LỜI CẢM ƠN Đ ể hoàn thành tốt đồ án thiết bị em xin chân thành cảm ơn trường đại học Nông Lâm Huế quý thầy thuộc khoa khí cơng nghệ tạo điều kiện cho chúng em vừa học kiến thức trường vừa thực hành tiếp cận với ngành nghề Em xin cảm ơn thầy khoa khí cơng nghệ truyền đạt cho em kiến thức chuyên ngành xã hội hết lòng bảo chúng em nắm vững lý thuyết suốt trình học tập, cung cấp tài liệu cần thiết trình làm đồ án Và đặc biệt em xin cảm ơn thầy phó trưởng khoa khí cơng nghệ TS Nguyễn Văn Huế người hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành tốt thời gian làm đồ án thiết bị Mặt dù cố gắng nhiều cịn sai sót Vì em mong q thầy đóng góp ý kiến để đồ án sau em hoàn thành tốt Em xin chân thành cảm ơn! Huế, tháng năm 2017 Sinh viên thực Hồng Văn Ngun MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I Tổng quan tinh dầu phương pháp sản xuất tinh dầu .6 Khái niệm tinh dầu Tính chất vật lý thành phần hóa học tinh dầu 2.1 Tính chất vật lý tinh dầu .6 2.2 Thành phần hóa học tinh dầu Phương pháp sản xuất tinh dầu 3.1 Phương pháp chưng cất .8 3.1.1 Nguyên tắc phương pháp 3.1.2 Cơ sở lí thuyết 3.1.2.1 Sự khuếch tán, thẩm thấu, hòa tan .8 3.1.2.2 Chưng cất – Sự lôi theo nước .8 3.1.3 Phân loại 3.1.3.1 Chưng cất nước 3.1.3.2 Chưng cất nước khơng có nồi riêng 10 3.1.3.3 Chưng cất nước có nồi riêng .11 3.1.4 Ưu nhược điểm 11 3.1.4.1 Ưu điểm .11 3.1.4.2 Nhược điểm 12 3.2 Phương pháp học 12 3.3 Phương pháp trích ly .12 3.4 Phương pháp hấp thụ .12 3.5 Phương pháp lên men 13 II Giới thiệu sả, tinh dầu sả 13 Giới thiệu sả 13 2 Công dụng 14 2.1 Làm rau gia vị 14 2.2 Tinh dầu sả dùng hóa chất công nghiệp 14 2.2.1 Tinh dầu sả dùng thuốc bảo vệ thực vật 14 2.2.2 Tinh dầu sả dùng công nghiệp 15 2.3 Các phận sả dùng làm thuốc .15 2.3.1 Theo Đông y 15 2.3.2 Theo Tây y 15 PHẦN 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT 17 I Quy trình chưng cất tinh dầu sả 17 II Thuyết minh quy trình .18 Nguyên liệu 18 Xử lý nguyên liệu 18 Chưng cất .18 Ngưng tụ .18 Phân ly 18 PHẦN 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 20 I Cân vật chất lượng .20 Các thông số giả định 20 Nguyên liệu sả chanh 20 Nước 20 Cân vật liệu 20 Nhiệt độ chưng cất .22 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi chưng 23 II Tính tốn thiết bị 25 Thiết bị chưng cất 25 1.1 Kích thước thiết bị chưng cất 25 1.2 Nắp thiết bị 26 1.3 Cổ nồi 27 1.4 Vòi voi 28 1.5 Đáy thiết bị 28 1.6 Vỉ đựng nguyên liệu 28 1.7 Vật liệu làm thiết bị chưng cất 29 1.8 Độ bền nồi chưng cất 30 Thiết bị ngưng tụ 31 2.1 Các thông số biết 31 2.2 Nhiệt lượng để ngưng tụ tinh dầu – nước hoàn toàn thành lỏng 32 2.3 Nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước 32 2.4 Xác định bề mặt truyền nhiệt 32 2.4.1 Xác định Δt .33 2.4.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K 33 2.4.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống  N 34 2.4.2.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cặn bẩn .35 2.4.2.3 Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 36 2.4.2.4 Xác định t’, t 37 2.4.3 Bề mặt truyền nhiệt F 38 Thiết bị phân ly 38 Thiết bị phụ 39 4.1 Que điện trở nhiệt .39 4.2 Ống tiếp nước 39 PHẦN 4: KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 DANH MỤC HÌNH Hình 3.1 Các dạng nắp thiết bị 27 Hình 3.2 Các dạng cổ nồi 27 Hình 3.3 Các dạng đáy thiết bị .28 LỜI NÓI ĐẦU T inh dầu ví nhựa sống, tinh hoa cây, mang đầy đủ phẩm chất quý thiên nhiên ban tặng cho loại như: mùi hương, vị, màu sắc, tình chất hóa học, lý học … Từ lâu người biết sử dụng tinh dầu để phục vụ đời sống dùng chế biến ăn, dùng để đuổi côn trùng, chữa bệnh, làm đẹp … chưa biết cách thu hồi sử dụng tinh dầu nên chưa sủ dụng hết tiềm loại tinh dầu Ngày nay, với phát triền khoa học kỹ thuật, người biết thu nhận tinh dầu phục vụ cho nhiều lĩnh vực đời sống Tinh dầu sử dụng hầu hết lĩnh vực đời sống như: thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, y tế, văn hóa , mang lại hiểu cao cho kinh tế, nâng cao chất lượng sống cho xã hội Tinh dầu sả loại tinh dầu phổ biến, có giá trị kinh tế cao sử dụng nhiều mỹ phẩm, y dược, làm gia vị … Với mục đích tìm hiểu quy trình sản xuất tinh dầu, hướng dẫn tận tình Giảng viên – TS Nguyễn Văn Huế, đồ án em trình bày “Tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất tinh dầu sả chanh phương pháp lôi nước suất 288 kg nguyên liệu/mẻ ” PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I Tổng quan tinh dầu phương pháp sản xuất tinh dầu Khái niệm tinh dầu Tinh dầu hỗn hợp khác chất bốc nguồn thực vật (rất có nguồn gốc động vật), chất thường có mùi thơm có cấu tạo, tính chất, điểm chảy, điểm sơi, độ tan nước hay dung môi khác nhau, phần lớn chúng khơng tan, xác hay tan nước Các hợp phần tinh dầu hòa tan lẫnvào Nếu lượng tinh dầu khối đồng (một pha), bắt đầu sôi nhiệt độ phụ thuộc vào thành phần tỷ lệ hợp chất Tính chất vật lý thành phần hóa học tinh dầu 2.1 Tính chất vật lý tinh dầu Tinh dầu thường tồn dạng thể lỏng nhiệt độ thường, mùi thơm, có màu trừ tinh dầu chứa aluzen có màu xanh Tinh dầu có tỉ trọng thấp so với nước, số khúc xạ cao Tinh dầu bay được, tan nước làm cho nước có mùi thơm, tinh dầu hỗn hợp nên khơng có nhiệt độ sơi định, nhiệt độ sôi thường cao 200°C Tinh dầu tan cồn, ete, dung môi hữu chất béo 2.2 Thành phần hóa học tinh dầu Tinh dầu loại chất lỏng tinh chế (thông thường cách chưng cất nước) từ cây, thân cây, hoa, vỏ cây, rễ cây, thành phần khác thực vật Tinh dầu ví nhựa sống cây, mang sức sống, lượng mạnh 100 lần loại thảo dược sấy khô Hầu hết loại tinh dầu trong, ngoại trừ vài loại tinh dầu dầu hoắc hương, dầu cam, "lemongrass" có màu vàng hổ phách Bất kỳ loại tinh dầu có thành phần sau: Monoterpenes: Tìm thấy hầu hết loại tinh dầu Monoterpenes có cơng thức phân tử C10H16 chất khử trùng thuốc bổ tự nhiên Chúng lọc khơng khí tốt mà có khoảng 10 nguyên tử cacbon Mặc dù Monoterpenes có mặt hầu hết tinh dầu khác, tỷ lệ lớn số họ tìm thấy loại dầu Citrus Họ không màu, dễ bay xấu nhanh chóng Do đó, họ cần phải xử lý với việc chăm sóc giữ nhiệt độ mát mẻ Limonene hàng Lemon dầu, pinen hàng Pine camphene hàng Long não ví dụ loại tinh dầu Sesquiterpene: Mặc dù dễ bay Monoterpenes, sesquiterpene có hiệu có khoảng 15 nguyên tử cacbon Họ có tác dụng làm dịu, chống viêm chống nhiễm trùng Zingiberene dầu gừng, cedrene Cedarwood caryophellene dầu đinh hương sesquiterpene tìm thấy loại tinh dầu Phenol: Các chất khử trùng hầu hết hóa chất có thực vật, kích thích thể phenol chức với liều lượng nhỏ Tuy nhiên, liều lớn chất độc cho hệ thần kinh gây kích ứng da tiện nghi tiêu hóa cho người nhạy cảm Thymol hàng Thyme dầu eugenol hàng Đinh hương ví dụ phenol Rượu: Rất nhiều rượu có mặt loại tinh dầu Cao chất sát trùng, kháng khuẩn, chống nấm rượu thuốc kháng sinh, thuốc bổ tốt cho hệ thần kinh kích thích phản ứng miễn dịch thể Lavendulol Lavender, nerol Neroli geraniol hàng Géranium dầu ví dụ rượu loại dầu Xeton: Thuốc chống đơng máu, Xeton thư giãn, nghiêm trang chữa lành mô sẹo, hệ thống miễn dịch hệ thống hô hấp thể Tuy nhiên, Xeton có hại cho hệ thần kinh dẫn đến sẩy thai, co giật bệnh động kinh Ete/ Este: Ête este có tính chất tương tự ete mạnh mẽ hai Chống co thắt, kháng khuẩn chống viêm, ete nhẹ nhàng da giúp đỡ việc tái cân hệ thần kinh có hiệu Cinnamyl acetate Quế myrtinly acetate Myrtle Aldehyt: chống viêm, Aldehyt có tính chất tương tự Xeton cồn Tuy nhiên, vượt Aldehyt gây kích thích lớn cho da màng nhầy Furfurol Lavender, Đàn hương, quế Cypress aldehyt Coumarin: Anti-convulsant chống đông, coumarin thuốc an thần có tác dụng thư giãn Khi hóa chất cảm quang, loại tinh dầu với thành phần càn sử dụng cẩn thận không tiếp xúc với ánh nắng mặt trời Bergaptene ừong Bergamot, angelicine Angelica Citroptene loại dầu Citrns ví dụ coumarin Phương pháp sản xuất tinh dầu 3.1 Phương pháp chưng cất 3.1.1 Nguyên tắc phương pháp Phương pháp dựa khuếch tán, thẩm thấu, hòa tan lôi theo nước hợp chất hữu tinh dầu chứa mô thực vật (hoa, lá, vỏ quả, hạt, thân, cành, rễ, ) tiếp xúc với nước nhiệt độ cao Điều quan trọng tính chất giảm nhiệt độ sơi hỗn hợp cấu tử khơng hịa tan vào Chính điều làm cho phương pháp chưng cất trở nên có ý nghĩa 3.1.2 Cơ sở lí thuyết 3.1.2.1 Sự khuếch tán, thẩm thấu, hòa tan Ngay nguyên liệu làm vỡ vụn đưa vào chưng cất có số mơ chứa tinh dầu bị vỡ cho tinh dầu thoát tự ngồi theo nước lơi Phần lớn tinh dầu cịn lại mơ thực vật tiến dần bề mặt nguyên liệu hịa tan thẩm thấu Ta mơ tả q trình sau: “Ở nhiệt độ nước sơi, phần tinh dầu hịa tan vào nước có sẵn tế bào thực vật Dung dịch chứa tinh dầu thẩm thấu dần bề mặt nguyên liệu bị nước lơi Cịn nước vào nguyên liệu theo chiều ngược lại tinh dầu lại tiếp tục hòa tan vào lượng nước Quy trình lặp lặp lại tinh dầu mơ ngồi hết.” Sự khuếch tán, hòa tan, thẩm thấu dễ dàng tế bào chứa tinh dầu trương phồng nguyên liệu tiếp xúc với nước bão hòa Như vậy, diện nước cần thiết, trường hợp chưng cất sử dụng nước nhiệt, ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô Nhưng lượng nước sử dụng thừa q khơng có lợi, trường hợp tinh dầu có chứa cấu phần tan dễ nước Ngoài ra, nguyên liệu làm vỡ vụn nhiều tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có độ xốp định để nước xuyên ngang lớp đồng dễ dàng 3.1.2.2 Chưng cất – Sự lơi theo nước Chưng cất hiểu đơn giản trình biển đổi cấu tử hay hỗn hợp nhiều cấu tử thể lỏng thành thể sau ngưng tụ trở lại thành thể lỏng Sau q trình đó, thành phần, hàm lượng cấu tử thu biến đổi so với hỗn hợp đầu Đồng thời ta tách cấu tử cần thiết khỏi hỗn hợp đầu Nước có nhiệt độ sơi 100°C, tinh dầu có nhiệt độ sôi thường khoảng 200°C Vậy ta lơi tinh dầu theo nước được? Đó nhờ đặc tính giảm nhiệt độ sơi hỗn hợp chất lỏng khơng hịa tan vào Nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử khơng hịa tan vào dù tỉ lệ thấp nhiệt độ sôi cấu tử riêng biệt Chính đặc tính làm giảm nhiệt độ sơi mà từ lâu phương pháp chưng cất nước dùng để tách tinh dầu khỏi nguyên liệu thực vật Lúc ta coi có hỗn hợp cấu tử nước, Citral, Geraniol khơng hịa tan vào Nhiệt độ sôi hỗn hợp ln 100°C Nhờ Citral, Geraniol bay với nước thoát ra, ta thu hỗn hợp gồm cấu tử Kết tách Citral, Geraniol từ tể bào củ xả thành hỗn hợp nước, Citral, Geraniol 3.1.3 Phân loại Trong công nghiệp, dựa thực hành người ta chia phương pháp chưng cất nước ba loại : - Chưng cất nước - Chưng cất nước khơng có nồi riêng - Chưng cất nước có nồi riêng Cả ba phương pháp có lý thuyết giống khác cách thực Trong khuôn khổ đồ án em tập trung vào phương pháp chưng cất nước khơng có nồi riêng, sử dụng nguồn nhiệt từ điện 3.1.3.1 Chưng cất nước Trong trường hợp này, nước phủ kín ngun liệu, phải chừa khoảng khơng gian tương đối lớn phía lớp nước, để tránh nước sôi mạnh làm văng chất nạp qua hệ thống hồn lưu Nhiệt cung cấp đun trực tiếp củi lửa đun nước dẫn từ nồi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy) Trong trường hợp chất nạp mịn lắng chặt xuống đáy nồi gây tượng cháy khét nguyên liệu mặt tiếp xúc với đáy nồi, lúc nồi phải trang bị cánh khuấy trộn bên trong suốt thời gian chưng cất Sự chưng cất thường khơng thích hợp với tinh dầu dễ bị thủy giải Những nguyên liệu xốp rời rạc thích hợp cho phương pháp Những cấu phần có nhiệt độ sơi cao, dễ tan nước khó hóa khối lượng lớn nước phủ đầy khiến cho tinh dầu sản phẩm thiếu hợp chất Thí dụ điển hình mùi tinh dầu hoa hồng thu từ phương pháp chưng cất nước phương pháp trích ly, phenyl etilic (phenyl etilic tạo mùi tinh dầu hoa hồng) nằm lại nước nhiều, người ta dùng phương pháp sử dụng phương pháp khác 3.1.3.2 Chưng cất nước khơng có nồi riêng Trong phương pháp này, nguyên liệu xếp vỉ đục lỗ nồi cất đổ nước cho nước không chạm đến vỉ Nhiệt cung cấp lửa đốt trực tiếp dùng nước từ nồi dẫn vào lớp bao chung quanh phần đáy nồi Có thể coi phương pháp trường hợp điển hình phương pháp chưng cất nước với nước áp suất thường Như chất ngưng tụ chứa sản phẩm phân hủy trường hợp chưng cất nước trực tiếp, áp suất cao hay nước nhiệt Việc chuẩn bị nguyên liệu trường trường hợp quan trọng nhiều so với phương pháp trước, nước tiếp xúc với chất nạp cách xuyên qua nên phải xếp để chất nạp tiếp xúc tối đa với nước có kết tốt Muốn vậy, chất nạp nên có kích thước đồng không sai biệt Nếu chất nạp nghiền mịn, dễ tụ lại vón cục cho nước qua vài khe nhỏ nước tự phá xuyên lên Như phần lớn chất nạp không tiếp xúc với nước Ngoài ra, luồng nước mang tinh dầu bị ngưng tụ tinh dầu rơi ngược lại vào lớp nước nóng bên gây hư hỏng thất Do việc chuẩn bị chất nạp cần quan tâm nghiêm túc đòi hỏi kinh nghiệm tạo kích thước chất nạp cho loại nguyên liệu Tốc độ chưng cất trường hợp không quan trọng trường hợp chưng cất nước Tuy nhiên, tốc độ nhanh có lợi ngăn tình trạng ướt chất nạp gia tăng vận tốc chưng cất Về sản lượng tinh dầu giờ, người ta thấy phương pháp chưng cất nước vẩn phương pháp chưng cất nước đề cập sau So với phương pháp chưng cất nước, ưu điểm tạo sản phẩm phân hủy Tuy nhiên dù với thiết bị loại nữa, ta phải đảm bảo có phần đáy nồi phép đốt nóng giữ cho phần vỉ chứa chất nạp không tiếp xúc với nước sôi Phương pháp tốn nhiên liệu, nhiên khơng thể áp dụng cho ngun liệu dễ bị vón cục Khuyết điểm phương pháp thực áp suất thường, nên cấu phần có nhiệt độ sơi cao địi hỏi lượng lớn nước để hóa hồn tồn tốn nhiều thời gian Về kỹ thuật, xong lần chưng 10 1.4 Vòi voi Vòi voi phần thân nồi nhằm nối liền cổ nồi với thiết bị ngưng tụ, vòi voi cần phải có kích thước tương ứng cho hỗn hợp bay không vị trở lực lớn, không làm giảm tốc độ chưng cất Vòi voi cần phải có cấu tạo cho dung dịch lỏng thiết bị khơng qua để vào ống dẫn tới thiết bị ngưng tụ Vì vậy, vịi voi thường có độ dốc định, nghiêng về phía thiết bị ngưng tụ, thường dao động tự 1° đến 3° Đường kính vịi voi nhỏ dần để dễ dàng, vịi voi khơng nên dài q cung khơng nên ngắn q q ngắn hỗn hợp bay ngưng tụ đột ngột gân nên áp suất dư, ảnh hưởng tới tình chưng cất, cịn q dài hỗn hợp bay ta chậm, ảnh hưởng tới tốc độ chưng cất 1.5 Đáy thiết bị Đáy nồi có cấu tạo giống thân nồi phải thỏa mãn cho chưng cất hơi, nước nước ngưng tụ tháo dễ dàng khơng cịn đọng lại nồi Đồng thời phải dễ dàng việc tháo hay rửa cặn bã nguyên liệu sót lại Ta làm đáy thiết bị có dạng hình trụ trịn, hàn kín với thân thiết bị Trên đáy nồi có đục lỗ để gắn dây đốt nóng ống tiếp nước Đồng thời đáy nồi thiết kế có cửa xả để tháo cặn bã chưng cất Hình 3.3 Các dạng đáy thiết bị 27 1.6 Vỉ đựng nguyên liệu Bộ phận chứa đựng nguyên liệu đáp ứng yêu cầu sau: - Đưa nguyên liệu vào lấy nguyên liệu thuận tiện - Trong q trình chưng cất diện tích tiếp xúc nước nguyên liệu phải cao - Vỉ phải đỡ khối nguyên liệu giữ cho khối nguyên liệu không bị rơi xuống đáy nồi làm tắt ống dẫn Để đáp ứng yêu cầu trên, chọn thiết bị chứa dạng lưới với kích thước lỗ mm, chiều dày từ 8-10 mm vỉ dạng sắt đan có chân đỡ để lấy nguyên liệu mội cách thuận tiện Chọn vỉ hình trụ có đường kính 0.98 m, chiều cao 0.5 m 1.7 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 công, chưng cất gỗ lâm nghiệp, làm nồi chưng cất gỗ, xi măng, loại nguyên liệu đơn giản, rẻ, dễ tìm kiếm nguyên vật liệu, dễ bị hỏng, phải sửa chữa liên tục, dễ xảy tai nạn chưng cất với áp suất lớn Ngoài ra, thiết bị chưng cất thường dùng chưng cất loại nguyên liệu Nguyên liệu gỗ nói chung dễ hấp thụ tinh dầu, sau muốn khử mùi khó khăn lựa chọn nguyên vật liệu dùng để làm nồi chưng cất cần phải ý đến giá thành, khả tác dụng kim loại tinh dầu, tinh dầu cịn có nhiều axit hữu cơ, làm cho thành phần thiết bị dễ bị gỉ Nhìn chung, theo thực tế xác nhận tính theo mức độ không bền kim loại tinh dầu ta thấy sau: số chì, sắt, nhơm, đồng, thiếc thiếc tương đối bền Các phần khác thiết bị bị oxi hóa khác Thường chỗ bề mặt nước, trực tiếp tác dụng ngưng tụ nhiều dễ bị oxi hóa Ví dụ phần thiết bị, cổ nồi vòi voi trường hợp chưng cất thủ cơng phận đáy nồi bị tác dụng nhiệt, chỗ nắp nồi chịu tác dụng lực nhiều, dễ bị gỉ mau hỏng Ngoài việc chống gỉ ta cần ý tới màu sắc tinh dầu tác dụng số muối kim loại với tinh dầu tạo thành, muối sắt cho màu nâu vàng, muối đồng cho màu xanh lục Xuất phát từ yêu cầu nêu trên, thiết bị chưng cất nên làm loại thép không gỉ (Inox) SUS 304, loại thép an toàn cho thực phẩm, dược phẩm, đồng thời có tính bền, khả chịu mài mịn cao 28 Inox 304 thể khả chống ăn mịn tuyệt vời tiếp xúc với nhiều loại hóa chất khác Inox 304 có khả chống gỉ hầu hết ứng dụng ngành kiến trúc, hầu hết môi trường trình chế biến thực phẩm dễ vệ sinh Ngồi ra, Inox 304 cịn thể khả chống ăn mịn ngành dệt nhuộm hầu hết acid vô Inox 304 thể khả oxi hóa tốt nhiệt độ 870°C, tiếp tục thể lên đến nhiệt độ 925°C Trong trường hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, người ta u cầu vật liệu có hàm lượng carbon cao Inox 304 thể khả dẻo dai tuyệt vời hạ đến nhiệt độ khí hóa lỏng người ta tìm thấy ứng dụng nhiệt độ Giống loại thép dịng Austenitic, từ tính Inox 304 yếu khơng có Khả gia cơng Inox 304 có khả tạo hình tốt, dát mỏng mà không cần gia nhiệt Điều làm cho Inox độc quyền lĩnh vực sản xuất chi tiết Inox Ví dụ: chậu rửa, chảo, nồi… Ngồi ra, tính chất cịn làm cho Inox 304 ứng dụng làm dây thắng công nghiệp phương tiện ô tô, xe máy, xe đạp… Inox 304 thể khả hàn tuyệt vời, loại inox phù hợp với tất kỹ thuật hàn (trừ kỹ thuật hàn gió đá) Khả cắt gọt Inox 304 so với loại thép Carbon, gia công vật liệu máy công cụ, phải yêu cầu tốc độ quay thấp, quán tính lớn, dụng cụ cắt phải cứng, bén khơng quên dùng nước làm mát 1.8 Độ bền nồi chưng cất Độ dày thân nồi chưng cất tính theo cơng thức tính giá trị bền hàn thân hình trụ sau: S + C (m) (CT: XIII.8, Tr 360, [2]) Trong đó: p áp suất làm việc nồi chưng ta tính phần cân vật liệu 754.410mmHg 100579.730 Pa ta tính phần cân vật liệu 8.590mmHg 1145.240 Pa Suy ra: p = 100579.73 + 1145.24 = 101724.97 (Pa) D đường kính thân thiết bị (D = 1m) [σ] ứng suất bền (đối với thép không gỉ SUS 304 ta lấy [σ] = 520 x 106 Pa) C đại lượng bổ sung, phụ thuộc vào độ ăn mòn dung sai chiều dày 29 Xác định đại lượng C theo công thức C = C1 + C2 + C3 (m) C1 - bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu môi trường thời gian làm việc thiết bị Đối với vật liệu bền SUS 304 ta lấy 0,05 mm/ năm, cho thời gian làm việc 20 năm Vậy lấy C1 = 0,050.20 = mm C2 - đại lượng bổ sung hao mòn cần tính đến trường hợp nguyên liệu chứa hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn thiết bị Đại lượng thường chọn theo thực nghiệm Đối với trường hợp chưng cất nguyên liệu thực vật môi trường nước, đại lượng bỏ qua Vậy lấy C2 = C3 - đại lượng bổ sung dung sai chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày vật liệu Dối với vật liệu SUS 304 có chiều dày từ – 5mm, lấy C3 = 0,8 mm Suy ra: φ hệ số làm yếu Xác định đại lượng φ theo công thức: 0.870 (CT: XIII.16, Tr 362, [2]) Với: Σd - đại lượng phụ thuộc vào số lỗ, cửa mở thân hình trụ Trên thân hình trụ thiết bị chưng cất, ta mở ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ có đường kính d = 0,2 m h chiều cao thân thiết bị Vì tỉ số = 4.450 x 103 > 50 nên ta bỏ qua mẫu Vậy ta có độ dày thân nồi chưng cất là: S = + C = + 0.0018 1.898 x 10-3 (m) Dựa theo tiêu chuẩn nồi chưng, chọn độ dày thiết bị chưng cất s = mm Thiết bị ngưng tụ 2.1 Các thông số biết Lượng tinh dầu thu sau trình chưng là: Gdầu = 4.104 kg (chiếm khoảng 2% hỗn hợp chưng) Lượng nước bay cần cho trình chưng là: = 209.305 kg (chiếm khoảng 98% hỗn hợp chưng) Vậy tổng lượng cần ngưng tụ là: Thời gian cho trình ngưng tụ 3h Lưu lượng cần ngưng tụ là: L= = 71.136 (kg/h) 30 Nhiệt độ nước mát đầu vào 25°C  = 25°C Nhiệt độ nước mát đầu 45°C  = 45°C Nhiệt độ nóng vào: thơi = 99.6oC Nhiệt độ nước ngưng : = 45oC 2.2 Nhiệt lượng để ngưng tụ tinh dầu – nước hoàn toàn thành lỏng Nhiệt lượng để ngưng tụ hồn tồn giraniol – nước từ nồi chưng tính theo cơng thức sau: Qnt = G.r Trong đó: Qnt nhiệt lượng cần để ngưng tụ tinh dầu – nước G lưu lượng tinh dầu – nước vào thiết bị ngưng tụ r ẩn nhiệt hóa hỗn hợp tinh dầu – nước cần ngưng tụ Xác định r (ẩn nhiệt hóa hỗn hợp tinh dầu – nước): Ẩn nhiệt hóa nước: rnước = 2259360 (J/kg) Ẩn nhiệt hóa tinh dầu: rgiraniol = 288000 (J/kg) r = %nước.rnước + %giraniol.rgiraniol = 2259360 x 0.980 + 288000 x 0.020 = 2219932.800 (J/kg) Vậy nhiệt lượng để ngưng tụ tinh dầu – nước hoàn toàn thành lỏng: (J) 2.3 Nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước Sau ngưng tụ thành dạng lỏng hỗn hợp tinh dầu – nước cần phải làm lạnh xuống nhiệt độ tối ưu để thuận tiện cho trình phân ly, tách giraniol khỏi nước sau Ta làm lạnh hỗn hợp dịch ngưng tới = 35oC Vậy nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước xuống = 35oC là: Qlạnh = (Gnước.Cnước + Ggiraniol.Cgiraniol) = (209.305 x 4.180 x 103 + 4.104 x 3.020 x 103) x (99.6 – 35) 5.732 x 107 (J) 2.4 Xác định bề mặt truyền nhiệt Để tính tốn diện tích cần thiết thiết bị làm lạnh (ngưng tụ) ta dụa vào định luật Niuton Furie Theo định luật này: “Lượng nhiệt truyền qua theo hướng thẳng vng góc với mặt phẳng thành ống thiết bị làm lạnh tỷ lệ thuận với diện tích làm lạnh F (m2) thành ống, với thời gian (t) mà nhiệt lượng với chênh lệch nhiệt độ (Δt°C) hai thành ống hai phía” Q (CT: 1.44, Tr 29, QT&TB truyền nhiệt) Trong đó: 31 Q lượng nhiệt truyền qua thành ống theo phương vng góc F diện tích truyền nhiệt t thời gian truyền nhiệt Δt hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống K hệ số truyền nhiệt, biểu diễn lượng nhiệt truyền qua 1m bề mặt thành ống với hiệu số nhiệt độ 1°C Qua ta có, bề mặt truyền nhiệt xác định: Chọn thiết bị ngưng tụ ống chùm đặt thẳng đứng Ống truyền nhiệt làm thép khơng gỉ SUS 304 Kích thước ống: 25 x (mm), Dngoài = 25 mm, Dtrong = 21 mm, độ dày δ = mm Chiều dài ống L = (m) Chọn vận tốc nước ống: = 0,4 (m/s) 2.4.1 Xác định Δt Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: (CT: V.8, Tr 5, [2]) 2.4.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức sau: K (W/m2.0C) (CT: V.58, Tr 20, [2])Trong đó: N : hệ số cấp nhiệt nước ống (W/m2.oC) R : hệ số cấp nhiệt ngưng tụ (W/m2.oC) rt : tổng nhiệt trở thành ống lớp cặn bẩn 2.4.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt nước ống  N Tra bảng I.2, Tr 9, [1] áp dụng công thức nội suy để tính khối lượng riêng nước 350C ta = 993.500 kg/m3 Tra bảng I.101, Tr 92, [1] áp dụng cơng thức nội suy để tính độ nhớt nước 350C ta = 0.726 x 10-3 N.s/m2 Chuẩn số Reynolds: Đây chế độ chảy xoáy, cơng thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Nu (CT: V.40, Tr 14, [2]) Trong đó: : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài ống L với đường kính ống Dtrong Tra bảng V.2, Tr 15, [2] ta có: 32 Với tỉ số = 47.619 ta tra được: Ở Re = x 104 có = 1.007 Ở Re = x 104 có = 1.005 Áp dụng cơng thức nội suy với số Re = 1.146 x 104 ta tính = 1.0067 Pr chuẩn số Prandlt nước 35oC Ta có: Pr = (CT: V.35, Tr 12, [2]) Với: nhiệt dung riêng nước độ nhớt nước 35oC hệ số dẫn nhiệt nước 35oC Tra bảng I.130, Tr 135, [1] áp dụng công thức nội suy ta tính nước 35oC 0.631 W/m.0C Do đó: Pr = = 4.809 Prt chuẩn số Prandlt nước nhiệt độ trung bình vách Suy ra: Nu = 0.021 x 1.0067 x )0.8 x 4.8090.43 x ( Hệ số cấp nhiệt nước ống: aN (CT: V.33, Tr 11, [2]) = = Nhiệt tải phía nước làm lạnh: qN = aN (t - tnước) (CT: V.87, Tr 25, [2]) = (t - 35) Với: t nhiệt độ vách tiếp xúc với nước (trong ống) 2.4.2.2 Nhiệt tải qua thành ống lớp cặn bẩn qt (CT: 2.35b, Tr 68, QT & TB truyền nhiệt) Với: 33 t’ nhiệt độ vách tiếp xúc với hỗn hợp tinh dầu – nước (ngoài ống) (CT: V.3, Tr 3, [2]) Với: t bề dày thành ống (2 mm) t hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ (SUS 304 - 16.2 W/m.oK) rc nhiệt trở trung bình lớp bẩn ống với nước ( m2.0K/W) Suy ra: Vậy: 2.4.2.3 Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ aR (CT: V.100, Tr 28, [2]) Với: r ẩn nhiệt ngưng hỗn hợp với ẩn nhiệt ngưng tụ: r = 2271772.800 (J/kg) hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp Ta có: = 4.220 x 10-8 x Cgiraniol x x (CT: I.32, Tr 123, [1]) = 4.220 x 10-8 x 3.020 x103 x 889 x 0.203 W/m.0K Tra CT: I.33, Tr 124, [1] ta có: = giraniol.%giraniol + nước %nước – 0.72x%giraniol x%nướcx(nước – giraniol) = 0.203 x 0.020 + 0.672 x 0.980 – 0.720 x 0.020 x 0.980 x (0.672 – 0.203) 0.656 W/m.0K khối lượng riêng hỗn hợp = + = = 1.205 x 10-3 => = 829.876 (kg/m3) (CT: I.2, Tr 5, [1]) độ nhớt hỗn hợp Vì độ nhớt giraniol khơng có số liệu thực nghiệm tỉ lệ giraniol hỗn hợp chưng nhỏ nên ta coi = nước = 0.726 x 10-3 (N.s/m2) Đặt: Ta có: Nhiệt tải thành ống: 34 2.4.2.4 Xác định t’, t Chọn = 90oC : Khi đó: Ta có: 8.743 x 104 Xem nhiệt tải mát không đáng kể thì: qt = qR 8.743 x 104 (W/m2) Ta có: t Suy ra: Gọi C nhiệt dung riêng hỗn hợp giraniol – nước ta có: C = %giraniol.Cgiraniol + %nước.Cnước (CT: I.45, Tr 152, [1]) = 0.020 x 3.020 x 103 + 0.980 x 4.180 x 103 4.157 x 103 (J/kg.0K) Từ ta tính được: Prt = = 4.601 Ta có: qN ) 5.968 x 104 (W/m2) Kiểm tra sai số: Thỏa mãn Vậy: t’ = 90oC t = 61.760oC Khi đó: Ta có: 1134.843 (W/m2.0K) 2.4.3 Bề mặt truyền nhiệt F Bề mặt truyền nhiệt cần thiết để ngưng tụ lượng trình chưng cất là: 35 Số ống cần thiết để ngưng tụ là: n= = = 18.729 (CT: 2.37, Tr 69, QT &TB truyền nhiệt) Theo tiêu chuẩn bảng V.11, Tr 48, [2], chọn n = 19 ống Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng hình sáu cạnh Đường kính thiết bị ngưng tụ: D = 1.5 x Dngoài x (2a - 2) + x Dngoài = 1.5 x 0.025 x (2 x – 2) + x 0.025 = 0.400 (m) = 400 (mm) Trong đó: Dngồi đường kính ngồi ống (m) a số ống nằm cạnh hình sáu cạnh ngồi a = Thiết bị phân ly Ở 20 °C, khối lượng riêng nước 0,9982 g/ml Khối lượng riêng tinh dầu sả 0,889 g/ml (thực tế tỉ trọng tinh dầu Sả nhỏ chút so với lí thuyết lúc tinh dầu sả lẫn nước) Ta nhận thấy, khối lượng riêng tinh dầu sả nước không khác biệt lớn, dùng thiết bị phân ly theo nguyên lý li tâm hiệu khơng cao, gây lãng phí Ta biết, tinh dầu sả khơng tan nước Tinh dầu sả lẫn nước tác động vật lý, khơng cịn chịu tác động vật lý đó, tinh dầu sả tách khỏi nước lên có khối lượng riêng nhiệt độ nhỏ nước Như ta sử dụng thiết bị phân ly dạng lắng để tách tinh dầu sả thô khỏi nước chưng Ta chọn thiết bị phân ly hình trụ đứng, đáy thiết bị có dạng hình nón Đáy hình nón có gắn ống thủy tinh để quan sát, rút tinh dầu sả thô khỏi thiết bị phân ly Phía có van để tháo tinh dầu Hỗn hợp nước tinh dầu sau ngưng tụ thiết bị ngưng tụ chảy theo ống dẫn xuống thiết bị phân ly Tại đây, tinh dầu lên thiết bị phân ly lấy cửa phía Nước ngưng sau thời gian đầy chảy theo cửa tháo phía đáy thiết bị Sau kết thúc mẻ chưng tinh dầu thu lại đem làm khan tách hoàn toàn nước khỏi tinh dầu Lưu lượng dịch chưng cần phân ly 71.136 kg/h, tương đương 71.136 l/h Ta chọn thể tích thiết bị phân ly Vphân li = 80 l Đường kính thiết bị Dphân li = 0.2 m 36 Từ ta có phương án để tính chiều cao thân thiết bị kích thước đáy chóp nón thiết bị Thiết bị phụ 4.1 Que điện trở nhiệt Trong trình chưng cất que sinh nhiệt đóng vai trị đốt nóng nước đến nhiệt độ bay từ cung cấp cho trình chưng Qua tìm hiểu cho thấy nên dùng que điện trở nhiệt NiCr (80%Ni 20%Cr) vật liệu lý tưởng, có sức đề kháng tương đối cao tạo thành lớp dính crom oxit làm nóng nhiệt độ cao Chất liệu bên lớp không bị oxi hóa, ngăn ngừa dây từ vỡ cháy Với cấu tạo nồi chưng ta sử dụng que điện trở nhiệt có râu (2 râu ngắn râu dài) với râu dài có chiều dài 700mm râu ngắn có chiều dài 400mm 4.2 Ống tiếp nước Trong trình chưng cất nước cấp vào cho q trình chưng khơng ngừng bay làm thất nước vào ta phải bổ sung nước chưng kết thúc trình chưng Ta làm ống tiếp nước có đường kính 120mm, miệng ống có đường kính 200mm có chiều dài 1280mm 37 PHẦN 4: KẾT LUẬN Q - - - ua trình làm đồ án em hiểu thêm nhiều kiến thức bổ ích cho thân, đồng thời em gặp khơng khó khăn q trình làm đồ án, cụ thể là: Em tính chiều cao, đường kính thiết bị thiết bị ngưng tụ, phận phụ khác Tuy nhiên, phía thiết bị phân ly em gặp phải khó khăn việc lựa chọn thiết bị phân ly cho phù hợp với thiết bị thiết kế Thơng qua trình làm đồ án giúp em biết thêm nhiều kiến thức bổ ích sả chanh, biết thêm công dụng tuyệt vời sả mà cịn lí thú q trình tự tay thiết kế thiết bị chưng cất tinh dầu sả Qua giúp em trau dồi thêm nhiều kiến thức kiến thức chuyên môn lẫn hiểu biết kiến thức xã hội Em tìm hiểu thêm trình làm tinh dầu sả thực tế sản xuất, qua tạo cho em thêm niềm đam mê trình thực đồ án Bên cạnh đó, q trình làm đồ án vấp phải trở ngại, từ thực tế sản xuất cho thấy thiết bị chưng cất thường gây thất thoát hơi, lượng nhiệt độ không đảm bảo trình chưng, thường xảy nghẽn đáy lò bề dày lớp vật liệu chưng,… Đây khuyết điểm thực tế gặp phải, từ tạo thêm cho em khó khăn việc thiết kế nhằm hạn chế hay khắc phục khuyết điểm mà thực tế gặp phải Tinh dầu coi nhựa sống mang đầy đủ đặc tính (mùi, vị, tính chất ….) nên việc chiết suất tinh dầu từ loại giúp tiết kiệm nhiều khâu vận chuyển, sử dụng tính chất loại Chưng cất phương pháp phổ biến để sản xuất tinh dầu nên việc thiết kế, chế tạo hệ thống chưng cất tinh dầu phục vụ cho sản xuất tinh theo em cần thiết 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuôn, KS Hồ Lê Viên, TS Phạm Xuân Toản, TS Phan Văn Thơm, GS.TSKH Nguyễn Bin, PGS.TS Đỗ Văn Đài, KS Long Thanh Hùng: “Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập 1” NXB khoa học kĩ thuật Hà Nội [2] TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuôn, TS Phạm Xuân Toản, KS Hồ Lê Viên,TS Phan Văn Thơm, GS.TSKH Nguyễn Bin, PGS.TS Đỗ Văn Đài, KS Long Thanh Hùng, TS Đinh Văn Huỳnh: “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập 2” NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Phạm Xuân Toản - Các trình, thiết bị cơng nghiệp hóa chất thực phẩm (Tập 3) NXB Khoa học Kỹ Thuật Hà Nội (2003) [4] ThS Nguyễn Văn Toản - Bài giảng trình thiết bị truyền nhiệt [5] TS Nguyễn Văn Huế - Bài giảng trình thiết bị truyền chất [6] https://sites.google.com/site/raurungvietnam/rau-than-thao-dhung/cay-sa [7] http://solavina.vn/san-pham/sa-chanh/ [8] http://tinhdautunhien.net/news/tinh-dau-sa-chanh-nhung-dieu-hay-chua-bietden.d-291.aspx [9] http://hoctp.com/cong-nghe-co-so/nhiet-ky-thuat/nktpl-phu-luc/pl5-hoinuoc.html [10]https://maythucphamkag.com/san-xuat-tinh-dau-bang-phuong-phap-chungcat-cong-nghiep [11] http://nt.com.vn/inox-304-la-gi/ [12] http://inoxquangminh.com/tin-tuc/tinh-chat-va-ung-dung-cua-inox-304606.html 39 ... 3 .1. 2.2 Chưng cất – Sự lôi theo nước .8 3 .1. 3 Phân loại 3 .1. 3 .1 Chưng cất nước 3 .1. 3.2 Chưng cất nước nồi riêng 10 3 .1. 3.3 Chưng cất nước có nồi riêng .11 3 .1. 4... TRÌNH SẢN XUẤT 17 I Quy trình chưng cất tinh dầu sả 17 II Thuyết minh quy trình .18 Nguyên liệu 18 Xử lý nguyên liệu 18 Chưng cất .18 Ngưng... 13 II Giới thiệu sả, tinh dầu sả 13 Giới thiệu sả 13 2 Công dụng 14 2 .1 Làm rau gia vị 14 2.2 Tinh dầu sả dùng hóa chất cơng nghiệp 14 2.2 .1 Tinh