Thiết kế hệ thống cô đặc cà chua buồng đốt treo

Cà chua còn có tên gọi là cà dầm. Tên khoa học là Lycopersicum esculentum Mill. Thuộc họ Cà Solanaceae. Cây cà chua là cây thảo, sống theo mùa. Thân tròn, phân cành nhiều. Lá có cuống dài, phiến lá xẻ lông chim, số lượng thùy không ổn định, thường có răng cưa. Hoa hợp thành những xim thưa ở nách lá, cuống phủ lông cứng. Đài 3 – 6 thùy hình mũi mác không dài hơn đài, mặt phủ lông. Nhị 5 – 6, bao phấn dính thành 1 ống bao quanh nhụy, thuôn dần ở đỉnh, mở bằng những kẽ nứt dọc ngắn. Bầu có 3 hoặc nhiều ô, mỗi ô chứa nhiều noãn. Quả mọng có 3 ô. Hạt dẹt, hình thận. Do một quá trình trồng trọt lâu đời nên cây cà chua có nhiều biến đổi về hình thái, số lượng các thùy của đài, tràng, bộ nhị có khi 5, 6, 7 có khi 8. Số lượng lá noãn cũng tăng lên nhiều. Thường cho quả vào mùa đông và xuân

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CÓ BUỒNG ĐỐT KIỂU TREO

1 Lê Thị Trang – 2005203022

2 Trần Trung Đức-2005208463

TP Hồ Chí Minh Ngày 5, tháng 12, năm 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CÀ CHUA CÓ BUỒNG ĐỐT KIỂU

TREO

1 Lê Thị Trang – 2005203022

2 Trần Trung Đức -2005208463

TP Hồ Chí Minh Ngày 5, tháng 12, năm 2022

IV.Các bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):

1 Một bản vẽ quy trình công nghệ (A1)

Bộ Môn: KỸ THUẬT THỰC PHẨM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: KỸ THUẬT THỰC PHẨM - Mã số:

Họ và tên sinh viên:

Lê Thị Trang MSSV: 2005203022 Lớp: 11DHTP12

Trần Trung Đức MSSV: 2005208643 Lớp: 11DHTP12

Ngành: Công nghệ thực phẩm

I Đầu đề đồ án ( Tên đồ án ): Thiết kế hệ thống cô đặc Cà Chua có buồng đốt kiểu treo

II Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu ):

Năng suất nhập liệu: 2800 kg/h

IV.Các bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):

1 Một bản vẽ quy trình công nghệ (A1)

Cán Bộ hướng dẫn Nhận xét (CBHD ghi rõ đồ án được bảo vệ hay không)

………

………

………

Điểm:……… Chữ ký: ………

Cán Bộ chấm hay Hội Đồng bảo vệ Nhận xét: ………

………

………

………

………

Điểm:……… Chữ ký: ………

Điểm tổng kết:………

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINHĐƠN VỊ : KHOA CNTP – BÔ MÔN KỸ THUẬT THỰC

PHẨM

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: KỸ THUẬT THỰC PHẨMSinh viên thực hiện đồ án:

2 Trần Trung Đức -2005208463 Ký tên:

Cán Bộ hướng dẫn: TS Phan Thế Duy

Tên đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc dịch Chà Chua có buồng đốt kiểu treo

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng trong trái cà chua 5

2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (∆’) 16

2.2.3 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) 17

3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 24

3.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi 25

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 56

4.2.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet 63

4.4 Bơm 71

4.4.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 74

Danh mục hình

Hình 1.7: Sơ Đồ Tính Toán Hệ Thống Cô Đặc Có Buồng Đốt Kiểu Treo 14

Danh mục bảng

Bảng 3.4: Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc 46

Lời Mở Đầu

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm là một học phần quan trọng giúp sinh viên có cơ hội tìm hiểu sâu hơn về các kiến thức lý thuyết đã được giảng dạy và phát triển nó theo suy nghĩ của bản thân một cách phù hợp nhất Đồ án là sự tích hợp của nhiều môn học có liên quan giúp sinh viên liên kết lại các kiến thức thành một chuỗi thống nhất để dễ dàng tiếp thu và ghi nhớ, đồng thời tạo điều kiện để sinh viên tập trung, cố gắng tìm tòi, nghiên cứu nhằm tạo ra một đồ án đầy đủ là tốt nhất

Trong học phần này, nhóm chúng em nghiên cứu và xây dựng sơ đồ hệ thống của thiết bị cô đặc với nguyên liệu là dịch Cà Chua gồm các phần giới thiệu chung, tính toán cân bằng vật chất và năng lượng, tính toán và bố trí thiết bị chính và phụ để hoàn thành sơ đồ công nghệ, vẽ hình dạng của các thiết bị để dễ dàng hình dung, tránh nhầm lẫn cho quá trình học cũng như khi vận dụng nó cho công việc làm sau này Đây được xem là một bước đệm để sinh viên củng

cố lại những gì được học và quan sát được, từ đó tự đánh giá bản thân và cải thiện tốt hơn.

Học phần này được sự giúp đỡ tận tình của Thầy Duy và được quan tâm bởi khoa Công nghệ thực phẩm giúp sinh viên phần nào an tâm hơn và mở rộng thêm nhiều kiến thức hơn và đầu tư cho bài làm một cách chu đáo hơn Cảm ơn quý thầy cô đã không ngại khó khăn hướng dẫn sinh viên đi đúng hướng và theo dõi đánh giá đúng trong suốt quá trình học và thực hiện đồ án.

Đài 3 – 6 thùy hình mũi mác không dài hơn đài, mặt phủ lông Nhị 5 – 6, bao phấndính thành 1 ống bao quanh nhụy, thuôn dần ở đỉnh, mở bằng những kẽ nứt dọc ngắn.Bầu có 3 hoặc nhiều ô, mỗi ô chứa nhiều noãn Quả mọng có 3 ô Hạt dẹt, hìnhthận Do một quá trình trồng trọt lâu đời nên cây cà chua có nhiều biến đổi về hìnhthái, số lượng các thùy của đài, tràng, bộ nhị có khi 5, 6, 7 có khi 8 Số lượng lá noãncũng tăng lên nhiều Thường cho quả vào mùa đông và xuân

Người ta trồng chủ yếu lấy quả để ăn Lá dùng làm thuốc và là nguyên liệu chiếttomantin

Quả ban đầu có màu xanh, chín ngả màu từ vàng đến đỏ Cà chua có vị hơi chua

và là một loại thực phẩm bổ dưỡng, giàu vitamin C và A.Trong cà chua có chứa rấtnhiều chất dinh dưỡng có lợi cho cơ thể như carotene, lycopene, vitamin và kali Tất

cả những chất này đều rất có lợi cho sức khỏe con người Đặc biệt các loại vitamin B,vitamin C và beta carotene giúp cơ thể chống lại quá trình oxy hoá của cơ thể, giảm

thiểu nguy cơ tử vong do bệnh tim mạch và ung thư.

1.1.2 Công dụng quả cà chua

Trong cà chua chứa rất nhiều gluco-ancaloid, trong đó tomatin chiếm thành phầnchủ yếu Tomatin thủy phân cho 2 phân tử glucoza, 1 galactoza, 1 xyloza vàtomatidin Tomatidin là một genin thuộc nhóm các spirosolanol, đồng phân lập thểcủa soladulcidin Một số loài cà chua có hàm lượng tomatin lên tới 5%

Ngoài ra, còn lycopene, xanthophyle và quexcitrozit Hạt cà chua chứa 25% mộtloại dầu béo thô, có thể ăn được sau khi tinh chế Khô dầu hạt cà chua có thể dùng làmthức ăn cho gia súc

Quả cà chua mặc dù giá trị dinh dưỡng thấp nhưng được toàn thế giới dùng làmthức ăn dưới dạng tươi hay nấu chín Nước ép cà chua là một loại nước giải khát tươi

ở nhiều nước, còn dùng dưới dạng tương, nước sốt, nấu canh…

Hình 1.3: Vai trò của cà chuachua

Cà chua đem lại nhiều lợi ích cho sức khỏe con người như cải thiện thị lực, phòngchống ung thư, làm sáng da, hỗ trợ giảm lượng đường trong máu, giúp ngủ ngon, giữxương chắc khỏe, hỗ trợ trị các bệnh mạn tính, tốt cho mái tóc, giúp giảm cân…

Cà chua ngon ngọt, chứa nhiều chất chống oxy hóa Cà chua đặc biệt chứa nhiềulycopene, một hợp chất thực vật có liên quan đến việc cải thiện sức khỏe tim mạch, hỗtrợ ngăn ngừa ung thư và chống lại cháy nắng

Lycopene carotenoid có hàm lượng dồi dào nhất trong cà chua chín Nó được tìmthấy ở nồng độ cao nhất trong vỏ cà chua Cà chua càng đỏ thì hàm lượng lycopencàng nhiều

Các loại thực phẩm khác trong chế độ ăn uống của bạn có thể ảnh hưởng mạnh đến

sự hấp thụ lycopene trong cà chua Sử dụng hợp chất thực vật này kết hợp với chấtbéo có thể tăng khả năng hấp thụ lycopene lên đến bốn lần

Hình 1.4: Công dụng của cà chuachua

Một số người dùng quả cà chua làm thuốc nhuận tràng, chữa sốt, lao phổi Tại TâyBan Nha người ta phối hợp quả cà chua với ớt để chữa trĩ, hoặc người ta nấu cà chuavới dầu hay mỡ (cho đến khi bốc hết hơi nước) rồi dùng dưới dạng thuốc mỡ bôi lênnhững nơi mụn nhọt, lở loét

Đọt cà chua (lá non) được nhân dân dùng đắp mụn nhọt, nơi viêm tấy như sau: Lấyđọt cà chua rửa sạch, giã nát, thêm vào vài hạt muối Đắp lên nốt mụn nhọt hay viêmtấy, băng lại Ngày làm một hoặc hai lần cho đến khi khỏi

Lá cà chua khô được dùng làm nguyên liệu chiết tomatin là một chất kháng khuẩn,chống nấm, chống một số sâu bệnh hại cây trồng (nhưng với một liều nào đó lại có tácdụng kích thích sinh trưởng, ví dụ đối với sâu coleoptile của thóc avoine) Tomatincòn được dùng để bán tổng hợp các hormone steroidic.

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng trong trái cà chua

Bảng 1.1: Thành phần dinh dưỡng của trái cà chua

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

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

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suấtthường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thốngnhiều thiết bị cô đặc Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục

⁕ Các loại hơi:

- Hơi đốt: Hơi dùng để đun sôi dung dịch.

- Hơi thứ: Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, thường có nhiệt độ

cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc

- Hơi phụ: Hơi thứ lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc

⁕ Bản chất của quá trình

Quá trình bốc hơi: Theo thuyết động học phân tử, các phân tử dung môi nằm gần

mặt thoáng có chuyển động nhiệt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát ra khỏi bề mặt và trởthành trạng thái hơi

Khi bay hơi, các phân tử phải khắc phục liên kết các phân tử ở trạng thái lỏng (ẩnnhiệt hóa hơi trong rt ) và áp suất bên ngoài (ẩn nhiệt hóa hơi ngoài rn), tổng nănglượng nhiệt tiêu tốn đó gọi là ẩn nhiệt bay hơi r (r = rt + rn )

Quá trình sôi: quá trình bay hơi xảy ra tại mặt thoáng, trong lòng chất lỏng, chất lỏng

sôi khi áp suất hơi bằng áp suất mặt thoáng

- Cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy raliên tục

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật,khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) có thể dùng thiết bị hở nhưng khilàm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thểgiảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảmdẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu

tử sẽ được 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 áp suất bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thểxảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh

Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dưới tác dụng của nhiệt, dung môi chuyển từ trạng

thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tácdụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịchkhông chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ

đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không (p <1ata) Đó là phương pháp cô đặc chân không

Phương pháp cô đặc bằng nhiệt tốn nhiều chi phí năng lượng Tuy nhiên, ưu điểmvượt trội của phương pháp cô đặc bằng nhiệt là hàm lượng chất khô trong thực phẩmsau quá trình cô đặc có thể tăng lên rất cao so với các phương pháp khác

1.2.3 Ứng dụng của cô đặc

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt đượcnồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kếttinh

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

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

Thiết bị cô đặc

Các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi gồm có hai phần chính:

- Bộ phận đun sôi dung dịch (buồng đốt): được bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôidung dịch

- Bộ phận bốc hơi (buồng bốc hơi): là một buồng trống, tại đây hơi thứ được táchkhỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi Tùy theo mức độ cần thiết người ta cóthể cấu tạo thêm bộ phân ly hơi - lỏng ở trong buồng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫnhơi thứ để thu hồi dung dịch bị hơi thứ mang theo [1]

1.2.4 Phân loại

Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau:

- Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng

- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt); bằng khóilò; chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao ); bằng dòng điện

- Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức

- Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm

1.2.5 Một số thiết bị cô đặc

Dựa vào các cách phân loại, dưới đây sẽ là một số thiết bị cô đặc được dùng phổ biếntrong công nghiệp thực phẩm Chúng ta sẽ tìm hiểu vài nét về cấu tạo cũng như sosánh ưu nhược điểm giữa các loại thiết bị này và dựa vào những đặc điểm đó sẽ chọnthiết bị cô đặc cho hệ thống cô đặc 1 nồi

2 Thiết bị cô đặc có

buồng đốt ngoài

kiểu đứng

- Năng suất cao

- Cường độ tuần hoànlớn và cường độ bốc hơicao do chiều dài ốngtruyền nhiệt lớn và ốngtuần hoàn không bị đốtnóng

- Cồng kềnh, buồng đốtđứng nên thiết bị cao, tốnnhiều vật liệu chế tạo

3 Thiết bị cô đặc có

buồng đốt ngoài

nằm ngang

Buồng bốc có thể tách rakhỏi buồng đốt dễ dàng

để làm sạch và sửa chữa

- Năng suất thấp

- Cồng kềnh, cấu tạo phứctạp

- Làm việc gián đoạn

4 Thiết bị cô đặc tuần

hoàn cưỡng bức

- Năng suất cao

- Cô đặc được dung dịch

- Không cô đặc đượcdung dịch có độ nhớt lớn

và dung dịch kết tinh

1.2.6 Hệ thống cô đặc một nồi

⮚ Các thiết bị và chi tiết

Thiết bị chính - thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm:

- Ống nhập liệu, ống tháo liệu

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

- Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

- Thiết bị gia nhiệt

- Thiết bị ngưng tụ baromet

- Bơm nguyên liệu và bồn cao vị

- Bơm tháo liệu

- Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

- Bơm chân không

Hình 1.5: Bản vẽ Quy trình công nghệ

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch cà chua có nồng độ 7% Dung dịch từ bể chứanguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kếrồi đi vào thiết bị gia nhiệt sau đó được đun nóng đến nhiệt độ gần nhiệt độ sôi

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bêntrong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống đượcgiữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bãohoà có áp suất 2,5 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trongống Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch

để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽchảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nướclỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài

Buồn đốt được treo bên trong thiết bị cô đặc gồm có các ống truyền nhiệt và một ốngtuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trongkhoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt chodung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trênxuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dungmôi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng –hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ốngtuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trongống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên,khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyềnnhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển động tuầnhoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trongống tuần hoàn.

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ

đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏidòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại đượchoàn lưu

Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sảnphẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồngbốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trêncùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lêngặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ốngbaromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồiđược bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích củahơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet làthiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống Thiết bị làmviệc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng

có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm

Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theodòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng

Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khíkhông ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị

và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc

1.2.7 Ứng dụng thiết bị hệ thống cô đặc kiểu treo cho dung dịch cà chua

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, ưu nhược điểm của các loại thiết bị, cũngnhư điều kiện kỹ thuật đề ra, chúng em lựa chọn hệ thống cô đặc kiểu treo

Mục đích:

Dung dịch cà chua là dung dịch thực phẩm không chịu được nhiệt độ nên cô đặc ởnhiệt độ thấp tránh hiện tượng dung dịch đường bị phân hủy ở nhiệt độ cao giảm chi

phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị(làm hư thiết bị).

→ 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 oxy

Ưu điểm:

Phòng đốt treo ở bên trong thiết bị Phòng đốt được đặt trên các giá đỡ Phòng đốtkiểu treo này có thể tháo ra khỏi thiết bị để cọ rửa và sửa chữa Hơi đốt đi vào theoống dẫn hơi đốt rồi phun ra không gian bên ngoài các ống truyền nhiệt Giữa thânthiết bị và thân buồng đốt tạo thành khe hở hình vành khăn và lúc thiết bị làm việc thìkhe hở lúc đó chứa đầy dung dịch (đóng vai trò như ống tuần hoàn)

Thiết bị cô đặc loại này thường được dùng cô đặc dung dịch có kết tinh, và được ứngdụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất

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, cần thêm giá để treo thiết bị

1.3 Quy trình công nghệ

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

CHƯƠNG 2: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ

NĂNG LƯỢNG

2.1 Dữ kiện ban đầu

- Năng suất nhập liệu: 2800 kg/h

- Nồng độ ban đầu: 7%

- Nồng độ sản phẩm: 55%

- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,8 at

⇒ Áp suất thực trên chân không kế là Pc = Pa – Pck = 1 – 0,8= 0,2 at

- Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa Áp suất hơi bão hòa P = 1,721 at

Vậy Pdư = 1,721at

⇒ Áp suất hơi đốt là Pd = Pa + Pdư = 1 + 1,721 = 2,721 at

- Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 30oC

Gđ: là lượng dung dịch ban đầu (kg/mẻ/h)

Gc: lượng dung dịch sau khi cô đặc (kg/mẻ/h)

W: lượng hơi thứ thoát ra từ hệ thống (kg/mẻ/h)

xđ, xc lần lượt là nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch (%/ khối lượng)

⮚ Lượng dung dịch sau cô đặc:

H

- Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,2 at

(Tra bảng I.251, trang 314 [7]), ta có:

Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ(° C¿

⇒ Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tc= 59,70C

- ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bịngưng tụ Chọn ∆’’’= 10C ( trang 296, [6])

- Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsdm( P0) – tc = ∆ '' '

Trong đó:

tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng)

Mà tsdm( P0) =∆ '' '+ tc = 1+tc (theo chứng minh trên)

🡪 tsdm( P0) = 59,7 +1 =60,70C

(Tra bảng I.250, trang 312, [7])

Nhiệt độ(℃¿ Áp suất tuyệt đối (at)

Theo công thức 5.3, trang 184, [6], ta có:

∆’ = f ∆0’ [0C]

Trong đó:

∆’ : tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc.

∆0’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển

f : hệ số hiệu chỉnh

f = 16,14 T2

r

Với:

T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K]

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg]

Tra bảng VI.251, trang 314-315, [7], ta có:

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h0 = 1,5m (bảng VI.6, trang 80, [2])

ρ dm- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 670C

Tra bảng I.249 trang 311, [7], ρ dm= 979,42 kg/m3

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd(po) oC 60,85

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi oC 60,3273

2.3 Cân bằng năng lượng

2.3.1 Cân bằng nhiệt lượng

⇒ Nhiệt độ của dung dịch cà chua 7% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 60,850C

⇒ Nhiệt độ của dung dịch cà chua 55% đi ra đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(po) + 2 ∆’’ = 60,85+ 2 0,152= 61,1540C

(công thức 2.15, trang 107, [6])

Nhiệt dung riêng của dung dịch cà chua: 1880 j/kg [8]

2.3.2 Phương trình cân bằng nhiệt

2.3.2.1 Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q D

Theo công thức VI-3,trang 57, [2]), ta có:

QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (1)

Trong đó:

Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W

Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W

Qkn: nhiệt lượng khử nước, W

Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W

● Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Q S)

Theo “Sổ Tay Quá Trình và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Chất - Tập 2” [2], trang 57):

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) (2)

Trong đó:

Gđ = 2800 kg/mẻ

Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của dung dịch cà chua: 1880 j/kg [8]

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm: Ở nồng độ 30%, tra theo đồ thị hình VI-2, trang 60

“Sổ Tay Quá Trình và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Chất - Tập 2” [2]

∆0'=0,62

∆ '=f ∆ '0=0,048.0,62=0,030C

Mà ∆ '=t sdd−t sdm (tại áp suất P0)

t sdd=∆ '+t sdm=0,03+60,7=60,730C

Thay tất cả vào (2) ta được:

Qđ = Gđ Ctb (ts – tđ) = 2800.1880.(60,73-30)

⇒ Qđ = 1,61.10 9 (J/h) (3)

⁕ Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Q bh)

Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57, “Sổ Tay Quá Trình và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Chất -Tập 2” [2]:

Qbh = W r =2443 2338,42.10 -3 = 5712,7 (J/h) (4)

Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 2443kg/h

r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,289 at, J/kg

Tra bảng I.251, trang 314, [7]):

Áp suất (at) r 10-3 (J/kg)

Từ bảng trên ta nội suy ra được r = 2338.42(J/kg)

⁕ Nhiệt lượng dùng để khử nước (Q KN)

Theo công thức VI-4, trang 57, [2])

Thường Qkn rất bé nên có thể bỏ qua (5)

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 465858,13 J/s

2.3.2.2 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc

Theo công thức 4.5a, trang 182, [6]:

2.3.2.3 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học - Tập 10 - ví dụ và bài tập” [8], trang

182 :

d= D

W=

0,2250,678=0,3318(kg hơi đốt kg hơi thứ)

Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 11,875 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)

Bảng 2: 2 Tóm tắt Cân bằng năng lượng

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt tc 0C 61,154

Nhiệt lượng do hơi đốt cung

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng D kg/kg

0,3318

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

3.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằngcách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảyngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5m), ngưng hơi bão hòa tinhkhiết trên bề mặt đứng

Theo công thức V-101, “Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2” [2],

trang 28:

α1=2,04 A 4

√∆ t H r , W/(m2.K)

Trong đó:

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m2.K)

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,721 at; r = 2181,323.10 -3

J/kg (Tra bảng I.251-“Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 1” [7],

trang 315)

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5m)

A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

3.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi

Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình

cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hìnhthành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch

Theo công thức VI.27, trang 71 [2]:

α n: hệ số cấp nhiệt của nước

Theo công thức V.90, trang 26 [2]:

Với:

+ P là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2)

Có P = P0 = 0,267 at = 2,618.10 4 N/m2

+ ∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi (0C)

+ Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), J/(kg.K)

+ Cn: nhiệt dung riêng của nước ở tsdm (ptb), J/(kg.K)

+ µdd: độ nhớt của dung dịch ở tsdd (ptb), N.s/m2

+ µn: độ nhớt của nước ở tsdm (ptb), N.s/m2 (Tra bảng 6 – “Ví dụ và bài tập, Tập 10”,

trang 400)

+ ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), kg/m3

+ ρn: khối lượng riêng của nước ở tsdm (ptb), kg/m3

+ λdd: hệ số dẫn điện của dung dịch ở tsdd (ptb), W/(m.K)

+ λn: hệ số dẫn điện của nước ở tsdm (ptb), W/(m.K)

Các thông số của nước tra bảng I.249, trang 310, [7]

Bảng 3: 1 Số liệu theo nồng độ của dung môi

Nồng độ t sdm (p tb ) ρ n C n µ n λn

Các thông số của dung dịch:

+ ρdd: Tra bảng I.86, “Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 1” [7],

trang 61

+ µdd: Tra bảng I.112 , [7], trang 114

+ Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch cà chua : 1880 J/kg.độ

λdd: Theo công thức I.32- “Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 1”

+ M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng

M = a.M(cà chua) + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol

a – phần mol của dịch cà chua

Xem nồng độ của cà chua trong dung dịch là 55% (xc)

342+

1−0,5518

= 0,06

⇒ M = 0,06.342 + (1 – 0,06).18 = 37,59 kg/kmol

3.1.3 Nhiệt tải phía tường (q v )

Theo [8] - Bài tập và Ví dụ tập 10, trang 104:

+ λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với

ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T)

+ ∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, 0C

Tra bảng V.1-Trang 4-“Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất-tập 2” [2], ta

3.1.4 Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

Vậy nhiệt tải riêng phía dung dịch:

⇒ q2 = α2 ∆t2 = 1069,36.12,09= 12928,64 W/m2

3.1.5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt: (Công thức 3.11, [8],trang 105)

Chọn dt = 25 mm: đường kính ống truyền nhiệt

l = Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt

F = 10 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt