Đồ án quá trình thiết bị này là thiết kế hệ cô đặc dung dich nước ép cam ba nồi xuôi chiều liên tục

Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô của bộ môn Công nghệ Kỹ thuậtHóa học và tỏ lòng biết ơn đến thầy Văn Minh Nhựt Thầy hết lòng chỉ bảo, tận ng.Nhữngkiếnthứcđầyhữuíchđótạonềntảngvữngvàngđểemcóthểhoànthành tốtđồánnày vàtrong tươnglaicòncóluận văntốt nghiệp.

Ngoài ra, cũng nhờ sự quan tâm, giúp đỡ từ các anh chị, chia sẻ với các bạn tronglớp CNKTHH K43 làm cho đồ án càng hoàn thiện hơn Xin gửi lời cảm ơn đến anh chịvàcácbạn!

Sinhviên

thựchiệnPhạmThịHồng Quyên

i

uống tiện lợi và nhanh chống cũng không kém phần dinh dưỡng nhưnước trái cây tươi mà có thể bảo quản lâu hơn ở nhiệt độ thường, được người tiêu dùngtintưởngvàlựachọn… Vấnđềđặtraởđâylàsửdụnghiệuquảnănglượngchosảnxuấtvàđạtđượchiệuquảthuđượclượngđườ ngtốiưunhất.Phươngphápchủyếutrongsảnxuấtđểđạt đượcsản phẩmcónồng độvàđộtinh khiết caolà phương phápcôđặc.

Đây cũng là đề tài của tôi trong đồ án quá trình thiết bị này là thiết kế hệ cô đặcdung dich nước ép cam ba nồi xuôi chiều liên tục, ống tuần hoàn trung tâm, buồng đốttrong vớinồngđộđầulà9.5%nồngđộcuốilà55%.

1.3 Sơ đồquy trình công nghệ 9

CHƯƠNG2:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC BA NỒI

2.2.1 Nhiệtđộ và ápsuấtcủahơi đốt,hơithứmỗinồi 14

Xác định áp suất vànhiệt độmỗi nồi 15

Hiệusốáp suất cho cảhệthống: 15

2.2.2 Tínhtổn thất nhiệtđộchotừng nồi 15

Tổnthất nhiệt do nồng độnâng cao(∆′) 15

Tổnthất nhiệt doáp suất thủytĩnh tăng cao(𝛥′′) 16

Tổnthấtnhiệtđộ dosức cản thủy lực trongcácốngdẫn(∆′′′) 17

2.2.3 Nhiệtđộdung dịch sôi vàhiệusốnhiệt độ hữuích 18

2.2.4 Lậpphương trình cânbằng nănglượng 18

2.2.5 Xác địnhnhiệt dungriêngcủa dungdịch 20

3.1.1 Lượng nướclạnhcầnthiết đểngưngtụ 47

3.1.2 Thểtích khôngkhí vàkhí không ngưngcầnhútrakhỏi thiếtbị 48

Bảng 1-1: Thànhphần dinh dưỡngcủacamtươi (tính trên100g)[1] 2

Bảng 1-2: Đặcđiểm kỹthuật củacam,chanh,quýt ViệtNam[1] 2

Bảng2-25: Nhiệt độvàápsuấttính toán chothânbuồng đốt và đáythiết bị 32

Bảng 2-37:Bềdàyốngdẫn dungdịchraởtừng nồi 39

Bảng 2-38:Bềdàytốithiểu củavỉốngphía trênbuồng đốt 40

Bảng 2-39: Bềdàyvỉốngphíatrênbuồngđốtsaukhithỏađiềukiện 41

Bảng 2-40:Bềdàytối thiếuvỉốngphíadưới buồngđốt 41

Bảng 2-41:Bềdàyvỉống phíatrênbuồng đốtsaukhi thỏađiều kiện 41

Bảng 2-42:Bềdàymặtbích chỗnốibuồng đốtvớinắp elip 42

Bảng 2-43:Bềdàymặtbích chỗnốibuồng đốtvớiđáyelip 42

Bảng 2-44: Bềdàymặt bích chỗnối thanbuồng đốt vàbuồng đốt 42

Bảng2-45: Bềdàymặt bíchchỗnối giữabộphận thiếtbịvớiốngdẫn nồi 1 43

Bảng 2-46: Côngthứctínhtrong lượngcácchitiết thiếtbịG(N) 43

CHƯƠNG 1: TỔNGQUAN 1.1 Tổngquanvề cam

1.1.1 Nguồngốc

Cây cam đã được biết đến từ rất lâu khoảng 2200 năm trước công nguyên ởTrung Quốc nhưng một số người cho rằng nó có nguồn gốc từ dãy Himalayas (ẤnĐộ).Vàothếkỉthứ3trướccôngnguyên,câycamđượcđưađếnmộtsốnơinhưChâuÂu, vùng Địa Trung Hải, Châu Mỹ, ngày nay cây cam được trồng rất phổ biến ởnhiều nơitrênthếgiới[1].

1.1.2 Phânloại

Có nhiều cách phân loại cam khác nhau, tùy thuộc vào từng quốc gia và địaphương Trong thương mại được chia thành 2 loại: cam ngọt (sweet orange) và camchua(sourorange).

Trong đócam chua thườngđượcdungtrongsảnxuất mứtcam.

Một số cam ngọt thường gặp: Cam tròn, cam navel, cam blood (cam đỏ),

Lớpcùitrắng(albedo): có chứa protein vàcellulose.

Múi cam: bên trong chứa những tép cam, trong có chứa dịch

Chương 1:TổngquanGVHD: ThS VănMinhNhựt

độ và độ hòa tan tăng khi tăng nhiệt độ, đặc biệt hợp chất này không tan trong dầuhỏa,chloroform,alcohol,benzene,…tuy nhiên tantốt trong nước[2].

𝛽-glucose và gốc𝛾- fructose liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxi Có chứanhiều nhóm hydroxyl nên có tính chất của rượu đa chức, tuy nhiên không có

Phản ứng caramen hóa: hay còn gọi là phản ứng dehydrate hóa khi đun nóngdung dịch đường tại nhiệt độ nóng chảy của đường, tạo thành những hợp chất màucaramen Nếu trong môi trường kiềm saccharose bị phân hủy thành lactose, glucose,fructosevàcácđườngkhác,dungdịch đượcđun nóngtrongthờigiandàiởđộpH từ8 đến 9 thì sacchrose sẽ bị phân hủy thành các hợp chất màu vàng hay nâu Tốc độphân hủy sẽ tăng theo độ pH, ví dụ cùng ở nhiệt độ sôi đun trong một giờ thì với độpHtừ8đến9thìsaccharosechỉbịphânhủy0.05%,nhưngnếutăngđộpHlên12thìsựphânhủy tăng0.5

1.1.5 Sơ đồ quytrìnhsảnxuất nướcépcam

côđặcnhữngdung dịchcó độnhớt thấp.Thiếtbịnàyđược chialàm hai loại:

 Loại 1: có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc), có ống tuần hoàntrong hayngoài.

 Loại2: Có buồng đốt ngoài (khôngđồng trụcvớibuồng bốc).

Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức Thiết bị dịch.Đối vớinhómnàycũngđượcchialàmhai loạisau:

 Loại 1: Có buồng đốt trong hay ngoài, và có màng dung dịch chảy

dungdịchgiảm,nhiệtđộsôitănglên,khốilượngriênggiảmvàkhảnăngtruyềnnhiệtgiảm nên hệsốtruyền nhiệt giảm,nhiệt độvàápsuất hơi thứkhông thayđổi.

Phương pháp 2: Dung dịch ban đầu cho vào ở một mức nhất định sau đó vừacho bốc hơi vừa cho tiếp dung dịch vào để giữ mức dung dịch trong nồi không đổi.Trongthờigiantiếnhànhcôđặcthìnhiệtđộsôisẽtănglêndonồngđộvàkhốilượngriênglúcnày tănglên.

Phương pháp 3: Cô đặc dung dịch làm việc liên tục, để giữ mức dung dịch cốđịnh cho năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất, tuy nhiên nồng độ dungdịchcôđặcđượclàkhôngcao.

Côđặcởápsuất chânkhông:

Không dùng cho những dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dễ bị phân hủy bởinhiệt, phương pháp này giúp tăng được hiệu số nhiệt độ hữu ít làm giảm được diệntích bềmặttruyềnnhiêt.

Thiết bị nàylàm việctuần hoàntốt,giúp sựbayhơicủanướcxảy raliêntụcvàđồng thờiíttạocặntrênbềmặttruyềnnhiệt.

Côđặc một nồi:

Cóthể tiến hành theo phươngphápliên tục hay giánđoạn.

Hệ thống cô đặc liên tục thường dùng những dung dịch có nồng độ và độ nhớttương đối thấp, còn đối với hệ thống gián đoạn được dùng khi cần tăng cao

Cóhaiphươngphápcô đặcchủ yếu nhưsau[4]:

Phươngpháp nhiệt(đun nóng):Dướitácdụngcủanhiệtdungmôisẽchuyểntừtrạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bênngoài tácdụnglên mặtthoáng củadung dịch(khi dungdịchsôi).

Phương pháp làm lạnh (kết tinh): Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thìmột cấu tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể, thông thường là kết tinh dung môi đểtăng nồngđộchấttan.

1.2.3 Lựachọnphươngánthiếtkế

Trong đồ án thiết kế cô đặc dung dịch nước ép cam với hệ thống ba nồi, tathiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, có buồng đốt trong với ống tuần hoàntrung tâm[4]:

Đốivớidungdịchchấttandễbiếntínhkhinhiệtđộcao(nhưdungdịchđường)thìhệxuôi chiềusẽthích hợphơnvìởnồiđầuthường cónhiệt độvàápsuất khácaohơn so với những nồi sau nên sản phẩm sẽ được hình thành ở nồi có nhiệt độ thấphơn Hệ ngược chiều thì thích hợp đối với những dung dịch không biến tính về nhiệtđộtrongkhoảngnhiệtđộlàmviệc.

Nhờ sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa các nồi, dung dịch sẽ tự di chuyểntừnồinàysangnồikia.

Cô đặc nhiều nồi giúp tiết kiệm hơi, đun nóng nồi một bằng hơi đốt, và hơi đốtcácnồisausẽsửdụnghơithứ nồitrướcđó.

Tuy nhiên, đối với phương pháp cô đặc xuôi chiều có nhược điểm là nhiệt độcác nồi sau giảm dần, độ nhớt dung dịch tăng dần do nồng độ của dung dịch tăng,làm chohệsốtruyềnnhiệtgiảmdầnquatừngnồi.

1.2.4 Quátrình làmviệccủathiếtbị côđặc

Quá trình cô đặc nước cam với hệ ba nồi được tiến hành ở hệ áp lực – chânkhôngvàquytrìnhlàmviệcđượctiếnhànhliêntục.Dungdịchnướcépcamsauquátrình làm sạch sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi sau đó vào nồi hơi một Tại đây,dung dịch tiếp tục được đun sôi nhờ buồng đốt với các ống truyền nhiệt Dung dịchsẽ đi trong những ống truyền nhiệt này và đồng thời hơi đốt được xả vô đi bên ngoàiđểtruyềnnhiệtchodungdịchbêntrongống.Sauđódònghơithứsẽđilênbuồngbốcđến bộ phận phân ly (hơi thứ của nồi một được làm hơi đốt cho nồi hai, hơi thứ củanồi hai dùng làm hơi đốt nồi 3, hơi thứ ở nồi 3 được đem qua thiết bị ngưng tụ xả ramôi trường ngoài),còndung dịchsẽđượcbơm quanồi kếtiếp.

1.2.5 Ứngdụngcủasựcô đặc:

Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăngnồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất hòa tan (trường hợp này có kèmtheo quátrìnhkếttinh)

Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, nước ép trái cây… Dùng trongsản xuấthóachất:NaOH,NaCl,CaCl2…

1.2.6 Yêucầu đốivới thiếtbị côđặc:

Bảođảm chấtlượng caonhấtcủasản phẩm.

Dung dịch không thay đổi tính chất hóa học, biến màu sản phẩm và không bịphânhủyởnhiệtđộcao.

Đảmbảo lượng sản phẩm bịtổnthất là ítnhất.

Yêucầu về mặt kết cấu:

Thiếtbị phảicó năngsuất cao.

Cường độ truyền nhiệt lớn với thể tích thiết bị nhỏ nhất.Tốn ítkimloạitrong việcchếtạo.

Cấutạo đơngiản giáthànhrẻ làm việcổn địnhvàđáng tin cậy.

Dễ làm sạch trên bề mặt truyền nhiệt, thuận tiện khi quan sát, lắp ráp thay thếvàsữachữa.

Ngoàirathiếtbịcôđặccũngphảithỏamãnyêucầunhưđốivớithiếtbịtraođổinhiệt, cụ thể hệ số truyền nhiệt lớn, tách khí không ngưng khỏi hơi đốt và bọt khỏihơi thứ tốt, tháo nước ngưng liên tục và triệt để, bố trí bề mặt truyền nhiệt đảm bảophânbốhơiđốt đirangoàiốngtốt,bảođảmbù

Bể chứa dungdịch đầuvào và sảnphẩmsau cô đặc Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm chân không, bơm

1 Bồnchứanguyênliệu8.Thiếtbịtáchlỏng2 Bơmđưanướclênbồncao vị9.Bơm sảnphẩm

Thuyết minhquytrìnhcôngnghệ

Dungdịchtừbểchứanguyênliệuđượcbơmlênbồncaovị.Từbồncaovịdungdịch chảy vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệtlàthiếtbịtraođổinhiệtdạngốngchùm,nguồnnhiệtlàhơinướcbãohòađibênngoàiống (phía vỏ), dung dịch đi từ trên xuống vào bên trong ống, hơi nước bão hòa đi từmặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung

nhiệtđộsôi.DungdịchsaukhiđượcgianhiệtsẽchảyvàothiếtbịcôđặcnồiIđểthựchiệnquátrình bốc hơi.Nồngđộdungdịchtronghỗnhợpdầntănglênkhiđạttớinồngđộyêu cầu, thì dung dịch từ nồi I sẽ chảy qua nồi II do sự chênh lệc áp suất ở cả 2 nồitạo ra (áp suất có xu hướng đi từ cao đến thấp) Hơi thứ bốc lên ở nồi I là hơi nướcbão hòa sẽ theo ống dẫn đi vào buồng đốt của thiết bị

hơiđốtchonồiIIcungcấpnhiệtlượngchonồiIIvàtươngtựtừnồiIIsangnồiIII.Dòngdung dịch đi từ nồi I vào nồi II, tương tự chảy từ nồi II sang nồi III, dung dịch tiếptục được cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bay hơi tiếp diễn cho đến khinồng độ dung dịch đường đáp ứng yêu cầu Sau khi sản phẩm đạt nồng độ ta dùngbơm bơmdungdịchrangoàibểchứasảnphẩm.

Nguyên lý làm việc trong thiết bị cô đặc: Phần dưới của thiết bị là buồng

đốt,gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống,cònhơiđốt(hơinướcbãohòa)điởkhoảngkhônggianngoàiống.Dungdịchđitrongống chiều từ trên xuống dưới và nhận nhiệt do hơi đốt cung cấp để sôi, làm hóa hơimộtphầndungmôi.

Nguyên tắc hoạt động của dung dịch chảy trong ống tuần hoàn trung tâm:

Khithiếtbịlàmviệc,dungdịchtrongốngtruyềnnhiệtsôitạothànhhỗnhợplỏng-hơicó

khối lượng riêng giảm đi và đẩy dung dung từ dưới lên trên miệng ống Do đườngkính ống truyền nhiệt nhỏ hơn nhiều ống tuần hoàn trung tâm nên lượng dung dịchtiếp xúc diện tích bề mặt truyền nhiệt là nhiều hơn, nhiệt độ dung dịch cao hơn, thểtích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt là lớn hơn Do đó, khối lượngriêng của hỗn hợp lỏng- hơi ở ống tuần hoàn lớn và hỗn hợp được đẩy xuống dưới.Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trêntrong ốngtruyền nhiệtvàtừtrên xuốngdướitrongống tuầnhoàntrungtâm.

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng- hơi thành hai dòng.Hơithứđilênphía trênbuồng bốc,đếnbộ phận tách lỏngđể táchnhững giọtlỏng rakhỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới, hơi thứ tiếp tục đi lên và làm hơi đốt cho nồiII và nồiIIItươngtự.HơithứnồiIIIđivàothiết bị ngưngtụbaromet.Chất làmlạnhlà nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn từ dưới lên Dònghơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và chảy xuống dưới bồnchứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phântách giọt rồi được bơm chân không hút ra

thìthểtíchcủahơigiảmlàmápsuấttrongthiếtbịngưngtụgiảm.Vìvậythiếtbịbarometlà thiết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống Bình tách giọt có một vách ngănvới nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa vềbồnchứa.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ

Bảng2-2:Nhiệtđộvàáp suấtcủahơiđốt, hơithứởmỗinồi.

+Tổn thấtnhiệtđộdosức cảnthủylực trongcác ốngdẫn (∆′′′).

Tổnthất nhiệtdo nồngđộnâng cao(∆′)

Xác định∆′ theocông thức gầnđúngcủaTisenco như sau (VI.10/59[3]):

𝛥′′1=𝑇𝑡𝑏1−𝑡𝑚𝑡1

Tmt, Tht: Nhiệt độ dung dịch trên mặt thoáng hay nhiệt độ hơi thứ (℃ P’:Áp suất hơitrênbềmặt dungdịchhayápsuấtcủahơi thứ(at).).

2.2.3 Nhiệtđộ dungdịchsôivàhiệusốnhiệt độhữuích.

Tacó công thức tínhnhiệtđộ sôicủa dungdịchnhưsau:

θ1,θ2,θ3l ầ nlượt lànhiệtđộnước ngưng nồi1,2,3(bằng nhiệtđộ hơiđốt).Qtt1,Qtt2,Qtt3:Nhiệttổnthất ramôitrường củanồi1,2,3(J).

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:𝛴 𝑁ă𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑣à𝑜 = 𝛴 𝑁ă𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑟𝑎Cho𝑄𝑡𝑡= 5%𝐷 𝐼, ta có được phương trình cân bằng năng lượng cho từng

𝑊1+𝑊2+𝑊3= 𝑊(4)

Tổng số số liệu đã có ở trên ta thế vào phương trình (2, 3), kết hợp với phươngtrình (4), ta giải hệ phương trình tính được W1, W2và W3 Thế các số liệu đã có vàophương trình (1) ta tính được lượng hơi đốt cho mỗi nồi, và do lượng hơi đốt nồi

D:lượng hơiđốtcho mỗi nồi (kg.s-1)

r: ẩn nhiệt ngưng tụ củahơi đốtcho mỗi nồi(kJ.kg-1)tra bảngI.251/314[5]

Δthi:hiệusốnhiệtđộ hữuíchtínhtheolýthuyết,℃

q1: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng tụ (W.m-2)q2: nhiệt tải riêng phái dung dịch sôi

H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1.9 m.r:Ẩnnhiệt ngưng,J.kg-1

tbhl ànhiệtđộ hơibãohòa vàchobằngnhiệt độ hơiđốt,thđ.

Do chưa có các hiệu số nhệt độ nên ta cho trước giá trị Δ𝑡để tính toán, sau đó thửlại bằng cách so sánh nhiệt tải riêng q1và q2nếu sai số nhỏ hơn 1% thì ta chấp nhận giảthiếtΔ𝑡.

Từ các công thức, số liệu ở trên ta tính được hệ số cấp nhiệt𝛼1và tính được nhiệttải riêngphía hơingưng theocôngthứcsau:𝑞1=𝛼1.Δt1( W m-2).

Giảsửt1ttường( ° C )TínhtmATính1Tínhq1Kiểmtrađiều

𝜇𝑑𝑑 𝑚2 ℃

+Khốilượng riêng của dung dịch đường trabảngI.86/58[5].

+Tính độ nhớtđộng học củadung dịch theocông thức Paplov I.17/85[5]: 𝑡𝜇1−𝑡𝜇2

Trong đó:

𝜃𝜇1−𝜃𝜇2 =𝐾=𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡

A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng với nước A = 3.58×10-8M: khốilượngmol trungbìnhcủadung dịch,g.mol-1

* Tính số ống truyền nhiệt theo công thức sau, rồi tra bảng V.II/48 [3], để quychuẩn và xác định số ống trên đường viên phân, kết quả tính trong bảng 2-17 Ta

dt: Đường kính trong ống truyền nhiệt (m)H:Chiều caoống truyền nhiệt,H =1.9(m).

*Tính đường kínhốngtuần hoàntrung tâm

+Tổngdiệntíchbề mặttruyềnnhiệtcácốngtruyền nhiệt: 𝜋×𝑑2

𝐹𝑡= 𝑛 × 4

+Tiết diệnbềmặt ống tuầnhoàntrung tâmFth (m2),thườngchọn Fth=30%.Ft

+Đườngkính ngoài ống tuầnhoàntrungtâmdth( m )

+Sốống truyền nhiệttrênđường viên phâncủa ống tuần hoàntrungtâm: 𝐹𝑡ℎ

SauđótrabảngV.II/48[3],tatrađượcsốốngtruyềnnhiệtmàốngtuầnhoàntrungtâm chiếm chổ Dựa vào các số liệu trên ta có bảng kết quả đường kính ống tuần hoàntrung tâmthểhiệntrongbảng2-18.

t: Bướcống.tachọn t =80(mm)

m: Số ống truyền nhiệt trên đường xuyên tâm.dn:Đườngkínhngoàiống truyềnnhiệt(mm).

Up:Cườngđộbốchơichophépcủakhoảngkhônggianhơi(thểtíchhơinướcbốclên trên một đơn vị thể tích của không gian hơi trong một đơn vị thời gian), m3.m-3.h-3.ĐượctínhtheocôngthứcVI.33/72[3]:Up=f.Ut