Tải bản đầy đủ

PHƯƠNG PHÁP CHƯNG cất TINH dầu QUẾ

MỤC LỤC
Chương 1: PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT TINH DẦU QUẾ.....................................6
1.1 Phương pháp chưng cất:...........................................................................................6
1.1.1 Chưng cất với nước:..........................................................................................6
1.1.2 Chưng cất với hơi nước không có nồi hơi riêng:...............................................6
1.1.3 Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng:.......................................................7
1.2 Quy trình chưng cất tinh dầu quế:............................................................................7
1.2.1 Xử lý nguyên liệu quế:......................................................................................7
1.2.2 Nạp liệu:...........................................................................................................7
1.2.3 Tiến hành chưng cất:.........................................................................................7
1.2.4 Thu nhận tinh dầu:............................................................................................7
1.2.5 Đóng gói và bảo quản:......................................................................................8
1.2.6 Tháo và xử lý bã:..............................................................................................8
Chương 2: THIẾT BỊ CHƯNG CẤT...........................................................................10
2.1 Lượng thiết bị cho cơ sở sản xuất:.........................................................................10
2.2 Lượng nước cần thiết để bay hơi:...........................................................................11
2.3 Nhiệt độ chưng cất:................................................................................................13
2.4 Tính toán thiết bị:...................................................................................................13
2.4.1 Kích thước thiết bị chưng cất:.........................................................................13
2.4.2 Nắp thiết bị:....................................................................................................14
2.4.3 Cổ nồi:............................................................................................................14

2.4.4 Vòi voi:...........................................................................................................15
2.4.5 Đáy nồi:..........................................................................................................15
2.4.6 Giỏ đựng nguyên liệu:.....................................................................................15
2.4.7 Vật liệu làm thiết bị chưng cất:.......................................................................15
2.4.8 Độ bền nồi chưng cất:....................................................................................15
2.5 Tính toán nhiệt cho thiết bị chưng cất:...................................................................17
2.5.1 Tính Q1:...........................................................................................................17
2.5.2 Tính Q2:...........................................................................................................17
2.5.3 Tính Q3:...........................................................................................................18


2.5.4 Tính Q4:...........................................................................................................18
2.5.5 Tính Q5:...........................................................................................................19
2.5.6 Tính Q6:...........................................................................................................19
Chương 3: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ.............................................................................21
3.1 Các thông số đã biết:..............................................................................................21
3.2 Nhiệt lượng để ngưng tụ hơi tinh dầu - nước thành lỏng hoàn toàn:......................21
3.3 Nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước:................................................21
3.5 Xác định bề mặt truyền nhiệt:................................................................................22
3.5.1 Xác định hệ số truyền nhiệt K:........................................................................23
3.5.2 Tính ∆t:...........................................................................................................26
3.5.3 Bề mặt truyền nhiệt:........................................................................................26
Chương 4: THIẾT BỊ PHÂN LY..................................................................................29
Chương 5: LÒ HƠI......................................................................................................30
5.1 Thông số ban đầu:..................................................................................................30
5.2 Tính nhiệt lò hơi:...................................................................................................30
5.2.1 Thể tích không khí lý thuyết:..........................................................................30
5.2.2 Thể tích sản phẩm cháy:..................................................................................30
5.2.3 Tính entanpy của không khí và khói:..................................................................31
5.3 Cân bằng nhiệt lò hơi:............................................................................................32
5.3.1 Lượng nhiệt đưa vào lò hơi:............................................................................32
5.3.2 Các tổn thất nhiệt của lò hơi:..........................................................................32
5.4 Tính nhiệt buồng lửa:.............................................................................................34
5.4.1 Tính thể tích buồng lửa:..................................................................................34
5.4.2 Nhiệt lượng có ích sinh ra trong buồng lửa:....................................................36
5.5 Tính nhiệt độ cuối buồng lửa:................................................................................37
5.6 Tính toán bề mặt trao đổi nhiệt dối lưu:.................................................................39
5.6.1 Tổng diện tích trao đổi nhiệt đối lưu:..............................................................39
5.6.2 DIện tích trao đỏi nhiệt đối lưu pass2 và pass3:..............................................43
5.7 Thiết kế cyclone:....................................................................................................47


5.7.1 Các thông số đã biết:.......................................................................................47
5.7.2 Các kích thước chi tiết của xyclone:..............................................................47


5.7.3 Hiệu suất lọc của cyclone :.............................................................................48
5.8 Ống khói :..............................................................................................................50
Chương 6: MẠNG NHIỆT...........................................................................................53
6.1. Tính chọn đường kính ống chính và nhánh:..........................................................54
6.2 Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu của hơi nước chuyển động trong ống:.................56
6.3. Tính chiều dày lớp cách nhiệt:..............................................................................58
6.4 Tính thủy lực cho mạng nhiệt................................................................................60
6.5 Tính toán đường ống dẫn nước ngưng:..................................................................62


DANH SÁCH CÁC BẢNG VẼ, HÌNH ẢNH.


MỞ ĐẦU

Từ lâu con người đã biết sử dụng tinh dầu để phục vụ đời sống như dùng trong chế
biến các món ăn, dùng để đuổi côn trùng, chữa bệnh, làm đẹp, … nhưng do chưa biết
cách thu hồi và sử dụng tinh dầu nên chưa sử dụng được hết tiềm năng của các loại
tinh dầu. Ngày nay với sự phát triền của khoa học kỹ thuật, con người đã biết cách thu
nhận tinh dầu phục vụ cho nhiều lĩnh vực trong đời sống hơn. Tinh dầu được sử dụng
trong hầu hết các lĩnh vực trong đời sống như : thực phẩm, dược phẩm, … mang lại
hiệu quả cao cho kinh tế, nâng cao chất lượng sống cho xã hội. Với mục đích tìm hiểu
về một quy trình sản xuất tinh dầu, được sự hướng dẫn , đồ án này em xin được trình
bày về “ Hệ thống chưng cất tinh dầu quế”.
Chương 1 : Tổng quan về chưng cất tinh dầu
Chương 2 : Thiết bị chưng cất
Chương 3: Thiết bị ngưng tụ
Chương 4: Thiết bị phân ly
Chương 5: Lò hơi
Chương 6: Mạng nhiệt

1


Chương 1: PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT TINH DẦU QUẾ.
1.1 Phương pháp chưng cất:
Chưng cất là một quá trình biến đổi một cấu từ hoặc một hỗn hợp thể lỏng thành thể
hơi ở một thiết bị sau đó hơi được ngưng tụ ở một thiết bị khác nhờ phương pháp làm
lạnh.
Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhằm để tách
những sản phẩm dễ bay hơi ra khỏi hỗn hợp khó bay hơi, hoặc tách hỗn hợp chất lỏng
bay hơi ra thành từng cấu tử.
1.1.1 Chưng cất với nước:
Nguyên liệu và nước được cho vào cùng một thiết bị, đun tới sôi, nước bay hơi cuốn
theo tinh dầu, tinh dầu được tách ra sau ngưng tụ. Bằng cách này thiết bị chưng cất
tương đối đơn giản, rẻ tiền, rất phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp địa
phương, ở những nơi mới phát triển bước đầu chưa có điều kiện đầu tư vốn vào sản
xuất.
Nhược điểm:
Tinh dầu có chất lượng chưa cao.
Nguyên liệu dễ bị cháy khét nhất là những chỗ trong thiết bị nguyên liệu thiếu nước,
hoặc bị bết dính vào thành thiết bị, đặc biệt khi chưng cất các loại hoa.
Khó điều chỉnh các thông số kỹ thuật (t,p) khi chưng cất và thông thường thời gian
chưng cất bị kéo dài.
Tốc độ chưng cất và thời gian chưng cất phụ thuộc chủ yếu vào bộ phận đốt lò.
1.1.2 Chưng cất với hơi nước không có nồi hơi riêng:
Nguyên liệu và nước được đưa vào cùng một thiết bị nhưng ngăn cách bằng một lớp
vỉ, để tránh cho nguyên liệu khỏi lọt vào nồi chứa nước. Tùy thuộc vào loại nguyên
liệu, khi cần thiết người ta có thể lót một lớp bao tải lên trên mặt vỉ. Nước được đun
sôi bốc hơi lên qua lớp vỉ đi vào lớp nguyên liệu và kéo theo tinh dầu đi ra.
Nguyên liệu bớt khê khét vì không tiếp xúc trực tiếp với đáy nồi. Tuy vậy phẩm chất
của tinh dầu cũng như việc khống chế các điều kiện kỹ thuật trong đó bao gồm vận tốc
chưng chưa được cải thiện nhiều. Ngoài ra chưa kể đến thao tác lao động còn gặp
nhiều khó khăn.
2


1.1.3 Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng:
Phương pháp này dùng một nồi hơi có thể phục vụ cho cả cơ sở sản xuất, làm cho điều
kiện làm việc của công nhân nhẹ nhàng hơn và có khả năng dễ cơ giới hóa hoặc tự
động hóa các khâu sản xuất, ngoài ra còn khắc phục được tình trạng nguyên liệu khê
khét cũng làm cho màu sắc hoặc phẩm chất của tinh dầu được tốt hơn.
Bằng phương pháp này ngoài việc dễ khống chế các điều kiện kỹ thuật người ta còn có
thể rút ngắn được thời gian chưng cất bằng cách điều chỉnh vận tốc chưng cất, chưng
cất ở áp suất cao hơn hoặc dùng hơi bão hòa hay hơi quá nhiệt để chưng cất.
1.2 Quy trình chưng cất tinh dầu quế:
1.2.1 Xử lý nguyên liệu quế:
Quế vụ và quế cành chúng ta cần nghiền nát, nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trích
ly tinh dầu trong quá trình chưng cất. Mức độ nghiền có ảnh hưởng nhiều đến hiệu
suất và chất lượng của tinh dầu khi cho ra thảnh phẩm.
Nguyên liệu là quế thì chúng ta băm thành những đoạn nhỏ khoảng 10 cm hoặc nhỏ
hơn sẽ giúp làm tăng dung trọng của nguyên liệu, tăng thể tích hữu ích của thiết bị
chưng cất, do tinh dầu thoát ra dễ dàng hơn khi tiếp xúc với hơi nước nên sẽ nâng cao
hiệu suất quá trình tách tinh dầu.
1.2.2 Nạp liệu:
Nguyên liệu được đưa vào nồi chưng cất, nguyên liệu chứa trong thiết bị không vượt
quá 85% dung tích thiết bị để tránh hiện tượng trào bọt. Nguyên liệu được nạp vào tự
nhiên không được quá chật hoặc quá xốp, vì cả hai đều giảm hiệu suất thu hồi tinh
dầu.
1.2.3 Tiến hành chưng cất:
Chưng cất là bước rất quan trọng trong quá trình sản xuất tinh dầu.
Quá trình nạp liệu xảy ra xong, chúng ta đậy nắp, vặn chặt các khóa nắp và khóa nối
sau đó tiến hành chưng cất bằng hơi nước. Sau một thời gian, tinh dầu thành phẩm sẽ
bay hơi cùng với nước qua ống dẫn hơi và đến thiết bị ngưng tụ.
1.2.4 Thu nhận tinh dầu:
Hỗn hợp nước chưng cất từ thiết bị ngưng tụ chảy qua thiết bị phân ly. Dựa vào tinh
dầu quế có trọng lượng riêng lớn hơn nước nên phân lớp và chìm xuống đáy thiết bị
phân ly, sau đó tách ra thu được tinh dầu thô. Nước chưng ở bình phân ly chảy ra còn

3


chứa một lượng tinh dầu do chưa phân ly triệt để hoặc ở dạng hòa tan trong nước cần
được cho trở lại thiết bị chưng cất để chưng cất cho mẻ sau.
1.2.5 Đóng gói và bảo quản:
Tinh dầu thô thu nhận được có thể đựng trong bình thủy tinh màu sẫm có nắp kín và
nắp được tráng paraffin hoặc can nhựa màu nhưng cần có phương pháp bảo quản tốt
để tránh hư hại tinh dầu cũng như giữ tinh dầu có chất lượng tốt.
1.2.6 Tháo và xử lý bã:
Sau khi chưng cất xong đóng van cung cấp nước làm lạnh, tắt lửa, để nguội từ 15-30p,
mở nắp và tháo bã. Dung dịch chưng cất còn lại được tháo qua ống xả đáy của thiết bị
sau đó dùng nước sạch vệ sinh thiết bị, kể cả nắp và vòi voi trước khi nạp liệu cất mẻ
mới.

4


Nguyên liệu

Nghiền, băm



Chưng cất

Nguyên liệu đốt

Ngưng tụ

Phân ly

Tinh dầu thô

Phơi

Nước chưng

HÌNH 1.1 : Quá tình chưng cất tinh dầu quế


Chương 2: THIẾT BỊ CHƯNG CẤT.

2.1 Lượng thiết bị cho cơ sở sản xuất:
- Lượng nguyên liệu cần chế biến trong 1 ngày : 30 tấn.
- Mỗi ngày làm việc : n = 3 ca.
- Thời gian cần thiết cho 1 lần chế biến : t = 4 h
- Khối lượng chất đống của nguyên liệu : 0,5 T/m3
- Chế độ làm việc của thiết bị : gián đoạn
Chu kỳ làm việc của thiết bị :
N = == 6
Dung tích chung của toàn bộ thiết bị dùng chưng cất gián đoạn gồm:
Vgi = = = 12,5 [m3]
với φg: hệ số chất đầy, tùy thuộc vào tính chất của nguyên liệu. Chọn φg = 0,8
Số thiết bị cần thiết:
Kg = = = 5 [chiếc]
với vg: thể tích thiết bị được chọn, chọn vg = 2 [m3]
Lượng tinh dầu thu được qua quá trình chưng cất:
Qua tìm hiểu và tổng hợp, ta có các thông số sau:
_ Khối lượng quế trong mỗi thiết bị: 1000 kg
_ Hàm lượng tinh dầu quế: 2%
_ Hiệu suất quá trình chưng cất: 96%
Qua đó ta có lượng tinh dầu quế thu được sau quá trình chưng cất:
Gd = 1000 . 2% . 96% = 19,2 [kg]
2.2 Lượng nước cần thiết để bay hơi:
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 trong dung dịch không có tác dụng
hóa học với nhau)”


P = PA + PB

(1)

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 không hòa 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. Vậy
nếu Va, VB ký hiệu là thể tích tương đối của các chất khí đó thì ta có:
=

(2)

Nếu trọng lượng của các chất khí đó là GA, GB và tỉ trọng của chúng là dA, dB thì ta có:
GA = VA.dA

(3)

GB = VB.dB

(4)

Nếu chia (3) cho (4) và thay vào (2), ta được:
=

(5)

Theo định luật Avogadro thể tích bằng nhau của các chất khí khác nhau, ở điều kiện
nhiệt độ, áp suất giống nhau thì có thể chứa cùng một lượng phân tử như nhau. Do đó,
khối lượng hoặc trọng lượng riêng của các chất khí khác nhau nếu lấy cùng một thể
tích như nhau thì sẽ tỉ lệ với trọng lượng phân tử của chúng.
=

(6)

=

(7)

MA,MB : khối lượng phân tử của hai cấu tử A và B.
Trong trường hợp chưng cất hai chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau như trên ta cũng
có thể tính toán theo phương trình trạng thái khí Klafpeiron, kết hợp với định luật về
thể tích của Boi Mariot.
PV = .RT

(8)

Và từ đây có thể rút ra:
G = (9)
Nếu hơi của hai chất lỏng không hòa tan lẫn vào nhau chiếm một thể tích chung là V
và ở nhiệt độ T thì trọng lượng hơi của một cấu tử (GA, GB) sẽ biểu diễn được bằng
phương trình:
GA =

(10)

GB =

(11)


Chia (10) cho (11) ta sẽ có:
=

(12)

Từ công thức trên khi biết thành phần của các cấu tử trong hỗn hợp ta có thể tính toán
gần đúng lượng hơi nước dùng để chưng cất tinh dầu khi GB = 1kg thì GA = . Trong
thực tế lượng hơi chi phí để chưng cất thường lớn hơn so với tính toán lý thuyết vì tinh
dầu là một hỗn hợp nhiều cấu tử. do tác dụng tương hỗ giữa chúng với nhau, trong quá
trình chưng cất hỗn hợp hơi đi ra khỏi thiết bị thường không được bão hòa hoàn toàn.
Xác định lượng hơi tinh dầu quế trong hỗn hợp, khi chưng cất chất này bằng hơi nước,
biết rằng trọng lượng phân tử của tinh dầu quế là 131.
Ta có áp suất riêng phần của tinh dầu quế tại 1000C là 5 mmHg. Theo định luật Dalton
tổng áp suất của hỗn hợp:
P = pd + pn = 5 + 760 = 765 mmHg
Hỗn hợp chỉ bắt đầu sôi khi áp suất hơi hỗn hợp cân bằng với áp suất của không khí
bên ngoài (trong điều kiện thiết bị có tiếp xúc với không khí bên ngoài) có nghĩa là ở
760 mmHg. Khi tổng áp suất của hỗn hợp là 760.5 mmHg thì áp suất hơi của tinh dầu
quế là 5 mmHg. Khi tổng áp suất là 760 mmHg, áp suất hơi bão hòa riêng phần của
tinh dầu quế là:
=  pd = = 4,97 mmHg
Cũng tương tự ta tính được áp suất hơi riêng phần của hơi nước:
=  pn = = 755,03 mmHg
Thay tất cả các số liệu đã biết vào công thức (12) ta có:
= ≈
Có nghĩa là khi hỗn hợp bay hơi ra cứ có một phần tinh dầu quế thì cần 20 phần nước,
hoặc nếu biểu diễn bằng phần trăm:
Hàm lượng tinh dầu quế có trong hỗn hợp: .100 = 4,76%
Hàm lượng hơi nước có trong hỗn hợp hơi: .100 = 95,24%
 Lượng nước cần thiết cho quá trình chưng cất:
G’n = Gd.20 = 20 . 19,2 ≈ 400 [kg]
2.3 Nhiệt độ chưng cất:
Để xác định nhiệt độ chưng cất bằng hơi nước của một số cấu tử riêng biệt có 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 không hòa tan lẫn nhau cân bằng với áp suất bên
ngoài”.
Ta đã có áp suất trên mặt thoáng là 760 mmHg, áp suất riêng phần của hơi nước là
755.03 mmHg. Tra tài liệu ta có, nhiệt độ sôi của nước là 99.83 0C.
2.4 Tính toán thiết bị:
2.4.1 Kích thước thiết bị chưng cất:
Ta chọn thể tích lượng quế chứa trong mỗi thiết bị là 2m3.
Thể tích cấp đầy và thể tích để cấp hơi chiếm 30% thiết bị.
Thể tích thiết bị chưng cất:
V = = 2,85 [m3]
Chọn tỉ lệ giữa đường kính trong thân thiết bị với chiều cao thân thiết bị là 1.5, ta có:
Đường kính thân thiết bị là:
V = π . 1,5D  D = = = 1,34 [m]
Suy ra: Chiều cao thân thiết bị:
H = 1,5 . D = 1,5 . 1,34 = 2 [m]
Kiểm tra lại ta có:
V’ =. H = . 2 = 2,82 [m3]
Vậy: Chiều cao thân thiết bị chưng cất: H = 2m
Đường kính trong thân thiết bị chưng cất: D = 1,35m
2.4.2 Nắp thiết bị:
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 và có thể có cửa để cho nguyên liệu vào. Nếu nguyên liệu được cho vào qua nắp
thiết bị thì ở bộ phận mối nối giữa cửa nguyên liệu và nắp cần được ghép thật kín và
thuận tiện cho việc đóng mở dễ dàng.
Qua chọn lựa ta sẽ làm nắp thiết bị có dạng hình chóp, được kết nối với phần thân thiết
bị chưng cất bằng bích nối bắt bu-lông, 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.


2.4.3 Cổ nồi:
Cổ nồi là một bộ phận trung gian nối liền giữa nắp và vòi voi của nồi, cổ nồi có thể có
nhiều hình dạng, nhưng yêu 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 thoát ra không 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 cho đến nay, các loại cổ nồi có tấm lưới như
vậy vẫn không 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 quế được làm héo, cắt nhỏ nên có bụi bẩn bay lên, ta
cần làm lưới chắn bụi.
2.4.4 Vòi voi:
Vòi voi là một phần của thân nồi nhằm nối liền cổ nồi với thiết bị ngưng tụ. Vòi voi
cần phải có kích thước tương ứng sao cho hỗn hợp hơi bay ra không bị trở lực lớn,
không làm giảm tốc độ chưng cất. Vòi 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, vòi
voi thường có một độ dốc nhất định, nghiêng về phía thiết bị ngưng tụ, thường dao
động từ 10 đến 30. Đường kính của vòi voi nhỏ dần để hơi thoát ra dễ dàng, vòi voi
không nên dài quá 1.5 – 3m. Nếu quá ngắn thì hỗn hợp bay hơi ra sẽ ngưng tụ đột ngột
gây nên áp suất dư, ảnh hưởng tới quá trình chưng cất, nếu quá dài thì hỗn hợp bay hơi
ra sẽ rất chậm ảnh hưởng đến tốc độ chưng cất.
2.4.5 Đáy nồi:
Đáy nồi có cấu tạo giống nắp nồi nhưng phải thỏa mãn sao cho khi chưng cất bằng
hơi, hơi nước, nước ngưng tụ được tháo ra dễ dàng không còn đọng hơi lại ở trong nồi.
đồng thời phải dễ dàng trong việc tháo hay rửa sạch cặn bã nguyên liệu còn sót lại.
Ta làm đáy thiết bị dạng chỏm cầu, được hàn kín với thân thiết bị.
2.4.6 Giỏ đựng nguyên liệu:
Bộ phận chứa đựng nguyên liệu đáp ứng được các yêu cầu sau:
Đưa nguyên liệu vào và lấy nguyên liệu ra được thuận tiện.
Trong quá 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 lưới với kích thước lỗ
3mm, có móc treo để có thể lấy nguyên liệu ra một cách dễ dàng.


2.4.7 Vật liệu làm thiết bị chưng cất:
Thiết bị chưng cất nên làm bằng loại thép không gỉ SUS 304, là loại thép an toàn cho
thực phẩm, dược phẩm , đồng thời có tính bền, khả năng chịu mài mòn cao.
2.4.8 Độ bền nồi chưng cất:
Độ dày của thân nồi chưng cất được tính theo công thức tính giá trị bền hàn của thân
hình trụ như sau:
s = + C [m]
Trong đó:
p : là áp suất làm việc
p = p1 + p2
p1 : áp suất khí quyển, p1 = 1atm = 105 Pa
p2 : áp suất phần nước trong thân thiết bị
p2 = d.h = 1000 . 0,48 = 480 [Pa]
 P = 105 + 480 = 100480 [Pa]
D : đường kính thân thiết bị
[ơ] : ứng suất bền (đối với thép không gỉ SUS 304)
C: 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 mòn vật liệu của môi 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 mòn 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
môi trường nước, đại lượng này có thể bỏ qua. Vậy lấy C2 = 0
C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu.
đối với vật liệu SUS 304 có chiều dày từ 3 – 5 mm, lấy C3 = 0,8 [mm]
Suy ra:
C = C1 + C2 +C3 = 1+ 0 +0,8 = 1,8 [mm] = 0,0018 [m]
φ: hệ số làm yếu


Xác định đại lượng φ theo công thức:
φ = = = 0,9
∑d: đại lượng phụ thuộc vào số lỗ, cửa mở ra trên thân hình trụ. Trên thân hình trụ của
thiết bị chưng cất, ta mở một ống dẫn hơi nước đi vào thiết bị ngưng tụ dx = 0.2mm.
Vậy ta có độ dày thân nồi chưng cất là:
s = + C = + 0,0018 =1,9 .10-3 [m]
Dựa theo tiêu chuẩn của nồi chưng, chọn độ dày thiết bị chưng cất là 4mm.
2.5 Tính toán nhiệt cho thiết bị chưng cất:
Phương trình cân bằng nhiệt:
Q = Q1 + Q2 +Q3 + Q4 +Q5 +Q6
Q: lượng nhiệt cần thiết dùng để chưng cất, do hơi nước cung cấp đưa vào thiết bị.
Q1: 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 qua bề mặt thiết bị
Q5: lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị.
Q6: lượng nhiệt chi phí cho quá trình chưng cất.
2.5.1 Tính Q1:
Lượng nhiệt chi phí để đun nóng nguyên liệu tới nhiệt độ chưng cất:
Q1 = G.Cc.(t2 – t1) = G. .(t2 – t1)
Trong đó: G: khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị, G = 1000 kg
Wc: độ ẩm của nguyên liệu tính theo %, Wc =14%
Cc: nhiệt dung riêng của nguyên liệu ở độ ẩm tương ứng,
Cc = + 0,4
t1: nhiệt độ của không khí xung quanh, t1 = 250C
t2: nhiệt độ bên trong của thiết bị, t2 = 99,830C
 Q1 = 1000 . .(99,83 – 25).1000 . 4,18 = 15.107 (J)
2.5.2 Tính Q2:
Lượng nhiệt dung để đun nóng lượng tinh dầu có trong nguyên liệu:


Q2 = G CM (t2 – t1)
Trong đó: mc: hàm lượng tinh dầu %, mc = 2%
CM: lấy gần bằng nhiệt dung của cấu tử chính trong tinh dầu
CM = 1,2C’= 1.2 .
= 1,2 . = 0,35 [Kcal/kg0C]
Với C, H, O : lượng cacbon, hydro và oxy có trong cấu tử chính
M: trọng lượng phân tử cấu tử chính
 Q2 = 1000 . . 0,35 . (99,83 – 25).1000 . 4,18 = 0,22 .107 (J)
2.5.3 Tính Q3:
Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi tinh dầu:
Q 3 = G + rM
Trong đó, rM: ẩn nhiệt bốc hơi của tinh dầu, có thể tính theo quy tắc Truton
rM = = = 16 [Kcal/kg0C]
với 21: ẩn nhiệt bay hơi của phân tử và nhiệt độ sôi tuyệt đối của tinh dầu
M: trọng lượng phân tử của cấu tử chính
T: nhiệt độ bay hơi của cấu tử chính ở nhiệt độ tương úng
 Q3 = 1000 .. 16 . 1000 . 4,18 = 0,13 .107 (J)
2.5.4 Tính Q4:
Lượng nhiệt tổn thất qua bề mặt thiết bị:
Q4 =
Trong đó, t1: nhiệt độ bên trong thiết bị
t2: nhiệt độ không khí bên ngoài
λ1: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm thiết bị, λ1 = 10,2 W/mK
λ2: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt, λ2 = 0,0476 W/mK
_ Chọn vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh, có độ dày 0,05 m
 Q4 = .H

= .2

= 1234 [W]
Lượng nhiệt tổn thất qua suốt 3h chưng cất:


Q4’ = 1234 . 10800 = 1,3 . 107 [J]
2.5.5 Tính Q5:
Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị:
Q5 = 0.2Q5’ = GaCa(t’cp – t1) + GuCu(t”cp – t1)
Trong đó: Ga : khối lượng kim loại làm thiết bị, Ga = 271 kg
Ca: Nhiệt dung riêng của kim loại làm thiết bị, Ca = 500J/kgK
Gu: khối lượng của lớp cách nhiệt, Gu = 6,4 kg
Cu: nhiệt dung riêng của lớp cách nhiệt, Cu = 0,34 Kcal/kg0C
t’cp: nhiệt độ trung bình của thành thiết bị, thường lấy bằng t2 là nhiệt độ bên trong của
thiết bị, t’cp = 99,830C
t”cp: nhiệt độ trung bình của lớp cách nhiệt
t”cp = = = 62,40C
 Q5’ = 0,2 . [271 . 500.(99,83 – 25) + 6,4 . 0,34.(62,4 – 25).1000 . 4,18]
= 0,2 . 107 [J]
2.5.6 Tính Q6:
Lượng nhiệt đun nóng và hóa hơi lượng nước ngấm vào trong nguyên liệu:
Q6 = G’nCpn(t1 – t2) + G’n.r.x
Trong đó: G’n: lượng nước cần thiết trong quá trình chưng cất
Cpn: nhiệt dung riêng của nước, Cpn = 4200 J/kgK
t2: nhiệt độ sôi của nước ứng với áp suất trong nồi, t2 = 99,830C
t1: nhiệt độ của nước khi cấp vào, lấy bằng nhiệt độ môi trường, t2 =250C
r: nhiệt ẩn hóa hơi của nước, r = 2,3 . 106 J/kg
x: độ khô của hơi bão hòa, chọn x = 0,85
 Q6 = 400. 1000.(99,83 – 25) + 400. 2,3 . 106 . 0,85 = 81.107 [J]
Tổng nhiệt lượng lý thuyết:
QLT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6
= 15 . 107 + 0,22. 107 + 0,13 . 107 + 1,3 . 107 + 0,2 . 107 + 81 . 107
= 97,85 . 107 [J]
Tổng lượng nhiệt thực tế:


Qtt = QLT.10% +QLT = 97,85 . 107 . 10% + 97,85 . 107 = 108 . 107 [J]
Lưu lượng hơi cần cho 3h chưng cất:
L = = = 156,5 [kg/h]
Lưu lượng hơi cần cho toàn bộ hệ thống là:
L’ = 156,5 . 5 = 782,6 [kg/h]
Chọn lò hơi có áp suất làm việc là 4bar, năng suất hơi là 1000 kg/h.


Chương 3: THIẾT BỊ NGƯNG TỤ.

3.1 Các thông số đã biết:
- Lượng tinh dầu thu được sau quá trình chưng cất là: Gd = 2% . 1000 = 20 kg
- Lượng nước bay hơi cần cho quá trình chưng cất là: G’n = 20 . 20 = 400 kg
Vậy tổng lượng hơi cần ngưng tụ là:
G = Gd + G’n = 400 + 20 = 420 kg
Thời gian cho quá trình ngưng tụ là: 3h
Lưu lượng hơi cần ngưng tụ là: L = = 140 [kg/h] = 0,04 [kg/s]
Nhiệt độ nước mát đầu vào là: t2’ = 250C
Nhiệt độ nước mát đầu ra là: t2” = 450C
Nhiệt độ hơi nóng đi vào là: t1’ = 1000C
Nhiệt độ nước ngưng đi ra: t1” = 350C
3.2 Nhiệt lượng để ngưng tụ hơi tinh dầu - nước thành lỏng hoàn toàn:
Nhiệt lượng để ngưng tụ hoàn toàn hơi tinh dầu - nước thoát ra từ nồi chưng được tính
theo công thức sau:
Qnl = L.r
Trong đó: Qnl: nhiệt lượng để ngưng tụ hơi tinh dầu - nước
L: lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ, L = 0,04 kg/s
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tinh dầu - nước cần ngưng tụ
Lượng tinh dầu trong hỗn hợp hơi chiếm tỉ lệ rất thấp (0,05%) nên bỏ qua ảnh hưởng
của hơi tinh dầu đối với hỗn hợp hơi.
r = rn = 2257 [kJ/kg]
 Qnt = 0,04 . 2257 = 87,77 [kW]
3.3 Nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước:
Sau khi ngưng tụ thành dạng lỏng thì hỗn hợp tinh dầu – nước cần phải được làm lạnh
xuống nhiệt độ tối ưu để thuận tiện cho quá trình phân ly. Ta sẽ làm lạnh hỗn hợp dịch
ngưng tới tC = 350C.
Nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước xuống nhiệt độ tC= 350C :


Qll = (gbCb + gm.Cm)(TH – Tk)
Trong đó:
gb, gm: lượng nước và tinh dầu cất ra được trong quá trình chưng cất
TH: nhiệt độ nước chưng ở giai đoạn đầu khi làm lạnh, 0C
Tk: nhiệt độ của nước chưng ở giai đoạn cuối khi làm lạnh, 0C
Cb: nhiệt dung riêng của nước, Cb = 4200 J/kgK
Cm: nhiệt dung riêng của tinh dầu, Cm = 1463 J/kgK
 Qll = (. 4200 + . 1463).(99,83 – 35)
= 10.78 [kW]
3.4 Lượng nước cấp cho thiết bị ngưng tụ:
Q = Qnt + Qll = GncCpnc∆t
với Gnc [kg/h]: lưu lượng nước cấp trong 1 giờ
Cpnc [kJ.kgK]: nhiệt dung riêng của nước cấp. Cpnc = 1,84 kJ/kgK
∆t = t2” – t2’ = 45 -25 = 200C
 Gnc = = 9641 [kg/h] = 2,68 [kg/s]
Nhiệt độ làm lạnh của nước ở trên đường giáp giới giữa 2 giai đoạn:
t2 = t2’ + (t2” – t2’) = 25 + (45 – 25) = 27,20C
3.5 Xác định bề mặt truyền nhiệt:
Để tính toán diện tích cần thiết của thiết bị ngưng tụ, ta có thể dựa vào định luật
Niuton và Furie. Theo định luật này: Lượng nhiệt truyền qua theo hướng thẳng vuông
góc với mặt phẳng của thành ống của thiết bị làm lạnh sẽ tỷ lệ thuận với diện tích làm
lạnh F(m2) của thành ống, với thời gian (Z) mà nhiệt lượng đó đi qua với sự chênh lệch
nhiệt độ (∆t) giữa hai thành ống ở hai phía.
Q = K.F.Z.∆t
Trong đó:
Q: lượng nhiệt truyền qua thành ống theo phương vuông góc
F: diện tích truyền nhiệt
Z: thời gian truyền nhiệt
∆t: hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống


K: hệ số truyền nhiệt
Qua đó ta có, bề mặt truyền nhiệt được xác định:
F = [m2]
3.5.1 Xác định hệ số truyền nhiệt K:
- Ống truyền nhiệt được làm bằng thép không gỉ SUS 304.
- Kích thước ống: dng = 25 mm, dtr = 21 mm, độ dày δ = 2mm
- Tốc độ nước đi trong ống: ω = = 7,75 m/s
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức sau:
K=
Trong đó:
α1 [W/m2K]: hệ số tỏa nhiệt từ hơi cho thành ống.
α2 [W/m2K]: hệ số tỏa nhiệt từ thành ống cho nước làm mát
∑rt: nhiệt trở của thành ống
1, Tính α2:
tf2 = = 350C
Chuẩn số Reynold:
Re =
Trong dó:
ω [m/s]: tốc độ dòng chảy, chọn ω = 0,2 m/s
l [m]: kích thước định tính, l = H = 2 m
γ [m2/s]: độ nhớt động học, γ = 0,73. 10-6 m2/s
ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của nước, ρ = 993,9
μ [N.s/m2]: hệ số nhớt của nước
Ref2 = = 548320 > 2.105
Nuf2 = 0,021 . Ref0,8 . Prf0,43 . (
với Prf = 5 (“Sổ tay QT và TBCNHC”)
 Nuf2 = 0,021 . 6483200,8 . 50,43 . (
=


α2 = 0,62 . = [W/m2K]
với λ2 [W/mK] : hệ số dẫn nhiệt của nước, λ = 62,2 . 10-2 [W/mK]
Nhiệt tải về phía nước làm mát:
q2 = α2(tw2 – tf2 ) = (tw2 – 26,1) [W/m2]
2, Nhiệt tải qua thành ống:
qt =
Với:
tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với hỗn hợp tinh dầu - nước (trong ống)
λt = 10,2 [W/m2K]: hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ
Vậy: qt = 367,6(tw1 – tw2) [W/m2]
3, Tính α1:
Theo sách “Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối” ta có:
α2 = 1,15
Trong đó:
H [m]: chiều dài của ống
ρ [kg/m3]: khối lượng riêng của lỏng ngưng
λ [W/mK]: hệ số dẫn nhiệt của lỏng ngưng
μ [N.s/m2]: hệ số nhớt động học của lỏng ngưng
∆t = ts – tw1 [0C]: độ chênh lệch giữa nhiệt độ ngưng tụ môi chất và nhiệt độ vách
ts: nhiệt độ ngưng tụ
tw1: nhiệt độ bề mặt vách
r [kJ/kg]: nhiệt ngưng của lỏng ngưng, xác định theo nhiệt độ ngưng tụ
4, Tính tw1, tw2:
- Chọn tw1 = 640C
- Các tính chất vật lý của hỗn hợp ngưng tụ:
+ ρ = 980 [kg/m3]
+ μ = 0,5-6 . 10-3 [N.s/m2]
+ λ = 0.,62 [W/mK]
+ r = 4186 [kJ/kg]


 α1 = 1,15 = 4722 [W/m2K]
Ta có: q1 = πα1*dtr(tf1 – tw2) = 4722. π. 0,021.(67,5 – 64) = 1111,6 [W/m2]
 qt = qα1 = 1111,6 [W/m2]
tw2 = tw1 - = 64 - = 610C
Tra tài liệu tham khảo “Sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất”  Prw2 = 3
 q2 =π . 0,025 . (61 – 35) = 1176 [W/m2]
Kiểm tra sai sô:
ε = = 0,45 < 5% : chấp nhận dược
Vậy K =

= 415 [m2K/W]

3.5.2 Tính ∆t:
∆tmax = t1’ – t2” = 100 – 45 = 550C
∆tmin = t1” – t2’ = 35 – 25 = 100C
 ∆t = = = 26,40C
3.5.3 Bề mặt truyền nhiệt:
1, Xác định bề mặt trao đổi nhiệt F:
F = = = 9 [m2]
2, Số ống cần thiết để ngưng tụ:
n = = 60,3 = 61 ống
_ Chọn cách sắp xếp ống trên vỉ ống theo hình lục giác đều.
3, Bước ống:
t = (1,25 – 1,35)dng = 1,4 . 0,025 = 0,035 m
4, Số ống trên cạnh lục giác lớn nhất:
n = 3S(S – 1) +1  S = 5
5, Số ống trên đường chéo của lục giác lớn nhất là:
m = 2S – 1 = 2.5 – 1 = 9 ống
6, Đường kính trong thiết bị ngưng tụ:
Dtr = t(m – 1) + 2dng = 0,035.(9 – 1) +2 . 0,025 = 0,32 m


_ Chọn kích thước mặt bích: ta chọn kết cấu vỉ có đường kính lớn để làm luôn bích
cho thiết bị. Khi đó, đường kính của vỉ ống sẽ là:
Dv = 0,32 + 0,13 = 1,45 m
Đường kính vòng tròn đi qua tâm lỗ bu lông ghép bích là:
Db = 0,32 + 0,08 = 0,4 m
7, Xác định số lối của nước:
Khi tính toán nhiệt để tìm bề mặt truyền nhiệt chung ta đã chọn vận tốc của nước là
0,2 m/s. Vì vậy muốn có quá trình truyền nhiệt xảy ra đúng như tính toán thì khi kết
cấu thiết bị phải đảm bảo được vận tốc đã lựa chọn. Muốn đảm bảo đúng vận tốc của
nước thì ta phải chia lối cho nó.
Số lối của nước:
Z=
Trong đó: ω = 0,2 m/s
ω’ = = 0,13 m/s
ω’: là vận tốc của nước với số lối là 1
Vậy: Z = = 1,57 = 2 lối
Số ống trong một lối:
n’ = = 31 ống
Ta chọn số ống ở lối thứ nhất ở cửa vào của nước là 30 ống, lối thứ 2 là 31 ống.
8. Đường kính tỏng cua rống dẫn nước:
- Chọn vận tốc nước đi trong ống vào thiết bị là 4m/s.
d1 = = 0,03 m = 30 mm
Do nước nóng lên nên thể tích riêng của nó lớn nên ta lấy đường kính trong của ống
dẫn nước ra là 40 mm
9, Đường kính trong của ống dẫn hơi và ống tháo nước ngưng:
dh = = 0,09 m = 90 mm
- Chọn đường kính ống tháo nước ngưng là 50 mm.
10, Tính tổn thất áp lực khi nước đi qua thiết bị:
Tổn thấp áp lực tổng cộng ∆P của nước (tổng sức cản thủy lực trên suốt đường đi của
nước qua thiết bị) được tính như sau:


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×