2.1.1.1 Xác định cân bằng pha bằng phương pháp lập mô hình
Tất cả các mô hình cân bằng pha đều tập trung vào việc xác định hệ số hoạt độ của cấu tử i trong pha lỏng bằng các phương pháp khác nhau. Sơ đồ khối trên hình 2.1 được thảm khảo từ sơ đồ tương tự do Eric Carlson (1996)[27], từ đó có thể xác định mô hình cân bằng pha lỏng – hơi phù hợp.
Hình 2. 1 Hướng lựa chọn mô hình cân bằng pha cho các hệ cấu tử.
Mô hình lựa chọn sử dụng phương pháp hệ số hoạt độ để biểu diễn trạng thái cân bằng pha lỏng hơi (VLE) và lỏng lỏng (LLE) cho hỗn hợp lỏng không lí tưởng. Với hỗn hợp lỏng không lí tưởng các tính chất của hỗn hợp như tỷ trọng, enthalpy, hệ số fugat và hệ số hoạt độ được biểu diễn bởi hàm của nhiệt độ, áp suất và thành phần pha. Phương pháp
43 hệ số hoạt độ là tương thích để tính toán cân bằng lỏng hơi cho hệ tinh dầu thông bởi hệ tinh dầu thông là hệ cấu tử phân cực không điện li, được tiến hành chưng cất ở áp suất chân không. Từ sơ đồ trên ta có thể sử dụng các mô hình Wilson, NRTL, UNIQUAC và UNIFAC[28] cho kết quả chính xác nhất.
Mô hình Wilson:
- Mô hình đơn giản, dễ xác định do chỉ chứa các thông số hệ hai cấu tử.
- Mô hình này hầu như không được sử dụng để dự đoán cân bằng pha lỏng – hơi cho hệ nhiều cấu tử khi hệ xuất hiện pha lỏng phân lớp.
Mô hình NRTL:
- Mô hình biểu diễn tương đối tốt cho cân bằng pha lỏng – hơi, lỏng – lỏng của hệ nhiều cấu tử. Kết quả dự đoán cân bằng pha lỏng – hơi khá phù hợp với thực nghiệm khi hiệu chỉnh thông số của mô hình.
- Tuy nhiên, với hệ tinh dầu thông thì mô hình này không có đủ các số liệu có sẵn. Việc xác định các thông số của mô hình sẽ mất nhiều thời gian và công sức. Mô hình UNIQUAC:
- Mô hình cho kết quả dự đoán cân bằng pha lỏng – hơi phù hợp với các kết quả thực nghiệm của hệ nhiều cấu tử.
- Tuy nhiên, các số liệu về thông số của mô hình này chưa đầy đủ. Mô hình UNIFAC:
- Mô hình ra đời dựa trên sự kết hợp mô hình UNIQUAC với phương pháp đóng góp nhóm. Theo mô hình UNIFAC, hỗn hợp được xem như tạo thành từ nhóm chức thay vì được tạo từ các phân tử. Việc chia thành các nhóm chức đặt cơ sở cho việc hình thành mô hình cân bằng pha UNIFAC.
- Mục đích chính của mô hình này là dựa trên những số liệu thực nghiệm về cân bằng pha có sẵn của hệ hai cấu tử để dự đoán cân bằng pha lỏng – lỏng, lỏng – lỏng – hơi, lỏng – hơi cho những hệ nhiều cấu tử khi không có các số liệu thực nghiệm.
Chọn mô hình cân bằng lỏng – hơi có độ tin cậy cao là điều quan trọng của trong việc tính toán tháp chưng luyện và khảo sát sự vận hành của nó. Với hệ tinh dầu thông là hệ phức tạp chứa hàng trăm cấu tử, bị phân lớp trong nước nên việc xác định mô hình cân
44 bằng pha phù hợp khá khó khăn. Ta có thể nhận thấy các mô hình trên có thể chia làm 2 hướng:
- Hướng xác định các thông số bằng giá trị thực nghiệm với mô hình NRTL. Với mô hình này ta cần tiến hành tối ưu hóa các thông số của từng cặp cấu tử trong mô hình.
- Hướng phân chia cấu tử theo các nhóm chức và phần gốc của phân tử với mô hình UNIFAC, mô hình này không phải xác định các thông số từ thực nghiệm mà chỉ cần chia nhóm chính xác vì các hệ số tương tác nhóm đã có trong ngân hàng dữ liệu.
Với hệ tinh dầu thông chứa đến hàng trăm cấu tử khác nhau, số liệu cân bằng pha vẫn chưa đầy đủ hết, có những cấu tử không có số liệu. Như vậy, ta bắt buộc phải giả thiết hệ chỉ gồm một số cấu tử chính như α-pinene, β-pinene, d-limonene, Δ-3-carene,... đại diện cho hệ tinh dầu thông. Và để lựa chọn mô hình phù hợp với hệ tinh dầu thông, cần thiết phải kiểm chứng sự phù hợp với số liệu cân bằng pha từ thực nghiệm.
2.1.1.2 Xác định mô hình cân bằng pha bằng phương pháp thực nghiệm.
Các số liệu thực nghiệm cân bằng lỏng – hơi được thực hiện trên hệ thống thiết bị đặt tại phòng 107 – nhà C4, bộ môn Quá trình – thiết bị Công nghệ hóa học & thực phẩm, Viện Kỹ thuật hóa học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
a) Nguyên tắc tiến hành:
Hỗn hợp tinh dầu thông được chưng cất tuần hoàn đạt đến trạng thái cân bằng. Tại đây, tiến hành lấy mẫu, phân tích nồng độ các cấu tử trong pha lỏng và pha hơi (ngưng tụ dưới dạng lỏng) [01].
Hỗn hợp tinh dầu thông được nạp vào bình chưng số 1, gia nhiệt đến nhiệt độ đỉnh đạt giá trị nhất định. Hỗn hợp hơi bay lên theo ống dẫn vào buồng bốc hơi phía trên. Hơi đi vào sinh sàn số 8, được ngưng tụ và tuần hoàn về bình chưng số 1. Nhiệt độ của hỗn hợp hơi được xác định bằng nhiệt kế số 6. Khi quá trình làm việc ổn định, cân bằng lỏng – hơi được thiết lập (nhiệt độ hơi không đổi trong khoảng thời gian đủ lớn, khoảng 2.5h), tiến hành lấy mẫu lỏng và hơi đồng thời (mẫu lỏng lấy tại van số 10, mẫu hơi lấy tại van số 3).
45 1 2 3 6 5 7 8 9 10 4 1. Bình chưng
2. Ống hồi dung dịch về bình chưng 3. Van lấy mẫu hơi
4. Ống dẫn hơi 5. Buồng bốc hơi 6. Nhiệt kế cổ nhám 7. Vỏ cách nhiệt 8. Sinh hàn 9. Sinh hàn
10. Van lấy mẫu lỏng
Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị xác định cân bằng lỏng – hơi
b) Tiến hành thí nghiệm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phương pháp thực nghiệm có sử dụng thiết bị xác định cân bằng pha lỏng – hơi của dung dịch, theo các bước sau:
Bước 1: Lắp đặt toàn bộ hệ thống vào các thiết bị phụ trợ.
- Lắp đặt hệ thống tạo chân không và bẫy chân không để đảm bảo độ chân không cho hệ thống làm việc.
- Sử dụng đá và muối để làm tác nhân lạnh cho bẫy chân không.
- Lắp đặt hệ thống làm lạnh bao gồm các sinh hàn và đường nước làm lạnh. Sử dụng nước làm lạnh ở nhiệt độ: 100C.
- Lắp đặt bếp điện.
- Lắp ống mao quản điều chỉnh độ chân không. - Tra mỡ chân không vào các khớp nối.
Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống trước khi vận hành, kiểm tra độ kín, các đường nước làm lạnh, nhiệt kế, hệ thống lấy sản phẩm, mao quản, hoạt động của bơm chân không và bẫy chân không, khả năng hoạt động của bếp điện.
Bước 2: Rửa tháp
- Tháo bỏ các chất còn trong lần chưng trước và làm sạch bình chưng. - Rửa hệ thống chưng bằng nước cất.
- Rửa toàn bộ thiết bị chưng bằng cồn 300. - Rửa toàn bộ thiết bị chưng bằng cồn 900. - Sấy khô thiết bị chưng.
46 Bước 3 : Tiến hành thực nghiệm
- Đong lượng tinh dầu thông cần chưng V=100ml. - Cho lượng tinh dầu đã đong vào vào bình chưng.
- Bắt đầu tiến hành quá trình chưng cất gián đoạn ở áp suất chân không 28Kpa và 1,05Kpa.
- Chưng ổn định ở khoảng nhiệt độ: 400C ÷ 750C bằng cách điều chỉnh lượng nhiệt cấp vào (điều chỉnh hoạt động của bếp điện).
Khi quá trình làm việc ổn định, cân bằng lỏng – hơi được thiết lập (nhiệt độ hơi không đổi, thời gian làm việc đủ lớn khoảng 2,5h), tiến hành lấy mẫu lỏng và hơi đồng thời (mẫu lỏng lấy tại van 10, mẫu hơi lấy tại điểm lấy mẫu sau ngưng tụ 3) cho vào các lọ thủy tinh đậy kín.
Sản phẩm được để trong các lọ thủy tinh ghi nhãn để đem đi phân tích nồng độ của các cấu tử bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ.
Bước 4 : Kết thúc thí nghiệm
- Sau khi hoàn thành quá trình chưng cất, tiến hành tắt bếp, để nguyên hệ thống làm lạnh trong vòng 30 ÷ 45 ph rồi mới tiến hành tắt đường nước làm lạnh. - Tháo nhiệt kế, ống mao quản rồi làm sạch và cất giữ cẩn thận.
- Vệ sinh bình chưng, rửa hệ thống như bước 2. - Sấy khô và ngắt điện hệ thống.
- Tháo rời các bộ phận như trước khi tiến hành, sắp xếp gọn gàng các thiết bị trong tủ hút trước lúc kết thúc thí nghiệm.
2.1.2. Mô phỏng quá trình chưng luyện gián đoạn.
Chưng luyện gián đoạn thường được vận hành với các chu trình sản xuất bao gồm nạp nguyên liệu, đun nóng, cân bằng, lấy sản phẩm phụ, lấy sản phẩm chính, lấy sản phẩm trung gian, làm lạnh, tháo cặn và làm sạch. Lượng sản phẩm phụ phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu cũng như độ tinh của sản phẩm tách. Độ tinh của sản phẩm phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối, chỉ số hồi lưu và chiều cao lớp đệm.
2.1.2.1. Mô phỏng quá trình khởi động.
Giai đoạn khởi động được hiểu là quá trình đưa tháp từ trạng thái rỗng và nguội đến khi bắt đầu lấy sản phẩm. Thường gồm các giai đoạn sau:
47 - Cấp nhiệt cho thiết bị đun sôi đáy tháp khi lượng nguyên liệu đạt đến mức độ nào đó
(tùy theo cách khởi động)
- Xuất hiện pha hơi ở đáy tháp đến khi bắt đầu có lỏng ngưng tụ ở đỉnh tháp
- Chạy tháp ở chế độ hồi lưu toàn phần, không hồi lưu hoặc ở một chỉ số hồi lưu nào đó cho đến khi tháp đạt được trạng thái ổn định để bắt đầu quá trình lấy sản phẩm. Mô phỏng giai đoạn khởi động thực tế cực kỳ khó khăn trừ khi có một mô hình chặt chẽ cụ thể bao gồm cả chế độ thủy lực của đệm. Tuy nhiên, mô phỏng giai đoạn khởi động tương đối dễ dàng và có thể được thực hiện khi không xem xét mô hình thủy lực một cách quá chi tiết. Để làm điều đó cần thêm lượng lỏng tích lũy trên đệm bằng các cách sau:
(a) Trực tiếp với chất lỏng đáy tại nhiệt độ sôi. Điều đó có nghĩa là thành phần chất lỏng tại đoạn đệm và thùng ngưng tụ trong các phương trình mô hình được thống nhất với thành phần nguyên liệu đầu cho mô phỏng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(b) Vận hành tháp mà không hồi lưu, với chỉ một bậc lý thuyết đoạn luyện (Sử dụng mô hình Rayleigh). Hơi từ nồi đun đáy tháp được ngưng tụ và trữ tại thiết bị đỉnh cho tới khi chất lỏng có tại thiết bị ngưng tụ và tích lũy trên tháp.
Vì vậy, trong phạm vi nghiên cứu của luận án, đơn giản chỉ là yêu cầu chạy tháp (mô phỏng vận hành tháp sử dụng mô hình đã chọn) tại chế độ hồi lưu hoàn toàn cho tới khi đạt được trạng thái ổn định hoặc cho tới khi nhiệt độ đỉnh không đổi, tương ứng thành phần sản phẩm đỉnh không đổi.
2.1.2.2. Mô phỏng quá trình lấy sản phẩm.
So với giai đoạn khởi động, mô phỏng giai đoạn lấy sản phẩm khá dễ dàng và được xem xét bởi một số tác giả trong một số mô hình cho tháp truyền thống. Quá trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn được mô phỏng chia làm các giai đoạn chính:
- Bước 1: Tháp chạy ở chế độ hồi lưu hoàn toàn.
- Bước 2: Tháp chạy ở chỉ số hồi lưu không đổi (với chế độ chạy chỉ số hồi lưu không đổi) hoặc chỉ số hồi lưu thay đổi trong suốt quá trình chưng luyện gián đoạn. Trong quá trình chạy có thể lấy sản phẩm chính hay phụ tại đỉnh tháp.