Tìm hiểu chi tiết khử khí chân không là gì, hoạt động theo nguyên lý nào, có những kỹ thuật khử khí nào và bơm hút chân không đóng vai trò gì trong hệ thống?
Khái niệm khử khí chân không là gì?
Khử khí chân không (Vacuum Degassing) là quá trình sử dụng môi trường có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển để loại bỏ không khí, bọt khí và các khí hòa tan ra khỏi chất lỏng hoặc vật liệu. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, đồ uống, hóa chất, dầu công nghiệp, nhựa, keo, resin và nhiều quy trình sản xuất khác.
Ở điều kiện bình thường, một lượng khí nhất định có thể hòa tan trong chất lỏng. Khi áp suất trong buồng khử khí được giảm xuống nhờ bơm hút chân không, độ hòa tan của nhiều loại khí giảm. Khí hòa tan có xu hướng thoát khỏi chất lỏng, hình thành các bong bóng và được bơm chân không hút ra khỏi hệ thống.
Chúng ta có thể hiểu đơn giản như sau: Chất lỏng chứa khí → đưa vào buồng khử khí → tạo chân không → khí hòa tan thoát ra → bơm hút khí ra ngoài → thu được sản phẩm đã được khử khí.
Quá trình khử khí chân không giúp loại bỏ oxy, không khí và các bọt khí tồn tại hoặc hòa tan trong chất lỏng, từ đó hạn chế những ảnh hưởng không mong muốn đến chất lượng sản phẩm. Nhờ quá trình này, sản phẩm có thể giảm hiện tượng tạo bọt, hạn chế oxy hóa, tăng độ đồng nhất và giảm các khuyết tật do bọt khí, góp phần nâng cao chất lượng và độ ổn định trong quá trình sản xuất.
Hiệu quả khử khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức chân không, nhiệt độ, độ nhớt của chất lỏng, thời gian xử lý, diện tích tiếp xúc và lượng khí hòa tan ban đầu. Vì vậy, trong các hệ thống công nghiệp, việc lựa chọn đúng bơm hút chân không và thiết kế buồng khử khí đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất của toàn bộ quá trình.
Tại sao cần khử khí chân không?
Khử khí chân không được sử dụng để kiểm soát và loại bỏ lượng khí không mong muốn trước hoặc trong quá trình sản xuất.
Loại bỏ khí hòa tan và bọt khí
Khi sản phẩm được đưa vào buồng chân không, áp suất giảm làm giảm khả năng hòa tan của nhiều loại khí trong chất lỏng. Các khí hòa tan dần thoát ra, hình thành bong bóng và được hệ thống chân không đưa ra ngoài. Lợi ích này đặc biệt quan trọng đối với dầu, keo, resin, hóa chất, thực phẩm và đồ uống.
Hạn chế quá trình oxy hóa
Oxy hòa tan có thể tham gia vào các phản ứng oxy hóa, làm thay đổi màu sắc, mùi vị hoặc một số đặc tính của sản phẩm. Việc giảm lượng oxy bằng phương pháp khử khí chân không giúp hạn chế quá trình oxy hóa, từ đó góp phần duy trì chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất và bảo quản.
Giảm hiện tượng tạo bọt
Không khí và khí hòa tan có thể tạo ra lượng lớn bọt khi sản phẩm được khuấy, trộn, bơm hoặc gia nhiệt. Khử khí trước khi thực hiện các công đoạn này giúp giảm lượng bọt phát sinh, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình vận hành và đóng gói.
Nâng cao độ đồng nhất của sản phẩm
Bọt khí nằm bên trong vật liệu có thể tạo ra các khoảng rỗng và làm sản phẩm không đồng nhất. Một vấn đề thường gặp với keo, epoxy, resin, silicone và các vật liệu có độ nhớt cao. Khử khí chân không sẽ giúp giảm các bọt khí này, nhờ đó cải thiện độ đồng nhất và chất lượng thành phẩm.
Giảm khuyết tật trong sản xuất
Tại các quá trình đúc, phủ, ép, đóng rắn hoặc xử lý vật liệu, bọt khí có thể gây ra lỗ rỗng, bề mặt không đều và các khuyết tật bên trong sản phẩm. Loại bỏ khí trước khi vật liệu được xử lý giúp giảm nguy cơ phát sinh những lỗi này.
Hỗ trợ nâng cao hiệu quả của dây chuyền sản xuất
Khử khí chân không không chỉ nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giúp quá trình sản xuất ổn định và dễ kiểm soát hơn. Khi hiện tượng tạo bọt và lượng khí trong nguyên liệu được giảm, các công đoạn như bơm chuyển, gia nhiệt, phối trộn, chiết rót, đúc và đóng gói có thể diễn ra thuận lợi hơn.
Nguyên lý khử khí chân không
Nguyên lý khử khí chân không dựa trên việc giảm áp suất phía trên bề mặt chất lỏng, làm giảm áp suất riêng phần của các khí trong pha khí. Khi hệ không còn ở trạng thái cân bằng, các khí hòa tan có xu hướng khuếch tán từ chất lỏng sang pha khí và sau đó được hệ thống chân không loại bỏ.
Về mặt kỹ thuật, quá trình này có thể giải thích qua định luật Henry. Ở trạng thái cân bằng và trong phạm vi định luật Henry áp dụng, nồng độ khí hòa tan trong chất lỏng tỷ lệ với áp suất riêng phần của khí đó phía trên chất lỏng:
C = kH × p
Trong đó:
- C: nồng độ khí hòa tan trong chất lỏng.
- kH: hằng số Henry, phụ thuộc vào loại khí, dung môi và nhiệt độ.
- p: áp suất riêng phần của khí phía trên chất lỏng.
Khi bơm hút chân không làm giảm áp suất trong thiết bị khử khí, áp suất riêng phần của không khí và các khí cần loại bỏ cũng giảm. Nồng độ khí hòa tan cân bằng tương ứng giảm xuống. Khi nồng độ khí thực tế trong chất lỏng cao hơn giá trị cân bằng mới, khí sẽ khuếch tán và thoát khỏi pha lỏng, chuyển sang pha khí rồi được hút ra khỏi hệ thống.
Các yếu tố giúp tăng hiệu quả khử khí
Hiệu quả khử khí phụ thuộc vào mức chân không và phụ thuộc mạnh vào khả năng truyền khối giữa pha lỏng và pha khí. Vì vậy, thiết bị khử khí thường được thiết kế để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, chẳng hạn như tạo màng mỏng, phun tia, phun sương hoặc phân tán dòng chất lỏng.
Các thông số quan trọng gồm:
- Áp suất tuyệt đối trong buồng khử khí: áp suất càng thấp thì động lực loại bỏ khí hòa tan thường càng lớn.
- Nhiệt độ chất lỏng: nhiệt độ ảnh hưởng đến độ hòa tan của khí và tốc độ truyền khối; tuy nhiên phải nằm trong giới hạn cho phép của sản phẩm.
- Diện tích tiếp xúc pha lỏng – pha khí: diện tích càng lớn, khí càng có điều kiện thoát ra nhanh.
- Độ nhớt của chất lỏng: chất lỏng có độ nhớt cao thường làm quá trình khuếch tán và thoát khí chậm hơn.
- Thời gian lưu: sản phẩm phải có đủ thời gian trong vùng chân không để đạt mức khử khí yêu cầu.
- Lưu lượng khí cần loại bỏ và rò rỉ của hệ thống: ảnh hưởng trực tiếp đến tải khí mà bơm chân không phải xử lý.
Vai trò của bơm hút chân không
Máy bơm chân không có nhiệm vụ tạo và duy trì áp suất tuyệt đối cần thiết trong thiết bị khử khí, đồng thời liên tục loại bỏ lượng khí thoát ra từ chất lỏng và lượng khí xâm nhập vào hệ thống. Do đó, bơm cần được lựa chọn dựa trên áp suất vận hành, lưu lượng khí thực tế, hơi nước/hơi dung môi đi kèm và đặc tính của quá trình, chứ không chỉ dựa vào áp suất chân không cuối cùng của bơm.
Một chú ý kỹ thuật quan trọng là khử khí không đồng nghĩa với làm sôi chất lỏng. Nếu áp suất tuyệt đối trong buồng giảm xuống bằng hoặc thấp hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng tại nhiệt độ vận hành, chất lỏng có thể bắt đầu sôi mạnh. Vì vậy, hệ thống khử khí phải kiểm soát đồng thời áp suất, nhiệt độ và tải hơi để loại bỏ khí hiệu quả mà không gây bay hơi sản phẩm quá mức.
Quy trình khử khí chân không diễn ra như thế nào?
Tùy thiết kế thiết bị và đặc tính sản phẩm, một quy trình khử khí cho sản phẩm có thể vận hành theo mẻ hoặc liên tục. Về cơ bản, quá trình diễn ra qua các bước sau:
Bước 1: Đưa nguyên liệu vào thiết bị khử khí
Chất lỏng cần xử lý được đưa vào bồn hoặc buồng khử khí chân không. Trong hệ thống dây chuyền liên tục, nguyên liệu có thể được phân phối thành màng mỏng, tia hoặc các dòng nhỏ nhằm tăng diện tích tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí.
Việc tăng diện tích bề mặt giúp rút ngắn quãng đường khuếch tán của khí và tăng tốc độ truyền khối, nhờ đó quá trình thoát khí diễn ra hiệu quả hơn.
Bước 2: Tạo và duy trì môi trường chân không
Bơm chân không hút khí ra khỏi buồng, làm áp suất tuyệt đối bên trong thiết bị giảm xuống đến giá trị vận hành yêu cầu.
Ở giai đoạn này không chỉ cần đạt được mức chân không ban đầu mà còn phải duy trì áp suất ổn định trong suốt quá trình, bởi khí liên tục thoát khỏi sản phẩm sẽ tạo thành tải khí đối với hệ thống chân không.
Bước 3: Khí hòa tan thoát khỏi chất lỏng
Khi áp suất riêng phần của các khí trong không gian phía trên chất lỏng giảm, trạng thái cân bằng khí – lỏng bị thay đổi. Nồng độ khí hòa tan thực tế lúc này cao hơn nồng độ cân bằng tương ứng với điều kiện áp suất mới.
Do đó, các phân tử khí hòa tan sẽ khuếch tán từ bên trong chất lỏng ra bề mặt, chuyển sang pha khí. Các vi bọt khí có sẵn cũng có thể giãn nở, kết hợp thành các bọt lớn hơn và thoát khỏi chất lỏng.
Bước 4: Loại bỏ khí ra khỏi thiết bị
Lượng khí đã thoát khỏi chất lỏng được hệ thống chân không liên tục đưa ra ngoài. Tùy từng ứng dụng, dòng khí hút có thể chứa hơi nước, hơi dung môi hoặc một lượng nhỏ sản phẩm bị cuốn theo.
Vì vậy, trước bơm chân không có thể cần bố trí thêm các thiết bị như bình tách, bẫy chất lỏng, bộ lọc hoặc bình ngưng để bảo vệ bơm và giảm tải hơi.
Bước 5: Duy trì thời gian xử lý cần thiết
Sản phẩm được giữ trong điều kiện chân không trong một khoảng thời gian phù hợp để hàm lượng khí hòa tan giảm đến mức yêu cầu.
Hiệu quả của giai đoạn này phụ thuộc vào nhiều thông số như:
- Áp suất tuyệt đối trong thiết bị.
- Nhiệt độ sản phẩm.
- Độ nhớt của chất lỏng.
- Hàm lượng và loại khí hòa tan.
- Diện tích tiếp xúc khí – lỏng.
- Thời gian lưu.
- Lưu lượng nguyên liệu đối với hệ thống liên tục.
Với chất lỏng có độ nhớt cao, quá trình thoát khí thường chậm hơn do khả năng khuếch tán và di chuyển của bọt khí bị hạn chế.
Bước 6: Đưa sản phẩm sau khử khí sang công đoạn tiếp theo
Sau khi đạt yêu cầu, sản phẩm được lấy ra khỏi thiết bị hoặc được chuyển liên tục sang công đoạn tiếp theo như phối trộn, gia nhiệt, chiết rót, đúc, phủ hoặc đóng gói.
Đối với hệ thống vận hành theo mẻ, trước khi mở buồng cần thực hiện phá chân không/cân bằng áp suất theo đúng trình tự vận hành của thiết bị.
Các loại kỹ thuật khử khí chân không
Có nhiều phương pháp – kỹ thuật khử khí chân không khác nhau. Tùy thuộc vào trạng thái vật liệu, độ nhớt, lưu lượng xử lý, hàm lượng khí hòa tan và yêu cầu của dây chuyền, để chọn lựa kỹ thuật phù hợp nhất. Sau đây là một số kỹ thuật khử phổ biến:
Khử khí chân không trong bồn
Một trong những kỹ thuật đơn giản và phổ biến. Chất lỏng hoặc vật liệu được đưa vào bồn kín, sau đó bơm chân không hút khí trong bồn để hạ áp suất xuống mức yêu cầu. Khi áp suất riêng phần của khí phía trên bề mặt chất lỏng giảm, khí hòa tan có xu hướng khuếch tán ra khỏi pha lỏng. Các bọt khí có sẵn cũng giãn nở và thoát lên bề mặt, sau đó được hệ thống chân không loại bỏ.
Phương pháp này thường phù hợp với keo và chất kết dính, Epoxy, resin và silicone…
Khử khí chân không dạng màng mỏng
Kỹ thuật này làm cho chất lỏng trải thành một lớp màng mỏng trong môi trường chân không. So với việc giữ nguyên một khối chất lỏng lớn trong bồn, tạo màng mỏng làm tăng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích và rút ngắn quãng đường khuếch tán của khí.
Nhờ đó, quá trình truyền khối từ pha lỏng sang pha khí diễn ra nhanh hơn, cho phép thiết bị đạt hiệu quả khử khí cao trong thời gian lưu tương đối ngắn.
Kỹ thuật màng mỏng đặc biệt hữu ích đối với các hệ thống khử khí liên tục hoặc những dây chuyền cần xử lý lưu lượng sản phẩm lớn.
Khử khí chân không bằng phun
Với phương pháp này, chất lỏng được đưa qua vòi phun hoặc bộ phân phối để tạo thành các tia hoặc giọt nhỏ bên trong buồng chân không.
Việc chia nhỏ dòng chất lỏng làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí. Khi các giọt chất lỏng đi qua vùng áp suất thấp, khí hòa tan có điều kiện thoát ra nhanh hơn trước khi chất lỏng được thu lại ở phía dưới thiết bị.
Kỹ thuật này thường được áp dụng cho các chất lỏng có khả năng chảy và phun tốt. Tuy nhiên, thiết kế phải kiểm soát hiện tượng tạo bọt, cuốn theo giọt lỏng và bay hơi sản phẩm.
Khử khí chân không kết hợp khuấy trộn
Đối với chất lỏng có độ nhớt cao, chỉ tạo chân không đôi khi chưa đủ để khí thoát ra nhanh. Khi đó, thiết bị có thể sử dụng cánh khuấy trong khi bồn đang được duy trì ở áp suất thấp.
Phương pháp này thường gặp trong quá trình xử lý keo, resin, silicone, vật liệu phủ và các hỗn hợp có độ nhớt cao.
Khử khí chân không kết hợp gia nhiệt
Nhiệt độ ảnh hưởng đến cả độ hòa tan của khí, độ nhớt và tốc độ truyền khối. Vì vậy, trong một số quy trình, chất lỏng được gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp trước hoặc trong quá trình tạo chân không.
Gia nhiệt có thể làm giảm độ nhớt và hỗ trợ khí thoát khỏi chất lỏng nhanh hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ và áp suất phải được kiểm soát chặt chẽ.
Nếu áp suất tuyệt đối trong thiết bị giảm đến gần áp suất hơi bão hòa của chất lỏng tại nhiệt độ đang vận hành, chất lỏng có thể bắt đầu sôi và tạo lượng hơi lớn. Điều này không chỉ gây thất thoát sản phẩm mà còn làm tăng đáng kể tải hơi cho hệ thống chân không.
Hyesungtech – Tư vấn giải pháp bơm chân không cho hệ thống khử khí
Công ty bơm chân không Hyesungtech chuyên tư vấn và cung cấp các dòng bơm hút chân không cao cấp cho hệ thống khử khí công nghiệp, đáp ứng nhu cầu từ các hệ thống khử khí độc lập đến dây chuyền sản xuất vận hành liên tục tại nhà máy.
Tùy thuộc vào loại sản phẩm cần khử khí, áp suất vận hành, lưu lượng khí cần xử lý, hàm lượng hơi nước hoặc hơi dung môi và yêu cầu về độ sạch của quy trình, Hyesungtech tư vấn lựa chọn công nghệ bơm chân không phù hợp, giúp hệ thống đạt và duy trì mức chân không ổn định trong quá trình vận hành.
Hyesungtech có khả năng tư vấn và cung cấp giải pháp chân không phục vụ quá trình khử khí trong nhiều lĩnh vực như:
- Thực phẩm, sữa và đồ uống.
- Dầu và xử lý dầu công nghiệp.
- Hóa chất và hóa dầu.
- Keo, epoxy, resin và silicone.
- Nhựa và polymer.
- Điện – điện tử.
- Vật liệu và các dây chuyền sản xuất công nghiệp.
- …
Hyesungtech đã tham gia cung cấp, lắp đặt và triển khai các giải pháp bơm hút chân không và hệ thống chân không công nghiệp cho nhiều nhà máy, doanh nghiệp sản xuất tại Việt Nam lớn như Samsung, Soeul, Hitachi, Vinamilk…
Nếu doanh nghiệp đang cần bơm hút chân không cho hệ thống khử khí, xây dựng hệ thống mới hoặc cải tạo hệ thống hiện có, hãy liên hệ Hyesungtech theo số 0965 139 860 để được tư vấn giải pháp phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế của nhà máy.
