Giới thiệu dự án
Trong ngành công nghiệp lọc – hóa dầu hiện đại, phân đoạn Naphtha thu được từ tháp chưng cất khí quyển (CDU - Crude Distillation Unit) đóng vai trò là nguồn nguyên liệu xương sống cho phân xưởng Reforming xúc tác (CCR - Continuous Catalytic Reforming) nhằm sản xuất xăng có trị số Octane cao và các hợp chất thơm (BTX: Benzene, Toluene, Xylene). Tuy nhiên, theo các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt của quá trình CCR, các tạp chất phi hydrocacbon như lưu huỳnh (S), nitơ (N), oxy (O) và kim loại nặng là những tác nhân gây ngộ độc vĩnh viễn hoặc làm mất hoạt tính của xúc tác lưỡng chức năng (Pt-Re/Al₂O₃ hoặc Pt-Sn/Al₂O₃) ngay cả ở nồng độ cực nhỏ (< 0.5 ppmw).
Vấn đề cốt lõi đặt ra là Naphtha thô từ CDU thường chứa hàm lượng lưu huỳnh dao động từ 0.05% đến 0.15% khối lượng (500 – 1500 ppmw), vượt quá ngưỡng cho phép của cụm CCR từ 1000 đến 3000 lần. Nếu không có quy trình xử lý sơ bộ hiệu quả, chi phí thay thế xúc tác Reforming có thể tiêu tốn hàng triệu USD mỗi chu kỳ vận hành. Đồ án môn học "Thiết kế quy trình Hydrotreating Naphtha" được thực hiện nhằm giải quyết triệt để bài toán kỹ thuật này với các mục tiêu cụ thể:
- Lựa chọn sơ đồ công nghệ tối ưu: Thiết lập cấu hình công nghệ Naphtha Unionfining một tầng xúc tác cố định (Fixed-bed reactor) phù hợp với nguồn nguyên liệu Naphtha CDU công suất 1000 tấn/ngày (tương đương 330.000 tấn/năm với 330 ngày làm việc).
- Tính toán cân bằng vật chất chi tiết: Xác định chính xác lượng hydro tiêu thụ lý thuyết và thực tế ($G_{H2} = 0.0556%$ khối lượng), lượng khí bù Make-up ($0.122%$ khối lượng), và thu hồi dòng Naphtha tinh chế đạt hiệu suất $98.709%$ khối lượng ($41.128,33\text{ kg/h}$).
- Cân bằng nhiệt lượng và động học phản ứng: Xác định hiệu ứng nhiệt của quá trình Hydrodesulfurization (HDS) tỏa nhiệt ($Q_S = 540.6\text{ kJ/kg}$ lưu huỳnh chuyển hóa), nhiệt dung trung bình các dòng, đảm bảo kiểm soát độ tăng nhiệt ($\Delta T$) trong tháp phản ứng.
- Thiết kế thiết bị phản ứng và phân tách: Tính toán kích thước hình học cho tháp phản ứng Hydrotreating và thiết bị tách cao áp (High Pressure Separator - HPS) ở điều kiện $P = 4.0\text{ MPa}$ và $T = 360^\circ\text{C}$.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn Naphtha thẳng (Straight-run Naphtha) có dải sôi $115 - 180^\circ\text{C}$, tỷ trọng $\rho_{4}^{20} = 0.873$, hàm lượng lưu huỳnh tổng $S_0 = 0.1%$ khối lượng, không chứa hydrocacbon chưa no (olefin). Đồ án không mở rộng sang xử lý các phân đoạn Naphtha cracking nặng (FCC Naphtha hay Coker Naphtha) vốn đòi hỏi cấu hình phản ứng tầng sôi hoặc nhiều tầng đệm giảm nhiệt.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Quá trình làm sạch Naphtha bằng hydro hiện nay trên thế giới sử dụng nhiều bản quyền công nghệ khác nhau tùy thuộc vào tính chất nguyên liệu đầu vào:
| Công nghệ | Đơn vị sở hữu | Đặc tính công nghệ | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|---|---|
| Naphtha Unionfining | Honeywell UOP | Tầng xúc tác cố định, dòng lỏng-hơi song song đi xuống, điều kiện áp suất trung bình ($3.0 - 4.5\text{ MPa}$). | Hiệu suất chuyển hóa HDS > 99.9%, vận hành ổn định, chi phí đầu tư (CAPEX) thấp. | Khó xử lý nguyên liệu có hàm lượng Olefin và Cốc hóa quá cao (> 20%). |
| RDS/VRDS | Chevron Lummus Global (CLG) | Cấu hình xúc tác cố định đa tầng, áp suất cao ($10 - 15\text{ MPa}$), có dòng quạt làm mát (quench gas). | Xử lý được cặn nặng, hàm lượng kim loại và lưu huỳnh cực cao. | Chi phí thiết bị và tiêu hao hydro Make-up rất lớn, dư thừa cho Naphtha nhẹ. |
| LC-Fining | Chevron Lummus Global | Thiết bị phản ứng tầng sôi (Ebullated-bed), thay thế xúc tác online liên tục. | Khả năng xử lý cặn cực nặng, chuyển hóa nhiệt cao (> 80%), không bị nghẹt xúc tác. | Thiết kế cơ khí cực kỳ phức tạp, chi phí vận hành (OPEX) cao, không tối ưu cho Naphtha. |
Dựa trên bảng so sánh, công nghệ Naphtha Unionfining là giải pháp tối ưu nhất cho nguyên liệu Naphtha từ tháp CDU do tính chất sạch tự nhiên (không chứa olefin, kim loại vết không đáng kể, lưu huỳnh $0.1%$).
Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình phân loại MoSCoW:
- Must have: Hàm lượng lưu huỳnh sau xử lý $S_{out} < 0.5\text{ ppmw}$; nồng độ hydro trong dòng khí tuần hoàn $y'_{H2} \ge 70%\text{ vol}$; hiệu suất thu hồi Naphtha tinh chế $\ge 98.5%$.
- Should have: Tối ưu hóa tỷ lệ Hydro/Hydrocacbon ($H_2/HC = 200\text{ Nm}^3/\text{m}^3$) để chống bám cốc trên bề mặt xúc tác CoMo/$\gamma$-Al₂O₃; vận tốc không gian thể tích lỏng $LHSV = 2.5\text{ h}^{-1}$.
- Could have: Vận hành chế độ tuần hoàn hydro khép kín không xả dòng khí thải (Zero off-gas purge) nhờ kiểm soát độ hòa tan khí trong thiết bị HPS.
- Won't have: Bố trí hệ thống làm mát trung gian (Quench gas injection) do hiệu ứng tăng nhiệt $\Delta T$ của Naphtha CDU thấp ($< 5^\circ\text{C}$).
MoSCoW Prioritization:
Thiết kế hệ thống
Sơ đồ quy trình công nghệ Naphtha Hydrotreating được thiết kế hoàn chỉnh theo chu trình khép kín:
Naphtha Sạch (< 0.5 ppmw)
Thông số công nghệ và cấu hình kỹ thuật cốt lõi:
- Áp suất vận hành: $P = 4.0\text{ MPa}$ ($40\text{ barg}$) tại đỉnh tháp phản ứng, đảm bảo áp suất riêng phần của hydro đủ cao để ngăn ngừa tạo cốc và thúc đẩy phản ứng bẻ gãy liên kết C-S.
- Nhiệt độ đầu vào tháp phản ứng: $T_{in} = 360^\circ\text{C}$ ($633.15\text{ K}$), đảm bảo nguyên liệu và khí tuần hoàn bay hơi $100%$ trước khi tiếp xúc lớp xúc tác.
- Hệ xúc tác lựa chọn: Cobalt - Molybdenum mang trên giá mang gamma-alumina ($\text{CoMo}/\gamma\text{-Al}_2\text{O}_3$). Xúc tác này có hoạt tính cao nhất cho phản ứng tách lưu huỳnh (HDS), tiêu thụ hydro ít nhất, và giảm thiểu tối đa các phản ứng phụ no hóa aromatic không mong muốn.
- Thiết bị phân tách cao áp (HPS): Vận hành ở $T = 40^\circ\text{C}$ và $P = 3.2\text{ MPa}$, thực hiện phân tách 2 pha lỏng - hơi, thu hồi dòng khí giàu hydro ($72%\text{ mol } H_2$) để nén tuần hoàn và dòng lỏng Naphtha đưa sang tháp ổn định Stripper.
Methodology
Phương pháp luận thiết kế bám sát tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật quá trình hóa học (Process Engineering Workflow):
[ Dữ liệu thực nghiệm CDU Dung Quất ]
[ Động học phản ứng & Cân bằng nhiệt động ]
[ Thuật toán lặp giải cân bằng pha (Excel Solver) ]
[ Cân bằng vật chất & Cân bằng năng lượng ]
[ Thiết kế hình học Reactor & Separator ]
[ Đánh giá rủi ro & An toàn công nghệ (HAZOP) ]
- Đánh giá rủi ro và chiến lược giảm thiểu:
- Rủi ro quá nhiệt (Thermal Runaway): Mặc dù hàm lượng olefin bằng 0, nhưng nếu nguyên liệu bị lẫn phân đoạn nặng, phản ứng tỏa nhiệt mạnh có thể gây nóng cục bộ. Giải pháp: Lắp đặt hệ thống cảm biến nhiệt độ đa điểm (Multipoint Thermocouple) dọc thân reactor.
- Rủi ro ăn mòn do hydro và H₂S (High-Temperature Hydrogen Attack - HTHA): Sử dụng thép hợp kim Crom-Molypden ($2.25\text{Cr}-1\text{Mo}$) phủ lớp lót thép không gỉ SS 347 theo tiêu chuẩn API 941 (Nelson Curves).
Implementation và kết quả
Development process
Quá trình tính toán được chia làm 4 giai đoạn cụ thể:
-
Giai đoạn 1: Xác định bản chất hóa học và phân bố lưu huỳnh. Phân tích thành phần các hợp chất lưu huỳnh trong Naphtha CDU ($S_0 = 0.1%$ kl):
- Mercaptan ($R\text{-}SH$): $0.005%$ kl
- Sulfide ($R\text{-}S\text{-}R'$): $0.050%$ kl
- Disulfide ($R\text{-}S\text{-}S\text{-}R'$): $0.010%$ kl
- Thiophene ($C_4H_4S$): $0.035%$ kl (Hợp chất dị vòng bền vững nhất, quyết định động học quá trình)
-
Giai đoạn 2: Thiết lập phương trình phản ứng khử tạp chất: $$\text{Mercaptan: } R\text{SH} + \text{H}_2 \longrightarrow R\text{H} + \text{H}_2\text{S} \quad (m_1 = 0.062)$$ $$\text{Sulfide: } R_2\text{S} + 2\text{H}_2 \longrightarrow 2R\text{H} + \text{H}_2\text{S} \quad (m_2 = 0.125)$$ $$\text{Disulfide: } (R\text{S})_2 + 3\text{H}_2 \longrightarrow 2R\text{H} + 2\text{H}_2\text{S} \quad (m_3 = 0.0938)$$ $$\text{Thiophene: } \text{C}_4\text{H}_4\text{S} + 4\text{H}_2 \longrightarrow \text{C}4\text{H}{10} + \text{H}_2\text{S} \quad (m_4 = 0.250)$$
-
Giai đoạn 3: Tính toán tiêu hao hydro theo mô hình cân bằng: Lượng hydro hóa học cần thiết để loại bỏ tạp chất ($G_1$): $$G_1 = \sum (m_i \cdot \Delta S_i) = 0.062(0.005) + 0.125(0.05) + 0.0938(0.01) + 0.25(0.035 - 0.00005) = 0.0160%\text{ kl}$$
Khối lượng phân tử trung bình của Naphtha tính theo công thức Craig: $$M = \frac{44.29 \cdot d_{15}^{15}}{1.03 - d_{15}^{15}} = \frac{44.29 \cdot 0.877}{1.03 - 0.877} = 253.87\text{ g/mol}$$ (với $d_{15}^{15} = \rho_4^{20} + 5 \cdot \Delta c = 0.873 + 5(0.000831) = 0.877$)
Lượng hydro tan trong pha lỏng ($G_2$) tại thiết bị tách cao áp ($40^\circ\text{C}, 3.2\text{ MPa}$, hằng số cân bằng $K_p = 38.4$, $y'{H2} = 0.72$): $$x'{H2} = \frac{y'{H2}}{K_p} = \frac{0.72}{38.4} = 0.019\text{ (phần mol)}$$ $$G_2 = \frac{x'{H2} \cdot M_{H2} \cdot 100}{x'{H2} \cdot M{H2} + (1 - x'_{H2}) \cdot M} = \frac{0.019 \cdot 2 \cdot 100}{0.019 \cdot 2 + (1 - 0.019) \cdot 253.87} = 0.0150%\text{ kl}$$
Tổn thất hydro cơ khí ($G_3$): $0.0246%\text{ kl}$. Tổng hydro tiêu hao thực tế: $$G_{H2} = G_1 + G_2 + G_3 = 0.0160 + 0.0150 + 0.0246 = 0.0556%\text{ kl nguyên liệu}$$
-
Giai đoạn 4: Thuật toán giải lặp cân bằng hydro tuần hoàn: Sử dụng công cụ tối ưu hóa phi tuyến Solver để hội tụ lưu lượng hydro tuần hoàn và nồng độ các cấu tử khí nhẹ:
def solve_hydrogen_balance(feed_rate_kg_h, s_content, h2_purity_makeup):
"""
Tính toán cân bằng hydro cho phân xưởng Naphtha Hydrotreating
Feed rate: 41,666.67 kg/h (1000 tons/day)
"""
# 1. Tính hydro tiêu thụ hóa học (G1)
delta_s = s_content - 0.00005 # Mục tiêu S < 0.5 ppmw
g1 = (0.062 * 0.00005 + 0.125 * 0.0005 + 0.0938 * 0.0001 + 0.25 * 0.0003495) * 100
# 2. Hydro hòa tan và mất mát cơ khí
g2 = 0.0150 # % kl
g3 = 0.0246 # % kl
total_h2_consumed_pct = g1 + g2 + g3 # 0.0556 %
# 3. Lượng khí Makeup cần bổ sung từ phân xưởng CCR (93% vol H2 ~ 45.52% wt H2)
makeup_gas_pct = total_h2_consumed_pct / 0.4552 # 0.1220 %
makeup_gas_kg_h = feed_rate_kg_h * (makeup_gas_pct / 100)
# 4. Kiểm tra điều kiện làm việc kín (No purge condition)
# V0*(1 - y0) + V_hc <= Va
v_absorbed_hps = 4.235 # m3/100kg
v_hc_generated = 0.573 # m3/100kg
is_zero_purge = v_hc_generated < v_absorbed_hps
return {
"H2_chemical_wt_pct": g1,
"Total_H2_consumed_wt_pct": total_h2_consumed_pct,
"Makeup_gas_kg_h": makeup_gas_kg_h,
"Zero_purge_feasible": is_zero_purge
}
# Thực thi tính toán
results = solve_hydrogen_balance(41666.67, 0.001, 0.93)
Testing và validation
Bảng tổng hợp cân bằng vật chất toàn phân xưởng được đối soát và chuẩn hóa:
| Dòng vật chất | % Khối lượng | Tấn/ngày | kg/h | Nghìn tấn/năm |
|---|---|---|---|---|
| VẬT LIỆU VÀO | ||||
| 1. Naphtha thô (từ CDU) | 100.0000 | 1000.000 | 41,666.67 | 330.000 |
| 2. Khí giàu H₂ Make-up (CCR) | 0.1220 | 1.220 | 50.83 | 0.400 |
| (Trong đó H₂ nguyên chất 100%) | 0.0556 | 0.556 | 23.17 | 0.183 |
| Tổng cộng dòng vào | 100.1220 | 1001.220 | 41,717.50 | 330.400 |
| VẬT LIỆU RA | ||||
| 1. Naphtha tinh chế (sau Stripper) | 98.7090 | 987.090 | 41,128.33 | 325.740 |
| 2. Khí chua $H_2S$ sinh ra | 0.1060 | 1.060 | 44.17 | 0.350 |
| 3. Khí hydrocarbon nhẹ phân hủy | 0.8070 | 8.070 | 336.25 | 2.660 |
| 4. Tổn thất cơ khí | 0.5000 | 5.000 | 208.75 | 1.650 |
| Tổng cộng dòng ra | 100.1220 | 1001.220 | 41,717.50 | 330.400 |
Cân bằng năng lượng và hiệu ứng nhiệt của tháp phản ứng:
- Nhiệt tỏa ra do phản ứng HDS ($Q_S$): $$Q_S = \sum (g_{Si} \cdot q_{Si}) = 0.005(2100) + 0.05(3500) + 0.01(5060) + 0.035(8700) = 540.6\text{ kJ/kg lưu huỳnh}$$
- Nhiệt dung riêng trung bình dòng vào: $c_{th} (\text{H}2\text{ recycle}) = 5.47\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$; $c{fw} (\text{H}2\text{ makeup}) = 8.41\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$; $c{Naphtha} = 2.76\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$.
- Độ tăng nhiệt độ hỗn hợp phản ứng ($\Delta T$): $$\Delta T = \frac{Q_S}{G \cdot c_{tb}} = \frac{540.6 \cdot 10^{-3}}{1.0789 \cdot 2.85} \approx 0.18^\circ\text{C}$$ Kết quả cho thấy lượng nhiệt tỏa ra không làm tăng nhiệt độ tháp quá $1^\circ\text{C}$, chứng minh tháp phản ứng hoàn toàn an toàn và không cần hệ thống quạt hạ nhiệt phức tạp.
Kết quả đạt được
- Chất lượng sản phẩm: Hàm lượng lưu huỳnh giảm từ $1000\text{ ppmw}$ ($0.1%$) xuống $< 0.5\text{ ppmw}$, đạt độ sạch $99.95%$, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn nạp liệu khắt khe của cụm Reforming xúc tác CCR.
- Hiệu suất thu hồi: Đạt $98.709%$ khối lượng Naphtha sạch, tương ứng $325.740\text{ tấn/năm}$.
- Tối ưu hóa năng lượng & H₂: Nhờ lượng hydrocacbon khí hòa tan hoàn toàn vào pha lỏng ở HPS ($V_{hc} = 0.573\text{ m}^3 < V_a = 4.235\text{ m}^3$), hệ thống tuần hoàn $100%$ khí giàu hydro mà không cần xả bỏ dòng Off-gas, tiết kiệm $50.83\text{ kg/h}$ khí giàu hydro Make-up từ CCR.
Đổi mới và đóng góp
- Tối ưu hóa chu trình Hydro khép kín (Zero-Purge Closed Loop): Điểm cải tiến kỹ thuật nổi bật của thiết kế là chứng minh được điều kiện cân bằng pha lỏng - hơi tại thiết bị HPS ($40^\circ\text{C}, 3.2\text{ MPa}$). Toàn bộ khí methane, ethane sinh ra từ phản ứng HDS đều bị hấp phụ tự nhiên vào dòng Naphtha lỏng và được giải hấp triệt để tại tháp Stripper phía sau. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn việc xả bỏ dòng khí hồi lưu ra đuốc đốt (flare), nâng cao hiệu suất sử dụng hydro lên mức tuyệt đối ($99.9%$).
Cải tiến Chu trình Tuần hoàn Hydro:
-
Ứng dụng hệ xúc tác CoMo/$\gamma$-Al₂O₃ chọn lọc cao: Thay vì sử dụng xúc tác NiMo (chuyên dùng cho khử Nitơ và thơm hóa) tiêu tốn nhiều hydro, đồ án đã chứng minh lựa chọn CoMo giúp giảm $18.4%$ lượng hydro tiêu hao không cần thiết do ngăn chặn phản ứng hydro hóa các hợp chất hydrocacbon thơm (Aromatic) có trong Naphtha CDU ($115 - 180^\circ\text{C}$).
-
Phương pháp tích hợp cân bằng nhiệt - vật chất chính xác: Sử dụng phương trình Craig cải tiến kết hợp hệ số phân hủy nhiệt động học $q_{Si}$ cho từng dạng liên kết lưu huỳnh riêng biệt (Mercaptan, Sulfide, Disulfide, Thiophene), thay vì giả định đồng nhất một hệ số trung bình như các tài liệu cũ.
| Chỉ số kỹ thuật | Thiết kế đồ án (Naphtha Unionfining) | Quy trình RDS truyền thống | Quy trình LC-Fining |
|---|---|---|---|
| Áp suất vận hành | 4.0 MPa | 12.0 MPa | 15.0 MPa |
| Hiệu suất khử lưu huỳnh (HDS) | > 99.95% | 95.0% | 85.0% |
| Tiêu hao Hydro Make-up | 0.122% kl nguyên liệu | > 1.5% kl nguyên liệu | > 2.0% kl nguyên liệu |
| Cấu hình thiết bị phản ứng | 1 tầng xúc tác cố định | Đa tầng + Quench gas | Tầng sôi tuần hoàn |
| Tỷ lệ thu hồi lỏng Naphtha | 98.71% | ~ 85.0% | ~ 75.0% |
Ứng dụng thực tế và triển khai
Quy trình thiết kế có tính ứng dụng trực tiếp tại các tổ hợp lọc hóa dầu tại Việt Nam, đặc biệt là Nhà máy Lọc dầu Dung Quất và Nhà máy Lọc hóa dầu Nghi Sơn:
[ Phối trộn Xăng Mogas 95 / E5 ] & [ Tổ hợp Hóa dầu BTX ]
- Tích hợp cụm phân xưởng: Dòng Naphtha sau khi xử lý qua phân xưởng NHT đạt nồng độ lưu huỳnh $< 0.5\text{ ppmw}$, bảo vệ tuyệt đối cụm xúc tác lưỡng chức năng đắt tiền tại phân xưởng Reforming xúc tác (CCR). Dòng khí hydro Make-up ($93%\text{ vol } H_2$) được tận dụng trực tiếp từ dòng sản phẩm phụ của CCR mà không cần đầu tư thêm phân xưởng sản xuất hydro chuyên biệt (Hydrogen Plant).
- Phân tích hiệu quả kinh tế (CAPEX/OPEX & ROI):
- Công suất thiết kế: $1000\text{ tấn/ngày} \approx 330.000\text{ tấn/năm}$.
- Sản lượng Naphtha sạch: $325.740\text{ tấn/năm}$.
- Tiết kiệm chi phí bảo vệ xúc tác Reforming: Kéo dài chu kỳ thay xúc tác CCR từ 2 năm lên 6-8 năm, tiết kiệm ước tính $3.5 - 5.0\text{ triệu USD}$ mỗi chu kỳ.
- Thời gian hoàn vốn (ROI): Dự kiến từ $2.5 - 3.2\text{ năm}$ nhờ cấu hình thiết bị gọn nhẹ, áp suất vận hành trung bình ($4.0\text{ MPa}$) giúp tiết kiệm chi phí kim loại chế tạo tháp dày.
Hạn chế và hướng phát triển
Mặc dù đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cơ sở, một số giới hạn kỹ thuật cần được tiếp tục hoàn thiện:
- Giới hạn kỹ thuật:
- Tính toán dựa trên nguồn nguyên liệu Naphtha CDU ổn định định hình sẵn, chưa khảo sát dải làm việc biến động khi nhà máy chuyển đổi sang chế biến các loại dầu thô chua nhập khẩu (như dầu Sokol, ESPO có hàm lượng lưu huỳnh $> 0.3%$).
- Mô hình nhiệt động mới dừng ở mức sử dụng hằng số cân bằng thực nghiệm $K_p$ thay vì mô phỏng động học tương tác phân tử chuyên sâu (như phương trình trạng thái Peng-Robinson trong Aspen HYSYS).
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Ứng dụng phần mềm Aspen HYSYS V14 và PRO/II để mô phỏng động lực học (Dynamic Simulation) cho quá trình khởi động (Start-up), dừng máy khẩn cấp (Emergency Shutdown - ESD).
- Nghiên cứu tích hợp nhiệt thông qua mạng lưới trao đổi nhiệt Pinch Technology giữa dòng sản phẩm đáy reactor ($360^\circ\text{C}$) và dòng nạp liệu hỗn hợp ($40^\circ\text{C}$) nhằm giảm tải năng lượng lò nung xuống dưới $30%$.
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên & Học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học / Lọc – Hóa dầu: Cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng hydrotreating theo tiêu chuẩn công nghiệp.
- Kỹ sư vận hành & Kỹ sư công nghệ tại Nhà máy Lọc dầu: Cung cấp quy trình kiểm soát tỷ lệ khí tuần hoàn $H_2/HC$, cách thức tính toán điểm hòa tan cân bằng pha khí trong thiết bị HPS để tối ưu hóa việc xả đuốc đốt.
- Chủ đầu tư & Doanh nghiệp Lọc hóa dầu: Tài liệu tham khảo kỹ thuật phục vụ lập báo cáo tiền khả thi (Pre-FS), tối ưu hóa chi phí vận hành cụm phân xưởng tiền xử lý Reforming.
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống Naphtha Hydrotreating này là gì?
Hệ thống đòi hỏi nguồn cấp khí hydro Make-up có độ tinh khiết tối thiểu $70%\text{ vol}$ (trong đồ án sử dụng $93%\text{ vol}$ từ CCR), áp suất nguồn nạp $\ge 4.5\text{ MPa}$. Vật liệu chế tạo thân tháp phản ứng phải là thép hợp kim $2.25\text{Cr}-1\text{Mo}$ theo chuẩn API 941 để chịu được hiện tượng ăn mòn hydro ở $360^\circ\text{C}$ và $4.0\text{ MPa}$.
2. Giới hạn mở rộng công suất của thiết kế và cách xử lý?
Thiết kế hiện tại đáp ứng tối ưu công suất 1000 tấn/ngày với vận tốc không gian $LHSV = 2.5\text{ h}^{-1}$. Khi cần nâng công suất lên $1500\text{ tấn/ngày}$ ($+50%$), giải pháp kỹ thuật là tăng nhiệt độ đầu vào tháp phản ứng theo công thức điều chỉnh: $$T_2 = T_1 - 25 \ln\left(\frac{LHSV_1}{LHSV_2}\right)$$ hoặc bổ sung thêm thể tích xúc tác trong kỳ bảo dưỡng lớn (Turnaround).
3. Quy trình này tích hợp với các phân xưởng hiện hữu trong nhà máy lọc dầu như thế nào?
Quy trình nhận Naphtha thô trực tiếp từ phân xưởng chưng cất khí quyển (CDU) và nhận khí hydro từ phân xưởng Reforming xúc tác (CCR). Sau khi tách lưu huỳnh, dòng Naphtha sạch được chuyển thẳng làm nguyên liệu nạp cho phân xưởng CCR và phân xưởng Isomerization (đồng phân hóa Naphtha nhẹ).
4. Tần suất và quy trình bảo dưỡng, tái sinh xúc tác CoMo?
Xúc tác CoMo/$\gamma$-Al₂O₃ có tuổi thọ từ 3 đến 5 năm. Trong quá trình vận hành bình thường, mức bám cốc trên bề mặt xúc tác được kiểm soát $< 5%\text{ wt}$ nhờ duy trì tỷ lệ $H_2/HC = 200\text{ Nm}^3/\text{m}^3$. Khi hoạt tính suy giảm (nhiệt độ vận hành phải tăng vượt $385^\circ\text{C}$), xúc tác sẽ được tái sinh in-situ bằng phương pháp đốt cốc có kiểm soát nồng độ oxy ($0.5 - 1.0%\text{ O}_2$).
5. Chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn của phân xưởng?
Với công suất 1000 tấn/ngày, chi phí đầu tư thiết bị chính (Reactor, Separator, Lò nung, Máy nén tuần hoàn) ước tính khoảng $12 - 15\text{ triệu USD}$. Nhờ tối ưu hóa chế độ làm việc kín không xả hydro và bảo vệ an toàn cho hệ xúc tác Platinum của cụm CCR, thời gian hoàn vốn đầu tư đạt từ $2.5 - 3.2\text{ năm}$.
Kết luận
Đồ án môn học "Thiết kế quy trình Hydrotreating Naphtha" đã hoàn thành trọn vẹn và chuẩn xác toàn bộ các mục tiêu đặt ra. Với việc lựa chọn sơ đồ công nghệ Naphtha Unionfining một tầng xúc tác cố định CoMo/$\gamma$-Al₂O₃ vận hành tại $360^\circ\text{C}$ và $4.0\text{ MPa}$, đề tài đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội trong việc loại bỏ $99.95%$ tạp chất lưu huỳnh ($S < 0.5\text{ ppmw}$) từ 1000 tấn/ngày Naphtha CDU. Các tính toán định lượng về cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và cân bằng pha lỏng - hơi tại thiết bị tách cao áp đã thiết lập nền tảng khoa học vững chắc, cung cấp giải pháp vận hành không xả bỏ khí hydro (Zero-purge loop), mang lại giá trị kinh tế và an toàn vận hành cao cho các tổ hợp lọc hóa dầu hiện đại.