Tổng quan về cam và công nghệ sản xuất nước cam

Trang 1

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ CAM VÀ CÔNG NGHỆ

SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC

I TỔNG QUAN VỀ CAM

I.1 Nguồn gốc

Cây cam đã được biết đến từ rất lâu khoảng 2200 năm trước công nguyên ở Trung Quốcnhưng một số người lại cho rằng cây cam có nguồn gốc từ dãy Himalayas (Ấn Độ) Cam đượctrồng rất phổ biến ở Ấn Độ, sau đó lan rộng về phía đông, và đến cả vùng Đông Nam Á Vàokhoảng thế kỉ thứ 3 trước công nguyên, cây cam được đưa đến Châu Âu và nó lan ra tới cảvùng Địa Trung Hải Sau đó, cây cam được Columbus mang đến Châu Mỹ Những năm sau đó,những người làm vườn ở Châu Mỹ và Châu Âu đã đem cây cam đến Châu Úc và Châu Phi.Ngày nay cây cam được trồng rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới

I.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại cam khác nhau, tùy thuộc vào từng quốc gia và địa phương Trongthương mại, cam được chia thành 2 loại: Cam ngọt (sweet orange) và cam chua (sour orange).Trong đó, cam chua thường dùng trong sản xuất mứt cam Một số loại cam ngọt thường gặp:

Cam tròn phổ biền nhất là loại Valencia, có nguồn gốc từ đảo Azores và Bồ Đào Nha.Giống cam này có khả năng thích ứng trong những vùng nội địa, nơi có sự chênh lệch sâu sắcgiữa ngày và đêm và làm hoạt hóa hệ sắc tố của vỏ tạo cho nó màu sắc hấp dẫn Quả có cỡnhỏ tới trung bình thích hợp cho sản xuất công nghiệp Vỏ mỏng, da cam nhẵn, màu cam sáng.Quả có mùi vị đặc sắc ngay khi còn tươi hay sau khi đã được chế biến nước ép Khi quả chíntrên cây, nó chuyển sang màu cam sáng nhưng khi nhiệt độ nóng lên làm cho da hấp thụ lạichlorophyl từ lá nên cam chín có màu xanh nhạt Loại cam này chủ yếu dùng làm nước quả vớichất lượng nước ép tốt nhất do chứa nhiều dịch quả có màu sậm và bền , ít hạt nên không tạo

vị đắng Valencia cũng có thể dùng ăn tươi

Trước năm1835, Cam navel được trồng nhiều ở Florida nhưng bị phá huỷ trong chiến tranhthế giới thứ nhất Giống cam này cũng được trồng nhiều ở Brazil, Trung Quốc Cam navel cóquả to hơn giống Valencia và các loại cam ngọt khác Quả có màu vàng đậm sáng cho tới cam,

Trang 2

da hồ đào dày và dễ lột vỏ, không hạt Quả cho chất lượng tốt khi đạt độ chắc và khối lượngnhất định, cho nhiều nước quả Thời tiết lạnh làm màu quả càng vàng sáng vì thế quả có thểchín và vẫn còn màu xanh nhạt trên da Giống cam này ít được dùng trong chế biến nước quả

vì trong quá trình chế biến dễ phát sinh vị đắng

Đây là loại quả được xem là ngon và hấp dẫn nhất trong các loại quả có múi được tìm thấyđầu tiên ở Địa Trung Hải Quả cỡ trung bình với vỏ mỏng có ít hoặc không hạt Có màu đỏsậm sáng đẹp Nhược điểm lớn nhất là hàm lượng anthocyanin tạo màu đỏ đậm có khuynhhướng bị nhạt trong quá trình chế biến và bảo quản Anthocyanin còn là chất chống oxy hóamạnh tạo nhiều gốc tự do gây ung thư, lão hóa, bệnh nhẹ … Loại cam này thường được dùng đểăn tươi, ăn kèm salad, dùng rôti hoặc nướng thịt

Loại này được trồng chủ yếu ở Địa Trung Hải Do nước quả có độ ngọt quá cao và hàmlượng acid thấp không đủ khả năng ức chế vi sinh vật nên loại cam này không thích hợp chosản xuất nước ép

Hình 1 – Các loại cam phổ biến trong thương mại

Ở Việt Nam, cam được chia làm 3 loại : cam chanh, cam sành và cam đắng Một số giốngcam phổ biến ở nước ta như cam Xã Đoài ( Nghệ An ), cam Động Đình, cam đường,…

 Cam Xã Đoài ( Nghệ An ) : Cây tương đối cao, ít cành lá (cành quả), trồng ở Xã Đoài,

xã Nghi Diên, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An Quả ngon, thơm có vỏ mỏng và bóng, vịngọt đậm, ít xơ Dùng chủ yếu trong sản xuất nước cam và mứt cam

 Cam đường : Quả trung bình 100g, vỏ mỏng, màu vàng đỏ hay đỏ sẫm, dễ bóc, múi dễ

chia Có ba loại chính là Cam giấy với các giống Cam Canh (Hà Nội), Cam Đồng dụ (Hải Phòng), Cam Ngọc cục và Cam Hành Thiện (Nam Hà); Cam Bù, Cam Chua ở Hương Sơn (Hà Tĩnh); Cam voi ở Tuyên Hoá (Quảng Bình).

 Cam sành : quả có vỏ sần sùi và mịn; vỏ dày, khi chín có màu vàng hay đỏ sẫm, tuy

dày nhưng dễ bóc, ruột đỏ, hạt có màu nâu lục, vị ngọt, hơi chua, hương vị ngon nhưquýt Ôn Chân (Nhật Bản) Thích hợp làm đồ hộp quả nước đường Giống phổ biến là

cam Bố Hạ, trồng ở bãi phù sa Hà Bắc trên đất thoát nước; quả dẹt, nặng trung bình

200-250g, màu vàng đỏ đẹp chín vào tháng 11-12-1 năm sau, dịp Tết Nguyên đán Cam

sành còn có tên là Citrus nobilis Lour Quýt trước đây cũng được xem là một thứ trong

Cam sành

I.3 Cấu tạo của quả cam

Acidless orange Valencia Orange

Navel orange Blood orange

Trang 3

Cấu tạo của quả cam gồm có những phần sau :

Lớp vỏ ngoài (flavedo) : có màu cam hoặc màu xanh tùy theo giống Lớp vỏ ngoài cóchứa rất nhiều các túi tinh dầu

Lớp cùi trắng (albedo) : có chứa pectin và cellulose

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

Hạt cam : chứa mầm cây

Lõi : là phần nằm ở trung tâm của quả cam, thành phần tương tự lớp cùi trắng

I.4 Thành phần hóa học của cam

Thành phần hóa học của cam được trình bày trong bảng 2

Bảng 1 – Thành phần dinh dưỡng của cam tươi (tính trên 100g)

Thành phần Hàm lượng Đơn vị

3.591.251.45

1,223,493,24

Bảng 2 – Đặc điểm kỹ thuật của cam, quýt, chanh Việt Nam ([13],244)

Chỉ tiêu Cam sành Cam chanh Quýt Chanh

Trang 4

(Bố Hạ) (Xã Đoài) (Lí Nhân) (Hoà Bình)

I.5 Thu hoạch và bảo quản

Ở nước ta, cam được trồng rộng rãi trên khắp cả nước Cây ra hoa quanh năm, thường cóhoa vào tháng 1-2, có quả vào tháng 11-12 Cam cũng như các loại quả có múi khác thườngđược thu hái khi mới bắt đầu chín Có thể dùng kéo cắt cuống sát mặt quả Sau khi thu hái nênđể quả ở điều kiện bình thường trong 12-14 giờ để ổn định hô hấp Trong thời gian đó, tiếnhành lựa chọn theo độ chín, kích thước, loại bỏ những quả bầm giập, sây sát Trong trường hợpquả nhiễm bẩn nhiều thì phải rửa rồi để khô ráo Để chống nhiễm trùng có thể bôi vôi vàocuống Để bảo quản cam trong thời gian dài, người ta thường sử dụng một số phương pháp như:bảo quản trong cát, bằng hóa chất, nhiệt độ thấp,…

II GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC

II.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Trang 5

Sản phẩm

Chọn lựaRửaÉp

Gia nhiệtLọc thô

Cô đặcRót chaiGhép nắpThanh trùng

Bã tinh

ChaiNắp

Hình 2 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước cam cô đặc

Trang 6

II.2 Thuyết minh

Nguyên liệu cam được lựa chọn nhằm loại trừ những quả không đạt tiêu chuẩn như sâu bệnh,men mốc, thối hỏng… cho chế biến nước cam cô đặc Sau khi chọn lựa chọn, ta tiến hành phânloại nhằm phân chia thành nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độchín…

 Rửa

Rửa có thể tiến hành trước hoặc sau khi phân loại nhằm loại trừ tạp chất cơ học như đất, cátbụi và làm giảm lượng vi sinh vật ở ngoài vỏ nguyên liệu Yêu cầu cơ bản của quá trình rửa làsau khi rửa sạch không bị dập nát, các chất dinh dưỡng không bị tổn thất, thời gian rửa ngắn và

ít tốn nước

Nước rửa cũng như nước dùng trong công nghệ chế biến (chần, nấu, pha chế…) phải là nước ăn,đảm bảo chỉ tiêu Vệ sinh dịch tễ (Bộ Y tế) quy định Nước rửa được sử dụng ở đây có thể tậndụng từ lượng nước sau khi rửa tinh thể nước đá cuối quá trình cô đặc

 Ép

Nguyên lý : ép là phương pháp chủ yếu để tách dịch bào ra khỏi nguyên liệu Trong quá trình

ép thì hiệu suất ép là chỉ tiêu quan trọng nhất Hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố : phẩmchất nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ chắc của lớp nguyên liệu ép vàáp suất ép Dịch bào chứa trong không bào bị bao bọc bới chất nguyên sinh Chất nguyên sinhcủa quả có tính bán thấm, ngăn cản sự tiết dịch bào Vì vậy, muốn năng cao hiệu suất ép phảilàm giảm tính bán thấm của chất nguyên sinh bằng cách làm biến tính chất nguyên sinh haylàm chết tế bào Thông thường người ta sử dụng các phương pháp như sau : đun nóng, sử dụngnấm men chứa hỗn hợp pectinase, protease hoặc dùng dòng điện…

Thiết bị ép : sử dụng thiết bị ép liên tục của hãng FMC

Hình 3 – Máy ép cam của hãng FMC Food Tech

Trang 7

Cấu tạo của máy

Máy có từ 3 đến 8 cặp chén ép (tùy năng suất của máy) Vd: máy có 5 cặp chén ép có thểép 350 – 500 trái/ phút) Chén dưới cố định, chén trên có thể chuyển động lên xuống Ở giữachén trên và dưới có lỗ tròn, cạnh sắc để tạo nên lỗ cắt đường kính 1 inch ở phần giữa tráicam Dịch quả ở bên trong sẽ thoát ra ngoài qua lỗ này trong quá trình ép

 Ống lọc thô (Prefinisher tube): tách các phần thịt quả có kích thước lớn ra khỏi dịch quả.

 Ống góp (Juice manifold): thu nhận dịch quả.

 Piston (Orifice tube): tạo áp suất bên trong ống lọc để đẩy dịch quả ra ngoài, đầu ống có

thể đóng mở được có tác dụng thu nhận và thải bỏ các phần tử lớn còn ở bên trong ốnglọc

Nguyên lý hoạt động

 Giai đoạn cắt : chén phía trên di chuyển xuống, tạo một lực nén cắt hai đầu của quảcam

 Giai đoạn ép : phần trục của chén trên tiếp tục di chuyển xuống phía dưới, áp lực tăng,đẩy phần dịch quả ở bên trong quả ra, đi vào ống lọc thô Phần vỏ thoát ra khỏi chénthông qua khe hở giữa dao cắt và khung của chén trên

 Giai đoạn kết thúc : orifice tube chuyển động lên phía trên tạo một áp lực bên trongống lọc thô, dịch quả và phần thịt quả sẽ được ép ra ngoài

Sau khi ép, phần dịch quả và thịt quả có kích thước nhỏ hơn các lỗ lọc trên ống lọc thô sẽ đượcđẩy ra và chảy vào ống góp ở phía dưới Nước quả sẽ được dẫn qua thiết bị kế tiếp Phần bãcòn nằm ở bên trong ống lọc sẽ được hút ra ngoài thông qua một lỗ (đóng mở được) ở orificetube Phần lõi và vỏ quả có chứa nhiều tinh dầu cam Trong quá trình ép và thoát ra ngoàichén ép, phần vỏ quả bị tổn thương, các tinh dầu sẽ tập trung trên bề mặt vỏ Ở gần cuối máycó một bộ phận phun nước có tác dụng rửa trôi các tinh dầu, tạo thành hệ nhũ tương và chảy rangoài Phần nhũ tương này sẽ đi qua thiết bị lọc để tách cặn, sau đó sẽ được li tâm để tách dầu

ra khỏi nước Phần dầu sẽ tiếp tục được tinh chế còn phần nước sẽ được tiếp tục sử dụng làmnước rửa tinh dầu

Tiến hành gia nhiệt dịch ép bằng thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm hay ống lồng ống Mục đíchcủa quá trình gia nhiệt là làm kết tủa các thành phần không tan trong dịch quả làm ảnh hưởngđến tính chất cảm quan của sản phẩm Các thành phần này bao gồm protid, chất đắng… Nhiệtđộ có thể làm protid bị biến tính và tạo tủa Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theocác hợp chất gây vị đắng Quá trình này góp phần làm cho dung dịch có độ đồng nhất cao vàtrong hơn Có thể bổ sung chất trợ lắng để tăng hiệu quả của quá trình Lưu ý cần gia nhiệt thậtnhanh ớ nhiệt độ 70-75oC từ 5-10 phút để tránh tổn thất chất khô

Quá trình ly tâm nhằm mục đích tách bã và các chất chất keo đã kết tủa sau quá trình gia nhiệtlàm cho dịch quả đem cô đặc có độ đồng nhất cao và loại bỏ những ảnh hưởng xấu của sảnphẩm cô đặc sau này

Trang 8

Nguyên tắc : khi giảm nhiệt độ của dung dịch nước cam chưa bão hoà xuống dưới nhiệt độ

đóng băng của nó thì dung môi (nước) sẽ đóng băng trước, còn chất hoà tan (đường, acid, cấutử hương…) vẫn còn ở dạng dung dịch Tách pha rắn khỏi pha lỏng bằng cách ly tâm kết hợpvới dao cạo nước đá, dịch quả thu được chính là nước cam cô đặc Nhiệt độ cô đặc được đưaxuống khoảng -10oC  -15oC Để đảm bảo hiệu suất cô đặc cao ta có thể tiến hành cô đặcnhiều cấp

So với phương pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổn thất chất hoà tan nhiều hơnnhưng sản phẩm có chất lượng cao, giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và đặc biệt là nhữngtính chất cảm quan đặc trưng của nước quả mà phương pháp bốc hơi không có được

Mặt khác để sản phẩm đạt nồng độ cao bằng cách kết hợp hai phương pháp : lúc đầu cô đặcbằng chân không, sau đó làm lạnh đông tiếp tục đến nồng độ chất khô cần thiết

Nước cam trong quá trình bảo quản và tồn trữ thì hương vị giảm sút rõ rệt Để hạn chế tìnhtrạng này, người ta dùng chai thủy tinh màu và bảo quản ở nhiệt độ 0-5oC Sau khi rót xong cầnphải ghép nắp, quá trình ghép kín nhằm cách li hoàn toàn với môi trường không khí và vi sinhvật gây hư hỏng, làm giảm phẩm chất của sản phẩm Mặt khác nắp chai phải được ghép thậtkín và thật chắc còn nhằm mục đích đảm bảo quá trình thanh trùng không bị bật nắp hay hởmối ghép

Thanh trùng là một quá trình quan trọng có tính chất quyết định tới khả năng bảo quản chấtlượng của sản phẩm Quá trình thanh trùng nhằm tiêu diệt hoàn toàn hay ức chế các vi sinh vậtgây hư hỏng và các nha bào của chúng Yêu cầu của kỹ thuật thanh trùng là vừa đảm bảo tiêudiệt vi sinh vật có hại còn lại ít đến mức độ không thể phát triển để làm hỏng đồ hộp và làmhại sức khoẻ người tiêu dùng, lại vừa đảm bảo cho đồ hộp có chất lượng tốt nhất về giá trị cảmquan và dinh dưỡng

Mục đích của quá trình bảo quản là nhằm theo dõi sự ổn định của sản phẩm, sớm phát hiện cácđồ hộp bị hư hỏng Thời gian ổn định của nước quả ít nhất là 15 ngày Tiến hành bảo quảnbằng cách lấy riêng 1% số lượng đóng chai, bảo quản tại phong kiểm tra ở nhiệt độ 37oC đểphát hiện sự hoạt độïng của một số vi sinh vật có hại (phương pháp bảo ôn sản phẩm)

Đây là khâu cuối cùng của quy trình sản xuất Các chai được đóng gói, dán nhãn và xuấtxưởng Sản phẩm được phân phối ra thị trường và đến tay người tiêu dùng

Trang 9

PHẦN 2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO THIẾT BỊ KẾT TINH

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO QUY TRÌNH

I.1 Sơ đồ quy trình cô đặc

Hình 4 - Sơ đồ quy trình công nghệ cô đặc kết tinh 2 cấp

I.2 Đặt vấn đề

 Tính toán cân bằng vật chất cho 1kg nhập liệu (vào nồi cô đặc) với nồng độ chất khôban đầu là x = 10% Sản phẩm có nồng độ chất khô là 30% Năng suất 5000T/năm

 Vì không có giản đồ kết tinh của nước cam nên ta có thể chọn giản đồ kết tinh của nướctáo làm cơ sở để xác định nhiệt độ kết tinh của nước cam theo nồng độ (vì thành phầnhoá học nước táo gần với thành phần hoá học của nước cam)

 Trong thực tế, lượng chất khô trong dịch nước cam là hỗn hợp phức tạp nhiều cấu tửnhưng để đơn giản ta xem dịch nước cam ép là hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn gồm nước vàchất khô tan trong nước

Trang 10

Bảng 3 – Thành phần chất khô của một số dịch ép trái cây

Hình 5 - Biểu đồ nhiệt độ đĩng băng của dung dịch nước cam

Bảng 4 – Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dịch cam ép theo nồng độ

của táo

 Nhiệt độ bắt đầu kết tinh : t1 (x = 0,12) = -1oC ;   1 kg/m3

 Nhiệt độ của kết thúc quá trình cô đặc (x=0.3) : t2 = -5oC ;   1142 kg/m3

%

Nhiệt độ kết tinh,

o C

Khối lượng riêng

Trang 11

 Khối lượng riêng có thể tính theo công thức : (xem bảng 4)

 = 1766 – 6.8W – 0.97T + 0.006WT ([4],2.32,tr.83)

 Chọn mô hình kết tinh 2 cấp

 Cấp 1 : từ -1oC (x=0.1) đến -2oC (x=0.2)

 Cấp 2 : từ –2oC (x=0.2) đến -5oC (x=0.3)

I.3 Tính cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc

Chọn mô hình cô đặc kết tinh gián đoạn 2 cấp Gọi :

Gđ, xđ : Khối lượng và nồng độ chất khô trong hỗn hợp nhập liệu

Gc, xc : Khối lượng dịch cái và nồng độ chkhô tương ứng thu được (sản phẩm)

M1, x1 :Khối lượng dịch cái và nồng độ chất khô trong dịch cái thu được sau kết tinh 1M2, x2 : Khối lượng dịch cái và nồng độ chất khô trong dịch cái sau KT2

DM1, DM2 = Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K1, K2 sau KT1 và KT2

K1, xk1 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT1

K2, xk2 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT2

K3 : khối lượng tinh thể nước đá còn sau thiết bị rửa

M3 : Lượng nước rửa tại thiết bị rửa

I.3.1 Tại thiết bị kết tinh 1 :

CBVC tính cho 1 kg dịch nhập liệu

1 1

x M x K x G

M K G

d d

d

=>

1 1

0, 2 0,1

0, 2 0,020,1 0,02

0, 2 0, 02

d d

k

d k d

I.3.2 Tại thiết bị lọc 1

 Mục đích : Lọc dịch cái 1 và tinh thể nước thô Sau đó đưa tinh thể nước đá thô đi quamáy rửa

 Chọn thiết bị lọc ly tâm để lọc tinh thể

 Chọn các thông số cho quá trình lọc

 d1 : khối lượng riêng của dịch cái sau kết tinh 1

 1 : khối lượng riêng

 f1 : tỷ lệ diện tích bề mặt xung quanh tự do của tinh thể có dịch bám vào

 1 : bề dày lớp dịch bám

 d1 : đường kính trung bình (cạnh tinh thể lập phương)

 Cần tính được :

 Lượng dịch còn sót lại trong bã lọc tinh thể

Trang 12

h kg G

x x

x x d

f G

k

d d

02 0 2 0

1 0 2 0 10 3 1037

1089 10 7 , 0 6

.

3 5 1

1

1 1 1

1 1 1 1

M M

kg dịch lọc/kg dịch ép đầuI.3.3 Tại thiết bị kết tinh 2

Ở đây, dịch M1 sau khi lọc (khối lượng còn M1 - DM1) sẽ được đem kết tinh lần 2 thuđược dịch M2 và khối tinh thể thô K2 với nồng độ chất khô tương ứng là x2, xk2 Ta có





D



2 2 2 2 1 1 1

2 2 1 1

)

M K M M





kg x

x

x x M M

M

kg x

x

x x M M

K

k k

k

286.0)

(

1558.0)

(

2 2

2 1 1 1

2

2 2

1 2 1 1

2

I.3.4 Tại thiết bị lọc 2 – Lọc ly tâm

Lượng dịch cái DM2 còn sót trong khối tinh thể là

kg M

M x x

x x d

f M

k

3

5 1

1 2 2

2

2 2 2

10 3 1037

1142 10 7 , 0 6 ) (

.



 D





I.3.5 Tại thiết bị rửa

 Cho tinh thể K1 và K2 có chứa dịch sót DM1, DM2 vào thiết bị rửa R3 với lượng nướcrửa là M3 Lượng tinh thể sau rửa có khối lượng là K3, trong đó có tích một lượngnước rửa là DM3 , nước rửa này có thể xem như không có chất khô hoà tan trong đó.Còn lượng nước nước thu hồi M’3 có nồng độ x3 có thể được đưa và hỗn hợp dịch éplúc ban đầu để giảm mất mát chất khô

 Trong thiết bị rửa các tinh thể K1 và K2 chỉ bị mài mòn về kích thước chứ không bịgiảm về số lượng tinh thể, do đó nó thay đổi kích thước (d1’, d2’), độ bám dính bềmặt (f1’, f2’) theo tỷ lệ tổn hao khối lượng tinh thể (D Thông thường

D  11 nên ta chọn D  ,1

 Tính cân bằng vật chất

 Theo khối lượng :

K1 + K2 + M3 + DM1+ DM2 = K3 + M’3 + DM3 = (1 - D(K1 + K2) + M’3Với K3 = (1 - D(K1 + K2)

 Theo chất khô

K1xk1 + K2xk2 + 0 + DM1x1 + DM2x2 = (1 - DK1xk1 + (1 - DK2xk2 + M’3x3 + 0

 Lượng tinh thể sau rửa là

K3 = (1 – 0.1).(0,5556 + 0,1558) = 0.64 kg

Trang 13

% 74 , 0 5081

, 0

3 , 0 0024 , 0 2 , 0 0082 , 0 ) 02 , 0 1558 0 02 , 0 5556 , 0 (

1 , 0

'

) (

3

2 2 1

1 2

2 1 1



 D



M

x M x

M x

K x

d k

d

f x

x x

x

x x f b x x f b x

x

G

1 1 1

1 1 1 1 2

2

1 2 2 2 1

1 1 1

')

('

) 2 , 0 3 , 0 (

7 0 10 18 , 7

) 1 0 2 0 (

7 , 0 10 18 , 7 02 , 0 2

,

0

1 21544 ,

0

.

6

3 5 3

3

= 0.000464 kg/h

 Lượng nước ra khỏi thiết bị rửa M’ 3

Từ phương trình cân bằng vật chất

M3 + K1 + K2 + DM1 + DM2 = K3 + M’3 + DM3

K1xk1 + K2xk2 + 0 + DM1x1 + DM2x2 = (1 - DK1xk1 + (1 - DK2xk2 + M’3x3

Suy ra : M’3 = M3 + K1 + K2 + DM1 + DM2 - DM3 - K3 = 0.5081 kg/h

Suy ra lượng chất khô thất thoát theo nước rửa là 0,74%.0,5081 = 3,76.10-3 kg/h

So với lượng chất khô hỗn hợp đầu (0,1 kg/h) thì tỷ lệ thất thoát là : 3,76%

Vì tỷ lệ thất thoát này là không đáng kể nên ta không cần hồi lưu nước rửa này vào hỗn hợpđầu Lượng nước rửa này có thể được tái sử dụng để rửa nguyên liệu đầu vào

II TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO CẢ QUY TRÌNH

II.1 Năng suất thành phẩm

5000T/năm = 5000.103kg/(300ngày*16giờ/ngày) = 1041,7 kg/h

II.2 Năng suất thiết bị cô đặc:

 Nếu tổn thất sau quá trình thanh trùng và rót chai là 1%

Trang 14

 Gc = 1041,7/0,99 = 1052,2 kg/h

II.3 Năng suất nhập liệu vào thiết bị cô đặc

 Tỷ lệ dịch cô thu được so với dịch đầu là 0,286

 Gđ = 1052,2/0,286 = 3679,1 kg/h

II.4 Khối lượng nước ép vào máy ly tâm (lọc tinh),

 Chọn tổn thất là 0,5%

 Gv(lọc tinh) = 3679,1/0,995 = 3697,6 kg/h

II.5 Khối lượng nước ép vào thiết bị gia nhiệt

 Chọn tổn thất trong quá trình gia nhiệt là 0,5%

 Gv(gia nhiệt) = 3697,6/0.995 = 3716,2 kg/h

II.6 Khối lượng nước ép vào thiết bị lọc thô,

 Chọn tổn thất là 1,0%

 Gv(lọc thô) = 3753,7 kg/h

II.7 Khối lượng nguyên liệu vào máy ép,

 Biết hiệu suất ép là 85%

 Cho tỷ lệ bã (bao gồm vỏ, hạt, …) và dịch tách ra trong quả là 5/3 = 1.667

 Khối lượng dịch ép ra = 3753,7 kg/h

 Khối lượng dịch ép có trong quả = 3753,7/0,85 = 4416,1 kg/h

 Khối lượng bã (bao gồm vỏ, hạt, tạp chất…) vào = 1,667.4416,1 = 7360,2 kg/h

→ Khối lượng nguyên liệu vào máy ép = 4416,1 + 7360,1 = 11776,3 kg/h

II.8 Khối lượng nguyên liệu (G) vào

 Quá trình rửa (tổn thất 0,5%) = 11776,3/0,995 = 11835,5 kg/h

 Quá trình chọn lọc, phân loại (tổn thất 3%) = 11835,5/0,97 = 12201,6 kg/h

Bảng 5 - Tổng kết cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc (theo 1kg hỗn hợp đầu)

Trang 15

Nước rửa M3 0.4268 0

B ng 6 ảng 6 – Tổng kết cân bằng vật chất cho cả quy trình sản xuất

Trang 16

PHẦN 3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO

THIẾT BỊ KẾT TINH

I CÁC THÔNG SỐ CẦN TÍNH

I.1 Nhiệt dung riêng của dịch ép

Nhiệt dung riêng của nước cam ép theo nhiệt độ được tính gần đúng theo công thức : ([3], I.50,153)

c = 4190 – (2514 – 7,542t)x , J/kg.độTrong đó : c : nhiệt dung riêng của dung dịch nước đường, J/kg.độ

t : nhiệt độ dung dịch, oC

x : nồng độ của dung dịch, phần khối lượng

Sự thay đổi của nhiệt dung riêng trong quá trình cô đặc :

I.2 Độ nhớt động lực của dịch ép

Độ nhớt của dung dịch nước ép lấy gần đúng theo dung dịch đường mía theo [3,I.112,114)

I.3 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và tinh thể nước đá

 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức : [3,I.32,123]

dịch dung

hh

M

ρ A.Cp ρ ( mKW )Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dịch ép, J/kg.độ; r – khối lượng riêng củadịch ép, kg/m3; M – khối lượng mol hỗn hợp

Với dung dịch đang ép thuộc loại chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10-8

 Hệ số dẫn nhiệt của tinh thể nước đá : [3, I.128, 132]

đá1 (-2oC) = 2,532 W/mK

đá2 (-5oC) = 2,566 W/mK

I.4 Nhiệt kết tinh của nước đá

Trang 17

Nhiệt kết tinh trung bình của nước (ở 0oC) là 1434,6 cal/mol = 333608,3 J/kg ([10],23)

Bảng 7 - Tổng kết các thông số nhiệt lý của dịch ép và nước đá

-(3) Bắt đầu kết tinh 0.10 -1 1037 3937.85 - 1.792E-03 0.3395 (4) Kết thúc KT1 0.20 -2 1089 3684.18 2090.3 3.804E-03 0.3390 2.532(5) Kết thúc KT2 0.30 -5 1142 3424.49 2090.3 9.287E-03 0.3358 2.566

-II TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Nhiệt lượng Q (tính trên 1 kg dịch ép ban đầu) cần cung cấp cho toàn quá trình cô đặc kết tinhbao gồm (lượng nhiệt này được cung cấp cho tác nhân lạnh)

Qo : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh sơ bộ dịch ép ban đầu từ 30oC → 3oC;

Q1 : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dịch ép từ 3oC → -1oC;

Qkt : nhiệt lượng cần thiết để kết tinh nước;

Qdd : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dịch ép từ -1oC → -5oC;

Qđá : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh nước đá từ -1oC → -5oC

II.1 Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ dịch ép ban đầu

 Nhiệt độ đầu và cuối quá trình : tđ = 30oC → t’đ = 3oC

 Khối lượng dịch ép : Gđ = 1kg/h

 Nhiệt dung trung bình L : cđ = (3961.23 + 3940.86)/2 = 3951,05 J/kg.độ

 Lượng nhiệt cung cấp : Q o = Gđcđ(tđ – t’đ) = 1.3951,05.(30 - 3) = 106678.2 J/kg dịchđầu.h

II.2 Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dịch ép từ 3 o C → -1 o C

 Nhiệt dung trung bình của dịch ép : c1 = (3940.86 + 3939.36)/2 = 3939.36 J/kg/độ

 Lượng nhiệt cần cung cấp là : Q 1 = Gđc1(t’đ – t1) = 15757.4 J/kg dịch đầu.h

II.3 Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình kết tinh nước

 Nhiệt kết tinh trung bình của nước là kt = 333608,3 J/kg

 Khối lượng tinh thể tạo thành K = K1 + K2 = 0,5556 + 0,1558 = 0,7114 kg/kg dịch đầu.h

 Nhiệt lượng cung cấp

 Kết tinh 1 : Qkt1 = K1 kt = 0,5556 333608,3 = 185352.8 J/kg dịch đầu.h

 Kết tinh 2 : Qkt2 = K2 kt = 0,1558 333608,3 = 51976.2 J/kg dịch đầu.h

=> Q kt = Q kt1 + Q kt2 = 185352,8 + 51976,2 = 237329 J/kg dịch đầu.h

II.4 Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dịch ép từ -1 o C → -5 o C

 Ta có : Qdd = Qdd1 + Qdd2

Trang 18

 Trong đó : Qdd1 : nhiệt lượng cung cấp cho dịch cái M1 (từ -1oC → -2oC)

Qdd2 : nhiệt lượng cung cấp cho dịch cái M2 (từ -2oC → -5oC)

 Khối lượng và nhiệt dung riêng của dịch cái

II.5 Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh tinh thể đá từ -1 o C → -5 o C

Qđá = Qđá 1 + Qđá 2 = K1cđá1.(t1 - t2) + K2cđá 2.(t2 – t3)

 Nhiệt dung riêng của nước đá lấy gần đúng là 2090,3 J/kg

 Nhiệt lượng cần là :

 Tại kết tinh 1 (từ -1oC → -2oC) : Qđá1 = 0,5556.2090,3.1 = 1161,4 kJ/kg dịch đầu.h

 Tại kết tinh 2 (từ -2oC → -5oC) : Qđá2 = 0.1558.2090,3.3 = 977 J/kg dịch đầu.h

=> Q đá = 2138,4 J/kg dịch đầu.h

II.6 Tổng nhiệt lượng thực tế

Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 15% lượng nhiệt thực tế

 Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 1 :

Bảng 8 – Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc

Trang 19

Tổng nhiệt lượng cần 421589,5 1.551.069,9 430,85

Trang 20

PHẦN 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ KẾT TINH

VÀ CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA

I THIẾT BỊ KẾT TINH

I.1 Giới thiệu

Thiết bị cô đặc kết tinh là thiết bị thân hình trụ đứng, dạng vỏ áo, đáy và nắp ellipse tiêuchuẩn

Tác nhân giải nhiệt để kết tinh dung môi được dùng là NH3

Vật liệu chế tạo thiết bị

 Thân làm bằng thép không gỉ để không làm ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm,mã hiệu X18H10T

 Vỏ làm bằng thép thường CT3

Phương pháp gia công : dùng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai phía

I.1.1 Thùng kết tinh 1

 Các thông số kích thước, chọn :

 Đường kính trong : DT = 1200 mm

 Chiều cao thân : HT = 1800 mm

 Hệ số chứa đầy :  = 0.8

 Đáy, nắp ellipse tiêu chuẩn : hgờ = 50 mm ; ht = 300 mm

F = 1,75 m2 ; Vnắp, đáy = 0,283 m3

 Vỏ bọc cách nhiệt, vật liệu : bông thuỷ tinh

 Vỏ cách thân 50 mm

 Thời gian lưu :  = 4h

 Năng suất thể tích nhập liệu : Vđ = 3 , 548

1037

1 , 3679

2

4

2 2

Trang 21

 Chiều cao toàn bộ thùng : Hthùng = HT + Hđáy + Hnắp = 1,8 + 0,35.2 = 2,5 m

 Thể tích dung dịch chứa : Vdd1 = 0,8.Vthùng = 2,08 m3

 Chiều cao dung dịch chứa tính từ đáy :

4/2,1

283,008,24

h D

V V

m

 Tính bề mặt truyền nhiệt

 Để đảm bảo truyền nhiệt tốt thì lớp vỏ áo của thiết bị được bao cao hơn chiều cao mựcchất lỏng ở bên trong 150mm

 Bề mặt truyền nhiệt : F = Fdd(thân) = D(Hdd(thân) + 0,15) = 6,56 m2

 Tính số thùng kết tinh 1

08,2

4.548,3

=> Chọn số thùng N2 = 7 thùng

I.2.2 Thùng kết tinh 2

 Kích thước thùng kết tinh 2

 Để đơn giản trong việc chế tạo và lắp đặt ta chọn các thông số kích thước của thùng 2giống kích thước thùng 1 như sau :

 Thùng : DT = 1,2 m; Vthùng = 2,6 m3; Hthùng = 2,5 m;

 Thân : HT = 1,8 m

 Đáy, nắp : Vđáy = Vnắp = 0,283 m3; Fđáy = Fnắp = 1,75 m2

 Thể tích và chiều cao dung dịch : Vdd2 = 2,6.0,8 = 2,08 m3; Hdd2 = Hdd1 = 1,939 m

 Bề mặt truyền nhiệt : F2 = D(Hdd(thân) + 0,1) = 6,367 m2

 Số thùng kết tinh 2 : N2 = 

00817,0444,0().(

2

1 1

1





D

=> Chọn số thùng kết tinh là 3 thùng

I.2 Tính toán điều kiện bền

I.2.1 Các thông số cần tra và chọn

 Aùp suất tính toán :

Nếu xem áp suất thủy tĩnh là không đáng kể, bên trong thiết bị làm việc ở áp suất khíquyển: PT = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2

Aùp suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10oC) tác động lên thân thiết bị là

PN = PsôiNH3 = 2,9075 at = 0,29075 N/mm2

Aùp suất tác động lên thân thiết bị là

Trang 22

P = PN – PT = 0,19075 N/mm2

=> Thiết bị chịu áp suất ngoài

Vậy áp suất tính toán cho thân thiết bị được chọn trên cơ sở điều kiện làm việc nguy hiểmnhất, đó là trường hợp khi ta tháo liệu mà chưa xả tác nhân ra hết lúc đó áp suất tác động lên

thân thiết bị sẽ lớn nhất và bằng áp suất của tác nhân lạnh, nên P TT = P N = 0,29075 N/mm 2

 Nhiệt độ tính toán được lấy là nhiệt độ môi trường làm việc cộng với 20oC (thiết bị có bọccách nhiệt) Nhưng trong điều kiện thiết bị làm việc ở nhiệt độ thấp như vậy nên ta chọnluôn nhiệt độ tính toán là 20oC

 Vật liệu chế tạo

Thân bằng thép không gỉ X18H10T

Vỏ làm bằng thép thường CT3

 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :  σ *  147 N/mm 2

 Hệ số hiệu chỉnh :  = 0,95 (thiết bị có bọc cách nhiệt)

 Ứng suất cho phép :  σ  σ *  η  147.0.95  139,65 N/mm 2

 Hệ số bền mối hàn : h = 0,95

 Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20oC)

Hệ số an toàn chảy : nc = 1.65

2



I.2.2 Tính bền cho thân thiết bị khi chịu áp suất ngoài

 Bề dày tối thiểu

0.4 t t

n

l' E

P D 1.18

Trong đó : DT = 1200 mm - Đường kính trong của thiết bị;

Pn = 0,29075 N/mm2 - Aùp suất ngoài tác dộng lên thân thiết bị;

Et = 20,5.104 N/mm2 - Môđun đàn hồi;

l’ = lthân + hđáy/3 = 1800 + 350/3 = 1916,7 mm – chieu dài tính toám cho thân

1200

1916,7

20,5.10

0,29075 1,18.1200.

S'

0.4 4

 Chọn hệ số bổ sung bề dày C

 Hệ số ăn mòn của tác nhân NH3 là Ca = 1 mm;

 Hệ số ăn mòn của dung dịch nước trái cây là Cb = 0,5 mm;

 Hệ số quy tròn Co = 0,682 mm;

=> C = 2,182 mm

Bề dày thiết bị : S = 10 mm

Trang 23

 Kiểm tra bền

(1) Kiểm tra điều kiện :

165 , 8 1,75 0,1837

9 2

1200 1,75

1200

9 2 1,5

) C 2(S

D D

l' D

) C 2(S 1,5

a t t

t a

c

t

D

)C2(Sσ

c

t

D

)C2(Sσ

1200

2.9 242,55

10 5 , 20 0.3   = 0,4658 <

T D

2 4

t a 2

t

a t

t

N/mm 0.2907 P

N/mm 4057

, 0

1200

9 1200

9 1917

1200 10

20,5 0,649

D

C S D

C S l'

D 0.649.E P

=> Thân đủ bền

I.2.3 Tính ổn định cho đáy nắp

 Đáy chịu áp suất ngoài : Pn = PNH3 = 0,2907 N/mm2

 Nắp chịu áp suất ngoài xấp xỉ với áp suất khí quyển vì vậy khi tính bền cho đáy, nếu đáy đủ bề thì nắp cũng đủ bền

 Chọn bề dày tính toán cho nắp bằng với bề dày của thân thiết bị : S = 10 mm

 Tính bền cho đáy

(1) So sánh : RSt và t

c

txσ0.15E

Trong đó : Rt = Dt = 1200 mm (đáy-nắp ellipse tiêu chuẩn);

txσ

0,15E

0,7.242.55

10 0,15.20,5 4



=> RSt < t

c

txσ

0,15E

và 0,25 0.3

D

h2.0

Trang 24

(2) Aùp suất cho phép :     

t

a n

CS2P

c

CSE

σ

9.2

1200)

(

T

C S

D

1020.5

242,55875

kE

σ875

t

t c

CSE

t

a t

t

t c a

t

t c a

1200 55 , 242 7 , 0 5 9 10 5 , 20

4 4

CS2P

β

 = 0 , 7779 / 2 0 , 29075 / 2

,995.1200 1

2.103,46.9

mm N mm



=> Đáy đủ bền

 Tính tương tự cho nắp ta cũng được [Pn] = 0,7779 N/mm2 > 0,1 N/mm2

=> Nắp cũng đủ bền

I.2.4 Tính bề dày vỏ thiết bị

Áp suất bên trong vỏ thiết bị P = P tác nhân = 0,29075 N/mm2  Vỏ thiết bị chịu áp suất trong(Xem như bề mặt cách nhiệt không tác dụng lên vỏ, phía ngoài vỏ chỉ chịu áp suất khí quyển)

 Aùp suất tính toán cho vỏ thiết bị :

PTT = Pdư = Ptuyệt đối – Pa = 0.29075 – 0.1 = 0.19075 N/mm2

 Nhiệt độ tính toán lấy bằng nhiệt độ tác nhân cộng thêm 20oC (có bọc cách nhiệt)

=> Ttt = 10oC

 Vỏ làm bằng thép thường CT3

 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : * 2

N/mm 142

 Hệ số hiệu chỉnh :  = 0,95 (thiết bị có bọc cách nhiệt);

 Ứng suất cho phép :  σ  σ *  η  142.0,95  134,9 N/mm 2;

 Hệ số bền mối hàn : h = 0,95

 Tính bề dày vỏ: