12.1. Bản chất, mục đích cơng nghệ và phạm vi sử dụng :
* Bản chất: Chưng cất là phương pháp tách hổn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi (nhiệt độ sơi) của chúng.
Chưng cất khác qúa trình cơ đặc là dung mơi và chất hịa tan đều bay hơi. * Mục đích cơng nghệ và phạm vi sử dụng:
-Thơ chế: Làm sạch các tạp chất thơ như keo, nhựa... trong quá trình sản xuất rượu hoặc thơ chế tinh dầu.
- Khai thác: Thu nhận cồn, tinh dầu.
- Nâng cao chất lượng sản phẩm: tinh chế cồn, các loại tinh dầu cĩ giá trị kinh tế cao.
12.2. Vật liệu, sản phẩm và biến đổi vật liệu :
* Vật liệu: là một hỗn hợp nhiều cấu tử cĩ nhiệt độ sơi khác nhau. Vật liệu cĩ thể là hỗn hợp :
- Rắn + lỏng: ví dụ các vật liệu chứa tinh dầu và nước, trong đĩ gồm các chất thơm và và dẫn suất của nĩ (1-30%), nước 65%, phần cịn lại là xơ và các tạp chất khác (tanin, chất màu). Ví dụ: dấm chín gồm rượu etylic, xác tế bào, cặn gồm tinh bột sĩt và đường sĩt...
- Lỏng + lỏng: hỗn hợp rượu thơ, tinh dầu thơ cần tinh chế.
Các pha lỏng cĩ thể hịa tan vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào (rượu trong cồn, các chất thơm của một loại tinh dầu...), chúng cũng cĩ thể hịa tan một phần vào nhau (các loại tinh dầu) hoặc khơng hịa tan vào nhau (dầu trong nước).
* Sản phẩm:
* Biến đổi của vật liệu:
- Biến đổi trạng thái: từ lỏng → hơi → lỏng. - Biến đổi về cấu trúc.
- Biến đổi về thành phần hĩa học do độ tinh khiết tăng, tách được tạp chất. - Thay đổi về cảm quan như màu sắc, độ đồng nhất tăng.
12.3. Phương pháp thực hiện quá trình :
a. Chưng cất đơn giản: dùng để chưng cất một hỗn hợp bao gồm các cấu tử dễ bay hơi cĩ
lẫn các tạp chất khĩ bay hơi, khi khơng địi hỏi sản phẩm cĩ độ tinh lkhiết cao (thơ chế), tách sơ bộ hỗn hợp chứa nhiều cấu tử chính hoặc tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất khơng bay hơi.
Ví dụ: cất tinh dầu từ nguyên liệu chứa tinh dầu, cất cồn thủ cơng bằng các nồi chưng cất đơn giản.
H2O
Sơ đồ chưng cất đơn giản
3 2 1 1. nồi chưng 2. thiết bị làm lạnh 3. thùng chứa
Vật liệu được nạp vào nồi chưng (1), ở đây hỗn hợp được đun đến nhiệt độ bay hơi. Bộ phận đun nĩng cĩ thể là trực tiếp bằng củi, than hoặc gián tiếp trong các bộ phận truyền nhiệt. Hơi bốc lên được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh (2) (thường là ống xoắn ruột gà, nước làm nguội được đi ở ngồi ống). Sản phẩm được thu vào thùng chứa (3).
b. Chưng cất cĩ hồi lưu: sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ cho quay trở về thiết bị chưng
với mục đích nâng cao chất lượng và tăng hiệu suất thu hồi.
c. Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: phun hơi nước trực tiếp qua chất lỏng hoặc vật liệu
và chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuyếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đĩ được ngưng tụ và tách thành sản phẩm.
Phương án này cĩ lợi đối với những chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và những chất cĩ nhiệt độ sơi quá cao.
Ngồi ra để chất lỏng khỏi bị phân hủy vì nhiệt và giảm bớt chi phí nhiệt, người ta tiến hành chưng cất với hơi nước dưới áp suất chân khơng.
d. Chưng luyện: để thu được sản phẩm tinh khiết người ta tiến hành chưng luyện nhiều lần.
* Chưng luyện nhiều lần trong một nhĩm thiết bị:
(3) (2) (2) (1) G B E H F D C A I
Sơ đồ chưng luyện nhiều lần
Hỗn hợp đầu A liên tục đi vào nồi chưng (1), một phần chất lỏng bay hơi thành sản phẩm đỉnh C. Hơi C thu được đem ngưng tụ thành chất lỏng D. D đi vào nồi chưng 2, trong 2 thu được hơi F và chất lỏng E. Quá trình cứ như vậy lặp lại lần 3. Mỗi nồi cĩ bộ phận đốt nĩng riêng biệt.
Kết quả thu được sản phẩm đáy B, E, H và sản phẩm đỉnh I cĩ chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi.
* Chưng luyện cho sản phẩm đáy quay trở lại:
Sơ đồ chưng luyện sản phẩm đáy quay trở lại
K A
Để thu được chỉ một sản phẩm đáy cĩ nhiều cấu tử ít bay hơi ta cho sản phẩm đáy của các nồi sau lần lượt quay trở lại vào nồi trước. Ta sẽ cĩ 1 sản phẩm đỉnh I và 1 sản phẩm đáy K.
* Tháp chưng luyện :
Phương pháp chưng trong 1 nhĩm thiết bị như vậy rất cồng kềnh. Để đơn giản người ta thay thế hệ thống đĩ bằng 1 tháp chưng luyện. Tháp cĩ nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Do đĩ một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít chuyển từ pha hơi sang pha lỏng. Lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng ít tạp chất và ở đáy thu được cấu tử khĩ bay hơi ở dạng nguyên chất. Theo lý thuyết mỗi đĩa của tháp là 1 bậc thay đổi nồng độ.
Quá trình chưng luyện cĩ thể thực hiện ở áp suất thường, áp suất cao hoặc ở áp suất chân khơng và cĩ thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục.
5
1. thùng chứa 2. tháp
3. ngưng tụ hồi lưu 4. làm lạnh 5. thùng chứa phần ngưng tụ 3 4 Nước Nước
Sơ đồ chưng luyện gián đoạn
1
2 Hơi
Hỗn hợp đầu
9 2 4 8 7 5 6 1 Nước
Sơ đồ chưng luyện liên tục
3
1. Đáy tháp
2. Thiết bị đun nĩng nguyên liệu ban đầu. 3. Phần đỉnh tháp
4. Thùng chứa cao vị
5. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 6. Thiết bị làm sạch
7. Thùng chứa phần ngưng tụ 8. Thùng chứa bã
9. Dụng cụ nhìn kiểm tra
e. Chưng cất thăng hoa:
Dùng để làm sạch các sản phẩm khĩ bay hơi (chứa các tạp chất khĩ bay hơi và khơng bay hơi) dựa vào tính chất cơ bản của một số các tinh thể rắn cĩ áp suất hơi cao chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn hoặc lỏng vào hơi.