CÔ ĐẶC DỊCH CAFE MỘT NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC

CÔ ĐẶC DỊCH CAFE MỘT NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC bản word hoàn chỉnh cho đồ án của sinh viên ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC, CÔ ĐẶC DỊCH CAFE MỘT NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC bản word hoàn chỉnh cho đồ án của sinh viên ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TP.Hồ Chí Minh Ngày 20 tháng 9 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Mục lục

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

PHẦN 1 TỔNG QUAN 2

1.1 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 2

1.2 Nguyên liệu và sản phẩm 2

1.2.1 Đặc điểm nguyên liệu 2

1.2.2 Đặc điểm sản phẩm 3

1.2.3 Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm 3

1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa 3

1.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC: 3

1.3.1 Khái niệm: 3

1.3.2 Đặc điểm của quá trình cô đặc 4

1.3.3 Các phương pháp cô đặc 4

1.3.4 Các thiết bị cô đặc 5

1.3.4.1 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 5

1.3.4.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo 5

1.3.4.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài: 6

a Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng 6

b Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang 6

1.3.4.4 Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức 6

1.3.4.5 Thiết bị cô đặc loại màng 7

1.3.4.6 Thiết bị cô đặc có vành chất lỏng 7

1.3.4.7 Thiết bị cô đặc loại rôto 8

1.3.4.8 Cô đặc nhiều nồi 8

1.4 Quy trình công nghệ 9

1 Quy trình công nghệ: 9

2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc 10

PHẦN II12 cân bằng vật chất và năng lượng 12 2.1 Dữ kiện ban đầu 12

2.2 Cân bằng vật chất và năng lượng 12

2.2.1 Suât lượng nhập liệu (Gđ): 12

2.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên 12

2.3 Cân bằng năng lượng 13

2.3.1 Cân bằng nhiệt lượng 13

2.3.2 Chuẩn hóa nhiệt độ: 14

2.4 Xác định nhiệt độ tổn thất: 15

2.4.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ (’): 15

2.4.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (”) 16

2.4.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ.( ’’’ ) 16

2.4.4 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống 16

2.5 Nhiệt dung riêng 17

2.6 Nhiệt lượng riêng 17

PHẦN III 18 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 18 3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 18

3.1.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng(q1): 19

3.1.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2): 19

3.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường (q v ): 20

3.2 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc: 22

3.3 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp: 22

3.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 22

PHẦN 422 THIẾT KẾ CHÍNH 22 4.1 BUỒNG TRUYỀN NHIỆT: 23

4.1.1 Tính số ống truyền nhiệt: 23

4.1.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm: 23

4.1.3 Đường kính thiết bị buồng truyền nhiệt: 23

4.2 BUỒNG BỐC: 24

4.2.1 Đường kính buồng bốc: 24

4.2.2 Chiều cao buồng bốc hơi: 24

4.3 Tính kích thước các ống dẫn: 25

4.3.1 Đường kính ống dẫn hơi nước: 26

4.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ: 26

4.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch: 27

4.3.3.1 Đường kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệt: 27

4.3.3.2 Đường kính ống dẫn dung dịch từ thiết bị gia nhiệt vào nồi cô đặc:

27 4.3.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch từ nồi cô đặc vào bể chứa sản phẩm

27

4.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng: 28

4.4 BỀ DÀY VĨ ỐNG: 29

4.5 CHIỀU DÀY LỚP CÁCH NHIỆT 29

4.5.1 Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn: 29

4.5.1.1 Ống dẫn hơi nước: 30

4.5.1.2 Ống dẫn hơi thứ: 30

4.5.1.3 Ống dẫn dung dịch từ thiết bị gia nhiệt vào nồi cô đặc: 30

4.5.1.4 Từ nồi cô đặc sang bể chứa sản phẩm: 31

4.5.2 Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 31

4.6 Tính cơ khí các chi tiết thiết bị: 32

4.6.1 Bề dày buồng truyền nhiệt: 32

4.6.2 Bề dày buồng bốc: 34

4.6.3 Bề dày đáy buồng truyền nhiệt: 35

4.6.4 Bề dày nắp buồng bốc: 37

4.7 CHỌN MẶT BÍCH 38

4.7.1 Buồng truyền nhiệt 38

4.8 CHỌN TAI TREO: 39

4.8.1 Tai treo buồng truyền nhiệt: 39

4.8.1.1 Khối lượng lớp cách nhiệt 39

4.8.1.2 Khối lượng chất lỏng : 40

4.8.1.3 Khối lượng cột hơi: 40

4.8.1.4 Khối lượng bích: 41

4.8.1.5 Khối lượng ống truyền nhiệt: 42

4.8.1.6 Khối lượng ống tuần hoàn trung tâm: 42

4.8.1.7 Khối lượng vỉ ống: 42

PHẦN 543 THIẾT BỊ PHỤ 43 5.1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU 43

5.1.1 Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 43

5.1.2 Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị: 43

5.2 KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 44

5.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ 44

5.2.2 Kích thước tấm ngăn 45

5.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 46

5.2.4 Tính kích thước ống bazomet 47

5.3 CHỌN BƠM 49

5.3.1 Bơm chân không 49

5.3.2 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 50

5.3.3 Bơm dung dịch lên thùng cao vị 53

5.3.4 Bơm dung dịch từ nồi sang bể chứa sản phẩm: 55 PHẦN 6: TÍNH TOÁN KINH TẾ THIẾT BỊ 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

ĐẶT VẤN ĐỀ

Kỹ thuật cô đặc đã ra đời từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệhóa chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm Nhất là trong thời buổi hiệnnay, thời kỳ phát triến 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 hàng 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 nghiệpthức phẩm đang đóng một vài trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biển sẵnvừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảmbảo các giá trị dinh dưỡng và an toàn thực phẩm

Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phệ, nước trái cây, rượu là mộttrong những phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quảnlâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quátrình 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: phươngpháp nhiệt (bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháplạnh (kết tinh dung môi dạng rắn) và thấm thấu nghịch Mỗi phương pháp đều có nhữngđặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài tóan công nghệ

Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị được sử dụng trong công nghiệp sản xuất thực phẩmvới những mục đích khác nhau Nhưng do thời gian nghiên cứu có hạn nên nhiệm vụ của

đồ án này chỉ nghiên cứu về "thiệt bị cô đặc chân không 1 nồi, làm việc liên tục ống tuầnhoàn trung tâm" và ứng dụng nó để cô đặc dịch cà phê sau khi trích ly trong công nghệ càphê hòa tan

PHẦN 1 TỔNG QUAN

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

Năng suất sản phẩm: 750 kg sản phẩm/h

Nồng độ đầu: 12% khối lượng

Nồng độ cuối: 65% khối lượng

Áp suất hơi nước : 3 at

Áp suất ngưng tụ: 0,2 at

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 lụa,nhân

Lớp vỏ quả : là lớp vỏ ngoài , mềm , ngoài bì có màu đỏ, vỏ cà phê chè mềm hơn

cà phê vối và cà phê mít

Lớp vỏ thịt : dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt gọi là trung bì Vỏ thịt cà phê chèmềm , chứa nhiều chất ngọt , dễ xay xát hơn Vỏ thịt cà phê mít cứng và dày hơn

Vỏ trấu : hạt cà phê sau khi loại bỏ các chất nhờn và phơi khô gọi là cà phê thóc ,

vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ mềm gọi là vỏ trấu tức là nội bì Vỏtrấu cà phê chè mỏng hơn và dễ đập hơn là vỏ trấu của cà phê vối và cà phê mít

Vỏ lụa : bao bọc quanh nhân cà phê còn một lớp mỏng , mềm gọi là vỏ lụa ,chúng có màu sắc khác nhau tuỳ theo từng loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè có màu trắngbạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ lụa cà phê vối mầu nâunhạt Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân cà phê

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

1.2.2 Đặc điểm 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 biến đổikhông ngừng

> Biển đổi tính chất hóa học

Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit củacác 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 của các vi sinhvật 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

- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi

1.3.1 Khái niệm:

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằngcách 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 dung

dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi đượctách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do

đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trìnhchưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗnhợp

- Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước gọi là

“hơi thứ”-thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn có nên được sử dụng làm hơi đốtcho các nồi cô đặc Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi

1.3.3 Các phương pháp cô đặc

- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồilàm việc gián đoạn hay liên tục

+ Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng

độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch khôngđổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lạicho dung dịch mới để cô đặc

+ Khi cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng đượclấy ra liên tục

- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất(áp suất chânkhông, áp suất thường hay áp suất dư) tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật và sản phẩm cô đặc đểlựa 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 dung dịch dễ

bị phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôitrung 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 của dung dịch thấp nên có thể tận dụngnhiệt thừa của các quá trình khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc

+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịchkhông bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng 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 ra ngoàimôi 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 truyền nhiệt vàống tuần hoàn tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phíangoài ống Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi-lỏng

có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuầnhoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyềnnhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn Vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới Kết quả là trong thiết bị

có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuốngtrong ống tuần hoàn

+ Dùng để cô đặc dung dịch nhớt và dung dịch tạo thành váng, cặn

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 ở giữa 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 ở buồng 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 trình sửa 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 ống truyền 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, cònphần 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 dướilên trên Phòng đốt là thiết bị loại ống chùm dung dịch đi trong ống còn hơi đốt đi ngoàiống Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên kéo theo màng chấtlỏng và tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch lên đến miệng 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 Trên phòng sôi lànhững tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vành khăn, từ phòng sôihỗn hợp hơi-lỏng đi lên phòng bốc hơi Hơi thứ đi lên ra ngoài, dung dịch còn lại đixuống phòng đốt phần kết tinh lắng xuống đáy Phòng đốt có tác dụng nung nóng dungdịch không có tác dụng sôi Dung dịch chỉ sôi khi đi vào các tấm ngăn

+ Sử dụng cô đặc dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn

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 Dung dịchđầu đưa vào bên trên thiết bị, có cánh quay, dưới tác dụng của ly tâm chất lỏng văng rathành thiết bị và chuyển động xoáy Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được nung nóng bởibao hơi Hơi thứ được đưa lên phía trên rồi ra ngoài còn sản phẩm được tháo ra qua đáythiết 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 ý nghĩa vềmặt 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 vào đun nồithứ hai Hơi thứ của nồi thứ hai được vào đun nồi thứ ba hơi thứ của nồi cuối cùngđược đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗinồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độgiữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơithứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồitrước là hơi đốt của nồi sau Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuốilàm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không)

Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì nếu

ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi đốtđưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống côđặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt dùng để làm bốc 1kg hơi thứ tỷ lệnghịch 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 này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng bốc hơi 1kg hơi thứnữa, như vậy đối với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ là0,5kg.

Tuy nhiên số nồi không thể vô hạn vì khi số nồi tăng thì tổn thất nhiệt độ SD tănglàm cho hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi, do đó, bề mặt truyền nhiệt càng tăng nhanh;nghĩa là khi số nồi tăng thì chi phí thiết bị (chế tạo, sửa chửa, lắp ghép, hao mòn ) sẽtăng nhanh Mặt khác, muốn đảm bảo quá trình làm việc ta phải có điều kiện:

Giới hạn đối với mỗi nồi là oC

Dựa vào đồ thị của mối quan hệ giữa chi phí về thiết bị, chi phí về hơi đốt và chiphí chung thì số nồi thích hợp của quá trình cô đặc nhiều nồi là 2:4 nồi

1.4 Quy trình công nghệ

1 Quy trình công nghệ:

Cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm

Lý do chọn:Vì năng suất này không cao nên kích thước của các thiết bị đều ở mức

độ vừa phải

Chi phí đầu tư không cao,trong đó thiết bị chính chiếm khoảng 33% tổng chi phí.Kết cấu thiết bị đơn giản và có thể được điều khiển tự động

Hình 1 Cô đặc chân không một nồi liên tục

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 dungdịch 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 raphía 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 ngưngđược bơm chân không hút ra ngoài.

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng truyền nhiệtgồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống,hơi nước bão hòa sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống Nguyên tắc hoạt độngcủa ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so vớicác ống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dungdịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch sẽ có Pds = 0.5 Pdd do đó sẽ tạo ra áp lực đẩydung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo một dòng chuyểnđộng tuần hoàn trong thiết bị Để ống tuần hoàn tung tâm hoạt động có hiệu quả dungdịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 - 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt Phần phía trên thiết bị

là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách giọt đểtách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ

Hơi nước 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 rangoài theo cửa xả khí không ngưng

Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn thiết bị ngưng tụ Baromet, toàn bộ hệ thống (thiết bịngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân khôngtạo 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

Trong cà phê tinh bột chiếm thành phần chủ yếu từ 8 - 23 %, do vậy có sự biếntính tương đối trong quá trình cô đặc từ tinh bột thành gluco nên các thông số được tínhthông qua gluco.

Các số liệu ban đầu:

Dung dịch cà phê sau khi trích ly:

- Chọn hơi nước bảo hòa ở áp suất Ph = 3 at (thđ = 132,90 C)

- Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 0.2 at (59.70 C)

2.2.1 Suât lượng nhập liệu (G đ ):

Gđ= Gc + W

Gđ.Xđ=Gc.Xc

Trong đó:

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

G d =G c X C /X d

G d =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

Hình:Sơ đồ tính toán

2.3.1 Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt vào:

- Do dung dịch đầu: Gđ.Cđ.tđ

- Do hơi nước: D.i

Nhiệt ra: - Hơi thứ mang ra: W.i’

- Nước ngưng tụ: D.C

- Sản phẩm mang ra: Gc.Cc.tc

- Nhiệt cô đặc: Qcđ

- Nhiệt tổn thất: Qtt

* Phương trình cân bằng nhiệt

GđCđtđ + D.i = W.i’ + D.C + Gc.Cc.tc ± Qcđ + Qtt

: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 của nước ngưng (J/kg.độ)

i, i':hàm nhiệt của hơi nước và hơi thứ J/kg

Hay D =3748.3 (kg/h)

Lượng hơi nước tiêu tốn riêng:

( kg hơi nước / kg hơi thứ )

Trong đó:

D : lượng hơi nước 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 Chuẩn hóa nhiệt độ:

Áp suất buồng truyền nhiệt là áp suất hơi bão hòa 3 at (Tra bảng I.251 STQTTB T1, 314 nhiệt độ hơi nước là 132,9oC

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

Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tht:

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của

dung môi nguyên chất.Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chấtgọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

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:

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/m2), ta

Pdd : Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m3

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng ,m

Hop= [0.26+0.0014(pdd-pdm)].Ho

Coi Pdd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến

độ sâu trung bình của chất lỏng

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho= 2 m

Hop = [0.26+0.0014( Pdd- Pdm) ] Ho

t = thd - tnt = 132.9 - 59.7 = 73.20 C Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích

thi = t - = 73.2 - 7.66 = 65.540 C Nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi :

tc = tnt + = 59.7 + 7.66 = 67.360 C

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:

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

Vậy Cht =

= (J/kg.độ)

Vậy Cc = Cht xc + 4186 (1-xc)

= 14520,65+4186 (1-0,65) = 2408,9 (J/kg.độ)

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 IIITÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:

- Nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1

Tra bảng I.251 ST QTTB T1, trang 314 : r = 2171103 J/kg

H : chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 m

A : phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm = (tD + tv1)/2

A tra ở sổ tay tập 2, trang 28

với tD, tv1: nhiệt độ hơi nước và vách phía hơi ngưng

α1 : hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m2độ

3.1.2 Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2):

Cdd -nhiệt dung riêng của dung dịch

Cn - 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

 r1 = 0,46410-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ.W)

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

Ta có αn = 45,3p0,5 = 45,30,210,5 18,52,33 = 18602,09 (W/m2độ) Chọn nhiệt độ tính toán a2 theo tc = 67,360 C

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

n = 979,23 kg/m3

n = 0,4210-3 N.s/m2

Cn = 4184,89 J/kg.độ

n = 66,5410-2 W/m.độ

Ta có dd = A C dd (I.32, STQTTBT1, 123)

= 3,5810-8 2408,91285,7 = 0,21 (W/m.độ)(Cdd = 2408,9 J/kg.độ) ; ( = 1285,7 kg/m3)

dd = 9,310-3 N.s/m2 (tra bảng I.112, STQTTBT1, 114, vì không có tài liệu nào thểhiện độ nhớt của gluco, nên lấy độ nhớt của đường mía ở cùng nồng độ)

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:

K = =

= 708.19 (W/m2.độ)

3.3 Tính nhiệt lượng do hơi nước cung cấp:

Chọn cách xếp ống theo hình 6 cạnh.

Số hình 6 cạnh là: 9

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 :

Fth = => Dth =

Trong trường hợp đối lưu tự nhiên, tuần hoàn trong : Fth = ( 0,250,35 ) , với

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

 Fth = 0,3 =0,3 = 0,073 (m2)

Vậy Dth = = = 0,304 (m)Chọn Dth = 325 (mm)

4.1.3. Đường kính thiết bị buồng truyền nhiệt:

Trong đó:

t: là bước ống, thường chọn t = (1.21,5)dnChọn t = 1,5dn => t = 1,50.038= 0.057

4.2.2. Chiều cao buồng bốc hơi:

Thể tích không gian hơi được xác định:

Vkgh = (CT VI.24,STQTTB,T2/Trang 71)

Trong đó:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3).

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

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

Utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi 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 P1at

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

f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển, hình VI.3, trang 72,