ChemTech

Congnghehoahoc.org

Công nghệ chiết bằng CO2 siêu tới hạn (Supercritical CO2 – SCO2)

Đối với mỗi một chất đang ở trạng thái khí, khi bị nén đẳng nhiệt tới một áp suất đủ cao, chất khí sẽ hóa lỏng và ngược lại. Tuy nhiên, có một giá trị áp suất mà tại đó, nếu tăng nhiệt độ lên thì chất lỏng cũng không hóa hơi trở lại mà tồn tại ở một dạng đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn. Vật chất ở trạng thái trung gian này, mang đặc tính của cả chất khí và chất lỏng.

Chất ở trạng thái siêu tới hạn có tỷ trọng tương đương như tỷ trọng của pha lỏng. Nhưng sự linh động của các phân tử lại rất lớn, sức căng bề mặt nhỏ, hệ số khuếch tán cao giống như khi chất ở trạng thái khí. Hình dưới biểu thị vùng trạng thái siêu tới hạn của một chất trong biểu đồ cân bằng pha rắn, lỏng và khí của chất đó theo sự biến thiên của áp suất và nhiệt độ

Các dung môi siêu tới hạn có khả năng hòa tan tốt các chất ở cả 3 dạng rắn, lỏng và khí. Dung môi siêu tới hạn có sự tác động lên cả các chất dễ bay hơi và cả các cấu tử không bay hơi của mẫu. Hiệu quả phân tách kết hợp của quá trình chưng cất lôi cuốn và quá trình chiết ngược dòng lỏng – rắn.

Để đáp ứng các yêu cầu công nghệ chiết tách các hợp chất thiên nhiên, SCO2 là dung môi được ưu tiên lựa chọn áp dụng vì các thuận lợi sau:

–  CO2 là một chất dễ kiếm, rẻ tiền vì nó là sản phẩm phụ của nhiều ngành công nghệ húa chất khác;

–  Là một chất trơ, ít có phản ứng kết hợp với các chất cần tách chiết. Khi được đưa lên đến trạng thái tới hạn, CO2 không tự kích nổ, không bắt lửa và không duy trì sự cháy;

–  CO2 không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị;

–  Điểm tới hạn của CO2 (Pc = 73 atm; Tc = 30,9oC) là một điểm có giá trị nhiệt độ, áp suất không cao lắm so với các chất khác cho nên sẽ ít tốn năng lượng hơn để đưa CO2 tới vùng siêu tới hạn;

–  Có khả năng hòa tan tốt các chất tan hữu cơ ở thể rắn cũng như lỏng, đồng thời cũng hòa tan được cả các chất thơm dễ bay hơi, không hòa tan các kim loại nặng và có thể điều chỉnh các thông số trạng thái như áp suất và nhiệt độ để nâng cao độ chọn lọc khi chiết tách;

–        Khi sử dụng CO2 thương phẩm để chiết tách không có dư lượng cặn độc hại trong chế phẩm chiết.

CO2 ở trạng thái lỏng từ trong bình chứa khí với áp suất (50-55 bar) được dẫn qua thiết bị truyền nhiệt làm lạnh xuống khoảng nhiệt độ 0-10C để tăng tỷ trọng dòng dung môi CO2 lỏng trước khi vào bơm cao áp. Bơm cao áp nén CO2 vào bình chiết ở áp suất làm việc đã đặt trước. Nhiệt độ của CO2 trong bình chiết được điều chỉnh tự động bằng hệ thống điều khiển Fuzzy logic (4) nhằm duy trì trạng thái ổn định ở nhiệt độ chiết. Concrete cùng với dòng SCO2 ra khỏi bình chiết qua van tháo số 1 tiếp đó được giảm áp  bằng van tháo số 2, dịch chiết đi vào bình tách đã đặt trước nhiệt độ ổn định 350C và tại đây CO2 hóa khí tách ra khỏi sản phẩm.

Nguyên lý hoạt động và sự biến đổi trạng thái của CO2 trong quá trình chiết

Khí CO­2 lúc ban đầu trong bình chứa ở trạng thái 1 (Xem hình 2.3), thường là áp suất trong khoảng 45 – 55 bar, nhiệt độ 12 – 200C. Khi được hạ nhiệt độ ở điều kiện đẳng áp từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, CO2 lỏng tới nhiệt độ 0-10C và tỷ trọng tăng dần lên, ở điều kiện này CO­2 lỏng có thể pha trộn với các co-solvent dễ dàng. Quan trọng hơn, khi CO2 ở thể lỏng và có tỷ trọng cao, thì dễ sử dụng bơm cao áp để nén lên áp suất cao và điều chỉnh lưu lượng vào bình chiết thuận lợi.

Qua bộ phận làm lạnh, CO2 lỏng được bơm cao áp nén qua van điều chỉnh lưu lượng vào bộ phận trao đổi nhiệt để điều chỉnh tỷ trọng và độ nhớt phù hợp với yêu cầu công nghệ, CO2 đạt tới trạng thái 3 bên trong bình chiết. CO2 lỏng từ trạng thái 3 được giữ ở điều kiện đẳng áp và tăng nhiệt độ dần dần để chuyển CO2 lỏng sang trạng thái siêu tới hạn 4 trong bình chiết.

Quá trình chiết nguyên liệu thực vật bằng CO2 siêu tới hạn có thể thực hiện liên tục hoặc gián đoạn tùy theo yêu cầu công nghệ. Van bảo hiểm an toàn áp suất cho hệ thống chiết (màng 3 – Rupture disk – Hình 2.2) được lắp trên đường dẫn CO2 vào bình chiết.

Kết thúc quá trình chiết, dịch chiết được dẫn vào bình phân tách. Tại đây quá trình tách concrete ra khỏi CO2. Trạng thái từ 4 trở về trạng thái 5 là quá trình giảm áp. Khi dịch chiết vào bình phân tách (5 ® 1) để tạo các phân đoạn khác nhau thì có thể chọn các giá trị áp suất P và nhiệt độ thích hợp.

Với hệ thiết bị được sử dụng trong đề tài, do lưu lượng nhỏ nên hệ thiết bị không thu hồi CO2. Trong sản xuất công nghiệp, khí CO2 tách ra được sử dụng tuần hoàn trở lại.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: