ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VƯƠNG QUỐC TUẤN

MƠ PHỎNG, TỐI ƯU HỐ THIẾT BỊ MÀNG SỢI RỖNG
PHÂN TÁCH CO2 TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hố học
Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Ánh Nga

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Thành Duy Quang

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lý Cẩm Hùng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
Ngày 20 tháng 07 năm 2023.
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. PGS.TS Nguyễn Đình Thành

Chủ tịch hội đồng

2. TS. Nguyễn Thành Duy Quang

Phản biện 1

3. TS. Lý Cẩm Hùng

Phản biện 2

4. TS. Đặng Văn Hân

Thư ký

5. TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Vương Quốc Tuấn

MSHV: 2070496

Ngày, tháng, năm sinh: 03/02/1998

Nơi sinh: TP. HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học

Mã số : 8520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:
MƠ PHỎNG, TỐI ƯU HỐ THIẾT BỊ MÀNG SỢI RỖNG PHÂN TÁCH CO2 TỪ
KHÍ THIÊN NHIÊN
SIMULATION AND OPTIMIZATION OF CO2 REMOVAL FROM NATURAL
GAS BY HOLLOW FIBER MEMBRANES
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Xây dựng được mơ hình thiết bị màng sợi rỗng dùng trong phân tách CO2 từ khí thiên
nhiên.
- Tiến hành thẩm định, khảo sát các thơng số thiết kế, mô phỏng quá trình trong điều kiện
thực tiễn.
- Lập hàm chi phí vận hành hàng năm và tối ưu hố mơ hình bằng giải thuật di truyền.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 1. PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh
2. TS. Nguyễn Thị Ánh Nga
Tp. HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

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

PGS. TS. Nguyễn Tuấn Anh TS. Nguyễn Thị Ánh Nga
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)


ii

LỜI CẢM ƠN
Hai năm vừa qua là quãng thời gian đáng nhớ nhất trong sự nghiệp học tập và
nghiên cứu của tôi: vừa làm vừa học, trải qua đại dịch Covid 19, khủng hoảng kinh
tế, thất nghiệp,… Những khó khăn ấy đã bao lần khiến tôi gục ngã, chán nản, muốn
từ bỏ và bn xi tất cả. Và có lẽ, đề tài luận văn này sẽ khơng thể hồn thành nếu
tơi khơng có được sự giúp đỡ, động viên từ các thầy cô hướng dẫn, từ gia đình, người
thân, bạn bè và đồng nghiệp.
X́t phát từ tận đáy lịng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị
Ánh Nga, người hướng dẫn chính, người đã định hướng và giúp đỡ tôi rất nhiều trong
việc hoàn thành đề tài này. Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn
Tuấn Anh, người thầy đã hỗ trợ tri thức, đồng hành cùng tơi trong suốt q trình
nghiên cứu. Sự giúp đỡ của thầy là động lực lớn nhất giúp tơi có niềm tin vững vàng
với mục tiêu đã chọn. Cảm ơn những người bạn, những đồng nghiệp đã san sẻ, gắn
bó cùng tơi những lúc khó khăn nhất. Lời cảm ơn cuối con xin được dành cho Bố Mẹ.

Cảm ơn Bố Mẹ đã sinh thành, dưỡng dục và bao dung con. Cảm ơn Gia Đình đã luôn
bên cạnh động viên, chăm sóc và khích lệ con trong suốt quá trình học tập.
Kết thúc quá trình hai năm, khép lại những ước mơ, hoài bão trên giảng đường
cao học, một chặng đường mới lại bắt đầu. Một chặng đường vẫn giữ vững khát vọng,
đam mê nghiên cứu và khát khao tri thức, để hoá thành ngọn lửa bừng cháy, và, mãi
mãi bất diệt.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2023
Học viên thực hiện

Vương Quốc Tuấn


iii

TĨM TẮT ḶN VĂN
Q trình phân tách CO2 từ khí thiên nhiên có vai trị vơ cùng quan trọng trong
ngành cơng nghiệp chế biến khí. Theo tiêu ch̉n kỹ thuật quốc tế, hàm lượng CO2
sau quá trình xử lý phải dưới mức 2.5% để đảm bảo an toàn hệ thống và hiệu quả sản
x́t.
Mơ hình màng sợi rỗng được xây dựng bằng Matlab dựa trên phương pháp chọn
điểm trực giao có xét đến ảnh hưởng của áp suất ở hai phía màng thẩm thấu. Mơ hình
cho kết quả thẩm định khá tốt khi so sánh với phần mềm ChemBrane và có thể áp
dụng vào mơ phỏng q trình phân tách CO2 từ khí thiên nhiên trong điều kiện thực
tế. Quá trình khảo sát mơ hình cho thấy đường kính trong của sợi có ảnh hưởng rất
lớn đến độ giảm áp phía thẩm thấu. Khi đường kính sợi rỗng trên 200 µm, độ giảm
áp được kiểm soát dưới 2%. Về chiều dài sợi, tác động của yếu tố này lên hiệu quả
phân tách là không đáng kể do lượng CH4 tồn trong dịng thành phẩm và lượng thất
thốt thay đổi ở mức 0.1%. Riêng mật độ màng, việc tăng mật độ làm tăng độ giảm
áp do thay đổi diện tích cắt ngang và làm giảm đường kính vỏ thiết bị, nhưng nhìn
chung tác động của yếu tố này lên quá trình phân tách là không đáng kể.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khi mô phỏng thực tế cho thấy thành phần CO2
và áp śt dịng nhập liệu có tác động mạnh nhất lên hiệu śt q trình thơng qua
chỉ tiêu đánh giá về diện tích màng riêng và lượng hydrocarbon thất thoát. Tuy nhiên,
về mặt kỹ thuật, các yếu tố trên là đặc trưng của q trình và khơng thể thay đổi, việc
duy nhất có thể làm là điều chỉnh thiết kế sao cho thu được hiệu suất phù hợp nhất
với yêu cầu kỹ thuật đề ra.
Về mặt kinh tế, hàm mục tiêu được tối ưu bằng giải thuật di truyền, kết quả so
sánh cho thâý màng PI cho độ thẩm thấu, giá trị và hiệu quả nổi trội hơn nhiều so với
màng CA cùng loại.
Nhìn chung, mô hình thu được kết quả khá chính xác, có thể áp dụng trong học
tập, nghiên cứu và phỏng đoán quá trình. Tuy vậy, mơ hình cịn nhiều mặt hạn chế
cần được khắc phục và mở rộng trong các nghiên cứu sau này.


iv

ABSTRACT
The process of separating CO2 from natural gas plays an important role in the
gas processing industry. According to international technical standards, the CO2
content after the treatment process must be below 2.5% to ensure system safety and
production efficiency. The hollow fiber membrane model was built using Matlab
based on the orthogonal collocation method taking into account the influence of
pressure on both sides of the permeable membrane. The model gives quite good
validation results when compared with ChemBrane software and can be applied to
simulate the process of separating CO2 from natural gas in real conditions. The
investigation of the model showed that the inner diameter of hollow fiber has a great
influence on the pressure drop on the osmotic side and can be controlled under 2%
when the hollow fiber diameter is over 200 µm. In terms of fiber length, the effect of
this factor on separation efficiency was not significant due to the amount of CH4
remaining in the finished product stream and the amount of loss varying at 0.1%. As

packing density, the increase in density increases the pressure drop due to the change
in cross-sectional area and reduces the device diameter, in general, the impact of this
factor on the separation process is negligible. Investigating the influencing factors
when the actual simulation shows that the CO2 composition and the inlet flow
pressure have the strongest impact on the process performance through the evaluation
criteria of the specific membrane area and the amount of hydrocarbon loss. However,
technically, these factors are process-specific and cannot be changed, the only thing
that can be done is to optimize the design to obtain the performance that best matches
the specification. In terms of economic optimization, the objective function is
optimized by genetic algorithm and the comparison results show that the
permeability, value and efficiency of PI membrane are much better than that of CA
membranes of the same type. In general, the model obtained quite accurate results,
which can be applied in learning, research and process prediction. However, the
model has many limitations that need to be overcome and expanded in future studies.


v

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài ‘‘Mô phỏng, tối ưu hoá thiết bị màng sợi rỗng phân tách
CO2 từ khí thiên nhiên’’ là cơng trình nghiên cứu độc lập được thực hiện bởi chính
bản thân tơi. Số liệu và tài liệu dẫn chứng trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, công
bố đúng quy định. Các kết quả thu được của luận văn phản ánh khách quan, trung
thực, hồn toàn khơng sao chép và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ nghiên cứu
nào khác. Nếu phát hiện có gian dối, tơi xin chịu mọi trách nhiệm.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 7 năm 2023
Tác giả đề tài

Vương Quốc Tuấn



vi

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xi
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ xiii
DANH MỤC KÝ HIỆU .......................................................................................... xiv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2. Các nghiên cứu liên quan .................................................................................3
1.3. Mục tiêu đề tài ..................................................................................................5
1.4. Ý nghĩa đề tài ...................................................................................................5
1.5. Phạm vi đề tài ...................................................................................................6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................7
2.1. Khí thiên nhiên .................................................................................................7
2.1.1. Tổng quan..................................................................................................7
2.1.2. Q trình khai thác và chế biến .................................................................9
2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật......................................................................................10
2.2. Công nghệ màng trong phân tách khí ............................................................11
2.2.1. Giới thiệu.................................................................................................11
2.2.2. Vật liệu màng ..........................................................................................12
2.2.3. Cấu trúc màng .........................................................................................13
2.2.4. Nguyên lý phân tách, cơ chế truyền vận .................................................15



vii

2.2.5. Mơđun màng của q trình màng ...........................................................19
2.2.6. Thiết kế cấu trúc dòng (kiểu dòng chảy).................................................22
2.3. Phương pháp chọn điểm trực giao (Orthogonal Collocation Method) ..........23
2.3.1. Giới thiệu phương pháp ..........................................................................23
2.3.2. Đa thức Legendre chuyển dịch trong bài toán bất đối ............................24
2.3.3. Đa thức Jacobi .........................................................................................25
2.3.4. Giải hệ phi tuyến bằng phương pháp Newton ........................................26
2.4. Giải thuật di truyền.........................................................................................27
2.4.1. Tổng quan................................................................................................27
2.4.2. Nguyên lý và các toán tử .........................................................................28
2.4.3. Thuật toán tổng quát ...............................................................................30
CHƯƠNG 3: TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ...............................................................32
3.1. Xác định bài tốn ...........................................................................................32
3.2. Xây dựng mơ hình ..........................................................................................33
3.2.1. Mơ hình dịng chảy ngược chiều .............................................................34
3.2.1. Mơ hình dịng chảy cùng chiều ...............................................................37
3.3. Giải mơ hình ...................................................................................................38
3.3.1. Thế phương trình thử ..............................................................................39
3.3.2. Tìm nghiệm .............................................................................................40
3.3.3. Tìm ma trận trực giao ..............................................................................41
3.3.4. Giải hệ phi tuyến .....................................................................................42
3.4. Thẩm định và khảo sát thơng số mơ hình ......................................................42
3.4.1. Phương pháp thẩm định ..........................................................................42
3.4.2. Khảo sát mơ hình ....................................................................................44


viii


3.5. Mơ phỏng q trình tách CO2 từ khí thiên nhiên ...........................................45
3.6. Tối ưu kinh tế .................................................................................................46
3.6.1. Thiết lập hàm mục tiêu............................................................................47
3.6.2. Thiết lập thuật toán..................................................................................48
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..............................................................51
4.1. Thẩm định mơ hình ........................................................................................51
4.2. Khảo sát thơng số thiết kế ..............................................................................52
4.2.1. Đường kính sợi rỗng ...............................................................................52
4.2.2. Chiều dài sợi rỗng ...................................................................................54
4.2.3. Mật độ màng ...........................................................................................55
4.3. Mô phỏng quy trình ........................................................................................57
4.3.1. Thành phần nồng độ và độ giảm áp ........................................................57
4.3.2. Nồng độ CO2 dòng nhập liệu ..................................................................61
4.3.3 Áp suất nhập liệu ......................................................................................63
4.4. Tối ưu quy trình..............................................................................................66
4.4.1. Ảnh hưởng của thơng số khảo sát lên chi phí vận hành .........................66
4.4.2. Tối ưu tổng chi phí bằng thuật tốn tiến hóa ..........................................69
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................71
5.1. Kết luận ..........................................................................................................71
5.2. Kiến nghị ........................................................................................................72
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .............................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................74


ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Q trình hình thành khí thiên nhiên ..........................................................7
Hình 2.2. Quy trình khai thác và chế biến khí thiên nhiên [20] ..................................9
Hình 2.3. Phân loại màng tổng hợp [30] ...................................................................13

Hình 2.4. Các loại màng đẳng hướng [24] ................................................................14
Hình 2.5. Các loại màng khơng đẳng hướng [24] .....................................................15
Hình 2.6. Tổng quát về quá trình màng ....................................................................15
Hình 2.7. Cơ chế truyền vận màng xốp [24] .............................................................16
Hình 2.8. Cơ chế truyền vận màng đặc [24] .............................................................17
Hình 2.9. Môđun màng ống [35] ...............................................................................19
Hình 2.10. Môđun màng khung bản [34] ..................................................................20
Hình 2.11. Môđun màng quấn [37] ...........................................................................20
Hình 2.12. Môđun màng sợi rỗng [38] .....................................................................21
Hình 2.13. Các cách thiết đặt dịng chảy của q trình màng [27] ...........................22
Hình 2.14. Mơ tả phương pháp Newton....................................................................27
Hình 3.1. Sơ đồ các bước mô phỏng và tối ưu của mơ hình .....................................33
Hình 3.2. Mơ hình dịng chảy ngược chiều ...............................................................34
Hình 3.3. Mơ hình dịng chảy cùng chiều .................................................................37
Hình 3.4. Mơ hình màng dịng thuận kèm điều kiện biên .........................................38
Hình 3.5. Mơ hình màng dịng ngược kèm điều kiện biên .......................................38
Hình 4.1. Ảnh hưởng của đường kính trong sợi rỗng lên áp suất phần thẩm thấu dọc
theo chiều dài sợi (L=0.6 m) .....................................................................................53
Hình 4.2. Ảnh hưởng của chiều dài sợi rỗng lên nồng độ CH4 dòng giữ lại ............54
Hình 4.3. Ảnh hưởng của chiều dài sợi rỗng lên lượng CH4 thất thốt trong dịng thẩm
thấu ............................................................................................................................54


x

Hình 4.4. Ảnh hưởng của mật độ màng lên độ giảm áp ở phần nạp liệu..................56
Hình 4.5. Đường kính thiết bị với từng mật độ màng khác nhau .............................57
Hình 4.6. Áp suất dọc phần nhập liệu .......................................................................58
Hình 4.7. Áp suất dọc phần thẩm thấu ......................................................................58
Hình 4.8. Thành phần nồng độ CO2 dòng thẩm thấu dọc chiều dài sợi rỗng ...........59

Hình 4.9. Lưu lượng dịng CH4 phía thẩm thấu dọc chiều dài sợi rỗng ...................60
Hình 4.10. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào lên diện tích màng riêng ............61
Hình 4.11. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào đến lượng hydrocarbon thất thốt
...................................................................................................................................62
Hình 4.12. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào đến đường kính trong thiết bị.....63
Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất đầu vào lên diện tích màng riêng .....................64
Hình 4.14. Ảnh hưởng của áp suất đầu vào lên lượng hydrocarbon thất thốt ........64
Hình 4.15. Ảnh hưởng của áp suất đầu vào lên đường kính trong thiết bị ...............65
Hình 4.16. Ảnh hưởng của đường kính sợi rỗng lên chi phi vận hành .....................66
Hình 4.17. Ảnh hưởng của chiều dài sợi rỗng lên chi phi vận hành .........................67
Hình 4.18. Ảnh hưởng của áp suất đầu vào lên chi phi vận hành .............................68
Hình 4.19. Tối ưu chi phí vận hành cho thiết bị màng CA .......................................69
Hình 4.20. Tối ưu chi phí vận hành cho thiết bị màng PI .........................................70


xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Phân loại khí thiên nhiên theo thành phần ..................................................9
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn kỹ thuật về khí thiên nhiên vận hành trong đường ống .........10
Bảng 2.3. So sánh thông số trong thiết kế từng loại màng .......................................21
Bảng 3.1. Ma trận Q với số điểm chọn N=6 .............................................................41
Bảng 3.2. Ma trận C với số điểm chọn N=6 .............................................................41
Bảng 3.3. Ma trận trực giao A...................................................................................42
Bảng 3.4. Ba trường hợp dùng trong thẩm định mơ hình [4] ...................................43
Bảng 3.5. Ba trường hợp khảo sát thông số thiết kế .................................................44
Bảng 3.6. Các trường hợp mô phỏng và khảo sát quá trình màng tách CO2 từ khí thiên
nhiên ..........................................................................................................................46
Bảng 3.7. Các thông số tối ưu và khoảng khảo sát ...................................................49
Bảng 4.1. Kết quả so sánh và thẩm định mơ hình .....................................................51

Bảng 4.2. Độ lệch áp hai phía màng sợi rỗng ...........................................................51
Bảng 4.3. Độ giảm áp suất phần thẩm thấu tại các điểm trực giao khảo sát tương ứng
với từng đường kính trong sợi rỗng ..........................................................................53
Bảng 4.4. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài sợi rỗng đối với nồng độ CH4 dòng giữ
lại và lượng CH4 thất thốt trong dịng thẩm thấu ứng với từng đường kính trong khác
nhau ...........................................................................................................................55
Bảng 4.5. Độ giảm áp phần vỏ ống theo từng mật độ màng khác nhau dọc chiều dài
thiết bị ........................................................................................................................57
Bảng 4.6. Độ giảm áp ở hai phía màng dọc chiều dài thiết bị ..................................59
Bảng 4.7. Thành phần nồng độ cấu tử CO2 và lưu lượng CH4 dòng thẩm thấu........60
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào lên diện tích màng riêng, lượng
hydrocarbon thất thốt và đường kính trong thiết bị.................................................63


xii

Bảng 4.9. Ảnh hưởng của áp suất đầu vào lên diện tích màng riêng, lượng
hydrocarbon thất thốt và đường kính trong thiết bị.................................................65


xiii

DANH MỤC VIẾT TẮT
NLGs

Sản phẩm khí thiên nhiên ngưng tụ

CA

Cellulose Acetate


PI

Polyimide

GAs

Giải thuật di truyền

NST

Nhiễm sắc thể

CRC

Chi phí thay thế hàng năm

OPEX

Chi phí năng lượng


xiv

DANH MỤC KÝ HIỆU
µm

Độ nhớt động học (Pa.s)

A


Diện tích màng (m2)

D

Đường kính thiết bị (m)

Di

Đường kính trong sợi rỗng (m)

Do

Đường kính ngồi sợi rỗng (m)

F

Định danh dịng nhập liệu

L

Chiều dài sợi rỗng (m)

N

Số điểm trực giao

n

Số lượng sợi


o

Nồng độ CO2 đầu ra thành phẩm (%mol)

P

Áp suất màng phía giữ lại (Pa)

p

Áp suất màng phía thẩm thấu (Pa)

Pd

Mật độ màng

PF

Áp suất đầu vào q trình (Pa)

PP

Áp śt đầu ra dịng thẩm thấu (Pa)

Qi

Độ thẩm thấu cấu tử i (mol/(m2Pas))

R


Hằng số khí lý tưởng (8.314 Pa.m3/(mol.K))

S

Diện tích mặt cắt (m2)

SMA

Diện tích đặc biệt (tổng diện tích màng/lưu
lượng dịng (m2/(kmol/h)])

T

Nhiệt độ (K)

U

Lưu lượng dịng (mol/s)

uxi, vyi

Lưu lượng dịng cấu tử ở hai phía giữ lại và thẩm
thấu (mol/s)

v

Biến cần tính

V


Định danh dịng thẩm thấu

xi, yi

Thành phần cấu tử i ở hai phía giữ lại và thẩm thấu

z

Biến vị trí dọc chiều dài sợi rỗng (m)


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Năm 2022, sau đại dịch Covid 19, thế giới lại bắt đầu đối mặt với những thách
thức mới: chiến tranh Nga – Ukraine, khủng hoảng kinh tế và khủng hoảng năng
lượng. Năng lượng giờ đây trở thành thước đo chính trị, là tiềm lực quyết định sức
mạnh của cả một quốc gia. Khi Nga nắm giữ dòng chảy Phương Bắc 1 (North Stream
1) và gây sức ép lên liên minh châu Âu, thế giới mới nhận định rõ hơn vai trị của khí
đốt thiên nhiên, rằng nguồn năng lượng hoá thạch xếp sau dầu mỏ, có tỷ trọng lớn
như thế nào đối với an ninh năng lượng thế giới. Khí thiên nhiên, một nguồn năng
lượng không thể thiếu, đa dụng và được ứng dụng rất nhiều vào mọi mặt của kinh tế
đời sống. Vào năm 2020, theo thống kê của Staticta, sản lượng khai thác khí thiên
nhiên tồn cầu đạt hơn 4 nghìn tỷ mét khối, mức tăng trưởng hàng năm (từ năm 1990
đến năm 2020) đạt khoảng 15% [1]. Mặc dù mức tăng trưởng suy yếu chỉ 4% do đại
dịch vào năm 2021, nhưng sản lượng kỳ vọng sẽ đạt trên 5 nghìn tỷ mét khối vào năm
2025, theo dự báo của trung tâm dầu khí Ernst&Young, khi xu hướng về cơ cấu
chuyển đổi năng lượng bền vững ngày một phát triển [2]. Nhu cầu khí thiên nhiên

ngày càng cao tạo nên cơ hội và thách thức đối các nước xuất khẩu khí đốt, nhất là
Việt Nam, một đất nước có trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhưng vẫn đang trong giai
đoạn hồn thiện cơ cấu cơng nghệ và hạ tầng khai thác.
Khí thiên nhiên được khai thác từ mỏ khí hay mỏ dầu phải trải qua nhiều công
đoạn chế biến. Sau quá trình làm khơ, giai đoạn tách CO2 được xem là bước quan
trọng hàng đầu quyết định chất lượng và giá trị của sản phẩm khí. Phương pháp phân
tách có ba loại chính gồm: ngưng tụ, hấp thụ và màng. Hấp thụ là phương pháp thông
dụng trong công nghiệp chế biến khí do tính ứng dụng và thiết bị đơn giản, tuy nhiên
mặt hạn chế là tiêu tốn nhiều năng lượng và gây phát thải ra môi trường. Ngày nay,
cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng kỹ thuật màng trở thành xu
hướng trong nhiều quá trình phân tách, và đối với khí thiên nhiên cũng khơng ngoại
lệ. Các loại vật liệu cùng với các cấu trúc mới ra đời khiến quá trình màng càng dễ
tiếp cận hơn trong cơng nghiệp. Cơng nghệ màng có những đặc điểm nổi bật như giá


2

thành rẻ, năng lượng sử dụng cho thiết bị tương đối thấp, hiệu quả phân tách cao.
Thiết bị màng phân tách CO2 từ khí thiên nhiên dạng sợi rỗng (hollow fiber
membrane) là thiết bị được ứng dụng rất nhiều trong cơng nghiệp và nghiên cứu thí
nghiệm.
Để thiết kế thiết bị này, mô phỏng tối ưu phải là bước đầu tiên của cả q trình.
Mơ phỏng là giai đoạn xây dựng, hình thành mục tiêu, thiết lập tính chất cũng như
dự đốn tính khả thi của dự án. Thơng qua mơ phỏng làm sáng tỏ các vấn đề, liệu
rằng thiết bị có khả năng đáp ứng hay khơng các u cầu đề ra của bài tốn về ba khía
cạnh: kinh tế, hiệu suất và vận hành. Mặc khác, thông qua mô phỏng, phương pháp
tối ưu đề ra sẽ làm giảm chi phí, thời gian và nhân lực cho các giai đoạn tiếp theo. Do
đó, mơ phỏng đối với người kỹ sư là công cụ hỗ trợ đắc lực trong thiết kế và làm việc.
Mơ phỏng có nhiều trường phái, trong đó có hai nhóm chính, bao gồm: mơ
phỏng tốn sử dụng ngôn ngữ lập trình như Matlab, Matcab, Visual Basic,... và mô

phỏng sử dụng phần mềm thương mại hướng đối tượng như Hysys, Aspen Plus,
Chemcad,… Mỗi nhóm đều có những ưu nhược điểm riêng, tuỳ theo mục đích, mức
độ đa dạng và công cụ hỗ trợ để người kỹ sư lựa chọn. Với thiết bị màng sợi rỗng
dùng trong phân tách khí, hiện chỉ có duy nhất Module ChemBrane, phát triển bởi
David Grainger được tích hợp và thương mại hố trong phần mềm Hysys [3]. Muốn
thiết kế thiết bị màng cùng loại bắt buộc người kỹ sư phải xây dựng mới hồn tồn
và mơ phỏng thơng qua ngơn ngữ lập trình.
Cơng nghệ màng tuy khơng cịn mới ở Việt Nam nhưng rất nhiều khía cạnh vẫn
chưa bắt kịp với xu hướng của thế giới. Trong nước, đa phần các nghiên cứu về công
nghệ màng liên quan đến phát triển vật liệu, rất ít bài báo nói về mơ phỏng thiết kế,
nhất là các thiết bị dùng trong phân tách khí. Nhận thấy rõ điều đó cùng tầm quan
trọng của ngành khai thác và chế biến khí, đề tài luận văn “Mơ phỏng, tối ưu thiết bị
màng sợi rỗng phân tách CO2 từ khí thiên nhiên’’ hướng đến xây dựng mơ hình màng
sợi rỗng thông qua phần mềm Matlab, áp dụng phương pháp chọn điểm trực giao
trong tính tốn và tối ưu chi phí bằng giải thuật di truyền. Luận văn đặc biệt chú trọng
vào thiết kế, kiểm sốt thơng số mơ hình và bài tốn ứng dụng trong vận hành.


3

1.2. Các nghiên cứu liên quan
Mơ phỏng q trình tách CO2 yêu cầu tính ổn định và bền vững của mơ hình để
có thể dự đốn một cách có hiệu quả với độ tin cậy cao. Bên cạnh đó, các yếu tố về
tính linh hoạt khi có thể thay đổi thông số vận hành, đa dạng trong cấu trúc thiết bị
cũng là những điều cần quan tâm trong bài toán thiết kế [4].
Mơ hình tốn về màng tách khí đầu tiên được giới thiệu bởi Weller và Steiner
vào năm 1950 [5]. Nghiên cứu của họ đã đặt nền tảng cơ sở cho việc xây dựng các
mơ hình sau này. Mở đầu là phương pháp tính tốn cho năm cấu hình dịng chảy do
Shindo phát triển [6]. Tiếp đó, CY Pan đề xuất các mô hình màng không đối xứng
thông lượng cao có thể được giải bằng tích phân số của một tập hợp các phương trình

vi phân với các điều kiện biên cho dòng giữ lại và dòng thẩm thấu [7]. Pan sử dụng
phương pháp thử và sai kết hợp với thay đổi góc bắn (trial - error method và shooting
method) với ước tính ban đầu về cấu hình áp suất và nồng độ dọc theo chiều dài của
thiết bị. Tuy nhiên, cách tiếp cận đó có hạn chế vì khối lượng tính tốn lớn, cồng kềnh
và sự nhạy cảm của kết quả tuỳ theo ước tính ban đầu [7].
Mặc dù vậy, mơ hình của Pan được chấp nhận vơ cùng rộng rãi và là hình mẫu
cho các nghiên cứu cải tiến. Chowdhury và cộng sự [8] đã đề xuất biến mơ hình của
Pan thành bài tốn giá trị ban đầu, có thể dùng mơ hình của Adams-Moulton hoặc
phương pháp vi phân ngược để giải các phương trình vi phân phi tuyến tính.
Khalipour và cộng sự [9] mở rộng mơ hình của Pan thành một hệ phương trình vi
phân hữu hạn lùi được giải bằng thuật tốn Gauss-Siedel cho mơđun dòng cùng chiều
và ngược chiều đẳng nhiệt. Kovvali đơn giản hóa mơ hình của Pan thành một tập hợp
các phương trình phi tuyến tính bằng cách giả sử một quan hệ giữa thành phần dòng
thẩm thấu và dòng nhập liệu. Cách tiếp cận như vậy có thể làm giảm nỗ lực tính tốn
trong khi vẫn duy trì độ chính xác chấp nhận được [10].
Coker áp dụng cách tiếp cận từng giai đoạn và sử dụng phép xấp xỉ sai phân
hữu hạn để chuyển đổi các phương trình cân bằng khối lượng vi phân thành một tập
hợp các phương trình đại số phi tuyến áp dụng cho thiết bị màng ngược chiều và dịng
chảy ngang. Kết quả của mơ hình cho dự tốn tốt, hiệu quả và tính ứng dụng cao [11].


4

Một hướng đi khác trong việc mơ phỏng bài tốn thiết bị màng được thực hiện bởi
các nghiên cứu của Tessendorf [12], Kaldis [13] và Kundu [14], sử dụng phương
pháp chọn điểm trực giao để xấp xỉ các phương trình vi phân phi tuyến, mang lại kết
quả là ít phương trình đại số hơn và cải thiện độ chính xác của giải pháp. Ngồi ra,
nó cũng có thể dự đốn cấu hình của các biến cơ bản (ví dụ: tốc độ dòng chảy và nồng
độ) dọc theo chiều dài sợi tại các điểm sắp xếp được chọn, giúp cung cấp thông tin
chi tiết về thiết kế môđun màng. Phương pháp chọn điểm trực giao có nhiều ưu điểm

về độ linh hoạt khi giải bài tốn đổi trục của biên, có tính ổn định và độ chính xác
cao.
Sau khi hoàn thành mơ hình màng tách khí, các cơng tác liên quan đến khảo sát
thông số mô hình được thực hiện trong nhiều nghiên cứu.
Rautenbach và cộng sự tiến hành các thử nghiệm về mơđun màng sợi rỗng để
phân tích tác động của việc thay đổi các đặc tính khác nhau trong các sợi đơn lẻ,
chẳng hạn như độ thẩm thấu, độ chọn lọc và đường kính trong của sợi. Trong cơng
trình của ơng, thuật tốn Runge-Kutta đã được phát triển để dự đốn hoạt động của
mơđun màng dựa trên sự thay đổi của các tham số đang được nghiên cứu. Để mô
phỏng các biến thể về độ thẩm thấu của màng và đường kính trong của sợi, phân bố
Gaussian được xấp xỉ bằng sáu bó sợi riêng biệt song song được kết nối với phía thẩm
thấu. Kết quả từ nghiên cứu của ông đã kết luận rằng các biến thể đường kính trong
và độ thấm của sợi có thể gây bất lợi cho việc thu hồi sản phẩm [15].
Chu et al [4] phân tích tác động của việc thay đổi mật độ màng, đường kính
trong của sợi và chiều dài của mơđun màng sợi rỗng lên q trình phân tách. Mơ hình
được phát triển có tên là “Mollocator” cũng được sử dụng để dự đoán hiệu suất của
thiết bị thẩm thấu khi thay đổi các tham số quy trình. Thơng qua q trình khảo sát,
nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các mơđun màng sợi rỗng với đường kính trong
lớn có mức giảm áp suất thấp hơn và động lực thẩm thấu cao hơn. Việc giảm đường
kính trong của sợi có thể làm tăng đáng kể mức giảm áp suất ở phía thẩm thấu, giữ
mức giảm này ở mức tối thiểu có thể giúp giảm chi phí vận hành liên quan đến máy
nén nhưng vẫn đáp ứng độ tinh khiết và thu hồi sản phẩm mong muốn.


5

Lispcomb et al [16] cung cấp một khuôn khổ chi tiết quy trình nghiên cứu các
tác động và tính biến thiên của sợi đối với hiệu suất của môđun. Mô hình giả định
phân phối Gaussian cho đường kính trong của sợi, độ chọn lọc và độ thẩm thấu khí.
Mơđun màng sợi rỗng được xem xét với khả năng trộn thấm hồn hảo và khơng trộn

thấm. Sau khi thực hiện cả hai trường hợp, kết quả mô phỏng cho thấy rằng sự thay
đổi của đường kính trong có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất của môđun khi so sánh
với hai yếu tố cịn lại.
Nhìn chung, các nghiên cứu trên đều hướng đến phát triển mơ hình thiết bị màng
tách khí theo hai định hướng:
- Một là tích hợp thêm nhiều yếu tố: tham số, vật liệu, cấu trúc màng và các
thành phần liên quan đến vận hành trong quy trình thiết kế và khảo sát.
- Hai là áp dụng các phương pháp giải tốn mới nhằm nâng cao tính hiệu quả,
độ chính xác, tin cậy cùng bền vững của mơ hình.
1.3. Mục tiêu đề tài
• Trên cơ sở thành phần khí thiên nhiên, xây dựng mơ hình thiết bị màng có hiệu
quả phân tách cao, tính tốn nồng độ, lưu lượng, thành phần của các dịng vật
chất.
• Lập trình mơ hình bằng ngơn ngữ Matlab, mơ hình phải có tính đa dạng, áp
dụng được nhiều trường hợp, nhiều cấu trúc dịng, các loại thành phần thay
đổi trong nguồn ngun liệu.
• Giải mơ hình bằng phương pháp chọn điểm trực giao.
• Tiến hành thẩm định độ tin cậy, độ chính xác của mơ hình.
• Khảo sát ảnh hưởng của thơng số thiết kế, thông số vận hành, vật liệu màng
đối với hiệu quả phân tách.
• Xây dựng hàm chi phí và giải bài tốn tối ưu thơng qua giải thuật di truyền.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả của mơ hình.
1.4. Ý nghĩa đề tài
• Ứng dụng lập trình mơ phỏng và tối ưu trong thiết kế q trình và thiết bị, tiến
hành dự đốn, đánh giá tính hiệu quả của dự án.


6

• Áp dụng mơ hình vào thực tiễn làm việc.

• Là tài liệu tham khảo cho thế hệ sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về cách tính tốn
thiết bị màng sợi rỗng dùng trong phân tách khí.
• Học tập, nâng cao kiến thức về công nghệ màng, rút kinh nghiệm trong các dự
án thiết kế sau này.
1.5. Phạm vi đề tài
• Nghiên cứu tập trung vào xây dựng mơ hình thiết bị màng sợi rỗng kết hợp
với tối ưu chi phí vận hành, có thực hiện các bước khảo sát và đánh giá thông
số thiết bị nhằm tối ưu hiệu quả phân tách và năng lượng.
• Các thơng số thiết bị dùng trong mô phỏng được thu thập từ bài báo, cơng trình
nghiên cứu cùng với thực tế tính chất vật liệu màng, luận văn hướng đến giải
quyết các cân bằng vật chất trong hoá, những yếu tố nặng về cơ khí, máy móc,
thiết kế q chi tiết sẽ khơng được đề cập đến trong phạm vi nghiên cứu.


7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khí thiên nhiên
2.1.1. Tổng quan
2.1.1.1. Nguồn gốc
Khí thiên nhiên (hay khí gas, khí đốt) là nguồn năng lượng hóa thạch được hình
thành sâu bên dưới bề mặt Trái Đất. Giống như dầu mỏ và than đá, cả ba đều xuất
phát từ trầm tích phân huỷ của động thực vật dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất
cao trong thời gian dài [17]. Năng lượng mà động thực vật ban đầu thu được từ mặt
trời được lưu trữ trong các liên kết hóa học chuyển hố thành các thành phần của khí
thiên nhiên, một tập hợp các hydrocarbon cùng các tạp chất ngoại lai [18]. Q trình
hình thành của các mỏ khí được biểu diễn như hình 2.1.

Hình 2.1. Q trình hình thành khí thiên nhiên
(Nguồn: />2.1.1.2. Thành phần

Thành phần khí thiên nhiên gồm có: thành phần chính hydrocarbon và một
lượng nhỏ hợp chất phi hydrocarbon:
➢ Các hợp chất hydrocarbon trong khí thiên nhiên:


8

-

Hàm lượng chủ yếu là khí methane (CH4) và đồng đẳng của nó: C2H6, C3H8,
n-C4H10, iC4H10, ngồi ra cịn có các hợp chất của C5+. Hàm lượng của chúng
trong hỗn hợp thay đổi tùy theo mỏ khí [19].

-

Khí thiên nhiên thì chứa chủ yếu là CH4 (chiếm khoảng 98% thể tích), các
cấu tử C3, C4 và nặng hơn là rất ít. Đối với khí đồng hành thì hàm lượng các
cấu tử C3, C4 cao hơn [19].

➢ Các hợp chất phi hydrocarbon:
-

Ngồi các thành phần chính là hydrocarbon, trong khí dầu mỏ cịn có chứa
các hợp chất như: N2, H2S, CO2, các hợp chất của lưu huỳnh, các khí trơ He,
Ar, Ne… [19]

-

Hơi nước bão hịa: khí thiên nhiên ln chứa hơi nước bão hịa. Hàm lượng
hơi nước có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần

khí [19].

2.1.1.3. Phân loại
Dựa vào dạng tồn tại trong quá trình khai thác, khí thiên nhiên được phân làm
khí liên kết (nonassociated gas), khí khơng liên kết (associated gas), khí tự do (gas
cap) và khí hồ tan (dissolved gas) [20]:
-

Khí khơng liên kết: được tìm thấy trong các bể khí khơng chứa hoặc chứa
rất ít dầu thơ, giàu methane, parafin, thời gian tồn chứa lâu, tuỳ thời có thể
khai thác [20].

-

Khí liên kết: một tên gọi khác là khí đồng hành, là khí thiên nhiên được tìm
thấy trong các bể chứa dầu thô và được tạo ra trong quá trình bơm dầu thơ,
gồm hai loại: khí tự do tiếp xúc với dịng dầu khai thác và khí hồ tan chứa
trong dịng dầu. Khí liên kết thường ít methane hơn so với khí khơng liên
kết nhưng nó sẽ giàu hydrocarbon có trọng lượng phân tử cao hơn [20]. Khí
khơng liên kết có thể được tạo ra ở áp suất cao hơn trong khi khí đồng hành
(khí tự do hoặc khí hòa tan) phải được tách ra khỏi dầu mỏ ở áp suất tách
thấp hơn, điều này thường làm tăng chi phí nén [17].

Khí thiên nhiên phân loại theo thành phần được thể hiện ở bảng 2.1 [20]:


9

Bảng 2.1. Phân loại khí thiên nhiên theo thành phần
Đặc điểm


Tên
Khí sạch

Thành phần chủ yếu là methane

Khí ẩm

Chứa lượng lớn các hydrocarbon khối lượng phân tử cao

Khí chua

Nhiều hydrogen sulfide

Khí ngọt

Chứa lượng ít hydrogen sulfide

Khí dư
Khí tách đầu

Khí tự nhiên trong đó hydrocarbon cao phân tử khối đã
được chiết xuất
Có nguồn gốc từ dầu mỏ nhưng được tách ra ở đầu giếng
trong quá trình khai thác

2.1.2. Quá trình khai thác và chế biến
Hình 2.2 dưới đây trình bày các giai đoạn của q trình khai thác và chế biến
khí thiên nhiên [20]:


Hình 2.2. Quy trình khai thác và chế biến khí thiên nhiên [20]