Phần 1: Tiết kiệm năng lượng trong chưng luyện - Phương pháp bơm nhiệt
Thứ tư, 29/06/2016
Chưng cất là một phương pháp phổ biến từ hàng ngàn năm nay trong cuộc sống hàng ngày nhằm tách một hỗn hợp lỏng thành dung dịch có nồng độ cao hơn. Do khả năng tách của phương pháp này còn thấp, chưa thể tách các chất đến độ tinh khiết cao nên để áp dụng vào công nghiệp, một phương pháp được xây dựng trên cơ sở của chưng cất đã được các nhà khoa học đưa ra là chưng luyện. Ngày nay chưng luyện chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp như lọc-hóa dầu, phân bón, sản xuất khí, sản xuất cồn nhiên liệu,…. Tuy nhiên các tháp chưng luyện hiện nay cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc vận hành tháp. Theo những khảo sát được đưa ra, công nghệ chưng luyện sử dụng tới 5% lượng năng lượng được sử dụng trên thế giới. Đây là một con số rất lớn, do đó tiết kiệm năng lượng cho tháp chưng luyện là một vấn đề cấp thiết đặt ra.
Chưng cất là một phương pháp phổ biến từ hàng ngàn năm nay trong cuộc sống hàng ngày nhằm tách một hỗn hợp lỏng thành dung dịch có nồng độ cao hơn. Do khả năng tách của phương pháp này còn thấp, chưa thể tách các chất đến độ tinh khiết cao nên để áp dụng vào công nghiệp, một phương pháp được xây dựng trên cơ sở của chưng cất đã được các nhà khoa học đưa ra là chưng luyện. Ngày nay chưng luyện chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp như lọc-hóa dầu, phân bón, sản xuất khí, sản xuất cồn nhiên liệu,…. Tuy nhiên các tháp chưng luyện hiện nay cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc vận hành tháp. Theo những khảo sát được đưa ra, công nghệ chưng luyện sử dụng tới 5% lượng năng lượng được sử dụng trên thế giới. Đây là một con số rất lớn, do đó tiết kiệm năng lượng cho tháp chưng luyện là một vấn đề cấp thiết đặt ra.
Chưng luyện là gì và tại sao chưng luyện lại tiêu tốn một lượng năng lượng lớn đến vậy. Để dễ hình dung, ta có thể tưởng tượng rằng có một nồi hỗn hợp hai chất lỏng đang sôi, sục một dòng hơi cũng chứa các hai chất này vào nồi, lúc này có sự trao đổi chất giữa hơi và lỏng, ta sẽ có một dòng hơi khác bay ra. Đồng thời nồi cũng luôn được bổ sung một hỗn hợp lỏng có nồng độ thấp hơn và một lượng chất lỏng luôn được tháo ra ở đáy.
Mô hình chưng luyện
Giả sử ta lắp ghép các nồi chưng liên tục với nhau, dùng hơi của nồi trước làm hơi sục vào nồi sau, lỏng tháo ra ở nồi được hồi lưu về rồi trước. Lúc này ta chỉ cần cấp nhiệt ở nồi đầu tiên và ngưng tụ hơi ở nồi cuối cùng, khi đó ta đã có một hệ chưng luyện. Sản phẩm lỏng tháo ra ở nồi đầu tiên chứa hầu hết là cấu tử khó bay hơi, trong khi sản phẩm lỏng tháo ra ở nồi cuối cùng dưới dạng hơi chứa hầu hết cấu tử dễ bay hơi. Nguyên liệu đầu vào được cấp ở nồi bất kì.
Tháp chưng luyện
Bằng cách lắp ghép các nồi với nhau trên một tháp, ta có được tháp chưng luyện sử dụng tách các sản phẩm tinh khiết. Dễ dàng nhận thấy rằng năng lượng tiêu tốn dùng để đun sôi đáy, năng lượng mất mát khi dùng nước để ngưng tụ hơi đỉnh tháp. Hai phương pháp chính đã được các nhà khoa học đưa ra là bơm nhiệt và kết nối nhiệt nhằm tiết kiệm năng lượng cho tháp chưng luyện.
Phương pháp bơm nhiệt rất đơn giản, đó là tận dụng nhiệt của hơi đỉnh tháp để đun sôi đáy tháp. Tuy nhiên phương pháp này gặp một trở ngại, đó là nhiệt độ của hơi đỉnh tháp lại thấp hơn nhiệt cần cấp cho đáy tháp. Để giải quyết vấn đề này, các thiết bị như máy nén hoặc ejector được sử dụng.
Tuy đã có thể tận dụng nhiệt, nhưng lại một bài toán mới xuất hiện là nên trao đổi nhiệt với vị trí nào. Hai mô hình đã được xây dựng là mô hình Vapor Recompression Column (VRC) và mô hình tích hợp nhiệt Heat Integrated Distillation Column (HIDiC).
Mô hình VRC và HIDiC
Với mô hình VRC, nguồn nhiệt được trao đổi thông qua thiết bị đun sôi đáy tháp. Do đó cần phải có một sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể thì thiết bị trao đổi nhiệt mới hoạt động hiệu quả. Như vậy chi phí đầu tư vào máy nén sẽ lớn hơn. Lúc này, phải xét đến bài toán kinh tế khi đầu tư cho hệ thống.
Trong khi đó, do trao đổi nhiệt giáp tiếp trong tháp nên yêu cầu về chênh lệch nhiệt độ cho mô hình HIDiC không quá cao. Tuy nhiên lúc này yêu cầu mới đặt ra là kết cấu tháp sẽ như thế nào để có được bề mặt trao đổi nhiệt phù hợp. Hiện nay, vẫn còn rất nhiều nghiên cứu để tìm ra được kết cấu khả thi nhất cho tháp mà vẫn đáp ứng được yêu cầu chi phí tối thiểu. Dưới đây là một hình ảnh tháp chưng luyện tích hợp nhiệt được lắp đặt ở trường đại học Công nghệ Delft, Hà Lan.
Lắp đặt tháp chưng luyện tích hợp nhiệt HIDiCDo vẫn còn trong quá trình nghiên cứu, nên phương pháp bơm nhiệt chủ yếu chỉ đang được áp dụng trong các mô hình nhỏ, cụ thể là ví dụ trên với tháp có chiều cao khoảng 8 mét, đường kính 0,5 mét. Với các loại tháp lớn hơn, mô hình kết nối nhiệt (sẽ giới thiệu ở phần sau của bài viết) được áp dụng nhiều và phổ biến hơn.
Bài viết liên quan: Phần 2: Tiết kiệm năng lượng trong chưng luyện - Phương pháp bơm nhiệt
Khánh Hòa