tính toán thiết kế hệ thống chưng cất tinh dầu

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan tinh dầu 2.1.1 Khái niệm tinh dầu 2.1.2 Tính chất lý hóa 2.1.3 Trạng thái thiên nhiên 2.1.4 Tác dụng sinh học ứng dụng tinh dầu .5 2.2 Tổng quan gừng tinh dầu gừng .6 2.2.1 Tổng quan gừng .6 2.2.2 Tinh dầu gừng .8 2.3 Phương pháp tách tinh dầu 11 2.3.1.1 Phương pháp học .11 2.3.1.2 Phương pháp chưng cất .12 2.3.1.3 Phương pháp trích ly 13 2.3.1.4 Phương pháp hấp phụ 14 2.3.1.5 Phương pháp lên men 15 2.4 Phương pháp chưng cất tách tinh dầu .15 2.4.1 Các phương pháp chưng cất tinh dầu 15 2.4.1.1 Chưng cất với nước 16 2.4.1.2 Chưng cất với nước khơng có nồi riêng 16 2.4.1.3 Chưng cất hới nước có nồi riêng 16 2.4.2 Yếu tố ảnh hưởng trình chưng cất tinh dầu 18 2.4.2.1 Sự khuếch tán .18 2.4.2.3 Nhiệt độ 18 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 3.1 Cân vật chất .19 3.1.1 Tính cân vật liệu .19 3.1.2 Lượng nước có hỗn hợp bay 19 3.1.3 Tính nhiệt độ chưng cất 21 3.2 Tính toán thiết bị nồi chưng cất .22 3.2.1 Thân nồi 22 3.2.1.1 Xác định kích thước 22 3.2.1.2 Xác định bề dày thân nồi 22 3.2.2 Đáy nồi, nắp nồi 24 3.2.2.1 Đáy nồi 24 3.2.2.2 Nắp nồi 26 3.2.3 Vỉ, giỏ nồi 27 3.2.4 Ống dẫn ống xả nước ngưng 27 3.3 Tính tốn cân nhiệt lượng .29 3.3.1 Lượng nhiệt chi phí để đun nóng ngun liệu 30 3.3.2 Lượng nhiệt đun nóng tinh dầu có nguyên liệu .30 3.3.3 Lượng nhiệt cần thiết làm bay tinh dầu .31 3.3.4 Lượng nhiệt tổn thất xạ đối lưu 31 3.3.4.1 Tổn thất đối lưu .31 3.3.4.2 Tổn thất xạ .32 3.3.5 Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị .32 3.3.6 Lượng nhiệt cung cấp cho trình chưng cất 33 3.3.7 Tổng lượng nhiệt cần thiết cho nồi chưng cất 33 3.4 Tính tốn thiết bị ngưng tụ .34 3.4.1 Thông số đầu vào .34 3.4.2 Tính tốn cân nhiệt 35 3.4.3 Lượng nước làm mát cho trình 36 3.4.4 Hiệu số nhiệt độ trung bình .36 3.4.4.1 Xác định nhiệt độ t’d .36 3.4.4.2 Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình giai đoạn 36 3.4.4.3 Xác định thông số giai đoạn 36 3.4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn ngưng tụ 37 3.4.5.1 Hệ số cấp nhiệt giai đoạn I .38 3.4.5.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước làm mát 39 3.4.5.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn I 39 3.4.6 Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn làm lạnh 40 3.4.6.1 Hệ số cấp nhiệt từ nước ngưng đến thành ống 40 3.4.6.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước làm mát 41 3.4.6.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn II là: .41 3.4.7 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt q trình 41 3.4.8 Tổng số ống truyền nhiệt 41 3.4.9 Quy chuẩn thiết bị 41 3.4.9.1 Vận tốc chảy thực tế nước ống 41 3.4.9.2 Kích thước .42 3.4.9.3 Xác định độ dày thiết bị 42 3.4.9.4 Xác định kích thước đường ống nước vào, 43 3.4.9.5 Xác định kích thước ống dẫn vào 43 3.4.9.6 Xác định đường kính nước ngưng 44 3.5 Tính tốn, thiết kế thiết bị phân ly tinh dầu gừng 44 3.5.1 Kích thước .44 3.5.2 Xác định kích thước đường ống 45 KẾT LUẬN .47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 LỜI MỞ ĐẦU Tinh dầu thiên nhiên sản phẩm thông dụng thị trường Nó ứng dụng tương đối phổ biến nhiều lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm, y học, mỹ phẩm số lĩnh vực khác… Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho việc phát triển loại thực vật mà nhiều loại có chứa túi tinh dầu giá trị Trong đó, gừng loại thực vật có tiềm năng, chưa khai thác tận dụng mức Đồng thời xét mặt y học, tinh dầu gừng có mùi thơm dễ chịu, thoải mái, có tác dụng trị cảm giảm stress hỗ trợ chữa số bệnh liên quan đến đường hô hấp… Tuy sản xuất nước ta mang tính nhỏ lẻ, dạng thủ cơng, trình độ kỹ thuật thấp, đầu tư chưa cao Và câu hỏi đặt để tách tinh dầu gừng tạo sản phẩm có giá trị vấn đề được quan tâm Hiện có nhiều phương pháp để chiết rút tinh dầu từ thực vật, có phương pháp chưng cất lơi nước đơn giản, dễ thực cho hiệu suất thu hồi tinh dầu cao Vì vậy, hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Hồng em chọn đề tài “Tính toán, thiết kế thiết bị chưng cất tinh dầu gừng suất 200 kg/ mẻ” Nhằm tìm hiểu cơng nghệ chế biến tinh dầu gừng tính tốn thiết kế thiết bị với quy mô nhỏ Tuy cố gắng nhiều việc thực đồ án với kiến thức cịn hạn chế, q trình tính tốn khơng tránh khỏi thiếu sót khơng mong muốn Em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy để em hoàn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan tinh dầu 2.1.1 Khái niệm tinh dầu Tinh dầu hỗn hợp khác chất bốc nguồn thực vật (rất có nguồn gốc động vật), chất thường có mùi thơm có cấu tạo, tính chất, điểm chảy, điểm sơi, độ tan nước hay dung môi khác nhau, phần lớn chúng khơng tan, xác hay tan nước Các hợp phần tinh dầu hòa tan lẫnvào Nếu lượng tinh dầu khối đồng (một pha), bắt đầu sơi nhiệt độ phụ thuộc vào thành phần tỷ lệ hợp chất 2.1.2 Tính chất lý hóa Đa số lỏng nhiệt dộ thường, số thành phần thể rắn: menthol, bomeol, campho, vanillin, heliotrophin Màu sắc: Không màu màu vàng nhạt Do tượng oxy hóa màu bị sẫm lại Một số có màu đặc biệt: hợp chất azulen có màu xanh mực Mùi: Đặc biệt, đa số có mùi thơm dễ chịu, số có mùi hắc, khó chịu Vị: Cay, số có vị Tỷ trọng: Đa số nhỏ Một số lớn (Quế, Đinh hương, Hương nhu) Tỷ lệ thành phần (aldehyde cinnamic, cugenol) định tỷ trọng dầu Nếu hàm lượng thành phần thấp, tinh dầu trở thành nhẹ nước Độ tan: Không tan nước tan ít, lại hịa tan tốt dung mơi hữu ancol, ete, chất béo… Chỉ số khúc xạ: 1,45-1,56 Rất dễ bị oxy hóa Một số thành phần tinh dầu cho phản ứng đặc hiệu nhóm chức, tạo thành sản phẩm kết tinh hay cho màu 2.1.3 Trạng thái thiên nhiên Tinh dầu phân bố rộng hệ thực vật, đặc biệt tập trung nhiều số họ: Họ hoa tán, họ cúc, họ cam, họ gừng, … Tinh dầu có tất phận - Lá: Bạc hà, Tràm, Bạch đàn - Hoa: Hoa hồng, Hoa nhài, Hoa bưởi - Nụ hoa: Đinh hương - Quả: Sa nhân, Thảo quả, Hồi - Vỏ quả: Cam, Chanh - Vỏ thân: Quế - Gỗ: Long não, Vù hương - Rễ: Thạch xương bồ - Thân rễ: Gừng, Nghệ Hàm lượng tinh dầu thường dao động từ 0,1-2% Một số 5% hồi (5-15%) Đinh hương (15-25%) 2.1.4 Tác dụng sinh học ứng dụng tinh dầu Tinh dầu dược liệu chứa tinh dầu có phạm vi ứng dụng rộng lớn đời sống hàng ngày người, nhiều ngành khác  Trong y dược học Một số tinh dầu dung làm thuốc tác dụng tinh dầu thể hiện: - Tác dụng đường tiêu hóa: kích thích tiêu hóa, lợi mật, thơng mật - Tác dụng kháng khuẩn diệt khuẩn: tác dụng đường hô hấp tinh dầu Bạch đàn, Bạc hà - Một số có tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương: dược liệu chứa tinh dầu giàu anethol: Đại hồi… - Một số có tác dụng diệt kí sinh trùng: Trị sán (Thymol), … - Rất nhiều tinh dầu có tác dụng chống viêm, làm lành vết thương, sinh sử dụng da - Một số dược liệu vừa sử dụng dạng tinh dầu, vừa sử dụng dạng dược liệu như: Quế, Hồi, Đinh hương, Bạc hà, Bạch đàn…để dung làm thuốc  Trong thực phẩm Một lượng lớn dược liệu chứa tinh dầu tiêu thụ thị trường giới dạng gia vị: Quế, Hồi, Đinh hương, Mùi, Thì là, Hạt tiêu…Tác dụng dược liệu bảo quản thực phẩm, làm cho thực phẩm có mùi thơm, kích thích vị giác giúp ăn ngon miệng Ngồi cịn kích thích tiết dịch vị giúp cho tiêu hóa thức ăn dễ dàng Một số tinh dầu thành phần tinh dầu dung làm thơm bánh kẹo, loại mứt, đồ đóng hộp…: Vanilin, menthol, eucalyptol… Một số đưuọc dung để pha chế rượu mùi: Tinh dầu Hồi, tinh dầu Đinh hương Một số dung kỹ nghệ pha chế đồ uông: tinh dầu vỏ cam, chanh … Một số dùng sản xuất chè, thuốc  Kỹ nghệ pha chế nước hoa, xà phòng, mỹ phẩm, loại hương liệu khác Đây làm ngành công nghiệp lớn, sử dụng chủ yếu nguồn tinh dầu thiên nhiên, cịn có chất thơm tổng hợp bán tổng hợp Xu hướng ngày sử dụng hương liệu tự nhiên, đòi hỏi phải sâu ngiên cứu phát nguồn tài nguyên tinh dầu nhằm thõa mãn yêu cầu lĩnh vực 2.2 Tổng quan gừng tinh dầu gừng 2.2.1 Tổng quan gừng Gừng có danh pháp hai phần: Zingiber officinale là loài thực vật hay dùng làm gia vị, thuốc Trong củ gừng có hoạt chất: Tinh dầu zingiberen, chất nhựa, chất cay, tinh Hình Hình ảnh gừng Nguồn gốc phân bố: Cây có nguồn gốc từ Đơng Nam Á chủ yếu dùng làm gia vị châu Á Gừng gia vị xuất xứ sang châu Âu phương Đông ưa chuộng Các vùng Việt Nam trồng nhiều Gừng: Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nên thích hợp cho Gừng phát triển Cây Gừng trồng với mục đích làm gia vị phục vụ nước phục vụ nhu cầu xuất nước Nhật Bản, Pháp, Cây gừng trồng phổ biến tỉnh phía Bắc (Lạng Sơn) vào Nam (Cà Mau…) Đặc điểm thực vật: Củ gừng phát triển ngầm đốt củ có nhiều đốt, đốt có vài mầm non, gặp điều kiện thuận lợi mầm phát triển thành chồi, thành thân Củ gừng có vỏ màu vàng nhạt, thân củ gừng có nhiều sợi dọc Củ gừng có vị cay nồng dùng vào nhiều việc Hoa gừng không mọc từ thân mà mọc từ củ Cuống hoa dài khoảng 20cm, hoa mọc sát Bông hoa dài khoảng 5cm, rộng – 3cm, đài hoa dài khoảng lcm Hoa có cánh màu vàng nhạt, mép cánh hoa màu tím Nếu người ta thu hoạch củ sớm gừng khơng có hoa Cơng dụng: Gừng gia vị phổ biền, gừng trồng khắp nơi sử dụng rộng rãi Gừng có vị cay, thơm, chống khí lạnh Người ta dùng gừng để ăn với ăn có vị lạnh ốc, trứng vịt lộn… Gừng dùng việc nấu cháo chè để tăng vị thơm ngon, gừng dùng để ướp thịt bò để làm giảm mùi mỡ bò, tăng vị thơm Gừng dùng làm mứt gừng từ lâu đời Ngồi việc dùng vào ăn, gừng vị thuốc nam phổ biến Gừng chữa ho, chống cảm lạnh, tăng nhiệt cho thể Gừng ngâm rượu dùng cho xoa bóp chữa đau nhức cơ, tê chân, phong thấp Trong thuốc nam hay thuốc bắc có vài lát gừng Bỏ vài lát gừng vào chè khơng làm cho cốc nước có vị thơm mà cịn có tác dụng chống viêm họng 2.2.2 Tinh dầu gừng Hình Tinh dầu gừng Các số hóa- lý tinh dầu Chỉ số hóa-lý Giá trị Tỷ trọng d25 0,868 Chiết suất nD30 1,4673 Tỷ lệ tinh dầu hòa tan cồn 900 250C 1:4,775 Độ sôi, °C 176 Năng suất quay cực, [α]D30 + 92,8 Chỉ số axit 0,54 Chỉ số xà phòng 6,86 Chỉ số este 6,32 Chỉ số iod 56,375 Ứng dụng tinh dầu gừng Hỗ trợ tiêu hóa điều trị dày Tinh dầu gừng nguyên chất có chứa gastroprotective- chất có tác dụng tốt, có khả bảo vệ dày Nhờ vậy, tinh dầu gừng phương pháp tự nhiên đặc biệt hiệu việc hỗ trợ điều trị co thắt đau dày Ngoài số thành phần khác trong tinh dầu gừng cũng có tác dụng tốt cho hệ tiêu hóa Nó sử dụng để điều trị đau bụng, tiêu chảy, khó tiêu, hỗ trợ tiêu hóa hiệu Chống nhiễm trùng Tinh dầu gừng nguyên chất có thành phần có khả khử trùng, sát khuẩn mạnh mẽ Do vậy, ứng dung nhiều việc điều trị bệnh nhiễm trùng đường ruột, kiết lỵ vi khuẩn ngộ độc thực phẩm gây Ngồi ra, cịn sử dụng để điều trị chống lại bệnh sốt rét, với triệu chứng sốt, nôn mửa, nhức đầu, mệt mỏi Hỗ trợ điều trị triệu chứng liên quan đến hô hấp Với đặc tính nóng, tinh dầu gừng ngun chất có khả làm tan chả chất nhầy đồng thời đào thải chúng ngồi Nó ứng dụng để điều trị số 10  Giai đoạn II (quá trình làm lạnh): (T d−t ' d )−( T d −t c ) θ2 = ln 3.4.4.3 ' d T d −t T d−t c ( 98,4−28,1 )−( 30−25 ) 98,4−28,1 = =24,7 (oC) (tr102, TL6) ln 30−25 Xác định thông số giai đoạn  Xác định nhiệt độ trung bình lưu thể giai đoạn:  Giai đoạn I (ngưng tụ): lưu thể thay đổi pha (hơi dầu), nhiệt độ nước làm mát xác định: ttb = Td-θ1= 98,4-61,46=36,94 (oC) (tr102, TL6) I  Giai đoạn II (làm lạnh): chiều hai lưu thể ngược chiều Vì Td −Tc > td' −td nên:  Nhiệt độ trung bình nước làm mát: tn=0,5.( td'+ td) =0,5.(28,1+25)= 26,6 (oC) (tr102, TL6)  Nhiệt độ trung bình nước ngưng tụ: Tnc= tn+θ2= 26,6+24,7= 51,3(oC) (tr102, TL6) Các thông số lưu thể:  Tại giai đoạn I:  Hơi bão hòa T =98,4 (oC): d  - Nhiệt hóa rn = 540 (kcal/kg)=2,26.106(J/kg) Nước làm mát tnI = 36,94 (oC) - Độ nhớt động μ1 = 0,71312.10−3 (N.s/m2) - Khối lượng riêng ρ1 = 993,826(kg/m3) - Nhiệt dung riêng cp = 4180,9527(J/Kg.oC) - Hệ số dẫn nhiệt λ 1= 0,6268 (W/m.oC) Suy ra, chuẩn số Pran: Prf=  Nước làm mát t c p μ 4180,9527.0,71312 10−3 = = 4,756 λ 0,6268 = 26,6 (oC) - Độ nhớt động μ2 = 0,9091.10−3 (N.s/m2) - Khối lượng riêng ρ2 = 997,268(kg/m3) n II 39 - Nhiệt dung riêng cp = 4182,5923(J/Kg.oC) - Hệ số dẫn nhiệt λ 2= 0,6069 (W/m.oC) Suy ra, chuẩn số Pran: Prf= c p μ 4182,5923.0,9091 10−3 = = 6,625 λ 0,6069 3.4.5 Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn ngưng tụ Chọn ống truyền nhiệt thép không gỉ SUS 304, ϕ = 25(mm), δ= 2(mm), có chiều dài Hong =1,2(m):  Trọng lượng D =1,27(kg/m)  Hệ số dẫn nhiệt λinox =17,5 (W/m.do) Tương ứng giai đoạn có bề mặt trao đổi nhiệt, bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho toàn trình ngưng tụ tổng số bề mặt trao đổi nhiệt hai giai đoạn Do đó, ta có: F=F1 +n.F2(m2 ) Trong đó: - F1 − diện tích bề mặt trao đổi nhiệt giai đoạn I - F2 −là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt giai đoạn II - n- số thực nghiệm, ống chùm n=2 3.4.5.1 Hệ số cấp nhiệt giai đoạn I Hệ số cấp nhiệt α I1 xác định công thức: I α 1= 2,04.A √ r ∆t H (W/m2.oC) Trong đó: - ∆ t= TH-tw1 hiệu số nhiệt độ bão hịa nhiệt độ phía mặt của ống tiếp xúc với - r= 2,26.106(J/kg) - TH= 98,4 (oC) - H= 0,6 m 40 - A= ( ρ λ 0,25 ) , A phụ thuộc vào nhiệt độ màng μ tm= 0,5.(TH+tw1)= 0,5.(98,4+ tw1) Chọn ∆ t1= 5oC, tw1= 93,4oC tm= 0,5.(98,4+ 93,4)= 96oC Tra bảng 29, STHC tập 2, xác định A phương pháp nội suy: tm= 96oC, A= 177,75  α I1= 2,04.177,75 2,26 10 = 10682,84 (W/m2.oC) √ I 5.0,6  q1= α ∆ t1=10682,84.5=53414,2 (W/m2) Độ chênh lệch nhiệt độ phía thành ống là: ∆ tw= q1.∑ r (oC) δ λ Với ∑ r = r1+ +r2 Xác định tổng trở nhiệt trở trung bình lớp cáu bẩn r1 +r2 dựa vào Bảng V.I, STHC tập 2, nước r2 = 0,116.10−3 (m2.do/W), nước thường r1 = 0,464.10−3(m2.do/W) Do đó, tổng trở nhiệt: δ 0,002 ∑ r= r1+ λ +r2= 0,464.10−3+0,116.10−3+ 17,5 = 7.10-4 (m2.do/W)  ∆ tw= q1.∑ r = 53414,2 7.10-4= 37,38 (oC) Nhiệt độ phía ngồi đường ống: tw2= tw1-∆ tw= 93,4-37,38= 56,02 (oC)  ∆ t2= tw2-tf= 56,02-32,5= 23,52 (oC) Tra thông số lưu thể: Tại tw2 = 56,02 (oC): - Nhiệt dung riêng: cp = 4186,088(J/kg.oC) - Độ nhớt động: μ= 0,48695.10−3 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt: λ= 0,6565 (W/m.oC) àTừ đây, ta xác định chuẩn số Pr: Prtw1= c p μ 4186,088.0,48695 10−3 = = 3,105 λ 0,6565 3.4.5.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước làm mát Xác định α I2 công thức: 41 α I2= Nu λ o d td (W/m C) Với chuẩn số Nuselt xác định từ công thức Nu= 0,021.ε k Re0,8.Pr0,43.( Pr f ¿ ¿0,25 Pr tw Trong đó: l d - ε k - hệ số phụ thuộc = h 1,5 = = 66,67 nên chọn ε k =1; d 0,0225 - Chọm Re= 12000;  Nu= 0,021.1.120000,8.4,75670,43 (  α I2= 0,25 4,7567 ) 3,105 = 83,78 83,78.0,6268 = 2333,92 (W/m2.oC) 0,0225  q2= α I2 ∆ t2= 2333,92.23,52= 44531,28 (W/m2) 3.4.5.3 F1= Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn I Q1 Q1 = (m2) q tb 0,5.(q 1+ q2) Lấy tổn thất nhiệt 5%, đó: F1=1,05 −4 Q1 126,06.1 3,4 10 = 1,05 = 0,92 (m2) 0,5.( q1 +q 2) 0,5.(53414,2+ 44531,28) 3.4.6 Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn làm lạnh Chế độ chảy lưu thể (hỗn hợp tinh dầu nước sau ngưng tụ) chảy thành màng theo mặt tường tác dụng trọng lực 3.4.6.1 Hệ số cấp nhiệt từ nước ngưng đến thành ống Chọn độ chênh lệch nhiệt độ lưu thể bề mặt ống truyền nhiệt ∆ t1=9,5 (oC) Ta xác đinh nhiệt độ tường phía ngồi ống: tw1= tf - ∆ t1= 45,42-9,5=35,92oC Nhiệt độ màng: tm = 0,5 (tf +tw1)= 0,5.(45,42 +35,92)=40,67( oC) Tại 40,67 (oC): - Nhiệt dung riêng cp = 4184,6333 (J/kg.oC) 42 - Độ nhớt động: μ= 0,51688.10−3 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt: λ= 0,65215 (W/m.oC) - Khối lượng riêng ρ = 986,33(kg/m3) 4.0,013 G  Re= π d n μ = π 0,059 0,51688 10−3 = 543,86 < 2000  Màng chảy dòng, suy ra: Nu= 0,67.(Ga2.Pr Re3 ) 1/9 Mà: 0,63 986,332 9,81 H ρ2 g Ga= = = 7,72.1019 (0,51688.10¿¿−3)2 ¿ μ2 Pr= c p μ = 3,3154 λ Từ đó, xác định Nu:  Nu=1470,51  α I2= Nu λ o H = 1598,323 (W/m C) Nhiệt tải riêng q1:  q1=α I2.∆ t1=1598,323.9,5 =15184,069 (W/m2 ) Độ chênh lệch nhiệt độ hai bên thành ống:  ∆ tw= q1.∑ r =15184,069.7.10 −4 =10,62 (oC) Nhiệt độ phía tường ống:  tw2= tw1-∆ tw= 40,67-10,62= 30,05 (oC) Chênh lệch nhiệt độ nước làm mát bề mặt tường ống:  ∆ t2= tw2-tf= 30,05-29,45= 0,6 (oC) 3.4.6.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước làm mát Tại nhiệt độ 30,05oC: - Nhiệt dung riêng cp = 4181,1344 (J/kg.oC) - Độ nhớt động: μ= 0,677014.10−3 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt: λ= 0,6311(W/m.oC) 43 Xác định chuẩn số Prant: Prtw2= c p μ = 4,4853 λ Vì chọn chuẩn số Re>104, chuẩn số Nuselt dịng nước: Nu= 0,021.ε k Re0,8.Pr0,43.( Pr f ¿ ¿0,25 Pr tw  Nu= 0,021.1.120000,8.6,26530,43.( II  α2 = 6,2653 0,25 ¿ ¿ = 85,96 4,4853 85,96.0,6311 = 2411,08 (W/m2.oC) 0,0225  q2= α II2 ∆ t2 = 2411,08.0,6= 22615,95 (W/m2) 3.4.6.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn II là: F2= Q2 Q2 = (m2) q tb 0,5.(q 1+ q2) Lấy tổn thất nhiệt 5%, đó: F1=1,05 −4 Q2 23,06.1 3,4 10 = 1,05 = 0,44 (m2) 0,5.( q1 +q 2) 0,5.(15184,069+22615,95) 3.4.7 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt q trình F= F1+n.F2= 0,92+2.0,44= 1,8 (m2) 3.4.8 Tổng số ống truyền nhiệt F 1,8 ≈ 22 (ống) n= π d l = π 0,0225 1,2 tb 3.4.9 Quy chuẩn thiết bị 3.4.9.1 Vận tốc chảy thực tế nước ống Vận tốc xác định mối quan hệ sau: 1,5 Gn 1,5.2160 ω tt= π = = 0,103 (m/s) π n 3600 ρ d 22.3600.995,68 0,0225 4 Tại nhiệt độ trung bình nước (cho giai đoạn): t tb= 32,5+29,45 = 30,975 oC 44 - Khối lượng riêng nước: ρ = 995,68 (kg/m3) - Chuẩn số Re giả thiết Re =12000  Vận tốc nước chảy theo giả thiết: ω gt= ℜ μ 12000.0.8007 10−3 = = 0,43 (m/s) ρ.d 0,0225.995,68  Số lối ống: m= ω¿ 0,43 ≈ (lối) = ωtt 0,103 3.4.9.2 Kích thước - Tổng số ống truyền nhiệt: 24 ống (theo cách xếp hình lục giác, dựa vào Sổ Tay Hóa Cơng tập 2) - Cách xếp ống: xếp theo hình lục giác - Số ống đường chéo hình lục giác đều: b = - Chiều dài ống: 1,2(m) - Số hình lục giác: no = - Bước ống t = 2dong = 2.0,0225 ≈ 0,05(m) - Số lối ống: - Đường kính thiết bị: D= t.(b-1) +4d = 0,05 (5-1)+4.0,0225 = 0,3(m) Nhưng thiết kế cịn tính đến diện tích bị chiếm chỗ lắp thêm ống ngưng nên đường kính tăng lên D = 0,35(m) 3.4.9.3 Xác định độ dày thiết bị Thiết bị chịu áp suất nên chiều dày vỏ tính theo cơng thức: δ v= p Dt [ σ k ] φ + C (mm) Với: - p – áp suất bên vỏ, gần áp suất khí quyển, p= 0,1(N/m2) - Dt- đường kính thiết bị, Dt= 350 (mm) 45 - [ σ k ]- ứng suất kéo cho phép thép, [ σ k ]= 101 (N/mm2) - φ - hệ số bền mối hàn giáp mối máy, φ = 0,8 - C- hệ số bổ sung, C= 2(mm)  δ v= p Dt [ σ k ] φ + C= 0,1.350 + ≈ 2,2 (mm) 2.101.0,8 Để đảm bảo độ bền học, chọn δ v= (mm)  Đường kính ngồi thiết bị: Dng= Dt+2.δ v= 350+2.3= (mm) 3.4.9.4 Xác định kích thước đường ống nước vào, Đường kính ống xác định biết lưu lượng vận tốc dòng chảy qua cơng thức: dn¿ √ 4.Gn (m) π ν Trong đó: - v− vận tốc dòng chảy ống, v = 2,5(m/s) - Gn − lưu lượng nước làm mát, Gn = 0,6(kg/s) = 6.10−4 (m3 / s) Vậy, ta có: dn¿ √ 4.Gn = π ν √ −4 4.6 10 = 0,017 (m) π 2,5 Quy chuẩn đường ống: chọn ống DN20∅27 Thơng thường, nước làm mát nóng lên sau q trình làm tăng thể tích riêng lớn nên ta lấy đường kính ống dẫn nước cao 25% so với đường kính dẫn nước vào, nhiệt độ đầu nước làm mát không cao (chỉ 45 oC) nên ta lấy đường kính với đường kính ống nước làm mát vào  dra = dvao = 20(mm)  Vậy chọn ống dẫn nước ống DN20∅27 3.4.9.5 Xác định kích thước ống dẫn vào Chọn vận tốc vào thiết bị trao đổi nhiệt v' =10(m/s), lưu lượng vào thiết bị Gh = 51(kg/h) mà thể tích riêng áp suất atm v" =1,6937(m3 / kg) 46 = 0,024(m3/s) L=  dhoi= √ 4.0,024 = 0,055 (m) = 55mm π 10 Chọn ống DN65Ø76 3.4.9.6 Xác định đường kính nước ngưng Ta có: - Gn n = 51(kg/h) - Khối lượng riêng hỗn hợp Tc = 30(oC): ρ = 994,06(kg/m3)  Lưu lượng thể tích: M= Gnn 51 = = 0,051 (m3/h)= 1,42.10-5(m3/s) 994,06 ρ - Vận tốc dòng tự chảy vnn = 0,05(m/s) (STHC tập 2, tr370) −5  dhoi= 4.1,42.10 = 0,019 (m) = 19 mm √ π 0,05 Chọn ống DN20Ø27 3.4.9.7 chọn nắp, đáy cho thiết bị ngưng tụ Như ta có Dt=350mm tra sổ tay hóa cơng tập trang 388 Đáy nắp hình elip có gờ : Dt=350mm , hb=88m, h =25mm, s= mm 47 3.5 Tính tốn, thiết kế thiết bị phân ly tinh dầu gừng 3.5.1 Kích thước Chọn thể tích thiết bị phân ly 3% ( thơng thường từ 1-3 %) thể tích nồi chưng, tỉ lệ chiều cao đường kính (h = 2d)  Vpl = 3%.Vnoi = 3%.1000 = 30 (l)  Vpl= S.h= π d2 π d3 h= = 0,03 (m3)  d= 0,267 (m) = 267 mm => quy chuẩn 0,3 m  Tiết diện bình phân ly: S= π d2 = 0,07 (m2)  h= 2.d= 600 mm = 0,6m Do thiết bị không chịu áp suất nên bề dày sv = mm Dựa vào định luật Stock, xác định vận tốc hạt tinh dầu: ω 1= 2r ( g2 −g 1) (m/s) 9m Trong đó: - r- bán kính hạt tinh dầu, qua thực nghiệm xác định r =1,5.10−3 (m) - g2 − trọng lượng riêng tinh dầu - g1 −trọng lượng riêng nước - m− độ nhớt Trong đó, vận tốc lắng xác định bằng: ω 2= L (m/s) F Với: - L − lưu lượng nước (m3/s) 48 - F− diện tích bình chứa (m2) ω1 đánh giá tốc độ phân ly: K lớn tốc độ phân ly nhanh ω2 muốn tăng K: tăng ω giảm ω Vận tốc phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ hỗn hợp sau khỏi bình lạnh, nhiệt độ cao phân ly tốt r, m, γ giảm nhanh so với γ Nhưng nhiệt độ cao tinh dầu hòa tan vào nước bay Đối với việc giảm ω 2, từ công thức xác định vận tốc lắng: tốc độ chưng cất không đổi (V), nên việc giảm ω làm tăng F cách làm vách ngăn Vách ngăn chia Tỉ số K= tiết diện bình phân ly theo ngun tắc tăng diện tích phần chịu tác dụng lực chìm Vậy cần ngăn, chia tiết diện thiết bị phân ly thành phần: phần tiết diện 3 lớn S2= S; phần tiết diện nhỏ S1= S, nơi có vịi dẫn hỗn hợp từ bình lạnh Mức tinh dầu nước thiết bị phân ly có khác Như biết trọng lượng riêng tinh dầu nước với chiều cao chúng thiết bị phân ly có tỉ lệ: h2−h Υ 2−Υ Υ1 = h2-h1= h2.( 1- ) h2 Υ2 Υ2 h1 −là chiều cao từ mực lớp tinh dầu đến vòi nước h2 − chiều cao từ mực lớp tinh dầu đến vòi dầu Lượng tinh dầu thu sau chưng cất: Vd =5,75.10−3 (m3) V d 3.V d 3.5,75 10−3  h2= = = = 0,246 (m) = 246 mm S1 S 0,07 Mà Υ1 868 ≈ 0,87 nên: = Υ 994,06  h1= h2- h2.( 1- Υ1 )= 246-246.(1-0,87)= 214 mm Υ2 Khoảng cách vòi dầu vòi nước là: h2-h1= 246-214= 32 mm Thời gian lưu - Việc xác định thời gian lưu thơng qua thơng số: thể tích bình chứa lưu lượng hỗn hợp vào - Ta có lưu lượng hỗn hợp nước chưng vào thiết bị: L = M = 1,42.10-5 (m3/s) - Vậy thời gian lưu hỗn hợp thiết bị phân ly: 49 t= 0,03 Vpl = −5 = 2112 (s) ≈ 35 (phút) L 1,42×10 Tốc độ phân ly - Để tính tốc độ phân ly phải dựa vào vận tốc hạt tinh dầu vận tốc lắng nước Vận tốc phân ly xác định tương đối thông qua vận tốc hạt tinh dầu vận tốc lắng nước - Dựa vào định luật Stock, xác định vận tốc hạt tinh dầu: 2r ( γ 2−γ ) g ω 1= 9m Trong đó: r bán kính hạt tinh dầu, m (theo thực nghiệm có: r =1.5×10−3 m) γ trọng lượng riêng tinh dầu, kg/m3 γ trọng lượng riêng nước, kg/m3 g gia tốc trọng trường (g = 9.81 m/s2) m độ nhớt động lực học môi trường, kg/m.s  Tại nhiệt độ hỗn hợp vào thiết bị phân ly, ta có trọng lượng riêng: γ = 994.06 kg/m3; γ = 868 kg/m3  Môi trường nước 30℃ , tra độ nhớt theo bảng I.101 – 92 [2] ta có: m = 0.801×10-3 N.s/m2 = 0.801×10-3 kg/m.s  Vậy có: 2 ω 1= 2r ( γ 2−γ ) g 2× ( 1.5× 10−3 ) ×(994.06−868)× 9.81 = = 0.772 (m/s) 9m ×0.801 ×10−3 - Vận tốc lắng nước xác định theo công thức: ω 2= L S Trong đó: L lưu lượng nước chưng vào thiết bị, m3/s S tiết diện bình chứa, m2  Lưu lượng nước chưng vào thiết bị: L =M = 1,42×10-5 (m3/s)  Tiết diện bình chứa là: 50 π D1 π × 0.32 S= = = 0.07 (m2) 4 Vậy có: ω2 = L 1,42×10−5 = 2,03×10-4 (m/s) S = 0.07 - Xét vị trí hỗn hợp nước chưng từ vịi nạp liệu vào khơng gian thiết bị ω , đồng thời nước lắng xuống phân ly Ta thấy hạt tinh dầu lên với vận tốc ⃗ ω (2 vectơ ngược chiều nhau) Khi ta có vectơ tốc độ phân ly: với vận tốc ⃗ ⃗1 + ⃗ ω2 ⃗v = ω Vậy tốc độ phân ly là: v = |ω 1−ω 2| = |0.772−2,03× 10−4| = 0.771 (m/s) 3.5.2 Xác định kích thước đường ống - Đường kính ống dẫn nước ngưng từ bình làm mát: chọn ống DN20∅27 (bằng với đường kính ống sản phẩm thiết bị trao đổi nhiệt) - Đường kính vịi dầu chọn ống DN15∅21 - Đường kính vịi nước chọn ống DN20∅27 - Đường kính ống xả đáy chọn ống DN15∅21 51 KẾT LUẬN Bản thuyết minh thành trình tìm hiểu nghiên cứu em với hướng dẫn tận tình GVHD TS Nguyễn Ngọc Hồng Trên lý thuyết thiết bị tạo đáp ứng suất theo yêu cầu, đảm bảo yêu cầu công nghệ với sản phẩm Hệ thống chưng cất cịn phát triển thêm nhiều mặt Với hệ thống này, chất lượng sản phẩm nâng cao cách tối đa nhất, tiến tới đáp ứng tiêu chuẩn cho xuất sản phẩm Qua đề tài này, em nắm vững kiến thức học chưng cất, khí, Và để bắt kịp với xu sinh viên cịn cần phải cải thiện nhiều thứ Nếu muốn thành cơng nhiệm vụ tiên quyết! 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Năng Vinh – Nguyễn Thị Minh Tú Công nghệ chất thơm thiên nhiên NXB Bách Khoa Hà Nội (2009) [2] Trần Xoa – Nguyễn Trọng Khuông – Hồ Lê Viên Sổ tay QT TB Cơng nghệ hóa chất (Tập 1) NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội (2006) [3] Trần Xoa – Nguyễn Trọng Khuông – Phạm Xuân Toản Sổ tay QT TB Cơng nghệ hóa chất (Tập 2) NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội (2006) [4] Tôn Thất Minh (Chủ biên) Các q trình thiết bị cơng nghệ thực phẩm-công nghệ sinh học (Tập 2) NXB Khoa Bách khoa Hà Nội (2017) [5] L Q Thanh, Cơ Sở Sản Xuất Tinh Dầu Ở Địa Phương, Hà Nội: Nhà xuất Công Nghiệp, 1969 [6] Phạm Xuân Toản Các trình, thiết bị cơng nghiệp hóa chất thực phẩm (Tập 3) NXB Khoa học Kỹ Thuật Hà Nội (2003) [7] John E Bringas, Editor Handbook of Comparative World Steel Standards (August 2004) 53