THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT TINH DẦU HỒI QUY MÔ NHỎ

  • 13 trang
  • file .pdf
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 từng bước hoàn thiện công nghệ chế biến và nâng cao giá trị kinh tế của cây Hồi,
một loại cây LSNG hiện đang được gây trồng và phát triển mạnh ở một số tỉnh biên giới phía
Bắc, đề tài “Thiết kế, chế tạo và chuyển giao hệ thống chưng cất tinh dầu Hồi quy mô nhỏ” đã
chế tạo, lắp đặt và chạy khảo nghiệm thành công hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu Hồi tại xã
Yên Phúc, huyện Văn Quan, tỉnh Lạng Sơn. Công suất 300kg nguyên liệu khô/mẻ. Trên cơ sở kết
hợp kỹ thuật chưng cất tinh dầu truyền thống với những tiến bộ về kỹ thuật làm lạnh và phân ly
tinh dầu, thiết bị chưng cất do đề tài thiết kế và chế tạo đã thu được những kết quả khả quan, hạn
chế thất thoát sản phẩm, nâng cao chất lượng tinh dầu và tiết kiệm nhiên liệu. Qua chạy thử
nghiệm, mỗi mẻ chưng cất đã mang lại cho người sản xuất 1.850.000 đồng tiền lãi.
Hệ thống thiết bị có những tính năng và thông số kỹ thuật cơ bản sau:
- Nguyên lý hoạt động: Chưng cất bằng nước có hồi lưu dịch ngưng;
- Lò đốt: xây bằng gạch 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 củi 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 nạp liệu ở phía trên và cửa xả liệu ở phía
dưới; Có gắn can nhiệt, áp kế và van an toàn. Bảo ôn bằng bông thủy tinh, lớp bảo ôn dày
100mm. Phía trên đáy nồi được thiết kế với 01 giàn phân phối hơi, nên nồi chưng cất có thể sử
dụng được trong trường hợp có trang bị lò hơi;
- Bộ phận làm lạnh: kiểu ống chùm, thiết diện bề mặt trao đổi nhiệt 6m2. Nước làm lạnh
được hồi lưu nhờ có một tháp giải nhiệt cỡ nhỏ.
- Bộ phận phân ly tinh dầu: được thiết kế dựa trên nguyên lý lắng và phân lớp theo tỷ
trọng của các chất lỏng không hòa tan với nhau.
Từ khóa: Chưng cất tinh dầu Hồi, Trans-anethol, Quy mô nhỏ.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Vài nét sơ lược về cây Hồi và tinh dầu Hồi
Hồi (Illicium verum Hook. F.) là loài cây đặc hữu của miền Bắc Việt Nam và miền Nam
Trung Quốc. Tinh dầu Hồi (TDH) là sản phẩm được chưng cất từ quả hay lá của cây Hồi. Phương
pháp chưng cất được sử dụng trong sản xuất là phương pháp cất cuốn bằng hơi nước ở áp suất
thường hay áp suất hơi bão hòa.
TDH lúc mới cất ra là một chất lỏng sánh, có màu sáng trắng, sau đó chuyển sang màu vàng
nhạt. Tỷ trọng ở 250C 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 trọng nhất của TDH là
Trans-anethol, hàm lượng 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 trở thành nguồn nguyên liệu có giá trị để tách chiết axit Shikimic dùng cho việc tổng hợp
Oseltamivir photsphat, hoạt chất chính của thuốc Tamiflu, hiện được coi là loại biệt dược để
phòng chống và điều trị bệnh cúm gia cầm H5N1. Bởi 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 tiêu 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 đã bị Trung Quốc phá hủy hoàn
toàn (một số người cho rằng, chỉ nhà xưởng và thiết bị phụ bị phá hủy, còn những thiết bị chính
được tháo dỡ và mang về Trung Quốc). Từ đó đến nay, đã hơn 30 năm, người dân Lạng Sơn lại
phải quay về sử dụng các loại hình thiết bị chưng cất thủ công, kiểu như nấu rượu để sản xuất
TDH. Chất lượng TDH chưng cất thủ công rất khác nhau, phần lớn không đảm bảo tiêu chuẩn
cho xuất khẩu, vì còn lẫn nhiều tạp chất và nước. Trong thời gian này, thì phía bên kia biên giới,
Trung Quốc lại có những bước tiến nhảy vọt trong lĩnh vực chưng cất và chế biến TDH dùng cho
xuất khẩu.
Trong thời gian vừa qua, đề tài đã tiến hành 3 đợt khảo sát về hiện trạng và thiết bị chế
biến TDH ở Lạng Sơn và Quảng Ninh, thấy rằng:
a/ Về lò đốt. Là bộ phận cấp nhiệt cho nồi chưng cất tinh dầu. Có 2 loại là lò đất đào ngay
tại rừng và lò xây bằng gạch thường, không có ống khói. Rất nhiều lò không có ghi. Nhiên liệu
dùng cho việc đốt chủ yếu là củi, một số nơi dùng than cám trộn bùn + đất sét.
b/ Về nồi chưng cất. Các loại nồi sử dụng để chưng cất TDH ở Lạng Sơn gồm nồi chưng
cất TDH cổ truyền, nồi bằng thùng phuy xăng, nồi đáy nhọn, nồi có thân xây bằng gạch 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
Ảnh 5. Nồi có chóp chảo gang Ảnh 6,7. Nồi bằng tôn
Dung tích nồi chưng cất rất khác nhau: cái nhỏ nhất ~0,2m3 (nồi bằng thùng phuy xăng,
nồi đáy nhọn), cái lớn nhất ~2,7m3 (làm bằng tôn hoặc xây bằng gạch).
Đại bộ 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, kiểu vòi voi.
Phần lớn các nồi chưng cất TDH ở Lạng Sơn không có cửa nạp liệu và thải liệu riêng.
Công việc nạp liệu và tháo bã được thực hiện thông qua miệng nồi.
Các khớp nối giữa đáy nồi với thân nồi, giữa thân nồi với chóp nồi được bịt kín bằng đất
sét, vải tẩm đất sét, vôi vửa hoặc xi măng.
Bộ phận làm lạnh của các lò chưng cất thường là một ống hợp kim nhôm hay một hộp
nhôm dựng đứng hoặc đặt nghiêng trong một bể nước. Bể nước làm lạnh thường được xây bằng
gạch, ở một vài nơi được làm bằng tôn. Khớp nối giữa vòi voi với thiết bị làm lạnh được bịt kín
bằng đất sét, xung quanh quấn vải hay xăm xe máy cũ.
c/ Về 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 hợp 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 gì
thêm và đem bán ra thị trường.
Ảnh 8 và 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 từ 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 sản phẩm, nên sản phầm tinh
dầu làm ra có chất lượng thấp, không đủ tiêu chuẩn dùng cho xuất khẩu;
- Thiết bị làm lạnh không đảm bảo, thiết diện bề mặt trao đổi nhiệt bé, lại không có các
loại vật liệu làm zoăng phù hợp, vừa đảm bảo độ kín, vừa chịu nhiệt lại chịu dầu nên đã làm thất
thoát một lượng lớn tinh dầu ra môi trường xung quanh, hiệu suất chưng cất thấp.
Bởi vậy, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo một dây chuyền thiết bị chưng cất TDH thỏa
mãn được 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 kế các thiết bị của hệ thống chưng cất TDH quy mô nhỏ;
- Chế tạo các thiết bị của hệ thống chưng cất TDH quy mô nhỏ;
- Lắp đặt và chạy thử hệ thống thiết bị.
Phương pháp
Phương án thiết kế
- Về nguyên lý làm việc: Trong thực tế sản xuất tinh dầu trên thế giới hiện đang sử dụng
hai công nghệ chưng cất: chưng cất liên tục và chưng cất gián đoạn. Thiết bị chưng cất làm việc
theo nguyên lý liên tục, thường có công suất lớn, sản xuất có quy mô công nghiệp, giá thành đầu
tư cao, nên chỉ được áp dụng cho những vùng nguyên liệu tập trung, sản lượng lớn. Còn để sản
xuất tinh dầu từ những nguồn nguyên liệu có sản lượng vừa và nhỏ, thì người ta thường sử dụng
công nghệ và thiết bị chưng cất có công suất nhỏ, nguyên lý làm việc gián đoạn, có giá thành đầu
tư thấp (từ vài chục đến hàng trăm lần) so với công nghệ chưng cất liên tục. Hệ thống thiết bị
chưng cất TDH quy mô nhỏ của đề tài được thiết kế làm việc theo nguyên lý gián đoạn. Phương
pháp chưng cất được sử dụng là phương pháp chưng cất bằng hơi nước, có hồi lưu kín dịch
ngưng.
- Vật liệu chế tạo: TDH là sản phẩm được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm và
công nghiệp Dược, nên các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo các bộ phận trong dây chuyền
thiết bị chưng cất của đề tài đều được làm bằng các loại vật liệu không han rỉ, không có hại cho
sức khỏe của con người. Các khớp nối, chỗ nối được làm kín bằng các zoăng teflon, là loại vật
liệu chịu dầu, chịu nhiệt và cho phép được sử dụng trong ngành thực phẩm.
- Về công suất: dựa trên kết 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 đốt: Lớp trong lò, nơi tiếp xúc với ngọn lửa được xây bằng gạch chịu lửa với bột sa
môt và xi măng chịu nhiệt, lớp ngoài được xây bằng gạch đặc. Xung quanh lò được gia cố bởi
một bộ gông giằng bằng kim loại. Dầm lò làm bằng thép chịu nhiệt C20. Có 2 bộ ghi lò, một bộ
dùng cho đốt củi và một bộ dùng cho đốt than, được đúc bằng gang. Có một quạt lò, quạt này
được sử dụng khi nhóm lò và khi cần gia tăng nguồn nhiệt cho lò. Lò được thiết kế với một ống
khói có đường kính 0,168m, cao 8,0m. Để đảm bảo an toàn cho người vận hành đoạn dưới của
ống khói được bảo ôn bằng bông thủy tinh, tại độ cao 3,0m được gắn với một le gió làm bằng
thép không rỉ.
- Nồi chưng cất: đề tài chọn kiểu nồi chưng cất TDH thân có dạng hình trụ, chóp hình
nón cụt, ở giữa là cửa thoát hỗn hợp hơi khí, kiểu vòi voi. Nồi chưng cất được thiết kế với một
cửa nạp liệu ở phía trên và một cửa xả liệu ở phía dưới; 4 cửa quan sát mực nước 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 được bảo ôn bằng một lớp bông thủy tinh, dày
100 mm. Áo ngoài của lớp bảo ôn làm bằng thép chịu nhiệt, dày 0,35 mm.
- Bộ phận cấp nhiệt: Do công suất nhỏ, địa bàn sử dụng hướng tới là các thôn bản trồng
Hồi ở miền núi của tỉnh Lạng Sơn, không có nước máy, nước sông suối đều là nước cứng, nên
việc chưng cất TDH bằng nồi hơi là hoàn toàn không phù hợp. Hệ thống thiết bị của đề tài sẽ
được cấp nhiệt bằng một buồng đốt, dùng than hoặc củi.
- Bộ phận làm lạnh: Bộ phận làm lạnh được thiết kế kiểu ống chùm, với thiết diện trao
đổi nhiệt đủ đảm bảo làm giảm nhiệt độ của dịch ngưng xuống khoảng 350C (cơ sở tính toán xem
ở phần sau). Để tiết kiệm, nước làm mát được hồi lưu và sử dụng liên tục nhờ có một máy bơm
và một tháp giải nhiệt cỡ nhỏ.
- Về thiết bị phân ly: Thiết bị phân ly tinh dầu được thiết kế dựa trên nguyên lý lắng và
phân lớp theo tỷ trọng của các hợp chất lỏng không hòa tan với nhau.
- Khung giá đỡ: Khung giá đỡ bao xung quanh để định vị 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 kết cấu của hệ thống thiết bị chưng cất được thể hiện trên
hình 1.
Tính toán xác định các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống thiết bị
- Tính thể tích nồi chưng cất: Thể tích của nồi chưng cất được tính theo công thức: V =
M/G; ở đây: M – khối lượng nguyên liệu của một mẻ chưng cất, kg; G - khối lượng riêng đổ
đống của nguyên liệu, kg/m3. Sau đó chọn đường kính và sẽ tính được chiều cao của nồi.
Hình 1: 1 - Lò đốt; 2 – Nồi
chưng cất; 3- Bình phân ly; 4 –
Thiết bị làm lạnh; 5 – Tháp giải
nhiệt; 6 – Bể chứa nước làm
mát; 7 – Máy bơm
- Tính kích thước bộ phận làm lạnh: Đường kính của thân thiết bị làm lạnh được xác định
thông qua phép tính thiết diện bề mặt trao đổi nhiệt của các ống chùm. Kích thước ống trao đổi
nhiệt được chọn: chiều cao 1000mm, đường kính 21mm. Chọn T1 và T2 là nhiệt độ đầu và nhiệt
độ cuối của hỗn hợp hơi – khí (hỗn hợp nước và tinh dầu); t1 và t2 là nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ
đầu ra của nước làm lạnh. Hai lưu thể là hỗn hợp hơi nước + tinh dầu và nước làm lạnh đi ngược
chiều nhau. Sử dụng các công thức và các thông số có sẵn trong “Sổ tay quá trình và thiết bị công
nghệ hóa chất” [1], hệ số nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:
t  t n Trong đó: Δt1 = T1 – t2; Δtn = t2 – t1. Ở đây, lấy T1 = 1000C; t2 = 450C và t1
t tb  1 = 280C. Chọn nhiệt độ đầu ra của dịch ngưng là 350C. Kết quả phép tính:
t ;
ln 1 Nhiệt độ trung bình của lưu thể lạnh: Δttb = 23,285oC, nên nhiệt độ trung
t n bình của lưu thể nóng Δttb1 = 100 – 23,285 = 76,715oC; Δttb2 = (45 + 28)/2
= 36,5oC;
Khi biết hệ số nhiệt độ trung bình, tra chọn các tính chất vật lý của nước ở nhiệt độ màng
ngưng [1] và sử dụng công thức Nuselt để tính hệ số cấp nhiệt phía lưu thể nóng:
r   2   3  3600  g
1  1,15 4 (V.100 [2])
  t  H
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/m2 h độ. Sau đó tính nhiệt tải riêng phía lưu thể
nóng theo công thức: q1 = α1 x Δt1[2], ở đây Δt1 = tt1 - Δttb1 (tt1 - nhiệt độ tường phía hơi, sau
nhiều lần tính thử, tt1 được chọn là 85oC).
Hệ số cấp nhiệt phía lưu thể lạnh: đối với thiết bị kiểu ống chùm có vách ngăn, hệ số cấp
nhiệt được tính gần đúng theo công thức α2 = Nu/(λ x l); ở đây Nu là chuẩn số Nuselt.
Nu = 0,41 x εφ x Re0,6 x Pr0,33 x (Pr/Pr1); ở công thức này: Re là chuẩn số Renolt, Pr là chuẩn số
Phrans ở nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh (36,5oC) và Pr1 là chuẩn số Phrans ở nhiệt độ
tường ống trao đổi nhiệt (85oC). Các chuẩn số được tra chọn trong “Sổ tay quá trình và thiết bị
trong công nghệ hóa chất”, tập I [1]. Kết quả tính toán: α2 = 887,6 kcal/m2 h độ.
Từ đây ta tính được nhiệt lượng nước lạnh nhận được trong 1 giờ và qua đó tính được
khối lượng nước làm lạnh cần thiết phải cung cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt (để chọn công suất
máy bơm). Sau đó, dùng công thức F = Q/k/Δt để tính toán thiết diện bề mặt trao đổi nhiệt (ở
đây: Q là nhiệt lượng nước làm lạnh nhận được trong 1 giờ; K là hệ số truyền nhiệt; Δt là hệ nhiệt
độ của lưu thể nóng). Kết quả tính toán F = 5,8m2 (chọn F = 6m2).
Chùm ống trao đổi nhiệt được bố trí theo hình lục giác, sau khi chọn bước ống sẽ tính
được số ống trên đường xuyên tâm và đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt.
- Kích thước bình phân ly: Thể tích tối thiểu của bình phân ly được xác định dựa trên khối
lượng tinh dầu thu được của mỗi mẻ chưng cất. Sau khi chọn đường kính, sẽ tính được chiều cao
cần thiết của cột tinh dầu. Độ cao của vách ngăn được tính theo thời 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 hàn của thân hình trụ:
p.D
S = + C [m]. Trong đó: p là áp suất làm việc; D là đường kính thân thiết bị; [σ] là
2,3.[ ].  p
ứng suất bền (đối với SUS 304, [σ] = 500.106/3); C là đại lượng bổ sung, phụ thuộc vào độ ăn
mòn và dung sai của chiều dày. Xác định đại lượng C theo công thức C = C1 + C2 + C3 [m].
Trong đó: 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 = 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; C3 - đại lượng bổ sung do dung sai của chiều
dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu. Đối với vật liệu SUS 304, có chiều dày từ 3 – 5 mm,
lấy C3 = 0,8mm.
- Tính toán và chọn bơm: Lượng nước cần thiết để làm mát hỗn hợp hơi nước – tinh dầu
đã được xác định ở phần tính kích thước thiết bị làm lạnh. Chọn chiều cao đẩy (H) của máy bơm.
Q. .g.H
Công suất của bơm được 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 thủy lực, chọn .ηtl = 0,85;
ηck là hiệu suất cơ khí, chọn ηck = 0,95; vậy η = 0,9.0,85.0,95 = 0,726; Q là lượng nước làm lạnh
cần bơm trong 1 giờ; ρ– là khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tính toán, g là gia tốc trọng
trường.
Phương án chế tạo và lắp đặt
Phương án chế tạo hệ thống thiết bị chưng cất tinh dầu hồi quy mô nhỏ được sử dụng là
phương pháp hàn TIG (tungsram innert gas – đầu hàn bằng vonfram, hàn trong môi trường 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 nồi và vai nồi thì nhất thiết phải được gia cố gân tăng cứng.
Giá thành của các loại vật liệu dùng để chế tạo những bộ phận chính của hệ thống thiết bị
là rất cao, trong nước chưa sản xuất được mà phải nhập ngoại, nên không cho phép có nhiều kết
cấu kiểu mặt bích, nhất là những mặt bích có kích thước lớn (ví dụ, theo tính toán sơ bộ, nếu làm
mặt bích cho thân nồi với đường kính nồi là 1,2 m, thì cũng phải sử dụng tới 2 tấm thép SUS 304
có kích thước tối thiểu 1,3 x 1,3m, dày 25mm, giá thành 2 tấm thép này đã lên tới xấp xỉ 60 triệu
đồng).
Các thiết bị chính của hệ thống chưng cất TDH được chế tạo tại xưởng gia công thiết bị,
khoa công nghệ hóa học, trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
Nồi chưng cất và thiết bị làm lạnh sau khi chế tạo xong phải được kiểm tra áp lực để đảm
bảo độ an toàn.
Hệ thống thiết bị chưng cất TDH sau khi chế tạo được lắp đặt tại xã Yên Phúc, huyện Văn
Quan, tỉnh Lạng Sơn. Đây là địa phương có nguồn nguyên liệu dồi dào, người dân có nhiều kinh
nghiệm chưng cất TDH truyền thống, rất thuận lợi cho việc khảo nghiệm và chuyển giao công
nghệ.
Phương pháp khảo nghiệm thiết bị
Sau khi chạy roda, hệ thống thiết bị chưng cất TDH quy mô nhỏ đã được tiến hành chạy 5
mẻ khảo nghiệm. Mỗi mẻ 300kg nguyên liệu quả hồi khô.
Để xác định hiệu suất chưng cất tinh dầu và đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống thiết
bị đã chế tạo, song song với việc triển khai khảo nghiệm, đề tài đã tiến hành chưng cất các mẫu
nguyên liệu khảo nghiệm trong phòng thí nghiệm ở Hà Nội. Một số tính chất hóa lý cơ bản của
các mẫu TDH khảo nghiệm đã được xác định, hàm lượng cấu tử trans-anethol đã được xác định
bàng phương pháp sắc ký. Chất lượng TDH khảo nghiệm đã được so sánh đánh giá với chất
lượng TDH chưng cất trong phòng thí nghiệm.
Để đánh giá tính hoạt động ổn định của hệ thống thiết bị, các thông số đầu vào như số
lượng và độ ẩm nguyên liệu, lượng nước cho vào nồi chưng cất, chất lượng nhiên liệu than và
phương thức đốt lò là giống nhau.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Các thông số và tính năng kỹ thuật cơ bản của hệ thống thiết bị
Hệ thống thiết bị chưng cất TDH được thiết kế, chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh với các
thông số kỹ thuật cơ bản sau:
Nồi chưng cất: công suất 300kg nguyên liệu quả hồi khô, đường kính trong 1,2m, đường
kính ngoài 1,4m, phần thân nồi cao 1,45m. Cổ thoát hốn hợp hơi khí kiểu vòi voi. Phần thân nồi,
chóp nồi và vòi voi được bảo ôn bằng bông thủy tinh (rock wool); lớp bảo ôn dày 100mm. Phía
trên đáy nồi được thiết kế một dàn phân phối hơi, nên có thể được sử dụng trong trường hợp
chưng cất bằng hơi nước. Có 1 cửa nạp liệu phía trên, 1 cửa tháo liệu phía dưới, 1 van xả đáy, 1
cửa hồi lưu dịch ngưng, 4 kính quan sát mực nước. Nồi chưng cất được 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
với số đo từ 0 – 0,6 MPa và 1 van an toàn SS, chịu được áp lực tới 10 kg/cm2 (áp suất an toàn
được cài đặt là 4 atm).
Thiết bị làm lạnh: đường kính 0,35m, chiều cao phần thân 1,0m. Kiểu ống chùm, có 91
ống trao đổi nhiệt, với thiết diện bề mặt trao đổi nhiệt 6m2. Nước được cấp cho thiết bị làm lạnh
nhờ một máy bơm J-100, công suất động cơ 0,75 kw, công suất bơm 4,2m3 nước/giờ. Nước làm
lạnh sau khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt sẽ nóng lên và lại được làm mát trở lại bằng một tháp
giải nhiệt cỡ nhỏ, nhãn hiệu Spacco SPC 15RT, công suất động cơ quạt 0,5 mã lực.
Bình phân ly: phía dưới hình trụ, đường kính 0,5 m, phía trên hình chóp cụt, được làm
bằng thép không rỉ SUS 304. Các bộ phận của thiết bị phân ly gồm: vách ngăn, cửa vào của dịch
ngưng và cửa ra của nước, 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 bị phân ly ~ 80 lit.
Hình 2. Một trong những bản vẽ lắp Ảnh 10. Một góc của hệ thống thiết bị
Kết quả khảo nghiệm
Sau khi lắp đặt, chạy thử, hệ thống thiết bị chưng cất TDH quy mô nhỏ đã được chạy
khảo nghiệm. Kết quả khảo nghiệm được ghi trong bảng 1.
Bảng 1. Kết quả khảo nghiệm hệ thống thiết bị chưng cất TDH quy mô nhỏ và so sánh với kết
quả chưng cất trong phòng thí nghiệm
Kết quả các mẻ khảo nghiệm
ĐV
TT Chỉ số khảo nghiệm
tính
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 127oC Phút 180 175 184 180 190
o
6 N/độ đầu vào của nước làm lạnh C 21 23 25 24 27
o
7 N/độ đầu ra của nước làm lạnh C 42 42 44 43 45
o
8 N/độ đầu ra của dịch ngưng C 35 34 35 35 36
9 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
Hàm lượng TDH cất được trên hệ % KL
12 13,65 13,48 13,73 13,61 13,69
thống thiết bị k/ kiệt
Hàm lượng TDH cất được trong % KL
13 14,26 14,04 14,33 14,16 14,27
phòng thí nghiệm k/ kiệt
Hàm lượng TDH thu được khi trích % KL
14 14,66 14,45 14,72 14,58 14,68
ly với Etanol k/ kiệt
Hiệu suất chưng cất so với chưng cất
15 % 95,72 96,04 95,83 96,14 95,94
trong phòng TN
Hiệu suất chưng cất so với trích ly
16 % 93,14 93,29 93,26 93,35 93,26
bằng Etanol
* Quả Hồi khô (độ ẩm tương đối 21,20%) trước khi cho vào nồi chưng cất đã được ngâm 24 giờ
trong nước lạnh.
** Tính từ khi đốt lò cho đến khi khối thể quả Hồi + nước trong nồi chưng cất đạt 100oC.
Tinh dầu Hồi của 5 mẻ chạy khảo nghiệm đã được tiến hành thí nghiệm nhằm xác định
một số tính chất hóa lý cơ bản và hàm lượng cấu tử trans-anethol. Kết quả được thể hiện ở bảng
2.
Bảng 2. Một số tính chất hóa lý cơ bản của TDH khảo nghiệm và TDH chưng cất trong phòng
thí nghiệm (lấy giá trị min - max của 5 lần thí nghiệm)
TDH chưng cất trong phòng
TT Chỉ số Đơn vị đo TDH khảo nghiệm
thí nghiệm
1 Tỷ trọng d25 g/ml 0,9783 – 0,9826 0,9789 – 0,9831
2 Chỉ số khúc xạ, nd25 - 1,5509 – 1,5541 1,5513 – 1,5552
o
3 Tới hạn sôi C 194 - 201 194 - 204
o
4 Điểm đông C 17,32 – 18,21 17,47 – 18,41
5 Hàm lượng anethol % 88,07 – 92,55 87,61 – 92,87
Tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế
Sau 5 mẻ chạy khảo nghiệm, giá trị trung bình 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 tiêu chi phí và lợi nhuận
Đơn vị tính: Nghìn đồng
Đơn vị Số
TT Các chỉ tiêu Đơn giá Tiền
tính lượng
A. Đầu vào
1 Tiền mua quả Hồi Kg 300 10,5 10.500
2 Tiền thuê công nhân * 500
3 Tiền điện KW 40 2,5 100
4 Tiền mua than Kg 290 5,0 1.450
Tổng cộng đầu vào A: 12.550
B. Đầu ra
Tinh dầu Hồi thu được Kg 32 450 14.400
Tổng cộng đầu ra B: 14.400
Lợi nhuận: (B - A) 1.850
Ngoài sản phẩm tinh dầu Hồi, thì bã quả Hồi sau khi chưng cất có thể phơi khô và bán.
Mỗi mẻ thu được khoảng 260 – 280kg bã khô. Giá bán bã Hồi hiện tại ở Văn Quan là 3.500 đ/kg
khô. Như vậy, mỗi mẻ chưng cất, ngoài tiền lãi là 1.850.000đ do tinh dầu mang lại, người sản
xuất có thể thu được thêm khoảng 1 triệu đồng từ bã Hồi.
So sánh hiệu quả kinh tế với 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).
Bảng 4. So sánh hiệu quả kinh tế
Đơn vị tính: Nghìn đồng
Hệ thống chưng cất
TT Chỉ tiêu Lò ông Trí Lò ông Tù*
của đề tài
A Chi
1 Mua nguyên liệu quả hồi 10.500 16.500 10.500
2 Tiền thuê công nhân đốt lò 500 700 500
3 Tiền điện 10 25 100
4 Tiền than 1.560 2.250 1.450
Tổng chi (A) 12.570 19.475 12.550