Nhiều dạng thiết bị bốc hơi được sử dụng cho quá trình cơ đặc thực phẩm dạng lỏng. Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự lựa chọn một hệ thống thiết bị bốc hơi là chất lượng thực phẩm, cơng suất bốc hơi, vấn đề năng lượng/giá cả. Yêu cầu đầu tiên trong việc đảm bảo nhu cầu thực phẩm là sự ổn định giữa nhiệt độ và thời gian trong thiết bị bốc hơi. Cơng suất của quá trình bốc hơi phụ thuộc vào vận tốc truyền nhiệt, sự tận dụng năng lượng được cải thiện bởi hệ thống tiết kiệm năng lượng. Những phân xưởng thí nghiệm bốc hơi cĩ thể sử dụng cho việcï mở rộng, áp
dụng quy mơ lớn đối với những thực phẩm cơ đặc, sản phẩm cơ đặc từ cam, chanh, …(citrus) (Chen and Johnson, 1995).
1. Cân bằng vật chất và năng lượng
Kích thước của một thiết bị bốc hơi được tính tốn dựa trên cơ sở của việc ước lượng diện tích bề mặt truyền nhiệt cho quá trình bốc hơi và truyền nhiệt. Sự cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết cho quá trình tính tốn kích thước, được ước lượng qua những quy tắc đã khảo sát ở chương 1.
Hình 16 là biểu đồ mơ tả sự cân bằng cơ bản về lượng cần thiết và quá trình diễn ra. Dữ kiện theo sau chuẩn bị cho việc thiết kế sơ bộ quá trình: (1) khâu nhập liệu và sản phẩm vào và ra khỏi thiết bị bốc hơi dưới dạng chất lỏng bão hịa, ở nhiệt độ sơi tại áp suất đang xét. (2) Sự tăng nhiệt độ sơi (BPR:boiling point rise) cĩ thể bỏ qua, được xem là một giả thiết hợp lý cho nguyên liệu thực phẩm, ngoại trừ quá trình cơ đặc nồng độ cao (trên 600 Brix). (3) Hơi nước gia nhiệt và hơi nước ngưng tụ được bão hịa (ở điểm ngưng tụ/bốc hơi). (4) Sự thất thốt nhiệt ra mơi trường được bỏ qua. Lượng nhiệt thất thốt khoảng 1 – 3% tổng lượng nhiệt sử dụng và cĩ thể giảm xuống bằng lớp cách nhiệt riêng cho thiết bị bốc hơi.
Phân tích tính tốn sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố bốc hơi được cho trong ví dụ 1.
Hình 16-cân bằng vật chất trong thiết bị bốc hơi. m, lưu lượng; T, nhiệt độ; H, entanpy; A, diện tích bề mặt truyền nhiệt
2. Thiết bị bốc hơi thời gian lưu dài:
Đối với thực phẩm bền nhiệt, như dung dịch đường, si rơ, nước ép khoai tây và sản phẩm từ khoai tây, nước ép quả và đĩng hộp, dung dịch muối cĩ 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 hồn. Hệ số truyền nhiệt cao cĩ được là do sự khuấy trộn và sự tuần hồn tự nhiên hay cưỡng bức của dịng thực phẩm (Minton, 1986). Hơn nữa, sự tuần hồn cưỡng bức làm giảm sự
a. Thiết bị bốc hơi vỏ ống
Nồi hơi được dùng cho quá trình bay hơi phân đoạn và cơ đặc đối với sản phẩm thực phẩm bền nhiệt, như khoai tây purée và nước sốt cà chua nấm. Sự khuấy trộn cơ học với những lưỡi dao được dùng để chống lại sự tích tụ cặn trên bề mặt truyền nhiệt và tăng tốc độ truyền nhiệt.
b. Hệ thống ống dẫn nhiệt
Ống dẫn hơi nước được đặt chìm trong dung dịch cần cơ đặc như một hệ thống làm việc đơn giản và hiệu quả. Hệ thống ống dẫn cĩ thể được uốn để làm tăng tốc độ truyền nhiệt. Hệ thống ống dẫn được sử dụng trong thiết bị truyền nhiệt WURLING, được thiết kế cho các sản phẩm từ khoai tây và các khối nghiền từ trái cây trong nhà máy bốc hơi miền tây USDA (Morgan, 1967). Do vận tốc tương đối cao, tăng lên ở bề mặt tiếp xúc giữa hệ thống ống xoắn và sản phẩm, cĩ thể làm giảm sự xuất hiện của các chất dính, nhớt đối với sản phẩm trái cây hoặc từ rau (dạng chất lỏng phi Newton), làm tăng hệ số truyền nhiệt (Saravacos, 1974).
c. Thiết bị bốc hơi ống ngắn
Thiết bị bốc hơi ống ngắn ( thùng bốc hơi chân khơng) bao gồm một chùm ống ngắn, dài từ 2–3 m, truyền nhiệt bên ngồi nhờ hơi nước, được để chìm trong dung dịch lỏng bốc hơi. Dịng chất lỏng chảy lên trên qua hệ thống ống bởi đối lưu tự nhiên với vận tốc khoảng gần 1m/s, và được tần hồn liên tục trong suốt quá trình bốc hơi. Một vài điểm sơi xuất hiện bên trong hệ thống ống. Thiết bị bốc hơi là hệ thống rẻ tiền, hiệu quả đối với quá trình bốc hơi chất lỏng dính nhớt thấp, như dung dịch đường. Thời gian tiếp xúc khoảng vài phút và cơng suất thấp khiến hệ thống này khơng được chấp nhận cho quá trình bốc hơi thực phẩm dạng lỏng và nhạy cảm với nhiệt độ với thể tích lớn.
d.Thiết bị bốc hơi cĩ tuần hồn cưỡng bức
Chất lỏng được tuần hồn nhờ hệ thống bơm ly tâm qua bộ trao đổi nhiệt bên ngồi (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 khơng sơi bên trong đường ống của hệ thống trao đổi nhiệt, nĩ sẽ phân riêng nhanh chĩng thành lỏng/hơi, và được duy trì trong chế độ chân khơng. Do đĩ 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.
3. Thiết bị bốc hơi cĩ thời gian lưu ngắn
a) Thiết bị bốc hơi dạng ống dài đặt thẳng đứng
Phần lớn các loại thực phẩm dạng lỏng nhạy cảøm với nhiệt độ, như là các loại nước quả và sữa, được cơ đặc trong thiết bị bốc hơi dạng ống dài thẳng đứng với đường kính mỗi ống 25- 50mm và chiều cao 4-10m. Thiết bị bốc hơi màng rơi thì được sử dụng rộng rãi hơn các thiết bị bốc hơi màng treo (hình 1). Do độ cao của thiết bị nên chúng thường được đặt ngồi nhà máy. Hình 17 thể hiện sơ lược 2 dạng của thiết bị bốc hơi dạng ống dài thẳng đứng.
Hệ thống màng rơi được sử dụng phổ biến hơn, nguyên nhân bởi hệ số truyền nhiết cao, độ giảm áp suất thấp, và thời gian tiếp xúc ngắn (khoảng vài giây). Chất lỏng nhập liệu đã được nung nĩng sơ bộ phải được phân phối đồng đều trên đỉnh của ống, và hỗn hợp lỏng hơi tại đáy
được tách ra trong thiết bị ly tâm hoặc thiết bị lọc. Chất lỏng đã được cơ đặc được tháo ra với 1 máy bơm thích hợp ( nếu độ nhớt quá cao thì dùng bơm chân khơng dạng pittơng), và hơi bốc ra được ngưng tụ trên bề mặt hoặc trong bình ngưng hỗn hợp, được đi kèm theo bời hệ thống chân khơng
Hình 17- Sơ đồ thiết bị bốc hơi dạng ống dài thẳng đứng a)Thiết bi bốc hơi màng rơi
b)Thiết bị bốc hơi màng treo
F, nhập liệu; P, sản phẩm; S, hơi đốt; C, hơi ngưng; L, chất lỏng; V, hơi bốc; SP, thiết bị ngưng tụ
Thiết bị bốc hơi màng rơi thường dùng để cơ đặc nước rau quả (như nước cà chua). Một bơm được sử dụng để hồn lưu 1 phần sản phẩm đã cơ đặc để tăng cường sự trao đổi nhiệt và làm giảm sự đĩng cáu trên bề mặt thiết bị.
Trái với thiết bị bốc hơi màng rơi, thiết bị bốc hơi màng treo thì khơng cần cĩ bộ phận phân phối nguồn nhập liệu và sự đĩng cáu cũng ít hơn. Tuy nhiên, trong khi hoạt động thì sự giảm áp suất cao hơn, điều này nghĩa là nhiệt độ của chất lỏng tại đáy cao hơn đáng kể so với đỉnh ống; Thời gian tiếp xúc cũng dài hơn. Trong cả 2 dạng thiết bị bốc hơi, do tốc độ bay hơi nhanh nên dịng hỗn hợp lỏng-hơi đi ra khỏi ống cĩ vận tốc lớn ( cĩ thể lên tới 100 m/s).
F S sp V L c V/L V/L F c S sp V L a) b)
Thiết bị RFC (rising and falling film evaporator) là 1 dạng kết hợp của 2 loại thiết bị trên đã tận dụng được các thuận lợi của dạng thiết bị chảy màng.(Moore và Hessler, 1963; Moore và Hessler 1968)
b) Thiết bị bốc hơi dạng bản
Thiết bị bốc hơi dạng bản, sự vận hành giống như thiết bị bốc hơi màng rơi hoặc thiết bị bốc hơi RFC, tương tự nguyên lý hoạt động của hệ thống bốc hơi dạng ống dài. Chúng cĩ ưu điểm là chiều cao (dài) thiết bị thấp hơn nên cĩ 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 cĩ thể vận chuyển chất lỏng nhớt đang sơi cùng với quá trình bốc hơi trong suốt quá trình truyền nhiệt.
c) Thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy
Thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy được sử dụng đối với các loại thực phẩm dạng lỏng cĩ độ nhớt rất lớn và dể đĩng cáu, hoặc cĩ nhiều hạt phân tán lơ lửng mà khơng thể xử lý trong các thiết bị bốc hơi dạng ống hay dạng bản thơng thường. Đặc trưng chính của thiết bị dạng này là cĩ 1 Rotor được đặt trong thân của thiết bị (đứng hoặc nằm ngang), nhờ việc khuấy trộn chất lỏng nhớt, làm gia tăng khả năng truyền nhiệt và ngăn cản sự đĩng cáu (hình 13). Nhiều loại rotor chống ăn mịn tốt thường được sử dụng như: fixed, scarping, or hinged (Minton,1986). Trong thiết bị đặt đứng, bộ phận tách pha lỏng-hơi và động cơ cĩ thể cùng bố trí tại đỉnh hay tại đáy thiết bị. Thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy thường được dùng kết hợp cùng với thiết bị bốc hơi chảy màng dạng ống khi cần cơ đặc tách chất rắn. Bởi sự giới hạn của thiết bị (chỉ cĩ 1 ống cùng với 1 rotor) nên bề mặt bốc hơi của thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy thì cĩ giới hạn, tối đa khoảng 10m2. Ngược lại, thiết bị bốc hơi dạng ống (như thiết bị bốc hơi màng rơi…) cĩ cấu tạo gốm nhiều ống nên làm tăng bề mặt bốc hơi lên lớn hơn nhiều.
Trong thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy dạng đứng, rotor cĩ thể được tháo gỡ bằng máy nâng thủy lực để kiểm tra sửa chữa.
Hệ số truyền nhiệt chung (U) của thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy nĩi chung cao, phụ thuộc vào tốc độ quay của cánh khuấy và tốc độ nhập liệu. Đối với các sản phẩm cĩ độ nhớt cao, U đạt giá trị lớn trong khoảng 2000-3000 W/m2K. U đạt giá trị 2700-2100 W/m2K khi cơ đặc dung dịch đường 10-600 Brix tại 1000 C, (using a pilot-scale agitated film evaporator) sử dụng thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy cĩ thang điều khiển (Marinos-Kouris và Saravacos, 1974).
Thiết bị cĩ bề mặt truyền nhiệt ≤ 1m2, cao 2-3m và chiếm ≤ 0.2m2 diện tích mặt sàn. Chúng cĩ thể vận hành trong một khoảng rộng nhiệt độ với năng suất bay hơi 1-3 tấn hơi nước/h
Thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy cĩ thể sử dụng để kết tinh muối, như NaCl (Dziak và Skoczylas, 1996).
Hình 18- Sơ đồ thiết bị bốc hơi chảy màng cĩ cánh khuấy với bộ phận tách pha lỏng khí nằm trên đỉnh.
M, động cơ; F, nhập liệu; P, sản phẩm; S, hơi đốt; C, hơi ngưng; V, hơi bốc
d) Thiết bị bốc hơi chảy màng ly tâm
Hệ số truyền nhiệt của màng chất lỏng được gia tăng trong trường ly tâm, đã gia tăng hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối. Sự chuyển động quay của tâm thiết bị cùng với thời gian tiếp xúc ngắn và hệ số truyền nhiệt cao, thiết bị này cĩ thể dùng để cơ đặc các thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm với nhiệt. Hệ số truyền nhiệt cao cùng với sự duy trì của hương vị sản phẩm trong thiết bị bốc hơi chảy màng ly tâm De Laval Centritherm đã được Malkki và Veldstra cơng bố năm 1967.
Nhiệt trao đổi trên bề mặt bộ phận hoặc mâm quay đồng trục, tương tự như trong máy tách ly tâm. Mâm quay cĩ 2 lớp và hơi đốt ( vd hơi nước) thổi qua bên trong mâm, trong khi đĩ sản phẩm được phân phơi tại 1 vịi đặt bên ngồi mâm và dâng lên trong suốt quá trình quay. Lớp màng sản phẩm dày khoảng 0,1 mm, thể tích chất lỏng ngưng trệ dưới 1,5L , và thời gian tiếp xúc trong thiết bị dưới 1 giây.
Hệ số truyền nhiệt thay đổi trong khoảng 2000-10000 W/m2K đạt được khi cơ đặc Sirơ bắp (0-600 Brix, sử dụng mâm quay nằm ngang với tốc độ quay khoảng 200-1000 vịng/phút (Yanniotis và Kolokotsa, 1996). Thiết bị loại này ít sử dụng trong cơng nghiệp bởi giá thành và chi phí vận hành cao cùng với năng suất bay hơi thấp.
rotor v M F S C P
VIII-HỆ THỐNG THIẾT BỊ BỐC HƠI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG:
Bốc hơi và sấy là những thiết bị tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong quá trình sản xuất thực phẩm. Với việc giá năng lượng ngày càng tăng và việc sản xuất năng lượng đã gây tác động mạnh tới mơi trường, các hệ thống tiết kiệm và tận dụng năng lượng đã được phát triển và ứng dụng trong cơng nghiệp (ERDA,1977). Việc tiết kiệm năng lượng cĩ thể được tiến hành bằng cách cải tiến các thiết bị hiện cĩ, hiện đại hĩa (hiệu chỉnh các thiết bị phụ), hoặc chuyên mơn hĩa (lắp đặt những thiết bị mới tiết kiệm năng lượng).
Năng lượng cho thiết bị bốc hơi thường được cung cấp bằng hơi nước bão hịa, thì được dùng chủ yếu để bốc hơi nước trong nguyên liệu thực phẩm lỏng. Theo lý thuyết, việc bốc hơi 1 kg nước cần hơn 1 kg hơi nước bão hịa, được sử dụng như là chất dẫn nhiệt, vì enthalpy (nhiệt) của quá trình bốc hơi nước sẽ giảm khi áp suất tăng. Ví dụ như việc bốc hơi nước cần 2,26 MJ/kg ở 100oC và áp suất hơi nước bão hịa là 4 bar, năng lượng cần cung cấp để nĩ ngưng tụ sẽ là 2,13 MJ/kg. Vì vậy, hơi nước tiết kiệm (SE) được trong cơng đoạn này là SE = 2,13/2,26 = 0,94 kg nước bốc hơi/kg hơi. Trong ví dụ này, chất lỏng được giả định là đi vào và ra thiết bị bốc hơi ở dạng hơi bão hịa (tại nhiệt độ sơi).
Hơi nước tiết kiệm trong thiết bị bốc hơi cĩ thể được tăng lên nhờ vào việc sử dụng các hệ thống tiết kiệm năng lượng khác nhau, như sử dụng hệ thống cơ đặc liên tục và hơi nén. Bảng 2 cho thấy lượng hơi nước tiết kiệm được trong các thiết bị bốc hơi cơng nghiệp (Kessler, 1986; Bouman et al.., 1988; Hartel, 1992; Chen và Heznandez, 1997). Lượng hơi nước tiết kiệm được trong hệ thống bốc hơi liên hồn xấp xỉ SE = 0,85N, với N là số lượng thiết bị cĩ trong hệ thống (Filho et al.,1984).
Bảng 2 . Lượng hơi nước tiết kiệm được trong các thiết bị bốc hơi:
Thiết bị bốc hơi SE, kg nước/kg hơi
Một bộ phận bốc hơi Hai bộ phận
Ba bộ phận Sáu bộ phận
Máy nén nhiệt, 3 bộ phận bốc hơi Máy nén hơi 0,90 – 0,98 1,70 – 2 2,40 – 2,80 4,6 – 4,9 4 – 8 10 – 30
1. Thiết bị bay hơi liên tục:
Hệ thống thiết bị bay hơi liên tục (ME) dựa trên việc sử dụng lại hơi nước từ một thiết bị bốc hơi để truyền nhiệt trong thiết bị tiếp theo làm việc ở áp suất thấp hơn. Vì vậy 1 kg hơi cĩ thể làm bốc hơi nước nhiều hơn, tùy vào số lượng thiết bị và áp suất hoạt động.
Việc xem xét đến nhiệt động dẫn đến nhu cầu cần làm giảm áp suất (và cả nhiệt độ) từ thiết bị này đến thiết bị tiếp theo. Đối với các thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm nhiệt, nhiệt độ ở thiết bị đầu tiên khơng nên cao quá 100oC, trong khi ở thiết bị cuối cùng, nhiệt độ khơng nên thấp hơn 40oC, để dùng nước làm lạnh hơi cuối ở nhiệt độ mơi trường trong bình ngưng tụ. Giả định rằng sự khác biệt nhiệt độ giữa các thiết bị là 10oC, số thiết bị tối đa trong hệ thống bốc hơi thực phẩm nên khoảng N = 60/10 = 6.
Hình 19 biểu diễn sơ đồ hệ thống 3 thiết bị bốc hơi liên tiếp với cơng đoạn nhập liệu trực tiếp. Thiết bị bốc hơi nhập liệu trực tiếp được ưu tiên sử dụng vì nguyên liệu (cĩ nồng độ và độ nhớt thấp) được bốc hơi một cách hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao, mà khơng cĩ sự tắc nghẽn. Trong trường hợp đặc biệt, việc hồn lưu nguyên liệu và cho chảy đồng thời qua các thiết bị bốc