Nguyên liệu sản xuất đá khô

Hiện nay nguồn nguyên liệu CO₂ rất đa dạng và phong phú như: nguồn khí thải trong các phản ứng sinh – hóa thực phẩm, nguồn khí thải do sản xuất công nghiệp đây là nguồn khí thải có khối lượng rất lớn, …v.v. Hầu hết toàn bộ sản xuất công nghiệp sử dụng năng lượng và nguyên liệu hữu cơ để phục vụ cho sản xuất đều sản sinh ra khí CO₂.

Nguồn CO₂ của quá trình lên men rượu bia

Trong công nghệ sản xuất rượu, bia lượng phế liệu rất lớn là CO₂. Quá trình sinh – hoá khi lên men rượu, bia từ gluxit (đường) đều thải ra khí CO₂.

Phương trình phản ứng sinh – hoá của quá trình lên men có thể viết như sau.

C₆H₁₂O₆   —→   2 C₂H₅OH + 2CO₂ + Q

Theo phương trình phản ứng trên thì cứ 180kg gluxit đã đường hoá cho lên men rượu, bia nếu hiệu suất phản ứng đạt 100% thì thu được 92kg Etylic và 88kg CO₂, thực tế khi sản xuất thì hiệu suất phản ứng chỉ đạt từ (85 – 90)%, tức là 180kg gluxit đã đường hoá cho lên men rượu, bia thì thu được từ 78,2 – 82,8kg Etylic và từ 74,8 – 79,2kg CO₂.

Điều đó cho thấy cứ 1kg gluxit đã đường hoá khi lên men rượu, bia sẽ thu được từ 0,415 – 0,44kg CO₂, lượng CO₂ thu được trong quá trình lên men của các nhà máy sản xuất bia, rượu là rất lớn.

Thông thường quá trình lên men ở trong các nhà máy sản xuất rượu, bia được thực hiện trong các bồn kín có dung tích từ 180 – 200m³, thời gian thực hiện quá trình lên men khoảng 40 – 60 giờ, ở giai đoạn lên men sơ bộ thì lượng CO₂ thải ra từ từ, ở giai đoạn lên men chính thì lượng CO₂ thải rất nhiều, còn đối với thiết bị lên men liên tục thì lượng CO₂ thải ra với tốc độ đều đặn.

1. Thiết bị lên men rượu, bia.
2. Hệ thống làm sạch bằng cách hấp phụ các tạp chất (than hoạt tính).
3. Hệ thống làm sạch bằng hóa chất.
4. Thiết bị thu nhận CO₂ tinh sạch.
5. Thu nhận rượu, bia sau khi lên men.
6. Đường cấp CO₂ cho hệ thống làm đá khô.
7. Cánh khuấy.

Ở giai đoạn đầu CO₂ thu được chứa rất nhiều hàm lượng không khí nên được xả ra ngoài, ở giai đoạn lên men chính thì áp suất 100 – 150mm cột nước, CO₂ khí được theo đường ống qua hệ thống hấp phụ các tạp chất như: dầu, aldehyt, axetic, glyxerin, các hợp chất vòng bay hơi.v.v. bằng than hoạt tính, silicagen và sau đó qua hệ thống làm sạch bằng hóa chất để oxy hóa các hợp chất và tách những sản phẩm oxy hoá ra. Có thể thu được lượng CO₂ cực lớn trong công nghệ sản xuất cồn từ xellulose.

Nguồn CO₂ từ tổng hợp NH₃

Trong công nghệ sản xuất phân bón như: NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, (NH₂)CO và cũng như sản xuất môi chất lạnh NH₃ thì nguồn CO₂ phế liệu thu được từ công nghệ này là rất lớn. Cứ 1 tấn NH3 tổng hợp thu được 2,5 CO₂. Trong lò phản ứng có nhiệt độ cao, hỗn hợp khí CO, N₂, hơi nước (H₂O) đi qua có chất xúc tác. Ở giai đoạn đầu phản ứng xảy ra.

CO + H₂O —→ H₂ + CO₂

Hỗn hợp khí tạo thành CO₂, CO, H₂, N₂, NH₃, hơi nước đi qua tháp rửa có áp suất từ (16 – 28) at, CO₂ được tách ra khỏi hỗn hợp nitơ – hydro. Hỗn hợp khí còn lại đi qua tuabin nước giảm áp tới áp suất thường nên hỗn hợp khí được tách ra, trong đó có tới (85 – 98)% thể tích là CO₂. Hỗn hợp còn chứa N₂, H₂, CO và khoảng (2 – 4) g/m³ H₂S (chính hỗn hợp này làm cho đá có mùi hôi khó chịu).

Hỗn hợp khí được tách tạp chất, H₂S được tách trong thiết bị hấp thụ, sau đó qua tháp có than hoạt tính và tập trung vào bình chứa CO₂, từ bình này khí CO₂ đi vào hệ thống lạnh ba cấp nén.

Để tăng hiệu quả thu hồi CO₂ và giảm áp suất dãn nở, thiết bị ngưng tụ CO₂ được giải nhiệt bằng sự bay hơi NH₃ của một hệ thống lạnh phụ trợ hệ thống lạnh ghép tầng – Cascade. Những khí không ngưng trong thiết bị ngưng tụ CO₂ này sẽ được thải ra ngoài, còn CO₂ lỏng tiếp tục chuyển sang CO₂ rắn.

Nguồn CO₂ từ Cacbonat thiên nhiên

Muối cacbonat trong tự nhiên CaCO₃, MgCO₃ có rất nhiều ở núi đá vôi với hàm lượng rất lớn và chứa nhiều CO₂, đá vôi, phấn … là những hợp chất CaCO₃ có chứa tới 44% CO₂, đá vôi mangan chứa tới 52% CO₂.

Hiện nay trong công nghiệp thực hiện phản ứng phân hủy nhân tạo hợp chất CaCO₃ thiên nhiên để thu nhân vôi CaO, xi măng, mangan,… Phân hủy nhiệt cacbonat trong lò nung sẽ thu nhận CO₂. Phương trình phản ứng xảy ra như sau.

CaCO_{3  —→}  CaO + CO₂
MgCO₃  —→  MgO + CO₂

Khói từ các lò hầm vôi chứa 40% thể tích CO₂ là các nguồn nguyên liệu tương đối tốt cho công nghiệp sản xuất CO₂ nên cũng là nguồn CO₂ cho công nghiệp sản xuất đá khô. Công nghệ lạnh CO₂ này cũng tương tự như ở CO₂ từ khói lò, nhưng ở đây do hàm lượng CO₂ nhiều hơn nên hệ thống thiết bị làm sạch gọn gàng hơn.

Nguồn CO₂ thiên nhiên ở mỏ

Trên thế giới có rất nhiều hầm mỏ ở dạng nước ngầm bão hoà CO₂ như nước khoáng Narzan Caocaze có từ năm 1935 với CO₂ tinh khiết tới 99,5%. Ở Acmenia có nhà máy sản xuất CO₂ lỏng từ nước khoáng. Ở bể Vichy của Pháp có nguồn nước khoáng bicacbonat (- HCO₃) nổi tiếng thế giới về chất lượng với sản lượng hơn 500 triệu lít/năm.

Ở Việt Nam cũng có nguồn nước khoáng như: Vĩnh Hảo, Bình Thuận, Suối Bình Châu (Bà Rịa – Vũng Tàu), nước khoáng Tri Tôn (An Giang),… Riêng nước khoáng Dakmil (Đắc Lắc) có trữ lượng rất lớn và với hàm lượng CO₂ tinh khiết tới 99,8% mà lại không có H₂S, NH₄OH, Ar, …v.v.

Từ nước khoáng thiên nhiên thường với áp suất khoảng 2 – 2,5 at phun lên, đưa vào một bình dãn nở với áp suất thường nên khí CO₂ từ nước khoáng bão hoà tách thành khí CO₂ tinh khiết ở phần trên của bình dãn nở, phần nước khoáng dưới bình được dùng làm nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ của hệ thống máy nén CO₂, phần còn lại sản xuất nước khoáng có gas.

Khí CO₂ tách ra, qua bộ sấy khô ở tháp chứa than củi hoạt tính và đưa vào hệ thống nén CO₂ ba cấp tới 60 – 70 at, ngưng tụ thành CO₂ lỏng, hoặc sản xuất nước đá khô.

Nguồn CO₂ từ khói

 1. Thiết bị rửa khí (nguội); 2. Bình tách nước; 3. Bơm bài khí; 4. Thiết bị rửa khí bằng soude; 5. Bơm nước; 6. Thiết bị hấp thụ; 7. Bơm dung dịch bão hòa; 8. Thiết bị trao đổi nhiệt; 9. Thiết bị hồi lưu – nhả hấp thụ; 10. Bơm dung dịch ban đầu; 11. Thiết bị làm nguội dung dịch.

Ký hiệu: ——- khói, – – – – –  nước, —II— dung dịch MEA bão hòa, dung dịch MEA ban đầu; dung dịch soude; dung dịch KMnO₄; hỗn hợp khí, —CO₂—khí CO₂

Công nghệ thu nhận CO₂ từ khói lò có dùng chất hấp thụ bằng dung dịch mono-Ethanolamin (MEA) từ khói lò luôn luôn có lẫn theo Oxy (O₂) và các hợp chất của lưu huỳnh cho nên dung dịch MEA sẽ polyme hoá và trong đó tích tụ chất thio cho nên theo thời gian sẽ bị sẫm màu và rỉ sắt.

Ngoài ra còn có công nghệ thu nhận CO₂ từ khói lò có dùng chất hấp thụ bằng dung dịch potasse hoặc soda calcium sẽ đơn giản hơn (không cần thiết bị làm sạch bằng soda, các tháp làm sạch CO₂ khỏi MEA).

Trường hợp thiếu các nguồn CO₂ kể trên, người ta vẫn lắp đặt nhà máy sản xuất đá khô trên cơ sở đốt nhiên liệu để có CO₂. Như vậy sẽ tốn nhiên liệu loại tốt, vốn xây dựng cơ bản ban đầu lớn, tốn nhiều thiết bị sắt thép.

Tuy nhiên, các loại nhà máy mang tính độc lập này có thể phổ biến các nhà máy đá khô sử dụng nguyên liệu rắn (than đá, than cốc,…v.v) nhiên liệu lỏng (dầu mazut ít hợp chất lưu huỳnh) và nhiên liệu khí (lò Domen, các khí đốt thiên nhiên).

*Nguồn tham khảo:

• Công nghệ lạnh ứng dụng trong sản xuất nước đá khô và nước giải khát – Nguyễn Tấn Dũng
• Công nghệ lạnh thực phẩm nhiệt đới – Trần Đức Ba