Xử lý vật liệu rắn: Thành công bắt đầu từ việc đo lường những điều căn bản

Thiết kế một quy trình mới để sản xuất vật liệu rắn dạng hạt thường dễ hơn so với việc sửa chữa hoặc cải tiến một quy trình hiện có. Xử lý vật liệu rắn là một lĩnh vực kỹ thuật đặc thù. Nhiều tính chất quan trọng cần thiết để hiểu một vấn đề về dòng chảy hay chất lượng sản phẩm lại không dễ xác định. Khiếu nại phổ biến nhất đối với một quy trình đang vận hành là: sản phẩm đã thay đổi, trong khi quy trình và nguyên liệu không hề thay đổi. Điều họ thực sự muốn nói là: chúng ta đang thiếu một số dữ liệu vật lý trong quá trình, chẳng hạn như một dạng thù hình (polymorph) hoặc một đồng phân đối quang (enantiomer - hai phân tử giống nhau về thành phần và cấu trúc hóa học nhưng định hướng khác nhau trong không gian).

Việc xác định các tính chất vật lý của vật liệu rắn dạng hạt thường rất tốn kém (hãy nghĩ đến việc phải đo độ tan của tất cả các dạng thù hình), nên khi phát triển quy trình ban đầu, chúng ta chỉ thu thập được những dữ liệu có thể, rồi tiếp tục triển khai.

Vấn đề với một quy trình đang vận hành là: những người phát triển ban đầu đã không còn ở đó, còn những người vận hành hiện tại thì đã tự điều chỉnh quy trình mà không có tài liệu ghi chép đầy đủ.

Trong các quy trình hóa học hiện đại ngày nay, những thay đổi như vậy thường sẽ được ghi lại hoặc đánh giá kỹ lưỡng trước khi áp dụng vào thực tế.

Cần lưu ý rằng, không có thiết lập nào nằm ngoài “thực hành tốt”, và nhiều thay đổi trong số đó không ảnh hưởng đến sản phẩm. Tuy nhiên, theo thời gian, những thay đổi nhỏ này lại trở thành quy chuẩn vận hành mặc định.

Tôi nhớ một quy trình mà phân tích sản phẩm đầu ra từ thiết bị kết tinh cho thấy 10% thành phần không xác định, và tỷ lệ này đã tăng dần suốt vài tháng. Hóa ra, những thay đổi nhỏ tưởng chừng vô hại ấy đã tích tụ lại, làm dịch chuyển cân bằng của một phản ứng phụ trong dòng quy trình.

Trải nghiệm đó khiến tôi luôn nhớ rằng: Bạn không thể làm nghiên cứu trong môi trường sản xuất.

Các thông số thiết kế của quá trình xử lý vật liệu rắn

Tuy nhiên, việc thiết kế một quy trình mới mở ra cơ hội để thu thập thêm nhiều thuộc tính vật lý quan trọng và phổ biến, vốn rất cần thiết để hiểu rõ quá trình xử lý vật liệu rắn. Hãy bắt đầu từ những yếu tố cơ bản:

- Độ ẩm và sự thay đổi của nó trong khối vật liệu cũng như bên trong từng hạt

- Kích thước hạt và phân bố kích thước ở từng bước trong quy trình

- Tải lượng chất rắn (solids loading) ở các giai đoạn khác nhau của quá trình

Hầu hết các nhà máy đều có thể cung cấp số liệu cơ bản cho những thuộc tính này.

Tuy nhiên, những thuộc tính này thường không phải là một con số cố định, mà là một dải giá trị (range).

Độ ẩm: Đây là yếu tố thay đổi trong suốt một mẻ và ngay cả bên trong từng hạt. Chúng tôi từng gặp vấn đề vón cục với nguyên liệu được lưu trữ một thời gian sau khi sấy. Trong trường hợp đó, thông số quan trọng chính là độ ẩm tới hạn (mức độ ẩm mà tại đó quá trình sấy chuyển từ giai đoạn có tốc độ sấy không đổi sang giai đoạn có tốc độ sấy giảm.).

Sau thiết bị kết tinh, đơn vị lọc tạo ra bánh lọc có độ ẩm cao hơn nhiều so với độ ẩm tới hạn. Tuy nhiên, độ ẩm này lại thay đổi theo thời gian. Nghiên cứu trước đó cho thấy thời gian sấy 30 phút là đủ để đạt được độ ẩm cuối cùng như mong muốn. Điều này hoạt động tốt trong vài năm.

Tuy nhiên, lưới lọc bị xuống cấp theo thời gian, và chất lượng của vải lọc có thể dao động ngay cả khi còn mới. Một ngày nọ, vấn đề vón cục lại xuất hiện do độ ẩm trong bánh lọc tăng lên. Khi tăng thời gian sấy, lại xảy ra hiện tượng vón cục trong máy sấy và một phần sản phẩm bị hư hỏng. Các hạt mịn thì đã khô, nhưng một số hạt lớn hơn vẫn còn độ ẩm dưới ngưỡng tới hạn.

Vấn đề được giải quyết bằng cách giám sát nhiệt độ của chất rắn để đảm bảo cao hơn điểm sương trong máy sấy (Để đảm bảo nước vẫn tiếp tục thoát ra), và áp dụng thời gian sấy cố định kể từ thời điểm đó. Vì đã đạt đến độ ẩm tới hạn, quá trình sấy diễn ra trong giai đoạn tốc độ giảm (falling-rate zone - nhiệt độ sấy phải giảm và thời gian kéo dài) mà không gây hiện tượng quá nhiệt cho chất rắn.

Quy trình này lẽ ra nên được thiết kế với một bộ điều khiển có thể thay đổi thời gian sấy, để thích ứng với giai đoạn sấy có tốc độ không đổi, vốn bị ảnh hưởng bởi độ ẩm ban đầu.

Phân bố kích thước hạt: Giống như độ ẩm, kích thước hạt không phải là một con số cố định mà là một dải giá trị. Đáng tiếc là dải này có thể thay đổi trong quá trình xử lý do hiện tượng mài mòn (attrition) và kết dính (agglomeration).

Phân bố kích thước hạt có thể ảnh hưởng đến tốc độ sấy và chất lượng sản phẩm. Các hạt mịn có thể bị sấy quá khô hoặc bề mặt bị cứng lại, làm giảm độ tan của sản phẩm.

Trong khi đó, các hạt lớn hơn thường còn độ ẩm dư thừa, có thể gây ra hiện tượng vón cục.

Ở nồng độ thấp, các hạt trong dòng khí phân tán thành những hạt đơn lẻ . Khi nồng độ tăng lên, chúng bắt đầu kết dính thành những hạt lớn hơn, từ đó lắng xuống nhanh hơn. Hiện tượng này có thể khiến giường sấy tầng sôi bị sập hoặc băng tải khí (pneumatic conveyor) bị tắc nghẽn.

Tải lượng chất rắn: Dòng khí có khả năng vận chuyển chất rắn có giới hạn. Khi tỷ lệ chất rắn trên khí tăng lên, dòng chảy chuyển từ dạng chuyển động như chất lỏng sang dạng tụ khối (các hạt rắn tụ lại thành những hạt lớn gọi là tụ khối).

Ở một mặt, đây là đặc tính tốt vì các hạt sẽ chậm lại và chịu ít sự mài mòn hơn. Mặt khác, nhược điểm là đường ống có thể cần được gia cố thêm để tránh hư hại do các tụ khối va đập.

May mắn là đã có hiểu biết rõ ràng về cách các hạt chuyển động dựa trên kích thước và mật độ của chúng.

Sơ đồ Geldart, kết hợp với vận tốc muội saltation (vận tốc mà ở đó các hạt rắn trong dòng khí bắt đầu lắng xuống), có thể được sử dụng để dự đoán vùng không có dòng chảy hoặc khả năng vận chuyển hạn chế của chất lỏng (hoặc khí).

Các vấn đề khác

Một yếu tố khác cần xem xét khi thiết kế hoặc xử lý sự cố của một quy trình là cách bố trí thiết bị. Mặc dù tôi hiếm khi thấy một thiết bị nào không thực hiện đúng chức năng của nó, nhưng đôi khi thiết bị đó bị khai thác quá mức.

Ví dụ, nếu vận hành thiết bị kết tinh (crystallizer) để tạo ra các hạt lớn nhằm giảm thời gian lọc, thì lại có thể dẫn đến việc tạo ra nhiều hạt mịn hơn từ thiết bị sấy do hiện tượng mài mòn.

Một hướng đi tốt hơn có thể là: vận hành thiết bị kết tinh để tạo ra các hạt nhỏ, sau đó kết dính (kết tụ - agglomerate) các hạt nhỏ này thành hạt lớn hơn trong thiết bị sấy.

Để đánh giá phương án này, bạn có thể cần thực hiện một nghiên cứu về quá trình lọc nhằm xác định kích thước hạt tối ưu mà tại đó bạn nên vận hành thiết bị kết tinh, nhằm tránh quá tải cho máy ly tâm hoặc bộ lọc.

Việc thu thập dữ liệu cho thiết kế hoặc xử lý sự cố trong quá trình xử lý chất rắn có thể tốn kém, nhưng bằng cách xem xét các lộ trình thay thế và chú ý đến ba đặc tính cơ bản của hạt (độ ẩm, kích thước hạt, tải lượng rắn), bạn có thể tập trung vào các thông số quan trọng nhất.

Đó chính là cách để thu được dữ liệu giá trị và hiệu quả nhất.

Note: Các chữ in nghiên là phần chú thích của chủ blog

Nguồn: https://www.chemicalprocessing.com/voices/solid-advice/article/55289072/solids-processing-measure-the-basics-to-succeed?o_eid=6838C4248256H3A&oly_enc_id=6838C4248256H3A&rdx.ident[pull]=omeda|6838C4248256H3A&utm_campaign=CPS250508108&utm_medium=email&utm_source=CHPR+CP+Weekly