Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
5
III.3. Áp suất hơi bảo hoà.
Áp suất hơi đặc trưng cho tính chất các phân tử ở bề mặt pha lỏng có xu
hướng thoát khỏi bề mặt này để chuyển sang pha hơi ở nhiệt độ nào đó. Đó là một
hàm số của nhiệt độ và các đặc tính pha lỏng.
Áp suất hơi bảo hoà chính là áp suất hơi mà tại đó thể hơi nằm cân bằng
với thể lỏng trong một nhi
ệt độ nhất định.
Sự sôi của một hydrocacbon hay của một phân đoạn dầu mỏ chỉ xảy ra khi
áp suất hơi của nó bằng với áp suất hơi của hệ. Vì vậy, khi áp suất hệ tăng lên,
nhiệt độ sôi của nó sẽ tăng theo nhằm tạo ra một áp suất hơi bằng áp suất của hệ.
Ngược lại, khi áp suất của hệ giảm, nhiệ
t độ sôi của nó cũng giảm đi tương ứng.
Đối với các hydrocacbon riêng lẻ, áp suất hơi của nó chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ và vì vậy ở một áp suất nhất định chỉ có một nhiệt độ sôi tương ứng.
Đối với một phân đoạn dầu mỏ thì áp suất hơi của nó ngoài sự phụ thuộc
vào nhiệt độ, còn phụ thuộc vào thành phần các hydrocacbon có áp su
ất riêng phần
khác nhau, nghĩa là áp suất hơi của phân đoạn mang tính chất cộng tính của các
thành phần trong đó và tuân theo định luật Raoult:
P =
ii
xP
∑
(Pi, xi là áp suất riêng phần và nồng độ phần mol của cấu tử i trong phân đọan).
Để xác định áp suất hơi bảo hoà thường người ta sử dụng bom Reid nên áp
suất hơi bảo hoà thường gọi là áp suất hơi bảo hoà Reid (TVR), nó được đo ở
37,8
o
C hay 100
o
F, sơ đồ thiết bị như trên hình vẽ.
Như vậy, áp suất hơi bảo hoà đặc trưng cho các phần nhẹ trong dầu thô
cũng như các phân đoạn dầu mỏ. Đối với xăng nhiên liệu thì giá trị này có ảnh
hưởng lớn đến khả năng khởi động của động cơ, khi giá trị này càng lớn thì động
cơ càng dễ khởi động. Nhưng nếu giá trị này l
ớn quá thì chúng sẽ gây mất mát vật
chất và dễ tạo ra hiện tượng nút hơi.
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
6
III.4.Tỷ trọng
Tỷ trọng của một chất nào đó là tỷ số giữa khối lượng riêng của nó với khối
lượng riêng của chất chuẩn được đo trong những điều kiện xác định (nhiệt độ).
(đối với chất lỏng chất chuẩn được chọn là nước còn các chất khí là không khí)
Thông thường tỷ trọng của lỏng được ký hiệu như sau: d
t2
t1
Trong đó: t
1
là nhiệt độ tiến hành đo khối lượng riêng của mẩu;
t
2
là nhiệt độ tiến hành đo khối lượng riêng của nước.
Thực tế người ta hay sử dụng d
20
4,
d
15,6
15,6,
những con số này là nhiệt độ tính
bằng độ C mà ở đó tiến hành đo khối lượng riêng. d
15,6
15,6
đôi khi được ký hiệu là
S và được gọi là tỷ trọng chuẩn
Ngoài ra, người ta còn dùng một khái niệm khác để biểu diễn tỷ trọng đó là
độ API (API: American Petroleum Institute), giá trị của nó được xác định thông
qua tỷ trọng chuẩn theo công thức sau :
5,131
5,141
6,15
6,15
−=
d
API
Tỷ trọng có tính chất cộng tính về thể tích, có nghĩa tỷ trọng của một phân
đoạn dầu mỏ gồm nhiều thành phần, có thể tính dựa theo tỷ trọng và nồng độ thể
tích cúa chúng trong đó theo kiểu trung bình như sau:
n
nn
v vv
v.d v.dv.d
d
++
+++
=
21
2211
Trong đó :
d: tỷ trọng của phân đoạn có n thành phần
d
1
d
n
: tỷ trọng của các thành phần tương ứng từ 1-n
v
1
v
n
: Thể tích của các thành phần tương ứng trong phân đoạn
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
7
Tỷ trọng của phân đoạn dầu mỏ là một hàm số của nhiệt độ mà không phụ
thuộc vào áp suất nói chung, dù phân đoạn có mang đặc tính gì (parafinic,
naphtenic, hay aromatic) thì sự thay đổi của chúng theo nhiệt độ hầu như giống
nhau. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, áp suất bắt đầu có ảnh hưởng đến tỷ trọng. Ảnh
hưởng này có thể xác định được dựa vào hệ số giản nỡ
ω
, nó là một hàm số phụ
thuộc vào nhiệt độ và áp suất tới hạn phân đoạn của nó, đồng thời cho thấy tỷ số
giữa tỷ trọng và hệ số giãn nỡ ở các điều kiện khác nhau đều không đổi, nghĩa là:
ω
==
ω
=
ω
d
dd
2
2
1
1
Trong đó: d
1
, ω
1
là tỷ trọng và hệ số giản nở ở điều kiện áp suất và nhiệt độ p
1
, t
1
.
d
2
, ω
2
là tỷ trọng và hệ số giản nở ở điều kiện áp suất và nhiệt độ p
2
, t
2
.
Tỷ trọng của dầu mỏ cho biết dầu nặng hay nhẹ, thông qua đó có thể ước
lượng được sơ bộ hiệu suất thu các sản phẩm trắng của loại dầu mỏ đó. Đối với
các sản phẩm dầu mỏ thì ý nghĩa của tỷ trọng sẽ khác nhau. Ở nhiên liệu diesel
hoặc nhiện liệu cho động cơ phản lực thì tỷ trong sẽ liên quan
đến khả năng phun
nhiên liệu vào buồng cháy hay ảnh hưởng đến quá trình bay hơi và cháy của nhiên
liệu.
III.5. Độ nhớt
Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh
ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau. Vì vậy, độ nhớt
có liên quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng
trong các hệ đường ống, khả
năng thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên
liệu trong buồng cháy, đồng thời nó liên quan đến khả năng bôi trơn của các phân
đoạn khi sử dụng làm dầu nhờn.
Độ nhớt có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau:
♦ Độ nhớt tuyệt đối (hay độ nhớt động lực)
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
8
♦ Độ nhớt động học
Ngoài hai loại trên thì người ta còn sử dụng độ nhớt quy ước. Đối với loại
độ nhớt này thì tuỳ thuộc vào thiết bị sử dụng để đo mà ta có các tên gọi và các kết
quả khác nhau như độ nhơt Engler (
o
E), độ nhớt Saybolt (SSU), độ nhớt
Redwood.
Độ nhớt tuyệt đối (hay độ nhớt động lực) được rút ra từ phương trình
Newton đối với chất lỏng Newton ở chế độ chảy dòng. Lực ma sát nội tại sinh ra
giữa hai lớp chất lỏng có sự chuyển động tương đối với nhau sẻ tỷ lệ với diện tích
tiếp xúc của hai bề mặt, với tốc độ bi
ến dạng (không phải là gradient vận tốc).
Phương trình được biểu diễn như sau:
dz
dv
SF
µ
=
Trong đó µ là hệ số tỷ lệ hay độ nhớt động lực. Từ phương trình trên ta có:
dz
dv
S
F
=
µ
Từ phương trình này ta thấy độ nhớt động lực là tỷ số giữa ứng suất cắt
(F/S) và tốc độ biến dạng.
Trong hệ thống GCS thì độ nhớt động lực được tính bằng poazơ (P) hay sử
dụng ước của nó là centipoazơ (cP)
Độ nhớt động học: là tỉ số giữa độ nhớt động lực và trọng lượng riêng của
nó. Trong hệ thống GCS thì
đơn vị của độ nhớt động học được tính bằng Stốc (St),
thông thường thì người ta sử dụng ước của nó là centistốc (cSt):
d
µ
ν
=
Trong đó : ν- độ nhớt động học, (St)
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
9
µ - độ nhớt động lực, (P)
d- trọng lượng riêng g/cm
3
Độ nhớt thường được xác định trong các nhớt kế mao quản, ở đây chất lỏng
chảy qua các ống mao quản có đường kính khác nhau, ghi nhận thời gian chảy của
chúng qua mao quản, có thể tính được độ nhớt của chúng. Poaseil đã đưa ra công
thức xác định độ nhớt động lực như sau :
τ
π
=µ
V.L.
r.P.
8
4
Trong đó : p - áp suất khi chất lỏng chảy qua mao dẫn
r - bán kính mao quản
L - chiều dài mao quản
τ
- thời gian chảy của chất lỏng có thể tích V qua mao quản
Khi xác định độ nhớt động học, chất lỏng chảy qua mao quản dưới áp suất
của bản thân trọng lượng của nó, phụ thuộc vào chiều cao cột chất lỏng (h) và
trọng lượng riêng của nó (d).
d.h.gP =
Với g là gia tốc trọng trường .
Từ các phương trình trên ta sẽ có :
τ
µ
.
.8
**
4
LV
rhg
d
v ==
Các giá trị h, r, L và V là không đổi đối với từng nhớt kế, vì vậy tập hợp:
LV
rhg
.8
**
4
Được xem là hằng số của nhớt kế, nó không phụ thuộc vào nhiệt độ ưmà
chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học của nhớt kế. Vì vậy, nếu biết được thời gian
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
10
chảy cùng hằng số của nhớt kế có thể xác định được độ nhớt động học, và từ đó
cũng có thể dễ dàng xác định được độ nhớt động lực của nó.
Một số dạng nhớt kế như các hình sau:
Thông thường người ta chia các dạng thiết bị này thành hai dạng đó là dạng
nhớt kế xuôi được sử dụng để đo các s
ản phẩm sáng màu và dạng nhớt kế ngược
dùng đo độ nhớt các sản phẩm tối màu.
Độ nhớt các phân đoạn dầu mỏ phụ thuộc vào trọng lượng các phân tử và
cấu trúc hóa học của nó. Vì thế độ nhớt của phân đoạn dầu mỏ còn có thể xác định
được dựa vào tỉ trọng và hệ số đặc trưng K
w
. Tuy nhiên, các giá trị tìm được chỉ có
tính chất gần đúng, nhất là đối với những phân đoạn quá nhớt.
Độ nhớt các phân đoạn dầu mỏ tăng theo độ tăng áp suất và được đặc trưng
bằng hệ thức dưới đây :
p
op
a.
µµ
=
Trong đó : -
p
µ
và
o
µ
độ nhớt ở áp suất p và ở áp suất thường.
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
11
a - hằng số đối với từng phân đoạn dầu mỏ. Phân đoạn có độ nhớt càng
lớn ở áp suất thường thì độ nhớt chịu ảnh hưởng của áp suất càng lớn. Phân đoạn
càng mang đặc tính parafinic thì ảnh hưởng của áp suất đến độ nhớt càng ít
Để xác định độ nhớt ở dưới các áp suất cao, có thể sử dụng có thể sử dụng
công thứ
c thực nghiệm của Mapston dưới đây:
),,(P,lg
,
o
o
p
2780
0143800239001420
ν+=
ν
ν
Trong đó, ν
p
và ν
o
: độ nhớt động học ở áp suất p và áp suất thường, cSt
P : áp suất, atm.
Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, độ nhớt của các phân đoạn dầu mỏ cũng thay
đổi rất nhiều. Valter đã đưa ra hệ thức kinh nghiệm dưới đây đặc trưng cho môi
quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ đó:
(100ν
p
+ 0,8)T.m = K
Trong đó : ν
p
: độ nhớt động học, cSt.
T : nhiệt độ tuyệt đối,
o
K
K, m: hằng số.
Một tính chất quan trọng đáng chú ý của độ nhớt gồm một hỗn hợp nhiều
thành, là tính chất không cộng tính. Đây là một tính chất cần quan tâm khi tiến
hành pha trộn nhiều phân đoạn có độ nhớt khác nhau, vì khi pha trộn độ nhớt của
hỗn hợp thực tế bao giờ cũng thấp hơn độ nhớt nếu tính toán bằng cách theo trung
bình thể tích của các thành phần hỗn h
ợp. Độ nhớt của hỗn hợp gồm hai thành
phần có thể tích tính gần đúng như sau:
12
21
ν+ν
νν+
=ν
nm
)nm(
Trong đó:
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
12
ν
1
, ν
2
: là độ nhớt của các thành phần; n,m trọng lượng của các thành phần
tương ứng.
III.6. Nhiệt độ chớp cháy
Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó mẫu thử khi được đun
nóng trong điều kiện xác định sẽ bay hơi trộn lẫn với không khí và có thể vụt cháy
rồi tắt ngay như một tia chớt khi ta đưa ngọn lửa đến gần.
Nhi
ệt độ chớp cháy là một đại lượng đặc trưng cho phần nhẹ chứa trong các
sản phẩm hay trong phân đoạn, và cũng do đó nếu trong phân đoạn chứa nhiều sản
phẩm nhẹ, dễ bay hơi, khi chúng được chứa trong các bể chứa thùng chứa, trong
pha hơi của chúng có một lượng hydrocacbon lại nằm giữa giới hạn nổ thì sẽ rất
nguy hiễm, dễ xảy ra cháy nổ khi có tia lử
a. Do đó, nhiệt độ chớp cháy có liên
quan đến tính chất an toàn khi vận chuyển, bảo quản.
Nhiệt độ chớp cháy được xác định trong những dụng cụ tiêu chuẩn, khi là
cốc hở thì giá trị thu được gọi là nhiệt độ chớp cháy cốc hở, còn khi dụng cụ là cốc
kín thì ta sẻ có nhiệt độ thu được gọi là nhiệt chớp cháy cốc kín.
Nhiệt độ chớp cháy cốc kín sẽ thấp hơn nhiệ
t độ chớp cháy cốc hở và sự
chênh lệch giữa hai nhiệt độ này càng lớn nếu nhiệt độ chớp cháy nói chung của
phân đoạn càng cao.
Đối với các sản phẩm dầu mỏ thì nhiệt độ chớt cháy khác nhau. Xăng có
nhiệt độ chớp cháy khoảng -40
o
C, nhiên liệu cho động cơ phản lực có nhiệt độ
chớp cháy trong khoảng 28-60
o
C (trung bình là 40
o
C), diesel có nhiệt độ chớp
cháy trong khoảng 35 - 80
o
C(trung bình là 60
o
C) phân đoạn dầu nhờn có nhiệt độ
chớp cháy 120-325
o
C.
Như vậy, nhiệt độ chớp cháy của kerosen hay nhiên liệu phản lực nằm trong
khoảng thay đổi của nhiệt độ bảo quản bình thường trong các buồng chứa ngoài
trời. Vì vậy, chúng rất dễ xảy ra hiện tượng nổ nhất nếu vô ý có phát sinh nguồn
lửa gần. Đối với các phân đoạn nhẹ hơn, như xăng, ở nhiệt độ bảo quản bình
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
13
thường lại ít nguy hiểm đối với nổ, vì nhiệt độ chớp cháy của chúng rất thấp có
nghĩa ở nhiệt độ bảo quản bình thường hydrocacbon của nó trong pha hơi rất cao
nên đã vượt quá xa giới hạn nổ mà hiện tượng nổ chỉ xảy ra khi nồng độ
hydrocacbon nằm trong giới hạn nổ mà thôi. Ngược lại, đối với phân đoạn quá
nặng như phân đoạn d
ầu nhờn nhiệt độ chớp cháy lại rất cao có nghĩa ở nhiệt độ
rất cao các hơi hydrocacbon bay ra mới đủ nồng độ nằm trong giới hạn nổ. Vì vậy,
ở nhiệt độ bảo quản bình thường hơi hydrocacbon của chúng thoát ra rất ít, nồng
độ của chúng trong pha hơi còn nằm thấp quá so với giới hạn nổ, nên chúng không
có nguy hiễm gì khi bảo quản bình thường.
Nồng độ hydrocacbon trong không khí có thể gây nổ
ở một số hợp chất và
phân đoạn có thể thấy trong bảng dưới đây:
Giới hạn nổ của một số hydrocacbon và phân đoạn dầu mỏ
Hydrocacbon và phân
đoạn dầu mỏ
Giới hạn nổ, % thể tích hydrocacbon trong không khí
Giới hạn dưới Giới hạn dưới
Mêtan
Êtan
Propan
i-butan
n-butan
pentan
hexan
Octan
Nonan
Decan
Khí thiên nhiên
Ether petro
Xăng
Kerosen
5,3
3,12
2,37
1,8
1,6
1,4
1,25
0,84
0,74
0,67
4,8
1,4
1,3
1,16
13,9
15,0
9,5
8,4
8,5
8,0
6,9
3,2
2,9
2,6
13,5
5,9
6,0
6,0
Nhiệt độ chớp cháy của một hỗn hợp nhiều phân đoạn, nhiều thành phần
cũng không mang tính chất cộng tính tuyền tính do đó không thể xuất phát từ
nhiệt độ chớp cháy của từng thành phần trong phân đoạn mà tính ra nhiệt độ chớp
cháy của hỗn hợp bằng cách tính trung bình theo hàm lượng của chúng được.
Tính chất vật lý và chỉ tiêu đánh giá dầu thô
14
III.7. Nhiệt độ đông đặc
Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ mà ở đó các phân đoạn dầu mỏ trong điều
kiện thử nghiệm qui định mất hẳn tính linh động. Như vậy nhiệt độ đông đặc là đại
lượng dùng để đặc trưng cho tính linh động của các phân đoạn dầu mỏ ở nhiệt độ
thấp.
Sự mấ
t tính linh động này có thể vì hạ nhiệt độ thấp, độ nhớt của phân đoạn
dầu mỏ giảm theo và đặc lại dưới dạng các chất thù hình, đồng thời còn có thể do
tạo ra nhiều tinh thể parafin rắn, các tinh thể này hình thành dưới dạng lưới (khung
tinh thể) và những phần còn lại không kết tinh bị chứa trong các khung tinh thể đó,
nên làm cả hệ thống bị đông đặc lại. Hình dạng các tinh thể tách ra ph
ụ thuộc vào
thành phần hóa học của hydrocacbon, còn tốc độ phát triển các tinh thể phụ thuộc
vào độ nhớt của môi trường, vào hàm lượng và độ hòa tan của parafin ở nhiệt độ
đó, cũng như tốc độ làm lạnh của nó. Một số chất như nhựa lại dễ bị hấp phụ trên
bề mặt tinh thể parafin nên ngăn cách không cho các tinh thể này phát triển, vì vậy
phân đoạn dầu mỏ
được làm sạch các chất này, nhiệt độ đông đặc lại lên cao. Như
vậy, nhiệt độ đông đặc phụ thuộc vào thành phần hóa học của phân đoạn, và chủ
yếu nhất là phụ thuộc vào hàm lượng parafin rắn ở trong đó.
Thí dụ, trong các phân đoạn dầu nhờn mối quan hệ giữa nhiệt độ đông đặc
và hàm lượng parafin rắn được thể hiện qua công thức sau:
t
đđ
= (k
1
+k
2
)%gC
Trong đó: t
đđ
là nhiệt độ đông đặc của phân đoạn dầu nhờn
o
C.
C: hàm lượng parafin rắn trong dầu nhờn, % trọng lượng.
k
1
, k
2
:hằng số đặc trưng cho từng loại dầu nhờn.
Nhiệt độ đông đặc của một hỗn hợp nhiều phân đoạn cũng không mang tính
cộng tính. Nói chung, điểm đông đặc của hỗn hợp thường cao hơn nhiều so với giá
trị thu được bằng cách tính theo trung bình thể tích. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp hai
phân đoạn, mà một trong số đó lại chứa các chất nhựa-asphalten, ho
ặc một trong
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét