kết quả thực nghiệm tinh chế tinh dầu hồi
Để kiểm nghiệm mô hình tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm đã xây dựng tác giả đã so sánh giữa các số liệu nghiên cứu thực nghiệm với các kết quả mô hình hóa ở chế độ hồi lưu hoàn toàn, lấy sản phẩm ra, với các điều kiện vận hành khác nhau.
Các chất có nhiệt độ sôi khác nhau có thể được tách ra bằng chưng luyện. Các cấu tử như β-phellandrene, 1,5cyclo octadiene, limonene, linalool, methyl chavicol với nhiệt độ sôi thấp hơn anethole được tách lên phía trên đỉnh của tháp chưng luyện. Anethole sẽ được thu tại đáy tháp chưng. Các cấu tử anisaldehyde, bergamotene and diamantanone có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển lần lượt là 249,0oC, 253,2 oCvà 310,2
62
oC. Nhiệt độ sôi của trans-anethole là 234,0 oC. Tổng thành phần của anisaldehyde, bergamotene và diamantanone khoảng 4,2 wt.%. Về mặt lý thuyết, độ tinh khiết của anethole không vượt quá 96 wt.% sau chưng luyện. Tuy nhiên, thành phần các cấu tử chứa trong tinh dầu hồi phụ thuộc vào các yếu tố vị trí địa lý, mùa vụ và giống cây trồng. Vì vậy, trong nghiên cứu này, các ảnh hưởng của các nguồn nguyên liệu tinh dầu hồi thô khác nhau đối với độ tinh khiết của anethole đã được khảo sát.
Tinh dầu hồi là một hỗn hợp phức tạp với nhiều thành phần. Rất khó để tìm dữ liệu thực nghiệm cân bằng hai pha hay cân bằng ba pha của hỗn hợp tinh dầu hồi. I.Batiu đã so sánh VLE được tính toán bằng mô hình NRTL với dữ liệu VLE cho hỗn hợp methyl chavicol và trans-anethole với độ chính xác mong muốn [23].
a. So sánh nhiệt độ đỉnh và đáy từ kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán bằng mô hình trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn.
Bảng 15 tổng hợp và so sánh nhiệt độ đỉnh và đáy tháp từ kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán bằng mô hình trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn.
Bảng 15. So sánh nhiệt độ đỉnh và đáy tháp từ kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán bằng mô hình trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn
Thời gian (giờ) Nhiệt độ đáy (oC) Nhiệt độ đỉnh (oC) Ghi chú Thực nghiệm 0 22 ± 2 22 ± 2 Không ổn định 0,3 110 ± 2 22 ± 2 0,6 130 ± 2 24 ± 2 0,9 130 ± 2 28 ± 2 1,2 136 ± 2 34 ± 2 1,5 134 ± 2 36 ± 2 1,8 138 ± 2 89 ± 2 Ổn định 2,1 138 ± 2 89 ± 2 2,4 140 ± 2 90 ± 2 2,7 140 ± 2 90 ± 2 3 138 ± 2 90 ± 2 3,3 140 ± 2 90 ± 2 3,6 142 ± 2 90 ± 2 3,9 144 ± 2 92 ± 2 4,2 140 ± 2 90 ± 2 Trung bình* 140 ± 2 90 ± 2 Tính toán bằng mô hình 140,5 90,2
Áp suất đỉnh được duy trì ổn định ở 0,07 bar, đây là mức áp suất chân không thấp nhất có thể duy trì ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm. Trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn, trạng thái ổn định đạt được sau khoảng 1 giờ, khi đó nhiệt độ đỉnh và đáy tháp hầu như không đổi. Tại trạng thái ổn định này, nhiệt độ trung bình của đỉnh và đáy
63 tương ứng khoảng 90oC và 140 oC, trạng thái này được duy trì trong 2,7 giờ tiếp theo. Nhiệt độ đỉnh và đáy tháp được tính toán bằng mô hình lần lượt là 90,2oC và 140,5 oC. Do đó, nhận thấy rằng trong trường hợp tháp hồi lưu hoàn toàn, có sự tương thích về nhiệt độ đỉnh và nhiệt độ đáy tháp đối với thực nghiệm và tính toán bằng mô hình.
b. So sánh nhiệt độ đáy và đỉnh tháp giữa thực nghiệm và tính toán bằng mô hình
Nhiệt độ đỉnh và đáy tháp thu được từ thực nghiệm và tính toán bằng mô hình được so sánh trên biểu đồ hình 22. Khi áp suất đỉnh tháp được duy trì ở 0,1 bar , chỉ số hồi lưu được điều chỉnh R = 3, lượng nguyên liệu tinh dầu hồi thô 0,5 kg được đưa vào đáy tháp chưng, sau quá trình chưng luyện thu được lượng sản phẩm đỉnh 37,5g (7,5%), lượng sản phẩm đáy 462,5g (92,5%). Quá trình thực nghiệm chưng luyện này mất 4,5 giờ, nhưng thời gian từ lúc bắt đầu lấy sản phẩm đỉnh tới khi kết thúc là 4 giờ, do mất 0,5 giờ để hơi lên trên đỉnh và ngưng tụ. Trong mô hình động của nghiên cứu này, điều kiện ban đầu của tháp chưng là hồi lưu hoàn toàn, do đó, tháp đã ở trạng thái ổn định rồi. Tổng thời gian chưng từ lúc bắt đầu lấy sản phẩm đỉnh tới khi kết thúc mẻ chưng là 4 giờ, trong đó thời gian chưng luyện được tính toán bằng mô hình là 3,97 giờ.
Trong 1 giờ đầu tiên, có khoảng sai số nhiệt độ lớn (khoảng 20 oC tương đương 15%) giữa thực nghiệm và tính toán bằng mô hình. Nguyên nhân là khi thực nghiệm, trong 1 giờ đầu tiên tháp chưng chưa đạt trạng thái ổn định. Khoảng thời gian sau 1 giờ, các kết quả về nhiệt độ giữa thực nghiệm và tính toán đã có sự tương thích với nhau.
64 Nhiệt độ đỉnh và đáy tháp có xu hướng tăng trong suốt quá trình chưng luyện. Khi thời gian tăng, nhiều hợp chất dễ bay hơi được tách ra lên phía trên đỉnh tháp. Do đó, trong tháp chưng sẽ ngày càng giàu các hợp chất khó bay hơi dẫn đến nhiệt độ tăng lên.
c. So sánh các thành phần sản phẩm đáy và đỉnh tháp chưng giữa thực nghiệm và tính toán bằng mô hình
Nguyên liệu tinh dầu hồi thô, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy được đem đi phân tích mẫu cho từng mẻ chưng luyện. Kết quả so sánh thành phần mẫu nguyên liệu và sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy thu được từ thực nghiệm và tính toán bằng mô hình được so sánh trong bảng 16. Thực nghiệm và mô hình hóa ở các điều kiện vận hành khác nhau về áp suất, lượng sản phẩm đỉnh lấy ra và công suất nhiệt. Hàm lượng cấu tử anethole ở đáy tháp tăng lên tới 88,8 wt.% ở thí nghiệm 3 và 88,0 wt.% ở thí nghiệm 4 từ hàm lượng ban đầu của anethole trong nguyên liệu là 82,9 wt.%. Hàm lượng cấu tử anethole ở sản phẩm đáy tháp được tính toán bằng mô hình là 88,4 wt.%. Các hợp chất có nhiệt độ sôi thấp như limonene, β- phellandrene, and 1,5cyclooctadiene gần như không còn xuất hiện ở dưới đáy tháp. Kết quả tính bằng mô hình cũng cho thấy hàm lượng các cấu tử này dưới đáy tháp nhỏ hơn 0,3 wt.%. Các cấu tử có nhiệt độ sôi từ 198 ÷ 216 oCnhư linalool và methyl chavicol giảm nhẹ. Các kết quả hàm lượng anethole thu được từ thực nghiệm và tính toán bằng mô hình khá tương thích với nhau.
65
Bảng 16. So sánh các thành phần sản phẩm đáy và đỉnh tháp chưng giữa thực nghiệm và tính toán bằng mô hình
Cấu tử TN3: P=0,1 bar TN4: P=0,08 bar Đáy Đỉnh Đáy Đỉnh Nguyên liệu (wt.%) Exp (wt.%) Cal (wt.%) Exp (wt.%) Cal (wt.%) Exp (wt.%) Cal (wt.%) Exp (wt.%) Cal (wt.%) Limonene{+other}a 2,78 - 0,28 - 18,667 - 0,685 8,789 13,430 β-phellandrene 1,34 - 0,159 - 12,968 - 0,291 11,486 6,686 1,5-Cyclooctadiene 2,00 - 0,123 - 18,908 - 0,283 24,021 10,829 linalool 1,72 1,653 0,979 1,181 9,342 - 1,120 19,723 4,657 methyl chavicol 5,03 3,783 3,558 0,482 11,008 2,783 4,362 18,028 8,207 Anisaldehyde 1,42 1,217 1,718 2,113 0,249 3,551 1,565 1,952 0,701 Anethole 82,92 88,759 88,358 18,603 28,859 87,956 88,303 15,477 55,489 β-bergamoten 2,03 1,161 2,833 - 0,000 3,977 2,465 - 0,000 diamantanone 0,76 1,620 1,992 - 0,000 1,733 0,927 - 0,000 Các chất khác - 1,806 - 77,621 - - - 0.524 - Tổng 100,00 100,000 100,000 100,000 100,000 100,000 100,000 100,000 100,000
Điều kiện vận hành khác Exp Cal Exp Cal
Áp suất (bar) 0,1 0,1 0,08 0,08
Thời gian (h) 4 3,97 3,17 3,25
Chỉ số hồi lưu 3 3 3 3
Lượng nguyên liệu (g) 500 500 500 500
Lượng sản phẩm đỉnh (g) 37,5 37,5 80 80
Hiệu suất nhiệt (W)b - 4,2 - 11,0
aα-pinene và β-pinene
66 Mặc dù các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp thu được trong sản phẩm đỉnh có hàm lượng cao, nhưng thành phần của các cấu tử này không tương thích giữa kết quả thực nghiệm và tính toán bằng mô hình. Các kết quả này được thể hiện trên bảng 16. Nguyên nhân sự khác nhau về các thành phần trong sản phẩm đỉnh có thể do đã xảy các phản ứng phân hủy nhiệt giữa các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp. Vì vậy, quá trình tinh chế tinh dầu hồi nên thực hiện ở áp suất thấp hơn nữa. Ở áp suất thấp hơn, kết quả thực nghiệm có thể tương thích hơn với kết quả tính toán bằng mô hình.