Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp phân bón giữ vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh lương thực quốc gia, trong đó phân bón hóa học đóng góp từ 35% đến 45% vào tổng năng suất cây trồng theo thống kê của Tổ chức Nông Lương Liên Hợp Quốc. Nhằm nâng mức đáp ứng nhu cầu phân đạm nội địa lên khoảng 80%, Nhà máy Đạm Cà Mau đã được đầu tư xây dựng với quy mô công suất thiết kế đạt 800.000 tấn urea mỗi năm, tương đương 2.385 tấn urea mỗi ngày. Trong cấu trúc công nghệ tổng thể, phân xưởng sản xuất ammonia theo bản quyền của Haldor Topsoe đóng vai trò hạt nhân với nhiệm vụ cung cấp 1.350 tấn ammonia mỗi ngày và 1.790 tấn carbon dioxide mỗi ngày phục vụ trực tiếp cho phân xưởng urea.

Dây chuyền công nghệ của nhà máy ban đầu được thiết kế tối ưu dựa trên cấu hình khí nguyên liệu tự nhiên từ mỏ PM3-CAA, với hàm lượng methane chiếm 77,66% mol và carbon dioxide chiếm 8,00% mol. Tuy nhiên, trước bối cảnh suy giảm sản lượng mỏ và yêu cầu đa dạng hóa nguồn cấp khí dài hạn, nhà máy cần tiếp nhận các nguồn khí dự phòng gồm Đường ống Đông Tây từ bể Nam Côn Sơn và mỏ Lô B. Thành phần của các nguồn khí này có sự biến động rất lớn: hàm lượng methane từ Đường ống Đông Tây tăng cao đến 88,77% mol (tăng hơn 10% mol so với thiết kế), trong khi hàm lượng carbon dioxide từ Lô B chiếm tới 18,41% mol (tăng hơn 10% mol). Sự khác biệt này tác động trực tiếp đến cân bằng vật chất, phụ tải nhiệt lò reforming, hiệu suất chuyển hóa CO và chế độ làm việc của vòng tổng hợp ammonia.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình mô phỏng tĩnh hoàn chỉnh phân xưởng ammonia của Nhà máy Đạm Cà Mau trên phần mềm chuyên dụng PRO/II. Nghiên cứu thực hiện đánh giá định lượng sự thay đổi của từng cụm công nghệ khi chuyển đổi nguồn khí, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật vận hành linh hoạt, an toàn và tối ưu hóa hiệu quả năng lượng trong thực tế sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng thời hai nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học và động học phản ứng hóa học công nghiệp để mô tả chính xác chuỗi quá trình chuyển hóa hydrocarbon thành ammonia.

Thứ nhất là lý thuyết cân bằng pha nhiệt động lỏng hơi kết hợp phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong, cho phép tính toán chính xác các thông số enthalpy, entropy, tỷ trọng và hằng số cân bằng của hỗn hợp khí thiên nhiên đa cấu tử ở dải áp suất cao từ 40 barg đến 152 barg.

Thứ hai là lý thuyết cân bằng hóa học và động học của chuỗi phản ứng liên hoàn trong phân xưởng ammonia: phản ứng reforming hơi nước của methane và hydrocarbon bậc cao thu nhiệt mạnh, phản ứng chuyển hóa carbon monoxide tỏa nhiệt xúc tác dị thể, phản ứng hấp thụ chọn lọc carbon dioxide bằng dung dịch hoạt hóa MDEA nồng độ 40% khối lượng, và phản ứng tổng hợp ammonia theo nguyên lý Haber-Bosch giữa nitrogen và hydrogen trên hệ xúc tác gốc sắt.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: tỷ lệ hơi nước trên cacbon (ký hiệu H2O/C) kiểm soát sự tạo muội than trong ống bức xạ nhiệt; tỷ lệ mol hydrogen trên nitrogen (H2/N2) duy trì ở mức xấp xỉ 3,0 trong khí tổng hợp và 2,7 trong khí make-up nhằm bù trừ độ hòa tan chất lỏng; độ chuyển hóa cân bằng nhiệt động; và hoạt tính bảo vệ xúc tác chống ngộ độc bởi hợp chất lưu huỳnh hoặc clo dưới ngưỡng 0,05 ppm thể tích.

Phương pháp nghiên cứu

Mô hình nghiên cứu sử dụng bộ dữ liệu thiết kế toàn diện trích xuất từ các bản vẽ sơ đồ dòng công nghệ (PFD), sơ đồ đo lường và đường ống (P&ID), cùng tài liệu đặc tính kỹ thuật (Datasheet) của toàn bộ thiết bị trong phân xưởng ammonia Nhà máy Đạm Cà Mau. Mẫu dữ liệu khảo sát bao gồm 14 cấu tử hóa học tiêu chuẩn gồm Ar, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, CO, CO2, N2, H2, O2, H2O và NH3 được trích xuất từ cơ sở dữ liệu chuyên ngành. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu công nghệ là phương pháp đại diện toàn phần tại các điểm nút công nghệ quan trọng ở chế độ vận hành 100% công suất thiết kế.

Lý do lựa chọn phần mềm mô phỏng PRO/II phiên bản 9 là nhờ năng lực tính toán cân bằng nhiệt động vượt trội đối với các hệ khí hóa dầu phức tạp, khả năng tính toán liên tục theo từng module thiết bị và cho phép tích hợp hệ số tương tác nhị phân tùy chỉnh cho từng cặp cấu tử. Quá trình mô phỏng được đối chứng chéo với phần mềm HYSYS để xác thực các hệ số cân bằng nhiệt độ A, B, C, D của phản ứng reforming.

Mô hình thiết lập giới hạn sai số nghiêm ngặt để nghiệm thu: sai số về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng tổng của các dòng công nghệ và công suất nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt không vượt quá 5%, sai số thành phần các cấu tử chính không vượt quá 5%, và cấu tử phụ không vượt quá 10% so với dữ liệu gốc của nhà sản xuất Haldor Topsoe.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên PRO/II đã lượng hóa rõ rệt các thay đổi công nghệ khi thay đổi nguồn khí nguyên liệu đầu vào:

Khi chuyển sang nguồn khí Đường ống Đông Tây với hàm lượng methane đạt 88,77% mol và nhiệt trị cao ở mức 46,5 MJ/m3, công suất nhiệt cấp vào thiết bị reforming sơ cấp H201 tăng khoảng 6,5% so với mức thiết kế để đảm bảo chuyển hóa hết lượng hydrocarbon nặng. Dòng khí công nghệ ra khỏi lò reforming sơ cấp duy trì ổn định ở nhiệt độ 783 độ C, trong khi lưu lượng không khí nén đưa vào thiết bị reforming thứ cấp R203 phải tăng thêm khoảng 4,2% để cung cấp đủ lượng nitrogen, giữ tỷ lệ H2/N2 ở mức 3,0 trước khi vào tháp tổng hợp.

Khi vận hành với nguồn khí mỏ Lô B có hàm lượng carbon dioxide lên tới 18,41% mol và nhiệt trị giảm xuống 31,1 MJ/m3, sản lượng hydro sinh ra từ quá trình reforming sơ cấp suy giảm khoảng 4,8%. Nồng độ CO2 cao làm tăng phụ tải lưu lượng thể tích dòng khí đi qua tháp hấp thụ F302 lên hơn 15%, đòi hỏi hệ thống tái sinh dung dịch MDEA phải làm việc ở chế độ tải tối đa.

Tại cụm chuyển hóa CO, nhiệt độ dòng khí ra khỏi tháp chuyển hóa nhiệt độ cao R204 đạt khoảng 430 độ C và tháp nhiệt độ thấp R205 đạt khoảng 225 độ C. Thành phần CO sau hai cấp chuyển hóa duy trì dưới 0,3% mol, đáp ứng đúng yêu cầu bảo vệ xúc tác tinh chế của thiết bị methane hóa R301.

Trong vòng tổng hợp ammonia, áp suất chu trình tự động xác lập ở mức 137,3 barg đối với khí thiết kế và có xu hướng tăng nhẹ lên 139,5 barg khi sử dụng khí Lô B do tích tụ khí trơ, làm giảm hiệu suất thu hồi ammonia lỏng ngưng tụ khoảng 3,2% nếu không tăng cường lưu lượng khí xả purge gas.

Thảo luận kết quả

Các biến động nhiệt động và công nghệ nêu trên được tổng hợp chi tiết qua bảng cân bằng vật chất phân xưởng và biểu đồ phân bố nhiệt lượng của các thiết bị trao đổi nhiệt E311, E211.

Nguyên nhân của hiện tượng tăng phụ tải nhiệt lò H201 khi dùng khí Đường ống Đông Tây là do hàm lượng liên kết C-H trong methane đòi hỏi năng lượng phân tách lớn hơn các hydrocarbon mạch dài. Đối với nguồn khí Lô B, lượng CO2 trơ không tham gia phản ứng reforming làm giảm áp suất riêng phần của các chất phản ứng, đồng thời gây nguy cơ thúc đẩy phản ứng phụ tạo hợp chất carbonyl sulfide (COS) trong bình hydro hóa R201 ở nhiệt độ 350 độ C, đòi hỏi hai tháp hấp thụ kẽm oxide R202A/B phải hoạt động liên tục để giữ hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,05 ppm thể tích.

So với các nghiên cứu vận hành tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ vốn có nguồn khí đầu vào tương đối ổn định từ mỏ Bạch Hổ và Rồng Đôi, điều kiện vận hành tại Nhà máy Đạm Cà Mau phức tạp hơn nhiều do biên độ dao động nhiệt trị từ 31,1 đến 46,5 MJ/m3. Việc giữ nhiệt độ 3 tầng xúc tác tháp tổng hợp R501 trong các khoảng vận hành tối ưu (tầng một từ 390 đến 494 độ C, tầng hai từ 420 đến 464 độ C, tầng ba từ 402 đến 441 độ C) có ý nghĩa sống còn nhằm ngăn ngừa hiện tượng suy giảm hoạt tính vĩnh viễn của xúc tác sắt KM1R và tối ưu hóa tuổi thọ thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

Để đảm bảo phân xưởng ammonia vận hành an toàn và liên tục khi tiếp nhận các nguồn khí thay thế, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, điều chỉnh tỷ lệ hơi nước trên cacbon (H2O/C) trong dải kiểm soát từ 3,0 đến 3,2 khi cấp nguồn khí Đường ống Đông Tây có hàm lượng methane 88,77% mol. Giải pháp này giúp ngăn ngừa triệt để nguy cơ đóng cặn muội than trên bề mặt 150 ống xúc tác niken của lò H201, do Ban Vận hành phân xưởng thực hiện giám sát định kỳ theo từng ca sản xuất.

Thứ hai, tăng lưu lượng tuần hoàn của dung dịch hoạt hóa MDEA 40% khối lượng thêm từ 12% đến 15% tại tháp hấp thụ F302 và tháp giải hấp F301 khi tiếp nhận nguồn khí Lô B. Biện pháp này nhằm mục tiêu giữ hàm lượng CO2 dư trong khí tổng hợp sau tinh chế ở mức dưới 500 ppm thể tích, do Đội Kỹ thuật công nghệ triển khai hoàn tất trong vòng 30 ngày trước thời điểm chuyển đổi nguồn khí.

Thứ ba, thiết lập chế độ tự động điều khiển lưu lượng không khí nạp vào thiết bị reforming thứ cấp R203 nhằm duy trì tỷ lệ H2/N2 ổn định trong khoảng 2,95 đến 3,05 tại đầu vào tháp tổng hợp R501. Trưởng ca điều độ trung tâm chịu trách nhiệm kiểm soát thông số này 24/7 thông qua hệ thống điều khiển tích hợp DCS để bảo đảm công suất đầu ra 1.350 tấn ammonia mỗi ngày.

Thứ tư, duy trì nghiêm ngặt nhiệt độ khí nạp vào thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao R204 ở mức 360 độ C và thiết bị nhiệt độ thấp R205 ở dải 170 đến 210 độ C. Phòng Bảo dưỡng thiết bị cần định kỳ phân tích độ giảm áp qua các tầng xúc tác SK-201-2 và LK-821-2 theo lộ trình 6 tháng một lần nhằm kéo dài chu kỳ thay thế xúc tác lên trên 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

Nhóm kỹ sư vận hành và điều độ công nghệ tại các nhà máy sản xuất đạm, hóa chất: Tài liệu cung cấp quy trình phân tích định lượng, các điểm cảnh báo nhiệt độ, áp suất và phương án xử lý tức thời khi xảy ra sự cố dao động thành phần khí nguyên liệu trong dây chuyền Haldor Topsoe.

Nhóm kỹ sư thiết kế và mô phỏng quy trình công nghệ: Sử dụng mô hình mô phỏng PRO/II đã được kiểm chứng với sai số dưới 5% làm khuôn mẫu tham chiếu để xây dựng các mô hình mô phỏng tĩnh và động cho các phân xưởng xử lý khí hoặc tổng hợp hóa dầu quy mô công nghiệp.

Nhóm cán bộ quản lý kỹ thuật và hoạch định dự án dầu khí: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học xác đáng về hiệu quả năng lượng, mức tiêu hao nguyên liệu và độ bền thiết bị để lập phương án kinh tế kỹ thuật khi đàm phán hợp đồng mua bán khí từ các mỏ mới.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa dầu, Công nghệ Hóa học: Tài liệu đóng vai trò là một case study thực tế chuẩn mực về việc kết hợp lý thuyết hóa học dầu khí, phần mềm mô phỏng hiện đại và số liệu vận hành thực tế tại một nhà máy hóa dầu trọng điểm quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Việc thay đổi nguồn khí ảnh hưởng thế nào đến chế độ làm việc của lò reforming sơ cấp H201? Khi tiếp nhận nguồn khí Đường ống Đông Tây với hàm lượng methane cao tới 88,77% mol, phụ tải nhiệt bức xạ của lò H201 tăng khoảng 6,5%. Người vận hành cần nâng tỷ lệ H2O/C lên mức 3,1 và kiểm soát độ dư không khí buồng đốt ở mức 2% để duy trì nhiệt độ khí ra ở 783 độ C, tránh quá nhiệt làm nứt 150 ống xúc tác.

Tại sao nguồn khí Lô B lại gây áp lực lớn lên phân xưởng tách khí CO2? Nguồn khí Lô B chứa tới 18,41% mol CO2, cao hơn 10,41% mol so với cấu hình thiết kế PM3-CAA (8,00% mol). Sự gia tăng này đẩy lưu lượng CO2 cần tách bằng dung dịch MDEA 40% khối lượng tăng thêm trên 15%, đòi hỏi hệ thống tháp F301 và F302 phải nâng công suất bơm tuần hoàn dung dịch để đảm bảo độ tinh khiết khí tổng hợp.

Hệ nhiệt động nào được chứng minh là phù hợp nhất khi mô phỏng phân xưởng sản xuất ammonia? Hệ nhiệt động Soave-Redlich-Kwong (SRK) kết hợp hiệu chỉnh hệ số tương tác nhị phân thực nghiệm là lựa chọn tối ưu nhất cho hệ khí thiên nhiên và khí tổng hợp ở áp suất dưới 152 barg. Mô hình này cho phép tính toán chính xác cân bằng pha lỏng hơi và enthalpy với sai số kỹ thuật luôn duy trì dưới 5%.

Tỷ lệ H2/N2 trong chu trình tổng hợp ammonia cần được kiểm soát ở giá trị nào? Tỷ lệ H2/N2 của dòng khí make-up cần kiểm soát chặt chẽ ở ngưỡng xấp xỉ 2,7 đến 3,0 trước khi vào tháp R501 vận hành tại 137,3 barg. Nếu tỷ lệ này bị lệch, lượng khí không phản ứng tích tụ sẽ làm tăng áp suất hệ thống, buộc phải xả bỏ nhiều khí trơ và gây tổn thất sản lượng ammonia lỏng 1.350 tấn mỗi ngày.

Kết quả mô phỏng từ đề tài có thể ứng dụng trực tiếp cho các nhà máy hóa dầu khác không? Có, phương pháp luận xây dựng mô hình và bộ thông số cân bằng nhiệt động trên PRO/II hoàn toàn có thể áp dụng cho các nhà máy sử dụng công nghệ Haldor Topsoe như Đạm Phú Mỹ hoặc các tổ hợp hóa dầu khác, giúp tiết kiệm thời gian tính toán và giảm thiểu rủi ro khi thử nghiệm đổi nguồn nguyên liệu.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng tĩnh hoàn chỉnh phân xưởng ammonia Nhà máy Đạm Cà Mau trên phần mềm PRO/II với độ chính xác cao, sai số công nghệ dưới 5% so với thiết kế.
  • Xác định định lượng tác động của nguồn khí Đường ống Đông Tây (88,77% mol methane), làm tăng phụ tải nhiệt lò reforming H201 thêm khoảng 6,5% và đòi hỏi tăng 4,2% lượng không khí công nghệ.
  • Lượng hóa nguy cơ quá tải tháp tách CO2 F302 lên hơn 15% khi chuyển sang nguồn khí Lô B chứa 18,41% mol CO2, đồng thời chỉ ra sự sụt giảm 4,8% sản lượng hydro sinh ra từ cụm reforming.
  • Đề xuất hoàn chỉnh 4 giải pháp vận hành tối ưu về kiểm soát tỷ lệ H2O/C từ 3,0 đến 3,2, điều chỉnh nồng độ tuần hoàn MDEA và ổn định tỷ lệ H2/N2 ở mức 3,0 trong vòng tổng hợp 137,3 barg.
  • Cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc giúp Nhà máy Đạm Cà Mau chủ động chuyển đổi nguồn khí, bảo đảm sản lượng 800.000 tấn urea mỗi năm và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã giải quyết thành công bài toán vận hành linh hoạt giữa các nguồn nguyên liệu có thành phần biến động mạnh cho một tổ hợp hóa dầu quy mô lớn nhất Việt Nam. Trong định hướng nghiên cứu tiếp theo giai đoạn tới, việc mở rộng phát triển mô hình mô phỏng động (dynamic simulation) kết hợp thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu thời gian thực sẽ giúp tự động hóa hoàn toàn quy trình chuyển đổi nguồn khí. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu công nghệ hóa dầu hãy khai thác sâu các dữ liệu và giải pháp từ công trình này để áp dụng hiệu quả vào thực tiễn sản xuất.