TRUYÈN NHIỆT VÀ PHÂN LY
II. THIÉT BỊ TRUYÈN NHIỆT
Hỗn hợp hơi nước và tinh dầu đi từ thiết bị chưng cất ra được cho vào thiêt bị truyền nhiệt {làm lạnh) nhằm mục đích làm ngưng tụ và ỉàm lạnh hồn hợp nước chưng đi tới nhiệt độ cần thiết. Đe đạt đuợc yêu cầu này đầu tiên ân nhiệt bốc hơi của hỗn hợp được truyền qua môi trường làm lạnh và hồn hợp sẽ ngưng tụ lại, sau đó một phần nhiệt của hồn hợp hưi đã được ngưng tụ cùng được truyền qua. Đê làm lạnh thường không dùng không khí, mà chỉ dùng nước lạnh, vi độ dẫn nhiệt và nhiệt thể tích của không khí thường nhỏ, nên diện tích truyền nhiệt nếu không dùng không khí để làm lạnh phải rất lớn.
Trong thiết bị làm lạnh, giừa các quá trình ngưng tụ và làm lạnh, không có ranh giới rồ rệt vì thường một phần được tiến hành ngay ở vòi voi, do đó một lượng hơi cần ngưng tụ đi đọc bề mặt diện tích truyền nhiệt sẽ giảm, và lượng nước ngưng tụ được lúc đó sẽ lớn. Cho nên phần nước ngưng tụ này coi như đảm nhiệm ngưng tụ được hoàn toàn hỗn hợp hơi. Nhưng trong quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị làm lạnh dung dịch được ngưng tụ bao giờ cũng tiến hành đồng thời và đòi hòi phải tính toán khác nhau, vì vậy dề tính toán. Phải coi như hai quá trình tiến hành nối tiếp nhau, có nghía là trong phần được xác định của thiết bị làm lạnh hỗn hợp hơi sè mât đi ân nhiệt bốc hơi và trở thành nước chưng {ở giai đoạn ỉ hay giai đoạn ngưng tụ) ở cùng một nhiệt độ, mà ở phần tiếp theo đó của thiết bị làm lạnh nước chưng sẽ tiếp tục trao đoi nhiệt và nguội đi, tới nhiệt độ cần thiết (ở giai đoạn ỉỉ hay còn gọi là giai đoạn làm lạnh).
- Neu chưng cất tiến hành bàng hơi nước quá khô (thường ỉt dùng) thì trước giai đoạn ngưng tụ còn phải tính thêm một giai đoạn làm việc của thiết bị làm lạnh nữa, đó là giai đoạn làm lạnh hỗn hợp quá khô tới nhiệt độ hơi bào hòa.
Trên thực tế, từ những kinh nghiệm người ta có thể xác định được diện tích của thiết bị truyền nhiệt như sau:
- Cứ lrrr thiết bị chưng cất từ 2 - 2,5m2 diện tích làm lạnh của thiết bị truyền nhiệt.
- Cứ lm 2 bề mặt của thiết bị truyền nhiệt có thề làm ngưng tụ được 25 lít nước ngưng tụ trong 1 giờ.
- Cứ 1 lít nước ngưng tụ được cần từ 10 - 28 lít nước làm lạnh {còn tùy thuộc vào nhiệt độ ban đau cùa nước làm ỉạnh).
2. Các loại thiết bị ngưng tụ (làm lạnh)
Thiết bị ngưng tụ có nhiều loại, nhưng thông thường người ta dùng một số loại như sau:
Hình 20b. Thiết bị ngưng tụ ống chùm A 2.L Loại thiết bị ống xoắn (ru ột gà)
Đường cong của ống xoắn ruột gà thường cong từ 5 - 8°, tốc độ của hơi nước di chuyển trong ổng ruột gà không nên quá 30m/sec. Tốc độ nước đi ngoài ống không nên lớn quá 0,001/sec.
a) Nhược điểm của thiết bị ngưng tụ bằng ống xoán ruột gà
- Thiết bị thường lớn như vậy sẽ làm giảm tốc độ vận chuyển của nước ngưng trong ống xoắn thường không quá 1 m/sec.
- Do việc vận chuyển nước ngưng tụ đi trong ống chậm nên thiết bị thường làm việc không hoàn toàn, trong ống sẽ có một chỗ làm việc, còn một số chỗ không làm việc.
- Trong trường hợp cần sửa chữa, ruột gà phía trong của ống rât khó chùi sạch và khi chế tạo ống rất khó tráng thiếc bên trong.
b) Ưu điểm của thiết bị - Đơn giản, dễ làm - Dễ sửa chữa và làm sạch
- Do sự thay đổi luôn luôn hướng chuyển động của hơi nước đi trong ống và do tốc độ của nước ngưng tụ trong ống chậm nên khả năng ngưng tụ hơi nước được thuận lợi.
2.2. Loại thiết bị ống chùm (Hình 20bỹ c)
Thiết bị ống chùm bao gồm vỏ ngoài và chùm ống ở phía trong. Tùy trường hợp hơi có thể đi trong hoặc ngoài ống mà khi lựa chọn thiết bị người ta cần chú ý tới một số vấn đề sau:
- Tốc độ hơi đi vào ống không quá 50 m/sec.
- Chiều dài của đường ống thông thường không nên dưới 1,5 m; đường kính của các ống không nên lớn quá 20 - 25 mm để tạo điều kiện cho ngưng tụ được tốt hơn, khoảng cách giữa các ống không nên lớn quá 1 , 6 - 2 lần đường kính ngoài của ống.
a) Ưu điểm của thiết bị - Hệ số truyền nhiệt lớn
- Có khà năng dễ mạ thiếc lại phía bên trong - Gọn gàng và dễ bố trí
b) Nhược điểm của thiết bị ống chùm
Tốc độ vận chuyển của nước ngưng tụ trong ống rất lớn, bởi vậy cỏ thể xảy ra tình trạng làm cho các hạt tinh dầu bị thổi, bị nén nhiều, gây ra tình trạng khó phân ly.
Đe ngưng tụ được tốt hơn, ở một số nơi người ta thường làm kết họp giữa các loại ống xoán và ổng chùm (Bulgari, Trung Quốc).
2.3. Thiết bị ngưng tụ ỉoạỉ đĩa
Dùng thiết bị ngưng tụ loại này hỗn hợp sẽ được đi qua ở ống dẫn phía trên và dần đần đi vào qua các tầng đĩa, hồn hợp hơi đi như vậy sẽ được liên tục dàn nờ, và thay đổi vận tốc, làm cho hỗn hợp hơi dễ tiếp xúc với thành ống và ngưng tụ tốt hơn.
Vật liệu dùng đê làm thiết bị có thế dùng đồng lá hoặc đồng thau hay là nhôm, dùng thiêt bị loại này có thể giảm bớt được lượng nước dùng làm ngưng tụ, đo việc tiêp xúc giừa hỗn hợp hơi và thành ống tốt.
_ ...
Hình 20c. Thiết bị ngưng tụ ống chòm Hình 21. Thiết bị ngưng tụ loại đĩa Nhược điểm của thiết bị ngưng tụ lại đĩa: Diện tích làm ỉạnh so với các loại thiết bị khác được ít hơn. Trong trường hợp ngưng cất, có thể có một lượng hỗn hợp hơi đà bị ngưng tụ nằm sót lại trong thành ống.
Ngoài việc sử dụng những loại thiết bị làm ngưng tụ như đã nêu ở trên, trong thực tế có một số ỉoại tinh dầu như long não đễ bị két tinh ở nhiệt độ thường, thì không thể dùng các loại thiết bị ngưng tụ đã nêu trên được mà người ta thường dùng loại thiết bị ngưng tụ đặc biệt khác. Những thiết bị ngưng tụ này, nhằm mục đích lấy những tinh thể kết tinh của tinh dầu ra được dễ đàng thuận lợi, tránh tình trạng bị tắc đường ống, xảy ra tai nạn nguy hiểm.
Vật liệu dùng làm thiết bị ngưng tụ, tốt nhất là đồng đỏ mạ thiếc, vỉ đồng đỏ có hệ số truyền nhiệt lớn hơn 3 - 4 lần so với đồng thau và hơn 2 - 3 lần so với nhôm. Nhiệm vụ của thiết bị ngưng tụ là cần phải làm lạnh hỗn hợp nước ngưng tới nhiệt độ cần thiết, với điều kiện sao cho lượng nước lạnh dùng để làm lạnh tốn một lượng ít nhất. Mức độ làm lạnh của hỗn hợp nước ngưng tụ được có thể xác định căn cứ vào những yếu tố như sau:
- Nhiệt độ làm lạnh của hồn hợp nước ngưng tụ được cần phải tương ứng, sao cho sự chênh lệch giữa tỷ trọng của tinh dầu và nước rõ rệt.
- Đối với một số lớn tinh dầu, nếu nhiệt độ của hồn hợp nước chưng càng tăng thì sự khác nhau về tỷ lệ so với nước càng thể hiện rõ rệt và quá trình phân ly càng thuận lợi.
- Nếu nhiệt độ của hỗn hợp nước ngưng tụ càng tãng thì độ hoà tan của tinh dầu trong nước ngưng tụ cũng càng tăng, gây tổn thất tinh dầu lớn và gây ra tinh trạng tinh dầu sẽ bay hơi nhiều, ngay cả trong môi trường nước,
Bởi vậy cần phải xác định được một chế độ ngưng tụ thích hợp cho mồi loại tinh dầu, ngược lại đối với tinh dầu hạt mùi thì nếu nhiệt độ càng tăng thì độ hòa tan của tinh dầu trong nước lại giảm.
ở 15°c hoà tan 0,1104%
ở 27°c hoà tan 0,0905%
ở 50°c hoà tan 0,0827%
Bởi vậy, nhiệt độ thích hợp để ngưng tụ đối với hỗn hợp nước ngưng tụ tinh đầu từ hạt mùi là 50°c, ở nhiệt độ này tinh dầu ít bị hòa tan trong nước, bốc hơi không đáng kể, trong 2 giờ ở nhiệt độ này chỉ mất có 0,066 mg/cm2. Một số loại tinh dầu ở nhiệt độ thường đông đặc (như tỉnh dầu hồng ở 24°C). Trên thực tế, ngưng tụ ở nhiệt độ cao, quá trình ngưng tụ sẽ rất mạnh, rất nhanh, do đó có thê ỉàm cho một số nguyên liệu từ thiết bị chưng cất bị tràn ra thiết bị ngưng tụ, đôi khi xảy ra tai nạn cho người phục vụ. Khi làm việc với thiết bị ngưng tụ cần chú ý vì khi ngừng cất thì ở phần dưới của thiết bị ngưng tụ có thể đọng lại một số vết dầu ở thành ống, hoặc do hiện tượng còn sót lại một ít hỗn hợp nước ngưng trong các ống. Tinh dầu còn sót lại trong thiết bị ngưng tụ dễ bị nhựa hoá làm ảnh hưởng tới phẩm chất của sản phẩm thu được của đợt chưng cất lần sau. Bởi vậy, trước khi ngừng chưng cất cần phải làm cho tinh dầu được thoát ra hết. Muốn vậy, trước khi kết thúc chừng 1 0 - 1 5 phút cần giảm bớt lượng nước làm lạnh cho vào thiết bị ngưng tụ, để cho thiết bị. ngưng tụ được đốt nóng hcm bỉnh thường và tinh dầu sẽ được thoát hết ra ngoài.
~ Ngoài ra nếu thay đổi nguyên liệu chưng cất thì cần phải làm sạch thiết bị ngưng tụ, trước khi tiến hành mẻ cất mới.
- Nếu thiết bị ngưng tụ chỉ sản xuất một mùa (không liên tục sản xuất) thì thiết bị sau khi kết thúc vụ sàn xuất cần phải chùi rửa sạch.
- Nếu thiết bị ngưng tụ để ngoài trời trong mùa đông thì ở nhừng vùng giá lạnh (núi cao) cần phải tháo hết nước ra đề tránh trường hợp nước ờ trong ống bị đông lại, làm hỏng các ống.
cần triệt để sử dụng lượng nước làm lạnh sau khi đã qua thiết bị ngưng tụ đưa vào nồi hơi để tiết kiệm nước. Mặt khác, nước đã qua thiết bị ngưng tụ đă giảm độ cứng, rất thuận lợi cho việc sử dụng đưa vào nồi hơi.
3. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ và lương nước dùng làm lạnh
Đê tính toán diện tích cần thiết của thiết bị làm lạnh (ngưng tụ) ta có thể đưa vào định luật Niutơn và Furiê. Theo định luật này: “Lượng nhiệt truyền qua theo hướng thăng góc với mặt phang của thành ống của thiết bị làm lạnh sẽ tỷ lệ thuận với diện tích làm lạnh (Fm2) của thành ống, với thời gian (Z) mà lượng nhiệt đó đi qua với sự chênh lệch về nhiệt độ (At°C) giữa hai thành ống ở 2 phía” .
Q: Lượng nhiệt truyền qua thành ống theo phương vuông góc (Kcal) F: Diện tích truyền nhiệt (m2)
Z: Thời gian truyền nhiệt (h)
At: Hiệu số nhiệt độ giữa 2 phía thành ống
k: Hệ số tỷ lệ hay là hệ số truyền nhiệt, biểu diễn lượng nhiệt truyền qua lm 2
Nếu xuất phát tính toán dựa vào lượng nhiệt mà thiết bị làm lạnh nhận được trong một giờ thì bề mặt truyền nhiệt
Giá trị của Q, K, At đối với từng giai đoạn ngưng tụ (giai đoạn I) và làm lạnh (giai đoạn II) có khác nhau. Vì vậy cần phải tính toán riêng bề mặt làm lạnh, và ngưng tụ cho từng giai đoạn một, sau đỏ ta tổng hợp chung lại. Nhưng vì ở giai đoạn làm lạnh (ở giai đoạn 2) không phải tất cả bề mặt diện tích làm lạnh, đều được thấm ướt ngưng tụ, nên khi tính toán bề mặt của giai đoạn này, người ta cần phải có thêm vào một số n được xác định bàng thực nghiệm. Vì vậy, tổng số bề mặt làm lạnh sẽ là:
Lượng nhiệt mà nước làm lạnh lấy đi ở giai đoạn 2 của thiết bị ngưng tụ, làm việc trong một giờ, được xác định băng phương pháp sau:
Q = K.F.Z.At (Kcal)
bề mặt của thành ống trong một giờ với hiệu số nhiệt độ là 1°
F = F, + nF2 (m2)
Theo thực nghiệm, đối với ống xoắn thường đối với ống chùm
n = 3 n = 2
Q, = gbrb + gmrm (Kcal)
Q2 = gb (TH- T k) + gm (TH- T k) c m
Q2 = (gb + gm-Cm) (Th - Tk) (K cal)
gb, gm‘ Lượng nước và tinh dầu cất ra được trong một giờ tính bàng kg Th: Nhiệt độ của nước chưng ở giai đoạn đầu khi làm lạnh tính bằng °c Tk: Nhiệt độ của nước chưng ở giai đoạn cuối khi làm lạnh tính bàng °c.
c m: Nhiệt dung của tinh dầu Kcal/kg°C Rb: Ản nhiệt bốc hơi của nước Kcal/kg°C Rb: Ẩn nhiệt bốc hơi của nước Kcal/kg°C
Vì lượng tinh dầu trong nước ngưng bật ít, thông thường không quá 1 % bởi vậy khi tính toán ta có thể coi như gm không đáng kể, còn TH có thể xấp xỉ 100°c.
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:
di: Hệ số truyền nhiệt từ môi trường cần làm lạnh (của hỗn hợp hoặc hơi nước chưng) tới thành thiết bị ngưng tụ, (Kcal/m2.giờ.°C)
a 2: Hệ số truyền nhiệt, từ thành ống thiết bị ngưng tụ tới môi trườn lĩ nước làm lạnh (Kcal/m2.giờ.°C)
X: Hệ số dẫn nhiệt của kim loại thành ống thiết bị ngưng tụ (kcal/m2.giờ.°C) ô: Chiều dày của thành ống thiết bị ngưng tụ (m)
Neụ tính toán đến ảnh hưởng của lớp cặn tạo trên thành ống có chiều đáy là ÔH với hệ số dẫn nhiệt kịị khi tính hệ số truyền nhiệt K cần thêm tỷ số: —
Đối với những thành ống hình trụ là loại ống phổ biến trong các hệ thống ống ngưng tụ có bán kính trong Tu bán kính ngoài r2 (m) thì:
vì chiều đày của thành ống không lớn lắm, nên mức độ chính xác tương đối ta có
K = (Kcal/m2.giờ.°C)
K = (Kcal/m2.giờ.°C)
thê tính toán K băng cách bỏ qua tỷ số — và lấy ô 1*1 = Ĩ2 = r. Như vậy, đối với những r
trường hợp tường phẳng:
K - — -p- (Kcal/m2,giờ.°C) a, a ,
còn đối với nhừng tường hình trụ:
^1
K = — — J (K cal/m 2.giờ.°C)
—- + ■ a r r a 2.r
Hệ số cấp nhiệt ai từ hơi nước ngưng tụ đến thành ống, ở giai đoạn I, có thể lấy (X] một cách gần đúng bằng 10.000 (kcal/m2.giờ.°C)
Đối với giai đoạn II có thể xác định bằng cách tương tự a i tính theo công thức:
ô , = 2 0 2 0 ^ ( 1 + 0 ,0 !4 t) co: Tốc độ chảy của nước m/sec (s) d: Đường kính của ống (m) t: Nhiệt độ của nước (°C)
Hệ số cấp nhiệt a 2 từ thành ống đến đòng nước chuyển động có tốc độ là co :) sè được xác định:
ct2 =b.co°-81.d'0IJ (Kcal/m2.giờ.°C) (m/sec) sè được xác định:
a 2 = 1 d: Đường kính ống
b = 0,135X
í y3 X r 35
0 .5 6 5 ự b * c b /
Mb Hệ số dẫn nhiệt của nước (Kcaỉ/m.s.°C) yb: Trọng lượng riêng của nước (g/cm2) cb: Nhiệt đung của nước (Kcal/kg.°C) ỊUị,: Độ nhớt của nước (Cp) (Xenti - poazo)
Giá trị của b ở các nhiệt độ khác nhau thì khác nhau trong trường hợp nếu bề mặt không phải là hình trụ, mà là tiết diện bất kỷ thì d trong công thức a 2 sẽ được thay băng:
4F (m)
td s
F: Diện tích của tiết diện ống (m2) S: Phần chu vi trao đồi nhiệt.
Ví dụ: một chùm ống có đường kính là d được phân bố trong hình trụ có đường kính D, trong trường hợp ống chùm:
Nếu bề mặt làm lạnh có dạng uốn cong, đường kính ống là d, bán kính cong R (m) ống xoắn ruột gà thì a ’2 sê là:
ở đây a 2 tính nhu trong trường hợp ống thẳng ở trên.
Đối với trường hợp ống đồng, có thể dùng công thức thực nghiệm của gô - brăng như sau:
wn: Tốc độ hơi ngưng tụ tính bằng m/s được thừa nhận không quá 30m/s đối với ống xoắn ruột gà và 50m/s đối với ống chùm khi vào ống.
wb: Tốc độ của nước làm lạnh tính bằng m/s phụ thuộc vào cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị ngưng tụ, nhưng không được quá 0,001 m/s.
W 5: Tốc độ của nước chưng m /s có thể lớn hơn wb nhưng không được lớn hơn 1 m/s.
Cần lưu ý trong khi lựa chọn tốc độ chưng cất ràng “hiệu quả truyền nhiệt sẽ tăng, cùng với sự tăng tốc chuyển dịch của nước chưng dọc theo thành ống của môi [nrờng làm lạnh và bị làm lạnh”. Bởi vậy công thức để tính Ki và K2 có thể thừa
’.iiẠn bằng phương pháp gần đúng:
Lấy K| trong giới hạn 300 - 600 K2 trong giới hạn 100 - 200
Hiệu số nhiệt độ At thường thay đồi trong quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ hiệu số ban đầu 0đ tới hiệu số cuối 0C. Đe tính toán bề mặt lạnh, cần phải lấy hiệu số trung bình. Hiệu số này được tính bằng cách lấy trung bình ỉogarit giữa 0d và 0C theo công thức:
K, = 150^fw^ X ^/0 , 0 0 7 + w b
K z = — ĩ— :— ĩ
1 + 1 + 6jw~s
ed - e
At = 0,1 - e -
I t A 2 ,3 0 3 lg ^
Neu tỷ số hiệu số nhiệt độ lớn 9<J và hiệu số nhiệt độ nhỏ 0C nhỏ hơn 2 thì hiêu số nhiêt đô trung bình có thể lấy bàng —--- bởi vì khi — < 2 thì hiệu sô
2 e c
logarit và số học trung bình không cao quá 4%.
Trường hợp chảy ngược chiều ta có:
At = (Td - Q - ( T c - t d) 0C) Tc - t ’d
Vì bề mặt làm ỉạnh cần xác định cho mỗi giai đoạn một, nên hiệu số nhiệt độ trung bình cùng cần xác định riêng cho từng giai đoạn một.
- Đối với giai đoạn I:
(Td - t cH T c - t ' d) T, - 1„
e i =■
ln -^ —- T - 1 Đối với giai đoạn II:
( T , - t ' d) - ( T c - t d)
n ld)
2 T - t'
In—— - A' Tc - t d
So sánh giừa đường biểu diễn trong trường hợp làm lạnh ngược chiều và thuận chiều ta có những kêt luận như sau:
Hình 22. Chảy cùng chiều