Tìm hiểu sâu về các phương pháp sản xuất đá khô (đá CO2)

Bài viết liên quan

Công nghệ sản xuất các sản phẩm CO2 rất đa dạng và phong phú, các công nghệ này thường tạo ra các sản phẩm như: khí CO2 tinh khiết, lỏng CO2, rắn CO2 (gọi là đá khô – đá CO2). Các sản phẩm này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như lỏng CO2 ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghệ hóa học, khí CO2 và lỏng CO2 còn ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy, v.v, đá khô ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm như công nghệ chế biến lạnh, công nghệ bảo quản lạnh, Trong bài viết này hãy cùng tìm hiểu kỹ về công nghệ sản xuất đá khô hiện nay ở Việt nam nói riêng và trên thế giới nói chung. Đá khô thường được sản xuất theo các chu trình thoát nhiệt ở bên trong (biến đổi nội năng bằng cách biến đổi trạng thái) bằng các cách sau.

Cách 1: Cho CO2 lỏng bay hơi từ các bề mặt tự do và dẫn hơi đi, tạo một lớp ở bề mặt của nó, khi bay hơi chậm thì được khối đá chắc hơn, khi bay hơi nhanh thì tạo lớp tuyết CO2 xốp, sau đó ép thành từng bánh có khối lượng riêng khác nhau tuỳ thuộc vào lực ép.

Cách 2: Tiết lưu lỏng CO2 ở trạng thái bằng hoặc cao hơn điểm ba một ít để tạo thành tuyết, sau đó ép thành bánh.

Cách 3: Cho bay chậm CO2 lỏng ở trạng thái có áp suất cao hơn điểm ba, cho thăng hoa một phần CO2 rắn vừa mới tạo thành và dẫn hơi tạo thành xuống phía dưới qua các mao quản của khối xốp.

Nói chung, chu trình sản xuất đá khô không có gì khác chu trình làm việc của tác nhân lạnh trong đường ống (NH3, freon, v.v), nén khí CO2 đến áp suất cao (60÷70) at sau đó ngưng tụ, rồi quá lạnh CO2 lỏng. Tiết lưu CO2 lỏng một hay nhiều cấp để đến áp suất P0< Pk (áp suất ngưng tụ) thì thu được tuyết CO2 xốp, rồi đem ép thành bánh, thổi, vv. Điểm khác biệt so với chu trình tác nhân lạnh thường là ở chỗ nó không phải chu trình kín mà là chu trình hở. Khí CO2 luôn nạp vào một cách liên tục và đá khô thu nhận một cách liên tục.

Trong kỹ thuật sản xuất đá khô thông thường cần phải hóa lỏng khí CO2 sau đó mới thực hiện quá trình hóa rắn CO2 từ lỏng CO2. Khí CO2 được hóa lỏng nhờ các thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước hoặc bằng các môi chất lạnh sôi trong thiết bị bay hơi của tầng trên trong hệ thống máy lạnh ghép tầng (Cascade). Khi dùng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ, thì phải nén CO2 tới áp lực cao khoảng từ (60÷70) kg/cm² để có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nước làm mát, vì CO2 có nhiệt độ tới hạn thấp (trạng thái điểm tới hạn có nhiệt độ tth = 31°C, áp suất tới han Pth= 73,5 bar). Như vậy, để có áp suất này, thì thường thực hiện trong hệ thống nén hơi ba cấp nên.

Nếu như khi nhiệt độ của nước làm mát cao (lớn hơn 24°C) thì không thể dùng nước làm mát được. Ở nhiệt độ CO2 cao hơn nhiệt độ tới hạn cũng như không thể hóa lỏng CO2 bằng cách nén trong hệ thống máy nén hơi ba cấp nén. Trong trường hợp này để hóa lỏng khí CO2 thì cần phải sử dụng hệ thống máy lạnh ghép tầng, trong đó thiết bị ngưng tụ CO2 ở tầng dưới cũng chính là thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh NH3 hay freon ở tầng trên (bởi vì lúc này nhiệt độ ngưng tụ của CO2 nhỏ hơn nhiều so với nhiệt độ của CO2 cần ngưng tụ).

Hiện nay, muốn sản xuất đá khô thì phải chuyển đổi CO2 từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng, sau đó chuyển trạng thái lỏng CO2 thành đá khô (trạng thái rắn). Thông thường sử dụng hai phương pháp cơ bản sau.

Phương pháp 1: Tiết lưu CO2 lỏng đến áp suất điểm ba và nén liên tục tuyết CO2 thành từng khối đá khô, phương pháp này thực hiện trong chu trình áp suất cao ba cấp nén.

Phương pháp 2: Tiết lưu CO2 lỏng đến áp suất khí quyển và nén chặt thành khối băng trong quá trình đông cứng, phương pháp này thực hiện trong chu trình áp suất trung bình của hệ thống máy lạnh ghép tầng. 

Tùy theo điều kiện hay mục đích yêu cầu mà có thể sản xuất đá khô theo một trong hai phương pháp trên, tuy nhiên nếu sản xuất theo chu trình cao áp thì thiết bị phải đảm bảo độ an toàn cao. Nhất là đối với thiết bị ngưng tụ, bởi vì áp suất ở thiết bị ngưng tụ đạt tới từ

Sản xuất đá khô theo chu trình áp suất cao

1. Sơ đồ hệ thống thiết bị

2. Đồ thị chu trình nhiệt động của hệ thống

Chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh sản xuất đá khô cao áp

3. Nguyên lý làm việc

Thực chất nguyên lý làm việc của hệ thống sản xuất đá khô ở chu trình cao áp hay áp suất trung bình hoàn toàn giống như hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh (NH3, freon,...), nó chỉ khác là hệ thống sản xuất đá khô là hệ thống hở còn hệ thống lạnh là hệ thống kín.

Nguyên lý làm việc ở chu trình cao áp như sau: khí CO2 tinh sạch ở bồn chứa ở trạng thái 0 sẽ kết hợp với CO2 ở trạng thái 15 bão hòa khô (nằm trên đường x=1) tạo ra khí CO2 ở trạng thái 1 có nhiệt độ dao động khoảng 250°C, được MN-C1 hút về, nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 2 có áp suất Ptg2 = (7÷9)kg/cm², sau đó đưa về TBLM-SB1 để làm giảm nhiệt độ chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 2, tại đây nó sẽ kết hợp với CO2 ở trạng thái 12 bão hòa khô ở BGT-2 tạo ra trạng thái 3 có nhiệt độ dao động khoảng 250°C trước khi MN-C2 hút về. MN-C2 hút khí CO2 về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 4 có áp suất Ptg1 = (25÷30)kg/cm², sau đó đưa về TBLM-SB2 để làm giảm nhiệt độ chuyển từ trạng thái 4 sang trạng thái 4, tại đây nó sẽ kết hợp với CO2 ở trạng thái 9 bão hòa khô ở BTG-1 tạo ra trạng thái 5 trước khi MN-C3 hút về. MN-C3 hút khí CO2 về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 6 có áp suất Pk = (60÷70)kg/cm² được đưa về TBTN, tại đây nó được nước làm mát thải nhiệt ra ngoài môi trường, thực hiện quá trình ngưng tụ đăng áp (Pk = const) 6-7 chuyển đổi pha từ pha hơi quá nhiệt sang pha lỏng, do cấu tạo TBNT lớn hơn một chút, vì vậy khi CO2 lỏng ra khỏi thiết bị ngưng tụ nó được quá lạnh ở trạng thái 7 có nhiệt độ dao động khoảng 250°C, lỏng CO2 ở trạng thái 7 được dẫn tới VTL-1 tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đăng entalpi (h = const) 7-8 vào BTG-1 đồng thời làm giảm áp suất từ Pk xuống Ptg1 và làm giảm nhiệt độ. CO2 sau khi tiết lưu vào BTG-1 ở trạng thái 8 năm trong vùng hơi ẩm bão hòa với pha lông nhiều hơn pha hơi, pha hơi tách ra nằm ở phần trên BTG-1 chuyện về trạng thái 9 (hơi bão hòa khô x =1), hơi bão hòa này có nhiệt độ thấp và có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi TBLM-SB2, còn phá lỏng được tách ra ở phần dưới đáy BTG-1 chuyển về trạng thái 10 (bão hòa lỏng x = 0). CO2 lỏng ở trạng thái 10 được dẫn đến VTL-2, tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đăng entalpi (h = const) 10-11 vào BTG-2 đồng thời làm giảm áp suất từ Ptg1 xuống Ptg2 kéo theo nhiệt độ giảm. CO2 sau khi tiết lưu vào BTG-2 ở trạng thái 11 nằm trong vùng hơi ấm bão hòa với pha lỏng nhiều hơn pha hơi, pha hơi tách ra nằm ở phần trên BTG-2 chuyển về trạng thái 12 (hơi bão hòa khô x =1), hơi bão hòa này có nhiệt độ thấp và có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi TBLM-SB1, còn pha lỏng được tách ra ở phần dưới đáy BTG-2 chuyển về trạng thái 13 (bão hòa lỏng x = 0). CO2 lỏng ở trạng thái 13 được dẫn tới VTL-3, tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đăng entalpi (h= const) 13-14 vào buồng đá khô đồng thời làm giảm áp suất từ Ptg1 xuống P0 thấp hơn điểm ba (bằng áp suất khí quyển là tốt) kéo theo nhiệt độ giảm rất sâu, CO2 sau khi tiết lưu vào buồng đá khô ở trạng thái 14 năm trong vùng hơi ẩm bão hòa, thấp hơn trạng thái điểm ba và có nhiệt độ rất thấp nên lỏng và hơi CO2 sau VTL-3 được hóa đá tạo thành đã khô chuyển về trạng thái 16 nằm trong vùng rắn, phần hơi còn lại chưa được hóa đá chuyển về trạng thái 15 (hơi bão hòa khô x=1), hơi bão hòa này có nhiệt độ thấp và có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt CO2 chứa trong bồn. Sau đó thực hiện một chu trình mới tiếp theo.

Vì tiết lưu lần 3 xảy ra quá trình hóa đá lỏng và hơi CO2 nên cấu tạo VTL-3 sẽ khác so với tiết lưu thông thường. Cấu tạo VTL-3 và buồng đá khô như hình dưới.

Khoang hơi chính là không gian giữa hai vỏ (5) thông với đường hút vào của máy nén áp suất thấp (3). Khoang trong của VTL-3 và buồng đá khô (4) chứa lỏng CO2 ở áp lực (7÷9) bar vào từ BTG-2 (bình trung gian hai) qua van (1). Phần dưới của vách trong có các cửa (7), cửa của VTL-3 (van tiết lưu 3) thông hai vỏ với nhau. Trong quá trình nạp lòng qua van (1), các cửa van này đóng kín. Đường cân bằng hơi có van (2) để đảm bảo lòng không quá đẩy buồng đã khô. Sau khi nạp lỏng vào buồng thì đóng van (2) lại và mở cửa van tiết lưu (7) để tiết lưu lỏng đến áp suất khí quyền. Như vậy, có một lượng đá khô tạo thành và lượng còn lại sẽ hóa hơi trong khoang (5) được máy nén áp suất thấp hút về qua ống (3), đồng thời kết hợp với khí CO2 mới cấp vào để sản xuất nước đã khô.

Đá khô được tạo thành đầu tiên ở trong cửa van tiết lưu và sau đó ở trong khoang (4). Quá trình tiết lưu được tiếp tục qua khe hở giữa các tinh thể đá khô đã được tạo thành và quá trình tiếp diễn trong toàn bộ thể tích khoang trong. Khi đã hóa đả toàn bộ lỏng thì van (1) bắt đầu mở. Như vậy, dưới tác dụng của áp suất trong BTG-2, các tinh thể đã bị dồn nén lại thành một khối và long chứa đẩy vào khoang bị hụt thể tích do CO2 đông cứng lại.

Cuối quá trình làm đá, toàn bộ không gian trong chứa đầy đá khô và van (1) đóng kín lại, nhưng hơi vẫn tiếp tục được hút về máy nên nên áp suất trong buồng giảm.

Sản xuất đá khô theo chu trình áp suất trung bình

1. Sơ đồ hệ thống thiết bị

2. Đồ thị chu trình nhiệt động

Chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh sản xuất đá khô áp suất trung bình

3. Nguyên lý làm việc

Sản xuất đã khô theo chu trình áp suất trung bình trong chu trình máy lạnh ghép tầng từ hai hệ thống máy lạnh. Tầng dưới là hệ thống lạnh hai cấp nén sử dụng môi chất CO2. Đây là hệ thống hở sản xuất đá khô. Tầng trên là hệ thống lạnh hai cấp nên thông thường sử dụng môi chất lạnh amôniắc (NH3) hoặc freon (R22, R502, ...) là hệ thống kín dùng để giải nhiệt cho tầng dưới. Vì vậy hệ thống này cũng có thể gọi hệ thống lạnh CO2 – NH3; hoặc CO2 – Freon.

Nguyên lý làm việc ở tầng dưới: Khí CO2 được tinh sạch trong bồn chứa ở trạng thái 0 sẽ kết hợp với hơi bão hòa khô ở trạng thái 10 (nằm trên đường x=1) tạo ra trạng thái 1. CO2 ở trạng thái 1 được NM-C1-CO2 hút về nén đoạn nhiệt hay đa biển lên trạng thái 2, quá trình nén này làm tăng áp suất từ P0 = 1kg/cm² lên đến Ptg = (7÷9)kg/cm² kéo theo nhiệt độ tăng. Sau đó đưa về TBLM-SB làm giảm nhiệt độ chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 2', hơi quá nhiệt CO2 này sẽ kết hợp với CO2 bão hòa khô ở trạng thái 7 (nằm trên x=1) tạo ra trạng thái 3, hơi này được MN-C2-CO2 hút về nén đoạn nhiệt hay đa biển lên trạng thái 4, quá trình nên này làm tăng áp suất từ Ptg lên đến Pk = (15÷20)kg/cm² đồng thời nhiệt độ cũng tăng lên. Tại đây hơi quá nhiệt CO2 ở trạng thái 4 được dẫn đến thiết bị NT-BH (ngưng tụ ở tầng dưới bay hơi ở tầng trên), nó sẽ thải nhiệt cho hệ thống lạnh tầng trên (bằng cách môi chất lạnh NH3; hay freon của tầng trên đi trong thiết bị bay hơi có nhiệt độ rất thấp, nó sẽ nhận nhiệt của hơi CO2 đi ngoài ống thiết bị ngưng tụ, làm sôi môi chất lạnh đi trong ống) thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp 4 -5 (Pk = const) chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng, đồng thời quá lạnh CO2 lỏng trước khi ra khỏi thiết bị NT-BH. Lỏng CO2 quá lạnh ở trạng thái 5 được dẫn đến VTL-1 thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h = const), quá trình tiết lưu này làm giảm áp suất từ Pk xuống Ptg kéo theo nhiệt độ giảm, CO2 sau khi tiết lưu ở trạng thái 6 nằm trong vùng hơi bão hòa ẩm, phần hơi ẩm được tách ra bay lên phía trên của BTG-CO2 trở thành hơi bão hòa khô ở trạng thái 7 có nhiệt độ thấp và hơi này có nhiệm vụ làm mát tiếp tục hơi quá nhiệt ở trạng thái 2 sau khi ra khỏi TBLM-SB. Phần CO2 sẽ được tách ra nằm ở phía dưới đáy của BTG-CO2 chuyển về trạng thái 8, lỏng CO2 ở trạng thái 8 được dẫn tới VTL-2 tiếp tục thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h8 = h9 = const), quá trình tiết lưu này làm giảm áp suất từ Ptg xuống P0 = 1 kg/cm² (áp suất khí quyển) và chuyển từ trạng thái 8 xuống trạng thái 9 nằm trong vùng hơi âm bão hòa nhưng do nhiệt độ CO2 hạ xuống rất sâu nên lỏng và hơi CO2 bị hóa đá tạo hỗn hợp đá khô và hơi CO2, phần đá khô chuyển về trạng thái 11 nằm trong vùng rắn CO2, phần hơi còn lại không hóa đá chuyển về trạng thái 10 hơi bão hòa khô có nhiệt độ thấp, hơi này có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt CO2 từ bồn chứa cung cấp vào cho hệ thống.

Nguyên lý làm việc ở tầng trên: Đây là hệ thống lạnh hai cấp nén thông thường. Môi chất lạnh sau khi nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh (nhận nhiệt của CO2 ở thiết bị NT-BH) thực hiện quá trình bay hơi đẳng áp (P0° ở tầng trên = const), chuyển đổi pha từ hơi ẩm bão hòa ở trạng thái 8° về trạng thái 10° hơi bão hòa khô nằm trên đường x =1 và bị quá nhiệt trên đường hút về ở trạng thái 1°, hơi quá nhiệt này được MN-C1 hút về nén đoạn nhiệt hay đa biến từ trạng thái 1° lên trạng thái 2°. Quá trình nén này làm tăng áp suất từ P0° lên Ptg°, đồng thời kéo theo nhiệt độ tăng, hơi môi chất lạnh quá nhiệt sau khi nén lên đưa vào bình trung gian có ống xoắn được làm mát hoàn toàn bởi môi chất lạnh tiết lưu lần 1, chuyển từ trạng thái 2° sang trạng thái 3°, sau đó được MN-C2 hút về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 4°, quá trình nén này làm tăng áp suất từ Ptg° lên Pk°, đồng thời kéo theo nhiệt độ tăng. Hơi mỗi chất lạnh quá nhiệt sau khi được nén lên được đưa về TBNT, tại đây nó thai nhiệt cho môi trường nước làm mát thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp (Pk° = const) 4°-5° chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng, sau khi ra khỏi TBNT lỏng môi chất lạnh ở trạng thái 50 được dẫn đi về BTG, tại đây lỏng được tách ra làm hai nhánh, nhánh có lưu lượng nhỏ đi về VTL-1, thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi 5°-6° làm giảm áp suất từ Pk° xuống Ptg°, đồng thời kéo theo nhiệt độ môi chất lạnh giảm. 

Mục đích quá trình tiết lưu 1 là làm mát hơi môi chất hoàn toàn từ MN-C1 nén lên đồng thời làm quá lạnh môi chất lạnh lỏng đi trong ống xoắn của BTG, nhánh có lưu lượng lớn hơn đi vào ống xoắn của BTG để làm quá lạnh chuyên tử trạng thái 5° sang trạng thái 7°, môi chất lạnh lỏng quá lạnh được dẫn tới VTL-2 thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi 7°-8°, đồng thời làm giảm áp suất từ Pk°, xuống P0° kéo theo nhiệt độ giảm rất sâu (thông thường nhiệt độ sôi hay bay hơi của môi chất lạnh ở tầng trên dao động trong khoảng (-50 ÷ -45)/°C là đạt). Lỏng sau khi tiết lưu đưa về BCTA, tại đây phần lỏng được tách ra ở đáy bình trạng thái 9° cấp dịch cho NT-BH, phần hơi tách ra ở phía trên của bình và kết hợp với phần hơi môi chất sau khi nhận nhiệt của CO2 tầng dưới bay hơi về trước khi máy nén hút về thực hiện một chu trình mới tiếp theo.

Tác giả: Tiến sĩ Nguyễn Tấn Dũng,
Trường đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

Chia sẻ bài viết