Hiệu quả của quá trình trích ly thường phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, có thể chia thành hai nhóm: - Nhóm các yếu tố tác động từ bên ngoài: loại dung môi, kiểu thiết bị trích ly, thành phần
nguyên liệu và hiệu quả của quá trình trích ly
- Nhóm các yếu tố tác động nội tại: tỷ lệ dung môi, nhiệt độ trích ly, chênh lệch nhiệt độ, lưu lượng nguyên liệu và độ tinh khiết của dung môi
3.2.1.1 Các yếu tố bên ngoài
a. Lựa chọn dung môi
Các tính chất chủ yếu của dung môi được lựa chọn là độ chọn lọc và khả năng hòa tan. Độ họn lọc liên quan đến ái lực của dung môi đến cấu tử nào đó, để có thể ưu tiên trích ly cấu tử này từ hỗn hợp của các hydrocacbon của nguyên liệu trích ly. Khả năng hòa tan thể hiện bằng khối lượng nguyên liệu ban đầu có thể hòa tan trên một đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối lượng của dung môi. Một dung môi thích hợp để trích ly các hợp chất thơm có độ chọn lọc cao đối với các chất thơm và có khả năng hòa tan cao để thực hiện quá trình trích ly với lượng dung môi tiêu thụ thấp.
Ngoài 2 tính chất trên, việc lựa chọn dung môi phải đáp ứng các yêu cầu sau: nhiệt độ trích ly, dễ thu hồi, áp suất hơi thấp, tỉ trọng lớn, không tạo nhũ, độ bền, thích nghi với lượng nguyên liệu lớn, giá thành rẽ, không gây ăn mòn và độc hại.
Một số dung môi hay được sử dụng cho quá trình trích ly lỏng lỏng trong công nghiệp được trình bày trong bảng 3.3
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 78 Trong số các dung môi trên, các dung môi hay được sử dụng nhất để trích ly các hợp chất thơm là: furfural, phenol và N-methyl 2-pyrrolidone NMP với tần suất sử dụng trong 50 năm vừa qua và các tính chất đặc trưng của chúng được thể hiện trong bảng 3.4 và 3.5
Bảng 3.4 Các phân xưởng trích ly trên thế giới kể từ năm 1937
Bảng 3.5 So sánh các tính chất của furfural, NMP và phenol
Do yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường ngày càng cao và độ độc hại của các dung môi sử dụng, do đó, các phân xưởng sử dụng phenol làm dung môi trích ly ngày càng ít.
b. Lựa chọn kiểu thiết bị trích ly
Hình 3.2 thể hiện tính năng (thông qua chỉ số độ nhớt VI) đạt được nhờ các phương thức trích ly khác nhau. Ta thấy phương pháp trích ly ngược dòng luôn cho hiệu quả cao nhất và vì vậy nó được sử dụng rất thông dụng trong công nghiệp. Có nhiều kiểu tháp trích ly khác nhau (hình 3.3). Dựa vào nguyên lý hoạt động, ràng buộc về công nghê và chi phí, các thiết bị này có hiệu quả cao hay thấp được đặc trưng bởi số bậc trích ly lý thuyết.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 79
Hình 3.2 Chỉ số độ nhớt phụ thuộc vào tỷ lệ dung môi và phương thức trích ly
Trước đây, quá trình trích ly bằng furfural thường được thực hiện trong các thiết bị loại tháp đệm. Khuynh hướng hiện nay là sử dụng tháp trích ly tiếp xúc đĩa quay RDC (Rotating Disc Contractor) do nó có hiệu quả cao, có nhiều ưu điểm hơn so với các thiết bị trích ly khác:
- Số bậc lý thuyết cao ( lên đến 10 so với 5-7 đối với các tháp thông thường) - Bề mặt phân chia giữa hai pha (rafinat/extrai) rõ rệt
- Hiệu suất thu hồi pha rafinat lớn hơn 3-5% so với loại tháp đệm
- Khả năng tối ưu chất lượng trích ly phụ thuộc vào bản chất và lưu lượng nguyên liêu khi sử dụng các đĩa quay (tạo hiệu quả phân tán của pha này trong pha khác)
- Có thể dùng cho nhiều loại nguyên liệu Tuy nhiên kiểu thiết bị này có chi phí lắp đặt cao.
c. Bản chất nguyên liệu
Bản chất của nguyên liệu có ảnh hưởng rất quan trọng đến quá trình trích ly. Nói chung, đối với nguyên liệu là phần cất, nguyên liệu càng nhớt và có tỷ trọng càng cao thì quá trình trích ly sẽ càng khó khăn, hiệu quả của quá trình trích ly càng thấp. Đó là do nguyên liệu nhớt chứa nhiều các phân tử mạch vòng phức tạp làm cho việc xâm nhập của dung môi vào trong nguyên liệu bị hạn chế. Và nữa, khi tỷ trọng của các nguyên liệu càng cao sẽ càng gần với tỷ trọng của furfural, điều đó làm cho tốc độ phân tách giữa pha dầu và pha dung môi bị yếu đi.
Một ví dụ minh họa: với tỷ lệ dung môi khoảng 290%V so với nguyên liệu (2,9/1) và với nhiệt độ trích ly giống nhau, ta thu được các kết quả như sau :
Độ nhớt của nguyên liệu VI của sản phẩm
20 mm2/s ở 40oC 110
60 mm2/s ở 40oC 107
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 80
Hình 3.3 Các kiểu thiết bị trích ly, trong đó kiểu thiết bị tiếp xúc đĩa quay và tháp đệm hay dùng trong công nghiệp dầu khí; kiểu thiết bị trộn-lắng và trích ly ly tâm được dùng trong phòng thí
nghiệm d. Hiệu quả trích ly
Với cùng điều kiện trích ly (tỷ lệ dung môi và nhiệt độ), hiệu quả trích ly chịu ảnh hưởng trực tiếp của số bậc trích ly lý thuyết. Chẳng hạn, tháp có 5 bậc lý thuyết cho phép thu được sản phẩm có chỉ số nhớt cao hơn 2 đến 3 đơn vị so với tháp có 3 bậc lý thuyết. Sự đóng cặn xảy ra trong tháp sẽ có xu hướng làm giảm số bậc lý thuyết làm giảm hiệu quả trích ly.
3.2.1.2 Các yếu tố nội tác động trực tiếp
a. Tỷ lệ dung môi
Tỷ lệ dung môi được định nghĩa là %thể tích dung môi so với lưu lượng nguyên liệu hay nạp liệu cho thiết bị trích ly. Tỷ lệ dung môi càng tăng, càng tách triệt để lượng aromatic, hiệu quả trích ly càng tăng, điều này dẫn đến các hệ quả dưới đây, minh họa ở bảng 3.6:
- Tăng chỉ số nhớt là do giảm các hợp chất naphtenic và thơm trong pha lọc (rafinat) - Giảm hiệu suất của pha rafinat
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 81
Bảng 3.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi (93% furfural) đến hiệu suất và chất lượng của pha rafinat/extrait
Việc tăng tỷ lệ dung môi sẽ dẫn đến giảm thể tích pha rafinat thu hồi đồng thời chất lượng cải thiện (hình 3.4). Trong thực tế, do tiêu tốn năng lượng trong quá trình thu hồi nên người ta thường mong muốn tối thiểu lượng dung môi sử dụng. Tuy nhiên, thực tế tồn tại một tỷ số tối thiểu của dung môi, mà khi nhỏ hơn con số này, quá trình trích ly sẽ không thể diễn ra được. Tỷ lệ tối thiểu này được xác đinh bởi các nhà sản xuất dầu gốc, thương lớn hơn so với phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên chất lượng mong muốn của sản phẩm cuối.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi đến hiệu suất và chất lượng trích ly b. Nhiệt độ trích ly
Sự gia tăng nhiệt độ trích ly sẽ làm tăng độ hòa tan các phân tử aromatic vào trong furfural và nó có các hiệu quả giống như khi tăng tỷ lệ dung môi. Tuy nhiên nếu tăng nhiệt độ trích ly lên nhiều, sẽ làm cả naphten và thậm chí parafin cũng hòa tan vào dung môi, làm giảm lượng pha dầu thu được.
Chú ý là tăng nhiệt độ trích ly có tác dụng kém chọn lọc hơn so với tăng tỷ lệ dung môi.
Điều này được thể hiện rõ khi so sánh hai hình 3.4 và 3.5. Trên hình 3.5 độ dốc của đường chia cắt giữa pha lọc và pha trích là rất lớn khi tăng nhiệt độ trích ly so với khi tăng tỷ lệ dung môi trên hình 3.4. Điều này thể hiện sự giảm độ chọn lọc của furfural khi nhiệt độ tăng lên.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 82
Hình 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất và chất lượng của quá trình trích ly
Sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình trích ly còn bị hạn chế bởi nhiệt độ trộn lẫn, đó là giá trị nhiệt độ khi cả 2 pha tan hoàn toàn vào nhau, trở thành hệ đồng nhất. Ở nhiệt độ trộn lẫn, quá trình trích ly không còn ý nghĩa nữa. Nhiệt độ trộn lẫn ở vào khoảng 120-145°C phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu.
Hiệu quả của sự gia tăng tỷ lệ dung môi và tăng nhiệt độ trích ly khá giống nhau, do vậy cần phải tối ưu hóa việc sử dụng hai thông số này cho những trường hợp sau:
Nhiệt độ cao/tỷ lệ dung môi thấp Nhiệt độ thấp/tỷ lệ dung môi lớn Được sử dụng khi:
• Chỉ được sử dụng một lượng dung môi
tuần hoàn thấp
• khi lượng nguyên liệu lại khá nhiều
Được sử dụng khi:
• Cho phép được sử dụng một lượng
dung môi tuần hoàn lớn
• với 1 lượng nguyên liệu ít hơn Kết quả:
• Hiệu suất trích ly kém hơn
Kết quả
• Hiệu suất trích ly cao hơn
c. Chênh lệch nhiệt độ
C h ê n h l ệ c h nhiệt độ giữa đáy và đỉnh của thiết bị trích ly có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình. Thông thường chúng tuân theo quy luật như sau:
- Nhiệt độ đỉnh tháp nên cao để cho phép dung môi hòa tan tốt aromatic và naphten đa vòng trong pha dầu, nhờ đó làm tăng được VI của pha dầu đi ra đỉnh,
- Nhiệt độ đáy tháp nên thấp vì độ chọn lọc của furfural đối với các phân tử aromatic tăng khi nhiệt độ giảm, khi đó furfural sẽ chỉ hòa tan chọn lọc aromatic mà không kéo naphten 1 vòng nhờ vậy không bị mất mát naphten 1 vòng đi ra theo dung môi.
Các nhiệt độ trích ly thay đổi rất nhiều theo loại dầu thô, độ nhớt của nguyên liệu xử lý và chất lượng mong muốn. Chúng có thể là 100°C ở đỉnh tháp và 60°C ở đáy tháp đối với nguyên liệu là phần cất distilat từ dầu Arabe nhẹ và là 135°C ở đỉnh và 105°C ở đáy đối với nguyên liệu là phần cất distilat nặng của dầu thô biển Bắc.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 83 Lưu lượng nguyên liệu có ảnh hưởng đến kết quả trích ly bới tác động của nó đến vận tốc lưu chất ở phía dưới tháp làm thay đổi kích thước của các giọt lỏng tạo thành khi có sự tiếp xúc giữa dung môi và lưu chất. Tác động này không đáng kể khi thiết bị hoạt động ở điều kiện bình thường và tăng nhanh khi lưu lượng nguyên liệu quá nhỏ hoặc quá lớn so với thiết kế. Khi lưu lượng thấp, sự tiếp xúc giữa dung môi và nguyên liệu không đủ lớn để đảm bảo sự trích ly tốt. Ngược lại, khi nguyên liệu quá nhiều sẽ dẫn đến hình thành các giọt lỏng quá nhỏ, tạo ra một pha liên tục (mất sự phân chia) gây ra hiện tượng ngập tháp.
Đối với tháp kiểu đĩa quay (RDC), việc điều chỉnh vận tốc quay của rotor cho phép giải quyết sự thiếu hụt nguyên liệu. Khi rotor quay càng nhanh, kích thước giọt lỏng càng giảm. Như vậy, khi vận tốc quay quá lớn cũng sẽ dẫn đến hiện tượng như khi lưu lượng nguyên liệu quá cao. Trong thực tế, rất khó tối ưu vận tốc của rotor bởi vì điều này liên quan đến các yếu tố vận hành khác như nhiệt độ, tỷ lệ dung môi và bản chất nguyên liệu. Rõ ràng đối với thiết bị trích ly RDC, khi chất lượng nguyên liệu đã biết, việc khống chế sự ngập lụt tháp phụ thuộc vào lưu lượng và tốc độ quay của rotor:
- khi lưu lượng nguyên liệu càng lớn, tốc độ của rotor nhỏ nhất có thể để tránh ngập tháp
- khi độ nhớt của nguyên liệu xử lý cao, lưu lượng nguyên liệu cho phép càng nhỏ ở cùng tốc độ quay của rotor.
e. Độ tinh khiết của dung môi
Dung môi có thể bị nhiễm chủ yếu do 2 hợp chất sau:
- Nước có trong nguyên liệu (dạng vết) và hơi tinh luyện sử dụng trong quá trình thu hồi dung môi
- Các phân đoạn dầu do thường bị kéo theo trong tháp tách dung môi và pha rafinat hay pha extrait.
Ngay cả khi ở hàm lượng nhỏ, các chất nhiễm này dễ dàng làm giảm chất lượng trích ly. Chẳng hạn, khi có mặt 3 đến 4 % nước trong dung môi furfural có thể làm giảm chỉ số độ nhớt từ 4 đến 6 đơn vị. Nếu có tỉ lệ như vậy của các hydrocacbon trong dung môi cũng làm giảm 2 đến 3 đơn vị của chỉ số độ nhớt. Hơn nữa, sự có mặt của các hydrocacbon trong dung môi cũng gia tăng sự phân hủy chúng thành nhựa.