Mô phỏng quá trình chưng chân không để tách phân đoạn tinh dầu thông và ứng dụng tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHÙNG THỊ ANH MINH

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHƯNG CHÂN KHÔNG ĐỂ
TÁCH PHÂN ĐOẠN TINH DẦU THÔNG VÀ ỨNG DỤNG

Ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 9520301

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Trần Trung Kiên
2. GS.TS Phạm Văn Thiêm

Phản biện 1: GS.TS. Phan Đình Tuấn
Phản biện 2: TS. Hoàng Anh Tuấn
Phản biện 3: TS. Phạm Hồng Hải

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1.

Phùng Thị Anh Minh, Trần Trung Kiên, Phạm Văn Thiêm (2013),
“Tối ưu hóa các thông số của mô hình NRTL để tính toán cân bằng
lỏng – hơi cho hệ tinh dầu”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tập 51 (5B), tr 1-5.

2.

Phùng Thị Anh Minh, Trần Trung Kiên, Phạm Văn Thiêm (2014),
“Dự đoán cân bằng lỏng hơi hệ nhiều cấu tử tinh dầu thông sử dụng
mô hình UNIFAC”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tập 52 (5A), tr 62-68.

3.

Minh Phung Thi Anh, Kien Tran Trung, Thiem Pham Van (2015),
“Vapor – liquid equilibrium of turpentine oil system: simulation and
experiment”, Journal of Science and Technology – Vietnam academy
of Science and Technology, Volume 53 (4D), tr 327-334.

4.

Minh Phung Thi Anh, Kien Tran Trung, Thiem Pham Van (2016),
“Research on simulation of bacth distillation process for separating
turpentine oil from quang ninh pine stock company”, Journal of
Science and Technology – Vietnam academy of Science and
Technology, Volume 54 (2B), tr 201-208.


A. MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của luận án
Tinh dầu thông là loại nguyên liệu quan trọng trong dược phẩm, hóa mỹ phẩm và một
số ngành công nghiệp khác. Hiện nay, tinh dầu thông tinh khiết (hàm lượng cấu tử chính αpinene >99%) hoàn toàn nhập từ nước ngoài như Nhật, Mỹ, Ấn Độ... Trong khi đó nước ta
có nguồn nguyên liệu tinh dầu thông thô dồi dào do các công ty trong nước sản xuất như
công ty cổ phần Thông Quảng Ninh, công ty cổ phần Thông Quảng Phú, đây là hai công ty
chế biến nhựa lớn nhất trong cả nước, với tổng công suất 6500 - 7000tấn tinh dầu thông/năm.
Với công nghệ sản xuất cho các loại tinh dầu hiện nay của nước ta chỉ đạt được hàm lượng
tinh dầu thô (α-pinene < 65%) mà chưa có giải pháp tinh chế tinh dầu thông tinh khiết (hàm
lượng α-pinene ≥99%) hoặc nâng cao hàm lượng pinene tổng >90%. Ngoài việc nâng cao
chất lượng tinh dầu để xuất khẩu, có thể xuất khẩu các đơn hương chiết tách từ tinh dầu và từ
các đơn hương được chiết tách có thể có thể tổng hợp nhiều loại hương liệu dùng cho công
nghiệp hương liệu trong nước hiện đang nhập khẩu với số lượng lớn. Trong khi đó, nhu cầu
về tinh dầu, hương liệu và mỹ phẩm ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới tăng nhanh,
do xu hướng quay trở về dùng những hợp chất tự nhiên trong dược liệu, hương liệu, thực
phẩm và mỹ phẩm ngày càng nhiều.
Nước ta có khí hậu và thổ nhưỡng khá phù hợp với việc trồng thông lấy gỗ và nhựa.
Diện tích trồng thông lấy nhựa mới chiếm khoảng 10% điện tích trồng thông trên toàn quốc,
tập trung tại Đông Bắc, Tây Bắc, đồng bằng Bắc bộ, duyên hải Trung bộ, Đông Nam bộ và
Tây Nguyên. Sản phẩm tinh dầu thông Việt Nam hiện nay thu được vẫn là tinh dầu thông
thô. Rõ ràng giải pháp để nâng cao chất lượng, tạo ra sản phẩm tinh dầu có thể cạnh tranh

được trên thị trường khi sử dụng chính nguồn nguyên liệu thô trong nước để tinh chế đang là
vấn về cấp thiết. Đối với các hệ tinh dầu nói chung và tinh dầu thông nói riêng, phương pháp
tinh chế thích hợp nhất hiện nay đang được sử dụng là chưng luyện gián đoạn ở áp suất chân
không, tiến hành trên tháp đệm. Hệ tinh dầu thông là hệ gồm nhiều cấu tử, có hành vi khá
phức tạp trong quá trình chưng cất. Chính vì vậy, để nghiên cứu đưa ra được chế độ công
nghệ thích hợp, tối ưu hóa được quá trình đem lại hiệu quả phân tách và tinh chế cao cần
thiết phải có được những nghiên cứu bài bản, có hệ thống.
Sản xuất sản phẩm tinh dầu tự nhiên, không sử dụng dung môi độc hại và thân thiện
với môi trường là một hướng đi đúng và nhiều tiềm năng phát triển của các ngành công
nghiệp trong sản xuất và chế biến sản phẩm từ thảo dược thiên nhiên.
2. Mục tiêu nghiên cứu, ý nghĩa về khoa học thực tiễn
Mục tiêu của luận án đề ra là:
-

Nghiên cứu xác định mô hình nhiệt động (mô hình cân bằng pha) cho hệ nhiều cấu tử
tinh dầu thông;
Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình phân tách và tinh chế hệ tinh dầu
thông bằng phương pháp chưng chân không ở áp suất thấp (chân không) nhằm thu

1


được sản phẩm có độ tinh khiết cao (hàm lượng α-pinene ≥99%) từ hỗn hợp dầu thông
thô.
- Nghiên cứu và đề xuất chiến lược vận hành hệ thống tháp chưng chân không gián đoạn
loại đệm từ kết quả nghiên cứu mô phỏng, qua đó xác định được các thông số công
nghệ thích hợp của quá trình.
Như vậy tính khả thi của luận án là sử dụng được nguồn nguyên liệu tinh dầu thông
trong nước sẵn có để sản xuất được loại dầu thông (hàm lượng α-pinene >99%) mà không
phải nhập khẩu từ nước ngoài và ứng dụng mô phỏng vào xây dựng quy trình vận hành hệ

thống chưng phân tách các phân đoạn tinh dầu cho tháp loại đệm. Những ứng dụng của đề
tài sẽ góp phần khẳng định sức mạnh, ưu thế đặc biệt của nguồn tinh dầu tự nhiên, chính là
nguồn gốc của chế biến hương liệu và dược phẩm.
3. Những điểm mới của luận án
- Thiết lập mô hình chưng chân không gián đoạn để tách tinh dầu thông, đã kiểm chứng
mô hình này bằng thực nghiệm đạt sai số cho phép.
- Đã tìm được các thông số công nghệ thích hợp cho quá trình chưng luyện chân không
gián đoạn tách tinh dầu thông đạt hàm lượng α – pinene > 99%.
- Đã tìm được mối quan hệ giữa mô phỏng và thực nghiệm của hai thông số quan trọng
trong quá trình chưng luyện gián đoạn là chỉ số hồi lưu R và thời gian chưng luyện:
+ RTN = 0,841 RMP – 0,06
+ TN = 0,313 MP2 – 0,5857 + 0,927 với  ≥ 4,5
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 140 trang (không kể phụ lục) được chia thành các phần như sau: Mở đầu
2 trang; Chương 1: tổng quan 39 trang; Chương 2: phương pháp nghiên cứu 20 trang;
Chương 3: kết quả và thảo luận 68 trang; kết luận và kiến nghị 2 trang; có 85 tài liệu tham
khảo.
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Phần tổng quan là tổng hợp các nghiên cứu trong nước và thế giới liên quan đến luận
án về tinh dầu thông, phương pháp và thiết bị chưng cất. Chương này phân tích, đánh giá có
biện luận các công trình nghiên cứu và chỉ ra những vấn đề còn tồn tại mà luận án sẽ tập
trung giải quyết.
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp mô hình hóa với công cụ mô phỏng hiện đại để thực
hiện quá trình đánh giá, biện luận kết quả nghiên cứu; bên cạnh đó kết hợp với phương pháp
phân tích hiện đại để hỗ trợ cho quá trình đánh giá như Karl Fischer để xác định độ ẩm của
nguyên vật liệu, GC và GC-MS đưa ra kết quả phân tích mẫu thực nghiệm. Với hệ thống
thiết bị thực nghiệm mới kết hợp biện luận các kết quả phân tích để tìm ra các thông số công
nghệ thích hợp cho quá trình chưng chân không tách phân đoạn dầu thông.

2


CHUƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
III.1.Đặc trưng nguyên liệu.
Tiến hành lấy mẫu thực nghiệm tại hai cơ sở khai thác và chế biến tinh dầu tại miền
bắc là mẫu tinh dầu thông của công ty CP thông Quảng Ninh (từ thông khu vực Uông Bí,
Lạng Sơn, Quảng Ngãi) và công ty TNHH Vistarosin (thông khu vực Nghệ An, Hà Tĩnh).
Tinh dầu thông (essence de térébenthine, turpentine oil) là một chất lỏng trong suốt, không
màu, có mùi vị đặc trưng, không có cặn và nước, tan theo bất kỳ tỉ lệ nào trong benzen, ete,
dầu béo... Tinh dầu thông (TDT) là một hỗn hợp của các cacbuahydro monotecpen (C 10H16),
ngoài ra còn có một lượng nhỏ các sesquitecpen và các dẫn xuất của các tecpen. Trong thành
phần cơ bản của TDT, α-pinene và β-pinene có giá trị kinh tế quan trọng nhất. Chất lượng
của tinh dầu thông tùy thuộc vào hàm lượng α-pinene trong TDT.
Pinene (đặc biệt là α-pinene) chính là chỉ tiêu đánh giá chất lượng TDT. Pinene là
chất lỏng sánh, không màu, để lâu chuyển sang hơi vàng, tan nhiều trong rượu etylic, axit
acetic, toluen, xylen. Hai đồng phân chỉ khác nhau về vị trí nối đôi: vị trí nối đôi ở 2-3 là cấu
tử α-pinene và vị trí nối đôi ở 2-8 là cấu tử β-pinene.
Tinh dầu thông cần được tách nước và cặn cơ học (nếu có) hết sức cẩn thận trước khi
đưa vào tháp chưng cất. TDT khi thu mua về nên kiểm tra xác định hàm lượng nước với máy
chuẩn độ Karl Fischer. Nếu hàm lượng nước dưới 1% (2kg nước trong 200 kg tinh dầu) thì đạt
yêu cầu cho vào tháp chưng cất. Nếu hàm lượng nước cao hơn cho phép nên sử dụng các
phương pháp loại nước với thiết bị phân ly tương ứng trước khi sử dụng để chưng cất như bể
phân ly, thiết bị chiết phân ly. Thực tế cho thấy lượng nước trong tinh dầu thông Nghệ An có rất
ít (gần như không đáng kể, khoảng 0,3%) so với lượng nước có trong tinh dầu thông Quảng
Ninh.
Bảng 3.2 Kết quả phân tích các mẫu nguyên liệu
Cấu tử

M00

tricyclene
α - thujene
α - pinene
myrcene
sabinene
β - pinene
camphene
∆ - 3 - carene
p – cymene
d - limonene
terpinene
terpinolene
e-myroxide
tạp chất khác
H20 trong mẫu

0,16
1,29
53,62
0,58
0,48
1,00
0,95
34,90
0,66
3,45
0,31
1,91
0,26

0,43
1,07

NL,
03-01
1,63
52,22
0,66
0,15
1,09
0,82
34,97
1,03
3,62
0,36
2,27
0,22
0,96
1,14

NL,T
04-15
1,32
43,59
0,59
0,54
1,16
1,04
39,10
1,11

3,80
1,19
6,01
0,17
0,38
0,35

M0
0,03
1,00
54,25
0,61
1,04
1,35
0,04
33,48
0,34
3,13
0,64
2,90
0,18
1,01
0,31

Chú thích: M00 – TDT Quảng Ninh 2013;
NL.03-01 – TDT Quảng Ninh 2016
NL.T04-15 – TDT Nghệ An 2013; M0 – TDT Nghệ An 2016
Kết quả phân tích các mẫu nguyên liệu nhận thấy:
3

 Các mẫu tinh dầu thông làm thực nghiệm có chứa nước, TDT Quảng Ninh hàm lượng
nước trên 1%. Do đó, với các thí nghiệm xác định cân bằng pha bắt buộc phải dùng
Na2SO4 khan để tách nước hoặc dùng bình chiết phân ly trước khi tiến hành thí
nghiệm.
 Hàm lượng nước trong tinh dầu thông Nghệ An thấp hơn 1%. Do đó, với quá trình
chưng gián đoạn phân tách đơn hương, TDT Nghệ An không cần giai đoạn tách nước,
hàm lượng nước sẽ về bẫy chân không và tháo ra ngoài, TDT Quảng Ninh bắt buộc
phải có giai đoạn tách nước trước khi tiến hành chưng phân tách đơn hương.
 Hàm lượng của ba cấu tử chính (α – pinene, ∆ – 3 – carene, d – limonene ) trong các
mẫu tinh dầu chiếm khoảng 81,97 – 90,83%, phần còn lại là các cấu tử khác. Do đó,
đánh giá tinh dầu thông dựa vào hàm lượng của ba cấu tử chính này là chấp nhận được.
 Trong tinh dầu thông của hai khu vực đều có hàm lượng cấu tử α – thujene 1 ÷ 1,63%.
Để tách được phân đoạn cấu tử α – pinene tinh khiết cần tách được cấu tử nhẹ này ra
khỏi hệ tinh dầu thông. Với các thí nghiệm đã công bố trước đây chưa thấy đề cập đến
vấn đề này.
 Các cấu tử có hàm lượng trên 1% phải tính thêm α – thujene, β – pinene, camphene,
terpinolene. Như vậy tổng cộng là bảy cấu tử. Nếu ta lấy hết các cấu tử để mô phỏng
quá trình chưng sẽ khó khăn trong việc xác định cân bằng pha và phức tạp khi mô
phỏng. Do đó, để mô hình hóa không quá phức tạp nên chọn khoảng 4 cấu tử. Trong
thực tế, mục đích chính là phân tách đơn hương α – pinene tinh khiết với hàm lượng
cao trên 99% và tách khỏi β – pinene nên lựa chọn bốn cấu tử chính là α – pinene, β –
pinene, ∆ – 3 – carene, d – limonene để dùng cho quá trình mô phỏng và tính toán thực
nghiệm.
Bên cạnh đó, trên thị trường kinh doanh giá trị thương phẩm của tinh dầu thông có
nhiều khoảng mức khác nhau từ 50 ÷ 60, 60 ÷ 85, 85 ÷ 90, ≥90 và ≥99% α – pinene. Như
vậy, mục tiêu của nghiên cứu cần tính đến hiệu suất tách với hàm lượng ≥ 90% α – pinene
và ≥ 99% α – pinene.

Hình 3.3 Hình ảnh mẫu nguyên liệu.

Như vậy, hệ các cấu tử trong hỗn hợp tinh dầu thông dùng để mô phỏng chưng gián
đoạn chân không tháp đệm gồm có α – pinene, β – pinene, d – limonene và ∆ – 3 – carene
4


với các thành phần như sau:
Bảng 3.3 Các cấu tử của tinh dầu thông dùng cho quá trình mô phỏng.
Tên các cấu tử trong
Các cấu tử
Khối lượng
Hệ thực
Tỷ khối
Hệ mô phỏng
mô phỏng
TT của hệ thực
mol
(phần mol) (kg/m3)
(phần mol)
(TDT)
(kg/kmol)
ALPHA-01 /
1
α – pinene
0,5425
864,3
136,2
0,58833
ALPHA-PINENE
BETA-01 /
2

β – pinene
0,0135
873,2
136,2
0,01464
BETA-PINENE
∆–3–
3-CAR-01 /
3
0,3348
879,0
136,2
0,36308
carene
3-CARENE
D-LIM-01 /
4 d – limonene
0,0313
847,4
136,24
0,03395
D-LIMONENE
 Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp tinh dầu thông ở 250C:
x
tb   i i
 xi = 869,7158 (kg/m3)
 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp tinh dầu thông:
M tb 

M x

x

i i

= 136,2235 (kg/kmol)
 Khối lượng mẫu tinh dầu thông:
m= 180(kg)
 Số mol của hỗn hợp vào:
i

n

m
= 1,3263136 (kmol)
M tb

III.2.Nghiên cứu và lựa chọn mô hình cân bằng pha cho hệ tinh dầu thông.
Chọn mô hình cân bằng lỏng – hơi có độ tin cậy cao là điều quan trọng của trong việc
tính toán tháp chưng luyện và khảo sát sự vận hành của nó. Như đã phân tích trong mục
2.1.2, đã đưa ra hai nhóm mô hình cần kiểm chứng là mô hình NRTL và mô hình UNIFAC.
Với nhóm nhứ nhất, ta cần xác định các thông số của mô hình NRTL theo giá trị thực
nghiệm. Với hệ tinh dầu thông Việt nam gồm bốn cấu tử chính α – pinene, β – pinene, d –
limonene, Δ – 3 – carene cần có đủ 06 bộ thông số của mô hình NRTL tương ứng 06 cặp số
liệu thực nghiệm. Tháng 10 năm 2013, tác giả đã có bài báo công bố về các thông số cơ bản
dựa trên số liệu cân bằng pha của Woodson C. Tucker và J. Erskine Hawkins (1954). Sau khi
tối ưu hóa các thông số của mô hình thì mô hình NRTL cho kết quả dự đoán cân bằng lỏng
hơi khá chính xác với giá trị sai số lớn nhất là 5,83%. Tuy nhiên trong thực tế không thể có
đủ 06 cặp số liệu từ hệ bốn cấu tử trên, đặc biệt là cấu tử Δ – 3 – carene. Do đó không thể
tối ưu hóa toàn bộ các thông số mô hình NRTL.
5

Từ kết quả các giá trị sai số của cân bằng lỏng hơi được đưa ra trong các bảng số liệu
có thể thấy, giá trị độ lệch lớn của mô hình UNIFAC thấp hơn nhiều so với các mô hình
UNIQUAC, Wilson, NRTL. Tương ứng với áp suất 20mmHg mô hình UNIFAC chỉ 11,5%
còn các mô hình khác đều trên 22,09% và với áp suất 99,993mmHg mô hình UNIFAC chỉ
14,93% còn các mô hình khác đều trên 28,58%. Như vậy, để áp dụng mô hình cho quá trình
chưng cất chân không gián đoạn, có thể thấy rằng mô hình UNIFAC là mô hình thích hợp
nhất để dự đoán cân bằng lỏng – hơi cho hệ hai cấu tử α – pinene, β – pinene so với các mô
hình NRTL, Wilson, UNIQUAC.
Với mô hình UNIFAC, ta cần chia nhóm cấu trúc cho các cấu tử trong hệ tinh dầu
thông.
III.2.2. Dự đoán cân bằng lỏng hơi của hệ ba cấu tử.
Sử dụng cách chia nhóm đã được chứng minh là phù hợp ở trên để áp dụng vào mô
hình UNIFAC dự đoán cân bằng lỏng hơi cho hệ ba cấu tử α – pinen, β – pinen, d – limonen
ở hai áp suất khác nhau tại nhiệt độ 436,310K. Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ 3 cấu tử trên
được tham khảo. Tất cả số liệu tính toán và so sánh với số liệu thực nghiệm được trình bày ở
bảng 3.8.
Bảng 3.8 Cân bằng lỏng hơi hệ ba cấu tử tại hai áp suất khác nhau
Cấu tử

x, phần mol

Hệ số hoạt độ

y*(cal)

y*(exp)

AMD (%)

80.0 kPa
α-pinene
β-pinene

0.071
0.224

1.78061
3.30631

0.118
0.265

0.122
0.288

3.03
8.16

d-limonene

0.705

2.66302
101.3 kPa

0.617

0.590

4.65

α-pinene
β-pinene
d-limonene

0.33
0.61
0.06

2.28658
2.70593
2.69836

0.401
0.569
0.034

0.413
0.552
0.035

2.85
3.07
2.00

Từ bảng trên có thể thấy rằng sai số tuyệt đối lớn nhất giữa kết quả tính toán theo mô
hình và số liệu thực nghiệm là 8,16%. Như vậy, mô hình UNIFAC là khá phù hợp để dự
đoán cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp 3 cấu tử của hệ tinh dầu thông.

Mô hình UNIFAC dựa trên các thông số tương tác giữa các nhóm để dự đoán hệ số
hoạt độ cho các hệ chưa được nghiên cứu bằng thực nghiệm, nhưng chứa cùng các nhóm
chức như trong các hệ đã được nghiên cứu. Với hệ bốn cấu tử tinh dầu thông, số liệu thực
nghiệm cho hệ cấu tử này vẫn chưa được công bố đầy đủ., do đó ta có thể dựa vào các nhóm
của các cấu tử này trong mô hình UNIFAC để tính toán hệ số hoạt độ cho tất cả các cấu tử
trong hệ tinh dầu thông. Như vậy, mô hình UNIFAC là phù hợp để dự đoán cân bằng lỏng
hơi cho hỗn hợp các cấu tử của hệ tinh dầu thông. Việc sử dụng mô hình cân bằng lỏng – hơi
UNIFAC trong việc mô tả hành vi của các cấu tử hệ tinh dầu thông thực tế là chấp nhận
được.

6


III.2.3. Thí nghiệm kiểm chứng mô hình cân bằng pha.
Tiến hành quá trình thực nghiệm như đã trình bày mục 2.1.1.2, khảo sát hành vi của
các cấu tử trong hệ tinh dầu thông tại các vị trí nhiệt độ khác nhau trong cùng điều kiện thí
nghiệm.
a) Kiểm chứng Mô hình NRTL.
Vẽ đường chưng cất và biểu diễn các điểm lên đồ thị tam giác ta dùng phần mềm mô
phỏng với mô hình NRTL ta được các hình sau:

Hình 3.13 + 3.14: Các điểm thực nghiệm trên đồ thi tam giác với mô hình NRTL.
b) Kiểm chứng mô hình UNIFAC.
Vẽ đường chưng cất và biểu diễn các điểm lên đồ thị tam giác ta dùng phần mềm mô
phỏng với mô hình UNIFAC, ta có các hình như sau:

Hình 3.15 + 3.16: Các điểm thực nghiệm trên đồ thị tam giác với mô hình UNIFAC.
Từ kết quả được đưa ra trong các bảng số liệu có thể thấy, giá trị độ lệch lớn nhất của
mô hình NRTL là 18,089% trong khi với mô hình UNIFAC cao nhất chỉ 10%. Rõ ràng, nhận
thấy mô hình UNIFAC là phù hợp hơn mô hình NRTL. Từ kết quả thực nghiệm nhận rõ xu

hướng (lộ trình chưng tách) phù hợp với đường chưng cất nhận được từ mô phỏng.
III.2.4. Xây dựng hệ 3 cấu tử tinh dầu thông.
Quá trình mô phỏng sẽ được thực hiện với 4 cấu tử α – pinene, β – pinene, d –
limonene và Δ – 3 – carene. Từ bốn cấu tử này chúng ta sẽ xây dựng được bốn hệ ba cấu tử
như sau:
Trong hệ tinh dầu thông các cấu tử đã được chọn là: α – pinene, β – pinene, d –
limonene và Δ – 3 – carene và kết hợp với các giản đồ cân bằng pha của hệ ba cấu tử mô tả ở
trên, ta đưa ra dự đoán có thể tách được :
7


+ Cấu tử α – pinene tinh khiết thu được đầu tiên trên đỉnh tháp.
+ Cấu tử β –pinene, dựa vào vùng tách trong các đồ thị ta thấy cấu tử này có khả
năng tách tinh khiết, sau cấu tử chính α – pinene
+ Cấu tử Δ – 3 – carene vì có đường đẳng phí với các cấu tử khác nên cấu tử này
không thể tách tinh khiết mà chỉ có thể tách đến nồng độ cao nhất khoảng 80% sau khi tách
hết các pinene.
+ Cấu tử d-limonene có nhiệt độ sôi cao nhất nên khẳng định cấu tử này sẽ thu được
tại đáy tháp chưng.

Hình 3. 17-20: Giản đồ cân bằng pha hệ ba cấu tử.
Qua nghiên cứu hành vi của các cấu tử tinh dầu thông và kết quả phân tích hàm lượng
thành phần mẫu TDT nguyên liệu (bảng 3.2) kết hợp bảng áp suất hơi của các cấu tử có trong
TDT Việt nam (bảng 1.10) nhận ra rằng khi tiến hành chưng cất hệ tinh dầu thông cần thiết
phân chia hệ thành những phân đoạn như sau:
 Phân đoạn 1: (phân đoạn nhẹ) tách tối đa các cấu tử nhẹ hơn α – pinene ( ví dụ như
tricyclene, α – thujene).
 Phân đoạn 2: (phân đoạn chính α – pinene) bao gồm cấu tử α – pinene tinh khiết, đạt
hàm lượng cao trên 99%
 Phân đoạn 3: (phân đoạn phụ) tách tối đa cấu tử β – pinene

 Phân đoạn 4: (phân đoạn tạp) tách triệt để các pinene ra khỏi ∆ – 3 – carene, gồm các
cấu tử α – pinene, β – pinene, camphene.
 Phân đoạn 5: phân đoạn ∆ – 3 – carene
 Phân đoạn 6: đoạn đáy. Chủ yếu là cấu tử d-limonene và terpinolene ...

8


III.3.Mô phỏng và tối ưu giai đoạn khởi động.
III.3.1. Đệm cấu trúc được chọn.
Bề mặt riêng càng lớn thì hiệu suất đệm tăng lên nhưng chi phí chế tạo tăng lên. Do
vậy ta chọn đệm có bề mặt riêng vừa phải vừa đảm bảo chiều cao lớp đệm,đảm bảo hiệu suất
và chi phí cho đệm: chọn đệm CYplus với bề mặt riêng a = 700 m2/m3 nhà cung cấp Sulzer.
Bảng 3.12 Các thông số chính của đệm.
Loại đệm

Gauze CYPlus

Bề mặt riêng của đệm

700 m2/m3

Vật liệu

SS304L

Đường kính đệm

206 mm ± 0,5 mm

Đường kính sợi

0,15 mm - 0,2 mm

Khối lượng riêng

300 kg/m3

Thể tích tự do

90%

Hình 3.22 Đệm CY Plus (700Y).
III.3.2. Xác định HETP của đệm cấu trúc.
Do mô hình chuyển khối tốt nhất cũng có độ tin cậy chưa cao trong dự đoán hiệu suất
của đệm nên theo ý kiến của nhiều nhà nghiên cứu, quy tắc chọn dùng để dự đoán chiều cao
HETP cho kết quả chính xác hơn[21,50,53]. Theo phương trình 1.50 của mục 1.2.3 có dạng:
HETP  100.

C XY
 0.1
ap

Với CXY phản ánh ảnh hưởng của góc nghiêng.
Cho đệm kiểu Y và đệm năng suất cao thì CXY = 1.
Đệm cấu trúc được chọn có ap=700 m2/m3.
 HETP  100.

1
 0,1  0, 4285(m)

700

Theo mô hình cân bằng pha, chiều cao cần thiết của lớp đệm H cho quá trình đang xét
có thể tính theo phương trình sau:
H = NLT .HETP, m
N LT 

H
8,8

 36, 23636 => 37 bậc lý thuyết
HETP 0, 24285

Các nguyên tắc chọn trên được áp dụng cho hệ hữu cơ và hydrocarbon (hệ có sức
căng bề mặt 𝜎 < 25𝑚𝑁/𝑚). Đối với hệ tinh dầu thông, có khả năng có chứa nước (sức căng
bề mặt của nước 𝜎 ≈ 70𝑚𝑁/𝑚), chiều cao HETP dự đoán theo các phương trình cần phải
tăng lên theo hệ số nào đó. Và với loại đệm CY Plus đã có, ta tính được hệ số sau:
K HETP 

HETPTT 0, 24285

 1,619
HETPTN
0,15

Kiểm tra lại số bậc thực tế trong tháp chưng chân không loại đệm cấu trúc:
NTN  K HETP N LT  1, 619  36, 23636  58, 66666 => 59 bậc.
Số bậc thực tế nhà cung cấp đưa ra:
9

H
8,8

 58,66667 => 59 bậc. Nhận thấy: NCC  NTN  59 bậc.
HETPCC 0,15
Vậy hệ số để dự đoán chiều cao HETP được xác định là K HETP  1, 619
Số bậc dùng trong quá trình mô phỏng là N MP  N LT  2  37  2  39 bậc .
NCC 

III.3.4. Mô phỏng giai đoạn khởi động và kiểm chứng mô hình.
Mô phỏng giai đoạn khởi động thực tế đơn giản chỉ là yêu cầu chạy tháp (mô phỏng
vận hành tháp sử dụng mô hình UNIFAC với phần mềm mô phỏng Aspen mô đun BatchSep)
tại chế độ hồi lưu hoàn toàn cho tới khi đạt được trạng thái ổn định (steady state).

Hình 3.24 Biểu diễn nhiệt độ đáy theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhận thấy nhiệt độ đáy tháp thực nghiệm lân cận đường mô phỏng với sai số cao
nhất 7,256% < 10%. Mô phỏng nhiệt độ đáy 102,56oC tương đương năng lượng cấp cho đáy
tháp là 6,5kW và sau 2,25 giờ khởi động.

Hình 3. 25 Biểu diễn nhiệt độ đỉnh theo thực nghiệm và theo mô phỏng
Qua đồ thị 3.25, nhận thấy nhiệt độ đỉnh tháp thực nghiệm nằm dưới đường mô
phỏng với sai số cao nhất 9,173% < 10%.
Qua các bảng số liệu cũng như hai đồ thị ở trên, ta thấy được sự phù hợp khá tốt giữa
số liệu thực nghiệm và kết quả mô phỏng tháp ở giai đoạn khởi động, độ lệch nhiệt độ lớn
nhất theo từng khu vực đều không vượt qua 10%. Như vậy, việc sử dụng chương trình mô
phỏng ứng dụng mô hình UNIFAC trong việc mô tả diễn biến nhiệt độ trong giai đoạn khởi
động tháp chưng thực tế là phù hợp.

10

III.4. Nghiên cứu thủy động lực học và năng lượng cấp cho tháp chưng tinh dầu
III.4.1. Mô phỏng ảnh hưởng của gia nhiệt đáy.
Năng lượng cấp cho đáy tháp đệm (duty) dùng để đun sôi hỗn hợp tinh dầu thông
nguyên liệu ban đầu và sử dụng trong toàn bộ quá trình chưng chân không phân tách đơn
hương. Năng lượng cấp cho đáy tháp quyết định đến thời gian chưng và lưu lượng các dòng
lỏng – hơi đi trong tháp. Nếu duty quá cao thì quá trình chưng sẽ diễn ra nhanh hơn nhưng
các dòng lỏng và dòng hơi đi trong tháp sẽ có lưu lượng lớn có thể dẫn đến sặc tháp và khó
điều khiển tháp chưng. Ngược lại, khi duty thời gian chưng sẽ kéo dài hơn, lưu lượng dòng
hơi và lỏng trong tháp sẽ thấp làm giảm năng suất.
Khảo sát với các năng lượng cấp cho đáy tháp từ 5kW đến 15kW ta được đồ thị quan
hệ giữa năng lượng cấp cho đáy tháp và lưu lượng dòng lỏng đi trong tháp như sau:

Hình 3.31 Quan hệ năng lượng cấp cho đáy tháp và lượng lỏng trên đỉnh tháp.
Qua đồ thị ta thấy khi năng lượng cấp cho đáy tháp từ 5 kW đến 8 kW thì lượng lỏng
đi trong tháp có giá trị không thay đổi nhiều, tăng chậm từ 5,88 đến 7,24 mole/ph. Khi năng
lượng cấp cho đáy tháp tăng từ 8 kW trở đi, lượng lỏng bắt đầu tăng đột ngột và lượng lỏng
nhanh chóng đạt 17,65 mol/ph khi năng lượng cấp cho đáy tháp = 15 kW, dự đoán từ 9kW
trong tháp có hiện tượng lỏng ít hơn lượng hơi.
Do năng lượng cấp cho đáy tháp càng tăng làm cho lượng lỏng trong tháp càng tăng
cao khiến cho quá trình chưng tiêu tốn nhiều năng lượng đồng thời có thể gây ra sặc tháp và
khó điều khiển tháp chưng trong quá trình vận hành. Với khoảng làm việc đã chọn sẽ cần
nguồn năng lượng có công suất 7,5±0,5kW. Khi đó để đun sôi đáy tháp thì thời gian tiêu tốn
khoảng 30 phút đến 1 giờ. Để nắm rõ hơn, khảo sát sự ảnh hưởng của năng lượng cấp cho
đáy tháp đến nồng độ sản phẩm đỉnh. Khảo sát năng lượng cấp cho đáy tháp trong khoảng 6
– 9kW.
III.4.2 Trở lực của đệm tại điểm sặc.
Trở lực của đệm tại điểm sặc được tính theo công thức:
 p 

 a  700
0.7
   40,8FP Pa/m với FP   3  
 H Sac
   0,9

11


 700 
 p 

  40,8 
3 
 H sac
 0,9 

0.7

 700 
 40,8 
3 
 0,9 

0.7

 4992,51664 Pa/m

 p 


  37, 44695 mmHg/m
 H sac

III.4.3. Trở lực của lớp đệm khi tháp làm việc.
Trở lực của tháp loại đệm đặc trưng cho hành vi của từng loại đệm và chỉ ra khoảng

 H  phụ thuộc

làm việc của tháp. Tổng trở lực của đệm tính theo 1m chiều cao lớp đệm p
vào trở lực của đệm tại điểm sặc theo công thức sau:

 p H 

 H

  0,3  0, 6  p

lv

sac

Vậy khoảng làm việc của tháp đệm cấu trúc như sau:
 p 
  22, 46817 mmHg/m
 H  LV

Hay 11, 2341  

III.4.4. Tối ưu hóa khoảng làm việc của tháp chưng chân không loại đệm.
Khi tháp làm việc thực tế, nhiệt độ nước làm lạnh theo môi trường. Với mùa đông

nước làm lạnh sẽ mát hơn nước vào mùa hè. Trung bình nhiệt độ nước vào mùa hè khoảng
300C, do đó nhiệt độ trên đỉnh tháp khoảng 60 – 700C . Áp suất đỉnh khoảng 40 - 42mmHg
thì nhiệt độ khoảng 68 – 700C. Vậy, ta có thể dùng bơm chân không vòng dầu để tạo áp trên
đỉnh là 41±1mmHg đảm bảo tháp làm việc ở áp suất chân không tránh được sự phân hủy
nhiệt của các chất ở dưới đáy khi nhiệt độ đáy quá cao.
Bảng 3.17 Trở lực của tháp đệm tương ứng với nhiệt độ đáy tháp.
Tđáy, 0C
Pđáy,
Pđỉnh,
p
H mmHg/m
mmHg
mmHg
90
134
41
10,56818
100
141
41
11,36364
110
150
41
12,38636
115
237
41
22,27273
120

262
41
25,11364
130
365
41
36,81818
Với khoảng làm việc của tháp chưng chân không gián đoạn loại đệm
 p 
11, 2341     22, 46817 mmHg/m, tương ứng với nhiệt độ đáy từ khoảng 100 ÷1150C.
 H  LV
Khi tháp làm việc thực tế , cần thời gian chưng ngắn nhất tương ứng với chọn khoảng
làm việc tốt nhất tức là điểm trên cùng của khoảng làm việc. Do đó, ta có thể xem xét chọn
nhiệt độ đáy tháp chưng cần thiết là 1150C.

 

12


Bảng 3.18 Năng lượng cấp cho đáy tháp tương ứng nhiệt độ đáy
Nhiệt độ cấp cho đáy
tháp

Năng lượng cấp cho đáy tháp
kJ

kW

140

35190

9,775

130

32130

8,925

120

29070

8,075

110

26010

7,225

100

22950

6,375

90

19890

5,525

Khi năng lượng cấp cho đáy tháp tăng thì cũng làm nồng độ các cấu tử còn lại tăng
theo, không có lợi cho quá trình lấy α – pinene tinh khiết. Từ các đồ thị ta có thể rút ra được
dự đoán rằng chỉ trong khoảng 4 giờ đầu sau khi chạy tháp, chất lượng dòng sản phẩm đỉnh
sẽ ít bị ảnh hưởng khi ta thay đổi năng lượng cấp cho đáy tháp từ 7-8 kW, tương ứng nhiệt độ
đáy tháp giữ trong khoảng 108 – 1180C.
3.4.3. Thí nghiệm kiểm chứng năng lượng cấp cho đáy tháp.
Số liệu phân tích mẫu TDT của các mẫu ứng với thời gian lưu nhiệt khác nhau khá
giống nhau. Hàm lượng các cấu tử chênh lệch không nhiều, trong khoảng ±0,05 như vậy ở
đây chỉ trình bày số liệu ứng với thời gian lưu nhiệt trung bình 12h.
Bảng 3.19 Tổng hợp số liệu lấy tại bẫy lạnh.
900C

1000C

1100C

1200C

1300C

1400C

15

15

15

15

16

30

α – thujene (%)

2,464

2,430

4,246

1,990

2,187

2,786

α – pinene (%)

96,09

94,62

93,65

94,78

95,12

95,38

β – pinene (%)

0,015

0,199

0,013

0,626

0,442

0,158

∆ - 3 – carene (%)

0,334

1,484

-

1,354

1,047

0,338

d – limonene (%)

0,036

0,109

-

0,017

0,019

0,019

-

-

-

-

-

0,029

Tổng số cấu tử có
trong mẫu

terpinolene (%)

Khi phân tích mẫu lấy tại bẫy lạnh (thiết bị ngưng tụ hơi tinh dầu cho bơm hút chân
không) nhận ra sự tương ứng với quá trình mô phỏng. Khi gia nhiệt đáy ở 1400C, mẫu phân
tích thể hiện sự có mặt của tất cả các cấu tử đáy lên đỉnh. Với gia nhiệt đáy ở 140 0C, tháp đã
ở giới hạn ngưỡng sặc tháp và nhiệt độ đáy quá cao trong thời gian dài nên có sự biến đổi rõ
ràng về mặt số lượng các cấu tử có trong hỗn hợp chưng.
Khi gia nhiệt đáy ở 1200C và 1300C, mẫu phân tích thể hiện sự có mặt của các cấu tử
13


đáy lên đỉnh. Với gia nhiệt đáy ở nhiệt độ này, tháp đã tiến gần tới giới hạn ngưỡng sặc tháp,
nên một số cấu tử dưới đáy bị cuốn theo lên trên đỉnh. Do đó hạn chế quá trình vận hành
vượt quá giới hạn đáy tháp 1200C.
Với mẫu phân tích tại gia nhiệt đáy ở 1000C và 900C cũng thể hiện sự có mặt của các
cấu tử đáy lên đỉnh. Với trường hợp này, lượng hơi trong tháp không đủ nên lượng lỏng hồi
lưu không đủ để phân tách các cấu tử dọc theo chiều cao của tháp, tháp vận hành ở giới hạn
dưới ngưỡng hoạt động nên các cấu tử bị bơm chân không cuốn hút qua bẫy lạnh.
Với mẫu có gia nhiệt đáy ở 1100C không có mặt cấu tử ∆ – 3 – carene và d –
limonene. Đây là mẫu thể hiện quá trình vận hành tốt nhất trong các mẫu phân tích tại bẫy
lạnh. Rõ ràng, thí nghiệm kiểm chứng năng lượng gia nhiệt đáy tháp khá tương hợp với phần
mô phỏng. Khoảng làm việc tốt nhất của tháp là khoảng nhiệt độ 108 ÷ 1180C, tương ứng
năng lượng cấp đáy tháp đạt 7 ÷ 8 kW.
Do điều khiển hơi cấp vào đáy tháp chưng không thể chính xác hoàn toàn ở tại một
nhiệt độ nào đó nên chỉ có thể chọn nhiệt độ đáy tháp chưng là 113±20C, tương ứng với chế
độ mô phỏng chọn năng lượng cấp cho đáy tháp 7,5±0,15kW.

Tổng hợp số liệu cơ bản dùng để mô phỏng quá trình chưng
Tổng hợp số liệu cơ bản để mô phỏng quá trình chưng được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.21 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản để mô phỏng quá trình chưng.
TT
Số liệu đầu vào
Giá trị
Đơn vị
1
Đáy tháp chưng
0,5
m3
2
Năng lượng cấp cho đáy tháp
7,5
kW
3
Lượng nguyên liệu
1,3214
kmol
4
Số bậc
39
5
Áp suất đỉnh
40
mmHg
α – pinene
0,58833
β – pinene
0,01464

6
phần mol
∆ – 3 – carene
0,36308
d – limonene
0,03395

14


III.5. Nghiên cứu và xác định chỉ số hồi lưu cho quá trình chưng.
III.5.1. Mô phỏng ảnh hưởng chỉ số hồi lưu đến nồng độ các cấu tử trong tháp chưng
cất chân không gián đoạn loại đệm cho hỗn hợp tinh dầu thông

Hình 3.39 Lượng sản phẩm (α – pinene ≥99%) thu được khi chỉ số hồi lưu thay đổi.
Theo kết quả nghiên cứu khi chỉ số hồi lưu tăng thì lượng sản phẩm thu được cũng
tăng lên, làm cho hiệu suất tách của quá trình tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng chỉ số hồi lưu,
đồng nghĩa với việc tăng thời gian lấy sản phẩm và tăng chi phí vận hành tháp. Do đó tìm ra
được chỉ số hồi lưu thích hợp là vấn đề bức thiết đối với nhà nghiên cứu và doanh nghiệp.

Hình 3.40-3.43: Biến thiên nồng độ của các cấu tử khi chỉ số hồi lưu thay đổi.
Qua đồ thị ta thấy, khi chỉ số hồi lưu càng tăng thì thời gian thu được cấu tử chính α –
15


pinene tinh khiết trên đỉnh tháp càng tăng. Khi R=5 thời gian thu được cấu tử α – pinene rất
ngắn, chỉ khoảng 45ph và nồng độ chưa đạt tới 99%. Khi R≥ 10 thì thời gian thu được α –
pinene tinh khiết tăng lên khoảng 2 giờ. Tuy tăng chỉ số hồi lưu sẽ tăng thời gian thu sản
phẩm đỉnh nhưng hao tốn năng lượng vận hành. Do đó chỉ số hồi lưu cũng không thể tăng
mãi được.

Dựa vào đồ thị ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu đến nồng độ β – pinene, ta thấy tương
ứng mỗi chỉ số hồi lưu đều xuất hiện peak, có thể thu được nồng độ cấu tử này lớn nhất ứng
với thời gian nhất định. Cụ thể tại R = 5, peak xuất hiện tại thời điểm 2,75 giờ, với R= 10,
peak xuất hiện tại thời điểm 5,5 giờ và tại R = 15, peak xuất hiện tại thời điểm 8,6 giờ. khi R
càng tăng thì thời gian xất hiện peak càng lớn và nồng độ tại peak càng lớn. Do đó khi vận
hành tháp, chỉ số hồi lưu càng cao càng có lợi cho việc tách α – pinene trong khoảng thời
gian đầu.
Khi tăng chỉ số hồi lưu, nồng độ Δ-3-carene đạt được trên đỉnh xấp xỉ 80%, nhưng
thời gian thu được nồng độ này rất ngắn. Khi chỉ số hồi lưu càng tăng thì thời gian cấu tử này
đạt nồng độ thấp kéo dài thêm, điều này có lợi cho quá trình phân tách đơn hương. Sau khi
tách được các cấu tử nhẹ ra khỏi hỗn hợp tinh dầu thì tăng chỉ số hồi lưu để thu cấu tử Δ – 3
– carene là không cần thiết vì lúc này nồng độ của cấu tử này khá ổn định và chỉ số hồi lưu
càng thấp càng tốt. Khi chỉ số hồi lưu R = 5 thì lượng Δ-3-carene thu được khá ổn định từ 2
giờ.
Do cấu tử d-limonene tách ra ở đáy tháp nên chỉ xét đến mức độ tăng hàm lượng cấu
tử này trong dòng sản phẩm đỉnh. Trong thời gian đầu lấy các cấu tử nhẹ, chỉ số hồi lưu càng
cao càng có lợi vì nồng độ của cấu tử này khá thấp, luôn <2%. Khi chỉ số hồi lưu thấp R=5
chỉ sau 3h cấu tử này đã theo lên đỉnh tháp. Khi chỉ số hồi lưu R ≥ 25 thì nồng độ d-limonene
trong dòng sản phẩm đỉnh rất rất nhỏ, thể hiện ở đường R=25 và R=30 gần sát 0%. Như vậy
đạt hiệu quả quá trình tách cấu tử nhẹ α-pinene trên đỉnh tháp.
Và khi ở giai đoạn cần phân tách cấu tử Δ-3-carene thì chỉ số hồi lưu không cần thiết
quá cao, nhưng cũng không được quá thấp vì sẽ kéo theo cấu tử này. Do đó có thể lựa chọn
chỉ số hồi lưu R = 10 – 20 là phù hợp.
Vì đây là quá trình chưng luyện gián đoạn nên chỉ số hồi lưu của tháp nên thay đổi
theo mục đích tách từng cấu tử, làm như vậy ta sẽ tiết kiệm được thời gian vận hành tháp và
tăng được chất lượng sản phẩm mong muốn. Do đó, thời gian đầu cần thiết để thu được cấu
tử chính α – pinene đạt hàm lượng cao ≥ 99% cần chỉ số hồi lưu R ≥ 10.
III.5.2. Thực nghiệm thay đổi chỉ số hồi lưu với tháp chưng cất tinh dầu thông
Theo kết quả thực nghiệm nghiên cứu chỉ số hồi lưu khác nhau, R = 5 ÷ 30 cho ta
diễn biến nồng độ của các cấu tử theo thời gian được trình bày ở các hình dưới đây.

16


Hình 3.44 Biến thiên nồng độ Δ–3–carene với chỉ số hồi lưu khác nhau

Hình 3.45 Biến thiên nồng độ β-pinene với chỉ số hồi lưu khác nhau
Qua đồ thị trên nhận thấy rõ xu hướng biến thiên nồng độ của hai cấu tử trên khá
tương đồng với quá trình mô phỏng. Nồng độ cấu tử Δ – 3 – carene tăng dần lên đến giá trị
cực đại, rồi giảm về giá trị ổn định trong suốt thời gian sau đó. Nồng độ cấu tử β – pinene
tăng dần lên đến giá trị cực đại, rồi giảm nhanh chóng, sự xuất hiện peak nồng độ tương ứng
với một thời điểm nào đó. Sự khác biệt lớn nhất là thời gian, thời gian chưng thực tế dài hơn
thời gian mô phỏng theo một tỉ lệ nào đó.

Hình 3.46+3.47 Biến thiên nồng độ alpha-pinenen với chỉ số hồi lưu khác nhau.
Qua đồ thị 3.46 và 3.47 trên, ta cũng nhận thấy rõ xu hướng biến thiên nồng độ của
cấu tử α – pinene khá tương đồng với quá trình mô phỏng. Nồng độ cấu tử α – pinene đạt giá
trị cao nhất ở thời điểm đầu sau đó có bước giảm mạnh về nồng độ thấp. Sự khác biệt về thời
gian càng rõ ràng hơn, thời gian chưng thực tế dài hơn thời gian mô phỏng như tại R=30, thời
17


gian chưng thực tế 15h vẫn còn đạt nồng độ 99,5% trong khi thời gian mô phỏng chỉ khoảng
9h.
Qua các đồ thị này, ta nhận thấy rõ thời gian chưng thực tế dài hơn thời gian mô
phỏng tuy rằng lượng sản phẩm thu được gần như nhau, như vậy cần phải tính toán một hệ số
thời gian cho quá trình áp dụng thống số mô phỏng vào thực tế. Do các cấu tử α – pinene, Δ
– 3 – carene và d – limonene thu được với lượng lớn trong thời gian dài nên không thể so
sánh để tìm được hệ số. ta chọn cấu tử β – pinene với sự chính xác về thời gian xuất hiện các
peak nồng độ để so sánh và đưa ra đồ thị 3.48 dưới đây.

Hình 3.48 Tỷ lệ thời gian chưng với chỉ số hồi lưu của cấu tử β – pinene.
Từ số liệu thực nghiệm và mô phỏng, ta xác định được hai đường đặc tuyến thể hiện
mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu với thời gian. Nếu xét theo cùng thời gian thì ta xác định
được tỷ lệ giữa chỉ số hồi lưu thực tế với giá trị chỉ số hồi lưu dặt (dựa trên mô phỏng) theo
phương trình sau:
0, 672 RTN  0, 01  0,565RMP  0, 05  RTN  0,841R MP  0, 06

Để tính toán một hệ số thời gian cho quá trình áp dụng thống số mô phỏng vào thực
tế, ta dựa vào số liệu thực nghiệm và mô phỏng khi thu được cấu tử chính α – pinene hàm
lượng cao ≥99%. Mối quan hệ được thể hiện trong hình dưới đây.

18


Hình 3.51 Tỷ lệ thời gian chưng với chỉ số hồi lưu của cấu tử α – pinene ≥99%.
Từ số liệu thực nghiệm và mô phỏng, ta xác định được hai đường đặc tuyến thể hiện
mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu với thời gian theo phương trình sau:
2
 TN  0,0521RTN
 0,673RTN  2,84
 MP  0, 4224 RMP  2,0389

Tương ứng với mỗi chỉ số hồi lưu, ta nhận được một hệ số giữa thực nghiệm và mô
phỏng. Các hệ số thành phần được tổng hợp thành phương trình thể hiện sự phụ thuộc biểu
diễn ở đồ thị hình 3.52

Hình 3.52 Phương trình hệ số thời gian chưng của cấu tử α – pinene ≥99%.
Do hệ số thời gian tính cho cấu tử α – pinene ≥99% nên điều kiện của phương trình
này là R≥10. Như vậy, hương trình hệ số thời gian chưng cho cấu tử α – pinene ≥99% như

sau:
2
 TN  0,313 MP
 0,5857 MP  0,927

với ≥4,5

Kiểm tra hệ số thời gian với cấu tử b-pinene, nhận thấy sự tương hợp khá tốt với sai
số lớn nhất là 6,83%

Hình 3.53+3.54 Diễn biến nồng độ β – pinene với chỉ số hồi lưu R=10, 15.

19


III.6. Nghiên cứu và tối ưu hóa chế độ tách cho từng phân đoạn tinh dầu thông.
3.6.1. Đề xuất phương án vận hành tháp.
Qua quá trình khảo sát, ta thấy khi chỉ số hồi lưu tăng thì thời gian thu alpha-pinene
nồng độ 99% ở đỉnh càng tăng, lượng sản phẩm thu được cũng tăng lên nhưng bù lại thời
gian tiêu tốn cho quá trình đó cũng rất dài do lưu lượng sản phẩm lấy ra càng thấp. Do đó
trong thực tế, ta phải thay đổi chỉ số hồi lưu liên tục để có thể thu được lượng sản phẩm
nhiều nhất trong khoảng thời gian ngắn nhất.
Trong quá trình vận hành, đầu tiên ta cấp nhiệt để tháp ổn định đạt trạng thái cân
bằng rồi mới tiến hành lấy sản phẩm. Bước tiếp theo chưng ở chỉ số hồi lưu thấp để lấy sản
phẩm trong thời gian ngắn nhất, sau đó tăng chỉ số hồi lưu để lấy kiệt sản phẩm chính, phân
tách từng phân đoạn. Song song quá trình tăng chỉ số hồi lưu một mức độ nhất định thì ta lại
tăng năng lượng cấp cho đáy tháp để tăng lượng cũng như chất lượng sản phẩm. Giữa các lần
thay đổi chế độ là xen kẽ bởi chế độ hồi lưu vô cùng để ổn định tháp. Do đó, đề xuất phương
án chạy tháp như sau:
Bảng 3.24 Đề xuất phương án vận hành tháp.

Bước

Chỉ số hồi
lưu R

Duty
(kW)

Áp suất đỉnh
(mmHg)

Chỉ tiêu kết thúc

Thời gian MP

1

2000

7,5

41

2,25 giờ

2,25

2

10

7,5

41

≥ 99% alpha-pinene

5,00

3

2000

7,5

41

0,25 giờ

0,25

4

14

7,5

41

≥ 90% alpha-pinene

1,50

5

2000

7,5

41

0,25 giờ

0,25

6

17

7,5

41

Tđỉnh = 720C

1,00

7

2000

7,5

41

0,25 giờ

0,25

8

20

7,5

41

Tđỉnh = 760C

1,00

9

2000

8,0

22

0,5 giờ

0,50

10

5

8,0

22

Tđỉnh = 700C

1,50

3.6.2. Vận hành tháp bán công nghiệp.
Do phần trình bày mô phỏng không có cấu tử α-thujene, tuy nhiên tác giả đã nghiên
cứu và nhận thấy sự biến thiên của cấu tử α-thujene theo thời gian gần như sự biến thiên của
cấu tử β-pinene mà hàm lượng cấu tử α-thujene cũng gần như β-pinene nên dự đoán thời gian
phân tách tương tự nhau. Bên cạnh đó, cấu tử α-thujene cũng nằm sát cạnh cấu tử chính
giống như cấu tử β-pinene trong phổ phân tích mẫu. Đây là lý do trong quá trình vận hành
nên có thêm bước phân tách α-thujene để cấu tử chính đạt mức độ tinh khiết.
Đầu tiên ta cấp nhiệt để tháp ổn định đạt trạng thái cân bằng rồi mới tiến hành lấy sản
phẩm. Bước tiếp theo, chưng ở chỉ số hồi lưu cao để tách cấu tử α-thujene. Sau đó hạ chỉ số
hồi lưu thấp để lấy sản phẩm chính trong thời gian ngắn nhất, sau đó tăng chỉ số hồi lưu để
20


lấy kiệt sản phẩm chính và phân tách từng phân đoạn. Song song quá trình tăng chỉ số hồi lưu
một mức độ nhất định thì ta lại tăng năng lượng cấp cho đáy tháp để tăng lưu lượng cũng như

chất lượng sản phẩm. Giữa các lần thay đổi chế độ là xen kẽ bởi chế độ hồi lưu vô cùng để
ổn định tháp. Do đó, phương án chạy tháp như sau:
Bảng 3.25 Phương án vận hành tháp bán công nghiệp
Bước

Chỉ số hồi lưu R

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

2000
30
2000
10
2000
14
2000
20,4
2000
24

2000
5

Nhiệt độ
đáy tháp
(0C)
115±1,5
115±1,0
115±1,0
115±1,0
115±1,0
115±1,0
115±1,0
115±1,0
115±1,0
115±1,0
120±1,0
120±1,0

Áp suất đỉnh
(mmHg)

Chỉ tiêu

41±1,0
41±1,5
41±1,5
41±1,0
41±1,5
41±1,0

41±1,5
41±1,0
41±1,5
41±1,0
22±1,5
22±1,0

2,25 giờ
1,00 giờ
0,25 giờ
5h 50ph
0,25 giờ
4h 32ph
0,25 giờ
Tđỉnh = 720C
0,25 giờ
Tđỉnh = 760C
0,5 giờ
Tđỉnh = 700C

Phân đoạn

1
2

3

4
5

3.7.3. Các giai đoạn trong quá trình chưng phân đoạn tinh dầu thông đạt giá trị thương
phẩm.
a. Giai đoạn tách nước:
Khi tách nước, nên dùng tỉ số hồi lưu nhỏ (R = 5 hoặc nhỏ hơn) để nước được tháo ra
nhanh. Trong quá trình tách nước phải bật bẫy lạnh, nhiệt độ bẫy phải thấp hơn 00C, tốt nhất
là dưới -100C để ngưng lại hầu như hoàn toàn hơi nước trong bẫy và rất ít cấu tử nhẹ thoát ra
mà không vào bơm chân không. Khi nhiệt độ đáy tháp đạt 100-1050C nước hầu như đã hết
trong dầu, tháo nước ra khỏi các bình chứa sản phẩm rồi đưa bình trở lại chân không, đưa
tháp về hoạt động bình thường dùng bơm chân không vòng nước.
b. Giai đoạn lấy sản phẩm đỉnh (phân đoạn nhẹ - sản phẩm nhẹ trước -pinene).
Ở áp suất 40mmHg, nhiệt độ đỉnh của -pinene tinh khiết là 66,80C, nên tháp chạy
đến nhiệt độ đỉnh bằng khoảng 650C, tương ứng với chỉ số hồi lưu R=30 trong 1,0 giờ thì
chuyển giai đoạn. Các phân đoạn sản phẩm chứa trong các thùng chứa riêng, không đổ lẫn.
c. Giai đoạn sản phẩm chính: (phân đoạn chính - sản phẩm α-pinene tinh khiết).
Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình sản xuất, cần phải hết sức thận trọng
và tuân thủ quy trình để đạt yêu cầu về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (chất lượng, sản lượng
sản phẩm). Bảo đảm nhiệt độ bẫy là – 40C hoặc thấp hơn. Điều chỉnh chỉ số hồi lưu thích
21


hợp, R = 9,6. Tiếp tục chạy ở tỉ số hồi lưu đó đến khi có dầu hiệu tăng nhiệt độ đỉnh (sau vài
giờ). Kiểm tra mẫu theo nhiệt độ mà điều chỉnh chỉ số hồi lưu cho phù hợp và để ngắt chuyển
giai đoạn.
d. Đoạn sản phẩm loại 2: (phân đoạn phụ - 94,77% α- pinene)
Khi hàm lượng -pinene giảm thấp hơn, tiếp tục tăng tỉ số hồi lưu để bảo đảm giữ
nguyên nhiệt độ đỉnh, R = 14,4 – 20,4. Tiếp tục chạy ở tỉ số hồi lưu đó đến khi có dấu hiệu
tăng nhiệt độ đỉnh (sau vài giờ). Kiểm tra mẫu theo nhiệt độ mà điều chỉnh chỉ số hồi lưu cho
phù hợp và để ngắt chuyển giai đoạn.
e. Đoạn tách triệt để α- pinene (phân đoạn hỗn hợp chứa 67,58% α- pinene)
Đây là giai đoạn tách triệt để α- pinene ra khỏi ∆-3- carene và hỗn hợp đáy, chạy với

R = 24 đến khi nhiệt độ đỉnh tăng lên 760C thì ngắt chuyển giai đoạn.
f. Đoạn sát đáy: (phân đoạn ∆-3- carene với sản phẩm chính là ∆-3- carene)
Hạ áp suất 22mmHg, tiếp tục chưng cất hỗn hợp còn lại với chỉ số hồi lưu nhỏ. Toàn
bộ các cấu tử bốc hơi lên sẽ được lấy ra thành đoạn sát đáy. Đoạn này chủ yếu là ∆-3- carene
và các cấu tử khác. Nhiệt độ nồi đáy đạt 1250C (để khống chế nhiệt độ trần không để bị phân
hủy) thì dừng chưng.
g. Đoạn đáy: (phân đoạn đáy chủ yếu là d-limonene)
Đây là giai đoạn nặng nhất sau khi lấy xong sản phẩm sát đáy.
Thực hiện tắt bơm chân không theo quy trình và ngừng cấp nhiệt (dừng chưng). Cấp
nước làm lạnh cho bộ phận gia nhiệt đáy tháp. Khi nhiệt độ nồi chưng đáy tháp <500C thì
tháo hỗn hợp sản phẩm đáy qua van xả đáy vào thùng chứa. Tắt hệ thống.
Với phương án chạy tháp như trên, ta có kết quả thực nghiệm như sau:

Hình 3.57 Khối lượng các cấu tử thu được với phương án đề xuất.
Kết quả thực nghiệm :
 Phân đoạn nhẹ (phân đoạn 1 = cột màu xanh lá cây): thí nghiệm tách được α –
thujene với khối lượng 6,3kg. Phân đoạn này alpha-pinene đạt nồng độ 95,49%
22