2.4.15 .Tính tốn buồng rửa
2.7. MÁY HẤP
2.7.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ
2.7.2.1. Cân bằng vật chất và năng lượng
Qua tìm hiểu và tổng hợp, ta có các thơng số giả định như sau:
˗ Chưng cất 300 kg lá Sả Chanh đã được cắt nhỏ. Hàm lượng tinh dầu Sả chiếm 1,5%. Khối lượng riêng của Sả là 881 kg/m3.
˗ Nhiệt dung riêng của nước là 4180 J/kg
˗ Ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 1000C là 2258,36.103 J/kg
˗ Nhiệt dung riêng của geranial (thành phần chính của tinh dầu sả) là 3020 J/kg ˗ Ẩn nhiệt hóa hơi của geranial ở 1000C là 288.103 J/kg
˗ Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu, nước đều đạt 20°C. ˗ Hiệu suất quá trình chưng cất là 96%.
˗ Thời gian chưng cất (lá héo) khoảng 2,5 - 3 giờ.
Qua đó ta có lượng tinh dầu Sả thu được sau quá trình chưng cất là: 4,32 kg
2.7.2.2. Lượng nước cần thiết để bay hơi
Phần lớn tinh dầu ít hịa tan trong nước, bởi vậy để nghiên cứu những yếu tố cơ bản của chúng khi chưng cất bằng hơi nước cẩn phải xem xét một cách đầy đủ và an tồn. Do đó để tính tốn được một cách gần đúng lượng hơi nước cần thiết khi chưng cất người ta thường coi tinh dầu như một cấu tử, thành phần của cấu tử này trong tinh dầu càng lớn thì độ hịa tan trong nước càng giảm và tính tốn càng chính xác hơn. Dù rằng cấu tử đó có hịa tan ít nhiều trong nước, ta vẫn coi như trong đó gồm hai pha lỏng và như vậy hệ thống này xem như tương ứng với hỗn hợp hai cấu tử, khơng hịa tan lẫn vào nhau. Ta coi như chưng cất tinh dầu Sả trong cây Sả chính là q trình chưng cất tinh dầu Sả.
Trên bề mặt của hỗn hợp như vậy sẽ có áp suất hơi của mỗi một cấu tử chứa trong đó và theo Định luật Dalton: áp suất chưng cất hỗn hợp bằng tổng số áp suất riêng phần của các cấu tử (với điều kiện rằng các chất lỏng có trong dung dịch khơng tác dụng hóa học với nhau):
PA, PB là áp suất riêng phần của cấu tử A và B có trong thành phần hỗn hợp, trường hợp này các chất lỏng khơng hịa tan lẫn vào nhau, áp suất hơi riêng phần sẽ cân bằng với áp suất hơi của các cấu tử đó ở dạng nguyên chất. Từ định luật Dalton, Boi Mariot ta biết rằng thể tích tương đối của các chất khí hoặc hơi khác nhau chứa trong hỗn hợp thì tỉ lệ với áp suất hơi riêng phần của chúng. Vì vậy, nếu VA, VB ký hiệu là thể tích tương đối của các chất khí, chất hơi đó thì ta có:
PA.VA = PB.VB (2)
Nếu trọng lượng các chất khí đó là GA, GB và tỷ trọng của chúng là dA, dB thì ta có:
dA = (3)
dB = (4)
Nếu chia (3) cho (4) và thay tỉ số từ (2), ta được: (5)
Theo quy luật Avogadro thể tích bằng nhau của các chất khí khác nhau, ở điều kiện nhiệt độ áp suất giống nhau thì có chứa một lượng phân tử như nhau. Do đó, khối lượng riêng hoặc trọng lượng riêng của các chất khí khác nhau nếu lấy cùng một thể tích như nhau thì sẽ tỷ lệ với trọng lượng phân tử của chúng:
(6)
MA, MB: khối lượng phân tử của hai cấu tử A và B
Xác định lượng hơi tinh dầu Sả trong hỗn hợp, khi chưng cất chất này bằng hơi nước. Ta có trọng lượng phân tử tinh dầu sả là 152,24 g/mol (khối lượng mol), áp suất riêng phần của geranial là 0,2 mmHg ở 200C. Ta cũng biết trọng lượng phân tử của nước là 18 g/mol và áp suất hơi riêng phần của nước là 17,5 mmHg ở 200C
Theo định luật Dalton, tổng áp suất của hỗn hợp ở 200C P = Pnước+Ptinh dầu = 17,5 + 0,2 = 17,7 (mmHg)
Hỗn hợp chỉ bắt đầu sôi khi áp suất hơi hỗn hợp cân bằng với áp suất của khơng khí bên ngồi (trong điều kiện thiết bị có tiếp xúc với khơng khí bên ngồi) có nghĩa là ở 760 mmHg.
Khi tổng áp suất của hỗn hợp là 17,7 mmHg thì áp suất hơi của xitronelal là 0,2 mmHg.
Nếu tổng áp suất của hỗn hợp là 760 mmHg thì áp suất hơi của xitronelal là: 8,59 mmHg và áp suất của hơi nước là 741,41 mmHg
Đặt tất cả số liệu biết được vào cơng thức (6) ở trên ta có: = = 0,098
Có nghĩa là khi hỗn hợp bay hơi ra cứ có một phần tinh dầu Sả cần 10,2 phần nước. Ta có lượng tinh dầu thu được sau quá trình chưng là: Gtinh dầu = 4,32 kg, suy ra lượng nước bay hơi cần cho quá trình chưng là:
Gnước = Gtinh dầu . 10,2 = 4,32.10,2 = 44,064 kg
Do tinh dầu nằm trong các tế bào gỗ của cây nên hiệu suất chuyển khối lượng tinh dầu từ các tế bào gỗ ra rồi được hơi nước lôi cuốn rất thấp, chỉ khoảng 20%.
Lượng nước bay hơi thực tế cần cho quá trình chưng là: 220,32 kg
2.7.2.3. Nhiệt độ chưng cất
Để xác định nhiệt độ chưng cất bằng hơi nước của một số cấu tử riêng biệt trong tinh dầu, hoặc một số loại tinh dầu nói chung bằng cách tính theo số cấu tử chính trong đó. Người ta có thể dựa theo định luật Dalton: “hỗn hợp chất lỏng sôi khi tổng số áp suất hơi riêng phần của các cấu tử khơng hịa tan lẫn nhau cân bằng với áp suất bên ngồi”.
Ta đã có áp suất mặt thống là 760 mmHg, áp suất riêng phần của hơi nước là 741,41 mmHg. Tra tài liệu, ta có:
T = 98,6°C ở 760 mmHg.
2.7.2.4. Nhiệt lượng cung cấp cho nồi chưng
Lượng nhiệt cung cấp để đốt nóng nguyên liệu từ 20 tới 100oC [1] Q1= G.(Ctinh dầu.1,5%+Cnước.98,5%).
= 300.(3020.1,5%+4180.98,5%).(100-20) = 108(J)
Trong đó:
˗ G: Khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị (kg).
˗ C: Nhiệt dung riêng của nguyên liệu ở độ ẩm tương ứng. Lượng nhiệt hóa hơi tinh dầu:
Q2= G.( %tinh dầu).rtinh dầu
Trong đó:
˗ G: Khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị (kg). Lượng nhiệt đun nóng nước chưng từ 20 – 100oC:
Q3 = Gnước.Cnước. = 220,32.4180.(100-20)= 7,37.107 (J) Lượng nhiệt hóa hơi lượng nước ngấm vào nguyên liệu:
Q4 = Gnước.rnước = 220,32.2258,36.103 = 4,98.108(J) Tổng lượng nhiệt lý thuyết:
QLT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 108 + 1,3.106 + 7,37.107 + 4,98.108 = 6,733.108 (J) Tổng lượng nhiệt thực tế:
QTT = QLT.110% = 6,733.108.110% = 7,4063.108 (J) Lưu lượng nhiệt cần cung cấp là
L= = = 68577(J/s)
Chọn Mayso có cơng suất là 70 kW
2.7.2.5. Thiết bị chưng cất
2.7.2.5.1. Kích thước thiết bị chưng cất
Nồi cất tinh dầu phải đảm bảo được những u cầu chính sau:
˗ Q trình chưng cất được tiến hành nhanh chóng thuận lơi, tránh tình trạng ngun liệu bị giữ lâu quá trong nồi cất.
˗ Đảm bảo cho hỗn hợp hơi bay ra khỏi nồi cất được bão hịa nhiều tinh dầu nhất, vì vậy cần phải tạo điều kiện sao cho hơi nước đi qua lớp nguyên liệu nhiều nhất.
˗ Tiết diện của thiết bị chưng cất cần thiết kế sao cho nguyên liệu được phân bố đều, đảm bảo tốc độ chưng cất không thay đổi khi đi qua lớp nguyên liệu.
Thể tích lượng Sả Chanh cần chưng cất mỗi mẻ là: Vsả = = 0,34 m3
Thể tích chứa đầy và thể tích để cấp hơi chiếm 30% thiết bị. Thể tích thiết bị chưng cất: V = = 1,14 (m3)
Chọn tỉ lệ giữa đường kính trong thân thiết bị chưng cất với chiều cao thân thiết bị là 1,5. Khi đó ta có h = 1,5D, ta có cơng thức tính thể tích thiết bị
D = 1 m
Suy ra chiều cao thân thiết bị: h = 1,5m
2.7.2.5.2. Nắp thiết bị
Hình 2.26. Nắp nồi
Link: https://maythucphamkag.com/
Để tránh tổn thất tinh dầu và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng, quá trình chưng cất phải được thực hiện trong thiết bị kín. Nắp thiết bị có thể có hình chóp hoặc chỏm cầu. Nắp thiết bị có thể đóng mở dễ dàng, kín.
Mối nối giữa thiết bị và nắp có thể dùng bằng đệm và vặn bu lông; đệm tốt nhất là bằng sợi amiang bện, trong trường hợp khơng có amiang có thể dùng gioăng cao su. Nếu chưng cất dưới áp suất không lớn, mỗi nối bằng gioăng nước là thích hợp hơn cả. Gioăng nước có thể dùng loại đơn hoặc kép, gioăng nước thường được làm bằng cao su.
Qua chọn lựa, ta sẽ làm nắp thiếp bị có dạng chỏm cầu, được kết nối với phần thân thiết bị chưng bằng bích nối bắt bu lơng, có gioăng cao su thực phẩm bịt kín. Gioăng cao su thực phẩm là loại vật liệu chịu dầu, chịu nhiệt rất tốt và được cho phép sử dụng trong ngành thực phẩm.
2.7.2.5.3. Cổ nồi
Cổ nồi là một bộ phận trung gian nối liền giữa nắp và vịi voi của nồi, cổ nồi có thể có nhiều hình dạng, nhưng u cầu chung là phải làm sao cho chế tạo đơn giản. Nhiệm vụ chính của cổ nồi là để làm cho hỗn hợp hơi thoát ra được dễ dàng, trong trường hợp chưng cất với nước, cổ nồi giúp cho hỗn hợp hơi thốt ra khơng lẫn nhiều nước. Khi chưng cất các loại nguyên liệu hạt nghiền nhỏ, cổ nồi phải giữ lại được bụi vì vậy ở cổ nồi thường phải đặt một tấm lưới. Nhưng có đến nay, các loại cổ nồi có lưới chắn như vậy vẫn khơng đáp ứng được yêu cầu loại bỏ tạp chất, vì vậy người ta
phải làm thêm một bộ phận lắng bụi riêng, trước khi hỗn hợp hơi đi vào thiết bị ngưng tụ.
Bởi vì nguyên liệu chưng cất là sả được làm héo, cắt nhỏ nên có bụi bẩn bay lên, ta cần làm lưới chắn bụi.
2.7.2.5.4. Vịi voi
Hình 2.27. Vịi voi
Link: https://maythucphamkag.com/
Vòi voi là một phần của thân nồi nhằm nối liền nắp nồi với thiết bị ngưng tụ, vòi voi cần phải có kích thước tương ứng sao cho hỗn hợp hơi bay ra không vị trở lực lớn, khơng làm giảm tốc độ chưng cất. Vịi voi cần phải có cấu tạo sao cho dung dịch lỏng trong thiết bị không được đi qua đó để vào ống dẫn tới thiết bị ngưng tụ. Vì vậy, vịi voi thường có một độ dốc nhất định, nghiêng về về phía thiết bị ngưng tụ, thường dao động tự 1° đến 3°. Đường kính của vịi voi nhỏ dần để hơi thốt ra dễ dàng, vịi voi không nên dài quá 1,5 – 3m. Nếu quá nhắn thì hỗn hợp hơi bay ra sẽ ngưng tụ đột ngột gân nên áp suất dư, ảnh hưởng tới quá tình chưng cất, nếu quá dài thì hỗn hợp bay hơi ta sẽ rất chậm, ảnh hưởng tới tốc độ chưng cất.
2.7.2.5.5. Đáy thiết bị
Đáy thiết bị trụ tròn, mặt phẳng đáy thẳng để dễ dàng đặt lên bếp gia nhiệt.
2.7.2.5.6. Giỏ đựng nguyên liệu
Bộ phận chứ đựng nguyên liệu đáp ứng được các yêu cầu sau: ˗ Đưa nguyên liệu vào và lấy nguyên liệu ra được thuận tiện.
˗ Trong q trình chưng cất diện tích tiếp xúc giữa hơi nước và nguyên liệu phải cao nhất.
˗ Để đáp ứng được các yêu cầu trên, chọn thiết bị chứa dạng giỏ dạng lưới với kích thước lỗ 3mm, có móc treo để có thể lấy nguyên liệu ra mội cách thuận tiện.
2.7.2.5.7. Vật liệu làm thiết bị chưng cất
Vật liệu để làm nồi chưng cất tinh dầu thường dùng loại sắt thép đặc biệt. Một số xí nghiệp chưng cất thủ cơng, hoặc chưng cất gỗ trong lâm nghiệp, có thể làm nồi cất bằng gỗ, xi măng,…, những loại nguyên liệu này đơn giản, rẻ, dễ tìm kiếm nguyên vật liệu, nhưng dễ bị hỏng, phải sửa chữa liên tục, dễ xảy ra tai nạn khi chưng cất với áp suất lớn. Ngoài ra, thiết bị chưng cất như vậy thường chỉ dùng chưng cất được một loại nguyên liệu. Nguyên liệu gỗ nói chung dễ hấp thụ tinh dầu, và sau đó muốn khử mùi rất khó khăn do vậy lựa chọn nguyên vật liệu dùng để làm nồi chưng cất cần phải chú ý đến giá thành, cũng như khả năng tác dụng của kim loại đó đối với tinh dầu, vì trong tinh dầu cịn có nhiều axit hữu cơ, có thể làm cho các thành phần của thiết bị dễ bị gỉ. Nhìn chung, theo thực tế được xác nhận tính theo mức độ khơng bền của các kim loại đối với tinh dầu ta thấy như sau: trong số chì, sắt, nhơm, đồng, thiếc, thiếc tương đối bền hơn cả. Các phần khác nhau của thiết bị cũng bị oxi hóa khác nhau. Thường ở những chỗ bề mặt hơi nước, trực tiếp tác dụng và ngưng tụ nhiều thì dễ bị oxi hóa nhất. Ví dụ phần trên của thiết bị, cổ nồi và vòi voi trong trường hợp chưng cất thủ cơng thì những bộ phận đáy nồi bị tác dụng nhiệt, những chỗ ở nắp nồi chịu tác dụng lực nhiều, dễ bị gỉ và mau hỏng nhất. Ngoài ra việc chống gỉ ta cần chú ý tới màu sắc của tinh dầu do tác dụng của một số muối kim loại với tinh dầu tạo thành, muối sắt cho màu nâu hoặc vàng, muối đồng cho màu xanh lục.
Xuất phát từ những yêu cầu như đã nêu ở trên, thiết bị chưng cất nên làm bằng loại thép khơng gỉ SUS 304, là loại thép ăn tồn cho thực phẩm, dược phẩm, đồng thời có tính bền, khả năng chịu mài mịn cao.
Inox 304 đã thể hiện được khả năng chống ăn mịn tuyệt vời của mình khi được tiếp xúc với nhiều loại hóa chất khác nhau. Inox 304 có khả năng chống gỉ trong hầu hết ứng dụng của ngành kiến trúc, trong hầu hết các môi trường của quá trình chế biến thực phẩm và rất dễ vệ sinh. Ngồi ra, Inox 304 còn thể hiện khả năng chống ăn mịn của mình trong ngành dệt nhuộm và trong hầu hết các Acid vô cơ.
Inox 304 thể hiện được khả năng oxi hóa tốt ở nhiệt độ 870°C, và tiếp tục thể hiện được lên đến nhiệt độ 925°C Trong những trường hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, thì người ta yêu cầu vật liệu có hàm lượng carbon cao hơn.
Inox 304 thể hiện khả năng dẻo dai tuyệt vời khi được hạ đến nhiệt độ của khí hóa lỏng và người ta đã tìm thấy những ứng dụng tại những nhiệt độ này. Giống như các loại thép trong dịng Austenitic, thì từ tính của Inox 304 là rất yếu và hầu như là khơng có.
Khả năng gia cơng Inox 304 có khả năng tạo hình rất tốt, nó có thể dát mỏng mà không cần gia nhiệt. Điều này làm cho Inox này độc quyền trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết Inox. Ví dụ: chậu rửa, chảo, nồi… Ngồi ra, tính chất này còn làm cho Inox 304 được ứng dụng làm dây thắng trong công nghiệp và các phương tiện như ô tô, xe máy, xe đạp… Inox 304 thể hiện khả năng hàn tuyệt vời, loại inox này phù hợp với tất cả các kỹ thuật hàn (trừ kỹ thuật hàn gió đá). Khả năng cắt gọt của Inox 304 kém hơn so với các loại thép Carbon, khi gia công vật liệu này trên các máy cơng cụ, thì phải yêu cầu tốc độ quay thấp, quán tính lớn, dụng cụ cắt phải cứng, bén và không quên dùng nước làm mát.
2.7.2.5.8. Độ bền nồi chưng
Độ dày của thân nồi chưng cất được tính theo cơng thức tính giá trị bền hàn của thân hình trụ như sau:
S =
Trong đó:
˗ p: là áp suất làm việc
˗ p1 : áp suất khí quyển, p1 = 1 atm = 1.105 Pa. ˗ p2 : áp suất phần nước trong thân thiết bị. (khi sôi: nhiệt độ sôi là 1000C và p = 1,0132 atm)
Suy ra p2 = 1,0132 atm
˗ D: là đường kính thân thiết bị (D = 1 m).
˗ [σ]: là ứng suất bền (đối với thép không gỉ SUS 304, [σ]= 500.106 Pa [6]). ˗ C: là đại lượng bổ sung, phụ thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dày. Xác định đại lượng C theo công thức C = C1 + C2 + C3 (m)
˗ C1 - bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mịn vật liệu của mơi trường và thời gian làm việc của thiết bị. Đối với vật liệu bền như SUS 304 ta lấy 0,05 mm/năm, cho thời gian làm việc 20 năm. Vậy lấy C1 = 0,05.20 = 1 mm.
˗ C2 - đại lượng bổ sung do hao mịn chỉ cần tính đến trong các trường hợp nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị. Đại lượng này thường được chọn theo thực nghiệm. Đối với trường hợp chưng cất các nguyên liệu thực vật trong mơi trường nước, đại lượng này có thể bỏ qua.