Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp lọc hóa dầu đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Theo ước tính, sản phẩm từ quá trình cracking xúc tác chiếm tới 70-80% tổng sản lượng xăng và diesel của một nhà máy lọc hóa dầu. Quá trình cracking xúc tác tầng sôi (Fluid Catalytic Cracking - FCC) và cracking xúc tác cặn (Residue Fluid Catalytic Cracking - RFCC) là những công nghệ chủ đạo nhằm chuyển hóa nguyên liệu nặng thành các sản phẩm nhẹ có giá trị cao như xăng, diesel, LPG. Nghiên cứu này tập trung vào công nghệ cracking xúc tác với nguyên liệu nặng thông qua mô phỏng, nhằm tối ưu hóa vận hành phân xưởng FCC, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất.

Mục tiêu chính của luận văn là phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cracking xúc tác, mô phỏng hệ thống FCC hiện đại và đề xuất các giải pháp vận hành hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thiết bị chính trong phân xưởng FCC như ống đứng phản ứng, thiết bị tái sinh xúc tác, tháp chưng cất và các thiết bị phụ trợ, với dữ liệu vận hành thực tế tại nhà máy lọc hóa dầu trong giai đoạn trước năm 2018. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng hỗ trợ vận hành, giúp tăng hiệu suất xăng lên đến 75%, giảm lượng cặn và cốc tạo thành, đồng thời kiểm soát tốt các thông số môi trường như khí thải CO và H2S.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế phản ứng cracking xúc tác và mô hình động học phản ứng dị thể. Cơ chế cracking xúc tác bao gồm các phản ứng phân hủy mạch C-C, đồng phân hóa, chuyển dời hydro, trùng hợp và ngưng tụ tạo cốc. Các ion cacboni đóng vai trò trung tâm trong phản ứng, được tạo thành khi hydrocacbon tiếp xúc với tâm axit của xúc tác aluminosilicat. Động học phản ứng được mô tả qua các giai đoạn khuếch tán nguyên liệu, hấp phụ, phản ứng trên tâm xúc tác và nhả sản phẩm, với tốc độ phản ứng phụ thuộc vào điều kiện vận hành và tính chất xúc tác.

Mô hình nghiên cứu sử dụng mô phỏng hệ thống FCC bao gồm các thiết bị phản ứng, tái sinh xúc tác, tháp chưng cất chính và các thiết bị tách sản phẩm. Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ C/O (catalyst/oil), mức độ chuyển hóa, tốc độ nạp liệu riêng (VVH), và các đặc trưng nguyên liệu như hàm lượng cặn cacbon Conradson, tạp chất kim loại, và thành phần hydrocacbon (paraffins, olefins, naphthenes, aromatics).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ vận hành thực tế tại nhà máy lọc hóa dầu, kết hợp với các số liệu kỹ thuật và thông số thiết bị được cung cấp bởi nhà sản xuất. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các chu trình vận hành trong khoảng thời gian nhất định, với các biến số như nhiệt độ phản ứng (450-550°C), áp suất gần áp suất khí quyển, tỷ lệ C/O từ 2/1 đến 9/1, và tốc độ nạp liệu riêng từ 4 đến 120 h⁻¹ tùy loại xúc tác.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng động học và cân bằng nhiệt trong hệ thống FCC, mô phỏng sự thay đổi hoạt tính xúc tác theo thời gian, ảnh hưởng của bội số tuần hoàn xúc tác và thành phần nguyên liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài trong suốt quá trình thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả mô phỏng, tương ứng với giai đoạn từ năm 2016 đến 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng: Khi tăng nhiệt độ từ 400°C lên 450°C, hiệu suất xăng tăng từ 64,5% lên 75,5%, tuy nhiên khi vượt quá 470°C, hiệu suất xăng giảm nhẹ còn khoảng 74,4-74,9% do sự phân hủy cấu tử xăng và tăng sản lượng khí nhẹ (C1-C3). Hiệu suất khí giảm từ 81,5% xuống 61,9% khi nhiệt độ tăng từ 400°C đến 470°C, cho thấy sự chuyển dịch sản phẩm theo nhiệt độ.

  2. Tác động của tỷ lệ C/O: Tăng tỷ lệ C/O làm tăng độ chuyển hóa và hiệu suất cốc trên nguyên liệu, nhưng lượng cốc bám trên xúc tác giảm, giúp duy trì hoạt tính xúc tác lâu dài. Tỷ lệ C/O trong khoảng 2/1 đến 9/1 được xác định là phù hợp để cân bằng nhiệt và hiệu suất sản phẩm.

  3. Đặc trưng nguyên liệu: Nguyên liệu phân đoạn kerosen-xola gasoil nặng có tỷ trọng trung bình 0,88-0,92 và nhiệt độ sôi 300-500°C cho hiệu suất xăng cao và ít tạo cốc. Nguyên liệu chứa nhiều tạp chất kim loại như niken, vanadium làm giảm hoạt tính xúc tác và tăng lượng cốc, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất.

  4. Hiệu quả mô phỏng hệ thống FCC: Mô hình mô phỏng cho phép dự đoán chính xác sự thay đổi hoạt tính xúc tác, ảnh hưởng của bùn tuần hoàn và điều chỉnh bội số tuần hoàn xúc tác để tối ưu hóa sản phẩm. Ví dụ, mô phỏng cho thấy việc điều chỉnh nhiệt độ tái sinh xúc tác trong khoảng 700-740°C giúp duy trì cân bằng nhiệt và hoạt tính xúc tác ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên liên quan chặt chẽ đến cơ chế phản ứng cracking xúc tác và đặc tính vật lý hóa học của nguyên liệu. Sự tăng nhiệt độ thúc đẩy phản ứng phân hủy mạch C-C nhưng cũng làm tăng phản ứng bậc hai như dehydro hóa, dẫn đến giảm hiệu suất xăng. Tỷ lệ C/O cao giúp tăng nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng cracking, nhưng cần kiểm soát để tránh hiện tượng quá tải nhiệt và giảm hiệu quả tái sinh xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của các nhà sản xuất công nghệ FCC như UOP và Kellogg, đồng thời mô hình R2R được áp dụng thành công tại nhà máy Dung Quất cũng cho thấy hiệu quả tương tự trong xử lý nguyên liệu nặng. Việc mô phỏng chi tiết hệ thống FCC giúp vận hành phân xưởng linh hoạt hơn, giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa sản lượng sản phẩm theo nhu cầu thị trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất sản phẩm theo nhiệt độ, bảng so sánh tỷ lệ C/O và hiệu suất cốc, cũng như sơ đồ khối mô phỏng hệ thống FCC để minh họa các thiết bị và dòng vật chất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng: Điều chỉnh nhiệt độ trong khoảng 450-470°C để đạt hiệu suất xăng tối đa khoảng 75%, đồng thời hạn chế sự phân hủy sản phẩm và tăng khí nhẹ. Chủ thể thực hiện: đội ngũ vận hành phân xưởng FCC, timeline: liên tục trong quá trình vận hành.

  2. Kiểm soát tỷ lệ C/O: Duy trì tỷ lệ C/O trong khoảng 4/1 đến 7/1 để cân bằng nhiệt và giảm lượng cốc bám trên xúc tác, kéo dài tuổi thọ xúc tác. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật vận hành và bảo trì, timeline: theo chu kỳ bảo dưỡng xúc tác.

  3. Lựa chọn và xử lý nguyên liệu: Ưu tiên sử dụng nguyên liệu phân đoạn kerosen-xola gasoil nặng có hàm lượng tạp chất thấp, đồng thời áp dụng xử lý hydrotreating để giảm nitơ và lưu huỳnh trước khi đưa vào FCC. Chủ thể thực hiện: bộ phận thu mua và xử lý nguyên liệu, timeline: trước khi nạp liệu.

  4. Ứng dụng mô phỏng trong vận hành: Sử dụng mô hình mô phỏng để dự báo hoạt tính xúc tác, điều chỉnh bội số tuần hoàn xúc tác và các thông số vận hành nhằm tối ưu hóa sản lượng và chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: phòng kỹ thuật và vận hành, timeline: thường xuyên cập nhật và hiệu chỉnh mô hình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy lọc hóa dầu: Nắm bắt kiến thức về cơ chế và điều kiện vận hành FCC để tối ưu hóa sản xuất và xử lý sự cố.

  2. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ lọc hóa dầu: Áp dụng mô hình mô phỏng và kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ mới, nâng cao hiệu suất và giảm tác động môi trường.

  3. Quản lý sản xuất và kỹ thuật: Sử dụng các đề xuất vận hành và kiểm soát thông số để nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng sản phẩm.

  4. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật lọc hóa dầu: Học tập các kiến thức chuyên sâu về cracking xúc tác, mô hình hóa và ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình cracking xúc tác là gì và tại sao quan trọng?
    Cracking xúc tác là quá trình phân hủy các phân tử hydrocacbon lớn thành các phân tử nhỏ hơn có giá trị cao như xăng và diesel. Đây là quá trình chủ đạo trong nhà máy lọc hóa dầu, chiếm tới 70-80% sản lượng xăng và diesel, giúp tận dụng nguyên liệu nặng hiệu quả.

  2. Nguyên liệu nào phù hợp nhất cho quá trình FCC?
    Nguyên liệu phân đoạn kerosen-xola gasoil nặng với tỷ trọng 0,88-0,92 và nhiệt độ sôi 300-500°C là tốt nhất, vì cho hiệu suất xăng cao và ít tạo cốc, giúp duy trì hoạt tính xúc tác lâu dài.

  3. Tỷ lệ C/O ảnh hưởng thế nào đến quá trình?
    Tỷ lệ C/O (catalyst/oil) ảnh hưởng đến nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng và hoạt tính xúc tác. Tỷ lệ quá cao hoặc quá thấp đều làm giảm hiệu suất sản phẩm và tuổi thọ xúc tác. Khoảng 2/1 đến 9/1 là phạm vi vận hành hiệu quả.

  4. Làm thế nào để kiểm soát lượng cốc tạo thành?
    Kiểm soát nhiệt độ phản ứng, lựa chọn nguyên liệu phù hợp và duy trì tỷ lệ C/O hợp lý giúp giảm lượng cốc. Ngoài ra, thiết bị tái sinh xúc tác đốt cháy cốc hiệu quả, phục hồi hoạt tính xúc tác.

  5. Mô phỏng hệ thống FCC có lợi ích gì?
    Mô phỏng giúp dự báo hoạt tính xúc tác, tối ưu hóa các thông số vận hành, giảm thiểu sự cố và nâng cao hiệu suất sản xuất. Ví dụ, mô hình mô phỏng cho phép điều chỉnh nhiệt độ tái sinh và bội số tuần hoàn xúc tác để cân bằng nhiệt và duy trì chất lượng sản phẩm.

Kết luận

  • Quá trình cracking xúc tác là trung tâm của công nghệ lọc hóa dầu, chiếm tới 70-80% sản lượng xăng và diesel.
  • Nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ C/O là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
  • Nguyên liệu phân đoạn kerosen-xola gasoil nặng được khuyến nghị sử dụng để tối ưu hiệu suất và giảm cặn.
  • Mô hình mô phỏng hệ thống FCC cung cấp công cụ hiệu quả để điều chỉnh vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng các đề xuất vận hành, cập nhật mô hình mô phỏng và đào tạo nhân sự vận hành nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững trong sản xuất.

Hãy áp dụng những kiến thức và giải pháp từ nghiên cứu này để tối ưu hóa hoạt động phân xưởng FCC, nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao.