Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến khí và lọc hóa dầu đóng vai trò then chốt trong nền kinh tế năng lượng, nhưng các hệ thống phân tách truyền thống thường tiêu tốn khoảng 40% đến 60% tổng năng lượng tiêu thụ của toàn nhà máy. Tại Việt Nam, Nhà máy Chế biến Khí Dinh Cố thuộc Tổng Công ty Khí Việt Nam (PV GAS) được vận hành với công suất thiết kế xử lý khoảng 1,5 tỷ m3 khí tiêu chuẩn mỗi năm, tương đương 4,3 triệu m3 khí tiêu chuẩn mỗi ngày, cung cấp ra thị trường khoảng 540 tấn propane/ngày, 415 tấn butane/ngày và 400 tấn condensate/ngày. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ và Rạng Đông chứa hàm lượng iso-butane rất đáng kể, chiếm 13,77% mol trong tổng dòng khí hóa lỏng (LPG) thương phẩm và chiếm từ 41% đến 43% tổng phân đoạn butane (C4).

Hiện nay, toàn bộ lượng iso-butane này vẫn bị đốt cháy lẫn trong hỗn hợp LPG dân dụng mà chưa được tách riêng. Việc sử dụng iso-butane làm nhiên liệu đốt gây lãng phí kinh tế nghiêm trọng vì nhiệt trị của iso-butane đạt 2.651,0 kJ/mol, thấp hơn so với đồng phân n-butane đạt 2.877,0 kJ/mol, trong khi iso-butane là nguồn nguyên liệu hóa dầu chiến lược có giá trị thương mại vượt trội dùng để tổng hợp alkylate, phụ gia MTBE, ETBE, monomer cho cao su butyl và dung môi polyme hóa.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình mô phỏng quá trình chưng cất thu hồi iso-butane độ tinh khiết cao từ dòng nhập liệu LPG Dinh Cố với lưu lượng 21.800 kg/h ở áp suất 16 bar và nhiệt độ 60 độ C. Bằng cách ứng dụng phương pháp phân tích Exergy dựa trên Định luật II Nhiệt động học kết hợp phần mềm Aspen HYSYS, nghiên cứu đánh giá định lượng mức độ suy giảm chất lượng năng lượng và tổn thất công hữu ích của ba cấu hình công nghệ: tháp đơn có trích ngang, hệ hai tháp chưng cất nối tiếp và tháp chưng cất có vách ngăn (Dividing Wall Column - DWC). Kết quả nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học để cắt giảm từ 20% đến 30% lượng nhiệt tiêu thụ, nâng cao hiệu suất Exergy của hệ thống và gia tăng 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 tích hợp giữa Định luật I và Định luật II Nhiệt động học, sử dụng công cụ Exergy để lượng hóa chất lượng năng lượng và sự bất thuận nghịch của các quá trình truyền nhiệt, truyền khối. Exergy đại diện cho công hữu ích cực đại mà một hệ thống có thể sinh ra khi chuyển từ trạng thái thực tại về trạng thái cân bằng hoàn toàn với môi trường tham khảo chuẩn ở nhiệt độ 25 độ C (298,15 K) và áp suất 1 atm (101,325 kPa).

Khung lý thuyết vận dụng phương trình cân bằng Exergy tổng quát, trong đó tổn thất Exergy được xác định theo hệ thức Gouy-Stodola thông qua lượng entropy phát sinh nhân với nhiệt độ môi trường. Exergy của dòng nhiệt được tính toán theo hiệu suất chu trình Carnot lý tưởng với công thức nhân dòng nhiệt lượng với hiệu số của một trừ tỉ số giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ nguồn nhiệt. Exergy của dòng vật chất bao gồm thành phần vật lý và hóa học, được xác định thông qua độ chênh lệch enthalpy và entropy riêng so với trạng thái chuẩn cùng hằng số khí lý tưởng 8,314 J/mol.K.

Hiệu suất Exergy của tháp chưng cất được định nghĩa là tỉ số giữa công tối thiểu cần thiết cho quá trình phân tách cấu tử và tổng công tiêu tốn thực tế từ hệ thống phụ trợ. Bên cạnh đó, các mô hình nhiệt động học về phân tách thuận nghịch của Petlyuk, mạng lưới tích hợp nhiệt nội tại và lý thuyết phân tách hỗn hợp ba cấu tử được áp dụng nhằm đánh giá hiện tượng tái hòa trộn nhiệt động học dọc thân tháp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng quá trình ở trạng thái xác lập trên phần mềm Aspen HYSYS phiên bản 7.0 kết hợp thuật toán tính toán nhiệt động chuyên sâu. Phương trình trạng thái Peng-Robinson được lựa chọn làm gói thuộc tính lưu chất (Fluid Package) nhờ khả năng dự đoán chính xác cao đối với các hệ hydrocarbon dầu khí không phân cực ở dải áp suất cao từ 11 bar đến 16 bar.

Cỡ mẫu dữ liệu đầu vào sử dụng thông số vận hành thực tế tại Nhà máy Chế biến Khí Dinh Cố với dòng nhập liệu LPG có lưu lượng cố định 21.800 kg/h, nhiệt độ 60 độ C và áp suất 16 bar. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu định ngạch theo thành phần hóa học thực tế gồm 7 cấu tử chuẩn: 1,81% mol C2; 64,51% mol C3; 13,77% mol iC4; 18,62% mol nC4; 0,07% mol neo-C5; 1,04% mol iC5 và 0,18% mol nC5. Lý do lựa chọn bộ dữ liệu này nhằm đảm bảo tính đồng nhất và phản ánh chính xác dao động vận hành của nhà máy chế biến khí thương mại.

Quy trình nghiên cứu triển khai theo 4 bước tuần tự: thiết lập bài toán Shortcut Distillation để xác định số mâm lý thuyết tối thiểu và tỉ số hồi lưu tối thiểu; mô phỏng chi tiết các cấu hình tháp chưng cất đa mâm (khảo sát hệ thống tháp từ 40 đến 74 mâm); trích xuất dữ liệu entanpi, entropi, nhiệt tải nồi đun và thiết bị ngưng tụ khi hệ thống đạt trạng thái hội tụ; lập trình bảng tính cân bằng Exergy để xác định tổn thất Exergy tại từng mâm, thiết bị ngưng tụ và nồi đun của từng phương án công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình mô phỏng trên phần mềm Aspen HYSYS và tính toán Exergy đã chỉ ra những khác biệt rõ nét về hiệu quả phân tách và mức độ tiêu thụ năng lượng giữa các phương án công nghệ:

Thứ nhất, đối với cấu hình tháp đơn có trích ngang sản phẩm trung gian, hiện tượng tái hòa trộn nồng độ diễn ra nghiêm trọng tại khu vực mâm nhập liệu và mâm lấy sản phẩm cạnh sườn. Cấu hình này chỉ đạt độ tinh khiết iso-butane khoảng 90% đến 92% mol, đồng thời tổn thất Exergy nội tại trong thân tháp chiếm tới 38% đến 42% tổng tổn thất Exergy của toàn hệ thống do chênh lệch nồng độ và nhiệt độ lớn giữa các dòng lỏng - hơi tiếp xúc.

Thứ hai, cấu hình hai tháp chưng cất nối tiếp (tháp thứ nhất tách propane ở đỉnh, tháp thứ hai phân tách iso-butane và n-butane) đạt hiệu quả phân tách vượt trội với độ tinh khiết dòng đỉnh tháp thứ hai đạt trên 95% khối lượng iso-butane và dòng đáy đạt 98% khối lượng n-butane. Tuy nhiên, việc vận hành hai thiết bị ngưng tụ và hai nồi đun độc lập làm tăng tổng lượng nhiệt cung cấp lên mức cao, kéo theo tổn thất Exergy tại các thiết bị trao đổi nhiệt chiếm từ 68% đến 74% tổng lượng tổn thất toàn hệ thống.

Thứ ba, cấu hình Tháp chưng cất có vách ngăn (DWC) mô phỏng cấu trúc tích hợp nhiệt Petlyuk cho thấy sự tối ưu hóa nhiệt động học vượt trội. Cấu hình DWC giúp giảm từ 22% đến 28% tổng năng lượng nhiệt cấp tại đáy tháp và cắt giảm khoảng 25% đến 35% tổng tổn thất Exergy so với hệ thống hai tháp truyền thống, đồng thời duy trì độ tinh khiết sản phẩm iso-butane đạt trên 95% mol.

Thứ tư, phân tích định lượng cho thấy tổn thất Exergy tập trung chủ yếu tại hai vị trí: nồi đun đáy tháp chiếm khoảng 45% đến 52% tổng tổn thất do gradient nhiệt độ truyền nhiệt lớn giữa hơi cấp và đáy tháp, thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp chiếm khoảng 25% đến 30%, phần còn lại phân bố dọc thân tháp.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố tổn thất Exergy phản ánh chính xác bản chất bất thuận nghịch của quá trình truyền nhiệt với hiệu số nhiệt độ hữu hạn và quá trình truyền khối bất thuận nghịch trên các mâm chưng cất. Khi dữ liệu được trực quan hóa qua biểu đồ phân bố nhiệt độ (Temperature Profile) và áp suất theo từng vị trí mâm từ đỉnh đến đáy, đường cong nhiệt độ của phương án hai tháp và tháp có vách ngăn thể hiện sự biến thiên trơn tru hơn hẳn so với tháp đơn có dòng trích ngang. Điều này lý giải tại sao tháp đơn trích ngang lại sinh ra lượng entropy nội tại cao hơn ở khu vực giữa tháp.

Dữ liệu phân tích Exergy được tổng hợp dưới dạng biểu đồ cân bằng dòng nhiệt và bảng phân bổ tổn thất Exergy cho từng cụm thiết bị. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế của Suphanit và Demirel khi khẳng định các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ luôn là nguồn phát sinh tổn thất Exergy lớn nhất trong công nghệ chưng cất dầu khí. Việc áp dụng vách ngăn DWC loại bỏ hoàn toàn một thiết bị ngưng tụ và một nồi đun trung gian, từ đó triệt tiêu sự mất mát Exergy do quá trình làm lạnh và tái gia nhiệt lặp lại, mang lại hiệu quả vượt trội về mặt bảo toàn chất lượng năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích nhiệt động học và kết quả mô phỏng, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

Thứ nhất, tiến hành cải tạo và tối ưu hóa chế độ vận hành của tháp chưng cất C-03 hiện hữu tại Nhà máy Chế biến Khí Dinh Cố trong vòng 6 đến 12 tháng. Ban Vận hành Nhà máy cần điều chỉnh áp suất làm việc của tháp về dải tối ưu từ 8,5 bar đến 9,5 bar và kiểm soát tỷ số hồi lưu ở mức hợp lý, hướng đến mục tiêu giảm 12% tiêu hao nhiệt lượng nồi đun và nâng hiệu suất thu hồi iso-butane lên trên 92%.

Thứ hai, triển khai dự án đầu tư lắp đặt hệ hai tháp chưng cất phân tách chuyên biệt phân đoạn C4 trong lộ trình từ 12 đến 24 tháng. Đội ngũ Kỹ sư Thiết kế và Dự án thuộc Tổng Công ty Khí Việt Nam cần tích hợp sơ đồ tái nén hơi đỉnh tháp (Vapor Recompression) hoặc tận dụng nhiệt thừa dòng sản phẩm đáy để tiền gia nhiệt cho dòng nhập liệu, nhằm cắt giảm từ 15% đến 20% lượng hơi nước cấp cho nồi đun.

Thứ ba, ứng dụng công nghệ Tháp chưng cất có vách ngăn (DWC) cho các dự án xây dựng mới hoặc nâng công suất các nhà máy chế biến khí trong giai đoạn 2 đến 3 năm tới. Ban Quản lý Dự án Tổng công ty cần lựa chọn thiết kế DWC nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm 25% đến 30% chi phí đầu tư thiết bị (CAPEX) và giảm 28% chi phí năng lượng vận hành (OPEX).

Thứ tư, xây dựng chuỗi giá trị hóa dầu sau chế biến khí trong thời hạn 3 đến 5 năm do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam chủ trì. Tận dụng nguồn iso-butane độ tinh khiết 95% mol thu hồi được để làm nguyên liệu cấp cho các nhà máy sản xuất phụ gia xăng không chì MTBE/ETBE hoặc alkylate hóa, nâng giá trị thương phẩm của dòng khí lên 30% đến 40% so với việc tiêu thụ dưới dạng LPG thô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư công nghệ, kỹ sư vận hành tại Nhà máy Chế biến Khí Dinh Cố, Nhà máy Lọc dầu Dung Quất và Nhà máy Lọc hóa dầu Nghi Sơn. Luận văn cung cấp phương pháp xác định điểm tổn thất năng lượng cục bộ và quy trình điều chỉnh thông số mâm chưng cất nhằm tối ưu hóa chi phí năng lượng vận hành.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia tư vấn thiết kế quy trình và kỹ sư mô phỏng tại các viện dầu khí, công ty tư vấn thiết kế kỹ thuật (EPC). Luận văn cung cấp case study chi tiết về việc xây dựng mô hình Aspen HYSYS kết hợp bảng tính Exergy, là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các bài toán thiết kế kỹ thuật tổng thể (FEED).

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa dầu và Công nghệ Năng lượng. Luận văn là minh chứng thực nghiệm điển hình kết hợp giữa lý thuyết Định luật II Nhiệt động học và ứng dụng công nghiệp thực tế.

Nhóm thứ tư là các nhà quản lý dự án, chuyên viên hoạch định chiến lược đầu tư và kiểm toán năng lượng trong ngành dầu khí. Tài liệu này cung cấp luận cứ kỹ thuật - kinh tế vững chắc để đánh giá hiệu quả đầu tư các công nghệ chưng cất tiên tiến và các dự án tận thu sản phẩm hóa dầu giá trị cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần tách riêng iso-butane thay vì sử dụng chung trong hỗn hợp LPG? Dòng LPG Dinh Cố chứa tới 13,77% mol iso-butane với nhiệt trị 2.651,0 kJ/mol, thấp hơn n-butane đạt 2.877,0 kJ/mol. Việc tách riêng giúp bảo toàn nguyên liệu quý để sản xuất hóa dầu có giá trị kinh tế cao hơn gấp nhiều lần so với việc đốt thông thường.

Phân tích Exergy khác biệt như thế nào so với phân tích năng lượng truyền thống? Phân tích năng lượng theo Định luật I chỉ bảo toàn về mặt số lượng mà không đo lường được sự suy giảm chất lượng năng lượng. Phân tích Exergy dựa trên Định luật II lượng hóa chính xác lượng công hữu ích bị phá hủy do các quá trình bất thuận nghịch trong thiết bị.

Công nghệ tháp có vách ngăn DWC mang lại lợi thế kỹ thuật gì? Tháp DWC tích hợp hai tháp chưng cất vào trong một thân vỏ duy nhất nhờ vách ngăn trung tâm, giúp loại bỏ một nồi đun và một thiết bị ngưng tụ trung gian, từ đó giảm 20% đến 30% năng lượng tiêu thụ và 25% diện tích mặt bằng.

Phương trình trạng thái Peng-Robinson có vai trò gì trong mô phỏng? Peng-Robinson là mô hình nhiệt động chuẩn xác nhất cho các hệ hỗn hợp hydrocarbon nhẹ từ C2 đến C5 ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, giúp tính toán chính xác cân bằng pha lỏng - hơi và các hàm trạng thái nhiệt động entanpi, entropi.

Vị trí nào trong tháp chưng cất gây thất thoát Exergy lớn nhất? Nồi đun đáy tháp và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp gây ra từ 65% đến 75% tổng tổn thất Exergy của toàn hệ thống do chênh lệch nhiệt độ truyền nhiệt lớn giữa dòng công nghệ và dòng tiện ích làm mát hoặc gia nhiệt.

Kết luận

  • Luận văn đã mô phỏng thành công quá trình phân tách thu hồi iso-butane từ dòng nguyên liệu LPG Nhà máy Chế biến Khí Dinh Cố với lưu lượng 21.800 kg/h bằng phần mềm Aspen HYSYS sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson.
  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học tính toán cân bằng Exergy, lượng hóa chi tiết mức độ tổn thất Exergy tại thân tháp, thiết bị ngưng tụ và nồi đun cho 3 cấu hình công nghệ phân tách.
  • Chứng minh cấu hình Tháp chưng cất có vách ngăn (DWC) đạt hiệu quả vượt trội, giúp cắt giảm từ 22% đến 28% nhiệt tải tiêu thụ và giảm từ 25% đến 35% tổn thất Exergy so với hệ thống hai tháp truyền thống.
  • Xác định nguyên nhân gây suy giảm hiệu suất năng lượng chủ yếu tập trung tại nồi đun đáy tháp (chiếm khoảng 45% đến 52%) và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (chiếm khoảng 25% đến 30%).
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho việc chuyển đổi phương thức sử dụng tài nguyên khí từ đốt nhiên liệu đơn thuần sang chuỗi sản xuất hóa dầu giá trị gia tăng cao.

Đóng góp chính của công trình là thiết lập phương pháp luận chuẩn xác kết hợp giữa mô phỏng số và phân tích nhiệt động học Định luật II, mở ra hướng tiếp cận mới trong tối ưu hóa năng lượng cho các nhà máy lọc - hóa dầu tại Việt Nam. Bước tiếp theo cần triển khai là tiến hành đánh giá chi tiết kinh tế kỹ thuật động (Dynamic TEA) và thử nghiệm mô hình pilot trong vòng 12 tháng tới nhằm hiện thực hóa giải pháp vào dây chuyền sản xuất công nghiệp.