Những tiến bộ trong thiết kế và chế tạo thiết bị hoá chất

12:00' AM - Thứ sáu, 15/08/2003

LTS. Ở bài trước (đăng số 11/1998), đã đề cập đến vai trò của phương pháp tăng cường quá trình công nghệ (PI) trong cải tiến công nghệ hoá học. Khái niệm PI những năm gần đây còn được vận dụng trong việc đổi mới thiết bị sản xuất hoá chất.

PI hoá ngành công nghiệp chế tạo thiết bị hoá chất đã tạo ra một thế hệ các thiết bị có tính cách mạng góp phần nâng cao vượt bậc hiệu quả sản xuất. Đó là thế hệ các thiết bị PI mà chúng tôi sẽ đề cập dưới đây.

Có lẽ thiết bị trao đổi nhiệt compac (compact heat exchanger) là một thành tựu đơn giản nhất và hiệu quả nhất của ngành công nghiệp hoá chất. Loại thiết bị này có đường kính kênh vận chuyển các chất phản ứng nhỏ hơn so với loại thiết bị truyền nhiệt vỏ-ống truyền thống. Thông thường, các kênh vận chuyển các chất phản ứng có độ chảy xoáy cao (xảy ra ở các thiết bị có đường kính lớn và tốc độ dòng cao) sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt và do đó có hiệu suất cao. ở thiết bi PI đường vận chuyển nhỏ hơn, dòng chảy xoáy chuyển thành dòng chảy lớp làm hệ số truyền nhiệt giảm. Tuy nhiên, sự giảm đường kính kênh vận chuyển lại làm tăng diện tích bề mặt trong một thể tích xác định thừa bù cho độ giảm hệ số truyền nhiệt.

Thiết bị trao đổi nhiệt compac có nhiều dạng, trong đó có loại tấm và tấm- cánh tản nhiệt. Loại đổi mới gần đây nhất là thiết bị trao đổi nhiệt có kích thước kênh vận chuyển chỉ bằng 1 mm hoặc nhỏ hơn, được chế tạo bằng phương pháp khắc mòn hoặc vi gia công

Một trở ngại trực tiếp đối với loại thiết bị trao đổi nhiệt compac là nguy cơ bị tắc vì đường vận chuyển quá bé. Trên thực tế, thiết bị trao đổi nhiệt compac ít bị tắc hơn loại truyền thống vì tốc độ chảy cao hơn và chênh lệch nhiệt độ bề mặt thường nhỏ hơn do hiệu suất truyền nhiệt đã được nâng lên.

Thiết bị trao đổi nhiệt compac được nước Anh và một số nước châu Âu nghiên cứu rất nhiều.

PI cũng được quan tâm trong lĩnh vực ly tâm. PI được ứng dụng sớm nhất trong loại thiết bị tiếp xúc gọi là "lugee" . Đây là thiết bị chuyển khối khí- lỏng hoặc lỏng-lỏng dùng tầng nạp quay được hãng ICI phát triển đầu tiên vào cuối thập kỷ 1970.

Một công nghệ ly tâm khác đang được triển khai là thiết bị phản ứng đĩa quay (hình 2). Chất lỏng đi qua đĩa quay và tạo ra những màng mỏng và không bền khiến tốc độ truyền nhiệt và chuyển khối rất cao. Loại thiết bị này được dùng trong sản xuất styren và các phản ứng polyme hoá khác. Với công nghệ truyền thống, chẳng hạn như thùng khuấy trộn, tốc độ chuyển hoá bị giới hạn ở tốc độ tách nước nhanh hay chậm, đặc biệt là khi tăng tốc độ chuyển hoá và tăng độ nhớt. Thí nghiệm đã cho kết quả : chỉ một lần qua đĩa đã thu được một lượng sản phẩm bằng một giờ chuyển hoá trong thiết bị gián đoạn.

Khoảng 9 năm nay, nhiều công ty tham gia nghiên cứu hệ thống các thiết bị hỗn hợp nổi tiếng có cường độ cao như thiết bị hỗn hợp tĩnh, thiết bị phun, thiết bị hỗn hợp rô to stato và thiết bị hỗn hợp chữ T. Thực tế sử dụng đã chứng minh cho thấy đó là những thiết bị hỗn hợp và phản ứng có hiệu suất cao, có dòng chảy lý tưởng và tốc độ hỗn hợp cao hơn thiết bị thùng khuấy truyền thống tới 1000 lần.

Loại thiết bị này cũng được dùng trong chuyển khối khí-lỏng và bắt đầu từ vi trộn các chất lỏng không trộn lẫn được, chẳng hạn như trong quá trình nhũ hoá, tích ly và nhiều phản ứng thông thường khác. Người ta đang nghiên cứu một số thiết bị như thiết bị phản ứng kiểu tiếp xúc cùng chiều từ trên xuống  có hiệu quả đối với quá trình hydro hoá và thiết bị phản ứng siêu âm dạng ống.

Vì nhiều quá trình có tính chất thu nhiệt hoặc toả nhiệt nên tăng cường phản ứng thường có nghĩa là tăng cường quá trình truyền nhiệt. Điều này được đưa đến quan điểm chế tạo thiết bị phản ứng kết hợp trao đổi nhiệt. Hãng Chemineer and Sulzer đã sản xuất ở quy mô công nghiệp loại thiết bị dùng các bộ phận của thiết bị hỗn hợp kết hợp với thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống Hãng này cũng đã phát triển loại thiết bị phản ứng-hỗn hợp tĩnh. Tập đoàn BHR đang thiết kế theo đơn đặt hàng thiết bị trao đổi nhiệt compac có hiệu suất trộn dòng cao. Khả năng truyền nhiệt của loại thiết bị truyền nhiệt compac này bảo đảm sao cho ngay những phản ứng toả nhiệt mạnh nhất cũng có thể thực hiện liên tục. Loại được nhiệt ngay khi nó sinh ra không chỉ nâng cao được độ an toàn của một quá trình mà còn có thể giảm được việc tạo thành sản phẩm phụ nếu phản ứng chính toả nhiệt có tốc độ tương tự như tốc độ phản ứng phụ không toả nhiệt. Hãng này cũng nghiên cứu thêm các thiết bị phản ứng pha khí xúc tác kiểu đĩa. Trong thiết bị này, bề mặt của thiết bị trao đổi nhiệt compac được phủ một lớp xúc tác, tạo ra một thiết bị phản ứng xúc tác rất compac và hiệu qủa.

Đối với những phản ứng vốn chậm (có thời gian phản ứng khoảng một giờ) thì thực tế không thể tăng tốc độ được, do đó khống thể dùng các thiết bị phản ứng có thời gian lưu trong thiết bị ngắn.

Một hướng giải quyết là dùng thiết bị phản ứng dòng dao động đang được nhóm các nhà khoa học thuộc trường Đại học Cambride nghiên cứu. Nó gồm các ống có nhiều vách ngăn như mành điaphram chẳng hạn. Hệ thống này có thể dùng cho các phản ứng pha lỏng với thời gian  hản ứng khoảng một hoặc hai giờ như nitro hóa hoặc sulphonat hoá: Loại thiết bị này đã được dùng để sản xuất một lượng hoá chất chuyên dùng vừa phải.

Với một thể tích 4.2m3 và thời gian lưu trong thiết bị 2 giờ, thiết bị phản ứng dòng dao động đã thay thế được thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích 25m3 hoạt động trong 12 giờ.

Rất khó đánh giá tác động của PI trong công nghiệp vì những thành tựu của nó phần lớn còn được giữ bí mật. Nhưng đã có nhiều bằng chứng về những ứng dụng của nguyên lý và công nghệ PI. Chẳng hạn, trong một nghiên cứu gần đây của tập đoàn BHR về việc sử dụng thiết bị phản ứng tầng nạp để sản xuất hoá chất sản lượng- lớn, người ta đã thiết kế một thiết bị hỗn hợp tĩnh để trộn chất khí và chất lỏng trước khi đưa vào tháp. Cộng thêm với việc cải tiến phương pháp nạp liệu, kết quả thu được rất khả quan: năng suất tăng 37%, thiết bị hoạt động ổn định hơn và lãi 2,5 triệu đôla/năm.

Có thể kể ra nhiều ứng dụng công nghiệp của các thiết bị PI trong sản xuất hữu cơ như hydro hoá, amin hoá, sulphonat hoá, nitro hoá. .. Trong lĩnh vực sản xuất các hoá chất ổn tinh khiết và chuyên dùng, những năm gần đây người ta quan tâm đến việc sử dụng các thiết bị hoạt động liên tục, đặc biệt là để sản xuất các sản phẩm có sản lượng lớn.

Mặc dù đem lại nhiều lợi ích như vậy, nhưng điều đáng ngạc nhiên là phương pháp PI còn chưa được áp dụng rộng rãi. Vấn đề là ở chỗ, phương pháp PI không thể áp dụng toàn diện cho nhiều quá trình sản xuất. Chẳng hạn áp dụng PI trong quá trình có liên quan đến chất rắn hoặc sản xuất ra các chấn rắn là khó rồi.

Tính chất mềm dẻo của xí nghiệp cũng có ý nghĩa quan trọng. Rồi còn vấn đề tâm lý, đó là các công ty thỉnh thoảng mới xây đụng các nhà máy mới, nên  không muốn gặp rủi ro khi áp dụng các công nghệ mới.

Có một huớng giải quyết toàn bộ tình hình là sử dụng phương pháp luận cấu trúc PI. Phương pháp luận này đi từ các vấn đề sản xuất và kinh doanh chứ không phải là công nghệ PI  để đánh giá khả năng áp dụng PI trong những giai đoạn đầu của quá trình phát triển sản xuất. Trong giai đoạn đầu tốt nhất là chỉ phát triển những quá trình có khả năng ứng dụng thành công PI. PI có thể tạo ra những chế độ sản xuất mà thiết bị truyền thống không tính đến, do đó tạo ra cho các nhà hoá học những cơ hội mới để phát triển quá trình sản xuất.

Một khả năng khác là xây dựng một xưởng pilot mềm dẻo, di động, có thể sử dụng tại chỗ. Công nghệ của nó có thể được kiểm chứng trước khi áp dụng cho nhà máy.

Trong tương lai, có một số cơ hội có thể áp dụng PI. Các công nghệ đã được kiểm chứng có thể được dùng trong chiến lược đầu tư chiều sâu (như thiết bị Phản ứng hỗn hợp tĩnh, thiết bị trao đổi nhiệt compac) trong khi các công nghệ khác như thiết bị phản ứng đĩa quay và dòng dao động đang tiếp tục.

Phương pháp luận và các dự án trình diễn sẽ làm tăng tốc độ áp dụng PI. Khả năng xây dựng một nhà máy PI mềm dẻo đáp ứng các nhu cầu của một quá trình sản xuất bằng các thiết bị PI tính năng cao ngày càng trở nên hiện thực.

Đối với các hoá chất sản lượng lớn, triển vọng còn mạnh mẽ hơn. Chuyển từ các thiết bi truyền thống lớn sang một thiết bị compac là một bước; bước thứ hai là áp dụng phương pháp phân phối quá trình sản xuất tức là chuyển từ cung cấp hoá chất sản lượng lớn sang cung cấp cho người tiêu thụ một nhà máy PI quy mô nhỏ để sản xuất hoá chất tại chỗ.

Ta có thể hình dung áp dụng PI trong công nghiệp hoá chất tương tự như công nghiệp điện tử khi chuyển từ đèn điện tử sang tranzito. Tiến thêm một bước, nó tương tự như mạch in. Khái niệm thiết bị phản ứng vi mô với các ống có kích thước cỡ micron đang được triển khai nhờ kỹ thuật vi chế tạo. Người ta cho rằng sẽ có một nhà máy metanol "bỏ túi" bố trí vừa vặn trong ga ra ôtô để cung cấp nhiên liệu cho xe của gia đình. Những "nhà máy vi mô" rõ ràng là còn xa nhưng PI đã trong tầm tay của các nhà hoá học, chỉ còn đợi họ phát huy sức mạnh của nó.

NGUYỄN VIỆT ANH

Theo Chemistry & Industry

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,