Chưng cất là một trong những phương pháp tách chất quan trọng nhất, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ sản xuất rượu, tinh dầu, lọc dầu đến ngành y dược. Vậy chưng cất là gì? Nguyên lý hoạt động của quá trình này như thế nào? Cùng tìm hiểu chi tiết về các phương pháp chưng cất phổ biến và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.
1. Chưng cất là gì?
1.1 Định nghĩa chưng cất
Chưng cất là phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về các điều kiện cần thiết để thay đổi pha của các thành phần trong hỗn hợp. Để tách hỗn hợp chất lỏng, chất lỏng có thể được đun nóng để ép các thành phần có điểm sôi khác nhau vào pha khí . Sau đó, khí được ngưng tụ trở lại thành dạng lỏng và được thu thập. Chưng cất kép là khi bạn lặp lại quy trình trên chất lỏng đã thu thập để cải thiện độ tinh khiết của sản phẩm. Mặc dù thuật ngữ này thường được áp dụng cho chất lỏng, nhưng quy trình ngược lại có thể được sử dụng để tách khí bằng cách hóa lỏng các thành phần bằng cách sử dụng các thay đổi về nhiệt độ và/hoặc áp suất.
Một nhà máy thực hiện chưng cất được gọi là nhà máy chưng cất . Thiết bị được sử dụng để thực hiện chưng cất được gọi là máy chưng cất hoặc tháp chưng cất.
1.2 Lịch sử
Bằng chứng sớm nhất được biết đến về chưng cất đến từ một thiết bị chưng cất bằng đất nung có niên đại từ năm 3000 trước Công nguyên tại Thung lũng Indus của Pakistan. Người ta biết rằng chưng cất được người Babylon ở Lưỡng Hà sử dụng. Ban đầu, người ta tin rằng chưng cất được sử dụng để làm nước hoa. Chưng cất đồ uống diễn ra muộn hơn nhiều. Nhà hóa học người Ả Rập Al-Kindi đã chưng cất rượu vào thế kỷ thứ 9 tại Irag. Chưng cất đồ uống có cồn dường như phổ biến ở Ý và Trung Quốc bắt đầu từ thế kỷ thứ 12.
1.3 Sử dụng phương pháp chưng cất
Chưng cất được sử dụng cho nhiều quy trình thương mại, chẳng hạn như sản xuất xăng, nước cất, xylen, rượu, parafin, dầu hỏa và nhiều chất lỏng khác . Khí có thể được hóa lỏng và tách ra. Ví dụ: nitơ, oxy và argon được chưng cất từ không khí.
2. Nguyên lý của phương pháp chưng cất
Quá trình chưng cất dựa vào nguyên lý cơ bản: mỗi chất có nhiệt độ sôi khác nhau. Khi đun nóng hỗn hợp, chất có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước, sau đó được làm lạnh để ngưng tụ thành chất lỏng.
Ví dụ:
Chưng cất rượu
- Nếu chưng cất rượu, rượu ethanol có điểm sôi khoảng 78,37°C, trong khi nước có điểm sôi 100°C. Khi đun nóng hỗn hợp rượu và nước, ethanol bay hơi trước, giúp tách rượu ra khỏi nước.
Chưng cất dầu thô
Dầu thô có các thành phần khác nhau với kích thước, trọng lượng và nhiệt độ sôi riêng, có thể dễ dàng tách ra bằng một quy trình gọi là chưng cất phân đoạn. Sau đây là quy trình chưng cất phân đoạn:
- Hai hoặc nhiều chất lỏng được đun nóng với điểm sôi khác nhau đến nhiệt độ cao. Điều này thường được thực hiện bằng hơi nước áp suất cao đến nhiệt độ khoảng 1112 độ F / 600 độ C.
- Khi hỗn hợp sôi, nó sẽ tạo thành hơi (khí).
- Khi hơi đi vào cột chưng cất, nó đi qua các khay hoặc tấm của cột. Hơi dễ dàng đi qua các lỗ hoặc bong bóng của khay (giống như nắp mở của chai soda). Chúng làm tăng thời gian tiếp xúc giữa hơi và chất lỏng trong cột và giúp thu thập chất lỏng hình thành ở nhiều độ cao khác nhau trong cột. Có sự chênh lệch nhiệt độ trên toàn cột (nóng ở đáy, mát ở đỉnh).
- Hơi nước bốc lên trong cột.
- Khi hơi nước bốc lên qua các khay trong cột, nó sẽ nguội đi.
- Khi một chất trong hơi đạt đến độ cao mà nhiệt độ của cột bằng với điểm sôi của chất đó, nó sẽ ngưng tụ thành chất lỏng. (Chất có điểm sôi thấp nhất sẽ ngưng tụ ở điểm cao nhất trong cột; chất có điểm sôi cao hơn sẽ ngưng tụ ở phía dưới trong cột).
- Các khay này thu thập các thành phần chất lỏng khác nhau.
- Các phần chất lỏng thu được có thể đi qua bộ ngưng tụ để làm mát thêm, sau đó chuyển đến bể chứa hoặc có thể chuyển đến các khu vực khác để xử lý hóa học thêm.
3. Các phương pháp chưng cất phổ biến
Các loại chưng cất bao gồm chưng cất đơn giản, chưng cất phân đoạn (các ‘phân đoạn’ dễ bay hơi khác nhau được thu thập khi chúng được sản xuất) và chưng cất phá hủy (thường là, một vật liệu được đun nóng để phân hủy thành các hợp chất để thu thập).
3.1. Chưng cất đơn giản
Chưng cất đơn giản có thể được sử dụng khi điểm sôi của hai chất lỏng khác nhau đáng kể hoặc để tách chất lỏng khỏi chất rắn hoặc các thành phần không bay hơi. Trong chưng cất đơn giản, hỗn hợp được đun nóng để chuyển thành phần dễ bay hơi nhất từ chất lỏng thành hơi. Hơi bốc lên và đi vào bình ngưng tụ. Thông thường, bình ngưng tụ được làm mát (ví dụ, bằng cách cho nước lạnh chảy xung quanh bình) để thúc đẩy quá trình ngưng tụ hơi, hơi được thu thập.
Ứng dụng:
- Sản xuất rượu
- Tinh chế nước biển thành nước ngọt
- Tách các dung môi hữu cơ.
3.2. Chưng cất phân đoạn
Chưng cất phân đoạn được sử dụng khi điểm sôi của các thành phần trong hỗn hợp gần nhau. Một cột phân đoạn được sử dụng để tách các thành phần bằng một loạt các quá trình chưng cất được gọi là quá trình tinh chế. Trong quá trình chưng cất phân đoạn, hỗn hợp được đun nóng để hơi bốc lên và đi vào cột phân đoạn. Khi hơi nguội đi, nó ngưng tụ trên vật liệu đóng gói của cột. Nhiệt của hơi bốc lên khiến chất lỏng này bốc hơi trở lại, di chuyển nó dọc theo cột và cuối cùng tạo ra mẫu có độ tinh khiết cao hơn của thành phần dễ bay hơi hơn trong hỗn hợp.
Quá trình này dùng tháp chưng cất có nhiều bậc để tách từng thành phần một cách hiệu quả.
>>>>> Có thể bạn quan tâm: Tháp giải nhiệt là gì?
Ứng dụng:
- Lọc dầu thô thành các sản phẩm như xăng, dầu diesel, nhựa đường
- Tách khí tự nhiên thành methane, ethane, propane
- Sản xuất hóa chất công nghiệp.
3.3. Chưng cất hơi nước
Phương pháp này dùng hơi nước để kéo theo các chất dễ bay hơi mà không cần đun đến nhiệt độ sôi của chúng. Chưng cất hơi nước được sử dụng để tách các thành phần nhạy nhiệt. Hơi nước được thêm vào hỗn hợp, khiến một số thành phần bốc hơi. Hơi này được làm lạnh và ngưng tụ thành hai phần chất lỏng. Đôi khi các phần được thu thập riêng biệt hoặc chúng có thể có các giá trị mật độ khác nhau , do đó chúng tự tách ra. Một ví dụ là chưng cất hơi nước hoa để tạo ra tinh dầu và sản phẩm chưng cất gốc nước.
Ứng dụng:
- Chưng cất tinh dầu từ thảo mộc (hoa oải hương, bạc hà, sả,…)
- Tách hợp chất hữu cơ nhạy cảm với nhiệt.
3.4. Chưng cất đường ngắn
Chưng cất đường ngắn được sử dụng để tinh chế một lượng nhỏ hợp chất không ổn định ở nhiệt độ cao. Điều này được thực hiện ở mức áp suất thấp hơn và thường liên quan đến việc chất chưng cất di chuyển một khoảng cách rất nhỏ trước khi được thu thập (do đó có tên là ‘đường ngắn’). Khoảng cách di chuyển giảm của chất chưng cất trong phương pháp này cũng làm giảm lãng phí dọc theo thành của thiết bị.
3.5. Chưng cất vùng
Quá trình chưng cất theo vùng bao gồm việc làm nóng chảy một phần một chất và ngưng tụ hơi thu được để thu được sản phẩm chưng cất tinh khiết. Quá trình này được thực hiện trong một thùng chứa dài với sự trợ giúp của một lò sưởi theo vùng.
3.6. Chưng cất chân không
Chưng cất chân không được sử dụng để tách các thành phần có điểm sôi cao. Giảm áp suất của thiết bị cũng làm giảm điểm sôi. Nếu không, quá trình này tương tự như các dạng chưng cất khác. Chưng cất chân không đặc biệt hữu ích khi điểm sôi bình thường vượt quá nhiệt độ phân hủy của hợp chất.
Việc hạ áp suất cho phép thành phần sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Khi áp suất hơi của thành phần bằng với áp suất xung quanh, nó được chuyển thành hơi. Sau đó, hơi này được ngưng tụ và thu thập dưới dạng chất chưng cất. Phương pháp chưng cất chân không cũng được sử dụng để thu được các mẫu hợp chất có độ tinh khiết cao phân hủy ở nhiệt độ cao.
Sấy đông khô là một quá trình tương tự như chưng cất chân không. Sau khi hòa tan vật liệu trong nước hoặc dung môi khác, vật liệu được đông lạnh. Không cần đun nóng hoặc làm tan chảy đá, chân không sẽ chuyển đá thành hơi, để lại vật liệu khô rắn. Việc chế biến và đóng gói thực phẩm sử dụng vi khuẩn và các vật liệu sinh học khác.
Ứng dụng:
- Chưng cất dầu nhờn
- Sản xuất dược phẩm
- Chế biến thực phẩm.
4. Sử dụng hệ thống chưng cất trong công nghiệp
Thiết bị chưng cất ở quy mô lớn hơn
Chưng cất đơn giản không cần nhiều thiết bị; Bạn có thể thực hiện trên mặt bàn hoặc trong bếp gia đình. Nó hiệu quả như nhau trong các nhà máy lọc dầu lớn, rộng lớn cũng như trong các nhà máy bia nhỏ cỡ nhà kho. Các thiết lập nhỏ hơn có thể phức tạp như các thiết lập lớn hơn vì có bộ điều khiển điện tử hiện đại nhỏ. Chi phí và khối lượng sản xuất là những điểm khác biệt chính giữa các công ty lớn và nhỏ.
Nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa dầu và các sản phẩm liên quan
Việc sản xuất xăng, dầu diesel và các nhiên liệu và hóa chất khác là một ứng dụng công nghiệp chính của quá trình chưng cất, với chi phí xử lý hàng năm lên tới hàng tỷ đô la. Quy trình này bao gồm việc đưa dầu thô, là hỗn hợp của nhiều hợp chất khác nhau, vào một đầu của nhà máy lọc dầu. Mỗi giai đoạn chưng cất loại bỏ các thành phần nhẹ hơn như dầu hỏa, xăng và dầu bôi trơn, để lại các hợp chất nặng hơn như hắc ín.
Sản xuất methanol và các nhiên liệu sinh học khác
Việc sản xuất nhiên liệu sinh học, xăng và dầu diesel từ dầu thô đòi hỏi một hệ thống chưng cất, sử dụng nhiệt để giải phóng methanol từ ngô và các hợp chất hữu cơ. Không giống như quá trình lọc dầu, bắt đầu bằng chất lỏng, nhiên liệu sinh học bắt đầu bằng chất rắn hữu cơ, bao gồm nước, đường và những thứ khác. Các quy trình khác trong quá trình này tạo ra các chất lỏng nhiên liệu thích hợp về mặt hóa học, sau đó quá trình chưng cất sẽ loại bỏ và tinh chế.
Sản xuất dược phẩm và hệ thống chưng cất
Độ tinh khiết hóa học rất quan trọng trong sản xuất thuốc. Mặt khác, các công ty dược phẩm yêu cầu hàng hóa chất lượng cao có thể sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Hệ thống chưng cất là một phương pháp cho phép các doanh nghiệp dược phẩm duy trì độ tinh khiết và tính đồng nhất nghiêm ngặt trong khi sản xuất số lượng lớn các thành phần cần thiết.
Tinh dầu và nước hoa
Chiết xuất nước hoa từ thực vật và các vật liệu sinh học khác có thể được thực hiện bằng phương pháp chưng cất chân không. Vì các hợp chất này rất tinh tế và có thể phân hủy ở nhiệt độ cao, chưng cất chân không là phương pháp tuyệt vời để chiết xuất chúng từ các nguồn tự nhiên. Có thể tìm thấy dầu thơm trong xà phòng, chất làm thơm không khí và các sản phẩm chăm sóc cá nhân khác.
Rượu và các loại đồ uống có cồn
Ethanol, thường được gọi là cồn etylic, là thành phần chính trong rượu vodka, rượu bourbon và các loại đồ uống có cồn khác; các thành phần bổ sung góp phần tạo nên màu sắc và hương vị. Nước, men, khoai tây, ngũ cốc hoặc quả mọng được kết hợp trong quy trình pha chế cổ điển. Hệ thống chưng cất diễn ra sau trong quy trình này, làm tăng hàm lượng cồn và thay đổi hương vị của đồ uống.
Kết luận
Chưng cất là một quá trình quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất rượu, hóa chất, dầu mỏ đến y dược. Dù có những hạn chế về năng lượng và thiết bị, phương pháp này vẫn là lựa chọn tối ưu để tinh chế và tách chất.
Hiểu rõ về chưng cất giúp chúng ta ứng dụng tốt hơn trong thực tiễn và cải tiến công nghệ để đạt hiệu suất cao hơn.
Tham khảo bài viết khác: Evaporator là gì?
Trả lời
Bạn phải đăng nhập để gửi bình luận.