Đồ án môn học thiết kế thiết bị cô đặc nước cam,

Phần dầu sẽ tiếptục 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 chùmhay ống lồng ống.. Mục đích

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 trướccông nguyên ở Trung Quốc nhưng một số người lại cho rằng câycam có nguồn gốc từ dãy Himalayas (Ấn Độ) Cam được trồng rấtphổ biến ở Ấn Độ, sau đó lan rộng về phía đông, và đến cảvùng Đông Nam Á Vào khoảng thế kỉ thứ 3 trước công nguyên,cây cam được đưa đến Châu Âu và nó lan ra tới cả vùng Địa TrungHải Sau đó, cây cam được Columbus mang đến Châu Mỹ Nhữngnăm sau đó, những người làm vườn ở Châu Mỹ và Châu Âu đãđem cây cam đến Châu Úc và Châu Phi Ngày nay cây cam đượctrồng rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới

I.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại cam khác nhau, tùy thuộc vào từngquốc gia và địa phương Trong thương mại, cam được chia thành 2 loại:Cam ngọt (sweet orange) và cam chua (sour orange) Trong đó, cam chuathường dùng trong sản xuất mứt cam Một số loại cam ngọt thườnggặp:

Cam tròn phổ biền nhất là loại Valencia, có nguồn gốc từ đảoAzores và Bồ Đào Nha Giống cam này có khả năng thích ứng trongnhững vùng nội địa, nơi có sự chênh lệch sâu sắc giữa ngày vàđêm và làm hoạt hóa hệ sắc tố của vỏ tạo cho nó màu sắchấp dẫn Quả có cỡ nhỏ tới trung bình thích hợp cho sản xuấtcông 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 chín trên cây, nó chuyển sang màu cam sáng nhưng khinhiệt độ nóng lên làm cho da hấp thụ lại chlorophyl từ lá nên camchín có màu xanh nhạt Loại cam này chủ yếu dùng làm nước quảvới chất 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 thểdùng ăn tươi.

Trước năm1835, Cam navel được trồng nhiều ở Florida nhưng bịphá huỷ trong chiến tranh thế giới thứ nhất Giống cam này cũngđược trồng nhiều ở Brazil, Trung Quốc Cam navel có quả to hơngiống Valencia và các loại cam ngọt khác Quả có màu vàng đậmsáng cho tới cam, da hồ đào dày và dễ lột vỏ, không hạt Quảcho chất lượng tốt khi đạt độ chắc và khối lượng nhất định, chonhiều nước quả Thời tiết lạnh làm màu quả càng vàng sáng vìthế quả có thể chín và vẫn còn màu xanh nhạt trên da Giốngcam này ít được dùng trong chế biến nước quả vì trong quá trìnhchế biến dễ phát sinh vị đắng

Đây là loại quả được xem là ngon và hấp dẫn nhất trong cácloại quả có múi được tìm thấy đầu tiên ở Địa Trung Hải Quả cỡtrung bình với vỏ mỏng có ít hoặc không hạt Có màu đỏ sậmsáng đẹp Nhược điểm lớn nhất là hàm lượng anthocyanin tạo màuđỏ đậm có khuynh hướng bị nhạt trong quá trình chế biến và bảoquản Anthocyanin còn là chất chống oxy hóa mạnh tạo nhiều gốctự do gây ung thư, lão hóa, bệnh nhẹ … Loại cam này thường đượcdùng để ăn tươi, ăn kèm salad, dùng rôti hoặc nướng thịt

Loại này được trồng chủ yếu ở Địa Trung Hải Do nước quả cóđộ ngọt quá cao và hàm lượng acid thấp không đủ khả năng ứcchế vi sinh vật nên loại cam này không thích hợp cho sản xuất nướcép

Hình 1 – Các loại cam phổ biến trong thương mại

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

quả), trồng ở Xã Đoài, xã Nghi Diên, huyện Nghi Lộc, tỉnhNghệ An Quả ngon, thơm có vỏ mỏng và bóng, vị ngọt đậm,

ít xơ Dùng chủ yếu trong sản xuất nước cam và mứt cam

Acidless orange Valencia Orange

Navel orange Blood orange

 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).

màu vàng hay đỏ sẫm, tuy dày nhưng dễ bóc, ruột đỏ, hạtcó màu nâu lục, vị ngọt, hơi chua, hương vị ngon như quýt ÔnChân (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, màuvàng 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

Cấu tạo của quả cam gồm có những phần sau :

 Lớp vỏ ngoài (flavedo) : có màu cam hoặc màu xanh tùytheo giống Lớp vỏ ngoài có chứa rất nhiều các túi tinhdầu

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

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

 Hạt cam : chứa mầm cây

 Lõi : là phần nằm ở trung tâm của quả cam, thành phầntương 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

3.591.251.45

1,223,493,24

Cam chanh (Xã Đoài)

Quýt (Lí

Nhân)

Chanh (Hoà Bình)

I.5 Thu hoạch và bảo quản

Ở nước ta, cam được trồng rộng rãi trên khắp cả nước Cây rahoa quanh năm, thường có hoa vào tháng 1-2, có quả vào tháng11-12 Cam cũng như các loại quả có múi khác thường được thu háikhi mới bắt đầu chín Có thể dùng kéo cắt cuống sát mặt quả.Sau khi thu hái nên để quả ở điều kiện bình thường trong 12-14 giờđể ổn định hô hấp Trong thời gian đó, tiến hành lựa chọn theo độchín, kích thước, loại bỏ những quả bầm giập, sây sát Trongtrường hợp quả nhiễm bẩn nhiều thì phải rửa rồi để khô ráo Đểchống nhiễm trùng có thể bôi vôi vào cuống Để bảo quản camtrong thời gian dài, người ta thường sử dụng một số phương phápnhư: 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

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

II.2 Thuyết minh

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

 Rửa

Rửa có thể tiến hành trước hoặc sau khi phân loại nhằm loại trừtạp chất cơ học như đất, cát bụi và làm giảm lượng vi sinh vật ởngoài vỏ nguyên liệu Yêu cầu cơ bản của quá trình rửa là sau khirửa sạch không bị dập nát, các chất dinh dưỡng không bị tổnthất, 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 dịchtễ (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 côđặc

 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 quantrọng nhất Hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố : phẩmchất nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độchắc của lớp nguyên liệu ép và áp suất ép Dịch bào chứatrong 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 phải làm giảm tính bán thấm củachất nguyên sinh bằng cách làm biến tính chất nguyên sinh haylàm chết tế bào Thông thường người ta sử dụng các phương phápnhư sau : đun nóng, sử dụng nấm 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

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 thể ép 350 – 500 trái/ phút) Chéndưới 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 đườngkính 1 inch ở phần giữa trái cam Dịch quả ở bên trong sẽ thoát rangoài 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 dụngthu 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 lựcnén cắt hai đầu của quả cam

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

 Giai đoạn kết thúc : orifice tube chuyển động lên phía trên tạomột áp lực bên trong ống lọc thô, dịch quả và phần thịt quảsẽ được ép ra ngoài

Sau khi ép, phần dịch quả và thịt quả có kích thước nhỏ hơn cáclỗ lọc trên ống lọc thô sẽ được đẩy ra và chảy vào ống góp ởphía 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 orifice tube Phần lõi và vỏ quả có chứanhiều tinh dầu cam Trong quá trình ép và thoát ra ngoài chén ép,phần vỏ quả bị tổn thương, các tinh dầu sẽ tập trung trên bềmặt vỏ Ở gần cuối máy có một bộ phận phun nước có tácdụng 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, sauđó sẽ được li tâm để tách dầu ra khỏi nước Phần dầu sẽ tiếptục 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 chùmhay ống lồng ống Mục đích của quá trình gia nhiệt là làm kết tủacác thành phần không tan trong dịch quả làm ảnh hưởng đến tínhchất cảm quan của sản phẩm Các thành phần này bao gồmprotid, chất đắng… Nhiệt độ có thể làm protid bị biến tính và tạotủa Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theo các hợpchất gây vị đắng Quá trình này góp phần làm cho dung dịch cóđộ đồng nhất cao và trong hơn Có thể bổ sung chất trợ lắng đểtăng hiệu quả của quá trình Lưu ý cần gia nhiệt thật nhanh ớnhiệt 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 đãkết tủa sau quá trình gia nhiệt làm cho dịch quả đem cô đặc cóđộ đồng nhất cao và loại bỏ những ảnh hưởng xấu của sảnphẩm cô đặc sau này

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, cấu tửhương…) vẫn còn ở dạng dung dịch Tách pha rắn khỏi pha lỏngbằng cách ly tâm kết hợp với dao cạo nước đá, dịch quả thu đượcchính là nước cam cô đặc Nhiệt độ cô đặc được đưa xuốngkhoảng -10oC -15oC Để đảm bảo hiệu suất cô đặc cao ta có thểtiến hành cô đặc nhiều cấp

So với phương pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổnthất chất hoà tan nhiều hơn nhưng sản phẩm có chất lượng cao,giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và đặc biệt là những tính chấtcảm quan đặc trưng của nước quả mà phương pháp bốc hơi khôngcó được

Mặt khác để sản phẩm đạt nồng độ cao bằng cách kết hợp haiphương pháp : lúc đầu cô đặc bằng chân không, sau đó làm lạnhđông tiếp tục đến nồng độ chất khô cần thiết

Nước cam trong quá trình bảo quản và tồn trữ thì hương vị giảmsút rõ rệt Để hạn chế tình trạng này, người ta dùng chai thủy tinhmàu và bảo quản ở nhiệt độ 0-5oC Sau khi rót xong cần phảighép nắp, quá trình ghép kín nhằm cách li hoàn toàn với môitrường không khí và vi sinh vật gây hư hỏng, làm giảm phẩm chất

của sản phẩm Mặt khác nắp chai phải được ghép thật kín vàthật chắc còn nhằm mục đích đảm bảo quá trình thanh trùngkhông bị bật nắp hay hở mối ghép.

Thanh trùng là một quá trình quan trọng có tính chất quyết định tớikhả năng bảo quản chất lượng của sản phẩm Quá trình thanhtrùng nhằm tiêu diệt hoàn toàn hay ức chế các vi sinh vật gây hưhỏng và các nha bào của chúng Yêu cầu của kỹ thuật thanhtrùng là vừa đảm bảo tiêu diệt vi sinh vật có hại còn lại ít đếnmức độ không thể phát triển để làm hỏng đồ hộp và làm hạisức khoẻ người tiêu dùng, lại vừa đảm bảo cho đồ hộp có chấtlượng tốt nhất về giá trị cảm quan và dinh dưỡng

Mục đích của quá trình bảo quản là nhằm theo dõi sự ổn định củasản phẩm, sớm phát hiện các đồ hộp bị hư hỏng Thời gian ổnđịnh của nước quả ít nhất là 15 ngày Tiến hành bảo quản bằngcách lấy riêng 1% số lượng đóng chai, bảo quản tại phong kiểm tra

ở nhiệt độ 37oC để phát hiện sự hoạt độïng của một số vi sinhvật có hại (phương pháp bảo ôn sản phẩm)

Đây là khâu cuối cùng của quy trình sản xuất Các chai được đónggói, dán nhãn và xuất xưởng Sản phẩm được phân phối ra thịtrường và đến tay người tiêu dùng

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 côđặc) với nồng độ chất khô ban đầu là x = 10% Sản phẩmcó nồng độ chất khô là 30% Năng suất 5000T/năm

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

 Trong thực tế, lượng chất khô trong dịch nước cam là hỗn hợpphức tạp nhiều cấu tử nhưng để đơn giản ta xem dịch nướccam ép là hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn gồm nước và chấtkhô tan trong nước

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

 Trên giản đồ ta xác định được nhiệt độ kết tinh của nước camtheo đường kết tinh của táo

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

 Nhiệt độ của kết thúc quá trình cô đặc (x=0.3) : t2 = -5oC ;

Khối lượng riêng

 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 cáithu được sau kết tinh 1

M2, x2 : Khối lượng dịch cái và nồng độ chất khô trong dịch cáisau KT2

M1, M2 = Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K1, K2 sauKT1 và KT2

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

K2, xk2 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lêntinh 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

=>

Trong đó xđ = 0,1, x1 = 0,2, xk1 = 0,02 ; Gđ = 1 kg/h

I.3.2 Tại thiết bị lọc 1

 Mục đích : Lọc dịch cái 1 và tinh thể nước thô Sau đó đưa tinhthể nước đá thô đi qua máy 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 thểcó dịch bám vào

 1 : bề dày lớp dịch bám

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

I.3.3 Tại thiết bị kết tinh 2

Ở đây, dịch M1 sau khi lọc (khối lượng còn M1 - M1) sẽ đượcđem kết tinh lần 2 thu được dịch M2 và khối tinh thể thô K2 với nồngđộ chất khô tương ứng là x2, xk2 Ta có

=>

I.3.4 Tại thiết bị lọc 2 – Lọc ly tâm

Lượng dịch cái M2 còn sót trong khối tinh thể là

I.3.5 Tại thiết bị rửa

 Cho tinh thể K1 và K2 có chứa dịch sót M1, M2 vào thiết bịrửa R3 với lượng nước rửa là M3 Lượng tinh thể sau rửa cókhối lượng là K3, trong đó có tích một lượng nước rửa là

M3 , nước rửa này có thể xem như không có chất khôhoà tan trong đó Còn lượng nước nước thu hồi M’3 có nồngđộ x3 có thể được đưa và hỗn hợp dịch ép lúc ban đầu đểgiảm mất mát chất khô

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

nên ta chọn 

 Tính cân bằng vật chất

 Theo khối lượng :

K1 + K2 + M3 + M1+ M2 = K3 + M’3 + M3 = (1 - (K1 + K2) + M’3

Với K3 = (1 - (K1 + K2)

 Theo chất khô

K1xk1 + K2xk2 + 0 + M1x1 + M2x2 = (1 - K1xk1 + (1 - K2xk2 +M’3x3 + 0

 Lượng tinh thể sau rửa là

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

 Lượng nước rửa lấy theo tỷ lệ lượng tinh thể cần rửa với

hệ số tỷ lệ 0 (thường 0 = 0.2– 1) Chọn 0 = 0,6

 Lượng nước ra khỏi thiết bị rửa M’ 3

Từ phương trình cân bằng vật chất

Vì tỷ lệ thất thoát này là không đáng kể nên ta không cần hồilưu nước rửa này vào hỗn hợp đầu Lượng nước rửa này có thểđược 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%

 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 trongquả 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)

Bảng 6 – Tổng kết cân bằng vật chất cho cả quy trình sản xuất

(%)

Đầu vào (kg/h)

Đầu ra (kg/h)

2 Chọn lọc, phân loại 3.0% 12201.6 11835.5

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 gầnđúng 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 :

(1) (2) (3) (4) (5)

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]

Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dịch ép, J/kg.độ;

r – khối lượng riêng của dịch 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

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

c đá

J/kg.đ ộ



Pa.s

dd,

W/m K

đa ù, W/m K

(1) Nhập liệu 0.10 30 1037 3961.23 - 1.792E-03 0.3415

-(2) Làm lạnh 0.10 3 1037 3940.86 - 1.792E-03 0.3398 (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 chotoàn quá trình cô đặc kết tinh bao gồm (lượng nhiệt này được cungcấp 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 = 3951,05J/kg.độ

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

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

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 :

Qkt1 = 1,15 (Q1 + Qdd1 + Qkt1 + Qđá1)

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

J/kg dịch đầu.h

Nhiệt lượng tổng kJ/h

Nhiệt lượng tổng kW

1 Làm lạnh sơ

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 vỏáo, đáy và nắp ellipse tiêu chuẩn

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 hưởngđến 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, kiểuhàn 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 = m3/h

 Tính kích thước thùng

 Thể tích thùng :

Vthùng = Vthân + Vđáy + Vnắp =

m3

 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 :

Hdd1 = Hdd(thân) + Hdd(đáy) = m

 Tính bề mặt truyền nhiệt

 Để đảm bảo truyền nhiệt tốt thì lớp vỏ áo của thiết bịđược bao cao hơn chiều cao mực chất 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

N1 = => 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 thôngsố kích thước của thùng 2 giống 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 = = 2,83 3 thùng

 = 4h; Vdd2 = 2,08 m3

=> 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 khí quyển: PT = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2

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

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

Aùp suất tác động lên thân thiết bị là

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 sởđiều kiện làm việc nguy hiểm nhất, đó là trường hợp khi ta tháoliệu mà chưa xả tác nhân ra hết lúc đó áp suất tác động lênthân 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 việccộng với 20oC (thiết bị có bọc cách nhiệt) Nhưng trong điều kiệnthiết bị làm việc ở nhiệt độ thấp như vậy nên ta chọn luônnhiệt 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 :

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

 Ứng suất cho phép :

 Hệ số bền mối hàn : h = 0,95

 Mô đun đàn hồi :

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

Hệ số an toàn chảy : nc = 1.65

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

 Bề dày tối thiểu

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

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

Et = 20,5.104 N/mm2 - Môđun đàn hồi;

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

 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

 Kiểm tra bền

(1) Kiểm tra điều kiện :

(2) So sánh : và

=> Thoả điều kiện (2)

(3) Kiểm tra

=> 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

=> < và

(2) Aùp suất cho phép :

Trong đó : là ứng suất nén được xác định bởi công thức :

=> 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 Vỏthiết bị chịu áp suất trong (Xem như bề mặt cách nhiệt không tácdụng 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 : ;

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

 Hệ số bền mối hàn : h = 0,95

 Tính bề dày vỏ:

Xét:

- Bề dày tối thiểu :

- Khi 1000 Dt 2000 mm thì S’ = 4 mm

- Bề dày thực : S = S’ + Ca + Cb + Co

Trong đó : Ca : hệ số ăn mòn của NH3 Chọn Ca = 0.5 mm

Co : hệ số quy tròn kích thước Chọn Co = 0.5 mm

- Kiểm tra :

- Áp suất cho phép:

thỏa điều kiện bền => chọn bề dày vỏ là 5 mm

Để đơn giản trong việc thiết kế và gia công, ta chọn các thông sốkích thước của 2 thùng kết tinh là như nhau :

Bảng 9 – Tóm tắt các thông số tính toán cho các thùng kết tinh

tính Thùng kết tinh 1 Thùng kết tinh 2

Bề mặt truyền

Bề mặt truyền

3 Điều kiện làm việc

Dung dịch (trungbình)

Nhiệt lượng toả ra mỗi

I.3 Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt

Bề mặt truyền nhiệt là phần bề mặt của thành thiết mà tácnhân lạnh và dung dịch tiếp xúc Bề mặt truyền nhiệt của thiết

bị kết tinh là : F = 7,737 m2

Hệ số truyền nhiệt tổng quát :

Với : : Hệ số toả nhiệt phía thân, W/m2.oC;

: Hệ số toả nhiệt phía vỏ, W/m2.oC;

thép :Hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị làm bằng thépkhông gỉ; W/m2.K;

đá : Hệ số dẫn nhiệt của lớp đábám, W/m2.K;

thép, đá : Bề dày của thành thiết bị; thép = 10 mm, đá =0,5 mm

I.3.1 Sơ đồ tính toán

Hình 5 – Sơ đồ khối tính toán bề mặt truyền nhiệt

I.3.2 Tính toán bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 1

I.3.2.1 Tính hệ số toả nhiệt phía thân  1