Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vận hành phân xưởng chế biến dầu I (Mã mô đun: PETR56116) là tài liệu đào tạo chuyên môn nghề được ban hành theo Quyết định số 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do tập thể giảng viên biên soạn gồm: GV. Lưu Trà My (Chủ biên), Phạm Tuấn Linh, ThS. Ngô Thị Bích Thu, Nguyễn Huỳnh Đông và Phạm Công Quang. Mô đun có thời lượng 6 tín chỉ (tổng cộng 145 giờ, gồm 42 giờ lý thuyết, 94 giờ thực hành/thảo luận và 9 giờ kiểm tra), được bố trí giảng dạy trong chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp.

Về vị trí trong chương trình đào tạo, mô đun này được xếp sau các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên môn như Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật (ELEI53011), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Sản phẩm dầu mỏ (PETR53005), Vận hành máy thủy khí I (PETR56107), Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (PETR56109), Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (PETR53111), Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (PETR56115); đồng thời là điều kiện tiên quyết trước khi học Vận hành phân xưởng chế biến dầu II (PETR56118) và Thực tập sản xuất (PETR54219).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định trên ba phương diện:

  • Kiến thức (A1): Trình bày cơ sở lý thuyết, nguyên liệu, sản phẩm, cấu tạo thiết bị phản ứng, sơ đồ công nghệ và các thông số vận hành của ba phân xưởng chế biến thứ cấp.
  • Kỹ năng (B1): Vận hành các phân xưởng Naphtha Hydrotreating, Cracking xúc tác (FCC) và Isome hóa trên hệ thống mô phỏng động, xử lý các sự cố vận hành theo đúng quy trình công nghệ.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Tuân thủ các quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy, quy trình vận hành thiết bị điện - tự động hóa và đảm bảo an toàn thiết bị.

Giáo trình được cấu trúc thành 3 bài học tương ứng với 3 công nghệ trụ cột trong nhà máy lọc dầu: Hydrotreating (Bài 1), Cracking xúc tác (Bài 2) và Isome hóa (Bài 3). Điểm đặc trưng trong cấu trúc giáo trình là sự kết hợp đồng bộ giữa lý thuyết hóa học dầu mỏ, kỹ thuật thiết bị phản ứng và bài tập thực hành quy trình thao tác trên hệ thống mô phỏng động điều khiển phân tán.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                                  TIẾN TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bố qua 3 bài học chuyên sâu với khối lượng kiến thức cụ thể:

  • Bài 1: Hydrotreating (45 giờ - 14 giờ lý thuyết, 28 giờ thực hành, 3 giờ kiểm tra):

    • Cơ sở lý thuyết: Định nghĩa quá trình xử lý hydro có xúc tác; cơ chế các phản ứng khử tạp chất dị nguyên tố gồm khử lưu huỳnh ($\text{HDS}$), khử nitơ ($\text{HDN}$), khử oxy ($\text{HDO}$), khử kim loại ($\text{HDM}$) và hydro hóa no mạch olefin/aromatic ($\text{HYD}$).
    • Nguyên liệu và sản phẩm: Khảo sát các phân đoạn từ Naphtha, Kerosen, Diesel, Gasoil chân không ($\text{VGO}$) đến cặn chưng cất chân không.
    • Xúc tác: Phân tích đặc tính xúc tác lưỡng chức kim loại $\text{Co-Mo}$ (tối ưu cho $\text{HDS}$ và ổn định olefin) và $\text{Ni-Mo}$ (hoạt tính cao cho $\text{HDN}$ và no hóa vòng thơm).
    • Thiết bị và công nghệ: Thiết bị phản ứng dòng chảy xuống (downflow fixed-bed reactor), cấu tạo đĩa phân phối lỏng - hơi, tháp tách stripper, hệ thống rửa $\text{H}_2\text{S}$ bằng dung dịch amin. Khảo sát công nghệ Naphtha Hydrotreating ($\text{NHT}$), Distillate Hydrotreating và Gas Oil Hydrotreating.
    • Mô phỏng vận hành: Thực hành phân xưởng $\text{NHT}$ trên phần mềm Prosimulator (Model $\text{NHT01}$), gồm 32 bước khởi động và 12 bước dừng phân xưởng qua các cụm thiết bị $\text{V001}, \text{R001}, \text{R002}, \text{C001}, \text{V002}$.

  • Bài 2: Cracking xúc tác (50 giờ - 14 giờ lý thuyết, 33 giờ thực hành, 3 giờ kiểm tra):

    • Cơ sở lý thuyết: Phản ứng bẻ gãy liên kết $\text{C-C}$ theo cơ chế ion cacboni (carbocation) qua 3 giai đoạn (hình thành ion, biến đổi mạch và ngắt mạch); các phản ứng phụ kèm theo như nhiệt phân gốc tự do, đồng phân hóa, trùng hợp, alkyl hóa, khử hydro và cốc hóa.
    • Nguyên liệu và sản phẩm: Xử lý phân đoạn sôi $300 - 550^\circ\text{C}$ ($\text{VGO}$, cặn deasphaltene $\text{DAO}$, cặn khí quyển $\text{RFCC}$). Sản phẩm gồm khí $\text{C}_1-\text{C}_4$ ($10 - 25%$), xăng cracking ($30 - 55%$, $\text{RON } 87 - 95$, $\text{MON } 78 - 85$), gasoil nhẹ ($\text{LCO}$), gasoil nặng ($\text{HCO}$) và cốc.
    • Xúc tác $\text{FCC}$: Cấu trúc Zeolit tinh thể aluminosilicat tứ diện $\text{TO}_4$ ([$\text{SiO}_4$] và [$\text{AlO}_4]^-$), các đơn vị cấu trúc thứ cấp $\text{SBU}$ (khối sodalit), phân loại Zeolit $\text{A, X, Y}$; cơ chế tâm axit Bronsted ($\text{H}^+$) và Lewis; chất mang (chất pha cao lanh, chất kết dính đất sét) và phụ gia ($\text{Pt/Pd}$ xúc tiến đốt $\text{CO}$, oxit kim loại hấp phụ $\text{SO}_x$).
    • Thiết bị phản ứng và công nghệ: Lò phản ứng ống nâng (Riser), hệ thống kiểm soát nhiệt độ hòa trộn $\text{MTC}$ (Mix Temperature Control), thiết bị kết thúc ống nâng $\text{RTD}$ (Riser Termination Device), vòi phun sương nguyên liệu, cụm tái sinh xúc tác 1 tầng và 2 tầng. Giới thiệu các sơ đồ công nghệ bản quyền của $\text{UOP, Kellog, Shell, IFP - Total / Stone & Webster}$ ($\text{R2R}$) và $\text{Exxon}$.
    • Mô phỏng vận hành: Thực hành quy trình vận hành phân xưởng $\text{FCC}$ trên mô hình Prosimulator (Model $\text{FCC02}$ version 3).

  • Bài 3: Isome hóa (50 giờ - 14 giờ lý thuyết, 33 giờ thực hành, 3 giờ kiểm tra):

    • Cơ sở lý thuyết & Công nghệ: Cơ chế chuyển hóa parafin mạch thẳng ($n\text{-parafin}$) thành parafin mạch nhánh ($iso\text{-parafin}$) nhằm tăng trị số octan cho phân đoạn xăng nhẹ ($\text{C}_5-\text{C}_6$) và đồng phân hóa phân đoạn $\text{C}_4$.
    • Công nghệ bản quyền: Phân tích sơ đồ công nghệ Penex của $\text{UOP}$, công nghệ Penex tích hợp tháp tách isohexan (DIH) và công nghệ Butamer của $\text{UOP}$.
    • Mô phỏng vận hành: Thực hành quy trình kiểm soát thông số và khởi động phân xưởng Isome hóa trên hệ thống Prosimulator (Model $\text{ISO01}$).

Progression logic (Tính logic của tiến trình nội dung): Nội dung giáo trình được tổ chức theo quy trình công nghệ thực tế trong nhà máy lọc dầu: bắt đầu từ khâu làm sạch và tiền xử lý nguyên liệu nhằm loại bỏ tạp chất gây ngộ độc xúc tác (Hydrotreating), chuyển sang khâu chuyển hóa sâu phân đoạn nặng thành các cấu tử xăng và khí hóa lỏng (Cracking xúc tác), và kết thúc ở khâu tái cấu trúc phân tử để nâng cao chất lượng sản phẩm xăng thương phẩm (Isome hóa).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Lý thuyết nhiệt động học và động học hóa học: Cung cấp cơ sở tính toán cho các phản ứng tỏa nhiệt mạnh trong môi trường hydro cao áp (Hydrotreating) và phản ứng thu nhiệt cracking trên bề mặt xúc tác dị thể. Động học quá trình $\text{FCC}$ được biểu diễn qua phương trình: $$w_0 \cdot \ln(1 - x) = -k_0$$ Trong đó: $w_0$ là tốc độ nạp nguyên liệu, $x$ là độ chuyển hóa, $k_0$ là hằng số tốc độ phản ứng.

  2. Nguyên lý xúc tác dị thể: Làm rõ mối quan hệ giữa cấu trúc vi xốp của Zeolit (kích thước lỗ xốp từ $3 - 5\text{ \AA}$ ở loại $\text{A}$, $8 - 13\text{ \AA}$ ở loại $\text{X}$, $8 - 9\text{ \AA}$ ở loại $\text{Y}$, diện tích bề mặt riêng $600 - 900\text{ m}^2/\text{g}$) với hoạt tính, độ chọn lọc và độ ổn định nhiệt. Giải thích các hiện tượng suy giảm hoạt tính do phá hủy thủy nhiệt, ngộ độc kim loại nặng ($\text{Ni, V}$) và hiện tượng tạo cốc.

  3. Cơ sở kỹ thuật phản ứng và thiết bị: Cung cấp nguyên lý hoạt động của các thiết bị chuyên dụng trong lọc dầu như tháp phản ứng tầng cố định dòng chảy xuống, hệ thống tầng sôi giả lỏng trong $\text{FCC}$, thiết bị phân tách lỏng - hơi, bộ trao đổi nhiệt và tháp chưng cất tách phân đoạn (Stripper).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán và thiết lập các biến số vận hành công nghệ cốt lõi: nhiệt độ phản ứng ($280 - 420^\circ\text{C}$ đối với $\text{HDT}$, $\sim 500^\circ\text{C}$ đối với $\text{FCC}$), áp suất làm việc ($10 - 200\text{ bar}$ trong $\text{HDT}$), tốc độ nạp liệu không gian theo thể tích ($\text{LHSV}$ từ $1 - 10\text{ h}^{-1}$), tỷ lệ tuần hoàn khí hydro và tỷ lệ tuần hoàn xúc tác.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của dòng nguyên liệu và sản phẩm: tỷ trọng ($d_4^{20}$), hàm lượng lưu huỳnh ($% \text{ khối lượng}$), thành phần nhóm hydrocacbon (parafin, olefin, naphten, aromatic), trị số octan ($\text{RON, MON}$) và chỉ số cetan.
  • Kỹ năng thực hành vận hành (Practical competencies): Đọc hiểu bản vẽ $\text{P&ID}$, sơ đồ dòng công nghệ; thao tác điều khiển thiết bị thông qua các vòng điều khiển tự động ($\text{TIC, PIC, LIC, FIC}$), thực hiện tuần tự các bước trong quy trình khởi động, chuyển chế độ $\text{Manual/Auto}$, thiết lập giá trị đặt ($\text{SP}$) và quy trình dừng phân xưởng an toàn trên hệ thống điều khiển mô phỏng.

Phương pháp giảng dạy và học tập

                   CƠ CẤU PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ ĐUN

Giáo trình quy định phương pháp giảng dạy tích hợp giữa truyền thụ kiến thức lý thuyết chuyên môn và đào tạo kỹ năng thực hành trên thiết bị mô phỏng:

  • Phương pháp giảng dạy của giáo viên:

    • Áp dụng phương pháp dạy học tích cực: đặt vấn đề công nghệ, giao bài tập tình huống thực tế tại nhà máy lọc dầu, tổ chức câu hỏi thảo luận nhóm.
    • Phân chia ca học và tổ chức thực hành chuyên sâu theo nhóm nhỏ tại Phòng thực hành Mô hình mô phỏng Lọc hóa dầu.
    • Sử dụng giáo án tích hợp kèm công cụ trình chiếu, sơ đồ công nghệ và kịch bản mô phỏng tương tác.

  • Phương pháp học tập và tự học của người học:

    • Nghiên cứu tài liệu và đề cương bài giảng trước khi tham gia buổi học; thực hiện chuẩn bị các nội dung chuyên đề theo nhóm từ 2 đến 3 người.
    • Ghi chép, phân tích dữ liệu vận hành và lập báo cáo kỹ thuật sau mỗi bài thực hành mô phỏng.
    • Tuân thủ quy định chuyên cần: tham dự tối thiểu $70%$ số tiết lý thuyết và $100%$ số tiết thực hành (người học vắng quá $30%$ lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào đều không đủ điều kiện dự thi và phải học lại mô đun).

  • Hình thức bài tập và thực hành:

    • Bài tập tình huống: Xử lý dao động áp suất tháp phản ứng, hiện tượng mất cân bằng nhiệt độ trong ống $\text{Riser}$, suy giảm lưu lượng hydro hồi lưu, và điều chỉnh tỷ lệ nguyên liệu khi chuyển đổi tính chất dầu thô.
    • Thực hành mô phỏng: Vận hành trực tiếp trên các gói phần mềm chuyên dụng của hãng Prosimulator ($\text{NHT01, FCC02, ISO01}$), thực hiện từ khâu nạp liệu, nâng nhiệt, tăng áp, vận hành ổn định đến khâu cô lập và dừng phân xưởng.

  • Phương pháp và hình thức đánh giá: Quy chế đánh giá tuân thủ Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội và quy định của Trường Cao đẳng Dầu khí, thang điểm 10 làm tròn đến một chữ số thập phân:

    • Điểm đánh giá quá trình (Trọng số 40%): Bao gồm điểm kiểm tra thường xuyên (hệ số 1, thực hiện vấn đáp/trắc nghiệm/tự luận sau mỗi 5 giờ học) và điểm kiểm tra định kỳ (hệ số 2, gồm 6 bài kiểm tra lý thuyết và thực hành trên mô hình sau mỗi 15 giờ).
    • Điểm thi kết thúc mô đun (Trọng số 60%): Đánh giá toàn diện chuẩn đầu ra $\text{A1, B1, C1}$ thông qua bài thi kết hợp giữa lý thuyết (tự luận/trắc nghiệm) và thao tác kỹ năng trực tiếp trên hệ thống mô phỏng sau khi hoàn thành 145 giờ học.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Chuẩn hóa chương trình đào tạo theo thực tế nhà máy lọc dầu (Năm 2022): Giáo trình được cập nhật và hoàn thiện vào tháng 3/2022 theo khung chuẩn của Trường Cao đẳng Dầu khí, kế thừa từ phiên bản lưu hành nội bộ năm 2017 và tích hợp các tài liệu chuyên khảo của TS. Lê Văn Hiếu (2006), TS. Đinh Thị Ngọ (2005) và TS. Nguyễn Hữu Phú (2005).

  2. Tích hợp phần mềm mô phỏng động chuyên dụng: Toàn bộ nội dung thực hành được thiết kế đồng bộ với hệ thống phần mềm Prosimulator phiên bản quốc tế gồm các gói:

    • Naphtha hydrotreater unit NHT01 (March 2015).
    • Fluidized catalytic cracking FCC02 (Version 3).
    • Isomerisation model guide ISO01 (March 2015). Việc tích hợp này cho phép người học tiếp cận trực quan với giao diện điều khiển phân tán ($\text{DCS}$), nhận diện các ký hiệu công nghiệp chuẩn ($\text{FIC, LIC, TIC, PIC, FOD, HV}$) tương đương với các phòng điều khiển trung tâm tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất hay Nghi Sơn.

  3. Cập nhật các công nghệ bản quyền lọc hóa dầu hiện đại: Giáo trình không chỉ dừng lại ở nguyên lý chung mà đi sâu vào các sơ đồ công nghệ được cấp phép thương mại phổ biến trên thế giới:

    • Các công nghệ $\text{FCC/RFCC}$: $\text{UOP}$ (cụm tái sinh xúc tác), $\text{Kellog, Shell}$, công nghệ $\text{R2R}$ của $\text{IFP - Total}$ / $\text{Stone & Webster}$, và $\text{Exxon}$.
    • Các công nghệ Isome hóa: Công nghệ Penex và Butamer của $\text{UOP}$, sơ đồ tích hợp tháp tách isohexan để nâng cao chỉ số $\text{RON}$.

  4. Đáp ứng xu thế biến đổi chất lượng nguyên liệu: Tài liệu bổ sung các phân tích kỹ thuật về xu hướng chế biến dầu thô nặng và chua (chứa hàm lượng lưu huỳnh cao), sự gia tăng nghiêm ngặt của các tiêu chuẩn sinh thái đối với nhiên liệu vận tải, yêu cầu giảm hàm lượng lưu huỳnh trong dầu đốt lò ($\text{FO}$), và giải pháp công nghệ hydrotreating nâng cấp cặn chưng cất bảo vệ xúc tác $\text{FCC}$.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Học sinh, sinh viên chuyên ngành:

    • Sinh viên theo học hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí tại các trường đào tạo kỹ thuật dầu khí và hóa chất.
    • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Lọc - Hóa dầu, Kỹ thuật Năng lượng cần tài liệu học tập về vận hành phân xưởng công nghệ.

  • Yêu cầu về kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu hiệu quả nội dung giáo trình, người học cần hoàn thành các học phần nền tảng:

    • Hóa học dầu mỏ và khí, Sản phẩm dầu mỏ: Nắm vững bản chất hydrocacbon và các chỉ tiêu thương phẩm.
    • Cơ sở điều khiển quá trình: Hiểu nguyên lý hoạt động của van điều khiển, thiết bị đo lường và các vòng lặp điều khiển tự động.
    • Vận hành thiết bị truyền khối, truyền nhiệt và thủy khí: Nắm vững quy trình vận hành tháp chưng cất dầu thô, lò gia nhiệt và máy bơm/máy nén.

  • Giảng viên và cán bộ đào tạo:

    • Sử dụng làm giáo trình giảng dạy chính thức, thiết kế đề cương bài giảng lý thuyết và giáo án tích hợp.
    • Xây dựng ngân hàng câu hỏi kiểm tra đánh giá thường xuyên, định kỳ và đề thi tốt nghiệp mô đun.
    • Xây dựng kịch bản thực hành và hướng dẫn thao tác trên phòng mô phỏng lọc hóa dầu.

  • Kỹ thuật viên và kỹ sư nhà máy:

    • Dùng làm tài liệu tra cứu nghiệp vụ, tài liệu đào tạo nội bộ cho công nhân vận hành mới tại các nhà máy lọc dầu, nhà máy xử lý khí và tổ hợp hóa dầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí của Trường Cao đẳng Dầu khí; đồng thời là tài liệu tham khảo chuyên môn cho kỹ thuật viên vận hành tại các nhà máy lọc hóa dầu.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?

Người học cần tích lũy các kiến thức cơ sở về vẽ kỹ thuật, điện kỹ thuật, cơ sở điều khiển quá trình, hóa học sản phẩm dầu mỏ, kỹ thuật vận hành máy thủy khí, lò gia nhiệt và phân xưởng chưng cất dầu thô khí quyển ($\text{CDU}$).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các giáo trình lý thuyết lọc dầu khác là gì?

Khác với các tài liệu lý thuyết thuần túy, giáo trình tập trung vào khía cạnh vận hành công nghệ, kết hợp tỷ trọng thực hành mô phỏng cao ($65%$ thời lượng) với các quy trình thao tác từng bước ($\text{step-by-step}$) từ khởi động, giám sát đến dừng hệ thống trên phần mềm Prosimulator.

4. Làm thế nào để tự học và nắm vững kiến thức mô đun hiệu quả?

Người học cần kết hợp việc đọc hiểu cơ sở hóa học và cấu tạo thiết bị phản ứng với việc phân tích sơ đồ dòng công nghệ ($\text{P&ID}$), làm việc theo nhóm để giải quyết các bài tập tình huống sự cố, và luyện tập đầy đủ $100%$ các bài thực hành trên phần mềm mô phỏng.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ và hệ thống thực hành nào đi kèm?

Giáo trình đi kèm bộ cẩm nang hướng dẫn thực hành phần mềm Prosimulator (các model $\text{NHT01, FCC02, ISO01}$), hệ thống phòng thực hành mô phỏng động lọc hóa dầu, cùng danh mục câu hỏi và bài tập tình huống vận hành sau mỗi bài học.

Kết luận

Giáo trình Vận hành phân xưởng chế biến dầu I (PETR56116) xác lập chuẩn kiến thức và kỹ năng thực hành chuyên sâu về 3 công nghệ biến đổi hóa học quan trọng trong công nghiệp chế biến dầu khí: Hydrotreating, Cracking xúc tác và Isome hóa. Tài liệu thể hiện tính sư phạm rõ ràng thông qua việc liên kết lý thuyết hóa lý bề mặt, kỹ thuật thiết bị với năng lực điều khiển quá trình thực tế trên hệ thống mô phỏng số.

Để hoàn thiện chương trình đào tạo nghề, người học sau khi hoàn thành mô đun này được định hướng tiếp tục học tập mô đun Vận hành phân xưởng chế biến dầu II (PETR56118) và tham gia Thực tập sản xuất (PETR54219) tại các cơ sở lọc hóa dầu. Người học có thể tham khảo bổ sung các tài liệu chuyên ngành của TS. Lê Văn Hiếu (Công nghệ chế biến dầu mỏ), TS. Nguyễn Hữu Phú (Cracking xúc tác) và các sổ tay vận hành của hệ thống Prosimulator để mở rộng kiến thức chuyên môn.