3.5.1. Tổng quan
Nhằm đạt được hiệu quả cao, cấu tạo thiết bị trích ly cần phải thỏa mãn:
• Diện tích tiếp xúc lớn nhất giữa các pha (khu vực bề mặt tiếp xúc), nhằm làm cho các quá trình trao đổi pha dễ dàng
Đối với một dạng hình học nhất định, các điều kiện vận hành, đặc biệt là nhiệt độ, có ảnh hưởng trực tiếp (thông qua các hệ số phân bố) hoặc gián tiếp (tỷ trọng, độ nhớt...) đến hiệu quả trích ly.
Việc lựa chọn công nghệ và thiết kế các cấu trúc bên trong cho một hệ trích ly lỏng-lỏng được định hướng bởi nhiều tiêu chuẩn như sau:
• Lưu lượng tổng (quyết định đến đường kính tháp D) • Chất lượng sản phẩm (quyết định đến chiều cao tháp H)
• Sự khác nhau về tỷ trọng giữa 2 pha (quyết định đến tốc độ chuyển khối, H) • Tỷ lệ các pha (lượng pha nhẹ/lượng pha nặng, H)
• Đặc trưng của sự phân tán (độ ổn định, sự tạo thành nhũ tương bền..., quyết định đến sự phân pha)
• Sự có mặt của các chất rắn (sản phẩm của sự phân hủy, cặn..., quyết định đến sự phân pha) • Các điều kiện vận hành (nhiệt độ, áp suất..., quyết định đến cấu tạo tháp)
• Khuynh hướng đóng cáu (quyết định đến thời hạn vệ sinh tháp) • Thời gian lưu (quyết định đến nguy cơ phân hủy các sản phẩm) • Tính ăn mòn (quyết định đến độ bền thiết bị)
• Tính bắt cháy của một trong các sản phẩm (quyết định đến độ an toàn)
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 109 • Các quy chế đặc biệt về vận hành và an toàn...
Hiện tượng trộn ngược
Sự trộn ngược là một hiện tượng diễn ra dọc trục có khuynh hướng kéo dài thời gian lưu của pha liên quan. Trong thực tế, khi hiện tượng này xảy ra, một phần pha liên quan có khuynh hướng quay tròn trong thiết bị trích ly, điều này làm kéo dài thời gian lưu của pha trong khi một phần khác của pha sẽ bị bắt buộc phải vận chuyển nhanh hơn, vị trí của phần pha này bị chiếm bởi vị trí của phần pha bị trộn ngược. Sự trộn ngược có hai hậu quả tai hại đến hiệu năng của thiết bị trích ly:
• Giảm sút hiệu quả do sự trộn ngược một phần của một hoặc cả hai pha
• Giảm năng suất biểu kiến của thiết bị trích ly, một phần của dòng quay vòng và do đó nhập liệu một cách vô ích cho thiết bị
Trong trường hợp của các sản phẩm nhạy cảm, sự gia tăng thời gian lưu của một phần sản phẩm có thể gây nên sự phân hủy của nó. Các nhà chế tạo thiết bị thuờng chú trọng vào sự giảm thiểu hiện tượng trộn ngược (hình 3.25)
Hình 3.25 A. Dòng lưu chất trộn ngược-B.Ảnh hưởng của hiện tượng trộn ngược đến thời gian lưu- C.Hệ quả của sự phân bố thời gian lưu
3.5.2. Hệ thống thiết bị trích ly
Các loại thiết bị trích ly được gộp lại thành 2 nhóm theo cơ chế tiếp xúc pha có hay không có tác động của năng lượng cơ học (khuấy trộn, đĩa quay ...) trực tiếp lên hỗn hợp các pha đang tiếp xúc với nhau. Nhóm không có tác động của năng lượng cơ học gọi là thiết bị trích ly loại tĩnh, nhóm có tác động của năng lượng cơ học gọi là thiết bị trích ly loại động.
Các thiết bị trích ly loại tĩnh trong đó động lực để 2 pha tiếp xúc với nhau đó là nhờ chênh lệch khối lượng riêng. Pha có lưu lượng nhỏ phân tán vào trong lòng pha liên tục. Tháp này có thuận lợi là có năng suất lớn song hiệu quả chuyển khối lại thấp do bị hiện tượng trộn ngược mạnh. Loại này thường được dùng khi quá trình trích ly là đơn giản, dung môi dễ dàng kéo cấu tử cần tách ra khỏi pha lọc.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 110 khối) bằng cách hạn chế tối đa hiện tượng trộn ngược, gia tăng thời gian lưu của pha phân tán đồng thời cải thiện chất lượng của sự phân tán, các thiết bị trích ly được trang bị thêm các kết cấu bên trong như cánh khuấy, đĩa quay hay các cơ cấu dao động nhận năng lượng cơ học từ bên ngoài, đó là các thiết bị trích ly loại động.
3.5.2.1. Hệ thống thiết bị trích ly loại tĩnh
a. Máy trộn dòng (Hình 3.26)
Các máy trộn dòng, còn gọi là máy trộn tĩnh cho phép khuấy trộn các pha trong một hệ thống đồng dòng. Dòng được trộn là do cấu trúc zic zac bên trong chứ không phải do năng lượng bên ngoài tác động. Chúng có thể được sử dụng như các máy trộn trong các hệ thống trộn lắng. Chúng cho phép sự phân tán khá tốt, tổn thất áp suất nhỏ và nhờ vậy vận tốc chảy trong ống sẽ rất đều đặn, điều này sẽ làm giảm thời gian lưu. Các thiết bị loại này thường được ứng dụng trong các quá trình trích ly đơn giản.
Hình 3.26 Thiết bị trộn dòng Sulzer SMV b. Tháp phun tạo sương (Hình 3.27)
Đó là một hệ thống đơn giản nhất, trong đó pha liên tục chảy tự do và được cho tiếp xúc với pha phân tán, pha này đi ngược dòng qua pha liên tục.
Các hệ thống phun tạo sương đơn giản (không có bộ phận tái phân phối pha phân tán) được dành cho các quá trình trích ly dễ dàng nhất, vì hiệu quả chuyển khối của chúng nhỏ.
Hình 3.27 Tháp phun sương c. Tháp so le (Hình 3.28)
Tháp so le nhằm cải thiện hiệu quả các tháp phun tạo sương. Các tấm so le dạng đĩa tròn, kế tiếp một đĩa hình vành khăn hoặc các đĩa hình viên phân lắp ngược nhau. Sự tiếp xúc giữa pha nặng và pha nhẹ được thực hiện chéo dòng. Các tấm so le này thực hiện sự khuấy trộn lại của pha phân tán.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 111 trị này càng lớn nghĩa là hiệu suất trích ly của tháp loại này càng cao, nghĩa là để đảm bảo một số bậc trích ly nhất định, tháp sẽ không cần cao, chi phí đầu tư cho tháp sẽ nhỏ), nhưng chúng có các khu vực chuyển tiếp lớn và các cấu trúc đĩa đơn giản là lý do để ứng dụng chúng cho các hệ thống có thể đóng cáu và ăn mòn.
Hình 3.28 Tháp so le (hay vách ngăn) d. Tháp mâm đục lỗ (Hình 3.29)
Các dạng tháp không ngăn hoặc ngăn đơn giản (a, b, c), trong đó các dòng pha chuyển động liên tục từ đầu này đến đầu kia tháp, do vậy hiệu quả tiếp xúc trộn lẫn rất thấp. Với các tháp loại mâm, sau mỗi ngăn các pha lại tiếp xúc lại với nhau, như vậy tăng số lượng các giai đoạn tiếp xúc qua mỗi ngăn: tiếp xúc-lắng phân pha-tiếp xúc-lắng phân pha nhờ vậy, hiệu quả trao đổi khối tăng lên nhiều.
Các mâm của tháp trích ly này bảo đảm được các chức năng thu góp, tái trộn sau đó tái phân tán pha phân tán. Hiệu quả của các tháp trích ly này được cải thiện rõ ràng (khoảng 0,7 bậc lý thuyết một mâm) và cho dù hiện tượng đóng cáu và ăn mòn dễ xảy ra, chúng vẫn thường được ưu tiên chọn hơn là các tháp loại tháp so le.
Hình 3.29 Tháp mâm đục lỗ e. Tháp đệm (Hình 3.30)
Vật liệu đệm chỉ có tác dụng làm tăng bề mặt tiếp xúc của 2 pha. Tất cả các loại đệm như: đệm vòng, yên ngựa, đệm cấu trúc đều có thể được sử dụng tùy theo trường hợp.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 112
Hình 3.30 Tháp đệm
Trong thời gian đầu, các loại đệm yên ngựa (selle) bằng céramique được sử dụng rộng rãi nhưng hiện nay chúng không còn được sử dụng nữa trong các trường hợp đặc biệt cho dù chúng có ưu điểm chống ăn mòn đệm tốt nhưng chúng lại có hạn chế là:
• Tổn thất áp suất lớn và năng suất giảm (do hệ số trống nhỏ, vì đệm dày chiếm nhiều chỗ) • Tính dễ gãy vỡ khi sản xuất (gãy vỡ khi có sự giãn nở các tầng đệm) và khi lắp đặt
Các đệm yên ngựa và đệm vòng bằng céramique đã được thay thế bởi các đệm yên ngựa và đệm vòng bằng kim loại (IMPT của Norton, vòng Pall, CMR của Glitsch, v.v.), chúng dễ sử dụng hơn, vững chắc hơn và cho phép giảm thiểu kích thước tháp. Khuynh hướng hiện nay là sử dụng các loại đệm cấu trúc nhằm cải thiện hơn nữa hiệu năng chuyển khối, tuy nhiên việc sử dụng cũng bị hạn chế do:
• Giá thành khá lớn
• Có độ bền ăn mòn yếu hơn (đệm cấu trúc có cấu tạo mảnh mai hơn đệm yên ngựa và đệm vòng)
• Khó khăn trong việc tháo để làm vệ sinh.
Đệm có kích thước càng nhỏ (đường kính đệm nhỏ) thì hiệu quả càng cao nhưng năng suất càng giảm và khả năng đóng cáu càng gia tăng. Hiệu suất chuyển khối của tháp đệm thường khá cao: bằng 0,5-4 bậc lý thuyết/1m đệm.
Tháp đệm thường được sử dụng trong các trường hợp sau đây: • Xử lý các phân đoạn dầu nhờn bằng furfural
• Tách loại H2S khỏi các phân đoạn dầu mỏ
• Trích ly các hợp chất aromatic từ các phân đoạn C6-C8 (quá trình Duosol)
• Trích ly các hợp chất phénol từ các dòng thải của nhà máy lọc dầu và của quá trình cốc hóa (quá trình Phénosolvant)
3.5.2.2. Hệ thống thiết bị trích ly loại động
a. Thiết bị trộn-lắng (Hình 3.31)
Trong các hệ thống này, giai đoạn 1 là quá trình khuếch tán pha này vào pha kia được thực hiện nhờ năng lượng bên ngoài (cánh khuấy) trong 1 thiết bị trộn, sau đó đến giai đoạn lắng phân pha được thực hiện trong 1 thiết bị lắng riêng. Hiệu quả của mỗi giai đoạn của thiết bị loại này có thể đạt đến 90%. Các thiết bị trộn-lắng cổ điển mà 2 giai đoạn là tách biệt nhau, sử dụng đơn giản nhưng chiếm diện tích mặt bằng lớn. Chúng được gặp nhiều nhất trong các nhà máy có lưu lượng xử lý lớn. Các thiết bị là tách biệt, dễ vận hành cho từng quá trình riêng, nhờ vậy vận tốc khuấy trộn lớn và vận tốc lắng cũng lớn vì ở trong môi trường tĩnh.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 113
Hình 3.31 Hệ thống các thiết bị trộn-lắng
Một dạng thiết bị trộn-lắng đặc biệt dùng cho quá trình trích ly các hợp chất aromatic, trong đó các thiết bị trộn-lắng được chồng chất cái này lên cái khác trong cùng một tháp (tháp trích ly Mehner, Hình 3.32).
Hình 3.32 Thiết bị trộn lắng Lurgi
Các thiết bị trộn-lắng được đánh giá cao vì hiệu quả từng giai đoạn cao và có độ linh động cao (có thể ứng dụng cho nhiều loại nguyên liệu). Tuy nhiên chúng lại có nhược điểm là giá cả cao đối với các hệ thống nhiều giai đoạn và thông thường đòi hỏi phải có mặt bằng lớn.
b. Các hệ thống quay
b1. Thiết bị tiếp xúc đĩa quay và thiết bị tiếp xúc đĩa quay không đối xứng(RDC và ARDC - Rotating Disc Contactor và Asymmetric Rotating Disc Contactor)
Thiết bị RDC (Hình 3.33) là 1 tháp hình trụ trong đó có gắn các đĩa cố định hình vành khăn. Giữa tháp là 1 trục quay có gắn các đĩa tròn. Vùng hoạt động được tạo thành ở khoảng giữa đĩa quay và đĩa cố định. Ở gần đỉnh và đáy tháp là các vùng lắng (nơi tháo sản phẩm) được phân cách khỏi vùng hoạt động giữa tháp bởi một tấm lưới nhằm mục đích hạn chế sự khuấy trong các vùng lắng.
Hình 3.33 Thiết bị tiếp xúc kiểu đĩa quay RDC
Thiết bị ARDC (Hình 3.34) là một sự phát triển của thiết bị RDC, trong đó trục được đặt lệch tâm nhằm tạo 1 vùng lắng từng phần cho các pha ở từng tầng đĩa. Phần nhẹ đi vào trong RDC từ vùng phía dưới và đi qua RDC ngược dòng với pha nặng được đưa vào từ vùng phía trên. Một trong các pha được phân tán vào trong mỗi ngăn nằm giữa hai vòng cố định và kích thước của các
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 114 giọt lỏng được điều khiển bởi vận tốc quay của đĩa.
Hình 3.34 Thiết bị tiếp xúc kiểu đĩa quay bất đối xứng
Trong thiết bị RDC, ngoại trừ các vùng ngoài rìa, không có sự nối tiếp của quá trình phân tán và quá trình kết dính. Sự chuyển động của chất lỏng được tạo thành từ hai thành phần, sự quay và chuyển động dọc chậm, được điều khiển bởi các đĩa quay và các đĩa vành
khăn.
Ngày nay, lại có một số tháp RDC được sử dụng ở các trạng thái tĩnh khi đó RDC hoạt động giống tháp so le. Đó là vì các lý do chủ yếu sau:
• Cần gia tăng cực đại năng suất • Tiết kiệm năng lượng trong sản xuất
Trong trường hợp hiệu quả trích ly của tháp RDC cố định là không thỏa mãn yêu cầu, người ta có thể lắp thêm một tháp bổ sung, thường là tháp đệm, để hoàn tất cho tháp RDC cố định hơn là dùng tháp RDC quay.
b.2. Các tháp trích ly quay khác
Các loại tháp trích ly khác đã được thiết kế nhằm mục đích: • Đạt được hiệu quả trích ly cao
• Giảm thiểu sự trộn ngược
• Cải thiện sự tái trộn pha phân tán trong các bậc
Các tháp trích ly quay được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng quan trọng:
• Đối với tháp RDC: trích ly các hợp chất aromatic (quá trình Shell, Sulfolan) • Đối với tháp Kuhni: trích ly các hợp chất aromatic (quá trình IFP, DMSO)
Các tháp trích ly khác như tháp Kuhni cũng được sử dụng trong công nghiệp hóa chất,dược phẩm, xử lý nước thải, ...
c. Các tháp trích ly luân phiên
Trong các tháp trích ly luân phiên, sự phân tán được bảo đảm bởi quá trình khuấy nhờ các tác động trực tiếp đến khối lượng của chất lỏng và nhờ tác dụng của các mâm đục lỗ. Chúng ta phân biệt hai nhóm thiết bị theo phần động là:
• Các thiết bị trong đó các mâm ở trạng thái động
• Các thiết bị trong đó các mâm là cố định còn khối chất lỏng được khuấy bởi các xung động đều đặn.
c.1. Các thiết bị có mâm động
Thiết bị trích ly Karr (Hình 3.35) được cấu tạo bởi một dãy các mâm đục lỗ (55-60% khu vực tự do, lỗ đường kính từ 7-14mm) được mắc vào nhau nhờ một trục khuấy chuyển động dọc luân phiên. Ở các khoảng đều đặn, có một vòng được gài vào nhằm giảm hiện tượng trộn ngược. Nhằm để hướng bộ cơ cấu này di động dọc và tránh sự tiếp xúc kim loại với kim loại giữa bộ cơ
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 115 cấu với tháp, các vòng bằng PTFE (vật liệu polyme) có đường kính ngoài lớn hơn so với các mâm kim loại được đặt ở ngoài cùng.
Hình 3.35 Tháp mâm động Karr
Các tháp trích ly mâm động được sử dụng để:
• Trích ly các hợp chất aromatic (quá trình Union Carbide bằng TEG)
• Trích ly các hợp chất phénol có trong nước thải nhà máy lọc dầu (quá trình Chempro)
c.2. Các tháp xung
Trong các tháp trích ly xung, các cấu trúc bên trong được cố định còn khối chất lỏng có trong tháp được khuấy bởi các xung đều đặn. Cấu hình này có lợi điểm lớn vì nó giảm thiểu được số lượng các chi tiết cơ khí chuyển động.
Các tháp xung được phân biệt với nhau chủ yếu bởi:
• Bộ phận bên trong tháp có thể được tạo thành từ: các mâm tĩnh (mâm đục lỗ chiếm toàn bộ khu vực tháp, hoặc có các đĩa và vòng (Hình 3.36) hoặc đệm (Hình 3.37)
• Phương cách tạo xung cho khối chất lỏng: cơ học (ví dụ bởi một ống thổi ở chân tháp (hình 3.36) hoặc khí động (Hình 3.37)
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 116
Hình 3.37 Tháp xung kiểu đệm (tao xung khí động)
Trong khi ở trong các tháp có mâm tĩnh (trừ tháp xung) chỉ có một pha chuyển qua các lỗ của mâm còn pha kia đi qua các ống chảy chuyền, thì trong các tháp xung cả hai pha đều chuyển luân phiên qua cùng các lỗ. Điều này bảo đảm cho sự phân tán của một trong các pha và bảo đảm sự khuấy, do đó bảo đảm sự đồng thể hóa của pha liên tục giữa hai bậc.
Ngày nay các tháp xung ngày càng được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như xử lý dòng thải, công nghiệp dược phẩm...
d. Các tháp trích ly ly tâm
Nhằm dễ dàng phân tách các pha, một vài nhà thiết kế đã đưa ra các tháp trích ly có tạo ra một trường trọng lực nhân tạo được gia tốc.
Các thiết bị này có rất nhiều lợi điểm:
• Khả năng xử lý các pha có tỷ trọng gần nhau
• Thời gian lưu nhỏ (áp dụng cho các sản phẩm không bền) • Thể tích thiết bị nhỏ
Chúng ít được sử dụng trong công nghệ dầu mỏ do các nhược điểm sau: • Các hệ thống cơ khí có vận tốc lớn (độ tin cậy, bảo trì kém)