Nghiên cứu chế độ công nghệ tháp chưng luyện gián đoạn chân không để tinh chế tinh dầu hồi lạng sơn, việt nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế độ công nghệ tháp chưng luyện gián đoạn chân không để tinh chế tinh dầu hồi Lạng Sơn, Việt Nam NGUYỄN THỊ THẢO nguyenthithao16121996@gmail.com Ngành Kỹ thuật Hoá học Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Xuân Trường Viện: Viện Kỹ thuật Hoá học Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 12/2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Thị Thảo Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế độ công nghệ tháp chưng luyện gián đoạn chân không để tinh chế tinh dầu hồi Lạng Sơn, Việt Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học Mã số HV: CB190132 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/12/2021 với nội dung sau: Tác giả bổ sung, xếp lại danh mục tài liệu tham khảo; điều chỉnh lại bảng biểu; thêm danh mục ký hiệu, chữ viết tắt; điều chỉnh thay cụm từ “bị phân huỷ nhiệt” thành “ có khả bị phân huỷ nhiệt”, “có thể bị phân huỷ nhiệt” Ngày 30 tháng 12 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài luận văn này, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân, nhận giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình thầy cô giáo, động viên ủng hộ gia đình bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Trước tiên, xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Đỗ Xuân Trường trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, giáo Bộ mơn Q trình - Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất Thực phẩm hỗ trợ, góp ý kiến, chia sẻ kinh nghiệm để tơi hồn thành đề tài luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo anh chị nhân viên Công ty Cổ phần Công nghệ Vật liệu Thiết bị Bách khoa Hà Nội hỗ trợ, giúp đỡ nhiệt tình thời gian nghiên cứu thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học/ Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho tơi học tập nghiên cứu hồn thành luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn anh chị, bạn bè, em sinh viên học tập nghiên cứu Bộ mơn Q trình- Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất Thực phẩm ln đồng hành, hỗ trợ tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2021 Học viên Nguyễn Thị Thảo LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất thầy giáo, cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học/ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong suốt thời gian học tập nghiên cứu trường, thầy tận tình giảng dạy, truyền đạt tri thức, chia sẻ kinh nghiệm q báu giúp tác giả hồn thành chương trình đào tạo luận văn thạc sĩ Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS Đỗ Xn Trường – Bộ mơn Q trình - Thiết bị Cơng nghệ Hố chất Thực phẩm hướng dẫn tận tình suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ Khoa học “Nghiên cứu chế độ công nghệ tháp chưng luyện gián đoạn chân không để tinh chế tinh dầu hồi Lạng Sơn, Việt Nam” cơng trình tơi thực hướng dẫn TS Đỗ Xuân Trường theo quy chế Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Các kết trình bày luận văn hồn tồn xác, đáng tin cậy chưa cơng bố cơng trình khoa học tác giả Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2021 Học viên Nguyễn Thị Thảo MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ .7 DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU 10 PHẦN MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN .13 1.1 Tổng quan tinh dầu hồi tiềm thị trường tinh dầu hồi giới 13 1.1.1 Tổng quan tiềm thị trường tinh dầu hồi giới 13 1.1.2 Tổng quan tinh dầu hồi 17 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu cơng nghệ thiết bị chế biến tinh dầu hồi 19 1.2.1 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ thiết bị chế biến tinh dầu hồi giới .19 1.2.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ thiết bị chế biến hồi Việt Nam 22 1.3 Tổng quan phương pháp chưng luyện gián đoạn 24 1.3.1 Các cấu hình tháp chưng luyện gián đoạn 25 1.3.2 Các chiến lược vận hành tháp chưng luyện gián đoạn 28 1.3.3 Chiến lược tách hỗn hợp nhiều cấu tử chưng luyện gián đoạn 32 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM TINH CHẾ TINH DẦU HỒI .34 2.1 Đối tượng nghiên cứu 34 2.2 Hệ thống thiết bị chưng luyện gián đoạn tinh chế tinh dầu hồi 34 2.3 Vận hành tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm tinh chế tinh dầu hồi .38 2.4 Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ 39 2.4.1 Chuẩn bị hỗn hợp Ethanol- Nước 40 2.4.2 Tiến hành chưng luyện hỗn hợp Ethanol – Nước 40 2.4.3 Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ tháp (NLTmin) 40 2.5 Phương pháp phân tích thành phần tinh dầu hồi 43 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN TINH DẦU HỒI 45 3.1 Mơ hình nhiệt động NRTL (Non – random – two – liquid) .45 3.2 Mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn .46 3.3 Các bước thiết lập tháp chưng luyện gián đoạn tinh chế tinh dầu hồi .50 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 4.1 Kết nghiên cứu thực nghiệm tinh chế tinh dầu hồi hệ thống tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm 53 4.1.1 Kết nghiên cứu thông số công nghệ .53 4.1.2 Kết phân tích thành phần nguyên liệu sản phẩm sau tinh chế .55 4.2 Kết nghiên cứu mơ hình hố q trình tinh chế tinh dầu hồi mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm .61 4.2.1 Kiểm chứng mơ hình động tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm với kết thực nghiệm tinh chế tinh dầu hồi .61 4.2.2 Khảo sát phân tích yếu tố ảnh hưởng tới hàm lượng anethole sản phẩm đáy tháp chưng luyện mô hình 66 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt NRTL Nguyên tiếng Anh Tạm dịch Non-random two-liquid GC-MS Gas Chromatography - Mass Spectrometry: Phương pháp sắc kí khí ghép khối phổ LLE Liquid Liquid Equilibrium VLE Vapour Liquid Equilibrium NLT Số đĩa lý thuyết NLTmin Số đĩa lý thuyết nhỏ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Hình ảnh rừng hồi Lạng sơn (nguồn intetnet) 13 Hình Hình ảnh hoa hồi mùa thu hoạch Lạng sơn (nguồn intetnet) .13 Hình Tinh dầu hồi (Star anise essential oil) (nguồn intermet) 17 Hình Cấu trúc hóa học Trans-Anethol .18 Hình Tháp chưng luyện gián đoạn truyền thống .25 Hình Tháp chưng luyện gián đoạn có bình trung gian .26 Hình Tháp chưng luyện gián đoạn kiểu đảo ngược 27 Hình Biến đổi nồng độ cấu tử dễ bay đỉnh đáy trình chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đổi 30 Hình Biểu diễn đồ thị x-y trình chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đổi 30 Hình 10 Biểu diễn đồ thị x-y trình chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi 31 Hình 11 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng luyện gián đoạn chân khơng loại đệm 34 Hình 12 Ảnh hệ thống thiết bị tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm tinh chế tinh dầu hồi 36 Hình 13 Vịng đệm inox Raschig thơng số đệm 37 Hình 14 Đồ thị Mc Cabe hỗn hợp hai cấu tử chế độ hồi lưu hoàn toàn 41 Hình 15 Sơ đồ hệ thống GC-MS [15] 43 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý biểu diễn cân pha đĩa lý thuyết 47 Hình 17 Lưu trình tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm tinh chế tinh dầu hồi 51 Hình 18 Ảnh mẫu tinh dầu thô mẫu sản phẩm đáy thu thí nghiệm 56 Hình 19 Sắc ký đồ phân tích mẫu ngun liệu tinh dầu thơ GC-MS 59 Hình 20 Sắc ký đồ phân tích mẫu sản phẩm đáy GC-MS trường hợp tinh chế áp suất đỉnh (A) - 0,1 bar (TN3) (B) - 0,08 bar (TN4) 60 Hình 21 Sắc ký đồ phân tích mẫu sản phẩm đỉnh GC-MS trường hợp tinh chế áp suất đỉnh 0,1 bar (TN3) 0,08 bar (TN4) .61 Hình 22 So sánh nhiệt độ đỉnh nhiệt độ đáy tháp thực nghiệm mô hình 63 Hình 23 Ảnh hưởng số đĩa lý thuyết, số hồi lưu, lượng lỏng lưu đáy tháp, áp suất đỉnh tới hàm lượng anethole sản phẩm đáy 67 Hình 24 Nhiệt độ đáy tháp áp suất đỉnh khác 68 Hình 25 So sánh ảnh hưởng số đĩa lý thuyết đến hàm lượng anethole đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác 69 Hình 26 So sánh ảnh hưởng số hồi lưu đến hàm lượng anethole đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác 70 Hình 27 So sánh ảnh hưởng lượng lỏng lưu đáy tháp đến hàm lượng cấu tử anethole hiệu suất thu hồi đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác 71 Hình 28 So sánh ảnh hưởng áp suất đến hàm lượng cấu tử anethole đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác 72 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Lượng sản phẩm hồi xuất giới năm 2009 [1] 14 Bảng Lượng sản phẩm hồi nhập giới năm 2009 [1] 15 Bảng Các thông số kĩ thuật thiết bị hệ thống thí nghiệm 36 Bảng Các điều kiện vận hành tháp chưng 39 Bảng Nhiệt độ đỉnh, đáy tháp chưng chế độ hồi lưu hoàn toàn hệ Ethanol – Nước 41 Bảng Thành phần cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử Ethanol- Nước 760 mmHg 41 Bảng Xác định hệ số bay tương đối αi .42 Bảng Thành phần điều kiện ban đầu dòng nguyên liệu 51 Bảng Các thông số công nghệ thiết lập tháp chuyện gián đoạn loại đệm 52 Bảng 10 Các điều kiện vận hành tháp 53 Bảng 11 Nhiệt độ đáy đỉnh trường hợp hồi lưu hoàn toàn (TN1) 53 Bảng 12 Nhiệt độ đỉnh đáy tháp trường hợp số hồi lưu R=3 55 Bảng 13 Thành phần tinh dầu hồi số nước (wt.%) [27] 57 Bảng 14 Thành phần chất sản phẩm đỉnh, đáy sau tinh chế (wt.%) 58 Bảng 15 So sánh nhiệt độ đỉnh đáy tháp từ kết thực nghiệm với kết tính tốn mơ hình trường hợp hồi lưu hồn tồn .62 Bảng 16 So sánh thành phần sản phẩm đáy đỉnh tháp chưng thực nghiệm tính tốn mơ hình 65 Bảng 17 Các điều kiện tối ưu tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm với nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác thu từ tính tốn mơ 73 Mặc dù cấu tử có nhiệt độ sơi thấp thu sản phẩm đỉnh có hàm lượng cao, thành phần cấu tử khơng tương thích kết thực nghiệm tính tốn mơ hình Các kết thể bảng 16 Nguyên nhân khác thành phần sản phẩm đỉnh xảy phản ứng phân hủy nhiệt cấu tử có nhiệt độ sơi thấp Vì vậy, trình tinh chế tinh dầu hồi nên thực áp suất thấp Ở áp suất thấp hơn, kết thực nghiệm tương thích với kết tính tốn mơ hình 4.2.2 Khảo sát phân tích yếu tố ảnh hưởng tới hàm lượng anethole sản phẩm đáy tháp chưng luyện mơ hình Tác giả sử dụng mơ hình động tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm để khảo sát ảnh hưởng vài thông số tới hàm lượng cấu tử anethole sản phẩm tinh dầu thu đáy tháp Cụ thể tác giả khảo sát, phân tích ảnh hưởng số đĩa lý thuyết, số hồi lưu, lượng lỏng lưu đáy tháp, áp suất, thành phần nguyên liệu đến hàm lượng cấu tử anethole sản phẩm đáy Thành phần anethole hiệu suất thu hồi từ nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô chất lượng tốt quốc gia khác khảo sát so sánh phân tích nghiên cứu a Ảnh hưởng số đĩa lý thuyết, số hồi lưu, lượng lỏng lưu đáy tháp, áp suất đỉnh đến hàm lượng anethole sản phẩm đáy Hình 23 thể ảnh hưởng thông số: số đĩa lý thuyết, số hồi lưu, lượng lỏng lưu đáy tháp, áp suất đỉnh đến hàm lượng anethole sản phẩm đáy Trên hình 23 thấy số hồi lưu lượng lỏng lưu đáy tháp có ảnh hưởng tới hàm lượng cấu tử anethole sản phẩm đáy nhiều số đĩa lý thuyết áp suất Hàm lượng anethole đáy tháp tăng dần số đĩa lý thuyết số hồi lưu tăng, lượng lỏng đáy tháp áp suất giảm 66 Hình 23 Ảnh hưởng số đĩa lý thuyết, số hồi lưu, lượng lỏng lưu đáy tháp, áp suất đỉnh tới hàm lượng anethole sản phẩm đáy b Ảnh hưởng áp suất đỉnh đến nhiệt độ đáy tháp Ảnh hưởng áp suất đỉnh tới nhiệt độ đáy tháp minh hoạ hình 24 Nếu nhiệt độ 150 oC, sử dụng nước để gia nhiệt đáy tháp Nếu nhiệt độ 200 oC, sử dụng dầu khoáng để gia nhiệt chất truyền nhiệt quy mô công nghiệp Tuy nhiên, nhiệt độ đáy cao 170 oC khoảng giờ, màu tinh dầu bị biến đổi có xảy các ứng phân huỷ nhiệt Khi áp suất đỉnh 0,01 bar, nhiệt độ đáy tháp khoảng 95÷100 oC Khi áp suất đỉnh lớn 0,2 bar, nhiệt độ đáy tháp cao 170 oC, xảy nhiều phản ứng phân huỷ nhiệt dẫn tới hàm lượng anethole đáy tháp giảm Với loại bơm chân không thị trường nay, trì áp suất chân không 0,01 bar (7,6 mmHg) Để cung cấp nhiệt cho hệ thống, nên trì áp suất 0,1 bar để tránh xảy phản ứng phân huỷ nhiệt trình tinh chế tinh dầu hồi quy mơ cơng nghiệp 67 Hình 24 Nhiệt độ đáy tháp áp suất đỉnh khác Số đĩa lý thuyết tăng dẫn theo chiều cao tháp chưng tăng Nếu số đĩa lý thuyết 26 đĩa, chiều cao tháp lên khoảng m Thời gian chưng luyện lâu tăng số hồi lưu Để giảm thời gian chưng luyện gián đoạn, nhiệt cấp cho tháp phải lớn hơn, điều dẫn đến lưu lượng lỏng tháp tăng lên, đường kính tháp lớn Cơng suất nhiệt khơng có ảnh hưởng đáng kể tới hàm lượng anethole đáy tháp Lượng lỏng lưu đáy tháp giảm dẫn đến hiệu suất thu hồi anethole giảm theo Áp suất đỉnh thấp u cầu bơm chân khơng phải cao, chi phí đầu tư chi phí vận hành bơm chân khơng lớn Do đó, cần phải tối ưu hố điều kiện để thông số cân c Ảnh hưởng nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác tới hàm lượng anethole sản phẩm đáy Mơ hình kiểm chứng sử dụng để khảo sát ảnh hưởng bốn nguyên liệu tinh dầu hồi thô từ Myanmar, Trung Quốc, Việt Nam, mẫu tinh dầu sử dụng nghiên cứu liệt kê bảng 13 Bốn nguyên liệu tinh dầu hồi thơ có hàm lượng cấu tử trans-anethole khác nhau, 85,46 wt.%, 79,93 wt.%, 86,06 wt.%, nghiên cứu anethole (gồm trans-anethole cis-anethole) chiếm 82,92 wt.% Trong mẫu tinh dầu hồi thô thu tử Myanmar, cấu tử 68 khác limonene 2,98 wt.%, anisaldehyde 4,4 wt.% Hàm lượng cấu tử limonene chiếm 10,44 wt.%, methyl chavicol 6,65 wt.%, linalool 2,34 wt.% tinh dầu hồi thô từ Trung Quốc Trong nghiên cứu này, tinh dầu hồi thô thu từ hoa hồi trồng Lạng Sơn, Việt Nam, xác định phương pháp phân tích GC-MS kết tương tự tài liệu tham khảo [27] Tuy nhiên, nghiên cứu hàm lượng bergamotene 2,02 wt.%, tài liệu tham khảo mẫu tinh dầu thô Việt Nam bergamotene chiếm 0,46 wt.% Bergamontene, anisaldehyde diamantanone cấu tử tách khỏi sản phẩm tinh chế chúng có nhiệt độ sôi cao nhiệt độ sôi cấu tử anethole Hình 25 So sánh ảnh hưởng số đĩa lý thuyết đến hàm lượng anethole đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác 69 Hình 26 So sánh ảnh hưởng số hồi lưu đến hàm lượng anethole đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác Ảnh hưởng số đĩa lý thuyết, số hồi lưu, lượng lỏng lưu đáy tháp áp suất đỉnh đến hàm lượng cấu tử anethole đáy tháp chưng với nguồn nguyên liệu khác thể tương ứng hình 25, hình 26, hình 27, hình 28 Số đĩa lý thuyết ảnh hưởng mạnh đến hàm lượng cấu tử anethole nguyên liệu tinh dầu hồi thô Trung Quốc thể hình 25 Khi số đĩa lý thuyết tăng từ lên 26 đĩa, hàm lượng cấu tử anethole tăng từ 88 wt.% đến 92 wt.% Trong đó, với nguyên liệu tinh dầu hồi từ Myanmar, Việt Nam nghiên cứu này, hàm lượng anethole tăng 2% Tuy nhiên, xem xét sử dụng tháp có chiều cao lớn để tách tinh chế cấu tử anethole lên đỉnh tháp điều kiện chân không sau tách tạp chất dễ bay tinh dầu hồi thô ban đầu Tăng số đĩa lý thuyết từ lên 26 đĩa khả thi mặt kỹ thuật, xong điều khơng khả thi mặt kinh tế chi phí đầu tư lớn nhiều Số lượng đĩa lý thuyết khác ảnh hưởng đến trình tách cấu tử dễ bay tinh dầu Các cấu tử dễ bay α-pinene β-pinene tách số đĩa lý thuyết nhỏ Cấu tử limonene có nhiệt độ sơi 177,6 oC, để tách cấu tử limonene cần tăng số đĩa lý thuyết lên Hàm lượng limonene giảm từ 2,78 wt.% xuống 0,28 wt.% TN3, số đĩa lý thuyết tháp Các cấu tử linalool methyl chavicol có nhiệt độ sơi 198 oC 216 oC gần với nhiệt độ sơi 70 anethole (234 oC), để tách chúng cần tăng số đĩa lý thuyết số hồi lưu Tinh dầu hồi thô từ Trung Quốc, có hàm lượng limonene cao tới 10,44 wt.% nên số đĩa lý thuyết có ảnh hưởng mạnh mẽ loại tinh dầu hồi có nguồn gốc khác Tinh dầu hồi thô Việt Nam nghiên cứu có hàm lượng hai cấu từ linalool methyl chavicol cao, nên cần thiết tăng số đĩa lý thuyết số hồi lưu để tách chúng Ảnh hưởng số hồi lưu tới hàm lượng anethol đáy tháp tương đương trường hợp nguyên liệu tinh dầu hồi thô Myanmar, Việt Nam nghiên cứu (hình 26) Đối với nguyên liệu tinh dầu hồi thô Trung Quốc, số hồi lưu lớn 4, hàm lượng anethole khơng tăng Điều giải thích hàm lượng cấu tử linalool methyl chavicol nguyên liệu Trung Quốc nhỏ, mà linalool methyl chavicol có nhiệt độ sơi gần với nhiệt độ sơi anethole Hình 27 So sánh ảnh hưởng lượng lỏng lưu đáy tháp đến hàm lượng cấu tử anethole hiệu suất thu hồi đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác 71 Hình 28 So sánh ảnh hưởng áp suất đến hàm lượng cấu tử anethole đáy tháp từ nguồn nguyên liệu khác Lượng lỏng lưu đáy tháp ảnh hưởng lớn tới hàm lượng anethole thể hình 27 Lượng lỏng lưu đáy tháp thấp nhiều tạp chất tách đỉnh tháp dẫn đến hàm lượng anethole tăng lên đáy tháp Lượng lỏng lưu đáy tháp ảnh hưởng mạnh đến hàm lượng anethole trường hợp nguyên liệu tinh dầu hồi thô Trung Quốc Khi lượng lỏng lưu đáy tháp giảm tới 375 g, hàm lượng anethole tăng lên tới 98 wt.% nguyên liệu tinh dầu thô Trung Quốc, 95 wt.% nguyên liệu tinh dầu thô Việt Nam Limonene cấu tử dễ bay anethole cấu tử thứ hai tinh dầu sau anethole Nếu cấu tử thứ hai có độ bay tương đương anethole q trình tách khó khăn Tuy nhiên, lượng sản phẩm đỉnh tách lớn lượng anethole thu sản phẩm đỉnh lớn dẫn đến hiệu suất thu hồi giảm Vì cần đưa phương án để tinh dầu sau tinh chế phải có hàm lượng anethole đạt tiêu chuẩn hiệu suất thu hồi cao Hiệu suất thu hồi cải thiện gom sản phẩm đỉnh thu đem tái phân đoạn, Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm hiệu trình tái phân đoạn Áp suất đỉnh ảnh hưởng đến hàm lượng anethole, khơng nhiều, thể hình 28 Chênh lệch áp suất đỉnh đáy tháp 0,003 Pa đo thiết bị đo chênh lệch áp suất Thực nghiệm cho thấy tổn thất áp suất không thay 72 đổi thay đổi điều kiện vận hành Như thảo luận trên, áp suất thấp nhiệt độ tháp thấp hơn, tránh phản ứng phân huỷ bới nhiệt số hợp chất Tuy nhiên, chi phí đầu tư vận hành bơm chân khơng tăng lên Từ phân tích trên, tìm phương án tối ưu điều kiện (từ quan điểm kỹ thuật) cho loại tinh dầu hồi thơ Bảng 17 tóm tắt điều kiện tối ưu hàm lượng anethole đạt điều kiện Kết hiệu suất thu hồi thể bảng 17 Bảng 17 Các điều kiện tối ưu tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm với nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác thu từ tính tốn mơ Trong nghiên cứu Myanmar Trung Quốc Việt Nam Số đĩa lý thuyết 26 26 26 26 Chỉ số hồi lưu 6 Lượng nguyên liệu (g) 500 500 500 500 Lượng lỏng lưu đáy tháp (g) 389 414 389 389 Công suất nhiệt (W) 4,2 4,2 4,2 4,2 Áp suất đỉnh (bar) 0,05 0,05 0,05 0,05 82,92 85,46 79,93 86,06 93,2 92,4 98,4 96,4 Thời gian chưng (h) 18,4 13,9 9,0 16,3 Hiệu suất thu hồi (%) 87,47 89,54 95,77 87,12 Hàm lượng Anethole nguyên liệu (wt.%) Hàm lượng Anethole sản phẩm đáy (wt.%) Với nguyên liệu tinh dầu hồi thô Trung Quốc, hàm lượng anethole đạt 98,4 wt.%, hiệu suất thu hồi 95,8% Nguyên liệu tinh dầu hồi thơ Việt Nam tinh chế đạt hàm lượng anethole lên tới 86,4 wt.%, với hiệu suất thu hồi 87,1% Trong đó, nguyên liệu tinh dầu hồi nghiên cứu này, sau tinh chế hàm lượng anethole sản phẩm đáy đạt 93,2 wt.%, hiệu suất thu hồi xấp xỉ 87,5 wt.% Kết tối ưu hoá đưa dựa kết mô sử dụng mơ hình kiểm chứng Các kết sử dụng để xây dựng hệ thống thực nghiệm để hỗ trợ thiết kế tháp chưng luyện gián đoạn quy mô công nghiệp 73 Phân đoạn tinh dầu hồi chưng luyện chân không khả thi mặt kỹ thuật, xong lại trình tốn yêu cầu tháp chưng, số hồi lưu cao vận hành áp suất chân không Mặt khác, tinh dầu chưng luyện nhiệt độ cao thời gian dài dễ bị phân huỷ nhiệt dẫn đến chất lượng sản phẩm giảm Tuy nhiên, tính khả thi kinh tế phụ thuộc vào yêu cầu ngành công nghiệp độ tinh khiết, số lượng giá dầu chưng cất bán đủ cao để chi trả cho chi phí tinh chế 74 KẾT LUẬN Nghiên cứu xây dựng hệ thống tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm quy mơ phịng thí nghiệm suất 0,5 kg nguyên liệu/mẻ, đưa phương án vận hành để thu sản phẩm chất lượng Kết thực nghiệm cho thấy áp suất đỉnh lớn 0,2 bar nhiệt độ hỗn hợp đáy đỉnh tháp chưng lớn (nhiệt độ trung bình đỉnh đáy tương ứng 144 oC 168,8 oC), dẫn đến xảy tượng tinh dầu bị phân huỷ nhiệt, chất lượng sản phẩm tinh dầu sau tinh chế thấp Khi áp suất đỉnh nhỏ 0,1 bar, nhiệt độ đáy hỗn hợp đáy tháp tương đối thấp (trong trường hợp áp suất đỉnh 0,1 bar 0,08 bar, nhiệt độ trung bình đỉnh tháp tương ứng 120,7 oC 116,4 oC, nhiệt độ trung bình đáy tháp tương ứng 150,7 oC 136,0 oC), giảm thiểu tránh khả phản ứng phân huỷ nhiệt xảy ra, chất lượng tinh dầu sau tinh chế tốt Kết phân tích định tính định lượng sản phẩm đỉnh đáy sau tinh chế cho thấy áp suất 0,2 bar sản phẩm tinh dầu thu bị phân hủy nhiệt nhiều, màu sắc sản phẩm đáy sẫm màu (màu vàng đậm, gần chuyển sang màu đỏ) Khi áp suất đỉnh nhỏ 0,1 bar, màu sắc sản phẩm đáy thu có màu vàng đậm tinh dầu hồi thô chút Khi đem phân tích sản phẩm đáy hàm lượng anethole tăng lên từ 82,93 wt.% đến khoảng 88 wt.%, cấu tử có nhiệt độ sơi thấp gần khơng cịn xuất sản phẩm đáy xuất với hàm lượng thấp, cấu tử có nhiệt độ sơi trung bình tách đáng kể hàm lượng thấp đáy tháp Mơ hình động tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm xây dựng để tính tốn q trình chưng luyện tinh dầu hồi Kết tính tốn mơ hình kiểm chứng, so sánh với kết thực nghiệm Nghiên cứu có đồng thuận kết thực nghiệm tính tốn mơ hình động Theo kết tính tốn mơ hình, áp suất đỉnh nhỏ 0,1 bar, sản phẩm tinh dầu sau tinh chế có hàm lượng cấu tử anethole tang từ 82,93 wt.% lên tới 88 wt.% 75 Khảo sát thông số ảnh hưởng tới hàm lượng cấu tử anethole cho thấy, độ tinh khiết anethole đáy tháp cao tăng số đĩa lý thuyết tăng số hồi lưu giảm lượng lỏng lưu đáy tháp giảm áp suất đỉnh tháp Các nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác nhau, chưng luyện cho sản phẩm tinh dầu sau tinh chế có hàm lượng hiệu suất thu hồi anethole khác Bằng cách sử dụng mơ hình động tháp chưng luyện gián đoạn kiểm chứng thực nghiệm, tác giả tính toán điều kiện tối ưu, nguyên liệu tinh dầu hồi Trung Quốc Việt Nam đem tinh chế thu sản phẩm tinh dầu có hàm lượng anethole cao 98,4 wt.% 96,4 wt.%, hiệu suất thu hồi tương ứng 95,8% 87,1% Trong nghiên cứu này, anethole tinh luyện lên tới 93,2 wt.% với hiệu suất thu hồi khoảng 87,5% Mặc dù nhiều thí nghiệm thực hiện, chúng chưa đạt dự kiến có nhiều thơng số vận hành tháp khó điều chỉnh Nếu phạm vi vận hành tháp chưng mở rộng tiến hành thử nghiệm theo kế hoạch mơ hình động phát triển có độ tin cậy cao Mặc dù trình tinh chế tinh dầu hồi khả thi mặt kỹ thuật, xong khơng khả thi mặt kinh tế Vì vậy, việc phân tích kỹ thuật – kinh tế toàn diện cần thiết trước mở rộng quy trình quy mơ công nghiệp Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu phương án tái phân đoạn sản phẩm đỉnh sau tinh chế để nâng cao hiệu suất thu hồi anethole - Nghiên cứu phương án mở rộng phạm vi vận hành tiến hành thử nghiệm để nâng cao độ tin cậy mơ hình động - Nghiên cứu phân tích kỹ thuật – kinh tế toàn diện trước đưa mơ hình áp dụng vào quy mơ cơng nghiệp 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Đăng Ninh (2009), “Xây dựng hệ thống thương mại cho sản phẩm hồi mang dẫn địa lý Lạng Sơn xuất nước ngoài, Sở KH&CN tỉnh Lạng Sơn Xây dựng hệ thống thương mại cho sản phẩm (hlu.edu.vn) [2] Lưu Đàm Cư, Trương Anh Thư (2005), “Thành phần hóa học tinh dầu hồi Lạng Sơn”, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Filly, A., Fernandez, X., Minuti, M., Visinoni, F., Cravotto, G., Chemat, F (2013), “Solvent-free microwave extraction of essential oil from aromatic herbs: From laboratory to pilot and industrial scale”, Food Chemistry 150 (2014) 193–198 [4] H Ohira, N Torii, T.M Aida, M Watanabe, R.L Smith (2009), “Rapid separation of shikimic acid from Chinese star anise (Illicium verum Hook f.) with hot water extraction”, Separation and Purification Technology, 69(1), pp.102-108 [5] Cai, M., Luo, Y., Chen, J., Liang, H and Sun, P (2014), “Optimization and comparison of ultrasound-assisted extraction and microwave-assisted extraction of shikimic acid from Chinese star anise”, Separation and Purification Technology 133 (2014) 375–379 [6] D.Q Tuan, S.G Ilangantileket (1997), “Liquid CO2 extraction of essential oil from star anise fruits (Illicium verum H.)”, Journal of Food Engineering, 31(1), pp.47-57 [7] V.D Jeliazkov, T Astatkie, B O’Brocki, E Jeliazkova (2013), “Essential oil composition and yield of anise from different distillation times”, HortScience, 48(11), pp.1393- 1396 [8] S.C Beneti, E Rosset, M.L Corazza, C.D Frizzo, M.D Luccio, J.V Oliveira (2011), “Fractionation of citronella (Cymbopogon winterianus) essential oil and concentrated orange oil phase by batch vacuum distillation”, Journal of Food Engineering, 102(4), pp.348-354 [9] W.P Silvestre, F Agostini, L.A.R Muniz, G.F Pauletti (2016), “Fractionating of green mandarin (Citrus deliciosa Tenore) essential oil by vacuum fractional distillation”, Journal of Food Engineering, 178, pp.90-94 77 [10] S.C Beneti, E Rosset, M.L Corazza, C.D Frizzo, M.D Luccio, J.V Oliveira (2011), “Fractionation of citronella (Cymbopogon winterianus) essential oil and concentrated orange oil phase by batch vacuum distillation”, Journal of Food Engineering, 102(4), pp.348-354 [11] J Arias, D Casas-Orozco, A Cáceres-Ln, J Martínez, E Stashenko, A-L Villa (2020), “Dynamic modeling and experimental validation of essential oils fractionation: application for the production of phenylpropanoids”, Computers & Chemical Engineering, 135, https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2020.106738 [12] Nguyễn Văn Dưỡng, Vũ Thị Hoàng Phương, (2012), "Thiết kế, chế tạo chuyển giao hệ thống chưng cất tinh dầu Hồi quy mô nhỏ", Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam [13] Ninh Khắc Bản, (2008), Báo cáo nghiên cứu nâng cao xuất chất lượng sản phẩm từ Hồi (lllicium verum Hook.) Lạng Sơn [14] Phạm Văn Thiêm (2010), Báo cáo đề tài: nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ tách chiết tinh chế sản phẩm từ tinh dầu Hồi Lạng Sơn [15] Nguyễn Văn Dưỡng, Vũ Thị Hoàng Phương, (2012), "Hồn thiện cơng nghệ thiết kế chế tạo thiết bị chưng cất tinh dầu sấy hồi khô quy mô nhỏ" [16] H Ullah, B Honermeier (2013), “Fruit yield, essential oil concentration and composition of three anise cultivars (Pimpinella anisum L.) in relation to sowing date, sowing rate and locations”, Industrial Crops and Products, 42, pp.489-499 [17] A.H Emwas, Z.A.A Talla, Y Yang, N Kharbatia (2015), “Gas chromatography mass spectrometry of biofluids and extracts”, Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.), 1277, pp.91-112 [18] Rather, D M.; Ganai, B.; Dar, B.; Sofi, S.; Malik, A GCFID and GC-MS Analysis of the Essential Oil of Elsholtzia Densa Benth -a Rich Source of Acylfuran Nonterpene Ketones Int J Res Phytochem Pharmacol 2011, 1, 74 [19] Purushothaman, D N.; Ravi, S GC–MS Analysis of Essential Oil Obtained from Heracleum Candolleanum (Wight Et Arn) J Pharm Res 2013, 6, 155–157 https://doi.org/10.1016/j.jopr.2012.11.032 78 [20] Arora, N.; Pandey-Rai, S GC–MS Analysis of the Essential Oil of Celastrus Paniculatus Willd Seeds and Antioxidant, Anti-inflammatory Study of Its Various Solvent Extracts Ind Crops Prod 2014, 61, 345–351 https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.07.025 [21] Ceylan, H.; Özgen, C Dynamic Modelling and Optimal Control of a Multicomponent Batch Packed Distillation Column IFAC Proc 2008, 41(2), 4548– 4553 https://doi.org/10.3182/20080706-5-KR-1001.00765 [22] Elgue, S.; Prat, L.; Cabassud, M.; Lann, J M L.; Cézerac, J Dynamic Models for Start-up Operations of Batch Distillation Columns with Experimental Validation Comput Chem Eng 2004, 28(12), 2735–2747 https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2004.07.033 [23] Karacan, S.; Alpbaz, M.; Hapoǧlu, H.; Cabbar, Y.; Abilov, A.; Pamuk, V Dynamic Models For Packed Distillation Columns Int J Simul Model 1999, 19(3), 226– 235 https://doi.org/10.1080/02286203.1999.11760422 [24] Batiu, I Analysis in Terms of the Wilson, NRTL (Non Randon Two Liquids) and UNIQUAC Models of the Experimental Vapor -liquid Equilibrium Data in Binary and Ternary Systems Containing {(1r,4s)-(+)-fenchone, Methyl Chavicol and Trans-anethole} Studia Universitatis Babes-Bolyai Chemia 2011, 56, 35–44 [25] Okewale, A.; Igbokwe, P.; Babayemi, K A Design of Pilot Plant Packed Column for the Dehydration of Water from Ethanol-Water Mixtures Adv Chem Eng Sci 2015, 5(2), 152–157 https://doi.org/10.4236/aces.2015.52016 [26] Do, T X.; Phan, T T N.; Van Dinh Son, T Process Modeling and Economic Assessment of Converting Municipal Solid Waste into Solid Fuel via Hydrothermal Processing: A Case Study in Vietnam J Mater Cycles Waste Manage 2021, 23(6), 2318–2335 https://doi.org/10.1007/s10163-021-01286-5 [27] Do, T X.; Mujahid, R.; Lim, H S.; Kim, J.-K.; Lim, Y.-I.; Kim, J Technoeconomic Analysis of Bio Heavy-oil Production from Sewage Sludge Using Supercritical and Subcritical Water Renew Energ 2020, 151, 30–42 https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.10.138 79 [28] T Xuan, D.; Prajitno, H.; Lim, Y.-I.; Kim, J Process Modeling and Economic Analysis for Bio-heavy-oil Production from Sewage Sludge Using Supercritical Ethanol and Methanol J Supercrit Fluids 2019, 150, 137–146 https://doi.org/10.1016/j.supflu.2019.05.001 80 ... nghiên cứu 11 - Nghiên cứu tổng quan tinh dầu hồi, tình hình nghiên cứu cơng nghệ chế biến tinh dầu hồi giới nước, tổng quan phương pháp chưng luyện gián đoạn - Nghiên cứu thực nghiệm tinh chế tinh. .. hành tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm tinh chế tinh dầu hồi Trước trình tinh chế tinh dầu hồi việc kiểm tra làm hệ thống tháp chưng bước quan trọng, giúp cho hỗn hợp tinh dầu không. .. ngun liệu tinh dầu hồi thô mẫu sản phẩm sau tinh chế phương pháp phân tích GC-MS 2.2 Hệ thống thiết bị chưng luyện gián đoạn tinh chế tinh dầu hồi Nghiên cứu thực nghiệm tinh chế tinh dầu hồi thực