Sử dụng sắc ký khí quá trình (GC) trong chưng cất
Tối ưu hóa quy trình thông qua phân tích trực tuyến
Phân tích quá trình, kết hợp với tích hợp hệ thống tinh vi, đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành hiệu quả các nhà máy sản xuất hóa chất. Một ví dụ thực tiễn trong quy trình chưng cất mang lại cái nhìn sâu sắc về những khía cạnh quan trọng trong khâu lập kế hoạch và triển khai.
Tại sao cần đầu tư thêm thiết bị đắt tiền trong nhà máy?
Áp lực thị trường hiện nay là rất lớn đối với cả nhà vận hành và nhà sản xuất thiết bị phân tích. Việc tiết kiệm năng lượng đắt đỏ là điều bắt buộc. Một công cụ phù hợp để thực hiện điều này là Hệ thống Điều khiển Quá trình Nâng cao (Advanced Process Control – APC). Để triển khai APC, thiết bị phân tích cần cung cấp dữ liệu kịp thời để người vận hành phản ứng nhanh với sự thay đổi trong quy trình. Đôi khi, chỉ một lượng nhỏ chất độc hại cũng đủ phá hủy chất xúc tác. Phân tích các thành phần vết như arsine trong C3 hay amoniac trong sản phẩm C2 ngày càng trở nên quan trọng nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng. Các nhà sản xuất muốn tránh các lô hàng không đạt chuẩn – điều này có thể dẫn đến việc phải tái xử lý lượng lớn nguyên liệu. Giải pháp là tối ưu hóa quy trình hiệu quả thông qua phân tích trực tuyến.
GC quá trình – Khoản đầu tư hoàn vốn nhanh chóng
Một lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của GC là giám sát cột chưng cất. Nhiều biến số như lưu lượng và nhiệt độ cần được theo dõi để tối ưu hóa hoạt động. Bên cạnh đó, phân tích kiểm soát cũng rất quan trọng nhằm đánh giá hiệu quả tinh chế trong cột chưng cất – liệu sản phẩm đầu ra có đạt độ tinh khiết yêu cầu?
Một yếu tố then chốt là GC giúp người vận hành điều chỉnh sát mức tinh khiết tối đa được cho phép của sản phẩm, nhằm đạt chuẩn đầu ra. Nếu không có GC, người vận hành thường phải đặt thông số hồi lưu (reflux) bảo thủ hơn, ít linh hoạt, dẫn đến chi phí năng lượng cao hơn do phải đun nóng/làm lạnh nhiều hơn mức cần thiết. Đồng thời, tốc độ hồi lưu cao cũng làm giảm công suất xử lý.
GC cho phép điều chỉnh hồi lưu chính xác theo điều kiện thực tế, từ đó giảm chi phí năng lượng mà vẫn duy trì tốc độ sản xuất tối đa. GC tích hợp trong cột chưng cất có thể tăng năng suất từ 5–15% và giảm tương ứng lượng năng lượng tiêu thụ. Thời gian hoàn vốn thường dưới một năm – thậm chí chỉ cần một lần phân tích mỗi ngày cũng đã có lợi về mặt kinh tế.
Công nghệ phân tích quá trình
Sắc ký khí quá trình đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp suốt nhiều thập kỷ, đặc biệt là trong tối ưu hóa cột chưng cất. Người dùng đánh giá cao công nghệ này bởi:
- Hệ thống phân tích được chứng minh hiệu quả trong thực tiễn, dễ tự động hóa.
- Có thể đo đồng thời nhiều thành phần.
- Phân tích thường không bị nhiễu vì nguyên lý sắc ký dựa trên tách vật lý của các chất khí hoặc lỏng (nếu có thể bay hơi).
Đối với các mẫu lỏng phức tạp, hệ thống phân tích có thể bao gồm: van định lượng mẫu lỏng, cột mao quản, công nghệ chuyển cột không van, và các đầu dò như FID (Flame Ionization Detector), WLD (Thermal Conductivity Detector) hoặc FPD (Flame Photometric Detector). GC có thể tích hợp nhiều vùng tách phân tích khác nhau. Cấu hình này giúp tăng hiệu suất phân tích vượt trội so với các cột nhồi truyền thống.
GC Maxum Edition II của Siemens cung cấp công cụ phân tích linh hoạt, cho phép sử dụng nhiều van và phương pháp tách mẫu phù hợp với từ các hỗn hợp đơn giản đến phức tạp. FID của Siemens có ưu điểm là đầu dò được đặt ngoài buồng phân tích và được gia nhiệt riêng biệt, giúp tăng độ bền và giảm ăn mòn do ngưng tụ.
Ứng dụng tại nhà máy polyvinyl alcohol của Kuraray
GC quá trình mang tính linh hoạt cao, do đó việc thiết kế và chế tạo hệ thống chuẩn bị mẫu là yếu tố quyết định. Khi phân tích nhiều dòng mẫu khác nhau bằng một thiết bị, cần có hệ thống Fast Loop để đưa mẫu về GC nhanh chóng, đảm bảo mẫu đại diện và kịp thời.
Trong ngành công nghiệp, mẫu phân tích thường dễ cháy, nổ hoặc có xu hướng trùng hợp. Vì lý do an toàn, Fast Loop thường được đặt ngoài phòng phân tích, chỉ đưa lượng mẫu nhỏ vào bên trong. Dự án của Kuraray đã tích hợp hệ thống xử lý mẫu thông minh, có kiểm soát lưu lượng, đưa dòng mẫu lỏng quay ngược lại vào quá trình – không thất thoát nguyên liệu, không tiêu tốn năng lượng bổ sung và không tạo khí thải.
Do đặc tính dễ cháy của mẫu, AGT-PSG đã xây dựng một phòng phân tích đặc biệt, bao gồm hệ thống thông gió, giám sát LEL, độc tính và hệ thống ngắt mẫu tự động khi có cảnh báo.
Sự phối hợp chặt chẽ giữa chuyên gia quy trình của Kuraray, chuyên gia GC của Siemens và đội ngũ tích hợp hệ thống của AGT-PSG là yếu tố thành công then chốt. Sau khi xác định điểm lấy mẫu và thông số đo phù hợp, Siemens tiến hành thử nghiệm khả năng tách và độ lặp. Kết quả cho thấy hệ thống GC hoạt động hiệu quả ngay cả với GC không có không khí trong các điều kiện nhiệt độ thay đổi lớn.
AGT-PSG không chỉ thiết kế và xây dựng phòng phân tích an toàn mà còn cung cấp toàn bộ hệ thống chuẩn bị mẫu, cấp khí và tích hợp hoàn chỉnh GC Maxum Ed. II. Nhờ sự hợp tác hiệu quả của các bên, dự án được triển khai thành công, nâng cao đáng kể hiệu suất nhà máy.