Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5656:1992 Dầu thô-Phương pháp chưng cất Hempel

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 5656 : 1992

DẦU THÔ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT HEMPEL

Hempel distillation

Lời nói đầu

TCVN 5656 : 1992 được biên soạn trên cơ sở tham khảo các Tiêu chuẩn quốc gia : ASTM D285 : 1962 và IOCT 11011 : 1985.

TCVN 5656 :1992 do Viện Dầu khí, Bộ Công nghiệp nặng biên soạn,Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Uỷ ban Khoa học và kỹ thuật Nhà nước (nay là Bộ Khoa học và Công nghệ) ban hành.

Tiêu chuẩn này được chuyển đổi năm 2008 từ Tiêu chuẩn Việt Nam cùng số hiệu thành Tiêu chuẩn Quốc gia theo quy định tại khoản 1 Điều 69 của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a khoản 1 Điều 6 Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật.

DẦU THÔ - PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT HEMPEL

Hempel distillation

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định khối lượng từng phân đoạn và phần cặn của mẫu dầu thô bằng chưng cất Hempel ở nhiệt độ sôi đến 500 ^oC theo áp suất khí quyển.

1. Bản chất phương pháp

Phương pháp này dựa trên cơ sở chưng cất 300 ml mẫu đã được xác định khối lượng tới nhiệt độ sôi 500 ^oC lần lượt ở ba áp suất: áp suất khí quyển, áp suất 100 mm thuỷ ngân và áp suất 2 mm thuỷ ngân xác định khối lượng của từng phân đoạn và từng phần cặn để vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa phần trăm khối lượng và nhiệt độ sôi.

2. Thiết bị và hoá chất

2.1. Thiết bị

Thiết bị chưng cất Hempel được mô tả theo sơ đồ Hình 1.

Ngoài ra còn có : Cân kỹ thuật có độ chính xác 0,001 g; các dụng cụ thuỷ tinh: ống đong, cốc, phễu và các bình nón hoặc bình cầu có nút nhám dùng để bảo quản sản phẩm; ống cao su dẫn chất lỏng làm lạnh và vỏ bao ôn; đèn chiếu tạo ra nguồn nhiệt cao để làm chảy mẫu và sản phẩm.

2.2 Hoá chất

Rượu etylic 96 % theo TCVN 1052 : 1971;

Mỡ chân không có khả năng chịu nhiệt tới 300 ^oC ;

Xăng công nghiệp.

3 Chuẩn bị mẫu và thiết bị chưng cất

Lấy theo TCVN 2715 : 1978.

Rửa sạch bình chưng cất, các dụng cụ thuỷ tinh, xích nhồi cột…bằng xăng công nghiệp và làm khô.

Cho đá bọt vào bình chưng cất, cân để xác định toàn bộ khối lượng của bình, đã bọt, vòng đỡ xích nhồi cột và xích nhồi cột. Lấy xích và vòng đỡ xích ra khỏi thân cột của bình chưng cất. Dùng phễu đuôi dài rót 300 ml mẫu vào bình. Cân và xác định khối lượng của mẫu. Đồng thời cân và xác định khối lượng của các ống hứng sản phẩm (độ chính xác 0,001 g).

Dùng mỡ chân không bôi trơn các cổ nhám và lắp thiết bị chưng cất theo sơ đồ hình vẽ (gồm các bộ phận từ 1 đến 11).

Cho máy lạnh hoạt động và đưa nhiệt độ của chất lỏng làm lạnh (rượu etylic) xuống –20 ^oC. Cho bơm hút đẩy của máy làm việc nhằm đưa chất lỏng có nhiệt độ thấp chảy qua sinh hàn của bộ chưng cất, đảm bảo trong suốt quá trình chưng cất, nhiệt độ sinh hàn phải thấp hơn nhiệt độ sôi của phân đoạn tối thiểu là 50 ^oC.

Trước khi bật bếp đun nóng bình chứa mẫu, phải kiểm tra độ kín của hệ thống chưng cất như sau:

Cho bơm chân không hoạt động hết công suất. Độ chừng 5 phút để áp suất của hệ đạt mức ổn định. Nếu áp suất này còn cao hơn áp suất thấp nhất mà bơm chân không có thể đạt được thì chứng tỏ hệ thống chưng cất chưa thật kín. Để có thể phát hiện chỗ hở ta làm như sau: cho bơm ngừng hoạt động. Nếu các khoá bằng nút nhám chưa được bôi mỡ tốt thì sẽ thấy các bọt khí xuất hiện. Nếu các khoá thuỷ tinh được bôi trơn tốt, hoàn toàn kín thì tìm chỗ hở trên đường ống cao su chân không. Hở thuộc về ống cao su chân không thường xảy ra ở một trong hai khả năng sau: Thứ nhất do ống cũ đã bị rạn nứt, thứ hai do tiếp xúc giữa ống cao su và ống thuỷ tinh không chặt. Nếu ống cũ không đảm bảo độ kín thì phải thay ống mới. Nếu tiếp xúc giữa ống cao su và ống thuỷ tinh không chặt thì phải lắp lại.

Sau khi kiểm tra và khắc phục chỗ hở (nếu có) như chỉ ra ở trên, hệ thống chưng cất hoàn toàn kín, đạt áp suất tối thiểu một cách ổn định thì có thể tiến hành chưng cất.

4 Tiến hành chưng cất

4.1 Chưng cất ở áp suất khí quyển

Bật bếp đun nóng bình chứa mẫu, nhờ bộ phận điều chỉnh (1) nâng dần nhiệt độ của bình chưng cất để mẫu sôi đều và tiến hành chưng cất với tốc độ 4 giọt đến 5 giọt sản phẩm trong một phút.

Để tránh sai số lớn do phải cân các phân đoạn có quá ít sản phẩm, khoảng cách nhiệt độ các phân đoạn có thể từ 20 ^oC đến 50 ^oC. Đối với từng phân đoạn cụ thể, nếu lượng sản phẩm cất được ít thì có thể kéo dài khoảng nhiệt độ và ngược lại.

Muốn lấy riêng từng phân đoạn sản phẩm, dùng tay quay nhẹ bình (9) để ống hứng sản phẩm (11) nằm đúng vị trí mà các giọt sản phẩm chảy xuống từ ống dẫn (10).

Sau khi kết thúc mỗi phân đoạn, tháo ống chứa sản phẩm vừa chưng cất, lau sạch mỡ ở phần cổ nhám của nó, cân và xác định khối lượng của phân đoạn đó. Rót sản phẩm vào bình nón hoặc bình cầu và bảo quản trong tủ lạnh.

Khi nhiệt độ đầu cột đạt 200 ^oC, ngừng chưng cất ở áp suất khí quyển để chuyển sang chưng cất ở áp suất 100 mm thuỷ ngân.

4.2 Chưng cất ở áp suất 100 mm thuỷ ngân.

Trong thời gian chờ cho bình chưng cất nguội dần về nhiệt độ 40 ^oC – 50 ^oC, tiến hành lắp toàn bộ thiết bị chưng cất như sơ đồ trong hình vẽ (lắp thêm các chi tiết từ 12 đến 18).

Cho máy hút chân không hoạt động, kiểm tra độ kín của hệ thống chưng cất một lần nữa, nếu chưa thật kín thì phải khắc phục ngay (như trình bày ở điều 3).

Bằng cách thay đổi chiều cao của bình thuỷ ngân (15), đưa áp suất về 100 mm thuỷ ngân. Sau khi áp suất ổn định, bật bếp điện và tiến hành chưng cất như điều 4.1.

Để chuyển đổi nhiệt độ sôi ở áp suất 100 mm thuỷ ngân về nhiệt độ sôi ở áp suất thường, sử dụng toán đồ trong tiêu chuẩn này.

Hình 1 - Sơ đồ chưng cất Hempel

Khi nhiệt độ đầu cột đạt 300 ^oC (theo áp suất khí quyển) thì ngừng chưng cất, đợi bình chưng cất nguội đến 40 ^oC đến 50 ^oC và tiến hành chưng cất ở áp suất 2 mm thuỷ ngân.

4.3 Chưng cất ở áp suất 2 mm thuỷ ngân.

Cho bơm chân không hoạt động, đưa áp suất về 2 mm thuỷ ngân. Bật bếp điện và tiến hành chưng cất như điều 4.1.

Nếu sản phẩm chưng cất đông đặc ngay trong sinh hàn và đường chảy xuống (khi ấy lớp sản phẩm trở nên đục và bám chặt vào ống thuỷ tinh), ngừng làm lạnh, dùng đèn chiếu cấp nhiệt để sản phẩm lỏng ra.

Khi nhiệt độ đầu cột chưng cất đạt 500 ^oC (theo áp suất khí quyển) ngừng chưng cất. Khi chưa đạt nhiệt độ trên, nếu thấy trong bình chưng cất có hiện tượng bốc khói trắng và nhiệt độ đầu cột chưng cất bắt đầu giảm xuống tức là mẫu đã bị phân huỷ. Trong trường hợp đó phải tắt ngay bếp điện và ghi nhiệt độ phân huỷ của mẫu; chưng cất phải ngưng tại đây.

Chờ cho bình nguội hẳn, cân và xác định khối lượng phần dầu cặn.

5 Tính kết quả

5.1 Phần trăm khối lượng của từng phân đoạn và phần cặn tính theo công thức :

a =  x 100 [%]

trong đó :

a là phần trăm khối lượng của phân đoạn (hoặc phần cặn) so với khối lượng mẫu chưng cất, %;

m là khối lượng của phân đoạn hoặc phần cặn, g;

M là khối lượng của mẫu chưng cất, g.

5.2 Phần trăm khối lượng phần mất mát tính theo công thức:

b = 100 - S a [%]

trong đó :

b là phần trăm khối lượng của phần mất mát so với khối lượng mẫu chưng cất, %;

S a là tổng phần trăm khối lượng của các phân đoạn sản phẩm và phần cặn, %.

Phần mất mát không vượt quá 5 % khối lượng so với khối lượng mẫu chưng cất; nêu không đạt được như vậy chưng cất phải làm lại.

5.3 Cộng dồn phần trăm khối lượng các phân đoạn, phần cặn và vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của phần trăm khối lượng vào nhiệt độ sôi (trên đồ thị, trục tung ghi nhiệt độ sôi, trục hoành ghi phần trăm khối lượng các phân đoạn).

TOÀN ĐỒ CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐỘ SÔI Ở ÁP SUẤT THẤP SANG NHIỆT ĐỘ SÔI Ở ÁP SUẤT THƯỜNG

Hình 2

Phụ lục

Toàn bộ thiết bị để tiến hành chưng cất Hempel được lắp ráp theo sơ đồ trong hình vẽ của tiêu chuẩn này. Dưới đây là đặc điểm kỹ thuật và các tác dụng của các bộ phận chủ yếu.

1 Bếp đun điện kín và bộ điều chỉnh tốc độ đun nóng:

Bếp điện kín có công suất 1 kW , được cấu tạo như một nửa của hình cầu lõm, ôm khít nửa dưới của bình cất. Bếp được lắp với bộ điều chỉnh tốc độ đun nóng (thực chất nó là một biến thế) cho phép nâng dần nhiệt độ của bình cất.

2 Bình chưng cất Hemlep và cột chưng cất:

Đây là bộ phận chủ yếu, quyết định đặc tính của chưng cất này. Bình chưng cất và cột được chế tạo liền nhau bằng thuỷ tinh chịu nhiệt, chịu áp suất có dạng như chỉ ra trong hình vẽ (các bộ phận có đánh số 3, 4, 5). Bình dung tích 0,5 lít có ống cắm nhiệt kế đo nhiệt độ của mẫu thí nghiệm. Cổ bình có dạng hình ống dài tạo nên cột chưng cất. Bên trong cột ta lắp vòng kim loại dùng để đỡ dây xích nhồi cột. Dây xích dài khoảng 4 m được tạo nên bởi nhiều vòng thép không rỉ móc vào nhau. Sau khi rót mẫu vào bình, ta lắp vòng đỡ và dây xích vào cổ bình nhám tạo nên các đĩa trong cột chưng cất.

3 Nhiệt kế

Người ta sử dụng hai loại nhiệt kế để đo nhiệt trong chưng cất Hempel. Hai nhiệt kế rượu có khoảng đo từ - 30 ^oC đến + 50 ^oC dùng để đo nhiệt độ của chất lỏng sinh hàn và nhiệt độ của các phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp. Hai nhiệt kế thuỷ ngân có khoảng đo từ 0 ^oC đến 400 ^oC dùng để đo nhiệt độ của mẫu trong bình chưng cất và nhiệt độ sôi của các phân đoạn. Các nhiệt kế có vạch chia 1 ^oC.

4 Sinh hàn, ống nối, ống dẫn sản phẩm, bình phân chia sản phẩm, ống chia sản phẩm được mô tả bằng các bộ phận có ký hiệu từ 7 đến 11 trong hình vẽ.

Tất cả được chế tạo bằng thuỷ tinh chịu nhiệt, chịu áp suất và có độ bền cơ học cao. Riêng bình phân chia sản phẩm có cấu tạo đặc biệt. Do hình dạng của nó ta có thể gọi nó là bình con nhện. Bình có một cổ nhám ở phía trên, phía dưới có 6 ống ra được lắp khít với 6 ống chứa các phân đoạn sản phẩm khác nhau. Dung tích mỗi ống chứa sản phẩm này khoảng 30 ml. Mỗi khi chuyển phân đoạn sản phẩm ta chỉ việc quay bình con nhện 9 sao cho ống dẫn 10 nằm đúng phía trên của ống chứa sản phẩm 11.

5 Đồng hồ đo, điều chỉnh áp suất và các bình bảo hiểm.

Đồng hồ đo áp suất 13 là một ống thuỷ tinh gồm ba nhánh A, B, C; thang đo D có vạch chia 1 mm và khoá R1.

Áp suất chưng cất chính là sự chênh lệch chiều cao (tính bằng mm) giữa hai cột thuỷ ngân A và B. Bộ điều chỉnh áp suất gồm hai bình thuỷ ngân 14 và 15. Muốn đạt áp suất nào đó ta chỉ việc nâng lên hay hạ xuống bình 15, khi ấy chiều cao cột thuỷ ngân trong bình 14 sẽ thay đổi dẫn tới áp suất thay đổi theo.

Trong quá trình cất, khoá R2 luôn ở vị trí đóng, nhờ vậy không khí đi vào ống thuỷ tinh nhỏ ở chính giữa bình 14 sục qua lớp thuỷ ngân rồi đi vào bơm hút. Độ nhúng sâu ống thuỷ tinh này nhiều hay ít trong lớp thuỷ ngân quyết định áp suất lớn hay nhỏ.

Để đảm bảo an toàn không cho sản phẩm dầu có thể lọt sang bộ điều chỉnh áp suất, không cho thuỷ ngân lọt sang máy hút chân không hoặc ngược lại, người ta còn phải lắp hai bình bảo hiểm 12 và 16. Đó là bình thuỷ tinh hai vỏ : Sản phẩm dầu hoặc thuỷ ngân sẽ nằm ở đáy lớp vỏ ngoài (bình 12) và xuống bình cầu lắp ở phía dưới của bình 16.

6. Bơm hút và ống cao su chân không

Bơm hút chân không có công suất thích hợp, tạo được áp suất nhỏ (xấp xỉ OmmHg) và làm ổn định trong quá trình chưng cất. Ống cao su phải đủ độ kín, độ cứng và chịu được sự chênh lệch áp suất tối thiểu là 1 at.

7. Cân kỹ thuật

Độ chính xác 0,001 g, có thể cân được một khối lượng 1 kg.

8. Máy lạnh, chất lỏng làm lạnh

Máy lạnh là một Cryostat có khả năng hạ nhiệt độ từ - 30 ^oC đến – 40 ^oC. Máy được trang bị một bơm hút đẩy dùng để bơm chất lỏng làm lạnh vào sinh hàn của bộ cất. Chất lỏng làm lạnh thường được sử dụng là alcol etylic 96 %. Chất này không bị đông đặc ở - 40 ^oC.

9. Các dụng cụ thuỷ tinh :

Ống đong dung tích 0,5 lít, vạch chia 10 ml dùng để đong mẫu chưng cất. Phễu thuỷ tinh đuôi dài dùng để rót mẫu và sản phẩm. Các bình nón nút nhám (hay bình cầu) có dung tích thích hợp dùng để chứa sản phẩm chưng cất.

10. Đèn chiếu tạo ra nguồn nhiệt cao để làm nóng chảy mẫu và sản phẩm:

Có thể là một bóng đèn điện thông thường có công suất lớn (300 W – 500 W ) hoặc đèn hồng ngoại có công suất tương đương.