<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b> CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...6</b>

1.1. Đặc điểm của nguyên liệu...6

1.1 Tổng quan về quá trình cô đặc...9

1.1.1 Định nghĩa cô đặc...9

1.2.2. Phân loại phương pháp cô đặc...10

1.3. Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt...11

1.3.1. Phân loại và ứng dụng...11

1.3.2. Yêu cầu công nghệ...12

1.3.3. Yêu cầu về thiết bị...12

1.3.4. Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống...13

1.3.5. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc...13

<b> CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ...14</b>

2.1. Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ...14

2.2. Sơ đồ và thuyết minh quy trình cơng nghệ...14

2.2.1. Sơ đồ nguyên lý...14

2.2.2. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý...15

<b> CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH...16</b>

3.1. Cân bằng vật chất...16

3.1.1. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn...16

3.2. Cân bằng năng lượng...17

3.2.1.Tổn thất nhiệt độ...18

3.2.2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn...20

3.3. Tính thiết kế thiết bị chính...23

3.3.1. Hệ số truyền nhiệt trong q trình sơi...23

3.3.2. Tính K cho các giai đoạn...28

3.3.3. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầutừ 20°C đến 65,83°C...30

<b> CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH...34</b>

2

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

4.1. Tính kích thước buồng đốt...34

4.1.1. Tính thể tích vật liệu...34

4.1.2. Tính đường kính và chiều cao buồng đốt...34

4.2. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt...36

4.3. Tính kích thước khơng gian bốc hơi...39

4.3.1. Tính bán kính buồng bốc hơi (D<small>hh</small>)...39

4.3.2. Tính chiều cao buồng bốc hơi...41

4.3.3. Tính chiều dày thân buồng bốc hơi của thiết bị...41

4.4. Tính kích thước nắp thiết bị...41

<b> CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ...43</b>

5.1. Mối ghép bích...43

5.1.1. Bích nồi nắp với thân thiết bị...43

5.1.2. Bích nối buồng đốt với thân thiết bị...44

5.1.3. Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ...44

5.4. Tính tốn chọn tai treo...54

5.4.2. Tính khối lượng dung dịch cô đặc...55

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>LỜI MỞ ĐẦU</b>

Bộ mơn “Q trình và thiết bị cơng nghệ thực phẩm” cung cấp những kiếnthức cần thiết cho sinh viên và kĩ sư công nghệ thực phẩm, kĩ sư chế biến nôngsản, thủy hải sản và kĩ sư máy thực phẩm. Ngồi ra bộ mơn này góp phần nào tớikĩ sư các ngành kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sảnxuất công nghiệp liên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc thiếtbị hiện đại trên thế giới, nhất là trong thời đại hiện nay mà máy móc khoa họcphát triển như vũ bão.

<i>Trong giới hạn “Đồ án môn học – Thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi để cô</i>

<i>đặc dung dịch nước dứa năng suất 200kg/mẻ, từ nồng độ 10Bx đến 60Bx” chủ</i>

yếu đề cập đến các quá trình xảy ra trong thiết bị nồi hai vỏ, cũng hiểu được cấutrúc, cách vận hành hệ thống. Như chúng ta biết cơ đặc ứng dụng rất nhiều trongq trình sản xuất hóa chất và thực phẩm, nhất là trong các ngành sản xuất nướcquả cơ đặc, hóa chất,…

Đối với giới hạn đồ án về nước dứa cơ đặc thì như chúng ta biết với hoaquả tươi, các phương pháp bảo quản chủ yếu là làm lạnh hoặc bảo quản bằngCO<small>2</small>. Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ đảm bảo được trong thời gian vàitháng, hơn nữa chi phí mặt bằng và năng lượng cao. Do vậy, dứa với sản lượngrất lớn mỗi năm như thế thì việc bảo quản nguyên quả là rất khó khăn, nên mộttrong những phương pháp được lựa chọn để bảo quản nguyên liệu, phục vụ chocác quá trình chế biến sau này là ép lấy nước sau đó cơ đặc. Phương pháp này đãgiải quyết được vấn đề trong việc kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu, đảmbảo chất lượng cho sản phẩm được chế biến sau đó; chi phí về mặt bằng và nănglượng ít hơn so với bảo quản hoa quả tươi.

Cấu trúc của đồ án gồm những phần sau:Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Quy trình cơng nghệ

Chương 3: Cân bằng vật chất, năng lượng và Thiết kế thiết bị chínhChương 4: Tính tốn và chọn thiết bị chính

Chương 5: Tính tốn và chọn thiết bị phụ

Đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Th.S Phan Minh Thụy.Bài làm của em cịn nhiều thiếu xót em rất mong nhận được ý kiến đóng góp củathầy cơ để hồn thiện kiến thức của bản thân hơn.

5

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiệnLê Thị Huyền Trang

6

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>1.1. Đặc điểm của nguyên liệu</b>

<i>Dứa hay thơm hay khóm, tên khoa học Ananas</i>

ở châu Mỹ La – Tinh, nhiều nhất ở Brazil. Sau khi tìmra châu Mỹ, khóm được đem trồng ở hầu hết các nướcnhiệt đới và một số nước Á nhiệt đới có mùa đơng ấmnhư HaWai (chiếm 33% sản lượng thế giới), Thái Lan(16%), Brazil (9%), Đài Loan…

Cây khóm được phát hiện đầu tiên vào năm

1943 khi ông Chritophe Colomb và các đồng đội đổ bộ xuống đảo Guadeloupetrong Thái Bình Dương. Đến thế kỷ XVI, khóm được trồng rộng rãi ở nhiềunước sự phát triển của khóm gắn liền vớ sự phát triển ngành hàng hải của ngườiTây Ban Nha và Bồ Đào Nha

Ở Việt Nam, đến cuối năm 1989 có 35.338 ha trồng khóm, trong đó miềnBắc có 6.482 ha, miền Nam có 28.856 ha. Vùng ĐBSCL có diện tích dứa rất lớn,chiếm 72,45% diện tích trồng dứa trong cả nước. Riêng Kiên Giang có 13.000ha, chiếm 36,8% diện tích (Đường Hồng Dật, 2003).

Khóm là loại quả đứng số một trong ba loại quả chủ lực: khóm, cam,chuối ở nước ta. Khóm khơng chỉ được trồng và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam màcòn phổ biến trên thế giới (Bartholomew et al., 2003). Hơn 70% sản lượng khómsau khi thu hoạch ở các nơi trên thế giới được sử sụng để ăn tươi, phần còn lạiđược sử dụng trong chế biến các sản phẩm xuất khẩu. Xuất khẩu dưới đến 7% tỷtrọng quốc doanh khóm thích hợp với điều kiện nhiệt độ và ẩm độ cao, sợ rét vàsương muối. Trong điều kiện thích hợp có thể sinh trưởng quanh năm. Khóm làloại cây ăn quả không kém đất (Chan et al.,2003).Ở đồng bằng sơng cửu long,khóm là cây tiên phong đi mở đường cho các loại hoa màu và các cây trồng khác

7

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

như mía, chuối, cam, đậu,…Trên đất phèn . Mặt khác, khóm cịn có những ưuđiểm:

 Cây khóm sợi có hợp chất Saponin chống cháy

 Khóm có tính giải khát, khóm làm cơ thể chống béo, ít béo phì  Rễ cây khóm cịn có tác dụng lợi niệu cao được lưu truyền trong dângian như vị thuốc dùng để chữa bệnh sỏi đường tiết niệu

 Khóm còn là thực phẩm dễ chế biến, xào nấu trong các bữa ăn nhất làcác món chua ngọt

 Lá khóm dùng để lấy sợi (lá có 2 – 2,5% cellulose) sử dụng trong cơngnghiệp dệt

 Thân khóm chứa 12,5% tinh bột, là nguyên liệu dùng để lên men,chuyển hóa thành mơi trường ni cấy nấm và Vi Khuẩn

 Trong khóm cịn có enzyme bromelin là loại enzyme giúp tiêu hóa rấttốt. Người ta đã biết chiết xuất và tinh chế thành những chế phẩm bromelin dùngtrong công nghiệp thực phẩm, thuộc da, vật liệu làm phim. Sản Phẩm phụ củacơng nghiệp chế biến khóm được dùng làm nguyên lieu lên men để chế biếnthành thức ăn gia súc.

* Khóm được chia làm 7 nhóm trong đó có 3 nhóm chính là: nhóm

+ Nhóm <i>Cayenn</i>: Quả có dạng hình trụ, mắt nơng. Quả bình thường nặng1,2-2 kg, thích hợp cho chế biến làm đồ hộp, chứa nhiều nước và vỏ mỏng

+ Nhóm <i>Queen</i>: Quả có nhiều mắt, mắt nhỏ, lồi cứng nên dễ vận chuyển.Thịt quả vàng, ít nước, màu sắc và vị thơm hấp dẫn. Quả bé, khối lượng trug bình500-700 g/trái.

+ Nhóm <i>Spanish</i>: Quả ngắn, kích thước to hơn nhóm quả Queen. Khốilượng xấp xỉ 1 kg. Hình dạng cân đối hơi hình trụ. Thịt vàng trắng khơng đều,mắt sâu, vị chua (Đường Hồng Dật, 2003)

<i><b>Bảng 1.1. Thành phần hóa học của khóm</b></i>

8

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Quá trình cơ đặc được tiến hành ở nhiệt độ sơi, mọi áp suất (áp suấtchân không, áp suất thường hay áp suất dư) trong hệ thống một thiết bị cô đặchay nhiều thiết bị cơ đặc. Trong đó:

Cơ đặc chân khơng dung cho các dung dịch có nhiệt độ sơi cao, dễ phânhủy bởi nhiệt.

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dung cho dung dịch khơng bịphân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, sử dụng hơi thứ cho côđặc và cho các q trình đun nóng khác.

Cơ đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ khơng được sử dung mà thải rangồi khơng khí. Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế

9

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

- Trong cơng nghiệp thực phẩm và hóa chất thường làm đậm đặc dungdịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cơ đặc. Đặc điểm của cơ đặc là dung mơi đượctách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, cịn chất hịa tan trong dung dịch sẽ khơng bayhơi do vậy nồng độ dung dịch tăng dần lên, khác với chưng cất trong chưng cấtthì các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ.

- Hơi của dung môi được tách ra khỏi dung dịch được gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dung để đun nóng thiết bị khác. Nếu dung hơi thứ đểđun nóng một thiết bị khác ngồi thiết bị cơ đặc thì được gọi là hơi phụ.

- Qúa trình cơ đặc có thể diễn ra trong một nồi hoặc nhiều nồi, gián đoạnhoặc liên tục. Qúa trình cơ đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy từngvào yêu cầu kĩ thuật. Khi dùng ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thểdung thiết bị hở, cịn khi làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cơ đặctrong chân khơng (áp suất thấp) vì nó có ưu điểm : khi áp suất giảm thì nhiệt độsơi của dung dịch cũng giảm theo khi đó độ chênh lệch giữa nhiệt độ hơi buồngđốt và dung dịch tăng do diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm.

- Cô đặc nhiều nồi là sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt nên nó có ý nghĩakinh tế cao về sử dụng nhiệt và nó hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: Hơi đốtcủa nồi thứ nhất sử dụng hơi từ nồi hơi, hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt chonồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai làm hơi đốt cho nồi thứ ba…hơi thứ cuốicùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Do có tổn thất nhiệt độ nên nhiệt đun nóng nồi saubao giờ cũng thấp hơn nồi trước, bởi vậy mà người ta thường cô đặc dung dịch ởnồi thứ nhất với áp suất dư còn các nồi sau đều ở áp suất chân không. Trong hệthống cô đặc nhiều nồi dung dịch chuyển dịch từ nồi này sang nồi tiếp theo, quamỗi nồi dung môi bay hơi đi một phần, nồng độ dung dịch tăng lên, đến cuốicùng nồng độ dung dịch đạt được như yêu cầu thì người ta tháo dịch vào thùngchứa.

<b>1.2.2. Phân loại phương pháp cô đặc </b>

<i><b>1.2.3.1 Phương pháp nhiệt (đun nóng)</b></i>

Dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái dung dịch dưới tácdụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên bề mặtchất lỏng

<i><b>1.2.3.2. Phương pháp lạnh </b></i>

Khi hạ thấp nhiệt độ đén một mức nào đó thì các cấu tử sẽ tách ra dướidạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết itnh dung môi để tăng nồng độ

10

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

chất tan. Tùy theo tính chất của cấu tử và ap suất tác dụng lên mặt thoáng mà tatiến hành ở nhiệt độ cao hay thấp có khi dung đến máy lạnh.

Biến đổi của ngun liệu và sản phẩm trong q trình cơ đặc

Trong q trình cơ đặc, tính chất cơ bản của ngun liệu và sản phẩm thayđổi không ngừng.

<i><b>1.2.3.3. Biến đổi vật lý</b></i>

- Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất hịa tan sẽ tăng, do đó tính chấtcủa dung dịch sẽ thay đổi. Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian cô đặcvà nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi.

- Khi nồng độ tăng: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệtphía dung dịch giảm. Nhưng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất do nồng độ sẽtăng.

<i><b>1.2.3.4. Biến đổi hóa học</b></i>

- Thay đổi pH của mơi trường: do tính chất thủy phân amit của các cấutử tạo thành axit.

- Độ kiềm tăng.

- Đóng cặn, do số muối canxi hòa tan rất chậm trong nồng độ cao, dophân hủy của một số muối axit hữu cơ tạo thành kết tủa.

- Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất.

- Tăng màu: do phân hủy các sản phẩm cô đặc dưới điều kiện nhiệt độ vàáp suất.

- Do kết quả của phản ứng Maye maillard là phản ứng ngưng tụ giữađường khử và amino axit, tạo thành các chất màu dạng keo chứa Nito.

<i><b>1.2.3.5. Biến đổi sinh học</b></i>

- Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)

- Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ caoBản chất của sự cô đặc do nhiệt

- Dựa theo thuyết động học phân tử : Để tạo thành hơi thì nhiệt tác dụnglên bề mặt thoáng phải lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệtđể khắc phục trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do vậy ta cần cấp nhiệt để cácphân tử đủ năng lượng để thực hiện quá trình này.

11

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

- Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong qtrình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do sự chênh lệch về khối lượng riênggiữa các phân tử trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồicô đặc.

Ứng dụng của cô đặc

- Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm.

Mục đích để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoăc đưa dungdịch qua trạng thái bão hòa để kết tinh.

- Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính …

<b>1.3. Thiết bị cơ đặc dùng trong phương pháp nhiệt1.3.1. Phân loại và ứng dụng</b>

<i><b>1.3.1.1. Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cơ đặc</b></i>

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng, độ nhớt thấp,đảm bảo dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức dung bơm để tạo vận tốc dungdịch 1,5- 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm tăng hệ số truyền nhiệt, độnhớt cao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.

- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần, tránh tiếpxúc quá lâu làm biến chất sản phẩm.

<i><b> 1.3.1.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình </b></i>

- Cơ đặc áp suất thường có nhiệt độ sơi áp suất không đổi. Thường dungcô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định và thời gian cô đặc ngắn.- Cô đặc áp suất chân khơng dung dịch có nhiệt độ sơi thấp hơn do có ápsuất chân khơng

- Cơ đặc nhiều nồi mục đích là tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi khơng nênlớn q vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơn so với chi phí đề ra. Do sử dụnghơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau nên có ý nghĩa kinh tế cao.

<b>1.3.2. Yêu cầu công nghệ</b>

- Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định- Giảm tổn thất chất khô

- Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi

12

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

- Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt

<b>1.3.3. Yêu cầu về thiết bị</b>

Về cấu tạo, thiết bị cơ đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phậnchính sau:

<i>Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đun nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận</i>

nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngồi cácống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống

<i>Không gian để phân ly: Hơi dung mơi tạo ra cịn chưa cả dung dịch nên</i>

phải có khơng gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt

<i>Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi</i>

Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cơ đặc:Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần được cơ đặc: độnhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mịn kim loại,…

Có hệ số truyền nhiệt lớn vì khi nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ giảmmạnh.

Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụlấy nhiệt cho cấp cơ đặc tiếp theo.

Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong khơng gian bên ngồi giữa các ốngcủa giàn ống.

Đảm bảo tách các khí khơng ngưng cịn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.Dễ dàng cho việc làm sạch bề mặt trong các ống vì khi dung dịch bốc hơibên trong các ống sẽ làm bẩn mặt bên trong của ống (tạo cặn)

<b>1.3.4. Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống</b>

- Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực- Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điềukiện chân không

- Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm ở áp suất cao, thiết bịcuối làm việc ở áp suất chân không.

<b>1.3.5. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc</b>

<i><b>1.3.5.1. Thiết bị chính</b></i>

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

13

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Ống nhập liệu, ống tháo liệuBuồng đốt , buồng bốcĐáy, nắp

Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng

Bồn cao vịCác van,…

<b>CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ</b>

<b>2.1. Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ</b>

Q trình cơ đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồihoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.

Cơ đặc là q trình sử dụng một nguồn nhiệt để cấp nhiệt cho dung dịchđể làm bốc hơi dung dịch cần cô đặc thu được dung dịch có nồng độ cao hơn.

Cơ đặc chân khơng là q trình cơ đặc mà thiết bị cơ đặc hoạt động ở ápsuất chân không, thấp hơn áp suất khí quyển, mục đích làm giảm nhiệt độ sơi củadung dịch cô đặc, giúp cho dung dịch giữ được chất lượng, không bị biến chất donhiệt độ cao.

Ngồi ra q trình làm việc ở nhiệt độ thấp giúp giảm tổn hao về nănglượng do chênh lệch nhiệt độ với môi trường thấp.

14

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hệ thống cơ đặc cũng rất đa dạng, có thể là hệ thống đơn chiếc một nồi cô,hặc hệ thống nhiều nồi và tận dụng nhiệt của hơi thứ để cấp nhiệt cho các nồikhác giúp giảm rất nhiều chi phí năng lượng

Trong đề tài này, ta chọn thiết bị để cơ đặc là thiết bị nồi 2 vỏ có cánhkhuấy vì một số lí do như:

Năng suất theo sản phẩm không lớn lắm (300kg/mẻ)Cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

1.Thùng chứa nguyên liệu; 2. Bơm nguyên liệu; 3. Cửa dẫn hơi đốt; 4.Cửa nhập liệu; 5.Buồng bốc hơi; 6. Qủa cầu CIP; 7. Ống dẫn hơi thứ; 8. Thiết bịđo áp suất; 9. Thiết bị ngưng tụ; 10. Ống thốt khí khơng ngưng; 11. Cánh khuấy;12. Buồng đốt; 13. Van; 14. Cốc tách nước ngưng; 15. Buồng chứa sản phẩm; 16.Cốc tách nước ngưng; 17. Bể chứa nước ngưng; 18. Thiết bị chứa nước ngưng;19. Ống thủy; 20. Bơm chân khơng; 21. Bình tách lỏng

<b>2.2.2. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý</b>

Khởi động bơm chân khơng đến áp suất P = 0,2 at.<small>ck</small>

Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa nguyên liệu (1) vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồngbốc hơi (5) trong thiết bị cô đặc, sau khi nhập đủ 1200,01 kg thì dừng.

Khi đã nhập liệu đủ 1200,01 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bãohòa ở áp suất 3 at), tại đây dung dịch nước dứa được đun nóng tới nhiệt độ sôi,dung dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng – hơi (phần hơi sẽ đi lên trên buồng bốc (5)).Dung dịch trong buồng bốc hơi được gia nhiệt bởi hơi đốt trong buồng bốc.Dung dịch trong buồng bốc sẽ sôi và bốc hơi, hơi thứ và khí khơng ngưng bốc rađược dẫn vào ống dẫn hơi thứ (7) vào thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm (9) ( thiếtbị ngưng tụ này gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và được ngưng tụ bằng nướclạnh đi bên ngoài ống ), sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngồi bồn chứa(18), cịn phần khí khơng ngưng sẽ được bơm hút chân khơng hút ra ngoài ống.Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng rồi được xả rangoài thùng chứa nước ngưng (16)

Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 60% thì ngưng cấp hơi đốt, sauđó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa (15).

<b>CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNGVÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH</b>

<b>3.1. Cân bằng vật chất </b>

Các số liệu ban đầu- Dung dịch nước dứa có:+ Nhiệt độ đầu là 20 C<small>o</small>+ Nồng độ đầu là 10 Bx

16

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

+ Nồng độ cuối là 60 Bx

- Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at- Áp suất ngưng tụ: P = 0,2at<small>ck</small>

Cô đặc gián đoạn với năng suất 200 kg/mẻ

<b>3.1.1. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn</b>

G = G + W<small>đc</small> G<small>đ</small>.x<small>đ</small> = G<small>c</small>.x<small>c</small>

Trong đó: G , G : lượng dun dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg)<small>đc</small> W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg) x , x : nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn (%)<small>đc</small> G<small>đ</small>.x<small>đ</small>, G<small>c</small>.x<small>c</small> : khối lượng đường trong dung dịch (kg) Lượng hơi thứ ta tính theo hai giai đoạn

- Giai đoạn 1: 10% đến 35% - Giai đoạn 2: 35% đến 60%

<i><b>a. Giai đoạn 35% đến 60%</b></i>

G = 200 kg<small>c</small> x = 35%, x = 60%<small>đc</small>

=> G = G . <small>đc</small> = 200 . = 342,86 kg Lượng hơi thứ

W = G – G = 342,86 – 200 = 142,86 kg<small>đc</small>

<i><b>b. Giai đoạn 10% đến 35% </b></i>

G = 342,86 kg<small>c</small> x = 10%, x = 35%<small>đc</small>

=> G = G . <small>đc</small> = 342,86 . = 1200,01 kg Lượng hơi thứ

W = G – G = 1200,01 – 342,86 = 857,15 kg<small>đc</small> Tổng lượng hơi thứ bốc hơi

17

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b>3.2. Cân bằng năng lượng</b>

Áp suất thiết bị ngưng tụ P = 0,2 at<small>o</small>

=> Nhiệt độ hơi thứ ở nhiệt độ ngưng tụ t = 59,7 C<small>ngt</small> ^o

<i> (Bảng 1.251 trang 314 Tài liệu [1])</i>

Chọn tổn thât nhiệt đọ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ   0,5^''' <small> o</small>C => Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t = 59,7 + 0,5 = 60,2<small>ht</small> ^oC.

Đây cũng là nhiệt độ sơi của dung mơi (là nước) trên mặt thống dungdịch t = 60,2 C<small>sdm</small> ^o

=> Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P = 0,2031 at<small>1</small>

<i> (Bảng 1.250 trang 312 tài liệu [1])</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

+ f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cơ đặc thường làm việc với áp suất khác ápsuất thường

+ T : nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị thì<small>m</small>bằng nhiệt độ hơi thứ, K T = 60,2°C<small>m</small>

+ r: ấn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (áp suấthơi thứ trên bề mặt dung dich), J/kg. r = 2358.10 J/kg<small>3</small>

<i> (Bảng 1.251 trang 314 tài liệu [1])</i>

t : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P<small>tb tb</small>

t : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P trên mặt<small>11</small>thoáng,t =60,2°C<small>1</small>

P : áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dich (N/m ) P<small>1</small> ² <small>1</small>=0,203119

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

rh : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ đáy buồng bốc hơi đến mặtthoáng của dung dịch (m). Thường chọn h = 0,5m_r

h : chiều cao buồng đốt (m); h=1,5m

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), = 0,5<small>dds dds </small> g : gia tốc trọng trường (m/s2). Thường chọn g= 9,81 m/s2

<i><b>Bảng 3.3. Bảng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh</b></i>

<b>3.2.2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn </b>

Cân bằng nhiệt lượng: nhiệt vào = nhiệt ra- Nhiệt lượng vào gồm có:

+ Do dung dịch đầu: G , c , t<small>đđđ</small>

+ Do hơi đốt: D.(1- ).i”<small>D</small>

+ Độ ẩm của hơi: .D.c.

20

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

- Nhiệt lượng ra gồm có:+ Hơi thứ mag ra: W.i”<small>w</small>

+ Nước ngưng tụ: D.c.+ Sản phẩm mang ra: G , c , t<small>ccc</small>+ Nhiệt cô đặc: Q<small>cđ</small>

+ Nhiệt tổn thất: Q<small>tt</small>

+ Độ ẩm của hơi: = 0,05Phương trình cân bằng nhiệt

.D.c. + D.(1- ). + G<small>n</small>.cn.t<small>n</small> = G<small>c</small>.c .t<small>c c</small> + W.I”w + D.c. + Q <small>t</small> Q <small>cđ</small>

D: lượng hơi đốt sử dụng, kg

= 5% : tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo

: nhiệt độ nước ngưng, °C

c: nhiệt dung riêng nước ngưng ở °C, J/kg.độ

c ,c<small>đc</small>: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg.đột ,t<small>đ c</small>: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, °C

i”<small>D</small>: entanpi của hơi đốt, J/kgi”<small>w</small>: entanpi của hơi thứ, J/kgQ<small>t</small>: nhiệt lượng tổn thất, JQ<small>cđ</small>: nhiệt lượng cô đặc, J

 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)

Q = D. (1-<small>D</small> ).(i” – c.<small>D</small> ) = D.(1- ).r

r = i” – c.<small>D</small> : nhiệt hóa hơi của nước ở áp P<small>Đ</small> Nhiệt dung riêng của dung dịch

21

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

C = 4190 – (2514 – 7,542t).x (J/kg.độ)

<i><b>Bảng 3.4. Bảng nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ</b></i>

Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg.độ 3988,25 3485,53 2986,01

 Chọn hơi đốt có áp suất: P = 3at => t = 132,9°C<small>đđ </small> Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at

r = 2171.10 J/kg<small>3</small> <i>. (Bảng 1.251 trang 314 Tài liệu [1])</i>

 Entanpi của hơi thứ ở 60,2°C

= 2632,2 . 10 J/kg <small>3</small> <i>(Bảng 1.250 trang 312 Tài liệu [1])</i>

 Tổn thất nhiệt Q = 0,05 . Q<small>tD</small>

 Xem nhiệt cô đặc Q là không đáng kể <small>cđ</small>

<i><b>3.2.2.1. Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 20°C đến 65,83°C</b></i>

G = G = 1200,01 kg<small>đc</small> c = c = 3988,25 J/kg.độ<small>đc</small> t = 20°C; t = 65,83°C; W = 0 kg<small>đc</small>Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình

Q = 1200,01 . 3988,25. (65,83 – 20) = 2,2 . 10 J<small>1</small> ⁸ Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)

Q = <small>D1</small> = 2,32 . 10 J⁸Lượng hơi đốt sử dụng

D = <small>1</small> = 106,67 kg

<i><b>3.2.2.2. Giai đoạn dung dịch từ 10% đến 35%</b></i>

G = 1200,01 kg; cđ = 3988,25 J/kg.độ; tđ = 65,83°C<small>đ</small> G = 342,86 kg; cc = 3485,53 J/kg.độ; tc = 66,46°C<small>c</small> W = 857,15 kg

22

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Nhiệt dung tiêu tốn cho quá trình

Q = 342,86 . 3485,53 . 66,46–1200,01 . 3988,25 . 65,83 + 857,15 .<small>2</small>2632,2 .10 <small>3</small>

Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình

Q = 200 . 2986,01 . 67,27 – 342,86 . 3485,53 . 66,46 + 142,86 . 2632,2 .<small>3</small>10<small>3 </small>

= 3,4 . 10 J<small>8</small>

Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thát nhiệt)

Q = <small>D3</small> = 3,6 . 10 J ⁸Lượng hơi đốt sử dụng

 Tổng nhiệt lượng Q = Q + Q + Q <small>DD1D2D3</small>

= 2,32 . 10 + 2,13 . 10 + 3,6 . 10<small>898</small> = 27,22 . 10 J<small>8</small>

 Tổng lượng hơi đốt

D = D + D + D = 106,67 + 979,42 + 164,85 = 1250,94 kg<small>123</small> Lượng hơi đốt riêng

23

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

D<small>riêng</small> = = 1,25 kg hơi đốt/kg hơi thứ

<i><b>Bảng 3.5. Bảng tóm tắt cân bằng năng lượng</b></i>

Lượng hơi đốt sử dụng, kg 106,67 979,42 164,85

<b>3.3. Tính thiết kế thiết bị chính </b>

<b>3.3.1. Hệ số truyền nhiệt trong q trình sơi</b>

<i><b>3.3.1.1 Các kí hiệu và cơng thức </b></i>

: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m K<small>2</small>

: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sơi, W/m K<small>2</small>

: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m<small>2</small>

: nhiệt tải riêng phái dung dịch sôi, W/m<small>2</small>

: nhiệt tải riêng phía vách buồng đốt, W/m <small>2</small>

: nhiệt độ trung bình vách ngồi buồng đốt, °C

: nhiệt độ trung bình vách trong buồng đốt, °C

: nhiệt độ hơi đốt, = 132,9°C

: nhiệt độ dung dịch sôi, °C

24

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

: nhiệt độ màng nước ngưng, °C

<i><b>3.3.1.2. Phía hơi đốt tới thành thiết bị</b></i>

q = <small>1</small> (1)

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]

Với A = phụ thuộc vào nhiệt độ màng t<small>m</small>

<i><b>Bảng 3.6. Bảng thể hiện A phụ thuộc vào nhiệt độ màng</b></i>

: khối lượng riêng riêng của nước ở nhiệt độ t , kg/m<small>m</small> ³

: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t , W/mK<small>m</small>

: độ nhớt của nước ở nhiệt độ t , Pas<small>m</small>

r : ẩn nhiệt nước ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t , r = 2171 . 10<small>D</small> ³J/kg

<i><b>3.3.1.3. Từ thành thiết bị tới dung dịch</b></i>

q = <small>2 </small> (3)

Theo cơng thức VI.27 tráng 71 Tài liệu [2]

(4)Trong đó

25

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng(kg/m<small>3</small>), nhiệt dung riêng (J/kg.độ), độ nhớt (Pas) của nước

: các thông số của dung dịch theo nồngđộ

: hệ số cấp nhiệt tượng ứng của nước, W/m K<small>2</small>

(5), (công thức V90 trang 26Tài liệu [2])

Với q : nhiệt tải riêng, W/m<small>2</small>

p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m<small>2</small> p = p = 0,2031 at = 19924,11 N/m<small>1</small> ²

 Các thông số của nước (Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2]) t = 60,2°C<small>sdm</small>

= 983,2 kg/m <small>3</small> c = 4183 J/kg.độ<small>n</small>

= 0,47 . 10 Ns/m<small>-32</small>

= 65,9 . 10 W/mK<small>-2</small> Các thông số của dung dịch

tra bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] (ở 40°C)

tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]

= 3,58 . 10 . c . <small>-8</small> . , W/mk<small>dd</small>

M = <small>dd</small> Với x : nồng độ dung dịch

26

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Do khơng biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiệntính lặp như sau

1 – Chọn (<t ) =><small>D</small>

2 – Tính theo công thức (2) 3 – Tính q theo cơng thức (1)<small>1</small>

4 – Tính theo công thức (6) với q = q => <small>v1</small>

5 – Tính theo công thức (5) với q = q1

6 – Tính theo công thức (4) 7 – Tính q theo cơng thức (3)<small>2</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

ss = = = 0,0052 =0,52% (thỏa mãn)

30

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

K = = 735,56 W/m K

<i><b>Bảng 3.8. Bảng tóm tắt hệ số truyền nhiệt</b></i>

Nồng độ dungdịch %

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

= 2,04 . A .

Với A = phụ thuộc vào nhiệt độ màng t theo bảng<small>m </small>1.1.1

: khối lượng riêng riêng của nước ở nhiệt độ t , kg/m<small>m</small> ³

: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t , W/mK<small>m</small>

: độ nhớt của nước ở nhiệt độ t , Pas<small>m</small>

r : ẩn nhiệt nước ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t , r = 2171 . 10<small>D</small> ³J/kgH = 1,5m

</div>