Thiết bị bốc hơi: Thiết kế và vận hành

CÁC THIẾT BỊ BỐC HƠI

Thiết bị bốc hơi bao gồm rất nhiều loại như: thiết bị bốc hơi để tăng nồng độ của một dung dịch nào đó (còn gọi là thiết bị cô đặc), thiết bị bay hơi nhằm thu hồi chất hòa tan ở dạng rắn (còn gọi là thiết bị kết tinh) thiết bị thu hồi dung dịch tinh khiết, thiết bị bay hơi thu nhiệt (thiết bị bốc hơi trong máy lạnh); thiết bị sấy. Ngoài các bộ phận chính như trên, thiết bị bốc hơi còn có các cửa cho dung dịch vào, tháo sản phẩm ra; cửa cho hơi đốt vào và của nước ngưng ra; cửa cho hơi thứ đi thiết bị ngưng tụ; cửa quan sát, cửa lấy mẫu; cửa lắp đồng hồ áp lực; cửa lắp nhiệt kế; cửa vệ sinh và sửa chữa v.v…. Đường kính ngoài của vỏ buồng đốt nhỏ hơn đường kính trong của vỏ thiết bị, sao cho diện tích tiết diện hình vành khăn bằng 25% đến 30% tổng diện tích tiết diện ngang của các ống truyền nhiệt trong buồng đốt.

CHẤT LƯỢNG THỰC PHẨM

Đường kính của buồng hơi đủ lớn, sao cho vận tốc của hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bắn ra từ dung dịch do quá trình sôi mãnh liệt trong các ống truyền nhiệt gây nên. Sự thất thoát chất lượng sản phẩm có thể giảm thiểu tối đa bằng phương pháp bốc hơi ở nhiệt độ thấp ( quá trình diễn ra ở áp suất chân không), tuy vậy, vẫn có những bất lợi đó là hệ số truyền nhiệt thấp, tính nhớt, dính (dẻo) của sản phẩm cô đặc cao. Cặn bẩn tích tụ trên bề mặt của thiết bị bốc hơi là một vấn đề rất nghiêm trọng trong quá trình bốc hơi đối với thực phẩm dạng huyền phù và dạng khối nhão, bởi vì nó không chỉ làm giảm tốc độ truyền nhiệt và tốc độ bốc hơi, mà còn có thể gây ra những biến đổi không mong muốn về chất lượng sản phẩm, ảnh hưởng đến quá trình vệ sinh thiết bị.

THIẾT BỊ BỐC HƠI TRONG THỰC PHẨM

Đối với thực phẩm bền nhiệt, như dung dịch đường, si rô, nước ép khoai tây và sản phẩm từ khoai tây, nước ép quả và đóng hộp, dung dịch muối có thể bốc hơi trong nhiều dạng khác nhau của thiết bị bốc hơi, được biểu thị bởi mối quan hệ giữa thời gian bốc hơi dài, nhiệt độ cao, và sự tuần hoàn. Chất lỏng được tuần hoàn nhờ hệ thống bơm ly tâm qua bộ trao đổi nhiệt bên ngoài (hoặc bên trong) với vận tốc cao ( 3–5 m/s), nhiệt được cung cấp qua hơi nước ngưng tụ. Khi áp suất chênh lệch lớn, chất lỏng không sôi bên trong đường ống của hệ thống trao đổi nhiệt, nó sẽ phân riêng nhanh chóng thành lỏng/hơi, và được duy trì trong chế độ chân không. Do đó hệ số trao đổi nhiệt lớn, vận tốc chất lỏng lớn, sự hình thành cặn trong lớp ống bị ngăn chặn. Thời gian tiếp xúc trong vài phút, hiệu quả cao đối với những thực phẩm dạng lỏng bền nhiệt như dung dịch đường. Thiết bị bốc hơi có thời gian lưu ngắn. a) Thiết bị bốc hơi dạng ống dài đặt thẳng đứng. Chúng có ưu điểm là chiều cao (dài) thiết bị thấp hơn nên có thể đặt ngay bên nhà máy. Chúng cũng dễ tháo dời và vệ sinh hơn so với thiết bị dạng ống. Thiết bị bốc hơi dạng bản gần giống với thiết bị truyền nhiết dạng bản, với thiết kế đặc biệt để có thể vận chuyển chất lỏng nhớt đang sôi cùng với quá trình bốc hơi trong suốt quá trình truyền nhiệt. c) Thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy.

HỆ THỐNG THIẾT BỊ BỐC HƠI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Trong thiết bị cô đặc các dung dịch phi thực phẩm có chứa nước (ví dụ như nước muối khử), số lượng thiết bị có trong hệ thống ME có thể nhiều hơn so với thiết bị cô đặc thực phẩm, bởi vì có thể dùng nhiệt độ cao hơn ở thiết bị đầu tiên, và sự khác biệt nhiệt độ (ΔT) giữa các thiết bị có thể nhỏ hơn so với thực phẩm. Việc loại bỏ nước hoàn toàn từ thực phẩm lỏng bằng công nghệ màng membrane (chủ yếu là thẩm thấu ngược) sau khi cô đặc bằng sự bay hơi màng sẽ là một hệ thống cô đặc có hiệu quả kinh tế cao, đạt chất lượng cao đối với các dung dịch nhạy cảm với nhiệt. Hơi nóng thoát ra có thể làm nóng thiết bị bốc hơi, từ đó cô đặc dịch thải từ quả cam (Filho et al. Chất thải giàu năng lượng từ các nhà máy chế biến thực phẩm có thể tận dụng tạo hơi nước cho quá trình bốc hơi. Ví dụ, trong chế biến đường mía, hơi nước dùng cho thiết bị bốc hơi tạo từ quá trình đốt bã mía. X .THIEÁT KEÁ THIEÁT Bề BOÁC HễI:. Lựa chọn thiết bị bốc hơi :. Trong quá trình chọn 1 thiết bị bốc hơi phù hợp nhất với năng suất mong muốn, ta cần xem xét các yếu tố sau đây:. 1) Thiết bị có hệ số truyền nhiệt chung cao nhất là thiết bị bốc hơi dạng chảy màng. Hệ số truyền nhiệt càng cao thì diện tích bề mặt truyền nhiết càng nhỏ, từ đó chi phí đầu tư giảm, chính bởi vậy nên trong mọi trường hợp, thiết bị bốc hơi dạng chảy màng luôn được xem xét đầu tiên. Trong khi bất lợi duy nhất của thiết bị bốc hơi chảy màng là dễ bám cáu trên bề mặt truyền nhiệt, khi năng suất bay hơi trung bình thì bù vào cho sự không thuận lợi này chính là chi phí thấp của nó, còn khi năng suất lớn thì vấn đề này đặc biệt phức tạp. Một thí dụ điển hình là thiết bị thùng quay.Dung dịch mà gây ra điều đó trong quá trình sản xuất tơ sợi và cellulose thì chứa các thành phần chính như H2SO4, Na2SO4, và các chất khác như Zn2SO4 cùng với nước. Quá trình tích tụ diễn ra trong khoảng 1 tuần, sau đó thì thiết bị sẽ được xử lý. Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm từ có nguồn gốc từ thiên nhiên thì đều mẫn cảm với nhiệt độ, trong trường hợp đó các thiết bị thường được vệ sinh ít nhất 1 lần 1 ngày vì yêu cầu vệ sinh thực phẩm. Trong lĩnh vực hoá chất thì một thiết bị bốc hơi có thể hoạt động liên tục trong 1 tuần hoặc có 1 vài trường hợp liên tục trong nhiều tháng. 2) Khi năng suất bốc hơi lên đến khoảng 60000 Lbs/h tính theo lượng nước bốc hơi, thì có thể dùng cả thiết bị dạng bản mỏng hoặc thiết bị dạng ống. Chi phí đầu tư có có thể tăng giảm và có thể giảm bớt yêu cầu diện tích nhà xưởng, cùng với chi phí thấp của việc thiết lập các thiết bị bản mỏng được ép chặt với nhau đã khiến chúng thực sự đáng quan tâm. Khi năng suất bốc hơi cao hơn 60000 Lbs/h thì sự lựa chọn là giữa các thiết bị dạng ống. Một mô hình phù hợp thì có thể đem lại nhiều hiệu quả. 3) Trong nhiều trường hợp, sự lựa chọn thiết bị bốc hơi được quyết định bởi cấu trúc của vật liệu cần dùng. Ví dụ như trong trường hợp cô đặc acid sulfuric, có thể cô đặc lên đến nồng độ 50%, bề mặt truyền nhiệt bình thường có thể dùng bằng graphite. Khi đó thì yêu cầu sử dụng của thiết bị dạng ống sẽ khác so với thiết bị dạng bản mỏng. Với nhiệt độ bay hơi và điều kiện cô đặc phù hợp, Incoloy và Hastelloy đã có thể sử dụng cả thiết bị dạng. ống hoặc thiết bị bản mỏng, nhưng giá thành sẽ đắt hơn dùng bằng thiết bị vật liệu là graphite. Các thiết bị phân riêng và đường ống có thể dùng bằng nhựa phenolic hoặc bằng cao su tráng thép cacbon. Sự cô đặc acid sulfuric tới nồng độ trong khoảng 50-72% vẫn có thể sử dụng bề mặt truyền nhiệt bằng graphite một cách bình thường khi nhiệt độ hoạt động duy trì dưới 230-2400F, nhưng đường ống và các bình chứa thì được dát bằng thép, tantiron, hoặc chì đúc. Vì lý do cấu trúc nên chùm ống bằng graphite được sắp xếp trong thiết bị màng rơi và thiết bị có tuần hoàn với thiết bị tách lỏng-hơi đặt bên trên. 4) Thường dùng nhiều hơn một thiết bị bốc hơi trong khi cô đặc 1 sản phẩm.

Điều này có nghĩa là 96,43% nhập liệu đã được cô đặc trong hệ thống cô đặc hoặc trong thiết bị bốc hơi nén hơi (mechanical vapor recompression bulk evaporator) với hiệu quả dùng nhiệt cao và đạt được hệ số truyền nhiệt cao. Chỉ có khoảng 3,57% năng suất bị hạn chế bởi 1 thiết bị cô đặc điều khiển giai đoạn khó khăn nhất trong quá trình cô đặc. 5) Khi cần cô đặc kết tinh, thì tại thiết bị mà xảy ra quá trình kết tinh thì luôn luôn dùng thiết bị bốc hơi có tuần hoàn cưỡng bức, và trong đa số các trường hợp thì đó là thiết bị dạng ống. Tuy nhiên sự tuần hoàn cục bộ chất lỏng sẽ là đáng mong muốn trong việc giữ lớp mỏng của chất lỏng trong các ống hoặc bản bốc hơi, khi mà ở nồi cuối của thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi lượng chất lỏng cô đặc bị giảm đến 1 khoảng mà lớp màng chất lỏng bị chia cắt làm tăng khả năng tắc nghẽn.