Tháp chưng cất dầu thô: xăng, dầu hoả, diesel tách ra thế nào

Trong nhà máy lọc dầu, dầu thô được nung nóng tới khoảng 350–370 °C rồi phun vào một tháp chưng cất cao vài chục mét. Hơi bốc lên, nguội dần theo chiều cao, và mỗi nhóm chất ngưng tụ ở một tầng riêng: khí hoá lỏng trên đỉnh, rồi xăng thô, dầu hoả, diesel, còn phần nặng nhất đọng ở đáy. Chưng cất chỉ chia dầu theo khoảng nhiệt độ sôi, chưa làm ra xăng thành phẩm; các phân xưởng phía sau mới biến những phân đoạn đó thành nhiên liệu bán ở cây xăng.

Dầu thô là gì mà phải chưng cất

Dầu thô không phải một chất. Nó là hỗn hợp của hàng nghìn loại hydrocarbon, từ phân tử nhỏ chỉ một vài nguyên tử carbon như metan, propan, butan, tới những phân tử to hàng chục, hàng trăm nguyên tử carbon trong nhựa đường. Xen giữa là một ít hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy, kim loại như niken, vanadi, cùng nước và muối lẫn vào từ mỏ.

Quy luật chung khá dễ nhớ: phân tử càng dài thì càng nặng, càng khó bay hơi, nhiệt độ sôi càng cao. Pentan (5 carbon) sôi ở khoảng 36 °C, còn những mạch 20 carbon phải trên 300 °C mới sôi. Vì vậy, nếu đun nóng dầu và hứng hơi ở những mức nhiệt khác nhau, ta chia được nó thành các "phân đoạn" có tính chất gần giống nhau. Đó là việc đầu tiên của mọi nhà máy lọc dầu, và cũng là phân xưởng lớn nhất về lưu lượng: toàn bộ dầu thô vào nhà máy đều đi qua đây.

Mỗi loại dầu thô lại có "tỷ lệ phân đoạn" riêng. Dầu nhẹ cho nhiều xăng thô và diesel, dầu nặng cho nhiều cặn. Dầu Bạch Hổ của Việt Nam thuộc loại nhẹ, ít lưu huỳnh nhưng nhiều parafin (sáp), để nguội dễ đông lại, nên đường ống và bồn chứa phải giữ ấm. Kỹ sư nhà máy luôn có một bảng "phân tích dầu thô" (crude assay) cho biết mỗi tấn dầu sẽ ra bao nhiêu phần trăm mỗi phân đoạn trước khi quyết định mua và pha trộn.

Trước khi vào tháp: khử muối và nung trong lò ống

Dầu thô từ tàu hay đường ống chưa vào tháp ngay. Nó đi qua chuỗi thiết bị trao đổi nhiệt để nhận lại nhiệt từ các dòng sản phẩm nóng đi ra, rồi vào thiết bị khử muối. Ở đây người ta trộn dầu với nước rửa, đặt trong điện trường để các giọt nước nhỏ kết lại thành giọt lớn và lắng xuống, kéo theo muối. Muối mà vào tháp thì sẽ sinh axit clohydric khi gặp nhiệt, ăn mòn đỉnh tháp và đường ống ngưng tụ, nên bước rửa này tưởng phụ mà quyết định tuổi thọ thiết bị.

Sau đó dầu vào lò đốt dạng ống. Dầu chảy trong các ống thép xếp quanh buồng đốt, được nung tới khoảng 350–370 °C. Không ai nung cao hơn nhiều, vì quá ngưỡng đó các phân tử lớn bắt đầu bị bẻ gãy vì nhiệt (cracking nhiệt), sinh than cốc bám trong ống, làm tắc và hỏng lò. Ở nhiệt độ này, một phần lớn dầu đã hoá hơi; hỗn hợp hơi và lỏng được phun vào vùng nạp liệu gần đáy tháp.

Bên trong tháp chưng cất khí quyển

Tháp chưng cất dầu thô làm việc ở áp suất gần áp suất khí quyển, nên còn gọi là tháp chưng cất khí quyển. Bên trong có vài chục tầng đĩa xếp chồng, mỗi đĩa là một tấm thép có lỗ hoặc van nhỏ, giữ một lớp chất lỏng mỏng. Hơi từ dưới đi lên phải sủi qua lớp lỏng đó ở từng đĩa.

Mỗi lần sủi qua là một lần "trao đổi": phần nặng trong hơi ngưng lại vào lớp lỏng, phần nhẹ trong lỏng bốc thêm vào hơi. Đi qua càng nhiều đĩa, hơi càng giàu chất nhẹ, lỏng càng giàu chất nặng. Nhiệt độ vì thế giảm dần từ đáy lên đỉnh: đáy tháp nóng khoảng 340–350 °C, đỉnh chỉ còn trên dưới 100 °C.

Phần quan trọng ít người để ý là dòng hồi lưu. Hơi ra khỏi đỉnh tháp được làm lạnh, ngưng tụ, và một phần chất lỏng này được bơm trở lại đỉnh tháp. Dòng lỏng lạnh chảy xuống làm "mát" từng đĩa, giúp hơi ngưng lại đúng chỗ. Không có hồi lưu, tháp chỉ là một ống hơi nóng, các phân đoạn trộn lẫn vào nhau. Dọc thân tháp còn có các vòng "bơm tuần hoàn" (pumparound) rút lỏng ra, làm nguội rồi trả lại, vừa lấy bớt nhiệt vừa tận dụng nhiệt đó để hâm dầu thô đầu vào.

Ở những độ cao nhất định, người ta rút sản phẩm ra từ thành tháp, gọi là dòng cạnh sườn. Mỗi dòng đi tiếp vào một cột nhỏ đứng bên cạnh (stripper), nơi hơi nước thổi từ dưới lên để đuổi bớt phần nhẹ còn lẫn, giúp sản phẩm đạt đúng điểm chớp cháy.

Các phân đoạn chính tách ra từ tháp

Khoảng nhiệt độ sôi dưới đây là con số tham khảo; mỗi nhà máy cắt phân đoạn khác nhau tuỳ dầu thô và sản phẩm muốn ưu tiên.

Các khoảng sôi chồng lên nhau một chút là chuyện bình thường. Chưng cất công nghiệp không cắt "sắc như dao"; phần chồng lấn càng hẹp thì tháp càng tốt, nhưng muốn hẹp hơn phải thêm đĩa, thêm hồi lưu, nghĩa là tốn thêm năng lượng.

Tháp chân không: xử lý phần nặng mà không làm cháy nó

Cặn ở đáy tháp khí quyển vẫn còn nhiều thứ có giá trị, nhưng muốn bốc hơi nó ở áp suất thường thì phải nung quá 400 °C, và lúc đó dầu bị cracking, sinh cốc. Lời giải là hạ áp suất. Ở áp suất thấp, chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn, giống như nước sôi dưới 100 °C trên núi cao.

Tháp chưng cất chân không có đường kính rất lớn, vì khí loãng chiếm thể tích khổng lồ. Áp suất ở đỉnh chỉ bằng vài phần trăm áp suất khí quyển, tạo ra bằng các bộ phun hơi (ejector). Nhờ đó cặn có thể tách tiếp thành gasoil chân không (nguyên liệu cho phân xưởng cracking hoặc dầu nhờn) và cặn chân không ở đáy, thứ dùng làm nhựa đường, dầu đốt hoặc đưa đi chế biến sâu hơn. Không phải nhà máy nào cũng có tháp chân không: nhà máy có phân xưởng cracking cặn trực tiếp có thể đưa thẳng cặn khí quyển vào đó.

Sau chưng cất: vì sao chưa có xăng ngay

Nhiều người nghĩ xăng chảy thẳng ra từ tháp chưng cất. Thực tế xăng thô ra từ tháp có chỉ số octan thấp, chạy động cơ sẽ bị kích nổ. Các phân đoạn còn chứa lưu huỳnh vượt mức cho phép. Vì vậy phía sau tháp là cả một chuỗi phân xưởng:

• Xử lý bằng hydro (hydrotreating): cho phân đoạn phản ứng với hydro trên xúc tác để tách lưu huỳnh thành H₂S, sau đó thu hồi thành lưu huỳnh rắn. Đây là lý do có xăng, diesel đạt tiêu chuẩn khí thải Euro hiện nay.
• Reforming xúc tác: sắp xếp lại phân tử trong xăng thô thành dạng vòng thơm và mạch nhánh, nâng chỉ số octan; phụ phẩm là hydro dùng lại cho xử lý bằng hydro.
• Cracking xúc tác: bẻ phân tử lớn của gasoil hoặc cặn thành phân tử nhỏ hơn, tăng sản lượng xăng và khí hoá lỏng; khí propylen thu được có thể đưa sang làm hạt nhựa polypropylen.
• Pha trộn: xăng bán ra là hỗn hợp nhiều cấu tử từ các phân xưởng khác nhau, pha theo công thức để đạt đúng chỉ số octan, áp suất hơi, hàm lượng lưu huỳnh, rồi mới tới phụ gia và ethanol nếu là xăng sinh học.

Nói cách khác, chưng cất là bước "phân loại", còn các phân xưởng sau là bước "chế biến". Một nhà máy chỉ có chưng cất mà không có chế biến sâu thì phần lớn sản phẩm sẽ là dầu đốt giá trị thấp.

Những thứ khó thấy làm nên một tháp chạy ổn

Năng lượng

Nung hàng triệu tấn dầu mỗi năm lên hơn 350 °C tiêu tốn một lượng nhiên liệu đáng kể, nên nhà máy thiết kế mạng trao đổi nhiệt rất kỹ: dòng diesel nóng ra hâm dầu thô vào, dòng cặn nóng hâm tiếp. Một nhà máy chạy tốt thu hồi được phần lớn nhiệt theo cách này, lò đốt chỉ phải bù phần còn thiếu.

Ăn mòn và bám cặn

Muối, axit naphthenic trong một số loại dầu, lưu huỳnh ở nhiệt độ cao đều ăn mòn thép. Người vận hành theo dõi độ pH nước ngưng ở đỉnh tháp, bơm chất trung hoà và chất ức chế ăn mòn với liều lượng tính toán.

Bảo dưỡng tổng thể

Định kỳ vài năm một lần, nhà máy dừng toàn bộ để mở tháp, kiểm tra đĩa, thay xúc tác, vệ sinh lò. Một đợt như vậy thường kéo dài vài tuần, huy động hàng nghìn người.

Góc nhìn hôm nay: hiểu tháp chưng cất để hiểu bình xăng

Biết nguyên lý tháp chưng cất giúp đọc đúng nhiều chuyện hằng ngày. Vì sao dầu hoả và nhiên liệu máy bay "gần họ" với nhau: chúng đến từ cùng một vùng của tháp. Vì sao diesel mùa đông ở xứ lạnh phải khác diesel mùa hè: phần nặng trong diesel dễ kết tinh sáp khi trời rét, nhà máy phải cắt phân đoạn và pha phụ gia khác đi. Vì sao giá dầu thô nhẹ khác dầu thô nặng: một tấn dầu nhẹ cho nhiều phân đoạn giá trị cao hơn.

Muốn tìm hiểu sâu hơn, sinh viên kỹ thuật hoá học ở Việt Nam thường học qua bộ "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hoá chất" và các giáo trình công nghệ chế biến dầu mỏ của các trường bách khoa. Báo cáo thường niên của các công ty lọc dầu trong nước cũng mô tả sơ đồ phân xưởng ở mức phổ thông. Còn tự thử chưng cất dầu mỏ hay xăng thì tuyệt đối không: hơi hydrocarbon nặng hơn không khí, lan sát mặt đất và bắt lửa từ một tia nhỏ cách đó nhiều mét. Những gì nhà máy làm được là nhờ thiết bị kín, cảm biến khí và quy trình an toàn nhiều lớp.