Powszechnie wiadomo, że CO₂ jest najtrudniejszym w obsłudze środkiem spieniającym w procesie wytłaczania pianek spienianych fizycznie. Ma to swoje przyczyny – na przykład punkt nadkrytyczny, kłopotliwy suchy lód czy wyraźne zmiany gęstości wraz ze zmianą temperatury otoczenia. Państwu jako użytkownikom końcowym sama ta wiedza niewiele jednak da. Nadal potrzebują Państwo niezawodnej konstrukcji, która zagwarantuje wydajność linii produkcyjnej. Nie zamierzam przytaczać wielu teorii ani terminów. Chcę po prostu podzielić się naszym praktycznym doświadczeniem w obchodzeniu się z CO₂ przy produkcji płyt XPS.
Schemat instalacji CO₂
Aby lepiej zrozumieć niuanse poszczególnych elementów całej instalacji, zacznijmy od omówienia naszego schematu. Poniższy rysunek nie jest rzeczywistym schematem PID, lecz jedynie szkicem, który pomoże Państwu zrozumieć, w jaki sposób kontrolujemy CO₂. Rzeczywisty schemat PID jest znacznie bardziej złożony – obejmuje kilkadziesiąt zaworów i szereg innych elementów osprzętu.
| Etap | Temperatura | Ciśnienie | Stan CO₂ |
|---|---|---|---|
| Zbiornik CO₂ | ok. −20 °C | 1,6–2,0 MPa | Ciecz |
| Zbiornik pośredni | ok. 25 °C | 6,5-7 MPa | Ciecz |
| Zbiornik chłodzący | 10 °C | 6,5 MPa | Czysta ciecz gotowa do dozowania |
| Cylinder wytłaczarki | ok. 200 °C | — | Stan nadkrytyczny |
Zbiornik CO₂: magazynowanie w postaci ciekłej
CO₂ do zastosowań przemysłowych dostarczany jest zwykle cysternami, które przewożą kilkadziesiąt ton ciekłego CO₂. Następnie magazynuje się go w dużym zbiorniku z izolacją próżniową, o pojemności zazwyczaj około 25 ton. Temperatura CO₂ w zbiorniku wynosi około minus 20 °C, a ciśnienie – od 1,6 do 2,0 MPa. Gdy zmiana temperatury otoczenia powoduje wzrost ciśnienia, zbiornik wypuszcza część CO₂, aby się schłodzić.
Jak wiadomo, ciecz jest znacznie łatwiejsza w obsłudze niż gaz. Dlatego staramy się utrzymać CO₂ w stanie ciekłym przez cały proces. CO₂ ma wysoką prężność pary i bardzo łatwo odparowuje, dlatego musimy zachować równowagę między ciśnieniem a temperaturą.
Na tym opiera się działanie naszej instalacji.
Pompa wspomagająca: ze zbiornika CO₂ do zbiornika pośredniego
Zastosowaliśmy pompę wspomagającą (booster), która przetłacza ciekły CO₂ ze zbiornika CO₂ do zbiornika pośredniego z płaszczem; dzięki płaszczowi temperaturę zbiornika pośredniego można regulować za pomocą wodnego regulatora temperatury.
Jak najkrótsza odległość
Muszę tu wspomnieć o jednej wskazówce: odległość między zbiornikiem CO₂ a zbiornikiem pośrednim musi być jak najmniejsza. CO₂ ma skłonność do odparowywania, więc im dłuższy odcinek, tym większe ryzyko odparowania.
Dlatego zaleca się umieszczenie pompy wspomagającej pod zbiornikiem CO₂. Nawet wtedy odparowanie wciąż zdarza się sporadycznie.
Gdy pompa wspomagająca nie tłoczy
Jeśli pompa wspomagająca nie tłoczy CO₂ prawidłowo, prawdopodobnie doszło do odparowania. Na taką sytuację przewidziano zawór upustowy: należy go otworzyć i wypuścić odparowany CO₂, aby schłodzić głowicę pompy wspomagającej.
Trzeba to robić bardzo ostrożnie, ponieważ przy zbyt szerokim otwarciu zaworu upustowego CO₂ łatwo przechodzi w suchy lód, który blokuje rurociąg, a jego roztopienie trwa bardzo długo.
Wydajność pompy i rurociągi
Aby do tego nie dopuścić, wydajność pompy wspomagającej powinna być dziesięciokrotnie większa niż wydajność pompy dozującej – wtedy pompa wspomagająca nie musi pracować bez przerwy, lecz tylko okresowo.
Zaleca się też dłuższy przewód upustowy, który zapobiega zamarzaniu przewodu wlotowego pompy wspomagającej przez suchy lód. Ponadto izolacja rurociągów w całej instalacji sprzyja stabilnemu transportowi CO₂ i pozwala oszczędzać energię.
Zbiornik pośredni: stała temperatura i ciśnienie
Zadaniem zbiornika pośredniego jest utrzymanie CO₂ w określonej temperaturze (około 25 °C), tak aby ciśnienie w całej instalacji było stabilne i wystarczająco wysokie (6,5–7 MPa). Te dwa warunki zapewniają stałe właściwości fizyczne CO₂ i przygotowują go do precyzyjnego dozowania do wytłaczarki dwuślimakowej. Jak wspomniałem wcześniej, gęstość CO₂ zmienia się wraz z temperaturą.
Alarm poziomu przy 70% objętości
Alarm najwyższego poziomu CO₂ w zbiorniku pośrednim należy ustawić na nie więcej niż 70% całkowitej objętości zbiornika – na wypadek awarii, np. przerwy w dostawie prądu latem w gorącym regionie, przez którą temperatura otoczenia zbiornika pośredniego może wzrosnąć. CO₂ może wtedy przejść w stan nadkrytyczny, w którym jego zachowanie jest trudniejsze do kontrolowania i przewidzenia. W efekcie objętość CO₂ znacznie się zwiększa. Jeśli wolnej przestrzeni będzie za mało, zbiornik pośredni może znaleźć się w niebezpieczeństwie.
Dlaczego 25 °C
Zanim CO₂ trafi do zbiornika pośredniego, jest podgrzewany, aby jego temperatura w zbiorniku pośrednim miała zamierzoną wartość. Zwykle wynosi ona 25 °C. W tej temperaturze ciśnienie w zbiorniku pośrednim wynosi około 6,5 MPa.
Dlaczego ustawia się właśnie tę temperaturę? W Chinach granicą między zbiornikami średniociśnieniowymi a wysokociśnieniowymi jest 10 MPa. Zbiornik wysokociśnieniowy wymaga bardziej złożonych certyfikatów i jest droższy. Ciśnienie obliczeniowe 7 MPa pozwala więc utrzymać zbiornik pośredni w klasie średniociśnieniowej.
Zbiornik chłodzący i dozowanie
Po przejściu przez zbiornik pośredni CO₂ trafia do kolejnego zbiornika chłodzącego, który obniża jego temperaturę do 10 °C. Przy ciśnieniu 6,5 MPa i temperaturze 10 °C CO₂ jest czystą cieczą. A im bardziej ciekły, tym łatwiej go dozować. W tym stanie CO₂ można bez trudu dozować do wytłaczarki pierwszego stopnia (wytłaczarki dwuślimakowej).
Trzeba zwrócić uwagę na jeszcze jedno: głowicę pompy należy chłodzić agregatem wody lodowej (chillerem). Pracujące głowice pompy wytwarzają ciepło, które może powodować odparowanie ciekłego CO₂ i zakłócać proces.
Usuwanie uwięzionych par CO₂
Nawet jeśli zadbano o wszystkie powyższe kwestie, nie gwarantuje to jeszcze prawidłowej obsługi CO₂. Jeżeli na którymkolwiek odcinku rurociągu zostaną uwięzione pary CO₂, instalacja nie będzie działać prawidłowo.
Należy wówczas bardzo ostrożnie otworzyć zawór upustowy, aby nie dopuścić do powstania dużej ilości suchego lodu. Zdecydowanie zaleca się zawór upustowy przed zaworem wtryskowym. Gdy zobaczą Państwo wydobywający się biały dym (drobne cząstki suchego lodu), wystarczy zamknąć zawór. Teraz podawanie CO₂ przebiega prawidłowo.
Pompy i inne instalacje CO₂
Tak właśnie kontrolujemy instalację CO₂. Rozwiązanie to uwzględnia jednocześnie produkcję w Chinach, koszty, niezawodność i praktyczność. CO₂ można też bardzo dobrze kontrolować w inny sposób. Na przykład pakiety LINDE PRESUS i DSD również umożliwiają precyzyjną obsługę CO₂. Nasz system opiera się po prostu na komponentach produkowanych w Chinach.
Pompa tłokowa czy membranowa
Z naszego wieloletniego doświadczenia wynika, że chińskie pompy tłokowe bez problemu radzą sobie z CO₂. Ich wadą jest to, że z czasem ryzyko nieszczelności jest w nich większe niż w pompach membranowych. CO₂ jest jednak nietoksyczny i niepalny, więc nie ma sensu przejmować się tym ryzykiem. Co więcej, materiały uszczelniające są bardzo tanie i łatwo dostępne. Wymianę uszczelnień można włączyć do rutynowych prac konserwacyjnych.
Natomiast palne środki spieniające, takie jak HFC152a, etanol, eter dimetylowy (DME) czy izobutan, lepiej dozować pompą membranową.
Instalacja CO₂ w naszym laboratorium wytłaczania pianek
W naszym laboratorium wytłaczania pianek stosujemy inny system, który bardzo dobrze radzi sobie z małymi ilościami CO₂. Obecnie służy on jednak wyłącznie do celów laboratoryjnych. System ten schładza CO₂ do minus 20 °C, dzięki czemu CO₂ pozostaje czystą cieczą przy niewielkim ciśnieniu. Zwykle pracuje z butlą CO₂ zawierającą zaledwie kilkadziesiąt kilogramów CO₂. Jest stosunkowo niedrogi i łatwy w obsłudze.
CO₂ w stanie ciekłym przez cały proces
Podsumowując: najlepiej utrzymywać CO₂ w stanie czystej cieczy przez cały proces jego obsługi.
Jeśli chodzi o tzw. linie do produkcji płyt XPS spienianych nadkrytycznym CO₂, nazwa ta bierze się stąd, że CO₂ przechodzi w stan nadkrytyczny po wtryśnięciu do cylindra, w którym temperatura wynosi około 200 °C. Nazwa nie ma nic wspólnego z procesem obsługi CO₂.
