Cavitation thủy động lực học là một công nghệ tăng cường quy trình mới nổi, tiết kiệm năng lượng, có tiềm năng nâng cao hiệu suất, năng suất và tính bền vững trong các hoạt động chính của nhà máy lọc dầu. Bằng cách tạo ra lực cắt vi mô, nhiễu loạn và các hiệu ứng nhiệt-cơ học cục bộ được kiểm soát – bên trong các thiết bị CaviFlow® của RAPTECH – Cavitation thủy động lực học có thể cải thiện quá trình trộn, truyền khối và truyền nhiệt, động học phản ứng, cũng như xử lý nguyên liệu đầu vào. Bài đánh giá này xem xét các cơ hội tích hợp Cavitation thủy động lực học trong các quy trình tách muối dầu thô, cốc hóa chậm, phân hủy xúc tác lỏng, xử lý hydro, alkyl hóa và nâng cấp cặn, với trọng tâm là sự hiểu biết về cơ chế, cấu hình thiết bị và các hạn chế vận hành.
Các kết quả thực tiễn gần đây — bao gồm pha trộn và nâng cấp cặn — cho thấy những lợi ích có thể đo lường được trong việc pha trộn dầu nhiên liệu nặng với các loại nhiên liệu thay thế. Việc pha trộn HFO với 20% FAME được hỗ trợ bởi hiện tượng xâm thực đã cho thấy sự cải thiện về độ nhớt, mật độ, hàm lượng cặn và các chỉ số ổn định, cũng như giảm lượng cặn xúc tác và cải thiện nhẹ mức tiêu thụ nhiên liệu. Các phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của Hiện tượng Sủi bọt Thủy động học không chỉ đối với các quy trình lọc dầu mà còn đối với ngành nhiên liệu hàng hải/bunker, đặc biệt trong bối cảnh Tiêu chuẩn ISO 8217:2024 cho phép nhiên liệu hàng hải chứa tới 100% FAME. Kết quả phản ánh xu hướng chung của ngành hướng tới các nguyên liệu thô có hàm lượng carbon thấp, tái tạo và đa dạng hơn.
Nhìn chung, hiện tượng xâm thực thủy động lực học và các thiết bị CaviFlow® của RAPTECH mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để cải thiện khả năng xử lý, giảm nhu cầu năng lượng và hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang các hệ thống lọc dầu và nhiên liệu hàng hải bền vững hơn. Mặc dù phần lớn dữ liệu xuất phát từ các nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm, nhưng các minh chứng mới nổi — bao gồm pha trộn và nâng cấp cặn — nhấn mạnh tiềm năng của hiện tượng xâm thực thủy động lực học trong việc triển khai công nghiệp thực tế.
1. Giới thiệu
Các quy trình chuyển đổi tại nhà máy lọc dầu đóng vai trò trung tâm trong việc biến đổi dầu thô thành nhiên liệu vận tải, nguyên liệu cho hóa dầu và các sản phẩm có giá trị cao. Hiệu suất và chất lượng sản phẩm thường bị hạn chế bởi tính không đồng nhất của nguyên liệu, sự mất hoạt tính của chất xúc tác, hiện tượng bám cặn và các hạn chế về truyền khối. Việc sử dụng ngày càng nhiều dầu thô nặng và siêu nặng, vốn chiếm một phần đáng kể trong trữ lượng toàn cầu có thể khai thác, đặt ra những thách thức bổ sung do độ nhớt cao, trọng lượng API thấp (<20°) và hàm lượng asphaltene cao [1]. Những đặc tính này cản trở quá trình truyền nhiệt và truyền khối, đẩy nhanh quá trình bám cặn và làm tăng sự hình thành cốc trong các quá trình nhiệt và xúc tác.
Hiệu ứng xâm thực thủy động lực học đã nổi lên như một chiến lược tăng cường quá trình đầy hứa hẹn. Nó tạo ra các bọt khí siêu nhỏ được kiểm soát, các điểm nóng cục bộ, lực cắt cực mạnh và độ dốc áp suất, có thể tăng cường phản ứng hóa học, sự phân tán pha và truyền khối. So với phương pháp trộn cơ học truyền thống hoặc các chất phụ gia hóa học, hiện tượng xâm thực thủy động học là một phương pháp tiềm năng tiết kiệm năng lượng và ít sử dụng hóa chất để giải quyết các điểm nghẽn trong nhà máy lọc dầu [2]. Sự xâm thực thủy động lực học có thể được kết hợp với chất xúc tác, chất hoạt động bề mặt, chất oxy hóa nhẹ (ví dụ: H₂O₂, ozone) hoặc chiếu xạ tia cực tím để cải thiện hơn nữa hiệu quả phản ứng và mang lại kết quả xử lý sạch hơn [2].
Về mặt cơ chế, hiện tượng cavitation có thể gây ra các biến đổi ở cấp độ phân tử trong hydrocacbon, bao gồm sự phân tách asphaltene, quá trình cracking một phần và thay đổi tính chất lưu biến, từ đó cải thiện khả năng xử lý nguyên liệu và hiệu suất phản ứng [3]. Việc mở rộng quy mô hiện tượng cavitation thủy động lực học sang các hoạt động công nghiệp là một thách thức do thiếu phương pháp tiêu chuẩn để định lượng cường độ cavitation trên các loại chất lỏng khác nhau và đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao [1,4]. Bằng chứng từ các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thí điểm cho thấy hiện tượng xâm thực thủy động lực học có thể cải thiện khả năng xử lý và hiệu quả, mặc dù việc xác nhận quy mô công nghiệp vẫn còn hạn chế.
Các quy trình được hỗ trợ bởi hiện tượng xâm thực thủy động lực học có thể mang lại lợi ích về vận hành và môi trường, bao gồm giảm tiêu thụ năng lượng, tăng công suất và giảm phát thải khí nhà kính. Chúng có thể bổ sung cho các phương pháp nâng cấp truyền thống, vốn thường tiêu tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi thiết kế phản ứng phức tạp. Số cavitation đã được đề xuất như một thông số hệ thống để tối ưu hóa thiết kế phản ứng và kết nối dữ liệu thí nghiệm với ứng dụng thực tiễn.
2. Cơ hội ứng dụng cavitation thủy động lực học có tác động lớn
2.1 Khử muối dầu thô (CDU)
Việc tích hợp hiện tượng xâm thực thủy động lực học tại đầu vào của thiết bị tách muối có thể tăng cường sự phân tán dầu-nước và loại bỏ muối. Hiện tượng nhiễu loạn vi mô, lực cắt và dao động áp suất cục bộ thúc đẩy sự phá vỡ các nhũ tương ổn định, tạo ra các giọt nhỏ, đồng đều giúp cải thiện tiếp xúc giữa nước và dầu cũng như đẩy nhanh quá trình kết tụ. Điều này có thể dẫn đến hàm lượng muối dư thấp hơn, giảm bám bẩn và ăn mòn, đồng thời cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt [2]. Các đơn vị cavitation thủy động lực học có thể được triển khai dưới dạng các mô-đun inline nhỏ gọn với ít thay đổi đối với cơ sở hạ tầng tách muối hiện có.
2.2 Quá trình chưng cất chậm (DCU)
Áp dụng cavitation thủy động lực học vào cặn chân không trước các lò gia nhiệt coker có thể cải thiện sự đồng nhất của nguyên liệu và tạo ra các hiệu ứng nâng cấp nhẹ. Lực cắt, trộn vi mô và kích hoạt nhiệt-cơ học cục bộ thúc đẩy quá trình phân tách một phần asphaltene và giảm độ nhớt, cho phép quá trình nứt nhiệt diễn ra đồng đều hơn [5,3]. Các nghiên cứu quy mô thí điểm đã báo cáo sự cải thiện về độ ổn định của lò gia nhiệt, giảm sự lắng đọng coke và tăng nhẹ sản lượng sản phẩm lỏng khi tích hợp cavitation thủy động lực học ở phía thượng lưu của lò coker. Việc duy trì cường độ cavitation thích hợp là rất quan trọng để tránh quá trình phân hủy sơ bộ quá mức, đặc biệt là đối với các nguyên liệu có hàm lượng thơm cao hoặc không ổn định [1,3]. Do đó, thiết kế hệ thống cavitation thủy động học phù hợp và tối ưu hóa điều kiện vận hành là yếu tố then chốt để triển khai an toàn và hiệu quả.
2.3 Thiết bị Phân hủy Chất lỏng Bằng Chất xúc tác (FCCU)
Việc tiền xử lý nguyên liệu nặng (ví dụ: dầu khí chân không hoặc cặn) thông qua cavitation thủy động lực học có thể tăng cường sự đồng nhất của nguyên liệu và phá vỡ một phần các cụm giàu asphaltene và kim loại, từ đó có thể làm giảm tải lượng chất gây ô nhiễm thực tế góp phần vào sự hình thành CCR [6]. Lực cắt mạnh và quá trình trộn vi mô do cavitation tạo ra cũng có thể cải thiện sự phân tán, truyền khối và tính lưu biến tổng thể của nguyên liệu, từ đó có thể hỗ trợ hiệu suất chuyển hóa cao hơn và giảm xu hướng bám cặn. Những tác động này đã được chứng minh ở quy mô thí điểm, nhưng đến nay vẫn chưa có dữ liệu công khai nào xác nhận việc triển khai FCC ở quy mô công nghiệp. Việc tích hợp Cavitation thủy động lực học ở phía thượng lưu của đơn vị FCC đòi hỏi thiết kế kỹ thuật cẩn thận cho giao diện phun nguyên liệu, bao gồm áp suất, nhiệt độ, vật liệu kim loại và tính tương thích với các hệ thống tiền gia nhiệt và phân phối nguyên liệu hiện có.
2.4 Thiết bị hydro xử lý (DHT, CNHT, NHT)
Quá trình trộn trước hydro–dầu được hỗ trợ bởi cavitation thủy động học có thể cải thiện sự phân tán của H₂ và tiếp xúc bề mặt, tiềm năng nâng cao quá trình khử lưu huỳnh, loại bỏ nitơ và bão hòa olefin [2,8]. Sự nhiễu loạn vi mô và lực cắt làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, giảm thiểu các hạn chế về truyền khối làm giảm hiệu quả của chất xúc tác. Nên thực hiện xác nhận thí điểm để tối ưu hóa mức độ cavitation, thời gian lưu và tích hợp mô-đun. Các mô-đun cavitation thủy động lực học được thiết kế đúng cách — các khung chịu áp suất với vật liệu tương thích với điều kiện quá trình — có thể hỗ trợ chuyển đổi cao hơn trên mỗi lần đi qua và kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác.
2.5 Xử lý kiềm nhiên liệu máy bay (JCTU)
Trong quá trình xử lý kiềm nhiên liệu máy bay, cavitation thủy động học tăng cường tiếp xúc giữa dung dịch kiềm và hydrocacbon, cải thiện quá trình chiết xuất mercaptan và độ ổn định của sản phẩm. Quá trình trộn vi mô và sự tái tạo bề mặt tiếp xúc cao có thể giảm lượng kiềm tiêu thụ đồng thời duy trì hoặc nâng cao hiệu suất khử mùi. Hệ thống Cavitation thủy động học lắp đặt trực tiếp cho phép nâng cấp dễ dàng với sự gián đoạn quy trình tối thiểu.
2.6 Các đơn vị alkyl hóa (H₂SO₄ ALKY)
Cavitation thủy động lực học có thể tăng cường tiếp xúc giữa axit và hydrocacbon trong các đơn vị alkyl hóa, thúc đẩy điều kiện phản ứng đồng đều hơn và có khả năng cải thiện chỉ số octan và năng suất sản phẩm [6]. Lực cắt cao, nhiễu loạn vi mô và dao động áp suất làm tăng tốc các phản ứng xúc tác bằng axit. Việc triển khai yêu cầu lựa chọn vật liệu nghiêm ngặt, thiết kế chống ăn mòn và các quy trình an toàn chặt chẽ. Nên thực hiện xác nhận quy mô thí điểm trước khi áp dụng quy mô công nghiệp.
2.7 Nâng cấp và pha trộn cặn
Hiệu ứng xâm thực thủy động học có thể hỗ trợ cả quá trình pha trộn và nâng cấp một phần cặn nặng và cặn chân không bằng cách tăng cường sự phân tán, giảm độ nhớt và cải thiện độ ổn định tổng thể của nhiên liệu.
Ứng dụng nâng cấp
Đối với quá trình nâng cấp, hiện tượng cavitation thúc đẩy sự phân tán asphaltene, quá trình nứt nhẹ, giảm độ nhớt, chuyển dịch sang các phân đoạn nhẹ hơn và giảm thiểu bùn [2–4]. Xử lý cặn bằng cavitation thủy động học đã được chứng minh là hiệu quả về chi phí hơn so với cavitation âm thanh trong các hoạt động quy mô thí điểm và có thể cải thiện tính chất bitum, khử lưu huỳnh và độ ổn định của nhũ tương trong các ứng dụng như nguyên liệu đầu vào FCC, thiết bị hydro xử lý và nhiên liệu hàng hải [4,7,8]. Mặc dù hầu hết các lợi ích được báo cáo xuất phát từ quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm, việc kiểm soát đúng mức độ cavitation và thời gian lưu giữ là yếu tố then chốt để triển khai an toàn và hiệu quả.
Ứng dụng pha trộn
Trong các hoạt động pha trộn, hiện tượng xâm thực thủy động học thúc đẩy sự hình thành các hỗn hợp mịn và ổn định giữa dầu nặng và các thành phần có độ nhớt thấp hơn như dầu diesel sinh học hoặc dầu pyrolysis. Lực cắt cao và nhiễu loạn vi mô được tạo ra trong quá trình xâm thực giúp cải thiện khả năng hòa trộn, giảm xu hướng tách pha và tăng cường tính đồng nhất trong quá trình lưu trữ và xử lý.
Các thử nghiệm độc lập tại Bureau Veritas và các phòng thí nghiệm Data-Physics đã xác nhận những cải thiện này. Bảng 1 tóm tắt so sánh giữa dầu nhiên liệu nặng (HFO) 380 được trộn với 20% diesel sinh học (FAME) bằng phương pháp trộn thủ công truyền thống (HD) và phương pháp trộn hỗ trợ cavitation (CF) sử dụng hệ thống CaviFlow® của RAPTECH. Phương pháp hỗ trợ bằng cavitation đã mang lại những cải thiện đáng kể về mật độ, độ nhớt, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng tro, mức độ cặn và chỉ số ổn định trung bình (MSI), đồng thời giảm nồng độ cat-fines. Thử nghiệm động cơ do FVTR GmbH thực hiện cũng báo cáo mức giảm nhẹ (~1%) về tiêu thụ nhiên liệu đối với hỗn hợp HFO–20% FAME được xử lý bằng cavitation.
Tùy thuộc vào kích thước tàu, hồ sơ vận hành và giá nhiên liệu, những cải thiện về tính chất này có thể mang lại lợi ích vận hành đáng kể trong ngành hàng hải, nơi dầu nhiên liệu nặng vẫn là nguồn năng lượng chủ đạo.
Bảng 1. So sánh dầu nhiên liệu nặng (HFO) 380 pha trộn với 20% diesel sinh học (FAME) bằng phương pháp pha trộn thủ công truyền thống (HD) và phương pháp pha trộn hỗ trợ bằng hiện tượng xâm thực (CF).
(1) Dầu nặng có °API < 22,3 thường được phân loại là “dầu nhiên liệu nặng”.
(2) Mặc dù điểm chớp cháy giảm, cả hai hỗn hợp vẫn duy trì ở mức cao hơn nhiều so với giới hạn tối thiểu theo tiêu chuẩn ISO 8217 dành cho nhiên liệu hàng hải dư, đảm bảo tuân thủ các quy định an toàn.
3.Kết luận
Sự xâm thực thủy động học là một công cụ tăng cường quá trình đa năng, có khả năng giải quyết một số thách thức dai dẳng trong lĩnh vực lọc dầu, bao gồm tính không đồng nhất của nguyên liệu thô, hạn chế về truyền khối, bám bẩn và quá trình xử lý cặn có độ nhớt cao. Trong các đơn vị khử muối dầu thô, chuyển hóa nhiệt và xúc tác, xử lý kiềm và alkyl hóa, sự xâm thực thủy động học mang lại cơ hội cải thiện sự phân tán, tính đồng nhất của phản ứng và sự ổn định vận hành, đồng thời có khả năng giảm tiêu thụ năng lượng và tác động môi trường.
Các kết quả đầy hứa hẹn được chứng minh trong việc nâng cấp cặn và pha trộn hỗ trợ bằng cavitation—đặc biệt là việc cải thiện khả năng xử lý và độ ổn định của hỗn hợp HFO–FAME —nhấn mạnh tầm quan trọng của Cavitation thủy động lực học khi cả ngành lọc dầu và ngành nhiên liệu hàng hải/bunker đang chuyển đổi sang các dòng nhiên liệu đa dạng và tái tạo hơn. Việc ban hành tiêu chuẩn ISO 8217:2024 [9], cho phép nhiên liệu hàng hải chứa tới 100% FAME, càng làm nổi bật nhu cầu về các công nghệ có thể ổn định hỗn hợp giữa các phân đoạn dầu mỏ nặng với nhiên liệu thay thế. Khả năng của Công nghệ Cavitation Thủy động học trong việc giảm độ nhớt, cải thiện độ ổn định pha và giảm thiểu các vấn đề về cặn bẩn và tạp chất giúp nó trở thành một giải pháp thực tiễn trong bối cảnh đang thay đổi này.
Việc áp dụng thành công trong công nghiệp sẽ phụ thuộc vào:
Mặc dù bằng chứng hiện tại chủ yếu ở quy mô thí điểm, nhưng việc xử lý dầu nặng và pha trộn nhiên liệu với sự hỗ trợ của hiện tượng xâm thực thủy động lực học đã cho thấy những hướng đi đầy hứa hẹn để tăng hiệu quả nhà máy lọc dầu, cho phép tích hợp nhiên liệu thay thế, đồng thời hỗ trợ các mục tiêu giảm phát thải carbon và phát triển bền vững trên phạm vi rộng hơn [4]. Những lợi ích này có thể áp dụng trực tiếp cho ngành nhiên liệu hàng hải/bunker, mang lại cải thiện về vận hành, môi trường và chất lượng nhiên liệu.
Tác giả: Tiến sĩ Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Tài liệu tham khảo
Các kết quả thực tiễn gần đây — bao gồm pha trộn và nâng cấp cặn — cho thấy những lợi ích có thể đo lường được trong việc pha trộn dầu nhiên liệu nặng với các loại nhiên liệu thay thế. Việc pha trộn HFO với 20% FAME được hỗ trợ bởi hiện tượng xâm thực đã cho thấy sự cải thiện về độ nhớt, mật độ, hàm lượng cặn và các chỉ số ổn định, cũng như giảm lượng cặn xúc tác và cải thiện nhẹ mức tiêu thụ nhiên liệu. Các phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của Hiện tượng Sủi bọt Thủy động học không chỉ đối với các quy trình lọc dầu mà còn đối với ngành nhiên liệu hàng hải/bunker, đặc biệt trong bối cảnh Tiêu chuẩn ISO 8217:2024 cho phép nhiên liệu hàng hải chứa tới 100% FAME. Kết quả phản ánh xu hướng chung của ngành hướng tới các nguyên liệu thô có hàm lượng carbon thấp, tái tạo và đa dạng hơn.
Nhìn chung, hiện tượng xâm thực thủy động lực học và các thiết bị CaviFlow® của RAPTECH mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để cải thiện khả năng xử lý, giảm nhu cầu năng lượng và hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang các hệ thống lọc dầu và nhiên liệu hàng hải bền vững hơn. Mặc dù phần lớn dữ liệu xuất phát từ các nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm, nhưng các minh chứng mới nổi — bao gồm pha trộn và nâng cấp cặn — nhấn mạnh tiềm năng của hiện tượng xâm thực thủy động lực học trong việc triển khai công nghiệp thực tế.
1. Giới thiệu
Các quy trình chuyển đổi tại nhà máy lọc dầu đóng vai trò trung tâm trong việc biến đổi dầu thô thành nhiên liệu vận tải, nguyên liệu cho hóa dầu và các sản phẩm có giá trị cao. Hiệu suất và chất lượng sản phẩm thường bị hạn chế bởi tính không đồng nhất của nguyên liệu, sự mất hoạt tính của chất xúc tác, hiện tượng bám cặn và các hạn chế về truyền khối. Việc sử dụng ngày càng nhiều dầu thô nặng và siêu nặng, vốn chiếm một phần đáng kể trong trữ lượng toàn cầu có thể khai thác, đặt ra những thách thức bổ sung do độ nhớt cao, trọng lượng API thấp (<20°) và hàm lượng asphaltene cao [1]. Những đặc tính này cản trở quá trình truyền nhiệt và truyền khối, đẩy nhanh quá trình bám cặn và làm tăng sự hình thành cốc trong các quá trình nhiệt và xúc tác.
Hiệu ứng xâm thực thủy động lực học đã nổi lên như một chiến lược tăng cường quá trình đầy hứa hẹn. Nó tạo ra các bọt khí siêu nhỏ được kiểm soát, các điểm nóng cục bộ, lực cắt cực mạnh và độ dốc áp suất, có thể tăng cường phản ứng hóa học, sự phân tán pha và truyền khối. So với phương pháp trộn cơ học truyền thống hoặc các chất phụ gia hóa học, hiện tượng xâm thực thủy động học là một phương pháp tiềm năng tiết kiệm năng lượng và ít sử dụng hóa chất để giải quyết các điểm nghẽn trong nhà máy lọc dầu [2]. Sự xâm thực thủy động lực học có thể được kết hợp với chất xúc tác, chất hoạt động bề mặt, chất oxy hóa nhẹ (ví dụ: H₂O₂, ozone) hoặc chiếu xạ tia cực tím để cải thiện hơn nữa hiệu quả phản ứng và mang lại kết quả xử lý sạch hơn [2].
Về mặt cơ chế, hiện tượng cavitation có thể gây ra các biến đổi ở cấp độ phân tử trong hydrocacbon, bao gồm sự phân tách asphaltene, quá trình cracking một phần và thay đổi tính chất lưu biến, từ đó cải thiện khả năng xử lý nguyên liệu và hiệu suất phản ứng [3]. Việc mở rộng quy mô hiện tượng cavitation thủy động lực học sang các hoạt động công nghiệp là một thách thức do thiếu phương pháp tiêu chuẩn để định lượng cường độ cavitation trên các loại chất lỏng khác nhau và đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao [1,4]. Bằng chứng từ các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thí điểm cho thấy hiện tượng xâm thực thủy động lực học có thể cải thiện khả năng xử lý và hiệu quả, mặc dù việc xác nhận quy mô công nghiệp vẫn còn hạn chế.
Các quy trình được hỗ trợ bởi hiện tượng xâm thực thủy động lực học có thể mang lại lợi ích về vận hành và môi trường, bao gồm giảm tiêu thụ năng lượng, tăng công suất và giảm phát thải khí nhà kính. Chúng có thể bổ sung cho các phương pháp nâng cấp truyền thống, vốn thường tiêu tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi thiết kế phản ứng phức tạp. Số cavitation đã được đề xuất như một thông số hệ thống để tối ưu hóa thiết kế phản ứng và kết nối dữ liệu thí nghiệm với ứng dụng thực tiễn.
2. Cơ hội ứng dụng cavitation thủy động lực học có tác động lớn
2.1 Khử muối dầu thô (CDU)
Việc tích hợp hiện tượng xâm thực thủy động lực học tại đầu vào của thiết bị tách muối có thể tăng cường sự phân tán dầu-nước và loại bỏ muối. Hiện tượng nhiễu loạn vi mô, lực cắt và dao động áp suất cục bộ thúc đẩy sự phá vỡ các nhũ tương ổn định, tạo ra các giọt nhỏ, đồng đều giúp cải thiện tiếp xúc giữa nước và dầu cũng như đẩy nhanh quá trình kết tụ. Điều này có thể dẫn đến hàm lượng muối dư thấp hơn, giảm bám bẩn và ăn mòn, đồng thời cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt [2]. Các đơn vị cavitation thủy động lực học có thể được triển khai dưới dạng các mô-đun inline nhỏ gọn với ít thay đổi đối với cơ sở hạ tầng tách muối hiện có.
2.2 Quá trình chưng cất chậm (DCU)
Áp dụng cavitation thủy động lực học vào cặn chân không trước các lò gia nhiệt coker có thể cải thiện sự đồng nhất của nguyên liệu và tạo ra các hiệu ứng nâng cấp nhẹ. Lực cắt, trộn vi mô và kích hoạt nhiệt-cơ học cục bộ thúc đẩy quá trình phân tách một phần asphaltene và giảm độ nhớt, cho phép quá trình nứt nhiệt diễn ra đồng đều hơn [5,3]. Các nghiên cứu quy mô thí điểm đã báo cáo sự cải thiện về độ ổn định của lò gia nhiệt, giảm sự lắng đọng coke và tăng nhẹ sản lượng sản phẩm lỏng khi tích hợp cavitation thủy động lực học ở phía thượng lưu của lò coker. Việc duy trì cường độ cavitation thích hợp là rất quan trọng để tránh quá trình phân hủy sơ bộ quá mức, đặc biệt là đối với các nguyên liệu có hàm lượng thơm cao hoặc không ổn định [1,3]. Do đó, thiết kế hệ thống cavitation thủy động học phù hợp và tối ưu hóa điều kiện vận hành là yếu tố then chốt để triển khai an toàn và hiệu quả.
2.3 Thiết bị Phân hủy Chất lỏng Bằng Chất xúc tác (FCCU)
Việc tiền xử lý nguyên liệu nặng (ví dụ: dầu khí chân không hoặc cặn) thông qua cavitation thủy động lực học có thể tăng cường sự đồng nhất của nguyên liệu và phá vỡ một phần các cụm giàu asphaltene và kim loại, từ đó có thể làm giảm tải lượng chất gây ô nhiễm thực tế góp phần vào sự hình thành CCR [6]. Lực cắt mạnh và quá trình trộn vi mô do cavitation tạo ra cũng có thể cải thiện sự phân tán, truyền khối và tính lưu biến tổng thể của nguyên liệu, từ đó có thể hỗ trợ hiệu suất chuyển hóa cao hơn và giảm xu hướng bám cặn. Những tác động này đã được chứng minh ở quy mô thí điểm, nhưng đến nay vẫn chưa có dữ liệu công khai nào xác nhận việc triển khai FCC ở quy mô công nghiệp. Việc tích hợp Cavitation thủy động lực học ở phía thượng lưu của đơn vị FCC đòi hỏi thiết kế kỹ thuật cẩn thận cho giao diện phun nguyên liệu, bao gồm áp suất, nhiệt độ, vật liệu kim loại và tính tương thích với các hệ thống tiền gia nhiệt và phân phối nguyên liệu hiện có.
2.4 Thiết bị hydro xử lý (DHT, CNHT, NHT)
Quá trình trộn trước hydro–dầu được hỗ trợ bởi cavitation thủy động học có thể cải thiện sự phân tán của H₂ và tiếp xúc bề mặt, tiềm năng nâng cao quá trình khử lưu huỳnh, loại bỏ nitơ và bão hòa olefin [2,8]. Sự nhiễu loạn vi mô và lực cắt làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, giảm thiểu các hạn chế về truyền khối làm giảm hiệu quả của chất xúc tác. Nên thực hiện xác nhận thí điểm để tối ưu hóa mức độ cavitation, thời gian lưu và tích hợp mô-đun. Các mô-đun cavitation thủy động lực học được thiết kế đúng cách — các khung chịu áp suất với vật liệu tương thích với điều kiện quá trình — có thể hỗ trợ chuyển đổi cao hơn trên mỗi lần đi qua và kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác.
2.5 Xử lý kiềm nhiên liệu máy bay (JCTU)
Trong quá trình xử lý kiềm nhiên liệu máy bay, cavitation thủy động học tăng cường tiếp xúc giữa dung dịch kiềm và hydrocacbon, cải thiện quá trình chiết xuất mercaptan và độ ổn định của sản phẩm. Quá trình trộn vi mô và sự tái tạo bề mặt tiếp xúc cao có thể giảm lượng kiềm tiêu thụ đồng thời duy trì hoặc nâng cao hiệu suất khử mùi. Hệ thống Cavitation thủy động học lắp đặt trực tiếp cho phép nâng cấp dễ dàng với sự gián đoạn quy trình tối thiểu.
2.6 Các đơn vị alkyl hóa (H₂SO₄ ALKY)
Cavitation thủy động lực học có thể tăng cường tiếp xúc giữa axit và hydrocacbon trong các đơn vị alkyl hóa, thúc đẩy điều kiện phản ứng đồng đều hơn và có khả năng cải thiện chỉ số octan và năng suất sản phẩm [6]. Lực cắt cao, nhiễu loạn vi mô và dao động áp suất làm tăng tốc các phản ứng xúc tác bằng axit. Việc triển khai yêu cầu lựa chọn vật liệu nghiêm ngặt, thiết kế chống ăn mòn và các quy trình an toàn chặt chẽ. Nên thực hiện xác nhận quy mô thí điểm trước khi áp dụng quy mô công nghiệp.
2.7 Nâng cấp và pha trộn cặn
Hiệu ứng xâm thực thủy động học có thể hỗ trợ cả quá trình pha trộn và nâng cấp một phần cặn nặng và cặn chân không bằng cách tăng cường sự phân tán, giảm độ nhớt và cải thiện độ ổn định tổng thể của nhiên liệu.
Ứng dụng nâng cấp
Đối với quá trình nâng cấp, hiện tượng cavitation thúc đẩy sự phân tán asphaltene, quá trình nứt nhẹ, giảm độ nhớt, chuyển dịch sang các phân đoạn nhẹ hơn và giảm thiểu bùn [2–4]. Xử lý cặn bằng cavitation thủy động học đã được chứng minh là hiệu quả về chi phí hơn so với cavitation âm thanh trong các hoạt động quy mô thí điểm và có thể cải thiện tính chất bitum, khử lưu huỳnh và độ ổn định của nhũ tương trong các ứng dụng như nguyên liệu đầu vào FCC, thiết bị hydro xử lý và nhiên liệu hàng hải [4,7,8]. Mặc dù hầu hết các lợi ích được báo cáo xuất phát từ quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm, việc kiểm soát đúng mức độ cavitation và thời gian lưu giữ là yếu tố then chốt để triển khai an toàn và hiệu quả.
Ứng dụng pha trộn
Trong các hoạt động pha trộn, hiện tượng xâm thực thủy động học thúc đẩy sự hình thành các hỗn hợp mịn và ổn định giữa dầu nặng và các thành phần có độ nhớt thấp hơn như dầu diesel sinh học hoặc dầu pyrolysis. Lực cắt cao và nhiễu loạn vi mô được tạo ra trong quá trình xâm thực giúp cải thiện khả năng hòa trộn, giảm xu hướng tách pha và tăng cường tính đồng nhất trong quá trình lưu trữ và xử lý.
Các thử nghiệm độc lập tại Bureau Veritas và các phòng thí nghiệm Data-Physics đã xác nhận những cải thiện này. Bảng 1 tóm tắt so sánh giữa dầu nhiên liệu nặng (HFO) 380 được trộn với 20% diesel sinh học (FAME) bằng phương pháp trộn thủ công truyền thống (HD) và phương pháp trộn hỗ trợ cavitation (CF) sử dụng hệ thống CaviFlow® của RAPTECH. Phương pháp hỗ trợ bằng cavitation đã mang lại những cải thiện đáng kể về mật độ, độ nhớt, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng tro, mức độ cặn và chỉ số ổn định trung bình (MSI), đồng thời giảm nồng độ cat-fines. Thử nghiệm động cơ do FVTR GmbH thực hiện cũng báo cáo mức giảm nhẹ (~1%) về tiêu thụ nhiên liệu đối với hỗn hợp HFO–20% FAME được xử lý bằng cavitation.
Tùy thuộc vào kích thước tàu, hồ sơ vận hành và giá nhiên liệu, những cải thiện về tính chất này có thể mang lại lợi ích vận hành đáng kể trong ngành hàng hải, nơi dầu nhiên liệu nặng vẫn là nguồn năng lượng chủ đạo.
Bảng 1. So sánh dầu nhiên liệu nặng (HFO) 380 pha trộn với 20% diesel sinh học (FAME) bằng phương pháp pha trộn thủ công truyền thống (HD) và phương pháp pha trộn hỗ trợ bằng hiện tượng xâm thực (CF).
| Tham số | Đơn vị | Trộn (HD) | Hỗn hợp (CF) | Tỷ lệ cải thiện (%) |
|---|---|---|---|---|
| Mật độ ở 50°C | kg/m³ | 948.7 | 945.5 | 0.3 |
| °API ở 60 °F (1) | - | 13.83 | 14.32 | 3.5 |
| Độ nhớt động học ở 50°C | cSt | 109.2 | 94.72 | 13 |
| Hàm lượng lưu huỳnh | % (theo khối lượng) | 1.35 | 1.33 | 1.5 |
| Hàm lượng tro | % (theo khối lượng) | 0.024 | 0.023 | 4 |
| Điểm chảy | ° C | -15 | -15 | 0 |
| Điểm chớp cháy (2) | ° C | 129.5 | 103.5 | -20 (2) |
| Tổng tiềm năng trầm tích | % (theo khối lượng) | 0.04 | 0.03 | 25 |
| Tổng lượng trầm tích hiện có | % (theo khối lượng) | 0.03 | 0.02 | 33 |
| Chỉ số ổn định trung bình (MSI) | - | 0.24 | 0.19 | 26 |
| Cat Fines (Al&Si) | mg/kg | 9 | 6 | 50 |
(1) Dầu nặng có °API < 22,3 thường được phân loại là “dầu nhiên liệu nặng”.
(2) Mặc dù điểm chớp cháy giảm, cả hai hỗn hợp vẫn duy trì ở mức cao hơn nhiều so với giới hạn tối thiểu theo tiêu chuẩn ISO 8217 dành cho nhiên liệu hàng hải dư, đảm bảo tuân thủ các quy định an toàn.
3.Kết luận
Sự xâm thực thủy động học là một công cụ tăng cường quá trình đa năng, có khả năng giải quyết một số thách thức dai dẳng trong lĩnh vực lọc dầu, bao gồm tính không đồng nhất của nguyên liệu thô, hạn chế về truyền khối, bám bẩn và quá trình xử lý cặn có độ nhớt cao. Trong các đơn vị khử muối dầu thô, chuyển hóa nhiệt và xúc tác, xử lý kiềm và alkyl hóa, sự xâm thực thủy động học mang lại cơ hội cải thiện sự phân tán, tính đồng nhất của phản ứng và sự ổn định vận hành, đồng thời có khả năng giảm tiêu thụ năng lượng và tác động môi trường.
Các kết quả đầy hứa hẹn được chứng minh trong việc nâng cấp cặn và pha trộn hỗ trợ bằng cavitation—đặc biệt là việc cải thiện khả năng xử lý và độ ổn định của hỗn hợp HFO–FAME —nhấn mạnh tầm quan trọng của Cavitation thủy động lực học khi cả ngành lọc dầu và ngành nhiên liệu hàng hải/bunker đang chuyển đổi sang các dòng nhiên liệu đa dạng và tái tạo hơn. Việc ban hành tiêu chuẩn ISO 8217:2024 [9], cho phép nhiên liệu hàng hải chứa tới 100% FAME, càng làm nổi bật nhu cầu về các công nghệ có thể ổn định hỗn hợp giữa các phân đoạn dầu mỏ nặng với nhiên liệu thay thế. Khả năng của Công nghệ Cavitation Thủy động học trong việc giảm độ nhớt, cải thiện độ ổn định pha và giảm thiểu các vấn đề về cặn bẩn và tạp chất giúp nó trở thành một giải pháp thực tiễn trong bối cảnh đang thay đổi này.
Việc áp dụng thành công trong công nghiệp sẽ phụ thuộc vào:
- Kiểm soát chính xác cường độ xâm thực để cân bằng giữa hiệu quả đạt được và tính toàn vẹn của thiết bị.
- Đảm bảo khả năng tương thích với các dòng quy trình có nhiệt độ cao, ăn mòn hoặc có độ nhớt cao.
- Tích hợp các mô-đun HC vào cấu hình nhà máy lọc dầu hiện có mà không làm gián đoạn quá trình kiểm soát quy trình quan trọng.
Mặc dù bằng chứng hiện tại chủ yếu ở quy mô thí điểm, nhưng việc xử lý dầu nặng và pha trộn nhiên liệu với sự hỗ trợ của hiện tượng xâm thực thủy động lực học đã cho thấy những hướng đi đầy hứa hẹn để tăng hiệu quả nhà máy lọc dầu, cho phép tích hợp nhiên liệu thay thế, đồng thời hỗ trợ các mục tiêu giảm phát thải carbon và phát triển bền vững trên phạm vi rộng hơn [4]. Những lợi ích này có thể áp dụng trực tiếp cho ngành nhiên liệu hàng hải/bunker, mang lại cải thiện về vận hành, môi trường và chất lượng nhiên liệu.
Tác giả: Tiến sĩ Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
Tài liệu tham khảo
- Demirbas, A.; Bafail, A.; Nizami, A.-S. Nâng cấp dầu nặng: Mở ra nguồn cung cấp nhiên liệu trong tương lai. Khoa học và Công nghệ Dầu mỏ, 2016, 34(4), 303–308. DOI: 10.1080/10916466.2015.1136949.
- Panda, D.; Saharan, V. K.; Manickam, S. Hiện tượng xâm thực thủy động học có kiểm soát: Tổng quan về những tiến bộ gần đây và triển vọng cho quá trình xử lý thân thiện với môi trường. Processes, 2020, 8, 220. DOI: 10.3390/pr8020220.
- Kuimov, D.; Minkin, M.; Yurov, A.; Lukyanov, A. Tình hình nghiên cứu hiện tại về cơ chế tác động của hiện tượng cavitation trong xử lý sản phẩm dầu mỏ lỏng — Tổng quan và đề xuất cho nghiên cứu tiếp theo. Fluids, 2023, 8, 172. DOI: 10.3390/fluids8060172.
- Neelima, N. V.; Bhattacharya, S.; Holkar, C. R.; Jadhav, A. J.; Pandit, A. B.; Pinjari, D. V. Các quá trình chuyển hóa được hỗ trợ bởi hiện tượng cavitation trong xử lý bitum: Một bài tổng quan. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2024, 63, 6047–6065. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c00785.
- Wan, C.; Wang, R.; Zhou, W.; Li, L. Nghiên cứu thực nghiệm về việc giảm độ nhớt của dầu nặng bằng chất cung cấp hydro sử dụng tia cavitation. RSC Advances, 2019, 9, 2509–2515. DOI: 10.1039/C8RA08087A.
- Stebeleva, O. P.; Minakov, A. V. Ứng dụng hiện tượng cavitation trong chế biến dầu mỏ: Tổng quan về cơ chế và kết quả xử lý. ACS Omega, 2021. DOI: 10.1021/acsomega.1c05858.
- Davudov, D.; Ghanbarnezhad Moghanloo, R. So sánh hệ thống các kỹ thuật nâng cấp dầu nặng. Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Dầu khí, 2017, 156, 623–632. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.05.014.
- Cako, E.; Wang, Z.; Castro-Muñoz, R.; Rayaroth, M. P.; Boczkaj, G. Công nghệ làm sạch dựa trên hiện tượng cavitation cho sản xuất diesel sinh học và xử lý dòng hydrocarbon: Nhìn nhận về các nguyên lý cơ bản, dữ liệu quy trình thiếu hụt và tính khả thi kinh tế – Một bài tổng quan. Ultrasonics Sonochemistry, 2022, 88, 106081. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106081.
- Nhóm công tác nhiên liệu CIMAC. Hướng dẫn CIMAC: Nhiên liệu hàng hải có chứa FAME — ISO 8217:2024. CIMAC, 2024
