1. Ba lưu lượng hydro cần được tách riêng
Lưu lượng khí tuần hoàn qua thiết bị, lượng hydro tiêu thụ hóa học và lượng khí cấp bù là ba đại lượng khác nhau. Khí tuần hoàn giúp duy trì môi trường phản ứng nhưng một phần lớn có thể đi qua mà không bị tiêu thụ. Khí cấp bù còn phải thay lượng H2 đi khỏi biên phân xưởng qua các dòng khí và chất lỏng.
Sơ đồ hydrotreating do Topsoe công bố gồm tách khí sau phản ứng, xử lý H2S, nén tuần hoàn và trộn với khí cấp bù.[1] Bài này dùng một vòng khí giả định để kiểm tra sổ cân bằng, không đưa ra chế độ vận hành, thành phần yêu cầu hoặc công suất cho một công nghệ thương mại.
2. Viết cân bằng theo cấu tử H2
Gọi M là khí cấp bù, z là phần mol H2 trong M, P là purge rời biên, y là phần mol H2 trong purge. C là H2 tiêu thụ hóa học, D là H2 phân tử hòa tan đi ra theo lỏng. M, P, C, D đều có đơn vị kmol/h; z và y không có đơn vị.
dN_H2/dt = zM − yP − C − D
Ở trạng thái ổn định: zM = C + yP + D
Nếu có khí nhập từ phân xưởng khác, đường xả riêng hoặc H2 hòa tan từ dòng vào, phải thêm đúng số hạng. C là mức tiêu thụ ròng của cấu tử H2; hydro nguyên tử được giữ trong sản phẩm không được đếm thêm lần nữa thành một tổn thất H2 phân tử.
Chọn M = 100, z = 0,95, P = 20, y = 0,60, C = 80 và D = 3. H2 cấp vào là 95 kmol/h, bằng 80 + 12 + 3. Khí cấp bù 100 kmol/h vì còn 5 kmol/h cấu tử khác; gọi toàn bộ 100 là “hydro tinh khiết” sẽ làm sai cân bằng ngay từ đầu.
3. Dòng tuần hoàn xuất hiện bên trong vòng, rồi triệt tiêu ở biên ngoài
Giả sử khí sau tách và xử lý có tổng lưu lượng 320 kmol/h, chứa 60% H2. Chia 20 kmol/h thành purge, còn 300 kmol/h tuần hoàn. Cả hai nhánh có cùng thành phần vì đây là bộ chia dòng không có tác dụng phân tách.
Khí tuần hoàn mang 180 kmol H2/h. Trộn với cấp bù cho tổng khí 400 kmol/h, chứa 275 kmol H2/h và có độ tinh khiết 68,75%. Sau khi tiêu thụ 80 và mất hòa tan 3, khí còn 192 kmol H2/h; chia thành 180 tuần hoàn và 12 purge, khép kín vòng.
Tỷ lệ purge tại bộ chia là 20/320 = 6,25%. Nếu chia purge cho recycle, kết quả 20/300 = 6,666667% là một tỷ số khác. Tên biến “purge fraction” trong mô hình phải nói rõ mẫu số để tránh cài sai lưu lượng dù con số nhìn gần giống nhau.
4. Phải kiểm cả phần khí không phải H2
Để ví dụ nhất quán, giả định khí mới sinh vào vòng ngoài H2 là G = 3 kmol/h, không tiêu thụ và không hòa tan. Khí cấp bù đưa thêm 5 kmol/h; purge lấy ra 20 × 0,40 = 8 kmol/h. Cân bằng phần khí này cũng khép kín.
Gọi L = C + D = 83 kmol/h. Với mô hình hai nhóm cấu tử H2 và phần còn lại, các phương trình ổn định là:
zM = L + yP
(1 − z)M + G = (1 − y)P
M = [(1 − y)L + yG]/(z − y)
P = [(1 − z)M + G]/(1 − y)
Tại z = 0,95 và y = 0,60, M = 100 và P = 20 như đã chọn. Hạ độ tinh khiết cấp bù xuống z = 0,90, vẫn giữ L, G và y, thì M tăng thành 116,666667 và P thành 36,666667 kmol/h. H2 nhập thực tế tăng từ 95 lên 105 kmol/h vì mất theo purge tăng từ 12 lên 22.
Chỉ lấy 95/0,90 = 105,555556 kmol/h sẽ thiếu trong kịch bản này: cách tính ấy giữ nhu cầu H2 cấp bù ở mức cũ, trong khi lượng tạp chất đưa vào đã làm purge cần thay đổi. Đây là ví dụ về hai cân bằng cấu tử phải giải đồng thời.
5. Giới hạn của mô hình độ tinh khiết
Với L dương và G không âm, biểu thức trên cần z lớn hơn y để có nghiệm M dương hữu hạn trong trường hợp đang xét. Khi z tiến sát y từ phía trên, mẫu số nhỏ làm lượng cấp bù tăng mạnh. Đây là giới hạn của mô hình với thành phần purge được giữ cố định, không phải một quy tắc phổ quát cho mọi mạng hydro có thiết bị tinh chế.
Trong hệ thật, các cấu tử khác nhau có thể hòa tan, phản ứng hoặc bị tách trong bộ hấp thụ. Khi đó gộp tất cả thành một nhóm khí không phản ứng có thể không còn phù hợp. Cần lập từng cấu tử và biên của từng thiết bị thay vì ép mọi kết quả vào mô hình hai nhóm này.
Tài liệu Air Products phân biệt các phương án thu hồi hydro bằng màng, hấp phụ và công nghệ lạnh, cùng khác biệt về độ tinh khiết, thu hồi và áp suất sản phẩm.[2] Các thuộc tính đó giải thích vì sao việc tăng độ tinh khiết khí cấp không thể chỉ xem như một phép đổi phần trăm trên đồng hồ lưu lượng.
6. Thu hồi purge: khép cân bằng riêng trước khi nối lại vòng
Lấy dòng purge 20 kmol/h, chứa 12 kmol H2/h, vào một thiết bị thu hồi giả định. Giả sử thu hồi 75% H2 và sản phẩm thu hồi có độ tinh khiết 99,5 mol%. Hai thông số này do bài đặt, không phải bảo đảm của nhà cung cấp nào.
H2 thu hồi bằng 9 kmol/h. Tổng khí sản phẩm bằng 9/0,995 = 9,045226 kmol/h, gồm 0,045226 kmol/h tạp chất. Dòng đuôi còn 10,954774 kmol/h, chứa 3 kmol H2/h và 7,954774 kmol/h tạp chất. Độ tinh khiết H2 của đuôi là 27,385321%.
Nếu đưa sản phẩm thu hồi trở về vòng, cả H2 lẫn lượng tạp chất nhỏ đều trở lại. Phải giải lại cân bằng vòng để xác định cấp bù và purge mới; không mặc nhiên trừ 9 khỏi một lưu lượng tổng khí. Honeywell mô tả màng thu hồi H2 có sản phẩm ở áp suất thấp hơn dòng cấp trong ứng dụng phù hợp.[3] Vì vậy áp suất hồi về và công nén cũng phải được xét khi so sánh phương án, ngoài số kmol thu hồi.
7. Tỷ số H2 trên dầu phải nêu rõ cơ sở thể tích
Với khí lý tưởng tại 273,15 K và 101,325 kPa, một kmol có thể tích tính từ RT/p bằng khoảng 22,4139695 m³. Nếu dầu cấp 100 m³/h tại điều kiện đã quy định, 275 kmol H2/h vào vòng tương đương tỷ số H2/dầu 61,638416 m³ khí tham chiếu trên m³ dầu.
Tổng khí 400 kmol/h sẽ cho tỷ số tổng khí/dầu khoảng 89,655878. Hai tỷ số không thay thế nhau vì độ tinh khiết chỉ là 68,75%. Thể tích khí thực tại áp suất phản ứng còn cần nhiệt độ, áp suất tuyệt đối và hệ số nén; không được lấy thể tích tham chiếu làm lưu lượng thể tích thực qua máy nén.
Khối lượng H2 cấp mới, dùng khối lượng mol 2,016 kg/kmol cho ví dụ, là 95 × 2,016 = 191,52 kg/h. H2 tiêu thụ hóa học là 161,28 kg/h. Chênh lệch 30,24 kg/h tương ứng purge và hòa tan, không phải toàn bộ là sai số đo.
8. Khi tồn chứa thay đổi, cấp bù không bằng tiêu thụ
Trong một giờ nạp khí, giả sử lượng H2 chứa trong hệ tăng 30 kmol và các dòng tiêu thụ, purge, hòa tan trung bình vẫn lần lượt là 80, 12 và 3 kmol/h. H2 cần nhập trung bình là 125 kmol/h; với z = 0,95, khí cấp bù trung bình là 131,578947 kmol/h.
Đây là cân bằng không ổn định. Phần tạp chất có thể cũng tích lũy; không áp dụng đồng thời phương trình ổn định của mục 4 cho giờ nạp khí. So sánh đồng hồ cấp bù trong giai đoạn này với suất tiêu hao hóa học của một ca ổn định sẽ tạo mức tiêu hao giả tăng cao.
Khi đối chiếu dữ liệu, ghi cùng khoảng thời gian cho lưu lượng và thành phần, tách cơ sở khí khô với khí ướt, và theo dõi thay đổi tồn chứa. Một bảng cân bằng hữu ích phải phân biệt khí cấp bù tổng, H2 trong cấp bù, H2 tuần hoàn, tiêu thụ hóa học và H2 ra từng nhánh. Nhờ vậy, sai lệch được truy về biên và cấu tử cụ thể trước khi gán cho rò rỉ hoặc biến động xúc tác.
Nguồn tham khảo
[1] HydroTech hydrotreating — The layout of a typical unit — Topsoe. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Insert flexibility into your hydrogen network — Part 1 — N. Patel, K. Ludwig và P. Morris, Air Products and Chemicals. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] PolySep Membrane Systems — Honeywell UOP. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
Lưu lượng khí tuần hoàn qua thiết bị, lượng hydro tiêu thụ hóa học và lượng khí cấp bù là ba đại lượng khác nhau. Khí tuần hoàn giúp duy trì môi trường phản ứng nhưng một phần lớn có thể đi qua mà không bị tiêu thụ. Khí cấp bù còn phải thay lượng H2 đi khỏi biên phân xưởng qua các dòng khí và chất lỏng.
Sơ đồ hydrotreating do Topsoe công bố gồm tách khí sau phản ứng, xử lý H2S, nén tuần hoàn và trộn với khí cấp bù.[1] Bài này dùng một vòng khí giả định để kiểm tra sổ cân bằng, không đưa ra chế độ vận hành, thành phần yêu cầu hoặc công suất cho một công nghệ thương mại.
2. Viết cân bằng theo cấu tử H2
Gọi M là khí cấp bù, z là phần mol H2 trong M, P là purge rời biên, y là phần mol H2 trong purge. C là H2 tiêu thụ hóa học, D là H2 phân tử hòa tan đi ra theo lỏng. M, P, C, D đều có đơn vị kmol/h; z và y không có đơn vị.
dN_H2/dt = zM − yP − C − D
Ở trạng thái ổn định: zM = C + yP + D
Nếu có khí nhập từ phân xưởng khác, đường xả riêng hoặc H2 hòa tan từ dòng vào, phải thêm đúng số hạng. C là mức tiêu thụ ròng của cấu tử H2; hydro nguyên tử được giữ trong sản phẩm không được đếm thêm lần nữa thành một tổn thất H2 phân tử.
Chọn M = 100, z = 0,95, P = 20, y = 0,60, C = 80 và D = 3. H2 cấp vào là 95 kmol/h, bằng 80 + 12 + 3. Khí cấp bù 100 kmol/h vì còn 5 kmol/h cấu tử khác; gọi toàn bộ 100 là “hydro tinh khiết” sẽ làm sai cân bằng ngay từ đầu.
3. Dòng tuần hoàn xuất hiện bên trong vòng, rồi triệt tiêu ở biên ngoài
Giả sử khí sau tách và xử lý có tổng lưu lượng 320 kmol/h, chứa 60% H2. Chia 20 kmol/h thành purge, còn 300 kmol/h tuần hoàn. Cả hai nhánh có cùng thành phần vì đây là bộ chia dòng không có tác dụng phân tách.
Khí tuần hoàn mang 180 kmol H2/h. Trộn với cấp bù cho tổng khí 400 kmol/h, chứa 275 kmol H2/h và có độ tinh khiết 68,75%. Sau khi tiêu thụ 80 và mất hòa tan 3, khí còn 192 kmol H2/h; chia thành 180 tuần hoàn và 12 purge, khép kín vòng.
Tỷ lệ purge tại bộ chia là 20/320 = 6,25%. Nếu chia purge cho recycle, kết quả 20/300 = 6,666667% là một tỷ số khác. Tên biến “purge fraction” trong mô hình phải nói rõ mẫu số để tránh cài sai lưu lượng dù con số nhìn gần giống nhau.
4. Phải kiểm cả phần khí không phải H2
Để ví dụ nhất quán, giả định khí mới sinh vào vòng ngoài H2 là G = 3 kmol/h, không tiêu thụ và không hòa tan. Khí cấp bù đưa thêm 5 kmol/h; purge lấy ra 20 × 0,40 = 8 kmol/h. Cân bằng phần khí này cũng khép kín.
Gọi L = C + D = 83 kmol/h. Với mô hình hai nhóm cấu tử H2 và phần còn lại, các phương trình ổn định là:
zM = L + yP
(1 − z)M + G = (1 − y)P
M = [(1 − y)L + yG]/(z − y)
P = [(1 − z)M + G]/(1 − y)
Tại z = 0,95 và y = 0,60, M = 100 và P = 20 như đã chọn. Hạ độ tinh khiết cấp bù xuống z = 0,90, vẫn giữ L, G và y, thì M tăng thành 116,666667 và P thành 36,666667 kmol/h. H2 nhập thực tế tăng từ 95 lên 105 kmol/h vì mất theo purge tăng từ 12 lên 22.
Chỉ lấy 95/0,90 = 105,555556 kmol/h sẽ thiếu trong kịch bản này: cách tính ấy giữ nhu cầu H2 cấp bù ở mức cũ, trong khi lượng tạp chất đưa vào đã làm purge cần thay đổi. Đây là ví dụ về hai cân bằng cấu tử phải giải đồng thời.
5. Giới hạn của mô hình độ tinh khiết
Với L dương và G không âm, biểu thức trên cần z lớn hơn y để có nghiệm M dương hữu hạn trong trường hợp đang xét. Khi z tiến sát y từ phía trên, mẫu số nhỏ làm lượng cấp bù tăng mạnh. Đây là giới hạn của mô hình với thành phần purge được giữ cố định, không phải một quy tắc phổ quát cho mọi mạng hydro có thiết bị tinh chế.
Trong hệ thật, các cấu tử khác nhau có thể hòa tan, phản ứng hoặc bị tách trong bộ hấp thụ. Khi đó gộp tất cả thành một nhóm khí không phản ứng có thể không còn phù hợp. Cần lập từng cấu tử và biên của từng thiết bị thay vì ép mọi kết quả vào mô hình hai nhóm này.
Tài liệu Air Products phân biệt các phương án thu hồi hydro bằng màng, hấp phụ và công nghệ lạnh, cùng khác biệt về độ tinh khiết, thu hồi và áp suất sản phẩm.[2] Các thuộc tính đó giải thích vì sao việc tăng độ tinh khiết khí cấp không thể chỉ xem như một phép đổi phần trăm trên đồng hồ lưu lượng.
6. Thu hồi purge: khép cân bằng riêng trước khi nối lại vòng
Lấy dòng purge 20 kmol/h, chứa 12 kmol H2/h, vào một thiết bị thu hồi giả định. Giả sử thu hồi 75% H2 và sản phẩm thu hồi có độ tinh khiết 99,5 mol%. Hai thông số này do bài đặt, không phải bảo đảm của nhà cung cấp nào.
H2 thu hồi bằng 9 kmol/h. Tổng khí sản phẩm bằng 9/0,995 = 9,045226 kmol/h, gồm 0,045226 kmol/h tạp chất. Dòng đuôi còn 10,954774 kmol/h, chứa 3 kmol H2/h và 7,954774 kmol/h tạp chất. Độ tinh khiết H2 của đuôi là 27,385321%.
Nếu đưa sản phẩm thu hồi trở về vòng, cả H2 lẫn lượng tạp chất nhỏ đều trở lại. Phải giải lại cân bằng vòng để xác định cấp bù và purge mới; không mặc nhiên trừ 9 khỏi một lưu lượng tổng khí. Honeywell mô tả màng thu hồi H2 có sản phẩm ở áp suất thấp hơn dòng cấp trong ứng dụng phù hợp.[3] Vì vậy áp suất hồi về và công nén cũng phải được xét khi so sánh phương án, ngoài số kmol thu hồi.
7. Tỷ số H2 trên dầu phải nêu rõ cơ sở thể tích
Với khí lý tưởng tại 273,15 K và 101,325 kPa, một kmol có thể tích tính từ RT/p bằng khoảng 22,4139695 m³. Nếu dầu cấp 100 m³/h tại điều kiện đã quy định, 275 kmol H2/h vào vòng tương đương tỷ số H2/dầu 61,638416 m³ khí tham chiếu trên m³ dầu.
Tổng khí 400 kmol/h sẽ cho tỷ số tổng khí/dầu khoảng 89,655878. Hai tỷ số không thay thế nhau vì độ tinh khiết chỉ là 68,75%. Thể tích khí thực tại áp suất phản ứng còn cần nhiệt độ, áp suất tuyệt đối và hệ số nén; không được lấy thể tích tham chiếu làm lưu lượng thể tích thực qua máy nén.
Khối lượng H2 cấp mới, dùng khối lượng mol 2,016 kg/kmol cho ví dụ, là 95 × 2,016 = 191,52 kg/h. H2 tiêu thụ hóa học là 161,28 kg/h. Chênh lệch 30,24 kg/h tương ứng purge và hòa tan, không phải toàn bộ là sai số đo.
8. Khi tồn chứa thay đổi, cấp bù không bằng tiêu thụ
Trong một giờ nạp khí, giả sử lượng H2 chứa trong hệ tăng 30 kmol và các dòng tiêu thụ, purge, hòa tan trung bình vẫn lần lượt là 80, 12 và 3 kmol/h. H2 cần nhập trung bình là 125 kmol/h; với z = 0,95, khí cấp bù trung bình là 131,578947 kmol/h.
Đây là cân bằng không ổn định. Phần tạp chất có thể cũng tích lũy; không áp dụng đồng thời phương trình ổn định của mục 4 cho giờ nạp khí. So sánh đồng hồ cấp bù trong giai đoạn này với suất tiêu hao hóa học của một ca ổn định sẽ tạo mức tiêu hao giả tăng cao.
Khi đối chiếu dữ liệu, ghi cùng khoảng thời gian cho lưu lượng và thành phần, tách cơ sở khí khô với khí ướt, và theo dõi thay đổi tồn chứa. Một bảng cân bằng hữu ích phải phân biệt khí cấp bù tổng, H2 trong cấp bù, H2 tuần hoàn, tiêu thụ hóa học và H2 ra từng nhánh. Nhờ vậy, sai lệch được truy về biên và cấu tử cụ thể trước khi gán cho rò rỉ hoặc biến động xúc tác.
Nguồn tham khảo
[1] HydroTech hydrotreating — The layout of a typical unit — Topsoe. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Insert flexibility into your hydrogen network — Part 1 — N. Patel, K. Ludwig và P. Morris, Air Products and Chemicals. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] PolySep Membrane Systems — Honeywell UOP. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
