiết để thúc đẩy mọi nền kinh tế đạt đến mức
độ phồn thịnh. Nhưng cái gì tạo nên dầu hỏa và dầu hỏa đến từ đâu?
Người ta thường tìm thấy những mỏ dầu ở dưới những lớp đá trầm tích. Khi đất hay đá bị nước hay gió xoáy
mòn, thì cát, phù sa hay bùn bị tróc ra và trôi theo dòng nước, tích tụ tại một nơi, lớp này chồng chất lên lớp kia,
đè nén những vật liệu trầm tích lại với nhau, cộng thêm với những phản ứng hóa học tạo ra những chất kết dính
như xi-măng, để hình thành nên những lớp đá trầm tích vô cùng cứng cáp. Những túi dầu với dung lượng lớn,
có thể khai thác được, thường nằm trong những cái bẫy dưới đất, nơi các lớp đá trầm tích bị cuốn cong lên hay
bị đứt đoạn, tạo thành những lỗ hổng bên trong lòng đá để chứa dầu. Phía trên các túi dầu này là lớp đá trầm
tích, nơi dầu được phát sinh và phía dưới những lỗ hổng chứa dầu này là lớp đá rắn chắc, giữ không cho dầu
thấm qua.
Thành phần hóa học chính của dầu hỏa hay khí đốt là hỗn hợp giữa hydro và carbon, cho nên đa số các nhà
khoa học cho rằng dầu hỏa hay khí đốt có nguồn gốc hữu cơ. Những xác sinh vật dưới biển hay trên đất, hay
những cây cối, khi bị chôn vùi dưới những lớp đất đá dày đặc và trong điều kiện thiếu oxygen, với nhiệt độ và
áp suất thích hợp, thì những xác sinh vật hay cây cối sẽ biến trở thành những chất sáp nhờn và sau đó sẽ trở
thành dầu thô. Chính thành phần hóa học của dầu thô đã giúp các nhà khoa học tìm ra những manh mối về cách

vật trên mặt đất đều bị hủy diệt, từ loài người cho đến loài thú, loài bò sát, loài chim trời. Tất cả đều bị quét
sạch khỏi mặt đất, chỉ có gia đình Nô-ê và mọi loài ở với ông trong tàu được sống sót. Nước ngập mặt đất suốt
một trăm năm mươi ngày.” (Sáng Thế Ký 6: 17 – 7:24)
Quý thính giả thân mến,
Nồng độ của chất porphyrin trong dầu thô thiên nhiên vào khoảng 0.04%. Trong phòng thí nghiệm, từ các xác
sinh vật, người ta có thể tạo ra dầu thô, giống hệt như dầu khai thác trong thiên nhiên, với nồng độ porphyrin
tương tự chỉ trong vòng một ngày, chứ không cần đến hàng triệu năm. Những cuộc thí nghiệm khác cũng cho
thấy chất porphyrin chỉ cần ba ngày là phân rã hoàn toàn khi tiếp xúc với không khí hay nhiệt độ khoảng 210 độ
C trở lên. Điều này có nghĩa là các lớp đá trầm tích và dầu thô không thể tạo hình trong điều kiện nhiệt độ cao
qua hàng triệu năm được. Chỉ một cách giải thích thật hữu lý là khi trận Đại Hồng Thủy xảy ra như vũ bão,
hàng triệu tấn cây cối và động vật đã bị nhổ lên khỏi mặt đất với một sức mạnh khủng khiếp và bị chôn vùi
ngay tức khắp sâu dưới lòng đất, khiến cho không khí hay oxygen không kịp tiếp xúc, duy trì được chất
porphyrin, tạo ra thành những mỏ dầu ngày nay.
Tại Hoa Kỳ, người ta chở những phế liệu từ các lò mổ heo và gà về một nhà máy ở vùng Carthage, thuộc tiểu
bang Missouri. Đây là nhà máy đầu tiên trên thế giới, sản xuất ra dầu hỏa từ thịt và mỡ thừa. Trong một ngày,
với nguyên liệu khoảng 270 tấn ruột gà và 20 tấn mỡ heo, nhà máy này có thể sản xuất ra 500 thùng (tức là
khoảng 75,000 lít) nhiên liệu có chất lượng cao hơn cả dầu thô trong thiên nhiên. Quá trình sản xuất của nhà
máy này mô phỏng những gì đã thực sự xảy ra trong thiên nhiên. Thịt và mỡ động vật được cho vào lò kín,
không tiếp xúc với không khí, được nén với áp suất và nhiệt độ cao trong vòng chỉ 20 phút để tạo ra chất dầu
tương tự như dầu thô thiên nhiên. Sau đó, dầu thô này được chế biến để tạo ra những nhiên liệu dùng cho các
nhà máy phát điện.
Kính thưa quý thính giả,
Những bằng chứng hiển nhiên trong thiên nhiên cho thấy dầu hỏa mà chúng ta đang khai thác và sử dụng ngày
nay được hình thành từ xác các thực vật và động vật, chỉ khoảng trong vài ngàn năm trở lại đây, trong một biến
cố thiên nhiên cực kỳ mãnh liệt và có tính toàn cầu. Điều này, chỉ có thể giải thích được với trận Đại Hồng
Thủy đã được ghi chép trong Kinh Thánh, với chi tiết thật rõ ràng “Suốt bốn mươi ngày, nước lụt ầm ầm lan
tràn bao phủ khắp nơi mọi đỉnh núi chót vót dưới trời đều bị ngập. Tất cả các loài động vật đều chết, nào loài
chim trời, loài gia súc, loài thú rừng, loài bò sát và loài người; tức là mọi loài có hơi thở, sống trên đất khô đều
chết hết. Mọi sinh vật trên mặt đất đều bị hủy diệt, từ loài người cho đến loài thú, loài bò sát, loài chim trời. Tất
cả đều bị quét sạch khỏi mặt đất”. Như vậy, hàng ngàn rừng cây, cùng với vô số động vật, trên đất và dưới biển,