Đồ án - Chưng cất tinh dầu bạc hà

Giải pháp tối ưu để thu được tinh dầu từ bạc hà - Thiết kế thiết bị chưng cất tinh dầu bạc hà

Thời gian làm : Từ ngày 17/01/2016 đến 28/09/2017.

2 Mục đích nội dung của đồ án

Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất tinh dầu bạc hà năng suất 200 kg/h

3 Các nhiệm vụ cụ thể của đồ án

- Tìm hiểu chung về nguyên liệu bạc hà

- Tìm hiểu các phương pháp sản xuất tinh dầu

- Lựa chọn phương pháp phù hợp với nguyên liệu và yêu cầu bài toán

- Tính toán các thông số của quá trình công nghệ

- Tính toán cơ khí cho thiết bị chính và các thiết bị phụ trợ

- Đưa ra sơ đồ chức năng cho hệ thống

4 Lời cam đoan của sinh viên

Tôi – Trần Thanh Mai – cam kết đồ án này là công trình nghiên cứu của bản thântôi dưới sự hướng dẫn của Ts Le Ngoc Hoang

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không phải sao chép toàn văn của bất

kì công trình nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2027

Tác giả đồ án

Trần Thanh Mai

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7

1.1 Tổng quan về tinh dầu 7

1.1.1 Khái niệm tinh dầu 7

1.1.2 Tính chất lý hóa 7

1.1.3 Trạng thái thiên nhiên 8

1.1.4 Tác dụng sinh học và ứng dụng của tinh dầu 8

Tổng quan về bạc hà 9

1.1.5 Các vùng ở Việt Nam trồng 9

1.1.6 Tinh dầu bạc hà 11

Các phương pháp sản xuất tinh dầu 14

1.1.7 Các phương pháp sản xuất tinh dầu 14

1.1.7.1 Phương pháp cơ học (phương pháp ép lạnh) 14

1.1.7.2 Phương pháp trích ly 14

1.1.7.3 Phương pháp hấp phụ 15

1.1.7.4 Phương pháp lên men 15

1.1.8 Phương pháp chưng cất tinh dầu 15

1.1.8.1 Phương pháp chưng cất bằng nước 17

1.1.8.2 Phương pháp chưng cất không có nồi hơi riêng 18

1.1.8.3 Phương pháp chưng cất có nồi hơi riêng 19

1.1.8.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chưng cất tinh dầu 20

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT TINH DẦU BẠC HÀ 22

2.1 Lựa chọn phương pháp 22

2.2 Sơ đồ sản xuất 22

2.3 Thuyết minh quy trình 23

2.3.1 Quá trình xử lý nguyên liệu 24

2.3.2 Chưng Cất 24

2.3.3 Ngưng tụ 25

2.3.4 Phân ly 25

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 26

3.1 Cân bằng vật chất 26

3.1.1 Tính cân bằng vật liệu 26

3.1.2 Lượng nước có trong hỗn hợp bay ra 26

3.1.3 Tính nhiệt độ chưng cất 28

3.2 Tính toán thiết bị chính 29

3.2.1 Thân nồi 29

3.2.1.1 Xác định các kích thước chính 29

3.2.1.2 Xác định bề dày thân nồi 30

3.2.2 Đáy nồi, nắp nồi 31

3.2.2.1 Đáy nồi 31

3.2.2.2 Nắp nồi 34

3.2.3 Vỉ và giỏ 35

3.2.3.1 Vỉ nồi 35

3.2.3.2 Giỏ 36

3.2.4 Ống dẫn hơi và ống xả nước ngưng 37

3.3 Tính toán cân bằng nhiệt lượng 39

3.3.1 Lượng nhiệt chi phí để đun nóng nguyên liệu 39

3.3.2 Lượng nhiệt đun nóng tinh dầu có trong nguyên liệu 39

3.3.3 Lượng nhiệt cần thiết làm bay hơi tinh dầu 40

3.3.4 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che 41

3.3.5 Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị 43

3.3.6 Lượng nhiệt của hơi để cung cấp cho quá trình chưng cất 44

3.3.7 Tổng lượng nhiệt cần thiết cho nồi chưng cất 44

CHƯƠNG4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 46

4.1 Tính toán thiết bị ngưng tụ 46

4.1.1 Thông số đầu vào 46

4.1.2 Tính toán cân bằng nhiệt 47

4.1.3 Lượng nước làm mát cho quá trình 48

4.1.4 Hiệu số nhiệt độ trung bình 48

4.1.4.1 Xác định nhiệt độ t’d 48

4.1.4.2 Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình từng giai đoạn 48

4.1.4.3 Xác định các thông số trong từng giai đoạn 49

4.1.5 Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn ngưng tụ 50

4.1.5.1 Hệ số cấp nhiệt hơi giai đoạn I 50

4.1.5.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến nước làm mát 52

4.1.5.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn I 52

4.1.6 Xác định hệ số cấp nhiệt giai đoạn làm lạnh 53

4.1.6.1 Hệ số cấp nhiệt từ nước ngưng đến thành ngoài của ống 53

4.1.6.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ống trong đến nước làm mát 54

4.1.6.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt giai đoạn II là: 54

4.1.7 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt quá trình 55

4.1.8 Tổng số ống truyền nhiệt 55

4.1.9 Quy chuẩn thiết bị 55

4.1.9.1 Vận tốc chảy thực tế của nước trong ống 55

4.1.9.2 Kích thước 55

4.1.9.3 Xác định độ dày thiết bị 56

4.9.1.4 Xác định kích thước đường ống nước vào, ra 56

4.1.9.5 Xác định kích thước ống dẫn hơi vào 57

4.1.9.6 Xác định đường kính nước ngưng ra 57

4.1.9.7 Chọn tai treo 58

4.2 Tính toán, thiết kế thiết bị phân ly tinh dầu bạc hà 60

4.2.1 Kích thước cơ bản 60

4.2.2 Xác định các kích thước đường ống 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Tinh dầu bạc hà 11

Hình 1.2: Phương pháp chưng cất 17

Hình 1 3: Phương pháp chưng cất không có nồi hơi riêng 18

Hình 1 4 : Phương pháp chưng cất có nồi 19

Hình 4.1: Tai treo 59

Danh mục bảng biểu Bảng 3 1: áp suất hơi riêng phần theo nhiệt độ 29

Bảng 3 2: Bảng tra kích thước chân đỡ 38

Bảng 4 1: Bảng tra kích thước tai treo 59

LỜI MỞ ĐẦU

Tinh dầu thiên nhiên hiện nay là một sản phẩm khá thông dụng trên thị trường Nó được ứng dụng tương đối phổ biến trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, y học, mỹ phẩm và một số lĩnh vực khác…

Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho việc phát triển các loại thực vật màtrong đó nhiều loại có chứa các túi tinh dầu rất giá trị Trong đó, bạc hà là một loạithực vật có tiềm năng, nhưng vẫn chưa được khai thác và tận dụng đúng mức Đồngthời xét về mặt y học, tinh dầu bạc hà có mùi thơm dễ chịu, thoải mái, có tác dụng trịcảm giảm stress và hỗ trợ chữa một số bệnh liên quan đến đường hô hấp…Tuy vậy sảnxuất ở nước ta mang tính nhỏ lẻ, dưới dạng thủ công, trình độ kỹ thuật còn thấp, đầu tưchưa cao Và câu hỏi đặt ra làm sao để tách tinh dầu bạc hà tạo ra sản phẩm có giá trị

đó là vấn đề đang được đang được quan tâm

Hiện nay có nhiều phương pháp để chiết rút tinh dầu từ thực vật, trong đó cóphương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước đơn giản, dễ thực hiện và cho hiệu suất thu

hồi tinh dầu cao Vì vậy, dưới sự hướng dẫn của Ts Lê Ngọc Hoàng em chọn đề tài

“Tính toán, thiết kế thiết bị chưng cất tinh dầu bạc hà năng suất 200 kg/ mẻ” Nhằm

tìm hiểu công nghệ chế biến tinh dầu bạc hà và tính toán thiết kế thiết bị với quy mônhỏ

Tuy đã cố gắng nhiều trong việc thực hiện đồ án nhưng với kiến thức còn hạn chế,trong quá trình tính toán không tránh khỏi những thiếu sót không mong muốn Emmong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cô để em hoàn thiện đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tinh dầu

1.1.1 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, tínhchất, 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 củatinh 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 hợpchất trong nó

Độ tan: Không tan trong nước hoặc tan rất ít, nhưng lại hòa tan tốt trong dung môihữu cơ như ancol, ete, chất béo…

Chỉ số khúc xạ: 1,45-1,56

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

1.1.3 Trạng thái thiên nhiên.

Tinh dầu được phân bố rất rộng trong hệ thực vật, đặc biệt tập trung nhiều ở một sốhọ: Họ hoa tán, họ cúc, họ cam, họ bạc hà, …

Tinh dầu có trong tất cả các bộ phận của cây

- Lá: Bạc hà, Tràm, Bạch đàn

- Hoa: Hoa hồng, Hoa nhài, Hoa bưởi

- Nụ hoa: Đinh hương

- Quả: Sa nhân, Thảo quả, Hồi

- Vỏ quả: Cam, Chanh

(5-1.1.4 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 đờisống hàng ngày của con người, trong nhiều ngành khác nhau

 Trong y dược học.

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 dầuBạch đàn, Bạc hà

- Một số có tác dụng kích thích hệ thần kinh trung ương: dược liệu chứa tinh dầugiàu 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

giúp ăn ngon miệng Ngoài ra còn kích thích tiết dịch vị giúp cho sự tiêu hóa thức ănđược dễ dàng.

Một số tinh dầu và thành phần tinh dầu được dung làm thơm bánh kẹo, các loạimứt, 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.

Đây làm một ngành công nghiệp rất lớn, sử dụng chủ yếu là nguồn tinh dầu thiênnhiên, ngoài ra còn có những chất thơm tổng hợp hoặc bán tổng hợp Xu hướng ngàycàng sử dụng các hương liệu tự nhiên, đòi hỏi phải đi sâu ngiên cứu phát hiện nguồntài nguyên tinh dầu nhằm thõa mãn yêu cầu của lĩnh vực này

Thành phần hoá học

Hoạt chất chủ yếu trong bạc hà là tinh dầu bạc hà Tỷ lệ tinh dầu trong bạc hà thường từ 0,5 đến 1%, có khi có thể lên tới 1,3-2% Bằng phương pháp lựa chọn giống, Liên Xô cũ đã có những loại bạc hà đạt tới 5,2 đến 5,6% tinh dầu (tính trên cây,

đã trừ độ ẩm) Ngoài tinh dầu, trong cây bạc hà còn có các flavonozit

Công dụng

Các loài Bạc hà được xem là thảo dược xưa nhất thế giới, với những bằng chứngkhảo cổ cho thấy nó đã được sử dụng làm thuốc khoảng 10.000 năm về trước Bạc hàkích thích giúp tiêu hóa làm cho ăn dễ tiêu, chữa đau bụng đi ngoài, sát trùng mạnh,chữa cảm sốt, nhức đầu, ngạt mũi Dưới đây là một số bài thuốc tiêu biểu:

 Chữa cảm sốt: dùng lá hay cả cây tươi (10-20 g) cho vào 100 ml nướcsôi, đậy kín, hãm 10 phút, lấy hơi để xông, lấy nước uống nóng, sau đóđắp chăn kín cho ra mồ hôi rồi lau sạch.

 Chữa chảy máu cam: 10 g bạc hà tươi giã nhỏ, vắt lấy nước thấm bônggòn rồi cho vào hai lỗ mũi

 Chữa tưa lưỡi trẻ em: rửa sạch lá bạc hà, cuộn vào đầu ngón tay, rà lênlưỡi vài lần trước khi cho bú

 Chữa ong, kiến đốt: 10 g bạc hà tươi, giã dập với vài hạt muối ăn, đắplên chỗ bị đốt

 Chữa đầy bụng, đau bụng: lá bạc hà khô (50 g), tinh dầu bạc hà (50 g),rượu nặng 90 độ (1000 ml) Mỗi ngày uống nhiều lần, mỗi lẫn 5-10 giọtcho vào nước nóng để uống

1.2.2 Tinh dầu bạc hà

Hình 1.1 Tinh dầu bạc hà

Giảm đau cơ và khớp

Đây thực sự là một loại thuốc giảm đau tự nhiên an toàn và hiệu quả Đặc biệt nó rấthiệu quả với tình trạng đau cơ do hoạt động quá mức, căng cơ, co rút

Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra khả năng giảm đau tại chỗ của tinh dầu bạc hà Bạn

có thể tìm hiểu kỹ hơn về một nghiên cứu bằng cách

Để sử dụng tinh dầu bạc hà vào mục đích giảm đau bạn có thể thoa 2-3 giọt tinh dầuvào khu vực cơ, khớp bị đau 3 lần mỗi ngày Hoặc cho khoảng 5 giọt tinh dầu vào bồntắm cũng giúp giảm đau cơ và thư giãn Bạn cũng có thể kết hợp nó với tinh dầu oảihương nếu muốn có kết quả tốt hơn

Hỗ trợ điều trị các bệnh đường hô hấp trên

Tinh dầu bạc hà là một trong số những loại tinh dầu tốt nhất cho các bệnh đường hôhấp trên Cụ thể nó có thể giúp bạn điều trị một số bệnh sau:

 Giảm đau họng

 Giảm tắc nghẽn mũi, họng do đờm, nhày

 Giảm ho

 Hỗ trợ chữa trị và làm giảm triệu chứng của các bệnh như hen, viêmxoang, cúm, cảm lạnh, viêm phế quản

Giảm dị ứng theo mùa

Tinh dầu bạc hà rất tốt cho tình trạng dị ứng đường hô hấp Có được tác dụng này lànhờ khả năng làm giãn các cơ đường hô hấp, chống viêm, long đờm, làm thông đườngmũi họng của nó Có thể nói đây là loại tinh dầu tốt nhất cho dị ứng theo mùa, dị ứngphấn hoa

Một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Y khoa Châu Âu cho thấy tinh dầu bạc

hà có hiệu quả trong việc điều trị các bệnh viêm mãn tính như: Viêm mũi dị ứng, henphế quản và cả viêm đại tràng Xem nghiên cứu đó

Bên cạnh đó nhiều nghiên cứu khác cũng chứng minh rằng tinh dầu bạc hà giúpgiảm triệu chứng ngứa một cách rõ rệ

Tăng cường năng lượng và hiệu suất làm việc

Nếu bạn cảm thấy mệt mỏi, uể oải, thiếu năng lượng, thiếu sự tập trung hãy thử sửdụng tinh dầu bạc hà Nó sẽ giúp bạn lấy lại năng lượng, cải thiện sự tập trung cũngnhư hiệu suất làm việc Đây thực sự là một sự thay thế an toàn và hiệu quả cho nhữngloại đồ uống tăng lực đang bán tràn lan trên thị trường

Cải thiện các triệu chứng của hội chứng ruột kích thích

Khi sử dụng tinh dầu ở dạng viên nang uống bạn có thể làm giảm các triệu chứng:Đầy bụng, khó tiêu, đau đại tràng, tiêu chảy hoặc táo bón

Nhờ khả năng làm giảm co thắt đại tràng, giảm co bóp quá mức các cơ ở ruột màtinh dầu bạc hà có những tác dụng này

Làm hơi thở thơm mát, tăng cường sức khỏe răng miệng

Tác dụng này có lẽ không cần phải bàn nhiều nữa rồi! Nó đã được sử dụng hàngnghìn năm nay và chắc hẳn chính bạn cũng đã được trải nghiệm những chiếc kẹo cao

su có chứa bạc hà

Có được tác dụng này chính là nhờ khả năng tiêu diệt nấm, vi khuẩn có trong răngmiệng của chúng ta cùng mùi thơm the mát đặc trưng của loại tinh dầu này

Giảm gàu, kích thích tóc phát triển

Có thể bạn sẽ thắc mắc khi nghe đến tác dụng này của tinh dầu bạc hà? Tinh dầubạc hà được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc tóc cao cấp nhờ khả năng phục hồi

tóc hư tổn, kích thích mọc tóc, làm sạch da đầu và khả năng kháng khuẩn kháng nấmcủa nó Menthol một thành phần chính của loại tinh dầu này còn được sử dụng trongcác loại dầu gội trị gàu

Làm đẹp da

Tinh dầu bạc hà có tác dụng làm dịu da, săn chắc và chống viêm da khi được sửdụng tại chỗ Bên cạnh đó nó cũng giúp chăm sóc làn da của bạn khi bị cháy nắng.Một nghiên cứu cho thấy rằng, loại tinh dầu này có giá trị (SPF – Yếu tố chống nắng)cao hơn so với hầu hết các loại tinh dầu khác như: Bạch đàn, hoa hồng, oải hương

Thuốc xua đuổi côn trùng tự nhiên

Không giống như con người chúng ta, một số loại côn trùng hay sinh vật nhỏ không

ưa thích hay thậm chí là ghét mùi hương của tinh dầu bạc hà

Bạn có thể sử dụng loại tinh dầu này để xua đuổi: Gián, kiến, nhện, muỗi hay cảchuột nữa

1.3 Các phương pháp sản xuất tinh dầu

1.3.1 Các phương pháp sản xuất tinh dầu.

- Tùy thuộc vào dạng liên kết của chất thơm trong nguyên liệu (dạng tự do, dạngkết hợp hoặc dạng kết hợp glucozit) mà người ta sử dụng các phương pháp tách tinhdầu khác nhau

- Tuy nhiên, nhìn chung các phương pháp cần phải đạt các yêu cầu chính

 Chất thơm thu được phải có mùi vị ban đầu của nguyên liệu

 Quy trình kĩ thuật phải thuận lợi và nhanh chóng

 Tinh dầu phải tách được triệt để, đảm bảo lấy được hết chất thơm trongnguyên liệu

1.3.1.1 Phương pháp cơ học (phương pháp ép lạnh).

- Tuy nhiên phương pháp này chỉ dùng cho các nguyên liệu có chất thơm ở dạng

tự do (vỏ cam, vỏ quýt,…) và có thể làm thất thoát tinh dầu trong quá trình ép (ví dụ

do tinh dầu bám vào bề mặt ép) nên hiệu suất của phương pháp này là khá thấp

- Phương pháp này khá phổ biến trong đời sống (ví dụ như khi ngâm rượu thuốc),tuy nhiên thời gian tiến hành lâu hơn các phương pháp khác

- Đối với phương pháp này, nguyên liệu sử dụng hoặc là chứa các thành phầnkhông bền nhiệt, hoặc là hàm lượng tinh dầu chứa trong nó rất thấp mà không thểdùng chưng cất thông thường

1.3.1.3 Phương pháp hấp phụ.

- Cách tiến hành:

 Cho một luồng không khí ẩm đi qua nguyên liệu, luồng không khí này sẽcuốn theo các chất thơm nay hơi và vào buồng hấp phụ

 Tại buồn hấp phụ, người ta sử dụng các chất có khả năng hấp phụ tốt (đa

số dùng than hoạt tính) để hấp phụ các chất thơm này

 Phần nguyên liệu còn lại (sau khi hấp phụ hết chất thơm dễ bay hơi)được đem đi chưng cất hoặc trích ly để tận thu phần chất thơm còn lại

- Phương pháp này thương áp dụng cho những loại nguyên liệu có nhiều chấtthơm dễ bay hơi (ví dụ: các loại hoa); tuy nhiên chúng cho năng suất thấp và không thểtận thu triệt để

1.3.1.4 Phương pháp lên men.

- Phương pháp này giống như giai đoạn tiền sử lý để tận thu tinh dầu

- Đối với các loại cây hoặc quả có mùi thơm mà các chất thơm của chúng khôngphải là chất thơm dễ bay hơi (không ở dạng tự do mà tồn tại ở dạng liên kết) thìngười ta có thể lên men sơ bộ nhằm cắt đứt liên kết của chúng để quá trình tách tinhdầu được dễ dàng hơn

1.3.2 Phương pháp chưng cất tinh dầu.

- Chưng cất: là phương pháp dùng nhiệt để phân tách hỗn hợp các cấu tử (lỏng)

có tính chất hòa tan hoàn toàn hoặc không hòa tan hoàn toàn; đối với các cấu tử hòa

tan hoàn toàn thì sự phân riêng xảy ra do sự khác nhau về nhiệt độ sôi (ở cùng điềukiện áp suất), còn đối với các cấu tử không hào tan hoàn từ thì sự phân riêng xảy ra

do sự khác nhau về khối lượng riêng (ở cùng điều kiện nhiệt độ)

- Đây là phương pháp phổ biến nhất và cũng là phương pháp mang lại năng suấtcao nhất để thu tinh dầu

- Nguyên tắc của phương pháp:

 Dựa vào sự thay đổi nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử không hòa tan hoàntoàn theo sơ đồ hình sau:

 Trong đó: A là cấu tử dễ bay hơi hơn; B là cấu tử khó bay hơi hơn; h là hỗnhợp hai cấu tử A và B (hỗn hợp không tan hoàn toàn)

 Dựa vào đồ thị, ta thấy rằng ở cùng điều kiện áp suất thì nhiệt độ sôi củahỗn hợp 2 cấu tử nhỏ hơn nhiệt độ sôi của từng cấu tử riêng biệt

 Đây cũng là nguyên tắc của phương pháp chưng cất tinh dầu: sử dụng mộtchất thứ 2 (có nhiệt độ sôi thấp hơn tinh dầu) để tạo ra hỗn hợp 2 chất cónhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của tinh dầu rất nhiều

- Trên thực tế, các phương pháp chưng cất tinh dầu phổ biến được sử dụng là:

 Chưng cất tinh dầu bằng nước

 Chưng cất tinh dầu không có nồi hơi riêng

 Chưng cất tinh dầu có nồi hơi riêng

1.3.2.1 Phương pháp chưng cất bằng nước.

Hình 1.2: Phương pháp chưng cất

- Trong nồi chưng, hỗn hợp nguyên liệu được ngâm ngập trong nước nhưngkhoảng không phía trên hỗn hợp này (xét ở không gian bên trong nồi) phải tương đốilớn (để khi hỗn hợp ở đáy sôi mạnh thì các tạo chất không bị văng lên phía trên, ảnhhưởng đến hỗn hợp hơi đi lên)

- Nhiệt lượng cung cấp cho hỗn hợp đáy bằng đun nóng trực tiếp và dẫn nhiệtqua đáy nồi

 Ưu điểm của phương pháp này:

 Phù hợp với những nguyên liệu dễ bị xốp và rời rạc

 Thiết bị tương đối đơn giản, rẻ tiền

 Nhược điểm:

 Chất lượng tinh dầu không cao bằng 2 phương pháp còn lại

 Không phù hợp cho những loại nguyên liệu dễ bị thủy giải (do quá trìnhngâm trong nước của nguyên liệu sẽ dẫn đến sự khuếch tán chất tan trongnguyên liệu vào nước → làm thất thoát một lượng lớn tinh dầu)

 Không lấy được các loại nhựa, sáp trong nguyên liệu (đây đều là các chấtđịnh hương rất có giá trị)

 Nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp với đáy trong thời gian đun lâu có thể dẫnđến hiện tượng cháy khét → làm giảm chất lượng tinh dầu về cả hương vàmàu

 Tốn nhiều nhiệt lượng để đun nóng cả khối hỗn hợp

 Khó điều chỉnh các thông số kĩ thuật (nhiệt độ, áp suất).

 Không phù hợp sản xuất quy mô lớn

1.3.2.2 Phương pháp chưng cất không có nồi hơi riêng.

Hình 1 3: Phương pháp chưng cất không có nồi hơi riêng

- Nguyên liệu trong nồi chưng không ngâm trong nước mà được đặt lên một vỉ(có lỗ) hoặc một lưới phía trên để tạo một khoảng cách nhất định với đáy nồi

- Đáy nồi chứa nước và được đun nóng tương tự như phương pháp chưng cấtbằng nước

- Nước khi sôi bố hơi lên phía trên, đi qua lớp nguyên liệu và cuốn theo tinh dầu

- Đây là phương pháp điển hình của trường hợp chưng cất ở áp thường Tuynhiên việc chuẩn bị nguyên liệu đối với phương pháp quan trọng hơn nhiều so vớiphương pháp 1) Do nguyên liệu tiếp xúc với hơi chứ không phải nước nên cần xemxét đến diện tích tiếp xúc giữa hơi và nguyên liệu sao cho sự tiếp xúc này là lớn nhất

- Đồng thời cũng phải xét đến kích thước nguyên liệu, bởi nếu kích thước nàyquá nhỏ thì nguyên liệu có thể bị lọt lỗ, vón cục, làm giảm chất lượng tinh dầu

- Tốc độc chưng cất trong trường hợp này không quan trọng như đối với phươngpháp 1) Tuy nhiên, nếu tốc độ nhanh sẽ ít xảy ra hiện tượng quá ướt của chất nạp (nóicách khác là sự đọng nước ở nguyên liệu khi hơi đi chậm, khi đó ẩm quá bão hòa sẽdẫn đến sự đọng sương)

 Ưu điểm của phương pháp này:

 Nguyên liệu không bị khê khét do không tiếp xúc trực tiếp với đáy nồi

 Do không ngâm trong nước nên giảm được thất thoát tinh dầu do sự khuếchtan vào lỏng

 Tốn ít nhiệt lượng hơn phương pháp 1) do chỉ cần cung cấp nhiệt đun sôinước

 Chưng cất bằng phương pháp này chỉ ở áp suất thường nên tạo ra ít sảnphẩm phân hủy.

 Nhược điểm:

 Nguyên liệu cản trở dòng hơi, xuất hiện hiện tượng đọng nước; các giọtnước này có thể mang theo tinh dầu rơi xuống dưới → làm thất thoát tinhdầu

Vì thế, trong thực nghiệm phải tính toán đến cách bố trí nguyên liệu cho hơp lý để diện tích tiếp xúc của hơi với nguyên liệu là lớn nhất

 Do nguyên liệu được đặt trên các vỉ lỗ (hoặc lưới) nên đối với các nguyênliệu được sơ chế đến kích thước nhỏ có thể lọt vụn xuống dưới → dẫn đếnhiện tượng bám cặn và cháy két ở đáy nồi

Vì vậy, sau mỗi lần chưng sẽ phải thay nước ở đáy nồi để tránh ảnh hưởng đến chất lượng tinh dầu

 Khó điều chỉnh vận tốc hơi chưng cất

1.3.2.3 Phương pháp chưng cất có nồi hơi riêng.

Hình 1 4 : Phương pháp chưng cất có nồi

 Nguyên liệu được đặt vào giỏ trước khi cho vào nồi chưng

 Đặt giỏ chứa nguyên liệu sao cho cách đáy một khoảng để chừa không giancho hơi cấp từ dưới đi lên

 Sử dụng một nồi hơi riêng để tạo hơi cấp vào nồi chưng

 Hơi đi từ dưới lên, đi qua lớp vật liệu và cuốn theo tinh dầu đi lên (hơi nướctạo ra từ nồi hơi thường có áp suất cao hơn không khí)

 Ưu điểm của phương pháp này:

 Giống như phương pháp 2), do nguyên liệu không tiếp xúc với đáy nồi nêngiảm được tình trạng khê khét của nguyên liệu

 Việc dùng nồi hơi riêng giúp điều chỉnh được nhiệt độ và áp suất mongmuốn để tận thu tinh dầu

 Có thể chưng ở áp suất cao hơn để quá trình giải phóng tinh dầu trongnguyên liệu diễn ra nhanh → rút ngắn được thời gian chưng cất.

 Do thời gian chưng nhanh và năng suất sản phẩm lớn nên phương pháp này

có thể áp dụng ở những quy mô sản xuất lớn

 Nhược điểm:

 Phương pháp này không áp dụng cho các nguyên liệu kém chịu nhiệt hoặchàm lượng thấp (do hàm lượng thấp thì thời gian chưng kéo dài → vừa ảnhhưởng đến nguyên liệu, vừa tốn nhiều hơi để chưng và tốn nhiều nước đểngưng tụ)

 Nhiệt độ và áp suất cao sẽ tạo ra nhiều sản phẩm phân hủy

 Giống như phương pháp 2), ở phương pháp này cũng cần lưu ý đến cách bốtrí nguyên liệu và việc xử lý nguyên liệu đầu vào (xét về kích thước) để tậnthu được lượng tinh dầu tốt nhất

 Chi phí đầu tư ban đầu khá cao

1.3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chưng cất tinh dầu.

 Sự khuếch tán:

- Đối với những nguyên liệu có kích thước lớn, trước khi chưng cất cần trải quamột công đoạn làm nhỏ nguyên liệu Quá trình này sẽ làm phá vỡ một số mô chứa tinhdầu và giải phóng một phần tinh dầu ra bề mặt nguyên liệu

- Còn lại phần lớn tinh dầu nằm trong các mô của nguyên liệu Khi đó, để táchđược chúng thì phải có tác động nhằm làm cho tinh dầu thoát ra khỏi mô và từ từ tiến

từ bên trong nguyên liệu ra bề mặt Quá tình này gọi này sự khuếch tán

- Khi hơi nước tiếp xúc với nguyên liệu, nguyên liệu được làm nóng dần lên tớinhiệt độ sôi Tại nhiệt độ sôi, một phần tinh dầu được giải phóng khỏi mô và hòa vàonước có sẵn trong nguyên liệu, từ đó khuếch tán dần ra bên ngoài bề mặt Đồng thời,nước sẽ thẩm thấu dần vào nguyên liệu (ngược chiều với chiều đi của tinh dầu) để tiếptục hòa tan lượng tinh dầu trong nguyên liệu

Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong mô được giải phóng triệt để

- Có thể thấy rằng, nước đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự khuếch tántrong nguyên liệu Vì vậy, trong chưng cất người ta thường sử dụng hơi quá nhiệt; điềunày vừa giúp quá trình giải phóng tinh dầu diễn ra nhanh, đồng thời còn tránh chonguyên liêu bị khô làm ảnh hưởng đến sự khuếch tán diễn ra trong nguyên liệu

 Nhiệt độ:

- Nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp đến nguyên liệu, do trong thành phần nguyênliệu chứa nhiều hợp chất thơm kém bền nhiệt

- Ở nhiệt độ cao, sản phẩm tinh dầu tạo ra có thể chứa nhiều sản phẩm phân hủy.

Vì thế, trong chưng cất phải lưu ý đến nhiệt độ chưng và thời gian chịu nhiệt củanguyên liệu để tránh làm giảm chất lượng tinh dầu thành phẩm

- Tuy nhiên, các yếu tố đều có sự liên hệ với nhau Ví dụ, khi tăng nhiệt độ thì sựkhuệc tán và thẩm thấu diễn ra nhanh, đồng thời sự hòa tan của tinh dầu vào nướccũng tăng; tuy nhiên khi nhiệt độ cao thì các chất kém bền nhiệt sẽ bị phân hủy, làmcho tinh dầu bị giảm chất lượng

Do đó, cần điều chỉnh sao cho phù hợp và hài hòa các yếu tố để thu được chất lượngtinh dàu tốt nhất

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT TINH DẦU BẠC HÀ 2.1 Lựa chọn phương pháp

Qua tìm hiểu tổng quan về bạc hà và các phương pháp tận thu tinh dầu bạc hà,

em quyết định lựa chọn phương pháp chưng cất tinh dầu sử dụng nồi hơi riêng.Phương pháp này mặc dù tốn nhiều chi phí đầu tư ban đầu hơn các phương phápcòn lại, tuy nhiên nó có các ưu điểm sau:

 Chưng cất giúp đảm bảo tận thu được hàm lượng tinh dầu cao hơn cácphương pháp còn lại

 Sử dụng được ở quy mô công nghiệp nên tính ứng dụng thực tế cao

 Năng suất làm việc lớn, phù hợp với yêu cầu đề bài là 300 kg/h

 Đối với nguyên liệu bạc hà, nguồn thu tinh dầu chủ yếu từ thân và rễ nên đểtách nhanh tinh dầu ta có thể sử dụng áp cao để việc phá vỡ cấu trúc tế bào,giải phóng dịch diễn ra nhanh hơn

2.2 Sơ đồ sản xuất

Chất đốt

Phơi khôTinh dầu loại 2

Tinh dầu loại 1

Tinh chế

Phân ly

Chưng cất

BãNước chưng

Tinh dầu thô

Nguyên liệuHỗn hợp hơi chứa tinh dầu

Xử lý nguyên liệuNguyên liệu

2.3 Thuyết minh quy trình

2.3.1 Quá trình xử lý nguyên liệu

Nguyên liệu được sử dụng là lá và thân bạc hà tươi Việt Nam

Bạc hà được thu hoạch vào khoảng tháng 7 dương lịch, khi đã ra hoa Khi này câyđạt hàm lượng tinh dầu nhiều sấy

Sau khi thu hái về bạc hà sẽ được loại bỏ những cây hư hay loại bỏ những câykhông phải bạc hà và sẽ đưuọc phơi trong bóng râm từ 1-3 ngày, đến độ ẩm khoảng50%

Việc phơi nguyên liệu như vậy có thể bảo quản nguyên liệu, mà còn có thể giảmthười gian chưng và năng lượng để chưng cất

Sau đó bạc hà sẽ được sấy

2.3.2 Chưng Cất

Nguyên liệu sau khi trải qua các công đoạn của quá trình xử lý nguyên liệu sẽ bắtđầu quá trình chưng

Các thao tác tiến hành như sau:

- Nguyên liệu sau sấy được cho vào giỏ để đưa vào nồi chưng Việc sắp xếpphải đảm bảo diện tích tiếp xúc giữa hơi và nguyên liệu là lớn nhất

- Sau khi xếp xong, giỏ đựng nguyên liệu được đưa vào nồi chưng

- Đậy nắp nồi lại, kiểm tra các đường cấp hơi, đường hơi ra thiết bị ngưng tụ,đường tháo nước ngưng

- Sau khi đã kiểm tra và đảm bảo yêu cầu vận hành, tiến hành cấp hơi vào nồi

để bắt đầu chưng cất

- Hơi sẽ được đi vào từ dưới đáy nồi, đi lên trên, tiếp xúc với nguyên liệu vàbắt đầu quá trình lôi cuốn tinh dầu

2.3.4 Phân ly.

Hỗn hợp lỏng bao gồm: tinh dầu và nước

Đối với tinh dầu bạc hà, do trọng lượng riêng nhẹ hơn nước nên khi phân lớp chúng

sẽ nổi lên trên

Có nhiều cách để phân ly hỗn hợp tinh dầu và nước Có thể kể đến một vài phươngpháp như:

- Phương pháp lắng: dựa vào sự khác nhau về tỷ trọng của tinh dầu và nước.

Người ta để hỗn hợp một thời gian đến khi chúng phân lớp, khi đó chất cótrọng lượng riêng nhỏ hơn sẽ nổi lên trên và ngược lại Hỗn hợp sau phânlớp được tháo ra ngoài theo các đường dẫn khác nhau của thiết bị phân ly

- Phương pháp lọc: dựa vào tính thấm ướt chọn lọc của các chất lọc khác

nhau Khi cho hỗn hợp qua một màng lọc dễ thấm nước thì nước bị giữ lại(tinh dầu không bị thấm bởi màng lọc này) và nước được tách ra dễ dàngkhỏi hỗn hợp Tuy nhiên phương pháp này khá tốn kém và không đạt hiệuquả cao do liên tục phải thay màng lọc

Ở đồ án này, em sử dụng phương pháp lắng cho quá trình phân ly để thu tinh dầuthô và nước chưng

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Tính cân bằng vật liệu

- Thông số đầu vào:

- Năng suất theo nguyên liệu: 200kg/mẻ;

- Hàm lượng tinh dầu chiếm 1,8 (%w/w) khối lượng bạc hà;

- Độ ẩm nguyên liệu là 50%;

- Giả sử hiệu suất quá trình chưng cất là 96%

- Lượng tinh dầu theo giả thiết có thể thu được khi chưng cất bạc hà với năngsuất theo nguyên liệu là 200 kg/mẻ là:

G d=200.1,8 %.96 %=3,456 kg

3.1.2 Lượng nước có trong hỗn hợp bay ra

Hỗn hợp nước và tinh dầu sôi khi áp suất tổng cộng bằng áp suất bên ngoài Nhưthế khi cất tinh dầu ở áp suất thường quá trình sẽ tiến hành ở nhiệt độ luôn luôn dưới100C

Nhiệt độ và thành phần nước ngưng tụ luôn luôn không đổi trong suốt thời gianchưng 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 bằngcông thức:

G A

P A M A

P B M B

Trong đó:

- 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 bạc hà menthol chiếm trên 70% nên tính gần đúng, có thể xem toàn bộ làmenthol Phân tử lượng của menthol MA=156 g/mol Áp suất riêng phần ở 100C là

P 'A=10,5 mmHg

Phân tử lượng của nước là MB =18g/mol Áp suất riêng phần ở 100C là P 'B=760 mmHg.Tổng áp suất ở 100C là: P=P ' A+P 'B=760+10,5=770,5mmHg

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 menthol là:

Có nghĩa là khi hỗn hợp bay hơi ra cứ có một phần tinh dầu bạc hà thì có 1,5 phần nước

Ta có lượng tinh dầu thu được sau quá trình chưng là: Gd =3,456 kg, suy ra lượng nước bayhơi sau quá trình chưng là:

G n=G d.8,35=3,456.8,35=28,858 (kg)

Do tinh dầu nằm trong các tế bào của lá bạc hà nên hiệu suất chuyển khối lượng tinh dầu

ra rồi được nước lôi cuốn đi ước khoảng 12% nên lượng nước bay hơi thực tế là:

G 'n= G n

0,12=

28,8580.12 =240,48(kg)

26

3.1.3 Tính nhiệt độ chưng cất

Để xác định nhiệt độ chưng cất bằng hơi nước của một số cấu tử riêng biệt 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 mặt thoáng là 760 mmHg, áp suất riêng phần của hơi nước là 717,5mmHg Tra tài liệu [5], ta có:

T1−T2

t1−t2 = q (6)Hằng số q đối với nhiều chất lỏng sẽ dao động trong khoảng 1 – 2 đơn vị Đối với chất lỏng chính chọn để tính toán thì thường chọn nước do đây là chất lỏng đã được nghiên cứu

kĩ ở các áp suất khác nhau Còn xét tổng áp suất của hỗn hợp hơi thì thường chọn ở 760 mmHg do tại đây nhiệt độ sôi của các chất lỏng đa phần đều được xác định

- Tại áp suất 760 mmHg, ta có nhiệt độ sôi của tinh dầu (lấy theo cấu tử chínhZingiberene) là: T1 = 134℃; của nước là: t1’ = 100℃

27

- Tại áp suất 5 mmHg, ta có nhiệt độ sôi của tinh dầu là: T2 = 86℃; của nước là: t2’ =1,48℃ (nội suy từ bảng I.250 – 312 [2]).

- Khi đó ta tính được hằng số q theo (6):

Bảng 3 1: áp suất hơi riêng phần theo nhiệt độ

- Vậy nhiệt độ chưng cất cần tính là:

T = 97.87+ 764,61−439,07760 – 439,07 = 98,86 (℃)

3.2 Tính toán thiết bị chính

3.2.1 Thân nồi

3.2.1.1 Xác định các kích thước chính

- Khối lượng riêng trung bình của khối nguyên liệu: ρ= 0,182 (Kg/l)

- Tổng nguyên liệu bạc hà cho một mẻ là: G= 200 (Kg)

- Thể tích tổng khối nguyên liệu: Vnl= G ρ = 0,182200 =1099(L) ≈ 1,1m3

28

- Hệ số điền đầy 80%, thể tích thân nồi:

Chiều cao thân thiết bị chưng cất h = 1,8 m

Đường kính trong thân thiết bị chưng cất D = 1,2 m

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 củathân nồi được tính từ công thức sau:

S= 2,3.[σ ] φ− p Dt p +C (m) (III.1)Trong đó:

 p− Áp suất trong của thiết bị, với môi trường trong thiết bị là hơi nên suy ra: p = p1

Với p1 =1(atm)=101325(Pa) - là áp suất hơi

 φ− Hệ số làm yếu, phụ thuộc vào số lỗ, số cửa trên thân hình trụ Trên thân hìnhtrụ 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:

Và C = C1+C2+C3

- C1 - bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường vàthời 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 bềnC1=1mm)

- C2 - đại lượng bổ sung do hao mòn chỉ cần tính đến trong các trường hợpnguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị Đại

29

lượng này thường được chọn theo thực nghiệm Đối với trường hợp chưng cấtcác 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 dàytấm 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)

 Đường kính ngoài của nồi: dn= dt + 2.S = 1208 (mm)

Khối lượng của thân thiết bị: