Bài 48. Nguồn hiđrocacbon thiên nhiên

A. DẦU MỎ

I - TRẠNG THÁI THIÊN NHIÊN, TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ THÀNH PHẦN CỦA DẦU MỎ

1. Trạng thái thiên nhiên và tính chất vật lí

Dầu mỏ là một hỗn hợp lỏng, sánh, màu nâu đen, có mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước và không tan trong nước. Dầu mỏ được khai thác từ các mỏ dầu dưới lòng đất (trong lục địa cũng như ngoài thềm lục địa).

2. Thành phần hóa học

Dầu mỏ là một thành phần hóa học phức tạp gồm hàng trăm hiđrocacbon thuộc các loại ankan, xicloankan, aren (hiđrocacbon thơm). Ngoài hiđrocacbon ra, trong dầu mỏ còn có một lượng nhỏ các chất hữu cơ chứa oxi, nitơ, lưu huỳnh và vết các chất vô cơ.

Dầu ở các mỏ khác nhau thường có thành phần  các loại hiđrocacbon và các tạp chất rất khác nhau nhưng về thành phần nguyên tố thì thường như sau: 83−87%C,11−14%H,0,01−7%S,0,01−7%O,0,01−2%N, các loại kim loại nặng vào khoảng phần triệu đến phần vạn.

Dầu mỏ của ta khai thác ở thềm lục địa phía Nam ở thể sánh đặc, chứa nhiều ankan cao (parafin) và có ít hợp chất chứa lưu huỳnh (Lưu huỳnh có trong thiên nhiên sẽ gây hại cho động cơ).

II- CHƯNG CẤT DẦU MỎ

1. Chưng cất dưới áp suất thường

a) Chưng cất phân đoạn trong phòng thí nghiệm

Để phân tách các chất có nhiệt độ sôi khác nhau không nhiều, người ta dùng phương pháp chưng cất phân đoạn. Ở cột phân đoạn, hỗn hợp hơi càng lên cao càng giàu hợp phần có nhiệt độ sôi thấp, vì hợp phần có nhiệt độ sôi cao đã bị ngưng đọng dần từ dưới lên.

b) Chưng cất phân đoạn dầu mỏ

Dầu khai thác từ mỏ lên gọi là dầu thô. Dầu thô sau khi sơ chế loại bỏ nước, muối, được chưng cất ở áp suất thường trong các tháp chưng cất phân đoạn liên tục cao vài chục mét. Nhờ vậy, người ta tách được những phân đoạn dầu có nhiệt độ sôi khác nhau. Các phân đoạn đó được đưa đi sử dụng hoặc được chế biến tiếp.

2. Chưng cất dưới áp suất cao

Phân đoạn sôi ở nhiệt độ <180^oC được chưng cất tiếp ở áp suất cao. Nhờ chưng cất ở áp suất cao người ta tách được phân đoạn C₁−C₂,C₃−C₄ dùng làm nhiên liệu khí hoặc khí hóa lỏng hoặc dẫn sang nhà máy sản xuất hóa chất. Phân đoạn lỏng (C₅−C₆) gọi là ete dầu hỏa được dùng làm dung môi hoặc nguyên liệu cho nhà máy sản xuất hóa chất. Phân đoạn (C₆−C₁₀) là xăng, nhưng thường có chất lượng thấp nên phải qua chế hóa bằng phương pháp rifominh.

3. Chưng cất dưới áp suất

Phần còn lại sau khi chưng cất ở nhiệt độ thường (có thể chiếm tới 40% dầu thô) là một  hỗn  hợp nhớt đặc, màu đen, gọi là cặn mazut. Khi chưng cất cặn mazut dưới áp suất thấp, ngoài phân đoạn linh động hơn dùng crackinh người ta thu được dầu nhờn (để bôi trơn máy), vazơlin và parafin (dùng trong y dược, dùng làm nến,...). Cặn đen còn lại được gọi là atphan dùng để rải đường.

Tất cả quá trình chưng cất dầu mỏ đẻ tách lấy các sản phẩm như trình bày ở trên được gọi là tinh cất, hoặc thông thường còn gọi là " lọc dầu ".

III- CHẾ BIẾN DẦU MỎ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC

Chế biến dầu mỏ bằng phương pháp hóa học (nói gọn là chế hóa dầu mỏ) là biến đổi cấu tạo hóa học các hiđrocacbon cuat dầu mỏ. Chế hóa dầu mỏ nhằm hai mục đích sau.

- Đáp ứng nhu cầu về số lượng, chất lượng xăng làm nhiên liệu. Chất lượng của xăng được đo bằng chỉ số octan. Chỉ số octan càng cao thì xăng càng tốt. Thực nghiệm cho thấy chỉ số octan của hiđrocacbon giảm theo trật tự sau:

Aren > Anken có nhánh > Ankan có nhánh > Xicloankan có nhánh > Anken không nhánh > Xicloankan không nhánh > Ankan không nhánh.

- Đáp ứng nhu cầu về nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất: Công nghiệp hóa chất cần nhiều anken, aren để tổng hợp ra polime và các hóa phẩm khác mà trong thành phần của dầu mỏ không có anken, thường có rất ít aren nhẹ.

Hai phương pháp chủ yếu chế hóa dầu mỏ là rifominh và crackinh

1. Rifominh

Xăng thu được từ chưng cất dầu mỏ chứa chủ yếu là những ankan không nhánh vì vậy có chỉ số octan thấp. Để tăng chỉ số octan, người ta dùng phương pháp rifominh.

Rifominh là quá trình dùng xúc tác và nhiệt biến đổi cấu trúc của hiđrocacbon từ không phân nhánh thành phân nhánh, từ không thơm thành thơm.

Trong quá trình rifominh xảy ra 3 loại phản ứng chủ yếu sau:

* Chuyển ankan mạch thẳng thành ankan mạch nhánh và xicloankan:

* Tách hiđro chuyển xicloankan thành aren:

* Tách hiđro chuyển ankan thành aren:

2. Crăkinh

Crăkinh là quá trình bẻ gãy phân tử hiđrocacbon mạch dài thành các phân tử hiđrocacbon mạch ngắn hơn nhờ tác dụng của nhiệt (crăkinh nhiệt) hoặc của xúc tác và nhiệt (crăckinh nhiệt) hoặc của xúc tác và nhiệt (crăkinh xúc tác). Thí dụ:

C₁₆H₃₄→C_16−mH_34−2m+C_mH_2m(m=2−16)

a) Crăckinh nhiệt

Crăkinh nhiệt thực hiện ở nhiệt độ trên 700−900^oC chủ yếu tạo ra eten, propen, buten và penten dùng làm monome để sản xuất polime.

b) Crăkinh xúc tác

Crăkinh xúc tác chủ yếu nhằm chuyển hiđrocacbon cacbon mạch dài của các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao thành xăng nhiên liệu.

Kết luận: Chế biến dầu mỏ bao gồm chưng cất dầu mỏ và chế biến bằng phương pháp hóa học.

Kết luận: Chế biến dầu mỏ bao gồm chưng cất dầu mỏ và chế biến bằng phương pháp hóa học. Sơ đồ chế biến dầu mỏ thành các sản phẩm được mô tả như hình dưới.

B - KHÍ MỎ DẦU VÀ KHÍ THIÊN NHIÊN

I - THÀNH PHẦN KHÍ DẦU MỎ VÀ KHÍ THIÊN NHIÊN

* Khí mỏ dầu còn gọi là khí đồng hành. Khí mỏ dầu có trong các mỏ dầu. Khí thiên nhiên là khí chứa trong các mỏ khí riêng biệt.

* Thành phần của khí mỏ dầu và khí thiên nhiên ở các mỏ khác nhau dao động như các số liệu ở bảng bên.

II - CHẾ BIẾN, ỨNG DỤNG CỦA KHÍ MỎ DẦU VÀ KHÍ THIÊN NHIÊN

C - THAN MỎ

Trong các loại than mỏ (than gầy, than béo, than bùn,...) hiện nay chỉ có than béo (than mỡ) được dùng để chế than cốc và cung cấp một lượng nhỏ hiđrocacbon

I- CHƯNG KHÔ THAN BÉO

II- CHƯNG CẤT NHỰA THAN BÉO

Nhựa than đá đem chưng cất sẽ thu được các hiđrocacbon thơm, dị vòng thơm và các dẫn xuất của chúng. Thí dụ, ở các khoảng nhiệt độ tăng dần sẽ thu được các phân đoạn sau:

Phân đoạn sôi ở 80−170^oC, gọi là dầu nhẹ, chứa benzen, toluen, xilen,...

Phân đoạn sôi ở 170−230^oC, gọi là dầu trung, chứa naphtalen, phenol, piriđin,...

Phân đoạn sôi ở 230−270^oC, gọi là dầu nặng, chứa crezol, xilenol, quiolin,...

Cặn còn lại gọi là hắc ín dùng để rải đường.