đồ án quá trình và thiết bị thiết kế hệ thống cô đặc nước dứa năng suất 200kg mẻ

Ngoài ra bộ môn này góp phần nào tớikĩ sư các ngành kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sảnxuất công nghiệp liên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Đặc điểm của nguyên liệu 6

1.1 Tổng quan về quá trình cô đặc 9

1.1.1 Định nghĩa cô đặc 9

1.2.2 Phân loại phương pháp cô đặc 10

1.3 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt 11

1.3.1 Phân loại và ứng dụng 11

1.3.2 Yêu cầu công nghệ 12

1.3.3 Yêu cầu về thiết bị 12

1.3.4 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống 13

1.3.5 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 13

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 14

2.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ 14

2.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ 14

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 14

2.2.2 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý 15

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 16

3.1 Cân bằng vật chất 16

3.1.1 Cân bằng vật chất cho các giai đoạn 16

3.2 Cân bằng năng lượng 17

3.2.1.Tổn thất nhiệt độ 18

3.2.2 Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn 20

3.3 Tính thiết kế thiết bị chính 23

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi 23

3.3.2 Tính K cho các giai đoạn 28

3.3.3 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầutừ 20°C đến 65,83°C 30

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH 34

2

4.1 Tính kích thước buồng đốt 34

4.1.1 Tính thể tích vật liệu 34

4.1.2 Tính đường kính và chiều cao buồng đốt 34

4.2 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt 36

4.3 Tính kích thước không gian bốc hơi 39

4.3.1 Tính bán kính buồng bốc hơi (Dhh) 39

4.3.2 Tính chiều cao buồng bốc hơi 41

4.3.3 Tính chiều dày thân buồng bốc hơi của thiết bị 41

4.4 Tính kích thước nắp thiết bị 41

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 43

5.1 Mối ghép bích 43

5.1.1 Bích nồi nắp với thân thiết bị 43

5.1.2 Bích nối buồng đốt với thân thiết bị 44

5.1.3 Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ 44

5.4 Tính toán chọn tai treo 54

5.4.2 Tính khối lượng dung dịch cô đặc 55

LỜI MỞ ĐẦU

Bộ môn “Quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm” cung cấp những kiếnthức cần thiết cho sinh viên và kĩ sư công nghệ thực phẩm, kĩ sư chế biến nôngsản, thủy hải sản và kĩ sư máy thực phẩm Ngoài ra bộ môn này góp phần nào tớikĩ sư các ngành kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sảnxuất công nghiệp liên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc thiếtbị hiện đại trên thế giới, nhất là trong thời đại hiện nay mà máy móc khoa họcphát triển như vũ bão.

Trong giới hạn “Đồ án môn học – Thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi để cô

đặc dung dịch nước dứa năng suất 200kg/mẻ, từ nồng độ 10Bx đến 60Bx” chủ

yếu đề cập đến các quá trình xảy ra trong thiết bị nồi hai vỏ, cũng hiểu được cấutrúc, cách vận hành hệ thống Như chúng ta biết cô đặc ứng dụng rất nhiều trongquá trình sản xuất hóa chất và thực phẩm, nhất là trong các ngành sản xuất nướcquả cô đặc, hóa chất,…

Đối với giới hạn đồ án về nước dứa cô đặc thì như chúng ta biết với hoaquả tươi, các phương pháp bảo quản chủ yếu là làm lạnh hoặc bảo quản bằngCO2 Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ đảm bảo được trong thời gian vàitháng, hơn nữa chi phí mặt bằng và năng lượng cao Do vậy, dứa với sản lượngrất lớn mỗi năm như thế thì việc bảo quản nguyên quả là rất khó khăn, nên mộttrong những phương pháp được lựa chọn để bảo quản nguyên liệu, phục vụ chocác quá trình chế biến sau này là ép lấy nước sau đó cô đặc Phương pháp này đãgiải quyết được vấn đề trong việc kéo dài thời gian bảo quản nguyên liệu, đảmbảo chất lượng cho sản phẩm được chế biến sau đó; chi phí về mặt bằng và nănglượng ít hơn so với bảo quản hoa quả tươi.

Cấu trúc của đồ án gồm những phần sau:Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương 3: Cân bằng vật chất, năng lượng và Thiết kế thiết bị chínhChương 4: Tính toán và chọn thiết bị chính

Chương 5: Tính toán và chọn thiết bị phụ

Đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Th.S Phan Minh Thụy.Bài làm của em còn nhiều thiếu xót em rất mong nhận được ý kiến đóng góp củathầy cô để hoàn thiện kiến thức của bản thân hơn.

5

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiệnLê Thị Huyền Trang

6

1.1 Đặc điểm của nguyên liệu

Dứa hay thơm hay khóm, tên khoa học Ananas

ở châu Mỹ La – Tinh, nhiều nhất ở Brazil Sau khi tìmra châu Mỹ, khóm được đem trồng ở hầu hết các nướcnhiệt đới và một số nước Á nhiệt đới có mùa đông ấmnhư HaWai (chiếm 33% sản lượng thế giới), Thái Lan(16%), Brazil (9%), Đài Loan…

Cây khóm được phát hiện đầu tiên vào năm

1943 khi ông Chritophe Colomb và các đồng đội đổ bộ xuống đảo Guadeloupetrong Thái Bình Dương Đến thế kỷ XVI, khóm được trồng rộng rãi ở nhiềunước sự phát triển của khóm gắn liền vớ sự phát triển ngành hàng hải của ngườiTây Ban Nha và Bồ Đào Nha

Ở Việt Nam, đến cuối năm 1989 có 35.338 ha trồng khóm, trong đó miềnBắc có 6.482 ha, miền Nam có 28.856 ha Vùng ĐBSCL có diện tích dứa rất lớn,chiếm 72,45% diện tích trồng dứa trong cả nước Riêng Kiên Giang có 13.000ha, chiếm 36,8% diện tích (Đường Hồng Dật, 2003).

Khóm là loại quả đứng số một trong ba loại quả chủ lực: khóm, cam,chuối ở nước ta Khóm không chỉ được trồng và sử dụng rộng rãi ở Việt Nam màcòn phổ biến trên thế giới (Bartholomew et al., 2003) Hơn 70% sản lượng khómsau khi thu hoạch ở các nơi trên thế giới được sử sụng để ăn tươi, phần còn lạiđược sử dụng trong chế biến các sản phẩm xuất khẩu Xuất khẩu dưới đến 7% tỷtrọng quốc doanh khóm thích hợp với điều kiện nhiệt độ và ẩm độ cao, sợ rét vàsương muối Trong điều kiện thích hợp có thể sinh trưởng quanh năm Khóm làloại cây ăn quả không kém đất (Chan et al.,2003).Ở đồng bằng sông cửu long,khóm là cây tiên phong đi mở đường cho các loại hoa màu và các cây trồng khác

7

như mía, chuối, cam, đậu,…Trên đất phèn Mặt khác, khóm còn có những ưuđiểm:

 Cây khóm sợi có hợp chất Saponin chống cháy

 Khóm có tính giải khát, khóm làm cơ thể chống béo, ít béo phì  Rễ cây khóm còn có tác dụng lợi niệu cao được lưu truyền trong dângian như vị thuốc dùng để chữa bệnh sỏi đường tiết niệu

 Khóm còn là thực phẩm dễ chế biến, xào nấu trong các bữa ăn nhất làcác món chua ngọt

 Lá khóm dùng để lấy sợi (lá có 2 – 2,5% cellulose) sử dụng trong côngnghiệp dệt

 Thân khóm chứa 12,5% tinh bột, là nguyên liệu dùng để lên men,chuyển hóa thành môi trường nuôi cấy nấm và Vi Khuẩn

 Trong khóm còn có enzyme bromelin là loại enzyme giúp tiêu hóa rấttốt Người ta đã biết chiết xuất và tinh chế thành những chế phẩm bromelin dùngtrong công nghiệp thực phẩm, thuộc da, vật liệu làm phim Sản Phẩm phụ củacông nghiệp chế biến khóm được dùng làm nguyên lieu lên men để chế biếnthành thức ăn gia súc.

* Khóm được chia làm 7 nhóm trong đó có 3 nhóm chính là: nhóm

+ Nhóm Cayenn: Quả có dạng hình trụ, mắt nông Quả bình thường nặng1,2-2 kg, thích hợp cho chế biến làm đồ hộp, chứa nhiều nước và vỏ mỏng

+ Nhóm Queen: Quả có nhiều mắt, mắt nhỏ, lồi cứng nên dễ vận chuyển.Thịt quả vàng, ít nước, màu sắc và vị thơm hấp dẫn Quả bé, khối lượng trug bình500-700 g/trái.

+ Nhóm Spanish: Quả ngắn, kích thước to hơn nhóm quả Queen Khốilượng xấp xỉ 1 kg Hình dạng cân đối hơi hình trụ Thịt vàng trắng không đều,mắt sâu, vị chua (Đường Hồng Dật, 2003)

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của khóm

8

- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, mọi áp suất (áp suấtchân không, áp suất thường hay áp suất dư) trong hệ thống một thiết bị cô đặchay nhiều thiết bị cô đặc Trong đó:

Cô đặc chân không dung cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ phânhủy bởi nhiệt.

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dung cho dung dịch không bịphân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, sử dụng hơi thứ cho côđặc và cho các quá trình đun nóng khác.

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dung mà thải rangoài không khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế

9

- Trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất thường làm đậm đặc dungdịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc Đặc điểm của cô đặc là dung môi đượctách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch sẽ không bayhơi do vậy nồng độ dung dịch tăng dần lên, khác với chưng cất trong chưng cấtthì các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ.

- Hơi của dung môi được tách ra khỏi dung dịch được gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dung để đun nóng thiết bị khác Nếu dung hơi thứ đểđun nóng một thiết bị khác ngoài thiết bị cô đặc thì được gọi là hơi phụ.

- Qúa trình cô đặc có thể diễn ra trong một nồi hoặc nhiều nồi, gián đoạnhoặc liên tục Qúa trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy từngvào yêu cầu kĩ thuật Khi dùng ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thểdung thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặctrong chân không (áp suất thấp) vì nó có ưu điểm : khi áp suất giảm thì nhiệt độsôi của dung dịch cũng giảm theo khi đó độ chênh lệch giữa nhiệt độ hơi buồngđốt và dung dịch tăng do diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm.

- Cô đặc nhiều nồi là sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt nên nó có ý nghĩakinh tế cao về sử dụng nhiệt và nó hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: Hơi đốtcủa nồi thứ nhất sử dụng hơi từ nồi hơi, hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt chonồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai làm hơi đốt cho nồi thứ ba…hơi thứ cuốicùng đi vào thiết bị ngưng tụ Do có tổn thất nhiệt độ nên nhiệt đun nóng nồi saubao giờ cũng thấp hơn nồi trước, bởi vậy mà người ta thường cô đặc dung dịch ởnồi thứ nhất với áp suất dư còn các nồi sau đều ở áp suất chân không Trong hệthống cô đặc nhiều nồi dung dịch chuyển dịch từ nồi này sang nồi tiếp theo, quamỗi nồi dung môi bay hơi đi một phần, nồng độ dung dịch tăng lên, đến cuốicùng nồng độ dung dịch đạt được như yêu cầu thì người ta tháo dịch vào thùngchứa.

1.2.2 Phân loại phương pháp cô đặc

1.2.3.1 Phương pháp nhiệt (đun nóng)

Dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái dung dịch dưới tácdụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên bề mặtchất lỏng

1.2.3.2 Phương pháp lạnh

Khi hạ thấp nhiệt độ đén một mức nào đó thì các cấu tử sẽ tách ra dướidạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết itnh dung môi để tăng nồng độ

10

chất tan Tùy theo tính chất của cấu tử và ap suất tác dụng lên mặt thoáng mà tatiến hành ở nhiệt độ cao hay thấp có khi dung đến máy lạnh.

Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm thayđổi không ngừng.

1.2.3.3 Biến đổi vật lý

- Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất hòa tan sẽ tăng, do đó tính chấtcủa dung dịch sẽ thay đổi Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian cô đặcvà nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi.

- Khi nồng độ tăng: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệtphía dung dịch giảm Nhưng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất do nồng độ sẽtăng.

1.2.3.4 Biến đổi hóa học

- Thay đổi pH của môi trường: do tính chất thủy phân amit của các cấutử tạo thành axit.

- Độ kiềm tăng.

- Đóng cặn, do số muối canxi hòa tan rất chậm trong nồng độ cao, dophân hủy của một số muối axit hữu cơ tạo thành kết tủa.

- Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất.

- Tăng màu: do phân hủy các sản phẩm cô đặc dưới điều kiện nhiệt độ vàáp suất.

- Do kết quả của phản ứng Maye maillard là phản ứng ngưng tụ giữađường khử và amino axit, tạo thành các chất màu dạng keo chứa Nito.

1.2.3.5 Biến đổi sinh học

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

- Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ caoBản chất của sự cô đặc do nhiệt

- Dựa theo thuyết động học phân tử : Để tạo thành hơi thì nhiệt tác dụnglên bề mặt thoáng phải lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệtđể khắc phục trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do vậy ta cần cấp nhiệt để cácphân tử đủ năng lượng để thực hiện quá trình này.

11

- Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quátrình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do sự chênh lệch về khối lượng riênggiữa các phân tử trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồicô đặc.

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, hoăc đưa dungdịch qua trạng thái bão hòa để kết tinh.

- Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính …

1.3 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt1.3.1 Phân loại và ứng dụng

1.3.1.1 Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng, độ nhớt thấp,đảm bảo dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức dung bơm để tạo vận tốc dungdịch 1,5- 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm tăng hệ số truyền nhiệt, độnhớt cao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.

- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần, tránh tiếpxúc quá lâu làm biến chất sản phẩm.

1.3.1.2 Theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường có nhiệt độ sôi áp suất không đổi Thường dungcô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định và thời gian cô đặc ngắn.- Cô đặc áp suất chân không dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có ápsuất chân không

- Cô đặc nhiều nồi mục đích là tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nênlớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơn so với chi phí đề ra Do sử dụnghơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau nên có ý nghĩa kinh tế cao.

1.3.2 Yêu cầu công nghệ

- Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định- Giảm tổn thất chất khô

- Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi

12

- Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt

1.3.3 Yêu cầu về thiết bị

Về cấu tạo, thiết bị cô đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phậnchính sau:

Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đun nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận

nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài cácống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống

Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chưa cả dung dịch nên

phải có không gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt

Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi

Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cô đặc:Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần được cô đặc: độnhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại,…

Có hệ số truyền nhiệt lớn vì khi nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ giảmmạnh.

Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụlấy nhiệt cho cấp cô đặc tiếp theo.

Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngoài giữa các ốngcủa giàn ống.

Đảm bảo tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.Dễ dàng cho việc làm sạch bề mặt trong các ống vì khi dung dịch bốc hơibên trong các ống sẽ làm bẩn mặt bên trong của ống (tạo cặn)

1.3.4 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống

- Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực- Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điềukiện chân không

- Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm ở áp suất cao, thiết bịcuối làm việc ở áp suất chân không.

1.3.5 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

1.3.5.1 Thiết bị chính

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

13

Ống nhập liệu, ống tháo liệuBuồng đốt , buồng bốcĐáy, nắp

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

Bồn cao vịCác van,…

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ2.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồihoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.

Cô đặc là quá trình sử dụng một nguồn nhiệt để cấp nhiệt cho dung dịchđể làm bốc hơi dung dịch cần cô đặc thu được dung dịch có nồng độ cao hơn.

Cô đặc chân không là quá trình cô đặc mà thiết bị cô đặc hoạt động ở ápsuất chân không, thấp hơn áp suất khí quyển, mục đích làm giảm nhiệt độ sôi củadung dịch cô đặc, giúp cho dung dịch giữ được chất lượng, không bị biến chất donhiệt độ cao.

Ngoài ra quá trình làm việc ở nhiệt độ thấp giúp giảm tổn hao về nănglượng do chênh lệch nhiệt độ với môi trường thấp.

14

Hệ thống cô đặc cũng rất đa dạng, có thể là hệ thống đơn chiếc một nồi cô,hặc hệ thống nhiều nồi và tận dụng nhiệt của hơi thứ để cấp nhiệt cho các nồikhác giúp giảm rất nhiều chi phí năng lượng

Trong đề tài này, ta chọn thiết bị để cô đặc là thiết bị nồi 2 vỏ có cánhkhuấy vì một số lí do như:

Năng suất theo sản phẩm không lớn lắm (300kg/mẻ)Cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành

1.Thùng chứa nguyên liệu; 2 Bơm nguyên liệu; 3 Cửa dẫn hơi đốt; 4.Cửa nhập liệu; 5.Buồng bốc hơi; 6 Qủa cầu CIP; 7 Ống dẫn hơi thứ; 8 Thiết bịđo áp suất; 9 Thiết bị ngưng tụ; 10 Ống thoát khí không ngưng; 11 Cánh khuấy;12 Buồng đốt; 13 Van; 14 Cốc tách nước ngưng; 15 Buồng chứa sản phẩm; 16.Cốc tách nước ngưng; 17 Bể chứa nước ngưng; 18 Thiết bị chứa nước ngưng;19 Ống thủy; 20 Bơm chân không; 21 Bình tách lỏng

2.2.2 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

Khởi động bơm chân không đến áp suất P = 0,2 at.ck

Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa nguyên liệu (1) vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồngbốc hơi (5) trong thiết bị cô đặc, sau khi nhập đủ 1200,01 kg thì dừng.

Khi đã nhập liệu đủ 1200,01 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bãohòa ở áp suất 3 at), tại đây dung dịch nước dứa được đun nóng tới nhiệt độ sôi,dung dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng – hơi (phần hơi sẽ đi lên trên buồng bốc (5)).Dung dịch trong buồng bốc hơi được gia nhiệt bởi hơi đốt trong buồng bốc.Dung dịch trong buồng bốc sẽ sôi và bốc hơi, hơi thứ và khí không ngưng bốc rađược dẫn vào ống dẫn hơi thứ (7) vào thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm (9) ( thiếtbị ngưng tụ này gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và được ngưng tụ bằng nướclạnh đi bên ngoài ống ), sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa(18), còn phần khí không ngưng sẽ được bơm hút chân không hút ra ngoài ống.Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng rồi được xả rangoài thùng chứa nước ngưng (16)

Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 60% thì ngưng cấp hơi đốt, sauđó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa (15).

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT, NĂNG LƯỢNGVÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 Cân bằng vật chất

Các số liệu ban đầu- Dung dịch nước dứa có:+ Nhiệt độ đầu là 20 Co+ Nồng độ đầu là 10 Bx

16

+ Nồng độ cuối là 60 Bx

- Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at- Áp suất ngưng tụ: P = 0,2atck

Cô đặc gián đoạn với năng suất 200 kg/mẻ

3.1.1 Cân bằng vật chất cho các giai đoạn

G = G + Wđc Gđ.xđ = Gc.xc

Trong đó: G , G : lượng dun dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (kg)đc W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn (kg) x , x : nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn (%)đc Gđ.xđ, Gc.xc : khối lượng đường trong dung dịch (kg) Lượng hơi thứ ta tính theo hai giai đoạn

- Giai đoạn 1: 10% đến 35% - Giai đoạn 2: 35% đến 60%

a Giai đoạn 35% đến 60%

G = 200 kgc x = 35%, x = 60%đc

=> G = G đc = 200 = 342,86 kg Lượng hơi thứ

W = G – G = 342,86 – 200 = 142,86 kgđc

b Giai đoạn 10% đến 35%

G = 342,86 kgc x = 10%, x = 35%đc

=> G = G đc = 342,86 = 1200,01 kg Lượng hơi thứ

W = G – G = 1200,01 – 342,86 = 857,15 kgđc Tổng lượng hơi thứ bốc hơi

17

3.2 Cân bằng năng lượng

Áp suất thiết bị ngưng tụ P = 0,2 ato

=> Nhiệt độ hơi thứ ở nhiệt độ ngưng tụ t = 59,7 Cngt o

(Bảng 1.251 trang 314 Tài liệu [1])

Chọn tổn thât nhiệt đọ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ   0,5''' oC => Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t = 59,7 + 0,5 = 60,2ht oC.

Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dungdịch t = 60,2 Csdm o

=> Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P = 0,2031 at1

(Bảng 1.250 trang 312 tài liệu [1])

+ f: hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc với áp suất khác ápsuất thường

+ T : nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị thìmbằng nhiệt độ hơi thứ, K T = 60,2°Cm

+ r: ấn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (áp suấthơi thứ trên bề mặt dung dich), J/kg r = 2358.10 J/kg3

(Bảng 1.251 trang 314 tài liệu [1])

t : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất Ptb tb

t : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P trên mặt11thoáng,t =60,2°C1

P : áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dich (N/m ) P1 2 1=0,203119

rh : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ đáy buồng bốc hơi đến mặtthoáng của dung dịch (m) Thường chọn h = 0,5mr

h : chiều cao buồng đốt (m); h=1,5m

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), = 0,5dds dds g : gia tốc trọng trường (m/s2) Thường chọn g= 9,81 m/s2

Bảng 3.3 Bảng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

3.2.2 Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn

Cân bằng nhiệt lượng: nhiệt vào = nhiệt ra- Nhiệt lượng vào gồm có:

+ Do dung dịch đầu: G , c , tđđđ

+ Do hơi đốt: D.(1- ).i”D

+ Độ ẩm của hơi: D.c.

20

- Nhiệt lượng ra gồm có:+ Hơi thứ mag ra: W.i”w

+ Nước ngưng tụ: D.c.+ Sản phẩm mang ra: G , c , tccc+ Nhiệt cô đặc: Qcđ

+ Nhiệt tổn thất: Qtt

+ Độ ẩm của hơi: = 0,05Phương trình cân bằng nhiệt

.D.c + D.(1- ) + Gn.cn.tn = Gc.c tc c + W.I”w + D.c + Q t Q cđ

D: lượng hơi đốt sử dụng, kg

= 5% : tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo

: nhiệt độ nước ngưng, °C

c: nhiệt dung riêng nước ngưng ở °C, J/kg.độ

c ,cđc: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg.đột ,tđ c: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, °C

i”D: entanpi của hơi đốt, J/kgi”w: entanpi của hơi thứ, J/kgQt: nhiệt lượng tổn thất, JQcđ: nhiệt lượng cô đặc, J

 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)

Q = D (1-D ).(i” – c.D ) = D.(1- ).r

r = i” – c.D : nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ Nhiệt dung riêng của dung dịch

21

C = 4190 – (2514 – 7,542t).x (J/kg.độ)

Bảng 3.4 Bảng nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ

Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg.độ 3988,25 3485,53 2986,01

 Chọn hơi đốt có áp suất: P = 3at => t = 132,9°Cđđ  Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at

r = 2171.10 J/kg3 (Bảng 1.251 trang 314 Tài liệu [1])

 Entanpi của hơi thứ ở 60,2°C

= 2632,2 10 J/kg 3 (Bảng 1.250 trang 312 Tài liệu [1])

 Tổn thất nhiệt Q = 0,05 QtD

 Xem nhiệt cô đặc Q là không đáng kể cđ

3.2.2.1 Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 20°C đến 65,83°C

G = G = 1200,01 kgđc c = c = 3988,25 J/kg.độđc t = 20°C; t = 65,83°C; W = 0 kgđcNhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình

Q = 1200,01 3988,25 (65,83 – 20) = 2,2 10 J1 8 Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)

Q = D1 = 2,32 10 J8Lượng hơi đốt sử dụng

D = 1 = 106,67 kg

3.2.2.2 Giai đoạn dung dịch từ 10% đến 35%

G = 1200,01 kg; cđ = 3988,25 J/kg.độ; tđ = 65,83°Cđ G = 342,86 kg; cc = 3485,53 J/kg.độ; tc = 66,46°Cc W = 857,15 kg

22

Nhiệt dung tiêu tốn cho quá trình

Q = 342,86 3485,53 66,46–1200,01 3988,25 65,83 + 857,15 22632,2 10 3

Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình

Q = 200 2986,01 67,27 – 342,86 3485,53 66,46 + 142,86 2632,2 3103

= 3,4 10 J8

Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thát nhiệt)

Q = D3 = 3,6 10 J 8Lượng hơi đốt sử dụng

 Tổng nhiệt lượng Q = Q + Q + Q DD1D2D3

= 2,32 10 + 2,13 10 + 3,6 10898 = 27,22 10 J8

 Tổng lượng hơi đốt

D = D + D + D = 106,67 + 979,42 + 164,85 = 1250,94 kg123 Lượng hơi đốt riêng

23

Driêng = = 1,25 kg hơi đốt/kg hơi thứ

Bảng 3.5 Bảng tóm tắt cân bằng năng lượng

Lượng hơi đốt sử dụng, kg 106,67 979,42 164,85

3.3 Tính thiết kế thiết bị chính

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi

3.3.1.1 Các kí hiệu và công thức

: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m K2

: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m K2

: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m2

: nhiệt tải riêng phái dung dịch sôi, W/m2

: nhiệt tải riêng phía vách buồng đốt, W/m 2

: nhiệt độ trung bình vách ngoài buồng đốt, °C

: nhiệt độ trung bình vách trong buồng đốt, °C

: nhiệt độ hơi đốt, = 132,9°C

: nhiệt độ dung dịch sôi, °C

24

: nhiệt độ màng nước ngưng, °C

3.3.1.2 Phía hơi đốt tới thành thiết bị

q = 1 (1)

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]

Với A = phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

Bảng 3.6 Bảng thể hiện A phụ thuộc vào nhiệt độ màng

: khối lượng riêng riêng của nước ở nhiệt độ t , kg/mm 3

: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t , W/mKm

: độ nhớt của nước ở nhiệt độ t , Pasm

r : ẩn nhiệt nước ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t , r = 2171 10D 3 J/kg

3.3.1.3 Từ thành thiết bị tới dung dịch

q = 2 (3)

Theo công thức VI.27 tráng 71 Tài liệu [2]

(4)Trong đó

25

: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng(kg/m3), nhiệt dung riêng (J/kg.độ), độ nhớt (Pas) của nước

: các thông số của dung dịch theo nồngđộ

: hệ số cấp nhiệt tượng ứng của nước, W/m K2

(5), (công thức V90 trang 26Tài liệu [2])

Với q : nhiệt tải riêng, W/m2

p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m2 p = p = 0,2031 at = 19924,11 N/m1 2

 Các thông số của nước (Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2]) t = 60,2°Csdm

= 983,2 kg/m 3 c = 4183 J/kg.độn

= 0,47 10 Ns/m-32

= 65,9 10 W/mK-2 Các thông số của dung dịch

tra bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] (ở 40°C)

tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]

= 3,58 10 c -8 , W/mkdd

M = dd Với x : nồng độ dung dịch

26

Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiệntính lặp như sau

1 – Chọn (<t ) =>D

2 – Tính theo công thức (2) 3 – Tính q theo công thức (1)1

4 – Tính theo công thức (6) với q = q => v1

5 – Tính theo công thức (5) với q = q1

6 – Tính theo công thức (4) 7 – Tính q theo công thức (3)2

ss = = = 0,0052 =0,52% (thỏa mãn)

30

K = = 735,56 W/m K

Bảng 3.8 Bảng tóm tắt hệ số truyền nhiệt

Nồng độ dungdịch %

= 2,04 A

Với A = phụ thuộc vào nhiệt độ màng t theo bảngm 1.1.1

: khối lượng riêng riêng của nước ở nhiệt độ t , kg/mm 3

: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t , W/mKm

: độ nhớt của nước ở nhiệt độ t , Pasm

r : ẩn nhiệt nước ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t , r = 2171 10D 3 J/kgH = 1,5m