Đề tài tìm HIỂU về THIẾT bị cô dặc

Nhiệt hòa tanKhi hòa tan một chất rắn vào trong một dung môi có hai quá trình xảy ra: - Do tương tác giữa các phần tử của dung môi và các phần tử của chất tan mà mạng lưới tinh thể của c

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ-CÔNG NGHỆ

 HỌC PHẦN:QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Đề tài: TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ CÔ DẶC

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Toản

Sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Văn Tuấn 7 Trương Dương Truyền

2 Đặng Thị Diễm My 8 Võ Văn Tuấn

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Truyền nhiệt là lĩnh vực đóng vai trò quan trọng, không thể thiếu trong hầu hết các quá trình hoá học, thực phẩm, sinh học, môi trường…Trong đó quá trình cô đặc và làm lạnh là hai quá trình có vai trò đặc biệt quan trọng Thực hiện quá trình cô đặc có nhiều phương pháp và sử dụng nhiều thiết

bị khác nhau để tăng năng suất, tiết kiệm thời gian, chi phí và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất

Trong công nghệ chế biến thực phẩm phải sử dụng một năng lượng lớn cho một số công nghệ: cô đặc, chưng cât, sấy, nguồn năng lượng ngày càng khan hiếm Do đó phải tìm các phương pháp tối ưu để tiết kiện năng lượng trong chế biến thực phẩm là vấn đề cấp thiết mà thật tế đặt ra

Vì thế, trong bài tiểu luận này chúng em sẽ đưa ra một số thiết bị cô đặc,

sẽ làm rõ: ưu, nhược điểm cũng như ứng dụng của các thiết bị này trong sản xuất để chọn các thiết bị ứng dụng trong các quá trình sản xuất một cách hợp

lý, tiết kiệm nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu của nhà sản xuất

 Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

 Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

2.1.2 Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc

2.1.2.1 Bản chất vật lý của quá trình bốc hơi

Khi bay hơi các phân tử lỏng cần khắc phục lực liên kết ở trạng thái

lỏng và trở lực của áp suất bên ngoài, khi đó các phân tử bay hơi cần phải thu nhiệt bên ngoài Lượng nhiệt lấy đi trong quá trình bay hơi ở nhiệt độ xác định của một đơn vị khối lượng chất lỏng gọi là ẩn nhiệt bay hơi Khi nhiệt độ tăng thì ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay hơi bằng không

Khi sôi chất lỏng bốc hơi ở trên mặt thoáng chất lỏng mà phần chủ yếu

là các bọt hơi được tạo thành trong lòng dung dịch Các bọt hơi là nhưng tâm tạo thành hơi, trong quá trình bốc hơi các bọt hơi tăng dần kích thước

và nhờ lực đẩy Acsimet nó sẽ bị đẩy lên mặt thoáng đồng thời các bọt hơi khác cũng được hình thành Kết quả hơi được chuyển liên tục từ bên trong lòng chất lỏng đến bề mặt thoáng

Điều kiện để tạo thành bọt hơi là áp suất hơi trong bọt bằng áp suất

2.1.2.2 Nhiệt hòa tan

Khi hòa tan một chất rắn vào trong một dung môi có hai quá trình xảy ra:

- Do tương tác giữa các phần tử của dung môi và các phần tử của chất tan mà mạng lưới tinh thể của chất tan bị phá hủy Đây là quá trình thu

nhiệt của dung môi, nên nhiệt độ của dung môi lạnh đi (nhiệt nóng chảy).

- Tạo thành mối liên kết giữa các phân tử của chất tan với các phân tử của dung môi gọi là quá trình solvat hóa (nếu dung môi là nước thì gọi là

quá trình hydrat hóa) Đây là quá trình tỏa nhiệt (nhiệt solvat).

Vậy nhiệt hòa tan là tổng của hai lượng nhiệt trên ( nhiệt hòa tan =

nhiệt nóng chảy + nhiệt solvat) Như thế, nhiệt hòa tan của một chất có thể

dương hoặc âm, tùy theo tính chất của chất hòa tan và dung môi Đối với những chất dễ tạo thành quá trình solvat (hay hydrat) hóa thì nhiệt hòa tan dương ( tỏa nhiệt); còn những chất không tạo thành solvat thì nhiệt hòa tan

âm (thu nhiệt)

Khi tính toán cân bằng nhiệt của quá trình cô đặc, chúng ta cần phải

biết nhiệt hòa tan để thêm nhiệt vào hay bớt nhiệt đi Các giá trị về nhiệt hòa tan thường tra trong các sổ tay quá trình và thiết bị

2.1.2.3 Nhiệt độ sôi của dung dịch và tổn thất nhiệt độ

Nhiệt độ sôi của dung dịch là một thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc, vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta

chọn chất tải nhiệt để đun nóng với các thông số vật lý thích hợp sẽ chọn được chế độ làm việc thích hợp của thiết bị

Nhiệt độ sôi của dug dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chấttan, đặc biệt là nồng độ chất tan (khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi tăng).Nhiệt độ sôi cua dung dịch luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng một áp suất Điều này có thể giải thích theo định luật Raoult:

N

n P

P P

S

Trong đó: Ps : áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất

P: áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch

n: số mol của chất tan

N: số mol của dung môi

chất

Cũng từ công thức (2.1) ta thấy khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi tăng,

vì khi số mol chất tan (n) tăng thì áp suất hơi bão bòa của dung môi trên dung dịch( P) giảm, tức là nhiệt độ sôi của dung dịch tăng

Hiệu số giữa nhiệt độ sôi của dung dịch (t) và nhiệt độ sôi của dung

môi nguyên chất (ts ) khi ở cùng một áp suất là ∆ ':

'

∆ = t - ts (2.2)

∆ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất ởcùng một áp suất Trong cô đặc người ta thường gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆ ' là thông số vật lý của dung dịch, nó phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ chất tan tăng thì ∆ ' tăng ∆ ' còn phụ thuộc vào bản chất của chất tan và dung môi, đồng thời nó còn phụ thuộc vào áp suất

Khi tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất bất kì, người ta sử dụng qui tắc Babo: “ độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung dịch ở một nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi” Nghĩa là:

const P

P const P

P P

S S

Từ biểu thức (2.2) ta biết nhiệt độ sôi của dung dịch đã cho ứng với

một áp suất nào đó thì ta có thể xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch ở

P S

=

=

= 0,68546

,11

Khi ở áp suất 0,75 at thì nhiệt độ sôi của dung dịch tương ứng với nhiệt

độ tại Ps của hơi bão hòa:

at P

P S s 0,685 1,095

75,0685

,075,

Tra bảng ở Ps ở 1,095 at ta có nhiệt độ sôi của nược là 102oC, đây chính

là nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất 0,75 at, ở áp suất 0,75 at ta có nhiệt

độ sôi của nước là 91,2oC

trong đó: Ts: nhiệt độ sôi của dung môi, oK.

r: ẩn nhiệt hóa hơi, J/Kg

0

'

∆ : tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường (tra bảng hay dùng đồ thị

(VI.2 STQT&TB tập 2, trang 314))

Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch, dochịu tác dụng của áp suất của cột chất lỏng (gọi là hiệu ứng áp suất thủytĩnh) nên càng xuống sâu nhiệt độ sôi càng tăng Trên bề mặt thoáng chấtlỏng có nhiệt độ sôi thấp nhất Tổn thất nhiệt đô do áp suất thủy tĩnh bằnghiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch tại lớp chất lỏng có nhiệt độ trung bình(thường chọn nhiệt độ sôi trung bình ở ½ độ cao của ống truyeeng nhiệt)với nhiệt độ sôi của dung dịch trên bề mặt thoáng

P P

Trong đó: P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2

h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền

nhiệt đến bề mặt thoáng dung dịch, thường chọn là 0,5m

h2: chiều cao của ống truyền nhiệt, m.

ρddsôi: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

Trong đó: ttb: nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb, oC

t0: nhiệt độ sôi ứng với áp suất P0, oC

Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ ∆ ' " Thường chọn ∆ ' "=1÷1,5oC

2.2 MỘT SỐ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

2.2.1 Thiết bị cô đặc dạng tấm anfalaval

2.2.1.1 Cấu tạo

1 Buồng đốt dạng tấm anfalaval; 2 Buồng bốc hơi; 3 Bình cân bằng:

4 Bình chứa nước ngưng tụ

2.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Kiểm tra thiết bị, hệ thống van và một số bộ phận phụ khác để đảm bảo antoàn trong quá trình thực hiện, báo cho các bộ phận để chuẩn bị.

Nguyên liệu được đưa vào bình cân bằng số 3 để tiến hành phân tách dung dịch và làm cho dung dịch ổn định

Sau đó, dung dịch đi xuống đáy thiết bị vào buồng đốt 1 (buồng đốt là các tấm cacxet ghép lại với nhau) Tại buồng đốt, dung dịch sẽ đi từ dưới lên, hơivào thiết bị theo cửa dẫn đi từ trên xuống thực hiện quá trình đối lưu truyền nhiệt giữa dung dịch và hơi làm cho dung dịch sôi lên đến khi đạt nồng độ chất khô theo yêu cầu Lúc này khí không ngưng được sinh ra và thoát lên phía trên theo đường ống dẫn đến thiết bị baromet để tạo chân không cho toàn bộ hệ thống

Nguyên liệu sẽ ra khỏi buồng đốt di chuyển theo đường ống qua buồng bốc hơi 2 để phân tách hai pha lỏng và hơi Hơi thứ sinh ra ở buồng cân bằngđược đun nóng liên tục trước khi cho vào buồng bốc hơi Tại buồng bốc hơi, dung dịch lỏng nặng sẽ rớt xuống đi ra để tiếp tục làm nguyên liệu cho các hiệu sau Còn hơi thứ sẽ đi lên phía trên buồng bốc hơi để làm hơi đốt cho các hiệu sau Nếu hơi thứ chưa đạt yêu cầu, còn nhiễm nhiều cấu tử thì người

ta tiến hành thu hồi các cấu tử quý có trong hơi thứ sau đó mới chuyển hơi thứ đến bộ phân kế tiếp

Ở buồng đốt số 1, hơi sau khi gia nhiệt xong nhiệt độ sẽ giảm xuống tạo thành nước ngưng tụ chứa trong bình chứa nước ngưng số 4 rồi theo ống tháonước đi ra ngoài

2.2.1.3 Ưu, nhược điểm của thiết bị

• Ưu điểm

- Hệ số truyền nhiệt cao gấp 20 – 30 lần các thiết bị cô đặc thông thường

- Có thể mở rộng công suất một cách dễ dàng, làm việc có năng suất và hiệu quả cao

- Có tính tự động hóa cao

- Quá trình tuần hoàn dung dịch chỉ xảy ra một lần

- Thời gian dung dịch lưu trong thiết bị ngắn nên hạn chế được các quá trình phá hủy dung dịch

- Quá trình cô đặc đạt được yêu cầu nhiệt độ của sản phẩm, hạn chế sự nhiễm cấu tử ở sản phẩm

- Dễ vệ sinh

- Khi gặp sử cố thì tháo ra nhanh chóng, giảm thời gian sữa chữa

• Nhược điểm

- Giá thành thiết bị đắt

- Thể tích lưu trữ của thiết bị nhỏ

- Chế độ tự động hóa cao nên yêu cầu người vận hành phải có kinh nghiệm

Thiết bị dạng tấm alfalaval được ứng dụng rộng rãi trong nghành công

nghiệp thực phẩm Đặc biệt được sử dụng trong quy trình cô đặc mía, nước

ép rau quả các loại

2.2.1.5 Sự cố và cách khắc phục

1. Trong quá trình hoạt động việc tháo nước ngưng tụ không tốt, nước đọng lại trong buồng đốt sẽ làm giảm lượng hơi vào buồng đốt giảm tốc độ bốc hơi

 Cần mở van tháo nước ngưng ở buồng đốt to hơn để việc thoát nước ngưng tụ được dễ dàng

2 Khí không ngưng tồn tại trong buồng đốt sẽ làm giảm hệ số cấp nhiệt của hơi dẫn đến giảm năng suất bốc hơi Việc thoát khí không tốt ở một hiệu nào

đó thì áp suất hiệu trước tăng cao và hiệu đó có hiện tượng giảm áp suất đột ngột.

 Cần mở to van xả khí không ngưng cho đến khi trở lại bình thường

3 Trong quá trình hoạt động, để tránh hiện tượng tổn thất dung dịch ra ngoài khi bốc hơi cần khống chế tốc độ bay hơi và chiều cao của cột dung dịch

Nếu chiều cao dung dịch lớn cần mở to van để dung dịch chảy ra một ít

Để đạt hiệu số nhiệt độ hữu ích lớn cần duy trì chiều cao dung dịch ổn định

Nếu độ chân không hai hiệu liền nhau sai khác không nhiều, dung dịch không chảy từ hiệu trước ra hiệu sau được cần mở to van để dung dịch ra hoặc điều chỉnh độ chân không hiệu đó nhỏ lại, tăng độ chân không ở hiệu sau

4 Nếu lượng hơi thứ hút dùng luôn thay đổi dẫn đến hiệu số nhiệt độ có ích cũng thay đổi ảnh hưởng đến nồng độ dung dịch

 Trong điều kiện vận hành ổn định cần hút lượng hơi thứ ổn định

5 Độ chân không càng cao, nhiệt độ sôi càng thấp, áp suất hơi càng lớn, dung dịch sôi càng mạnh

Nếu độ chân không cao hơn nữa, độ nhớt lớn ảnh hưởng đến quá trình đối lưu và truyền nhiệt Trường hợp áp suất hơi ở hiệu một không đủ, độ chân không các hiệu tăng cao, ảnh hưởng đến năng suất bốc hơi

 Cần mở to van hơi hiệu một, điều chỉnh van hơi ở buồng đốt các hiệu sau, đóng nhỏ van dung dịch sạch đến khi bình thường

Ngược lại, đóng nhỏ van hơi hiệu một (giảm nguồn nhiệt vào), mở to van chân không, ống thoát nước ngưng tụ và van dung dịch vào

6 Trên bề mặt đường ống có đóng cặn

 Thường xuyên theo dõi để lau chùi và vệ sinh sạch sẽ tránh hiện tượng tắcđường ống

2.2.2 Thiết bị cô đặc loại màng

2.2.2.1 Cấu tạo

1 Hơi thứ; 2 Phòng bốc hơi; 3 Hơi đốt; 4 Ống dẫn; 5 Sản phẩm ra;

6 Phòng đốt; 7.Cửa tháo nước ngưng; 8 Bơm; 9 Khí không ngưng

2.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Kiểm tra thiết bị, hệ thống van và một số bộ phận phụ khác để đảm bảo antoàn trong quá trình thực hiện, báo cho các bộ phận để chuẩn bị Hơi đốt đi vào phòng đốt theo cửa số 3đi phía ngoài ống, dung dịch vào đáy thiết bị nhờbơm số 8chiếm khoảng 1/4- 1/5 chiều cao ống truyền nhiệt

Tại buồng đốt nguyên liệu sẽ đi từ dưới lên hơi đốt đi từ trên xuống, ở đây

sẽ diễn ra quá trình đối lưu truyền nhiệt giữa dung dịch và hơi đốt làm cho dung dịch sôi lên đến khi đạt nồng độ chất khô theo yêu cầu thì sản phẩm sẽ được dẫn vào ống dẫn số 4 và đưa ra cửa tháo nguyên liệu số 5 Nước ngưng

tụ sẽ được tháo ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng số 7, khí không ngưng sẽ được thoát ra ngoài qua cưa sô 9

Hơi thứ của quá trình sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ baromet qua cửa số 1 để ngưng tụ các cấu tử do hơi thứ mang theo, khí sạch sau khi ngưng tự sẽ được đưa vào bơm chân không để tạo chân không cho toàn hệ thống

2.2.2.3 Ưu, nhược điểm

• Ưu điểm

- Khi làm việc do vận tốc của màng lỏng lớn nên có hệ sổ trao đổi nhiệt cao

- Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt

- Thiết bị đơn giản, gọn, dễ sữa chữa và lắp ráp

- Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thủy tĩnh ít

• Nhược điểm

- Cần tốn năng lượng để bơm, thường sử dụng khi có độ bay hơi lớn

- Khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi, không thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

- Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi

- Không thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

2.2.2.4 Ứng dụng

-Thiết bị ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ thực phẩm

- Thiết bị cô đặc loại màng được sử dụng trong các nhà máy đường, bột ngọt, bánh kẹo, bia rượu

- Dùng để cô đặc nước quả như cà chua, dứa…

- Cô đặc các sản phẩm sữa

2.2.2.5 Các sự cố và cách khắc phục

1 Hơi thừa : gây ra các phản ứng sinh màu, phản ứng cháy, caramen hóa, làm hư hỏng bề mặt truyền nhiệt của các ống truyền nhiệt (làm lẫn lộn cáccấu tử hơi và nguyên liệu)

 Khắc phục: giảm hơi hoặc tăng nguyên liệu vào

2 Hơi không đảm bảo: quá trình truyền nhiệt xay ra lâu hơn, làm cho sản phẩm ra không đảm bảo

 Khắc phục: Tăng hơi hoặc tăng nguyên liệu vào

3 Nguyên liệu: nguyên liệu ít, làm hỏng bề mặt truyền nhiệt của ống truyền nhiệt

 Khắc phục: giảm hơi, tăng nguyên liệu vào

4 Nước ngưng tụ: khi nước ngưng tụ không thể đưa ra ngoài, nó sẽ dâng lên làm triệt tiêu hơi gây tổn thất nhiệt, các sản phẩm ra không đảm bảo yêu cầu

 Khắc phục: giảm hơi và nguyên liệu vào, sửa chữa và bảo dưỡng hệ thốngtháo nước ngưng thường xuyên

5 Thiết bị: các thiết bị bị ăn mòn hóa học, điện hóa, bề mặt truyền nhiệt bị hỏng

 Khắc phục: Theo dõi và bảo dưỡng thường xuyên

6 Các dụng cụ đo: Sau một thời gian làm việc các dụng cụ sẽ bị hư hỏng

 Khắc phục: kiểm tra trước khi vận hành, tiến hành thay thế khi bị hỏng

7 Sản phẩm: sản phẩm ra không đảm bảo do hơi không đủ

 Khắc phục: tăng hơi, giảm nguyên liệu vào

8 Các thiết bị phụ trợ: các ron, van bị hỏng gây thất thoát hơi

 Khắc phục: Tiến hành thay thế, sửa chữa

9 Bám cặn ở ống truyền nhiệt

 Khắc phục: kiểm tra thường xuyên và vệ sinh định kỳ

2.2.3.Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng

2.2.3.1 Cấu tạo

1 Phòng đốt; 2 Phòng sôi; 3 Tấm ngăn; 4 Ống tuần hoàn;

5 Phân ly; 6 Đáy hình phễu kết tinh

phòng sôi số 2 Từ phòng sôi hỗn hợp hơi nóng đi vào các tấm ngăn số 3 do

ở đây áp suất thủy tĩnh giảm đi dung dịch sẽ sôi lên hỗn hợp hơi lỏng đi lên phòng bốc hơi 5 Tại đây, dung dịch đi xuống phòng đốt qua ống ống tuần hoàn 4, phần kết tinh xuống đáy số 6 và được dẫn ra ngoài qua cửa tháo sản phẩm Tác dụng của tấm ngăn này làm cho quá trình sôi ổn định không cản trở sự tuần hoàn ở khu vực sôi, hơi thứ đi lên phía trên và được dẫn ra ngoài

và đi vào thiết bị ngưng tụ baromet khí lẫn cấu tử sau khi ngưng tụ sẽ được

đi vào thiết bị thu hồi bọt, khí sạch sau khi thu hồi bọt sẽ được đưa vào bơm chân không để tạo chân không cho toàn hệ thống

2.2.3.3 Ưu, nhược điểm

• Ưu điểm

- Vận tốc tuần hoàn lớn

- Dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên ít bị bám cặn

- Thích hợp với dung dịch đậm đặc, kết tinh và có độ nhớt lớn

2 Cháy nguyên liệu do hơi vào có nhiệt độ quá cao, bề dày dung dịch mỏng

 Cần điều chỉnh nhiệt độ hơi vào và lượng dung dịch vào cho thích hợp

3 Đóng cặn trong các ông truyền nhiệt do sử dụng lâu ngày

 Thường xuyên phải vệ sinh thiết bị sau một thời gian sử dụng nhất định

2.2.4.Thiết bị cô đặc loại roto

2.2.4.1 Cấu tạo