Cách kiểm soát CO₂ trong dây chuyền sản xuất tấm XPS

Để hiểu rõ hơn những điểm mấu chốt ở từng bộ phận của hệ thống, hãy bắt đầu bằng phần giải thích sơ đồ quy trình. Sơ đồ dưới đây không phải là P&ID thực tế mà chỉ là bản phác thảo giúp Quý khách hiểu cách chúng tôi kiểm soát CO₂. P&ID thực tế phức tạp hơn nhiều, gồm hàng chục van và một số phụ kiện khác.

CO₂ công nghiệp thường được chở đến bằng xe bồn chở hàng chục tấn CO₂ lỏng, rồi được chứa trong một bồn lớn cách nhiệt chân không, dung tích thông thường khoảng 25 tấn. Nhiệt độ CO₂ trong bồn khoảng âm 20 °C, áp suất từ 1,6–2,0 MPa. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi làm áp suất tăng, bồn sẽ xả bớt CO₂ để tự làm mát.

Như Quý khách đã biết, chất lỏng dễ xử lý hơn nhiều so với chất khí. Vì vậy, chúng tôi tìm cách giữ CO₂ ở trạng thái lỏng trong suốt quá trình. Do CO₂ có áp suất hơi cao nên rất dễ hóa hơi, chúng tôi phải cân bằng giữa áp suất và nhiệt độ.

Đây là nền tảng cho cách vận hành của hệ thống chúng tôi.

Chúng tôi dùng một bơm tăng áp để chuyển CO₂ lỏng từ bồn chứa sang bồn trung gian. Bồn trung gian có thành dạng áo bọc (jacket), nhờ đó nhiệt độ của bồn được điều khiển bằng bộ điều nhiệt nước.

Giữ khoảng cách ngắn

Một lưu ý cần nêu ở đây là khoảng cách giữa bồn chứa CO₂ và bồn trung gian phải càng ngắn càng tốt. Do CO₂ có xu hướng hóa hơi, khoảng cách càng dài thì nguy cơ hóa hơi càng lớn.

Vì vậy, nên đặt bơm tăng áp ngay dưới bồn chứa CO₂. Dù vậy, hiện tượng hóa hơi đôi khi vẫn xảy ra.

Khi bơm tăng áp không bơm được

Khi bơm tăng áp không bơm CO₂ bình thường được, nhiều khả năng đã xảy ra hóa hơi. Van xả được thiết kế cho tình huống này: hãy mở van để xả CO₂ đã hóa hơi ra ngoài, nhằm hạ nhiệt độ đầu bơm tăng áp.

Thao tác này phải thực hiện hết sức cẩn thận, vì nếu mở van xả quá lớn, CO₂ dễ chuyển thành đá khô gây tắc đường ống, và phải mất rất lâu mới tan hết.

Lưu lượng bơm và đường ống

Để tránh tình trạng này, lưu lượng của bơm tăng áp nên lớn gấp mười lần bơm định lượng, nhờ đó bơm tăng áp không phải chạy liên tục mà chỉ hoạt động theo chu kỳ.

Ngoài ra, nên dùng đường ống xả dài hơn để tránh đá khô làm đóng băng ống hút của bơm tăng áp. Đường ống cách nhiệt cho toàn hệ thống cũng giúp việc vận chuyển CO₂ ổn định hơn và tiết kiệm năng lượng.

Bồn trung gian có nhiệm vụ giữ CO₂ ở một nhiệt độ nhất định (khoảng 25 °C) để duy trì áp suất toàn hệ thống ổn định và đủ cao (6,5–7 MPa). Hai điều kiện này bảo đảm tính chất vật lý của CO₂ không đổi và giúp CO₂ sẵn sàng để định lượng chính xác vào máy đùn trục vít đôi. Như đã nói ở trên, khối lượng riêng của CO₂ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.

Báo động mức ở 70% thể tích

Mức báo động cao nhất của CO₂ trong bồn trung gian không nên vượt quá 70% tổng thể tích bồn, để phòng sự cố, chẳng hạn mất điện vào mùa hè ở vùng nóng khiến nhiệt độ quanh bồn trung gian tăng cao. Khi đó CO₂ có thể chuyển sang trạng thái siêu tới hạn, khó kiểm soát và khó dự đoán hơn, và thể tích CO₂ sẽ giãn nở rất mạnh. Nếu không đủ khoảng trống, bồn trung gian có thể gặp nguy hiểm.

Vì sao là 25 °C

Trước khi vào bồn trung gian, CO₂ được gia nhiệt để nhiệt độ CO₂ trong bồn đạt đúng mức dự kiến, thông thường là 25 °C. Ở nhiệt độ này, áp suất trong bồn trung gian khoảng 6,5 MPa.

Vì sao lại chọn nhiệt độ này? Tại Trung Quốc, 10 MPa là ranh giới giữa bình chịu áp lực trung áp và cao áp. Bình cao áp đòi hỏi chứng nhận phức tạp hơn và đắt hơn. Vì vậy, áp suất thiết kế 7 MPa giúp bồn trung gian nằm trong nhóm trung áp.

Sau bồn trung gian, CO₂ đi vào một bình làm mát khác để hạ nhiệt độ xuống 10 °C. Ở điều kiện 6,5 MPa và 10 °C, CO₂ hoàn toàn ở dạng lỏng; càng lỏng thì càng dễ định lượng. CO₂ ở trạng thái này có thể dễ dàng định lượng vào máy đùn sơ cấp (máy đùn trục vít đôi).

Một điểm cần lưu ý là đầu bơm phải được làm mát bằng máy làm lạnh (chiller). Khi làm việc, đầu bơm sinh nhiệt, có thể làm CO₂ lỏng hóa hơi và gây trục trặc cho quá trình.

Ngay cả khi đã xử lý tất cả các điểm trên, vẫn chưa chắc CO₂ được xử lý đúng. Nếu có đoạn đường ống nào giữ lại CO₂ đã hóa hơi, hệ thống sẽ không hoạt động bình thường.

Khi đó cần mở van xả hết sức thận trọng để tránh tạo khối đá khô lớn. Chúng tôi đặc biệt khuyến nghị bố trí van xả trước van phun. Khi thấy khói trắng (các hạt đá khô nhỏ) thoát ra là được, chỉ cần đóng van lại. Lúc này CO₂ đã hoạt động bình thường.

Đây là cách chúng tôi kiểm soát hệ thống CO₂, kết hợp các yếu tố: thiết bị sản xuất tại Trung Quốc, tính kinh tế, độ tin cậy và tính thực tiễn. Cũng có những cách khác kiểm soát CO₂ rất tốt, chẳng hạn gói LINDE PRESUS và DSD cũng xử lý CO₂ chính xác. Chỉ là hệ thống của chúng tôi được xây dựng dựa trên thiết bị sản xuất tại Trung Quốc.

Bơm piston hay bơm màng

Theo kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi, bơm piston sản xuất tại Trung Quốc hoàn toàn không gặp vấn đề khi xử lý CO₂. Nhược điểm của bơm piston sản xuất tại Trung Quốc là theo thời gian, nguy cơ rò rỉ lớn hơn bơm màng. Nhưng CO₂ không độc và không cháy, nên không cần lo ngại về rủi ro này. Hơn nữa, vật tư làm kín rất rẻ và dễ tìm; việc thay vật tư làm kín có thể đưa vào công việc bảo dưỡng định kỳ.

Tuy nhiên, các chất tạo bọt dễ cháy như HFC152a, etanol, dimetyl ete (DME), isobutan… nên dùng bơm màng.

Hệ thống CO₂ tại phòng thí nghiệm đùn xốp của chúng tôi

Phòng thí nghiệm đùn xốp của chúng tôi dùng một hệ thống khác, xử lý rất tốt CO₂ với lượng nhỏ, nhưng hiện chỉ dùng trong phòng thí nghiệm. Hệ thống này làm lạnh CO₂ xuống âm 20 °C để CO₂ hoàn toàn ở dạng lỏng với áp suất thấp. Hệ thống thường làm việc với một bình CO₂ chỉ chứa vài chục kg CO₂, chi phí tương đối thấp và dễ vận hành.

Tóm lại, tốt nhất là giữ CO₂ hoàn toàn ở trạng thái lỏng trong suốt quá trình xử lý.

Còn với cái gọi là dây chuyền sản xuất tấm XPS tạo bọt bằng CO₂ siêu tới hạn, tên gọi này xuất phát từ việc CO₂ chuyển sang trạng thái siêu tới hạn khi được phun vào xi lanh, nơi nhiệt độ khoảng 200 °C. Tên gọi này không liên quan đến quá trình xử lý CO₂.