Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến dầu khí hiện đại, quá trình chưng cất tiêu tốn khoảng 40% đến 60% tổng năng lượng tiêu thụ của toàn bộ nhà máy. Tại Việt Nam, Nhà máy Chế biến khí Dinh Cố thuộc Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS) được thiết kế tiếp nhận nguồn khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rạng Đông với công suất 1,5 tỷ mét khối khí tiêu chuẩn mỗi năm, tương đương khoảng 4,3 triệu mét khối khí tiêu chuẩn mỗi ngày. Dây chuyền sản xuất cung cấp định mức 540 tấn propane mỗi ngày, 415 tấn butane mỗi ngày và 400 tấn condensate mỗi ngày.

Vấn đề kỹ thuật nổi bật là dòng khí hóa lỏng LPG thương phẩm chứa hàm lượng iso-butane chiếm tới 13,77% mol, tương đương khoảng 41% đến 43% tổng lượng cấu tử butane C4. Việc để lẫn iso-butane trong LPG để làm chất đốt thông thường gây lãng phí nghiêm trọng nguồn nguyên liệu hóa dầu quý giá, bởi nhiệt trị của iso-butane đạt 2.651,0 kJ/mol, thấp hơn mức 2.877,0 kJ/mol của n-butane.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng quy trình phân tách thu hồi iso-butane từ dòng nhập liệu LPG 21.800 kg/h bằng phần mềm Aspen HYSYS, kết hợp áp dụng phương pháp phân tích Exergy để đánh giá mức độ bất thuận nghịch nhiệt động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn nguyên liệu thực tế tại Nhà máy Dinh Cố (Bà Rịa - Vũng Tàu), được thực hiện trong mốc thời gian từ tháng 7 năm 2012 đến tháng 12 năm 2012. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi mở ra giải pháp nâng cao hiệu suất Exergy toàn hệ thống lên mức tối ưu, giảm thiểu tiêu hao năng lượng nhiệt và tối đa hóa giá trị kinh tế cho chuỗi chế biến khí quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp chặt chẽ giữa Định luật I và Định luật II nhiệt động học. Định luật I chịu trách nhiệm thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng nhưng không phản ánh được sự suy giảm chất lượng năng lượng. Để khắc phục điểm hạn chế này, phương pháp phân tích Exergy được đưa vào áp dụng nhằm định lượng chính xác lượng công cực đại mà hệ thống có thể sinh ra khi biến đổi từ trạng thái thực tế về trạng thái cân bằng nhiệt động với môi trường chuẩn, tại nhiệt độ 25 độ C (298,15 K) và áp suất 1 atm (101,325 kPa).

Khung lý thuyết phân loại Exergy dòng vật chất thành các thành phần chính: Exergy vật lý phụ thuộc vào biến thiên Enthalpy và Entropy theo biểu thức toán học, Exergy hóa học xác định qua chênh lệch hóa thế của từng cấu tử, cùng với Exergy nhiệt biểu diễn qua chu trình Carnot lý thuyết. Mối quan hệ giữa sự phát sinh entropy và tổn thất Exergy được mô hình hóa nhằm phát hiện các điểm nghẽn bất thuận nghịch dọc thân tháp. Đồng thời, phương trình trạng thái Peng-Robinson được ứng dụng làm mô hình nhiệt động chuẩn để tính toán chính xác hệ số dung sai, cân bằng pha lỏng hơi (VLE) và các thông số nhiệt động của hỗn hợp hydrocarbon đa cấu tử.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu đầu vào sử dụng số liệu vận hành thực tế của dòng LPG Nhà máy Dinh Cố với lưu lượng khối lượng cố định 21.800 kg/h, nhiệt độ nhập liệu 60 độ C và áp suất 16 bar. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập hợp dữ liệu phân tích sắc ký khí của 7 cấu tử chính: C2 chiếm 1,81% mol, C3 chiếm 64,51% mol, iC4 chiếm 13,77% mol, nC4 chiếm 18,62% mol, iC5 chiếm 1,04% mol, nC5 chiếm 0,18% mol và neo-C5 chiếm 0,07% mol. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu này mang tính đại diện tuyệt đối cho dòng sản phẩm LPG thương mại trước khi nạp vào các bồn chứa cao áp.

Quy trình nghiên cứu được triển khai theo 2 giai đoạn trên phần mềm Aspen HYSYS:

  • Giai đoạn 1: Sử dụng module chưng cất rút gọn Shortcut Distillation dựa trên thuật toán Fenske-Underwood-Gilliland để xác định nhanh tỉ số hồi lưu tối thiểu và số mâm lý thuyết sơ bộ.
  • Giai đoạn 2: Thiết lập mô hình tháp chưng cất nghiêm ngặt Rigorous Distillation Column với các ràng buộc kỹ thuật chặt chẽ về độ tinh khiết sản phẩm đỉnh và đáy.

Dữ liệu Enthalpy và Entropy xuất ra từ các bước chạy mô phỏng hội tụ được trích xuất để tính toán cân bằng nhiệt, nhiệt lượng nồi đun reboiler, nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ condenser và tổn thất Exergy nội sinh tại từng đĩa chưng cất. Timeline nghiên cứu kéo dài 5 tháng đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy nhiệt động của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình hóa và phân tích Exergy trên 3 cấu hình công nghệ thu hồi iso-butane đã mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

  • Phương pháp sử dụng 01 tháp có trích ngang: Cấu hình này chỉ cần một thân tháp duy nhất để lấy sản phẩm đỉnh (propane), sản phẩm trích ngang (iso-butane) và sản phẩm đáy (n-butane). Tuy nhiên, do gradient nồng độ và nhiệt độ bị xáo trộn mạnh tại vị trí mâm rút dòng lỏng, tổn thất Exergy tại thân tháp tăng cao, chiếm hơn 45% tổng lượng Exergy bị tiêu hủy của toàn hệ thống.
  • Phương pháp sử dụng hệ thống 02 tháp nối tiếp: Tháp thứ nhất phân tách riêng dòng propane trên đỉnh và hỗn hợp butane ở đáy; tháp thứ hai (Deisobutanizer) tiếp tục tách riêng iso-butane ở đỉnh với độ tinh khiết đạt trên 95% mol và n-butane ở đáy đạt trên 98% mol. Cấu hình này giúp kiểm soát vận hành ổn định, phân phối tải nhiệt cân bằng hơn với tổng công tiêu thụ phụ trợ giảm khoảng 12% so với phương pháp 01 tháp có trích ngang.
  • Phương pháp tháp chưng cất có vách ngăn (Dividing-Wall Column - DWC): Ứng dụng nguyên lý tích hợp nhiệt Petlyuk bên trong một vỏ tháp duy nhất giúp tiết kiệm từ 20% đến 30% năng lượng nhiệt cấp vào nồi đun đáy so với hệ 2 tháp truyền thống, đồng thời cắt giảm tổn thất Exergy tổng thể khoảng 25%.
  • Phân bố tổn thất Exergy: Tại tất cả các cấu hình, hơn 55% đến 65% lượng Exergy tiêu hủy tập trung chủ yếu tại thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp và nồi đun đáy tháp do độ chênh lệch nhiệt độ lớn giữa lưu chất công nghệ với môi chất làm mát và hơi nước cấp nhiệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng suy giảm hiệu suất Exergy trong tháp chưng cất bắt nguồn từ sự bất thuận nghịch của quá trình truyền nhiệt có chênh lệch nhiệt độ hữu hạn, sự giảm áp suất dòng chảy qua các mâm van và hiện tượng hòa trộn dòng chất lỏng có thành phần khác nhau tại đĩa nhập liệu.

Khi quan sát dữ liệu phân bố, các kết quả nhiệt động được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ profile nhiệt độ theo vị trí mâm (trải dài từ mâm đỉnh số 1 đến mâm đáy số 74) và các bảng thống kê tổn thất Exergy chi tiết tại từng thiết bị phụ trợ. Đường cong nhiệt độ phản ánh rõ ràng bước nhảy enthalpy tại đĩa nạp liệu và đĩa trích sản phẩm phụ, giải thích vì sao tháp đơn trích ngang gây lãng phí Exergy lớn hơn.

So sánh với các nghiên cứu công nghiệp tiêu chuẩn của Klemola và Ilme trên tháp deisobutanizer 74 mâm vận hành ở áp suất 892,67 kPa, mô hình 2 tháp trong luận văn cho thấy tính tương thích cao về độ tinh khiết sản phẩm (đạt trên 94% khối lượng iso-butane). Phương pháp phân tích Exergy đã chứng minh tính ưu việt vượt trội so với phân tích nhiệt truyền thống khi chỉ rõ chính xác vị trí lãng phí chất lượng năng lượng cần can thiệp cải tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa tiềm năng kinh tế và tối ưu hóa năng lượng cho quá trình thu hồi iso-butane, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất:

  • Đầu tư xây dựng phân xưởng phân tách Deisobutanizer chuyên biệt: Ban Quản lý Dự án và Khối Kỹ thuật thuộc PV GAS cần phê duyệt báo cáo khả thi đầu tư hệ thống tháp tách iso-butane nhằm thu hồi 13,77% mol i-C4 từ dòng LPG hiện hữu, nâng giá trị thương mại tổng thể của sản phẩm khí hóa lỏng lên 15% đến 25% trong thời gian triển khai 18 đến 24 tháng.
  • Áp dụng công nghệ nén hơi đỉnh tháp (Vapor Recompression / Heat Pump): Đội ngũ kỹ sư công nghệ cần tích hợp máy nén để tái sử dụng ẩn nhiệt ngưng tụ của dòng hơi đỉnh tháp cấp nhiệt trực tiếp cho nồi đun đáy, giúp giảm tiêu hao nhiệt phụ trợ từ 15% đến 20% với lộ trình thực hiện trong 12 tháng.
  • Tối ưu hóa thời gian thực các thông số vận hành: Bộ phận điều độ sản xuất tại Nhà máy Dinh Cố cần tiến hành chuẩn hóa vị trí mâm nhập liệu và duy trì tỉ số hồi lưu tối ưu thông qua hệ thống điều khiển DCS, nhằm cắt giảm ngay từ 8% đến 12% lượng Exergy tiêu hủy nội sinh tại các bộ trao đổi nhiệt.
  • Đẩy mạnh nghiên cứu và thử nghiệm tháp vách ngăn DWC: Viện Dầu khí Việt Nam phối hợp cùng các trường đại học khối kỹ thuật triển khai thiết kế chi tiết cụm tháp chưng cất tích hợp vách ngăn cho các dự án nâng cấp, mở rộng nhà máy chế biến khí trong giai đoạn trung hạn 3 đến 5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Kỹ sư công nghệ và chuyên viên vận hành nhà máy lọc hóa dầu: Cung cấp bộ thông số mô phỏng chuẩn xác trên Aspen HYSYS để vận hành, xử lý sự cố và cải tiến quy trình chưng cất LPG tại các đơn vị như Nhà máy Khí Dinh Cố, Cà Mau, Lọc dầu Dung Quất và Nghi Sơn.
  • Các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học: Làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp ứng dụng nhiệt động học Định luật II, cân bằng Exergy và mô hình hóa quá trình chuyển khối đa cấu tử.
  • Học viên cao học và sinh viên đại học khối ngành Dầu khí: Cung cấp cẩm nang chi tiết từng bước xây dựng mô phỏng từ Shortcut đến Rigorous Column, lựa chọn gói nhiệt động Peng-Robinson và phương pháp tính toán tổn thất Exergy phục vụ đồ án tốt nghiệp.
  • Chuyên gia tư vấn và quản lý kiểm toán năng lượng: Sử dụng phương pháp luận Exergy làm công cụ định lượng để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, cắt giảm phát thải carbon và tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị trao đổi nhiệt công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao cần tách riêng iso-butane thay vì để chung trong hỗn hợp LPG? Hàm lượng iso-butane trong LPG Dinh Cố chiếm tỷ lệ cao khoảng 13,77% mol. Iso-butane là nguyên liệu trung gian cao cấp để tổng hợp alkylate, dung môi terbutylalcohol và phụ gia xăng MTBE/ETBE, mang lại giá trị thương mại cao hơn từ 30% đến 50% so với việc chỉ sử dụng làm nhiên liệu đốt thông thường.

  • Phân tích Exergy khác biệt như thế nào so với phân tích năng lượng theo Định luật I? Phân tích theo Định luật I chỉ bảo toàn về mặt số lượng năng lượng mà không phân biệt được chất lượng của nhiệt và công. Phân tích Exergy kết hợp cả hai định luật nhiệt động, chỉ rõ lượng công hữu ích bị mất mát do các quá trình bất thuận nghịch, giúp xác định chính xác vị trí cần cải tiến trong hệ thống.

  • Tại sao tháp chưng cất có vách ngăn DWC lại vượt trội hơn hệ 2 tháp truyền thống? Tháp DWC tích hợp chức năng của hai cột chưng cất trong một vỏ thiết bị duy nhất thông qua vách ngăn thẳng đứng. Thiết kế này loại bỏ hiện tượng tái hòa trộn thành phần ở vùng giữa tháp, giúp giảm khoảng 20% đến 30% chi phí năng lượng vận hành và tiết kiệm xấp xỉ 30% chi phí đầu tư ban đầu.

  • Gói nhiệt động Peng-Robinson đóng vai trò gì trong mô phỏng Aspen HYSYS? Peng-Robinson là phương trình trạng thái phi tuyến lý tưởng cho hệ hydrocarbon từ nhẹ đến trung bình ở dải áp suất cao từ 10 bar đến 20 bar. Gói tính toán này dự báo chính xác các điểm cân bằng lỏng hơi (VLE), enthalpy và entropy của hỗn hợp khí tự nhiên, bảo đảm kết quả mô phỏng hội tụ tin cậy.

  • Vị trí nào trong tháp chưng cất gây ra tổn thất Exergy lớn nhất? Tổn thất Exergy tập trung nhiều nhất ở thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp và nồi đun đáy tháp, chiếm từ 55% đến 65% tổng thất thoát toàn tháp. Nguyên nhân xuất phát từ sự truyền nhiệt qua bề mặt có chênh lệch nhiệt độ lớn giữa lưu chất công nghệ và các nguồn năng lượng phụ trợ bên ngoài.

Kết luận

  • Luận văn đã mô phỏng thành công quá trình thu hồi iso-butane từ 21.800 kg/h LPG Nhà máy Dinh Cố trên phần mềm Aspen HYSYS với độ chính xác cao.
  • Thiết lập hoàn chỉnh mô hình tính toán Exergy, định lượng rõ ràng tổn thất tại từng bộ phận và xác định hiệu suất nhiệt động thực tế của các cấu hình công nghệ.
  • Chứng minh phương án hệ 02 tháp nối tiếp và tháp vách ngăn DWC giúp đạt độ tinh khiết iso-butane trên 95% mol, vượt trội hoàn toàn so với tháp đơn trích ngang.
  • Khẳng định tháp tích hợp vách ngăn DWC là xu hướng công nghệ tối ưu, giúp cắt giảm từ 20% đến 30% nhiệt lượng tiêu thụ và 25% tổn thất Exergy.
  • Các đơn vị chế biến khí cần sớm phê duyệt dự án ứng dụng và triển khai nâng cấp hệ thống chưng cất thu hồi iso-butane trong lộ trình 18 đến 24 tháng tới nhằm tối đa hóa hiệu quả kinh tế.