Nghiên cứu mô phỏng tháp chưng luyện gián đoạn chân không tinh chế tinh dầu hồi

TÓM TẮT:

Các sản phẩm tinh dầu của Việt Nam hiện mới chỉ sản xuất ở dạng thô, giá trị thấp do công nghệ thiết bị tinh chế tinh dầu còn nhiều hạn chế. Mặt khác, tinh dầu hồi ở Việt Nam có những đặc trưng riêng về thành phần, do vậy cần nghiên cứu đầy đủ và toàn diện để có thể làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống tinh chế tinh dầu phù hợp với điều kiện Việt Nam. Bài nghiên cứu tập trung vào phương pháp mô hình hóa và mô phỏng được thực hiện để tính toán quá trình, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, tiêu tốn năng lượng, đưa ra quy trình vận hành phù hợp của hệ thống tinh chế tinh dầu hồi bằng phương pháp chưng luyện gián đoạn. Kết quả nghiên cứu tính toán, khảo sát các yếu tố công nghệ là tiền đề để thiết kế ra hệ thống tinh chế tinh dầu hồi, đáp ứng chất lượng sản phẩm tốt, hiệu suất thu hồi cao và tiêu tốn năng lượng thấp. Kết quả nghiên cứu chỉ ra: sản phẩm tinh dầu hồi tinh chế đạt nồng độ 96%, với hiệu suất thu hồi đạt 98,62%. Thông số vận hành tối ưu của tháp là: phân đoạn 1: Q=30 kW, R=6; phân đoạn 2: Q=20 kW, R=1. Ngoài ra, các chất chính khác trong tinh dầu có thể phân lập với nồng độ trên dưới 90% bằng phương pháp chưng cất chân không.

Từ khóa: Trans-anethole; mô phỏng; chưng luyện gián đoạn chân không, tinh dầu hồi.

1. Tổng quan

Cây đại hồi (Illicium verum) là loài cây xanh quanh năm, đặc hữu của vùng Đông Bắc Việt Nam. Tinh dầu hồi được chiết xuất từ quả của cây hồi với hàm lượng tinh dầu trong quả hồi tươi đạt 3,0 - 3,5%, và trong quả hồi khô đạt từ 8 - 13% [1]. Thành phần chủ yếu của tinh dầu hồi thô là trans-anethole (chiếm khoảng 86% khối lượng), ngoài ra còn có methyl chavicol (7%), linalool (2%) và một số chất khác với hàm lượng rất nhỏ [2]. Cis-anethole cũng chiếm hàm lượng rất nhỏ trong tinh dầu hồi (chỉ 0,4%) nhưng có tính độc và nhiệt độ sôi xấp xỉ nhiệt độ sôi của cấu tử chính là trans-anethole nên trong quá trình tinh chế, ngoài việc đảm bảo thu được trans-anethole có nồng độ cao thì việc khống chế nồng độ cis-anethole ở mức cho phép cũng cần được chú ý tới [3].

Để đạt tiêu chuẩn xuất khẩu, tinh dầu hồi cần đạt nồng độ trans-anethole ≥95% và cis-anethole <0,5%. Phương pháp phổ biến nhất để tinh chế tinh dầu hồi là dùng phương pháp chưng luyện ở áp suất chân không. Với năng suất tinh chế nhỏ vào khoảng 350 kg/mẻ, phương pháp chưng luyện gián đoạn được ưu tiên sử dụng. Tháp loại đệm sẽ có ưu điểm số đĩa lý thuyết trên 1 đơn vị chiều cao tháp lớn, trở lực nhỏ, do vậy giảm chiều cao tháp và nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở đáy tháp. Hỗn hợp tinh dầu hồi có nhiệt độ sôi khoảng 234oC tại áp suất khí quyển, và khoảng 81oC tại 2 mmHg. Do vậy, tháp làm việc ở áp suất chân không để có thể gia nhiệt đáy tháp bằng hơi nước bão hòa và tránh hiện tượng phân hủy bởi nhiệt của tinh dầu.

Việc tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện gián đoạn nhiều cấu tử rất phức tạp do các thông số thay đổi theo thời gian. Vì vậy, quá trình nghiên cứu sẽ được thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng Aspen Plus V10. Đây là phần mềm có độ chính xác cao đã được kiểm chứng rộng rãi trên thế giới, hệ thống cơ sở dữ liệu phong phú và luôn được cập nhật thường xuyên, được ứng dụng nhiều trong việc tính toán, mô phỏng, thiết kế và tối ưu hóa các quá trình công nghệ hóa học.

Nội dung của nghiên cứu bao gồm: (1) Thiết lập mô hình tháp chưng luyện gián đoạn làm việc ở áp suất chân không; (2) Khảo sát các ảnh hưởng của chỉ số hổi lưu và lượng nhiệt cấp đáy tháp đến chất lượng sản phẩm; (3) Xác định chế độ tinh chế thích hợp bao gồm thông số vận hành để thu hồi tinh dầu đạt chất lượng và hiệu suất tách cao nhất; (4) Xác định chiến lược tách sản phẩm tạp để thu hồi triệt để tinh dầu và các sản phẩm khác.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1. Thành phần nguyên liệu tinh dầu thô

Tinh dầu thô chứa nhiều cấu tử (Bảng 1) với thành phần chủ yếu là trans-anethol, pinene, limonene, linalool, methyl chavicol. Tinh dầu thô của Việt Nam có hàm lượng trans-anethol cao (86%) so với khoảng 80% tinh dầu thô của Trung Quốc. Hàm lượng Chavicol cũng cao chiếm tới gần 7%. Hàm lượng sis-anethol chiếm khoảng 0.4%. Để mô phỏng quá trình chưng luyện hỗn hợp tinh dầu hồi, các cấu tử chính được lựa chọn bao gồm pinene, careen, limonene, linalool, chavicol, trans-anethol, và sis-anethol.

Bảng 1. Thành phần trong tinh dầu hồi tại một số nước (% khối lượng) [4]

2.2. Phương pháp mô phỏng và vận hành tháp chưng luyện gián đoạn

Chưng luyện gián đoạn được sử dụng phổ biến với các hệ có năng suất vừa và nhỏ hay để tách hệ nhiều cấu tử khi chỉ cần dùng một tháp chưng luyện. Đây là kỹ thuật tách đã có từ lâu, được sử dụng rộng rãi để phân tách, tinh chế, loại bỏ tạp chất trong quá trình công nghiệp hóa học, thực phẩm và dược phẩm [5]. Ưu điểm chính của phương pháp chưng luyện gián đoạn so với phương pháp chưng luyện liên tục là ở sự đơn giản và đa năng của hệ thống chưng luyện: chỉ với một thiết bị có thể tách được nhiều hỗn hợp lỏng khác nhau. Khi đã có hỗn hợp đầu thì có thể tạo được các sản phẩm khác nhau chỉ đơn giản bằng cách thay đổi chỉ số hồi lưu. Thậm chí ngay cả hỗn hợp nhiều cấu tử cũng có thể tách được bằng chưng luyện gián đoạn chỉ trong một tháp khi các cấu tử sau khi tách được chứa trong các bình khác nhau. Nhược điểm của phương pháp chưng luyện gián đoạn chính là hỗn hợp lỏng có có thời gian lưu tại nhiệt độ cao khá lâu. Khi đó làm tăng khả năng phân hủy nhiệt và suy giảm chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, năng lượng cần thiết cho quá trình tách nói chung sẽ lớn hơn và năng suất nhỏ hơn nhiều so với phương pháp chưng luyện liên tục.

Qua quá trình khảo sát sơ bộ, các thông số cơ bản của tháp tinh chế tinh dầu hồi làm việc gián đoạn ở áp suất chân không được tổng hợp. Thành phần tinh dầu thô gồm: 0,62% pinene, 0,24% careen, 3,7% limonene, 2,34% linalool, 6,65% chavicol, 86,06% tran-anethol, và 0.39% sis-anethol. Năng suất chưng một mẻ là 350 kg. Tháp có đường kính là 200 mm, số đĩa lý thuyết là 30 đĩa. Áp suất đỉnh tháp là 1.5 mmHg, nhiệt độ đỉnh tháp thay đổi từ 9oC đến 71oC (từ đầu đến cuối chưng luyện). Áp suất đáy tháp là 24 mmHg, nhiệt độ đáy tháp thay đổi từ 116oC - (đầu mẻ chưng) đến 126oC (cuối mẻ chưng). Thể tích đáy tháp: 1,2 m3. Tháp làm việc gồm 2 phân đoạn cơ bản: phân đoạn 1 lấy 50 kg sản phẩm đỉnh (tạp), phân đoạn 2 tinh chế với lượng sản phẩm đỉnh là 295 kg. Thời gian chưng phân đoạn 1 là 1,9h và phân đoạn tách tinh chế tran-anethol là 3,7h. Nồng độ sản phẩm tinh chế trans-anethol 95.3%, sis-anethol 0.4%.

2.3 . Lựa chọn đệm

Hỗn hợp cần tách là hệ tinh dầu có khả năng phân hủy bởi nhiệt độ, 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 thông số đệm 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 nhỏ, trở lực đĩa nhỏ để tránh chênh lệch áp suất giữa đỉnh và đáy quá lớn. Qua tìm hiểu và tham khảo nhiều nguồn, chọn đệm cấu trúc CYPlus của hãng Sulzer do đạt các yêu cầu nêu trên, đồng thời loại đệm này cũng phù hợp với hệ tinh dầu cần tách. Đệm có các thông số được đưa ra trong Hình 1. Các thông số này sẽ được cập nhật trong mô hình tháp đệm trên phần mềm mô phỏng.

Hình 1: Đệm CY Plus (700Y) hãng Sulzer

3. Kết quả và thảo luận 3.1. Ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu ở phân đoạn 1

Bảng 2. Ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu đến thành phần khối lượng tại đáy tháp sau phân đoạn 1

Hình 2: Ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu đến nồng độ trans-anethol trong đáy tháp

Ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu ở phân đoạn 1 đến thành phần tinh dầu hồi ở đáy tháp sau một mẻ được thể hiện ở Bảng 1. Khi chế độ đun sôi đáy tháp được cố định tại công suất 20 kW, chỉ số hồi lưu R được thay đổi từ 1÷10. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu đến thành phần đáy tháp cho thấy, khi R ≥6 thì nồng độ trans-anethol sẽ lớn hơn 95%. Hình 2 biểu diễn ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu đến nống độ trans-anethol trong đáy tháp theo thời gian. Ở các chỉ số hồi lưu lớn hơn, nồng độ trans-anethol có thể đạt được 95% sau gần 2h chưng.

3.2. Ảnh hưởng công suất đun sôi đáy tháp ở phân đoạn 1

Bảng 3. Ảnh hưởng công suất đun sôi ở đáy tháp phân đoạn 1 đến thành phần cấu tử ở đáy tháp

Ảnh hưởng công suất đun sôi ở đáy tháp phân đoạn 1 đến thành phần cấu tử ở đáy tháp được liệt kê ở Bảng 3. Kết quả cho thấy, công suất gia nhiệt đáy tháp không ảnh hưởng nhiều đến nồng độ của trans-anethol. Tuy nhiên, nó lại ảnh hưởng đến thời gian chưng của phân đoạn 1. Khi công suất gia nhiệt tăng từ 10 kW đến 60 kW, thì thời gian giảm từ 3,9h xuống 0,6h. Công suất gia nhiệt lớn dẫn đến chi phí chế tạo thiết bị lớn hơn. Do vậy, để cân bằng 2 yếu tố thời gian và chi phí thiết bị, công suất gia nhiệt đáy tháp Q = 30 kW được lựa chọn. Ngoài ra, tại công suất này, nồng độ trans-anethol cũng đạt giá trị cao nhất tuy không nhiều so với ở các công suất khác.

3.3. Đề xuất phương án vận hành tối ưu

Mặc dù sau phân đoạn 1, nồng độ trans-anethol đã đạt được trên 95%. Tuy sản phẩm đáy có thể lẫn nhiều tạp chất khác, trong điều kiện nhất định, tinh dầu cũng có thể bị polyme hóa. Do vậy phân đoạn 2 được để xuất để tinh chế tinh dầu hồi. Sản phẩm chính tinh dầu hồi sẽ được thu trên đỉnh tháp. Phân đoạn 2 sẽ tốn năng lượng và thời gian chưng cất, tuy nhiên sẽ đảm bảo chất lượng sản phẩm tinh dầu luôn ở mức cao. Các khảo sát chi tiết được thực hiện cho giai đoạn 2, tinh chế sản phẩm tinh dầu. Ngoài ra, ảnh hưởng của lượng sản phẩm tinh dầu (G) lấy ở giai đoạn 2 cũng được khảo sát. Kết quả chỉ ra thông số tối ưu nhất của phương án vận hành tháp là: phân đoạn 1: Q=30 kW, R=6; phân đoạn 2: Q=20 kW, R=1, G=295 kg. Bảng 4 chỉ ra thay đổi nồng độ ở thùng chứa sản phẩm đỉnh. Nồng độ trans-anethol có thể đạt được sau 3,2h chưng. Hiệu suất thu hồi trans-anethol thu được sau 1 mẻ chưng là gần 93,55%.

Bảng 4. Kết quả phân bố theo thời gian của sản phẩm tại điều kiện tối ưu

3.4. Mô phỏng công đoạn thu hồi tạp

Lượng tạp thu được 1 mẻ là 50 kg, do vậy gộp 7 mẻ lại đủ năng suất 350 kg/mẻ sẽ tiến hành chưng để thu hồi tạp. Thành phần hỗn hợp tạp bao gồm pinene 4,44%, carene 1,72%, limonene 26,43%, linalool 12,77%, chavicol 23,45%, và trans-anethole 31,05%, cis-anethol 0,14%. Chiến thuật vận hành tháp sẽ thay đổi. Quá trình tách được chia làm 4 phân đoạn: phân đoạn 1 - tách pinene, phân đoạn 2 - tách limonene, phân đoạn 3 - tách linalool, phân đoạn 4 - tách chavicol, đáy tháp sẽ còn lại trans-anethol hàm lượng cao. Kết quả có thể phân tách các chất trong tinh dầu với hàm lượng như sau: tại thùng nhận 1 pinene đạt 92,4%, tại thùng nhận 2 limonene đạt 88,2%, tại thùng nhận 3 linalool đạt 97,0%, tại thùng nhận 4 chavicol đạt 88,0%, tại đáy tháp trans-anethol đạt 97%. Tổng hiệu suất thu hồi trans-anethol từ mẻ chưng chính và mẻ chưng thu hồi tạp đạt 98,62%.

4. Kết luận

Nghiên cứu đã xây dựng được mô hình quá trình tháp chưng luyện gián đoạn chân không để tinh chế tinh dầu hồi đạt chất lượng xuất khẩu với hiệu suất thu hồi cao. Nghiên cứu đã đề xuất phương án vận hành tối ưu 2 phân đoạn để lấy sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng và phương án tách tạp thu hồi triệt để anethol và các chất khác có trong tinh dầu. Ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu, công suất đun sôi đáy tháp đến nồng độ các cấu tử tại đáy, thùng chứa sản phẩm ở phân đoạn 1 và 2 được khảo sát. Kết quả chỉ ra thông số tối ưu nhất của phương án vận hành tháp là: phân đoạn 1: Q=30 kW, R=6; phân đoạn 2: Q=20 kW, R=1. Các chất chính khác trong tinh dầu có thể phân lập với nồng độ trên dưới 90% bằng phương pháp chưng cất chân không. Sản phẩm tinh dầu hồi tinh chế đạt nồng độ 96%, với hiệu suất thu hồi đạt 98,62%.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Lưu Đàm Cư, Trương Anh Thư, Thành phần hóa học của tinh dầu Hồi Lạng Sơn, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2005.
Anon, (2004), Star anise (Illicium verum Hooker fil.). http//www-ang.kfunigraz.ac.at/katzerl/Illi-ver.
Dương Văn Tài (2013), "Xác định một số thông số công nghệ hợp lý trong quá trình chưng cất tinh dầu hồi", Tạp chí Công nghiệp Nông thôn.
Ulah, H., Honermeier, B (2012). Fruit yield, essential oil concentration and composition of three anise cultivars (Pimpinella anisum L.) in relation to sowing date, sowing rate and locations. Industrial Crops and Products (ELSEVIER) 42 (2013) 489- 499
M. Mujtaba (2004), Batch Distillation Design and Operation; Imperial College Press, London.

MODELLING AND SIMULATING THE VACUUM BATCH DISTILLATION COLUMN TO PURIFY ANISE ESSENTIAL OIL

Ph.D Do Xuan Truong

Hanoi University of Science & Technology

Nguyen Van Xa

Hanoi University of Science & Technology

Nghiem Xuan Son

Hanoi University of Science & Technology

Duong Van Tai

Vietnam National Forestry University

Tran Van Tuong

Vietnam National Forestry University

Dang Ngoc Khai

Vietnam Specialized Equipment Joint Stock Company

ABSTRACT:

Vietnam's essential oil products are currently only produced in the raw form and at low value due to the limited technology of essential oil purification. On the other hand, Vietnam’s anise oil has its own characteristics, hence it is necessary to research the anise oil sufficiently and comprehensively in order to develop a specific refined system for Vietnam’s anise oil. By using modeling and simulation methods, this study calculates the process, investigates the impact of technological factors, energy consumption, and proposes appropriate operating procedures for vacuum batch distillation column. Results from this study are prerequisites for developing a vacuum batch distillation column which produces high quality products with high recovery efficiency and low energy consumption. The study’s results show that the concentration of anise oil reached at 96%, with the recovery efficiency of 98.62%. The optimum operating parameters of the column are Q = 30 kW, R = 6 at the first segment and Q = 20 kW, R = 1 at the second segment. In addition, the other main compounds in the essential oil can be isolated with a concentration of approximately 90% by vacuum distillation.

Keywords: Trans-anethole, simulation, vacuum batch distillation, anise oil.