Mỗi lần bạn đổ xăng, thứ chất lỏng trong suốt ấy đã trải qua một hành trình dài và kỳ diệu — từ lòng đất tối tăm, qua hàng chục công đoạn tinh luyện, rồi mới đến tay bạn. Vậy trong một nhà máy lọc dầu, người ta làm gì với thứ chất lỏng đen sệt trông chẳng có gì hữu ích kia?
Dầu thô là gì — và tại sao cần lọc?
Dầu thô (crude oil) không phải là một chất thuần nhất. Nó là hỗn hợp của hàng trăm loại hợp chất hữu cơ khác nhau, từ các phân tử rất nhỏ nhẹ như khí gas, cho đến những phân tử khổng lồ nặng nề như nhựa đường. Tất cả trộn lẫn vào nhau, không thể dùng trực tiếp làm bất cứ thứ gì.
Lọc dầu — hay chính xác hơn là chưng cất dầu — là quá trình tách các thành phần đó ra, để lấy đúng thứ mình cần: xăng cho xe hơi, dầu hỏa cho máy bay, diesel cho xe tải, hay nhựa đường để trải đường.
Nguyên lý cốt lõi: mỗi chất sôi ở một nhiệt độ khác nhau
Bạn biết rằng nước sôi ở 100°C, còn cồn sôi ở khoảng 78°C — vì vậy nếu đun hỗn hợp nước và cồn, cồn bay hơi trước. Đây chính xác là nguyên lý mà người ta áp dụng để lọc dầu, chỉ là quy mô lớn hơn rất nhiều.
Các thành phần trong dầu thô sôi ở các nhiệt độ khác nhau:
| Sản phẩm | Nhiệt độ sôi |
|---|---|
| LPG (gas hóa lỏng) | Dưới 30°C |
| Xăng | 30 – 90°C |
| Naphtha | 90 – 150°C |
| Dầu hỏa / Jet fuel | 150 – 250°C |
| Diesel | 250 – 350°C |
| Dầu mazut (fuel oil) | 350 – 400°C |
| Bitumen / nhựa đường | Trên 400°C |
Bên trong nhà máy: 3 giai đoạn chính
Giai đoạn 1 — Làm nóng dầu thô trong lò nung
Dầu thô từ bồn chứa được bơm vào lò nung (furnace) — một buồng đốt khổng lồ với nhiệt độ lên tới khoảng 380°C. Tại đây, dầu không bị đốt cháy mà chỉ được đun nóng đến mức gần sôi hoàn toàn, biến phần lớn thành hơi.
Hỗn hợp hơi nóng này sau đó được đưa thẳng vào đáy tháp chưng cất.
Giai đoạn 2 — Tách các phân đoạn trong tháp chưng cất
Đây là trái tim của nhà máy: tháp chưng cất khí quyển (atmospheric distillation tower) — một tháp thép khổng lồ, cao tới 50–60 mét, bên trong có hàng chục tầng đĩa kim loại.
Khi hơi dầu nóng bốc lên từ đáy tháp, mỗi tầng có nhiệt độ thấp hơn một chút so với tầng dưới. Các phân tử gặp đúng “nhiệt độ sôi” của mình sẽ ngưng tụ lại thành lỏng ngay tại tầng đó, rồi chảy ra ngoài theo ống riêng:
- Đỉnh tháp (lạnh nhất): LPG và khí nhẹ thoát ra
- Các tầng giữa: lần lượt thu được xăng, naphtha, dầu hỏa, diesel
- Đáy tháp (nóng nhất): phần cặn nặng như mazut và bitumen
Hình dung đơn giản: tháp chưng cất giống như một cái “sàng nhiệt độ” — mỗi sản phẩm tự tìm đúng tầng của mình và chui ra.
Giai đoạn 3 — Xử lý thứ cấp để nâng chất lượng
Các sản phẩm ra khỏi tháp chưng cất vẫn chưa hoàn chỉnh. Chúng được đưa qua các đơn vị xử lý tiếp theo:
Reformer — Nâng chỉ số octane cho xăng. Xăng chất lượng thấp được xử lý để “sắp xếp lại” cấu trúc phân tử, trở thành xăng 95 hay RON 98 mà bạn vẫn thường thấy ở cây xăng.
Hydrotreater — Khử lưu huỳnh. Lưu huỳnh trong dầu hỏa hay diesel là nguyên nhân tạo ra khí SO₂ độc hại khi đốt cháy. Đơn vị này loại bỏ lưu huỳnh, giúp nhiên liệu đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 5, Euro 6.
FCC Cracker (Fluid Catalytic Cracker) — “Bẻ gãy” phân tử nặng. Phần cặn đáy tháp thay vì bỏ đi, được đưa vào cracker để cắt nhỏ các phân tử nặng thành xăng và diesel nhẹ hơn. Đây là cách nhà máy tối ưu tỷ lệ thu hồi sản phẩm, tránh lãng phí.
Một thùng dầu thô cho ra những gì?
Một thùng dầu thô tiêu chuẩn (~159 lít) sau khi lọc cho ra xấp xỉ:
- 46% xăng các loại
- 20% diesel và dầu sưởi
- 8% dầu hỏa / nhiên liệu máy bay
- 4% LPG
- 22% còn lại: nguyên liệu hóa dầu, nhựa đường, dầu nhờn, và nhiều sản phẩm khác
Gần như không có gì bị bỏ đi — đây là một trong những quy trình công nghiệp có tỷ lệ tận dụng nguyên liệu cao nhất thế giới.
Từ chiếc bình đất nung đến tháp 60 mét
Thú vị là nguyên lý mà các nhà máy lọc dầu hiện đại sử dụng không khác là bao so với những gì nhà hóa học người Ba Tư al-Razi áp dụng từ thế kỷ 9 — đun nóng, để hơi bay lên, làm lạnh để ngưng tụ, rồi hứng lấy sản phẩm.
Chỉ khác là ngày nay, thay vì một cái bình đất nung nhỏ, người ta dùng tháp thép cao 60 mét, lò nung 380 độ, và hệ thống điều khiển tự động theo dõi từng phân đoạn theo thời gian thực.
Nguyên lý 1.200 năm tuổi. Quy mô khác hoàn toàn.
Bài viết thuộc chuỗi nội dung khoa học phổ thông về năng lượng và công nghiệp.
