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 TPHCMKHOA: 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 – 20052030222.Trần Trung Đức-2005208463

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

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) 2 Một bản vẽ thiết bị chính (A1)

Trong bản thuyết minh cần đính kèm một bản vẽ quy trình công nghệ (A4 hay A3) và một bản vẽ thiết bị chính (A4 hay A3).

V Ngày giao đồ án:

VI Ngày hoàn thành đồ án: VII Ngày nộp đồ án:

Tp Hồ Chí Minh ngày 5 tháng 12 năm 2022 TRƯỞNG BỘ MÔN KTTP CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

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) 2 Một bản vẽ thiết bị chính (A1)

Trong bản thuyết minh cần đính kèm một bản vẽ quy trình công nghệ (A4 hay A3) và một bản vẽ thiết bị chính (A4 hay A3).

V Ngày giao đồ án: 12/10/2021VI Ngày hoàn thành đồ án: 1/3/2022VII Ngày nộp đồ án: 6/3/2022

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Sinh 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 chua5

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 đặc24

3.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng hơi sôi25

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi56

4.2.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet63

4.4 Bơm71

4.4.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị74

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 bởikhoa Công nghệ thực phẩm giúp sinh viên phần nào an tâm hơn và mở rộngthêm nhiều kiến thức hơn và đầu tư cho bài làm một cách chu đáo hơn Cảm ơnquý thầy cô đã không ngại khó khăn hướng dẫn sinh viên đi đúng hướng và theodõi đánh giá đúng trong suốt quá trình học và thực hiện đồ án.

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

Hình 1.1: Vườn cà chua

Theo học thuyết về trung tâm phát sinh cây trồng của N.I.Lalilov đề xướng và P.M.Zukovxki Bổ xung cho rằng quê hương của cây cà chua bắt nguồn ở vùng Nam mỸ Nhưng nhiều tài liệu nghiên cứu của các tác giả như De Calldolle(1884) Muler ( 1940) lukwill( 1943) cho rằng lượng lớn cây cà chua hoang dã cũng như cà chua trồng được tìm thấy ở peru và sau đó được du nhập trên tất cả các châu lục qua giao thương và trao đổi văn hóa.

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

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 rất nhiều 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 phần chủ yếu Tomatin thủy phân cho 2 phân tử glucoza, 1 galactoza, 1 xyloza và tomatidin Tomatidin là một genin thuộc nhóm các spirosolanol, đồng phân lập thể của soladulcidin Một số loài cà chua có hàm lượng tomatin lên tới 5%.

Hình 1.2: Nước ép cà chua

Quả cà chua chứa các chất acid hữu cơ, trong đó acid lactic, xitric, succinic và malic chiếm chủ yếu.

Về giá trị dinh dưỡng, cà chua chứa 77% nước, 0,6% protid, 4% glucid (saccaroza, pectin), 0,7% xenluloza, 0,4% tro Muối khoáng gồm canxi, phosphor, sắt, các vitamin gồm carotene, vitamin B1, vitamin B2, vitamin PPvà vitamin C Có tác giả còn thấy vitamin P, vitamin K.

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

Quả cà chua mặc dù giá trị dinh dưỡng thấp nhưng được toàn thế giới dùng làm thức 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, phòng chống ung thư, làm sáng da, hỗ trợ giảm lượng đường trong máu, giúp ngủ ngon, giữ xương 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 nhiều lycopene, một hợp chất thực vật có liên quan đến việc cải thiện sức khỏe tim mạch, hỗ trợ ngăn ngừa ung thư và chống lại cháy nắng.

Lycopene carotenoid có hàm lượng dồi dào nhất trong cà chua chín Nó được tìm thấy ở nồng độ cao nhất trong vỏ cà chua Cà chua càng đỏ thì hàm lượng lycopen càng 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 chất béo 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 Tây Ban Nha người ta phối hợp quả cà chua với ớt để chữa trĩ, hoặc người ta nấu cà chua với dầu hay mỡ (cho đến khi bốc hết hơi nước) rồi dùng dưới dạng thuốc mỡ bôi lên những nơi mụn nhọt, lở loét.

Đọt cà chua (lá non) được nhân dân dùng đắp mụn nhọt, nơi viêm tấy như sau: Lấy đọt cà chua rửa sạch, giã nát, thêm vào vài hạt muối Đắp lên nốt mụn nhọt hay viêm tấy, 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 tác dụng kích thích sinh trưởng, ví dụ đối với sâu coleoptile của thóc avoine) Tomatin còn 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

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 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 suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống nhiều 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 trở thành trạng thái hơi

Khi bay hơi, các phân tử phải khắc phục liên kết các phân tử ở trạng thái lỏng (ẩn nhiệt hóa hơi trong rt ) và áp suất bên ngoài (ẩn nhiệt hóa hơi ngoài rn), tổng năng lượng 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.

1.2.2.Các phương pháp cô đặc

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc một nồi, hoặc hệ thống cô đặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn

- Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng yêu cầu hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để cô đặc.

- Cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên 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 khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn 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 thể xảy 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 tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịch không 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 điểm vượt trội của phương pháp cô đặc bằng nhiệt là hàm lượng chất khô trong thực phẩm sau 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 được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá 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 …

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 sôi dung dịch.

- Bộ phận bốc hơi (buồng bốc hơi): là một buồng trống, tại đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phân ly hơi - lỏng ở trong buồng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi 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 khói lò; 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 biến trong công nghiệp thực phẩm Chúng ta sẽ tìm hiểu vài nét về cấu tạo cũng như so sánh ưu nhược điểm giữa các loại thiết bị này và dựa vào những đặc điểm đó sẽ chọn thiết bị cô đặc cho hệ thống cô đặc 1 nồi

- Năng suất cao

- Cường độ tuần hoàn đứng nên thiết bị cao, tốn nhiều vật liệu chế tạo.

- Làm việc gián đoạn

4 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

- Năng suất cao

- Cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn.

Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm.

5 Thiết bị cô đặc loại

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

- Các van

- Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

⮚ Nguyên lý làm việc:

Dung dịch loãng từ bể được bơm lên thùng cao vị để ổn áp Từ thùng cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đưa vào thiết bị đun nóng để đun nóng dung dịch tới nhiệt độ sôi trong nồi cô đặc rồi được đưa vào thiết bị (nồi) cô đặc Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứ đưa qua bộ ngưng tụ baromet để tạo chân không cho nồi cô đặc Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa dung dịch đã cô đặc.

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 chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi 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, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 2,5 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống 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 sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng 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 ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi 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 ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống 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 truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống 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 khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu.

Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống Thiết bị làm việc 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 theo dòng 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 khí không 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, cũng như 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 ở nhiệt 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 đốt kiểu treo này có thể tháo ra khỏi thiết bị để cọ rửa và sửa chữa Hơi đốt đi vào theo ống dẫn hơi đốt rồi phun ra không gian bên ngoài các ống truyền nhiệt Giữa thân thiết bị và thân buồng đốt tạo thành khe hở hình vành khăn và lúc thiết bị làm việc thì khe 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 ứng dụng 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

Mục đích: đây là bước quan trọng nhất trong đồ án này Nó tiến hành loại bỏ bớt lượng nước tự do trong nguyên liệu tiến hành cô đặc bằng buồng đốt kiểu treo sẽ được trình bày bên dưới

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 bị ngưng 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

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:

Với nồng độ cuối của dung dịch là 55% thì ∆0’=3,17 (vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ∆’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch

- Tra theo đồ thị VI.2, trang 59, [2]).

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

ρdm- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 670C Tra bảng I.249 trang 311, [7], ρdm= 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 QD

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]

∆'=f ∆'0=0,048.0,62=0,030C Mà ∆'=tsdd−tsdm (tại áp suất P0)

tsdd=∆'+tsdm=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 QuáTrình 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])

Trong đó:

Qhtđ: nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W

Qhtc: nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc, W.

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=DW=

0,678=0,3318(kg hơi đốtkg 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 bằng cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5m), ngưng hơi bão hòa tinh

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, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch.

Theo công thức VI.27, trang 71 [2]:

αn: hệ số cấp nhiệt của nước

Theo công thức V.90, trang 26 [2]:

+ 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 tsdm (ptb)ρnCnµn 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)

3.1.3 Nhiệt tải phía tường (qv)

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 F = 10 m2 theo dãy chuẩn chuẩn trong sách “Quá trình và thiết bị truyềnnhiệt - tập 5, quyển 1” [9], trang 276.

3.2 Tính kích thước của thiết bị cô đặc

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