Thiết kế và tính toán phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài thẳng đứng dùng cho cô đặc dung dịch đường

Đường saccaroza thường được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều sản phẩm thựcCHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNGTrong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác nói c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHÊ HÓA HỌC ======o0o======

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆN THỰC PHẨM

Đồ án môn học chuyên ngành Công nghệ thực phẩm

Nội dung thiết kế

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc tuần hoàn phòng đốt ngoài dùng cho cô đặc dung dịch đường saccharoze

Các số liệu ban đầu:

 Chiều cao ông truyền nhiệt: 4m

 Năng suất:3,97 tấn/h

 Nồng độ ban đầu: 13,2% khối lượng

 Nồng độ cuối: 32,5% khối lượng

 Áp suất hơi đốt: 4at

 Áp suất hơi ngưng tụ: 0,29at

Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thế Hữu đã chỉ dẫn tận tình Trong quá trình em thực hiện để ăn Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy có khác trong khoa cũng như các bạn đã giúp đó, cho em những ý kiến tưvẫn bỏ ích trong quá trình hoàn thành đề án này Tuy nhiên do kiến thức em hạn hẹp nên trong đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

Đường là thực phẩm vì chng có khả năng tạo chất ngọt và đồng thời cũng là nguồn dinh dưỡng cung cấp năng lượng không thể thiếu đối với con người Dường sẽ giúp cơ thể con người được cung cấp năng lượng cho các hoạt độngmỗi ngày Mỗi khi thấy mệt mỏi, stress hoặc đói bụng cần nạp nhanh năng lượng thì những thực phẩm chứa nhiều đường sẽ là sự lựa chọn tốt nhất cho

cơ thể

Vì vậy công nghệ chế biến đường rất quan trọng với sự phát triển của công nghiệp chế biến thực phẩm đi đối với đó là đáp ứng nhu cầu của con người trong xã hội hiện này Về công nghệ chế biến đường, hiện nay ở Việt Nam đã

áp dụng công nghệ hiện đại vào sản xuất, phần lớn là được cơ giới hỏa có một

số được tự động hỏa Để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng đường của con người hiện nay, việc cô đặc đường saccaroza là hết sức quan trọng, nó giúp ta đưa nồng độ đường vẽ nồng độ mong muốn để phục vụ cho sản xuất thực phẩm

Do đó em chọn đề tài đồ án - Thiết kế và tính toán phân xưởng cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống thẳng đứng dùng cho cô đặc dung dịch đường" Với đồ án này, việc cần làm rõ đầu tiên chính là về nguyên liệu, tiếp

đó là hệ thốn thiết bị cô đặc sau đó tính toán thiết bị chính và thiết kế phân xưởng cho hệ thống thiết bị cô đặc Với đồ án này chúng ta sẽ có thể tìm hiểu

rõ ràng, cụ thể hơn về cách vận hành, thông số kỹ thuật, thiết bị của thiết bị côđặc tuần hoàn cưỡng bức sử dụng trong cô đặc đường

Mở Đầu

Trong thời đại 4.0 công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, có rất nhiều ngành công nghiệp được ưa chuộng và phát triển tại Việt Nam Nước ta đang đứng trước nhiều cơ hội và thử thách để trở thành nước có nền kinh tế phát triển song hành với các quốc gia trên thế giới Hiện tại có rất nhiều ngành công nghiệp đang phát triển lớn mạnh ở nước ta trong đó có nghành công nghiệp thực phẩm được đầu tư mạnh mẽ nhằm thúc đẩy nền kinh tế đất nước cả chăm

lo cho đời sống của người đán Ngành công nghiệp thực phẩm bao gồm các hoạt động công nghiệp hướng tới chế biến, chuyển đổi, chuẩn bị, bao quản cả đóng gói sản phẩm Ngày nay, công nghiệp thực phẩm đã trở nên đa dạng hóa, với việc sản xuất từ các hoạt động nhỏ, truyền thống do các gia định quản lý đến các quy trình công nghiệp lớn Ngành này cung các nhu yếu phẩm về ăn uống cho con người, nó bao gồm rất nhiều ngành khác như trồng trọt, chăn nuôi, đánh bắt thủy sản, Khi ngành công nghệ thực phẩm đi lên thì nó cũng giúp các nghành khác đặc biệt là nông nghiệp phát triển theo Đâyđược với là nghành mũi nhọn trong việc phát triển nền kinh tế-xã hội chung của đất nước, cụ thể:Về xã hội thúc đẩy nghành công nghiệp hóa nông thôn

góp phần giải quyết việc làm cho người dân,Về kinh tế cung cấp nhiều mặt hàng về xuất khẩu chủ lực như thủy hái sản, gạo,cà phê, cao su, đường, nhằm mang lại nguồn thu về ngoài tệ lớn.Hiện này nghành công nghiệp thực phẩm Việt Nam đã có sự phát triển và thay đổi qua nhiều giai đoạn khác nhau, gồm rất nhiều nghành chính như rượu-bia-nước giải khát, chế biến sữa và các sản phẩm từ sữa, dầu thực vật, công nghiệp sản xuất thuốc lá, bánh kẹo, Đặc biệt là sự phá triển của nghành công nghệ chế biến sản xuất đường, một

ngành công nghệ không thể thiếu có truyền thống lâu đời ở Việt Nam Đường saccaroza là một sản phẩm quan trọng trong công nghiệp thực phẩm, nó là nguyên liệu của nhiều sản phẩm thực phẩm và các ngành công nghiệp khác ( bánh kẹo, nước giải khát, đồ hộp, sữa, làm thuốc, thức ăn kiêng và sản xuất acid hữu cơ) Đường saccaroza thường được sử dụng làm nguyên liệu trong nhiều sản phẩm thực

CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CHUNG

Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc

Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất,

nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức

mà vẫn đảm bảo được yêu cầu thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiều loại như: thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết

bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc

phòng đốt ngoài,thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức,thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm…

Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi Tuy nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không bay hơi trong quátrình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu tử khó bay hơi) bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh

- Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi

chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ ( như dung dịch đường) đòi hỏi cô đặc ở nhiệt độ thấp, thường là chân không Đó là phương pháp cô đặc chân không

- Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trìnhkết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh

1 Sơ lược về quá trình cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất

tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích :

 Làm tăng nồng độ chất tan

 Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

 Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

Cô đặc thường được tiến hành ở nhiệt độ sôi dưới mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư), trong hệ thống một hoặc nhiều thiết

bị cô đặc (nồi) Quá trình có thể gián đoạn hoặc liên tục Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩm nhiệt hóa hơi lớn, có

thể dùng làm hơi đốt trong các nồi cô khác Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài

hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ

- Cô đặc chân không áp dụng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy bởi nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi của dung dịch (gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích) Mặt khác,

cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng hơithứ hoặc nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác cho quá trình cô đặc

- Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các muối vô cơ để sử dụng hơi thứ cho

cô đặc hoặc cho các quá trình đun nóng khác

- Cô đặc ở áp suất khí quyển hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độ dung

dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc.

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng

hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưngcất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở

nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ

đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi,làm việc gián đoạn hoặc liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi

áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm, ví

dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm

Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị cô đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh tế không cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người ta

thường chọn cô đặc nhiều nồi

Ứng dụng của cô đặc: trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục

đích để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc để dung dịch tới trạng tháo bão hòa để kết tinh

Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây,

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ,

Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc: hiện nay, phần lớn các nhà

máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bịhữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với

sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là mộttất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

2 Phân loại thiết bị cô đặc

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất

Thiết bị cô đặc (TBCĐ) được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây:

a) Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự

nhiên), đối với nhóm này thường có hai loại như sau:

 Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi); có thể

có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài

 Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi)

b) Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng

bức), đối với nhóm này thường có hai loại như sau:

 Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài

 Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài

c) Nhóm 3: Dung dịch cháy thành mảng mỏng, loại này thường cũng

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp,

Thiết bị phụ:

 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ Baromet: đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp

Nó rất thông dụng trong ngành hóa chất và thực phẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân không (như dung dịch đường, muối, glycerin, bột ngọt, nước mắm, ) Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia Hơi trao đổi nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo ống Baromet chảy ra ngoài

 Thiết bị đo và điều chỉnh

Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm gồm:

 Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt): trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch

 Ống truyền nhiệt

 Ống tuần hoàn

Nguyên tắc hoạt động: dung dịch ở phòng đốt đi trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống Khi làm việc, dung dịch ở trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi – lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy

từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích của dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt, do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn Vì vậy, khối lượng riêng sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở vanđáy để tháo sản phẩm ra

Ưu điểm:

 Chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh vàkiểm tra

 Cường độ truyền nhiệt lớn (hệ số truyền nhiệt K lớn) Khó bị đóngcặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc dung dịch dễ

bị bẩn tắt, dung dịch tuần hoàn tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng

Nhược điểm:

 Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm cũng bị đun nóng

4 Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa

về mặt sử dụng nhiệt

Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:

Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ nhất của nồi này vào đun nồi thứ hai Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ ba, , hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt

từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độcủa dung dịch tăng dần lên

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt

độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói một cách khác là phải có chênh lệch

áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi Nghĩa là, áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau Thôngthường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làm việc ở áp suấtchân không

Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi

Vì nếu ra giả thiết rằng cứ một kg hơi đưa vào đốt nóng thì làm bay hơi được một kg hơi thứ Như vậy, cứ một kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi được số kg thứ tương ứng với số nồi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, hay nói một cách khác là lượng hơi đốt làm bốc hơi một kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với sốnồi Dưới đây là số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt theo 1kg hơi thứ:

 Trong hệ thống cô đặc 1 nồi: 1,1 kg/ kg

 Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg

 Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg

 Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg

 Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg

Qua số liệu này cho thấy, lượng hơi đốt giảm đi theo số nồi tăng nhưng khônggiảm theo tỉ lệ bậc 1 mà từ nồi 1 lên nồi 2 giảm 50%, còn từ nồi 4 lên nồi 5 giảm đi 10%, thực tế từ nồi 10 lên nồi 11 giảm đi không quá 1% nghĩa là xét

về mặt hơi đốt hệ thống cô đặc nhiều nồi không thể quá 10 nồi

Mặt khác số nồi tăng thì hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do đó bề mặt đun nóng của các nồi sẽ tăng

Vì vậy, cần lựa chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều được sử dụng nhiều hơn cả

Ưu điểm: dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch

áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả

là dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước làm quá trình tự bốc hơi

Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ

số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa, dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm một lượng hơiđốt để đun nóng dung dịch

5 Giới thiệu về dung dịch cô đặc: đường saccharoze

A,Khái quát

Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta

Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường với quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp ứng nhu cầu này Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành côngnghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía

Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa, Đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu,

b,Tính chất vật lý của đường saccharoze

Thành phần chủ yếu của dung dịch đường mía là: nước chiếm tỷ lệ nhiều nhất(70 – 85%), saccharoze (10 – 15%)

C12H22O11 là công thức hóa học của saccharoze Nó có một số tính chất vật lý nổi bật dễ nhận biết như:

Là một chất bột kết tinh màu trắng, không có mùi, có vị ngọt vô cùng dễ chịu

và dễ hòa tan trong nước

Độ nhớt của loại đường này tăng khi nồng độ tăng và độ nhớt giảm khi nhiệt

độ tăng

Đường saccharose nóng chảy ở nhiệt độ 186oC

Khối lượng riêng của saccharose 1.587 g/cm3

Độ hòa tan trong nước ở nhiệt độ 20oC là 211.5 g/100ml.

Độ ngọt: do gốc OH tạo nên, nếu dung dịch chứa nhiều đường khử (glucoza, frutoza) thì sẽ ngọt hơn

c,Tính chất hóa học của đường saccharoze

Dưới tác dụng xúc tác của axit: saccharoze bị thủy phân thành glucoza và

fructoza – quá trình chuyển hóa đường Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc vào:

pH và nhiệt độ của dung dịch: pH càng thấp, nhiệt độ càng cao thì tốc độ chuyển hóa đường tăng nhanh chóng

Thời gian: thời gian càng lâu thì tạo thành đường chuyển hóa càng nhiều, vì vậy ảnh hưởng không tốt đến sản xuất đường và làm tổn thất đường, gây khó khăn cho quá trình kết tinh đường

Dưới tác dụng của kiềm: saccharoze có tính chất như axit yếu:

Trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao hoặc kiềm đậm đặc: saccharoze bị thủyphân thành aldehyt, axeton, axit hữu cơ và tạp chất có màu vàng nâu Môi trường pH càng lớn thì saccharoze bị phân hủy càng nhiều

Dưới tác dụng của kim loại kiềm thổ: dung dịch đường biến thành sacarat, gây ảnh hưởng xấu đến sản xuất, do làm tăng tổn thấy đường và độ nhớt dungdịch

Dưới tác dụng của nhiệt độ: > 200oC saccharoze mất nước tạo thành các chất caramel có màu từ vàng tới nâu đen Phản ứng này làm tăng độ màu của dung dịch đường non, đường thành phẩm, màu này rất khó loại bỏ

6 Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.

Chú thích:

1 Thùng chứa dung dịch đầu 7 Thiết bị cô đặc II

4 Lưu lượng kế 10 Thiết bị ngưng tụ Baromet

5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 11 Thiết bị thu hồi bọt

6 Thiết bị cô đặc I 12 Bơm chân không

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống:

Dung dịch đầu đường Saccharoze 9% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3)

từ thùng chứa (1) Từ thùng cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ

bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô đặc I (6) để thực hiện quá trình bốc hơi

Ở nồi này dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống

Hình 1: Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều của cô đặc phòng đốt ngoài

chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồngđốt để đun nóng dung dịch Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng đốt gọi là hơi thứ Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt, hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn sang buồng đốt của nồi cô đặc II (7)

Dung dịch từ nồi cô đặc I (6) tự di chuyển qua nồi cô đặc II (7) nhờ sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt

độ sôi của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ hai (7) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi Kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi

và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi.Dung dịch sau khi được cô đặc trong nồi thứ hai (7) đã đạt được nồng độ theoyêu cầu sẽ được bơm tháo liệu bơm ra ngoài và dẫn vào bể chứa sản phẩm (9) Hơi thứ và khí không ngưng sinh ra trong nồi hai này sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10) Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên

đi xuống, chảy tràn qua các cạnh tấm ngăn và đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp nước làm nguội và hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (11) hơi sẽ được bơm chân không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng (8)

Ưu điểm:

 Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch

áp suất giữa các nồi mà không cần dùng bơm

 Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch vào mỗi nồi đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi đó (trừ nồi đầu) Kết quả là dung dịch sẽ nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi đi một lượng dung môi (quá trình tự bốc hơi)

Nhược điểm:

 Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồisau, do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi

đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.

 Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ củadung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh.Kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối

ChươngII.Tính toán thiết bị chính

Dung dịch cần cô đặc Đường Saccharoze

Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = 3,97 (tấn/h) = 3970 (kg/h)

Nồng độ ban đầu xđ = 13,2% khối lượng

Áp suất hơi ngưng tụ Png = 0,29at

Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2m

1 Các thông số ban đầu

2 Cân bằng vật liệu

2.1 Lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: W (kg/h)

Từ công thức( 3.20- QTTB III- T150): W = Gđ(1−x đ

x c)Trong đó :

W: lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống (kg/h)

Gđ: lượng dung dịch đầu (kg/s)

xđ,xc: nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng).Thay vào ta có:

W = 3970 × (1 −0,132

0,325)= 2358 (kg/h)

2.2.1Giả thiết hơi thứ phân phối trong từng nồi

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W1 (kg/h)

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W2 (kg/h)

Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là:

W1 : W2 = 1 : 1,1

Ta có hệ: 1,1W1 = W2 W1 = 1123 (kg/h)

Ta được x2 = xc, phù hợp với số liệu ban đầu.

2.3Cân bằng nhiệt

ΔP = P1 - Png = 4 - 0,3 = 3,7 ( at )

Trong đó:

ΔP: là chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống

P1: áp suất hơi đốt vào nồi 1

Png: áp suất hơi ngưng tụ

2.3.2Chênh lệch áp suất, nhiệt độ của mỗi nồi

Giả sử tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

𝑖

1 2

- Nhiệt lượng riêng:𝑖1 = 2744 𝑘𝐽/𝑘𝑔

- Nhiệt hóa hơi: 𝑟1 = 2141 𝑘𝐽/𝑘𝑔

Nồi 2: với𝑝2 = 1,78𝑎𝑡 ta được

- Nhiệt độ hơi bốc: 𝑇2 = 116,3 oC

- Nhiệt lượng riêng:𝑖2 = 2708 ,4𝑘𝐽/𝐾𝑔

- Nhiệt hóa hơi: 𝑟1 = 2218𝑘𝐽/𝑘𝑔

Với 𝑝𝑛𝑔 = 0,29𝑎𝑡 ta được: 𝑇𝑛𝑔 = 67,8 oC

2.3.3Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:

Gọi 𝑡𝑖 : nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi thứ i, oC

∆𝑚: tổn thất nhiệt do trở lực đường ống thường chọn từ 1÷ 1,5oC Để đơn giản hơn ta chọn ∆𝑚= ∆𝑚= 1 oC

- Nhiệt lượng riêng: 𝑖′1 = 2709,3𝑘𝐽/𝑘𝑔

- Nhiệt lượng riêng:𝑟′1 = 2214,3𝑘𝐽/𝑘𝑔

Nồi 2: với 𝑡′2 = 69,8 oCta được:

- Áp suất hơi thứ: 𝑝′2 = 0,32𝑎𝑡

- Nhiệt lượng riêng: 𝑖′2 = 2621.97𝑘𝐽/𝑘𝑔

- Nhiệt lượng riêng:𝑟′2 = 2333.4𝑘𝐽/𝑘𝑔

2.3.4Tổn thất nhiệt cho mỗi nồi:

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ Tổng tổn thất

nhiệt độ này là do nồng độ tăng cao (∆ ' ), do áp suất thủy tĩnh tăng

cao (∆ ' ' ), do trở lực đường ống (∆ '' ' )

2.3.4.1Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆):

Gọi ∆ ' là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi

của dung môi nguyên chất

Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là

tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra.

Phụ thuộc vào nồng độ chất tan, áp suất, bản chất của chất tan và dung môi Tổn thất nhiệt do nồng độ xác định bằng thực nghiệm hoặc tính theo công thức Lisenco Tổn thất nhiệt độ khi áp suất cô đặc bằng

áp suất khí quyển

- Ta có công thức: ∆0= 𝐾𝑠 × 𝐶𝑀, oC (1)

- Trong đó:

 ∆0 ' : độ tăng phí điểm tại áp suất khí quyển,℃

 K s: hằng số nghiện sôi của dung môi

 𝐶𝑀 : nồng độ chất tan, mol/lít

Trong đó:

CM : nồng độ chất tan, mol/lít

D: khối lượng riêng của dung dịch, g/ml

M: phân tử khối của chất tan

x: nồng độ chất tan trong dung dịch,%

Trong đó

+ P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at)

+ h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m), h1=0,5m

+ h2: chiều cao của ống truyền nhiệt (m), h2=4m

+ 𝑃𝑑𝑑𝑠: khối lượng riêng của dung dịch sôi Lấy gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 20℃ (kg/m3)

2.3.4.3Tổn thất nhiệt do đường ống (∆”’):

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị

Đó là đoạn nối giữa nổi 1 và nồi 2, giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ Ta

chọn tổn thất nhiệt độ do đường ống là 1℃

- Vậy ta có: ∑ ∆ = ∆"′ + ∆"′= 1 + 1 = 2 oC

2.3.4.4Tổng tổn thất nhiệt độ:

∑ ∆ = ∑ ∆′ + ∑ ∆′′ + ∑ ∆′" = 2,21 + 13,005 + 2 = 15,215 oC

2.3.4.4Hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi:

2.3.5Xác định hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống:

a Áp dụng công thức [VI.17-ST2-T67]:

∆𝑡ℎ𝑖 = ∆𝑡𝑐ℎ − ∑ ∆

- Trong đó:

+ ∆tch: hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1

và nhiệt độ ngưng ở thiết bị ngưng tụ

- Ta có: ∆𝑡𝑐ℎ = 𝑡ℎ𝑑 − 𝑡𝑛𝑡 =142,9-68,7=74,2oC

- Vậy hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống là:

∆thi=74,2−15,215 = 58,985℃

2.3.5.2Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:

- Là hệ số nhiệt độ hơi đốt T i và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc

u số nhiệt độ hữu ích

∆Ti ,

℃

Nhiệ

t độ sôi của dung dịch

tsi ,oC

Hiệu số nhiệt độ hữu ích tron

58,985

2 |=1 ,7 %<5 %

Số liệu lựa chọn thỏa mãn sai số nhỏ hơn 5%

2.3.6 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Hình 2.3-1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

Trong đó:

D: lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất, kg/h

Gd: lượng hỗn hợp dẫn đầu đi vào thiết bị, kg/h

i1 ,i2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1 và nồi

2, J/kg.độ i'1 ,i'2: nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi

1, nồi 2, J/kg.độ θ1 ,θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi

2, ℃

C0 ,C1 ,C2: nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi

2, J/kg.độ Cnc1 ,Cnc2: nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

Qm1 ,Qm2: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2

W1 ,W2: lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h

tso ,ts1 ,ts2: nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2,℃

2.3.6.1Nhiệt lượng vào gồm có:

- Nồi 1:Nhiệt do hơi đốt mang vào:

D i1 Nhiệt do dung dịch

mang vào: Gd

- Nồi 2:Nhiệt do hơi thứ mang vào: W1 i2

Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang:(Gd−W1)C1.ts1

2.3.6.2Nhiệt lượng mang

2.3.6.3Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

- Phương trình lập dựa trên nguyên tắc:

- Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

 Phương trình cân bằng nhiệt từng nồi:

Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:

 Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, ra khỏi nồi 2:

Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2) ta áp dụng công thức sau [I.44 - ST1 - T152] C =Chtx+4186(1− x )(J/kg.độ)

 Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, ra khỏi nồi 2:

Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2) ta áp dụng công thức sau [I.44 - ST1 - T152] C =Chtx+4186(1− x )(J/kg.độ)

 Áp dụng tính dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xđ = 13,2 %

Xác định lại tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi

2.3.7Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:

2.3.7.1Tính hệ số cấp nhiệt a khi ngưng tụ hơi:

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 vànồi 2 là : ∆11, ∆12

- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 3m, hơi ngưng bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức (V.101/ST2 – T28)

𝛼 = 2,04 𝐴 ( 𝑟𝑖 )0,25 W/m2.độ

∆𝑡1𝑖.𝐻Trong đó:

- 𝛼1𝑖: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i, W/m2 độ

- Δ1i : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng của nồi I (o C)

t2 = 116,3oC ⇒ tm2 = 116,3 – 0,5× 2,2 = 115,2 oCTra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm: (ST2 – T 29)Với: tm1 = 141,435 oC A1 = 194,215

tm2 =115,2 oC A2 = 185,84

Vậy hệ số cấp nhiệt của mỗi nồi là:

2.3.7.2 Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

P’1= 1,433 atP’2= 0,314 at

- Δt2i : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi

Δt2i=tT2i−tddi= ΔTi− Δt1i− ΔtTi (2)Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt

ΔtTi =q1i ∑r ,oC (3)Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

Với r1, r2: Nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường (bên ngoài cặn bẩn của nước ngưng, bên trong cặnbẩndo dung dịch) Tra theo bảng (V.I ─ ST2 – T4):

Tra bảng ( VI.6 ─ ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt

là

𝛿 = 2𝑚𝑚 = 0,002𝑚

λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, Chọn vật liệu

làm ống truyền nhiệt là thép không gỉ X18H10000T có hệ số truyền

nhiệt λ = 16,3 (W/m độ) Thay số vào công thức (4) ta có:

Thay vào PT (3) ta có hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền

nhiệt của mỗi nồi là:

Nồi 1: ∆tT1= 25772,4789×7,4169×10−4=19,1151oC

Nồi 2: ∆tT2= 19763,2981×7,4169 ×10−4=14,6582oC

Thay vào PT (2), ta có hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với

dung dịch sôi mỗi nồi là:

p: Khối lượng riêng, kg/m3

C: Nhiệt dung riêng, J/kg độ

µ: Độ nhớt, Cp

λ, p, C,µ : Lấy theo nhiệt độ sôi của dung

dịch (Bảng 2.2)

ts1 = 114,336 oC ts2 = 82,289 oC

a Khối lượng riêng

- Khối lượng riêng của nước: Tra bảng (I.249 ─ ST1

b Nhiệt dung riêng

- Nhiệt dung riêng của nước: Tra bảng ( I.249 ─ ST1 – T 310 ):

- Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được xác định theo công thức

(I.32 ─ ST1 – T123)

λdd = A.Cp.pdd 3

√Pdd M

A:hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng: ta chọn A = 3,58.10-8 M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng (hỗn hợp là đường và

H2O) nên :

M = 342.a + 18×(1 -a)

- Cp : nhiệt dung riêng đẳng ápcủa chất lỏng, J/kg.độ

• Nồi 1: x = 41,33% khối lượng

𝑎1 = =

0,4133 342 0,4133

342 +

1 −0,4133 18

342 +

1 −0,325 18