THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT TINH DẦU HỒI QUY MÔ NHỎ Nguyễn Văn Dưỡng, Vũ Thị Hoàng Phương Trung tâm Nghiên cứu Lâm đặc sản TÓM TẮT Nhằm t ừng bướ c hoàn thiện công nghệ ch c hế biến và nâng cao giá tr ị kinh tế c ủa cây Hồ i, một loại cây LSNG hiện đang đượ c gây tr ồng và phát triển mạnh ở một số tỉnh biên giớ i phía Bắc, đề tài “Thiết k ế, chế tạo và chuyển giao hệ thống chưng cất tinh dầu Hồ i quy mô nhỏ” đã chế t ạo, lắp đặt và chạy khảo nghiệm thành công hệ th t hống thiết bị chưng cất tinh d ầu H ồ i t ại xã Yên Phúc, huyện Văn Quan, tỉnh Lạng Sơn. Công suất 300kg nguyên liệu khô/mẻ. Trên cơ sở k k ết hợ p k ỹ thu t huật chưng cất tinh dầu truyền th ống vớ i nh ững tiến bộ về k ỹ thu t huật làm lạnh và phân ly tinh dầu, thiết b ị chưng cất do đề tài thiết k ế và chế t ạo đã thu đượ c những k ết qu ả khả quan, hạn chế thất thoát sản phẩm, nâng cao chất lượ ng ng tinh dầu và tiết kiệm nhiên liệu. Qua chạy thử nghiệm, mỗi mẻ chưng cất đã mang lại cho ngườ i sản xuất 1.850.000 đồng tiền lãi. Hệ thống thiết b ị có những tính năng và t hông số k ỹ thu ật cơ bản sau: - Nguyên lý hoạt động: Chưng cất bằng nướ c có hồi lưu dịch ngưng; - Lò đốt: xây bằng g ạch chịu lửa và xi măng chịu nhiệt; dầm lò bằng thép C20; có 2 bộ ghi lò bằng gang đúc, một bộ dùng cho đốt c ủi và một bộ dùng cho đốt than; ống khói cao 8m, có gắn le gió; - Nồi chưng cất: làm bằng vật liệu SUS 304; cửa nạ p liệu ở phía phía trên và cửa xả liệu ở phía phía dướ i;i; Có gắn can nhiệt, áp k ế và van an toàn. Bảo ôn bằng bông thủy tinh, lớ p bảo ôn dày 100mm. Phía trên đáy nồi đượ c thiết k ế vớ i 01 giàn phân phối hơi, nên nồi chưng cất có thể sử dụng đượ c trong trườ ng ng hợ p có trang bị lò hơi; - B ộ phận làm lạnh: kiểu ống chùm, thiết diện b ề mặt trao đổi nhiệt 6m2. Nướ c làm lạnh có một tháp giải nhiệt cỡ nh nhỏ. đượ c hồi lưu nhờ có - Bộ phận phân ly tinh dầu: đượ c thiết k ế dựa trên nguyên lý lắng và phân lớ p theo tỷ tr ọng của các chất lỏng không hòa tan vớ i nhau. Từ khóa khóa: Chưng cất tinh d ầu Hồi, Trans-anethol, Quy mô nhỏ. ĐẶT VẤN ĐỀ Vài nét sơ lược về cây Hồi và tinh dầu Hồi Hồi ( Illicium Illicium verum Hook. F.) là loài cây đặc hữu của miền Bắc Việt Nam v à miền Nam Trung Quốc. Tinh dầu Hồi (TDH) là sản phẩm được chưng cất từ quả hay lá của cây câ y Hồi. Phương pháp chưng cất được sử dụng trong sản xuất là phương p hương pháp cất cuốn bằng hơi nước ở áp suất thường hay áp suất hơi bão hòa. ắng, sau đó chuyển sang màu vàng TDH lúc mới cất ra là một chất lỏng sánh, có màu sáng tr ắng, 0 nhạt. Tỷ trọng ở 25 C dao động từ 0,978 - 0,988. Chỉ số khúc xạ nằm trong khoảng 1,5507 – 1,5564, hòa tan trong 1,0 – 2,5 thể tích alcohol 90%. Cấu tử chính và quan tr ọng ọng nhất của TDH là Trans-anethol, hàm lượ ng ng trung bình chiếm tới 68 – 87% khối lượng tinh dầu. TDH chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dùng để pha chế một loại rượu mạnh dùng cho xứ lạnh (rượu anise). Sau phát minh của hãng dược phẩm Roth (Thụy Sĩ), quả Hồi đã tr ở thành nguồn nguyên liệu có giá trị để tách chiết axit Shikimic d ùng cho việc tổng hợp Oseltamivir photsphat, ho ạt chất chính của thuốc Tamiflu, hiện được coi l à loại biệt dược để phòng chống và điều trị bệnh cúm gia cầm H 5 N1. B ởi vậy, những năm gần đây, giá bán các loại sản phẩm của cây Hồi ngày một tăng cao.
Hiện trạng thiết bị sản xuất tinh dầu Hồi ở Việt Nam Trước năm 1979, nước ta đã có một xí nghiệp chưng cất TDH với trang thiết bị của Pháp đặt ở Phai Vệ , Lạng Sơn, hàng năm cung cấp cho thị trường khoảng 150 tấn sản phẩm TDH chất lượng tốt, đáp ứng đầy đủ các ti êu chuẩn cho xuất khẩu, kể cả những thị trường khó tính như Tây Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản. Trong thời gian này, nước láng giềng của chúng ta vẫn chưa có một cơ sở sản xuất TDH nào với trang thiết bị tương tự. Năm 1979, trong chiến tranh biên giới, xí nghiệp này đ ã bị Trung Quốc phá hủy ho àn toàn (một số người cho rằng, chỉ nhà xưởng v à thiết bị phụ bị phá hủy, còn những thiết bị chính được tháo dỡ và mang về Trung Quốc). T ừ đó đến nay, đã h ơn 30 năm, người dân Lạng Sơn lại phải quay về sử dụng các loại h ình thiết bị chưng cất thủ công, kiểu như nấu rượu để sản xuất TDH. Chất lượng TDH chưng cất thủ công r ất khác nhau, phần lớn không đảm bảo ti êu chuẩn cho xuất khẩu, vì còn lẫn nhiều tạp chất và nước. Trong thời gian n ày, thì phía bên kia biên giới, Trung Quốc lại có những bước tiến nhảy vọt trong lĩnh vực chưng cất v à chế biến TDH dùng cho xuất khẩu. Trong thời gian vừa qua, đề tài đ ã tiến hành 3 đợt khảo sát về hiện trạng v à thiết bị chế biến TDH ở Lạng Sơn và Quảng Ninh, thấy rằng: a/ V ề lò đố t. Là bộ phận cấ p nhiệt cho nồi chưng cất tinh dầu. Có 2 loại là lò đất đào ngay tại r ừng và lò xây bằng g ạch thườ ng, không có ống khói. R ất nhiều lò không có ghi. Nhiên liệu dùng cho việc đốt chủ yếu là củi, một số nơi dùng than cám trộn bùn + đấ t sét. b/ V ề n ồi chưng cấ t. Các loại nồ i sử d ụng để chưng cất TDH ở Lạng Sơn gồ m nồi chưng cất TDH cổ truyền, n ồ i bằng thùng phuy xăng, nồi đáy nhọn, nồ i có thân xây bằng g ạch và đáy bằng chảo gang, nồi bằng tôn hàn, ….
Ảnh 1. Nồi cổ truyền ; Ảnh 2. Nồi thùng phuy; Ảnh 3. Nồi đáy nhọn; Ảnh 4. Nồi có thân xây bằng gạch
Ả nh 5. N ồi có chóp chả o gang
Ả nh 6,7. N ồi bằ ng tôn
Dung tích nồi chưng cất r ất khác nhau: cái nhỏ nhất ~0,2m3 (nồi b ằng thùng phuy xăng, nồi đáy nhọ n), cái lớ n nhất ~2,7m3 (làm bằng tôn hoặc xây bằng gạch). Đại b ộ phận nồi chưng cất có đáy làm bằng chảo gang, chóp hình nón cụt bằng tôn hàn hoặc là một chảo gang úp, giữa là lỗ thoát hỗn hợp hơi khí, kiể u vòi voi. Phần lớ n các nồi chưng cất TDH ở Lạng Sơn không có cửa nạ p liệu và thải liệu riêng. Công việc nạ p liệu và tháo bã đượ c thực hiện thông qua miệng nồi.
Các khớ p nố i giữa đáy nồ i vớ i thân nồi, giữa thân nồi vớ i chóp nồi đượ c b ịt kín bằng đất sét, vải tẩm đất sét, vôi vửa hoặc xi măng. Bộ phận làm lạnh của các lò chưng cất thườ ng là một ống hợ p kim nhôm hay một hộ p nhôm dựng đứng hoặc đặt nghiêng trong một bể nướ c. B ể nướ c làm lạnh thường đượ c xây bằng gạch, ở một vài nơi đượ c làm bằng tôn. Khớ p nố i giữa vòi voi vớ i thiết bị làm lạnh đượ c bịt kín bằng đất sét, xung quanh quấn vải hay xăm xe máy cũ. c/ V ề bộ phận phân ly tinh dầu. Các hộ chưng cất TDH ở Lạng Sơn không có và không biết sử dụng thiết bị phân ly tinh dầu. Hỗn h ợp dịch ngưng thu được sau khi đi qua bộ phận làm lạnh chảy vào chum hứng bằng sành, vào các thùng tôn hoặc can nhựa. Sau đó dùng gáo múc lớp tinh dầu nổi ở phía trên, và họ coi đây là sản phẩm cuối cùng, nên không xử lý g ì thêm và đem bán ra thị trường.
Ảnh 8 v à 9. Dụng cụ hứng TDH Từ những vấn đề đã nêu trên đây, rút ra được một số nhận xét về bức tranh sản xuất TDH hiện tại ở Lạng Sơn như sau: - Tất cả các loại hình thiết bị chưng cất TDH ở Lạng Sơn là thiết bị thủ công, với thiết kế sơ sài và đơn giản, được làm t ừ những loại vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, tuổi thọ thấp, thiếu dụng cụ theo dõi chế độ chưng cất, kiểm tra mực nước, dịch ngưng không được hồi lưu, thường không có cửa nạp liệu và xả liệu riêng, nên gây không ít vất vả khó khăn cho người lao động; - Không có bộ phận phân ly và không có biện pháp xử lý s ản phẩm, nên sản phầm tinh dầu làm ra có chất lượ ng thấp, không đủ tiêu chuẩn dùng cho xuất khẩu; - Thiết b ị làm lạnh không đả m b ảo, thiết diện b ề m ặt trao đổi nhiệt bé, lại không có các loại vật liệu làm zoăng phù hợ p, v ừa đảm bảo độ kín, vừa ch ịu nhiệt l ại chịu d ầu nên đã làm thất thoát một lượ ng lớ n tinh dầu ra môi trườ ng xung quanh, hiệu suất chưng cất thấ p. Bở i vậy, việc nghiên cứu thiết k ế và chế t ạo một dây chuyền thiết b ị chưng cất TDH thỏa mãn đượ c những đòi hỏi trên đây của thực tế sản xuất hiện nay là một việc làm cần thiết.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nội dung - Thiết k ế các thiết bị của hệ thống chưng cất TDH quy mô nhỏ; - Chế tạo các thiết b ị của hệ thống chưng cất TDH quy mô nhỏ; - Lắp đặt và chạy thử hệ thống thiết b ị. Phương pháp Phương án thiế t kế - V ề nguyên lý làm vi ệc: Trong thực t ế sản xuất tinh dầu trên thế giớ i hiện đang sử dụng hai công nghệ chưng cất: chưng cất liên t ục và chưng cất gián đoạn. Thiết bị chưng cất làm việc theo nguyên lý liên t ục, thườ ng có công suất l ớ n, sản xuất có quy mô công nghiệp, giá thành đầu tư cao, nên chỉ đượ c áp dụng cho những vùng nguyên liệu tậ p trung, sản lượ ng lớ n. Còn để sản xuất tinh dầu t ừ những nguồn nguyên liệu có sản lượ ng vừa và nhỏ, thì người ta thườ ng sử dụng công nghệ và thiết b ị chưng cất có công suất nhỏ, nguyên lý làm việc gián đoạn, có giá thành đầ u tư thấ p (từ vài chục đến hàng trăm lần) so vớ i công nghệ chưng cất liên tục. Hệ thống thiết bị chưng cất TDH quy mô nhỏ của đề tài đượ c thiết k ế làm việc theo nguyên lý gián đoạn. Phương pháp chưng cất đượ c sử dụng là phương pháp chưng cấ t bằng hơi nướ c, có hồi lưu kín dịch ngưng.
- V ật liệu chế t ạo: TDH là sản phẩm đượ c sử dụng nhiều trong công nghiệ p thực phẩm và công nghiệp Dượ c, nên các loại v ật liệu đượ c s ử dụng để chế t ạo các bộ ph ận trong dây chuyền thiết bị chưng cất của đề tài đều đượ c làm bằng các loại vật liệu không han r ỉ, không có hại cho sức khỏe của con ngườ i. Các khớ p nố i, chỗ nối đượ c làm kín bằng các zoăng teflon, là loại vật liệu chịu dầu, chịu nhiệt và cho phép đượ c sử dụng trong ngành thực phẩm. - V ề công suấ t: dựa trên k ết quả điều tra khảo sát, đánh giá nguồn nguyên liệu, qui mô của thực tiễn sản suất, đề tài quyết định chọn công suất cho nồi chưng cất là 300 kg nguyên liệu quả Hồi khô/mẻ. - Lò đố t: Lớ p trong lò, nơi tiế p xúc vớ i ngọn lửa đượ c xây bằng gạch chịu l ửa vớ i bột sa môt và xi măng chịu nhiệt, lớp ngoài đượ c xây bằng gạch đặc. Xung quanh lò đượ c gia cố bở i một bộ gông giằng bằng kim loại. Dầm lò làm bằng thép chịu nhiệt C20. Có 2 bộ ghi lò, một b ộ dùng cho đốt củi và một bộ dùng cho đốt than, được đúc bằ ng gang. Có một quạt lò, quạt này đượ c s ử d ụng khi nhóm lò và khi c ần gia tăng nguồn nhiệt cho lò. Lò đượ c thiết k ế vớ i một ống khói có đườ ng kính 0,168m, cao 8,0m. Để đảm bảo an toàn cho ngườ i vận hành đoạn dướ i của ống khói đượ c bảo ôn bằng bông thủy tinh, tại độ cao 3,0m đượ c gắn vớ i một le gió làm bằng thép không r ỉ. - N ồi chưng cấ t: đề tài chọn kiểu nồi chưng cất TDH thân có dạng hình tr ụ, chóp hình nón cụt, ở giữa là cửa thoát hỗn h ợp hơi khí, kiểu vòi voi. Nồi chưng cất đượ c thiết k ế vớ i một cửa n ạ p liệu ở phía trên và một cửa xả liệu ở phía dướ i; 4 cửa quan sát mực nướ c kiểu kính gắn trên mặt bích; có đồng hồ đo áp suất, một van an toàn và một can nhiệt. Xung quanh phần thân nồi, chóp nồi và vòi voi đượ c b ảo ôn bằng một lớ p bông thủy tinh, dày 100 mm. Áo ngoài c ủa lớ p bảo ôn làm bằng thép chịu nhiệt, dày 0,35 mm. - Bộ ph ận cấ p nhi ệt: Do công suất nhỏ, địa bàn sử d ụng hướ ng t ớ i là các thôn bản tr ồng Hồi ở miền núi của t ỉnh Lạng Sơn, không có nước máy, nướ c sông suối đều là nướ c cứng, nên việc chưng cất TDH bằng nồi hơi là hoàn toàn không phù hợ p. Hệ thống thiết bị của đề tài sẽ đượ c cấ p nhiệt bằng một buồng đốt, dùng than hoặc củi. - Bộ phận làm lạnh: Bộ phận làm lạnh đượ c thiết k ế kiểu ống chùm, vớ i thiết diện trao đổi nhiệt đủ đảm bảo làm giảm nhiệt độ của dịch ngưng xuống khoảng 350C (cơ sở tính toán xem ở ph ần sau). Để tiết kiệm, nước làm mát đượ c hồi lưu và sử d ụng liên t ục nh ờ có một máy bơm và một tháp giải nhiệt c ỡ nhỏ. - V ề thi ế t b ị phân ly: Thi ết bị phân ly tinh d ầu đượ c thiết k ế d ựa trên nguyên lý lắng và phân lớ p theo t ỷ tr ọng của các hợ p chất lỏng không hòa tan vớ i nhau. - Khung giá đỡ : Khung giá đỡ bao xung quanh để đị nh v ị nồi chưng cất, lắp đặt thiết bị làm lạnh và là dàn giáo để thao tác vận hành thiết bị chưng cất. Sơ đồ nguyên lý làm việc và k ết cấu của hệ thống thiết bị chưng cất đượ c thể hiện trên hình 1. Tính toán xác đị nh các thông số k ỹ thuật cơ bả n củ a hệ thố ng thiế t bị - Tính thể tích nồi chưng cất: Thể tích của nồi chưng cất đượ c tính theo công thức: V = M/G; ở đây: M – khối lượ ng nguyên liệu của một mẻ chưng cất, kg; G - khối lượng riêng đổ đống của nguyên liệu, kg/m3. Sau đó chọn đườ ng kính và sẽ tính đượ c chiều cao của nồi.
Hình 1: 1 - Lò đốt; 2 – N ồi chưng cất; 3- Bình phân ly; 4 – Thiết bị l àm l ạnh ; 5 – Tháp giải nhiệt; 6 – Bể chứa nước l àm mát; 7 – Máy bơm
- Tính kích thướ c bộ phận làm lạnh: Đườ ng kính của thân thiết b ị làm lạnh được xác định thông qua phép tính thiết diện bề mặt trao đổ i nhiệt của các ống chùm. Kích thướ c ống trao đổi nhiệt đượ c chọn: chiều cao 1000mm, đườ ng kính 21mm. Chọn T 1 và T2 là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của hỗn hợp hơi – khí (h ỗn hợp nướ c và tinh dầu); t1 và t2 là nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của nướ c làm lạnh. Hai lưu thể là h ỗn hợp hơi nướ c + tinh dầu và nướ c làm lạnh đi ngượ c chiều nhau. Sử dụng các công thức và các thông số có sẵn trong “Sổ tay quá trình và thiết b ị công nghệ hóa chất” [1], hệ số nhiệt độ trung bình đượ c tính theo công thức: t tb
Trong đó: Δt1 = T1 – t2; Δtn = t2 – t1. Ở đây, lấy T1 = 1000C; t2 = 450C và t1 ; = 280C. Chọn nhiệt độ đầu ra của dịch ngưng là 350C. K ết quả phép tính: t 1 Nhiệt độ trung bình của lưu thể lạnh: Δ ttb = 23,285oC, nên nhiệt độ trung ln t n bình của lưu thể nóng Δttb1 = 100 – 23,285 = 76,715oC; Δttb2 = (45 + 28)/2 = 36,5oC;
t 1 t n
Khi biết h ệ số nhiệt độ trung bình, tra chọn các tính chất v ật lý của nướ c ở nhi ệt độ màng ngưng [1] và sử dụng công thức Nuselt để tính hệ số cấ p nhiệt phía lưu thể nóng: 1
1,15 4
r
2
3
3600 g
t H
(V.100 [2])
Trong đó: r – nhiệt ngưng tụ, kcal/kg, r = 539,4 kCal/kg ρ – khối lượng riêng của nước ngưng, kg/m3
λ – hệ số dẫn nhiệt, kcal/mh độ µ - độ nhớt của nước ngưng, kg/ms Δt – hiệu số nhiệt độ ts – tw H – chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1 m. Thay các số vào ta có α1 = 6851,58 kcal/m2h độ . Sau đó tính nhiệt t ải riêng phía lưu thể nóng theo công thức: q 1 = α1 x Δt1[2], ở đây Δt1 = tt1 - Δttb1 (tt1 - nhiệt độ tường phía hơi, sau nhiều lần tính thử, tt1 đượ c chọn là 85oC). Hệ số cấ p nhi ệt phía lưu thể l ạnh: đố i vớ i thiết b ị kiểu ống chùm có vách ngăn, hệ s ố cấ p nhiệt đượ c tính gần đúng theo công thức α2 = Nu/(λ x l); ở đây Nu là chuẩ n số Nuselt.
Nu = 0,41 x εφ x Re0,6 x Pr 0,33 x (Pr/Pr 1); ở công thức này: Re là chu ẩn số Renolt, Pr là chuẩn số Phrans ở nhiệt độ trung bình của nướ c làm lạnh (36,5oC) và Pr 1 là chuẩn số Phrans ở nhiệt độ tườ ng ống trao đổi nhiệt (85oC). Các chuẩn s ố đượ c tra chọn trong “Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất”, tậ p I [1]. K ết quả tính toán: α2 = 887,6 kcal/m2h độ. Từ đây ta tính đượ c nhiệt lượng nướ c lạnh nhận đượ c trong 1 giờ và qua đó tính đượ c khối lượng nướ c làm lạnh c ần thiết phải cung cấ p cho thiết bị trao đổi nhiệt (để chọn công suất máy bơm). Sau đó, dùng công thứ c F = Q/k/Δt để tính toán thiết diện bề mặt trao đổ i nhiệt (ở đây: Q là nhiệt lượng nướ c làm lạnh nhận đượ c trong 1 giờ ; K là hệ số truyền nhiệt; Δt là hệ nhiệt độ của lưu thể nóng). K ết qu ả tính toán F = 5,8m2 (chọn F = 6m2). Chùm ống trao đổi nhiệt đượ c bố trí theo hình lục giác, sau khi chọn bướ c ống sẽ tính đượ c số ống trên đường xuyên tâm và đườ ng kính trong của thiết b ị trao đổ i nhiệt. - Kích thướ c bình phân ly: Thể tích tối thiểu của bình phân ly được xác định dựa trên khối lượ ng tinh dầu thu đượ c của mỗ i mẻ chưng cất. Sau khi chọn đườ ng kính, sẽ tính đượ c chiều cao cần thiết của cột tinh dầu. Độ cao của vách ngăn đượ c tính theo thờ i gian phân ly của giọt tinh dầu chứa trong dịch ngưng. - Tính độ bền nồi chưng cất và thiết bị làm lạnh: Độ dày của thân nồi chưng cất và của thân thiết bị làm lạnh được tính theo công thức tính giá trị bền h àn của thân hình tr ụ:
. p D
+ C [m]. Trong đó: p là áp suất làm việc; D là đườ ng kính thân thiết b ị; [σ] là 2,3.[ ]. p ứng suất bền (đối vớ i SUS 304, [σ] = 500.106/3); C là đại lượ ng bổ sung, phụ thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dày. Xác định đại lượ ng C theo công thức C = C1 + C2 + C3 [m]. Trong đó: C1 - bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn v ật liệu của môi trườ ng và thờ i gian làm việc của thiết bị. Đố i v ớ i v ật li ệu bền như SUS 304 ta lấy 0,05 mm/năm, cho thờ i gian làm việc 20 năm, vậ y lấy C1 = 1mm; C2 - đại lượ ng bổ sung do hao mòn chỉ c ần tính đế n trong các trườ ng hợ p nguyên liệu chứa các hạt r ắn chuyển động vớ i tốc độ lớ n trong thiết bị. Đại lượ ng này thường đượ c chọn theo thực nghiệm. Đối với trườ ng hợp chưng cất các nguyên liệu th ực vật trong môi trường nước, đại lượ ng này có thể bỏ qua; C3 - đại lượ ng bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu. Đố i vớ i vật liệu SUS 304, có chiều dày từ 3 – 5 mm, lấy C3 = 0,8mm. - Tính toán và chọn bơm: Lượng nướ c cần thiết để làm mát hỗn hợp hơi nướ c – tinh dầu đã được xác định ở phần tính kích thướ c thiết b ị làm lạnh. Chọn chiều cao đẩy (H) của máy bơm. Q. .g. H Công suất của bơm đượ c tính theo công thức: N = ; η là hiệu suất bơm; η = η0.ηtl.ηck . 1000. Trong đó η0 là hiệu suất hao hụt của chất lỏng, η0 = 0,9; .ηtl là hiệu suất th ủy lực, chọn .ηtl = 0,85; ηck là hiệu suất cơ khí, chọ n ηck = 0,95; vậy η = 0,9.0,85.0,95 = 0,726; Q là lượng nướ c làm lạnh cần bơm trong 1 giờ ; ρ – là khối lượ ng riêng của nướ c ở nhiệt độ tính toán, g là gia t ốc tr ọng trườ ng. Phương án chế tạ o và l ắp đặ t Phương án chế t ạo hệ thống thiết bị chưng cất tinh d ầu hồi quy mô nhỏ đượ c sử d ụng là phương pháp hàn TIG (tungsram innert gas – đầu hàn bằng vonfram, hàn trong môi trườ ng khí trơ argon) hoặc hàn bằng các loại que hàn đặc chủng OK 6330 của Nhật Bản hay Hàn Quốc. Những điểm chịu lực xung yếu của nồi chưng cất, là những nơi có cấu tạo mặt phẳng hay hình chóp cụt, như đáy nồ i và vai nồ i thì nhất thiết phải đượ c gia cố gân tăng cứng. Giá thành của các loại vật liệu dùng để chế t ạo nh ững bộ phận chính của hệ th ống thiết b ị là r ất cao, trong nước chưa sả n xuất đượ c mà phải nh ậ p ngo ại, nên không cho phép có nhiều k ết cấu kiểu mặt bích, nhất là những mặt bích có kích thướ c lớ n (ví d ụ, theo tính toán sơ bộ , nế u làm mặt bích cho thân n ồi với đườ ng kính nồi là 1,2 m, thì c ũng phải sử d ụng t ớ i 2 t ấm thép SUS 304 S =
có kích thướ c t ối thiể u 1,3 x 1,3m, dày 25mm, giá thành 2 t ấm thép này đ ã lên t ớ i xấ p xỉ 60 triệu đồng). Các thiết bị chính của hệ thống chưng cất TDH đượ c chế t ạo t ại xưở ng gia công thiết bị, khoa công nghệ hóa học, trường ĐH Bách khoa Hà Nộ i. Nồi chưng cất và thiết b ị làm lạnh sau khi chế t ạo xong phải đượ c ki ểm tra áp lực để đảm bảo độ an toàn. Hệ thống thiết b ị chưng cất TDH sau khi ch ế tạo đượ c lắp đặt t ại xã Yên Phúc, huyện Văn Quan, t ỉnh Lạng Sơn. Đây là địa phương có nguồ n nguyên liệu dồi dào, ngườ i dân có nhiều kinh nghiệm chưng cất TDH truyền thống, r ất thuận lợ i cho việc khảo nghiệm và chuyển giao công nghệ. Phương pháp k hả o nghiệ m thiế t bị Sau khi chạy roda, hệ thống thiết b ị chưng cất TDH quy mô nhỏ đã đượ c tiến hành chạy 5 mẻ khảo nghiệm. Mỗi mẻ 300kg nguyên liệu quả hồi khô. Để xác định hiệu su ất chưng cất tinh dầu và đánh giá hiệu qu ả kinh tế c ủa hệ thống thiết bị đ ã chế t ạo, song song vớ i vi ệc triển khai khảo nghiệm, đề tài đ ã tiến hành chưng cất các mẫu nguyên liệu khảo nghiệm trong phòng thí nghiệm ở Hà N ộ i. Một số tính chất hóa lý cơ bản c ủa các mẫu TDH khảo nghiệm đ ã được xác định, hàm lượ ng c ấu t ử trans-anethol đã được xác định bàng phương pháp sắc ký. Chất lượ ng TDH khảo nghiệm đã được so sánh đánh giá vớ i chất lượng TDH chưng cất trong phòng thí nghiệm. Để đánh giá tính hoạt độ ng ổn định của hệ thống thiết bị, các thông số đầu vào như số lượng và độ ẩm nguyên liệu, lượng nướ c cho vào nồi chưng cất, chất lượ ng nhiên liệu than và phương thức đốt lò là giống nhau.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨ U Các thông số và tính năng kỹ thu ật cơ bả n củ a hệ th ố ng thiế t bị Hệ thống thiết bị chưng cất TDH đượ c thiết k ế, chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh vớ i các thông số k ỹ thuật cơ bả n sau: Nồi chưng cất: công suất 300kg nguyên liệu qu ả hồ i khô, đườ ng kính trong 1,2m, đườ ng kính ngoài 1,4m, phần thân nồ i cao 1,45m. Cổ thoát hốn hợp hơi khí kiểu vòi voi. Phần thân nồ i, chóp nồ i và vòi voi đượ c bảo ôn bằng bông thủy tinh (rock wool); lớ p bảo ôn dày 100mm. Phía trên đáy nồi đượ c thiết k ế một dàn phân phối hơi, nên có thể đượ c sử dụng trong trườ ng hợ p chưng cất bằng hơi nướ c. Có 1 cửa nạ p liệu phía trên, 1 cửa tháo liệu phía dướ i, 1 van xả đáy, 1 cửa hồi lưu dịch ngưng, 4 kính quan sát mực nướ c. Nồi chưng cất đượ c trang bị: 1 can đo nhiệt nhãn hiệu Omron, type E5CSZ-RIT, có số đo từ 0 – 999oC; 1 đồng hồ áp lực JIS B7505-1 JQA vớ i số đo từ 0 – 0,6 MPa và 1 van an toàn SS, chịu đượ c áp lực tớ i 10 kg/cm2 (áp suất an toàn được cài đặt là 4 atm). Thiết bị làm lạnh: đườ ng kính 0,35m, chiều cao phần thân 1,0m. Kiểu ống chùm, có 91 ống trao đổi nhiệt, vớ i thiết diện bề mặt trao đổi nhiệt 6m2. Nước đượ c c ấ p cho thiết bị làm lạnh nhờ một máy bơm J-100, công suất động cơ 0,75 kw, công suất bơm 4,2 m3 nướ c/giờ. Nướ c làm lạnh sau khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt sẽ nóng lên và lại đượ c làm mát tr ở lại b ằng một tháp giải nhiệt cỡ nhỏ, nhãn hiệu Spacco SPC 15RT, công suất động cơ quạt 0,5 mã lực. Bình phân ly: phía dướ i hình tr ụ, đườ ng kính 0,5 m, phía trên hình chóp c ụt, đượ c làm bằng thép không r ỉ SUS 304. Các bộ phận của thiết b ị phân ly gồm: vách ngăn, cửa vào của d ịch ngưng và cửa ra của nướ c, 2 van ống xả đáy, van xả e, ống thủy để quan sát mực tinh dầu và cửa lấy sản phẩm tinh dầu. Dung tích của thiết b ị phân ly ~ 80 lit.
Hình 2. M ộ t trong nhữ ng bả n vẽ l ắ p
Ả nh 10. M ộ t góc củ a hệ thố ng thiế t bị
K ết quả khảo nghiệm
Sau khi lắp đặt, chạy thử, hệ thống thiết bị chưng cất TDH quy mô nhỏ đ ã được chạy khảo nghiệm. Kết quả khảo nghiệm được ghi trong bảng 1 . Bảng
TT
1. Kết quả khảo nghiệm hệ thống thiết bị chưng cất TDH quy mô nhỏ và so sánh với kết quả chưng cất trong ph òng thí nghiệm
Chỉ số khảo nghiệm
ĐV tính
Kết quả các mẻ khảo nghiệm Mẻ 1
Mẻ 2
Mẻ 3
Mẻ 4
Mẻ 5
1
Số lượng quả hồi*
Kg
300
300
300
300
300
2
Lượng nước cho vào nồi cất
Kg
300
300
300
300
300
3
Thời gian nạp liệu
Phút
120
125
115
120
120
4
Thời gian đạt sôi**
Phút
150
143
156
150
150
5
Thời gian đạt 127 oC
Phút
180
175
184
180
190
6
N/độ đầu vào của nước làm lạnh
o
21
23
25
24
27
7
N/độ đầu ra của nước làm lạnh
o
42
42
44
43
45
C C
8
N/độ đầu ra của dịch ngưng
9
o
C
35
34
35
35
36
Thời gian cất kiệt
Giờ
48.00’
48.15
48.30’
48.00’
48.15’
10
Lượng than tiêu thụ
Kg
280
295
300
283
290
11
Lượng TDH cất được
Kg
32,4
32,0
32,6
32,3
32,5
12
Hàm lượng TDH cất được trên hệ % KL thống thiết bị k/ kiệt
13,65
13,48
13,73
13,61
13,69
13
Hàm lượng TDH cất được trong phòng thí nghiệm
% KL k/ kiệt
14,26
14,04
14,33
14,16
14,27
14
Hàm lượng TDH thu được khi trích ly với Etanol
% KL k/ kiệt
14,66
14,45
14,72
14,58
14,68
15
Hiệu suất chưng cất so với chưng cất trong phòng TN
%
95,72
96,04
95,83
96,14
95,94
16
Hiệu suất chưng cất so với trích ly bằng Etanol
%
93,14
93,29
93,26
93,35
93,26
* Quả H ồi
khô (độ ẩm tương đối 21,20%) trước khi cho vào nồi chưng cất đ ã được ngâm 24 giờ trong nước lạnh. o ** Tính t ừ khi đốt l ò cho đến khi khối thể quả Hồi + nước trong nồi chưng cất đạt 100 C. Tinh dầu Hồi của 5 mẻ chạy khảo nghiệm đ ã được tiến hành thí nghiệm nhằm xác định một số tính chất hóa lý cơ bản và hàm lượng cấu tử trans-anethol. K ết quả được thể hi ện ở bảng 2. Bảng 2. Một số tính chất hóa lý cơ bản của TDH khảo nghiệm và TDH chưng cất trong ph òng thí nghi ệm (l ấy giá trị min - max của 5 lần thí nghiệm)
TT
Chỉ số
Đơn vị đo
TDH khảo nghiệm
TDH chưng cất trong phòng thí nghiệm
g/ml
0,9783 – 0,9826
0,9789 – 0,9831
-
1,5509 – 1,5541
1,5513 – 1,5552
1
Tỷ trọng d25
2
Chỉ số khúc xạ, nd25
3
Tới hạn sôi
o
194 - 201
194 - 204
4
Điểm đông
o
C
17,32 – 18,21
17,47 – 18,41
5
Hàm lượng anethol
%
88,07 – 92,55
87,61 – 92,87
C
Tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế Sau 5 mẻ chạy khảo nghiệm, giá trị trung b ình các chỉ tiêu chi phí và lợi nhuận thu về (chưa kể tiền khấu hao thiết bị) được ghi trong bảng 3.
Bảng 3 . Giá trị trung bình các chỉ ti êu chi phí và l ợi nhuận
Đơn vị tính: Nghìn đồng
TT
Các chỉ tiêu
Đơn vị tính
Số lượ ng
Đơn giá
Tiền
Kg
300
10,5
10.500
A. Đầu vào 1
Tiền mua quả Hồi
2
Tiền thuê công nhân *
3
Tiền điện
KW
40
2,5
100
4
Tiền mua than
Kg
290
5,0
1.450
500
T ổ ng cộ ng đầu vào A:
12.550
B. Đầu ra Tinh dầu Hồi thu đượ c
Kg
32
450
T ổ ng cộ ng đầu ra B:
14.400 14.400
Lợ i nhuận: (B - A)
1.850
Ngoài sản phẩm tinh dầu Hồi, thì bã quả Hồi sau khi chưng cấ t có thể phơi khô và bán. Mỗi mẻ thu đượ c khoảng 260 – 280kg bã khô. Giá bán bã Hồi hiện t ại ở Văn Quan là 3.500 đ/kg khô. Như vậ y, mỗ i mẻ chưng cất, ngoài tiền lãi là 1.850.000đ do tinh dầu mang lại, ngườ i sản xuất có thể thu đượ c thêm khoảng 1 triệu đồng từ bã Hồ i. So sánh hiệu quả kinh tế vớ i lò chưng cất truyền thống (đáy chảo gang, thân xây gạch của ông Nguyễn Trung Trí ở xà Yên Phúc – Văn Quan) và lò chưng cất cải tiến (đáy và thân lò làm bằng tôn hàn, không có bảo ôn của ông Tù, xã Bình Phúc – Văn Quan) . Bả ng 4. So sánh hi ệu quả kinh tế Đơn vị tính: Nghìn đồng
TT A
Chỉ tiêu
Lò ông Trí
Lò ông Tù*
Hệ thống chưng cất của đề tài
Chi
1
Mua nguyên liệu quả hồ i
2
Tiền thuê công nhân đốt lò
3 4
10.500
16.500
10.500
500
700
500
Tiền điện
10
25
100
Tiền than
1.560
2.250
1.450
12.570
19.475
12.550
T ổn g chi (A)
B
Thu**
1
Tiền bán tinh dầu Hồi
13.500
20.700
14.400
T ổn g thu (B)
13.500
20.700
14.400
930
1.225
1.850
Lợ i nhuậ n (B –A) 3
* Dung tích n ồi chưng cấ t ~2,1m . ** Không tính khấ u hao thiế t bị và khoản thu t ừ bán bã H ồi.
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận 1. Hệ thống thiết bị chưng cất TDH đượ c thiết k ế đả m b ảo các yêu cầu k ỹ thuật, có thể ch ế t ạo trong nướ c vớ i giá thành thấ p. Thiết bị có k ết cấu đơn giả n, dễ sử dụng và đảm b ảo an toàn cao; 2. Hệ th ống thiết b ị chưng cất TDH quy mô nhỏ hoạt động tốt, giảm t ỷ l ệ th ất thoát và nâng cao chất lượ ng TDH; 3. Hiệu quả kinh tế mang lại cao hơn từ 1,5 đến 2 lần so vớ i công nghệ truyền thống. Khuyến nghị 1. Nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ và thiết bị, chế t ạo vớ i số lượ ng l ớn để giảm giá thành và chuyển giao cho các địa phương có nguồ n sản phẩm Hồ i tậ p trung ở nướ c ta; 2. Đầu tư nhiều hơn cho xây dựng mô hình chế biến các loại sản phẩm từ cây Hồi.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bin, 1999. Tính toán quá trình và thi ết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Nxb Khoa học và K ỹ thuật, t ậ p 2, Hà Nội. Nguyễn Bin, 2003. Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, Nxb Khoa học và K ỹ thuật Hà Nội; tậ p 4. Nguyễn Tr ọng Khuông, Đỗ Văn Đài, 1992. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, Nxb Khoa học và K ỹ thuật, t ậ p 1. Nguyễn Tr ọng Khuông, PGS.TS Đỗ Văn Đài, 1999. Sổ tay quá trình và thiết b ị công nghệ hóa chất, Nxb Khoa học và K ỹ thuật, t ậ p 2. Lã Đình Mỡ i và CS., 2001. Tài nguyên thực vật có tinh dầu ở Việt Nam . Nxb Nông nghiêp Hà Nội. Nguyễn Hữu Tùng, 2010. K ỹ thuật tách hỗn hợ p nhiều cấu t ử . Nxb Bách khoa Hà Nội. Nguyễn Năng Vinh; Nguyễ n Th ị Minh Tú, 2009. Công nghệ chất thơm thiên nhiên . Nxb Bách khoa Hà Nội.
DESIGN, MANUFACTURE STAR ANISE DISTILLATION EQUIPMENT ON SMALL SCALE Nguyen Van Duong, Vu Thi Hoang Phuong Non-timber Forest Products Research Centre, FSIV
SUMMARY
Aiming to incrementally improve processing techniques and commercial value of Star Anise ( Illicium Verum Hook), one of non-timber forest product tree, which had been widely cultivated in some northern provinces, the topic “Design, manufacture and transfer a system of Star anise distillation equipment on small scale” was successful in manufacturing and installing the distillation equipment in Yen Phuc commune, Van Quan district, Lang Son province. Its capacity is 300kg of dried material per batch. Based on old (traditional) distillating techniques, combined with advanced coolling and separating technologies, the new distillating equipment had obtained satisfactory results in decrease of product loss, increase of essential oil quality and saving fuel. Through test runs, each distillation batch gaves producers 1840000 VND interest. These are main properties of the distillation equipment: - Operation principle: water distillation with reflux of condensate -
Furnace: made of fire-resistant brick and heat-resistant cement. Furnace beam made of C20 steel. There are two fire-grate sets, made of casting iron, one for fuel-wood firing, another for coal firing. Chimmey height is 8 m, with air choke valve on it. - Distillation still: made of SUS 304. Input gate above and output gate below. A pressure gauge and a safty valve designed on. The distillation still is insulated by glass wool with thickness 100 mm. Above the distillation still designed a vapour distribution device, so it can be used in case of steam distillation. - Cooling unit: shell and tubes heat exchange type, cooling surface area 6 m2. Cooling water is circulated by using a small cooling tower. - Separating unit: based on layering of undissolved in each other liquids of different specific densities Keywords: Manufacture, Equipment, Distillation, Trans-anethol.
DESIGN AND MANUFACTURE OF SMALL SCALE DISTILLATION EQUIPMENT FOR STAR ANISE Nguyen Van Duong and Vu Thi Hoang Phuong Non-timber Forest Products Research Centre, FSIV
SUMMARY The tree, Star Anise ( Illicium verum Hook), is an important non-timber forest product species which has been widely cultivated in northern provinces of Vietnam. Star Anise is a spice used in cooking and is used in traditional medicine. Star Anise also produces an essential oil. Traditional village distillation techniques have been considered inefficient in recovering the oil.
This project has manufactured and installed new distillation equipment in Yen Phuc commune, Van Quan District, Lang Son Province. The new equipment introduced new advanced cooling and separating technologies, increased product yield, improved essential oil quality and saved on fuel inputs. With a capacity of 300 kg of dried Star Anise, the new technology generated 1.840.000 VND in revenue per distillation. Main properties of the new distillation equipment: - Operation principle: water distillation with reflux of condensate - Furnace: fire-resistant brick and heat-resistant cement with 8 metre chimney with air choke valve, C20 steel furnace beam, option of two cast iron fire-grate for fuel-wood or coal firing. - Distillation still: Manufactured from SUS 304 with an input valve above and an output valve, pressure gauge and safety valve. The still is insulated with 100 mm glass wool. An additional feature is a vapour distribution device to permit change to steam distillation. - Cooling unit: 6 m2 heat exchanger with circulating cooling water through a small cooling tower. - Separating unit: Layering of undissolved liquids of different specific densities Keywords: Manufacture equipment, Distillation, trans-anethol.