Để làm ra một tấn nước cam cô đặc 65 °Brix từ dịch 12 °Brix, dây chuyền phải bốc đi khoảng 4,4 tấn nước. Với tháp cô đặc một hiệu ứng, gần như mỗi kg nước bốc đi là một kg hơi từ lò hơi. Với ba hiệu ứng, con số đó còn khoảng một phần ba. Khoản chênh này chạy suốt vòng đời nhà máy.
Nhưng tháp nhiều hiệu ứng không miễn phí: nhiều thân hơn, nhiều bề mặt trao đổi nhiệt hơn, nhiều bơm, thiết bị phân ly và điều khiển hơn. Bài này đặt hai bên lên cùng một bàn cân, dùng số liệu từ hai sách kỹ thuật chế biến thực phẩm, để Quý doanh nghiệp biết nên hỏi gì trước khi chọn cấu hình.
“Nồi” và “hiệu ứng”: cùng một ý
Trong nhà máy, người ta hay gọi “cô đặc một nồi”, “ba nồi”. Trong tài liệu kỹ thuật, mỗi thân bốc hơi được gọi là một hiệu ứng (effect). Một tháp cô đặc chân không ba hiệu ứng là ba thân bốc hơi nối tiếp, mỗi thân chạy ở áp suất và nhiệt độ sôi thấp hơn thân trước. Bài này dùng chữ “hiệu ứng” cho thống nhất.
Chân không là điều kiện bắt buộc với nước quả: hạ áp suất để dịch sôi ở nhiệt độ thấp, hạn chế biến màu, mất mùi. Cách phân loại theo kiểu thân (màng rơi, tuần hoàn cưỡng bức, theo mẻ) là một câu hỏi khác, đã có trong bài phương pháp cô đặc bằng nhiệt trong chế biến thực phẩm.
Nguyên lý: một kg hơi bốc được bao nhiêu kg nước
Chỉ số dùng để so là hệ số sử dụng hơi (steam economy, SE): số kg nước bốc hơi trên mỗi kg hơi cấp vào. Nghịch đảo của nó là kg hơi cho mỗi kg nước bốc hơi, con số Quý doanh nghiệp nhân thẳng với giá hơi của nhà máy mình.
Một hiệu ứng. Theo Handbook of Food Processing Equipment của Saravacos và Kostaropoulos, bốc 1 kg nước ở 100 °C cần 2,26 MJ, trong khi 1 kg hơi bão hòa 4 bar khi ngưng tụ chỉ nhả 2,13 MJ. Vì vậy SE của một hiệu ứng chỉ khoảng 0,94: muốn bốc 1 kg nước phải cấp hơn 1 kg hơi. Sách Introduction to Food Engineering của Singh và Heldman cũng ghi SE của hệ một hiệu ứng “gần bằng 1”.
Nhiều hiệu ứng. Hơi nước bốc ra từ hiệu ứng thứ nhất (hơi thứ) không thải đi mà dùng làm nguồn nhiệt cho hiệu ứng thứ hai, chạy ở áp suất thấp hơn; hơi thứ của hiệu ứng hai lại gia nhiệt cho hiệu ứng ba. Một kg hơi từ lò hơi vì thế bốc được nhiều kg nước. Saravacos dẫn công thức gần đúng SE ≈ 0,85 × N, với N là số hiệu ứng.
| Cấu hình | SE (kg nước/kg hơi) | Quy ra kg hơi/kg nước bốc hơi |
|---|---|---|
| Một hiệu ứng | 0,90–0,98 | 1,02–1,11 |
| Hai hiệu ứng | 1,70–2,0 | 0,50–0,59 |
| Ba hiệu ứng | 2,40–2,80 | 0,36–0,42 |
| Sáu hiệu ứng | 4,6–4,9 | 0,20–0,22 |
| Ba hiệu ứng có nén hơi nhiệt (TVR) | 4–8 | 0,13–0,25 |
| Nén hơi cơ học (MVR) | 10–30 | 0,03–0,10 (phần lớn năng lượng là điện) |
Nguồn: Saravacos và Kostaropoulos, bảng 7-2 (dẫn Kessler 1986; Chen và Hernandez 1997). Cột quy đổi do Kim Nguyễn Corporation tính bằng nghịch đảo SE.
Một lưu ý khi so báo giá: SE phụ thuộc điều kiện chạy. Trong ví dụ hai hiệu ứng của Singh và Heldman, dịch vào ở 20 °C cho SE chỉ 1,5, thấp hơn dải 1,70–2,0 ở bảng trên, vì một phần hơi phải dùng để đun dịch lạnh lên nhiệt độ sôi. Con số SE trong chào giá phải kèm nhiệt độ dịch vào, độ Brix vào, ra và áp suất hơi cấp.
Một phép tính trên cùng bài toán
Saravacos có một ví dụ thiết kế sơ bộ mà chúng tôi dùng làm chuẩn so:
- Dịch cam 7.000 kg/giờ, 12 °Brix, cô tới 1.292 kg/giờ, 65 °Brix; lượng nước bốc hơi 5.708 kg/giờ.
- Hơi bão hòa 110 °C cấp cho hiệu ứng đầu; hiệu ứng cuối sôi ở 50 °C; tổng chênh nhiệt 60 °C.
- Kết quả tháp ba hiệu ứng xuôi chiều: nhiệt độ sôi ba hiệu ứng 96,4 °C, 81 °C, 50 °C; hơi cấp 1.978 kg/giờ, SE 2,88; mỗi hiệu ứng cần 60 m² bề mặt trao đổi nhiệt, tổng 180 m².
Chúng tôi tính thêm phương án một hiệu ứng với cùng giả định (cùng hơi 110 °C, sôi 50 °C, hệ số truyền nhiệt của dịch 65 °Brix 700 W/m²·K như ví dụ):
| Một hiệu ứng | Ba hiệu ứng | |
|---|---|---|
| Hơi cấp | khoảng 6.100 kg/giờ | 1.978 kg/giờ |
| Kg hơi/kg nước bốc hơi | khoảng 1,07 | khoảng 0,35 |
| Bề mặt trao đổi nhiệt | khoảng 90 m² | 180 m² |
| Số thân bốc hơi, thiết bị phân ly | 1 | 3 |
Đọc bảng này theo hai chiều:
Chiều chi phí hơi. Ba hiệu ứng dùng ít hơn khoảng 4,1 tấn hơi mỗi giờ chạy. Cứ 1.000 giờ vận hành là khoảng 4.100 tấn hơi. Nhân con số đó với giá thành một tấn hơi của lò hơi nhà máy (than, sinh khối, dầu hay khí) là ra khoản chênh tiền mặt mỗi mùa vụ.
Chiều vốn đầu tư. Ba hiệu ứng cần gấp đôi bề mặt trao đổi nhiệt, vì tổng chênh nhiệt 60 °C bị chia cho ba thân, mỗi thân chỉ còn 13–31 °C. Saravacos ghi chi phí tháp cô đặc ống dài bằng inox tăng theo bề mặt với hệ số công suất 0,53 (dữ liệu Peters và Timmerhaus). Áp hệ số này, riêng phần thân trao đổi nhiệt của ba thân 60 m² ước khoảng 2,4 lần một thân 90 m². Đây là ước tính nguyên lý, chưa gồm bình ngưng, bơm, chân không, điều khiển, và không thay được báo giá thật.
Saravacos mô tả bài toán này bằng một đường cong quen thuộc: khi tăng số hiệu ứng, chi phí vận hành giảm còn chi phí đầu tư tăng; tổng hai đường có một điểm cực tiểu, đó là số hiệu ứng tối ưu cho từng nhà máy. Điểm đó dịch chuyển theo giá hơi, số giờ chạy mỗi năm và chi phí vốn của chính Quý doanh nghiệp.
Vì sao nước quả hiếm khi vượt sáu hiệu ứng
Thêm hiệu ứng không thể kéo dài mãi. Theo Saravacos, với thực phẩm lỏng nhạy nhiệt, hiệu ứng đầu không nên quá 100 °C, hiệu ứng cuối không nên thấp hơn khoảng 40 °C để còn dùng được nước làm mát ở nhiệt độ môi trường cho bình ngưng. Nếu mỗi hiệu ứng cần khoảng 10 °C chênh nhiệt, số hiệu ứng tối đa vào khoảng 6.
Hiệu ứng cuối cũng là chỗ khó vận hành: dịch đặc, độ nhớt cao, dễ đóng cặn, hệ số truyền nhiệt giảm. Trong ví dụ trên, vận tốc hơi ở đầu ra ống của hiệu ứng thứ ba lên tới khoảng 81,5 m/s, so với 8,3 m/s ở hiệu ứng đầu, nên thiết bị phân ly hơi và lỏng ở hiệu ứng cuối có thể phải làm lớn hơn để tránh cuốn theo sản phẩm. Thiết kế tốt chia hiệu ứng cuối thành nhiều cấp, như Saravacos gợi ý cho chính ví dụ này.
Với nước quả, hương thơm là tài sản bán hàng. Dịch quả nên đi qua thiết bị thu hồi hương đặt trước tháp cô đặc, sau đó mới vào tháp. Cấu hình cả dây chuyền, xem dây chuyền nước trái cây cô đặc.
Nén hơi: nhiều “hiệu ứng” hơn mà không thêm thân
Hai cách tăng SE mà không thêm nhiều thân:
- Nén hơi nhiệt (TVR): ejector dùng hơi áp suất cao (khoảng 7 bar theo Saravacos) hút và nén một phần hơi thứ, đưa lại làm hơi gia nhiệt. Nhà máy cần có nguồn hơi áp cao.
- Nén hơi cơ học (MVR): máy nén chạy điện, tua bin hơi hoặc động cơ khí nén toàn bộ hơi thứ. Singh và Heldman ghi trong điều kiện tối ưu, MVR có thể giảm nhu cầu năng lượng tương đương thêm 15 hiệu ứng, nhưng máy nén lớn gây ồn. Với chính ví dụ trên, Saravacos nhận xét phương án MVR kinh tế hơn việc thêm hiệu ứng, và bỏ được bình ngưng lớn.
Chọn TVR hay MVR là so giá hơi với giá điện tại nhà máy, cộng với vốn của máy nén. Ở nơi điện đắt, lò hơi đã có sẵn, nhiều hiệu ứng kèm TVR thường dễ chấp nhận hơn; ở nơi điện rẻ, MVR đáng tính.
Khi nào một hiệu ứng vẫn hợp lý
Tháp một hiệu ứng, hoặc thiết bị bay hơi cô đặc theo mẻ, vẫn có chỗ đứng khi:
- Lượng nước bốc hơi nhỏ, số giờ chạy mỗi năm ít, nên khoản chênh hơi không đủ bù phần vốn tăng thêm.
- Nhà máy đổi sản phẩm liên tục, cần thời gian lưu ngắn, vệ sinh nhanh giữa các mẻ.
- Sản phẩm rất đặc hoặc có thịt quả, cần kiểu thân riêng như tuần hoàn cưỡng bức cho giai đoạn cuối.
Ngược lại, dây chuyền nước quả công suất lớn chạy dài mùa vụ thường cần nhiều hiệu ứng, kiểu màng rơi cho thời gian lưu ngắn. Công suất bao nhiêu là hợp lý, xem bài công suất nhà máy chế biến bao nhiêu là đủ.
Sáu câu hỏi khi đọc báo giá thiết bị cô đặc
- Kg hơi cho mỗi kg nước bốc hơi là bao nhiêu, ở nhiệt độ dịch vào, độ Brix vào, ra và áp suất hơi cấp nào?
- Nhiệt độ sôi ở hiệu ứng đầu và hiệu ứng cuối là bao nhiêu? Thời gian lưu của sản phẩm trong tháp là bao lâu?
- Tổng bề mặt trao đổi nhiệt của từng hiệu ứng là bao nhiêu m²?
- Lượng nước làm mát cho bình ngưng, điện cho bơm chân không và máy nén (nếu có) là bao nhiêu?
- Tháp chạy được bao nhiêu giờ với sản phẩm của mình giữa hai lần vệ sinh CIP?
- Thiết bị thu hồi hương đặt ở đâu trong sơ đồ, tách được bao nhiêu phần trăm hương?
Đọc từng dòng chi phí của một báo giá, xem đọc báo giá dây chuyền chế biến; trước khi ký, Quý doanh nghiệp có thể dùng bảng kiểm 41 điểm cho nhà máy nước quả cô đặc.
Kim Nguyễn khuyến nghị: thứ tự quyết
- Chốt sản phẩm, độ Brix và thị trường trước, rồi tính lượng nước phải bốc hơi mỗi giờ.
- Tính số giờ chạy thật mỗi năm theo mùa vụ, không theo 24/7 trên giấy.
- Lấy giá thành một tấn hơi và một kWh điện của chính nhà máy, nhân với tiêu hao của từng cấu hình.
- So tổng vốn và chi phí vận hành theo vòng đời, chọn số hiệu ứng ở điểm tổng chi phí thấp, kèm phương án TVR hoặc MVR nếu phù hợp.
- Ghi tiêu hao hơi, điện vào hợp đồng và đo lại khi nghiệm thu.
Kim Nguyễn Corporation tư vấn cấu hình dây chuyền nước quả cô đặc, từ thu hồi hương, tháp cô đặc tới chiết rót vô trùng. Nếu Quý doanh nghiệp đang ở bước lập dự án nhà máy chế biến nông sản hướng xuất khẩu và cần so phương án một hiệu ứng, nhiều hiệu ứng hay nén hơi trên số liệu của mình, hãy đặt lịch trao đổi với Kim Nguyễn.
Bài là góc nhìn tư vấn công nghệ. Các phép tính dùng giả định đơn giản hóa của ví dụ trong sách để minh họa nguyên lý, không thay thế tính toán thiết kế và báo giá cho từng dự án.
Nguồn
- Saravacos G.D., Kostaropoulos A.E., Handbook of Food Processing Equipment, Kluwer Academic/Plenum, 2002: chương Food Evaporation Equipment (năng lượng bốc hơi và SE một hiệu ứng; SE ≈ 0,85N; bảng 7-2; giới hạn 100 °C và 40 °C, khoảng 6 hiệu ứng; TVR khoảng 7 bar; ví dụ 7-1 tháp ba hiệu ứng nước cam) và chương Design of Food Processes and Food Processing Plants (hệ số công suất 0,53 cho tháp cô đặc ống dài; số hiệu ứng tối ưu theo tổng chi phí).
- Singh R.P., Heldman D.R., Introduction to Food Engineering, 4th ed., Academic Press, 2009, chương 8 Evaporation (định nghĩa SE; ví dụ 8.3 hai hiệu ứng SE 1,5; nén hơi nhiệt và nén hơi cơ học).