Do trong thành phần của tinh dầu gừng có chứa hepatoprotective- một chất cókhả năng điều trị bệnh gan nhiễm mỡ do rượu, đây cũng là giai đoạn rất gần với xơgan và ung thư gan.2.3 Phương
Tổng quan về tinh dầu
Khái niệm tinh dầu
Tinh dầu là những hỗn hợp khác nhau của những chất bốc hơi nguồn thực vật (rất ít khi có nguồn gốc động vật), các chất này thường có mùi thơm và có cấu tạo, tính chất,điểm chảy, điểm sôi, độ tan trong nước hay trong các dung môi rất khác nhau, phần lớn chúng không tan, chính xác là ít hay rất ít tan trong nước Các hợp phần của tinh dầu hòa tan lẫnvào nhau Nếu một lượng tinh dầu nào đó là một khối đồng nhất (một pha), nó sẽ bắt đầu sôi ở một nhiệt độ phụ thuộc vào thành phần và tỷ lệ các hợp chất trong nó.
Tính chất lý hóa
Đa số lỏng ở nhiệt dộ thường, một số thành phần ở thể rắn: menthol, bomeol, campho, vanillin, heliotrophin.
Màu sắc: Không màu hoặc màu vàng nhạt Do hiện tượng oxy hóa màu có thể bị sẫm lại Một số có màu đặc biệt: các hợp chất azulen có màu xanh mực.
Mùi: Đặc biệt, đa số có mùi thơm dễ chịu, một số có mùi hắc, khó chịu. Vị: Cay, một số có vị ngọt.
Tỷ trọng: Đa số nhỏ hơn 1 Một số lớn hơn 1 (Quế, Đinh hương, Hương nhu) Tỷ lệ thành phần chính (aldehyde cinnamic, cugenol) quyết định tỷ trọng dầu. Nếu hàm lượng các thành phần chính thấp, những tinh dầu này có thể trở thành nhẹ hơn nước. Độ tan: Không tan trong nước hoặc tan rất ít, nhưng lại hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ như ancol, ete, chất béo…
Rất dễ bị oxy hóa
Một số thành phần chính trong tinh dầu cho các phản ứng đặc hiệu của nhóm chức, tạo thành các sản phẩm kết tinh hay cho màu.
Trạng thái thiên nhiên
Tinh dầu được phân bố rất rộng trong hệ thực vật, đặc biệt tập trung nhiều ở một số họ: Họ hoa tán, họ cúc, họ cam, họ gừng, …
Tinh dầu có trong tất cả các bộ phận của cây
- Lá: Bạc hà, Tràm, Bạch đàn
- Hoa: Hoa hồng, Hoa nhài, Hoa bưởi
- Quả: Sa nhân, Thảo quả, Hồi
- Gỗ: Long não, Vù hương
Hàm lượng tinh dầu thường dao động từ 0,1-2% Một số trên 5% như quả hồi(5-15%) và Đinh hương (15-25%).
Tác dụng sinh học và ứng dụng của tinh dầu
Tinh dầu và các dược liệu chứa tinh dầu có phạm vi ứng dụng rộng lớn trong đời sống hàng ngày của con người, trong nhiều ngành khác nhau.
Một số tinh dầu được dung làm thuốc tác dụng của tinh dầu được thể hiện:
- Tác dụng trên đường tiêu hóa: kích thích tiêu hóa, lợi mật, thông mật.
- Tác dụng kháng khuẩn và diệt khuẩn: tác dụng trên đường hô hấp như tinh dầu Bạch đàn, Bạc hà.
- Một số có tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương: dược liệu chứa tinh dầu giàu anethol: Đại hồi…
- Một số có tác dụng diệt kí sinh trùng: Trị sán (Thymol), …
- Rất nhiều tinh dầu có tác dụng chống viêm, làm lành vết thương, sinh cơ khi sử dụng ngoài da.
- Một số dược liệu vừa sử dụng dạng tinh dầu, vừa sử dụng dạng dược liệu như: Quế, Hồi, Đinh hương, Bạc hà, Bạch đàn…để dung làm thuốc.
Một lượng lớn dược liệu chứa tinh dầu được tiêu thụ trên thị trường thế giới dưới dạng gia vị: Quế, Hồi, Đinh hương, Mùi, Thì là, Hạt tiêu…Tác dụng của những dược liệu này là bảo quản thực phẩm, làm cho thực phẩm có mùi thơm, kích thích vị giác giúp ăn ngon miệng Ngoài ra còn kích thích tiết dịch vị giúp cho sự tiêu hóa thức ăn được dễ dàng.
Một số tinh dầu và thành phần tinh dầu được dung làm thơm bánh kẹo, các loại mứt, đồ đóng hộp…: Vanilin, menthol, eucalyptol…
Một số đưuọc dung để pha chế rượu mùi: Tinh dầu Hồi, tinh dầu Đinh hương.
Một số được dung trong kỹ nghệ pha chế đồ uông: tinh dầu vỏ cam, chanh
Một số được dùng trong sản xuất chè, thuốc lá
Kỹ nghệ pha chế nước hoa, xà phòng, mỹ phẩm, các loại hương liệu khác.
Tổng quan gừng và tinh dầu gừng
Tổng quan về gừng
Gừng có danh pháp hai phần: Zingiber officinale là một loài thực vật hay được dùng làm gia vị, thuốc Trong củ gừng có các hoạt chất: Tinh dầu zingiberen, chất nhựa, chất cay, tinh bộ
Hình 1 Hình ảnh về gừng
Nguồn gốc và phân bố:
Cây có nguồn gốc từ Đông Nam Á và chủ yếu được dùng làm gia vị ở châu Á. Gừng là một trong những gia vị xuất xứ sang châu Âu đầu tiên của phương Đông và rất được ưa chuộng.
Các vùng ở Việt Nam trồng nhiều Gừng:
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nên thích hợp cho cây Gừng phát triển
Cây Gừng được trồng với mục đích làm gia vị phục vụ trong nước nhưng hiện tại còn phục vụ nhu cầu xuất khẩu ra các nước như Nhật Bản, Pháp, Cây gừng được trồng khá phổ biến tại các tỉnh phía Bắc (Lạng Sơn) vào Nam (Cà Mau…) Đặc điểm thực vật:
Củ gừng phát triển ngầm dưới đốt củ có nhiều đốt, mỗi đốt có một vài mầm non, nếu gặp điều kiện thuận lợi những mầm đó sẽ phát triển thành chồi, thành thân mới Củ gừng có vỏ màu vàng nhạt, thân củ gừng có rất nhiều sợi dọc Củ gừng có vị cay nồng và có thể dùng vào nhiều việc
Hoa gừng không mọc ra từ thân mà mọc ra từ củ Cuống hoa dài khoảng 20cm,các bông hoa mọc sát nhau Bông hoa dài khoảng 5cm, rộng 2 – 3cm, đài hoa dài khoảng lcm Hoa có 3 cánh màu vàng nhạt, mép cánh hoa màu tím Nếu người ta thu hoạch củ sớm thì gừng sẽ không có hoa.
Gừng là cây gia vị phổ biền, gừng được trồng khắp nơi và được sử dụng rộng rãi Gừng có vị cay, thơm, chống được khí lạnh Người ta dùng gừng để ăn cùng với các món ăn có vị lạnh như ốc, trứng vịt lộn… Gừng dùng trong việc nấu cháo chè để tăng vị thơm ngon, gừng dùng để ướp thịt bò để làm giảm mùi mỡ bò, tăng vị thơm. Gừng còn được dùng làm mứt gừng từ rất lâu đời.
Ngoài việc dùng vào các món ăn, gừng còn là một vị thuốc nam rất phổ biến.Gừng có thể chữa ho, chống cảm lạnh, tăng nhiệt cho cơ thể Gừng ngâm rượu dùng cho xoa bóp có thể chữa được đau nhức cơ, tê chân, phong thấp Trong các bài thuốc nam hay thuốc bắc bao giờ cũng có một vài lát gừng Bỏ vài lát gừng vào chè không những làm cho cốc nước có vị thơm mà còn có tác dụng chống viêm họng.
Tinh dầu gừng
Các chỉ số hóa- lý của tinh dầu
Chỉ số hóa-lý Giá trị
Tỷ lệ tinh dầu hòa tan trong cồn 900 ở 250C Độ sôi, °C
0,868 1,4673 1:4,775 176 + 92,8 0,54 6,86 6,32 56,375 Ứng dụng của tinh dầu gừng
Hỗ trợ tiêu hóa và điều trị dạ dày
Tinh dầu gừng nguyên chất có chứa gastroprotective- một chất có tác dụng tốt, có khả năng bảo vệ dạ dày Nhờ vậy, tinh dầu gừng như một phương pháp tự nhiên đặc biệt hiệu quả đối với việc hỗ trợ điều trị co thắt và đau dạ dày.
Ngoài ra một số thành phần khác trong tinh dầu gừng cũng có tác dụng rất tốt cho hệ tiêu hóa Nó được sử dụng để điều trị đau bụng, tiêu chảy, khó tiêu, hỗ trợ tiêu hóa hiệu quả.
Tinh dầu gừng nguyên chất có thành phần có khả năng khử trùng, sát khuẩn mạnh mẽ Do vậy, nó được ứng dung rất nhiều trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng đường ruột, kiết lỵ do vi khuẩn và ngộ độc thực phẩm gây ra Ngoài ra, nó còn được sử dụng để điều trị và chống lại bệnh sốt rét, với các triệu chứng như sốt, nôn mửa, nhức đầu, mệt mỏi.
Hỗ trợ điều trị các triệu chứng liên quan đến hô hấp
Với đặc tính nóng, tinh dầu gừng nguyên chất có khả năng làm tan chả các chất nhầy đồng thời đào thải chúng ra ngoài Nó được ứng dụng để điều trị một số bệnh như: cảm cúm, điều trị triệu chứng ho, hen suyễn, viêm phế quản và điều trị chứng khó thở.
Theo nghiên cứu, Zingibain có trong tinh dầu gừng có tác dụng chống viêm mạnh mẽ Khi sử dụng, nó có tác dụng: chống viêm mạnh mẽ, sẽ làm giảm đau, khắc phục tình trạng viêm khớp, đau nửa đầu, đồng thời làm giảm đi lượng prostaglandin (hợp chất liên quan đến cảm nhận đau và viêm).
Tăng cường sức khỏe tim mạch
Tinh dầu gừng chứa một số thành phầm có tác dụng ngăn ngừa máu đông, chuyển hóa thành Lipid và làm giảm đi nồng độ cholesterol, giảm nguy cơ mắc bệnh tim và hỗ trợ điều trị một số bệnh tim mạch.
Chống Oxy hóa mạnh mẽ
Hàm lượng chất gingerol và zerumbone có tác dụng chống oxy hóa trong gừng rất cao Chúng giúp ngăn ngừa, hạn chế những tác động của oxy hóa, giảm tôn thương tế bào, ngăn ngừa bệnh tim, ung thư, mất trí nhớ,… hiệu quả Tinh dầu gừng nguyên chất cũng được nhắc đến như một phương từ tự nhiên hỗ trợ hiệu quả quá trình điều trị ung thư tuyến tụy, phổi, thận, da.
Kích thích ham muốn tình dục
Tinh dầu gừng nguyên chất có tác dụng tăng lưu lượng tuần hoàn máu Từ đó, nó giúp kích thích ham muốn tình dục một cách tự nhiên, hỗ trợ điều trị chứng bất lực, dối loạn cương dương, duy trì sự cương cứng trong quá trình quan hệ.
Tính ấm của gừng có tác dụng giúp cơ thể tạo ra cảm xúc thư thái, dễ chịu, đặc biệt hiệu quả trong việc điều trị trầm cảm, giảm cảm giác lo lắng, mệt mỏi Đặc biệt hơn, tinh dầu gừng được người Ấn Độ dùng để điều trị các vấn đề liên quan đến cảm xúc như sợ hãi, bị bỏ rơi, thiếu động lực và thiếu tự tin.
Cải thiện chức năng gan
Do trong thành phần của tinh dầu gừng có chứa hepatoprotective- một chất có khả năng điều trị bệnh gan nhiễm mỡ do rượu, đây cũng là giai đoạn rất gần với xơ gan và ung thư gan.
Phương pháp tách tinh dầu
Phương pháp cơ học
Hình 3 Máy ép tinh dầu vặn tay
Phương pháp cơ học tương đối đơn giản dùng để tách chất thơm ở dạng tự do bằng cách ép, dùng phổ biến cho các loại quả như: cam, chanh, quýt, bưởi vì đối với những nguyên liệu này chất thơm thường phân bố ở lớp tế bào mỏng phía ngoài với một lượng tương đối lớn Khi ta tác dụng một lực lên vỏ quả thì các tế bào có chứa chất thơm sẽ bị vỡ và chất thơm bị chảy ra ngoài rất dễ dàng.
Phương pháp chưng cất
Hình 4 Nồi chưng cất tinh dầu
Phương pháp chưng cất không đòi hỏi thiết bị phức tạp, có khả năng lấy được triệt để chất thơm có trong nguyên liệu Ngoài ra phương pháp này còn cho chúng ta có thể dựa vào tính chất bay hơi khác nhau của các cấu tử có trong các chất thơm để phân ly chưng ra thành những phần riêng biệt có độ tinh khiết cao hơn Ví dụ: chưng cất phân đoạn nguyên liệu quả hồi ta có thể tách được anetol, chưng cất phân đoạn nguyên liệu bác hà tách được menthol, chưng cất phân đoạn nguyên liệu quả mùi tách được linalool. Đối với các loại nguyên liệu thường phải sơ chế trước khi chưng cất để quá trình tiến hành được nhanh chóng hơn: quả cần phải nghiền nhỏ, lá hoặc cắt nhỏ hoặc phơi héo, phơi khô.
Phương pháp trích ly
Hình 5 Thiết bị trích ly
Phương pháp này được sử dụng trong trường hợp các thành phần hợp chất thiên nhiên không bền ở nhiệt độ cao hoặc hàm lượng nguyên liệu rất thấp không thể dùng phương pháp chưng cất Phương pháp trích ly thường dùng dung môi dễ bay hơi như ethylic ther, petroleum ether, alcool, acetone hoặc các loại khí hóa lỏng như CO2lỏng tại áp suất lớn cỡ 60-70 atm.
Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ dựa trên cơ sở vật chất của một số loại hoa, quả có thể kéo dài thời gian tạo ra hương thơm sau khi đã rời khỏi cây và khả năng hòa tan chúng của các loại mỡ động vật trên bề mặt (hấp phụ) Bằng cách này thao tác tiến hành rất thủ công, khó cơ giới hóa, các loại mỡ động vật đắt tiền, khó bảo quản, quá trình tiến hành kéo dài, năng suất thấp Gần đây người ta chuyển sang hấp phụ bằng than hoạt tính gọi là hấp phụ động học Bằng phương pháp này, người ta tạo điều kiện cho các luồng khí ẩm đi qua lớp hoa, nhằm giữ cho hoa được tươi lâu Luồng không khgis sau khi qua lớp hoa sẽ giữ lại các chất thơm tại buồng hấp phụ, không khí thải ra ngoài.
Lớp hoa còn lại sau khi hấp phụ hết các chất thơm bay hơi sẽ đem đi chưng cất hoặc trích ly lấy hết những chất thơm không bay hơi còn lại.
Phương pháp lên men
Phương pháp này được áp dụng đối với các loại cây và quả có chất thơm ở trạng thái kết hợp từng phần, hoặc kết hợp hoàn toàn, không ở trạng thái tự do mà thường ở trạng thái kết hợp glucozit Vì vậy, muốn tách chất thơm từ những loại nguyên liệu này, đầu tiên cần phải tiến hành sơ bộ tách bằng phương pháp lên men, sau đó dùng phương pháp chưng cất để tách hoàn toàn Ở đây, để tách tinh dầu gừng em lựa chọn phương pháp chưng cất.
Phương pháp chưng cất tách tinh dầu
Các phương pháp chưng cất tinh dầu
Chưng cất là một quá trình biến đổi một cấu tử 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 rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp 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 Trường hợp chưng cất đơn giản nhất là chưng cất một hỗn hợp đồng thể, hay còn gọi là hệ một cấu tử, chất lỏng được nâng lên nhiệt độ sôi và bắt đầu bay hơi ở nhiệt độ khi áp suất hơi của dung dịch cân bằng với áp suất không khí bên ngoài, trong suốt thời gian sôi nếu áp suất không thay đổi thì nhiệt độ sôi cũng không thay đổi.
Khi chưng cất một hỗn hợp chất lỏng gồm hai hay nhiều cấu tử, trong quá trình chưng cất, cùng với sự thay đổi thành phần của thể lỏng gồm hai hay nhiều cấu tử,trong quá trình chưng cất, cùng với sự thay đổi thành phần của thể lỏng có thể làm thay đổi thành phần của hỗn hợp hơi Trong điều kiện áp suất không đổi tùy thuộc vào mức độ tan lẫn vào nhau của hỗn hợp và khả năng tan lẫn vào nhau của các cấu tử,dung dịch lỏng thu được bằng cách làm ngưng tụ hỗn hợp hơi bay ra sẽ có thành phần các chất dễ bay hơi cao hơn so với thành phần chất lỏng ban đầu Nếu vẫn tiếp tục chưng cất thì thành phần các chất dễ bay hơi sẽ tăng dần. Độ hòa tan của chất thơm (tinh dầu) trong nước khác nhau phụ thuộc thành phần của các hợp chất có chứa trong thành phần của tinh dầu.
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 và ngưng tụ Bằng cách này thiết bị chưng cất tương đối rẻ tiền, rất phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp tại địa phương, ở những nơi mới phát triển bước đầu chưa có điều kiện đầu tư về vốn sản xuất.
- 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 thường thời gian chưng cất bị kéo dài.
- Tốc độ chưng cất và thời gian chưng cất phụ thuộc vào bộ phận đốt lò.
2.4.1.2 Chưng cất với hơi nước không có nồi hơi riêng
Nguyên liệu được đưa vào cùng thiết bị nhưng ngăn cách bằng một lớp vỉ, để tránh 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 bề mặt vỉ Nước được đun sôi bốc hơi lên qua lớp vỉ và đi qua lớp nguyên liệu và kéo theo lớp tinh dầu đi ra.
Nguyên liệu bớt khê khét vì không tiếp xúc trực tiếp, tiếp xúc với đáy nồi đốt. Tuy vậy phẩm chất của tinh dầu, cũng như việc khống chế các điều kiện kỹ thuật trong đó bao gồm vận tốc chưng cất chưa được cải thiện nhiều Ngoài ra chưa kể đến thao tác lao động còn gặp nhiều khó khăn.
2.4.1.3 Chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng
Phương pháp này dung 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 dễ bị 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 thời gian chưng cất bằng cách điều chỉnh vận tốc chưng cất, chưng cất ở áp suất cao hơn hay dung hơi bão hòa hay quá nhiệt để chưng cất Chưng cất bằng hơi nước ở áp suất cao sẽ tạo điều kiện cho quá trình tiến hành được tiến hành thuận tiện hơn vì áp suất hơi riêng phần của các đơn chất trong hỗn hợp ở nhiệt độ cao sẽ rất lớn so với áp suất hơi riêng phần của nước.
Chưng cất ở áp suất cao một số chất dễ phân hủy và thiết bị dung chưng cất cần đắt tiền hơn Chưng cất bằng hơi nước quá khô được tiến hành rất thuận lợi đối với những loại tinh dầu chịu được nhiệt dộ cao vì trong hỗn hợp hơi nếu có một trong những cấu tử dạng khô thành phần cao sẽ tạo ra khả năng cho các cấu tử khác cũng có thành phần trong hợp chất với một lượng cao tương tự Dùng phương pháp chưng cất bằng hơi nước quá khô không nên tiến hành trong trường hợp chưng cất với nước vì trong trường hợp này hơi nước quá khô sẽ mất tác dụng và trở thành hơi nước bão hòa. Chưng cất bằng hơi nước quá khô nếu nhiệt độ càng cao sẽ thu được hàm lượng tinh dầu trong thành phần hơi sẽ càng lớn.
Các phương pháp chưng cất đã trình bày ở trên, có thể dung nước hoặc hơi có các ưu điểm sau:
- Các quy trình kỹ thuật có khả năng nâng cao hàm lượng của từng cấu tử trong hỗn hợp hơi bay ra bằng cách phân chia chúng.
- Không đòi hỏi các vật liệu phụ nhiều như các phương pháp trích ly và hấp phụ.
- Thời gian chưn cất tương đối nhanh (đối với các thiết bị chưng cất gián đoạn thông thường từ 5-10 giờ, đối với các thiết bị liên tục từ 30 phút đến 1 giờ)
- Có thể tiến hảnh chưng cất đối với các cấu tử có nhiệt độ sôi cao ở nhiệt độ gần 100°C
- Tuy nhiên với những loại nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp không nên dùng phương pháp vì:
- Sản phẩm thu được sau khi chưng cất có thể bị ảnh hưởng nếu các cấu tử có trong các thành phần của tinh dầu dễ bị thủy phân trong quá trình chưng cất
- Không thể chưng cất để lấy các loại sap và nhựa có trong nguyên liệu
- Trong nước chưng sau khi đã tách tinh dầu còn có một lượng lớn tinh dầu hòa tan tương đối lớn.
- Cần dùng một lượng lớn nước để làm lạnh.
Với đề bài là chưng cất tinh dầu gừng, em lựa chọn phương pháp chưng cất bằng hơi nước có nồi hơi riêng để tiến hành thực hiện.
Yếu tố ảnh hưởng quá trình chưng cất tinh dầu
Khi nguyên liệu được làm vỡ vụn thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu bị vỡ và cho tinh dầu thoát tự do ra ngoài theo hơi nước lôi cuốn đi Phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật sẽ tiến dần ra bề mặt nguyên liệu bằng sự hòa tan và thẩm thấu Ở nhiệt độ nước sôi, một phần tinh dầu hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và bị hơi nước cuốn đi Còn nước đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục hòa tan vào lượng nước này Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết Đồng thời những hợp chất nào dễ hòa tan trong nước sẽ được lôi cuốn trước Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong chưng cất phải sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh để nguyên liệu bị khô Nhưng nếu lượng nước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầu có chứa những cấu phần dễ tan trong nước Nguyên liệu được làm vỡ vụn càng nhiều càng tốt, cần cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định nào đó để hơi nước có thể đi vào lớp này đồng đều và dễ dàng hơn.
Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu Do đó, khi tiến hành chưng cất phải điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp với từng giai đoạn Sau khi cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết có thể dùng hơi nước quá nhiệt (trên 100 o C) để chưng cất (nên thực hiện việc này ở giai đoạn cuối cùng của chưng cất) Tuy nhiên, hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên ta phải hạn chế thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu Các yếu tố trên đều có mối liên hệ lẫn nhau khi tăng nhiệt độ thì sự khuếch tán thẩm thấu sẽ tăng, sự hòa tan tinh dầu trong nước cũng sẽ tăng nhưng sự phân hủy tinh dầu cũng sẽ tăng theo.
Cân bằng vật chất
Tính cân bằng vật liệu
Năng suất theo nguyên liệu: 200kg/mẻ;
Hàm lượng tinh dầu chiếm 2,6 (%w/w) khối lượng gừng; Độ ẩm nguyên liệu là 50%;
Khối lượng riêng của gừng là 868 kg/m 3
Giả sử hiệu suất quá trình chưng cất là 96%
Lượng tinh dầu theo giả thiết có thể thu được khi chưng cất gừng với năng suất theo nguyên liệu là 200 kg/mẻ là:
Lượng nước có trong hỗn hợp hơi bay ra
Hỗn hợp nước và tinh dầu sôi khi áp suất tổng cộng bằng áp suất bên ngoài. Như thế khi cất tinh dầu ở áp suất thường quá trình sẽ tiến hành ở nhiệt độ luôn luôn dưới 100°C.
Nhiệt độ và thành phần nước ngưng tụ luôn luôn không đổi trong suốt thời gian chưng cất, cho đến khi tinh dầu là cấu tử có độ sôi cao bốc đi gần hết.
Khi chưng cất tinh dầu bằng hơi nước nếu áp suất tăng, thành phần tinh dầu là cấu tử có độ sôi cao trong nước sẽ càng tăng và ngược lại.
Tỷ lệ giữa tinh dầu và nước trong hỗn hợp hơi hay trong nước ngưng tụ tính bằng công thức:
GA và GB là trọng lượng tinh dầu và nước trong hỗn hợp.
PA và PB là áp suất riêng phần của hai cấu tử.
MA và MB là phân tử lượng của chúng.
Trong tinh dầu gừng Zingiberene chiếm trên 80% nên tính gần đúng, có thể xem toàn bộ là Zingiberene Phân tử lượng của Zingiberene MA 4,1878 g/mol Áp suất riêng phần ở 100°C là P ' A E mmHg
Phân tử lượng của nước là MB g/mol Áp suất riêng phần ở 100°C là
Tổng áp suất ở 100°C là: P= P ' A +P ' B v0+ 455 mmHg
Vì cất ở ở áp suất thường nên hỗn hợp sẽ sôi khi tổng số áp suất đạt 760 mmHg. Khi đó áp suất riêng phần của Zingiberene là:
805 B,48 mmHg Áp suất riêng phần của nước là:
Tỷ lệ tinh dầu và nước trong hỗn hợp sẽ là:
Có nghĩa là khi hỗn hợp bay hơi ra cứ có một phần tinh dầu gừng thì có 1,5 phần nước Ta có lượng tinh dầu thu được sau quá trình chưng là: Gd =4,992 kg, suy ra lượng nước bay hơi sau quá trình chưng là:
Do tinh dầu nằm trong các tế bào của củ gừng nên hiệu suất chuyển khối lượng tinh dầu ra rồi được nước lôi cuốn đi ước khoảng 10% nên lượng nước bay hơi thực tế là:
Tính nhiệt độ chưng cất
Nhiệt độ chưng cất xác định theo quy tắc During: “Quan hệ giữa nhiệt độ sôi của một chất lỏng bất kỳ nào đó ở giữa khoang hai áp suất khác nhau đối với nhiệt độ sôi của một chất lỏng khác cũng ở trong phạm vi áp suất đó là một đại lượng không đổi được biểu diễn bằng: T t 1−T 1−t 2 2 = q” Đại lượng q đối với nhiều chất lỏng sẽ dao động trong khoảng 1 – 2 đơn vị Đối với một trong hai chất lỏng chính để tính toán thường dùng nước bởi vì nước đã được nghiên cứu rất kỹ ở các áp suất khác nhau, còn một trong tổng áp suất của hỗn hợp hơi hai chất lỏng thì thường dùng ở 760 mmHg vì ở áp suất này nhiệt độ sôi các chất lỏng phần lớn đều được xác định
Thành phần chính trong tinh dầu gừng là Zingiberene, nên ta sẽ xác định nhiệt độ chưng cất theo cấu tử chính này Ở phần trên ta đã xác định được thành phần hỗn hợp hơi khi chất lỏng sôi: p d = 42,48(mmHg) p nc = 717,52(mmHg)
Tại áp suất 760 mmHg thì nhiệt độ sôi của tinh dầu là 135 o C (lấy theo cấu tử chính
Tại áp suất 5 mmHg thì nhiệt độ sôi của tinh dầu là 77 o C, của nước là 0,705 o C
Như vậy, theo định luật During: q = 100−0,705 135−77 = 0,584
Từ đó dễ dàng tính được nhiệt độ sôi của tinh dầu tại áp suất 42,48 mmHg: q = 100−35,7 135− x à x= 97,45 ( o C)
Từ đây xác định nhiệt độ chưng cất từ bảng sau:
Nhiệt độ chưng cất: Tchungcat= 98+ 777,32−748,42 760−748,42 =¿ 98,4 ( o C)
Tính toán thiết bị nồi chưng cất
Thân nồi
3.2.1.1 Xác định các kích thước chính
- Khối lượng riêng trung bình của khối nguyên liệu: ρ = 0,2394 (Kg/l)
- Tổng nguyên liệu gừng cho một mẻ là: G= 200 (Kg)
Thể tích tổng khối nguyên liệu: Vnl= G ρ = 0,2394 200 = 835,42 (L) ≈ 0,84 m 3
Hệ số điền đầy 80%, thể tích thân nồi:
Vthannoi= 0,84 0,8 ≈ 1 m 3 Chọn tỉ lệ giữa đường kính và chiều cao thân nồi d: h = 1:1,5
3.2.1.2 Xác định bề dày thân nồi
Thiết bị chịu áp suất trong, thân nồi chế tạo bằng phương pháp hàn nên chiều dày của thân nồi được tính từ công thức sau:
p− Áp suất trong của thiết bị, với môi trường trong thiết bị là hỗn hợp hơi Với: p==1(atm)1325(Pa) - là áp suất hơi
φ − Hệ số làm yếu, phụ thuộc vào số lỗ, số cửa trên thân hình trụ Trên thân hình trụ có 1 lỗ của ống dẫn hơi đường kính 60 mm nên φ = 0,96
C là đại lượng bổ sung, phụ thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dày:
- 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 0,1 mm/ năm, cho thời gian làm việc 20 năm Vậy lấy C1 = 0,1.20 = 2 mm (vật liệu bền C1=1mm)
- 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 – 5mm, lấy C3 = 1,5 mm (tra bảng XIII.9, Sổ tay hóa công II)
Dựa theo tiêu chuẩn nồi chưng và để đảm bảo an toàn vận hành, chọn
Đường kính ngoài của nồi: dn= dt + 2.S = 1010 (mm)
Thể tích vật liệu làm thân nồi: V= π 1,01
Khối lượng nồi: m1= pinox.Vthannoi= 7900.0,024= 189,6 (kg)
Đáy nồi, nắp nồi
3.2.2.1 Đáy nồi Đáy nồi chọn kiểu đáy hình elip
Theo bảng XIII.10-tr382 [TL3]
Hình 6 Bảng tra kích thước
Từ bảng trên, ta có các thông số của nắp, đáy:
Dt= 1000mm; ht= 250mm ; h%mm
Công thức tính bề dày: s= p D t y e
Trong đó: ye-Hệ số y đối với hình elip:
Giá trị của nó phụ thuộc vào tỷ lệ: Dt 2.H =a
Kết quả thực nghiệm cho thấy các giá trị a và ye như sau: a 2,6 2,
2.H = 1 2.0,125 =2 ⇒ y e =1 p: là áp suất làm việc p= p 1 + p 2 p1: áp suất khí quyển, p1 = 1 atm = 1.10 5 Pa p2: áp suất phần nước trong thân thiết bị, p 2 00.9,81 1,5
Hệ số mối hàn j =0,8á0,95 Lấy j=0,9
[σ]: là ứng suất bền (đối với thép không gỉ SUS 304, [σ]= 500.10 6 Pa
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 Dối với vật liệu SUS 304 có chiều dày từ 3 – 5mm, lấy C3 = 0,8 mm.
C=C 1 +C 2 + C 3 =1+ 0+0,8 =1,8 mm Vậy ta có độ dày của đáy: s= p D t y e
Khối lượng đáy nồi: m2= 7900.V2= 7900.1,574.10 -3 = 12,43 (kg)
Ngoài việc tăng tốc độ dẫn hơi sang bình làm mát, Nắp nồi phải đảm bảo tiện cho việc tháo lắp khi nạp liệu hoặc khi tháo bã kết thúc một mẻ đồng thời cũng đảm bảo kín để hơi không thoát ra ngoài Do vậy, em chọn loại nắp nồi hình nón, đơn giản khi tháo lắp nên thiết kế khóa nước kép
Hình Khóa nước đơn và kép
Chọn đường kính lớn nắp nón: d 1 50(mm)
Vì Tỉ lệ giữa đường kính bé và lớn của nắp nón thường từ 12% - 17%
Đường kính bé của nắp là: d 2 50.12% 6(mm)
Chọn chiều cao khóa nước: h k = 70(mm)
Đường kính của vành ngoài của khóa nước: d 3 66(mm)
Chiều dày nắp: S nap = 3(mm)
Khối lượng nắp nồi: m 3 = 7900.V 3 = 7900.2,32.10 −3 = 18,32(kg)
Tồng khối lượng trung bình nồi chưng cất (không kể chân đỡ): m = m1+m2+m39,6 + 18,32 + 12,43 = 220,35 (kg)
Vỉ, giỏ nồi
Diện tích vỉ nồi: Svỉ = π d 2
Lớp vỉ có lỗ lưới đường kính 5 mm, chiều dày của lớp vỉ là 2 mm Vỉ được đặt trên đáy, thành giỏ nồi và nhằm mục đích tránh nguyên liệu (gừng), bụi bẩn rơi xuống đáy nồi và làm bẩn thiết bị, làm tắc ống dẫn hơi
Hình 7 Giỏ nồi và lớp vỉ
Ống dẫn hơi và ống xả nước ngưng
Ống dẫn hơi thiết kế theo hình xương cá, trong đó:
Lưu lượng hơi ở áp suất 1 atm cần cho một giờ chưng là:
Diện tích bề mặt ngang ống dẫn hơi:
20.3600 = 1,84.10 -3 (m 2 ) Trong đó: ν - là vận tốc hơi đi vào thiết bị, lấy ν = 20 (m/s)
Đường kính ống dẫn hơi:
Dh= 2√ F π = 2 √ 1,84.10 π −3 = 0,0484 (m) = 48,4 (mm)Chọn ống hơi là: DN50ỉ60, độ dày s =1,65(mm)
Một đầu của ống hơi chính được bịt lại Vì hơi sẽ được phân bố đều từ ống chính sang các ống nhánh hai bên (hình xương cá), trục của ống chính vuông góc với trục ống nhánh trên cùng mặt phẳng
• Hơi đi theo các ống nhánh ở hai bên, có đục lỗ hơi đường kính 5mm ở mặt dưới, phun trực tiếp xuống phần đáy nồi rồi tỏa lên trên, tránh việc tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu
Chọn số ống nhánh là 8 ống, nên mỗi bên của ống chính sẽ thông với
Lưu lượng hơi qua một ống nhánh:g= L 8 = 78,23 8 = 9,78 (kg/h)
Đường kính ống nhánh: dh=2 √ π f = 2 √ 2,3.10 π −4 = 0,017 (m) = 17 mm
Quy chuẩn thiết bị: chọn ống nhỏnh là ống DN20ỉ26,67
• Diện tích của lỗ hơi s , thỏa mãn: ns = 0,5.Svỉ
Ta chia 8 ống thành hai loại: ngắn và dài, mỗi loại có 4 ống:
• Ống ngắn: có 14 lỗ hơi, các lỗ hơi cách nhau 15 mm (tính theo tâm lỗ), từ đây xác định chiều dài ống: l 1 = +20 14.10+14.5+ 250 ( mm )
• Ống dài: có 24 lỗ hơi, các lỗ hơi và cách sắp xếp giống ống ngắn, chiều dài ống dài: l 2 = 20+ 24.10+ 24.5+ 20 = 400 ( mm )
Các ống hơi xếp xen kẽ nhau, khoảng cách giữa hai ống hơi l = 50 ( mm )
Hình 8 Ống dẫn hơi hình xương cá
Chọn ống xả nước ngưng là: DN50ỉ60
Tính toán cân bằng nhiệt lượng
Lượng nhiệt chi phí để đun nóng nguyên liệu
Q1= G.Cc.(t2-t1) = G.( 0,6 Wc+ 100 40 ).(t2-t1) (Kcal) (TL1-tr56)
t 2 − là nhiệt độ bên trong thiết bị có thể lấy bằng nhiệt độ chưng cất ( o C)
t 1 − nhiệt độ của không khí xung quanh thiết bị ( o C)
W c − Độ ẩm nguyên liệu tính theo phần trăm (%)
Lượng nhiệt đun nóng tinh dầu có trong nguyên liệu
Q2= G 100 mc CM.(t2-t1) (kcal) (TL1-tr57)
G: khối lượng nguyên liệu cho vào thiết bị (kg)
t 1: nhiệt độ của không khí xung quanh thiết bị ( o C)
t 2: nhiệt độ của bên trong thiết bị ( o C)
C M : lấy gần đúng bằng nhiệt dung của cấu tử chính có trong tinh dầu Trong trường hợp khó tính có thể tính gần đúng bằng công thức của Kopa: C M= 1,2.C (kcal/Kg o C)
C= 1,8.C + 2,3 M H + 4 O C,H,O: lượng cacbon, hydro, oxi có trong cấu tử chính
Từ đó dựa theo thành phần chính của tinh dầu gừng là C15H24, khối lượng mol 204,1878 g/mol, có:
Lượng nhiệt cần thiết làm bay hơi tinh dầu
Q3= G 100 mc rM (kcal) (TL1-tr57)
rM- ẩn nhiệt hóa hơi của tinh dầu, có thể tính gần đúng bằng ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử chính hay theo quy tắc Truton: rM= 21T M với T là nhiệt độ bay hơi của cấu tử chính
Tỉ lệ giữa ẩn nhiệt hóa hơi của phân tử và nhiệt độ sôi tuyệt đối của tinh dầu thường là một đại lượng không đổi cho mọi chất lỏng
Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ và đối lưu
Q k − Tổn thất nhiệt do đối lưu (kcal)
Q p − Tổn thất nhiệt do bức xạ (kcal)
F u − Bề mặt phần cách nhiệt (m 2 )
Z − Thời gian làm việc có hơi nước của thiết bị (h)
3.3.4.1 Tổn thất do đối lưu
Qk= ak.(th-t1) (kcal) (TL1-tr59)
th- nhiệt độ bên ngoài lớp cách nhiệt
Q ' − Nhiệt tổn thất trên 1m 2 bề mặt cách nhiệt tính bằng kcal, có thể dùng theo những số liệu cho 1m 2 bề mặt cách nhiệt ở những nhiệt độ khác nhau
Mà nhiệt độ chưng cất của ta là 98,4 o C do đó lấy Q’= 140, ta được: th= t1+√ 7056+ 20 Q' - 84 = 25+√ 7056 +20.140 – 84= 40,28 o C
α k- Hệ số cấp nhiệt đối lưu
Và với đường ống có d > 0,01m thì: α k =2,2 √ 4 t h−t d 1 = 2,2 √ 4 40,28−25 1 = 4,35 ( kcal/m 2 h o C)
3.3.4.2 Tổn thất do bức xạ
Qp=C [( 100 Th ¿ 4 −¿ ( 100 T 1 ¿ 4 ¿ (kcal) (TL1-tr60)
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 thì C = 3,65; nếu có sơn một lớp ngoài thì C = 3,86
Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị
G a − Khối lượng kim loại làm thiết bị, vật liệu inox 304
Khối lượng riêng inox 304 ρ 304= 7900 (kg/m 3 )
C a − Nhiệt dung kim loại làm thiết bị, C inox304 = 4,36.10 −4 (kcal/Kg o C)
G u − Khối lượng lớp cách nhiệt, ở đây ta dùng loại bông thủy tinh T12x25mm, có ρ cachnhiet ,00(kg/m 3 ) nên G u = 12 V u = 12.1.( π 0,024.1,5) 1,41 (kg).
C u − Nhiệt dung của lớp cách nhiệt (Kcal/kg o C), có thể lấy C u = 0,34 (Kcal/kg o C)
− Nhiệt độ trung bình của thành thiết bị thường lấy bằng t 2 (nhiệt độ ở bên trong thiết bị, vậy t cp ' = 98,4 o C)
t cp '' − Nhiệt độ trung bình lớp cách nhiệt, được tính: t cp '' = th+t cp ' 2 = 40,28+98,4 2 = 69,34 ( o C)
Phải tính Q 5 ' vì trong thực tế khi ngừng chưng cất để tháo bã và cho đợt nguyên liệu mới vào thường chỉ mất khoảng 30 – 40 phút Trong thời gian này nhiệt độ của thiết bị chưa giảm xuống đến nhiệt độ 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 Q 5, thường là 20%
3.3.6 Lượng nhiệt của hơi để cung cấp cho quá trình chưng cất
- B 2 -Lượng hơi cung cấp cho quá trình chưng cất
Lượng nhiệt của hơi cung cấp cho quá trình chưng cất
- i' ' p - Nhiệt lượng riêng của hơi nước, tại áp suất 1 atm i' ' p = 639 (kcal/kg)
Tổng lượng nhiệt cần thiết cho nồi chưng cất
Trên thực tế, nhiệt lượng thực tế là: Qtt= Q.120%= 129786,65 (kcal) ≈ 5,46.10 8 (J)
Tính toán thiết bị ngưng tụ
Thông số đầu vào
Lượng tinh dầu thu được sau quá trình chưng là: Gd = 4,992 kg
Lượng nước bay hơi thu được sau quá trình chưng là: G’n= 78,44 kg
Vậy tổng lượng hơi cần ngưng tụ là:
G ¿ G d +G ' n = 4,992+ 78,44= 83,432( kg) Thời gian cho quá trình ngưng tụ là 3 h
Lưu lượng hơi cần ngưng tụ là: L= G t = 83,432 3 = 27,81 (kg/h)
Nhiệt độ nước mát đầu vào là 25°C àt1 = 25°C
Nhiệt độ nước mát đầu ra là 45°C àt2 = 45°C
Nhiệt độ hơi nóng đi vào: tD = 98,4 o C
Nhiệt độ nước ngưng đi ra: tC = 30 o C
Tính toán cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng để ngưng tụ hoàn toàn hơi – nước thoát ra từ nồi chưng được tính theo công thức sau: Qnt = L.r
Trong đó: Qnt là nhiệt lượng cần để ngưng tụ hơi tinh dầu – nước
L là lưu lượng hơi tinh dầu – nước đi vào thiết bị ngưng tụ r là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tinh dầu – nước cần ngưng tụ
Xác định r (ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tinh dầu – nước):
Nhiệt độ của hỗn hợp hơi tinh dầu–nước khi đi vào thiết bị ngưng tụ là T = 100°C. Với tD = 98,4 o C, tra bảng I.211 và I.212 [5], ta có: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rn = 2266,5 (KJ/kg)
Nhưng do lượng hơi tinh dầu trong hỗn hợp hơi chiếm tỷ lệ rất thấp (0,01%) nên bỏ qua ảnh hưởng của hơi tinh dầu đối với hỗn hợp hơi. r = rn = 2266,5 (KJ/kg)
Vậy nhiệt lượng để ngưng tụ hơi tinh dầu – nước hoàn toàn thành lỏng:
Q 1 =G r ¿ 83,432.2266,5.1 0 3 9,1.1 0 6 ( J ) 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 = 30°C.
Vậy nhiệt lượng để làm lạnh hỗn hợp tinh dầu – nước xuống tC = 30°C là:
Lượng nước làm mát cho quá trình
Theo phương trình cân bằng nhiệt:
Hiệu số nhiệt độ trung bình
3.4.4.1 Xác định nhiệt độ t’ d t’d - Là nhiệt độ làm lạnh của nước ở trên đường giáp giới giữa giai đoạn I và II của thiết bị ngưng tụ, còn gọi là nhiệt độ trung gian, xác định bằng phương trình: t’d= td+ Q Q 2 (tc-td)= 25+ 50700,8 7840,4 (45-25) = 28,1 ( o C) (tr102, TL6)
3.4.4.2 Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình từng giai đoạn
Giai đoạn I (quá trình ngưng tụ):
Ta có công thức: θ 1 ( T d −t ' d ) − ( T d −t c ) ln T d −t ' d
Giai đoạn II (quá trình làm lạnh): θ 2 ( T d −t ' d ) − ( T d −t c ) ln T d −t ' d
3.4.4.3 Xác định các thông số trong từng giai đoạn
Xác định nhiệt độ trung bình của từng lưu thể trong từng giai đoạn:
Giai đoạn I (ngưng tụ): một lưu thể thay đổi pha (hơi dầu), khi đó nhiệt độ của nước làm mát được xác định: t tb I = Td- θ 1= 98,4-61,466,94 ( o C) (tr102, TL6)
Giai đoạn II (làm lạnh): chiều hai lưu thể là ngược chiều nhau
Vì Td −Tc > td ' −td nên:
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát: tn=0,5.( td '+ td) =0,5.(28,1+25)= 26,6 ( o C) (tr102, TL6)
Nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ:
Các thông số của các lưu thể:
- Nhiệt hóa hơi r n = 540 (kcal/kg)=2,26.10 6 (J/kg)
Suy ra, chuẩn số Pran: Prf= c p μ λ = 4180,9527.0,71312 10 −3
Nước làm mát tại t n II = 26,6 ( o C)
Suy ra, chuẩn số Pran: Prf= c p μ λ = 4182,5923.0,9091 10 −3
Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn ngưng tụ
Chọn ống truyền nhiệt là thép không gỉ SUS 304, ϕ = 25(mm), δ= 2(mm), có chiều dài là H ong =1,2(m):
Hệ số dẫn nhiệt λ inox ,5 (W/m.do)
Tương ứng mỗi giai đoạn đều có một bề mặt trao đổi nhiệt, vậy bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho toàn bộ quá trình ngưng tụ hơi sẽ bằng tổng số bề mặt trao đổi nhiệt của hai giai đoạn Do đó, ta có:
-F 1 − là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt giai đoạn I
-F 2 −là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt giai đoạn II
- n- là hằng số thực nghiệm, đối với ống chùm n=2.
3.4.5.1 Hệ số cấp nhiệt hơi giai đoạn I
Hệ số cấp nhiệt hơi α 1 I được xác định bởi công thức: α 1 I = 2,04.A.√ 4 ∆ t r H (W/m 2 o C)
- ∆ t = TH-tw1 là hiệu số giữa nhiệt độ hơi bão hòa và nhiệt độ phía mặt trong của của ống tiếp xúc với hơi.
-A= ( ρ 2 λ 3 μ ) 0,25 , A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm= 0,5.(TH+tw1)= 0,5.(98,4+ tw1) Chọn ∆ t1= 5 o C, khi đó tw1= 93,4 o C à tm= 0,5.(98,4+ 93,4)= 96 o C
Tra bảng 29, STHC tập 2, xác định được A bằng phương pháp nội suy: tm= 96 o C, A= 177,75
q1= α 1 I ∆ t1682,84.5S414,2 (W/m 2 ) Độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 phía thành ống là:
Xác định tổng trở nhiệt trở trung bình lớp cáu bẩn r 1 +r 2 dựa vào Bảng V.I, STHC tập 2, đối với nước sạch r 2 = 0,116.10 −3 (m 2 do/W), nước thường r 1 = 0,464.10 −3 (m 2 do/W)
Do đó, tổng trở nhiệt:
Nhiệt độ phía ngoài đường ống: tw2= tw1- ∆ tw= 93,4-37,38= 56,02 ( o C)
Tra thông số lưu thể:
-Hệ số dẫn nhiệt: λ= 0,6565 (W/m o C) àTừ đây, ta xác định được chuẩn số Pr:
3.4.5.2 Hệ số cấp nhiệt hơi từ thành ống đến nước làm mát
Xác định α 2 I bằng công thức: α 2 I = Nu λ d td (W/m 2 o C) Với chuẩn số Nuselt xác định từ công thức
Nu= 0,021 ε k Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr Pr f tw 2 ¿ ¿ 0,25 Trong đó:
- ε k - hệ số phụ thuộc d l = h d = 0,0225 1,5 = 66,67 nên chọn ε k =1;
3.4.5.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn I
1 + q 2 ) (m 2 ) Lấy tổn thất nhiệt là 5%, khi đó:
Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn làm lạnh
Chế độ chảy của lưu thể (hỗn hợp tinh dầu và nước sau ngưng tụ) là chảy thành màng theo mặt tường dưới tác dụng của trọng lực.
3.4.6.1 Hệ số cấp nhiệt từ nước ngưng đến thành ngoài của ống
Chọn độ chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thể này và bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt là ∆ t1 =9,5 ( o C)
Ta xác đinh được nhiệt độ tường phía ngoài ống: tw1= tf - ∆ t1= 45,42-9,55,92 o C Nhiệt độ màng: tm = 0,5 (tf +tw1)= 0,5.(45,42+35,92)@,67( o C)
Màng chảy dòng, suy ra:
Từ đó, xác định được Nu:
q1 = α 2 I ∆ t1 98,323.9,5 184,069 (W/m 2 ) Độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên thành ống:
Nhiệt độ phía tường trong của ống:
Chênh lệch nhiệt độ giữa nước làm mát và bề mặt tường trong của ống:
3.4.6.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống trong đến nước làm mát
Xác định chuẩn số Prant: Prtw2= c p μ λ = 4,4853
Vì chọn chuẩn số Re>10 4 , chuẩn số Nuselt của dòng nước:
Nu= 0,021 ε k Re 0,8 Pr 0,43 ( Pr Pr f tw 2 ¿ ¿ 0,25
3.4.6.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn II là:
1 + q 2 ) (m 2 ) Lấy tổn thất nhiệt là 5%, khi đó:
Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt quá trình
Tổng số ống truyền nhiệt
Quy chuẩn thiết bị
3.4.9.1 Vận tốc chảy thực tế của nước trong ống
Vận tốc được xác định bởi mối quan hệ sau: ω tt 1,5 G n n 3600 ρ π
4 0,0225 2 = 0,103 (m/s)Tại nhiệt độ trung bình của nước (cho cả 2 giai đoạn): t tb= 32,5 +29,45 2 = 30,975 o C
-Khối lượng riêng của nước: ρ = 995,68 (kg/m 3 )
-Chuẩn số Re giả thiết Re 000
Vận tốc nước chảy theo giả thiết: ω gt= ℜ ρ d μ = 12000.0.8007 10 −3
Số lối ống: m= ω ω ¿ tt = 0,103 0,43 ≈ 4 (lối)
-Tổng số ống truyền nhiệt: 24 ống (theo cách sắp xếp hình lục giác, dựa vào
Sổ Tay Hóa Công tập 2)
-Cách sắp xếp ống: xếp theo hình lục giác đều
-Số ống trên đường chéo của hình lục giác đều: b = 5
-Đường kính trong của thiết bị:
Nhưng do khi thiết kế còn tính đến diện tích bị chiếm chỗ bởi lắp thêm ống ngưng nên đường kính trong sẽ tăng lên D = 0,35( m )
3.4.9.3 Xác định độ dày thiết bị
Thiết bị chịu áp suất trong nên chiều dày của vỏ được tính theo công thức: δ v= 2 p D t
-p – áp suất bên trong vỏ, gần bằng áp suất khí quyển, p= 0,1(N/m 2 )
-Dt- đường kính trong của thiết bị, Dt= 350 (mm)
-[ σ k ]- ứng suất kéo cho phép của thép, [ σ k ]= 101 (N/mm 2 )
- φ - hệ số bền mối hàn giáp mối bằng máy, φ = 0,8
-C- hệ số bổ sung, C= 2(mm)
0,1.350 2.101.0,8 + 2 ≈ 2,2 (mm) Để đảm bảo độ bền cơ học, chọn δ v= 3 (mm)
Đường kính ngoài của thiết bị: Dng= Dt+2 δ v= 350+2.3= 3 (mm)
3.4.9.4 Xác định kích thước đường ống nước vào, ra Đường kính ống được xác định khi biết lưu lượng và vận tốc dòng chảy qua công thức: dn ¿ √ 4 π ν G n (m)
- v− là vận tốc dòng chảy trong ống, v = 2,5( m/s )
-G n − lưu lượng nước làm mát, G n = 0,6 ( kg/s ) = 6.10 −4 ( m 3 / s )
Quy chuẩn đường ống: chọn ống DN20 ∅ 27
Thông thường, do nước làm mát nóng lên sau quá trình làm tăng thể tích riêng lớn nên ta lấy đường kính ống dẫn nước ra cao hơn 25% so với đường kính dẫn nước vào, nhưng do nhiệt độ đầu ra của nước làm mát không cao (chỉ 45 o C) nên ta vẫn lấy đường kính bằng với đường kính ống nước làm mát vào
Vậy chọn ống dẫn nước ra là ống DN20 ∅ 27
3.4.9.5 Xác định kích thước ống dẫn hơi vào
Chọn vận tốc hơi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt là v' ( m/s ), lưu lượng hơi vào thiết bị là G h = 51( kg/h ) mà thể tích riêng của hơi tại áp suất 1 atm là v" =1,6937 ( m 3 / kg )
3.4.9.6 Xác định đường kính nước ngưng ra
-Khối lượng riêng của hỗn hợp tại Tc = 30( o C): ρ = 994,06(kg/m 3 )
Lưu lượng thể tích: M= G nn ρ = 994,06 51 = 0,051 (m 3 /h)= 1,42.10 -5 (m 3 /s)
-Vận tốc dòng tự chảy vnn = 0,05(m/s) (STHC tập 2, tr370)
3.4.9.7 chọn nắp, đáy cho thiết bị ngưng tụ
Như trên ta có Dt50mm tra sổ tay hóa công tập 2 trang 388 Đáy và nắp hình elip có gờ :
Dt50mm , hbm, h %mm, s= 2 mm
Tính toán, thiết kế thiết bị phân ly tinh dầu gừng
Kích thước cơ bản
Chọn thể tích thiết bị phân ly bằng 3% ( thông thường từ 1-3 %) thể tích nồi chưng, tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính bằng 2 (h = 2d)
Tiết diện bình phân ly: S= π d 2
Do thiết bị không chịu áp suất nên bề dày s v = 3 mm
Dựa vào định luật Stock, xác định vận tốc nổi của hạt tinh dầu: ω 1 = 2 r
-r- bán kính hạt tinh dầu, qua thực nghiệm xác định r =1,5.10 −3 (m)
-g2 − trọng lượng riêng của tinh dầu
-g1 −trọng lượng riêng của nước
-m− độ nhớt Trong khi đó, vận tốc lắng được xác định bằng: ω 2 = F L (m/s) Với:
2 đánh giá tốc độ phân ly: K càng lớn tốc độ phân ly càng nhanh vì vậy muốn tăng K: hoặc tăng ω 1 hoặc giảm ω 2 Vận tốc nổi phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của hỗn hợp sau khi ra khỏi bình lạnh, nhiệt độ càng cao phân ly càng tốt do r, m, γ 2 giảm nhanh hơn so với γ 1 Nhưng nếu nhiệt độ cao quá tinh dầu sẽ hòa tan vào nước và bay hơi Đối với việc giảm ω 2, từ công thức xác định vận tốc lắng: tốc độ chưng cất không đổi (V), nên việc giảm ω 2 chính là làm tăng F bằng cách làm vách ngăn Vách ngăn sẽ chia tiết diện bình phân ly theo nguyên tắc tăng diện tích ở phần chịu tác dụng của lực chìm
Vậy cần một tấm ngăn, chia tiết diện thiết bị phân ly thành 2 phần: phần tiết diện lớn S2= 2 3 S; phần tiết diện nhỏ S1= 1 3 S, nơi có vòi dẫn hỗn hợp từ bình lạnh.
Mức tinh dầu và nước trong thiết bị phân ly có khác nhau Như đã biết giữa trọng lượng riêng của tinh dầu và nước với chiều cao của chúng trong thiết bị phân ly có tỉ lệ: h 2 −h 1 h 2 = Υ 2 Υ −Υ 1
2) h1 −là chiều cao từ mực dưới của lớp tinh dầu đến vòi nước h2 − là chiều cao từ mực dưới của lớp tinh dầu đến vòi dầu
Lượng tinh dầu thu được sau chưng cất: Vd =5,75.10 −3 (m 3 )
2)= 246-246.(1-0,87)= 214 mm Khoảng cách giữa vòi dầu và vòi nước là: h2-h1= 246-214= 32 mm
- Việc xác định thời gian lưu thông qua 2 thông số: thể tích bình chứa và lưu lượng hỗn hợp vào.
- Ta có lưu lượng hỗn hợp nước chưng vào thiết bị:
- Vậy thời gian lưu của hỗn hợp trong thiết bị phân ly: t = Vpl L = 0,03
- Để tính được tốc độ phân ly phải dựa vào vận tốc nổi của hạt tinh dầu và vận tốc lắng của nước Vận tốc phân ly được xác định tương đối thông qua vận tốc nổi của hạt tinh dầu và vận tốc lắng của nước.
- Dựa vào định luật Stock, xác định vận tốc nổi của hạt tinh dầu: ω 1 = 2r
9 m Trong đó: r là bán kính hạt tinh dầu, m (theo thực nghiệm có: r =1.5 × 10 −3 m) γ 1 là trọng lượng riêng của tinh dầu, kg/m 3 γ 2 là trọng lượng riêng của nước, kg/m 3 g là gia tốc trọng trường (g = 9.81 m/s 2 ). m là độ nhớt động lực học của môi trường, kg/m.s
Tại nhiệt độ của hỗn hợp vào thiết bị phân ly, ta có trọng lượng riêng: γ 2 = 994.06 kg/m 3 ; γ 1 = 868 kg/m 3
Môi trường nước tại 30 ℃ , tra độ nhớt theo bảng I.101 – 92 [2] ta có: m = 0.801 × 10 -3 N.s/m 2 = 0.801 × 10 -3 kg/m.s
- Vận tốc lắng của nước được xác định theo công thức: ω 2 = L S Trong đó: L là lưu lượng nước chưng vào thiết bị, m 3 /s
S là tiết diện bình chứa, m 2
Lưu lượng nước chưng vào thiết bị:
Tiết diện bình chứa là:
- Xét tại vị trí hỗn hợp nước chưng từ vòi nạp liệu vào không gian trong của thiết bị phân ly Ta thấy hạt tinh dầu đang đi lên với vận tốc ⃗ ω 1 , đồng thời nước lắng xuống với vận tốc ⃗ ω 2 (2 vectơ này ngược chiều nhau) Khi đó ta có vectơ tốc độ phân ly:
Vậy tốc độ phân ly là: v = | ω 1 −ω 2 | = | 0.772−2,03 × 10 −4 | = 0.771 (m/s)
Xác định các kích thước đường ống
-Đường kính ống dẫn nước ngưng từ bình làm mát: chọn ống DN20 ∅ 27 (bằng với đường kính ống sản phẩm ra của thiết bị trao đổi nhiệt)
-Đường kính vòi thoát dầu chọn ống DN15 ∅ 21
-Đường kính vòi thoát nước chọn ống DN20 ∅ 27
-Đường kính ống xả đáy chọn ống DN15 ∅ 21
Bản thuyết minh trên là thành quả của quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của em với sự hướng dẫn tận tình của GVHD TS Nguyễn Ngọc Hoàng Trên lý thuyết thiết bị tạo ra có thể đáp ứng được năng suất theo yêu cầu, đảm bảo các yêu cầu công nghệ với sản phẩm.
Hệ thống chưng cất còn có thể phát triển thêm về nhiều mặt Với hệ thống này, chất lượng sản phẩm được nâng cao một cách tối đa nhất, tiến tới đáp ứng tiêu chuẩn cho xuất khẩu sản phẩm
Qua đề tài này, em cũng nắm vững hơn các kiến thức được học về chưng cất, cơ khí, Và để bắt kịp với xu thế hiện nay thì mỗi sinh viên vẫn còn cần phải cải thiện rất nhiều thứ Nếu muốn thành công thì đó chính là nhiệm vụ tiên quyết!