Một biện pháp tiết kiệm nước sử dụng trong các nhà máy hóa chất

Hiện nay, ngành công nghiệp hóa chất đang tập trung ngày càng nhiều vào vấn đề lượng nước sử dụng trong quá trình sản xuất. Các nhà quản lý nhà máy dành nhiều sự quan tâm tới biện pháp để giảm thiểu lượng nước sử dụng đầu vào, đồng thời tái sử dụng nguồn nước sản xuất.

Hình 1 – Hai kiểu bơm nhu tích thông dụng

Trong nhiều trường hợp, việc lựa chọn công nghệ bơm phù hợp có thể giúp các nhà máy giảm đáng kể lượng nước sử dụng và do đó cắt giảm được một khoản chi phí không nhỏ cần dùng để phục vụ cho công tác tái chế, xử lí và nhiều dịch vụ khác liên quan đến nguồn nước. Các phân tích dưới đây tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng loại bơm tới hiệu quả tiết kiệm và hiệu năng sử dụng trong công nghệ bơm chất lỏng dạng bùn – một dạng nguyên liệu đầu vào rất phổ biến của các nhà máy hóa chất.

Thông thường, với chất lỏng dạng bùn, người ta hay chọn dùng các bơm ly tâm – một loại bơm rất phổ biến trong công nghiệp. Các bơm này thường được bọc lót cao su để tránh hiện tượng ăn mòn do môi chất gây ra. Tuy nhiên, bơm ly tâm chỉ có thể làm việc trong điều kiện dòng chảy chỉ có từ 30% lượng chất rắn trở xuống. Điều đó có nghĩa là nếu trong dây chuyền công nghệ, muốn bơm chất lỏng có lưu lượng chất rắn là 100 tấn/h, sẽ cần xấp xỉ 233 tấn nước/h để bảo đảm có 70% lượng nước trong dung dịch bùn. Lượng nước này sẽ được nhà máy tái chế và sử dụng lại sau này. Tuy nhiên, các thiết bị quá trình của nhà máy lại phải đủ lớn để có thể duy trì lưu lượng 333 tấn bùn/h.

Ngược lại, với các bơm nhu tích (peristaltic pump), lượng chất rắn cho phép trong bùn có thể lên tới 60-80%. Do đó, để bơm dung dịch chứa 100 tấn chất rắn/h, chỉ cần khoảng 54 tấn nước/h. Tính  trung bình, khi bơm các chất lỏng dạng bùn, bơm ly tâm đòi hỏi 2.000.000 galong nước thì bơm nhu tích sẽ chỉ cần 500.000 galong nước, tức là chỉ bằng ¼ lượng nước yêu cầu so với bơm ly tâm. Về giá thành, tính trung bình một năm nếu dùng bơm nhu tích, nhà máy có thể tiết kiệm được khoảng 200.000 USD. Trong trường hợp trong dung dịch dạng bùn có 80% chất rắn thì con số trên sẽ lên tới 240.000 USD/năm.

Sử dụng bơm nhu tích khi bơm bùn còn mang lại nhiều lợi ích khác. Theo ví dụ ở trên, để bơm 100 tấn chất rắn/h có trong dung dịch dạng bùn, bơm ly tâm sẽ phải bơm tổng cộng là 333 tấn dung dịch/h, trong khi bơm nhu tích chỉ cần bơm 154 tấn bùn/h. Xét về mặt năng lượng, năng lượng cần cung cấp cho bơm nhu tích cần chỉ bằng ½ so với năng lượng cung cấp cho bơm ly tâm. Tính trung bình một năm, bơm nhu tích sẽ tiết kiệm được 35.000-40.000 USD. Hơn nữa, với việc dung tích của bùn giảm đi, các thiết bị trong dây chuyền công nghệ cũng sẽ yêu cầu nhỏ đi và theo đó, chi phí để bảo dưỡng, bảo chì, thậm trì là thay mới cũng sẽ giảm đi đáng kể.

Với dung dịch bùn có mật độ chất rắn cao, việc giảm lưu lượng bơm sẽ giúp giảm thiểu các thiết bị ở tầng lọc. Với lưu lượng nhỏ hơn, các bộ phận của thiết bị lọc cũng sẽ làm việc tốt hơn, đặc biệt giảm thiểu được các tác động nhiệt của dòng môi chất lên thiết bị. Theo các chuyên gia phân tích thì chi phí tiết kiệm nhờ dựa trên các thiết bị lọc có khi lên tới hàng trăm nghìn USD mỗi năm. 
Trên thực tế, nhà máy hóa chất có thể cân nhắc nhiều loại công nghệ bơm khác khi bơm dung dịch dạng bùn. Với các loại bùn nhẹ, sử dụng bơm trục vít lệch tâm là một lựa chọn phù hợp. Tuy vậy, loại bơm này đòi hỏi lượng chất rắn trong bùn phải đồng đều và không được biến đổi trong dải rộng. Ngược lại, bơm trục vít lệch tâm lại có khả năng bơm với lưu lượng cao hơn so với bơm nhu tích. Thông thường các bơm nhu tích chỉ có khả năng bơm được lưu lượng 440 galong/phút.

Hiện nay, trong công nghệ bơm dung dịch bùn, bơm nhu tích vẫn là loại bơm được sử dụng phổ biến nhất nhờ có được những ưu điểm như: khả năng bơm được bùn với n­ồng độ chất rắn cao, khả năng chịu mài mòn và khả năng chống ăn mòn tốt. Đây là những ưu điểm hết sức cần thiết đối với các thiết bị trong nghành công nghiệp hóa chất. Trong bơm nhu tích, chỉ có duy nhất thiết bị ống mềm là tiếp xúc trực tiếp với môi chất. Bởi thế, sửa chữa và bảo dưỡng bơm dung tích dễ hơn nhiều so với bơm ly tâm. Ống mềm của bơm dung tích có thể được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Tùy theo từng loại bùn mà công nghệ yêu cầu, nhà máy có thể chọn loại bơm với kiểu vật liệu ống mềm phù hợp. Rất ít loại bơm có được tính chất linh hoạt này. Hơn nữa, theo các nhà chế tạo bơm thì bơm dung tích còn là loại bơm có đặc tính điều khiển được đánh giá là xuất sắc. Thông qua điều khiển tốc độ bơm, có thể điều khiển các thông số công nghệ một cách chính xác mà không cần mất thời gian quan tâm tới đường cong làm việc của bơm. Một ưu điểm khác của bơm nhu tích là khả năng làm việc như một thiết bị ngắt khi dừng bơm. Không giống như các kiêu bơm khác, sau khi dừng bơm, vẫn có một lượng chất lỏng nhất định tiếp tục chảy trên đường ống. Với bơm nhu tích, gần như dòng chảy sẽ dừng ngay lập tức khi dừng bơm.

Hình 2 – Thiết kế cải tiến của bơm nhu tích

Tất nhiên, nhiều ưu điểm không có nghĩa là không có nhược điểm. Nhược điểm có thể được ví như là “gót chân Asin” của bơm nhu tích, đó là vấn đề liên quan đến tuổi thọ của ống mềm trong bơm. Bơm nhu tích đã có lịch sử phát triển hơn 80 năm. Công nghệ chế tạo vật liệu cao su cũng đã có rất nhiều cải tiến. Tuy nhiên, cho đến nay thì nguyên lý thiết kế của bơm nhu tích gần như không thay đổi. Trong thiết kế của bơm nhu tích đều có một điểm cố định nằm ở tâm của bơm được gọi là tâm quay. Từ tâm quay này sẽ có hai cánh tay kéo dài tới vị trí của ống mềm. Tại điểm cuối của cánh tay sẽ có một giày (shoe – Hình 1a) hoặc một con quay (roller – Hình 1b) để nén ống mềm. Do đó, với mỗi vòng quay của bơm, ống mềm sẽ bị nén lại hai lần. Trên cơ sở đó, người ta thường đánh giá tuổi thọ của ống mềm trong bơm dựa trên số lần mà nó bị nén trong suốt thời gian hoạt động của bơm.

Ngày nay, để cải tiến tuổi thọ của ống mềm, thiết kế của bơm nhu tích được cải tiến bằng cách sử dụng một cơ cấu cam và một con lăn lệch. Với con lăn quay lệch tâm, ống mềm sẽ chỉ bị nén một lần trên mỗi vòng quay của bơm. Nhờ cải tiến này, tuổi thọ của ống mềm sẽ được kéo dài thêm từ 3 tới 5 lần so với kiểu thiết kế thông thường.

Bên cạnh việc giảm được một nửa số lần chịu nén của ống mềm, thiết kế trên còn giảm thiểu được ma sát sinh ra trong quá trình hoạt động của bơm. Khi giày tiếp xúc với ống mềm sẽ tạo ra ma sát tương đối lớn và do đó sinh ra một lượng nhiệt đáng kể. Để giảm ma sát, với các bơm nhu tích thông thường, người ta phải tiến hành bơm nhiều mỡ vào trong bơm. Tuy nhiên, với thiết kế kiểu trục cam - con quay lệch, chỉ cần bơm một lượng mỡ nhỏ hơn nhiều, thường là nhỏ hơn khoảng 10 lần so với lượng mỡ cần bơm cho bơm nhu tích thông thường có cùng thể tích. Bên cạnh đó, thiết kế trục cam - con quay lệch cũng yêu cầu kích thước động cơ nhỏ hơn và do đó tiêu thụ năng lượng cũng ít hơn. Với cùng một kích thước bơm, thiết kế kiểu trục cam - con quay lệch sẽ tiết kiệm được 60% chi phí vận hành so với bơm thiết kế kiểu hai giầy hoặc hai con lăn.

KẾT LUẬN

Vấn đề tiết kiệm và sử dụng nguồn nước hiệu quả là một vấn đề quan trọng trong nghành công nghiệp hóa chất nói chung và các nhà máy hóa chất nói riêng. Qua các phân tích trên, có thể thấy trong các qui trình liên quan đến bơm chất lỏng dạng bùn, việc sử dụng các bơm nhu tích giúp mang lại rất nhiều lợi ích cho nhà máy, từ việc tiết kiệm nguồn nước sử dụng cho tới các chi phí liên quan tới vận hành, bảo dưỡng. Đặc biệt, với những cải tiến về mặt thiết kế, bơm nhu tích ngày càng tỏ rõ ưu thế của mình và hạn chế được những nhược điểm còn tồn tại. Trong thời điểm hiện tại và tương lai, chắc chắn bơm nhu tích vẫn sẽ là lựa chọn hàng đầu trong công nghệ bơm chất lỏng dạng bùn của các nhà máy hóa chất.