Tổng quan nghiên cứu

Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng hóa thạch quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong an ninh năng lượng toàn cầu. Theo thống kê năm 2020, sản lượng khai thác khí thiên nhiên toàn cầu đạt hơn 4 nghìn tỷ mét khối, với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 15% trong giai đoạn 1990-2020. Mặc dù đại dịch Covid-19 làm suy giảm tăng trưởng xuống còn 4% vào năm 2021, dự báo sản lượng sẽ vượt 5 nghìn tỷ mét khối vào năm 2025 khi xu hướng chuyển đổi năng lượng bền vững ngày càng phát triển. Việt Nam, với trữ lượng khí thiên nhiên lớn, đang đối mặt với thách thức hoàn thiện công nghệ và hạ tầng khai thác để tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên này.

Quá trình tách CO2 từ khí thiên nhiên là bước then chốt trong chế biến khí, nhằm đảm bảo hàm lượng CO2 sau xử lý dưới 2.5% theo tiêu chuẩn quốc tế, bảo vệ hệ thống và nâng cao hiệu quả sản xuất. Công nghệ màng sợi rỗng (hollow fiber membrane) được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu quả phân tách cao. Tuy nhiên, việc thiết kế và tối ưu thiết bị màng đòi hỏi mô phỏng chính xác để dự đoán hiệu suất và chi phí vận hành.

Luận văn tập trung xây dựng mô hình thiết bị màng sợi rỗng phân tách CO2 từ khí thiên nhiên sử dụng Matlab, áp dụng phương pháp chọn điểm trực giao để giải hệ phương trình phi tuyến, đồng thời tối ưu chi phí vận hành bằng giải thuật di truyền. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế như đường kính sợi, chiều dài sợi, mật độ màng và điều kiện vận hành như áp suất, thành phần khí đầu vào đến hiệu quả phân tách và chi phí vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học và tối ưu kinh tế thiết bị màng sợi rỗng, áp dụng trong điều kiện thực tế tại Việt Nam và các nước có điều kiện tương tự.

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 chế truyền vận màng đặc (hòa tan-khuếch tán): Màng polyme cho phép các phân tử khí hòa tan và khuếch tán qua màng theo gradien áp suất riêng phần, được mô tả bằng định luật Fick và Henry. Thông lượng thẩm thấu của cấu tử i được tính theo phương trình:

$$ J_i = \frac{P_i}{\delta} (P_F x_i - P_P y_i) $$

với $P_i$ là độ thấm của màng, $\delta$ độ dày màng, $P_F, P_P$ áp suất phía giữ lại và thẩm thấu, $x_i, y_i$ nồng độ mol của cấu tử i.

  • Mô hình dòng chảy trong màng sợi rỗng: Hai cấu trúc dòng chảy chính được nghiên cứu là dòng cùng chiều và dòng ngược chiều, ảnh hưởng đến phân bố áp suất và nồng độ dọc chiều dài sợi màng.

  • Phương pháp chọn điểm trực giao (Orthogonal Collocation Method): Phương pháp số này dùng đa thức Legendre chuyển dịch để xấp xỉ nghiệm của hệ phương trình vi phân phi tuyến, giúp giảm số phương trình đại số cần giải và tăng độ chính xác.

  • Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm): Thuật toán tiến hóa dựa trên nguyên lý chọn lọ