sản phẩm đáy của tháp chưng luyện bằng mô hình.
Tác giả đã sử dụng mô hình động của tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm để khảo sát sự ảnh hưởng của một vài thông số tới hàm lượng cấu tử anethole trong sản phẩm tinh dầu thu được ở đáy tháp. Cụ thể tác giả đã khảo sát, phân tích những ảnh hưởng của số đĩa lý thuyết, chỉ số hồi lưu, lượng lỏng lưu ở đáy tháp, áp suất, và thành phần nguyên liệu đến hàm lượng của cấu tử anethole trong sản phẩm đáy. Thành phần anethole và hiệu suất thu hồi từ các nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô chất lượng tốt nhất của các quốc gia khác nhau cũng được khảo sát so sánh và phân tích trong nghiên cứu này.
a. Ảnh hưởng của số đĩa lý thuyết, chỉ số hồi lưu, lượng lỏng lưu ở đáy tháp, và áp suất đỉnh đến hàm lượng anethole trong sản phẩm đáy.
Hình 23 thể hiện ảnh hưởng của các thông số: số đĩa lý thuyết, chỉ số hồi lưu, lượng lỏng lưu ở đáy tháp, và áp suất đỉnh đến hàm lượng anethole trong sản phẩm đáy. Trên hình 23 có thể thấy chỉ số hồi lưu và lượng lỏng lưu ở đáy tháp có ảnh hưởng tới hàm lượng cấu tử anethole trong sản phẩm đáy nhiều hơn số đĩa lý thuyết và áp suất. Hàm lượng anethole ở đáy tháp tăng dần khi số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu tăng, lượng lỏng ở đáy tháp và áp suất giảm.
67
Hình 23. Ảnh hưởng của số đĩa lý thuyết, chỉ số hồi lưu, lượng lỏng lưu ở đáy tháp, và áp suất đỉnh tới hàm lượng anethole trong sản phẩm đáy
b. Ảnh hưởng của áp suất đỉnh đến nhiệt độ đáy tháp
Ảnh hưởng của áp suất đỉnh tới nhiệt độ đáy tháp được minh hoạ trong hình 24. Nếu nhiệt độ dưới 150 oC, có thể sử dụng hơi nước để gia nhiệt đáy tháp. Nếu nhiệt độ dưới 200 oC, có thể sử dụng dầu khoáng để gia nhiệt như một chất truyền nhiệt trong quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, khi nhiệt độ đáy cao hơn 170 oC khoảng 4 giờ, màu của tinh dầu sẽ bị biến đổi vì có xảy ra các các ứng phân huỷ nhiệt. Khi áp suất đỉnh ở 0,01 bar, nhiệt độ đáy tháp khoảng 95÷100 oC. Khi áp suất đỉnh lớn hơn hoặc bằng 0,2 bar, nhiệt độ đáy tháp luôn cao hơn 170 oC, khi đó xảy ra nhiều phản ứng phân huỷ bởi nhiệt dẫn tới hàm lượng anethole ở đáy tháp giảm. Với các loại bơm chân không trên thị trường hiện nay, có thể duy trì áp suất chân không dưới 0,01 bar (7,6 mmHg). Để cung cấp nhiệt cho hệ thống, nên duy trì áp suất dưới 0,1 bar để tránh xảy ra các phản ứng phân huỷ nhiệt trong quá trình tinh chế tinh dầu hồi ở quy mô công nghiệp.
68
Hình 24. Nhiệt độ đáy tháp ở các áp suất đỉnh khác nhau
Số đĩa lý thuyết tăng dẫn theo chiều cao tháp chưng tăng. Nếu số đĩa lý thuyết bằng 26 đĩa, chiều cao tháp có thể lên khoảng 4 m. Thời gian chưng luyện lâu hơn khi tăng chỉ số hồi lưu. Để giảm thời gian chưng luyện gián đoạn, nhiệt cấp cho tháp phải lớn hơn, điều này dẫn đến lưu lượng hơi và lỏng trong tháp đều tăng lên, khi đó đường kính tháp sẽ lớn hơn. Công suất nhiệt không có ảnh hưởng đáng kể tới hàm lượng anethole ở đáy tháp. Lượng lỏng lưu ở đáy tháp giảm dẫn đến hiệu suất thu hồi anethole giảm theo. Áp suất đỉnh càng thấp thì yêu cầu của bơm chân không phải càng cao, khi đó cả chi phí đầu tư và chi phí vận hành bơm chân không sẽ lớn hơn. Do đó, cần phải tối ưu hoá các điều kiện để các thông số trên được cân bằng.
c. Ảnh hưởng của nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác nhau tới hàm lượng anethole trong sản phẩm đáy
Mô hình đã được kiểm chứng được sử dụng để khảo sát các ảnh hưởng của bốn nguyên liệu tinh dầu hồi thô từ Myanmar, Trung Quốc, Việt Nam, và mẫu tinh dầu được sử dụng trong nghiên cứu này được liệt kê trong bảng 13. Bốn nguyên liệu tinh dầu hồi thô có hàm lượng cấu tử trans-anethole khác nhau, lần lượt là 85,46 wt.%, 79,93 wt.%, 86,06 wt.%, và trong nghiên cứu này anethole (gồm trans-anethole và cis-anethole) chiếm 82,92 wt.%. Trong mẫu tinh dầu hồi thô thu được tử Myanmar, các cấu tử chính
69 khác là limonene 2,98 wt.%, và anisaldehyde 4,4 wt.%. Hàm lượng cấu tử limonene chiếm 10,44 wt.%, methyl chavicol 6,65 wt.%, linalool 2,34 wt.% trong tinh dầu hồi thô từ Trung Quốc. Trong nghiên cứu này, tinh dầu hồi thô thu được từ hoa hồi trồng ở Lạng Sơn, Việt Nam, được xác định bằng phương pháp phân tích GC-MS và kết quả tương tự như trong tài liệu tham khảo [27]. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này hàm lượng bergamotene là 2,02 wt.%, trong tài liệu tham khảo mẫu tinh dầu thô của Việt Nam bergamotene chiếm chỉ 0,46 wt.%. Bergamontene, anisaldehyde và diamantanone là các cấu tử không thể tách ra khỏi sản phẩm tinh chế do chúng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của cấu tử anethole.
Hình 25. So sánh sự ảnh hưởng của số đĩa lý thuyết đến hàm lượng anethole ở đáy tháp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau.
70
Hình 26. So sánh sự ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu đến hàm lượng anethole ở đáy tháp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
Ảnh hưởng của số đĩa lý thuyết, chỉ số hồi lưu, lượng lỏng lưu ở đáy tháp và áp suất đỉnh đến hàm lượng cấu tử anethole ở đáy tháp chưng với các nguồn nguyên liệu khác nhau được thể hiện tương ứng trong hình 25, hình 26, hình 27, hình 28. Số đĩa lý thuyết ảnh hưởng mạnh nhất đến hàm lượng cấu tử anethole đối với nguyên liệu tinh dầu hồi thô của Trung Quốc được thể hiện trên hình 25. Khi số đĩa lý thuyết tăng từ 6 lên 26 đĩa, hàm lượng cấu tử anethole tăng từ 88 wt.% đến 92 wt.%. Trong khi đó, với nguyên liệu tinh dầu hồi từ Myanmar, Việt Nam và trong nghiên cứu này, hàm lượng anethole tăng ít hơn 2%. Tuy nhiên, có thể xem xét sử dụng một tháp có chiều cao lớn hơn để tách tinh chế cấu tử anethole lên đỉnh tháp trong điều kiện chân không sau khi đã tách các tạp chất dễ bay hơi của tinh dầu hồi thô ban đầu. Tăng số đĩa lý thuyết từ 6 lên 26 đĩa là khả thi về mặt kỹ thuật, xong điều đó là không khả thi về mặt kinh tế vì khi đó chi phí đầu tư sẽ lớn hơn rất nhiều.
Số lượng các đĩa lý thuyết khác nhau sẽ ảnh hưởng đến quá trình tách các cấu tử dễ bay hơi trong tinh dầu. Các cấu tử dễ bay hơi nhất như α-pinene và β-pinene có thể tách ngay cả khi số đĩa lý thuyết nhỏ. Cấu tử limonene có nhiệt độ sôi là 177,6 oC, để tách cấu tử limonene cần tăng số đĩa lý thuyết lên. Hàm lượng của limonene giảm từ 2,78 wt.% xuống 0,28 wt.% trong TN3, trong đó số đĩa lý thuyết của tháp là 6. Các cấu tử linalool và methyl chavicol có nhiệt độ sôi 198 oC và 216 oC gần với nhiệt độ sôi của
71 anethole (234 oC), vì vậy để tách chúng cần tăng số đĩa lý thuyết và chỉ 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 hơn các loại tinh dầu hồi có nguồn gốc khác. Tinh dầu hồi thô của Việt Nam và trong nghiên cứu này có hàm lượng hai cấu từ linalool và methyl chavicol cao, nên cần thiết tăng cả số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu để tách chúng.
Ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu tới hàm lượng anethol trong đáy tháp là tương đương nhau trong trường hợp nguyên liệu tinh dầu hồi thô của Myanmar, Việt Nam và trong nghiên cứu này (hình 26). Đối với nguyên liệu tinh dầu hồi thô của Trung Quốc, khi chỉ số hồi lưu lớn hơn 4, hàm lượng anethole không tăng. Điều này có thể được giải thích rằng hàm lượng cấu tử linalool và methyl chavicol trong nguyên liệu của Trung Quốc nhỏ, mà linalool và methyl chavicol có nhiệt độ sôi gần với nhiệt độ sôi của anethole.
Hình 27. So sánh ảnh hưởng của lượng lỏng lưu đáy tháp đến hàm lượng cấu tử anethole và hiệu suất thu hồi ở đáy tháp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
72
Hình 28. So sánh ảnh hưởng của áp suất đến hàm lượng cấu tử anethole ở đáy tháp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
Lượng lỏng lưu ở đáy tháp ảnh hưởng lớn nhất tới hàm lượng anethole được thể hiện trong hình 27. Lượng lỏng lưu ở đáy tháp thấp hơn thì càng nhiều tạp chất được tách ra ở trên đỉnh tháp dẫn đến hàm lượng anethole tăng lên ở đáy tháp. Lượng lỏng lưu ở đáy tháp ảnh hưởng mạnh nhất đến hàm lượng anethole đối với trường hợp nguyên liệu tinh dầu hồi thô của Trung Quốc. Khi lượng lỏng lưu đáy tháp giảm tới 375 g, hàm lượng anethole tăng lên tới 98 wt.% đối với nguyên liệu tinh dầu thô của Trung Quốc, trên 95 wt.% đối với nguyên liệu tinh dầu thô của Việt Nam. Limonene là cấu tử dễ bay hơi hơn anethole và là cấu tử chính thứ hai của tinh dầu sau anethole. Nếu cấu tử chính thứ hai có độ bay hơi tương đương anethole thì quá trình tách sẽ khó khăn. Tuy nhiên, lượng sản phẩm đỉnh được tách ra càng lớn thì lượng anethole thu được trong sản phẩm đỉnh cũng lớn dẫn đến hiệu suất thu hồi giảm. Vì vậy cần đưa ra phương án để tinh dầu sau tinh chế phải có hàm lượng anethole đạt tiêu chuẩn và hiệu suất thu hồi cao hơn. Hiệu suất thu hồi có thể được cải thiện nếu gom sản phẩm đỉnh thu được đem tái phân đoạn, Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm hiệu quả của quá trình tái phân đoạn.
Áp suất đỉnh chỉ ảnh hưởng đến hàm lượng anethole, nhưng không nhiều, được thể hiện trên hình 28. Chênh lệch áp suất giữa đỉnh và đáy tháp là 0,003 Pa được đo bằng thiết bị đo chênh lệch áp suất. Thực nghiệm cho thấy rằng tổn thất áp suất không thay
73 đổi khi thay đổi các điều kiện vận hành. Như đã thảo luận ở trên, khi áp suất thấp hơn thì nhiệt độ tháp cũng thấp hơn, do đó có thể tránh được các phản ứng phân huỷ bới nhiệt của một số hợp chất. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và vận hành bơm chân không sẽ tăng lên.
Từ các phân tích trên, có thể tìm ra phương án tối ưu các điều kiện (từ quan điểm kỹ thuật) cho mỗi loại tinh dầu hồi thô. Bảng 17 tóm tắt các điều kiện tối ưu và hàm lượng anethole có thể đạt được ở các điều kiện đó. Kết quả hiệu suất thu hồi cũng được thể hiện trong bảng 17.
Bảng 17. Các điều kiện tối ưu của tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm với các nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác nhau thu được từ tính toán mô phỏng
Trong nghiên cứu này Myanmar Trung Quốc Việt Nam
Số đĩa lý thuyết 26 26 26 26
Chỉ số hồi lưu 6 6 4 5
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
Hàm lượng Anethole trong
nguyên liệu (wt.%) 82,92 85,46 79,93 86,06
Hàm lượng Anethole trong
sản phẩm đáy (wt.%) 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
Với nguyên liệu tinh dầu hồi thô của Trung Quốc, hàm lượng anethole đạt được 98,4 wt.%, hiệu suất thu hồi 95,8%. Nguyên liệu tinh dầu hồi thô của Việt Nam có thể tinh chế đạt hàm lượng anethole lên tới 86,4 wt.%, với hiệu suất thu hồi là 87,1%. Trong khi đó, nguyên liệu tinh dầu hồi trong nghiên cứu này, sau tinh chế hàm lượng anethole trong sản phẩm đáy chỉ đạt được 93,2 wt.%, hiệu suất thu hồi xấp xỉ 87,5 wt.%. Kết quả tối ưu hoá chỉ được đưa ra dựa trên kết quả mô phỏng khi sử dụng mô hình đã được kiểm chứng. Các kết quả này có thể được sử dụng để xây dựng hệ thống thực nghiệm mới hoặc để hỗ trợ thiết kế tháp chưng luyện gián đoạn quy mô công nghiệp.
74 Phân đoạn tinh dầu hồi bằng chưng luyện chân không mặc dù khả thi về mặt kỹ thuật, xong nó lại là một quá trình tốn kém do yêu cầu tháp chưng, chỉ số hồi lưu cao và vận hành ở áp suất chân không. Mặt khác, khi tinh dầu chưng luyện ở nhiệt độ cao trong thời gian dài dễ bị phân huỷ bởi nhiệt dẫn đến chất lượng sản phẩm giảm. Tuy nhiên, tính khả thi kinh tế phụ thuộc vào yêu cầu của từng ngành công nghiệp về độ tinh khiết, số lượng và giá dầu chưng cất có thể bán được đủ cao để chi trả cho chi phí tinh chế.
75
KẾT LUẬN
1. Nghiên cứu đã xây dựng được hệ thống tháp chưng luyện gián đoạn loại đệm quy mô phòng thí nghiệm năng suất 0,5 kg nguyên liệu/mẻ, đưa ra được phương án vận hành để thu được sản phẩm chất lượng.
Kết quả thực nghiệm đã cho thấy được tại các áp suất đỉnh lớn hơn hoặc bằng 0,2 bar thì nhiệt độ hỗn hợp đáy và đỉnh tháp chưng rất lớn (nhiệt độ trung bình của đỉnh và đáy tương ứng là 144 oC và 168,8 oC), dẫn đến xảy ra hiện tượng tinh dầu bị phân huỷ bởi nhiệt, chất lượng sản phẩm tinh dầu sau tinh chế thấp. Khi áp suất đỉnh nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 bar, nhiệt độ đáy hỗn hợp đáy tháp tương đối thấp (trong trường hợp áp suất đỉnh bằng 0,1 bar và 0,08 bar, nhiệt độ trung bình đỉnh tháp tương ứng là 120,7 oC và 116,4 oC, nhiệt độ trung bình đáy tháp tương ứng là 150,7 oC và 136,0 oC), có thể giảm thiểu hoặc tránh khả năng các phản ứng phân huỷ bởi nhiệt xảy ra, do đó chất lượng tinh dầu sau tinh chế tốt hơn.
Kết quả phân tích định tính và định lượng sản phẩm đỉnh và đáy sau tinh chế cho thấy tại áp suất 0,2 bar sản phẩm tinh dầu thu được có thể bị phân hủy nhiệt rất nhiều, màu sắc sản phẩm đáy rất sẫm màu (màu vàng rất đậm, gần như chuyển sang màu đỏ). Khi áp suất đỉnh nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 bar, màu sắc sản phẩm đáy thu được có màu vàng hơi đậm hơn tinh dầu hồi thô một chút. Khi đem phân tích sản phẩm đáy thì hàm lượng anethole đã tăng lên từ 82,93 wt.% đến khoảng 88 wt.%, các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp gần như đã không còn xuất hiện trong sản phẩm đáy hoặc xuất hiện nhưng với hàm lượng rất thấp, các cấu tử có nhiệt độ sôi trung bình đã tách được đáng kể còn hàm lượng rất thấp ở đáy tháp.
2. Mô hình động của tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm được xây dựng để tính toán quá trình chưng luyện tinh dầu hồi. Kết quả tính toán bằng mô hình đã được kiểm chứng, so sánh với kết quả thực nghiệm. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng có sự đồng thuận về kết quả giữa thực nghiệm và tính toán bằng mô hình động.
Theo kết quả tính toán bằng mô hình, khi áp suất đỉnh nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 bar, sản phẩm tinh dầu sau tinh chế có hàm lượng cấu tử anethole tang từ 82,93 wt.% lên tới trên 88 wt.%.
76 3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng tới hàm lượng cấu tử anethole cho thấy, độ tinh khiết của anethole trong đáy tháp cao hơn khi tăng số đĩa lý thuyết và tăng chỉ số hồi lưu hoặc giảm lượng lỏng lưu đáy tháp và giảm áp suất đỉnh tháp.
Các nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác nhau, khi chưng luyện sẽ cho sản phẩm tinh dầu sau tinh chế có hàm lượng và hiệu suất thu hồi anethole khác nhau. Bằng cách sử dụng mô hình động của tháp chưng luyện gián đoạn đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm, tác giả đã tính toán được tại các điều kiện tối ưu, nguyên liệu tinh dầu hồi của Trung Quốc và Việt Nam đem tinh chế có thể thu được sản phẩm tinh dầu có hàm lượng anethole cao lần lượt là 98,4 wt.% và 96,4 wt.%, hiệu suất thu hồi tương ứng là 95,8%