Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch cà phê sau khi trích ly

ĐẶT VẤN ĐỀKỹ thuật cô đặc đã ra đờiù từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệ hoá chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Nhất là trong thời buổi hiện nay, thời kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn và tất bật, việc đảm bảo nhu cầu về việc ăn uống hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do tốn khá nhiều thời gian và công sức. Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đang đóng một vai trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm bảo các giá trị dinh dưỡng và an toàn thực phẩm. Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … là một trong những phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quản lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế gần như ở dạng ban đầu. Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp nhiệt (bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháp lạnh (kết tinh dung môi dạng rắn) và thẩm thấu nghịch. Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ.Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị được sử dụng trong công nghiệp sản xuất thực phẩm với những mục đích khác nhau. Nhưng do thời gian nghiên cứu có hạn nên nhiệm vụ của đồ án này chỉ nghiên cứu về thiết bị cô đặc chân không 1 nồi, làm việc liên tục ống tuần hồn trung tâm và ứng dụng nó để cô đặc dịch cà phê sau khi trích ly trong công nghệ cà phê hịa tan.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Kỹ thuật cô đặc đã ra đờiù từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trongcông nghệ hoá chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm Nhấtlà trong thời buổi hiện nay, thời kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại,cuộc sống con người luôn bận rộn và tất bật, việc đảm bảo nhu cầu về việc ănuống hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do tốn khá nhiềuthời gian và công sức Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đangđóng một vai trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừađảm bảo rút ngắn thời gian nấu nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quảnmà vẫn đảm bảo các giá trị dinh dưỡng và an toàn thực phẩm

Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … làmột trong những phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng,bảo quản lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển Sau khi phục hồi lượngnước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế gần như ở dạng ban đầu Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như:phương pháp nhiệt (bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơihoặc phương pháp lạnh (kết tinh dung môi dạng rắn) và thẩm thấu nghịch.Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bàitoán công nghệ

Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị được sử dụng trong công nghiệp sản xuấtthực phẩm với những mục đích khác nhau Nhưng do thời gian nghiên cứu cóhạn nên nhiệm vụ của đồ án này chỉ nghiên cứu về "thiết bị cô đặc chânkhông 1 nồi, làm việc liên tục ống tuần hồn trung tâm" và ứng dụng nó để côđặc dịch cà phê sau khi trích ly trong công nghệ cà phê hịa tan

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc là dịch cà phê sau khi trích ly có nồng độ 12%Quả cà phê gồm những phần sau : lớp vỏ quả , lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp

Vỏ trấu : hạt cà phê sau khi loại bỏ các chất nhờn và phơi khô gọi là càphê thóc , vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ mềm gọi là vỏ trấutức là nội bì Vỏ trấu cà phê chè mỏng hơn và dễ đập hơn là vỏ trấu của cà phêvối và cà phê mít

Vỏ lụa : bao bọc quanh nhân cà phê còn một lớp mỏng , mềm gọi là vỏlụa , chúng có màu sắc khác nhau tuỳ theo từng loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè

có màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏlụa cà phê vối mầu nâu nhạt Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vàonhân cà phê

Nhân cà phê : ở trong cùng Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng , cónhững tế bào nhỏ , trong có chứa những chất dầu Phía trong có những tế bàolớn và mềm hơn Một quả cà phê thường có từ 1 , 2 hoặc 3 nhân Thông thườngchỉ có 2 nhân

1.2.2 Đặc đểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- Các chất hòa tan: có nồng độ cao

1.2.3 Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm

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

 Biển đổi tính chất hóa học

Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủyamit của các cấu tử tạo thành acid

Đóng cặn

Phân hủy một số vitamin

 Biển đổi sinh học

Tiêu diệt vi sinh vật ( ở nhiệt độ cao) Hạn chế khả năng hoạt động củacác vi sinh vật ở nồng độ cao

1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa

Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:

- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên

- Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu

1.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC:

1.3.1 Khái niệm:

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịchbằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi

1.3.2 Đặc điểm của quá trình cô đặc

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

- Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc thường là hơinước gọi là “hơi thứ”-thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn có nên được

sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dâychuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”

+ Khi cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩmcũng được lấy ra liên tục

- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất(áp suấtchân không, áp suất thường hay áp suất dư) tuỳ theo yêu câu kỹ thuật và sảnphẩm cô đặc để lựa chọn áp suất làm việc thích hợp trong quá trình cô đặc

+ Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dungdịch dễ bị phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt

và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến

giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi củadung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình khác (hoặc sửdụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc.

+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dungdịch không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sửdụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

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

Trên thực tế, trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc

ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

1.3.4 Các thiết bị cô đặc

1.3.4.1 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

Đây là loại thiết bị có phần dưới là phòng đốt, trong đó có ống truyềnnhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vàokhoảng trống phía ngoài ống Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạothành hỗn hợp hơi-lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệngống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệtlớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn Vì vậy, khốilượng riêng của hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩyxuống dưới Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lêntrong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn

1.3.4.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

Là loại thiết bị có phòng đốt đặt giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ởgiữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò là ống tuần hoàn

- Ưu điểm:

+ Phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chửa, làm sạch

+ Vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng

- Nhược điểm:

+ Cấu tạo phức tạp và có kích thước lớn

- Ứng dụng:

+ Dùng để cô đặc dung dịch kết tinh

1.3.4.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài

a Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

Dung dịch đi vào buồng đốt ở bên ngoài đặt đứng, dung dịch được bốc hơi ởbuồng bốc, hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt

- Ưu điểm:

+ Cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn

+ Có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trìnhsửa chửa, làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục

- Nhược điểm:

+ Buồng đốt đứng nên thiết bị cao

+ Việc xử lý điều khiển khó khăn

b Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang

Loại này có phòng đốt là thiết bị hình chữ U Dung dịch ở nhánh dưới của ốngtruyền nhiệt chuyển động từ trái sang phải còn ở nhánh trên thì từ phải qua trái

- Ưu điểm:

+ Buồng đốt được gắn vào một chiếc xe nhỏ dễ dàng tách ra sửa chửa,làm sạch

+ Cường độ tuần hoàn lớn

1.3.4.4 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

Dung dịch đi vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn rồi đi ra phía dưới của phòng

bốc, còn phần chính thì về lại trộn với dung dịch đầu

- Ưu điểm:

+ Hệ số cấp nhiệt ( ) lớn

+ Làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3-5oC)

+ Giảm được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt

+ Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt cao.

- Nhược điểm:

+ Tốn nhiều năng lượng cho bơm

- Ứng dụng:

+ Dùng để cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn, cường độ bay hơi lớn

1.3.4.5 Thiết bị cô đặc loại màng

Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng

từ dưới lên trên Phòng đốt là thiết bị loại ống chùm dung dịch đi trong ống cònhơi đốt đi ngoài ống Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dướilên kéo theo màng chất lỏng và tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch lên đếnmiệng là đạt được nồng độ cần thiết

- Ưu điểm:

+ Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ nên tổn thất thuỷ tĩnh bé

- Nhược điểm:

+ Khó làm sạch vì ống dài

+ Khó điều chỉnh áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi

+ Không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

1.3.4.6 Thiết bị cô đặc có vành chất lỏng

Thiết bị này gồm phòng đốt, phía trên phòng đốt là phòng sôi Trênphòng sôi là những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vànhkhăn, từ phòng sôi hỗn hợp hơi-lỏng đi lên phòng bốc hơi Hơi thứ đi lên rangoài, dung dịch còn lại đi xuống phòng đốt phần kết tinh lắng xuống đáy.Phòng đốt có tác dụng nung nóng dung dịch không có tác dụng sôi Dung dịchchỉ sôi khi đi vào các tấm ngăn

1.3.4.7 Thiết bị cô đặc loại rôto

Thiết bị có rôto quay, có bao hơi, các cánh lắp vào trục thẳng đứng Dungdịch đầu đưa vào bên trên thiết bị, có cánh quay, dưới tác dụng của ly tâm chấtlỏng văng ra thành thiết bị và chuyển động xoáy Màng mỏng tiếp xúc với thiết

bị được nung nóng bởi bao hơi Hơi thứ được đưa lên phía trên rồi ra ngoài cònsản phẩm được tháo ra qua đáy thiết bị

- Ưu điểm:

+ Cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ

+ Có thể cô đặc dung dịch dạng keo, đặc sệt

- Nhược điểm:

+ Cấu tạo, gia công phức tạp, giá thành cao

1.3.4.8 Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ýnghĩa về mặt sử dụng nhiệt

Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:

Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vàođun nồi thứ hai Hơi thứ của nồi thứ hai được vào đun nồi thứ ba… hơi thứ củanồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi

nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ củadung dịch tăng dần lên

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệchnhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suấtgiữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồiphải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường thìnồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suấtkhí quyển (chân không)

Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với mộtnồi, vì nếu ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ,như vậy 1kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương

dùng để làm bốc 1kg hơi thứ tỷ lệ nghịch với số nồi Ví dụ khi cô đặc hai nồi:1kg hơi đốt vào nồi đầu làm bốc hơi 1kg hơi thứ trong nồi đầu, 1kg hơi thứ nàyđưa vào đốt nóng nồi sau cũng bốc hơi 1kg hơi thứ nữa, như vậy đối với hai nồi

ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ là 0,5kg

Tuy nhiên số nồi không thể vô hạn vì khi số nồi tăng thì tổn thất nhiệt độ

 tăng làm cho hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi, do đó, bề mặt truyền nhiệtcàng tăng nhanh; nghĩa là khi số nồi tăng thì chi phí thiết bị (chế tạo, sửa chửa,lắp ghép, hao mòn…) sẽ tăng nhanh Mặt khác, muốn đảm bảo quá trình làmviệc ta phải có điều kiện:

T = T -  > 0

Giới hạn đối với mỗi nồi là 57oC

Dựa vào đồ thị của mối quan hệ giữa chi phí về thiết bị, chi phí về hơi đốt

và chi phí chung thì số nồi thích hợp của quá trình cô đặc nhiều nồi là 2  4nồi

1.4 Quy trình công nghệ

1 Qui trình coâng ngheä

Lý do chọn

2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài.

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm cócác ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt

sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt động của ống tuầnhoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống

trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch sẽ có  ds = 0.5  dd do đó sẽ tạo ra áp lực đẩydung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một dòngchuyển động tuần hoàn trong thiết bị Để ống tuần hoàn tung tâm hoạt động có hiệuquả dung dịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt Phần phíatrên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộphận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ.

Hơi đốt theo ống dẫn hơi đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 at Hơi thứ ngưng tụtheo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được

xả ra ngoài theo cửa xả khí không ngưng

Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn thiết bị ngưng tụ Baromet, toàn bộ hệ thống (thiết

bị ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chânkhông tạo ra

Dung dịch cà phê được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm,vào thùng chứa sản phẩm

Đóng các van

Tắt bơm

PHẦN II :

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 Dữ kiện ban đầu

Trong cà phê tinh bột chiếm thành phần chủ yếu từ 8 - 23 %, do vậy cĩ sựbiến tính tươn đối trong quá trình cơ đặc từ tinh bột thành gluco nên các thơng

số được tính thơng qua gluco

Các số liệu ban đầu:

Dung dịch cà phê sau khi trích ly:

- Nhiệt độ ban đầu 28oC, nồng độ ban đầu 12%

- Năng suất Gc = 750kg/h

- Chọn hơi đốt là hơi nước bảo hịa ở áp suất Ph = 3 at (132,90 C),(STQTTB T1, 314)

- Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 0.2 at (59.70 C), (STQTTB T1, 314)

2.2 Cân bằng vật chất và năng lượng

2.2.1 Suất lượng nhập liệu (G đ ):

Gđ= Gc + W

Gđ.xđ = Gc.xc

Trong đĩ

Gđ , Gc : lượng dung dịch đầu và cuối mỗi nồi, kg

W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg

Xđ , xc : nồng độ đầu và cuối mỗi giai đoạn

Gđ = Gc c

d

x x

Gđ = 750.65

12 = 4062.5 (kg/h)

2.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên

W = Gđ - Gc = 4062.5 – 750= 3312.5 kg/h

2.3 Cân bằng năng lượng

2.3.1 Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt vào: - Do dung dịch đầu: GđCđtđ

Trong đĩ: D_lượng hơi đốt mang vào

 _nhiệt độ của nước ngưng

tđ, tc _nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch

Cđ, Cc, C_ nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối cà nước ngưng (J/kg.độ)

i, i'_hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kg

Từ phương trình ta rút ra:

Hay D =3748.3 (kg/h)

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

3748.3

1,132 3312.5

D m W

   ( kg hơi đốt / kg hơi thứ ).

Trong đó:

D - lượng hơi đốt dùng cô đặc, D = 3748.2 kg/h.

W - lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 3312.5 kg/h.

2.3.2 Chế độ nhiệt độ :

Aùp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hoà 3 at.Tra bảng I.251 STQTTB T1,

314 nhiệt độ hơi đốt là 132,9 o C.

Gọi  ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo cơng thức VI.14, STQTTB T2, 60 chọn ’’’ = 1 o C.

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc t ht :

t ht - t nt =  ’’’ = 1  t ht = t nt +1 = 59,7 +1 = 60,7 o C

Aùp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng I.250, STQTTB T1, 312: ở nhiệt độ hơi thứ là 60,7 o C là 0, 21 at.

2.4 Xác định nhiệt độ tổn thất

2.4.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (’):

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sơi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sơi củadung mơi nguyên chất.Hiệu số của nhiệt độ sơi của dung dịch và dung mơinguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

Ta cĩ:

∆’ = t0

sdd - t0 sdm (ở cùng áp suất)

Áp dụng công thức VI.10, STQTTB T2, 59:

’ = ’ o f

Ở đây :

 o ’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển Tra từ đồ thị.

f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:

f  16.2T2 (VI.11,STQTTBT2,59)

= 16.2(273 ht)2

ht

t r

2.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh(∆ ’’ ).

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m 2 ), ta có:

P = 21  S g.H op N/m 2

Trong đó:

 s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3

s =0.5  dd

 dd : Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m 3

H op : Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m

- Nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P0, độ

2.5 Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ <20% tính theo công thức sau:

Cdd = 4186.(1-x) (J/kg.độ) (I.43, STQTTB T1, 152)

Với x_ nồng độ chất tan, phần khối lượng (%)

Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186*(1-0.12) = 3683.68 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ >20% tính theo công thức sau:

Cc = Cht xc + 4186 (1-xc) (J/kg.độ) (I.44, STQTTB T1, 152)

Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan không nước (J/kg.độ)

Áp dụng công thức (I.41, STQTTB T1, 152)

M.Cht = Σnici

Cht: nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ)

ni: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất (J/kg nguyên tử.độ)bảng I.141 STQTTB, 152

CC = 7500 (J/kg nguyên tử.độ); CH = 9630; CO = 16800

Vậy Cc = Cht xc + 4186 (1-xc)

= 1452*0.65+4186*(1-0.65) = 2408.9 (J/kg.độ)

2.6 Nhiệt lượng riêng

Gọi I là nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

i là nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)

Tra bảng (I.250, STQTTB T1, 312)

PHẦN III TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:

Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn: - Nhiệt truyền từ hơi đốt đến bềmặt ngồi của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt  1 và nhiệt tải riêng q1

3.1.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q 1 ):

Theo công thức (V.101), sổ tay tập 2, trang 28:

) 1 (

*

*

*

* 04 ,

25 , 0 1

t H

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at.

Tra bảng I.251 ST QTTB T1, trang 314 : r = 2171.10 3 J/kg

H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1.5 m.

A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng t m = (t D + tv 1 )/2

A tra ở sổ tay tập 2, trang 28.

với t D , tv 1 : nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.

 1 - hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m 2 độ

3.1.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q 2 ):

Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:

0,435 2

C dd - nhiệt dung riêng của dung dịch

C n - nhiệt dung riêng của nước

 dd - độ nhớt dung dịch

 n - độ nhớt nước

 dd - khối lượng riêng dung dịch

 n - khối lượng riêng nước

 dd - độ dẫn điện dung dịch

 n - độ dẫn điện nước

3.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường (q v ):

Theo BT và VD tập 10:

Chọn hơi đốt (hơi nước bão hịa) là nước sạch, theo (V.I, STQTTBT2,4)

r1 = 0.464*10-3 nhiệt trở của cặn mặt ngồi (m2.độ.W)

Dung dịch cần cơ đặc cà phê theo (V.I, STQTTBT2,4)

r2 = 0.387*10-3 (m2.độ.W)

Chọn bề dày ống truyền nhiệt  = 0.002 (m), vật liệu chế tạo là thépcacbon thường có mã hiệu CT3 và có λ = 50 W.m/độ (bảng XII.7,STQTTBT2,313)

r3 = 

 = 0.002

50 = 4*10-5

ta suy ra Σr = 0.464*10-3 + 0.387*10-3 + 4*10-5 = 8.91*10-4(m2.độ.W)Chọn t1 = 5.7 tT1 = thd - t1 = 132.9 - 5.7 = 127.2

Ta suy ra tm =

1 2

hd T

t t

= 130.5 A = 191.02 (STQTTBT2, 29)0,25

Chọn nhiệt độ tính toán  2theo tc = 67.360 C

Tra bảng (I.249, STQTTBT1, 310) ta được:

μdd = 9.3*10-3 N.s/m2 (tra bảng I.112, STQTTBT1, 114, vì khơng cĩ tàiliệu nào thể hiện độ nhớt của gluco, nên lấy độ nhớt của đường mía ở cùngnồng độ)

Ta tính được:

0,435 2

3.2 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:

Trong đó giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

F =

hi

t K

Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác b = 19 ống

4.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm :

Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn Fth :



th

th th

F D

Trong trường hợp đối lưu tự nhiên, tuần hoàn trong : Fth = ( 0,25  0,35 ) Fo , với

Fo là diện tích tiết diện ngang của tất cả ống truyền nhiệt; chọn Fth= 0,3.Fo

2 0, 034 271

4.2.2 Chiều cao buồng bốc hơi:

Thể tích không gian hơi được xác định

tt h

W V

.



Trong đó:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)

W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3)

ρh: là khối lượng riêng của hơi thứ là 0.17(kg/m3).

utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng khơng gianhơi trong một đơn vị thời gian (m3/m3.h)

Theo CT VI.33, STQTTB,T2/Trang 71

utt = f.utt(1at) (m3/m3.h) khi P 1at

Utt (1 at ) : cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1at , ta chọn cường độbốc hơi Utt(1 at ) = 1600 m3/m3.h

f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển, hình VI.3, trang 72,[STQTTB2] ta có f = 1.5

t

kgh kgh

D

V H



 = 4*8.122

2.593.14*2  (m)

Do trong thiết bi cĩ hiện tượng dung dịch sơi tràn lên phần buồng bốc nên địihỏi thiết bị phải cao hơn so với tính tốn

Vậy, chọn chiều cao buồng bốc 3000(mm)

4.3 Tính kích thước các ống dẫn:

ω = 1 (m/s) đối với chất lỏng nhớt, thường ω = 0,5 ÷ (1 m/s)

Nên:

4

1.13*9.56.10

0.037( ) 0,785.1

mm, dn= 45 mm

4.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng:

Lưu lượng khối lượng là: W = D = 3748.3

1.04

Bảng I.5, STQTTB,T1/ Trang 12.

3

11.07*10932.35

0,0380,785.1

4.5 CHIỀU DÀY LỚP CÁCH NHIỆT

Để nhiệt truyền qua thành thiết bị hay ống dẫn thoát ra ngoài không khíkhông làm tổn thất nhiệt lượng,ta phải bọc thiết bị hay ống dẫn bằng một vậtliệu dẫn nhiệt kém gọi là lớp cách nhiệt

4.5.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn:

Bề dày lớp cách nhiệt bọc các ống dẫn trong điều kiện cấp nhiệt ra ngoài khôngkhí chuyển động tự do,nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng 20(oC) được tính theo



Với: dn:là đường kính ngoài của ống dẫn(khong kể lớp cách nhiệt)

:là hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt(W/m.độ)

q:là nhiệt tổn thất tính theo 1 m chiều dài ống(W/m)

tT2:là nhiệt độ mặt ngoài của ống kim loại chưa kể lớp cáchnhiệt(oC)

Chọn chất cách nhiệt là bông thủy tinh, với:

4.5.1.3 Ống dẫn dung dịch từ thiết bị gia nhiệt vào nồi cô đặc

Theo quy chuẩn chọn   5(mm)

4.5.1.4 Từ nồi cô đặc sang bể chứa sản phẩm:

Theo quy chuẩn chọn   4(mm)

4.5.2 Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị

c T T c

Theo quy chuẩn chọn  = 13mm

Do điều kiện làm việc của buồng đốt và buồng bốc của nồi gần giốngnhau nên có thể chọn bề dày cách nhiệt cho thân buồng đốt và buồng bốc của

nồi là  = 13 (mm)

4.6 Tính cơ khí các chi tiết thiết bị:

Để thuận tiện trong quá trình tính toán và chế tạo, ta chọn vật liệu chế tạo hainồi là như nhau với bề dày bằng nhau Chọn vật liệu là thép CT.3 để chế tạo vỏthiết bị, đáy và nắp

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là CT3

Bề dày buồng đốt được xác định theo công thức :

 2

t d

 : hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn

 = 0.95 (theo bảng XIII.8,STQTTB,T2/T362)

Chọn C = C1+C2 +C3.Trong đó: C1 : là hệ số bổ sung do ăn mòn, C1= 1 (mm)

C2 : là hệ số bổ sung do hao mòn, C2 =0 (mm)

C3 : là hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 = 0,8 (mm)