TRUYÈN NHIỆT VÀ PHÂN LY
I. THẺ TÍCH CỦA THIẾT BỊ CHƯNG CÁT
1. Cân bằng nguyên liệu
Khi tính toán thiết ké một xí nghiệp sản xuất tinh dầu ta cần thiết phải tính toán cân băng nguyên liệu để biết được: lượng nguyên liệu chính, nguyên liệu phụ, bán thành phẩm, thành phẩm, phế phẩm, tổn thất... Cân bằng nguyên liệu chính và phụ cho một đơn vị thành phẩm, trên cơ sở đỏ tính toán được lượng thiết bị chính và phụ, cân thiết cho xí nghiệp.
Ngoài ra nhờ cân bàng còn cho phép ta đánh giá được sự hoạt động của xí nghiệp, tránh được những tổn thất trong sản xuất, và những chi phí vật liệu không cần thiết.
Có thể tính toán được cân bằng nguyên liệu theo những phương án như sau:
- Tính theo 100 hoặc 1000 đơn vị nguyên liệu ban đầu cho một ngày, một tháng, một vụ thu hoạch hoặc một năm.
- Tính cho 1 tháng nếu xí nghiệp làm việc quanh năm.
- Đối với những loại nguyên liệu, có khả năng bảo quản lâu như hồi, pơmu, thiên nhiên kiện.... thì có thể tính toán cho một năm sản xuất, chỉ trừ những ngày nghỉ lễ hoặc phải ngừng sản xuất do sửa chữa.
Thời gian làm việc trung bình của xí nghiệp từ 180 đến 330 ngày, ngừng sản xuất để sửa chừa các máy móc thiết bị hoặc các sửa chữa khác từ 35 đến 50 ngày.
- Đối với những loại nguyên liệu cần chế biến ngay, không bảo quản được lâu, có thể tính theo thời vụ.
a) Cân bằng nguyên liệu
Đưa vào
$ố tượng
Thu đư ợc
SỐ lượng
*3
1. Lượng ẩm Bi
2. Chất khô b2
Nguyên liệu AT 3. Tinh dầu b3
ì.
4. Tạp chất
(vô cơ, hữu cơ) b4
Tổng cộng AT 25 II
-M * _D3 4
ấB.i = l
Trong trường hợp nếu có tinh dầu loại hai lấy từ nước thải thì trong cân bằng chưng cất cần thêm phần cân bằng này.
b) Cân bàng chirrm cât
Đưa vào Số lượng
Thu đươc s ố !ượng
*9 kg
1. Nguyên liệu Ai 1. Tinh dầu loại I Bi
2. Nước chưng b2
3. Bã b3
2. Hơi nước a2 4. Nước ngưng tụ b4
5. Tổn thất tinh dầu Bs
Tổng cộng -> "ì s
V 1 v ' ' 5
ĩ > ,
I Ĩ A , = X B
I ] X B ,
i^l c) Cân bàng thu hồi tinh dầu từ nước thải (bằng pỉĩmmq pháp cắt lại)
Đưa vào
Số iượng
Thu được
Số lượng
k9 *9
Lượng nước thải Ai 1. Tinh dầu loại II Bi
2. Nước thải khi cất lại b2 3. Tinh dầu còn lại
trong nước thải b3
a2 4. Nước được cất ra b4
5. Lượng tinh dầu có
trong nước cất ra B5
6. Nước ngưng tụ Be
7. Tổn thất tinh dầu b7 Tổng cộng
Ỉ A ,
I
Ỉ A . - Ỉ B
I I
CŨ
Khi cất lại thường có 2 phần nước:
- Phần nước cất ra
- Phản nước còn lại sau khi cất tháo ra ở dưới nồi.
Cùng tương tự như vậy ta có thể thành lập được nhừng bảng cân hàng nguyên liệu đối với các giai đoạn sản xuất khác, như giai đoạn lắng, lọc, sấy... và sau đó thỉ lặp cân bảng về tinh đầu như sau:
d) Càn bằng tinh dầu Đưa vào
1. Tinh dầu trong nguyên liệu (Theo sổ liệu phân tich được)
Tổng số
(kg) Thu được
1. Tinh dầu loại I 2. Tinh dầu loại II
3. Tổn thất trong quảtrình cất dầu (lẩy ởỠ5 trong cân bằng chưng cất)
4. Tinh dầu còn lại trong bã
5. Tinh dầu còn lại sau khi cất lại (£?3trong cân bằng thu hồi, tinh dầu từ nước)
6. Tổn thất tinh dầu khi cất lại (B5, B7 trong bảng 3) 7. Tổn thất tinh dầu trong quả trình lắng
8. Tổn thất quá trình sấy
9. Tổn thất tinh dầu trong quá trình lọc 10. Tổn thất quá trình đóng gói
11. Thu hồi tinh dầu trong không khí
12. Tổn thất tinh dầu không tính toán được (kể cả tổn thất khi bảo quản nguyên liệu)
Tổng sổ
(kg) Bi
~bT
b3
b4 b5
b9 B10 Bi
I /.
Ẻ B
Tổn thất không tính toán được có thể xác định bằng phương trình cân bàng như sau:
A = + B12
I
Một số điểm cần chú ý khi lảm việc với thiết bị chưng cất:
1/ Tinh dầu dễ hấp phụ các mùi lạ, bời vậy thiết bị chưng cất cần phải được chùi rửa sạch sẽ, khi cho nguyên liệu mới vào cần xem xét trong thiết bị có còn sót nguyên liệu cù hay không.
2/ Trong nguyên liệu khi chưng cất sẽ có một phần axit hữu cơ, những axit này dễ tác dụng vào thành nồi và làm gỉ kim loại, bởi vậy nếu thiết bị càng có khả năng giừ nước ngưng tụ lại thì càng tạo thành nhiều gỉ.
3/ Thiết bị chưng cất cần phải được cách nhiệt thật đầy đủ. Trong trường hợp ngừng chưng cất để thay đổi nguyên liệu thì thiết bị cần phải được xả hơi nước đê làm mất mùi của tinh dầu cũ còn sót lại.
2. Tính toán nhiệt cho thiết bị chưng cất
Sau khi đã xác định được thể tích của thiết bị, tính được cấu tạo và kích thước cần thiết, phải tiến hành tính toán nhiệt để có thể biết được lượng hơi nước cần thiết trong quá trình chưng cất cho một đơn vị nguyên liệu hoặc sản phâm.
Với mục đích đó, thành lập cân bằng nhiệt, phương trình cân bằng nhiệt có thể tích như sau:
Q = Q j + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Qó
Q: Lượng nhiệt cần thiết dùng để chưng cất, do hơi nước cung cấp đưa vào thiết bị.
Q |’. Lượng nhiệt chi phí để đun nóng nguyên liệu đến nhiệt độ của quá trình chưng cất.
Q2: Lượng nhiệt đun nóng lượng tinh dầu có trong nguyên liệu Q3: Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi tinh dầu
Q4: Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ và đối lưu Q5: Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị Q6: Lượng nhiệt chi phí cho quá trình chưng cất
Tất cả các Q đều được tính bằng Kcal, ở đây trong các thông số đã cho chỉ có Q là chưa biết, vì vậy cần phải xác định Qi đến Q6.
Những số liệu đầu tiên cần biết:
G: Khối lượng nguyên iiệu cho vào thiết bị (kg)
w c: Độ ẩm của nguyên liệu (%) rrv. Hàm lượng tinh dầu (%)
Cc: Nhiệt dung của nguyên liệu (Kcal/kg°C) (thường thì khó tìm thấy nên lấy là 0,4 Kcal/kg°C, tính theo nguyên liệu khô tuyệt đối)
Như vậy nhiệt đưa vào thiết bị:
i’p = q ’ + (r’b. x ’) K c a 1 Q = Bj (q’ + r ’b.x’)Kcal
Bị: Lượng hơi nước chi phí cho quá trình chưng cất (kg) i’p: Nhiệt hàm của hơi nước ở áp suất p (Kcal/kg)
q ’: Mức độ khô của hơi (là lượng hơi nước khô trong một đơn vị hơi bào hòa ẩm kg) phụ thuộc vào điều kiện của nơi sản xuất, x’ thường bằng 0,8 - 0,95
r \: Nhiệt bổc hơi của nước (Kcal/kg)
ỉ. Qị lư ợ n g n h iệ t c h ỉ p h ỉ đ ể đ u n n ó n g n g u y ê n li ệ u t ớ i n h iệ t đ ộ c h ư n g c ấ i
c . c . e . - o - G Í 0-6 * ' 1- 40 ÌOO t2 tj
Vì
G: Khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị w c: Độ ẩm nguyên liệu tính theo %
Cc: Nhiệt dung của nguyên ỉiệu ở độ ẩm tương ứng ti: Nhiệt độ của không khí xung quanh
Ì2’ Nhiệt độ bên trong của thiết bị có thể lấy trung bình giữa nhiệt độ của hơi nước đi vào thiết bị và nhiệt độ cùa hơi nước đi ra khỏi thiết bị.
2. Lượng nhiệt dùng đun nóng lượng tỉnh dầu cỏ trong nguyên ỉìệu
G: Khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị (kg) mc: Hàm lượng tinh dầu (%)
t |: Nhiệt độ của không khí xung quanh thiết bị (°C) t2: Nhiệt độ của bên trong của thiết bị (°C)
CM: Lấy gần đúng bằng nhiệt dung của cấu tử chính có trong tinh dầu (để dễ tỉnh). Neu trường hợp khó tính có thể tính gần đúng theo công thức của Kopa:
G: Khối lượng nguyên liệu (kg)
mc: Hàm lượng tinh dầu có trong nguyên liệu (%)
rM: Ẩn nhiệt bốc hơi của tinh dầu, có thể tính gần đúng bàng ẩn nhiệt bốc hơi của cấu tử chính có trong tinh dầu. Trong trường hợp khó tìm có thể tính theo quy
21: Tỷ lệ giữa ẩn nhiệt bay hơi của phân từ và nhiệt độ sôi tuyệt đổi của tinh dầu (thường ỉà một đại lượng không đồi cho mọi chất lỏng từ 20 - 22)
M: Trọng lượng phân tử cùa cấu tử chính
T: Nhiệt độ bay hơi của cấu tử chính ở nhiệt độ tương ứng.
CM= 1.2. C’ (Kcal/kg°C) o t _ 1.8C + 2.3H + 40
V — M
c , H, O: Lượng cacbon, hyđrô và oxy có trong cấu tử chính M: Trọng lượng phân tử cấu tử chính
3. Lượng nhiệt cằn th i ế t đê làm b a y hơi tinh dầu Qì
Q. =G — + rM (Kcal)
. 3 100
tăc Truton
— (Kcal/kg°C)21T M
4. Tôn ílìch nhiệt do hiện tượng bức x ạ đôi hơn Ọ ỉ
Q-rMQk +Qp)Fu.Z Kcal a) Qk: Nhiệt tồn thất do đối lưu (kcal)
Qk^ oik (tu t|) Kcal (trong một giờ với lm 2 diện lích) Hệ số cấp nhiệt đố! lưu
' Kcal N ( * ) a k = 2 . 2 ^ 1 ^ ] 1 llp
v m \h . Cy(h)
(*) Theo Nusxen công thức đó dùng cho nhừng thành phẳng. Đối với thành nằm ngang thi:
a k ” 2.8-y/tH — t, — > 2,8^/tịị — tị
và đối với nhừng ống nằm ngang có đường kính d > 0,0ỉm
/ K c a l ì
m 2 .h."c
ttJ: nhiệt độ bề mặt bên ngoài của lớp cách nhiệt
K t, +■ K
a ;. + a,
Kcal _ 2 1 0 /1 m .h. c
P2 = a k ■+ ơp là tống hệ số trao đổi nhiệt với môi trường không khí xung quanh Kcal/(m\h.°C)
Thông thường, cử mồi một đại. lượng chưa biết lại phụ thuộc vào đại lượng khác. Vì vậy cần phải cho trước một đại lượng để dề tính, thường người ta cho biết tH sau đó tính được aỵ ở công thức trên, vì ti là nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh và sau đó ta tính ctp theo công thức của Stephan - Boman
a, c t H +273
100
t, +273 100
Kcal m .h.
ơp: Hệ số cấp nhiệt do bức xạ Kcal/(m2.h.°C)
C: Được thừa nhận bằng 4 và có thế tiến hành thừ lại theo công thức tính K (K là hệ sô truyên nhiệt)
K. =
1 ô a 1
• + - + — ...- a, x.ả a k +ct,
Kcal
m 2 .h.°c
a p : Hệ số truyền nhiệt cùa hơi nước bào hòa với thành thiết bị tính bằnu thirờne lấy là 10000
m .h. c )
Ôa: chiều dày của thành thiết bị (m)
ỗH: Chiều dày của lóp cách nhiệt đối với nhừng thiết bị chưng cất, chiều dày của lớp cách nhiệl bang nhừng vật liệu cách nhiệt tốt thường dùng lấy từ 0,04 - 0.06m
Hệ số dẫn nhiệt của kim loại làm thiết bị Kcal m -\h 7 c;
Đẻ tính toán a k có thể dùng giá trị của nhừng hệ sỏ đó bằng bảng đã được nêu lên trong cuốn sách “Cí/ sở của quả trình và íhièí bị kv ihiiật hoả hục ’ của Kaxatkin (Mạc Tư Khoa, Nhà xuất bản Hóa học quốc gia, năm 1941, phần II bảng 6). Trước tiên để xác định nhiệt độ của lớp cách nhiệt trên mặt ngoài thiết bị tH có thể dùng bầng công thức thực nghiệm để dễ tính như sau:
t„ =t, + 7 7 0 5 6 + 2 0 Q '- 8 4■H I
lấy từ công thức tH = t, + — và a 2 = 8,4 + 0,05(tMO' - t , ) đôi với nhừng thành phăng a :
Q ’: Nhiệt tổn thất trên lrrf bề mặt ngoài lớp cách nhiệt tính bằng Kcal, có thể dùng theo nhừng số liệu cho lm 2 bề mặt cách nhiệt ở nhừng nhiệt độ khác nhau như sau:
ở 100°c giới hạn tồn thất nhiệt bằng 140 j
ở 110°c giới hạn tổn thất nhiệt bàng 150
. > ( Kcaỉ ^
ở 120°c giới hạn tôn thât nhiệt băng 158 1 —— I
; í ÍK c a l)
ờ 130 c giới hạn tôn thât nhiệt băng 165 —7—
m .h ; : í , , , , ( Kcalì ờ 140 c giới han tôn Ihât nhiệt băng 173 —T—
lm ,b j
b) Qp nhiệt lượng tổn thất do bức xạ
(
r T A4 ( X A4
-iiL _ Kcal/m2h
Ỉ0 0j u o o j TH = tH + 273
T ,= t i+ 2 7 3
C: Hệ số bức xạ nhiệt bề mặt của lớp cách nhiệt, đối với lớp cách nhiệt không bọc ngoài c = 4,76; đối với lớp cách nhiệt có một lớp giấy, vải c = 3,65;
nếu có sơn một lóp sơn ngoài c = 3,86.
Nếu thiết bị có những chỗ không bọc cách nhiệt, thì tổn thất nhiệt sẽ xác định riêng từng phần, một phần có cách nhiệt Fu và phần không cách nhiệt Fa và sau đó cộng lại để tính Q4.
c) ¥[]■ Bề mặt phần cách nhiệt, m2
d) Z: Thời gian làm việc có hơi nước của thiết bị (giờ) 5. Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị Qs
Ga: Khối lượng kim loại làm thiết bị c a: Nhiệt dung của kim loại làm thiết bị Gu: Khối lượng lớp cách nhiệt (kg)
c u: Nhiệt dung của lớp cách nhiệt ^ c a ~ đối với những vật liệu cách nhiệt kg. c
thường dùng, trong thưc tế có thể lấy; Cu = 0,34 Kcfta ~ . kg. c
t ’cp: Nhiệt độ trung bình của thành thiết bị, thường lấy bằng t2 (°C) là nhiệt độ ở bên trong thiết bị.
t” cp: Nhiệt độ trung bình của lớp cách nhiệt
Phải tính 05* vì trong thực tế khi ngừng chưng cất để tháo bã và cho đợt nguyên liệu mới vào thường chỉ mất trong vòng 3 0 - 4 0 phút. Trong thời gian này nhiệt độ của thiết bị chưa kịp giảm xuống tới nhiệt độ lúc bình thường ban đầu, và ở thành thiết bị chỉ mất một phần lượng nhiệt được tích tụ vào. Vì vậy trong cân bằng nhiệt cần tính chỉ một phần của Q5, thường là 20% (Ịý thuyết để tỉnh thực tể lượng nhiệt Qs này gặp nhiều khó khăn, thường không đảm bao kết quả).
Q5 = 0,2 Q ’5 kcal
Q’5= Ga. Ca (t’c p - ti) + Guc u (t” Cp - t])
<5. Lượng nhiệt chỉ phỉ cho quá trình chưng cắt Q6 Q6 = B 2i ”ip = B2(q"+rVx")Kcal
B2: lượng hơi dùng chi phí trực tiếp cho vào chưng cất (không kể tồn thất), kg.
Lượng hơi này nếu tính toán theo ỉý thuyết thường nhỏ hơn so với thực tế, vì hệ số bão hòa trong pha hơi của tinh dầu thưởng rất nhỏ chỉ bầng 0,04 - 0,05. Bởi vậy, để tính toán cần phải dựa vào số liệu thực tế. B2 có thể xác định theo thời gian chưng cất (Zn/giờ) và tốc độ chưng cất thường lấy trung bình bằng 5% của thể tích thiết bị; nếu tốc độ chưng cất w biểu diễn bàng lít/giờ và thể tích của thiết bị là V lít thì:
B2 - Zn. 0,05V (kg) q ” : Nhiệt hóa lỏng của hơi nước
x” a: Mức độ khô của hơi nước bão hòa có thể ỉấy từ 0,85 - 0,95 tùy thuộc vào điều kiện sản xuất
i” p: Nhiệt hàm lượng của hơi nước ở áp suất p P: Áp suất hơi nước vào thiết bị (ati)
r ’V Nhiệt bốc hơi của hơi nước
q ” , r” b, x” cũng tính như q \ r’b, X* nhưng dùng cho hơi nước ở phần cuối (trong thiết bị)
Sau khi đă tính được Q từ phương trình cân bàng ta lập bảng để kiểm tra lại theo cân bằng chưng cất.
Cân bằng chưng cất (Kcal)
Đưa vào S ử dụng K ý hiệu
1. Từ hơi nước 1. Đun nóng nguyên liệu Qi
2. Đun nóng tinh dầu q2
3. Làm bốc hơi tinh dầu q3
4. Tổn thất do bức xạ và đổi lưu Qa
5. Đun nórìg thiết bị q5
6. Quá trình chưng cất tinh dầu Qe
Tổng số
6
± Q .i=t
6
Nếu tính toán đúng thì Q = ^ Q i 1
Sau khi đă xác định được Q từ phương trình Q - B ,r p ta có thé tinh được B u và tử đó có the xác định được lượng hơi nước cân thiết cho 1 giở chưng cat —L kụ/giở và cho Ikg tinh dầu thu được — kg/kg.
qm
qm: Lượng tinh dầu thu được irong quá trình chưng cất (trừ tôn thât)
, ị B..1000 K
Để tính cho 1 tân nguyên liệu kg G
- Lượng hơi nước ngưng tụ trong thiết bị sẽ bằng: w k = (Bi - Bì) kg.