Ứng dụng phương pháp phân tích exergy cho mô phỏng và tối ưu hóa quá trình tách iso butane từ khí hóa lỏng nhà máy chế biến khí dinh cố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ NGUYỄN TIẾN SĨ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
EXERGY CHO MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƯU Q
TRÌNH TÁCH ISO-BUTANE TỪ KHÍ HĨA LỎNG
NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ DINH CỐ

Chun ngành:
Mã số học viên:

Kỹ thuật hóa dầu
11406069

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – Ngày 14 tháng 12 năm 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

LÊ NGUYỄN TIẾN SĨ

MSHV: 11406069

Ngày, tháng, năm sinh: 03 - 11 - 1988

Chuyên ngành:

Nơi sinh: Đồng Tháp

Kỹ thuật hóa dầu

Mã số:

605355

TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH EXERGY CHO MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƢU
Q TRÌNH TÁCH ISO-BUTANE TỪ KHÍ HĨA LỎNG NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ
DINH CỐ
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Mơ phỏng q trình phân tách để thu hồi thành phần iso-butane có trong LPG sản xuất từ
nhà máy chế biến khí Dinh Cố bằng phần mềm HYSYS.
2. Nghiên cứu khái niệm, tính chất và ứng dụng Exergy.
3. Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp phân tích Exergy vào quá trình chƣng cất để đƣa ra quá
trình phân tách tối ƣu.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 02/07/2012
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 10/12/2012
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN :

1. PGS. TS. NGUYỄN VĨNH KHANH – Trƣờng ĐH Bách Khoa TP.HCM
2. PGS. TS. SHUHAIMI MAHADZIR – Universiti Teknologi PETRONAS

TP.HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

i


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM DẦU KHÍ
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh ............................
PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir ..............................
Cán bộ chấm nhận xét 1: GS.TSKH. Phạm Quang Dự .....................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Huỳnh Quyền .............................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
vào ngày … tháng … năm 20…
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. GS.TSKH. Lƣu Cẩm Lộc (chủ tịch hội đồng)
2. GS.TSKH. Phạm Quang Dự (phản biện 1)
3. PGS.TS. Huỳnh Quyền (phản biện 2)

4. PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh (ủy viên)
5. TS. Phạm Hồ Mỹ Phƣơng (thƣ ký)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA…………

ii


LỜI CẢM ƠN

Trƣớc tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hƣớng dẫn chính: PGS. TS.
Nguyễn Vĩnh Khanh và PGS. TS. Shuhaimi Mahadzir đã quan tâm sâu sắc, tận tình
hƣớng dẫn, chỉnh sửa và bổ sung nhiều kiến thức quý báu để đề tài Luận Văn Tốt
Nghiệp này đƣợc hoàn thành tốt đẹp.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong Khoa kỹ thuật hóa học, đặc biệt là các
thầy cô của bộ môn công nghệ chế biến dầu khí đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi
cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn những bạn bè đã
hỗ trợ về nhiều mặt, hết lòng giúp đỡ và động viên để đề tài đƣợc hoàn thành đúng
tiến độ.
Mặc dù đã nỗ lực trong việc nghiên cứu, tham khảo tài liệu và thực nghiệm, tuy
nhiên vẫn khó tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong q thầy cơ, q anh chị và
bạn bè đóng góp những ý kiến quý báu để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến tất cả các quý thầy cô cùng
các bạn.

Tháng 12/2012

Học viên thực hiện

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của bản thân, xuất phát từ nhu
cầu thực tế của ngành công nghiệp chế biến dầu khí để định hƣớng nghiên cứu này. Nội
dung của luận văn đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết Exergy và ứng dụng lý
thuyết này vào quá trình phân tách thu hồi iso-butane từ khí hóa lỏng LPG dƣới sự hƣớng
dẫn khoa học của PGS. TS. Nguyễn Vĩnh Khanh (ĐH Bách Khoa TP.HCM) và PGS. TS.
Shuhaimi Mahadzir (UTP – Malaysia).
Các số liệu, kết quả trong luận văn này là hồn tồn trung thực và đƣợc thực hiện bởi
chính tác giả. Kết quả luận văn chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất cứ hình thức nào trƣớc
khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ
thuật Hóa dầu”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 12 năm 2012

iv


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

TĨM TẮT

Trong ngành cơng nghiệp hóa học và chế biến dầu khí hiện nay, chƣng cất là q trình
phân tách đƣợc sử dụng phổ biến và rộng rãi. Tuy nhiên, vấn đề trở ngại là quá trình này

tiêu tốn rất nhiều năng lƣợng. Luận văn này nghiên cứu quá trình phân tách thu hồi isobutane từ LPG của nhà máy chế biến khí Dinh Cố. Các cơng nghệ chƣng cất đƣợc đề
xuất, gồm có sử dụng một tháp chƣng cất truyền thống, hoặc sử dụng hai tháp nối tiếp
nhau, hoặc sử dụng tháp chƣng cất có vách ngăn. Các công nghệ sẽ đƣợc mô phỏng bằng
phần mềm HYSYS. Bên cạnh đó, khái niệm về Exergy đƣợc đề cập, đƣợc tìm hiểu và
nghiên cứu ứng dụng cho quá trình chƣng cất. Các tính tốn và phân tích Exergy dựa trên
những số liệu có đƣợc từ mơ phỏng HYSYS. Từ đó thực hiện những phân tích đánh giá
và so sánh giữa các công nghệ trên cơ sở Exergy để đƣa ra đƣợc một công nghệ phân
tách tối ƣu.

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

v


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

ABSTRACT

Distillation is the most widely used separation operation in chemical and petrochemical
industries. High energy requirement, however, is a large disadvantageous issue. In this
work, the major HYSYS simulation software is used for simulating the separation
processes recovering iso-butane component from LPG of Dinh Co Gas Processing Plant.
The configurations proposed vary in type of distillation column and in way implementing
the separation, including a single traditional distillation column or columns in pairs or a
dividing – wall column. Furthermor, this study also focuses on reviewing exery analysis,
exergy balance and exergetic efficiencies for mentioned processes. A model of exergy
loss calculations of distillation column is presented. Data from Aspen HYSYS allows to
do exergetic calculations to make a benchmark for measuring the performances of

systems. The exergy values so computed are then shown to give a comparison for
accessing which system is more effective and more efficient. This thus leads to a tradeoff between energy saving and capital investment of the system.

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

vi


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................................. iv
TĨM TẮT.............................................................................................................................................. v
ABSTRACT .......................................................................................................................................... vi
MỤC LỤC ........................................................................................................................................... vii
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................................................ ix
MỤC LỤC BẢNG ................................................................................................................................. x
CHÚ THÍCH KÝ HIỆU ...................................................................................................................... xii
CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN ................................................................................... 1
1.1.

Nhà máy chế biến khí Dinh Cố .............................................................................................. 2

1.2.

Nguyên liệu LPG .................................................................................................................... 3

1.3.

Tình hình sử dụng iso-butane ................................................................................................ 5

1.4.

Tối ƣu năng lƣợng quá trình.................................................................................................. 5

1.5.

Iso-butane ............................................................................................................................... 6

1.6.

HYSYS.................................................................................................................................... 9

1.7.

EXERGY .............................................................................................................................. 11

1.7.1.

Khái niệm Exergy ......................................................................................................... 12

1.7.2.

Tính chất của Exergy.................................................................................................... 13

1.7.3.

Phân tích Exergy .......................................................................................................... 14

1.7.4.

Năng lƣợng và Exergy [11] ........................................................................................... 15

1.7.5.

Hiệu suất Exergy .......................................................................................................... 16

1.7.6.

Phân loại Exergy ........................................................................................................... 17

1.7.7.

Cân bằng Exergy .......................................................................................................... 19

1.7.8.

Phân tích Exergy cho tháp chƣng cất .......................................................................... 21

1.8.

Các nghiên cứu trƣớc đây .................................................................................................... 24

1.9.

Phƣơng pháp phân tích Exregy cho tháp chƣng cất ........................................................... 30

CHƢƠNG 2 - THỰC NGHIỆM ......................................................................................................... 35
2.1.

Quy trình cơng nghệ ............................................................................................................. 36

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

vii


Luận văn Thạc sĩ
2.2.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Mô phỏng .............................................................................................................................. 36

CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ......................................................................................... 42
3.1.

Kết quả mô phỏng ................................................................................................................ 43

3.1.1.

Phƣơng pháp phân tách bằng 01 tháp ......................................................................... 43

3.1.2.

Phƣơng pháp phân tách bằng 02 tháp ......................................................................... 46

3.2.

Phân tích Exergy .................................................................................................................. 50

3.2.1.

Phƣơng pháp sử dụng 01 tháp ..................................................................................... 51

3.2.2.

Phƣơng pháp sử dụng 02 tháp ..................................................................................... 54

3.3.

Bàn luận................................................................................................................................ 60

3.4.

Đề xuất .................................................................................................................................. 65

3.4.1.

Ý tƣởng ......................................................................................................................... 65

3.4.2.

Mô phỏng ...................................................................................................................... 68

3.4.3.

Kết quả mô phỏng ........................................................................................................ 73

3.4.5.

Bàn luận ........................................................................................................................ 81

CHƢƠNG 4 - KẾT LUẬN .................................................................................................................. 82
CHƢƠNG 5 - HƢỚNG MỞ RỘNG ................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................... 87
PHỤ LỤC 1.......................................................................................................................................... 89
PHỤ LỤC 2.......................................................................................................................................... 89

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

viii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 – Vài ứng dụng của iso-butane .................................................................................................. 8
Hình 1.2 – Mơ hình cho cân bằng Exergy của hệ ................................................................................... 20
Hình 1.3 – Tháp chưng cất đoạn nhiệt (adiabatic distillation column).................................................... 21
Hình 1.4 – Giới hạn thân tháp chưng cất ............................................................................................... 32
Hình 2.1 – Sơ đồ mơ phỏng Shorcut ....................................................................................................... 39
Hình 3.1 – Mơ phỏng phương pháp sử dụng hai tháp ............................................................................. 46
Hình 3.2 – Sơ đồ dịng cho phân tích Exergy tháp chưng cất.................................................................. 51

Hình 3.3 – Profile nhiệt độ theo vị trí mâm tính từ đỉnh tháp của phương pháp 01 tháp ......................... 62
Hình 3.4 – Profile nhiệt độ theo vị trí mâm tính từ đỉnh tháp của phương pháp 02 tháp ......................... 63
Hình 3.5 – So sánh hai hệ tháp chưng cất ba cấu tử ............................................................................... 67
Hình 3.6 – Phương pháp phân tách 01 tháp; phân tách trực tiếp; phân tách gián tiếp ............................ 69
Hình 3.7 – Tháp Petlyuk và tháp chưng cất có vách ngăn ...................................................................... 69
Hình 3.8 – Mơ phỏng của tháp chưng cất có vách ngăn ......................................................................... 71

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

ix


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1.1 – Thành phần LPG Dinh Cố ..................................................................................................... 4
Bảng 1.2 – Thành phần LPG các khu vực ................................................................................................ 4
Bảng 1.3 – So sánh giữa năng lượng và Exergy ..................................................................................... 15
Bảng 2.1 – Thông số đầu vào của LPG .................................................................................................. 37
Bảng 2.2 – Yêu cầu thành phần cho mô phỏng Shortcut Distillation ....................................................... 38
Bảng 2.3 – Thông tin số mâm cho mô phỏng Distillation Column .......................................................... 40
Bảng 2.4 – Specification cho mô phỏng Distillation Column .................................................................. 41
Bảng 2.5 – Specification cho mô phỏng Distillation Column .................................................................. 41
Bảng 3.1 – Thơng số vận hành của tháp có trích ngang ......................................................................... 43
Bảng 3.2 – Thành phần các dòng của tháp có trích ngang ..................................................................... 43
Bảng 3.3 – Tính chất các dịng của tháp có trích ngang ......................................................................... 44
Bảng 3.4 – Cân bằng nhiệt của tháp có trích ngang ............................................................................... 46
Bảng 3.5 – Thông số vận hành của hai tháp........................................................................................... 47

Bảng 3.6 – Tính chất các dịng của hai tháp........................................................................................... 47
Bảng 3.7 – Tính chất các dịng của hai tháp........................................................................................... 48
Bảng 3.8 – Cân bằng nhiệt của hai tháp ................................................................................................ 50
Bảng 3.9 – Exloss ở Condenser của tháp có trích ngang .......................................................................... 51
Bảng 3.10 – Exloss ở Reboiler của tháp có trích ngang ............................................................................ 52
Bảng 3.11 – Exloss ở thân tháp có trích ngang......................................................................................... 53
Bảng 3.12 – Hiệu suất Exergy của tháp có trích ngang .......................................................................... 54
Bảng 3.13 – Exloss ở Condenser của tháp thứ nhất .................................................................................. 54
Bảng 3.14 – Exloss ở Reboiler của tháp thứ nhất ..................................................................................... 55
Bảng 3.15 – Exloss ở thân tháp thứ nhất .................................................................................................. 55
Bảng 3.16 – Exloss ở Condenser của tháp thứ hai.................................................................................... 56
Bảng 3.17 – Exloss ở Reboiler của tháp thứ hai ....................................................................................... 57
Bảng 3.18 – Exloss ở thân tháp thứ hai .................................................................................................... 57
Bảng 3.19 – Hiệu suất Exergy của hai tháp ........................................................................................... 58
HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

x


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Bảng 3.20 – Khảo sát hiệu suất Exergy của tháp thứ hai theo áp suất .................................................... 59
Bảng 3.21 – So sánh nhiệt lượng và tỉ số hồi lưu của hai phương pháp .................................................. 60
Bảng 3.22 – Yêu cầu chưng cất cho mô phỏng các Shortcut của DWC ................................................... 71
Bảng 3.23 – Specification cho mô phỏng DWC ...................................................................................... 72
Bảng 3.24 – Specification cho mô phỏng DWC ...................................................................................... 72
Bảng 3.25 – Thông số vận hành của DWC ............................................................................................. 73
Bảng 3.26 – Thành phần các dòng của DWC ......................................................................................... 73

Bảng 3.27 – Tính chất các dịng của DWC ............................................................................................. 74
Bảng 3.28 – Cân bằng nhiệt của DWC................................................................................................... 75
Bảng 3.29 – Exloss ở Condenser của Prefractionator – DWC .................................................................. 76
Bảng 3.30 – Exloss ở Reboiler của Prefractionator – DWC ..................................................................... 77
Bảng 3.31 – Exloss ở thân Prefractionator – DWC .................................................................................. 77
Bảng 3.32 – Exloss ở Condenser của Main Column – DWC ..................................................................... 78
Bảng 3.33 – Exloss ở Reboiler của Main Column – DWC ........................................................................ 79
Bảng 3.34 – Exloss ở thân của Main Column – DWC............................................................................... 80

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

xi


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

CHÚ THÍCH KÝ HIỆU
Ex

Exergy

y

Thành phần pha hơi

W

Cơng

L0,…,n

Lƣu lƣợng pha lỏng

p

Áp suất

V0,…,n

Lƣu lƣợng pha hơi

V

Thể tích

F

Dịng nhập liệu

Q

Nhiệt

g

Gia tốc trọng trƣờng

T

Nhiệt động

z

Độ cao

H

Enthalpy

Cp

Nhiệt dung riêng

S

Entropy

R

Hằng số khí

x

Thành phần pha lỏng

Ký hiệu Hy Lạp


hiệu suất năng lƣợng



Vận tốc



hiệu suất Exergy

*

Entropy phát sinh

0

Điều kiện môi trƣờng

l

Pha lỏng

r/reb

Thiết bị nồi đun

v

Pha hơi

c/cond

Thiết bị ngƣng tụ

ig

Khí lý tƣởng

rec

Thu hồi

Ký hiệu nhỏ

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

xii


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Chƣơng 1
GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

1

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Đã từ lâu, cơng nghiệp dầu khí đóng vai trị quan trọng và chiếm tỉ lệ khơng nhỏ trong
mặt bằng lĩnh vực cơng nghiệp nói chung trên tồn thế giới. Cả thế kỷ nay, các mỏ dầu
khí đã và đang đƣợc khai thác và chế biến thành các sản phẩm thiết yếu trong đời sống
hằng ngày của chúng ta. Ngày càng nhiều hơn những nghiên cứu và ứng dụng nhằm phục
vụ khai thác và phát triển tốt nhất ngành cơng nghiệp lớn này. Nguồn ngun liệu chính
là các mỏ dầu, mỏ khí nằm sâu trong lớp vỏ trái đất. Từ trăm năm trƣớc, con ngƣời đã
biết đến nguồn tài nguyên to lớn này. Các mỏ dầu khí vốn đƣợc hình thành qua các lớp
trầm tích lắng tụ từ cách nay rất rất lâu. Và trữ lƣợng đó cho đến khi đƣợc phát hiện đƣợc
xem là một nguồn tài nguyên vô tận. Tuy nhiên, thực tế không phải nhƣ vậy. Sau một
thời gian khai thác ồ ạt, nguồn nguyên liệu này giờ đây đang đứng trƣớc nguy cơ cạn kiệt.
Đã có nhiều tính tốn và dự báo các mỏ dầu khí trên tồn thế giới sẽ biến mất trong vịng
50 – 100 năm tới nếu con ngƣời cứ tiếp tục khai thác và sử dụng một cách “tự do”. Do
vậy, bài toán đặt ra làm nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới lo lắng là làm sao để kéo
dài thời gian sử dụng nguồn tài nguyên quan trọng này. Các nghiên cứu về các loại
nguyên liệu thay thế và nguyên liệu tái tạo lần lƣợt đƣợc đƣa ra nhằm giảm bớt vị thế độc
tơn của loại tài ngun hóa thạch. Các loại nguyên liệu mới đáp ứng đƣợc những u cầu
tƣơng đƣơng nhƣ ngun liệu hóa thạch, ngồi ra phần nào tốt hơn khi giảm bớt đƣợc sự
ô nhiễm mơi trƣờng mà q trình sử dụng ngun liệu hóa thạch đã gây ra. Đồng thời đã
giúp giải quyết bài tốn khó khăn của vấn đề suy giảm mạnh nguồn dầu khí mà khơng kịp
tái tạo tự nhiên.
Song song đó, một trong những giải pháp để hạn chế quá trình sử dụng nhanh chóng
nguồn dầu mỏ là tối ƣu các q trình chế biến nhằm hạn chế gây thất thốt nguyên liệu và
thu hồi những nguyên liệu cần thiết có thể. Điều này góp phần tránh lãng phí những
ngun liệu có giá trị đang bị sử dụng khơng đúng, gây mất mát đáng tiếc. Giảm thiểu
đƣợc tác động thất thoát này là một điều có ý nghĩa, đồng thời cũng mang lại những lợi

ích và hiệu quả kinh tế nhất định.
Cùng với ý nghĩa này, ngƣời thực hiện đề tài mong muốn đƣa ra một hƣớng nghiên cứu
nhằm thu hồi lại những thành phần có giá trị đang bị sử dụng một cách “lãng phí” cùng
với các mục đích sử dụng khác. Đó chính là thành phần iso-butane (i-C4H10) có hàm
lƣợng đáng kể trong tổng thành phần của khí hóa lỏng LPG sản xuất từ nhà máy chế biến
khí Dinh Cố.
1.1.

Nhà máy chế biến khí Dinh Cố

Ở Việt Nam, hiện đã có các nhà máy chun biệt với mục đích xử lý và chế biến
nguồn ngun liệu hố thạch thơ, bao gồm dầu và khí, thành các thƣơng phẩm cung
cấp trực tiếp cho thị trƣờng nội địa và ngoài nƣớc, và các nguyên liệu trung gian
HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

2


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

cho các q trình chế biến khác. Trong đó có thể kể đến nhà máy chế biến khí Dinh
Cố.
Nhà máy chế biến khí Dinh Cố thuộc tổng cơng ty khí Việt Nam
(PETROVIETNAM GAS), đƣợc xây dựng từ năm 1997 trong thời gian 20 tháng
bởi nhà thầu Samsung và công ty NKK Corporation thiết kế. Công suất thiết kế ban
đầu của nhà máy là 1.5 tỷ m3/năm (công suất sau khi lắp đặt máy nén đầu vào
(27/1/2002) là 2.2 tỷ m3/năm). Nhà máy chế biến Dinh Cố đƣợc xây dựng tại thị xã
An Ngãi, huyện Long Điền, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, cách Long Hải 6 km về phía

Bắc, cách điểm tiếp bờ của đƣờng ống dẫn khí từ Bạch Hổ khoảng 10 km. Diện tích
nhà máy 89.600 m2 (dài 320m, rộng 280m) [1].
Nhà máy chế biến khí Dinh Cố tiếp nhận nguồn nguyên liệu khí đồng hành từ các
giàn khoan khai thác tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rạng Đông ngồi khơi cách thành phố
Vũng Tàu khoảng 107 km. Khí đồng hành đƣợc dẫn đƣa vào bờ bằng đƣờng ống
dƣới biển, có đƣờng kính 16”, tới Long Hải và đƣợc xử lý cũng nhƣ chế biến tại nhà
máy chế biến khí Dinh Cố để thu hồi sản phẩm LPG, sản phẩm Condensate, khí khơ
thƣơng phẩm và các sản phẩm Hydrocarbon nặng hơn. Sản phẩm khí thƣơng phẩm
đƣợc đƣa đến hai nhà máy điện đặt tại Bà Rịa và Phú Mỹ [1].
Nhà máy ban đầu đƣợc thiết kế để thu hồi 540 tấn propane/ngày, 415 tấn
butane/ngày và 400 tấn condensate/ngày từ 1.5 triệu m3 khí tiêu chuẩn/năm (tƣơng
đƣơng 4.3 triệu m3 khí tiêu chuẩn/ngày trong 350 ngày làm việc). Sản phẩm lỏng
đƣợc đƣa đến kho chứa LPG đặt tại Thị Vải (cách Dinh Cố 28 km) bằng ba đƣờng
ống 6” [1].
1.2.

Nguyên liệu LPG

Ở nhà máy chế biến khí Dinh Cố hiện nay đã xây dựng các tháp chƣng cất thu hồi
sản phẩm LPG và Condensate (C5+) – tháp C-02, và tháp chƣng cất phân tách
propane (C3) và butane (C4) – tháp C-03. Với các chế độ vận hành của nhà máy
Dinh Cố, tháp C-03 chỉ hoạt động khi nào nhà máy có nhu cầu phân tách riêng rẽ
hai sản phẩm Propane và Butane để phân phối ra thị trƣờng. Tuy nhiên, hiện nay
vẫn chƣa có tháp phân tách sản phẩm iso-butane và n-butane. Đƣợc biết, thành phần
của iso-butane trong dòng sản phẩm LPG tại nhà máy Dinh Cố chiếm tỷ lệ khá cao,
đến khoảng 41% – 43% trong tổng dòng butane C4 [2]:

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

3

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Bảng 1.1 – Thành phần LPG Dinh Cố
Cấu tử
% mol
C2

1,81

C3

64,51

iC4

13,77

nC4

18,62

iC5

1,04

nC5

0,18

neo-C5

0,07

Hoặc nếu làm một phép so sánh về hàm lƣợng của iso-butane trong dịng khí tự
nhiên giữa các nƣớc trong khu vực và thế giới, rõ ràng thấy đƣợc sự chênh lệch
đáng chú ý đối với thành phần iso-butane trong dịng khí của Việt Nam:
Bảng 1.2 – Thành phần LPG các khu vực
%mol
Cấu tử
Vietnam

Indonesia

Thailand

USA
(Texas)

C1

70.9

71.9

67.2

71.8

C2

13.5

5.7

8.7

7.0

C3

7.5

2.6

4.5

4.4

iC4

1.65

1.4

2.0

0.99

nC4

2.37

(total C4)

(total C4)

(total C4)

C5

1.36

3.6

0.8

0.02

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

4


Luận văn Thạc sĩ

1.3.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Tình hình sử dụng iso-butane

Iso-butane đƣợc xem là nguồn ngun liệu trung gian cho các q trình hố dầu
trong cơng nghiệp hố dầu hiện nay. Từ đây có thể tiếp tục chuyển hoá và chế biến
thành nhiều loại sản phẩm hố dầu khác nhau, có thể đem lại hiệu quả và lợi ích
kinh tế đáng kể. Do vậy, iso-butane đóng một vai trị khá quan trọng trong nền cơng
nghiệp dầu khí, có giá trị thƣơng mại cao.
Tuy nhiên, nhƣ đã đề cập ở trên, tại nhà máy chế biến khí Dinh Cố hiện nay vẫn
chƣa có một quy trình nào để tách rời và thu hồi lại cấu tử iso-butane. Hầu hết isobutane trong dòng nguyên liệu C4 đƣợc sử dụng chung cho các mục đích sử dụng
LPG, hay làm nhiên liệu đốt cháy, thậm chí cả việc đốt bỏ cùng với LPG. Điều này
đƣợc cho là rất lãng phí khi đem đốt nguồn ngun liệu có giá trị cao nhƣ isobutane. Trong khi đó, nếu cần phải đốt thì có thể lựa chọn n-butane, đồng phân gần
gũi của iso-butane, nên có những tính chất khá tƣơng đồng với iso-butane. Nhƣ đã
biết, một trong những tính chất đặc trƣng của nguyên liệu đƣợc sử dụng làm nguyên
liệu đốt chính là nhiệt trị. So sánh giữa hai đồng phân này, iso-butane có nhiệt trị là
2.651,0 kJ/mol, trong khi đó n-butane có nhiệt trị là 2.659,3 kJ/mol [3]. Rất rõ ràng,
nếu sử dụng hỗn hợp hai đồng phân, tức là sử dụng nguồn nguyên liệu Butane C4
nói chung để làm nhiên liệu đốt, thì nhiệt trị của hỗn hợp cũng sẽ xấp xỉ gần bằng
với nhiệt trị của một trong hai đồng phân. Do đó, nếu có thể lựa chọn thì tốt hơn là
nên dùng n-butane để làm nhiên liệu đốt, thay vì dịng butane C4 vốn bao gồm cả
iso-butane và n-butane. Và khi đó, iso-butane nên đƣợc tách ra để sử dụng làm
nguyên liệu cho các quá trình trung gian.
1.4.

Tối ƣu năng lƣợng quá trình

Trong bối cảnh hiện nay, nền cơng nghiệp thế giới nói chung và nền cơng nghiệp
Việt Nam nói riêng ngày càng phát triển mạnh mẽ. Theo đó là những nhu cầu về

năng lƣợng, một trong những yếu tố không thể thiếu, ngày càng cao và cao hơn.
Nhƣ đã nói trên, từ trƣớc đến nay, một trong những nguồn tài nguyên quan trọng mà
con ngƣời đã và đang khai thác đó là nguyên liệu hóa thạch. Từ nguồn tài nguyên
này, nhiều sản phẩm đƣợc chế biến và đƣa vào sử dụng ở nhiều dạng khác nhau,
trong đó có một hƣớng sản phẩm đƣợc sử dụng làm nhiên liệu cung cấp năng lƣợng.
Mặc dù ngày nay các dạng năng lƣợng tự nhiên khác cũng dần đƣợc nghiên cứu và
đƣa vào ứng dụng, năng lƣợng hóa thạch vẫn giữ một vai trò quan trọng. Và quan
trọng hơn nữa khi nguồn năng lƣợng này đang tiến tới cạn dần và sẽ biến mất nếu
nhu cầu và mức độ sử dụng quá lớn nhƣ hiện nay mà không kịp tái tạo. Do vậy, bên
cạnh việc nghiên cứu nguồn năng lƣợng mới, việc sử dụng năng lƣợng một cách có
HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

5


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

hiệu quả đang đƣợc chú trọng. Năng lƣợng nếu sử dụng bừa bãi, khơng đƣợc hợp lý
thì sẽ dẫn đến những thất thoát đáng tiếc. Tối ƣu năng lƣợng sử dụng khơng chỉ là
tiết kiệm năng lƣợng mà cịn góp phần giảm thiểu chi phí, mang lại lợi nhuận cao
hơn, đồng thời giảm gây tác hại đến môi trƣờng.
Trong ngành cơng nghiệp hiện nay, cơng nghiệp dầu khí đã có mặt từ lâu nhƣng
tầm quan trọng của nó đến nay vẫn không sút giảm. Tuy nhiên, năng lƣợng sử dụng
cho ngành cơng nghiệp dầu khí cũng chiếm một phần rất lớn. Đặc biệt hơn, đối với
quá trình chƣng cất là q trình huyết mạch trong cơng nghiệp chế biến dầu khí nói
riêng và là q trình phổ biến trong ngành cơng nghiệp nói chung. Chƣng cất là
phƣơng pháp đơn giản và quan trọng nhất để phân tách hỗn hợp. Tuy vậy, quá trình
chƣng cất lại cần rất nhiều năng lƣợng để vận hành, cụ thể là nhiệt lƣợng đƣợc cấp

vào đáy tháp ở nồi đun và đƣợc lấy ra ở đỉnh tháp qua thiết bị ngƣng tụ. Qua nhiều
năm, đã những nỗ lực khơng ngừng để cải thiện tính kinh tế và tính hiệu quả các
tháp chƣng cất. Xu hƣớng tiếp cận ngày nay là sử dụng những định luật nhiệt động
học: sự kết hợp của định luật I và định luật II chỉ ra và định lƣợng sự hao giảm của
năng lƣợng trong quá trình, xác định mục tiêu tối ƣu trong tiêu thụ năng lƣợng
(Demirel, 2004) [4]. Và sự kết hợp này đƣợc thực hiện thông qua một khái niệm, để
phân tích và đánh giá q trình, mang tên Exergy.
Vì những lý do nêu trên mà đã hình thành nên ý tƣởng của đề tài, nhằm xây dựng
một quá trình phân tách và thu hồi thành phần đáng giá iso-butane sẽ rất có lợi và có
đóng góp to lớn về mặt kinh tế. Quá trình thu hồi này khơng những sẽ tạo đƣợc một
nguồn ngun liệu có giá trị và cung cấp ổn định cho ngành công nghiệp hố dầu,
đồng thời cịn có khả năng làm giảm đƣợc lãng phí và thất thốt vơ ích thành phần
iso-butane thông qua việc thải bỏ hay việc sử dụng làm nhiên liệu đốt – đƣợc xem là
khơng có tính kinh tế cao theo luận điểm phân tích năng lƣợng trên.
Phạm vi đề tài luận văn này sẽ xem xét và thực hiện việc mơ phỏng một hệ thống
q trình phân tách iso-butane từ dòng sản phẩm LPG của nhà máy chế biến khí
Dinh Cố. Sau đó sử dụng phƣơng pháp phân tích Exergy, đánh giá hiệu quả của q
trình, đồng thời đƣa ra những cơng nghệ khác nhau để có thể so sánh và lựa chọn
công nghệ thu hồi tốt nhất, trên hai khía cạnh hiệu suất Exergy và chi phí của cả q
trình.
1.5.

Iso-butane

Iso-butane là một hydrocacbon có giá trị thƣơng mại cao, đồng thời cũng là một
trong những nguồn ngun liệu trung gian quan trọng trong cơng nghiệp hố dầu
HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

6

Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

ngày nay. Iso-butane là một alkene có nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng. Một số
ứng dụng tiêu biểu của iso-butane bao gồm:
-

Môi chất làm lạnh (cùng với Propane) thân thiện với môi trƣờng, không gây ảnh
hƣởng đến tầng ozone.

-

Làm dung môi cho phản ứng trùng hợp ethylene.

-

Làm chất tạo bọt cho aerosol và polystyrene.

-

Trong cơng nghiệp hố dầu, iso-butane là nguyên liệu để tổng hợp nhiều hoá
chất quan trọng: (hình dƣới)
 Iso-butane đƣợc dehydro hố tạo thành iso-butene, iso-butene là nguyên
liệu cho tổng hợp MTBE và ETBE là các hợp chất oxygenate dùng để pha
xăng.
 Iso-butane cho phản ứng với iso-butene hoặc với Propylene tạo thành xăng
alkylate.
 Iso-butane đƣợc tiến hành oxy hoá để tạo thành terbutylhydroperoxide và

terbutylalcohol. Terbutylhydroperoxide đƣợc sử dụng trong phản ứng với
Propylene để tạo thành propylene oxide, trong khi đó terbutylalcohol là một
dung mơi khá phổ biến.

Tổng quát ứng dụng của iso-butane đƣợc trình bày tóm lƣợc thơng qua hình ảnh
chuỗi và các phản ứng dƣới đây:

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

7


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Hình 1.1 – Vài ứng dụng của iso-butane
Iso-butane có hàm lƣợng khá cao trong khí thiên nhiên Việt Nam. Tại nhà máy chế
biến khí Dinh Cố, hiện tại iso-butane chƣa đƣợc tách ra, mà chủ yếu còn lẫn trong
LPG. Theo số liệu đƣợc cung cấp từ nhà máy chế biến khí Dinh Cố, hàm lƣợng isobutane trong LPG chiếm khoảng 15% mol. Tách đƣợc iso-butane ra khỏi LPG sản
phẩm của nhà máy chế biến khí Dinh Cố sẽ tận thu đƣợc một hoá chất quan trọng
và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều so với việc đốt iso-butane lẫn trong LPG
nhƣ hiện tại. Vì vậy nghiên cứu tách iso-butane từ sản phẩm LPG Dinh Cố là việc
làm có ý nghĩa quan trọng.
Theo các nghiên cứu trƣớc đây, iso-butane có thể đƣợc phân tách bằng các phƣơng
pháp chủ yếu là chƣng cất nhiệt độ thấp, và hấp phụ với chất hấp phụ, hoặc từ sự
kết hợp của cả hai phƣơng pháp trên. Đối với phƣơng pháp chƣng cất nhiệt độ thấp
đƣợc áp dụng chủ yếu khi hỗn hợp cần phân tách chỉ có 2 thành phần là iso-butane
và n-butane. Phƣơng pháp hấp phụ có thể đƣợc sử dụng với chất hấp phụ là zeolite
hoặc cơ kim (metal organic framework) [5, 6, 7, 8].

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

8


Luận văn Thạc sĩ

1.6.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

HYSYS

HYSYS (viết tắt của Hyprotech System) là phần mềm mơ phỏng tính tốn cơng
nghệ cho các q trình cơng nghệ hố học trong các ngành cơng nghiệp chế biến
dầu khí, hố dầu, hố học, xử lý khí và tổng hợp nhiêu liệu, do công ty Hyprotech
viết và phân phối. Đây là một công ty ở Calgary, Alberta, Canada, lúc đầu đƣợc
thành lập nhờ vào sự hợp tác giữa các giáo sƣ trƣờng đại học Calgary và trƣờng đại
học Alberta [9].
Các phần mềm khác của công ty ngày trong lĩnh vực cơng nghệ hố học có thể kể
đến: AXSYS, BaSYS, BDK, CFX, DISTIL, HTFS, HX-NET, HYPROP III,
PlantSCHEMA, ProFES, STX/ACX, VISIFLOW, … Trong đó, HYSYS là phần
mềm đƣợc ứng dụng phổ biến. HYSYS là phiên bản chạy trên Windows 32 bit của
phần mềm HYSIM vốn chạy trên môi trƣờng DOS. Phần mềm này là phần mềm mơ
phỏng quy trình cơng nghệ đầu tiên kết hợp giữa chế độ tĩnh (steady-state) và động
(dynamic). Điểm mạnh của HYSYS là giao diện tốt hơn, tạo tiện nghi cho ngƣời sử
dụng. HYSYS có khả năng tính tốn đa dạng và thu đƣợc kết quả có độ tin cậy cao,
có thể sử dụng để làm số liệu thiết kế công nghệ cho các dự án chế biến dầu khí [9].
HYSYS có sẵn nhiều module thiết bị có thể đáp ứng phần lớn yêu cầu về thiết kế

thiết bị trong ngành cơng nghiệp hố học. Chƣơng trình khơng bị giới hạn về số cấu
tử, số dịng chảy, số cụm thiết bị, … Chƣơng trình cịn cho phép ngƣời thiết kế chọn
nhiều phƣơng pháp tính tốn có tính chất khác nhau, bao gồm các phƣơng trình
trạng thái, các tƣơng quan bán thực nghiệm và các mơ hình hoạt động [9].
Các bƣớc cơ bản để lập một sơ đồ công nghệ trên phần mềm HYSYS:
Bước 1: Chuẩn bị sẵn sơ đồ cơng nghệ trên bản vẽ, có thể thiết kế một quy trình
hồn chỉnh từ nhập liệu đầu vào đến sản phẩm đầu ra hoặc thiết kế theo nguyên
tắc cuốn chiếu. Trƣờng hợp các quy trình phức tạp nên thiết kế theo nguyên tắc
cuốn chiếu để có thể kiểm sốt đƣợc q trình tính tốn của từng cụm thiết bị.
Bước 2: Chuẩn bị các thông số đầu vào và đầu ra:
-

Thông số đầu vào: Lƣu lƣợng, nhiệt độ, áp suất, tên gọi, thành phần (nếu biết
đƣợc thành phần), nếu khơng biết thành phần nhƣ dầu mỏ thì chuẩn bị đƣờng
cong chƣng cất: TBP, EFV, ASTM, …

-

Đầu ra: tên gọi, lƣu lƣợng, nhiệt độ, áp suất.

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

9


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

Bước 3: Khởi động chƣơng trình HYSYS

-

Bậc chƣơng trình HYSYS, chọn New Case (tạo lập một mơ hình mới) hoặc
Open Case (chọn lại mơ hình cũ đã xây dựng trƣớc đó) để vào Simulation Basic
Manager (phần quản lý các yếu tố cơ bản của một q trình mơ phỏng).

-

Tạo lập một New Fluid Package hoặc nhập một Fluid Package đã có sẵn từ
nguồn bên ngồi. Fluid Package là phần quản lý mọi thơng tin liên quan đến
dịng vật chất trong một mơ hình, các thơng tin này bao gồm các loại cấu tử có
trong thành phần của dịng, loại thuật tốn dùng để tính tốn, các tính chất hố
lý khác nhau của dịng. Việc lựa chọn loại thuật tốn nào cho q trình mơ
phỏng có vai trị vơ cùng quan trọng vì nó liên quan đến tính chính xác của kết
quả thu nhận đƣợc.

-

Chọn thuật toán, cấu tử và định nghĩa các phản ứng hoá học cho Fluid Package
vừa tạo lập. Đối với hệ dầu, khí và hố dầu sử dụng phƣơng trình PengRobinson là thích hợp nhất. Ngồi cách chọn loại cấu tử hiện diện trong Fluid
Package ra, ngƣời sử dụng cịn có thể nhập các hẹ giả định (hypotheticals) cho
q trình mơ phỏng. Hệ giả định khơng chứa các cấu tử riêng rẻ mà chứa các
thông tin liên quan đến hệ, nhƣ các thơng số hố lý, đƣờng cong chƣng cất TBP,
EFV, ASTM,… của hệ.

Bước 4: Thiết kế sơ đồ công nghệ, dùng lệnh PFD chuyển qua chế độ mơ phỏng sơ
đồ, có thể dùng chuột để chọn những module thiết bị có sẵn cho sơ đồ.
Bước 5: Nhập thơng số cần thiết cho các dịng và thiết bị đã biết, các số liệu giả
định cho các dòng cũng nhƣ cho từng thiết bị, tuỳ loại thiết bị mà ta đáp ứng
những thông số yêu cầu. Việc phán đốn tốt thơng số giả định giúp q trình tính

tốn nhanh chóng và đơn giản.
Bước 6: Chạy và sửa đổi: Sau khi đã hồn thành sơ đồ cơng nghệ và nhập đầy đủ
các thông số cần thiết, nhấn nút RUN (có màu xanh) trên thanh Toolbar. Nên
chạy chƣơng trình theo từng bƣớc, ƣu tiên hàng đầu là chƣơng trình phải chạy
đƣợc (tức kết quả phải hội tụ).
Nếu chƣơng trình khơng chạy (khơng hội tụ) thì cần kiểm tra các điểm sau:
-

Dữ liệu nhập: xem đã nhập đủ dữ liệu chƣa và kiểm tra đơn vị, giá trị,… của dữ
liệu nhập vào.

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

10


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

-

Các giá trị ƣớc lƣợng ban đầu: trong trƣờng hợp sơ đồ chƣng cất, cần kiểm tra
các ƣớc lƣợng về sản phẩm, nhiệt độ, áp suất ở đỉnh và đáy tháp, cũng nhƣ vị trí
các dịng trích ngang và nhiệt lƣợng của các dịng năng lƣợng.

-

Các thơng số kỹ thuật (Specification): xem các thơng số kỹ thuật có mâu thuẫn
với nhau khơng và có hợp lý khơng, thơng số này liên quan đến độ tự do

(Degree of Freedom) của q trình, phải điều chỉnh thơng số này để độ tự do
bằng khơng.
Chƣơng trình chạy tốt là chƣơng trình sẽ hội tụ. Tuy nhiên, chƣơng trình chạy tốt
chỉ là quá trình mơ phỏng đúng nhƣng chƣa chắc đã tối ƣu. Do đó, để có kết quả
tối ƣu phải điều chỉnh và thay đổi một vài thông số cần thiết.

Bước 7: Kết thúc: dùng lệnh SAVE để lƣu bản sơ đồ công nghệ vào ổ đĩa lƣu trữ rồi
dùng lệnh EXIT để thốt khỏi chƣơng trình HYSYS.
1.7.

EXERGY

Kỹ thuật truyền thống đƣợc dùng để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lƣợng của một
quá trình cơ bản bao gồm hai phƣơng pháp: cân bằng năng lƣợng và tính tốn các
thơng số hiệu suất. Cân bằng năng lƣợng dựa trên cơ sở lý thuyết của định luật I
[10]. Định luật I nhiệt động học khẳng định sự bảo toàn của năng lƣợng, năng lƣợng
không thể tự sinh ra và cũng không thể tự mất đi mà chỉ có thể chuyển từ dạng này
sang dạng khác. Tuy nhiên, định luật I không chứa đựng thơng tin về chiều hƣớng
của q trình tự xảy ra, tức là sự thuận nghịch của quá trình nhiệt động. Ví dụ, định
luật I khơng chỉ ra đƣợc rằng pin thực hiện công nhƣ thế nào. Hay định luật I cũng
khơng cho biết khả năng của q trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, … [11]
Lý thuyết để bổ sung cho những kẽ hở của định luật I và để giải đáp cho những
vƣớng mắc trên đƣợc đƣa ra trong định luật II. Định luật II nhiệt động học mô tả
nhiều hơn về sự suy giảm tiềm năng của năng lƣợng, nghĩa là sự giảm dần về mặt
chất lƣợng của năng lƣợng khi năng lƣợng đƣợc sử dụng. Sự giảm chất lƣợng của
năng lƣợng đƣợc đánh giá bởi sự sản sinh entropy khi quá trình xảy ra [11].
Một vấn đề quan trọng trong nhiệt động học kỹ thuật chính là ở sự cân bằng của hệ.
Hệ tồn tại và đạt trạng thái cân bằng trong chính bản thân hệ, nhƣng lại không đạt
cân bằng với môi trƣờng xung quanh. Ví dụ một hệ có nhiệt độ cao hơn hay thấp
hơn nhiệt độ môi trƣờng đều không đạt đƣợc sự cân bằng ổn định chung với môi

trƣờng. Trong trƣờng hợp này, cân bằng nhiệt đã không đƣợc thỏa mãn. Bất kỳ một
sự mất cân bằng nào giữa hệ và môi trƣờng xung quanh hệ đều là một tiềm năng để
HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

11


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Vĩnh Khanh & PGS.TS. Shuhaimi Mahadzir

sinh ra công. Điều này đặc biệt quan trọng và có ý nghĩa trong việc tận dụng nguồn
năng lƣợng. Xuất phát từ sự kết hợp định luật I và định luật II, khái niệm Exergy
đƣợc đƣa ra để đánh giá khả năng thực hiện công của bất kỳ hệ nào trong sự tƣơng
quan với môi trƣờng xung quanh [11].
1.7.1. Khái niệm Exergy
Exergy của hệ đƣợc định nghĩa nhƣ là công (công trục) lớn nhất đƣợc thực hiện
bởi các thành phần của hệ ở một điều kiện nhất định của môi trƣờng quanh hệ.
Môi trƣờng quanh hệ đƣợc xem nhƣ là vô hạn, cân bằng, và bao quanh tất cả các
hệ khác. Đặc biệt, môi trƣờng quanh hệ đƣợc đặc trƣng bởi nhiệt độ, áp suất và
thành phần hoá học của nó. Exergy khơng đơn giản là một tính chất nhiệt động
học đơn thuần, hơn thế, nó là tính chất của cả hệ lẫn môi trƣờng [11].
Tên gọi Exergy bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, ghép lại từ hai chữ “Ex” và “Ergon”,
có nghĩa là “từ” và “cơng”. Một vài những khái niệm khác mang ý nghĩa tƣơng
đƣơng với Exergy hoặc gần tƣơng đƣơng nhƣ vậy, là: Available energy,
Utilizable energy, Availability, Essergy [11].
Khác với năng lƣợng, Exergy chỉ đƣợc bảo tồn trong trƣờng hợp mọi q trình
diễn ra trong hệ và mơi trƣờng quanh hệ đều là q trình thuận nghịch. Ngồi ra,
đối với tất cả trƣờng hợp q trình xảy ra bất thuận nghịch đều sẽ dẫn đến mất
mát Exergy. Khi áp dụng phƣơng pháp phân tích Exergy đối với một hệ, một quy

trình, một nhà máy, ví dụ đối với một trạm năng lƣợng, hay một nhà máy hố học,
hay một khu vực tiện ích để làm lạnh,… thì ln tồn tại sự khơng hồn hảo về
mặt nhiệt động học, cụ thể ở đây là sự sút giảm Exergy. Điều này cho thấy năng
lƣợng đã bị thất thoát vơ ích (cơng trục đƣợc thực hiện lãng phí, hoặc lãng phí
khả năng sinh ra cơng trục) [11].
Tuy nhiên, cũng có phần giống với năng lƣợng, Exergy có thể đƣợc truyền qua
“đƣờng biên giới hạn” của hệ. Tƣơng ứng với mỗi loại truyền tải năng lƣợng sẽ
có một dạng truyền tải Exergy đặc trƣng. Phƣơng pháp phân tích Exergy bao
gồm các giá trị nhiệt động học khác nhau của các dạng năng lƣợng khác nhau, ví
dụ nhƣ cơng và nhiệt [11].

HVTH: Lê Nguyễn Tiến Sĩ

12