Thiết bị bốc hơi

cuối cùng. Mỗi bậc trao đổi nhiệt được cung cấp nguyên liệu lỏng đã được cô đặc từ thiết bị trước. Hình 19- Hệ thống thiết bị cô đặc gồm 2 giai đoạn, 3 bậc. Trong thiết bị cô đặc các dung dịch phi thực phẩm có chứa nước (ví dụ như nước muối khử), số lượng thiết bị có trong hệ thống ME có thể nhiều hơn so với thiết bị cô đặc thực phẩm, bởi vì có thể dùng nhiệt độ cao hơn ở thiết bị đầu tiên, và sự khác biệt nhiệt độ (ΔT) giữa các thiết bị có thể nhỏ hơn so với thực phẩm. Thông thường thì mỗi hệ thống ME có 8 – 12 thiết bị cô đặc là tốt nhất, đạt hiệu quả cao trong việc giảm giá thành thiết bị. Trong hầu hết các quá trình khử muối từ thực vật, hệ thống cô đặc nhanh nhiều tầng thường có nhiều giai đoạn (25 – 50) và sự chênh lệch nhiệt độ giữa mỗi giai đoạn thấp. 2. Thiết bị cô đặc nén hơi: Thiết bị bốc hơi - - 39 Việc tiết kiệm hơi nước trong hệ thống ME có thể được nhiều hơn nhờ thiết bị cô đặc nén hơi, đó là những thiết bị mà hơi từ một thiết bị cô đặc được nén lại và được tái sử dụng như là một chất dẫn nhiệt. Việc nén hơi có thể đạt được bằng cách nén nhiệt động hoặc nén cơ học (hình 20). Hệ thống nén nhiệt động dùng 1 bơm với hơi nước cóù áp suất cao nhằm làm tăng áp suất và nhiệt độ của hơi nước và dùng hỗn hợp nén làm chất dẫn nhiệt. Hoạt động của bơm hơi nước được miêu tả ngắn gọn trong phụ lục D. Hình 20- Thiết bị cô đặc nén hơi. (a) nén nhiệt động; (b) nén cơ học. Cân bằng vật chất của hệ thống chỉ ra rằng phần hơi nước phải được di chuyển tới thiết bị ngưng tụ để đạt được trạng thái cân bằng. Thiết bị nén nhiệt chỉ được dùng khi có thể tạo ra dòng hơi nước có áp suất cao với chi phí thấp. SE có thể đạt được từ 4 – 8 lần, cao hơn các thiết bị cô đặc thực phẩm điển hình. Thiết bị cô đặc nén hơi cơ học (MVR) được dùng phổ biến hơn hệ thống nén nhiệt động, bởi vì SE của chúng cao hơn (gấp 10 lần) và chi phí hoạt động thấp hơn, nhất là tiết kiệm được điện năng. Hơi được nén bằng máy và được dùng làm chất dẫn nhiệt trong các thiết bị cô đặc. Một lượng nhỏ hơi nước gia nhiệt được thêm vào hệ thống để kết hợp với phần ngưng tụ trong quá trình nén hơi nước. Bảng số liệu về tỷ lệ và chi phí của cả hệ thống nén nhiệt động và MVR đã được ghi lại bởi Minton (1986). Máy nén ly tâm được dùng để nén hơi nước với tỷ số nén là 1,4 – 2, làm tăng độ chênh nhiệt độ lên 5 – 20oC. Quá trình hoạt động sẽ tiết kiệm hơn so tuốc bin cánh quạt, với tỷ số nén thấp hơn thường chỉ 1,2 và độ chênh nhiệt độ cũng chỉ vào khoảng 5oC. ΔT thấp có thể ứng dụng trong thiết bị bốc hơi chảy màng xuôi xuống mà không làm tăng nhiệt độ điểm sôi cũng như độ chênh áp suất trong tuốc bin. Thiết bị bốc hơi - - 40 Phối hợp ME và hệ thống nén hơi, điều này làm tăng SE và tiết kiệm hơn, thường được dùng trong cô đặc các thực phẩm dạng lỏng. Hình 21 biểu diễn sự kết hợp của hệ thống cô đặc 3 giai đoạn với 1 máy nén hơi cơ học. Hơi được nén ở thiết bị cuối cùng để cung cấp nhiệt cho thiết bị đầu tiên. Hình 21- sự kết hợp giữa 1 máy cô đặc 3 giai đoạn và 1 thiết bị MVR. Thông số kỹ thuật của các máy cô đặc các sản phẩm nước cà chua được thể hiện ở bảng 3. Thiết bị bốc hơi chảy màng xuôi xuống nhiều tầng (2 hay 3) được cung cấp bởi 3 nhà sản xuất khác nhau. Thiết bị bốc hơi I và III tương tự nhau, chất lỏng chảy tự do dưới lực trọng trường trên màng mỏng, từ cùng 1 nhà sản xuất. Thiết bị II, IV và V tương tự nhau, chất lỏng chảy cưỡng bức trên màng mỏng, có chung nhà sản xuất. Thiết bị VI chứa 1 nồi cô đặc có chất lỏng chảy tự do (bậc thứ nhất) và một nồi cô đặc có chất lỏng chảy cưỡng bức (bậc thứ hai), được sản xuất bởi nhà sản xuất thứ 3. Theo như bảng 3, để sản phẩm đạt được cùng một nồng độ sau khi cô đặc, một thiết bị gồm giai đoạn bốc hơi yêu cầu ít hơn 30% so với thiết bị có 2 giai đoạn. Hơn nữa, so với thiết bị chỉ có 2 giai đoạn bốc hơi, thì thiết bị có 3 giai đoạn sử dụng ít nước hơn khoảng 35%, nhưng yêu cầu điện năng nhiều hơn 20 – 40%. Cả hai thiết bị đều đòi hỏi không gian mặt đất như nhau, 50 – 70m2 và 11 – 12m chiều cao. Kích thước là một phần của thể tích của 1 thiết bị. Nếu thể tích của một thiết bị cô đặc đã biết trước tăng gấp 3 thì yêu cầu về không gian chứa phải tăng khoảng 40%. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, yêu cầu về nước lạnh và điện năng giảm xuống 40%. Khi một thiết bị bốc hơi có bơm tuần hồn được thêm vào hệ thống cô đặc, sự tiêu thụ nước lạnh sẽ giảm khi hơi nước được sử dụng tốt hơn, nhưng cần nhiều năng lượng cho bơm. Thiết bị bốc hơi - - 41 Bảng 3: Các chỉ số kỹ thuật của thiết bị bốc hơi cà chua thương mại Kiểu thiết bị bốc hơi Thiết bị bốc hơi I 2 nồi Thiết bị bốc hơi II 2 nồi Thiết bị bốc hơi III 3 nồi Thiết bị bốc hơi VI 3 nồi Thiết bị bốc hơi V 3 nồi Thiết bị bốc hơi VI 2 nồi, chảy xuôi/ chảy tuần hồn Diện tích truyền nhiệt, m2 40 72 72 118 96 Chiều cao, m 11 12 11 11 19 15 Sự bốc hơi nước, tấn/h 11 11 11 11 33 34 Cà chua nguyên liệu,tấn/h 14 14 14 14 34 Cà chua cô đặc 30o Brix, tấn/h 2.6 2.4 2.4 7.4 Hơi nước tiêu thụ, tấn/h 4 5.6 3.8 4 14 Nước làm lạnh, m3/h 80 380 80 250 750 100 Năng lượng tiêu thụ, kW 110 50 10 78 118 130 Thiết bị bốc hơi - - 42 3. Thiết bị cô đặc có bơm nhiệt: Thiết bị cô đặc có bơm nhiệt là một hệ thống có kích thước tương đối nhỏ, dùng bơm nhiệt để cô đặc chất lỏng và hệ thống làm lạnh để ngưng tụ hơi nước. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ cô đặc thấp và nó thuận lợi cho việc cô đặc các thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm với nhiệt. Tuy nhiên, ứng dụng trong công nghiệp của hệ thống này là khá giới hạn, như trong trường hợp thiết bị sấy có bơm nhiệt, bởi vì nó có buồng cô đặc nhỏ và chi phí hoat động cao. 4. Phối hợp thẩm thấu ngược/cô đặc: Việc loại bỏ nước hồn tồn từ thực phẩm lỏng bằng công nghệ màng membrane (chủ yếu là thẩm thấu ngược) sau khi cô đặc bằng sự bay hơi màng sẽ là một hệ thống cô đặc có hiệu quả kinh tế cao, đạt chất lượng cao đối với các dung dịch nhạy cảm với nhiệt. Hiệu quả kinh tế và khả năng hoạt động của hệ thống có thể được kiểm tra một cách chi tiết đối với mỗi loại thực phẩm (Moresi, 1988). 5. Sự khử muối từ nước Bốc hơi là phương pháp chính để khử muối từ nước sau quá trình thẩm thấu ngược. Thiết bị bốc hơi liên tục ME (thường là thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi) với 1 lượng lớn nồi cô đặc với kích cỡ trung bình được dùng để khử muối từ nước lợ và cả nước biển. Người ta dùng các ống nhỏ hơn (làm từ kim loại dẫn nhiệt thay vì ống làm bằng thép không rỉ trong thiết bị bốc hơi thực phẩm) và nhiệt độ cao hơn để đạt được hệ số dẫn nhiệt tổng rất cao, chẳng hạn bằng 8 000 W/m2 K. Bên cạnh đó người ta sử dụng thiết bị bốc hơi nén hơi nhỏ hơn tiết kiệm được 1 lượng lớn năng lượng và xử lý trước bề mặt thiết bị bốc hơi nhằm ngăn chặn quá trình đóng cặn. Để đạt được lưu lượng lớn, người ta dùng hệ thống thiết bị bốc hơi nhanh nhiều tầng MSF. Hệ thống này gồm 1 loạt các thiết bị truyền nhiệt (20-40) có tác dụng làm nóng sơ bộ nước vào bằng hơi ngưng tụ của dòng nước vào nhanh. Hai dòng chảy này có độ chênh nhiệt độ nhỏ khoảng 2-3oC và cho khoảng 20 000 m3 nước đã được khử muối 1 ngày với chi phí thấp nhất. 6. Thiết bị bốc hơi tận dụng nhiệt thải Khi ứng dụng thiết bị bốc hơi ở quy mô rộng như tinh chế đường và khử muối trong nước ta dùng hơi nước thải từ các nhà máy phát điện (hệ thống phát điện đôi) để tiết kiệm được nguồn nhiệt. Hơi nước áp suất cao dùng để phát điện năng mong muốn và hơi nước ở áp suất thấp (khoảng 2 bar) bơm bằng turbine hơi nước có thể tận dụng như là 1 chất mang nhiệt trong thiết bị bốc hơi liên tục ME hoặc MSF. Hơi nóng thốt từ các loại thiết bị như máy sấy không khí cũng có thể được tận dụng để làm chất mang nhiệt cho thiết bị bốc hơi. Những hệ thống như vậy có thể được ứng dụng trong quá trình chế biến vật liệu thải bỏ từ trái cam (vỏ và thịt quả) mà thường được dehydrate bằng máy sấy tuần hồn khí đốt. Hơi nóng thốt ra có thể làm nóng thiết bị bốc hơi, từ đó cô đặc dịch thải từ quả cam (Filho et al. 1984). Chất thải giàu năng lượng từ các nhà máy chế biến thực phẩm có thể tận dụng tạo hơi nước cho quá trình bốc hơi. Ví dụ, trong chế biến đường mía, hơi nước dùng cho thiết bị bốc hơi tạo từ quá trình đốt bã mía. Thiết bị bốc hơi - - 43 X .THIẾT KẾ THIẾT BỊ BỐC HƠI: I. Lựa chọn thiết bị bốc hơi : Trong quá trình chọn 1 thiết bị bốc hơi phù hợp nhất với năng suất mong muốn, ta cần xem xét các yếu tố sau đây: 1) Thiết bị có hệ số truyền nhiệt chung cao nhất là thiết bị bốc hơi dạng chảy màng. Hệ số truyền nhiệt càng cao thì diện tích bề mặt truyền nhiết càng nhỏ, từ đó chi phí đầu tư giảm, chính bởi vậy nên trong mọi trường hợp, thiết bị bốc hơi dạng chảy màng luôn được xem xét đầu tiên. Trong khi bất lợi duy nhất của thiết bị bốc hơi chảy màng là dễ bám cáu trên bề mặt truyền nhiệt, khi năng suất bay hơi trung bình thì bù vào cho sự không thuận lợi này chính là chi phí thấp của nó, còn khi năng suất lớn thì vấn đề này đặc biệt phức tạp. Một thí dụ điển hình là thiết bị thùng quay.Dung dịch mà gây ra điều đó trong quá trình sản xuất tơ sợi và cellulose thì chứa các thành phần chính như H2SO4, Na2SO4, và các chất khác như Zn2SO4 cùng với nước. Quá trình tích tụ diễn ra trong khoảng 1 tuần, sau đó thì thiết bị sẽ được xử lý. Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm từ có nguồn gốc từ thiên nhiên thì đều mẫn cảm với nhiệt độ, trong trường hợp đó các thiết bị thường được vệ sinh ít nhất 1 lần 1 ngày vì yêu cầu vệ sinh thực phẩm. Trong lĩnh vực hố chất thì một thiết bị bốc hơi có thể hoạt động liên tục trong 1 tuần hoặc có 1 vài trường hợp liên tục trong nhiều tháng. 2) Khi năng suất bốc hơi lên đến khoảng 60000 Lbs/h tính theo lượng nước bốc hơi, thì có thể dùng cả thiết bị dạng bản mỏng hoặc thiết bị dạng ống. Chi phí đầu tư có có thể tăng giảm và có thể giảm bớt yêu cầu diện tích nhà xưởng, cùng với chi phí thấp của việc thiết lập các thiết bị bản mỏng được ép chặt với nhau đã khiến chúng thực sự đáng quan tâm. Khi năng suất bốc hơi cao hơn 60000 Lbs/h thì sự lựa chọn là giữa các thiết bị dạng ống. Một mô hình phù hợp thì có thể đem lại nhiều hiệu quả. 3) Trong nhiều trường hợp, sự lựa chọn thiết bị bốc hơi được quyết định bởi cấu trúc của vật liệu cần dùng. Ví dụ như trong trường hợp cô đặc acid sulfuric, có thể cô đặc lên đến nồng độ 50%, bề mặt truyền nhiệt bình thường có thể dùng bằng graphite. Khi đó thì yêu cầu sử dụng của thiết bị dạng ống sẽ khác so với thiết bị dạng bản mỏng. Với nhiệt độ bay hơi và điều kiện cô đặc phù hợp, Incoloy và Hastelloy đã có thể sử dụng cả thiết bị dạng ống hoặc thiết bị bản mỏng, nhưng giá thành sẽ đắt hơn dùng bằng thiết bị vật liệu là graphite. Các thiết bị phân riêng và đường ống có thể dùng bằng nhựa phenolic hoặc bằng cao su tráng thép cacbon. Sự cô đặc acid sulfuric tới nồng độ trong khoảng 50-72% vẫn có thể sử dụng bề mặt truyền nhiệt bằng graphite một cách bình thường khi nhiệt độ hoạt động duy trì dưới 230-2400F, nhưng đường ống và các bình chứa thì được dát bằng thép, tantiron, hoặc chì đúc. Vì lý do cấu trúc nên chùm ống bằng graphite được sắp xếp trong thiết bị màng rơi và thiết bị có tuần hồn với thiết bị tách lỏng-hơi đặt bên trên. 4) Thường dùng nhiều hơn một thiết bị bốc hơi trong khi cô đặc 1 sản phẩm. Ví dụ là thường có 1 thiết bị bốc hơi chính đi theo thiết bị hồn thiện. Thiết bị chính này được dùng để làm bay hơi phần lớn lượng nước hoặc dung môi bay hơi tới điểm mà chất lỏng cô đặc được đưa tới nồng độ giới hạn. Đối với các dung dịch quá bão hồ sẽ diễn ra sự kết tinh. Thiết bị cô đặc kết tinh có tuần hồn cưỡng bức thường được dùng trong giai đoạn cuối cùng của hệ thống bốc hơi. Thiết bị bốc hơi - - 44 Xem xét ví dụ cô đặc dung dịch từ nồng độ 4% lên đến 60% chất khô, hệ số cô đặc là 15:1. Tại nồng độ 40% chất khô, thì độ nhớt là quá cao đối với thiết bị bốc hơi dạng chảy màng và sản phẩm sẽ được cô đặc trong thiết bị Paravap hoặc thiết bị chảy màng đã được lau chùi. Tuy nhiên, sự cô đặc từ nồng độ 4% đến 40% chất khô, hay hệ số cô đặc là 10:1, 90% nhập liệu đã được cô đặc trong thiết bị cô đặc đầu tiên. Và thiết bị cô đặc hồn thiện chỉ còn cô đặc dung dịch từ nồng độ 40% đến 60% chất khô, hay là hệ số cô đặc là 1,5:1. Điều này có nghĩa là 96,43% nhập liệu đã được cô đặc trong hệ thống cô đặc hoặc trong thiết bị bốc hơi nén hơi (mechanical vapor recompression bulk evaporator) với hiệu quả dùng nhiệt cao và đạt được hệ số truyền nhiệt cao. Chỉ có khoảng 3,57% năng suất bị hạn chế bởi 1 thiết bị cô đặc điều khiển giai đoạn khó khăn nhất trong quá trình cô đặc. 5) Khi cần cô đặc kết tinh, thì tại thiết bị mà xảy ra quá trình kết tinh thì luôn luôn dùng thiết bị bốc hơi có tuần hồn cưỡng bức, và trong đa số các trường hợp thì đó là thiết bị dạng ống. Tuy nhiên, khi vấn đề không phải nằm trong quá trình kết tinh, mà là từ sự chia tỷ lệ của bề mặt truyền nhiệt chung, thì thiết bị paraflash đạt hiệu quả hơn. Như hình 16, hệ số hồi lưu trong thiết bị bản mỏng thì thấp hơn trong thiết bị dạng ống, do đó đòi hỏi công suất thấp hơn. Bảng so sánh sự hồi lưu trong thiết bị dạng bản và thiết bị dạng ống Các đặc tính của dung dịch: Tỉ trọng: 1,35 Nhiệt dung riêng 0,62 Độ dẫn điện 0,26 BTU Độ nhớt 100 cp Thiết bị bốc hơi - - 45 II. Lựa chọn vật liệu: Hai tham số ảnh hưởng đến việc lựu chọn vật liệu là sự ăn mòn và vệ sinh. Tất cả các thiết bị bốc hơi phải bảo đảm vệ sinh. Hầu hết thiết bị sẽ được rửa bằng nước, sau đó là với dung dịch kiềm hoặc acid ,sau cùng ta sẽ rửa với nước.ví dụ trong sản xuất sữa và thịt ,thiết bị bốc hơi phải hồn tồn sạch các kết tủa hay vết bẩn tích tụ lại. Hầu hết các thiếùt bị bốc hơi làm sạch được chế tạo bởi thép không gỉ 304 hay 316. Tính chống ăn mòn là một điều cần chú ý khi lựa chọn vật liệu vì hầu hết các thiết bị hóa chất làm việc trong môi trường ăn mòn. Vì vậy chọn vật liệu bền đối môi trường ăn mòn không những để đảm bảo tuổi thọ máy mà còn đảm bảo độ tinh khiết cho sản phẩm. Thép không gỉ phù hợp cho giai đoạn đầu của quá trình bốc hơi, còn các giai đoạn sau đó ta phải sử dụng các vật liệu có tính chống ăn mòn cao hơn. Sự ăn mòn cũng là một vấn đề cần được xem xét khi ta chọn vật liệu đệm. Đây là một vấn đề quan trọng đối với thiết bị bốc hơi dạng bản mỏng với những đệm bít có tính đàn hồi.nhiều dung dịch như được clo hóa và họp chất thơm sẽ phá hủy chỗ đệm, hay các dung dịch khác chứa acid nitric có trong các chất làm sạch.vì vậy nên lồi trừ acid nitric khỏi các chất làm sạch. Thiết bị bốc hơi - - 46 Các loại vật liệu điển hình dùng trong một số thiết bị bốc hơi Sản phẩm Vật liệu chế tạo Sản phẩm sữa và thực phẩm Nước ép trái cây Đường Sản phẩm chứa nồng độ muối cao Sođa kiềm (<40%) Xút đậm đặc Acid HCl Thép không gỉ 304/316 Thép không gỉ 316 Thép carbon 304/ 316 Titan, thép hợp kim, thép không gỉ kép Thép carbon khử ứng suất Nickel Graphite hay cao su phủ thép carbon 3-Các thành phần của thiết bị bốc hơi Những thành phần chính của thiết bị bốc hơi gồm thiết bị nung sơ bộ, thân thiết bị bốc hơi và thiết bị tách lỏng/hơi. Các thiết bị phụ gồm thiết bị ngưng tụ, hệ thống chân không, máy bơm, ống dẫn và hệ thống điều khiển quá trình. Thiết bị nung sơ bộ là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống hoặc là thiết bị truyền nhiệt dạng bản. 3.1.Thân thiết bị bốc hơi Trong chế biến thực phẩm người ta chủ yếu sử dụng 2 loại thân thiết bị bốc hơi ở thiết bị bốc hơi dạng ống đứng(long-tube vertical evaporator) và thiết bị bốc hơi dạng bản. 3.1.1.Thiết bị bốc hơi dạng ống đứng Thiết bị bốc hơi - - 47 Thiết bị bốc hơi dạng ống đứng gồm những ống dài, thường có chiều đường kính 50 mm và dài 6-12 m cho quá trình 1 lần hoặc có chiều dài từ 4-7 m cho quá trình tuần hồn. Các ống đứng (50-500) được gắn thành 1 chùm ống (được dùng trong thiết bị vỏ áo hơi nước) tạo được 1 diện tích truyền nhiệt lớn khoảng 100-200 m2. Các loại ống dẫn thường làm từ thép không rỉ (304 hoặc 316), tốt nhất là đánh bóng làm sạch để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh. Các ống dẫn được nối bằng các giãn nở cơ học, thường dùng trong cách bố trí tam giác để được thêm được diện tích bề mặt đối với đường kính vỏ cho sẵn (APV, 1987). Thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi (falling film evaporator) là hệ thống trong đó quá trình chất lỏng bay hơi song song với quá trình chảy trong ống. Người ta sử dụng chúng rộng rãi trong quá trình bốc hơi thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm nhiệt bởi khả năng truyền nhiệt tốt và dễ dàng lắp đặt chế tạo. Chúng hầu như hoạt động giống như là những thiết bị 1 lần vì thời gian chất lỏng giữ lại ngắn khoảng vài giây. Tuy nhiên sự tuần hồn cục bộ chất lỏng sẽ là đáng mong muốn trong việc giữ lớp mỏng của chất lỏng trong các ống hoặc bản bốc hơi, khi mà ở nồi cuối của thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi lượng chất lỏng cô đặc bị giảm đến 1 khoảng mà lớp màng chất lỏng bị chia cắt làm tăng khả năng tắc nghẽn. Sự tuần hồn trong thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi có lợi vì làm tăng hệ số truyền nhiệt nhưng làm tăng thời gian lưu của chất lỏng (vài phút) và chi phí năng lượng cho đường ống. Thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi đòi hỏi phải có sự phân phối đặc biệt chất lỏng vào đầu các ống, tức đảm bảo phân phối đều vào tất cả các ống, ngăn ngừa sự hình thành các “điểm nóng” và sự tắc nghẽn ở bề mặt bên trong của các ống dẫn. Người ta thường sử dụng 2 kiểu: kiểu máng xối (hệ thống tĩnh) và kiểu vòi phun hình nón (hệ thống động) (Minton, 1986). Phân phối chất lỏng kiểu vòi phun cũng được sử dụng trong thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi dạng bản. Thiết bị bốc hơi - - 48 Trong thiết kế cơ học của thiết bị bốc hơi dạng ống đứng cần xem xét độ bền của các ống đứng trong những điều kiện bất lợi như giãn nởõ nhiệt, ảnh hưởng của chân không, các rung động cơ học trong suốt quá trình hoạt động. Hệ thống bốc hơi nên làm cho phù hợp với các điều luật về chế tạo và kiểm tra của các hiệp hội kỹ sư và các cơ quan quốc gia. 3.1.2.Thiết bị bốc hơi dạng bản Thiết bị bốc hơi dạng bản bao gồm chất lỏng thay đổi luân phiên và các bản hơi nước, được gắn lại theo cách tương tự như thiết bị truyền nhiệt dạng bản. Điểm khác biệt chính giữa 2 hệ thống này là trong thiết bị bốc hơi dạng bản chất dẫn nhiệt là hơi nước bão hòa, trong khi đó người ta sử dụng nước nóng hoặc hơi nóng để làm nóng thiết bị truyền nhiệt dạng bản. Hơn nữa, thiết bị bốc hơi dạng bản được thiết kế nhằm điều chỉnh lớp chất lỏng màng chảy xuôi xuống và hơi bốc hơi sinh ra trong quá trình bốc hơi để rồi được tách ra riêng biệt bằng thiết bị tách lỏng/hơi. Ta có 2 kiểu thiết bị bốc hơi dạng bản chính: hệ thống chảy ngược/chảy xuôi và hệ thống chảy xuôi. Thêm vào đó, người ta còn sử dụng 2 kiểu thiết bị bốc hơi dạng bản đặc biệt cho sản phẩm thực phẩm có độ nhớt cao: paraflow và paraflash. Thiết bị bốc hơi dạng bản thông thường gồm các thiết bị chảy ngược/chảy xuôi 1 lần với thời gian giữ lại ngắn (vài giây) và lưu lượng lên tới 15 000 kg/h. Thiết bị bớc hơi dạng bản chảy xuôi cho hệ số truyền nhiệt lớn hơn, thời gian giữ lại ngắn hơn và lưu lượng lớn hơn (đạt tới 30 000 kg/h) nhưng đòi hỏi phải có sự phân phối chất lỏng đặc biệt nhằm đạt được hiệu quả tối ưu. Thiết bị bốc hơi dạng bản dùng chất đệm đàn hồi đặc biệt (cao su nitrile-butadiene hoặc isobutylene-isoprene) để chịu đựng nhiệt độ hơi nước lên tới 120oC (2 bar) và chống lại tác dụng chân không với nhiệt độ sôi 40-95 oC. 3.2.Thiết bị tách lỏng/hơi Hỗn hợp lỏng/hơi từ thân thiết bị bốc hơi phải được tách 1 cách có hiệu quả thành chất lỏng cô đặc và hơi, sau đó sẽ dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ. Hơi có thể được giữ 1 lượng lớn sản phẩm ởù dạng bọt hoặc những giọt nhỏ do việc chất lỏng văng bắn ra, tạo bọt hoặc bị lôi cuốn. Sự lôi cuốn gây nên bởi hơi dẫn di chuyển với vận tốc cao do sự bốc hơi mãnh liệt. Sự Thiết bị bốc hơi - - 49 tạo bọt là do có sự tác động của các tác nhân hoạt động bề mặt trong thực phẩm dạng lỏng và do không khí rò rỉ vào trong thiết bị bốc hơi. Vì vậy nếu ta sử dụng những loại thiết bị tách lỏng/khí được thiết kế đặc biệt hay dùng các hợp chất chống bọt thì sẽ kiểm sốt được hiện tượng tạo bọt. Sự mất mát sản phẩm vào trong hơi và chất ngưng tụ gây ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và giải quyết các vấn đề liên quan đến môi trường trong việc khử chúng ra khỏi chất ngưng tụ. Có 2 kiểu thiết bị tách lỏng/hơi được sử dụng trong công nghiệp: thiết bị tách ly tâm và thiết bị tách vách ngăn (H. 22). Bên cạnh đó người ta còn sử dụng thiết bị tách bằng lực trọng trường như trong trường hợp sử dụng các loại bồn lớn trong đó vận tốc bay hơi giảm mạnh (Hahn, 1986). Hình 22: Thiết bị tách hơi/lỏng (V/L). a) ly tâm. b) vách ngăn. Vận tốc hơi đi vào trong thiết bị tách kiểu ly tâm nên thấp hơn 100 m/s. Hơi đi vào theo phương tiếp tuyến với thành thiết bị tách và di chuyển theo hình trôn ốc; khi đó các giọt chất lỏng nhỏ lẫn trong hỗn hợp lỏng/khí sẽ văng vào thành thiết bị. Kích cỡ của thiết bị tách kiểu ly tâm tương tự như thiết bị cơ học cyclone. Máy tách lớn hơn sử dụng trong trường hợp có tác động của chân không như trong nồi cuối của hệ thống bốc hơi liên tục ME. Thiết bị tách lỏng/hơi kiểu vách ngăn dựa trên việc thay đổi hướng di chuyển của dòng hơi nhờ vào các tấm ngăn dạng bản. Các giọt lỏng nhỏ được giữ lại trên các tấm ngăn, kết hợp lại thành giọt lỏng và chảy xuống phía dưới dưới tác dụng của lực trọng trường. 3.3.Thiết bị ngưng tụ Trước tiên hơi sinh ra trong suốt quá trình bốc hơi được dùng như là chất dẫn nhiệt trong thiết bị bốc hơi liên tục ME hay trong hệ thống nén hơi. Một ít hơi có thể được sử dụng để nung nguyên lệu cho thiết bị bốc hơi. Phần hơi còn lai sẽ được ngưng tụ theo 2 cách khác nhau tương tự với 2 kiểu thiết bị ngưng tụ: thiết bị ngưng tụ bề mặt và thiết bị ngưng tụ hỗn hợp. Thiết bị ngưng tụ là 1 phần của hệ thống duy trì chân không, vì chúng loại bỏ hơi nước có tác dụng làm tăng áp suất trong quá trình bốc hơi. Ta phải dùng những ống dẫn hơi có đường kính lớn giữa thiết bị bốc hơi/tách và thiết bị ngưng tụ,ï để giảm độ chênh áp suất, vì vận tốc hơi cao dưới tác động của chân không. Thiết bị bốc hơi - - 50 Thiết bị ngưng tụ bề mặt thực chất là thiết bị truyền nhiệt vỏ ống, làm lạnh bằng nước lạnh và chất ngưng tụ chảy thành dòng riêng biệt để thu nhận, tránh được việc ảnh hưởng đến môi trường. Chất ngưng tụ cũng có thể được dùng để phục hồi các cấu tử hương trong tháp chưng cất. Trong thiết bị ngưng tụ hỗn hợp, hơi được ngưng tụ bằng cách tiếp xúc trực tiếp với nước làm lạnh rồi cả hỗn hợp được thải bỏ ra bên ngồi. Dưới tác dụng của chân không hỗn hợp chất ngưng tụ và nước tách ra từ hệ thống bằng bơm ly tâm hoặc thiết bị ngưng tụ baromet (H. 23). CW V/A A S S SE Hình 23: Thiết bị ngưng tụ baromet và hệ thống chân không bơm phun hơi nước. V—hơi, A— khí, CW— nước lạnh, SE — bơm phun hơi nước, S — hơi nước ở áp suất cao. Thiết bị ngưng tụ baromet phải đặt cao ít nhất 10.5 m, khi đó cột nước tương ứng với áp suất không khí (1.03 bar). Aùp suất giảm trong thiết bị bốc hơi sẽ mất đi nhờ sự ngưng tụ hơi và dưới tác động phụ trợ của bơm chân không. 3.4.Hệ thống chân không Hệ thống duy trì chân không cần thiết trong việc tránh sự rò rỉ khí và loại bỏ hơi không ngưng tụ được tồn tại trong nguyên liệu thực phẩm dạng lỏng. Hai hệ thống chân không chính dùng trong thiết bị bốc hơi thực phẩm là bơm phun hơi nước và bơm chân không vòng lỏng, được nối trực tiếp với thiết bị ngưng tụ (H. 23). Bơm phun hơi nước loại bỏ hơi chưa ngưng tụ được bằng hơi nước lôi cuốn ở áp suất cao, chảy dưới tốc độ cao trong máy bơm phun được thiết kế đặc biệt. Từ 2 máy bơm phun trở lên Thiết bị bốc hơi - - 51 gắn liên tiếp (áp suất hơi nước khoảng 7 bar) tạo nên độ chân không cao (giảm xuống đến 1 mbar hoặc thấp hơn). Bơm chân không vòng lỏng là bơm ly tâm với 1 vòng lỏng có tác dụng bịt kín buồng rotor và bơm khí cũng như hơi không thể ngưng tụ ra bên ngồi. Thiết bị bốc hơi có độ chân không cao có thể cần đến hệ thống bơm 2 giai đoạn (Bhatia and Cheremisinoff, 1981). Đối với thiết bị bốc hơi bình thường thì vòng lỏng trong bơm là nước nhưng đối với thiết bị bốc hơi có độ chân không cao thì người ta sử dụng dầu và các chất lỏng khó bay hơi. 3.5. Điều chỉnh thiết bị bốc hơi Năng suất hoạt động của hệ thống thiết bị bốc hơi phụ thuộc vào sự điều khiển quá trình, nó đạt được ra sao chính là ở sự đơn giản hay tiến bộ của cả hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển sẽ có trách nhiệm thay đổi điều kiện va kết cấu vật liệu, thay đổi sự cấp nhiệt để duy trì sự cô đặc sản phẩm trên lý thuyết. Trong tồn bộ hệ thống điều khiển, hơi nước được giới hạn bằng tay, trong khi sự cô đặc sản phẩm (chẳng hạn., oBrix) và tốc độ cô đặc là các biến số điều chỉnh quan trọng. Điều chỉnh hồn lưu đơn giản dựa trên kiể