Báo cáo cuối kì chuyên đề nhiệt chuyên đề thiết bị cô đặc

trong quá trình đó, các tính chất cơ bản của nguyên liệu biến đổi liên tục.+ Các đại lượng: khối lượng riêng của dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi, có xu hướng

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO CUỐI KÌ MÔN HỌC: CHUYÊN ĐỀ NHIỆT CHUYÊN ĐỀ: THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN NHÓM: 02CLC (LỚP SÁNG THỨ 2 TIẾT 1-2)

HỌC KÌ 1 NĂM HỌC 2022-2023 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

STT HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN MSSV TỶ LỆ HOÀN

Ghi chú:

Tỷ lệ % = 100% Mức độ phần trăm của từng sinh viên tham gia Nhóm trưởng: Trần Minh Hiếu

Điểm số:

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

HOÀN THÀNH 1 Trần Minh Hiếu 20147036 Chương 2, chương 3, tổng

hợp word

Trước 12/11

2 Nguyễn An Thuyên 20147219 Chương 1, tổng hợp word,

lời mở đầu, kết luận Trước 12/11

Tự đánh giá báo cáo chuyên đề

Vì kiến thức về chủ đề báo cáo còn hạn chế nên việc tìm kiếm thông tin gặp nhiều khó khăn, kỹ năng vẽ còn hạn chế Song nhóm chúng em cũng đã cố gắng hoàn thiện nhất có thể chủ đề này Mong được sự thông cảm, nhận xét từ thầy.

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Hình ảnh minh họa về vật liệu Hình 2 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm Hình 3 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức Hình 4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại màng Hình 5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc một nồi

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc nhiều nồi thuận chiều Hình 7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều Hình 8 Thiết bị cô đặc dược liệu(tập đoàn cơ khí Tân Minh) Hình 9 Thiết bị cô đặc dược liệu(tập đoàn cơ khí Tân Minh)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

δ (m) : chiều dày ống nhiệt

K (W/m độ): hệ số truyền nhiệt tổng quát2 H (m): chiếu cao thiết bị

D (m): đường kính thân thiết bị rn: nhiệt trở lớp nước ngưng rt: nhiệt trở lớp cặn bẩn tD (˚C) nhiệt độ hơi tvl, t (˚C) nhiệt độ váchv2

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu 2

1 Giới thiệu về nguyên vật liệu (mía đường) 2

2.1.4 Mục đích của quá trình cô đặc? 4

2.1.5 Một số yếu tố quan trọng trong qua trình cô đặc : 4

1.2 Tính chất hoá học (thành phần, hoá sinh, vi sinh) 5

2.2 Các thiết bị cô đặc : 5

2.2.1 Giới thiệu chung : 5

2.2.2 Phân loại: 5

2.3.Cấu tạo và guyên lý hoạt động: 8

2.3.1 Thiết bị cô đặc đối lưu tự nhiên 8

2.3.2 Thiết bị cô đặc đối lưu cưỡng bức 9

2.3.3 Thiết bị cô đặc loại màng 10

2.3.4 Thiết bị cô đặc một nồi 11

2.4 Phạm vi ứng dụng 14

Chương 3: Thiết bị cô đặc một nồi 15

3 Các thông số và tính toán thiết bị 15

D TÀI LIỆU THAM KHẢO: 17

A LỜI MỞ ĐẦU.

1 Lý do chọn đề tài:

Truyền nhiệt là lĩnh vực đóng vai trò quan trọng, không thể thiếu trong hầu hết các

quá trình hóa học, thực phẩm, sinh học, môi trường… Trong đó quá trình cô đặc có vai trò đặc biệt quan trọng Với tốc độ phát triển khoa học công nghệ nhanh chóng như hiện nay, cô đặc càng tỏ ra là quá trình không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp như công nghệ thực phẩm, công nghiệp hóa chất, công nghiệp dược phẩm… đều là những ngành sản xuất chiếm vị trí chủ đạo trong nền kinh tế Để thực hiện quá trình cô đặc có nhiều phương pháp và sử dụng nhiều thiết bị khác nhau: có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi làm việc gián đoạn và liên tục Bên cạnh đó, người ta cũng đã thiết kế thêm những thiết bị phụ trợ kết hợp làm việc để tăng năng suất, tiết kiệm thời gian, chi phí và đạt hiệu quả kinh tế cao Nhằm làm rõ và đánh giá được ý nghĩa và tầm quan trọng của thiết bị cô đặc, nhóm đã quyết định chọn đề tài: “THIẾT BỊ CÔ ĐẶC” cho bài báo cáo môn học Tiểu luận này đề cập đến các các vấn đề nhằm làm rõ hơn đến bản chất, các phươnng pháp của quá trình này,mục đích của quá trình cô đặc, các loại thiết bị cô đặc, nhằm cho thấy cách áp dụng đúng và đạt hiệu quả cao nhất của thiết bị cô đặc.

2 Mục đích nghiên cứu:

Mục tiêu tìm hiểu, nghiên cứu, thu thập thông tin về các đặc tính, công dụng và cấu tạo của thiết bị cô đặc Đặc biệt nhóm thực hiện tìm hiểu sâu về thiết bị cô đặc một nồi, tìm hiểu thông số cụ thể

3 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: thiết bị cô đặc nói chung và thiết bị cô đặc một nồi nói riêng, các thống số và công dụng của chúng

4 Phương pháp đánh giá:

Để thực hiện được các yếu tố nêu trên thì nhóm đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp đối chiếu, chọn lọc các nguồn tài liệu- Phương pháp thu thập thông tin

- Phương pháp tiếp thu ý kiến giảng viên

1

B NỘI DUNG.

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu1 Giới thiệu về nguyên vật liệu (mía đường)

Hình 1: Hình ảnh minh họa về vật liệu

Đường mía (đường phên): là đường saccarozơ bởi thành phần chính trong đường mía là sucroza Đây là một thành phần tạo ngọt được sử dụng vô cùng phổ biến tại nhiều quốc gia.

Hình dạng:

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm: Dung môi: nước.

Các chất hoà tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc.

1.1 Tính chất vật lý.

Tồn tại ở dạng bột kết tinh màu trắng, không mùi, có vị ngọt, dễ tan trong nước( 211,5 g/100 ml nước ở nhiệt độ 20˚C).

Đột nhớt của dung dịch đường tăng khi tăng nồng độ và giảm khi tăng nhiệt độ Khối lượng phân tử: 342.3(

Điểm nóng chảy: 186˚C Khối lượng mol: 342.29648(

Phân loại: Thực phẩm chứa carbohydrate Khối lượng riêng: 1.587()

2

1.2 Tính chất hoá học (thành phần, hoá sinh, vi sinh).

Mang tính chất của đường Saccaroze, có tính chất của một ancol đa chức và có phản ứng thuỷ phân của disaccarit.

Các chất không đường:

a) Các acid hữu cơ:

Mía chứa các loại acid như: oxalic, sucxinic, tannin… Hàm lượng trong mía thấp: 0,1% - 0,15%

b) Đường khử:

Hàm lượng: 1,3% - 3% so với nồng độ chất khô.

c) Chất béo:

Chủ yếu là sáp được tạo thành từ lớp bao bọc ngoài cây mía Gần như 60% - 80% sáp theo bã mía ra ngoài.

d) Chất không đường chứa Nitơ:

Chiếm khoảng 0,4% khối lượng gồm: amid, albumin, acid amin…

e) Các hợp chất dạng lơ lững, nổi:

Chất sơ, chất keo, chất nhựa, tinh bột.

Các chất này ảnh hưởng nhiều đến sự biến màu của nước mía, được tách ra khỏi nước mía bằng nhiều phương pháp.

f) Các chất vô cơ:

Gồm các chất: K O, Na O, MgO, CaO…22

1.3 Tính chất chế biến/bảo quản.

Trong quá trình chế biến đường mía, quá trình cô đặc đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình đó, các tính chất cơ bản của nguyên liệu biến đổi liên tục.

+ Các đại lượng: khối lượng riêng của dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi, có xu hướng tăng.

Biến đổi tính hoá học:

Thay đổi pH môi trường: thường thì pH sẽ giảm do một số phản ứng phân huỷ amit 3

Đóng cặn: do dung dịch chứa một số muối Ca ít hoà tan ở nồng độ cao, phân huỷ muối hữu cơ tạo kết tủa.

Tăng màu caramen hoá đường, phân huỷ đường khử Phân huỷ một số vitamin.

Biến đổi sinh học :

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

Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao.

Chương 2 : Tổng quan về thiết bị cô đặc.2 Tổng quan

2.1 Giới thiệu 2.1.1 Cô đặc là gì ?

Cô đặc là quá trình làm bay hơi hoặc bốc hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, với mục đích làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan hoặc thu hồi dung môi.

2.1.2 Bản chất quá trình

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.

2.1.3 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.

2.1.4 Mục đích của quá trình cô đặc?

Tăng nồng độ chất khô trong sản phẩm, làm tăng độ sinh năng lượng của thực phẩm Kéo dài thời gian bảo quản (vì hạn chế vi sinh vật phát triển do ít nước, áp suất thẩm thấu cao).

Giảm được khối lượng vận chuyển.

4

Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc không khác biệt nhau Tuy nhiên giữa chúng có ranh giới căn bản :

Cô đặc : Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi Chưng : Dung môi và chất tan đều bay hơi.

2.1.5 Một số yếu tố quan trọng trong qua trình cô đặc : a) Nhiệt độ sôi

- Khi tiến hành một quá trình cô đặc thực phẩm người ta đun nóng khối sản phẩm tới nhiệt độ sôi Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ chất khô đã đến nồng độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho sản phẩm ra khỏi thiết bị.

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ chất khô và tính chất vật lý, hóa học của sản phẩm.

Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản phẩm càng thấp Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm.

- Nhiệt độ sôi thấp thì tính chất của thực phẩm ít bị biến đổi như sinh tố ít bị tổn thất, màu sắc ít bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi Nhiệt độ sôi thấp còn làm giảm tốc độ ăn mòn và kéo dài thời gian bền của vật liệu làm thiết bị cô đặc.

b) Thời gian cô đặc

- Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu.

- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và cường độ bốc hơi của sản phẩm Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn.

1.2 Tính chất hoá học (thành phần, hoá sinh, vi sinh).

Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi Cường độ trao đổi nhiệt được đặc trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao.

2.2 Các thiết bị cô đặc : 2.2.1 Giới thiệu chung :

Các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, gồm hai phần chính: Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch

Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi ) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi (khác với thiết bị chỉ có phòng đốt) Có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo với yêu cầu đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp, các chi tiết phải quy chuẩn hoá, giá thành rẻ.

5

Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị: chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra Cường độ truyền nhiệt lớn( hệ số truyền nhiệt K lớn).

2.2.2 Phân loại:a) Theo chất tải nhiệt:

Đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt tuỳ theo hiệu quả mong muốn và vố đầu tư mà chgungs ta lựa chọn kiểu tải nhiệt phù hợp.

b) Theo cấu tạo:

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.

Ưu điểm:

Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt

Có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện được.

Nhược điểm:

Tốn năng lượng để bơm Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn

Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau(phòng đốt ngoài, phòng đốt treo).

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

Màng dung dịch chảy ngược chiều, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

Màng dung dịch chảy thuận chiều, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.

6

Ưu điểm:

Nước bão hòa có hệ số trao đổi nhiệt lớn Không bị bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt Áp suất thủy tĩnh nhỏ vì dung dịch chuyển động liên tục

Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, dễ lắp ráp, sửa chữa, gọn nên chiếm diện tích nhỏ Nhược điểm:

Tốn năng lượng cho bơm hoạt động Khó vệ sinh các ống trong phòng đốt

Khó điều chỉnh lượng hơi đốt vào và lượng dung dịch thay đổi Không sử dụng được cho dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.

c) Theo phương thức thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.

Ưu điểm:

Chi phí đầu tư thấp, hiệu quả tương đối cao Nhược điểm:

Khó khăn trong việc điều chỉnh nhiệt độ

Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc không cố định, tuỳ thuộc vào dung dịch.

Cô đặc áp suất chân không: thực hiện ở áp suất chân không để làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc.

Ưu điểm:

Nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không

Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục Nhược điểm:

Chi phí đầu tư cao.

Cô đặc một nồi: giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc

Dễ sửa chữa, làm sạch Nhược điểm:

Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác.

Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không Hiệu quả kinh tế không cao.

Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế.

Ưu điểm:

Nhiệt độ nồi trước phải lớn hơn nồi sau, áp suất nồi trước phải lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần bơm, đỡ tốn năng lượng Nhiệt độ sản phẩm thấp nên chất lượng sản phẩm tốt.

Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tư thấp Nhược điểm:

Hệ thống phức tạp.

Các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, do đó hệ số K giảm vì vậy cường độ bốc hơi các nồi sau giảm, không khai thác được hết công suất thiết bị( đối với thiết bị cô đặc thuận chiều).

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn, liên tục hay không liên tục Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.

2.3.Cấu tạo và guyên lý hoạt động:2.3.1 Thiết bị cô đặc đối lưu tự nhiên.a) Cấu tạo:

Phần trên là buồng bốc (1) phần dưới của thiết bị là buồng đốt (2) có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, trong buồng đốt gồm có các ống truyền nhiệt (3) và ống tuần hoàn trung tâm (4) có đường kính lớn hơn từ 7 đến 10 lần ống truyền nhiệt, trong buồng bốc có bộ phận tách giọt (5) có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo.

8