Đồ án Nghiên cứu các phương pháp tách cặn dầu ra khỏi dung dịch chất tẩy rửa từ bồn bể chứa

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 1 HD1001 LỜI CẢM ƠN Tham gia nghiên cứu khoa học là ước mơ của mọi sinh viên, nhất là sinh viên ngành hoá vì đây là con đường ngắn nhất để tiếp cận với thực tiễn. Trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp, em có may mắn được làm trong nhóm nghiên cứu của GS. TS. Đinh Thị Ngọ. Dưới sự hướng dẫn tận tình của cô, em đã được tiếp cận với nguồn tài liệu phong phú, được định hướng tư duy khoa học tiên tiến. Đây là hành trang, thuận lợi khi tốt nghiệp, là tiền đề để em trở thành một kỹ sư tốt trong công cuộc xây dựng đất nước XHCN. Em chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, quan tâm, nhắc nhở của cô! Em chân thành cảm ơn cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản đồ án này! Em chân thành cảm ơn sự động viên, khích lệ của gia đình và bạn bè trong suốt quá trình thực hiện đồ án này! Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 2 HD1001 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ...................................................... 5 I.Tổng quan về chất tẩy rửa. .................................................................................. 5 I.1. Thành phần chất tẩy rửa. ................................................................................. 5 I.1.1. Thành phần của các chất tẩy rửa thông thường. .......................................... 5 I.2. Thành phần chất tẩy rửa cặn xăng dầu. ........................................................ 17 I.2.1. Tinh dầu thông. .......................................................................................... 17 I.2.2. Axit dicacboxylic. ...................................................................................... 19 I.2.3. Chất hoạt động bề mặt. .............................................................................. 22 II. Tổng quan về cặn dầu. .................................................................................... 24 II.1. Tác hại của cặn dầu. .................................................................................... 24 II.2. Nguồn gốc phát sinh cặn dầu ....................................................................... 25 II.3. Thành phần của cặn dầu .............................................................................. 29 III. Tổng quan về chất điện ly. ............................................................................ 32 III.1. Mối quan hệ giữa độ tẩy rửa và điện thế Zeta............................................ 32 III.2. Ảnh hưởng của chất điện ly đến điện thế zeta. .......................................... 32 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 34 I. Tách cặn dầu từ dung dịch chất tẩy rửa. .......................................................... 34 I.1. Nguyên tắc. ................................................................................................... 34 I.2. Hoá chất và dụng cụ. ..................................................................................... 34 I.2.1. Hoá chất ..................................................................................................... 34 I.2.2. Thiết bị và dụng cụ .................................................................................... 35 I.3. Cách tiến hành. .............................................................................................. 35 I.3.1 Khảo sát hiệu suất tách theo nhiệt độ. ........................................................ 35 I.3.2 Khảo sát hiệu suất tách theo tốc độ sục khí khác nhau. .............................. 35 I.3.3. Khảo sát hiệu suất tách khi sử dụng các chất điện ly khác nhau. .............. 35 I.3.4. Khảo sát hiệu suất tách khi sục khí và sử dụng các chất điện ly khác nhau. ............................................................................................................................. 36 II. Xác định thành phần cặn dầu bằng phương pháp hoá học. ............................ 37 II.1. Chưng cất tách nước .................................................................................... 37 II.1.1. Nguyên tắc ................................................................................................ 38 II.1.2. Dụng cụ và hoá chất ................................................................................. 38 II.1.3. Quy trình tiến hành ................................................................................... 38 II.1.4. Tính toán kết quả ...................................................................................... 39 II.2. Xác định các tạp chất cơ học và cacbonit bằng phương pháp trích ly ........ 40 II.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 40 II.2.2. Nguyên tắc ................................................................................................ 40 II.2.3. Dụng cụ và hoá chất ................................................................................. 40 II.2.4. Quy trình tiến hành ................................................................................... 40 II.2.5. Tính toán kết quả ...................................................................................... 41 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 3 HD1001 II.3. Xác định asphanten ...................................................................................... 41 II.3.1. Nguyên tắc ................................................................................................ 41 II.3.2. Quy trình tiến hành ................................................................................... 41 II.3.3. Tính toán kết quả ...................................................................................... 41 II.4. Xác định hàm lượng nhựa ........................................................................... 42 II.4.1. Nguyên tắc ................................................................................................ 42 II.4.2. Quy trình tiến hành ................................................................................... 42 II.4.3. Tính toán kết quả ...................................................................................... 42 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 43 I. Thành phần của cặn dầu. .................................................................................. 43 I.1. Kết luận về thành phần cặn dầu. ................................................................... 43 I.2. Ảnh hưởng của cặn dầu đến bản chất nhiên liệu. ......................................... 43 II. Vai trò, ý nghĩa của việc thu hồi cặn dầu. ...................................................... 44 III. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách dầu. .............................................. 44 III.1. Biện luận về sự cần thiết của việc sử dụng chất tẩy rửa. ........................... 44 III.2. Khảo sát các phương pháp thu hồi cặn dầu. ............................................... 45 III.2.1. Thu hồi cặn dầu bằng phương pháp để lắng. .......................................... 45 III.2.2. Thu hồi cặn dầu bằng phương pháp sục khí. .......................................... 47 III.2.3. Thu hồi cặn dầu bằng phương pháp sử dụng chất điện ly, không sục khí. ............................................................................................................................. 48 III.2.4. Thu hồi cặn dầu bằng phương pháp sử dụng chất điện ly, có sục khí. ... 50 III.2.5. Kết luận về các phương pháp thu hồi cặn dầu. ....................................... 52 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 55 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 4 HD1001 MỞ ĐẦU Trong thời kỳ hiện nay, khi đất nước đang cùng hòa nhập với chủ trương công nghiệp, hiện đại hóa, các khu công nghiệp ngày càng nhiều, trong đó dầu khí đóng một vai trò chủ đạo trong chiến lược phát triển kinh tế của đất nước. Tốc độ của các nghành công nghiệp nói chung và của nghành dầu khí nói riêng đang có sự phát triển vượt bậc. Chính phủ đã xác định nghành dầu khí là “ trụ cột kinh tế của cả nước”. Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã đi vào hoạt động, nhà máy lọc dầu Nghi Sơn, Long Sơn đang từng bước hình thành. Kéo theo đó là hàng loạt những nhà máy, cụm cảng biển, kho bãi đã, đang và sẽ xây dựng. Một trong những vấn đề quan tâm của ngành dầu khí nước ta hiện nay là xử lý cặn bùn, cặn dầu sinh ra trong quá trình khai thác, chế biến, tồn chứa và vận chuyển. Theo ước tính hệ số phát sinh cặn dầu cho một tấn dầu mỏ vào khoảng 7 kg/tấn. Như vậy với sản lượng dầu mỏ của nước ta khai thác năm 1997 là 10 triệu tấn/ năm thì lượng cặn tích tụ hàng năm là 70000 tấn/ năm. Cặn dầu là phần dầu nặng có lẫn một số tạp chất cơ học bám vào hoặc sa lắng xuống đáy của thiết bị tồn chứa hoặc vận chuyển. Lớp trên cùng là nhũ tương của nước với sản phẩm dầu mỏ, lớp giữa là sản phẩm dầu mỏ bẩn và các hạt cơ lửng, lớp đáy chiếm 3/4 là pha rắn và sản phẩm dầu mỏ. Theo cơ quan quản lý tàu dầu Vietsovpetro thì hàng năm có khoảng 1500 – 6000 tấn cặn dầu thu gom từ quá trình vệ sinh tàu dầu được vận chuyển ra Đà Nẵng chờ xử lý. Việc làm sạch bề mặt bị bám dầu là rất khó khăn và mất thời gian. Hiện nay cũng có một số phương pháp làm sạch như gia nhiệt hay sử dụng dung môi là các hydrocacbon để hoà tan hoặc làm mềm, sau đó dùng bơm áp lực để phun hoặc dùng sức người để nạo vét. Hiệu quả của các phương pháp này không cao, chi phí lớn, không an toàn cho người lao động và đặc biệt là làm ô nhiễm môi trường. Vì vậy tìm một phương pháp để làm sạch các bể mặt nhiễm bẩn dầu một cách hiệu quả là rất quan trọng. Một phương pháp hiện nay được đưa ra nghiên cứu đó là sử dụng chất tẩy rửa. Phương pháp này có ưu điểm là không gây độc hại, đơn giản, ít tốn kém và góp phần bảo vệ môi trường. Một vấn đề đặt ra là xử lý hỗn hợp sau quá trình tẩy rửa cặn dầu từ bồn, bể chứa để thu hồi tối đa lượng cặn dầu. Lượng cặn này sẽ được đem ô xi hoá để tạo bitum, cracking để tạo nhiên liệu. Phần nước thải sau đó chứa càng ít cặn dầu thì càng dễ dàng xử lý. Như vậy, nghiên cứu các phương pháp tối ưu để thu hồi cặn dầu từ hỗn hợp sau quá trình tẩy rửa bồn bể chứa không chỉ mang ý nghĩa kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giúp cho ngành công nghiệp của Việt Nam phát triển theo hướng xanh - sạch. Và đó cũng là vấn đề chúng tôi nghiên cứu trong bản đồ án này. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 5 HD1001 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I. Tổng quan về chất tẩy rửa. [8] I.1. Thành phần chất tẩy rửa. I.1.1. Thành phần của các chất tẩy rửa thông thường. Thành phần chính của chất tẩy dùng trong sinh hoạt và trong công nghiệp bao gồm các nhóm chính như sau:  Chất hoạt động bề mặt.  Chất phụ gia.  Chất xây dựng. Mỗi thành phần trong chất tẩy rửa đều có những chức năng riêng trong quá trình tẩy rửa, tuy nhiên chúng vẫn có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Ngoài các thành phần chính trên, tuỳ thuộc vào quá trình sử dụng mà ta có thể cho thêm vào các chất phụ gia hoặc bớt những thành phần không cần thiết. a. Chất hoạt động bề mặt [4, 5].  Giới thiệu về chất hoạt động bề mặt Nhiệm vụ của chất hoạt động bề mặt (HĐBM) là đảm bảo sự tẩy đi các vết bẩn và những chất lơ lửng trong nước giặt để ngăn cản sự bám trở lại của chúng trên bề mặt. Nó chiếm vai trò quan trọng nhất trong thành phần chất tẩy rửa và có mặt ở tất cả các chất tẩy rửa.  Các chất HĐBM có thể được phân thành bốn loại, căn cứ vào bản chất của nhóm chức ưa nước và ion phân ly trong môi trường nước:  Chất HĐBM anion, mang điện tích âm.  Chất HĐBM cation, mang điện tích dương.  Chất hoạt động không ion.  Chất HĐBM lưỡng ion, có điện tích âm hoặc dương tuỳ thuộc vào PH của môi trường.  Chất HĐBM thường cấu tạo bởi hai phần:  Phần có cực: đó là các nhóm chức có cực: -COOH, -CONH2, - C6H4SO3, SO3, vv…Các nhóm này liên kết mạnh với dung môi có cực (như H2O …) nên phần có cực này được gọi là: đầu ưa cực (với dung môi là nước thì được gọi là đầu ưa nước).  Phần không cực: đó là các gốc hydrocacbon. Các gốc này liên kết tốt với các dung môi không cực, nên được gọi là đuôi không cực, hoặc đuôi ưa dầu. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 6 HD1001 Một chất hoạt động bề mặt gồm hai nhóm ưa nước và ưa dầu kết hợp với nhau trong phân tử, nên được gọi là chất HĐBM lưỡng chức. Người ta thường ký hiệu các chất HĐBM theo kiểu như sau: Ngoài ra người ta có thể đánh dấu thêm bằng các ký hiệu: ở bề mặt của một chất lỏng phân cực, các chất HĐBM lưỡng chức định hướng vuông góc với bề mặt, sao cho nhóm ưa nước nằm ở bề mặt, nhóm kị nước hướng ra ngoài bề mặt tạo ra một màng lỏng. Sự lựa chọn chất HĐBM dùng trong sản phẩm tẩy rửa có thể khác nhau, song một chất HĐBM phù hợp cho việc tẩy rửa được mong muốn có các đặc tính sau: hấp phụ chọn lọc, tách được các chất bẩn, độ nhậy cảm với nước cứng thấp, có tính chất phân bố, có khả năng chống chất bẩn tái bám trở lại, tính thấm ướt tốt, đuôi kỵ nước (không cực) đuôi ưa nước (có cực) + + Chất HĐBM cation Chất HĐBM anion Chất HĐBM lưỡng ion Chất HĐBM không ion Hình 1.1. Sự phân bố chất HĐBM trong nước Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 7 HD1001 tính hoà tan cao, có đặc tính tạo bọt mong muốn, mùi thích hợp, bảo quản được lâu, không độc hại đối với người sử dụng, không làm ảnh hưởng đến môi trường, nguồn nguyên liệu dễ kiếm, tính kinh tế. Hiện nay, nhiều nhà chế tạo sử dụng những chất HĐBM có lợi hơn đối với môi trường, nghĩa là những chất có tính phân huỷ sinh học nhiều hơn như: những rượu béo có sunfat gốc dầu thực vật (PAS), những alkyl poly glycozit (APG), các alkyl glucosamit …  Một số chất HĐBM chính dùng trong các sản phẩm tẩy rửa.  Các chất HĐBM anion. Các chất HĐBM mặt hiện đại chứa một lượng chất HĐBM anion lớn hơn chất HĐBM không ion. Dưới đây là các chất HĐBM anion được sử dụng rộng rãi trong thành phần các chất tẩy rửa.  Alkyl benzensunfonat mạch nhánh (ABS). Cấu trúc hoá học: CH2CC CH3 H3C CH3 CH3 CH2 C CH3 CH3 CH3 SO3 - Cho đến những năm 1960 nó được sử dụng rộng rãi nhất. Các chất này đã thay thế phần lớn xà phòng có mặt trong chất tẩy rửa, nhưng sau đó người ta phát hiện ra rằng những mạch nhánh có trong phân tử ABS đã ngăn cản việc phân huỷ sinh học. Vì vậy người ta đã tiến hành tìm kiếm một hợp chất khác có khả năng phân huỷ sinh học tốt hơn và hợp chất linear alkyl benzensunfonat đã thay thế cho ABS.  Alkyl benzensunfonat mạch thẳng (LAS). Cấu trúc hoá học: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 8 HD1001 SO3Na CH3 – (CH2)n – CH – (CH2)n – CH3 LAS có đặc tính tạo bọt tốt, thích hợp cho thành phần của chất tẩy rửa, ngoài ra tính tạo bọt của LAS còn dễ dàng được điều chỉnh và điều này rất có giá trị đối với thị trường chất tẩy rửa ở một số nơi. Do tính hoà tan tốt, LAS cũng được sử dụng trong thành phần chất tẩy rửa dạng lỏng, tuy nhiên LAS là chất rất nhạy cảm với nước cứng. Tính tẩy rửa của LAS sẽ giảm khi độ cứng của nước tăng lên.  Parafin sunfonat (SAS). Cấu trúc hóa học: R1 CH R2 SO3Na Trong đó: R1 + R2 = C11 C12 Hiện nay các sản phẩm này chưa được sử dụng nhiều trong các thành phần bột giặt vì giá bán của nó còn cao. SAS có đặc tính tẩy rửa gần giống với LAS. Tuy nhiên SAS không nhạy cảm với nước cứng đó chính là vì trong phân tử của SAS tồn tại liên kết S – C.  Sulfat rượu bậc một (PAS). Các sản phẩm được chế tạo bằng cách hoặc sunfat hoá các rượu béo (thiên nhiên hay nhân tạo) với hỗn hợp không khí / SO3 theo phản ứng sau: PAS có khả năng phân huỷ sinh học và có khả năng tái sinh được.  Các alkylpolyglucozit (APG). R – CH2 – O – SO3 – Na trong đó R = C11 C12 R – OH + SO3 R – O – SO3H Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 9 HD1001 Công thức hoá học của chúng là: Các sản phẩm APG được dùng trong các công thức bột, nhưng thường là trong các sản phẩm lỏng, nước rửa chén hoặc gel tắm vòi. Chúng rất dễ chịu với da, hơn nữa chúng dễ phân huỷ sinh học. Sự tổng hợp chúng được thực hiện từ các sản phẩm hoàn toàn có thể tái sinh (rượu thiên nhiên và glucoza).  Các chất HĐBM không ion. Chất HĐBM không ion có một số tính chất sau:  Không có tính tương tác điện tử.  Thay đổi với sự có mặt của các chất điện phân.  Có thể điều chỉnh thông số kị nước – ưa nước mong muốn.  Có tính hoà tan khác thường. ưu điểm của chất HĐBM loại này là phân tử của nó dễ dàng đạt được cấu trúc giữa nhóm ưa nước và nhóm kị nước. Nhóm ưa nước của phân tử có thể làm tăng lên dần dần bằng cách cho dần các nhóm etylen oxyt. Điều này dẫn đến tăng từng bước trong phản ứng hydrat hoá và do đó làm tăng tính hoà tan. Một vài chất HĐBM không ion như: alkyl phenol polyglycol ete (APEO), alkyl polyglycol ete (AEO), các amin oxyt.  Chất HĐBM cation Chất HĐBM cation được coi là chất đối nghịch với chất HĐBM anion dựa trên mối quan hệ điện tích. Một lượng nhỏ chất HĐBM cation thêm vào chất HĐBM anion hay thậm chí là chất HĐBM không ion có thể sẽ nâng cao việc thực hiện quá trình tẩy rửa. Các chất HĐBM không ion cho phép sự có mặt của chất cation và hỗn hợp của hai loại này được sử dụng cho chất tẩy rửa đặc biệt là để làm mềm sợi vải. Một số chất HĐBM cation tiêu biểu như: Dialkyl dimetyl amino clorua (DADMAC), các imidazoli bậc bốn sử dụng như là các chất làm mền đậm đặc, alkyl dimetyl benzyl amino clorua (AMBAC).  Chất HĐBM lưỡng tính. O O O OH OH CH2 - OH H R n Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Ngọc Hương 10 HD1001 Các chất lưỡng tính là những chất cation ở pH thấp và là những anion ở pH cao. Ở pH trung gian chúng vừa tích điện âm vừa tích điện dương. Hợp chất của alkyl betaine hoặc alkylsunfo betaine là hợp chất có cả hai nhóm cation và anion trong cùng một phân tử. Mặc dù có tính tẩy rửa rất tốt nhưng chúng chỉ được áp dụng cho một số trường hợp tẩy rửa đặc biệt vì giá thành cao. CH3 O CH3 R N + CH2 C R N + CH2 CH2 SO3 CH3 O CH3 Trong đó: Ngoài ra còn có Alkyl amino propyl betaine là sản phẩm thường dùng cho các loại dầu gội đầu, nước tắm có bọt, sản phẩm rửa chén bát … do chúng có đặc tính tẩy rửa cao, khả năng tạo bọt tốt mà không gây hại cho da.  Đặc tính lý hoá của chất HĐBM.  Sức căng bề mặt: Giữa các phân tử tồn tại lực hút Van der Waals. Trong một chất lỏng cho sẵn, một phân tử riêng biệt cứ mỗi lúc lại ở vào vị trí trung tâm của một trường lực giữa những lực hấp dẫn khác nhau, mang dạng hình cầu đối xứng, trường lực này được tạo nên bởi các phân tử đối diện. Hợp lực của các lực Van der Waals này bằng không. Nhưng trên bề mặt chất lỏng thì các phân tử lại bị đặt vào một trường lực không đối xứng. Các phân tử ở trên bề mặt chất lỏng chịu tác dụng bởi một tập hợp lực có khuynh hướng đẩy các phân tử này về phía bên trong, hợp lực này có tác dụng thu nhỏ bề mặt tiếp giáp với không khí. Chẳng hạn lực này sẽ tạo hình cầu khi một giọt nước rơi tự do trong chân không. Trường lực không cân đối ở bề mặt chất lỏng có thể được tượng trưng bởi một lượng “năng lượng tự do bề mặt”. Năng lượng này có khuynh hướng làm mặt phẳng co lại. Ngược lại, một công tương đương với năng lượng tự do này phải được cung cấp nếu ta muốn tăng phạm vi bề mặt. Năng lượng tự do tính trên một đơn vị diện tích tự do bề mặt được gọi là sức căng bề mặt.  Sức căng giao diện: Trong trường hợp hai chất lỏng không thể tan lẫn, hay giữa một chất rắn và một chất lỏng. Ranh giới tách biệt giữa hai chất này được gọi là giao diện, có các điểm chung với bề