Quy trình sản xuất nhựa đường

1.   Sản xuất nhựa đường
Dầu thô là một phức hợp của các hydrocacbon khác nhau về trọng lượng phân tử và do vậy khác nhau về nhiệt độ sôi. Trước khi có thể sử dụng được, dầu thô phải được tách ra, làm sạch và chưng cất, đôi khi thay đổi cả lý hóa tính.

2.  Chưng cất phân đoạn dầu thô
Bước đầu tiên trong các công đoạn lọc dầu là chưng cất phân đoạn. Quá trình này được thực hiện trong các tháp cao bằng thép, gọi là các tháp chưng cất hay tháp phân đoạn. Bên trong các tháp được chia ra thành nhiều tầng, mỗi tầng lắp các khay thép có lỗ để hơi có thể bay lên, qua các lỗ có các ngăn nhỏ gọi là mũ che làm chệch hướng hơi đi xuống sục qua chất lỏng được ngưng tụ trên các khay kim loại. Điều này làm tăng hiệu suất của việc chưng cất và làm giảm chiều cao của tháp chưng cất.

Ở công đoạn đầu của nhà máy lọc dầu, dầu thô được gia nhiệt tới nhiệt độ 300-350oC trong một lò có nhiệt độ cao trước khi dẫn qua phần dưới của tháp chưng cất hoạt động ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển một chút. Nguyên liệu được dẫn vào tháp chưng cất là một hỗn hợp của chất lỏng và hơi. Chất lỏng là chất có điểm sôi cao trong dầu thô, phần hơi là những chất có điểm sôi thấp hơn. Hơi bay lên phía trên tháp chưng cất qua lỗ trên các khay kim loại và bị mất nhiệt trong quá trình bay lên cao, Khi chất bay hơi đến các nơi có nhiệt độ thấp hơn điểm sôi của nó thì nó sẽ ngưng tụ lại và trở lại trạng thái lỏng. Các chất ngưng tụ trên khay liên tục được lấy ra qua các đường ống.

Những phần nhẹ nhất của dầu thô vẫn giữ nguyên ở trạng thái hơi và được lấy ra từ đỉnh tháp chưng cất. Những phần nặng hơn được lấy ra khỏi tháp từ bên dưới sườn tháp và những phần nặng nhất là chất lỏng vẫn còn đọng lại ở phần đáy tháp. Những chất nhẹ nhất được tạo ra trong quá trình chưng cất dầu thô gồm có propan và butan, trong điều kiện khí quyển bình thường chúng là những chất khí. Dịch xuống phía dưới tháp chưng cất một chút là những sản phẩm nặng hơn, naphta – đây là nguyên liệu để sản xuất xăng và hóa chất. Tiếp đến là kerosen là chất được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu hàng không và một phần nhỏ dùng để sản xuất nhiên liệu gia dụng. Nặng hơn nữa là dầu được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diezen và đốt lò sưởi. Phần nặng nhất lấy từ quá trình chưng cất dầu thô là những cặn bao gồm một phức hợp các hydrocacbon có trọng lượng phân tử cao. Cặn nặng phải được xử lý tiếp trước khi có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhựa đường.

Phần cặn nặng tiếp tục được chưng cất ở áp suất thấp trong tháp chân không. Quá trình này được thực hiện trong điều kiện áp suất 10-100 mm Hg ở nhiệt độ 350-400oC để sản xuất dầu hỏa, một số chất khác và cặn nhẹ. Nếu lần chưng cất thứ hai này được thực hiện bằng việc gia tăng nhiệt độ của quá trình chưng cất thì sẽ xảy ra sự phá vỡ hay nhiệt phân cặn nặng.

Cặn nhẹ là nguyên liệu để sản xuất hơn 20 loại nhựa đường khác nhau. Độ nhớt của cặn nhẹ là một hàm của các yếu tố như nguồn gốc dầu thô, nhiệt độ và áp suất trong tháp chân không duy trì trong suốt quá trình chế biến. Phụ thuộc vào xuất xứ của dầu thô, người ta điều chỉnh các điều kiện trong tháp chưng cất để sản xuất cặn nhẹ với độ kim lún trong khoảng 100 – 300 dmm.

Hình 2.1 thể hiện sơ đồ của quá trình chưng cất và quan hệ của nó với các quá trình chế biến căn bản khác như refoming và cracking để sản xuất xăng động cơ, dầu nhớt và các sản phẩm lọc dầu khác.
 

Nhựa đường 60/70 HHPETROL nhập khẩu từ  Singapore

2.1   Quá trình sục khí cặn nhẹ
Đặc tính lý học của cặn nhẹ có thể bị biến đổi bằng quá trình “sục khí”. Đây là một quá trình oxy hóa trong đó không khí được thổi qua cặn nhẹ, có thể thổi liên tục hay từng đợt, ở nhiệt độ khoảng 240oC đến 320oC.

2.1.1   Mô tả quá trình sục khí liên tục
Sau khi được gia nhiệt, cặn nhẹ được đưa vào tháp sục khí ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển một chút. Không khí được thổi qua nhựa đường bằng một máy thổi khí đặt ở đáy tháp. Không khí không chỉ là chất phản ứng mà còn đóng vai trò chất kích thích và trộn nhựa đường, do đó tăng diện tích bề mặt nhựa đường trong phản ứng và tăng tốc độ phản ứng. Oxy được hấp thụ khi không khí bay lên đi qua nhựa đường. Hơi nước và nước được phun vào khoảng trống chứa hơi phía trên lớp nhựa đường để ngăn hiện tượng sủi bọt và giãn nở của oxy chứa trong khí thải, còn nước để làm lạnh phần khí trong tháp, tránh cho sản phẩm nhựa đường không phải chịu nhiệt độ cao trong thời gian dài qua mức cần thiết, điều đó có thể làm cho nhựa đường bị lão hóa. Sản phẩm “đã sục khí” được dẫn ra khỏi tháp qua các ống ở đáy tháp chảy vào thùng chứa tạm thời. Phương pháp này khống chế được lượng sản phẩm trong tháp luôn ở mức tối thiểu.

Từ thùng chứa tạm, sản phẩm sục khí được cho đi qua thiết bị trao đổi nhiệt nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm và tận dụng nhiệt này làm nóng cặn nhẹ để tiết kiệm chi phí sản xuất, trước khi được bơm vào thùng chứa bảo quản. Độ kim lún và điểm hóa mềm của nhựa đường sục khí phụ thuộc vào :

Độ nhớt của nhiên liệu
Nhiệt độ trong tháp sục khí
Thời gian được giữ ở trong tháp sục khí
Nguồn gốc dầu thô được sử dụng để làm nhiên liệu

Tỷ lệ không khí – nguyên liệu.

Hình 2.2 cho thấy các “đường cong” biểu diễn quá trình chưng cất và sục khí đối với nguyên liệu lấy từ dầu thô Trung Đông. Trong cả hai quá trình sục khí và chưng cất cho thấy điểm hóa mềm tăng lên còn độ kim lún thì hạ xuống. Tuy nhiên, trong quá trình chưng cất tính mẫn cảm với nhiệt độ (hay chỉ số kim lún PI) của vật liệu là không đổi. Như vậy đường chưng cất trên đồ thị gần như là một đường thẳng, trong khi đó, đường cong của nhựa đường sục khí thực tế là không đáng kể khi điểm hóa mềm của nhựa đường tăng lên, chứng tỏ rằng tính mẫn cảm với nhiệt độ của vật liệu giảm một cách rõ rệt, có nghĩa là chỉ số kim lún PI tăng lên.


Sự gián đoạn của các đường cong ở nhiệt độ 80oC là do thực tế điểm hóa mềm của nhựa đường phải được xác định trong nước đối với loại nhựa đường có điểm hóa mềm dưới 80oC, còn với các loại nhựa đường có điểm hóa mềm cao hơn 80oC thì phải tiến hành thí nghiệm trong môi trường glyxerin, do glyxerin có nhiệt dung riêng thấp hơn nước, nó đo được điểm hóa mềm cao hơn. Trong quá trình sục khí, hydro của cặn nhẹ tác dụng với oxy đưa đến hiện tượng đa ngưng tụ và làm tăng kích thước toàn bộ phân tử asphalten có ở trong nguyên liệu đồng thời tạo ra thêm một số asphalten xuất hiện từ pha malten (xem chương 6, phần 6.4). Phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt. Do đó nhiệt độ của quá trình này phải được kiểm soát một cách chặt chẽ, điều đó có thể đạt được bằng cách điều chỉnh tỷ lệ không khí đối với cặn nhẹ trong tháp thổi khí.


2.1.2   Nhựa đường bán thổi khí
Nhằm tạo ra những loại nhựa đường thường để làm đường, nhựa đường được sản xuất từ một số loại dầu thô cần trải qua một quá trình thổi khí hạn chế. Qua trình này được gọi bằng một số thuật ngữ như bán thổi khí hoặc tinh chế bằng không khí. Sử dụng luồn khí thổi vào được điều chỉnh có thể làm giảm tính mẫn cảm với nhiệt độ của nhựa đường, có nghĩa là tăng chỉ số kim lún của nó.


2.1.3   Nhựa đường thổi khí hoàn toàn
Nhựa đường thổi khí hoàn toàn hay nhựa đường oxy hóa được sản xuất bằng cách thổi khí mạnh vào cặn nhẹ hay hỗn hợp cặn nhẹ với phần phân đoạn nặng. Vị trí của đường cong biểu diển quá trình này trên hình 2.2 chủ yếu phụ thuộc vào độ nhớt của nguyên liệu, nghĩa là nguyên liệu mềm hơn thì đường cong cao hơn. Cường độ của dòng khí thổi vào phụ thuộc vào nhiệt độ trong tháp và thời gian lưu lại trong tháp của vật liệu. Như vậy bằng việc  kiểm soát độ nhớt của nguyên liệu và các điều kiện trong tháp chúng ta có thể sản xuất tất cả phẩm cấp nhựa đường oxy hóa.


2.1.4   Bản chất hoá học của quá trình thổi khí
Mục đích của quá trình thổi khí là tạo ra các esphalten. Có 3 hiện tượng có thể xác định được:

·       Các phản ứng trong đó kích thước của các phân tử tăng lên, sự tạo ra các este là đặc biệt quan trọng, chúng không những chiếm tới 60% oxy trong bitum thổi khí mà còn nối các phân tử khác nhau lại, như vậy góp phần tạo ra vật liệu có trọng lượng phân tử cao hơn, cơ chế này dẫn đến việc tăng hàm lượng asphalten và thay đổi cơ cấu hóa keo và lưu biến của bitum.

·       Các phản ứng trong đó hàm lượng của phân tử không đổi tạo ra các hydrocacbon vòng bằng phản ứng dehydro hóa kết hợp với nước như là một sản phẩm phụ.

·       Các phản ứng trong đó hàm lượng của phân tử giảm đi, sự tách các nhánh phụ từ các phân tử kết hợp với các chất chưng cất tạo thành một sản phẩm phụ.

2.2   Nhiệt độ bảo quản và xử lý nhựa đường bitum

Khi xử lý đúng quy cách, bitum có thể được gia nhiệt lại hoặc được duy trì ở một nhiệt độ thích hợp trong một thời gian nhất định  mà không gây tác động xấu đến kỹ thuật của chúng. Tuy nhiên nếu không xử lý đúng quy cách, như do gia nhiệt quá nhanh, quá cao hay tạo ra các điều kiện thúc đẩy quá trình oxy hóa mạnh  thì sẽ gây ra các tác động  xấu đến đặc tính kỹ thuật của bitum hoặc khả năng làm việc của hỗn hợp asphalten.

Độ hóa cứng (hoặc trong những điều kiện nhất định là độ hóa mềm) được tạo ra do xử lý bitum sai quy cách là hàm số của một số thông số như nhiệt độ , tỷ lệ không khí trong bitum, tỷ lệ giữa tiết diện đứng của bồn và thể tích bồn chứa bitum trong phương tiện bồn chứa.