(Chia sẻ) Giới thiệu về hiệu năng và đặc điểm của vật liệu lấp đầy có cấu trúc tổ chức tốt trong công nghệ tách khí

Thread Content

Vật liệu lấp đầy có cấu trúc đều đặn, diện tích bề mặt riêng lớn, tỷ lệ khoảng trống cao, lưu lượng dòng chảy lớn, áp suất giảm ít, và có khả năng hoạt động linh hoạt. Khi đường kính của tháp lấp chất trở nên lớn hơn, mọi người càng chú trọng hơn đến việc tối ưu hóa cấu trúc của chất lấp, phát triển các loại chất lấp có hiệu suất cao, áp suất giảm thấp và khả năng dẫn lưu tốt, đồng thời cũng quan tâm nhiều hơn đến việc kết hợp chất lấp với các bộ phận bên trong tháp một cách tối ưu, cũng như nghiên cứu về dòng chảy và sự phân bố của chất lỏng trong lớp chất lấp. Vật liệu lót dạng sóng mạng và vật liệu lót dạng sóng tấm, được phát triển sau những năm 1960, hiện là những loại vật liệu lót có cấu trúc đều đặn được sử dụng rộng rãi hiện nay. Về các vật liệu lấp đầy có cấu trúc hiện đại, công ty Sulzer là lựa chọn hàng đầu. Vào những năm 1960, công ty này đã phát triển loại vật liệu lót dạng sóng bằng dây kim loại. Năm 1977, họ lại cho ra đời loại vật liệu lót Mellapak có cấu trúc dạng tấm sóng. Đến năm 1994, họ tiếp tục phát triển loại vật liệu lót Optiflow với cấu trúc mới và nhiều kênh dẫn chất lỏng. Điều này cho thấy rằng công việc nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu lót vẫn đang được tiếp tục. Vật liệu lấp đầy Mc-pak do công ty Mitsubishi Corporation của Nhật Bản phát triển, chủ yếu được tạo ra dựa trên mẫu vật liệu Mellapak. Trong những năm gần đây, vật liệu lấp đầy Rombopak của công ty KUHNI của Thụy Sĩ, cùng với vật liệu lấp đầy Ras-chig-Superpak của công ty RASCHIG của Đức, đã được phát triển và ứng dụng một cách khá thành công. Từ những năm 1960, nước ta đã bắt đầu tiến hành các nghiên cứu và phát triển có hệ thống về vật liệu lấp đầy có cấu trúc ổn định; hiện nay, chúng ta đã xây dựng được một hệ thống nghiên cứu khoa học và sản xuất khá hoàn chỉnh. Đại học Thiên Tân và Đại học Aston của Anh đã cùng nhau phát triển loại vật liệu lót có tên UnaPak, dùng để tạo ra các xung điện đều đặn ； Đại học Thanh Hoa và Viện Nghiên cứu Hóa chất Thượng Hải lần lượt phát triển các vật liệu lót có dạng sóng dùng trong quy trình ép tấm ； Công ty Công trình Luoyang thuộc Tập đoàn Dầu khí Trung Quốc đã phát triển loại vật liệu lấp đầy có cấu trúc LH. Trong số đó, Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Chưng cất Quốc gia thuộc Đại học Thiên Tân đã phát triển ra loại vật liệu lót hiệu quả cao mới – vật liệu lót sóng gấp hai chiều – dựa trên nền tảng của các loại vật liệu lót hiệu quả hiện có. Loại vật liệu lấp đầy này có diện tích bề mặt truyền chất lớn, các đường dẫn khí và chất lỏng được tối ưu hóa; khả năng khuếch tán ngang cũng rất tốt. Ngoài ra, loại vật liệu này còn vượt trội hơn nhiều so với các loại vật liệu lấp đầy dạng lỗ kim loại về khả năng chống tắc nghẽn, độ cứng, mức giảm áp suất và khả năng thông gió. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hóa chất tinh vi, hóa dầu, phân bón, việc nghiên cứu các loại vật liệu lấp đầy tháp mới đã thu hút được sự chú ý của mọi người. Việc phát triển các loại vật liệu lấp đầy hiệu quả và ứng dụng chúng trong công nghiệp cho thấy rằng các loại vật liệu lấp đầy có cấu trúc có tổ chức, đặc biệt là các loại vật liệu lấp đầy dạng sóng, có những ưu điểm vượt trội. Chúng mang lại hiệu quả rõ rệt khi được sử dụng để thay thế các loại vật liệu lấp đầy truyền thống, cũng như trong việc cải tạo một số loại tháp chưng cất kiểu tấm. Việc phát triển các loại vật liệu lấp đầy mới và ứng dụng chúng trên quy mô công nghiệp lớn là một thành tựu quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị sấy hiện nay trên thế giới. Áp suất giảm trên bộ lọc có cấu trúc có tổ chức thấp hơn đáng kể. Do trong bộ lọc này, hai pha khí và lỏng tiếp xúc với nhau dưới dạng màng, khác với cách tiếp xúc dạng bong bóng giữa hai pha trong tháp sàng, nên áp suất giảm trên tháp lọc có cấu trúc có tổ chức chỉ bằng 1/4 đến 1/6 so với tháp sàng. Nếu lực cản trong quá trình hoạt động của bộ phận lấp đầy có cấu trúc đều đặn là 3,5–4,2 kPa, thì áp suất hoạt động ở phía dưới chỉ khoảng 35–45 kPa. Ở phía dưới, người ta vẫn sử dụng loại bình chứa có cấu trúc dạng sàng; lực cản trong quá trình hoạt động vẫn không thay đổi. Do đó, áp suất hoạt động ở phía dưới giảm xuống khoảng 0,05–0,06 MPa, tức là khoảng 0,44–0,48 MPa. Nhờ đó, công suất của máy nén khí có thể giảm đi 5%–7%. 2. Hiệu suất tách các chất bằng vật liệu lấp đầy có tổ chức cao. Áp suất hoạt động trong tháp càng thấp thì càng thuận lợi cho việc tách oxy, nitơ và argon. Đặc biệt, việc tách oxy và argon sẽ hiệu quả hơn nữa. Thông thường, tỷ lệ chiết xuất oxy có thể tăng từ 1%–3%, còn tỷ lệ chiết xuất argon có thể tăng từ 5%–10%. Trên thực tế, tỷ lệ chiết xuất oxy trong các thiết bị phân tách khí đã đạt trên 99%, còn tỷ lệ chiết xuất argon thì đạt trên 80%. Tỷ lệ chiết xuất trong tháp chưng cất phụ thuộc rất nhiều vào lượng khí được đưa vào tháp. Điều này ảnh hưởng đặc biệt lớn đến tỷ lệ chiết xuất argon. Do đó, việc nâng cao hiệu suất isentropic của máy nén tuabin và tỷ lệ tăng áp của máy nén chính là yếu tố then chốt để nâng cao tỷ lệ chiết xuất trong tháp chưng cất. 3. Lượng chất lỏng giữ được trên vật liệu lót có cấu trúc đều khá ít. Thông thường, lượng chất lỏng mà bình chứa sử dụng vật liệu lót có cấu trúc đều giữ được chỉ chiếm 1%–6% so với thể tích của bình chứa; trong khi đó, lượng chất lỏng mà bình chứa sử dụng tấm lọc giữ được thì chiếm 8%–10% so với thể tích của bình chứa. Lượng chất lỏng giữ lại ít, có nghĩa là thời gian lưu lại của chất lỏng trong tháp ngắn, áp suất hoạt động thấp, điều này thuận lợi cho việc vận hành ở các điều kiện khác nhau. Phạm vi thiết kế của tháp đầy có cấu trúc có tổ chức có thể từ 40% đến 120%. Đối với thiết bị tách khí công suất 12.000 m3/giờ tại Nhà máy Thép số 5, lượng oxy được sản xuất có thể được điều chỉnh trong khoảng từ 9.000 đến 14.000 mm3/giờ. Mức tải hoạt động của thiết bị nằm trong khoảng từ 75% đến 117%. 4. Khoảng trống giữa các vật liệu lấp đầy có kích thước lớn; tỷ lệ khoảng trống này lên tới hơn 95%. Trong tháp sàng, diện tích của các tấm lỗ chiếm 80% diện tích mặt cắt ngang của tháp; tỷ lệ các lỗ trên tấm lỗ dao động từ 8% đến 12%. Con số này thấp hơn nhiều so với tỷ lệ khoảng trống trong lớp vật liệu lót. Đối với cùng một tải trọng, kích thước ống trong tháp đầy liệu nhỏ hơn so với tháp sàng ； Thông thường, diện tích mặt cắt ngang của nó chỉ bằng khoảng 70% so với tháp sàng. Điều này rất hữu ích đối với các thiết bị tách khí quy mô lớn, vì việc giảm kích thước tháp sẽ giúp dễ dàng vận chuyển chúng hơn. Thời gian khởi động của thiết bị được rút ngắn đáng kể. Quá trình khởi động của các thiết bị phân tách khí diễn ra trong trạng thái không có sản phẩm nào được tạo ra; do đó, việc rút ngắn thời gian khởi động chính là một cách để giảm tiêu hao năng lượng của các thiết bị này. Thời gian khởi động được hiểu là thời gian cần thiết để khởi động máy nén và bắt đầu quá trình sản xuất oxy. Khi sử dụng vật liệu lót có cấu trúc tổ chức tốt trong tháp phân đoạn, lượng chất lỏng cần được giữ lại trong tháp sẽ giảm đáng kể, từ đó giúp rút ngắn thời gian khởi động của thiết bị. Thông thường, thời gian khởi động chỉ cần khoảng 26–30 giờ mà thôi. 6. Hàm lượng oxy trong phần argon chiết xuất được khoảng 90%. Để giảm hàm lượng oxy này xuống còn 1–2×10-4%, cần sử dụng phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp. Số tầng lý thuyết của thiết bị chưng cất cần thiết là khoảng 180 tầng; còn đối với thiết bị chưng cất sử dụng bảng lọc, số tầng cần thiết là hơn 300 tầng. Áp suất cản trong quá trình chưng cất có thể lên tới khoảng 100 kPa. Rõ ràng, argon thô sẽ không thể được loại bỏ khỏi thiết bị chưng cất. Ngoài ra, chiều cao của các bộ phận lót trong thiết bị chưng cất cũng khoảng 45 m. Lực cản chỉ ở mức 14–16 kPa, do đó việc áp dụng quy trình chưng cất tinh khiết để sản xuất argon trở nên khả thi.