45
1 MC LC TNG HP BIODIESEL ............................................................................................................... 2 ĐỘ NHỚT ĐỘNG HC............................................................................................................... 13 CN CARBON CONRADSON .................................................................................................. 18 ĐIỂM CHP CHÁY CC H.................................................................................................... 24 ĐO TỶ TRNG BNG PYCNOMETER ................................................................................... 27 ĐƯỜNG CHƯNG CẤT ASTM ................................................................................................... 30 ĐIỂM CHP CHÁY CC KÍN ................................................................................................... 38 ĐO TỶ TRNG BNG HYDROMETER................................................................................... 43

[Hk112] Tong Hop

  • Upload
    anh-duc

  • View
    215

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: [Hk112] Tong Hop

1

MỤC LỤC

TỔNG HỢP BIODIESEL ............................................................................................................... 2

ĐỘ NHỚT ĐỘNG HỌC ............................................................................................................... 13

CẶN CARBON CONRADSON .................................................................................................. 18

ĐIỂM CHỚP CHÁY CỐC HỞ .................................................................................................... 24

ĐO TỶ TRỌNG BẰNG PYCNOMETER ................................................................................... 27

ĐƯỜNG CHƯNG CẤT ASTM ................................................................................................... 30

ĐIỂM CHỚP CHÁY CỐC KÍN ................................................................................................... 38

ĐO TỶ TRỌNG BẰNG HYDROMETER................................................................................... 43

Page 2: [Hk112] Tong Hop

2

BÀI 1

TỔNG HỢP BIODIESEL

I. MỤC ĐÍCH

- Giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nhiên liệu sinh học

- Tiếp cận phương pháp sản xuất Biodiesel truyền thống

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Biodiesel

- Biodiesel là chất lỏng có màu vàng hổ phách, được định nghĩa là các monoalkyl ester của

các acid béo mạch dài từ các nguồn nguyên liệu có thể tái sinh được như các loại dầu

thực vật, mỡ động vật.

- Dầu thực vật và mỡ động vật là các nguồn chứa các acid béo có mạch hydrocarbon khác

nhau, liên kết với phân tử glycerine bằng liên kết ester. Việc sử dụng trực tiếp dầu mỡ

làm nhiên liệu cho động cơ gặp phải một số vấn đề như:

Nhiên liệu có độ nhớt cao (cao hơn 11 - 17 lần so với nhiên liệu diesel thông thường).

Độ nhớt có giá trị tuỳ thuộc vào độ dài và độ bất bão hoà của các phân tử. Độ nhớt

cao gây ra một số bất ổn cho động cơ như quá trình phun nhiên liệu không đều đặn,

đặc biệt ở nhiệt độ thấp làm cho động cơ hoạt động không ổn định.

Độ bay hơi của dầu mỡ rất thấp nên chúng khó cháy hoàn toàn và hình thành nên

muội bám vào vòi phun của động cơ.

- Có 4 phương pháp được sử dụng để giải quyết vấn đề độ nhớt cao của các triglyceride:

Pha loãng 1 phần dầu mỡ với 3 phần nhiên liệu diesel

Vi nhũ tương hoá với các rượu mạch ngắn như methanol và ethanol

Nhiệt phân (cracking nhiệt) tạo ra alkane, alkene, acid carboxylic và các hợp chất

thơm; bao gồm cả cracking sử dụng chất xúc tác tạo ra alkane, alkene, cycloalkane và

alkylbenzene.

Page 3: [Hk112] Tong Hop

3

Transester hoá: được sử dụng thông dụng nhất nhằm chuyển dầu mỡ động thực vật

thành nhiên liệu biodiesel (hỗn hợp monoalkyl ester của các acid béo) để sử dụng

được cho động cơ.

2. Phản ứng transester hoá

a. Khái niệm

- Transester hoá là phản ứng chuyển hoá ester bằng cách phân cắt phân tử triglyceride,

lấy đi phân tử glycerine và thay thế bằng nhóm chức alkyl của rượu. Các xúc tác được

sử dụng cho phản ứng transester hoá là base (NaOH, KOH, CH3ONa), acid (H2SO4,

HCl) và enzyme lipase. Rượu thường được sử dụng là methanol, tạo sản phẩm là các

methyl ester của acid béo với chiều dài của mạch alkyl là 12 - 22 nguyên tử carbon.

Nước, chất xúc tác, triglyceride và rượu dư cùng với phụ phẩm là glycerine phải được

loại ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng để thu được biodiesel. Glycerine được tinh chế là

sản phẩm có giá trị trong công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm và nhiều ngành công

nghiệp khác. Transester hoá được xem là lựa chọn tốt nhất để chuyển hoá dầu mỡ

động thực vật thành nhiên liệu sử dụng được (biodiesel) vì:

Các tính chất vật lý của alkyl ester rất giống với tính chất vật lý của nhiên liệu

diesel. Hơn nữa, methyl hoặc ethyl ester của các acid béo có thể cháy trực tiếp

trong các động cơ diesel thông thường mà không yêu cầu phải cải tiến động cơ và

không hình thành cặn lắng.

Quy trình thực hiện tương đối đơn giản nên dễ dàng áp dụng vào sản xuất trong

công nghiệp.

Tạo ra phụ phẩm glycerine có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp

Trong bài thí nghiệm này, ta sử dụng phương pháp transester hoá các triglyceride của

dầu thực vật bằng methanol với sự có mặt của xúc tác base để tổng hợp biodiesel.

Page 4: [Hk112] Tong Hop

4

b. Cơ chế

- Cơ chế phản ứng có sử dụng xúc tác base:

Các hợp chất hoá học có tính base như NaOH, KOH, CH3ONa là xúc tác thường

dùng trong phản ứng transester hoá.

Rượu phản ứng với xúc tác base tạo ra anion alkoxide RO- và proton H

+. Tác nhân ái

nhân alkoxide tấn công vào nguyên tử carbon của nhóm carbonyl, hình thành nên hợp

Page 5: [Hk112] Tong Hop

5

chất trung gian có cấu trúc tứ diện. Sau đó, cấu trúc này sắp xếp lại thành alkyl ester

và anion diglyceride tương ứng. Anion diglyceride này tác dụng với BH+ tạo ra phân

tử diglyceride và giải phóng ra base B tiếp tục tham gia xúc tác phản ứng. Các

diglyceride và monoglyceride cũng có cơ chế phản ứng tương tự hình thành nên hỗn

hợp alkyl ester và glycerine.

B: xúc tác base

R: gốc alkyl của rượu

R1, R2, R3: mạch hydrocarbon của các acid béo

Page 6: [Hk112] Tong Hop

6

- Các alkoxide của kim loại kiềm như CH3ONa là chất xúc tác rất mạnh, cho hiệu suất

cao (> 98 %) trong thời gian ngắn (30 phút) dù được sử dụng ở nồng độ thấp (0,5 %

mol).

- Chất xúc tác và rượu phải ở dạng khan khi được cho vào hỗn hợp phản ứng (tổng

lượng nước phải từ (0,1 – 0,3) % khối lượng hoặc ít hơn) vì nước thúc đẩy phản ứng

thuỷ phân alkyl ester thành acid béo tự do và sau đó hình thành xà phòng. K2CO3

được sử dụng ở nồng độ 2 % hoặc 3 % mol cho hiệu suất thu alkyl ester cao và hạn

chế được sự hình thành xà phòng vì nó giúp tạo thành muối bicarbonate thay vì tạo ra

nước.

c. Ưu điểm và nhược điểm

- Ưu điểm:

Tốc độ phản ứng nhanh hơn khoảng 4 000 lần khi so sánh với phản ứng xúc tác acid.

- Nhược điểm:

Xúc tác base chỉ được dùng cho các loại dầu tương đối sạch, hàm lượng acid béo tự

do nhỏ hơn 1 %. Khi hàm lượng acid béo tự do lớn hơn 1 %, hiệu suất của phản ứng

giảm vì acid béo tự do phản ứng với xúc tác base (KOH, NaOH) hình thành nên xà

phòng. Xà phòng này gây khó khăn cho quá trình thu hồi glycerine và làm giảm đáng

kể hiệu suất phản ứng. Hàm lượng nước trong dầu mỡ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất

hình thành alkyl ester vì nước nhiều làm phản ứng xà phòng hoá diễn ra mạnh.

III. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

- Bình cầu 3 cổ 500 ml (1)

- Sinh hàn nước (1)

- Nhiệt kế 100 oC (1)

- Ống đong 100 ml (2)

- Phễu chiết 500 ml (1)

- Becher 500 ml (1)

- Becher 250 ml (1)

- Cốc đựng nước thải (1)

Page 7: [Hk112] Tong Hop

7

- Pipette 1 ml (1)

- Bếp điện, từ (1)

- Cá từ (1)

- Phễu (1)

- Bình nước cất (1)

2. Hoá chất

- NaOH công nghiệp

- H3PO4 đậm đặc

- Dầu thực vật

- CH3OH

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1. Cách tiến hành

- Dùng ống đong 100 ml lấy 250 ml dầu thực vật cho vào bình cầu 3 cổ. Lắp thiết bị như

hình vẽ.

Page 8: [Hk112] Tong Hop

8

- Trong khi chờ cho nhiệt độ dầu lên 60 oC, cân chính xác khoảng 1,6875 g NaOH công

nghiệp vào becher 250 ml, sau đó cho 62,5 ml CH3OH vào. Khuấy cho NaOH tan trong

CH3OH. Sau khi NaOH tan hết, cho dung dịch vào bình cầu 3 cổ. Cẩn thận vì CH3OH rất

độc.

- Thực hiện phản ứng transester hoá trong 1,5 h. Lưu ý phải ổn định nhiệt độ 60 oC.

- Sau khi phản ứng xong, đổ hỗn hợp vào phễu chiết. Chờ đến khi hỗn hợp phân pha rõ

ràng, chiết tách phần glycerine.

- Phần biodiesel thô được đem đi rửa. Quá trình rửa gồm 3 nước.

Nước 1: dùng pipette 1 ml hút 0,5 ml H3PO4 đậm đặc cho vào 65 ml nước cất

Nước 2 và 3: dùng nước cất.

Các lần rửa là như nhau và tiến hành như sau: biodiesel thô được cho vào becher 500 ml,

sau đó cho nước rửa vào, để lên bếp từ khuấy khoảng 3 phút sau đó cho vào phễu tách.

Phần nước phía dưới được tách ra.

- Sau lần rửa cuối cùng, biodiesel được sấy ở 110 oC trong 1 h. Giữ mẫu để bài sau đo các

chỉ tiêu chất lượng sản phẩm.

2. Đánh giá sản phẩm biodiesel

- Cân lượng sản phẩm thu được để đánh giá hiệu suất thu biodiesel.

- Dựa vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của % methyl ester trong hỗn hợp sản phẩm vào

độ nhớt của hỗn hợp (xem hình) để đánh giá khả năng chuyến hoá của triglyceride trong

dầu thực vật.

- Đánh giá chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn ASTM D6751 theo các chỉ tiêu sau:

Đo độ nhớt động học của biodiesel ở 40 oC theo ASTM D445

Đo hàm lượng cặn carbon của biodiesel theo ASTM D4530 (tiêu chuẩn tương đương

ASTM D189)

Page 9: [Hk112] Tong Hop

9

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhớt hỗn hợp theo % methyl ester trong hỗn hợp dầu

V. KẾT QUẢ

1. Số liệu thô

- Khối lượng biodiesel thu được: 148,61 g

- Thể tích biodiesel thu được: 190 ml

2. Tính toán

a. Hiệu suất thu biodiesel

Thành phần acid béo dầu đậu nành gồm:

Tên (Công thức hoá học) Khối lượng mol phân tử; g.mol-1

% khối lượng

Acid α-linoleic (C17H29COOH) 278 10

Acid linoleic (C17H31COOH) 280 51

Acid oleic (C17H33COOH) 282 23

Acid stearic (C17H35COOH) 284 4

Acid palmitic (C15H31COOH) 256 10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Lượng methyl ester (%v/v)

Ño

ä nh

ôùt (

Cst)

Page 10: [Hk112] Tong Hop

10

Khối lượng mol phân tử trung bình của các acid béo trong dầu thực vật:

98,277104235110

10.2564.28423.28251.28010.278

i

ii

x

xMM g.mol

-1

Với Mi là khối lượng mol phân tử của acid béo i; g.mol-1

xi là tỷ lệ khối lượng riêng phần của acid béo i

Khối lượng mol phân tử của triglyceride:

94,87134198,277.3341.3 MM g g.mol-1

Khối lượng mol phân tử của biodiesel:

98,29111598,277115 MM b g.mol-1

Khối lượng riêng của dầu đậu nành ở nhiệt độ phòng:

d = 0,92 g.ml-1

mso = 250. 0,92 = 230 g

Xem dầu đậu nành nguyên chất chỉ chứa triglyceride:

mg = mso = 230 g

Khối lượng Biodiesel thu được theo lý thuyết:

95,22898,291.3

94,871.230

.3

.

b

gso

bltM

Mmm g

Hiệu suất thu Biodiesel:

%91,64%100.95,228

61,148%100.

blt

btt

m

m

b. Khả năng chuyển hoá của triglyceride trong dầu thực vật

Độ nhớt động học của biodiesel đo được là 4,099 cSt. Theo đồ thị, hỗn hợp dầu sau phản

ứng chứa 100 % thể tích là methyl ester.

Page 11: [Hk112] Tong Hop

11

VI. BÀN LUẬN

1. Tại sao sử dụng acid phosphoric để rửa thay vì sử dụng các loại acid khác?

- Trong thực tế sản xuất, người ta thường sử dụng H3PO4 để rửa dung dịch biodiesel. Sản

phẩm phụ của quá trình là các muối chứa các gốc acid PO43-

, HPO42-

, H2PO4- . Ngoài ra,

KOH thường được sử dụng làm xúc tác (dù đắt gấp đôi NaOH) vì KOH hoà tan với

CH3OH dễ hơn và muối phosphate kali có thể được dùng làm phân bón. Vì vậy, kết hợp

với quy trình sản xuất biodiesel, ta có thể tận dụng sản xuất thêm phân lân mà không phải

thải bỏ ra ngoài môi trường.

2. Tại sao ta không thể sử dụng thêm nhiều methanol hơn để tăng hiệu suất quá trình?

Vai trò của methanol dư:

- Chuyển dịch cân bằng của phản ứng transester hoá theo hướng tạo sản phẩm. Vì phản

ứng transester hoá có tính thuận nghịch nên lượng tác chất càng dư càng giúp việc tạo sản

phẩm thuận lợi.

- Giảm độ nhớt của hệ, giúp cho khả năng đảo trộn và tiếp xúc pha giữa các thành phần tác

chất phản ứng tốt hơn.

Tuy nhiên, nếu lượng methanol được thêm quá nhiều, vai trò thứ hai không còn quan

trọng nữa do độ nhớt của hệ rất khó được cải thiện thêm. Với mục đích kinh tế, ta sẽ

không dùng nhiều methanol.

3. Methanol là sản phẩm độc hại nhưng tại sao người ta vẫn dùng methanol trong sản xuất

biodiesel?

Ngoài khả năng phản ứng, methanol còn nhiều ưu điểm so với các rượu khác:

- Giá thành thấp hơn (tính trên 1 mol : lượng rượu cần dùng được xác định bởi tỷ lệ mol

rượu : dầu)

- Khối lượng (và thể tích) methanol cần dùng thấp hơn do khối lượng mol phân tử của

methanol thấp hơn các rượu khác (trong khi khối lượng riêng không khác nhau nhiều).

- Để thu được biodiesel với hiệu suất cao (đến 99,7 %), người ta phải dùng dư rượu. Lượng

rượu dư phải được tách ra và quay trở lại phản ứng nhằm giảm chi phí sản xuất và không

gây độc hại môi trường. Methanol có nhiệt độ sôi thấp (65 oC) nên dễ được tách ra khỏi

hỗn hợp phản ứng hơn. Thêm vào đó, khi được tách ra, rượu luôn chứa nước. Methanol

Page 12: [Hk112] Tong Hop

12

có thể dễ dàng tách khỏi nước bằng những phương pháp chưng cất thông thường. Những

rượu khác như ethanol và iso-propanol tạo với nước hỗn hợp đẳng phí nên gây khó khăn

cho việc tách nước.

4. Ưu điểm của biodiesel so với các nhiên liệu khác từ dầu mỏ:

Biodiesel có vài ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ như:

- Được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái sinh là dầu mỡ động thực vật, đặc biệt tái sử dụng

nguồn dầu thải chiên rán từ quá trình nấu ăn; giúp giảm thiểu được lượng dầu thải gây ô

nhiễm môi trường. Nguồn năng lượng tái sinh là yếu tố cực kỳ quan trọng vì người ta ước

tính với mức tiêu thụ như hiện nay, nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong khoảng

50 năm nữa.

- Do có nguồn gốc từ dầu mỡ động thực vật, biodiesel không chứa các chất độc hại như lưu

huỳnh, các kim loại nặng. Vì vậy, đây là loại nhiên liệu không độc hại, giúp giảm thiểu

hàm lượng các chất thải dạng hạt bụi và các khí độc trong khí thải.

- Biodiesel dễ dàng phân huỷ khi thất thoát ra môi trường nên không gây thiệt hại nhiều

đến môi trường như các vụ tràn dầu trên biển trong thời gian vừa qua.

- Giúp tăng tuổi thọ một số bộ phận trong động cơ, làm giảm chi phí bảo dưỡng.

Nhược điểm chính của biodiesel:

- Nhiên liệu biodiesel gây ra lượng muội than bám vào vòi phun cao hơn so với diesel.

- Chứa các mạch hydrocarbon chưa bão hoà nên dễ bị oxy hoá thành các hợp chất khác,

làm cho quá trình bảo quản nhiên liệu biodiesel không được lâu.

- Năng lượng cung cấp ít hơn diesel nên động cơ yếu hơn hoặc để đạt công suất tương

đượng thì phải dùng lượng nhiên liệu nhiều hơn.

Page 13: [Hk112] Tong Hop

13

BÀI 2

ĐỘ NHỚT ĐỘNG HỌC

(ASTM D445)

I. MỤC ĐÍCH

- Xác định độ nhớt động học của các sản phẩm dầu mỏ trong cũng như đục theo tiêu chuẩn

ASTM D445.

- Đo thời gian để 1 thể tích chất lỏng xác định chảy qua một mao quản thuỷ tinh dưới tác

dụng của trọng lực; kết hợp với hằng số nhớt kế tính được độ nhớt động học.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Khái niệm về độ nhớt

- Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở giữa 2 lớp lưu chất khi chúng chuyển

động tương đối (trượt lên nhau). Đó chính là ma sát nội của lưu chất, gây ra sự cản trở

tính chày. Độ nhớt càng cao thì lưu chất càng khó chảy.

- Độ nhớt phụ thuộc vào bản chất của lưu chất, nồng độ của lưu chất và các yếu tố môi

trường như nhiệt độ, áp suất. Nó có liên hệ mật thiết tới các quá trình bôi trơn, vận

chuyển và phun nhiên liệu trong động cơ.

2. Các đặc trưng của độ nhớt

- Độ nhớt động lực học (μ) có đơn vị SI là Pa.s, thường được đo bằng poise (P) hoặc

centipoise (cP).

1 P = 10-1

Pa.s

- Độ nhớt động học (ν) có đơn vị SI là m2.s

-1, thường được đo bằng stokes (St) hoặc

centistokes (cSt).

1 St = 10-4

m2.s

-1

Độ nhớt động học là thương của độ nhớt động lực học và khối lượng riêng lưu chất:

Page 14: [Hk112] Tong Hop

14

Độ nhớt động học được đo bằng cách xác định thời gian để một lượng chất lỏng nhất

định chảy qua ống mao quản thuỷ tinh có kích thước nhất định được giữ ở nhiệt độ cố

định dưới tác dụng của trọng lực. Trong bài thí nghiệm, độ nhớt động học được đo theo

tiêu chẩn ASTM D445, là tiêu chuẩn được áp dụng cho những sản phẩm dầu mỏ có thể

trong hoặc đục. Độ nhớt động học tỷ lệ với thời gian chảy của chất lỏng trong mao quản:

tCcSt .)(

t là thời gian chất lỏng chảy giữa 2 vạch trong ống mao quản; s

C là hằng số nhớt kế phụ thuộc vào nhớt kế, được nhà sản xuất cung cấp thông qua

catalog; cSt.s-1

III. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

- Bể điều nhiệt (1)

- Nhớt kế Φ 0,6 mm (1)

- Pipette 10 ml (1)

- Bóp cao su (1)

- Đồng hồ bấm giây (1)

2. Hoá chất

- Dầu diesel

- Dầu biodiesel (tổng hợp từ thí nghiệm trước)

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

- Bật máy và giữ nguyên nhệt độ của bể điều nhiệt ở nhiệt độ yêu cầu thí nghiệm là 40 oC.

- Chuẩn bị nhớt kế phải sạch, khô, có đường kính mao quản thích hợp với sản phẩm dầu

nhờn và có thời gian chảy 200 s (size 150 và 300).

- Nạp 7 ml mẫu dầu.

- Để nhớt kế đã nạp mẫu vào trong bể điều nhiệt trong 30 phút để đảm bảo đạt đến nhiệt độ

cần xác định độ nhớt.

Page 15: [Hk112] Tong Hop

15

- Dùng bóp cao su tạo lực hút cho mực chất lỏng trong mao quản lên cao hơn mực đánh

dấu thứ nhất khoảng 5mm. Để chất lỏng chảy tự do và dùng đồng hồ bấm giây xác định

thời gian chất lỏng chảy từ mực đánh dấu thứ nhất đến mực đánh dấu thứ hai. Lặp lại quá

trình này. Kết quả được ghi nhận khi sai số giữa 2 lần đo khoảng 0,2 %.

V. KẾT QUẢ

1. Số liệu thô

- Sử dụng nhớt kế Φ 0,6 mm cho cả 2 loại dầu sau khi tính toán ước lượng

- Nhiệt độ khảo sát là 40 oC

Mẫu Thời gian chảy; s

Lần 1 Lần 2

Diesel 318 325

Biodiesel 458 452

2. Tính toán

- Áp dụng công thức tCcSt .)(

Mẫu Hằng số nhớt kế;

cSt.s-1

Thời gian chảy

trung bình; s

Độ nhớt động học;

cSt

Diesel 0,009009 321,5 2,896

Biodiesel 0,009009 455 4,099

VI. BÀN LUẬN

1. Tại sao cần phải quan tâm tới độ nhớt của sản phẩm?

- Độ nhớt liên quan tới việc vận chuyển, tồn trữ sản phẩm. Chất lỏng càng nhớt thì càng

khó vận chuyển cũng như khó vệ sinh đường ống, bể chứa.

- Độ nhớt quyết định khả năng phun sương của nhiên liệu. Độ nhớt quá cao làm nhiên liệu

phun thành tia; khả năng phân tán và hoà trộn với không khí kém đồng đều dẫn tới sự

cháy không hiệu quả. Độ nhớt quá thấp làm nhiên liệu phun thành sương quá mạnh cũng

Page 16: [Hk112] Tong Hop

16

không tốt vì nhiên liệu khó phân tán ra toàn bộ buồng đốt. Vì vậy, độ nhớt phải nằm

trong khoảng phù hợp với yêu cầu của động cơ.

- Độ nhớt đặc trưng cho khả năng bôi trơn của sản phẩm, cụ thể là ma sát giữa 2 bộ phận

tiếp xúc trực tiếp.

2. Tại sao nhớt kế dùng để đo những sản phẩm trong và đục thì khác nhau?

Người ta chọn nhớt kế phù hợp để đo tuỳ theo sản phẩm trong hay đục.

- Chất lỏng đục: chọn nhớt kế hoạt động theo nguyên tắc chất lỏng chảy từ dưới lên trên để

dễ quan sát sự di chuyển của mức lỏng. Nếu để cho chất lỏng chảy từ trên xuống thì

ngoài hiện tượng dính ướt, sự đục của sản phẩm gây khó khăn trong việc xác định thời

điểm mực chất lỏng đi qua vạch và gây sai số.

- Chất lỏng trong: chọn nhớt kế hoạt động theo chiều chất lỏng chảy từ trên xuống do

không gây ảnh hưởng tới việc đọc kết quả.

3. Các đại lượng đặc trưng cho độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng

Xem phần II.

4. Tại sao thời gian đo trong nhớt kế không được nhỏ hơn 200 s?

- Thời gian lưu chất chảy giữa 2 vạch trong nhớt kế không được nhỏ hơn 200 s vì phần

trăm của giá trị sai số tính trên thời gian đo (sai số tương đối) sẽ lớn, gây ảnh hưởng tới

sự chính xác của phép đo.

5. Thời gian đo càng lâu có được hay không?

Thời gian đo không được quá lâu vì sai số cũng lớn theo.

Ta có công thức :

tCcSt .)(

tdCCdtd

Để đơn giản, giả sử việc đo thời gian không có sai số

0 dt

Page 17: [Hk112] Tong Hop

17

tdCd

Với mỗi nhớt kế sau khi sản xuất, hằng số C được xác định bằng thực nghiệm nên tồn tại

1 giá tri sai số dC. Sai số này được xem là không đổi. Vì vậy, t càng tăng thì dν càng lớn.

Như vậy, cần lựa chọn nhớt kế phù hợp với loại chất lỏng sao cho thời gian chất lỏng

chảy giữa 2 vạch của ống mao quản không ít hơn 200 s nhưng cũng không quá dài.

Page 18: [Hk112] Tong Hop

18

BÀI 3

CẶN CARBON CONRADSON

(ASTM D189)

I. MỤC ĐÍCH

- Để đánh giá khả năng tạo cặn carbon của các sản phẩm dẩu mỏ, người ta sử dụng tiêu

chuẩn hàm lượng cặn carbon.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Khi đun nóng (cho bay hơi và nhiệt phận) dầu mỏ và các phân đoạn nặng, chúng thường

bị phân huỷ không hoàn toàn, để lại hỗn hợp gọi là cặn carbon. Thành phần cặn đó rất

phức tạp, không chỉ chứa carbon mà còn chứa nhiều chất khác và phụ thuộc vào bản chất

nguồn gốc của dầu, nhiệt độ phân huỷ và sự có mặt những kim loại có tính xúc tác cho

phản ứng phân huỷ.

- Cặn cacbon gây ảnh hướng lớn tới khả năng hoạt động của động cơ, hiệu suất động cơ và

lượng khí thải động cơ thải ra môi trường. Để đánh giá khả năng tạo cặn carbon của các

sản phẩm dẩu mỏ, người ta sử dụng tiêu chuẩn hàm lượng cặn carbon, chính là lượng cặn

thu được khi tiến hành đốt cháy mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D 189.

- Cặn carbon Conradson của sản phẩm thu được khi sự phân huỷ nhiệt dầu nặng xảy ra

trong chén nung bằng sứ đặt trong 1 lò đơn giản có sơ đồ nguyên tắc như hình bên dưới.

Dưới tác dụng của nhiệt, trong chén xảy ra các phản ứng cracking, cốc hoá, tạo thành cặn

carbon.

- Nguyên tắc của phương pháp này là xác định khối lượng cặn than tạo thành sau khi cho

đun nóng, bay hơi và nhiệt phân (bao gồm các quá trình cracking, cốc hoá) một lượng

mẫu trong điều kiện quy định. Lượng cặn thu được biểu diễn dưới dạng CCRI

(Conradson Carbon Residue Index):

%100mau

can

m

mCCRI

Page 19: [Hk112] Tong Hop

19

III. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

Thực hiện theo tiêu chuẩn của ASTM D 86:

2. Hoá chất

- Dầu diesel

- Dầu biodiesel

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

- Cân khoảng 8g mẫu dầu với độ chính xác 5 mg rồi cho vào chén sứ đã cân bì trước và có

sẵn 2 hạt thuỷ tinh đường kính cỡ 2,5mm.

- Đặt chén mẫu trong chén trong chén sắt trong.

- San bằng cát ở chén sắt ngoài rồi đặt chén sắt trong vào trong, chính giữa chén sắt ngoài.

- Đậy nắp chai cả chén sắt trong và ngoài. Nắp của chén sắt ngoài được đậy hờ để cho

phép hơi tạo thành tự do thoát ra ngoài.

- Đặt tam giác mạ Ni-Cr lên kiềng, đặt cụm chén mẫu lên trên sao cho đáy chén sắt ngoài

dựa lên tam giác mạ, đậy nắp chụp lên toàn bộ.

Page 20: [Hk112] Tong Hop

20

- Dùng đèn khí cấp nhiệt với ngọn lửa cao và mạnh sao cho thời kì bắt cháy là 10 1,5

phút.

- Khi khói xuất hiện ở phía trên ống khói, nhanh chóng di chuyển hoặc nghiêng ngọn đèn

sao cho ngọn lửa đèn khí ở trên thành chén đốt cháy hơi.

- Vặn van trên ống dẫn khí đốt sao cho hơi bắt cháy một cách đều đặn với ngọn lửa trên

ống khói không vượt quá cầu bắt ngang của sợi dây làm mức. Thời gian bốc cháy là 13

1 phút. Chú ý về thời gian đốt cháy.

- Khi hơi ngừng cháy và quan sát không thấy ngọn lửa nữa thì điều chỉnh lại đèn chốt và

giữ nhiệt để phần dưới và đáy của chén sắt ngoài có màu đỏ tím, giữ như vậy đúng 7

phút. Tổng thời gian nung nóng là 30 2 phút.

- Lấy đèn đốt ra và để cho thiết bị nguội cho đến khi không còn khói.

- Mở nắp chén sắt trong và ngoài. Dùng kẹp hơ nóng lấy chén sứ ra và đặt carbon theo

lượng mẫu ban đầu.

V. KẾT QUẢ

1. Diesel

Lần 1:

mcốc (trước) = 17,9925 g; mcốc (sau) = 17,9935 g

mcặn = 17,9935 – 17,9925 = 0, 0010 g

mDO = 7,9985 g %cặn = 9985,7

%100.0010,0 = 0,0125 %

Lần 2:

mcốc (trước) = 17, 9845 g; mcốc (sau) = 17,9861 g

mcặn = 17,9861 – 17,9845 = 0,0016 g

mDO = 8,0035 g %cặn = 0035,8

%100.0016,0= 0,0199 %

Page 21: [Hk112] Tong Hop

21

2. Biodiesel

Lần 1:

mcốc (trước) = 17,9800 g; mcốc (sau) = 18,0202 g

mcặn = 18,0202 – 17,98 = 0,0402 g

mBO = 8,0042 g %cặn = 0042,8

%100.0402,0 = 0,5022 %

Lần 2:

mcốc (trước) = 17,9830 g ; mcốc (sau) = 18,0202 g

mcặn = 18,0202 – 17,9830 = 0,0372 g

mBO = 7,9992 g %cặn = 9992,7

%100.0372,0 = 0,4650 %

VI. BÀN LUẬN

1. Ý nghĩa của cặn Carbon. Cặn carbon gây ra tác hại nào?

- Độ cặn carbon (độ cốc hoá) là đại lượng đặc trưng cho khả năng tạo cặn của sản phẩm

dầu mỏ. Độ cốc hóa càng cao thì hàm lượng cốc trong sản phẩm càng nhiều, qua đó cho

biết mức độ chứa nhựa và asphaltene trong sản phẩm.

- Những sản phẩm có hàm lượng cốc cao, chứa nhiều cặn nặng có thể được dùng để sản

xuất bitume nhựa đường.

- Đối với nhiên liệu động cơ, cặn carbon gây ra những tác hại:

Gây ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa những điểm có cặn và không cặn làm tăng ứng

suất nội của vật liệu làm buồng đốt, dẫn tới làm biến dạng, có khi phá huỷ buồng đốt.

Các mẫu cặn bám lên thành buồng đốt làm giảm khả năng trao đổi nhiệt, động cơ khó

làm nguội, có thể làm tắc nghẽn động cơ, gây trở lực cho sự chuyển động của piston.

Do đó, buồng đốt phải được vệ sinh thường xuyên.

Các mẫu cặn bám trên buồng đốt trong quá trình hoạt động có thể bong ra và theo hỗn

hợp khí tới buồng giãn nở, va đập vào cánh turbine gây ăn mòn.

Page 22: [Hk112] Tong Hop

22

Gây ra hiện tượng nhiên liệu cháy không hết, làm hao phí nhiên liệu.

Gây ra hiện tượng khí xả màu đen.

Nhiên liệu khi đốt cháy càng tạo cặn nhiều thì càng giảm hiệu suất sử dụng (nhiên

liệu khó cháy, cháy không hoàn toàn), dễ gây tắc nghẽn, hư hỏng động cơ và thải

nhiều khí thải độc hại hơn.

2. Phân biệt tro và cặn.

- Cặn là phần còn lại sau khi làm bốc hơi và nhiệt phân sản phẩm dầu mỏ trong điều kiện

cháy thiếu không khí.

- Tro là phần muối vô cơ chứa trong dầu mỏ và bị lẫn vào sản phẩm. Phần tro này không

cháy được.

3. Nhận xét về kết quả thí nghiệm. Cặn carbon của mẫu biodiesel lại lớn hơn diesel, điều

này có mâu thuẫn không?

- Theo các tiêu chuẩn đối với Biodiesel sử dụng cho các loại động cơ, cặn cacbon thường

không quá 0,3%. Ở đây, Biodiesel thu được qua quá trình chuyển hoá có hàm lượng cặn

carbon đo được là 0,5022 % và 0,465 %, tương đối lớn so với hàm lượng cặn carbon cho

phép.

- Ta thấy rằng hàm lượng cặn của DO là khá thấp và nhỏ hơn rất nhiều so với biodiesel.

Điều này không mâu thuẫn và có thể được giải thích như sau:

DO ở đây là sản phẩm công nghiệp được dùng cho các động cơ nên đã được tinh chế

và tách đi hầu hết các phần cặn nặng, vì những phần cặn này còn sót lại sẽ sinh ra cặn

carbon gây hại nghiêm trọng cho động cơ như đã nêu. Do đó, DO có rất ít những

phần cặn nặng này.

Biodiesel ở đây là sản phẩm điều chế thô, chỉ qua quá trình tinh thế sơ bộ mà chưa

qua một sự xử lý triệt để nào nên còn sót lại khá nhiều cặn nặng của tác chất trong

quá trình phản ứng. Mặt khác, Biodiesel có hàm lượng cặn carbon cao là do thành

phần cấu tạo của các mẫu Biodiesel đem đi đo cặn. Biodiesel trong thành phần chứa

Page 23: [Hk112] Tong Hop

23

nhiều phân tử có khối lượng phân tử lớn, khó bay hơi, cháy không triệt để nên cặn tạo

thành trong quá trình đốt nhiều hơn DO. Do đó, hàm lượng cặn carbon của Biodiesel

cao hơn khá nhiều so với DO.

4. Tại sao phải khống chế chiều cao cột khói để không vượt mức?

- Chiều cao cột khói khi đốt không vượt quá cầu bắt ngang của sợi dây làm mức là để ta

điều chỉnh tốc độ gia nhiệt khi đốt mẫu và thời gian đốt mẫu theo như tiêu chuẩn. Mặt

khác, điều chỉnh chiều cao cột khói không cho cao quá là để giảm thiểu ô nhiễm môi

trường do lượng khói sinh ra nhiều.

Page 24: [Hk112] Tong Hop

24

BÀI 4

ĐIỂM CHỚP CHÁY CỐC HỞ

(ASTM D92)

I. MỤC ĐÍCH

- Xác định điểm chớp cháy cốc hở của mẫu nhiên liệu biodiesel.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- ASTM D92 là phương pháp xác định điểm chớp cháy cốc hở của tất cả các sản phẩm dầu

mỏ có điểm chớp cháy cao hơn 79 oC và thấp hơn 400

oC (trừ FO) bằng thiết bị manual

hoặc thiết bị tự động.

- Điểm chớp cháy (flash point) của sản phẩm dầu mỏ là nhiệt độ thấp nhất được hiệu chỉnh

ở áp suất 101,3 kPa (760 mmHg), tại đó hơi của mẫu thử chớp lửa khi có mồi lửa dưới

điều kiện thử nghiệm.

III. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

Sơ đồ dụng cụ thiết bị ASTM D92

Page 25: [Hk112] Tong Hop

25

- Nhiệt kế thuỷ ngân 250 oC (1)

- Bộ thiết bị gia nhiệt (1)

- Cốc đặt mẫu bằng thép không gỉ (1)

- Ngọn lửa mồi bằng LPG (1)

2. Hoá chất

- Dầu biodiesel

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

- Đổ mẫu vào cốc thử tới vạch chuẩn.

- Gắn nhiệt kế ở vị trí thẳng đứng sao cho dấu khắc trên nhiệt kế thấp hơn 2 mm so với

miệng cốc. Thắp ngọn lửa, điều chỉnh để kích thước của nó bằng với kích thước hạt so

sánh.

- Tốc độ đốt mẫu ban đầu là (14 – 17) oC/phút. Khi nhiệt độ mẫu xấp xỉ 56

oC dưới điểm

chớp cháy dự đoán, giảm tốc độ đốt nóng xuống (5 – 6) oC/phút.

- Khi nhiệt độ mẫu lên đến 28 oC dưới điểm chớp cháy dự đoán, bắt đầu thử bằng cách cho

ngọn lửa di chuyển nhanh qua tâm cốc thử (khoảng 1 giây). Lập lại việc thử nghiệm này

sau mỗi 2 oC.

- Ghi nhận điểm chớp cháy khi sự bắt lửa xuất hiện tại bất cứ điểm nào trên bề mặt mẫu.

- Ngưng thí nghiệm. Tắt nguồn nhiệt. Đổ mẫu, lau sạch cốc để loại bỏ bất cứ vết dầu hay

cặn còn bám lại.

V. KẾT QUẢ

Lần 1: t1 = 187oC

Lần 2: t2 = 183oC

2

183187

2

21

ttt = 185

oC

Page 26: [Hk112] Tong Hop

26

VI. BÀN LUẬN

1. Tại sao điểm chớp cháy của Diesel nhỏ hơn của Biodiesel trong khi độ nhớt của 2 loại

dầu gần bằng nhau?

- Diesel có thành phần chủ yếu là hydrocarbon và chứa các cấu tử dễ bay hơi nhiều hơn

trong khi Biodiesel có thành phần chính là metyl ester, có nhiều liên kết RO-C=O rất khó

bay hơi. Hơi nhiên liệu tiếp xúc với ngọn lửa sẽ gây ra hiện tượng chớp cháy.

2. Có thể đo điểm chớp cháy cốc hở của Diesel được hay không?

- Không. Vì điểm chớp cháy của Diesel nhỏ nên điểm chớp cháy cốc hở cũng gần với điểm

bốc cháy của nhiên liệu.

3. Chớp cháy khác bốc cháy như thế nào?

- Khác nhau ở thời gian duy trì ngọn lửa. Bốc cháy có thời gian trên 5 giây và chớp cháy

có thời gian dưới 5 giây.

Page 27: [Hk112] Tong Hop

27

ĐO TỶ TRỌNG BẰNG PYCNOMETER

(ASTM D1298)

I. NGUYÊN TẮC

- Tỷ trọng là tỷ số giữa khôi lượng riêng của một chất với khối lượng riêng của nước

nguyên chất ở nhiệt độ xác định. Trong thực tế, tỷ trọng được quy về điều kiện tiêu

chuẩn, tuỳ theo từng nước mà tỷ trọng có thể là: d20

4 (áp dụng ở Việt Nam), d15

4 hay spgr

60 oF/60

oF.

- Có thể xác định tỷ trọng bằng phù kế (hydrometer) hoặc bình đo tỷ trọng (pycnometer).

- Phương pháp pycnometer dùng để xác định tỷ trọng của dầu thô và các sản phẩm dầu khí

ở trạng thái lỏng hoặc đặc bằng dụng cụ pycnometer.

- Xác định tỷ số giữa khối lượng của mẫu và khối lượng của nước được đo ở cùng 1 thể

tích tại 1 nhiệt độ xác định, dựa trên nguyên tắc của sức đẩy Archimede.

II. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

Pycnometer loại có mao quản ở nút (1)

Pipette (1)

Nhiệt kế (1)

Cân với độ chính xác 0,0001 g (1)

2. Hoá chất

- Dầu biodiesel

- Nước cất

Page 28: [Hk112] Tong Hop

28

III. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Cân pycnometer rỗng, đã được sấy khô và sạch, với độ chính xác ± 0,0002g, ta được m1.

Dùng pipette cho nước cất vào đến miệng pycnometer đã cân. Đậy nút mao quản và dùng

giấy lọc lau khô phần nước dư tràn ra phía ngoài rồi đem cân chính xác đến ± 0,0002g, ta

được m2.

Xác định nhiệt độ của mẫu nước cất.

Đổ bỏ nước và làm khô pycnometer.

Dùng pipette lấy mẫu sản phẩm cho vào pycnometer. Đối với mẫu có độ nhớt cao và đặc,

làm nóng mẫu đến (50 - 60) oC rồi rót mẫu vào pycnometer và để nguội. Tránh làm rớt

mẫu lên thành pycnometer. Đậy nút mao quản và dùng giấy lọc thấm khô phần dầu dư

tràn qua nút. Cân chính xác đến 0,0002 g, ta được m3.

Xác định nhiệt độ của mẫu dầu.

Rửa sạch và làm khô pycnometer.

IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

m1; g m2; g m3; g tnước; oC tdầu;

oC d’ d4

20

12,7635 37,6999 34,4461 32 32 0,8695 0,000752 0,8785

12,1274 37,3660 34,0598 32 32 0,8690 0,000752 0,8780

Tỷ trọng của BO khoảng 0,87 – 0,89. Như vậy, kết quả là phù hợp.

Tỷ trọng của BO đo được là 0,8780 và 0,8785 trong khi tỷ trọng của dầu thực vật khoảng

0,9. Ta thấy thành phần cấu tạo của dầu thực vật gồm những phẩn tủ lớn hơn các phân tử

của BO do quá trình phản ứng bẻ gãy mạch. Đây là nguyên nhân chính làm tỷ trọng của

BO nhỏ hơn tỷ trọng dầu thực vật tạo ra nó.

Page 29: [Hk112] Tong Hop

29

V. BÀN LUẬN

1. Cách chuyển đổi d’ sang chuẩn 20

4d

d’= td 4

=

12

13

mm

mm

)20.(4

20

4 tdd t

2. So sánh độ chính xác của 2 phương pháp đo tỷ trọng

Đo tỷ trọng bằng pycnometer cho kết quả tin cậy hơn là đo tỷ trọng bằng hydrometer vì:

Phương pháp hydrometer là dẫn xuất từ phương pháp pycnometer.

Phương pháp hydrometer là phương pháp gần đúng (các công thức tính toán để suy ra

các thang đo). Ngoài ra, đo bằng hydrometer dễ mắc sai số khi phần thân trụ không

được thấm ướt hoàn toàn hay không được đặt thẳng đứng trong khối chất lỏng.

3. Ý nghĩa tỷ trọng của nhiên liệu trong thực tiễn:

Tỷ trọng là chỉ tiêu được xác định đối với hầu hết các loại nhiên liệu vì việc đo tỷ trọng

được thực hiện tương đối dễ dàng, nhanh chóng. Do đó, trong các trường hợp yêu cầu

kiểm tra nhanh chóng các tiêu chuẩn như xuất nhập hàng, đầu tiên người ta thường xác

định tỷ trọng; khi tỷ trọng đảm bảo mới tiến hành xác định các chỉ tiêu khác. Ngoài ra, tỷ

trọng còn cho phép dự đoán sơ bộ chất lượng sản phẩm như thành phần (nặng nhẹ), độ

nhớt (dự đoán sơ bộ).

Page 30: [Hk112] Tong Hop

30

BÀI 5

ĐƯỜNG CHƯNG CẤT ASTM

(ASTM D86)

I. MỤC ĐÍCH

- Xác định tính chất của mẫu kerosene thông qua đường cong chưng cất ASTM D86 thu

được.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Xăng động cơ là hỗn hợp của nhiều hydrocarbon với một số phụ gia. Mỗi loại

hydrocarbon đều có đặc tính hoá lý riêng như nhiệt độ sôi, tỷ trọng…Vì vậy, xăng không

có nhiệt độ sôi cố định mà thường xác định trong khoảng nhiệt độ sôi.

- Đường chưng cất ASTM xác định phạm vi thành phần trong sản phẩm dầu mỏ. Qua

đường cong chưng cất này, ta đánh giá được tính bốc hơi của sản phẩm. Phương pháp đo

này dựa theo tiêu chuẩn ASTM D 86, được áp dụng cho hầu hết các sản phẩm của dầu

mỏ (như xăng ô tô, xăng máy bay, kerosene, dầu DO, naphtha, các phần cất…) ngoại trừ

khí hoá lỏng và bitume.

- Để đánh giá nhiệt độ sôi của xăng trong phòng thí nghiệm, người ta tiến hành chưng cất

100 ml xăng trên bộ thiết bị chưng cất ASTM tiêu chuẩn và ghi lại giá trị nhiệt độ tại các

thời điểm khảo sát. Tính chất sôi và bay hơi của xăng thường được đánh giá bằng nhiệt

độ sôi đầu, nhiệt độ sôi cuối và nhiệt độ sôi tương ứng với % thể tích chưng cất thu được

của xăng ngưng tụ trong thiết bị chưng cất và được gọi chung là thành phần cất. Phương

pháp xác định thành phần cất của xăng được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM D 86. Từ

mối quan hệ giữa nhiệt độ sôi và % sản phẩm cất thu được, ta có thể xây dựng đồ thị. Sự

thay đổi các giá trị nhiệt độ này ảnh hưởng tới khả năng vận hành của động cơ.

Nhiêt độ sôi đầu: là nhiệt độ tại đó giọt nhiên liệu đầu tiên được ngưng tụ và rơi vào

ống hứng.

Nhiệt độ sôi cuối: là nhiệt độ cao nhất ghi được khi toàn bộ chất lỏng trong bình đã

bay hơi hết.

Page 31: [Hk112] Tong Hop

31

- Thành phần cất là khái niệm dùng để biểu diễn phần trăm của mẫu bay hơi trong điều

kiện tiến hành thí nghiệm theo nhiệt độ hoặc ngược lại.

- Từ điểm sôi đầu đến điểm sôi cuối, ứng với bước nhảy 10 ml mẫu ngưng tụ, ta xác định

được một giá trị nhiệt độ và gọi là điểm cất. Đồ thị thu được từ các điểm cất trên cho ta

đường cong chưng cất của mẫu nhiên liệu cần xác định.

III. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

Sơ đồ hệ thống thiết bị

1. Dụng cụ

- Bộ thiết bị chưng cất ASTM (1)

- Bình cầu có ống nhánh 125ml (1)

- Nhiệt kế thuỷ ngân 250 oC (1)

- Ống đong 100ml (1)

- Ống đong 10ml để đong phần cặn (1)

2. Hoá chất

- Dầu kerosene.

Page 32: [Hk112] Tong Hop

32

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

- Rửa sạch ống đong, bình cầu và sấy khô ở 60 oC trước khi tiến hành thí nghiệm. Đổ

nước và nước đá vào đầy bình ngưng tụ.

- Đong 100 ml mẫu kerosene vào bình cầu, chú ý nghiêng ống nhánh phía bên sao cho mẫu

không bị lọt ra ngoài. Đậy miệng bình bằng nút có gắn nhiệt kế thuỷ ngân sao cho bầu

cảm ứng nhiệt của nhiệt kế ngang với mép dưới của ống nhánh.

- Lắp dụng cụ thí nghiệm theo sơ đồ. Chú ý làm kín khe hở của các nút. Lấy bông gòn đậy

miệng ống đong để tránh sản phẩm ngưng tụ bị bay hơi làm hao hụt sản phẩm ngưng tụ.

- Bật thiết bị đun nóng để gia nhiệt mẫu kerosene, điều chỉnh tốc độ gia nhiệt sao cho từ

lúc bắt đầu gia nhiệt đến khi thu được giọt lỏng đầu tiên là (5 – 10) phút. Ghi nhận nhiệt

độ khi giọt cất đầu tiên xuất hiện và đó là nhiệt độ sôi đầu tđ.

- Sau đó nhanh chóng để ống đong hứng sát vào đầu ra ống ngưng tụ để sản phẩm cất chảy

theo thành ống đong. Tiếp tục gia nhiệt và quan sát ghi nhiệt độ tương ứng với các thể

tích ngưng tụ thu được là 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95 ml. Chú ý điều chỉnh tốc

độ gia nhiệt thích hợp để đạt tốc độ thu hồi phần cất là khoảng 2 giọt/giây.

- Tiếp tục đun, nhiệt độ sẽ tăng và giảm khi trong bình còn một ít mẫu. Ghi nhận nhiệt độ

cao nhất trong suốt quá trình chưng cất. Đây chính là điểm sôi cuối tc. Ghi nhận thể tích

tổng cất được Vng.

- Sau khi chưng cất xong, tắt bộ phận gia nhiệt, để nguội rồi tháo dụng cụ. Đổ phần cặn

còn lại vào ống đong 10 ml, ghi nhận thể tích phần cặn Vc.

Page 33: [Hk112] Tong Hop

33

V. KẾT QUẢ

Vngưng tụ; ml Nhiệt độ; oC

tđ 42

10 49

20 59

30 64

40 70

50 78

60 90

70 119

80 136

90 157

95 174

tc 180

Vc 1,2 ml

Thể tích phần mất mát:

Vm = 100 – (Vng + Vc) = 100 – (96,5 + 1,2) = 2,3 ml

Page 34: [Hk112] Tong Hop

34

Nhận xét kết quả thí nghiệm:

- Thể tích mất mát tương đối ít (Vm = 2,3 ml) chứng tỏ thiết bị chưng cất hoạt động tốt và

hiệu suất chưng cất cao.

- Thể tích phần cặn Vcặn = 1,2 ml tức 1,2 % < 2 %, phù hợp tiêu chuẩn.

tc= 180 oC

tđ= 42 oC

Vm

Vc

Nhiệt độ; oC

Thể tích; ml

Page 35: [Hk112] Tong Hop

35

- Thành phần cất phân đoạn :

% thể tích cất được Nhiệt độ thí nghiệm; oC Nhiệt độ tiêu chuẩn;

oC max

10 49 70

50 78 120

90 157 190

Đánh giá sơ bộ:

- Sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng TCVN 2698:2002.

- Sản phẩm có hàm lượng cấu tử nhẹ tương đối nhiều, hàm lượng cấu tử nặng tương đối ít.

VI. TRẢ LỜI CÂU HỎI

1. Cách xây dựng đường cong ASTM

- Từ các số liệu thí nghiệm, tiến hành tính toán xác định % thể tích cất được trung bình, thể

tích cặn trung bình và thể tích khí không ngưng trung bình.

Tiến hành xây dựng đường chưng cất ASTM theo % thể tích cất được trung bình và

nhiệt độ sôi tương ứng.

tđ = 42 oC ứng với % tt = 0 %

tc = 180 oC ứng với % tt = 96,5 %

- Lượng khí không ngưng Vm là lượng khí bay hơi được nhưng không ngưng tụ được.

Chính điều này đã dẫn đến sự hao hụt giữa lượng thể tích cất được và thể tích cặn so với

thể tích mẫu đem đi chưng cất lúc ban đầu. Để hiệu chỉnh đường cong ASTM theo phần

thể tích mất mát, ta có thể đổi trục toạ độ sang trái một khoảng đúng bằng Vm. Bây giờ

trục hoành sẽ chỉ giá trị % thể tích bay hơi và trục tung chỉ nhiệt độ sôi.

- Lượng thể tích cặn chính là phần thể tích còn lại nằm bên phải của đồ thị ASTM.

Page 36: [Hk112] Tong Hop

36

2. Ý nghĩa của đường cong chưng cất ASTM, điểm sôi đầu, điểm sôi cuối

Ý nghĩa của đường cong chưng cất ASTM :

- Xác định phạm vi thành phần trong sản phẩm dầu.

- Đánh giá sơ bộ hàm lượng các phần nhẹ, trung bình và phần nặng cũng như tính bốc hơi

của sản phẩm.

- Cho biết khoảng nhiệt độ sôi của sản phẩm.

Ý nghĩa của điểm sôi đầu:

- Đảm bảo hàm lượng phân đoạn nhẹ cần thiết để động cơ khởi động được dễ dàng.

- Điểm sôi đầu thấp nghĩa là sản phẩm có nhiều cấu tử nhẹ, dễ hoá hơi ở nhiệt độ thấp,

nhanh chóng sưởi ấm động cơ và phân bố đều giữa các xy lanh, giúp động cơ khởi động

dễ dàng.

- Tuy nhiên, nếu điểm sôi đầu quá thấp thì nhiên liệu quá dễ hoá hơi, gây ra hao hụt quá

mức và tạo ra các nút hơi trong các ống dẫn đến động cơ, ngăn cản nhiên liệu chảy vào

bộ chế hoà khí hoặc vòi phun nhiên liệu. Bên cạnh đó quá trình khởi động lại động cơ

cũng gặp nhiều khó khăn do phần lớn các cấu tử nhẹ đã hoá hơi và trong nhiên liệu lúc

này chỉ còn lại các cấu tử trung bình và nặng.

- Ngược lại điểm sôi đầu quá cao nghĩa là sản phẩm có ít cấu tử nhẹ, khó hoá hơi ở nhiệt

độ thấp, do đó động cơ sẽ khó khởi động khi trời lạnh.

Ý nghĩa của điểm sôi cuối:

- Giới hạn hàm lượng các hydrocarbon nặng nhằm đảm bảo cho nhiên liệu cháy hoàn toàn,

cháy tốt, cháy sạch.

- Điểm sôi cuối cao nghĩa là hàm lượng cấu tử nặng trong sản phẩm nhiều làm nhiên liệu

khó hoá hơi, cháy không hết dễ tạo cốc, tạo cặn than trong buồng đốt.

3. Tại sao thể tích chưng cất được lại hao hụt nhiều, sai số do đâu?

Lượng mất mát nhiều là do sai số trong quá trình chưng cất:

- Hệ thống không cung cấp đủ nguồn lạnh để hơi bay lên có thể ngưng tụ được hết, một

phần hơi bay lên bị ngưng tụ trong đương ống nên chưa chảy ra ngoài ống hứng được.

Page 37: [Hk112] Tong Hop

37

- Miệng ống hứng không bịt kín đủ dẫn đến lượng hơi chảy ra ngoài ống không ngưng tụ

kịp đã bay hơi lên thoát ra ngoài.

- Lượng khí không ngưng bay hơi được nhưng không ngưng tụ được.

- Sử dụng hệ thống chưng cất dễ gia nhiệt nhưng khó giải nhiệt nên lượng hao hụt nhiều.

4. Có khi nào lượng mất mát + lượng ngưng tụ + lượng cặn lớn hơn lượng ban đầu?

- Có thể. Khi hệ thông chưng cất chưa được vệ sinh đường ống dẫn thì có thể lỏng ra khỏi

đường ống còn lẫn với phần lỏng có sẵn trong ống làm tăng phần lỏng ngưng tụ được,

dẫn đến lượng mất mát + lượng ngưng tụ + lượng cặn lớn hơn lượng ban đầu.

Page 38: [Hk112] Tong Hop

38

BÀI 6

ĐIỂM CHỚP CHÁY CỐC KÍN

(ASTM D56)

I. MỤC ĐÍCH

- Nhiệt độ này được dùng để đánh giá khả năng bị cháy của sản phẩm.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại áp suất khí quyển (101, 3 KPa), mẫu thử

nghiệm được nung nóng đến bốc hơi và bắt lửa. Mẫu sẽ chớp cháy khi có ngọn lửa và lan

truyền tức thì ra khắp bề mặt của mẫu dầu nhưng chỉ cháy dưới 5 giây. Nhiệt độ chớp

cháy là một trong những chỉ tiêu để đánh giá mức độ dễ bắt cháy của nhiên liệu.

- Nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi thoát ra từ mẫu thử nghiệm vẫn tiếp tục cháy được trong

5 giây gọi là điểm bắt cháy.

- Thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn ASTM D56, sử dụng cho các chất lỏng có

điểm chớp cháy nhỏ hơn 93oC, ngoại trừ các bitume lỏng và những chất lỏng có khuynh

hướng tạo thành màng trên bề mặt

- Nguyên tắc là mẫu được đặt trong thiết bị thí nghiệm có nắp đóng và được gia nhiệt ở

một tốc độ truyền nhiệt ổn định, một ngọn lửa nhỏ có kích thước tiêu chuẩn được đưa vào

cốc ở phạm vi qui định. Điểm chớp cháy ghi nhận là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó khi đưa

ngọn lửa thử vào hỗn hợp, phần hơi nằm phía trên mẫu đủ để trở nên bắt lửa - chớp cháy.

III. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

- Nhiệt kế thuỷ ngân (2)

- Hệ thống đo nhiệt độ chớp cháy cốc kín (1)

2. Hoá chất

- Dầu kerosene

Page 39: [Hk112] Tong Hop

39

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

- Thí nghiệm phải được tiến hành trong điều kiện kín gió.

- Mẫu DO được giữ trong bình kín để tránh thất thoát các cấu tử nhẹ và được giữ ở nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ chớp cháy dự đoán ít nhất 11oC.

- Đong 50 ml mẫu cho vào cốc và tránh để làm ướt phần cốc phía trên mực chất lỏng. Phá

vỡ hết bọt khí trên bề mặt mẫu. Lau sạch mặt trong của nắp bằng vải sạch hay khăn giấy,

gắn nắp và nhiệt kế vào đúng vị trí. Nhiệt kế ASTM để đo nhiệt độ của mẫu, nhiệt kế

rượu dùng đo nhiệt độ của chất tải nhiệt trong bình trung gian.

- Thắp ngọn lửa thử và điểu chỉnh kích thước của nó bằng với kích thước của hạt gắn trên

nắp.

- Điều chỉnh nhiệt cung cấp để đạt được tốc độ 3oC/ phút. Tốc độ gia nhiệt phải được tuân

thủ nghiêm ngặt để đảm bảo thí nghiệm cho kết quả đúng.

- Khi nhiệt độ của mẫu trong cốc thử thấp hơn 6oC so với nhiệt độ chớp cháy dự đoán thì

bật ngọn lửa thử và vận hành cơ cấu trên nắp để hướng ngọn lửa thử vào bên trong không

gian hơi của cốc rồi nhanh chóng đóng lại. Thời gian dành cho thao tác khoảng 1 giây và

tránh bất kỳ sự sốc nào trong quá trình mở và đóng ngọn lửa thử.

- Lặp lại việc thử sau mỗi lần mẫu tăng nhiệt độ lên 1oC.

- Quan sát khi ngọn lửa thử gây ra sự bắt lửa rõ ràng không gian bên trong cốc, nhiệt độ

quan sát và ghi nhận được lúc này là nhiệt độ chớp cháy.

- Ngưng thí nghiệm và tắt nguồn nhiệt. Nâng nắp lên và lau sạch những chỗ bẩn. Lấy cốc

đựng mẫu ra, đổ mẫu và lau khô.

- Tiến hành thí nghiệm 2 lần. Chênh lệch giữa 2 lần không quá 1oC.

V. KẾT QUẢ

- Lần 1 : t1 = 41 oC

- Lần 2 : t2 = 40,5 oC

2

5,4041

2

21 ttt

40,75 oC

Page 40: [Hk112] Tong Hop

40

VI. BÀN LUẬN

1. Ý nghĩa của điểm chớp cháy

Là một trong những chỉ tiêu để đánh giá mức độ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như thời

gian cảm ứng trong động cơ.

Có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình vận chuyển và tồn trữ nhiên liệu. Nhiệt độ chớp

cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ. Khi sử dụng nhiên liệu kerosene ở những nơi buồng

kín, phải chọn loại nhiên liệu có nhiệt độ chớp cháy cao để an toàn phòng chống cháy nổ.

Nhiệt độ chớp cháy quá thấp cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu trong quá trình tồn trữ

đã bị lẫn các sản phẩm nhẹ khác có độ bay hơi cao hơn.

Nhiệt độ chớp cháy không có ý nghĩa đối với chất lượng của nhiên liệu khi đánh giá trên

góc độ tính năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó.

2. Tại sao phải tiến hành trong điều kiện kín gió? Môi trường không kín gió ảnh hưởng như

thế nào?

Nếu tiến hành thí nghiệm trong điều kiện có gió, phần hơi hình thành bên trên mẫu sẽ bị

gió làm xáo trộn, dẫn đến thất thoát cấu tử nhẹ khi ta thao tác mở nắp để đưa ngọn lửa

vào bên trong cốc chứa mẫu. Sự xáo trộn này sẽ làm cho ngọn lửa khó gặp hơi và dẫn đến

sai lệch kết quả thí nghiệm.

Mặt khác, gió sẽ làm tắt ngọn lửa, gây khó khăn trong việc đo nhiệt độ chớp cháy cốc

kín.

3. Mẫu trong cốc sau khi đã thử nghiệm lần 1 dùng lại cho thử nghiệm lần 2 được không?

Tại sao?

Mẫu trong cốc sau khi đã thử nghiệm lần 1 không thể dùng lại cho thử nghiệm lần 2 vì

sau khi thử nghiệm lần 1, các cấu tử nhẹ trong mẫu đã bị bay hơi phần lớn; trong mẫu chỉ

còn lại cấu tử trung bình và nặng. Đo nhiệt độ chớp cháy cốc kín của phần mẫu còn lại

này sẽ được nhiệt độ chớp cháy cốc kín cao hơn, làm sai lệch kết quả thí nghiệm.

Do đó, sau khi đo xong mẫu 1, phải lấy cốc đựng mẫu ra, đổ mẫu và lau khô, sau đó mới

cho mẫu mới vào cốc và tiến hành tiếp thí nghiệm.

Page 41: [Hk112] Tong Hop

41

4. Sai số thí nghiệm điểm chớp cháy cốc kín.

Điều kiện thí nghiệm không kín gió (có quạt, gần cửa sổ) ảnh hưởng đến kết quả thí

nghiệm.

Trong mẫu thí nghiệm có lẫn tạp chất nên kết quả đo thiếu chính xác cho tiêu chuẩn

ASTM D 86.

Gia nhiệt không đều, do đó lượng hơi bay lên không đều và không đủ để chớp cháy.

Điều chỉnh ngọn lửa to nhỏ khác nhau làm lượng hơi đi lên gặp lúc lửa tắt nên khó chớp

cháy, ảnh hưởng đến sai số.

Khoảng cách giữa bầu nhiệt kế và miệng cốc

Không lắc đều mẫu trước khi làm thí nghiệm

Nếu dự đoán quá sai lệch so với điểm chớp cháy, ta thử nhiều lần thì kết quả thí nghiệm

kém chính xác.

5. Sự khác nhau giữa điểm bốc cháy vào điểm chớp cháy

Điểm chớp cháy: là nhiệt độ thấp nhất mà tại áp suất khí quyển (101,3 kPa), mẫu thử

nghiệm được nung nóng đến bốc hơi và bắt lửa. Mẫu sẽ chớp cháy khi có ngọn lửa và lan

truyền tức thì ra khắp bề mặt của mẫu dầu nhưng chỉ cháy dưới 5 giây.

Điểm bốc cháy: là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi thoát ra từ mẫu thử nghiệm vẫn tiếp

tục cháy được sau 5 giây.

Điểm bốc cháy lớn hơn điểm chớp cháy vài độ. Đối với điểm chớp cháy, ngọn lửa chỉ

cháy dưới 5 giây, còn điểm bốc cháy thì ngọn lửa cháy trên 5 giây.

6. Mẫu thí nghiệm từ cốc kín qua đo cốc hở và ngược lại được không? Tại sao?

Có thể đưa mẫu thí nghiệm từ cốc kín qua đo cốc hở nhưng kém chính xác, vì thí nghiệm

cốc kín dùng cho những chất có nhiệt độ chớp cháy thấp. Nếu đem mẫu từ cốc kín qua

cốc hở thì khi gia nhiệt, lượng hơi bay lên nhiều, dễ bị thất thoát, sẽ làm sai lệch kết quả.

Mặt khác, mẫu thí nghiệm đo có điểm chớp cháy thấp nên nhiệt độ đó rất gần với điểm

bốc cháy; do đó khi lượng hơi đi lên nhiều thì đo mẫu rất dễ bị bốc cháy. Ở cốc kín, ta

khống chế được lượng hơi đi lên và ngọn lửa vào chỗ hơi đi lên.

Page 42: [Hk112] Tong Hop

42

Có thể đưa mẫu thí nghiệm từ cốc hở qua đo cốc kín, sẽ giảm ô nhiễm môi trường nhưng

thời gian đo sẽ lâu hơn. Vì: thí nghiệm cốc hở dùng cho những mẫu có nhiệt độ chớp

cháy > 80 oC. Nếu mẫu từ thí nghiệm cốc hở qua đo cốc kín thì mẫu sẽ lâu đến nhiệt độ

chớp cháy hơn, việc đo sẽ lâu hơn.

Page 43: [Hk112] Tong Hop

43

ĐO TỶ TRỌNG BẰNG HYDROMETER

(ASTM D1298)

I. NGUYÊN TẮC

- Theo tiêu chuẩn ASTM D1298, áp dụng cho dầu thô và các sản phẩm dầu khí ở dạng

lỏng, tỷ trọng được xác định bằng tỷ trọng kế thuỷ tinh. Phương pháp xác định này dựa

trên nguyên tắc của sức đẩy Archimede.

II. DỤNG CỤ VÀ HOÁ CHẤT

1. Dụng cụ

Tỷ trọng kế thuỷ tinh (1)

Ống đong (1)

Nhiệt kế (1)

2. Hoá chất

Dầu kerosene

III. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Rót nhẹ nhàng mẫu thử, tránh tạo bọt khí vào ống đong với lượng thích hợp sao cho tỷ

trọng kế nổi khi thả vào và đọc được số. Nếu có bọt khí tập trung ở bề mặt mẫu, dùng

miếng giấy lọc để lấy chúng ra.

Cầm phía trên tỷ trọng kế rồi thả từ từ vào ống đong đựng mẫu. Tránh để mẫu thấm ướt

phần không chìm của tỷ trọng kế.

Dùng nhiệt kế khuấy mẫu liên tục. Khi nhiệt độ đạt cân bằng, ghi nhiệt độ của mẫu và lấy

nhiệt kế ra.

Kéo tỷ trọng kế lên khỏi chất lỏng khỏi 2 vạch và sau đó thả xuống. Để cho tỷ trọng kế

nổi tự do, tránh chạm vào thành ống đong.

Page 44: [Hk112] Tong Hop

44

Khi tỷ trọng kế đứng yên, đặt mắt ở vị trí thấp hơn mực chất lỏng và đưa lên từ từ cho

đến khi ngang bằng với mặt thoáng của chất lỏng rồi ghi giá trị đọc được trên thang chia

của tỷ trọng kế.

Ngay sau đó, dùng nhiệt kế khuấy cẩn thận rồi ghi nhiệt độ của mẫu thử. Nếu nhiệt độ

này khác với nhiệt độ trước hơn 0,5 oC, đo lại tỷ trọng.

Tiến hành thí nghiệm 2 lần.

Chú ý

Nhiệt độ của ống đong, tỷ trọng kế và mẫu thử phải gần như nhau.

Nhiệt độ môi trường trong 2 lần đo không thay đổi quá 2 oC.

IV. KẾT QUẢ

- Tỷ trọng tiêu chuẩn: )20.(4

20

4 tdd t

Trong đó: t- nhiệt độ của mẫu thử khi đo

- hệ số hiệu chỉnh (tra bảng)

- Mẫu KO:

Nhiệt độ mẫu; oC td 4

20

4d

Lần 1 31,5 0,778 0,000752 0,787

Lần 2 31,5 0,778 0,000752 0,787

Dầu KO có tỷ trọng tiêu chuẩn trong khoảng 0,78 ÷ 0,80. Như vậy kết quả đo phù hợp.

Page 45: [Hk112] Tong Hop

45

V. BÀN LUẬN

1. Ý nghĩa của tỷ trọng

Đặc trưng cho độ nặng nhẹ của nhiên liệu, thể hiện mối quan hệ giữa thể tích và khối

lượng, được sử dụng trong quá trình tồn trữ, vận chuyển, buôn bán, là con số đơn giản

nhưng có thể đánh giá sơ bộ sản phẩm.

Nếu 2 nhiên liệu có cùng giới hạn nhiệt độ sôi, nhiên liệu nào có tỷ trọng cao hơn thì

thường có hàm lượng hydrocarbon thơm và naphthene cao hơn, tỷ trọng thấp thường

chứa nhiều paraffin. Do đó, nhiệt trị của nhiên liệu có xu hướng giảm khi tỷ trọng tăng.

2. Tại sao phải quy đổi tỷ trọng về điều kiện tiêu chuẩn?

Phải quy đổi tỷ trọng về điều kiện tiêu chuẩn do tỷ trọng là thông số ban đầu để đánh giá

chất lượng sản phẩm phục vụ cho quá trình tồn trữ, vận chuyển, mua bán. Tỷ trọng phụ

thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, vì vậy phải chuyển về điều kiện tiêu chuẩn để có thể đánh giá

chất lượng sản phẩm, giao dịch, mua bán được thuận lợi hơn.

3. Tại sao khi thao tác phải kéo tỷ trọng kế lên khỏi chất lỏng khỏi 2 vạch và sau đó thả

xuống?

Trong quá trình thao tác, ảnh hưởng của sức căng bề mặt làm tỷ trọng kế chìm sâu hơn và

gây sai số trong thí nghiệm. Do đó, trước khi tiến hành đọc kết quả, ta phải kéo tỷ trọng

kế lên khỏi chất lỏng 1 đoạn để giảm ảnh hưởng của hiện tượng trên đối với sai số của kết

quả thí nghiệm.

Khi thao tác, tránh để mẫu thấm ướt phần không chìm của tỷ trọng kế vì nó làm tăng khối

lượng của tỷ trọng kế (do phần dính ướt này ở ngoài phần chất lỏng nên không chịu sức

đẩy Archimede), dẫn đến việc tỷ trọng kế chìm sâu hơn và gây sai số trong thí nghiệm.

4. Sử dụng phương pháp này đo BO và DO thì cái nào gây sai số nhiều hơn? Tại sao?

BO gây sai số nhiều hơn DO. BO có độ nhớt cao hơn nên bám dính trên bề mặt tỷ trọng

kế nhiều hơn và tạo sức căng bề mặt làm kết quả thí nghiệm có sai số lớn.