Aplikasi Teknologi Produksi Oksigen VPSA & PSA dalam Pemutihan Pulp

Di banyak negara maju, pembuatan kertas adalah salah satu dari 10 industri pilar ekonomi nasional mereka, namun pengolahan air limbahnya sulit diatasi. Limbah pemutihan yang mengandung klorin dari pabrik kertas tidak hanya mencakup COD dan BOD, tetapi juga zat beracun tinggi lainnya. Mengganti metode pemutihan pulp tiga tahap CEH tradisional dengan pemutihan bebas klorin total (TCF) atau bebas klorin unsur (ECF) adalah solusi efektif untuk pencemaran lingkungan dari industri pulp dan kertas. Karena oksigen sendiri tidak beracun atau mencemari lingkungan, jumlah bahan pemutih dan air limbah di bagian selanjutnya dapat dikurangi hingga 50% setelah delignifikasi oksigen. Oleh karena itu, pemutihan pulp oksigen telah menjadi tahap penting dalam pengembangan proses pemutihan bersih. Dalam beberapa tahun terakhir, minat terhadap pemutihan oksigen di industri pembuatan kertas global semakin meningkat seiring dengan tuntutan perlindungan lingkungan yang lebih ketat.

Teknologi generasi oksigen industri yang umum digunakan mencakup metode pemisahan udara kriogenik dan VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption). Unit pemisahan udara kriogenik memiliki investasi dan konsumsi energi yang tinggi, serta tugas operasi dan pemeliharaan yang besar, sehingga bukan pilihan sumber oksigen yang ideal sebagai peralatan pemutihan pendukung bagi perusahaan pulp karena ketidakpraktisan dalam start-up dan shut-down serta biaya keseluruhan yang tinggi. Pabrik oksigen VPSA memiliki keunggulan komposisi yang lebih sederhana, pengoperasian dan perawatan yang lebih mudah, investasi yang relatif lebih kecil, dan biaya operasi yang lebih rendah dengan waktu penyalaan hanya 20 menit dan kemurnian oksigen 93%, yang sepenuhnya mampu memenuhi kebutuhan proses pemutihan pulp karena rentang konsumsi oksigen pabrik pulp umumnya 200-5000 Nm³/jam, yang dianggap sebagai kapasitas produksi oksigen VPSA skala kecil dan menengah. Terlebih lagi, konsumsi energi sistem oksigen VPSA adalah 0,29-0,32 kWh/Nm³, yang 30% lebih rendah dari unit pemisahan udara kriogenik. Saat ini, teknologi pembangkitan oksigen VPSA telah diterapkan di lebih dari 30 pabrik pulp di China, dan bahkan meluas ke perusahaan kertas terkenal global seperti Double A (Thailand) PLC dan sebuah pabrik pulp di Belarus.

1. Proses Teknis Sistem VPSA-O2

Sistem Prinsip teknis unit oksigen VPSA & PSA adalah untuk memisahkan oksigen berdasarkan perbedaan kapasitas adsorpsi adsorben padat terhadap komponen gas. Ketika adsorben padat berpori bersentuhan dengan gas, fenomena menampung gas di dalam atau pada permukaannya disebut adsorpsi adsorben padat terhadap gas, sedangkan pengembalian atom atau molekul yang telah teradsorpsi oleh adsorben ke udara disebut desorpsi.

Dengan memanfaatkan prinsip bahwa kapasitas adsorpsi saringan molekuler terhadap nitrogen dan oksigen di udara berbeda pada berbagai tekanan, adsorber generator oksigen VPSA & PSA mewujudkan pemisahan oksigen dan nitrogen melalui pergantian siklik dari langkah-langkah adsorpsi, penurunan tekanan, desorpsi vakum, pembersihan, dan repressurisasi. Ketika udara melewati unggun adsorpsi yang dilengkapi dengan adsorben saringan molekuler zeolit pada tekanan tertentu, nitrogen diadsorpsi oleh saringan molekuler sementara oksigen diperkaya dalam fase gas dan mengalir keluar dari unggun adsorpsi karena adsorpsinya lebih sedikit. Ketika saringan molekuler mendekati kejenuhan, hentikan suplai udara dan turunkan tekanan unggun adsorpsi, kemudian nitrogen yang teradsorpsi dalam saringan molekuler dapat didesorpsi, sehingga mencapai regenerasi dan penggunaan kembali saringan molekuler. Oksigen dapat dihasilkan secara terus menerus ketika dua atau lebih unggun adsorpsi dioperasikan secara bergantian. Produk oksigen yang diperoleh secara terus menerus dikeluarkan dari bagian atas adsorber ke tangki penyangga, dan kemudian dikirim ke bagian pemutihan pulp oksigen setelah ditekan oleh penguat oksigen. Dalam proses di atas, setiap adsorber berada dalam langkah operasi yang berbeda pada saat yang sama, dan katup diaktifkan pada interval waktu reguler di bawah kendali sistem PLC untuk memproduksi produk oksigen yang memenuhi persyaratan pelanggan.

2. Adsorber (Bejana Adsorpsi)

Unit VPSA-O2 PKU Pioneer, penyedia peralatan pembangkitan oksigen VPSA terbesar di China, mengadopsi proses dua-adsorber paralel, memungkinkannya untuk menyesuaikan kapasitas oksigen secara fleksibel sesuai dengan kebutuhan pelanggan. Proses pembangkitan oksigen VPSA terbaru PKU Pioneer menggunakan menara adsorpsi radial vertikal, dibandingkan dengan yang aksial awal, ia memiliki unggun adsorpsi yang lebih tipis, resistensi yang lebih kecil, dan penurunan tekanan aliran udara, sehingga membantu mengurangi tekanan buang peralatan daya dan konsumsi energi sebesar 10%-15% dengan efisiensi penghematan energi yang luar biasa. Selain itu, struktur silinder-bed mencakup area yang lebih kecil, yang secara efektif menghemat biaya konstruksi juga.

2.1 Pemilihan dan Aplikasi Saringan Molekuler

Adsorben saringan molekuler yang umum digunakan adalah 5A, 10X, 13X, N-2, CaA, NaX, CaX, LiX, CNA-198, Li.X.RE, HX5A-980, dll. Mengambil saringan molekuler CaA umum sebagai contoh, ketika udara melewati menara adsorpsi yang dilengkapi dengan saringan molekuler CaA, N2 diadsorpsi secara preferensial sehingga oksigen mengalir keluar dari menara adsorpsi sebagai gas produk karena momen quadrupole nitrogen jauh lebih besar daripada oksigen dan Ca2+ pada permukaan mikropori saringan molekuler CaA lebih efektif dalam mengadsorpsi N2 daripada mengadsorpsi O2.

Namun, kapasitas adsorpsi dan selektivitas adsorben saringan molekuler CaA terhadap nitrogen masih belum cukup tinggi, mengakibatkan rendemen oksigen yang rendah dan konsumsi energi yang tinggi dari unit pembangkitan oksigen VPSA. Dibandingkan dengan adsorben saringan molekuler CaA dan NaX, saringan molekuler LiX memiliki efisiensi produksi oksigen yang lebih tinggi. Lebih sedikit saringan molekuler LiX yang dapat digunakan untuk kapasitas oksigen yang sama, sehingga mengurangi konsumsi energi dan ukuran generator oksigen VPSA dan PSA. Kapasitas saringan molekuler LiLSX untuk mengadsorpsi nitrogen lebih besar daripada kapasitasnya untuk mengadsorpsi komponen oksigen dari udara dengan tingkat pertukaran ion Li yang lebih tinggi dan radius Li+ yang lebih kecil. Jumlah Li+ dalam saringan molekuler LiLSX adalah dua kali lipat dari Ca2+ dalam adsorben saringan molekuler CaA dan koefisien pemisahan nitrogen & oksigen adalah 2-5 kali lipat dari saringan molekuler oksigen tradisional, yang memungkinkan saringan molekuler litium untuk mengadsorpsi lebih banyak nitrogen. Ketika diterapkan pada unit oksigen VPSA & PSA, konsumsi saringan molekuler LiLSX hanya 1/4-1/5 dari saringan molekuler CaA, yang kondusif untuk menurunkan total investasi, meningkatkan rendemen oksigen dan sangat mengurangi konsumsi daya.

Adsorben Saringan Molekuler Oksigen Berbasis Litium Efisiensi Tinggi PKU Pioneer PU-8 untuk Penggunaan Industri dan Medis

2.2 Struktur Internal Adsorber

Desain yang tidak rasional dari struktur internal adsorber oksigen VPSA dapat menyebabkan perpindahan yang berlebihan atau bahkan penghancuran saringan molekuler yang dimuat ke dalam adsorber karena dampak aliran udara. Terutama, setelah saringan molekuler beroperasi untuk waktu yang lama, celah antara saringan molekuler akan berangsur-angsur berkurang dan unggun adsorpsi akan menurun. PKU Pioneer telah melakukan banyak optimalisasi dan peningkatan dalam desain struktur adsorber melalui pengalaman rekayasa selama lebih dari 20 tahun, dan menciptakan sistem distribusi aliran udara yang lebih masuk akal, yang dapat mengurangi zona tidak beroperasi di unggun adsorpsi, menghindari dampak langsung aliran udara pada saringan molekuler dan memperpanjang masa pakai saringan molekuler.

Adsorber dimuati dengan saringan molekuler yang adsorpsi dan desorpsinya secara langsung dipengaruhi oleh kecepatan aliran udara. Semakin lambat aliran udara, semakin menguntungkan untuk adsorpsi dan desorpsi saringan molekuler. Dibandingkan dengan aliran aksial dari bawah ke atas dalam bejana adsorpsi aksial, adsorben dalam adsorber radial bersentuhan penuh dengan aliran udara yang arahnya lebih kondusif untuk adsorpsi dan desorpsi. Pada tahap adsorpsi, N2 secara bertahap diserap dan volume gas menurun saat aliran udara mengalir dari luar ke dalam. Penampang aliran menara adsorpsi radial juga secara progresif menyempit dari luar ke dalam. Struktur ini meningkatkan efisiensi pemanfaatan komprehensif dari adsorben dan meningkatkan stabilitas unggun adsorpsi. Arah udara tegak lurus terhadap arah gravitasi, yang secara efektif mengurangi pencucian saringan molekuler dan meningkatkan masa pakainya.

Peralatan pemadatan yang wajar dapat mencegah saringan molekuler hancur karena saling bertabrakan. Teknologi paten PKU Pioneer, yaitu sistem pemuatan putar homogen mekanis saringan molekuler dan pemadatan membran otomatis, memastikan gaya yang seragam pada adsorben sehingga saringan molekuler dipadatkan dan diratakan secara merata dan ujung atas unggun adsorpsi tidak mudah hancur, yang dapat menghindari penurunan kemurnian oksigen atau mempengaruhi kapasitas produksi generator oksigen yang disebabkan oleh bubuk adsorben yang dipompa keluar oleh pompa vakum untuk memastikan operasi yang stabil dari peralatan oksigen VPSA dan lebih lanjut meningkatkan efisiensi pemanfaatan adsorben saringan molekuler. Saat ini, PKU Pioneer memiliki proyek produksi oksigen terbanyak yang telah beroperasi selama lebih dari 10 tahun di China dengan indikator yang sangat baik, memberikan jaminan yang kokoh untuk pasokan oksigen yang stabil bagi pelanggan.

3. Peralatan dan Komponen Lain dalam Proses

3.1 Blower

Blower sentrifugal dengan tekanan konstan membuat laju aliran oksigen bervariasi secara terus menerus dengan tekanan. Meskipun kapasitas dapat disesuaikan, efisiensi akan menurun dengan cepat setiap kali menyimpang dari nilai desain optimal. Di pabrik VPSA-O2, untuk menyediakan udara bertekanan bagi adsorber, blower Roots aliran udara konstan umumnya digunakan untuk menekan udara, sebagai hasilnya, kapasitas oksigen pada dasarnya stabil ketika tekanan berubah, yang memberikan dampak lebih kecil pada unggun adsorpsi dan bermanfaat untuk adsorpsi saringan molekuler. Dalam sistem oksigen VPSA, efisiensi blower Roots lebih tinggi daripada blower sentrifugal, dan operasi praktis telah membuktikan bahwa indeks konsumsi energinya juga yang terendah.

3.2 Pompa Vakum

Pompa vakum Roots memiliki penyalaan yang cepat dan vakum akhir yang tinggi. Komponen transmisi pompa memiliki konfigurasi anti-backlash yang kokoh, memungkinkan tingkat vakum yang optimal tercapai dalam waktu singkat. Tidak ada bagian geser di ruang pompa dan pelumasan minyak tidak diperlukan, mencegah kontaminasi ke sistem oleh uap minyak. Ini juga memiliki keunggulan signifikan seperti konsumsi daya yang lebih rendah, biaya operasi dan perawatan yang lebih sedikit, kecepatan dan efisiensi pemompaan yang lebih tinggi, operasi yang lebih stabil, dll.

3.3 Penguat Oksigen

Dalam sistem pembangkitan oksigen VPSA, penguat oksigen piston, Roots, dan sentrifugal diterapkan, di antaranya penguat oksigen piston umumnya digunakan. Oksigen sensitif terhadap suhu, minyak, dan percikan api, sehingga kegagalan penguat oksigen akan mempengaruhi operasi adsorber. Jika penguat oksigen tipe piston digunakan, perlu untuk mencegah kenaikan mendadak suhu buang silinder serta penghentian saling kunci yang disebabkan oleh pencampuran minyak pelumas dan oksigen. Jika menggunakan penguat oksigen tipe Roots, segel mekanis ganda yang tidak seimbang dapat direalisasikan dari arah radial dan aksial.

4. Sistem Kontrol

4.1 Katup Switching

Katup switching juga disebut katup kontrol PLC. Katup keluar blower udara, katup masuk blower vakum, katup keluar produk oksigen, katup pembersihan, katup keseimbangan (katup ekualisasi tekanan), dll. memungkinkan adsorber untuk secara normal menjalani bagian adsorpsi, penurunan tekanan, desorpsi maju & mundur, dan pembersihan. Mereka umumnya pneumatik dan dapat dikendalikan oleh program komputer ketika terhubung dengan DCS atau PLC tidak hanya dengan siklus switching yang pendek, tetapi juga masa pakai yang lama hingga 15 tahun, dan dapat diaktifkan jutaan kali setelah operasi terus menerus selama satu tahun.

4.2 Instrumentasi

Sistem kontrol instrumentasi peralatan oksigen VPSA dikendalikan oleh sistem PLC. Instrumen yang aman, andal, dan canggih sangat penting untuk memenuhi persyaratan pemantauan dan kontrol operasi yang lancar.

5. Kesimpulan

Dengan kemajuan dan perkembangan teknologi produksi oksigen VPSA, unit VPSA-O2 secara bertahap telah diakui oleh banyak pabrik kertas karena investasinya yang lebih sedikit, konsumsi daya yang lebih rendah, operasi yang lebih andal dan stabil, manfaat yang efektif, dan ekonomi yang lebih tinggi. Sebagai pemasok global terbesar dari peralatan produksi oksigen VPSA dan PSA , PKU Pioneer telah menyediakan solusi pembangkitan oksigen yang ekonomis dan andal untuk perusahaan kertas terkemuka dunia seperti Sun Paper Group dan Double A PLC untuk membantu klien menghemat energi dan mengurangi biaya secara substansial untuk meningkatkan efisiensi proses pembuatan kertas secara keseluruhan, yang memiliki signifikansi praktis yang besar untuk mempromosikan daur ulang sumber daya dan pembangunan berkelanjutan dari pembuatan kertas industri tersebut.