Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghệp thế giới và nước nhà, các nghành công nghiệp cần có hệ thống máy móc thiết bị hiện đại, đó là nguyên nhân hình thành nên nghành truyền nhiệt. Truyền nhiệt là nghành khoa học nghiêng cứu các quá trình, các dạng và các quy luật trao đổi nhiệt giữa các vật có nhiệt độ khác nhau. Truyền nhiệt không chỉ giải thích nguyên nhân của các quá trình mà còn dự đoán mức độ trao đổi nhiệt giữa các vật và môi trường. Dựa vào các quy luật trao đổi nhiệt, chúng ta có thể xác định quy luật phân bố nhiệt độ và giá trị của dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền đi qua một diện tích trong một đơn vị thời gian, từ đó xác định dạng kết cấu và kích thước thiết bị trao đổi nhiệt cũng như tăng cường hay hạn chế sự tăng cường hay trao đổi nhiệt của các vật theo yêu cầu.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ – CƠNG NGHỆ Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN VĂN TOẢN Nhóm sinh viên thực : NHĨM 05 Lớp : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM – K52C Huế, 12/2019 Thành viên thực hiện: 10 Lê Thị Hồng Un (nhóm trưởng) Võ Thị Thanh Thúy Trần Thị Thắm Trương Thị Thanh Tuyết Trương Thị Tâm Huỳnh Thị Thương Phạm Thị Thu Thảo Hà Huyền Trang Hoàng Thị Minh Thi Nguyễn Thị Thanh Thủy Để thực đề tài chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Toản tạo điều kiện cho chúng em thực seminar Chúng em xin cảm ơn thư viện Trường đại học Nông Lâm Huế tạo điều kiện cho chúng em tham khảo tài liệu Xin cảm ơn bạn giúp nhóm hồn thành tiểu luận Chân thành cảm ơn chúc sức khỏe! Huế, ngày 25 tháng 11 năm 2019 Nhóm Lời cảm ơn MỞ ĐẦU Ngày với phát triển vượt bậc công nghệp giới nước nhà, nghành cơng nghiệp cần có hệ thống máy móc thiết bị đại, ngun nhân hình thành nên nghành truyền nhiệt Truyền nhiệt nghành khoa học nghiêng cứu trình, dạng quy luật trao đổi nhiệt vật có nhiệt độ khác Truyền nhiệt khơng giải thích ngun nhân q trình mà cịn dự đốn mức độ trao đổi nhiệt vật môi trường Dựa vào quy luật trao đổi nhiệt, xác định quy luật phân bố nhiệt độ giá trị dòng nhiệt lượng nhiệt truyền qua diện tích đơn vị thời gian, từ xác định dạng kết cấu kích thước thiết bị trao đổi nhiệt tăng cường hay hạn chế tăng cường hay trao đổi nhiệt vật theo yêu cầu Thông qua môn Quá trình thiết bị truyền nhiệt CNTP, sinh viên nắm kiến thức trình truyền nhiệt số trình nghành CNTP Hiểu biết, nắm vững nguyên lí làm việc, cấu tạo, tính tốn thiết bị truyền nhiệt MỤC LỤC CHƯƠNG 3: CÔ ĐẶC 3.1 Khái niệm chung: .7 3.1.1 Định nghĩa: .7 3.1.2 Một số tính chất vật lý dung dịch liên quan đến q trình đặc 3.2 Cô đặc nồi: 14 3.2.1 Cân vật liệu: 17 3.2.2 Cân nhiệt lượng 18 3.3.2 Bề mặt truyền nhiệt: 19 3.3 Cô đặc nhiều nồi : 20 3.3.1 Thiết bị cô đặc nhiều nồi dạng xuôi chiều: 21 3.3.2 Thiết bị cô đặc nhiều nồi dạng ngược chiều: 23 3.3.3 Sơ đồ hệ thống đặc nhiều nồi có sử dụng thiết bị cô đặc dạng màng rơi 25 3.3.4 Cân vật liệu hệ cô đặc nhiều nồi : 26 3.3.5 Chi phí đốt (D) cho hệ đặc nhiều nồi: 27 3.3.6 Số nồi thích hợp hệ thống cô đặc nhiều nồi: .27 3.4 Cấu tạo thiết bị cô đặc: 38 3.4.1 Thiết bị cô đặc loại roto: 38 3.4.2 Thiết bị đặc có bơm nhiệt: .41 3.4.3 Thiết bị cô đặc dạng tấm: .44 3.4.4 Thiết bị cô đặc dang nằm ngang: 47 4.3.5 Thiết bị bốc kiểu màng lên: 50 CHƯƠNG 3: CÔ ĐẶC 3.1 Khái niệm chung: 3.1.1 Định nghĩa: Cô đặc q trình làm bay phần dung mơi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nhệt độ sơi, với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể (kết tinh) - Thu dung môi dạng nguyên chất (cất nước) Đặc điểm trình cô đặc: - Cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư) hệ thống cô đặc nồi nhiều nồi Hơi bay thứ - Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sơi cao dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt,làm tăng hệ số nhiệt độ đốt nhiệt độ hữu ích dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt - Cô đặc áp suất cao áp suất khí dùng cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao ( dung dịch muối vô cơ) - Cô đặc áp suất khí quyển, thứ khơng sử dụng mà thải ngồi - Trong đặc nhiều nồi, nồi làm việc áp suất lớn áp suất khí quyển, mồi sau làm việc áp suất chân không 3.1.2 Một số tính chất vật lý dung dịch liên quan đến q trình đặc 3.1.2.1 Bản chất vật lý trình bốc - Khi bay phân tử lỏng cần khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực áp suất bên ngoài, phân tử bay cần phải thu nhiệt bên ngồi Lượng nhiệt lấy q trình bay nhiệt độ xác định đơn vị khối lượng chất lỏng gọi ẩn nhiệt bay Khi nhiệt độ tăng ẩn nhiệt bay giảm, nhiệt độ tới hạn ẩn nhiệt bay không - Khi sôi chất lỏng bốc mặt thoáng chất lỏng mà phần chủ yếu bọt tạo thành lòng dung dịch Các bọt tâm tạo thành hơi, q trình bốc bọt tăng dần kích thước nhờ lực đẩy Acsimet bị đẩy lên mặt thoáng đồng thời bọt khác hình thành Kết chuyển liên tục từ bên lịng chất lỏng đến bề mặt thống Điều kiện để tạo thành bọt áp suất bọt áp suất lỏng xung quanh nó: 3.1.2.2 Nhiệt hịa tan Khi hịa tan chất rắn vào dung mơi có hai q trình xảy ra: - Do tương tác phần tử dung môi phần tử chất tan mà mạng lưới tinh thể chất tan bị phá hủy Đây trình thu nhiệt dung môi, nên nhiệt độ dung môi lạnh (nhiệt nóng chảy) - Tạo thành mối liên kết phân tử chất tan với phân tử dung mơi gọi q trình solvat hóa (nếu dung mơi nước gọi q trình hydrat hóa) Đây trình tỏa nhiệt (nhiệt solvat) Vậy nhiệt hòa tan tổng hai lượng nhiệt ( nhiệt hịa tan = nhiệt nóng chảy + nhiệt solvat) Như thế, nhiệt hịa tan chất dương âm, tùy theo tính chất chất hịa tan dung môi Đối với chất dễ tạo thành q trình solvat (hay hydrat) hóa nhiệt hịa tan dương ( tỏa nhiệt); cịn chất khơng tạo thành solvat nhiệt hịa tan âm (thu nhiệt) Khi tính tốn cân nhiệt q trình đặc, cần phải biết nhiệt hòa tan để thêm nhiệt vào hay bớt nhiệt Các giá trị nhiệt hòa tan thường tra sổ tay trình thiết bị 3.1.2.3 Nhiệt độ sơi dung dịch tổn thất nhiệt độ Nhiệt độ sôi dung dịch thông số kỹ thuật quan trọng tính tốn thiết kế thiết bị đặc, từ nhiệt độ sơi dung dịch ta chọn chất tải nhiệt để đun nóng với thơng số vật lý thích hợp chọn chế độ làm việc thích hợp thiết bị Nhiệt độ sơi dung dịch phụ thuộc vào tính chất dung môi chất tan, đặc biệt nồng độ chất tan (khi nồng độ tan nhiệt độ sơi tăng) Nhiệt độ sôi dung dịch luôn lớn nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất áp suất Điều giải thích theo định luật Raoult: Trong đó: Ps: áp suất bão hịa dung mơi ngun chất; P: áp suất bão hịa dung mơi dung dịch; N: số mol chất tan; N: số mol dung môi Từ biểu thức (3.1) ta thấy > => >P nghĩa áp suất bão hòa dung mơi ngun chất lớn áp suất bão hịa dung môi dung dịch nhiệt độ Nghĩa áp suất nhiệt độ sôi dung dịch luôn lớn nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất Cũng từ biểu thức ta thấy nồng độ tăng nhiệt độ sơi tăng , số mol chất tan (n) tăng áp suất bão hịa dung môi dung dịch (P) giảm, tức nhiệt độ sôi dung dịch tăng - Hiệu số nhiệt độ sôi dung dịch (t) nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất (ts ) áp suất ' : ' = t - ts (3.2) ' độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch so với dung môi nguyên chất áp suất Trong cô đặc người ta thường gọi tổn thất nhiệt độ nồng độ ' thông số vật lý dung dịch, phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ chất tan tăng ' tăng ' phụ thuộc vào chất chất tan dung mơi, đồng thời cịn phụ thuộc vào áp suất - Khi tổn thất nhiệt độ nồng độ áp suất bất kì, người ta sử dụng qui tắc Babo: “ độ giảm tương đối áp suất bão hịa dung mơi dung dịch nồng độ cho đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào nhiệt độ sôi” Nghĩa là: = const => = const (3.3) Từ biểu thức (3.3) ta biết nhiệt độ sôi dung dịch cho ứng với áp suất ta xác định nhiệt độ sơi dung dịch áp suất khác 10 - Bên thành thiết bị dễ bị đóng cặn Rửa tẩy cặn thiết bị - Roto không quay quay chậm Kiểm tra động khớp điều động - Hiện tượng gãy cánh khấy Thay cánh khấy Ứng dụng thiết bị Dùng để cô đặc dung dịch không bền nhiệt dung dịch có độ nhớt cao 39 3.4.2 Thiết bị đặc có bơm nhiệt: Thiết bị đặc có bơm nhiệt Thân thiết bị Bơm tuye Cửa nguyên liệu vào Cửa tháo nước ngưng Cửa sản phẩm Cửa vào Nguyên tắc hoạt động : - Kiểm tra thiết bị, hệ thống van số thiết bị khác để đảm bảo an tồn q trình thực hiện, báo cho phận để chuẩn bị - Hơi đốt có áp suất cao P1 vào bơm tuye số giãn đồng thời thứ có áp suất P0 bị hút vào bơm tuye Rồi từ tuye hỗn hợp với áp suất P2 sau vào thiết bị phân tách 40 - Lượng có áp suất cao vào thiết bị cịn lượng có nhiệt độ thấp ngồi thiết bị - Nguyên liệu vào thiết bị qua cửa số phân phối vào ống truyền nhiệt Hơi đốt vào thiết bị qua cửa đốt vào ngun liệu đun nóng sơi lên đạt u cầu đưa ngồi qua cửa số Nước khơng ngưng qua cửa số Cịn khí khơng ngưng thỉa qua cửa số Hơi thứ bốc lên theo thiết bị vào bơm tuye để nén đến áp suất P1 vào thiết bị để tiến hành q trình đặc - Hơi thứ bốc lên theo thiết bị vào bơm tuye để nén đến áp suất P1 vào thiết bị để tiến hành q trình đặc Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản - Rẻ - Được sử dụng phổ biến Nhược điểm - Hiệu suất cô đặc thấp - Tốn lượng để bơm Sự cố cách khắc phục: 41 - Nước ngưng tụ nhiễm cấu tử Ngưng hoạt động để kiểm tra thiết bị, thay phận bị hư hỏng sau vận hành lại - Đóng cặn thành thiết bị Kiểm tra đường ống - Các dụng cụ đo lường khơng xác Thay dụng cụ khác thông qua trung tâm kiểm định để đảm bảo độ an tồn xác - Hư hỏng thiết bị gây Sửa lại van, hàn lại đường ống , thay linh kiện Ứng dụng - Cô đặc nguyên liệu dễ phân hủy nhiệt độ cao, dung dịch có tổn thức nhiệt dộ lớn đốt cung cấp áp suất thấp 42 3.4.3 Thiết bị cô đặc dạng tấm: Thiết bị cô đặc dạng 1-Buồng đốt; 2- Buồng bốc hơi; 3- Bình cân bằng; 4- Bình chứa nước ngưng tụ Nguyên tắc hoạt động: - Kiểm tra thiết bị, hệ thống van số phận phụ khác để đảm bảo an toàn trình thực hiện, báo cho phận để chuẩn bị - Nguyên liệu cho vào bình cân để tiến hành phân tách dung dịch làm cho dung dịch ổn định Sau đó, dung dịch đáy thiết bị vào buồng đốt Buồng đốt cacxet ghép lại 43 - Tại buồng đốt, dung dịch từ lên, theo đường vào từ xuống thực trình trao đổi nhiệt dung dịch làm dung dịch sôi đạt nồng độ chất khơ cần thiết - Khi q trình thực xong, khí khơng ngưng lên trên, ngun liệu khỏi buồng đốt vào buồng bốc để phân tách hai pha lỏng- Hơi thứ sinh bình cân liên tục đun nóng sơ dung dịch trước vào buồng bốc - Tại buồng bốc hơi, dung dịch lỏng nặng rớt xuống để tiếp tục làm nguyên liệu cho hiệu sau Cịn thứ lên phía buồng bốc để sử dụng làm đốt cho hiệu sau người ta tiến hành thu hồi cấu tử quý thứ mang theo - Ở buồng đốt, sau gia nhiệt xong tạo thành nước ngưng tụ chứa bình chứa theo ống tháo nước ngưng tụ Ưu điểm: - Hệ thống truyền nhiệt cao gấp 20- 30 lần thiết bị cô đặc thông thường - Có thể mở rộng cơng suất cách dễ dàng - Có tính tự động hóa cao 44 - Năng suất cao - Q trình tuần hồn dung dịch xảy lần - Thời gian dung dịch lưu thiết bị ngắn nên hạn chế trình phá hủy dung dịch Nhược điểm: - Giá thành đắt - Thể tích lưu trữ nhỏ - Địi hỏi người vận hành phải có trình độ cao - Vệ sinh khó khăn - Vận hành địi hỏi trình độ kỹ thuật cao Sự cố, cách khắc phục: o Sự cố: - Trong trình hoạt động việc tháo nước ngưng tụ không tốt, nước đọng lại buồng đốt làm giảm lượng vào buồng đốt, giảm tốc độ bốc - Khí khơng ngưng tồn buồng đốt làm giảm hệ số cấp nhiệt dẫn đến giảm suất bốc - Trong điều kiện vận hành ổn định cần hút lượng thứ ổn định bề mặt đường ống có đóng cặn o Cách khắc phục: 45 - Cần mở van tháo nước ngưng buồng đốt to để việc thoát nước ngưng tụ dễ dàng - Cần mở to van xả khí khơng ngưng trở lại bình thường - Thường xuyên theo dõi để lau chùi vệ sinh tránh tượng tắc đường ống Ứng dụng: - Thiết bị cô đặc dạng ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp thực phấm, đặc biệt sử dụng q trình đặc mía, nước ép rau củ loại 3.4.4 Thiết bị cô đặc dang nằm ngang: Cấu tạo: 46 Bộ phân ly Cửa tháo vệ sinh tách ẩm Buồng đốt 6.Buồng bốc lắp thêm 3.Buồng bốc Bộ tách ẩm hữu hiệu Nguyên tắc hoạt động: - Nguyên liệu đưa vào buồng bốc hiệu Từ buồng gốc hiệu ,nguyên liệu bơm luân lưu riêng biệt bơm dung dịch luân lưu qua truyền nhiệt ngồi Trước qua truyền nhiệt , nước mía bơm qua tách cặn để tách loại chất rắn lơ lửng nước mía - Bên truyền nhiệt , dung dịch qua khe hở phía từ lên theo ngăn dung dịch Hơi theo khe hở phía vào ngăn hơi, ngưng tụ truyền nhiệt cho dung dịch Nước ngưng tụ thoát phải dưới,theo ống dẫn xuống bơ đưa thùng chứa nước ngưng tụ, đạt nhiệt độ sơi xảy tượng hóa hơi, tạo thành hỗn hợp – dung dịch bên truyền nhiệt sau qua truyền nhiệt, trích dẫn,tách tránh tượng nước mía bị theo thứ Ưu điểm - Hệ số truyền nhiệt cao 47 - Tăng công suất cách dể dàng - Có tính tự động hóa suất cao - Hạng chế quy trình phá hủy dung dịch - Q trình tuần hồn phải xảy lần Nhược điểm: - Giá thành thiết bị đắt - Đi hỏi người vận hành có trình độ cao - Thể tích lưu trữ nhỏ Sự cố cách khắc phục: Sự cố • Khi làm việc áp suất cao,thiết bị thường không hiệu hở dẫn đến sản phẩm nổ,hư hại Cách khắc phục • Tránh thiết bị làm việc áp suất cao,điều chỉnh hợp lí áp suất,thời gian ,cơng suất vận hành • Dung dịch sau tách bị lẫn theo thứ • Bộ phận tách dịch phẩm thứ phải kiểm tra,the dõi thường xuyên • Huyền phù chứa nhiều chất rắn • Thường xuyên bảo dưỡng,làm 48 lơ lửng ,gây tắc, lẫn vào ảnh hưởng chất lượng sản phẩm phận tách cặn trước qua truyền nhiệt Ứng dụng thiết bị: - Thiết bị sử dụng rộng rãi nhà máy hóa học,thực phẩm với mục đích thường đặc dung dịch nhà máy đường,tinh bột, 4.3.5 Thiết bị bốc kiểu màng lên: Thiết bị bốc kiểu màng lên 49 1.Nước chè vào Nước ngưng tụ Phòng gia nhiệt Thân thiết bị Phịng bốc Khí khơng ngưng 9.Hơi thứ Sản phẩm 11 Mặt bích Bộ phận phân phối 50 10 Hơi đốt Nguyên tắc hoạt động Nguyên liệu đưa vào bên ống từ cửa số 1, đốt vào cửa số 10 đốt từ phía ngồi, dung dịch vào đáy thiết bị chứa khoảng 1/4-1/5 chiều cao ống truyền nhiệt Hơi đốt ngồi ống xảy q trình trao đổi nhiệt làm sôi dung dịch , sôi thứ chiếm hầu hết thiết diện ống từ lên kèm theo màng chất lỏng bề mặt ống lên, trình lên dung dịch tiếp tục bay , lên đến miệng ống đạt nồng độ yêu cầu Sản phẩm đưa qua cửa số Nếu mức chất lỏng cao hệ số truyền nhiệt giảm, ngược lại mức chất lỏng thấp bề mặt truyền nhiệt ống phía bị khơ ( dung mơi bốc hết , q trình cấp nhiệt ống trình cấp nhiệt từ thành ống tới khơng phải tới lỏng) Do hiệu truyền nhiệt giảm nhanh chóng Hơi sau truyền nhiệt ngưng tụ, nước ngưng tụ tháo theo cửa số 2, thứ tháo qua cửa số 9, khí khơng ngưng tháo theo cửa số Ưu điểm: - Thiết bị đơn giản dễ sửa chữa tháo lắp - Áp suất thủy tĩnh nhỏ, tổn thất thủy tĩnh bé - Chế độ làm việc ổn định dễ làm việc - Hệ số truyền nhiệt lớn có mức chất lỏng thích hợp Nhược điểm: - Khó làm đường ống dài - Khó điều chỉnh áp suất đốt mức dung dịch thay đổi - Khơng thích hợp với dung dịch nhớt dung dịch kết tinh Sự cố cách khác phục: Sự cố -Dễ bám cặn ống truyền nhiệt -Nước ngưng tụ bị nhiễm cấu tử ống truyền nhiệt bị rò rỉ, trình đơi lưu xảy mạnh -Sản phẩm thường bị cháy lượng nguyên liệu đốt chênh lệch nhiều -Thường xảy tượng thủy kích khơng tháo nước ngưng tụ khí khơng Cách khắc phục -Nên thường xuyên kiểm tra vệ sinh định kỳ ống truyền nhiệt -Nên kiểm tra hệ thống truyền nhiệt, điều chỉnh áp suất vào buồng đốt -Nên kiểm tra điều chỉnh lượng nguyên liệu vào đốt vào thường xuyên -cần tháo nước ngưng tụ kịp thời để tránh tượng thủy kích ngưng kịp thời , đo đốt vào khí gặp lỏng gây tượng làm vỡ ống truyền nhiệt Ứng dụng: - Thiết bị ứng dụng rộng rãi ngành công nghệ thực phẩm - Thiết bị cô đặc loại màng sử dụng nhà máy đường , bột nhọt, kẹo bánh, rượu bịa - Dùng để cô đặc nước cà chua, dứa… - Cô đặc sản phẩm sữa ... liệu hệ cô đặc nhiều nồi : 26 3.3.5 Chi phí đốt (D) cho hệ đặc nhiều nồi: 27 3.3.6 Số nồi thích hợp hệ thống cô đặc nhiều nồi: .27 3.4 Cấu tạo thiết bị cô đặc: 38 3.4.1 Thiết bị cô đặc loại... chất (cất nước) Đặc điểm q trình đặc: - Cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư) hệ thống cô đặc nồi nhiều nồi Hơi bay thứ - Cô đặc chân không dùng... 3.3 Cô đặc nhiều nồi : Trong thực tế sản xuất cần cô đặc dung dịch từ nồng độ lỗng lên nồng độ đặc người ta dùng hệ cô đặc nhiều nồi thuộc hệ xuôi chiều hay ngược chiều.Cơ đặc nhiều nồi q trình