Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong công nghiệp hóa chất

Trong công nghiệp hoá chất cũng sử dụng lạnh rất nhiều trong các quy trình sản xuất khác nhau để tạo ra nhiệt độ lạnh thích hợp nhất cho từng hóa chất.

Tách các chất từ các hỗn hợp

Hỗn hợp khí – hơi

Tách hỗn hợp khí – hơi chủ yếu bằng phương pháp ngưng tụ hơi. Mục đích là để sản xuất hơi hoặc khí tinh khiết.

Trong quá trình này các phân tử hyđrô cacbon lớn dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao cùng các chất xúc tác được tách ra thành các phân tử nhỏ. Hỗn hợp khí thu được gồm hai nhóm chính: Mê tan cùng các hyđrô cacbon nhẹ và etan với các hyđrô cacbon nặng.

Việc tách hai nhóm các chất đó được thực hiện nhờ ngưng tụ và sau đó chưng cất dưới áp suất từ 10 – 35 bar và nhiệt độ tới – 100℃ với êtylen là môi chất lạnh. Sản phẩm thu được là êtylen, propylen và các ôlefin khác nhau.

Êtylen cũng có thể sản xuất bằng phương pháp này từ khí lò cốc. Để sản xuất polyêtylen cần có êtylen với độ nguyên chất cao do đó thành phần axêtylen trong khí thô cần phải được ngưng tụ để tách ra. Amoniac cũng có thể sản xuất bằng phương pháp ngưng tụ hỗn hợp khí lò. Để có thể ngưng tụ hơi NH₃ cần có nhiệt độ -50 đến -60℃.

Mức độ hoà tan của các khí CO₂, H₂S và nhiều loại chất khí khác vào metanol phụ thuộc vào nhiệt độ rất nhiều. Nhiệt độ càng thấp metanol có khả năng hấp thụ các chất đó càng lớn. Ứng dụng các tính chất đó người ta sử dụng metanol để rửa và làm sạch các chất khí thô ở áp suất cao.

Quá trình rửa thực hiện ở áp suất 20bar và nhiệt độ -75℃. Khi hấp thụ CO₂, nhiệt độ metanol tăng từ -75℃ lên – 20℃. Sau khi giãn nở, CO₂ bay hơi và nhiệt độ mêtanol giảm từ -20℃ xuống – 75℃ như cũ.

Hỗn hợp lỏng

Rất nhiều hỗn hợp lỏng có các nhiệt độ sôi của các thành phần rất gần nhau nên tách các chất đó bằng chưng cất rất khó khăn. Ngược lại nhiệt độ đông đặc của chúng cách nhau tương đối xa cho phép có thể dễ dàng tách chúng bằng phương pháp tinh thể hoá phân đoạn.

Ví dụ: đối với trường hợp xylol thô, trong đó có chứa mêta-, ortho- và paraxylol, etylbenzol và các hiđrô cacbon khác. Sản phẩm chính là paraxylol, nguyên liệu chính để sản xuất sợi tổng hợp polyester. Trong quá trình này, chủ yếu paraxylol được kết tinh ra khỏi xylol thô bằng cách làm lạnh gián tiếp trong thiết bị kết tinh kiểu nạo.

Môi chất lạnh trong trường hợp này là R13, nhiệt độ sôi khoảng -80℃. Phương pháp kết tinh mới để thu paraxylol là sử dụng cacbonic lỏng bay hơi trực tiếp ở nhiệt độ -60℃ đến -65℃.

Phương pháp phun môi chất lạnh lỏng trực tiếp vào thiết bị kết tinh cũng được sử dụng để sản xuất phân bón hoá học nitrophotphat.

Phương pháp làm lạnh gián tiếp qua một ống xoắn ruột gà, hệ số toả nhiệt sẽ bị giảm mạnh do các tinh thể bám vào bề mặt trao đổi nhiệt.

Nếu phân phối đều môi chất lạnh lỏng, butan hoặc propan từ phía dưới để làm lạnh trực tiếp thùng kết tinh có tác dụng rất tốt cả về mặt làm lạnh và cả về mặt kết tinh vì các chất lỏng hóa hơi tạo thành các bọt khí nổi lên trên làm chất lỏng bị xáo động mạnh, hệ số toả nhiệt lớn.

Trong công nghiệp lọc dầu theo phương pháp Edeleanu các hyđrô cacbon giàu cacbon bị loại bỏ bằng SO₂ lỏng ở nhiệt độ khoảng -10℃ do SO₂ có khả năng hòa tan chọn lọc.

Tách parafin ra khỏi dầu cũng là một ứng dụng khác của kỹ thuật lạnh trong công nghiệp lọc dầu. Để tách parafin người ta sử dụng một dung môi pha loãng dầu sau đó làm lạnh trong thiết bị làm lạnh chất lỏng kiểu nạo ở nhiệt độ khoảng -30℃.

Điều khiển tốc độ phản ứng

Một số phản ứng toả nhiệt xảy ra một cách chậm chạp do đó phải có phương pháp thải nhiệt cho phản ứng hoặc đôi khi chỉ cần làm lạnh sơ bộ các chất lỏng tham gia phản ứng.

Ví dụ 1:

Trong quá trình sản xuất các chất màu tổng hợp gốc nitơ người ta cho 4kg nước đá vào mỗi kg sản phẩm tham gia phản ứng, các phản ứng sẽ tiến hành nhanh chóng do được làm lạnh đều đặn. Trong việc tổng hợp vitamin A, phản ứng xảy ra chỉ trong một vài phần trăm giây ở nhiệt độ trong phòng. Vì trong khoảng thời gian quá ngắn đó không có khả năng thải nhiệt cho phản ứng nên người ta tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp.

Ví dụ 2:

Khi cho phản ứng ở -55℃ thì thời gian phản ứng kéo dài đến 1 phút. Nhiệt tỏa ra từ phản ứng được thải đi chủ yếu nhờ bay hơi amoniac. Amoniac đóng vai trò chất dung môi trong thùng phản ứng. Ngoài ra, thùng phản ứng còn được làm 2 vỏ và từ ngoài thùng được làm lạnh bằng amoniac.

Trong công nghệ sản xuất cao su tổng hợp người ta cũng đưa thẳng môi chất lạnh vào thùng phản ứng và tuỳ theo sản phẩm ra mà yêu cầu nhiệt độ lạnh khác nhau trong thùng phản ứng.

Ví dụ 3:

Khi polyme hóa hỗn hợp isobutylen và isobutylen-isopren người ta cho etylen lỏng chảy vào thùng phản ứng. Trong quá trình polyme hoá etylen lỏng bay hơi và duy trì nhiệt độ cần thiết của phản ứng ở nhiệt độ khoảng -100℃.

Hơi etylen được một máy lạnh hóa lỏng trở lại và làm sạch qua chưng cất. Thiết bị hóa lỏng etylen thường sử dụng propan làm môi chất lạnh. Trong các trường hợp khác, thùng phản ứng chỉ cần được làm lạnh từ ngoài bằng amoniac lỏng sôi trong thùng hai vỏ. Khi polyme hoá ở nhiệt độ thấp, các tính chất của sản phẩm được cải thiện.

Lưu kho và vận chuyển hoá chất

Các loại hoá chất

Các sản phẩm hút ẩm phải được bảo quản trong phòng nhiệt độ thấp để chúng không bị hút ẩm. Ví dụ phân bón nhân tạo cần có các hạt urê bề mặt nhẵn bóng và rắn đường kính 1,5 đến 2mm, rất dễ lắc. Nếu bảo quản các hạt urê đó trong không khí ẩm thì chúng sẽ hút ẩm trong không khí và sẽ dính kết vào nhau.

Trong công nghiệp chất dẻo người ta thường sử dụng loại axit acryl. Hoá chất này có thể gây cháy nổ do polyme hoá ở nhiệt độ thường. Khi bảo quản lạnh có thể tránh được nguy cơ cháy nổ. Axêtylen có thể chuyên chở thuận lợi hơn nhiều khi hoà tan vào dung môi axêtôn ở nhiệt độ thấp. Ví dụ ở nhiệt độ -80℃ có thể hoà tan 2000m tiêu chuẩn axêtylen vào 1m3 axêtôn. Bảo quản diboran B₂H₆ lỏng thuận lợi hơn sau khi hoá lỏng ở áp suất 8,5 bar và nhiệt độ -60℃.

Khí hoá lỏng

Hóa lỏng, lưu giữ và vận chuyển khí đốt thiên nhiên hoặc khí mỏ thuộc về lĩnh vực kỹ thuật cryô, ở đây chỉ điểm qua ngắn gọn. Khí thiên nhiên chủ yếu là metan, sôi ở -161℃ và có nhiệt lượng lớn hơn hẳn khí thành phố.

Để vận chuyển bằng đường biển khí cần được hóa lỏng nhờ làm lạnh. Do khí thiên nhiên có áp suất rất cao khi khai thác từ các mũi khoan nên có thể dãn nở trong ống xoắn để sản xuất lạnh mà không tốn kém gì.

Có nhiều phương pháp hoá lỏng khí thiên nhiên. Phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất là phương pháp làm lạnh nhờ các máy ghép tầng, trong đó các cấp trên môi chất lạnh là etylen và propan. Có thể sử dụng các phương pháp làm lạnh gián tiếp để hoá lỏng khí thiên nhiên. Một trong những phương pháp làm lạnh gián tiếp là nén khí lên trên áp suất tới hạn sau đó đưa vào làm lạnh gián tiếp bằng môi chất lạnh, ví dụ như êtan. Sau đó khí được dãn nở và một phần khí được hoá lỏng.

Hình dưới đây giới thiệu chu trình hoá lỏng khí thiên nhiên bằng máy lạnh ghép tầng.

1. Khí thiên nhiên vào; 2. Máy nén khí thiên nhiên; 3. Máy nén lạnh; 4. Máy nén lạnh hỗn hợp môi chất; 5. Bình ngưng; 6. Thiết bị trao đổi nhiệt; 7. Van tiết lưu.

Hiện nay nhiều nhà máy hoá lỏng khí thiên nhiên có năng suất rất lớn làm việc theo phương pháp ARC (Auto-Refrigerated Cascade). Hỗn hợp môi chất lạnh gồm nitơ, mêtan, êtan, propan và butan được nén trong máy nén 4 và được hóa lỏng theo thứ tự từng thành phần. Ví dụ nhà máy hoá lỏng khí Badak (Inđônêxia) có năng suất 250.000m³ tiêu chuẩn trong một giờ và nhà máy hoá lỏng Arzew (Angiêri) có năng suất 1.200.000 m³/h.

Khí thiên nhiên hóa lỏng được ký hiệu là LNG (Liquefied Natural Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển khoảng -160℃, bởi vậy khí hoá lỏng cần được chứa và vận chuyển trong các bình cách nhiệt tốt. Người ta đã bảo quản khí hoá lỏng trong nền đất đông cứng. Phương pháp này tỏ ra có hiệu quả kinh tế. Bình chứa đặt trong nền đất đông cứng đã sử dụng có sức chứa lên tới 40.000m³.

Khí hoá lỏng từ dầu thô LPG (Liquefied Petroleum Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển cao hơn nhiều. Khí PLG là sản phẩm thu được khi chế biến dầu thô và bao gồm chủ yếu các thành phần propan, n-butan và isobutan. Các chất này là thể khí ở nhiệt độ môi trường nhưng chỉ cần nén lên áp suất vừa phải là chúng đã hoá lỏng vì nhiệt độ tới hạn của chúng lớn hơn nhiệt độ môi trường nhiều.

Khi vận chuyển khí lỏng người ta phân biệt ba loại áp suất: áp suất đầy, áp suất giảm và áp suất khí quyển.

Chuyên chở với áp suất đầy nghĩa là các chai không được làm lạnh, áp suất trong chai là áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ môi trường. Các chai thường được thiết kế cho áp suất cao nhất lên tới 17bar, nghĩa là khi chuyên chở propan, nhiệt độ ngoài trời có thể lên tới khoảng 45℃. Hình dáng của các bình chứa có dạng hình trụ nằm hoặc đặt đứng, đôi khi cả hình cầu. Các bình chứa này rất nặng nên thường được chế tạo không quá 1000 tấn.

Chuyên chở với kiểu áp suất giảm thuận lợi hơn vì áp suất trong bình không quá cao nhưng phải có hệ thống làm lạnh kèm theo. Các bình khí hoá lỏng được làm lạnh đến một nhiệt độ thuận lợi nào đó để áp suất trong bình không quá cao. Các bình chứa áp suất giảm được thiết kế cho áp suất tối đa 10bar. Nhiệt độ thấp nhất cho phép tuỳ theo vật liệu chế tạo mà tiêu chuẩn cho phép.

Do có tổn thất qua lớp cách nhiệt của bình nên để duy trì áp suất bình cần trang bị hệ thống lạnh hoặc tiến hành tái làm lạnh khí hoá lỏng như hình.

1. Bình chứa khí hóa lỏng; 2. Máy nén; 3. Bình tái ngưng tụ; 4. Van tiết lưu

Trên sơ đồ này, phần lỏng đã hoá hơi được máy nén 2 hút về và nén lên áp suất và nhiệt độ cao, sau đó đưa vào bình tái ngưng tụ 3 để ngưng lại thành lỏng, lỏng được tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ xuống áp suất nhiệt độ trong bình. Để tránh làm bẩn khí lỏng ở bình 1 do dầu bôi trơn máy nén lẫn vào, người ta sử dụng máy nén không cần dầu bôi trơn.

Chuyên chở khí lỏng với áp suất khí quyển cũng còn được gọi là chuyên chở khí lỏng được làm lạnh hoàn toàn. Áp suất trong bình chỉ cao hơn áp suất khí quyển tối đa là 0,3 bar. Nhiệt độ của khí hoá lỏng trong bình gần bằng nhiệt độ bão hoà theo áp suất khí quyển hay nhiệt độ sôi ở áp suất thường bởi vậy bình chứa cần được bọc cách nhiệt tốt.

Cùng chủ đề:

Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong điều hòa không khí Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong y tế và sinh học Cryo Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong sản xuất bia – nước ngọt