- Nhà máy lọc dầu biến dầu thô — hỗn hợp của hàng nghìn chất hóa học — thành các sản phẩm như xăng, diesel, nhiên liệu phản lực và dầu bôi trơn thông qua các công đoạn chưng cất, cracking, reforming và xử lý
- Bước đầu tiên quan trọng là chưng cất khí quyển, sử dụng đặc tính mỗi phân tử có nhiệt độ sôi khác nhau để chia dầu thô thành nhiều phân đoạn; dầu thô đưa vào nhà máy sau khi khử muối sẽ được gia nhiệt lên khoảng 650~750°F
- Các phân đoạn nặng được chuyển thành những phân tử nhẹ hơn và có giá trị cao hơn thông qua cracking xúc tác, chưng cất chân không, cracking nhiệt, coking..., đồng thời cấu trúc và chất lượng cũng được điều chỉnh bằng catalytic reforming, isomerization và hydrotreating
- Nhà máy lọc dầu Chevron Richmond có thể xử lý khoảng 250.000 thùng mỗi ngày, kết hợp thiết bị chưng cất khí quyển, chưng cất chân không, cracking xúc tác và catalytic reforming để tạo ra nhiều sản phẩm dầu mỏ
- Năng lực của một nhà máy lọc dầu không thể hiện đầy đủ chỉ bằng sản lượng xử lý mỗi ngày; Nelson Complexity Index dùng công suất xử lý và hệ số độ phức tạp của từng công đoạn để cho thấy nhà máy có thể tạo ra đa dạng sản phẩm tinh chế sâu đến mức nào
Cấu trúc cơ bản của dầu mỏ và lọc dầu
- Thế giới tiêu thụ hơn 100 triệu thùng dầu mỗi ngày, và tính đến năm 2023, dầu mỏ chiếm 30% tổng mức sử dụng năng lượng toàn cầu, là nguồn năng lượng đơn lẻ có tỷ trọng lớn nhất
- Trong sản xuất hóa chất, tỷ trọng của dầu và khí còn lớn hơn, với 90% nguyên liệu hóa học có nguồn gốc từ dầu hoặc khí
- Dầu thô khi được khai thác từ lòng đất là một hỗn hợp phức tạp gồm hàng nghìn chất hóa học, và nhà máy lọc dầu biến hỗn hợp này thành các hóa chất và sản phẩm có thể sử dụng thực tế
- Một nhà máy lọc dầu lớn có thể chiếm diện tích hàng nghìn acre, chi phí xây dựng lên tới hàng tỷ USD, và xử lý hàng trăm nghìn thùng dầu thô mỗi ngày
- Dầu thô chủ yếu là chất lỏng hình thành qua hàng triệu năm từ vật chất hữu cơ như phù du và tảo lắng xuống đáy biển cổ đại rồi bị các lớp trầm tích phủ lên
- Phần lớn thành phần của dầu thô là hydrocarbon, từ các phân tử đơn giản như propane đến những phân tử phức tạp như asphaltene có thể chứa hàng nghìn nguyên tử
- Asphaltene, nói chính xác, không hẳn là hydrocarbon; dù chủ yếu gồm carbon và hydro, nó cũng có thể chứa các nguyên tử khác như lưu huỳnh hoặc kim loại nặng
- Dầu thô có thành phần khác nhau tùy nơi khai thác; dầu nặng từ những nơi như oil sands của Canada chứa nhiều phân tử nặng hơn, còn dầu nhẹ từ những nơi như mỏ Ghawar của Saudi Arabia chứa nhiều phân tử nhẹ hơn
- Dầu ngọt như dầu thô từ mỏ Brent ở Biển Bắc có hàm lượng lưu huỳnh thấp, còn dầu chua như một số loại dầu ở Vịnh Mexico có hàm lượng lưu huỳnh cao
Cách tách dầu thô bằng chưng cất
- Công đoạn quan trọng nhất của nhà máy lọc dầu là chưng cất, khai thác đặc tính các phân tử khác nhau trong dầu thô sôi ở nhiệt độ khác nhau rồi lại ngưng tụ thành chất lỏng
- Các phân tử nhỏ và nhẹ sẽ sôi và ngưng tụ ở nhiệt độ thấp, còn các phân tử lớn và nặng sẽ sôi và ngưng tụ ở nhiệt độ cao hơn
- Dải nhiệt độ sôi của dầu thô có thể biểu diễn bằng đường cong chưng cất; trong ví dụ minh họa, khoảng 50% dầu thô sôi ra ở khoảng 350°C và khoảng 80% sôi ra ở 525°C
- Xăng không phải là một hóa chất đơn lẻ mà chủ yếu là hỗn hợp hydrocarbon có từ 4 đến 12 nguyên tử carbon
- EIA định nghĩa xăng thành phẩm là chất có dải nhiệt độ sôi từ 122~158°F tại điểm thu hồi 10% và 365~374°F tại điểm thu hồi 90%
- Điểm thu hồi là nhiệt độ tại đó tỷ lệ tương ứng của chất lỏng đã bay hơi và được thu gom
- Dầu thô đưa vào nhà máy lọc dầu trước hết được khử muối rồi gia nhiệt đến khoảng 650~750°F, khiến phần lớn chuyển thành hơi
- Hơi đi vào một tháp chưng cất cao với các khay chứa chất lỏng ở nhiều độ cao khác nhau, và khi đi lên nó xuyên qua lớp chất lỏng trên từng khay rồi nguội dần
- Các phân tử nặng nhất ngưng tụ trước ở phần dưới của tháp chưng cất, các phân tử nhẹ hơn ngưng tụ sau ở phía trên, còn các phân tử nhẹ nhất vẫn ở trạng thái khí và thoát ra ở đỉnh tháp
- Các phân tử nặng nhất khác vẫn ở dạng lỏng ngay từ đầu và thoát ra ở đáy tháp chưng cất; bằng cách này có thể tách các phân tử theo trọng lượng khác nhau
- Gần như mọi nhà máy lọc dầu đều bắt đầu bằng việc chia dầu thô thành nhiều phân đoạn trong tháp chưng cất, và vì bước đầu này diễn ra ở áp suất khí quyển nên được gọi là chưng cất khí quyển
Các quy trình lọc dầu chính
-
Gas plant
- Khí thoát ra từ đỉnh tháp chưng cất khí quyển là hỗn hợp của nhiều phân tử nhẹ như propane, methane, butane và isobutane
- Để tách hỗn hợp này, nhà máy lọc dầu có thể đưa nó đến gas plant, gồm nhiều tháp chưng cất
- Ví dụ, debutanizing tower tách butane, propane và các khí nhẹ hơn ra khỏi phần còn lại của hỗn hợp, còn depropanizing tower tách propane khỏi butane
- Phần lớn khí đưa vào gas plant không có liên kết đôi; các hydrocarbon không có liên kết đôi là hydrocarbon bão hòa vì chứa số nguyên tử hydro tối đa, nên loại thiết bị này được gọi là sats gas plant
-
Cracking xúc tác
- Ở đáy tháp chưng cất sẽ thu được chất lỏng nặng, và những phân tử nặng nhất chưa từng bay hơi trong quá trình chưng cất được gọi là residuum
- Nhiều phân tử nặng không có giá trị cao nếu giữ nguyên, nên một trong những chức năng quan trọng của nhà máy lọc dầu là cracking — bẻ gãy các phân đoạn nặng như heavy fuel oil thành những phân đoạn nhẹ và có giá trị hơn như xăng
- Cracking được phát minh đầu thế kỷ 20 để thu được nhiều xăng hơn từ mỗi thùng dầu thô nhằm đáp ứng nhu cầu xăng tăng mạnh cùng với sự phổ biến của ô tô
- Ngày nay, phần lớn nhà máy lọc dầu sử dụng cracking xúc tác, trộn các phân đoạn nặng từ chưng cất khí quyển với chất xúc tác rồi áp nhiệt và áp suất để chia các phân tử nặng thành phân tử nhẹ
- Sau đó, chất xúc tác nặng được tách ra khỏi hỗn hợp bằng cyclone separator để làm sạch và tái sử dụng, còn phần dầu đã bị cracking và có thể bay hơi được đưa trở lại tháp chưng cất để chia thành nhiều phân đoạn
- Phần lớn cracking xúc tác là fluid catalytic cracking, dùng chất xúc tác giống cát có thể chuyển động như chất lỏng khi trộn với các phân đoạn nặng
- Mỗi công ty đã phát triển các quy trình fluid catalytic cracking khác nhau, và một nhà máy lọc dầu có thể dùng nhiều thiết bị cracking xúc tác ở nhiều điểm khác nhau trong quy trình
-
Chưng cất chân không
- Ở nhiệt độ cao, phản ứng cracking có thể xảy ra ngay trong tháp chưng cất, nhưng vì cracking cản trở quá trình chưng cất nên nhà máy lọc dầu giới hạn nhiệt độ chưng cất khí quyển ở khoảng 650~750°F
- Vì giới hạn này, ở đáy tháp chưng cất vẫn còn lại hỗn hợp hydrocarbon nặng chưa sôi
- Để tách hỗn hợp này thêm nữa thì phải tăng nhiệt độ, nhưng như vậy cracking có thể bắt đầu, khiến nó khó xử lý chỉ bằng chưng cất khí quyển
- Giải pháp là đưa hỗn hợp sang một tháp chưng cất riêng với áp suất thấp gần chân không, gọi là chưng cất chân không hoặc vacuum flashing
- Ở áp suất thấp, nhiệt độ sôi cũng giảm xuống, cho phép chưng cất các phân đoạn nặng mà không cần gia nhiệt đến mức bắt đầu cracking
-
Cracking nhiệt và coking
- Một số phân đoạn nặng từ chưng cất chân không có thể được đưa thẳng sang thiết bị cracking xúc tác để bẻ gãy thành các phân tử nhẹ hơn
- Những phân tử nặng nhất từ đáy tháp chưng cất chân không không phù hợp cho cracking xúc tác vì có thể chứa kim loại nặng làm nhiễm bẩn chất xúc tác hoặc dễ tạo coke làm tắc chất xúc tác
- Để cracking các phân tử rất nặng này, một số nhà máy lọc dầu dùng quy trình cracking nhiệt, tức dùng nhiệt để bẻ gãy phân tử
- Coker là thiết bị cracking nhiệt tách các phân tử nặng nhất thành các phân tử nhẹ hơn và coke
- Các phân tử nhẹ được đưa sang tháp chưng cất để tách riêng, còn coke có thể được đốt làm nhiên liệu hoặc dùng làm đầu vào sản xuất như điện cực cho luyện nhôm
- Visbreaking là một dạng cracking nhiệt làm gãy một phần phân tử và giảm độ nhớt của phân đoạn còn lại
-
Các quy trình thay đổi cấu trúc phân tử
- Catalytic reforming đưa phân đoạn naphtha có nhiệt độ sôi khoảng 122°F~400°F tiếp xúc với nhiệt và áp suất trong sự hiện diện của chất xúc tác để tạo ra hỗn hợp hóa chất mới gọi là reformate, dùng trong sản xuất xăng
- Isomerization thay đổi cách sắp xếp vật lý của các phân tử như butane, tạo ra các đồng phân có cùng công thức hóa học nhưng khác cấu trúc
- Hydrotreating cho các phân đoạn dầu phản ứng với hydro dưới xúc tác để loại bỏ tạp chất và nâng cao chất lượng
- Hydrocracking kết hợp hydrotreating với cracking xúc tác, còn chuyển hóa cặn bằng hydro kết hợp hydrotreating với cracking nhiệt
-
Thiết bị lưu trữ
- Nhà máy lọc dầu có tank farm có thể chứa hàng triệu gallon chất lỏng để lưu trữ đầu vào và đầu ra của nhiều công đoạn
- Các khí như propane và butane thường được lưu trữ dưới dạng chất lỏng nén trong bồn trên mặt đất, khoang ngầm hoặc vòm muối
Bố trí quy trình của nhà máy lọc dầu Chevron Richmond
- Nhà máy lọc dầu Chevron Richmond là một nhà máy lọc dầu cỡ trung đến lớn ở Richmond, California, có thể xử lý khoảng 250.000 thùng dầu thô mỗi ngày
- Nửa phía nam khu đất là tank farm, còn khu xử lý được bố trí bao quanh phía bắc và phía đông
- Chevron Richmond có công suất chưng cất khí quyển khoảng 257.000 thùng, chưng cất chân không khoảng 123.000 thùng, cracking xúc tác khoảng 90.000 thùng và catalytic reforming khoảng 71.000 thùng
- Chevron Richmond không có công suất coking, nhưng nhà máy lọc dầu Chevron El Segundo ở Los Angeles có thiết bị coking
- Báo cáo đánh giá tác động môi trường chi tiết mà Chevron từng nộp khi cải tạo lớn nhà máy này để tuân thủ quy định chất lượng môi trường của California có kèm sơ đồ dòng quy trình
- Quá trình lọc dầu bắt đầu từ chưng cất khí quyển, nhưng một phần heavy gas oil được xử lý mà không đi qua bước chưng cất
- Các phân đoạn được tách ra từ chưng cất khí quyển sẽ được đưa đến các quy trình khác; khí nhẹ sang gas plant, còn naphtha sang hydrotreating, catalytic reforming và isomerization
- Nhiên liệu phản lực và diesel được đưa đến các quy trình hydrotreating tương ứng, còn các phân đoạn nặng hơn được đưa đến nhiều quy trình cracking xúc tác
- Các đầu ra cuối cùng gồm nhiều sản phẩm dầu thô như heavy fuel oil, diesel, nhiên liệu phản lực, dầu bôi trơn và xăng
Năng lực và độ phức tạp của lọc dầu
- Mỹ có 132 nhà máy lọc dầu đang có thể vận hành, với tổng công suất tinh chế hơn 18 triệu thùng dầu thô mỗi ngày
- Các nhà máy lọc dầu ở Mỹ tập trung mạnh tại vùng duyên hải Vịnh Mexico thuộc Texas và Louisiana, đồng thời cũng có cụm ở New Jersey, Trung Tây và California
- Chevron Richmond thuộc nhóm lớn ở Mỹ nhưng chưa phải cỡ lớn nhất; khoảng 1/5 số nhà máy lọc dầu tại Mỹ có quy mô tương đương hoặc lớn hơn Chevron Richmond
- Mỹ có 6 nhà máy lọc dầu có thể tinh chế hơn 500.000 thùng mỗi ngày, tức lớn hơn gấp đôi Chevron Richmond
- Nhà máy lọc dầu Jamnagar ở Ấn Độ là nhà máy lọc dầu lớn nhất thế giới xét theo công suất xử lý thô, có thể tinh chế 1,4 triệu thùng dầu thô mỗi ngày
- Số thùng xử lý mỗi ngày về bản chất là công suất chưng cất khí quyển, nên chỉ số này không đủ cho thấy nhà máy lọc dầu thực sự có thể tạo ra những sản phẩm gì
- Một nhà máy lọc dầu đơn giản có thể chỉ có chưng cất khí quyển, còn nhà máy phức tạp có chuỗi quy trình dài để tạo ra nhiều sản phẩm tinh chế sâu khác nhau
- Nelson Complexity Index tính độ phức tạp bằng cách lấy công suất xử lý của từng công đoạn trong nhà máy nhân với hệ số độ phức tạp so với chưng cất khí quyển, rồi chia cho công suất chưng cất khí quyển
- Ví dụ, với nhà máy có 100.000 thùng chưng cất khí quyển và 50.000 thùng chưng cất chân không, nếu hệ số độ phức tạp của chưng cất chân không là 2 thì chỉ số sẽ là
1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2
- Nếu thêm 25.000 thùng cracking xúc tác với hệ số độ phức tạp 6, chỉ số sẽ tăng lên thành
1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5
- Các nhà máy lọc dầu ở Mỹ nhìn chung khá phức tạp; tính đến năm 2014, số nhà máy có chỉ số độ phức tạp từ 2 trở xuống chiếm chưa đến 3%, và chỉ số trung bình là 8.7
- Năm 2014, chỉ số độ phức tạp của Chevron Richmond là 14, cao hơn mức trung bình của Mỹ
- Nhà máy lọc dầu Jamnagar không chỉ lớn nhất thế giới mà còn có chỉ số độ phức tạp 21, tức phức tạp hơn gần như mọi nhà máy lọc dầu ở Mỹ
Ý nghĩa công nghiệp do quy mô tạo ra
- Bố trí của quy trình lọc dầu có thể rất phức tạp, nhưng nhiều công đoạn riêng lẻ về mặt khái niệm lại đơn giản đến bất ngờ
- Lý do lọc dầu đắt đỏ không chỉ nằm ở độ phức tạp của quy trình, mà còn ở khối lượng vật chất phải xử lý là cực lớn
- Nhà máy lọc dầu Chevron Richmond có quy mô ngang một thị trấn nhỏ và có thể xử lý toàn bộ lượng dầu thô trên một tàu Very Large Crude Carrier chỉ trong hơn một tuần một chút
- Chevron Richmond không phải là nhà máy lọc dầu đặc biệt lớn; ở Mỹ có 25 nhà máy lọc dầu cùng cỡ hoặc lớn hơn, và 6 nhà máy lớn hơn gấp đôi
- Để duy trì nhu cầu dầu mỏ toàn cầu, cần khoảng 400 nhà máy lọc dầu cỡ Richmond
- Mỹ tiêu thụ hơn 20 triệu thùng dầu mỗi ngày, và để đáp ứng mức tiêu thụ này cần một quần thể nhà máy lọc dầu khổng lồ
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Có hai điều khiến tôi nhớ mãi. Một là dù nhà máy đang vận hành bình thường, trong lúc đi bộ quanh khuôn viên và lái xe tham quan, tôi hầu như không thấy ai khác; nhân viên chỉ có trong phòng điều khiển và họ cũng không có vẻ bận rộn lắm
Điều còn lại là gần như không có mùi. Nhà máy đó ở gần một khu dân cư cao cấp, nên nếu mùi lưu huỳnh hay khí khác rò rỉ ra ngoài thì sẽ dẫn tới khiếu nại và tiền phạt; một số tài liệu tôi dịch khi đó cũng nói về hệ thống phát hiện và ngăn chặn phát thải mùi. Theo tôi nhớ thì người ta thường xuyên đi bộ quanh rìa nhà máy và khu dân cư lân cận để kiểm tra bằng khứu giác, và vào ngày tôi ghé thăm thì chỉ có mùi dầu ở gần tháp tinh luyện, còn lại chỉ ngửi thấy mùi của vịnh Tokyo gần đó
Rốt cuộc có vẻ phụ thuộc rất nhiều vào quyền lực kinh tế của cộng đồng xung quanh
Nhà máy này là lớn nhất thế giới trong hơn 10 năm, và khi nhìn tận mắt thì đúng là có cảm giác như một kỳ quan thế giới. Đó là thành quả đáng kinh ngạc của sự bền bỉ và kỹ thuật, nên thật vui khi thấy bài này trên trang nhất HN, mà bài viết cũng rất hay
Mơ là một chuyện, còn thực sự xây dựng được một cơ sở sản xuất khổng lồ như vậy ở quy mô to lớn như thế là một thành tựu extraordinary. Hẳn phải có rất nhiều ý chí, tận tâm, nội lực tổng thể và tài năng hàng đầu
Ban đầu ông làm ở tháp chưng cất, sau đó chuyển sang bộ phận khử lưu huỳnh diesel. Tôi ước là không phải vậy, nhưng đó là công việc nguy hiểm, và ông đã nhiều lần suýt gặp nạn trong nhiều sự cố, gồm cả vụ cháy naphta kinh hoàng đã cướp đi nhiều sinh mạng
Thật thú vị khi thấy các tập đoàn lớn châu Á và các EPC ngày càng chi phối chuỗi hóa dầu, còn một ngành mà trước đây Mỹ từng dẫn đầu thì nay lại ngày càng phụ thuộc vào những đối tác như vậy. Một thay đổi cực lớn chỉ trong 25 năm
[0] - https://www.bloomberg.com/news/articles/2026-03-11/reliance-...
https://news.ycombinator.com/item?id=43761572
https://archive.is/kLFxg
Rồi từ đó lại dẫn sang “Planet Money Buys Oil”
https://www.npr.org/sections/money/2016/08/26/491342091/plan...
https://www.myabandonware.com/game/simrefinery-e65
Nó thực sự được làm cho Chevron
Và còn có cả hướng dẫn sử dụng
https://archive.org/details/sim-refinery-tour-book_202006/mo...
Tôi hiểu yếu tố kinh tế là cực kỳ quan trọng, và hiện tại về mặt kinh tế thì đốt một phần lớn dầu thô vẫn có lợi hơn. Nhưng với đầu tư phù hợp và thêm một chút may mắn, tính kinh tế đó có thể thay đổi, và tôi muốn được thấy điều ấy xảy ra
Nói thêm thì từ nguyên của nó được cho là từ tiếng Akkad. Bạn biết được bao nhiêu từ tiếng Akkad nào?
Tôi tự hỏi liệu họ vẫn cứ đốt số khí đó như vậy hay không
Methane sinh ra như sản phẩm phụ của khai thác dầu thường bị đốt bỏ vì khối lượng quá nhỏ, không đáng để xây dựng thiết bị xử lý và chuỗi cung ứng. Ngoài ra cũng có trường hợp dòng lưu chất bị nhiễm bẩn nặng bởi các hợp chất lưu huỳnh nên chi phí tinh chế quá cao, hoặc sản lượng không ổn định hay gián đoạn khiến không thể duy trì quy trình sản xuất liên tục
Tuy vậy, hiện nay có hệ thống thu hồi khí flare để tận dụng loại khí thải này, và thường được dùng cho phát điện tại chỗ ngay trong nhà máy lọc dầu
Tác dụng phụ đáng buồn là chim, đặc biệt là chim săn mồi, dễ bị thương. Chúng thích đậu lên flare stack, và khi lửa bùng lên đột ngột thì dù may mắn lắm cũng chỉ bị cháy hỏng lông rồi phải được cứu hộ và phục hồi. Nếu thiết kế stack sao cho khó đậu hơn thì có thể giảm tình trạng này, nhưng không phải lúc nào người ta cũng làm thế
Muốn biến nó thành thứ hữu ích thì phải hóa lỏng khí đó hoặc gom nó vào đường ống. Tôi nhớ đã đọc rằng các nhà máy lọc dầu hiện đại tận dụng khí thay vì flaring, nhưng không chắc cụ thể họ làm bằng cách nào