Kỹ thuật sấy và chưng cất đề tài sấy thăng hoa

Công nghệ này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong công nghệ dược phẩm để giữ gìn và bảo quản các chất có hoạt tính sinh học; trong công nghệ sinh học để bảo quản tế bà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-

***

Môn học Kỹ thuật Sấy và Chưng cất:

1 Đỗ Thái Sơn 21147225 + Tìm hiểu về khái niệm về

sấy thăng hoa, điểm ba thể + Tìm hiểu, phân loại các hệ thống sấy thăng hoa, sơ đồ hệ thống, cấu tạo các thiết bị trong hệ thống sấy thăng hoa

100%

2 Trịnh Xuân Thanh 21147228 + Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, các giai đoạn trong sấy

  

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Lê Minh Nhựt người đã cùng với sự tận tình của mình và sự chuyên tâm trong công việc đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm trong suốt quá trình học và làm bài báo cáo, giúp cho học kì vừa qua của hai em trở nên ý nghĩa hơn bao giờ hết.

Thông qua quá trình học và bài tiểu luận này, do sự thiếu sót về kinh nghiệm và hạn chế về thời gian cho nên là sự sai sót thì không thể tránh được Nhóm chúng em rất mong nhận được lời nhận xét và sự đóng góp của thầy

Lời cuối, nhóm chúng em xin cảm ơn thầy, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật đã tạo cho chúng em một môi trường học tập tốt, thân thiện đúng với triết lý: “Hội nhập Nhân bản Sáng tạo” Em và các bạn rất vui khi là một thành viên của - -trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 12 năm 2023 Sinh viên thực hiện đề tài

Trịnh Xuân Thanh Đỗ Thái Sơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA 8

1.1 Lịch sử hình thành phát triển của công nghệ sấy thăng hoa 8

1.2 Khái niệm chung về điểm 3 thể 8

1.3 Khái niệm về sấy thăng hoa 8

1.4 Phân loại hệ thống sấy thăng hoa 9

1.4.1 Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng 9

1.4.2 Hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông 10

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 11

2.1 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa 11

2.2 Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa 11

2.2.1 Buồng sấy thăng hoa 11

2.2.2 Thiết bị ngưng tụ đóng băng- 12

2.2.3 Thiết bị bơm chân không 12

2.2.4 Hệ thống làm lạnh 13

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy thăng hoa 13

2.3.1 Nguyên lý cơ bản của sấy thăng hoa 13

2.3.3 Các giai đoạn sấy 15

2.4 Thông s k thu t cố ỹ ậ ủa hệ thống sấy thăng hoa 17

19

CHƯƠNG 3: ƯU NHƯỢC ĐIỂM, ỨNG DỤNG VÀ THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA Ở NƯỚC TA 20

3.1 Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy thăng hoa 20

3.1.1 Ưu điểm 20

3.1.2 Nhược điểm 21

3.2 Ứng dụng của công nghệ sấy thăng hoa 22

3.3 Thành tựu của công nghệ sấy thăng hoa ở nước ta 23

CHƯƠNG 4: BẢO TRÌ VÀ BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 25

4.1 Một số biện pháp bảo trì bảo dưỡng hệ thống sấy thăng hoa 25

C KẾT LUẬN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

6

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sấy thăng hoa là một trong những kỹ thuật và công nghệ sấy tiên tiến nhất hiện nay, ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm Công nghệ này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong công nghệ dược phẩm để giữ gìn và bảo quản các chất có hoạt tính sinh học; trong công nghệ sinh học để bảo quản tế bào, bảo quản gen và bảo quản các chế phẩm sinh học; và trong công nghệ thực phẩm nhằm dùng để bảo quản sản phẩm không bị mất các chất có giá trị về mặt dinh dưỡng, dược phẩm và mỹ phẩm… Nói chung, nó làm ra các sản phẩm có chất lượng tốt, bảo toàn gần như nguyên vẹn phầm chất ban đầu của nguyên liệu

Sau một thời gian tìm hiểu, từ những kiến thức thu được trong quá trình học tập, nhóm chúng em xin được chọn đề tài: Freeze Dryers (Sấy thăng hoa) để học hỏi sâu hơn về công nghệ sấy và củng cố thêm nhiều kiến thức Trong quá trình tìm hiểu còn hạn hẹp nhiều về mặt kiến thức chúng em mong thầy xem xét bỏ qua và góp ý giúp chúng em hoàn thiện bài báo cáo hơn

2 Mục tiêu tìm hiểu

Phương pháp sấy thăng hoa có ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng sản phẩm, chi phí năng lượng và giá thành sản phẩm Mỗi loại thực phẩm nguyên liệu với những đặc tính cấu tạo khác nhau cần phải có phương pháp hợp lý Hiện nay không khó để tìm kiếm thông tin về những phương pháp sấy thăng hoa hiện nay Tuy nhiên vẫn chưa có nội dung tổng hợp chi tiết các phương pháp sấy thăng hoa

Với mục đích muốn có thêm hiểu biết về các hệ thống sấy thăng hoa và tổng hợp những nội dung chi tiết về các phương pháp sấy hiện nay ở Việt Nam, từ đó có thêm hiểu biết về công nghệ sấy thăng hoa để ứng dụng cho các dự án nghiên cứu sau này.

3 Phương pháp tìm hiểu

Tìm hiểu, phân tích, tổng hợp những tài liệu những thông tin có trong sách, giáo trình, các phương tiện truyền thông đại chúng như: báo, đài, tạp chí

4 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sấy thăng hoa

Chương 2: Tổng quan về sơ đồ hệ thống, cấu tạo nguyên lý hoạt động và thông số, của hệ thống sấy thăng hoa

Chương 3: Ưu nhược điểm, ứng dụng và thành tựu của công nghệ sấy thăng hoa ở nước ta

Chương 4: Bảo trì và bảo dưỡng hệ thống sấy thăng hoa

8

B NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA

1.1 Lịch sử hình thành phát triển của công nghệ sấy thăng hoa

Lịch sử của công nghệ sấy thăng hoa được phát hiện từ rất sớm bởi một số người Tây Tạng (Trung Quốc), khi họ leo lên những ngọn núi cao có băng tuyết phủ đầy quanh năm và thấy hiện tượng tảng băng đang bốc hơi thành những làn khói trắng Công nghệ sấy thăng hoa được phát triển hơn vào chiến tranh thế giới thứ 2 nhằm phục vụ các nhu cầu chiến tranh

1.2 Khái niệm chung về điểm 3 thể

Điểm ba thể (Triple point of water) là điểm 3 trạng thái mà nước hay chất lỏng đạt đồng thời một mức nhiệt độ và áp suất nhất định G trị áp suất và nhiệt độ này khiến iá nước hay chất lỏng đạt cân bằng giữa ba trạng thái rắn, lỏng, khí

Tại điểm ba thể thì vật chất tồn tại một nhiệt độ và áp suất nhất định Ứng với nhiệt độ là 0,0098 oC, và áp suất 4,58 atm Tại điểm ba trạng thái này, chỉ cần thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, thì vật chất sẽ chuyển về dạng rắn, lỏng, hoặc khí [3 ].

Hình 1.1: Hình ảnh sơ đồ của điểm 3 thể

(Nguồn: Internet, hình ảnh của điểm ba thể) 1.3 Khái niệm về sấy thăng hoa

Thăng hoa là quá trình tách nước chuyển pha từ thể rắn sang thể khí không thông qua thể lỏng Sấy thăng hoa hay còn gọi là sấy đông khô, sản phẩm sẽ được đưa vô

buồng sấy ở nhiệt độ âm sâu từ 40 ºC đến 60 ºC và áp suất chân không Ở trong môi - -trường chân không thì nước ở trạng thái băng lập tức chuyển pha thành trạng thái hơi mà không thông qua trạng thái lỏng, vì vậy các thực phẩm sẽ ít biến đổi cấu trúc và hình dạng ban đầu.[2]

* Ở điều kiện thường:

+ Áp suất khí quyển 1atm, nhiệt độ phòng, thì nước đá chuyển từ pha rắn sang lỏng, rồi từ lỏng sang hơi khi nhiệt độ tăng dần

* Ở điều kiện đặc biệt:

+ Nhiệt độ âm sâu, áp suất chân không (dưới điểm ba thể) thì sẽ xảy ra hiện tượng thăng hoa mà không thông qua trạng thái lỏng

1.4 Phân loại hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa có thể được phân thành hai loại chính như sau: 1.4.1 Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng

+ Đây là loại hệ thống sử dụng hệ thống lạnh một cấp nén chạy cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng để hóa tuyết hơi ẩm Hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh amoniac (NH3), hoặc freon 22 Trước khi sấy thăng hoa sản phẩm được đông lạnh ở các thiết bị cấp R đông độc lập như: tủ cấp đông, phòng lạnh đông, kho lạnh…Sau khi cấp đông xong, chuyển sản phẩm vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy thăng hoa Hiện nay thì hệ thống này sử dụng cho công nghiệp là chủ yếu, và hệ thống này có thể sử dụng cho sấy chân không và sấy nhiệt độ thấp [1 ].

* Ưu điểm: + Quy trình sẽ đơn giản

+ Việc làm khô bằng hơi nước chi phí sẽ rẻ hơn sấy đông khô

* Nhược điểm: + Do buồng sấy cấp đông riêng nên phải có thời gian vận chuyển, tốn

nhân lực

+ Sự chênh lệch về nhiệt độ có thể làm nguyên liệu bị nóng chảy một phần, làm hỏng tính chất sản phầm

10 1.4.2 Hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông

Là hệ thống thực hiện quá trình lạnh đông sản phẩm ngay tại buồng sấy thăng hoa Nhiệt độ môi trường cấp đông sản phẩm chỉ nằm trong khoảng 40 đến - -30 oC, bởi vì hệ thống sấy thăng hoa này sử dụng hệ thống lạnh một cấp nén Nếu hệ thống muốn cấp đông lạnh sâu hơn thì có thể dùng hệ thống lạnh hai cấp nén, ba cấp nén, ghép tầng.[1]

* Ưu điểm: + Vì hệ thống tự cấp đông nên không ảnh hưởng đến nhiệt độ sản phẩm

trước khi sấy

+ Các đặc tính, cấu trúc, màu sắc của sản phẩm vẫn được giữ gần như nguyên vẹn ban đầu

* Nhược điểm: + Thời gian sấy có thể dài

+ Quá trình vận hành tiêu tốn nhiều năng lượng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA 2.1 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa

Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa có rất nhiều loại, phụ thuộc vào quy mô sản xuất, mục đích sử dụng, thường hệ thống sấy thăng hoa có các thành phần chính như sau: Buồng sấy thăng hoa, bình ngưng, bơm chân không, hệ thống làm lạnh

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa cơ bản: 1 buồng sấy, 2 dàn ngưng- -3-máy hút chân không, 4-nắp

(Nguồn: Internet)

2.2 Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa có cấu tạo các bộ phận sau: 2.2.1 Buồng sấy thăng hoa

Thường có cấu tạo hình trụ kín, có thể đặt nằm ngang hoặc thẳng đứng Là nơi thực hiện quá trình sấy thăng hoa vật liệu bằng cách cho vật liệu sấy nhận nguồn nhiệt truyền từ nước nóng thông qua các tấm gia nhiệt tại đây sản phẩm bị đóng băng sẽ thăng hoa thành hơi nước Phía trong bình thăng hoa người ta bố trí các hộp kim loại xen kẽ nhau Trên các hộp đó là các khay chứa vật liệu sấy Trong các hộp là nước nóng chuyển dòng được bơm lên từ bơm nước nóng Do môi trường trong bình thăng hoa là môi trường chân không, mật độ phân tử khí rất thấp, nên nhiệt lượng được nước nóng truyền đi sẽ tiếp xúc với môi trường chân không, do đó hình thức truyền nhiệt chính trong bình thăng hoa này là truyền nhiệt bằng bức xạ nhiệt

12

Hình 2.2: Buồng sấy thăng hoa trong thực tế

(Nguồn: Internet) 2.2.2 Thiết bị ngưng tụ đóng băng-

Vai trò của thiết bị ngưng tụ đóng băng trong hệ thống sấy thăng hoa rất quan - trọng, hơi ẩm bốc ra từ sản phẩm được làm lạnh để hóa tuyết trước khi bơm chân không hút ra ngoài Nó đảm bản cho bơm chân không hoạt động ổn định, tránh gây va đập thủy lực dẫn đến làm hư bơm

2.2.3 Thiết bị bơm chân không

Bơm chân không là thiết bị có chức năng hút khí, tạo môi trường chân không trong các thiết bị Vấn đề tạo môi trường chân không rất quan trọng bởi vì cường độ bay hơi ẩm phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh lệch áp suất riêng phần hơi ẩm và hơi ẩm trên bề mặt của sản phẩm sấy Nhiệm vụ của bơm chân không sẽ hút khí trong buồng sấy sao cho áp suất nhỏ hơn áp suất điểm ba thể (Po = 4,58 mmHg), làm quá trình đông sản phẩm lần đầu nhanh chóng cho bình thăng hoa [4]

Hình 2.3 Hình ảnh bơm chân không hãng Woosung FRU 2880

(Nguồn: Website, trang chủ Navatech) 2.2.4 Hệ thống làm lạnh

Hệ thống lạnh máy sấy thăng hoa sẽ có hai giai đoạn làm việc, thường sử dụng hệ thống lạnh hai cấp nén hoặc nhiều cấp nén Giai đoạn một là làm lạnh đông sản phẩm trong giai đoạn đông lạnh ở bước đầu, giai đoạn hai là cấp lạnh sâu cho buồng ngưng tụ nước, trước khi bơm chân kh ng hoạt động.ô

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy thăng hoa

2.3.1 Nguyên lý cơ bản của sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa cho là quá trình tách nước ra kh s n phỏi ả ẩm, nước được chuy n t ể ừ thể r n sang thắ ể khí trong điều kiện môi trường chân không tuyệt đố Thăng hoa củi a nước là quá trình mà nước được chuyển trực tiếp từ dạng rắn sang dạng khí và bỏ qua giai đoạn trung gian là dạng lỏng Các loại máy sấy thăng hoa cho hoa quả cần có nhiệt độ l nh âm r t sâu, có th ạ ấ ể lên đến -65 oC, và áp su t bu ng s y phấ ồ ấ ải đạt mức chân không gần như tuyệt đối Khi đó quá trình thăng hoa của nước đá mớ ảy ra, hơi nưới x c thoát ra t s n ph m s y s ừ ả ẩ ấ ẽ được ngưng tụ ngay trong buồng phụ để làm khô không khí trong khoang sấy ấy thăng hoa còn gọ S i là sấy khô đông lạnh/sấ ạnh đôngy l

Về m t lý thuyặ ết, quá trình thăng hoa sẽ ả x y ra ở điểm 3 trạng thái, nhưng trong thực t ế thường cần độ chân không 0,5 – 1.5 mbar và nhiệt độ kho ng -25 ả oC thì quá trình m i di n ra thu n lớ ễ ậ ợi Trước h t nguyên liế ệu được đông lạnh đột ng t tộ ại điểm ngã 3 c a ủ các tr ng thái (triple-point temperature), khiạ ến nước trong s n phả ẩm đóng thành thể r n, ắ

14

rồi qua xử lý chân không thăng hoa (sublimes) thành dạng hơi rồi ngưng tụ thành nước và th i ra ngoài, s n phả ả ẩm trở thành d ng khô ạ

2.3.2 Giải thích nguyên lý theo đồ thị pha của nước

Hình 2.4 Đồ thị pha của nước

(Nguồn Internet)

Trên đồ thị ta có 3 vùng màu: trắng, xanh, xám lần lượt tương ứng với 3 trạng thái của nước: rắn, lỏng, khí Đường màu xanh đậm ngăn cách giữa 2 vùng biểu thị mối quan hệ giữa hơi nước và nhiệt độ ở 3 giai đoạn: băng – nước, nước – hơi nước, băng – hơi nước theo như tên gọi là đường lỏng hoá, đường khí hoá và đường thăng hoa

Điểm sôi thông thường (Normal boiling point), là tại nhiệt độ 100 oC và áp suất khí quyển (1 atm) thì nước sẽ từ trạng thái l ng chuy n thành th ỏ ể ể hơi như việc ta hay gặp trường hợp nước bốc hơi khi đun sôi.

Điểm đóng băng thông thường (Normal freezing point), là t i nhiạ ệt độ 0 C và áp su o ất khí quyển (1 atm) thì nước s tẽ ừ trạng thái l ng chuy n thành th rỏ ể ể ắn như việc ta b ỏ 1 ly nước vào ngăn đông tủ ạnh thì ly nướ l c bị đóng băng thành đá.

Điểm ngã 3 (Triple point) như trên hình, nhiệt độ đối xứng là 0,01 oC, áp suất hơi là 0,0061 bar, tại nhiệt độ và áp suất này 3 yếu tố: nước, băng và hơi có thể cùng t n t i và ng thái cân b ng Khi nhiồ ạ ở trạ ằ ệt độ hoặc áp suất thay đổi sẽ xu t hi n nhi u ấ ệ ề

s biự ến đổi hoặc nước đóng băng tan ra hoặc s x y ra hiẽ ả ện tượng ch t r n tr thành ấ ắ ở chất khí hay còn gọi là thăng hoa

Theo như lý thuyết của quá trình sấy thăng hoa thì ta cần đưa nước từ điểm A theo như trên đồ thị xuống điểm C vào vùng thăng hoa thì lúc đó ta mới có thăng hoa nước ở trong vật liệu sấy Như vậy thì đầu tiên ta cần đóng băng nước ở trong sản phẩm sấy bằng phương pháp làm lạnh đông nhanh, như trên hình thì ta cần nước đang ở điểm A chuyển sang điểm B Rồi sau đó ta hạ áp suất xuống dưới 0,0061 bar thì nước ở trong vật liệu sấy lúc này đang ở trong vùng thăng hoa rồi ta chỉ cần gia nhiệt trong buồng sấy hoặc tiếp tục giảm áp suất xuống thấp nữa thì nước trong vật liệu sấy sẽ thăng hoa đạt được mục đích làm khô sản phẩm Thông thường ta sẽ không chọn việc giảm áp suất xuống quá sâu để sấy thăng hoa mà ta chỉ cần gia nhiệt buồng sấy vì việc áp suất giảm quá sâu sẽ làm ảnh hưởng đến sản phẩm sấy và tiêu tốn rất nhiều điện năng để chạy máy bơm chân không cũng như là điều kiện rất khó kiểm soát

2.3.3 Các giai đoạn sấy

Quá trình sấy thăng hoa sẽ trải qua 3 giai đoạn: * Giai đoạn làm lạnh đông

S n phả ẩm được cấp đông nhanh ở nhiệt độ ấ r t th p (-ấ 30 đến -50 Co ) để ấ t t c ả dung môi (thường là nước) trong sản phẩm chuyển sang thể rắn (nước đá) thời gian cấp đông thường mất 6-8h

- Cách 1: Sản phẩm tự đông lạnh ở buồng sấy thăng hoa khi buồng được hút chân không diễn ra ở trong hệ thống sấy tự cấp đông

- Cách 2: Nguyên liệu được làm lạnh đông bằng thiết bị thông thường hoặc ni tơ lỏng bên ngoài buồng

Quá trình cần tiến hành nhanh chóng để hình thành các tinh thể băng nhỏ nhờ đó mà không hư hại đến cấu trúc tế bào

Với những nguyên liệu sấy dạng lỏng, bước làm lạnh đông sẽ tiến hành chậm hơn để băng tạo thành từng lớp Các lớp này tạo nên các kênh giúp hơi nước di chuyển dễ dàng hơn

* Giai đoạn sấy thăng hoa (sấy sơ cấp)