Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp lọc hóa dầu đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế và công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu nhiên liệu sạch và hiệu quả ngày càng tăng. Tại Việt Nam, từ khi khai thác dầu thô đầu tiên năm 1986 đến nay, ngành lọc hóa dầu đã có bước phát triển vượt bậc với nhà máy lọc dầu Dung Quất đi vào hoạt động năm 2009, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm dầu khí trong nước. Trong đó, phân xưởng hydroisomer hóa naphtha nhẹ là một mắt xích quan trọng nhằm nâng cao trị số octane của xăng, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt và yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng, tối ưu hóa và xử lý sự cố cho phân xưởng hydroisomer hóa naphtha nhẹ sử dụng công nghệ bản quyền UOP Penex. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng chính xác trên phần mềm UniSim Design, từ đó khảo sát các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng hydro và nguyên liệu, nhằm tối ưu hóa hiệu suất phản ứng và chất lượng sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân xưởng hydroisomer hóa tại nhà máy lọc dầu, với dữ liệu thu thập và mô phỏng dựa trên số liệu thiết kế và vận hành thực tế trong giai đoạn 2016-2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng tuổi thọ xúc tác, đồng thời góp phần cải thiện chất lượng xăng thương phẩm với trị số octane đạt 88-90 RON, không chứa aromatic, lưu huỳnh và olefin, phù hợp với tiêu chuẩn môi trường hiện hành. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư vận hành trong việc ra quyết định chính xác, tiết kiệm chi phí và tăng lợi nhuận cho nhà máy lọc dầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ sở hóa học của quá trình hydroisomer hóa: Quá trình isomer hóa parafin thành iso-parafin diễn ra theo cơ chế ion cacboni, sử dụng xúc tác lưỡng chức năng (Pt và chức năng axit). Phản ứng chính là chuyển đổi n-pentane và n-hexane thành các đồng phân mạch nhánh, tăng trị số octane sản phẩm. Ngoài ra, các phản ứng phụ như no hóa benzene, hydrocracking, mở vòng naphthene cũng được xem xét để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

  • Mô hình cân bằng hóa học và động học phản ứng: Sử dụng đường cong cân bằng Penex để xác định tỷ lệ isomer hóa tối đa tại các nhiệt độ vận hành khác nhau. Các phản ứng được phân loại thành nhóm đồng phân hóa, no hóa benzene, hydrocracking và mở vòng naphthene, với nhiệt lượng phản ứng và độ chuyển hóa đặc trưng.

  • Khái niệm và chỉ số chuyên ngành:

    • Research Octane Number (RON): chỉ số đo khả năng chống kích nổ của nhiên liệu.
    • Isomer Ratio: tỷ lệ sản phẩm isomerate trong hỗn hợp sản phẩm, dùng để đánh giá mức độ chuyển hóa.
    • Paraffin Isomerization Number (PIN): tổng tỷ lệ các sản phẩm isomer hóa chính, biểu thị hiệu quả phản ứng.
    • Hydro: Hydrocarbon Ratio (H2/HC): tỷ lệ mol hydro so với hydrocarbon trong thiết bị phản ứng, ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác và cân bằng phản ứng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thiết kế và vận hành thực tế của phân xưởng hydroisomer hóa naphtha nhẹ tại nhà máy lọc dầu, bao gồm thành phần nguyên liệu, thông số thiết bị, điều kiện vận hành và kết quả phân tích sản phẩm.

  • Phần mềm mô phỏng: UniSim Design của Honeywell được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng tĩnh và động của phân xưởng. Phần mềm cho phép tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, mô phỏng phản ứng hóa học và điều khiển vòng kín.

  • Phương pháp phân tích:

    • Mô phỏng tĩnh để thiết lập mô hình cơ sở, xác định các thông số vận hành tối ưu.
    • Mô phỏng động để khảo sát ảnh hưởng của biến đổi thông số và xử lý các sự cố giả định.
    • So sánh kết quả mô phỏng với số liệu thiết kế và vận hành thực tế để hiệu chỉnh mô hình.
    • Phân tích cân bằng vật chất và năng lượng nhằm đảm bảo tính chính xác và ổn định của mô hình.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô hình mô phỏng dựa trên dữ liệu vận hành trong khoảng thời gian thực tế của nhà máy, với các chu kỳ vận hành và thử nghiệm mô phỏng kéo dài tương đương để đánh giá hiệu quả và xử lý sự cố.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô phỏng và độ chính xác mô hình: Mô hình mô phỏng tĩnh và động đạt sai số cân bằng vật chất trong khoảng 99-101%, đảm bảo độ tin cậy cao. So sánh các thông số sản phẩm mô phỏng với số liệu thiết kế cho thấy sự chênh lệch dưới 3%, chứng tỏ mô hình phản ánh chính xác quá trình thực tế.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng: Nhiệt độ thiết bị phản ứng số 1 trung bình 142°C và thiết bị số 2 khoảng 139°C là điều kiện tối ưu để đạt tỷ lệ isomer hóa cao. Khi tăng nhiệt độ lên trên 150°C, tỷ lệ isomer hóa giảm do cân bằng phản ứng dịch chuyển, đồng thời tăng phản ứng hydrocracking làm giảm sản lượng sản phẩm mong muốn.

  3. Tác động của áp suất hydro và tỷ lệ H2/HC: Áp suất hydro trong khoảng 3224 – 3424 kPag và tỷ lệ H2/HC từ 2 đến 8 giúp duy trì hoạt tính xúc tác và hạn chế sự ngộ độc. Áp suất quá cao làm giảm tốc độ phản ứng isomer hóa, trong khi áp suất quá thấp làm xúc tác nhanh hỏng, giảm tuổi thọ.

  4. Xử lý sự cố và tối ưu hóa vận hành: Mô phỏng các sự cố như biến động lưu lượng nguyên liệu, thay đổi nhiệt độ và áp suất cho thấy khả năng ứng phó nhanh chóng và hiệu quả của hệ thống điều khiển vòng kín. Việc điều chỉnh các van điều khiển và nhiệt độ gia nhiệt giúp duy trì ổn định sản phẩm với trị số octane đạt 88-90 RON.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về công nghệ Penex và các phản ứng isomer hóa parafin. Việc duy trì nhiệt độ và áp suất trong giới hạn cho phép tối ưu hóa cân bằng phản ứng, giảm thiểu phản ứng phụ như hydrocracking và no hóa benzene, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. So với các công nghệ khác như TIP hay Hexorb, công nghệ Penex/DIH có ưu điểm chi phí đầu tư thấp và thời gian thu hồi vốn nhanh hơn, phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Biểu đồ cân bằng hóa học (Hình 2) và các biểu đồ điều khiển nhiệt độ, lưu lượng (Hình 28, 29) minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các thông số vận hành đến hiệu suất phản ứng. Bảng phân tích sự cố (Bảng 18) cung cấp cơ sở để đề xuất các biện pháp xử lý kịp thời, giảm thiểu thiệt hại và duy trì ổn định sản xuất.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát tạp chất như lưu huỳnh, nước, hợp chất chứa nitơ và flo, olefin trong nguyên liệu đầu vào để tránh ngộ độc xúc tác, đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả vận hành phân xưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát và xử lý nguyên liệu đầu vào

    • Giảm hàm lượng lưu huỳnh, nước, nitơ, flo và olefin dưới mức giới hạn tiêu chuẩn để tránh ngộ độc xúc tác.
    • Thực hiện kiểm tra định kỳ bằng các phương pháp phân tích chuẩn UOP và ASTM.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ phận kiểm soát chất lượng nguyên liệu, thời gian: liên tục trong quá trình vận hành.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành thiết bị phản ứng

    • Duy trì nhiệt độ phản ứng trong khoảng 139-142°C và áp suất hydro 3224 – 3424 kPag để đạt hiệu suất cao nhất.
    • Điều chỉnh tỷ lệ H2/HC trong khoảng 2-8 để cân bằng giữa hiệu quả phản ứng và tuổi thọ xúc tác.
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ sư vận hành, thời gian: theo ca vận hành.

  3. Ứng dụng mô phỏng động để dự báo và xử lý sự cố

    • Sử dụng phần mềm UniSim Design để mô phỏng các kịch bản sự cố, từ đó xây dựng quy trình xử lý nhanh và hiệu quả.
    • Đào tạo nhân viên vận hành sử dụng công cụ mô phỏng để nâng cao năng lực ứng phó.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật và đào tạo, thời gian: 6 tháng đầu năm.

  4. Bảo dưỡng và tái sinh xúc tác định kỳ

    • Lập kế hoạch bảo dưỡng xúc tác dựa trên dữ liệu vận hành và mô phỏng để kéo dài tuổi thọ xúc tác.
    • Áp dụng các biện pháp tăng nhiệt độ phản ứng có kiểm soát để loại bỏ lưu huỳnh bám trên xúc tác.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng bảo trì, thời gian: hàng năm hoặc theo chu kỳ vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy lọc dầu

    • Lợi ích: Nắm vững kiến thức về công nghệ hydroisomer hóa, tối ưu hóa vận hành và xử lý sự cố thực tế.
    • Use case: Điều chỉnh thông số vận hành để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ lọc hóa dầu

    • Lợi ích: Tham khảo mô hình mô phỏng chi tiết, cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phát triển công nghệ mới.
    • Use case: Thiết kế quy trình tối ưu, cải tiến xúc tác và công nghệ xử lý nguyên liệu.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật lọc hóa dầu

    • Lợi ích: Học tập phương pháp nghiên cứu, mô phỏng công nghệ và ứng dụng phần mềm UniSim Design trong thực tế.
    • Use case: Tham khảo luận văn làm tài liệu học tập và nghiên cứu khoa học.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chiến lược trong ngành dầu khí

    • Lợi ích: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và chi phí đầu tư công nghệ.
    • Use case: Đưa ra quyết định đầu tư, nâng cấp và mở rộng nhà máy lọc dầu dựa trên phân tích kinh tế kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình hydroisomer hóa có vai trò gì trong nâng cao chất lượng xăng?
    Quá trình này chuyển đổi parafin mạch thẳng thành iso-parafin mạch nhánh, làm tăng trị số octane của xăng từ khoảng 65-70 lên 88-90 RON, giúp nhiên liệu chống kích nổ tốt hơn và thân thiện với môi trường.

  2. Tại sao cần duy trì áp suất hydro trong khoảng 3224 – 3424 kPag?
    Áp suất này giúp bảo vệ xúc tác khỏi ngộ độc và cốc hóa, đồng thời duy trì cân bằng phản ứng isomer hóa hiệu quả. Áp suất quá cao hoặc quá thấp đều ảnh hưởng xấu đến hiệu suất và tuổi thọ xúc tác.

  3. Phần mềm UniSim Design được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    UniSim Design được dùng để mô phỏng tĩnh và động quá trình hydroisomer hóa, giúp dự đoán hiệu suất, tối ưu điều kiện vận hành và xử lý các sự cố giả định, từ đó hỗ trợ ra quyết định kỹ thuật chính xác.

  4. Các tạp chất như lưu huỳnh và nước ảnh hưởng thế nào đến xúc tác?
    Lưu huỳnh làm giảm hoạt tính xúc tác tạm thời, có thể khôi phục bằng xử lý nhiệt. Nước và các hợp chất oxygenate gây mất hoạt tính xúc tác vĩnh viễn do phá vỡ cấu trúc hóa học của xúc tác, làm giảm hiệu quả phản ứng.

  5. Làm thế nào để xử lý sự cố khi có biến động lưu lượng nguyên liệu?
    Sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín với các van điều chỉnh tự động dựa trên mô phỏng động để duy trì lưu lượng và nhiệt độ ổn định, giảm thiểu ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất phản ứng.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng tĩnh và động phân xưởng hydroisomer hóa naphtha nhẹ trên phần mềm UniSim Design với độ chính xác cao, sai số cân bằng vật chất đạt 99-101%.
  • Nghiên cứu xác định các điều kiện vận hành tối ưu như nhiệt độ 139-142°C, áp suất hydro 3224-3424 kPag và tỷ lệ H2/HC từ 2-8 để đạt hiệu suất isomer hóa cao và tuổi thọ xúc tác lâu dài.
  • Phân tích các phản ứng chính và phụ giúp hiểu rõ cơ chế chuyển hóa, từ đó đề xuất các biện pháp kiểm soát tạp chất và xử lý sự cố hiệu quả.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa vận hành, bảo dưỡng xúc tác và ứng dụng mô phỏng động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng mô hình mô phỏng trong thực tế vận hành, đồng thời đào tạo nhân sự để nâng cao năng lực quản lý và vận hành phân xưởng.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các kết quả mô phỏng vào vận hành thực tế, theo dõi hiệu quả và điều chỉnh liên tục; mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa cho các phân xưởng khác trong nhà máy lọc dầu nhằm nâng cao tổng thể hiệu quả sản xuất.