Nhieău dáng thiêt bị bôc hơi được sử dúng cho quá trình cođ đaịc thực phaơm dáng lỏng. Những nhađn tô chính ạnh hưởng đên sự lựa chĩn moơt heơ thông thiêt bị bôc hơi là chât lượng thực phaơm, cođng suât bôc hơi, vân đeă naíng lượng/giá cạ. Yeđu caău đaău tieđn trong vieơc đạm bạo nhu caău thực phaơm là sự oơn định giữa nhieơt đoơ và thời gian trong thiêt bị bôc hơi. Cođng suât cụa quá trình bôc hơi phú thuoơc vào vaơn tôc truyeăn nhieơt, sự taơn dúng naíng lượng được cại thieơn bởi heơ thông tiêt kieơm naíng lượng. Những phađn xưởng thí nghieơm bôc hơi có theơ sử dúng cho vieơcï mở roơng, áp dúng quy mođ lớn đôi với những thực phaơm cođ đaịc, sạn phaơm cođ đaịc từ cam, chanh, …(citrus) (Chen and Johnson, 1995).
1. Cađn baỉng vaơt chât và naíng lượng
Kích thước cụa moơt thiêt bị bôc hơi được tính toán dựa tređn cơ sở cụa vieơc ước lượng dieơn tích beă maịt truyeăn nhieơt cho quá trình bôc hơi và truyeăn nhieơt. Sự cađn baỉng vaơt chât và naíng lượng caăn thiêt cho quá trình tính toán kích thước, được ước lượng qua những quy taĩc đã khạo sát ở chương 1.
Hình 16 là bieơu đoă mođ tạ sự cađn baỉng cơ bạn veă lượng caăn thiêt và quá trình dieên ra. Dữ kieơn theo sau chuaơn bị cho vieơc thiêt kê sơ boơ quá trình: (1) khađu nhaơp lieơu và sạn phaơm vào và ra khỏi thiêt bị bôc hơi dưới dáng chât lỏng bão hòa, ở nhieơt đoơ sođi tái áp suât đang xét. (2) Sự taíng nhieơt đoơ sođi (BPR:boiling point rise) có theơ bỏ qua, được xem là moơt giạ thiêt hợp lý cho nguyeđn lieơu thực phaơm, ngối trừ quá trình cođ đaịc noăng đoơ cao (tređn 600 Brix). (3) Hơi nước gia nhieơt và hơi nước ngưng tú được bão hòa (ở đieơm ngưng tú/bôc hơi). (4) Sự thât thoát nhieơt ra mođi trường được bỏ qua. Lượng nhieơt thât thoát khoạng 1 –
3% toơng lượng nhieơt sử dúng và có theơ giạm xuông baỉng lớp cách nhieơt rieđng cho thiêt bị bôc hơi.
Phađn tích tính toán sự ạnh hưởng cụa nhieău yêu tô bôc hơi được cho trong ví dú 1.
Hình 16-cađn baỉng vaơt chât trong thiêt bị bôc hơi. m, lưu lượng; T, nhieơt đoơ; H, entanpy; A, dieơn tích beă maịt truyeăn nhieơt
2. Thiêt bị bôc hơi thời gian lưu dài:
Đôi với thực phaơm beăn nhieơt, như dung dịch đường, si rođ, nước ép khoai tađy và sạn phaơm từ khoai tađy, nước ép quạ và đóng hoơp, dung dịch muôi có theơ bôc hơi trong nhieău dáng khác nhau cụa thiêt bị bôc hơi, được bieơu thị bởi môi quan heơ giữa thời gian bôc hơi dài, nhieơt đoơ cao, và sự tuaăn hoàn. Heơ sô truyeăn nhieơt cao có được là do sự khuây troơn và sự tuaăn hoàn tự nhieđn hay cưỡng bức cụa dòng thực phaơm (Minton, 1986). Hơn nữa, sự tuaăn hoàn cưỡng bức làm giạm sự tích tú caịn.
a. Thiêt bị bôc hơi vỏ ông
Noăi hơi được dùng cho quá trình bay hơi phađn đốn và cođ đaịc đôi với sạn phaơm thực phaơm beăn nhieơt, như khoai tađy purée và nước sôt cà chua nâm. Sự khuây troơn cơ hĩc với những lưỡi dao được dùng đeơ chông lái sự tích tú caịn tređn beă maịt truyeăn nhieơt và taíng tôc đoơ truyeăn nhieơt.
b. Heơ thông ông dăn nhieơt
Ông dăn hơi nước được đaịt chìm trong dung dịch caăn cođ đaịc như moơt heơ thông làm vieơc đơn giạn và hieơu quạ. Heơ thông ông dăn có theơ được uôn đeơ làm taíng tôc đoơ truyeăn nhieơt. Heơ thông ông dăn được sử dúng trong thiêt bị truyeăn nhieơt WURLING, được thiêt kê cho các sạn phaơm từ khoai tađy và các khôi nghieăn từ trái cađy trong nhà máy bôc hơi mieăn tađy
USDA (Morgan, 1967). Do vaơn tôc tương đôi cao, taíng leđn ở beă maịt tiêp xúc giữa heơ thông ông xoaĩn và sạn phaơm, có theơ làm giạm sự xuât hieơn cụa các chât dính, nhớt đôi với sạn phaơm trái cađy hoaịc từ rau (dáng chât lỏng phi Newton), làm taíng heơ sô truyeăn nhieơt (Saravacos, 1974).
c. Thiêt bị bôc hơi ông ngaĩn
Thiêt bị bôc hơi ông ngaĩn ( thùng bôc hơi chađn khođng) bao goăm moơt chùm ông ngaĩn, dài từ 2–3 m, truyeăn nhieơt beđn ngoài nhờ hơi nước, được đeơ chìm trong dung dịch lỏng bôc hơi. Dòng chât lỏng chạy leđn tređn qua heơ thông ông bởi đôi lưu tự nhieđn với vaơn tôc khoạng gaăn 1m/s, và được taăn hoàn lieđn túc trong suôt quá trình bôc hơi. Moơt vài đieơm sođi xuât hieơn beđn trong heơ thông ông. Thiêt bị bôc hơi là heơ thông rẹ tieăn, hieơu quạ đôi với quá trình bôc hơi chât lỏng dính nhớt thâp, như dung dịch đường. Thời gian tiêp xúc khoạng vài phút và cođng suât thâp khiên heơ thông này khođng được châp nhaơn cho quá trình bôc hơi thực phaơm dáng lỏng và nháy cạm với nhieơt đoơ với theơ tích lớn.
d.Thiêt bị bôc hơi có tuaăn hoàn cưỡng bức
Chât lỏng được tuaăn hoàn nhờ heơ thông bơm ly tađm qua boơ trao đoơi nhieơt beđn ngoài (hoaịc beđn trong) với vaơn tôc cao ( 3–5 m/s), nhieơt được cung câp qua hơi nước ngưng tú. Khi áp suât cheđnh leơch lớn, chât lỏng khođng sođi beđn trong đường ông cụa heơ thông trao đoơi nhieơt, nó sẽ phađn rieđng nhanh chóng thành lỏng/hơi, và được duy trì trong chê đoơ chađn khođng. Do đó heơ sô trao đoơi nhieơt lớn, vaơn tôc chât lỏng lớn, sự hình thành caịn trong lớp ông bị ngaín chaịn. Thời gian tiêp xúc trong vài phút, hieơu quạ cao đôi với những thực phaơm dáng lỏng beăn nhieơt như dung dịch đường.
3. Thiêt bị bôc hơi có thời gian lưu ngaĩn
a) Thiêt bị bôc hơi dáng ông dài đaịt thẳng đứng
Phaăn lớn các lối thực phaơm dáng lỏng nháy cạøm với nhieơt đoơ, như là các lối nước quạ và sữa, được cođ đaịc trong thiêt bị bôc hơi dáng ông dài thẳng đứng với đường kính moêi ông 25-50mm và chieău cao 4-10m. Thiêt bị bôc hơi màng rơi thì được sử dúng roơng rãi hơn các thiêt bị bôc hơi màng treo (hình 1). Do đoơ cao cụa thiêt bị neđn chúng thường được đaịt ngoài nhà máy. Hình 17 theơ hieơn sơ lược 2 dáng cụa thiêt bị bôc hơi dáng ông dài thẳng đứng.
Heơ thông màng rơi được sử dúng phoơ biên hơn, nguyeđn nhađn bởi heơ sô truyeăn nhiêt cao, đoơ giạm áp suât thâp, và thời gian tiêp xúc ngaĩn (khoạng vài giađy). Chât lỏng nhaơp lieơu đã được nung nóng sơ boơ phại được phađn phôi đoăng đeău tređn đưnh cụa ông, và hoên hợp lỏng hơi tái đáy được tách ra trong thiêt bị ly tađm hoaịc thiêt bị lĩc. Chât lỏng đã được cođ đaịc được tháo ra với 1 máy bơm thích hợp ( nêu đoơ nhớt quá cao thì dùng bơm chađn khođng dáng pittođng), và hơi bôc ra được ngưng tú tređn beă maịt hoaịc trong bình ngưng hoên hợp, được đi kèm theo bời heơ thông chađn khođng
Hình 17- Sơ đoă thiêt bị bôc hơi dáng ông dài thẳng đứng a)Thiêt bi bôc hơi màng rơi
b)Thiêt bị bôc hơi màng treo
F, nhaơp lieơu; P, sạn phaơm; S, hơi đôt; C, hơi ngưng; L, chât lỏng; V, hơi bôc; SP, thiêt bị ngưng tú
Thiêt bị bôc hơi màng rơi thường dùng đeơ cođ đaịc nước rau quạ (như nước cà chua). Moơt bơm được sử dúng đeơ hoàn lưu 1 phaăn sạn phaơm đã cođ đaịc đeơ taíng cường sự trao đoơi nhieơt và làm giạm sự đóng cáu tređn beă maịt thiêt bị.
Trái với thiêt bị bôc hơi màng rơi, thiêt bị bôc hơi màng treo thì khođng caăn có boơ phaơn phađn phôi nguoăn nhaơp lieơu và sự đóng cáu cũng ít hơn. Tuy nhieđn, trong khi hốt đoơng thì sự giạm áp suât cao hơn, đieău này nghĩa là nhieơt đoơ cụa chât lỏng tái đáy cao hơn đáng keơ so với đưnh ông; Thời gian tiêp xúc cũng dài hơn. Trong cạ 2 dáng thiêt bị bôc hơi, do tôc đoơ bay hơi nhanh neđn dòng hoên hợp lỏng-hơi đi ra khỏi ông có vaơn tôc lớn ( có theơ leđn tới 100 m/s).
Thiêt bị RFC (rising and falling film evaporator) là 1 dáng kêt hợp cụa 2 lối thiêt bị tređn đã taơn dúng được các thuaơn lợi cụa dáng thiêt bị chạy màng.(Moore và Hessler, 1963; Moore và Hessler 1968) F S sp V L c V/L V/L F c S sp V L a) b)
b) Thiêt bị bôc hơi dáng bạn
Thiêt bị bôc hơi dáng bạn, sự vaơn hành giông như thiêt bị bôc hơi màng rơi hoaịc thiêt bị bôc hơi RFC, tương tự nguyeđn lý hốt đoơng cụa heơ thông bôc hơi dáng ông dài. Chúng có ưu đieơm là chieău cao (dài) thiêt bị thâp hơn neđn có theơ đaịt ngay beđn nhà máy. Chúng cũng deê tháo dời và veơ sinh hơn so với thiêt bị dáng ông.
Thiêt bị bôc hơi dáng bạn gaăn giông với thiêt bị truyeăn nhiêt dáng bạn, với thiêt kê đaịc bieơt đeơ có theơ vaơn chuyeơn chât lỏng nhớt đang sođi cùng với quá trình bôc hơi trong suôt quá trình truyeăn nhieơt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c) Thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây
Thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây được sử dúng đôi với các lối thực phaơm dáng lỏng có đoơ nhớt rât lớn và deơ đóng cáu, hoaịc có nhieău hát phađn tán lơ lửng mà khođng theơ xử lý trong các thiêt bị bôc hơi dáng ông hay dáng bạn thođng thường. Đaịc trưng chính cụa thiêt bị dáng này là có 1 Rotor được đaịt trong thađn cụa thiêt bị (đứng hoaịc naỉm ngang), nhờ vieơc khuây troơn chât lỏng nhớt, làm gia taíng khạ naíng truyeăn nhieơt và ngaín cạn sự đóng cáu (hình 13). Nhieău lối rotor chông aín mòn tôt thường được sử dúng như: fixed, scarping, or hinged (Minton,1986). Trong thiêt bị đaịt đứng, boơ phaơn tách pha lỏng-hơi và đoơng cơ có theơ cùng bô trí tái đưnh hay tái đáy thiêt bị. Thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây thường được dùng kêt hợp cùng với thiêt bị bôc hơi chạy màng dáng ông khi caăn cođ đaịc tách chât raĩn. Bởi sự giới hán cụa thiêt bị (chư có 1 ông cùng với 1 rotor) neđn beă maịt bôc hơi cụa thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây thì có giới hán, tôi đa khoạng 10m2. Ngược lái, thiêt bị bôc hơi dáng ông (như thiêt bị bôc hơi màng rơi…) có câu táo gôm nhieău ông neđn làm taíng beă maịt bôc hơi leđn lớn hơn nhieău.
Trong thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây dáng đứng, rotor có theơ được tháo gỡ baỉng máy nađng thụy lực đeơ kieơm tra sửa chữa.
Heơ sô truyeăn nhieơt chung (U) cụa thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây nói chung cao, phú thuoơc vào tôc đoơ quay cụa cánh khuây và tôc đoơ nhaơp lieơu. Đôi với các sạn phaơm có đoơ nhớt cao, U đát giá trị lớn trong khoạng 2000-3000 W/m2K. U đát giá trị 2700-2100 W/m2K khi cođ đaịc dung dịch đường 10-600 Brix tái 1000 C, (using a pilot-scale agitated film evaporator) sử dúng thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây có thang đieău khieơn (Marinos-Kouris và Saravacos, 1974).
Thiêt bị có beă maịt truyeăn nhieơt ≤ 1m2, cao 2-3m và chiêm ≤ 0.2m2 dieơn tích maịt sàn. Chúng có theơ vaơn hành trong moơt khoạng roơng nhieơt đoơ với naíng suât bay hơi 1-3 tân hơi nước/h
Thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây có theơ sử dúng đeơ kêt tinh muôi, như NaCl (Dziak và Skoczylas, 1996).
Hình 18- Sơ đoă thiêt bị bôc hơi chạy màng có cánh khuây với boơ phaơn tách pha lỏng khí naỉm tređn đưnh.
M, đoơng cơ; F, nhaơp lieơu; P, sạn phaơm; S, hơi đôt; C, hơi ngưng; V, hơi bôc
d) Thiêt bị bôc hơi chạy màng ly tađm
Heơ sô truyeăn nhieơt cụa màng chât lỏng được gia taíng trong trường ly tađm, đã gia taíng hieơu quạ truyeăn nhieơt và truyeăn khôi. Sự chuyeơn đoơng quay cụa tađm thiêt bị cùng với thời gian tiêp xúc ngaĩn và heơ sô truyeăn nhieơt cao, thiêt bị này có theơ dùng đeơ cođ đaịc các thực phaơm dáng lỏng nháy cạm với nhieơt. Heơ sô truyeăn nhieơt cao cùng với sự duy trì cụa hương vị sạn phaơm trong thiêt bị bôc hơi chạy màng ly tađm De Laval Centritherm đã được Malkki và Veldstra cođng bô naím 1967.
Nhieơt trao đoơi tređn beă maịt boơ phaơn hoaịc mađm quay đoăng trúc, tương tự như trong máy tách ly tađm. Mađm quay có 2 lớp và hơi đôt ( vd hơi nước) thoơi qua beđn trong mađm, trong khi đó sạn phaơm được phađn phođi tái 1 vòi đaịt beđn ngoài mađm và dađng leđn trong suôt quá trình quay. Lớp màng sạn phaơm dày khoạng 0,1 mm, theơ tích chât lỏng ngưng treơ dưới 1,5L , và thời gian tiêp xúc trong thiêt bị dưới 1 giađy.
Heơ sô truyeăn nhieơt thay đoơi trong khoạng 2000-10000 W/m2K đát được khi cođ đaịc Sirođ baĩp (0-600 Brix, sử dúng mađm quay naỉm ngang với tôc đoơ quay khoạng 200-1000
rotor v M F S C P
vòng/phút (Yanniotis và Kolokotsa, 1996). Thiêt bị lối này ít sử dúng trong cođng nghieơp bởi giá thành và chi phí vaơn hành cao cùng với naíng suât bay hơi thâp.
VIII-HEƠ THÔNG THIÊT BỊ BÔC HƠI TIÊT KIEƠM NAÍNG LƯỢNG:
Bôc hơi và sây là những thiêt bị tieđu tôn naíng lượng nhieău nhât trong quá trình sạn xuât thực phaơm. Với vieơc giá naíng lượng ngày càng taíng và vieơc sạn xuât naíng lượng đã gađy tác đoơng mánh tới mođi trường, các heơ thông tiêt kieơm và taơn dúng naíng lượng đã được phát trieơn và ứng dúng trong cođng nghieơp (ERDA,1977). Vieơc tiêt kieơm naíng lượng có theơ được tiên hành baỉng cách cại tiên các thiêt bị hieơn có, hieơn đái hóa (hieơu chưnh các thiêt bị phú), hoaịc chuyeđn mođn hóa (laĩp đaịt những thiêt bị mới tiêt kieơm naíng lượng).
Naíng lượng cho thiêt bị bôc hơi thường được cung câp baỉng hơi nước bão hòa, thì được dùng chụ yêu đeơ bôc hơi nước trong nguyeđn lieơu thực phaơm lỏng. Theo lý thuyêt, vieơc bôc hơi 1 kg nước caăn hơn 1 kg hơi nước bão hòa, được sử dúng như là chât dăn nhieơt, vì enthalpy (nhieơt) cụa quá trình bôc hơi nước sẽ giạm khi áp suât taíng. Ví dú như vieơc bôc hơi nước caăn 2,26 MJ/kg ở 100oC và áp suât hơi nước bão hòa là 4 bar, naíng lượng caăn cung câp đeơ nó ngưng tú sẽ là 2,13 MJ/kg. Vì vaơy, hơi nước tiêt kieơm (SE) được trong cođng đốn này là SE = 2,13/2,26 = 0,94 kg nước bôc hơi/kg hơi. Trong ví dú này, chât lỏng được giạ định là đi vào và ra thiêt bị bôc hơi ở dáng hơi bão hòa (tái nhieơt đoơ sođi).
Hơi nước tiêt kieơm trong thiêt bị bôc hơi có theơ được taíng leđn nhờ vào vieơc sử dúng các heơ thông tiêt kieơm naíng lượng khác nhau, như sử dúng heơ thông cođ đaịc lieđn túc và hơi nén. Bạng 2 cho thây lượng hơi nước tiêt kieơm được trong các thiêt bị bôc hơi cođng nghieơp (Kessler, 1986; Bouman et al.., 1988; Hartel, 1992; Chen và Heznandez, 1997). Lượng hơi nước tiêt kieơm được trong heơ thông bôc hơi lieđn hoàn xâp xư SE = 0,85N, với N là sô lượng thiêt bị có trong heơ thông (Filho et al.,1984).
Bạng 2 . Lượng hơi nước tiêt kieơm được trong các thiêt bị bôc hơi:
Thiêt bị bôc hơi SE, kg nước/kg hơi
Moơt boơ phaơn bôc hơi Hai boơ phaơn
Ba boơ phaơn Sáu boơ phaơn
Máy nén nhieơt, 3 boơ phaơn bôc hơi Máy nén hơi 0,90 – 0,98 1,70 – 2 2,40 – 2,80 4,6 – 4,9 4 – 8 10 – 30
1. Thiêt bị bay hơi lieđn túc:
Heơ thông thiêt bị bay hơi lieđn túc (ME) dựa tređn vieơc sử dúng lái hơi nước từ moơt thiêt bị bôc hơi đeơ truyeăn nhieơt trong thiêt bị tiêp theo làm vieơc ở áp suât thâp hơn. Vì vaơy 1 kg hơi có theơ làm bôc hơi nước nhieău hơn, tùy vào sô lượng thiêt bị và áp suât hốt đoơng.
Vieơc xem xét đên nhieơt đoơng dăn đên nhu caău caăn làm giạm áp suât (và cạ nhieơt đoơ) từ thiêt bị này đên thiêt bị tiêp theo. Đôi với các thực phaơm dáng lỏng nháy cạm nhieơt, nhieơt đoơ ở thiêt bị đaău tieđn khođng neđn cao quá 100oC, trong khi ở thiêt bị cuôi cùng, nhieơt đoơ khođng neđn thâp hơn 40oC, đeơ dùng nước làm lánh hơi cuôi ở nhieơt đoơ mođi trường trong bình ngưng tú. Giạ định raỉng sự khác bieơt nhieơt đoơ giữa các thiêt bị là 10oC, sô thiêt bị tôi đa trong heơ thông bôc hơi thực phaơm neđn khoạng N = 60/10 = 6.
Hình 19 bieơu dieên sơ đoă heơ thông 3 thiêt bị bôc hơi lieđn tiêp với cođng đốn nhaơp lieơu trực tiêp. Thiêt bị bôc hơi nhaơp lieơu trực tiêp được ưu tieđn sử dúng vì nguyeđn lieơu (có noăng đoơ và đoơ nhớt thâp) được bôc hơi moơt cách hieơu quạ hơn ở nhieơt đoơ cao, mà khođng có sự taĩc nghẽn. Trong trường hợp đaịc bieơt, vieơc hoàn lưu nguyeđn lieơu và cho chạy đoăng thời