Phương pháp sản xuất đá khô theo chu trình áp suất cao

Phương pháp sản xuất đá khô theo chu trình áp suất cao là một quá trình biến đổi khí CO₂ thành dạng rắn qua các giai đoạn nén, làm lạnh, giãn nở nhanh và đông cứng. Dưới đây, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào từng giai đoạn để hiểu rõ hơn về quá trình này.

Sơ đồ và đồ thị chu trình nhiệt động

1- MN-C₁, MN-C₂, MN-C₃, lần lượt là máy nén cấp 1, máy nén cấp 2, máy nén cấp 3.
2- BTD bình tách dầu (nếu có); 3- TBNT thiết bị ngưng tụ.
4- BTG-1, BTG-2 lần lượt là bình trung gian 1, bình trung gian 2.
5- TBLM-SB1, TBLM-SB2 lần lượt là thiết bị làm mát sơ bộ một và thiết bị làm mát sơ bộ 2.
6-  VTL-1, VTL-2, VTL-3 lần lượt van tiết lưu 1, 2, 3.
7-  SV-1, SV-2 là lần lượt van điện từ 1, van điện từ 2.

Nguyên lí làm việc

Khí CO₂ tinh sạch ở bồn chứa nó ở trạng thái 0 nó sẽ kết hợp với CO₂ ở trạng thái 15 bão hoà khô (nằm trên đường X =1) tạo ra khí CO₂ ở trạng thái 1 có nhiệt độ dao động khoảng 25°C, được MN-C₁ hút về, nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 2 có áp suất p_tg2 = 7 – 9kg/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 hoà khô ở BGT-2 tạo ra trạng thái 3 có nhiệt độ dao động khoảng 25°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 P_tg1 = 25 – 30kg/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 hoà 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 P_k = 60 – 70kg/cm² được đưa về TBTN, tại đây nó được nước làm mát thải nhiệt ra ngoài môi trường, thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp (P_k = 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 25°C, lỏng CO₂ ở trạng thái 7 được dẫn tới VTL-1 tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h = const) 7 – 8 vào BTG-1 đồng thời làm giảm áp suất từ P_k xuống P_tg1 đồng thời làm giảm nhiệt độ.

CO₂ sau khi tiết lưu vào BTG-1 ở trạng thái 8 nằm trong vùng hơi ẩm bão hoà với pha lỏng nhiều hơn pha hơi, pha hơi tách ra nằm ở phần trên BTG-1 nó chuyển về trạng thái 9 (hơi bão hoà khô X =1) hơi bão hoà này có nhiệt độ thấp nó có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi TBLM-SB2, còn pha lỏng được tách ra ở phần dưới đáy BTG-1 nó chuyển về trạng thái 10 (bão hoà lỏng X = 0),

CO₂ lỏng ở trạng thái 10 được dẫn đến VTL-2 tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h = const) 10 – 11 vào BTG-2 đồng thời làm giảm áp suất từ P_tg1 xuống P_tg2 kéo theo nhiệt độ giảm, CO₂ sau khi tiết lưu vào BTG-2 ở trạng thái 11 nằm trong vùng hơi ẩm bão hoà với pha lỏng nhiều hơn pha hơi, pha hơi tách ra nằm ở phần trên BTG-2 nó chuyển về trạng thái 12 (hơi bão hòa khô X = 1) hơi bão hoà này có nhiệt độ thấp nó 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 nó chuyển về trạng thái 13 (bão hoà lỏng X = 0).

CO₂ lỏng ở trạng thái 13 được dẫn tới VTL-3 tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đẳng entalpi (h = const) 13 – 14 vào buồng đá khô đồng thời làm giảm áp suất từ P_tg1 xuống P_o 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 nằm 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 hoá đá tạo thành đá khô chuyển về trạng thái 16 nằm trong vùng rắn, phần hơi còn lại chưa được hoá đá nó chuyển về trạng thái 15 (hơi bão hoà khô x =1) hơi bão hoà này có nhiệt độ thấp nó có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt CO₂ chứa trong bồn. Sau đó thực hiện một chu trình mới tiếp theo.

1- Van CO₂ lỏng vào; 2- Van hơi cân bằng; 3- ống hơi ra (đường hút máy nén áp suất thấp); 4- Khoang trong; 5- Khoang hơi; 6- Cửa lật

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 – 9bar vào từ BTG-2 qua van (1).

Phần dưới của vách trong có các cửa (7) cửa của VTL-3 thông hai vỏ với nhau. Trong quá trình nạp lỏng qua van (1), các cửa van này đóng kín. Đường cân bằng hơi có van (2) để đảm bảo lỏng không quá đầy buồng đá 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 quyển.

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 đá 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 đá toàn bộ lỏng thì van (1) bắt đầu mở. Như vậy, dưới tác dụng của áp suất trong BTG-2, các tinh thể đá bị dồn nén lại thành một khối và lỏng chứa đầy vào khoang 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 nén nên áp suất trong buồng giảm.

*Nguồn tham khảo: Công nghệ lạnh ứng dụng trong sản xuất nước đá khô và nước giải khát – Nguyễn Tấn Dũng