Thiết bị trích ly trong CNTP

MỤC LỤC Contents MỤC LỤC HÌNH ẢNH 1.TỔNG QUAN VỀ TRÍCH LY 1.1 Khái niệm trích ly: Trích ly trình tách hay số chất tan chất lỏng hay chất rắn chất lỏng khác - gọi dung mơi Cơ sở lí thuyết q trình trích ly dựa vào khác số điện môi dung môi chất cần trích ly Động lục q trình trích lý chênh lệch nồng độ cấu tử nguyên liệu dung môi Dung môi trích ly gọi dung mơi thứ cấp cịn dung mơi có chứa chất hịa tan gọi dung mơi sơ cấp Trích ly lỏng-lỏng Trích ly lỏng-rắn Qúa trình tách chất hịa tan chất Qúa trình tách chất hòa tan chất lỏng chất lỏng khác rắn chất lỏng VD: Trích ly dầu hexan VD: Trích ly cafein từ bột cafe 1.2 Lựa chọn dung mơi: Dung mơi thích hợp cho q trình trích ly cần đảm bảo tính chất: • Tính hịa tan có chọn lọc (dung mơi hịa tan tốt chất cần tách mà khơng hịa tan hịa tan cấu tử khác) • Khối lượng riêng phải khác xa khối lượng riêng dung dịch • Chọn dung mơi có khối lượng riêng nhỏ • Có tính chất thơng thường khác: khơng độc, khơng ăn mịn thiết bị, khơng có tác dụng hóa hòa với cấu tử hỗn hợp, rẻ tiền, dễ kiếm, SƠ ĐỒ TRÍCH LY Hình Sơ đồ q trình trích ly chất lỏng Q trình trích ly tiến hành qua giai đoạn: • Giai đoạn 1: Giai đoạn trộn lẫn, phân phối hai pha vào để tạo tiếp xúc pha tốt cho dung chất truyền từ hỗn hợp đầu vào dung mơi • Giai đoạn 2: Giai đoạn tác pha, hai pha phân lớp tách dễ dàng hay không phụ thuộc vào độ chênh lệch khối lượng riêng chúng Một pha gọi pha trích gồm dung môi cấu tử phân bố, pha gọi raphinat gồm phần cịn lại dung dịch • Giai đoạn 3: Giai đoạn hịan ngun dung mơi, tách cấu tử phân bố khỏi dung mơi Trích ly lỏng thường dùng cho trình sau: tách chất dễ phân hủy nhiệt độ cao Dung dịch có khả tạo đẳng khí cấu tử có nhiệt độ sơi gần Dung dịch q loãng ( tiết kiệm chưng cất ) CÂN BẰNG PHA TRONG Q TRÌNH TRÍCH LY 3.1 Định luật phân bố  Theo quy tắc pha Gibs: C=k-f+n Trong q trình trích ly ln có cấu tử độc lập (cấu tử cần trích ly, dung mơi trích ly, cấu tử mang trích ly), ln tồn pha (lỏng, rắn), yếu tố môi trường ảnh hưởng nhiệt độ áp suất Suy q trình trích ly sơ bậc tự C= 3-2+2= (thường áp suất, nhiệt độ, nồng độ cấu tử phân bố pha trích pha Raphinat)  Ta xét trình điều kiện P,T= const ta có biểu thức tốn học định luật phân bố là: Trong đó: y*: nồng độ cân pha trích x: nồng độ pha raphinat m : hệ số phân bố nồng độ 3.2 Đồ thị tam giác Đây dạng đồ thị sử dụng nhiều để mô tả thành phần hỗn hợp cấu tử Trong khoảng cách từ đỉnh đến cạnh biểu diễn thành cấu tử Mỗi đỉnh tam giác biểu diễn cấu tử nguyên chất (100%) theo ký hiệu Hình Đồ thị ta giác Ta xét đồ thị tam giác q trình trích ly: Nếu R (kg) hỗn hợp R trộn với E (kg), hỗn hợp tạo thành M nằm đoạn RE xác định theo công thức: Xét cấu tử A, B C mà đó, cấu tử C hịa tan hồn tồn A B, A B tan giới hạn biểu diễn điểm K(nhiều B) điểm L(nhiều A) hình bên Hình Đồ thị tam giác hệ pha sử dụng trích ly Xét điểm M bên đường cong tạo nên pha lỏng bão hịa có thành phần biểu diễn điểm R điểm S Đường nối thành phần pha cân gọi đối tuyến thiết phải qua M, có vơ số đối tuyến vùng pha, đối tuyến song song nhau, chúng thay đổi độ dốc chậm dương hay âm tùy hệ ba cấu tử Các điểm R S tăng dần lên trùng điểm P gọi điểm tới hạn CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÍCH LY 4.1 Trích ly bậc: Hỗn hợp ban đầu dung môi trộn lẫn với để tạo nên hỗn hợp M, trình truyền khối hai pha tiến hành hệ đạt cân bằng, sau hỗn hợp M tách thành hai pha R E Đặt F lượng nhập liệu ban đầu chứa A C với phần khối lượng C x F tiếp xúc với S chứa chủ yếu B với phân khối lượng C y S, sau hỗn hợp tách làm pha cân R1 E1 nối với đối tuyến R1E1 Ta có cân vật chất tổng cộng: F + S = M = E1 + R1 Hình Sơ đồ trích ly bậc Và điểm M xác định đoạn FS theo quy tắc đòn bẫy tính nồng độ C M1 theo cân vật chất sau: Lượng pha trích pha raphinap tính theo cân vật chất cho C:  Trích li bậc làm việc gián đoạn hay liên tục Đây phương pháp trích li đơn giản nhất, có nhược điểm tốn nhiều dung mơi thu cấu tử cần tách có độ tinh khiết thấp Hình Trích ly bậc Hình Trích ly bậc liên tục 4.2 Trích ly chéo dịng Q trình trích ly nhiều bậc chéo dịng lặp lại nhiều lần q trình trích ly bậc Lượng dung dịch trích thu bậc E 1, E2, E3, chứa lượng cấu tử cần tách giảm dần Lượng dung môi tiêu tốn chung tổng dung môi tiêu tốn bậc Quá trình tiến hành gián đoạn thiết bị có cánh khuấy Nghĩa với lượng hỗn hợp đầu F, người ta đổ nhiều lần dung môi S, lần đổ lượng dung môi S cần thiết vào thiết bị khuấy đến trạng thái cân bằng, để lắng lớp raphinat dung dịch trích Sau tách lớp dung dịch trích ra, cịn raphinat giữ lại thiết bị tiếp tục rót lượng dung mơi S vào tiến hành trình tương tự raphinat có nồng độ yêu cầu Cân vật chất tổng cộng cho đoạn thứ n bất kỳ: Rn-1 + Sn = Mn = En + Rn Cân cho C: Ưu điểm phương pháp tách triệt để cấu tử cần tích Rupinat Nhưng có nhược điểm nồng độ cấu tử phân bố dung dịch trích lỗng Có thể khắc phục nhược điểm trịch li nhiều đặc ngược chiều 4.3 Trích ly nhiều bậc ngược chiều Dung dịch ban đầu vào đầu này, dung môi vào đầu kia, hai pha raphinat pha trích liên tục ngược chiều qua đoạn, cuối hai dòng sản phẩm RN E1 Như dung dịch trích lỗng lại tiếp xúc với Raphinat có nồng độ phân bố bé nên có khả tách triệt để cấu tử phân bố Raphỉnat Ngược lại dung dịch trích cảng đậm đặc lại tiếp xúc với Raphinat có nồng độ cấu tử phân bổ cao nên thu dung dịch trích có nồng độ cao Khi độ phân tách thỉ trích li nhiều bậc ngược chiều tốn dung mơi Cân tổng cộng: F + S = E1 + RN = M Cân cho dung chất C: F.xF + S.xS = E1.y1 + RN.xN = M.xM THIẾT BỊ TRÍCH LY Loại Năng suất ( m3/m2.h) Chiều cao đơn vị truyền khối HTU(m) Khuấy – lắng Hiệu suất, mâm (%) Khoảng cách mâm (m) 75-100 Tháp phun 15-75 3-6 Tháp chêm 6-45 1,5-6 Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chặn 3-60 0,3-6 6-24 0,75-1,75 18-30 1,2-1,8 5-10 0,1-0,15 Tháp khuấy 15-30 0,3-0,6 80-100 0,3-0,5 Bảng đặc trưng hoạt động thiết bị trích ly thương mại Trong q trình trích ly lỏng-lỏng, trình hấp thu, chưng cất, hai pha phải có tiếp xúc tốt để trình truyền vật chất tách pha dễ dàng Trong hấp thu chưng cất khuấy trộn tách pha xaye dễ dàng nhanh chóng Tuy nhiên, trích ly hai pha có khối lượng riêng gần nên lượng tiêu tốn cho trình khuấy trộn tách pha – dòng chảy trọng lực – nhỏ so với trường hợp pha lỏng, pha khí Hai pha lỏng thường khó trộn lẫn khó tách Độ nhớt hai pha lỏng thường tương đối cao vận tốc dài qua thiết bị trích ly thấp Do đó, số loại thiết bị trích ly lượng học cung cấp cho trình trộn tách pha 5.1 Thiết bị trích theo đoạn Với trình hoạt động gián đoạn, thiết bị khuấy thiết bị lắng kết hợp làm thiết bị Thiết bị khuấy thường dùng cánh khuấy chân vịt turbin Cuối chu kỳ khuấy, lớp để yên để tách trọng lực pha trích pha raphinat tháo vào thùng chứa riêng biệt qua ống tháo đáy có kihs quan sát Thời gian càn thiết để khuấy lắng xác định thực nghiệm, thông thường khuấy phút lắng 10 phút Tuy nhiên thời gian nhanh lâu tùy hệ chât cụ thể Hình Bình khuấy cho trình trích ly gián đoạn liên tục Với q trình hoạt động liên tục, thiết bị khuấy lắng hai thiết bị riêng biệt Bình khuấy nhỏ bình lắng có ống vào ra, chặn để tránh dịng chảy tắt Có thể dùng bơm ly tâm để tạo dịng khuấy trộn Bình lắng dạng thiết bị lắng liên tục trọng lực Với chất lỏng dễ tạo nhủ có khối lượng riêng gần nhau, dòng khỏi thiết bị khuấy cần cho qua sàng để kết tụ giọt pha phân tán trước để lăng trọng lực Với hệ khó tách pha sử dụng đến máy ly tâm loại đĩa ống 5.2 Thiết bị trích ly loại tháp 5.2.1 Tháp phun Hình Cấu tạo tháp phun A-van tháo pha nặng; B-bề mặt phân chia pha; C-van điều chỉnh bề mặt phân chia pha; D-van tháo vặn ( mở định kỳ) tích tụ bề mặt phân pha a) Pha nhẹ phân tán; b) pha nặng phân tán Đây dạng thiết bị đơn giản cho trình tiếp xúc pha liên tục có tháp rỗng bên có phận phân phối chất lỏng tháo chất lỏng Pha liên tục chiếm tồn thể tích tháp từ lên từ xuống Pha phân tán nhờ phận phun tạo thành hạt nhỏ xuyên qua, phân tán vào pha liên tục Pha phân tán sau vượt qua khỏi phận phối pha liên tục bị kết tụ lại tách khỏi pha liên tục Nếu giảm chiều cao ống A hay mở van C bề mặt tiếp xúc pha hạ xuống Pha nặng tiếp tục phân tán vào pha nhẹ Đây cách điều chỉnh vị trí bề mặt tiếp xúc pha tháp Ưu điểm: chi phí tạo tháp không lớn, dễ dàng làm vệ sinh, suất cao Nhược điểm: tháp có hiệu suất nên không sử dụng thực tế 5.2.2.Tháp đệm ( tháp chêm ) Cấu tạo khơng khác với tháp chêm dùng cho q trình tiếp xúc pha khí lỏng Tháp có tác dụng hạn chế khuấy trộn theo phương trục, thay đổi đường hạt pha phân tán nên tăng phần tốc độ truyền khối Với hai pha lỏng tiếp xúc với nhau, lựa chọn vật chêm phải cẩn thận để đảm bảo thấm ướt hoàn toàn bề mặt chêm Vật chêm sứ dùng cho chất lỏng có nước, băng cacbon, nhựa cho chất lỏng hữu Đường kính vật chêm khơng lớn 1/8 đường kính tháp Tháp chêm có suất tháp phun phần thể tích tháp bị vật chêm chiếm Hiệu suất phân tán tháp chêm không cao Ngun lý hoạt động: trục có gắn kết với cánh khuấy, trục quay cánh khuấy chuyển động quay theo Ngoài tháp cịn có vật liệu đệm Khi pha nặng pha nhẹ đưa vào tháp hỗn hợp đưa qua lớp đệm lúc hai pha nặng pha nhẹ gặp kết hợp chuyển động cánh khuấy trộn hổn hợp làm cho chúng tiếp xúc với nhiều nên làm tăng hiệu trích ly Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản chắn lớp đệm phân phối tốt diện tích tiếp xúc lớn, trở lực tháp nhỏ Nhược điểm: khó làm ướt lớp đệm chiều cao tháp lớn chất lỏng phân phối khơng Ứng dụng: tháp đệm có ứng dụng rộng rãi\ Cách tạo thành lớp đệm: a) Yêu cầu lớp đệm : • Bề mặt riêng phải lớn • Thể tích tự lớn • Khối lượng riêng nhỏ • Độ bền hóa học cao b) Có hai loại đệm • Loại đệm xếp ngẫu nhiên lộn xộn • Loại đềm có cấu trúc xác định 10 5.2.3 Tháp trích ly nghịch dịng có cánh khuấy, đĩa quay a)Thiết bị trích ly có cánh khuấy b)Thiết bị trích ly có đĩa quay Hình 10 Thiết bị trích ly dạng tháp có cánh khuấy dĩa quay 5.2.4.Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm hoạt động có hiệu quả, suất lẫn hiệu lẫn hiệu suất trích, đặc biệt cho hệ có sức căng bề mặt Diều : • Sự khuấy trộn theo phương trục pha liên tục bị giới hạn vào hai mâm, khơng lan rộng tháp • Các giọt pha phân tán kết tụ lại phân tán qua mâm, tránh sai biệt nồng độ qua giọt Tháp gồm có nhiều mâm có đục lỗ, đường kính lỗ từ 2÷9mm Trong tháp hai pha nặng pha nhẹ bố trí pha liên tục pha phân tán Những tí giọt pha phân tán qua mâm giọt nhỏ sau tập hợp lại thành lớp mâm pha phân tán pha nặng hay mâm pha phân tán pha nhẹ Do ống chảy chuyền mâm nằm mâm cho phù hợp 11 Hình 11.Tháp mâm xuyên lỗ pha nhẹ phân tán 5.3.5 Tháp có gây chấn động Hình 11 Tháp chấn động Tháp loại tháp mâm nguyên lỗ ống chảy chuyền Chấn động tạo nên nhiều phương pháp, thông thường dùng bơm piston khơng có van, bơm nối với đáy tháp hay nối với đường ống cho pha nhẹ vào Tần số chấn động từ 30÷250 chu kỳ/ph với biên độ chấn động 1mm Chấn động tạo nên cho tháp chêm loại tháp trích khác Có thể dùng tháp chấn động để trích ly chất lỏng có sai biệt khối lượng riêng 50kg/m3 trường hợp suất thấp 12 TRÍCH LY SIÊU TỚI HẠN 6.1 Tổng quan Trong ngành cơng hóa chất, vật liệu polymer hoạc cơng nghiệp thực phẩm, dược phẩm sử dụng nhiều loại dung môi hữu để thực trình phản ứng hóa học hay trích ly thành phần mục tiêu Các q trình thải nhieuf hóa chất, phế thải tiêu tốn tài nguyên nước dung môi Một số q trình diễn nhiệt độ cao tiêu tốn lượng gây hư hại cấu trúc phân hủy hoạt chất giải pháp sử dụng lưu chất CO2 siêu tới hạn (scCO2) Trạng thái Tỷ trọng ( g/mol) Hệ số khuếch tán Độ nhớt (g/cm.s) (cm2 /s) Khí 1x103 1x10-1 1x10-4 Lỏng 1,0 5x10-1 1x10-2 Siêu tới hạn 3x10-1 1x10-3 1x10-4 Bảng Tích chất vật lý CO2 dạng lỏng, khí siêu tới hạn 6.2 Phương pháp SCO2 Bất kỳ dung môi trạng thái siêu tới hạn tồn nhiệt độ áp suất giá trị tới hạn Đối với chất thông thường, điều kiện định chúng tồn trạng thái trạng thái rắn, lỏng khí Nếu nén chất khí tới áp suất đủ cao, chất khí hóa lỏng Tuy nhiên, có giá trị áp suất mà đó, nâng dần nhiệt độ lên chất lỏng khơng thể trở trạng thái khí, mà rơi vào vùng trạng thái đặc biệt gọi trạng thái siêu tới hạn (supercritical) Vật chất trạng thái mang nhiều đặc tính chất khí chất lỏng, nghĩa dung mơi mang tính trung gian khí lỏng.Vì CO2 đưa lên nhiệt độ, áp suất cao nhiệt độ, áp suất tới hạn (310C,73,8 atm), CO2 chuyển sang trạng thái siêu tới hạn Tại trạng thái CO2 mang hai đặc tính: Đặc tính phân tách q trình trích ly đặc tính phân tách q trình chưng cất Nó có khả hồ tan tốt đối tượng cần tách khỏi mẫu dạng rắn, lỏng, khí Sau q trình 13 chiết, để thu hồi sản phẩm cần giảm áp suất thấp áp suất tới hạn CO chuyển sang dạng khí ngồi cịn sản phẩm bình hứng.Ở điều kiện nhiệt độ, áp suất khác tương ứng với đối tượng cần chiết tách khác Sơ đồ chiết ly rắn-lỏng siêu tới hạn cho trích 6.3 Ưu điểm SCO2 so với phương pháp Phương pháp sử dụng scCO2 Phương pháp sử dụng dung môi hữu Khó kiểm sốt Dễ dàng kiếm sốt thơng qua áp suất nhiệt độ Dễ dàng áp dụng tự động hóa Khơng độc, khơng cháy nổ Tùy phương pháp Gây độc, dễ bay hơi, dễ cháy nổ, gây ô nhiễm Thường không yêu cầu cao thiết bị Đa số có quy trình chuẩn Thiết bị chun dùng, đắt tiền, cần nghiên cứu ưu hóa điều kiện chiết mẫu 6.4 Ưu điểm SCO2 • • • • truyền thống Sức căng bề mặt thấp Độ nhớt thấp Độ linh động cao Tỉ trọng xấp xỉ tỉ trọng chất lỏng 6.5 Ứng dụng SCO2 • Cơng nghệ hóa- vật liệu • Cơng nghiệp tách- bào chế dược 14 Công nghệ chế biến thực phẩm : chiết hợp chất từ hoa Houblon sản xuấ bia, loại cafein khỏi trà café,… 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng Kỹ Thuật Thực Phẩm Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học & thực phẩm – Võ Văn Quang, Chủ biên: Vũ Bá Minh https://chuong-4-ky-thuat-trich-ly-bang-sieu-toi-han 16 ... qua thiết bị trích ly thấp Do đó, số loại thiết bị trích ly lượng học cung cấp cho trình trộn tách pha 5.1 Thiết bị trích theo đoạn Với q trình hoạt động gián đoạn, thiết bị khuấy thiết bị lắng... trúc xác định 10 5.2.3 Tháp trích ly nghịch dịng có cánh khuấy, đĩa quay a )Thiết bị trích ly có cánh khuấy b )Thiết bị trích ly có đĩa quay Hình 10 Thiết bị trích ly dạng tháp có cánh khuấy dĩa... BẰNG PHA TRONG Q TRÌNH TRÍCH LY 3.1 Định luật phân bố  Theo quy tắc pha Gibs: C=k-f+n Trong q trình trích ly ln có cấu tử độc lập (cấu tử cần trích ly, dung mơi trích ly, cấu tử mang trích ly) ,