Thiết kế hệ thống sấy thực phầm dựa vào phương pháp bốc hơi

Thiết kế hệ thống sấy thực phầm dựa vào phương pháp bốc hơi

Mục lục: I.Giới thiệu II. Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi : 1. Tính chất vật lý 2 2. Hệ số truyền nhiệt: 3 3. Sự tích bẩn trong dàn bay hơi 4 4. Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng 4 4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi 4 4.2 Thiết bị bốc hơi màng treo 7 5.Thiết bị cô đặc nước ép trái cây màng rơi 8 III. Các hệ thống thiết bị bốc hơi: 1. Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ: 9 2. Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị 11 2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều 12 2.2 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều 13 2.3 hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song 14 2.4 Hệ thống thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết 15 bị bốc hơi bổ sung IV. Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi: 16 1. Hệ thống một thiết bị bốc hơi 2. Hệ thống bốc hơi liên tục 19 V.Các thiết bị bốc hơi; 24 1. Thiết bị bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hồn tựï nhiên 26 2. Thiết bị bốc hơi có buồng đốt ngồi 30 VI. Chất lượng thực phẩm: 30 VII. Thiết bị bốc hơi trong thực phẩm 32 1. Cân bằng vật chất và cân bằng 32 2. Thiết bị tính tốn thời gian lưu dài 33 3. Thiết bị bốc hơi có thời gian lưu ngắn 34 VIII. Thiết bị bốc hơi tiết kiệm năng lượng 38 1. Thiết bị bay hơi liên tục 40 2. Thiết bị cô đặc nén hơi 42 3. Thiết bị cô đđặc có bơm nhiệt 46 4. Phối hợp thẩm thấu ngược\ cô đặc 46 5. Sự khử muối từ nước 46 6. Thiết bị bốc hơi tận dụng nhiệt thải 46 IX. Nguyên lý thiết kế: 47 1.Lựa chọn thiết bị bốc hơi 47 2.Lựa chọn vật liệu 48 IX. Các thành phần của thiết bị bốc hơi 50 Thân của thiết bị bốc hơi 51 1. Thiết bị thiết bị tách lỏng hơi 53 2. Thiết bị ngưng tu 54ï Thiết bị bốc hơi 3. Hệ thống chân không 55 4. Điều chỉnh thiết bị bốc hơi 56 5. Nguyên cứu thiết bị bốc hơi 56 6. Vấn đề vệ sinh 57 I.GIỚI THIỆU Sự bay hơi là một quá trình tách rời vật lý, nó lấy đi phần hơi từ dung dịch lỏng hoặc hỗn hợp nhờ sự bốc hơi và nhận được sản phẩm cô đặc của thành phần không bay hơi. Đối với thức ăn lỏng, sự bay hơi lấy đi hầu hết nước kết quả là sản phẩm cô đặc có thể được dùng cho những quy trình xa hơn như qua ùtrình sấy. Quá trình bay hơi được sử dụng rộng rãi trong việc cô đặc nước trái cây rau quả, sữa, cà phê trích ly, tinh luyên đường và muối. Sự mất đi dung lượng nước làm giảm trọng lượng và dung tích sản phẩm, giảm chi phí nhà kho và vận chuyển, và cải thiện sự ổn định của sản phẩm. - - 2 Thiết bị bốc hơi Sự bay hơi được taọ ra như là 1 quy trình cơ bản của việc cô đặc thức ăn lỏng, mặc dù 1 vài phương pháp mới có sự thuận lợi đặc biệt như đóng băng và thẩm thấu ngược. Sự bay hơi được sử dụng như là 1 quá trình tiền cô đặc cho phân lập sữa và cà phê hòa tan, trước khi sấy. Hiệu suất của sự bay hơi nước thì cao hơn ( 90% ) so với quá trình sấy (60% ). Kĩ thuật thiết kế dàn bay hơi là dựa trên hiệu quả của sự truyền nhiệt từ môi trường sang sản phẩm lỏng, hiệu quả của sự tách hơi nước và sử dụng nguồn năng lượng. Các dữ liệu kĩ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất các thiết bị bay hơi. Trong ứng dụng thực phẩm, sự bốc hơi can duy trì chất lượng của sản phẩm, và thiết bị bay hơi phải phù hợp với điều kiện vệ sinh và quy trình sản xuất. Dàn bay hơi cũng được sử dụng cho chất thải, giữ lại sản phẩm phụ hữu ích và giảm dòng chất thải ra môi trường. II. SỰ TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BỐC HƠI Một lượng lớn năng lượng nhiệt phải được truyền từ môi trường làm nóng xuyên qua lớp kim loại của thiết bị tới dung dich lỏng. Nhu cầu nhệt được quyết định bởi vật liệu và cân bằng năng lượng quanh mỗi thiết bị bay hơi và trên tồn bộ hệ thống. Sự truyền nhiệt giữa bề mặt kim loai và dung dịch là công đoạn quan trọng nhất trong sự bay hơi. Do đó điện trở nhiệt của lớp ngăn và môi trường làm nóng được cân nhắc là nhỏ hơn. Sự truyền nhiệt trên bề mặt liên quan trưc tiếp tới tính chất vật lý và mô hình dòng chảy của dung dịch. 1.Tính chất vật lý: Tính chất vật lý chất lỏng có tầm quan trọng trực tiếp tới sự bốc hơi, đó là độ nhớt, độ dẫn nhiệt, độ đặc, nhiệt dung riêng, sức căng bề mặt và sự tăng điểm sôi. Dữ liệu về độ nhớt và độ dẫn điện trong các tài liệu thực phẩm được viết bởi Saravacos và Maroulis ( 2001 ). Tầm quan trọng của tính chất vật lý tới sự bay hơi được viết bởi Chen (1993 ). Sức căng bề mặt của nước là 73 dyn/cm hay 73mJ/m 2 (25 o C) và nó giảm đáng kể khi thành phần hữu cơ có mặt trong dung dịch. Sức căng bề mặt của dung dịch lỏng thực phẩm thường thấp hơn (cỡ 30 dyn/c), tùy thuộc vào thành phần chất hoạt động bề mặt hiện hữu. Sự tăng điểm sôi (BPE) gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau và đó là điều không mong muốn trong quá trình bốc hơi. Vì vậy nó đòi hỏi nhiệt độ cao hơn của môi trường nhiệt để tác động tới cùng một điều kiện phát động. Nó đặc biệt cao trong dung dịch cô đặc muối ăn và kiềm. Sự tăng điểm sôi của thực phẩm lỏng là tương đối thấp, và trong hầu hết các trường hợp nó được bỏ qua trong tính tốn truyền nhiệt. Nó trở nên quan trọng trong dung dich đường cô đặc và những thành phần có phân tử lượng thấp khác. Các thành phần có phân tử lượng cao thì bị hòa tan hoặc phân tán trong nước như tinh bột, pectin, protein ảnh hưởng không đáng kể tới sự tăng điểm sôi. Đối với dung dịch đường, như là nước ép trái cây, phương trình thực nghiệm sau có thể được dùng để ước lượng BPE (Chen và Hernandez, 1997 ): BPE = 0.33 xp(4X) Với X là tỉ lệ khối lượng của đường. Do đó BPE của nước ép trái cây sẽ tăng trong quá trình bay hơi từ 0.7 o C tới 4.4 o C. - - 3 Thiết bị bốc hơi 2.Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt gia nhiệt được tính bằng phương trình tổng quát: Q=U.A.∆T Với U là hệ số truyền nhiệt chung (W/m 2 K). A là diện tích truyền nhiệt(m 2 ) và ∆T là sự sai khác nhiệt độ giữa môi trường nhiệt với môi trường sôi. U thường được xác định bằng thực nghiệm hoặc lấy từ hệ thống công nghiêp hay nhà máy thử nghiệm tương tự. Dự đốn giá trị của U rất khó khăn bởi vì sự tích lũy lực cản trên bề mặt gia nhiệt nên không thể lượng tử hóa một cách chính xác. Tuy nhiên phân tích sự truyền nhiệt là rất hữu ích để đánh giá nhiệt trở của hệ thống cô đặc. Tổng nhiệt trở của hệ thống cấp nhiệt được tính: 1/U=1/h s +x/∆ +1/h i +FR (7.3) Với h s và h i tương ứng là hệ số truyền nhiệt ở phần cấp nhiệt và phần bay hơi.x/∆ là nhiệt trở của thành dàn bốc hơi, và FR là lực cản tích lũy. Phương trình 7.3 liên quan tới bề mặt truyền nhiệt và được ứng dụng để làm ống đèn với đường kính tương đối lớn 50mm. Với ống đường kính nhỏ nhiệt trở phải được điều chỉnh bởi tỉ số giữa đường kính ngồi và trong. Phần cấp nhiệt được tính tốn để lực cản tích lũy không đáng kể do đó dàn bay hơi dùng hơi nước bão hòa và bề mặt kim loại sạch, do đó điện trở của phần cấp nhiệt tương đối thấp vì thế giá trị lớn h s ứng với hơi nước bão hòa. Điện trở thành (x/∆) tương đối thấp vì thế x nhỏ và hệ số dẫn nhiệt cao đặc trưng cho dàn bay hơi. Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt thiết bị (h i ) đặc trưng cho tính chất vật lý (chủ yếu là độ nhớt) và lưu lượng của chất lỏng. Nó làm tăng chế độ chảy và nhiệt độ và có thể được ước lượng từ thực nghiệm. Hệ số truyền nhiệt trong màng lỏng là đặc biệt quan trọng tới sự tích lũy hơi,như đã được trình bày trong mục này. 3.Sự tích bẩn trong dàn bay hơi: Tích bẩn là sự hình thành kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt, nó làm giảm sự truyền nhiệt, mức độ bay hơi và có thể phá hủy đặc trưng của sản phẩm. Sự tích bẩn là tai hại cho quy trình công nghiệp bởi vì giá thành đầu tư cao, năng lượng thất thốt, chi phí bảo dưỡng và sụt giảm sản phẩm trong khi ngừng cọ rữa. Tích bẩn bao gồm sư tích lũy, là kết tủa của muối vô cơ trên bề mặt cấp nhiệt, kết tủa protein, ăn mòn, tích bẩn sinh học và tích tụ đông đặc. Sự tích bẩn kéo theo sự kích nổ, trao đổi chất và gắn kết với bề mặt cấp nhiệt và tach rời tích lũy chất lỏng.Trong thiết bị cô đặc và những thiết bị truyền nhiệt khác, tích bẩn được gây ra bởi sự hấp phụ và biến tính của các phân tử sinh học như protein , pectin, tinh bột trên bề mặt truyền nhiệt. Kinh nghiệm tương quan của lực cản tích bẩn tới thời gian vận hành cho những ứng dụng cụ thể rất hữu ích để xác định chu kì làm sạch tối ưu, bao lâu thì có thể bảo trì hệ thống. - - 4 Thiết bị bốc hơi Việc sử dụng lực cản hoặc độ nhiễm bẩn chỉ đưa ra giá trị gần đúng cho một thiết bi và sản phẩm cụ thể. Thực tế sẽ chính xác hơn là dùng giá trị tin cậy của hệ số truyền nhiệt chung.Giá trị điển hình của U cho thiết bị bay hơi được thể hiện trong bảng 7-1. 4- Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng. Sự thốt hơi nước bằng phương pháp màng rơi, màng treo hay kết hợp cả hai phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các dàn bốc hơi thực phẩm. Bởi vì lợi thế của chúng là quá trình đơn giản, chi phí về thiết bị và vận hành thấp. Hình 1 phác họa nguyên lý hoạt động của thiết bị bốc hơi kiểu màng hơi và màng treo. 4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi. Trong thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi, chất lỏng chảy thành màng xuống dọc theo bề mặt bốc hơi ( bên trong vỏ ống hay bản mỏng) bởi trọng lực. Trong khi đó nhiệt được truyền xuyên qua tường nhờ hơi nước. Hỗn hợp chất lỏng và hơi nước được thốt ra bên dưới của ống ( hay bản mỏng) và đi vào trong thiết bị phân riêng lỏng hơi. Sau đó tập trung chất chất lỏng bơm ra ngồi, còn hơi nước chuyển trực tiếp vào thiết bị ngưng tụ. Trong thiết bị màng rơi, lưu lượng chất lỏng nhỏ nhất trên từng đơn vị chiều dài của bề mặt dẫn hay là “tốc độ dẫn”( Γ ; kg/ms) được thu nhận từ thực nghiệm (Minton,1986) ta có phương trình. Γ min = 0.008 ( η s σ 3 ) 1/5 Trong đó : Γ : là độ nhớt ( mPa.s) s : khối lượng riêng của nước σ : sức căng bề mặt của chất lỏng ( dyn/cm) Bảng 1: Một số giá trị đặc trưng của hệ số truyền nhiệt Dạng thiết bị bốc hơi Thực phẩm dạng lỏng U, W/m 2 K Màng rơi, dạng ống Nước ép trái cây 12-65 o Brix 2000-600 Màng rơi, dạng bản mỏng Sữa 10-30% TS 2500-1500 Màng treo dạng ống Sữa 10-35% TS 2000-1200 Đối lưu cưỡng bức Xi-rô đường 15-65 o Brix 2500-1500 Màng khuấy Bột rau trái 1500-700 (Số liệu được lấy từ Saravacos và Maroulis (2001)) - - 5 Thiết bị bốc hơi Hình 1. Biểu đồ về nguyên lý của thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi (a) và màng treo (b) L: chất lỏng ; V: hơi nước ; S: hơi. Theo cách đó thì lưu lượng nước nhỏ nhất ở 80 o C dạng màng dọc bề mặt sẽ là Γ min = 0.008(0.356 x 68 3 ) 1/5 = 0.008 x 10.23 = 0.08 kg/m.s Màng thực phẩm lỏng có thể chảy dạng mỏng hơn so nước tinh khiết (có thể xem là sức căng bề mặt nhỏ hơn ), tăng hệ số truyền nhiệt. Lưu lượng nhỏ nhất đối với thực phẩm lỏng có sức căng bề mặt là 34 dyn/cm Γ min =0.008(34/68) 3/5 = 0.052 kg/m.s Hệ số Reynolds của màng rơi được tính bởi phương trình rút gọn ( Perry và Green,1997) Re = 4 Γ / η Đối với nước nóng 80 o C chảy với lưu lượng nhỏ nhất thì hệ số Reynolds sẽ là Re = 4 x 0.08/0.356 = 900 , dòng chảy tầng Hệ số truyền nhiệt cao hơn ( h ) thu được trong chế độ chảy rối khi Re > 2100. Phương trình thực nghiệm dưới đây có thể được sử dụng để đánh giá hệ số truyền nhiệt của màng nước trong chế độ chảy rối. h = 9150 Γ 1/3 Hệ số truyền nhiệt của chất lỏng khi chảy rối đối với loại màng rơi đươc tính bởi phương trình thực nghiệm chung : h = 0.01 ( ϕ .Re.Pr) 1/3 Trong đó : ϕ = ( λ 3 ρ 2 g/ η 2 ) Re = 4 Γ / η - - 6 Thiết bị bốc hơi Pr = C p η / λ Khi sử dụng hệ đơn vị SI thì ϕ 1/3 có đơn vị là hệ số truyền nhiệt ( W/m 2 K) Sự minh họa sau đây, sự chảy của màng nước tại 80 o C trên dọc bề mặt của thiết bị có Γ = 0.5 kg/m.s là hỗn loạn : độ nhớt của nước ở 80 o C là η = 0.356 mPas = 0.000356 Pas Ta tính được: Re = 4 Γ / η = 4 x 0.5/0.000356 = 5618. Với λ = 0.67 W/m K, ρ = 972 kg/m 3 và g = 9.81 m/s 2 Suy ra ϕ = [(0.67) 3 x (972) 2 x 9.81 ]/(0.000356) 2 = 21.8 x 10 12 Và ϕ 1/3 = 28000 Pr = (4100 x 0.000356)/ 0.67 = 2.2 và Pr 1/3 =1.3 h = 0.01 x (21.8 x 10 12 x 2.2 x 5618 ) 1/3 = 6440 W/m 2 K. Qua thực nghiệm nhận ra rằng hệ số truyền nhiệt chung ( U) đối với sự bay hơi của nước ở nhiệt độ 80 o C là U = 2000 W/m 2 K. Phương trình (7.3) có thể được dùng để xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm của bề mặt bốc hơi (h i ), giả thiết không tích tụ bẩn : 1/h i = 1/U – x/ λ - 1/h s . Bề dày của thành ống là x= 3 mm ( 2inch ống, 10 gause), độ dẫn nhiệt của thép không rỉ là λ = 15 W/mK. Hơi thứ có hệ số truyền nhiệt có thể giả định là h s = 10 000 W/m 2 K. Tính ra 1/h i = 1/2000 -3/15 000 – 1/10 000 và suy ra h i = 5 000 W/m 2 K (bề mặt sạch). Phương trình đơn giản đối với màng nước (7.6) lợi tức hệ số truyền nhiệt dưới đây, cho Γ = 0.5 kg/m.s : h i = 9 150 x 0.5 1/3 = 7264 W/m 2 K. Phương trình (7.6) đã tính quá cao hệ số truyền nhiệt của nước sôi.Phương trình thực nghiệm tổng quát cũng tính giá trị hệ số truyền nhiệt cao hơn so với giá trị thực nghiệm, nhưng nó có ích để đánh giá gần đúng các dung dịch khác. Dự đốn hệ số truyền nhiệt tỉ lệ nghịch với độ nhớt mũ 2/3 ( 2/3 ) .h i ∞ 1/η 2/3 Hệ số truyền nhiệt tính tốn được của bề mặt bốc hơi (h i ) từ U phụ thuộc nhiều vào hệ số truyền nhiệt của hơi (h s ) và lực cản tích lũy điều mà khó dự đốn chính xác. Vì lý do này, hệ số truyền nhiệt thí nghiệm tổng cộng dễ nhận ra trong thực hành. 4.2.Thiết bị bốc hơi treo. Thiết bị bốc hơi treo được tìm thấy trong các ứng dụng ít hơn so với thiết bị dạng màng. Bởi vì thời gian lưu trú của nó dài hơn, nhiệt độ của quá trình và độ chênh lệch áp suất cũng cao hơn. Điều đó đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và có thể làm nguy hại đến chất lượng của những thực phẩm lỏng nhạy cảm với nhiệt như nước ép trái cây. Tuy nhiên, hệ thống màng treo lại không đòi hỏi những bộ phân phối đặc biệt, chúng có hiệu suất truyền nhiệt cao và chúng không bị ngẹt nhiều như những bộ phận trong thiết bị màng rơi. Trong hệ thống màng treo, chất lỏng bắt đầu được đun sôi trong ống, những bong bóng hơi nước được sản xuất ra, to dần lên và bốc lên bởi đối lưu tự nhiên. Cuối cùng tạo thành dạng màng trên thành kéo dài đến tận đỉnh của ống, dẫn đến hơi nước tăng nhanh hơn. Một lần nữa, hổn hợp chất lỏng và hơi nước được tách chất lỏng. Chất lỏng có thể tái sử dụng hay tách khỏi chu trình sản xuất, và hơi nước thì được ngưng tụ. - - 7 Thiết bị bốc hơi Trong dàn bốc hơi kiểu màng treo, chất lỏng được cung cấp vào bên dưới của ống dọc, và nước bốc hơi dần dần cũng như hỗn hợp lỏng hơi được chuyển lên trên. Trong điều kiện lý tưởng, bề mặt của thiết bị bốc hơi được bao phủ hồn tồn bởi màng chất lỏng và dòng hơi nước như bong bóng, thể nút hay tầng hơi lỏng. Tại đỉnh chia của ống hơi nước với vận tốc nhanh có thể lôi cuốn theo một ít chất lỏng ở dạng nhỏ giọt làm giảm hệ số truyền nhiệt. Bởi vậy, tỉ lệ của hơi nước trong ống bốc hơi có vai trò quan trọng trong truyền nhiệt. Đại lượng thực nghiệm của sự truyền nhiệt trong nhà máy sản xuất thử thiết bị bốc hơi dạng màng treo đưa ra phương trình thực nghiệm có thể áp dụng được (Bourgois and Lemaguer,1984,1987): Nu = 8.5 Re 0.2 Pr 1/3 S 2/3 Trong đó : S : hệ số trượt (là hệ số hơi nước đối với vận tốc chất lỏng trong ống bốc hơi. Những hệ số Re, Nu và Pr được quyết định tại vị trí giữa, sử dụng vận tốc trung bình và giá trị đặc trưng. Những giá trị thực nghiệm với sự cô đặc nước ép trái cây trong các sản phẩm thử và thiết bị bốc hơi màng treo công nghiệp có hiệu suất truyền nhiệt tổng quát (U) giảm từ 1500 W/m 2 K ( ở dưới 15 o Brix ) đến gần 1000 W/m 2 K ( trên 60 o Brix) trong ống cô đặc. Vận tốc màng chất lỏng tại đáy và đỉnh ống cô đặc tương ướng là 1.27 và 1.97 m/s. Vận tốc tương ướng của dòng hơi cao hơn rất nhiều (48.4 và 59 m/s). Bởi vậy đối với màng rơi, sức căng bề mặt đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo màng. Dạng thực phẩm có sức căng bề mặt nhỏ hơn nước sẽ bao phủ bề mặt truyền nhiệt làm hiệu quả hơn nhiều so với nước tinh khiết, với hệ số truyền nhiệt cao hơn. 5. Thiết bị cô đặc nước ép trái cây bằng màng rơi. Dàn bốc hơi màng rơi được sử dụng rộng rãi tập trung ở nước ép trái cây và số liệu thực nghiệm của hệ số truyền nhiệt được sử dụng để thiết kế và ước lượng của những bộ phận công nghiệp. Thành phần cấu tạo khác nhau của táo và nho được sử dụng trong đại lượng đo thí nghiệm, sử dụng thiết bị bốc hơi thử nghiệm tại xưởng thí nghiệm nông nghiệp ở New York, Cornell University, Geneva, New York ( Saravacos et al .,1970). Thiết bị bốc hơi đó có có một lớp áo hơi dọc ống, đường kính 50 mm và dài 3.3 m, với bề mặt truyền nhiệt 0.46 m 2 . Số liệu quá trình bốc hơi đạt được có nhiệt độ sôi và chế độ chảy khác nhau. Hình 2 cho thấy hệ số truyền nhiệt tổng quát (U) của nước ép trái cây đã được làm trong tăng từ 1300 đến 2000 W/m 2 K, và nhiệt độ sôi cũng tăng 20 đến 100 o C. Giá trị tăng của U đạt được bởi sự giảm vận tốc của dịch nước ép ở nhiệt độ cao. Những dịch ép trong là chất lưu Newton và năng lượng hoạt hóa của dòng chảy tăng đột ngột ở độ cô đặc cao hơn( 50kJ/mol tại 60 o Brix (Saravacos, 1970, Saravacos and Maroulis,2001) - - 8 Thiết bị bốc hơi Hình 2: Sự tăng hệ số truyền nhiệt tổng (U) của nước nho đã lọc với nhiệt độ sôi. Số liệu từ Saravacos et al (1970) Hệ số truyền nhiệt tổng giảm đáng kể khi nước ép bị cô đặc ( hình 7-3). Bởi vậy, giá trị U của nước nho đã được lọc giảm từ 1900 đến gần 1200 W/m 2 K khi mà độ Brix có giá trị tăng từ 20 đến 65 o Brix. Giá trị U thấp đạt được khi cô đặc nước nho chưa được lọc, 1350 đến 650 W/m 2 K. Sự giảm đáng kể trong chế độ truyền nhiệt là hiển nhiên bởi vì tích tụ bẩn trên bề mặt bốc hơi với các phần tử và bộ phận hữu cơ, những chất kết tủa tích tụ lại. Nên chú ý đến sự cô đặc dịch ép chưa lọc nên dùng ở 60 o Brix, bởi vì những điều đó ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình. Hệ số truyền nhiệt đạt được với dịch nước táo có lọc và không qua lọc là tương tự nhau. (Hình 4). Dịch táo cho hệ số U có giá trị giữa 2000 và 1150 W/m 2 K trong giới hạn 10 đến 65 o Brix, trong khi đó dịch nước không lọc có giá trị giữa 1480 và 740 W/m 2 K trong khoảng từ 10 đến 60 o Brix ( Saravacos et al.,1970). Depectinization ( bỏ qua xử lý những pectin keo tụ bằng thủy phân bằng enzyme và lọc ) thường được dùng trong sản xuất ra nước táo cô đặc. III-CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ BỐC HƠI: 1 Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ Hệ thống cô loại này được thể hiện ở hình 3 , nó gồm có thiết bị cô chân không, thiết bị ngưng tụ hơi thứ dạng tháp có ống thủy lực bơm chân không. Thiết bị cô chân không gồm có hai phần: phần đáy gọi là buồng đốt, nó là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi hơi đốt là hơi nước nóng từ nồi hơi hoặc từ thiết bị cô áp suất dư với dung dịch dang cô. Thiết bị trao đổi nhiệt trong trường hợp này thường là loại ống chùm có vỏ bọc hoặc nối hai vỏ( năng suất thấp). phần trên là không gian bọt và phân ly hơi thứ khỏi dung dịch đang bốc hơi. Do hơi thứ có nhiệt độ thấp (vì áp suất chân không) nên không sử dụng thành nguồn nhiệt mà phải đem ngưng tụ thành thể lỏng trong tháp ngưng tụ trực tiếp nhằm tránh tiêu tốn điện năng cho bơm chân không. Bơm chân không chỉ phải hút không khí không ngưng, chủ yếu là không khí lẫn trong dung dịch hoặc chui vào hệ thống qua các mối ghép hở. - - 9 Thiết bị bốc hơi Hình 3. Sơ đồ hệ thống cô chân không : 1- thiết bị cô chân không ;2- tháp ngưng tụ hơi thứ; 3- bơm chân không ;nl-nguyên liệu là dung dịch có nông độ thấp ;sp- sản phẩm là dung dịch có nồng độ cao; hd- hơi đốt ; nn- nước ngưng; ht- hơi thứ;n- nước mát; K- khí không ngưng. Chiều cao ống thủy lực dưới tháp ngưng tùy thuộc áp suất chân không trong hệ thống. Cô chân không được áp rất rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong công nghiệp chê biến các sản phẩm thực phẩm, dược phẩm và y học. Do nhiệt bốc hơi thấp nên không làm cháy, gây sẫm màu, mất màu đặc trưng, tổn thất vitatmin, cho sản phẩm chất lượng cao. Nhiệt bốc hơi thấp làm cho hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch tăng dẫn đến cường độ truyền nhiệt lớn. nhiệt độ bốc hơi thấp cho phép ta sử dụng hơi thứ của quá trình cô áp suất dư hay nguồn nhiệt thải của quá trình sản xuất nào đó gần kề: tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ít. Hình 4 biểu diễn hệ thống thiết bị cô chân không với thiết bị ngưng tụ hơi thứ là loại ống chùm có vỏ bọc. nguyên lý hoạt động của thiết bị này cũng giống như ở hình 3. Điểm khác là hơi thứ ngưng tụ và nước làm mát không trộn lẫn vào nhau. Hơi thứ ngưng tụ thành thể lỏng và khí không ngừng chảy vào bình chứa, sau đó khí không ngừng được bơm chân không hút và đẩy ra ngồi. Trường hợp này hơi thứ là sản phẩm không ngừng chảy vào hai bình số 3. Bình số 4 dùng duy trì áp suất chân không nhằm tránh va đập thủy tĩnh cho bơm chân không. Nói chung hệ thống một thiết bị bốc hơi năng suất thấp, hiệu quả nhiệt không cao, chỉ phù hợp với sản xuất nhỏ. Để làm bay hơi 1Kg hơi thứ cần từ 1.05 đến 1Kg hơi đốt. - - 10 [...]... dịch với hệ thống hai thiết bị thì chỉ cần 0,57 kg hơi đốt sạch; với ba thiết bị là 0,4 kg; bốn thiết bị là 0,3 kg; năm thiết bị là 0,27 kg Sau đây là một số hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị - - 11 Thiết bị bốc hơi 2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều Đây là hệ thống bốc hơi được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và hố chất, xem hình 5 Nguyên tắc làm việc của hệ thống này... dung dịch - - 20 Thiết bị bốc hơi Phương pháp đơn giản Hình 10 Hệ thống bốc hơi liên tục: i-1; i- là thiết bị thứ i-1; và thứ i Phương pháp này không phụ thuộc vào chiều chuyển động của dung dịch và hơi đốt Nó được dùng để tính gần đúng lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của tồn hệ thống bốc hơi Chẳng hạn ta có hệ thống bốc hơi như hình 9 thì... Theo phương pháp đơn giản thì có 1kg hơi đốt cấp cho thiết bị sẽ thu được 1kg hơi thứ đi ra từ thiết bị sấy Chẳng hạn với thiết bị thứ i ở hình trên ta có: Wi = Di = Wi-1 – Ei-1 (32) Trong đó : Di , Wi – là hơi đốt, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ i Ei – Phần hơi thứ của thiết bị thứ I không dùng làm hơi đốt cho thiết bị thứ i+1 Tương tự với hệ thống bốc hơi có n thiết bị, thì lượng nước bốc hơi (hơi. . .Thiết bị bốc hơi Hình 4 sơ đồ hệ thống một thiết bị bốc hơi chân không với thiết bị ngưng tụ ống chùm 1 -thiết bị bốc hơi; 2- thiết bị ngưng tụ; 3-bình chứa; 4- bình chứa khí không ngưng ở áp suất chân không; 5- bơm chân không; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; ht- hơi thứ; tp- thành phẩm; nnước mát; k- khí không ngưng 2 .Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị làm việc... thiết bị bốc hơi; h.d- hơi đốt sạch; d- dung dịch ban đầu; n- nước; n.n- nước ngưng; NT- tháp ngưng tụ hơi thứ; K- không khí ngưng; sp- thùng chứa sản phẩm IV-TÍNH THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG BỐC HƠI 4 Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi Mục đích chính của việc thiết kế một hệ thống bốc hơi là xác định khối lượng nước bốc hơi (hơi thứ), số lượng và bề mặt truyền nhiệt, nhiệt lượng (thường là hơi nước nóng) cần... thiết bị trước nó Với phương pháp tính nồng độ dung dịch như trên là đã coi như là dung dịch không kết tinh 4.2.2 Khối lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị Trong hệ thống bốc hơi liên tục thì việc tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị được tiến hành đồng thời với việc tính lượng hơi đốt cần cấp cho tồn bộ hệ thống và hơi đốt cho mỗi thiết bị, mà hơi đốt của thiết bị sau lại là hơi thứ của thiết. .. thiết bị bốc hơi trong hệ thống được xác địng trên cơ sở tính tốn các kinh tế kỹ thuật Bề mặt truyền nhiệt của từng thiết bị bốc hơi được tính tốn thiết kế giống như các thiết bị trao đổi nhiệt đã đề cập ở phần đầu 4-1 Hệ thống một thiết bị bốc hơi Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của thiết bị bốc hơi được thể hiện ở hình III-8 Để tính được lượng hơi thứ bốc lên từ dung dịch cần cô ta dựa vào phương trình... lượng nước đã bốc hơi cho cả hệ thống thì nó cũng giống như khi tính cho hệ thống một thiết bị bốc hơi Do hệ thống liên tục có nhiều - - 18 Thiết bị bốc hơi thiết bị bốc hơi, mỗi thiết bị có nhiệm vụ cô đặc đến nồng độ nào đó, nên ta pahir dùng phương trình cân bằng vật chất đối với từng thiết bị một Ta gọi W1, W2, W3… Wn là lượng nước bốc hơi và G1, G2, G3….Gn là khối lượng dung dịch đi ra từ thiết bị... loại như: thiết bị bốc hơi để tăng nồng độ của một dung dịch nào đó (còn gọi là thiết bị cô đặc), thiết bị bay hơi nhằm thu hồi chất hòa tan ở dạng rắn (còn gọi là thiết bị kết tinh) thiết bị thu hồi dung dịch tinh khiết, thiết bị bay hơi thu nhiệt (thiết bị bốc hơi trong máy lạnh); thiết bị sấy Trong chương này chúng ta không đề cập đến thiết bị bay hơi thu nhiệt và thiết bị sấy Thiết bị bốc hơi trước... tính thiết kế hệ thống bốc hơi liên tục, ta căn cứ vào nồng độ đầu và cuối của dung dịch, năng suất, tính chất hóa lý, nhiệt lý…nhằm thiết lập hệ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, xác định lượng nước bốc hơi cho từng thiết bị, hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch, tổn thất nhiệt, số lượng thiết bị tối ưu trong hệ thống 4.2.1 Cân bằng hệ vật chất cho hệ thống bốc hơi liên tục Nếu dùng phương . Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi: 16 1. Hệ thống một thiết bị bốc hơi 2. Hệ thống bốc hơi liên tục 19 V.Các thiết bị bốc hơi; . 1Kg hơi đốt. - - 10 Thiết bị bốc hơi Hình 4. sơ đồ hệ thống một thiết bị bốc hơi chân không với thiết bị ngưng tụ ống chùm 1 -thiết bị bốc hơi; 2- thiết