Phương trình cân bằng nhiệt:
Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm1 + LI1 + Gvc.Cvctm1 = G2Cmtm2 + Q5 + LI3’ + Gvc.Cvc.tm2 Q + Qbs = L(I3’ – I1) + G2Cm(tm2 – tm1) + Q5 – WCn.tm1 + Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) Q + Qbs = Q2 + Qm + Q5 + Q1 + Qvc (*)
Trong đó :
+ Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy. + Qbs - Nhiệt lượng bổ sung.
Do không dùng thiết bị gia nhiệt cho khơng khí sau dàn nóng nên Qbs = 0. + Q1 = - WCntm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào.
+ G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra. + Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che.
+ Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển. + Q2 = L(I3’ – I1) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy.
Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs ta có:
q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm Mà q = l(I2 - I1) hay l(I2 – I1) = l(I3’ – I1) + qv +q5 – Cntm1
Hay l(I3’ – I2) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm)
Đặt Cntm1-(qv + q5 + qm) = - Tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm. Suy ra l(I3’ – I2) = hay I3’ = I2 + /l Tính Δ:
* Tổn thất nhiệt ra mơi trường q5
Nhiệt độ bên ngồi buồng sấy: tf 1 = t0 = 300C Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 = t2+t3
2 =45+402 = 42,5 0C
Buồng sấy có tường làm bằng thép có chiều dàyδ=¿ 50 mm. Tra bảng
phụ lục [2], ta có hệ số dẫn nhiệt = 39 W/mK
Nhiệt tổn thất ra mơi trường được tính theo cơng thức Q5 = K.F.t , W Trong đó:
+ F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2
Buồng sấy là hình hộp có các thơng số: L¿B¿H = 1,5¿1,2¿1,33, m3. Ta tính tổng diện tích xung quanh của buồng sấy:
F = 2(L.B + L.H + B.H)
= 2(1,5.1,2 + 1,5.1,33 + 1,2.1,33) = 10,782m2
+ t - Độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy , 0C
t = tf2 - tf1 = 42,5 – 30 = 12,5 0C + K - Hệ số truyền nhiệt , W/m2K
K = ( 1
α1+δλ+α21 )−1
Với: 1,2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy đến vách trong buồng sấy và hệ số toả nhiệt từ vách ngồi tới khơng khí bên ngồi.
Để xác định 1,2 ta dùng phương pháp lặp.
+ Giả thiết cho tw1 = 43,5 0C (nhiệt độ vách trong của tường ), ta có phương trình cân bằng nhiệt :
q = 1(tf1 -tw1) = δλ(tw1-tw2) = 2(tw2 - tf2)
Hệ số toả nhiệt 1 được xác định theo công thức sau:
1 = 6,15 + 4,17. ω = 6,15 + 4,17.3,7 = 21,579 W/m2K Vậy mật độ dòng nhiệt truyền qua
q = 1(t2 -tw1) = 21,579(45 – 43,5 ) = 32,36 W/m2
Nhiệt độ vách ngồi tường được xác định theo cơng thức: tw2 = tw1- q.δλ = 43,5 – 32,36.0.0539 = 43,45 0C Nhiệt độ định tính: tm = tw2+t0
2 = 43,452+30 = 36,725 0C
Tra bảng thơng số khơng khí với tm = 36,725 0C = 309,8750K tại bảng phụ lục [2], ta có các thơng số sau:
= 2,665.10-2 W/m2K; v = 16,345.10-6 m2/s; Pr = 0,7.
Tiêu chuẩn Grashoft: Gr = g. β . ∆ t .lv2 3 Gr = 9.81.3.10(16,345.10−3.(36,725−30)−6)2 1,333 = 1,743.109 Ta có Gr.Pr = 0,7.1,743.109 =1,22.109 thuộc khoảng (2.107 – 1.1013) Theo bảng 3.1 trang 34/[2] ta có C = 0,135, n = 0,333 Cơng thức tính Nusselt: Nu = C.(G r .P r)n1= 0,135.(1,22.109)0,333 = 144,25 Hệ số toả nhiệt 2 = Nu . λl = 144,25.2,665. 101,33 −2 = 2,89 W/m2K Vậy, hệ số truyền nhiệt: K = ( 1
α1+α12+1λ) Hay K = ( 1
21,579+0,0539 +2,891 ) = 0,39 W/m2K Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là
Q5 = 3,7. 10,782. 12,5 = 498,66 J/s. Nhiệt tổn thất ra mơi trường trong q trình sấy:
Q5 = 498,66.16.3600 = 28722816 J = 28722,8 kJ Vậy q5 = Q5
Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt.
th=t0+∆ th
Với môi chất R22, ta chọn ∆ th = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là: th= 0 + 25 = 25 0C
* Thiết kế dàn ngưng Chọn loại dàn ngưng
Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng khơng khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhơm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 5-15 mm. Do môi chất là Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng
Các thông số cho trước
+ Công suất của dàn ngưng: Pk = 15 kW/h + Nhiệt độ khơng khí vào dàn: tkk’ = t1 = 10 0C + Nhiệt độ khơng khí ra khỏi dàn: tkk” = t2 = 45 0C + Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 55 0C * Thiết kế dàn bay hơi:
Dàn bay hơi ở đây có tác dụng làm lạnh khơng khí nên ta chọn loại dàn bay hơi làm lạnh khơng khí đối lưu cưỡng bức.
2. Thông số cho trước
+ Công suất dàn: P0 = 14,4 kW/h + Nhiệt độ khơng khí vào dàn bay hơi: tk0’ = 45 0C. + Nhiệt độ khơng khí ra khỏi dàn: tk0” = 10 0C + Nhiệt độ bay hơi của môi chất trong dàn: t0 = 0 0C.
2.6.6. Thiết bị hồi nhiệt
* Cơng dụng
Thiết bị hồi nhiệt có tác dụng quá nhiệt hơi hút về máy nén để tránh hiện tượng thuỷ kích và quá lạnh lỏng cao áp trước khi qua tiết lưu để giảm tổn thất lạnh do van
tiết lưu. * Nguyên lý
Lỏng cao áp chảy bên trong ống xoắn trao đổi nhiệt với hơi hạ áp chảy bên ngoài ống làm cho hơi hạ áp từ hơi bão hoà trở thành hơi quá nhiệt. Lỏng cao áp nhả nhiệt cho hơi hạ áp và được quá lạnh một phần. Ống trụ kín 2 đầu có nhiệm vụ hướng cho dòng hơi đi qua ống xoắn và làm tăng tốc độ dịng hơi để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Bình hồi nhiệt được bọc cách nhiệt.
* Thông số thiết kế
- Công suất thiết bị hồi nhiệt: Qhn = 3,27kW. - Nhiệt độ lỏng môi chất vào: tl’ = t3 = 50 0C. - Nhiệt độ lỏng môi chất ra: tl” = t3’ = 36 0C. - Nhiệt độ hơi môi chất vào: th’ = t1 = 0 0C. - Nhiệt độ hơi môi chất ra : th” = t1’ = 25 0C.
Theo kích thước tiêu chuẩn của đường ống ta chọn d1 = 15 mm. Khi đó, đường kính ngồi là: d2 = 17 mm.
2.6.7. Chọn quạt
Theo cơng thức ta có năng suất của quạt N là: N = k3600.102V ρ0∆ P. ρ .ηq ; kW
Trong đó: V - lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m3/h
∆ P - tổng cột áp quạt phải thực hiện, mmH2O k - hệ số dự phịng, k =(1,1 ÷ 1,2). Chọn k = 1,1
ηq - hiệu suất của quạt, ηq=(0,4÷0,6). Chọn ηq=0,6
ρ0- khối lượng riêng của khơng khí ở điều kiện tiêu chuẩn, kg/m3
ρ0=1,293 kg/m3
ρ - khối lượng riêng của khơng khí ở nhiệt độ trung bình TNS, kg/m3
ρ = 1,147 kg/m3
Lưu lượng khơng khí V = Gkk
ρ = 1,14650,27 =¿0,235 m3/s
Từ năng suất quạt N, lưu lượng V và cột áp ∆ P . Đặc tính kỹ thuật của một vài loại quạt ta chọn quạt HV 45/525 với các thông số như sau:
Năng suất quạt: V = 840 m3/h Cột áp của quạt: ∆ P = 500mmH2O Công suất động: N = 1,5 kW Số vòng quay: n = 3000 Vg/ph 2.7. MÁY HẤP Hình 2.22. Sơ đồ máy hấp 1.Nồi hấp 2.Ống dẫn 3.Thiết bị ngưng tụ 4.Ống dẫn nước làm mát
5.Thùng chứa tinh dầu thô 6.Ống dẫn nước hồi
7. Bể chứa nước 8. Máy bơm
2.7.1. Phương pháp chưng cất 2.7.1.1. Nguyên tắc phương pháp 2.7.1.1. Nguyên tắc phương pháp
Phương pháp này dựa trên sự khuếch tán, thẩm thấu, hịa tan và lơi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các mô thực vật (hoa, lá, vỏ quả, hạt, thân, cành, rễ,...) khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao.
Điều quan trọng là tính chất giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp các cấu tử khơng hịa tan vào nhau. Chính điều này làm cho phương pháp chưng cất trở nên có ý nghĩa.
a. Sự khuếch tán, thẩm thấu, hòa tan
Ngay khi nguyên liệu được cắt đoạn nhỏ rồi đưa vào chưng cất thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu là bị vỡ và cho tinh dầu thoát tự do ra ngồi theo hơi nước lơi cuốn đi.
Phần lớn tinh dầu cịn lại trong các mơ thực vật sẽ tiến dần ra ngoài bề mặt nguyên liệu bằng sự hịa tan và thẩm thấu. Ta có thể mơ tả q trình này như sau: “Ở nhiệt độ nước sơi, một phần tinh dầu hịa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật. Dung dịch chứa tinh dầu này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước lơi cuốn đi. Cịn nước đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục hịa tan vào lượng nước này. Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mơ thốt ra ngồi hết.”
Sự khuếch tán, hòa tan, thẩm thấu sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nước bão hòa. Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong trường hợp chưng cất sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô. Nhưng nếu lượng nước sử dụng thừa quá cũng khơng có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có chứa những cấu phần tan dễ trong nước. Ngoài ra, nguyên liệu được làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nước có thể đi xuyên ngang lớp này đồng đều và dễ dàng.
b. Chưng cất – Sự lôi cuốn theo hơi nước
Chưng cất có thể hiểu đơn giản là một q trình biển đổi một cấu tử hay một hỗn hợp nhiều cấu tử ở thể lỏng thành thể hơi rồi sau đó ngưng tụ trở lại thành thể lỏng. Sau q trình đó, thành phần, hàm lượng cấu tử thu được sẽ biến đổi so với hỗn hợp đầu. Đồng thời ta đã tách được cấu tử cần thiết ra khỏi hỗn hợp đầu.
Nước có nhiệt độ sơi 100°C, tinh dầu có nhiệt độ sơi thường khoảng trên 200°C. Vậy tại sao ta có thể lơi cuốn tinh dầu theo hơi nước được?
Đó là nhờ đặc tính giảm nhiệt độ sơi của hỗn hợp các chất lỏng khơng hịa tan vào nhau. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp các cấu tử khơng hịa tan vào nhau dù ở bất kì tỉ lệ nào cũng đều như nhau và luôn thấp hơn nhiệt độ sơi của từng cấu tử riêng biệt. Chính vì đặc tính làm giảm nhiệt độ sơi này mà đã từ rất lâu phương pháp chưng cất hơi nước được dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật.
Lúc này ta coi như có hỗn hợp 3 cấu tử là nước, Citral, Geraniol khơng hịa tan vào nhau. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp này khi đó sẽ ln là dưới 100°C. Nhờ vậy Citral, Geraniol sẽ bay hơi cùng với nước thoát ra, ta thu được hỗn hợp gồm 3 cấu tử trên. Kết quả là đã tách được Citral, Geraniol từ trong tể bào củ xả ra thành hỗn hợp nước, Citral, Geraniol.
2.7.1.3. Phân loại
Trong công nghiệp, dựa trên thực hành người ta chia các phương pháp chưng cất hơi nước ra ba loại chính:
˗ Chưng cất bằng nước.
˗ Chưng cất bằng hơi nước khơng có nồi hơi riêng. ˗ Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng.
Cả ba phương pháp này đều có lý thuyết giống nhau nhưng khác nhau ở cách thực hiện.
a. Chưng cất bằng nước
Hình 2.23. Chưng cất bằng nước
Trong trường hợp này, nước phủ kín nguyên liệu, nhưng phải chừa một khoảng khơng gian tương đối lớn phía trên lớp nước, để tránh khi nước sơi mạnh làm văng chất nạp qua hệ thống hồn lưu. Nhiệt cung cấp có thể đun trực tiếp bằng củi lửa hoặc đun bằng hơi nước dẫn từ nồi hơi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy). Trong trường hợp
chất nạp quá mịn lắng chặt xuống đáy nồi gây hiện tượng cháy khét nguyên liệu ở mặt tiếp
xúc với đáy nồi, lúc đó nồi phải trang bị những cánh khuấy trộn đều bên trong trong suốt thời gian chưng cất.
Sự chưng cất này thường khơng thích hợp với những tinh dầu dễ bị thủy giải. Những nguyên liệu xốp và rời rạc rất thích hợp cho phương pháp này. Những cấu phần có nhiệt độ sơi cao, dễ tan trong nước sẽ khó hóa hơi trong khối lượng lớn nước phủ đầy khiến cho tinh dầu sản phẩm sẽ thiếu những hợp chất này. Thí dụ điển hình là mùi tinh dầu hoa hồng thu được từ phương pháp chưng cất hơi nước kém hơn phương pháp trích ly, vì phenyl etilic (phenyl etilic tạo mùi tinh dầu hoa hồng) nằm lại trong nước khá nhiều, vì thế người ta chỉ dùng phương pháp này khi không thể sử dụng các phương pháp khác.
b. Chưng cất bằng hơi nước khơng có nồi hơi riêng
Hình 2.24. Chưng cất bằng hơi nước khơng có nồi hơi riêng
Trong phương pháp này, nguyên liệu được xếp trên một vỉ đục lỗ và nồi cất được đổ nước sao cho nước không chạm đến vỉ.
Nhiệt cung cấp có thể là ngọn lửa đốt trực tiếp hoặc dùng hơi nước từ nồi hơi dẫn vào lớp bao chung quanh phần đáy nồi. Có thể coi phương pháp này là một trường hợp điển hình của phương pháp chưng cất bằng hơi nước với hơi nước ở áp suất
thường. Như vậy chất ngưng tụ sẽ chứa ít sản phẩm phân hủy hơn là trường hợp chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, nhất là ở áp suất cao hay hơi nước quá nhiệt.
Việc chuẩn bị nguyên liệu trong trường trường hợp này quan trọng hơn nhiều so với phương pháp trước, vì hơi nước tiếp xúc với chất nạp chỉ bằng cách xuyên qua nó nên phải sắp xếp thế nào để chất nạp tiếp xúc tối đa với hơi nước thì mới có kết quả tốt. Muốn vậy, chất nạp nên có kích thước đồng đều không sai biệt nhau quá.
Nếu chất nạp được nghiền quá mịn, nó dễ tụ lại vón cục và chỉ cho hơi nước đi qua một vài khe nhỏ do hơi nước tự phá xuyên lên. Như vậy phần lớn chất nạp sẽ không được tiếp xúc với hơi nước. Ngoài ra, luồng hơi nước đầu tiên mang tinh dầu có thể bị ngưng tụ và tinh dầu rơi ngược lại vào lớp nước nóng bên dưới gây hư hỏng thất thốt. Do đó việc chuẩn bị chất nạp cần được quan tâm nghiêm túc và địi hỏi kinh nghiệm tạo kích thước chất nạp cho từng loại nguyên liệu.
Tốc độ chưng cất trong trường hợp này không quan trọng như trong trường hợp chưng cất bằng nước. Tuy nhiên, tốc độ nhanh sẽ có lợi vì ngăn được tình trạng q ướt của chất nạp và gia tăng vận tốc chưng cất. Về sản lượng tinh dầu mỗi giờ, người ta thấy nó khá hơn phương pháp chưng cất bằng nước nhưng vẩn còn kém hơn phương pháp chưng cất bằng hơi nước sẽ đề cập sau.
So với phương pháp chưng cất bằng nước, ưu điểm của nó là ít tạo ra sản phẩm phân hủy. Tuy nhiên dù với thiết bị loại nào đi nữa, ta phải đảm bảo là chỉ có phần đáy nồi là được phép đốt nóng và giữ cho phần vỉ chứa chất nạp không tiếp xúc với nước sơi. Phương pháp này cũng tốn ít nhiên liệu, tuy nhiên nó khơng thể áp dụng cho những nguyên liệu dễ bị vón cục.
Khuyết điểm chính của phương pháp là do thực hiện ở áp suất thường, nên cấu phần có nhiệt độ sơi cao sẽ đòi hỏi một lượng rất lớn hơi nước để hóa hơi hồn tồn và như thế sẽ tốn rất nhiều thời gian. Về kỹ thuật, khi xong một lần chưng cất, nước ở bên dưới vỉ phải được thay thế để tránh cho mẻ sản phẩm sau có mùi lạ.
Hình 2.25. Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng
Hơi nước tạo ra từ nồi hơi, thường có áp suất cao hơn khơng khí, được đưa thẳng