Chưng cất tốn năng lượng vì muốn tách thì phải biến chất lỏng thành hơi, và hoá hơi đòi lượng nhiệt rất lớn; trong tháp có hồi lưu, cùng một lượng chất còn bị hoá hơi rồi ngưng tụ nhiều lần. Nhiệt cấp vào ở đáy tháp bằng hơi nước nóng hoặc lò đốt, rồi phần lớn bị thải ra ở đỉnh qua nước làm mát, nên hiệu suất sử dụng năng lượng thấp. Theo bài tổng quan của David Sholl và Ryan Lively trên tạp chí Nature năm 2016, các quá trình tách chiếm khoảng 10–15% năng lượng tiêu thụ của thế giới, trong đó chưng cất là phần lớn nhất.
Năng lượng đi đâu: tính nhẩm bằng nhiệt ẩn
Đun nóng chất lỏng tới điểm sôi chỉ là phần nhỏ. Phần lớn năng lượng nằm ở nhiệt hoá hơi, gọi là nhiệt ẩn.
| Chất | Nhiệt hoá hơi ở điểm sôi (khoảng) |
|---|---|
| Nước | 2.260 kJ/kg |
| Metanol | 1.100 kJ/kg |
| Etanol | 840 kJ/kg |
| Aceton | 520 kJ/kg |
| Benzen, hexan | khoảng 370–390 kJ/kg |
Một ví dụ minh hoạ đơn giản: tháp cần lấy ra 1 tấn sản phẩm đỉnh với tỉ số hồi lưu 3. Như vậy mỗi tấn sản phẩm, đỉnh tháp phải ngưng tụ 4 tấn hơi (3 tấn trả lại, 1 tấn lấy ra), tức nồi đun đáy phải hoá hơi tương ứng chừng ấy. Nếu chất có nhiệt hoá hơi 400 kJ/kg, riêng phần này đã là khoảng 1,6 GJ cho mỗi tấn sản phẩm, tương đương nhiệt của vài chục kilôgam dầu đốt. Với các hỗn hợp khó tách cần tỉ số hồi lưu 10, 15 hay hơn, con số nhân lên tương ứng.
Tách nước còn tốn hơn vì nhiệt hoá hơi của nước gấp vài lần chất hữu cơ. Đây là lý do khử mặn nước biển bằng chưng cất tốn năng lượng hơn nhiều so với màng thẩm thấu ngược, và các nhà máy chưng cất nước biển thường đặt cạnh nhà máy điện để tận dụng nhiệt thừa.
Vì sao hiệu suất lại thấp
Năng lượng tối thiểu theo lý thuyết để tách hai chất, tính bằng nhiệt động học, thường nhỏ hơn rất nhiều so với lượng nhiệt một tháp thật tiêu thụ. Lý do nằm ở cách tháp dùng năng lượng.
- Nhiệt vào ở nhiệt độ cao, ra ở nhiệt độ thấp: nồi đun đáy nhận hơi nước ở nhiệt độ cao hơn đáy tháp; thiết bị ngưng tụ ở đỉnh thải nhiệt ra nước làm mát ở nhiệt độ thấp. Lượng nhiệt vào và ra gần bằng nhau; cái mất đi là "chất lượng" của nhiệt. Nhiệt ở 150 °C dùng được vào nhiều việc, nhiệt ở 40 °C trong nước làm mát gần như vô dụng.
- Chênh lệch nhiệt độ ở mọi chỗ trao đổi: để nhiệt chảy được phải có chênh lệch, và mỗi chênh lệch là một chút mất mát không lấy lại được.
- Trộn lẫn bên trong tháp: dòng nạp liệu, dòng hồi lưu không trùng thành phần với đĩa chúng đi vào, sự trộn lẫn đó làm hỏng một phần công tách đã bỏ ra.
Kết quả là hiệu suất nhiệt động của nhiều tháp chưng cất thông thường chỉ vài phần trăm đến khoảng một phần năm. Ngược lại, đó cũng là cơ hội: dư địa tiết kiệm rất lớn.
Trong nhà máy lọc dầu và hoá chất, chưng cất chiếm phần nào
Ở nhà máy lọc dầu, dầu thô được nung trong lò đốt lên khoảng 350 °C trước khi vào tháp chưng cất khí quyển, phần cặn lại được nung lần nữa cho tháp chân không. Các lò nung này đốt một phần nhiên liệu do chính nhà máy sản xuất ra. Ở nhà máy hoá chất, các cụm tháp tách sản phẩm và tinh chế dung môi thường là nơi tiêu thụ hơi nước nhiều nhất. Các nghiên cứu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ từng ước tính chưng cất chiếm khoảng 40% năng lượng dùng trong ngành hoá chất và lọc dầu của nước này; con số cụ thể từng nhà máy thay đổi theo sản phẩm và tuổi thiết bị.
Chính vì vậy, khi nói tới tiết kiệm năng lượng hay giảm phát thải trong công nghiệp hoá chất, tháp chưng cất luôn là cái tên đầu danh sách.
Những cách tiết kiệm đang được dùng
| Giải pháp | Ý tưởng | Ghi chú |
|---|---|---|
| Tích hợp nhiệt | Dùng dòng nóng cần làm lạnh để đun dòng lạnh cần làm nóng, ví dụ sản phẩm đáy nóng gia nhiệt cho dòng nạp liệu | Phương pháp phân tích "điểm kẹp" (pinch) do Bodo Linnhoff và cộng sự phát triển từ cuối thập niên 1970 giúp tìm cách ghép tối ưu |
| Nén hơi cơ học, bơm nhiệt | Nén hơi ở đỉnh cho nóng lên rồi dùng chính nó đun đáy tháp | Hợp với cặp chất sôi gần nhau, chênh nhiệt đỉnh – đáy nhỏ; dùng điện thay hơi đốt |
| Chưng cất nhiều hiệu | Cho tháp áp suất cao "đun" tháp áp suất thấp | Phổ biến trong cô đặc và khử mặn bằng nhiệt |
| Tháp vách ngăn | Một tháp có tấm vách dọc bên trong, tách ba sản phẩm thay cho hai tháp | Ý tưởng cấu hình Petlyuk từ thập niên 1960; BASF đưa tháp vách ngăn vào sản xuất từ giữa thập niên 1980 |
| Tối ưu vận hành | Giữ tỉ số hồi lưu sát mức cần, điều khiển tự động, sửa đĩa hỏng, bọc cách nhiệt | Rẻ nhất, thường là việc làm đầu tiên |
| Phối hợp với màng, hấp phụ | Để chưng cất làm phần dễ, màng hoặc rây phân tử làm phần khó | Ví dụ rây phân tử làm khan cồn sau tháp |
Một hướng dài hạn là thay hẳn chưng cất bằng phương pháp ít tốn nhiệt cho những phép tách cụ thể, như dùng màng hoặc vật liệu hấp phụ chọn lọc để tách các đồng phân xylen hay olefin khỏi parafin. Bài báo năm 2016 nói trên chính là lời kêu gọi theo hướng này; nhiều công nghệ còn ở giai đoạn nghiên cứu hoặc thử nghiệm.
Ở lò cất tinh dầu, câu chuyện y hệt nhưng nhỏ hơn
Lò cất tinh dầu tràm, sả, quế ở làng quê là một ví dụ thu nhỏ của bài toán năng lượng. Tinh dầu chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong nguyên liệu, nhưng lò phải hoá hơi rất nhiều nước để lôi cuốn nó ra. Gần như toàn bộ củi, ga hay điện đốt vào đều để làm ra hơi nước, rồi nhiệt đó trôi theo nước làm mát ra mương.
Những việc người làm nghề có thể làm để bớt tốn, theo đúng logic của nhà máy lớn:
- Bọc cách nhiệt thân nồi và đường ống hơi, che gió cho lò.
- Dùng nước làm mát đã ấm lên ở đầu ra để cấp cho nồi mẻ sau thay vì nước lạnh.
- Cho nước cất sau khi tách dầu quay lại nồi (cách người ta gọi là cohobation), vừa vớt thêm phần thơm tan trong nước, vừa không phải đun nước mới từ đầu.
- Xếp nguyên liệu đều để hơi không đi theo đường tắt, tránh kéo dài mẻ cất.
- Tận dụng bã khô sau cất làm chất đốt, nếu đốt trong lò kín, có ống khói tốt.
Lưu ý an toàn: mọi thay đổi liên quan tới nồi hơi, nồi có áp suất phải theo quy định kiểm định thiết bị chịu áp lực; không tự cơi nới, hàn chắp nồi để tăng áp.
Góc nhìn hôm nay: tiết kiệm năng lượng cũng là luật
Ở Việt Nam, Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả có hiệu lực từ năm 2011 yêu cầu các cơ sở sử dụng năng lượng trọng điểm, trong đó có nhiều nhà máy hoá chất, lọc dầu, thực hiện kiểm toán năng lượng định kỳ và có kế hoạch sử dụng năng lượng. Kiểm toán năng lượng ở một nhà máy hoá chất gần như chắc chắn sẽ dừng lâu ở các cụm tháp chưng cất.
Người muốn tìm hiểu sâu hơn có thể đọc phần tích hợp nhiệt trong giáo trình Thiết kế quá trình công nghệ hoá học, cuốn "Distillation Design" của Henry Z. Kister cho góc nhìn vận hành, và bài "Seven chemical separations to change the world" của Sholl và Lively trên Nature (2016) để thấy vì sao các nhà khoa học coi việc giảm năng lượng tách là một bài toán lớn của thế kỷ này.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chưng cất tốn nhiều năng lượng?
Vì phải biến chất lỏng thành hơi, việc đòi lượng nhiệt hoá hơi rất lớn, và trong tháp có hồi lưu thì cùng một lượng chất bị hoá hơi rồi ngưng tụ nhiều lần. Phần lớn nhiệt cấp vào cuối cùng bị thải ra nước làm mát ở nhiệt độ thấp.
Chưng cất chiếm bao nhiêu năng lượng trong công nghiệp?
Theo bài tổng quan trên Nature năm 2016, các quá trình tách chiếm khoảng 10–15% năng lượng tiêu thụ của thế giới, và chưng cất là phần lớn nhất trong đó. Trong từng nhà máy hoá chất hay lọc dầu, cụm tháp chưng cất thường là nơi tiêu thụ hơi nước nhiều nhất.
Làm sao giảm năng lượng cho tháp chưng cất?
Các cách phổ biến là tích hợp nhiệt giữa các dòng nóng và lạnh, nén hơi đỉnh để đun đáy, ghép tháp nhiều hiệu, dùng tháp vách ngăn, tối ưu tỉ số hồi lưu và phối hợp chưng cất với màng hoặc rây phân tử.
Tháp vách ngăn là gì?
Tháp vách ngăn là tháp chưng cất có một tấm vách dọc bên trong, cho phép tách một hỗn hợp ba thành phần trong một tháp thay vì hai tháp nối tiếp. Nó thường tiết kiệm đáng kể năng lượng và mặt bằng so với cách bố trí truyền thống.
Lò cất tinh dầu tiết kiệm nhiên liệu bằng cách nào?
Bọc cách nhiệt nồi và ống hơi, dùng nước làm mát đã ấm cấp cho mẻ sau, cho nước cất quay lại nồi, xếp nguyên liệu đều và tận dụng bã khô làm chất đốt trong lò kín. Mọi thay đổi với nồi có áp suất phải theo quy định kiểm định an toàn.
