Nhờ đâu mà hiệu suất công nghiệp lại cao hơn phòng thí nghiệm?
⚠️ Nội dung trích bài đọc thêm của sách LKHH - Lăng kính Hoá học. Đọc các bài viết Chuyên Hoá khác tại đây.
Quy trình công nghiệp đạt hiệu suất cao hơn nhiều so với phản ứng trong phòng thí nghiệm nhờ tối ưu hóa quy mô sản xuất và tái sử dụng nguyên liệu. Ví dụ, phản ứng thủy hóa ethene thành ethanol trong phòng thí nghiệm diễn ra ở 300°C và 60–70 atm với xúc tác phosphoric acid đậm đặc, nhưng chỉ chuyển hóa khoảng 5% ethene mỗi lần đi qua bình phản ứng. Trong quy trình công nghiệp, mặc dù mỗi lần đi qua bình phản ứng vẫn chỉ chuyển hóa 5% ethene, việc tách ethanol ra khỏi hỗn hợp cân bằng và tuần hoàn ethene không phản ứng thông qua hệ thống hai lò phản ứng giúp hiệu suất tổng thể đạt tới 99.2%.
Sự khác biệt về hiệu suất còn nhờ quy mô sản xuất lớn, thiết bị chuyên dụng và kĩ thuật tự động hóa, giúp kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, áp suất và các yếu tố phản ứng khác. Các nhà máy hiện đại thường áp dụng các phương pháp tối ưu hóa để khảo sát đồng thời nhiều yếu tố và phát hiện tương tác giữa chúng, góp phần nâng cao độ chọn lọc và chuyển hóa trong các quá trình tổng hợp công nghiệp. Đồng thời, các kĩ thuật tách sản phẩm hiệu quả (như làm lạnh ethanol để tách khỏi ethene khí) góp phần tái sử dụng nguyên liệu và tối ưu hóa hiệu suất phản ứng.
HÌNH 1. Sơ đồ hoá quy trình Haber.
Ngoài ra, công nghệ tự động hóa và phân tích trực tuyến cho phép các nhà máy liên tục điều chỉnh điều kiện phản ứng để đạt hiệu suất tối đa, như trong quá trình tổng hợp ammonia (Haber) duy trì ở 400–550°C và 150–350 atm để đạt chuyển hóa tối ưu. Nhờ việc tái sử dụng liên tục các khí chưa phản ứng, hiệu suất tổng thể của quá trình có thể đạt tới 98%. Các mô hình động học chi tiết về truyền nhiệt, truyền khối và hiệu ứng khuấy trộn trong quy mô công nghiệp cũng giúp giải thích sự khác biệt rõ rệt so với quy mô phòng thí nghiệm. Một ví dụ điển hình khác là sản xuất aspirin, hiệu suất trung bình trong phòng thí nghiệm chỉ đạt 20.77%, trong khi ở quy mô công nghiệp có thể lên tới 79.22%.
Tóm lại, sự kết hợp giữa quy mô lớn, thiết bị chuyên dụng, tự động hóa và phương pháp tối ưu hóa dựa trên dữ liệu tạo nên ưu thế vượt trội của quy trình công nghiệp trong việc nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.
- - - -
🛑 Tài liệu tham khảo
1/ Taylor, C. J., Pomberger, A., Felton, K. C., Grainger, R., Barecka, M., Chamberlain, T. W., Bourne, R. A., Johnson, C. N., & Lapkin, A. A. (2023). A Brief Introduction to Chemical Reaction Optimization. Chemical Reviews, 123(6), 3089-3126.
2/ Electric Solenoid Valves. (2023, March 20). How automation is changing the chemical industry.
3/ OnlyTrainings. (2020, January 1). Advanced design of experiments (DoE) training for chemical industry.