Chưng luyện gián đoạn có ưu điểm là có thể tách triệt để hỗn hợp nhiều cấu tử thành các cấu tử tinh khiết chỉ bằng một tháp. Các cấu tử tinh khiết lần lượt được đưa ra khỏi tháp ở dạng hỗn hợp đỉnh theo thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần. Tuy nhiên, trong thời gian chuyển từ cấu tử tinh khiết này sang cấu tử tinh khiết kia, một phân đoạn trung gian sẽ được tạo thành. Phân đoạn trung gian này thường được gọi là “slop cut” hoặc “off – cut”. Lượng và thành phần các cấu tử của phân đoạn này phụ thuộc vào hiệu suất tách và vào lượng lỏng bị giữ lại trong tháp. Trong các tháp tách có hiệu suất cao phân đoạn này là phân đoạn trước tinh chế (prepurified fraction) vì vậy không đáp ứng được yêu cầu chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên chất lượng sản phẩm này tốt hơn so với hỗn hợp đầu F.
Toàn bộ quá trình tách hỗn hợp không tồn tại điểm đẳng phí sẽ gồm một dãy các công đoạn kế tiếp nhau. Mỗi công đoạn lại có thể gồm một số bước:
- Bắt đầu khởi động ở chế độ hồi lưu hoàn toàn - Tách cấu tử nhẹ nhất a
- Lấy phân đoạn trung gian a-b (slop cut) - Lấy cấu tử nhẹ thứ hai b
- Lấy phân đoạn trung gian b-c (slop cut) - Lấy cấu tử nhẹ thứ ba c
- …
Hiệu quả của quá trình chưng luyện gián đoạn phụ thuộc nhiều vào cách xử lý các phân đoạn trung gian đã được đề xuất và phát triển. Những chiến lược này bao gồm phương án tuần hoàn toàn bộ các phân đoạn trung gian, chưng luyện lượng đã tích lũy được các phân đoạn trung gian và tuần hoàn các phân đoạn trung gian vào thời điểm thích hợp.
Tuần hoàn toàn bộ các phân đoạn trung gian: Theo phương án này, toàn bộ các phân đoạn trung gian được gộp lại sau đó cho tuần hoàn trở lại bình chưng và trộn với dung dịch đầu của mẻ tiếp theo. Như vậy cả số lượng và nồng độ của mẻ sau sẽ thay đổi so với mẻ trước đó. Sử dụng phương pháp tuần hoàn các phân đoạn trung gian như trên
33 sẽ không thể đưa quá trình chưng luyện gián đoạn hội tụ về trạng thái cân bằng pha ổn định. Rõ ràng là phương pháp trộn các phân đoạn trung gian với dung dịch đầu mới, do chúng có nồng độ khác nhau, sẽ không phải là phương án hiệu quả nhất. Tuy nhiên đây là phương án đơn giản và vẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.
Chưng luyện các phân đoạn trung gian hai cấu tử: Theo phương án này, các phân đoạn trung gian có cùng hợp phần a-b, b-c, c-d… được chứa trong các thùng riêng biệt và tích tụ các phân đoạn này cho đến khi đủ mẻ chưng thì sẽ tiến hành tách chúng bằng chưng luyện gián đoạn. Phân đoạn trung gian hai cấu tử mới được hình thành sẽ lại được tích lũy trong các thùng chứa và sau đó lại tiến hành xử lý như trên.
Tuần hoàn các phân đoạn trung gian ở thời điểm thích hợp: Ở đây, tổng phân đoạn trung gian của mẻ chưng trước được đưa về tháp ở vào thời điểm và vào đĩa thích hợp của mẻ sau. Đối với quá trình tối ưu, trạng thái của lỏng tại đĩa đã chọn phải có cùng nồng độ với phân đoạn trung gian đưa vào tháp. Một chiến lược xử lý các phân đoạn trung gian trên chính là đưa hỗn hợp trung gian a-b về bình chứa chất lỏng để tạo hồi lưu, còn phân đoạn trung gian b-c được đưa về tháp ở thời điểm khởi động mẻ tiếp theo. Mục đích của việc thay đổi trên là để tránh làm hỏng phân đoạn trung gian đã tạo được sơ chế và tránh việc trộn các phân đoạn lỏng có nồng độ khác nhau. Đương nhiên, xử lý các phân đoạn trung gian theo phương pháp trên cần phải có một hệ thống khống chế quá trình tương đối phức tạp.
34
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM TINH CHẾ TINH DẦU HỒI 2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm của luận văn là quá trình tinh chế tinh dầu hồi bằng phương pháp chưng chân không gián đoạn quy mô phòng thí nghiệm.
Xác định thành phần của nguyên liệu tinh dầu hồi thô và các mẫu sản phẩm sau tinh chế bằng phương pháp phân tích GC-MS.
2.2. Hệ thống thiết bị chưng luyện gián đoạn tinh chế tinh dầu hồi
Nghiên cứu thực nghiệm tinh chế tinh dầu hồi được thực hiện trên hệ thống tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm đặt tại phòng 106 – tòa nhà C4, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
35 Hệ thống thiết bị chưng luyện chân không gián đoạn loại đệm (hình 11, 12) gồm bình chưng thủy tinh 3 cổ, dung tích 3 lít. Trên 2 cổ bé của bình được nút chặt và có cắm nhiệt kế thủy ngân có dải đo từ 0 ℃ đến 300 ℃ đo nhiệt độ tinh dầu trong bình chưng, cổ nhám to còn lại được nối với đoạn luyện.
Đoạn luyện gồm một ống thủy tinh dạng cone kích thước 1000 × 35 mm. Đoạn luyện được bảo ôn kín bằng bông thủy tinh đảm bảo không bị thất thoát nhiệt ra môi trường trong quá trình chưng luyện. Bên trong đoạn luyện, đổ đầy đệm kim loại vòng Raschig kích thước 10 × 10 × 0,5 mm. Đệm được đổ lộn xộn để tăng diện tích tiếp xúc pha, thực hiện quá trình chưng tách tốt hơn. Lớp đệm được đỡ bởi lưới đỡ đệm; ngoài ra, lưới đỡ đệm này còn có tác dụng phân bố lại đệm và phân bố hơi đi lên đoạn luyện. Phía trên đoạn luyện có cắm một nhiệt kế thủy ngân có dải đo từ 0 ℃ đến 300 ℃ đo nhiệt độ hơi lên trên đỉnh.
Hơi lên đỉnh tháp được làm mát, ngưng tụ bởi hệ thống sinh hàn với nước được bơm tuần hoàn từ bể ổn nhiệt. Lỏng ngưng tụ được đưa vào bộ chia hồi lưu để điều chỉnh tỷ lệ giữa lượng lỏng lấy ra làm sản phẩm đỉnh và lượng lỏng quay lại tháp tiếp tục quá trình chưng tách. Sản phẩm đỉnh lấy ra được dẫn qua đường ống silicone chứa trong bình thủy tinh tam giác 250 ml.
Hệ thống tháp chưng được hút chân không bằng bơm chân không kết nối với đỉnh tháp, áp suất chân không được đo bằng đồng hồ đo áp suất. Chênh lệch áp suất giữa đỉnh và đáy tháp là 30 Pa được đo bằng thiết bị đo chênh lệch áp suất. Hệ thống tháp chưng luyện phải kín để đảm bảo có thể hút chân không được. Khi đó hỗn hợp tinh dầu trong bình chưng được gia nhiệt bởi bếp điện, bắt đầu quá trình chưng luyện tinh chế tinh dầu hồi.
36
Hình 12. Ảnh hệ thống thiết bị tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm tinh chế tinh dầu hồi
Bảng 3. Các thông số kĩ thuật của thiết bị chính trong hệ thống thí nghiệm
STT Thiết bị chính Thông số kĩ thuật
1 Bơm chân không
+ Công suất động cơ: 180W + Tốc độ 5,4 m3/h (90 lít/phút) + Áp lực giới hạn 2Pa
+ Điện áp: 220V/ 50Hz
2 Bếp điện + Nhiệt độ tối đa: 380 ℃
+ Công suất nhiệt tối đa: 600 W 3 Đồng hồ đo chênh lệch áp
suất
+ Dải áp suất: -1000 ...+1000 Pa + Độ chính xác: ±0,5% (±2 Pa)
4 Nhiệt kế + Dải nhiệt độ: 0 – 300 ℃
+ Độ chia nhỏ nhất 2 ℃
5 Bình chưng + 3000 ml
6 Bể ổn nhiệt và bơm tuần hoàn nước lạnh
+ Khoảng nhiệt độ: RT+5 ~ 40 ℃
+ Độ chính xác: ± 0,1 ℃
+ Thể tích bể ổn nhiệt: 14,5 L + Công suất bơm nước lạnh: 4 l/m + Công suất gia nhiệt: 1000W
7 Tháp chưng + Đường kính (Dt): 35 mm
+ Chiều cao (H): 1000 mm 8 Đệm inox (vòng Raschig) + Kích thước 10 × 10 × 0,5 mm
37 Hỗn hợp cần tách là hệ tinh dầu dễ phân hủy bởi nhiệt độ cao, do vậy tháp cần làm việc ở áp suất chân không. Độ chân không càng lớn thì nhiệt độ sôi của hỗn hợp càng nhỏ, như vậy có thể hạn chế hiện tượng phân hủy các chất, làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Để đạt được mục đích đó ngoài việc cần hút chân không sâu ở đỉnh tháp thì việc sử dụng loại đệm thích hợp cũng có ảnh hưởng không nhỏ đến áp suất làm việc của tháp. Đệm được chọn cần có chiều cao tương đương nhỏ để chiều dày lớp đệm và trở lực nhỏ tránh gây chênh lệch áp suất giữa đỉnh và đáy quá lớn. Nghiên cứu thực nghiệm này sử dụng đệm kim loại vòng Raschig kích thước 10 × 10 × 0,5 mm có chiều cao và đường kính tương đương nhỏ.
Hình 13. Vòng đệm inox Raschig và các thông số của đệm
Tính toán các thông số của đệm
Các thông số của đệm được xác định thông qua các phương pháp thực nghiệm đo đạc và tính toán.
Bề mặt riêng σ, m2/m3 được xác định bằng phương pháp đổ đầy nước vào đoạn luyện có chứa đầy đệm. Khi đó bề mặt riêng của đệm bằng tỷ lệ giữa tổng diện tích xung quanh của lớp đệm và thể tích nước trong đoạn luyện khi chứa đầy đệm.
- Diện tích xung quanh ngoài của một viên đệm: Sxqn = πDl = π.0,01.0,01 = 0,314.10-3, m2
- Diện tích xung quanh trong của một viên đệm: Sxqt = πdl = π.0,009.0,01 = 0,283.10-3, m2 - Tổng diện tích xung quanh của một viên đệm:
Sxq1v = Sxqn + Sxqt = 0,597.10-3, m2
- Tổng diện tích xung quanh của toàn bộ đệm trong đoạn luyện: Sxq = N.Sxq1v = 0,423, m2 Vật liệu Inox 304 Chiều cao (l), mm 10 Đường kính ngoài đệm (D), mm 10 Đường kính trong đệm (d), mm 9 Độ dày (h), mm 0,5 Số viên đệm (N), viên 709
38 - Thể tích nước trong đoạn luyện trong trường hợp chưa đổ đệm:
Vo = πDt2
4H = 𝜋0,0352
4 .1 = 0,962.10-3, m3
- Thể tích nước trong đoạn luyện trong trường hợp đổ đầy đệm được xác định bằng cách đo thể tích nước chứa trong đoạn luyện khi đổ đầy đệm:
V = 0,8466.10-3, m3
- Vậy bề mặt riêng của đệm: σ = Sxq
V ≈ 500, m2/m3
- Thể tích tự do của đệm: Vtd = V
Vo = 0,88, m3/m3
- Thể tích của lớp đệm: Vđ = Vo – V = 0,115.10-3, m3
- Khối lượng đệm đổ vào đoạn luyện tháp được xác định bằng cách cân đệm: mđ = 0,1097, kg
- Khối lượng riêng của đệm: 𝜌 = 𝑚đ
𝑉đ = 950, kg/m3
2.3. Vận hành tháp chưng luyện gián đoạn chân không loại đệm tinh chế tinh dầu hồi dầu hồi
Trước khi quá trình tinh chế tinh dầu hồi thì việc kiểm tra và làm sạch hệ thống tháp chưng là bước quan trọng, giúp cho hỗn hợp tinh dầu không bị lẫn các tạp chất khác dính trong hệ thống. Tại công đoạn này, sử dụng hỗn hợp cồn Ethanol và nước chưng rửa trong tháp. Sau đó hỗn hợp này được rút sạch ra khỏi tháp. Tiếp đó chưng rửa lại tháp bằng nước cho sạch cồn. Cuối cùng rút sạch nước vừa chưng rửa ra khỏi tháp. Như vậy, tháp chưng đã đảm bảo sạch để bắt đầu mẻ chưng luyện tinh chế tinh dầu hồi.
Hỗn hợp tinh dầu được đong 0.5 kg/mẻ vào bình chưng, cắm nhiệt kế, nút kín bình chưng. Bật bể ổn nhiệt để dẫn nước làm mát lên sinh hàn, nước làm mát được tuần hoàn trở lại bể ổn nhiệt sau khi trao đổi nhiệt. Bật bơm điều chỉnh áp suất thông qua van bi, vặn van điều chỉnh từ từ để độ chân không tăng dần tới áp suất vận hành, tránh gây tăng giảm áp suất đột ngột gây nứt thiết bị thủy tinh và không đảm bảo an toàn trong vận hành tháp chưng.
Tiếp đó bếp điện được bật gia nhiệt cho hỗn hợp tinh dầu trong bình chưng. Điều chỉnh bếp điện gia nhiệt từ từ cho tới khi tinh dầu sôi, tránh nhiệt lượng cấp vào quá lớn gây quá nhiệt dẫn đến tinh dầu bị phân hủy bởi nhiệt. Chỉ số hồi lưu được điều chỉnh qua van tiết lưu trên đường ống dẫn nước ngưng về tháp.
39 Khi hỗn hợp tinh dầu ở đáy tháp sôi và có hơi đi lên đoạn luyện thực hiện quá trình phân tách. Sau đó hơi lên đỉnh tháp qua hệ thống sinh hàn nước được ngưng tụ hoàn toàn, nước ngưng một phần được hồi lưu trở lại tháp tiếp tục quá trình chưng luyện, một phần được lấy ra làm sản phẩm đỉnh chứa trong bình thu sản phẩm đỉnh.
Bảng 4. Các điều kiện vận hành tháp chưng
Các điều kiện vận hành TN1 TN2 TN3 TN4
Áp suất đỉnh tháp (bar) 0,07 0,2 0,1 0,08 Thời gian chưng (giờ) 4,2 4,5 4,5 4,5
Chỉ số hồi lưu Hoàn toàn 3 3 3
Lượng nguyên liệu (kg) 0,5 0,5 0,5 0,5
Quá trình chưng luyện được thực hiện ở các điều kiện áp suất chân không khác nhau, tại các chế độ hồi lưu hoàn toàn và hồi lưu một phần R = 3, trong khoảng thời gian từ 4,2 – 4,5 giờ. Trong suốt quá trình chưng luyện, quan sát các hiện tượng và ghi chép các số liệu nhiệt độ (đỉnh, đáy) theo thời gian.
Kết thúc quá trình chưng, thực hiện xả áp bằng van tay tới khi đồng hồ đo áp suất chỉ 0 (kg/cm2g), đảm bảo cân bằng áp suất giữa bên trong tháp và bên ngoài môi trường, sau đó tắt bơm. Tắt bếp, đợi nhiệt độ hỗn hợp tinh dầu trong bình chưng giảm xuống còn dưới 40 ℃, mở nút bình chưng ra, tiến hành hút lấy sản phẩm tinh dầu trong bình cầu ra, chứa vào bình thu sản phẩm đáy.
Sản phẩm thu được ở đỉnh và đáy tháp được đo thể tích và khối lượng. Sau đó được chứa vào lọ thủy tinh tối màu nút kín.
Việc thực nghiệm trên tháp chưng luyện loại đệm sẽ có ưu điểm số đĩa lý thuyết trên 1 đơn vị chiều cao lớn, trở lực nhỏ, do vậy sẽ giảm được chiều cao tháp và nhiệt độ sôi của hỗn hợp tinh dầu ở đáy tháp. Hỗn hợp tinh dầu hồi có nhiệt độ sôi khoảng 234
℃ tại áp suất khí quyển và khoảng 110 ℃ tại 0,1 bar. Do vậy, vận hành tháp ở áp suất chân không sẽ làm giảm nhiệt độ sôi của của hỗn hợp, giảm lượng nhiệt cấp vào đáy tháp, đồng thời tránh hiện tượng phân huỷ bởi nhiệt của tinh dầu.
2.4. Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ nhất
Số đĩa lí thuyết của tháp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như hệ cấu tử đem chưng luyện, thành phần đỉnh (đáy), cân bằng pha, … mặt khác hệ tinh dầu hồi gồm rất nhiều cấu tử. Vì vậy việc xác định số đĩa lí thuyết của tháp trực tiếp đối với hệ tinh dầu hồi là rất khó khăn và phức tạp. Để đơn giản hơn, tác giả đã tiến hành khảo sát thực nghiệm
40 trên hệ Ethanol-Nước (Dung dịch Ethanol 20% thể tích) và thông qua hệ này xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất (NLTmin) của tháp.
2.4.1. Chuẩn bị hỗn hợp Ethanol- Nước
Dung dịch Ethanol 20% thể tích được pha từ Ethanol tinh khiết 100% thể tích. Cho 100 ml Ethanol tinh khiết vào cốc đong thuỷ tinh có chia thể tích loại 1000ml. Tiếp đó thêm vào cốc 400 ml sau đó khuấy đều. Khi đó ta sẽ thu được dung dịch Ethanol 20% thể tích.
2.4.2. Tiến hành chưng luyện hỗn hợp Ethanol – Nước
Trước khi tiến hành chưng luyện, tiến hành kiểm tra và làm sạch đảm bảo hệ thống thiết bị sạch, tránh làm lẫn các tạp chất khác vào hỗn hợp chưng luyện. Cho hỗn hợp Ethanol – Nước đã pha vào bình chưng. Bật bể ổn nhiệt, đặt nhiệt độ của nước làm lạnh là 10 ℃. Bật bếp điều chỉnh dần từ nấc bé tới nấc to. Điều chỉnh bộ hồi lưu về chế độ hồi lưu hoàn toàn (R → ∞). Chưng luyện hỗn hợp Ethanol - Nước được thực hiện tại điều kiện áp suất khí quyển (1 atm). Trong suốt quá trình chưng luyện, quan sát hiện tượng và ghi chép các số liệu nhiệt độ đỉnh, đáy theo thời gian. Trong thí nghiệm này, tác giả đo nhiệt độ hơi lên đỉnh tháp bằng nhiệt kế thuỷ ngân có dải đo -5 - 110 ℃, độ chia nhỏ nhất 0,5 ℃.
Chưng luyện hỗn hợp này trong 1,5 giờ, sau đó tắt bếp, tắt bể ổn nhiệt và kết thúc