by LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐÁ KHÔ
Công nghệ sản xuất nước đá khô có lịch sử phát triển bắt đầu những năm cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nói chung còn rất trẻ.
Năm 1761 ÷ 1764 giáo sư Black trong những lần thí nghiệm nhiệt – lạnh đã tìm ra lý thuyết về nhiệt ẩn đông đặc của pha lỏng sang pha rắn và ẩn nhiệt bốc hơi từ pha rắn sang pha hơi. Dựa vào lý thuyết này con người biết làm lạnh bằng cách cho chất lỏng bay hơi hoặc cho chất rắn hóa hơi (gọi là thăng hoa), quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt và vật bị bay hơi sẽ bị mất nhiệt và trở nên lạnh đi (hay giảm nhiệt độ xuống).
Tiếp theo là một phát hiện quan trọng vào năm 1780 khi hai nhà khoa học Clouet và Monge lần đầu tiên hóa lỏng khí SO2. Từ năm 1781 Clouet bắt đầu nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng chất khí một cách có hệ thống. Bắt đầu hình thành nên cơ sở lý thuyết khoa học hóa lỏng, hóa rắn của chất khí.
Vào những năm đầu thế kỷ thứ 19, ngành kỹ thuật phát triển một cách mạnh mẽ tạo tiền đề cho ngành công nghệ sản xuất đá khô phát triển sau này.
Năm 1823 Faraday bắt đầu công bố các công trình về hóa lỏng khí SO2, CO2, N2O, C2H2, NH3 và HCl..., Đến năm 1845 ông đã hóa lỏng được hầu hết các loại khí nhưng vẫn bó tay trước các loại khí N2, O2, CH4, CO, NO và H2. Người ta cho rằng các loại khí này không thể hóa lỏng được, chỉ luôn luôn ở thể khí nên gọi là khí “vĩnh cửu- permenant, lý do là vì Natleret nhà khoa học của Áo đã nén chúng tới một áp lực cực lớn, 3600 atm, mà vẫn không hóa lỏng được. Mãi tới năm 1869, Andrew, một nhà khoa học người Anh giải thích được điểm tới hạn của khí hóa lỏng và nhờ đó Cailletet (Pháp) hóa lỏng được khí O2 và N2. Năm 1877 Dewar (Anh) hóa lỏng được khí H2, năm 1898 Linde (Đức) hóa lỏng O2 và N2 và tách bằng chưng cất, tiếp theo đó K.Onnes (Hà Lan) hóa lỏng được Heli. Và công nghệ sản xuất đá khô bắt đầu từ đây, nói chung công nghệ sản xuất đá khô được phát hiện khi các nhà khoa học đi tìm cách để chưng cất dầu mỏ.
Năm 1926, Tập đoàn Nhiệt lạnh Danfoss đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống sản xuất nước đá khô và được trưng bày ở hội chợ thương mại ở Munich (Đức).
Năm 1929, Tập đoàn Carrier cũng đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống này và chuyển giao công nghệ cho nhiều nước trên thế giới. Cho đến nay nhiều nước trên thế giới, trong đó có cả Việt Nam, đã thiết kế chế tạo được hệ thống này.
II. CƠ SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ
Đá khô là tên gọi của CO2 (khí cacbonic) ở thể rắn, loại đá này thường được dùng trong công nghệ chế biến và bảo quản nguyên liệu, sản phẩm thực phẩm. Ngoài ra đá khô còn dùng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác như: y học, công nghệ tế bào, công nghệ bảo quản gen, công nghệ enzyme, v.v.
1. Tính chất hóa – lý của khí cacbonic (CO2)
Giản đồ trạng thái pha của khí CO2 trên đồ thị P–t ở hình 1 có thể cho thấy rõ, khí cacbonic trong tự nhiên luôn có thể tồn tại ở trạng thái của ba pha khí – lỏng – rắn tuỳ theo từng điều kiện áp suất P và nhiệt độ khác nhau. Ở trên giản độ P-t chia ra làm ba miền, miền AOD CO2 luôn tồn tại ở thể khí, miền DOB CO2, luôn tồn tại ở thể lỏng, miền BOA CO2 luôn tồn tại ở thể rắn.
Hình 1. Giản đồ trạng thái pha P-t của CO2
Điểm O gọi là điểm ba, tại đó tồn tại đồng thời một lúc ba thể rắn lỏng – khí, đối với CO2 thì áp suất và nhiệt độ của điểm ba tương đối cao O (P = 5,36 bar = 5,28 atm = 5,47 kg/cm² = 5,47 at; t = -56,6°C), tại điểm này CO2 tồn tại ở ba thể rắn – lỏng – khí.
Điểm K gọi là điểm tới hạn, tại đó không còn phân biệt giữa pha lỏng và hơi (hơi quá nhiệt), đối với CO2 thì áp suất và nhiệt độ của điểm tới hạn tương đối thấp K (P = 73,5 bar; t=31°C).
Ở điều kiện áp suất khí quyển (nhỏ hơn áp suất điểm ba) và nhiệt độ bình thường thì CO2 luôn tồn tại ở thể khí, còn ở áp suất khí quyển thì tuỳ theo nhiệt độ mà nó có thể tồn tại ở trạng thái rắn hay trạng thái khí, ở điều kiện áp suất khí quyển CO2 rắn chỉ có thể chuyển trực tiếp sang trạng thái khí mà không qua giai đoạn hóa lỏng và đó chính là quá trình thăng hoa, vì vậy gọi CO2 là “băng khô” hay “đá khô”. Và CO2 từ trạng thái khí chuyển sang thể rắn, quá trình đó gọi là quá trình hóa đá.
Trên đồ thị cho ta thấy có thể sản xuất đá khô theo hai hướng cơ bản sau đây.
(1) – có thể chuyển CO2 ở trạng thái khí sang trạng thái lỏng, sau đó tiếp tục làm lạnh đưa CO2 từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (gọi là làm lạnh ngưng tụ đông đặc), theo hướng này thì áp suất trong quá trình chuyển trạng thái có giá trị trên trạng thái điểm ba.
(2) – có thể chuyển CO2 ở trạng thái khí trực tiếp sang trạng thái rắn (gọi là hóa tuyết), theo hướng này thì áp suất và nhiệt độ của quá trình hóa tuyết phải có giá trị nằm dưới điểm ba. Như vậy điểm ba tạm gọi là điểm ngăn cách của hai hướng.
Ở áp suất khí quyển (khoảng 1 bar) đá khô thăng hoa ở nhiệt độ -78,9°C. Khi áp suất giảm thì nhiệt độ thăng hoa cũng giảm theo. Ẩn nhiệt thăng hoa theo nhiệt độ được biểu diễn theo phương trình sau.
Lt = L0 - 0,2409.T + 0,0014957.T² - 0,00000431.T³, kcal/kg
Với: L0 = 158,96 kcal/kg. (6.1)
Ở P=1 at thì Lt = 136,89 kcal/kg (trong điều kiện hỗn hợp khí cân bằng bên trên là 100% khí CO2).
CO2 là khí nặng hơn không khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất 760mmHg và nhiệt độ 0°C) khối lượng riêng của CO2 là khoảng 1,877kg/m, tức là nặng hơn không khí 1,529 lần. Khi hóa rắn, thể tích của lỏng CO2 giảm xuống khoảng 28% so với thể tích ban đầu, ngược lại với nước khi nước đóng băng thì thể tích lại tăng lên 9%, CO2 rắn trong suốt và có khối lượng riêng 1560kg/m, tuy nhiên trong điều kiện công nghiệp nó có màu trắng đục và xốp hơn do lẫn tạp chất nên khối lượng riêng của nó khoảng (1300-1500)kg/m³. Nói chung, CO2 rắn phụ thuộc vào phương pháp tinh sạch CO2 và phương pháp sản xuất đá CO2.
Nhiệt dung riêng của đá khô trong khoảng nhiệt độ (-57÷110)°C có thể xác định theo phương trình sau đây:
C = 1,676 - 0,00997.T - 0,0000524.T², kcal/(kg.K) và ở mật độ ρ=1400kg/m có C = 1,383 kJ/kg.K). (6.2)
CO2 không có hại đối với con người và động thực vật nhưng nó có khả năng gây ô nhiễm môi trường, ở nồng độ cao nó ảnh hưởng đến các lớp khí quyển bảo vệ trái đất. Nó là nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ của trái đất làm cho trái đất ấm lên, như vậy cần phải thu nhận CO2 và xử lý các khí thải công nghiệp, tận dụng các khí thải này theo các chiều hướng có lợi hơn.
2. Làm lạnh – lạnh đông bằng đá khô
Ở điều kiện áp suất bình thường, đá khô thu nhiệt để thăng hoa và cho năng suất lạnh riêng tương đối lớn, vì vậy nó có thể dùng để làm lạnh - làm đông sản phẩm thực phẩm hoặc dùng để bảo quản nguyên liệu thực phẩm rất tốt, tuy nhiên phương pháp chế biến và bảo quản lạnh – lạnh đông thực phẩm bằng CO2 vẫn chưa được phổ biến rộng rãi vì giá thành của nó cao hơn nhiều so với các phương pháp khác, ngoài ra nó còn được ứng dụng trong y học, công nghệ sinh học, tế bào,... để làm lạnh – lạnh đông.
Năng suất lạnh riêng về khối lượng của đá khô ở áp suất khí quyển và nhiệt độ thăng hoa -78,9°C có giá trị đúng bằng giá trị của nhiệt thăng hoa (ẫn nhiệt thăng hoa) q0 =574 kJ/kg, còn nếu kể cả nhiệt nhận vào khi tăng nhiệt độ đến 0°C thì năng suất lạnh riêng sẽ là q0 = 633KJ/kg. Có thể thấy rằng năng suất lạnh riêng về khối lượng của đá khô so với nước đá lớn hơn khoảng 1,7 lần (574/335).
Năng suất lạnh riêng về thể tích của đá khô q0v = 574.1400 = 803600 KJ/m so với nước đá nó lớn hơn khoảng 3 lần ((574.1400)/(335.900)), điều đó cho thấy rằng nếu dùng đá khô làm lạnh thì thể tích đá khô chiếm chỗ sẽ rất nhỏ so với nước đá, mặt khác giữ được khô ráo sản phẩm và thiết bị. Vì vậy dùng đá khô làm lạnh – lạnh đông rất tiện lợi và cho phép làm lạnh sâu đến từ (-70 ÷ - 60)°C, đặc biệt là khi bảo quản lạnh đông hàng đông lạnh bằng đường hàng không rất tốt, điều bất lợi ở đây là giá thành tương đối cao, đắt hơn nước đá khoảng từ (9÷10) lần.
0 comments: