TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG TRÍCH LY cà PHÊ CÔNG SUẤT 1000 kgh

Trong qua trình chế biến lipid bị biến đổi, song một phầnacid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm chosản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

LY CÀ PHÊ CÔNG SUẤT 1000 Kg/h

Phan Trần Anh Huy 05DHTP5 2005140215

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học

Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ

thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt

những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành

đồ án này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ,

hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ

án học phần Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ

qua Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn

hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được

ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt

hơn bài báo cáo sắp tới.

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lý DựPhan Trần Anh Huy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH VII DANH MỤC BẢNG VIII

MỞ ĐẦU IX

PHẦN MỘT: TỔNG QUAN TRÍCH LY 1

1.1 Nguyên liệu 1

1.1.1 Cà phê nhân 1

1.1.2 Tiêu chuẩn cà phê nhân 2

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình trích ly 4

1.2.1 Khái niệm: 4

1.2.2 Dung môi: 4

1.2.3 Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện 5

1.2.4 Các biến đổi nguyên liệu 5

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng 6

1.3 Các thiết bị trích ly rắn – lỏng 7

1.3.1 Quá trình không liên tục: 7

1.3.2 Trích ly nhiều bậc: 9

1.3.3 Quá trình liên tục (ổn định) 10

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ 13

2.1 Sơ đồ nguyên lí làm việc 13

2.2 Cân bằng vật chất 13

2.2.1 Các thông số ban đầu 13

2.2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 14

2.2.3 Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp 15

2.2.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu 15

2.2.3.2 Tỷ số hoàn lưu làm việc 16

2.2.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết 16

2.2.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 16

2.2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 16

2.2.4.3 Vẽ đồ thị chưng cất, xác định số mâm lý thuyết 16

2.2.5 Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất 17

2.3 Tính toán thiết kế tháp chưng cất 19

2.3.1 Đường kính tháp 19

2.3.2 Đường kính đoạn cất 19

2.3.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 19

2.3.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 21

2.3.3 Đường kính đoạn chưng 22

2.3.3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 22

2.3.3.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 24

2.3.4 Trở lực của tháp 26

2.3.4.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ 26

2.3.4.2 Độ giảm áp của pha khí đi qua một mâm 26

2.3.4.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 32

2.3.5 Tính toán thân tháp 34

2.3.6 Tính toán đáy và nắp thiết bị 35

2.4 Đường kính ống dẫn, bích ghép các ống đẫn 37

2.4.1 Vị trí nhập liệu 37

2.4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp 38

2.4.3 Ống hoàn lưu 38

2.4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp 39

2.4.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 40

2.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy): 40

2.4.7 Chân đỡ, tay treo 41

2.4.7.1 Tính trọng lượng của tháp 41

2.4.7.2 Chân đỡ tháp 42

2.4.7.3 Tai treo 43

2.5 Tính toán thiết kế thiết bị phụ 44

2.5.1 Cân bằng năng lượng 44

2.5.2 Thiết bị đun sôi đáy tháp 44

2.5.2.1 Suất lượng hơi nước cần dùng 44

2.5.2.2 Hiệu suất nhiệt độ trung bình 46

2.5.2.3 Xác định hệ số truyền nhiệt 50

2.5.2.4 Xác định bề mặt truyền nhiệt 50

2.5.2.5 Cấu tạo thiết bị 50

2.5.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 50

2.5.3.1 Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh cần dùng 51

2.5.3.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 52

2.5.3.3 Hệ số truyền nhiệt trung bình 52

2.5.3.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài: 52

2.5.3.5 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: 53

2.5.3.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: 54

2.5.3.7 Xác định hệ số truyền nhiệt: 55

2.5.3.8 Bề mặt truyền nhiệt: 55

2.5.3.9 Cấu tạo thiết bị: 55

2.5.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 56

2.5.4.1 Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh cần dùng 57

2.5.4.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 57

2.5.4.3 Hệ số truyền nhiệt trung bình 57

2.5.4.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài: 57

2.5.4.5 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: 58

2.5.4.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: 59

2.5.4.7 Xác định hệ số truyền nhiệt: 61

2.5.4.8 Bề mặt truyền nhiệt: 61

2.5.4.9 Cấu tạo thiết bị: 61

2.5.5 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 61

2.5.5.1 Suất lượng nước gia nhiệt dòng nhập liệu cần dùng: 63

2.5.5.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 64

2.5.5.3 Hệ số truyền nhiệt trung bình 64

2.5.5.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu: 64

2.5.5.5 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: 65

2.5.5.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước cấp nhiệt đi trong ống trong: 66

2.5.5.7 Xác định hệ số truyền nhiệt: 67

2.5.5.8 Bề mặt truyền nhiệt: 67

2.5.5.9 Cấu tạo thiết bị: 67

2.5.6 Bồn cao vị 68

2.5.6.1 Tổn thất đường ống dẫn 68

2.5.6.2 Tổn thất đường ống dẫn nhập liệu: 69

2.5.6.3 Chiều cao bồn cao vị: 71

2.5.7 Bơm 72

2.6 Sơ đồ thiết bị chính và thiết bị phụ 75

KẾT LUẬN 76

PHỤ LỤC 1: CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ THIẾT BỊ CHÍNH 78

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thiết bị trích ly một bậc 8

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng 9

Hình 1.3 Trích ly liên tục 10

Hình 1.4 Thiết bị trích ly Rotocel 10

Hình 1.5 Thiết bị trích ly Kenedy 11

Hình 1.6 Thiết bị trích ly Bollman 11

Hình 1.7 Thiết bị trích ly CO2 tới hạn 12

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn dùng nước trong công nghệ thực phẩm 4

Hình 1.1 Thiết bị trích ly một bậc 8

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng 9

Hình 1.3 Trích ly liên tục 10

Hình 1.4 Thiết bị trích ly Rotocel 10

Hình 1.5 Thiết bị trích ly Kenedy 11

Hình 1.6 Thiết bị trích ly Bollman 11

Hình 1.7 Thiết bị trích ly CO2 tới hạn 12

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí hệ thống chưng cất cồn 75

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội thì yêu cầu về

sự tiện dụng và chất lượng của sản phẩm ngày càng lớn và cà phê hòa tan hay cà

phê uống liền là sự lựa chọn tối ưu cho những người yêu thích cà phê Đó là một

loại đồ uống bắt nguồn từ cà phê nhưng dưới dạng bột cà phê và đã được nêm nếmsẵn theo khẩu vị và được chế biến bằng phương pháp rang, xay, sấy khô Cà phêhòa tan được sử dụng ngay bằng cách chế với nước sôi và khuấy đều là có thể sửdụng, không chỉ vậy loại cà phê này có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng Để sảnxuất được cà phê hòa tan cần phải qua quá trình trích ly và nó là quá trình vô cùngquan trọng trong việc sản xuất cà phê hòa tan Chính vì điều đó mà các nhà máy sảnxuất cà phê hòa tan ngày càng cải tiến thiết bị trích ly của mình để quá trình trích lyđược tối ưu hơn

Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quanđến nguyên liệu, thiết bị, để chế tạo một thiết bị trích ly cà phê với công suất 1000kg/h Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý thuyết và mô hình hóa

Khi ta thiết kế được một hệ thống trích ly tối ưu hơn điều đó sẽ giúpcông ty làm giảm giá thành sản phẩm kéo theo đó là sẽ hạ được giá thành sản phẩmcho người tiêu dùng và có sản phẩm chất lượng hơn Ngoài ra nó còn tạo nguồnnguyên liệu phong phú cho một số nghành sản xuất thực phẩm khác như: bánh kẹo

Sinh viên thực hiện

Lý Dự Phan Trần Anh Huy

- Protein

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng đóng vai trò quantrọng trong việc tạo ra hương vị của sản phẩm Thành phần protein trong cà phê cónhững acid amin sau: cysteine, alanie, lysine, phenilanine, histidine, leusine, Khigia nhiệt các mạch polypeptide bị phân cắt, các acid amin được giải phóng tiếp tụctham gia vào phản ứng maillard, caramel tạo mùi và vị cho cà phê rang Trong các

amin kể trên chú ý nhất là các acid amin chứa lưu huỳnh như cysteine, proline,chúng góp phần làm giảm tốc độ oxi hóa của các chất thơm, làm cho cà phê ranggiữ được mùi vị lâu khi bảo quản.

- Lipid

Hạt cà phê chứ lượng lipid khá lớn( 10-13%) Lipid trong cà phê gồmchủ yếu trong dầu và sáp Trong qua trình chế biến lipid bị biến đổi, song một phầnacid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm chosản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hòa tan các chất thơm Khipha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã

- Chất thơm

Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũytrong hạt Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quátrình rang.Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi biến đổi và dẫn đến hiện tượng càphê bị mất mùi thơm nên cần bảo quản trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh

1.1.2 Tiêu chuẩn cà phê nhân

Để đánh giá chất lượng cà phê nhân người ta thường dựa vào các tiêu chísau:

- Độ ẩm < 13%

- Cỡ hạt đồng đều theo TCVN 4807:2001

- Hàm lượng tạp chất và tỉ lệ các loại cà phê khác nhau

- Tổng trị số lỗi trên 300g mẫu

- Các tính chất cảm quan về màu sắc và thể chất của hạt cà phê

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn dùng nước trong công nghệ thực phẩm

1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình trích ly

1.2.1 Khái niệm:

Trích ly là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử có trong mẫunguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc với dung môi Động lực học của

quá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trongdung môi Đây là một quá trình truyền khối.

Trong quá trình triết ly, dung môi thường ở dạng pha lỏng, còn nguyênliệu có thể ở dạng pha rắn hoặc pha lỏng Nếu mẫu nguyên liệu ở dạng pha rắn, quátrình được gọi là trích ly rắn-lỏng (solid- liquid extraction) Còn nếu mẫu nguyênliệu ở dạng lỏng thì đây là quá trình trích ly lỏng-lỏng (liquid- liquid extraction).Trong công nghiệp thực phẩm, các nguyên liệu cần được trích ly thường tồn tại ởdạng pha rắn

Trích ly chất rắn là quá trình hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử trongchất rắn bằng cách cho chất rắn tiếp xúc với dung môi lỏng

1.2.2 Dung môi:

Chọn dung môi trong quá trình trích ly là một vấn đề hết sức quan trọng

để thực hiện quá trình trích ly Người ta thường chọn những tiêu chí sau đây để lựachọn dung môi:

- Dung môi có khả năng hòa tan chọn lọc, tức cấu tử cần thu nhận trongmẫu nguyên liệu có độ hòa tan cao trong dung môi Ngược lại, các cấu tử khác cótrong mẫu nguyên liệu cần trích ly thì không hòa tan được trong dung môi hoặc có

độ tan kém hơn

- Dung môi phải trơ với các cấu tử có trong dịch trích

- Dung môi không gây hiện tượng ăn mòn thiết bị, khó cháy và khôngđộc với người sử dụng

- Dung môi có giá thành thấp, dễ tìm; các nhà sản xuất có thể thu hồidung môi sau quá trình trích ly để tái sử dụng

1.2.3 Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện

- Khai thác: Các quá trình trích ly trong công nghiệp thực phẩm có mụcđích chủ yếu là khai thác do chiết rút các cấu tử cần thu nhận có trong nguyên liệuban đầu, làm tăng nồng độ của chúng trong sản phẩm cuối cùng

- Hoàn thiện: quá trình trích ly có thể hoàn thiện một vài chỉ tiêu chấtlượng của sản phẩm, ví dụ như trích ly caffeine từ trà và cà phê trong công nghệ sảnxuất trà và cà phê nghèo caffeine

1.2.4 Các biến đổi nguyên liệu

- Hóa lý: là nhóm biến đổi quan trọng trong quá trình trích ly Đó là sựhòa tan của các cấu tử từ nguyên liệu (pha rắn) và dung môi (pha lỏng) Cần chú ý,tùy theo tính chọn lọc của dung môi mà thành phần và hàm lượng các cấu tử hòa tanthu được trong dịch trích sẽ thay đổi Thông thường ngoài những cấu tử cần thunhận, dịch trích còn chứa một số cấu tử hòa tan khác Ngoài ra trích ly còn có thểxảy ra những biến đổi về pha khác như sự bay hơi, sự kết tủa… Như trong sản xuất

cà phê hòa tan, quá trình trích ly có thể làm tổn thất một số cấu tử hương có trongnguyên liệu Điều này ảnh hưởng không tốt đến mùi của bột cà phê hòa tan

- Vật lý: sự khuếch tán là biến đổi vật lý quan trọng trong quá trìnhtrích ly Các phân tử chất tan sẽ dịch chuyển từ tâm của nguyên liệu đến vùng bềmặt và dịch chuyển từ vùng bề mặt nguyên liệu vào dung môi Các phân tử dungmôi sẽ khuếch tán từ vùng bên ngoài nguyên liệu vào bên trong cấu trúc các maodẫn của nguyên liệu Sự khuếch tán sẽ giúp cho quá trình chiết rút các cấu tử cầntrích ly từ nguyên liệu vào dung môi xảy ra nhanh và triệt để hơn Động lực học củakhuếch tán là do chênh lệch nồng độ

- Hóa học: trong quá trình trích ly, có thể xảy ra các phản ứng hóa họcgiữa các cấu tử trong nguyên liệu Tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ gia tăng khichúng ta thực hiện quá trình trích ly ở nhiệt độ cao, ví dụ như trong trích lytriglyceride trong đậu nành, nếu sử dụng nhiệt độ cao dễ làm cho chất béo bị oxyhóa Hiện tượng này làm cho dịch trích ly chứa nhiều tạp chất và gây khó khăn chonhững quá trình tinh sạch tiếp theo

- Hóa sinh và sinh học: khi sử dụng dung môi là nước và trích ly ở

nhiệt độ phòng thì một số biến đổi hóa sinh và sinh học có thể xảy ra Các enzyme

trong nguyên liệu sẽ xúc tác phản ứng chuyển hóa những cơ chất có nguồn gốc

nguyên liệu Hệ vi sinh vật trong nguyên liệu sẽ phát triển Tuy nhiên, khi chúng

ta thực hiện quá trình ở nhiệt độ cao thì biến đổi hóa sinh và sinh học xảy ra

không đáng kể

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng

Hàm mục tiêu của quá trình trích ly là hiệu suất thu hồi cấu tử cần chiết

tách Đó là tỷ lệ giữa hàm lượng cấu tử trong dung dịch trích ly so với hàm lượng

cảu nó trong nguyên liệu đem trích ly Gía trị hiệu suất thu hồi cấu tử càng cao thìviệc thực hiện quá trình trích ly sẽ đạt hiệu quả kinh tế càng cao:

- Kích thước nguyên liệu: kích thước nguyên liệu càng nhỏ thì diện tíchtiếp xúc bề mặt giữa nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn Do đó, việc trích ly cáccấu tử từ nguyên liệu vào dung môi sẽ trở nên dễ dàng hơn Tuy nhiên, nếu kíchthước của nguyên liệu quá nhỏ thì chi phí cho quá trình nghiền xé nguyên liệu sẽgia tăng Ngoài ra, việc phân riêng pha lỏng và pha rắn khi kết thúc quá trình trích

ly sẽ trở nên khó khăn hơn Bằng phương pháp thực nghiệm, các nhà sản xuất cầnxác định kích thước phù hợp ứng với từng loại nguyên liệu đem trích ly

- Tỉ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi: với cùng một lượngnguyên liệu, nếu ta tăng lượng dung môi sử dụng thì hiệu suất trích ly sẽ tăng theo

Đó là chênh lệch nồng độ của cấu tử cần trích ly trong nguyên liệu và dung môi sẽcàng lớn Tuy nhiên, nếu lượng dung môi sử dụng quá lớn thì sẽ làm loãng dịchtrích Khi đó, các nhà sản xuất phải thực hiện quá trình cô đặc hoặc xử lý dịch tríchbằng phương pháp khác để tách bớt dung môi Như vậy, chúng ta cần xác định tỷ lệphù hợp giữa khối lượng nguyên liệu và dung môi Ví dụ như trong sản xuất thứcuống thảo mộc, tỷ lệ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi (nước) thường daođộng trong khoảng 1/6 – 1/10

- Nhiệt độ trích ly: khi tăng nhiệt độ, các cấu tử sẽ chuyển động nhanhhơn, do đó sự hòa tan và khuếch tán của cấu tử từ nguyên liệu vào dung môi sẽđược tăng cường Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của dung dịch sẽ giảm, dungmôi dễ dàng xuyên qua lớp nguyên liệu và làm cho diện tích tiếp xúc bề mặt giữanguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ trích ly sẽ làmtăng chi phí năng lượng cho quá trình, đồng thời có thể xảy ra một số phản ứng hóahọc không mong muốn trong dịch trích ly và sự tổn thất các cấu tử hương sẽ tăng

Do đó các nhà sản xuất sẽ chọn nhiệt độ trích ly tối ưu tùy theo trường hợp cụ thể,

vd như trong sản xuất trà hòa tan quá trình trích ly được thực hiện ở 70-900C

- Thời gian trích ly: khi tăng thời gian trích ly thì hiệu suất thu hồi chấtchiết sẽ tăng Tuy nhiên, nếu thời gian trích ly quá dài thì hiệu suất thu hồi chấtchiết sẽ không tăng thêm đáng kể

- Tốc độ của dong dung môi chảy qua lớp nguyên liệu trong thiết bịtrích ly: nếu dòng dung môi được bơm với tốc độ cao vào thiết bị chứa nguyên liệucần trích ly thì sẽ làm giảm đi kích thước lớp biên bao bọc xung quanh nguyên liệu,đây là nơi tập trung các cấu tử hòa tan Do đó, tốc độ trích ly các cấu tử từ nguyênliệu sẽ gia tăng Tùy thuộc vào hình dạng thiết bị, kích thước của lớp nguyên liệutrong thiết bị mà tốc độ dòng dung môi bơm vào thiết bị sẽ được lựa chọn sao chothời gian trích ly là ngắn nhất và hồi suất hồi chất chiết là cao nhất.

- Áp suất: trong phương pháp trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn, áp suất

và nhiệt độ là hai yếu tố ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất thu hồi chất chiết.Thông thường, khi tăng áp suất và nhiệt độ thì quá trình trích ly diễn ra càng nhanh

và hiệu suất trích ly sẽ tăng theo Tuy nhiên, việc tăng áp suất sẽ tăng chi phí vậnhành và giá thành thiết bị cũng tăng cao Trong nghiên cứu trích ly carotenoids và

học đã thấy rằng khi áp suất từ 10MPa thì hiệu suất trích ly tăng theo Tuy nhiên,nếu tiếp tục tăng áp suất trích ly lên 50MPa thì hiệu suất trích ly bị giảm nhẹ

1.3 Các thiết bị trích ly rắn – lỏng

1.3.1 Quá trình không liên tục:

Qúa trình không ổn định bao gồm các quá trình trong đó chất rắn vàdung môi được cho tiếp xúc theo từng mẻ hoặc từng mẻ chất rắn được cho tiếp xúcvới dòng ding môi chảy liên tục

Các hạt rắn có kích thước trung bình thường được trích ly bằng phươngpháp ngâm chiết trong thùng hở Các thùng nhỏ thường được làm bằng gỗ hoặc kimloại:

- Quy trình thực hiện

Qúa trình được thực hiện bằng cách cho đầy chất rắn vào thùng, sau đó cho vàothùng lượng dung môi đủ ngập chất rắn và toàn bộ khối chất rắn được ngâm trongdung môi trong một thời gian định trước Trong khoảng thời gian ngâm này dungmôi có thể được cho bơm tuần hoàn Sau đó chất lỏng được tháo ra ở đáy thùng đểđưa vào hệ thống chưng cất thu hồi dung môi và dung chất Toàn bộ quá trình được

xem như một bậc Lặp lại quá trình này nhiều lần cuối cùng sẽ hào tan hết tất cảdung chất Một phương pháp thực hiện khác là cho chất lỏng chảy vào và liên tục,quá trình như vậy tương đương với quá trình nhiều bậc Trong trường hợp độ giảm

áp của chất lỏng quá lớn khi chảy qua lớp chất rắn thì ta sẽ dùng thùng kín để bơmchất lỏng qua tầng chất rắn Thùng kín cũng tránh được sự tổn thất dung môi do quátrình bay hơi của dung môi dễ bay hơi khi quá trình hoạt động ở nhiệt độ lớn hơnnhiệt độ sôi

1.3.2 Trích ly nhiều bậc:

- Nguyên lí hoạt động

Hệ thống gồm có tất cả 14 thiết bị và được ký hiệu từ 1 tới 14 Dung môi

sẽ chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, còn các thiết bị trích ly sẽ chuyển độngcùng chiều kim đồng hồ Dung môi mới nạp vào hệ thống tại thiết bị số 13, còn dịchtrích ly được tháo ra khỏi hệ thống từ thiết bị số 9, các số thiết bị 10,11,12 đặc trưngcho các công đoạn tháo bã ra khỏi thiết bị, vệ sinh thiết bị và nạp nguyên liệu vàothiết bị

- Ứng dụngHệ thống trích ly nhiều bậc được sử dụng rộng rãi ở quy mô

công nghiệp để sản xuất cà phê hòa tan, trà hòa tan và đường saccharose ở củ cảiđường Mỗi thiết bị trên có thể chứa 10 tấn nguyên liệu

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng

1.3.3 Quá trình liên tục (ổn định)

Ngoài ra còn có một số loại

thiết bị trích ly nhiều bậc hoạt động liên

tục để trích ly dầu thực vật từ các hạt

chứa dầu bằng một số loại dung môi

hữu cơ( chẳng hạn hexan) Dung dịch

dung môi – dầu thường còn lẫn một

lượng nhỏ các hạt rất mịn, lơ lửng gọi là

micella

q Thiết bị trích ly Rotocel:

- Cấu tạo: Thiết bị trích ly

Rotocel gồm thùng tròn có 18 ngăn chứa các

hạt rắn quay chậm trên một thùng cố định

Hình 1.3 Trích ly liên tục

Hình 1.4 Thiết bị trích ly Rotocel

- Nguyên lý hoạt động: Khi thùng quay chứa các hạt rắn quay chậm

trên một thùng cố định Khi thùng quay chất rắn sẽ được nạp vào các ngăn và dungmôi được tới lên mỗi ngăn định kỳ để thực hiện quá trình trích ly Khi quay gần hếtmột vòng, chất rắn sẽ tháo qua một ngăn cố định bên dưới và được chuyển ra ngoài.Dung môi ngấm qua chất rắn vào ngăn cố định bên dưới và được bơm trở lại vàongăn chứa chất rắn kế tiếp Qúa trình trích ly là nghịch dòng và dung dịch đậm đặcnhất được lấy ra tù ngăn chứa chất rắn mới Toàn bộ thiết bị được bọc kín trách tổnthất dung môi

- Ứng dụng: để trích ly enzyme một cách liên tục từ canh trường nấm

mốc và vi khuẩn

- Cấu tạo: Thiết bị trích ly gồm nhiều khoang, vật liệu trích ly được đưa

từ khoang này sang khoang khác bằng cánh gat, trong khi dung môi chảy trànnghịch chiều Số khoang của thiết bị được xác định theo yêu cầu của quá trình tríchly

- Ứng dụng: Thiết bị trích ly Kenedy thường được dùng trích ly tanin từ

vỏ cây đước, dầu béo thực vật và các quá chất khác

Nguyên lý hoạt động: chất rắn

được đặt trong các giỏ có đục lỗ và được gắn

vào hệ thống vận chuyển, có chuyển động đi

Hình 1.5 Thiết bị trích ly Kenedy

xuống ở bên phải hình và đi lên ở bên trái hình Khi đi xuống, chất rắn được trích lycùng dòng bằng dung môi có chứa một phần dung chất được bơm từ đáy bên tráithiết bị lên đỉnh Chất lỏng chảy qua các giỏ xuống đến đáy bên phải là dung dịchđậm đặc và được lấy ra ngoài Khi đi lên chất rắn được trích ly bằng dung môi mới

để cho dung dịch có một phần dung chất

q Thiết bị trích ly CO2 tới hạn:

- Cấu tạo: Hệ thống gồm có các bộ phận chính như sau: bình trích ly(1), bình phân riêng co2 và chất trích ly(2), thiết bị ngưng tụ co2 (3), thiết bị trao đổinhiệt (4), bơm co2 (5)

- Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên, người ta sẽ cho nguyên liệu cần trích

ly vào bình (1) Sau đó nạp co2 vào bình (1) để đuổi không khí trong bình (1) ra môitrường bên ngoài Tiếp theo, co2 được bơm vào (5) đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt (4)rồi đi vào bình trích ly (1) Người ta sẽ hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất trong bình (1)

để co2 đạt đến trạng thái siêu tới hạn Khi kết thúc quá trình trích ly, hỗn hợp trongbình (1) sẽ được đưa qua bình phân riêng (2) Bằng cách thay đổi áp suất, người tatách được co2 và chất chiết Khi đó, co2 được đưa vào bình (3) và được làm lạnh đểtái sử dụng cho mẻ sản xuất tiếp theo, còn chất chiết sẽ được tháo ra khỏi bình (2)theo cửa đáy Song song đó, người ta sẽ tháo bã nguyên liệu và vệ sinh bình trích ly(1) trước khi thực hiện mẽ kế tiếp

- Ứng dụng: dùng để trích ly béo từ đậu nành, cà phê hòa tan, trà hòatan, sản xuất đường từ củ cải đường

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ

1.

2.1 Sơ đồ nguyên lí làm việc

2.2 Cân bằng vật chất

1.

2.2.1 Các thông số ban đầu

- Chọn thiết bị là: Tháp mâm xuyên lỗ, hoạt động liên tục

- Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước, thì cấu tử dễ bay hơi làEthanol

- Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

Chọn các thông số:

- Nhiệt độ nhập liệu: tF = 280C

- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 320C

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 600C

- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

2.2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Nồng độ phần mol của các dòng: nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm

đáy Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:

 x F= x F/M R

x F/M R+(1−xF)/M N=

0.18/460.18 /46+(1−0.18)/18 = 0.0791 (%mol)

 x D= x D/M R

x D/M R+(1−xD)/M N=

0.90 /460.90/46 +(1−0.9)/18 = 0.7788 (%mol)

 x W= x W/M R

x W/M R+(1−xW)/M N=

0.02/ 460.02/46+(1−0.02)/18 = 0.0079 (%mol)

Khối lượng trung bình dòng nhập liệu:

 M F=x F∗M R+(1−x F)∗M N= 0.0791*46 + (1 – 0.0791) * 18

= 20.2148 (Kg/Kgmol)Gọi

F là lượng nhập liệu ban đầu (phần mol)

W là lượng sản phẩm đáy (phần mol)

Áp dụng cân bằng vật chất theo suất lượng khối lượng, và nồng độ phần khốilượng

Ta có hệ phương trình: {F∗x F=F=D+W D∗x D+W∗x W Sau khi thay các giá trị có sẵn:

Khối lượng trung bình sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy lần lượt là:

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lýthuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiênliệu, nước và bơm ) là tối thiểu.

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp Ethanol - Nước

Với x F = 0.0791 tra đồ thị T-x, y ta được y¿F

Áp dụng công thức (IX.25A), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:

R= 1.3* Rmin + 0.3= 1.8703

2.2.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết

1.

Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:

y = R +1 R *x+ x D

R +1 = 1.8703+11.8703 *x + 1.8703+10.7788 = 0.6516x + 0.2713

Áp dụng công thức (IX.22), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:

Thay f vào (1) ta được: y= R+f

Bước 1: Vẽ đường cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp Ethanol – Nước

Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trính x = x F = 0.0791

Bước 3: Vẽ đường làm việc phần cất có phương trình y = 0.6516x +

0.2713 đi qua 2 điểm F (0.0791; 0.3228), D (0.7788; 0.7788).

Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng y = 4.4238x – 0.0270 đi qua 2điểm W (0.0079; 0.0079) và giao điểm F của đường nhập liệu và đường làm việcphần luyện.

Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và

đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất

Từ đồ thị trên, ta kết luận:

- Có 3 mâm chưng

- Có 7 mâm cất

- Có 1 mâm nhập liệu

Vậy số mâm lý thuyết, Nlt = 11

2.2.5 Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất

Áp dụng công thức (IX.59), trang 170, tài liệu tham khảo [2]:

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn các đường làm việc và số mâm lý thuyết.

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb:

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

Áp dụng công thức (IX.61), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:

α = y

¿

1− y¿ * 1−x xVới: x: phần mol của rượu trong pha loãng

y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Tra tài liệu tham khảo [2] ta được: ηF = 0.38

Xw = 0.0079 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:{ y W

0.0079

= 6.9444

Từ x´W = 2%, và tW = 98.49oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ) = 0.2970 (Cp)

⟹ a W∗μ W = 6.9444 * 0.2970 = 2.0625, tra tài liệu tham khảo [2]: ηW =0.4870

XD = 0.7788 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:{ y D

0.7788

= 1.1621

Từ x´D =90%, và tD = 78.6887oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ) = 0.5428 (Cp)

⟹ a D∗μ D = 1.1621 * 0.5428 = 0.6358, tra tài liệu tham khảo [2]: ηD = 0.5556

Áp dụng công thức (IX.60), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:

Vtb: Lượng hơi nước trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωtb: Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb: Lượng nước hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, do

đó đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

2.3.2 Đường kính đoạn cất

Áp dụng công thức (IX.91), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:

gtb =g d+g1

gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1: Lượng hơi đi vào trong đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

 Xác định gd: gd = GD*(R+1) = 181.8715*(1.8703+1) = 522.0258 (Kg/h)

- r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất

- rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp

- ra: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic

- rb: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

 Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)ra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)

Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)rb = rb2 – rb1 = 539 – 579 = – 40 (kcal/kg)

Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)t = t2− t1 = 100 – 60 = 400C

 Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đáy tháp với mâm xuyên lỗ có ốngchảy truyền.

Áp dụng công thức (IX.105), trang 184, tài liệu tham khảo [2]:

ωgh= 0.05* √ρ xtb

ρ ytb

Với: ρ xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

d cất=0.0188∗√1.069∗1.2052433.5728 =0.3449 (m)

2.3.3 Đường kính đoạn chưng

Áp dụng công thức (IX.97), trang 182, tài liệu tham khảo [2]:

g tb ' =g ' n+g '1

2 ,(Kg h ).

- g ' d: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg h )

- g '1: Lượng hơi i vào oạn chưng đi vào đoạn chưng đi vào đoạn chưng (Kg h )

- r '1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Theo đồ thị đường cong sôi ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ 98.49oC, theocác số liệu ∆ r a,∆ r b, ∆ t, r a1, r b1đã có ở phần tính toán đoạn cất ta có:

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảychuyền:

công thức (IX.111), trang 186, tài liệu tham khảo [2]:

- ρ ' ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

công thức trang 50, tài liệu tham khảo [BT truyền khối.]:

Với t ' tb=93.3310℃, Tra tài liệu tham khảo [1] ở bảng I.2 trang 9, ta có

khối lượng riêng của etylic là (sử dụng phương pháp nội suy):

ρ93.3310R =722.3350(Kg m3)

Với t ' tb=93.3310℃, Tra tài liệu tham khảo [1] ở bảng I.249 trang 310, ta

có khối lượng riêng của nước là (sử dụng phương pháp nội suy:

ρ93.3310N =962.9683(Kg m3)

0.9962.9683⟹ ρ ' xtb

(5cm) nên cùng chọn đường kính cho cả hai phần là Dt = 0.35 (m) để tiện việc thiết

- Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm.

lỗ theo dạng tam giác đều, hoặc lục giác đều)

d l )2=0.09∗(0.0030.35 )2=1225(lỗ)

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng) là tổng các

độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng)

Với:

- hl: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)

là không đáng kể nên có thể bỏ qua

thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qualỗ

- u o: vận tốc pha hơi qua lỗ (m s).

- ρ G: khối lượng riêng của pha hơi(Kg m3).

- ρ L: khối lượng riêng của pha lỏng(Kg m3).

- C o: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tíchmâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

S mâm =0.09 và δ mâm

d l =0.6 tra tài liệu tham khảo [1], trang 111 :

Ta có: C o=0.74

0.09=

1.03800.09 =11.5333(m s).

- Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G=ρ ytb=1.2052(Kg m3).

- Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ L=ρ xtb=860,7877(Kg m3).

- Khối lượng riêng của pha hơi: ρ ' G=ρ ' ytb=0.8839(Kg m3).

- Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ ' L=ρ ' xtb=931.9229(Kg m3).

C o)2∗(ρ ' G

ρ ' L)=51∗(10.70780.74 )2∗(931.92290.8839 )=10.1282(mm chất lỏng)

Phương pháp đơn giản để ước tình độ giảm áp của pha hơi qua mâm dolớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán củalớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm 

Chọn:

- Hệ số hiệu chỉnh:  = 0.6

- Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm)

phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:

công thức (IX.110A), trang 185, tài liệu tham khảo [2]:

h ow=43.4∗( q L

L W)32

, (mm chất lỏng)

Với:

- q L: lưu lượng của chất lỏng (m ph3).

- L W: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

−4(m ph3).

−3(m ph3).

- σ: sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn cm)

- ρ L: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg m3).

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có :

- Khối lượng riêng của pha lỏng ρ L=ρ xtb=860.7877(Kg m3).

- t tb=83.4304℃

- Sức căng bề mặt của nước σ N=61.9654,(dyn cm).

- Sức căng bề mặt của ethanol σ R=18.3241,(dyn cm).