đồ án chuyên ngành cô đặc hệ 3 nồi chân không liên tục sữa có đường - luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao như dung dịch đường đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp.. Các nhà sản xuất thường quan

DBO AN CHUYEN NGANH CO DAC HE 3

NOI CHAN KHONG LIEN TUC SUA CO

DUONG

2 Sơ lược về nguyên liỆU: 2© +©+£Ex++EEEExeEEEEEEEEEEerxerkerkrrkrrkerrerre 4

3 Thành phần hoá học của 1 lít sữa bò - +-©5++2++£+++£x+Exterxeerxrrrrrrvee 5

4 Phân loại thiết bị cô đặc +-2++++22++etEEEEEetEEEExrErEErrtrrrkrrrrrrrrrrrrrrree 6

TL SƠLƯỢC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC -222222EEE2222111117212 11111EEE , 12

II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG -:++rccccccvrrrrrrrree 12

1 — Cân bằng vật chất . -6-5+©c++ttEteEtSkeEkerrkrrkerkererrrrrrrrree 13

2 _ Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nôi ¿- 2-©2+2++ertvrrerrrerrrrrrrrrrke 14

3 Xác định tổn thất nhiệt độ hệ thống 2- ¿2 ©+2£+x££xe+rxeerxerrxerreere 15 3.1 Tổn thất do nồng độ (A `) -2£©<+©+++E+E+E+EtEEEvEEESEEEEEEEerkevrkeerkeerkerrrcee 15 3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (A' -¿ «+ se+se+cxe+rxe+cscee 16

3.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống (A °””) - 16

3.4 Tổn thất chung cho toàn hệ thống ¿2-2 ©++£x++x++txzerxerseee 16

3.5 Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nôi . -2-c+22vsceeccscee 16

4 Tính nhiệt lượng riêng, nhiệt dung r1Êng - - < + + + #*+*££+sz£exzee 16 4.1 Nhiệt lượng riÊng Ăn nh TT TH Hưng 16 4.2 Nhiệt dung riÊng: - «+ nh HT TT ng Hưng nưy 16

5 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết 17

II CAC THONG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH -2222EEE++222222EEEEEttrrree 20

2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ¿-©2+©++©+2E+2E+erxterxerrerrrrrrrrrrrrer 22

3 Hệ số cấp nhiỆt -+-©2+ 22t 2 22 22 112112112111711711111111211 11.1 crree 22 3.1 Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị -©55+¿ 22 3.2 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch . ++©+©cs+czsscreee 23 3.3 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nổi . -¿ ¿©+©++c++cz+ezrssrrsee 25

IV KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ sscstrretrreerrerrrrrrrrrrrre 26

V TINH CO KUE a Ô ÔÔÔỎ 29

1 _ Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia cÔng -+-+-«-s+cs+s+cseseereers 29

2 Xác định điều kiện làm viỆc - 2 2 5© +xe+ExeExerxerxevrxerxerxerxerreerxee 29 3 Tính bể dày thân chịu áp suất ngoài . -cc+++c+eerxerrrrerrrrrrrrrrerrrrrrrr 30

4 Tính bể dày đáy, nắp buồng đốt và buồng bốc . -¿-c+c++cce++rx+ 33 4.1 Nắp, đáy elip làm việc áp suất ngoài -c++cccccrrerrrrrrrrrtrrrrrrrrrree 33 4.2 Đáy nón làm việc áp suất ngOài: -s-c++cxteExterxverrkerrrerrkerrkerrkerrkee 34

5 Cac BO phan Phu 36 S.1 Bich va DULONg? 36

5.2 Vi Ong va dia phan pPhOi nn ssecsesscssseecsseesseeecseeecsnscessscessseecseeesneeesneeesneeesnseeses 37

5.3 Tai 0 ecsceecccesessesesessesesessescsessesescsssscsessseesesessesessseesesesesecsesnsessesessescesseseeecseneees 38

5.4 Tinh bé day 16p cAch mhiét ecceecssscssesesssescseteesnsesescessseesseeeesneeesececnneensnseeses 41

CHƯƠNG 3: TÍNH TOAN THIET BI PHU csssssssssssssnsesssssssesestsnsesnstinseinstinsesnstee 42

I THIẾT BỊNGƯNG TỤ BAROMET -.s set 42

I THIET BI GIA NHIET TH HH HH TH TH HH TT HT TT TH TT T0 47

1 Chọn bơm chân không - ¿5+ + ++x#ESEEEkrxeterrkrrrrkrrrrrerrrre 50

2 Chọn hệ thống ống dẫn khí -2+©++2cxtttrrtrrrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 50 3 Xác định độ dẫn khí của các ống dẫn và trở lực của toàn hệ thống 51

Đồ án chuyên ngành

4 Xác định thời gian hút khí và áp suất tới hạn của hệ thống . - 52

CHƯƠNG 4:ĐIÈU KHIÊN QUÁ TRÌNH . -2 ++©VE++et2EE++ettEExeerrvrrrrrrrreree 54

I CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC - 54

IL ĐẠI LƯỢNG CẦN ĐIỀU CHỈNH 2+222222EEEE22EEEE221 2eEEEre 56 IIL TAC DONG ĐIỀU CHỈNH 222222EEEEE22222222 21111111111EE.E rrree 57

IV CAC THONG SO CAN KIEM TRA waessssssssssssssssssssssscsssssssssssssesessssessssesensssesee 57 V HB THONG DIEU KHIEN cescccssssssssscssssssssssesesssssssssssseesessesssssssssssssssssesesesseseseteeee 57

V000) 06‹4 c1 AẬÂậẬHẬậẬậẬÀ) ,Ôò 62

CHUONG 1:

TONG QUAN

I NHIEM VỤ ĐỒ ÁN

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch sữa đặc có đường bằng thiết bị ống dài, ba nôi,

xuôi chiễểu, liên tục

e _ Năng suất nhập liệu: 2000 kg/h

e _ Nồng độ đầu: 10% khối lượng

e _ Nồng độ cuối: 74% khối lượng

e _ Áp suất ngung tu: 0,1 at

có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun

nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh

Trong đổ án này ta dùng phương pháp nhiệt Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng của dung dịch (tức khi

dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch

đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp

2 Sơ lược về nguyên liệu:

Người ta có thể sản xuất sữa cô đặc có đường từ nguyên liệu chính là sữa tươi hay sữa

tái chế (sữa tái chế được chuẩn bị từ bột gầy, chất béo khan từ sữa và nước) Ngoài ra,

người ta còn sữ dụng đường saccharose, lactose và một số phụ gia Để là giảm giá thành

sản phẩm, một số nhà sản xuất dùng dầu thực vật để hiệu chỉnh hàm lượng chất béo trong

sản phẩm

Sữa tươi và sữa tái chế: trong sẵn xuất sữa cô đặc, nguyên liệu sữa tươi và sữa tái chế

phẩi đạt các chỉ tiêu về cẩm quan, hoá lý và vi sinh vật tương tự như trong sản xuất sữa tiệt trùng và các sản phẩm khác từ sữa Các nhà sản xuất thường quan tâm đến hai chỉ tiêu dưới đây:

e Sự ổn định của các protein sữa với tác nhân nhiệt càng cao thì càng tốt: yêu cầu này nhằm hạn chế sự đông tụ protein trong các quá trình xử lý nhiệt, đảm bảo cấu

trúc sản phẩm được đồng nhất và không bị kết tủa Để làm tăng tính ổn định của các protein sữa, các nhà sản xuất cần sử dụng một số phụ gia thích hợp

Đồ án chuyên ngành

e _ Hàm lượng vi sinh vật trong sữa càng thấp càng tốt: do quá trình cô đặc sữa diễn ra

ở nhiệt độ thấp (65 — 70°C) nên sẽ hoạt hoá các bào tử trong sữa và làm cho chúng

nảy mầm, đồng thời các tế bào sinh dưỡng chịu nhiệt sẽ không bị ức chế trong quá

trình cô đặc

Đường saccharose: saccharose là một disaccharide do glucose va fructose tao thanh Việc sữ dụng saccharose trong sản xuất sữa đặc có đường với mục đích làm tăng áp lực

thẩm thấu trong sản phẩm, nhờ đó kéo dài thời gian bảo quản sữa cô đặc Thông thường,

các nhà sản xuất sữ dụng tinh thể saccharose (tinh luyện) để sản xuất sữa cô đặc có đường Các chỉ tiêu chất lượng như sau: hàm lượng saccharose không thấp hơn 99.8%, độ

ẩm không vượt quá 0.05%, độ tro không lớn hơn 0.03% và độ màu không quá 309

ICUMSA

Đường lacfose: trong sản xuất sữa đặc có đường, người ta bổ sung lactose vào sữa tươi dưới dạng mầm tinh thể nhằm mục đích điều khiển quá trình kết tinh lactose sao cho kích thức tinh thể phải nằm trong một khoảng giá trị yêu câu Nếu kích thước tinh thể lactose

quá lớn thì sẽ ảnh hưởng xấu đến giá trị cảm quan của sản phẩm Trước khi sữ dụng, đường lactose sẽ được sấy khô và nghiền mịn đến kích thước vài um

Phụ gia: quan trọng nhất là nhóm phụ gia có chức năng ổn định các protein sữa nhằm hạn chế hiện tượng đông tụ protein dưới tác dụng của nhiệt Các nhà sẳn xuất thường sữ dụng muối sodium phosphate, citrate hoặc tetrapolyphosphate

Ngoài ra, để ổn định hệ nhũ tương của sản phẩm, một số nhà sản xuất còn bổ sung các

loại vitamin, gồm các loại vitamin tan trong nước và các vitamin tan trong chất béo

Dầu thực vật: dầu thực vật là chất béo có giá thành thấp hơn chất béo khan từ sữa Một số công ty tại Việt Nam sữ dụng dẫu thực vật (như dầu cọ) để hiệu chỉnh lượng chất

béo trong sản phẩm sữa cô đặc Hàm lượng chất béo trong sữa cô đặc thường dao động

trong khoảng 8 — 9% Việc sữ dụng dầu thực vật sẽ góp phần làm giảm giá thành sản phẩm nhưng có thể ảnh hưởng đến một số chỉ tiêu vật lý và cảm quan sản phẩm Chỉ tiêu

chất lượng quan trọng của dầu là hàm lượng triglyceride, độ ẩm, chỉ số acid, peroxide va

iodine Mỗi công ty sẽ tự để xuất mức giá trị cụ thể cho chỉ tiêu chất lượng của dầu

nguyên liệu

3 Thành phần hoá học của 1 lít sữa bò

Các thành phần Trạng thái Khối lượng | %KL

Nước Pha lỏng, tổn tại ở hai dạng: nước tự do và 902 87,4

Chất béo (25+45) g/I | Ở dạng cầu béo: là những chất béo có

đường kính (1+10)um, được bao bằng một 39 3,78

màng lipoprotein, ở dạng nhủ tương

Ở dạng các hợp chất hoà tan trong chất

béo: các sắc tố (P-caroten) sterol (cholesterol), các vitamin

Hợp chất nitơ Ở dang mixen 28g: ở dạng huyễn phù, là

(25+45) g/I phức của phosphat canxi liên kết với liên

Chất khoáng 6 trạng thái keo hoà tan như: ở dạng phân

(25+40) g/I tử và ion (axit xitric, K, Ca, P, Na, Cl, Mg); 9 0.87

ở dạng các nguyên tố trung lượng (Zn, AI, >

Fe, Cu I )

Các chất khác Các chất xúc tác sinh học: vitamin (A, D,

E, K, Bị, Bo, PP, Bo, By, C, ) Và các Vết enzime

Các chất khí hoà tan: COz, Oa,

4 Phân loại thiết bị cô đặc

Thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm:

-Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên Thiết bị dạng

này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự

nhiên của dung dịch dễ đàng qua bể mặt truyền nhiệt

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức Thiết bị trong

nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn

hay kết tỉnh từng phần trên bể mặt truyền nhiệt

-Nhóm 3: dung dịch chẩy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi

xuống Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bể mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung

dịch

Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài

Tuỳ theo điều kiện của dung dịch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp

suất thường hay áp suất dư

5 Lựa chọn thiết bị cô đặc

Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói trên

ta chọn loại thiết bị ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buông đốt ngoài, sử dụng ba nổi xuôi chiều liên tục

Ưu điểm của hệ thống:

Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiểu liên tục có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách dùng hơi thứ của nổi trước làm hơi đốt của nổi sau Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dân từ nổi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch ở nổi cuối cùng sẽ thấp

Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm giảm bớt chiều cao thiết bị, tách bọt triệt để do buông đốt cách xa không gian hơi

Nhược điểm:

Hệ cô đặc 3 nổi xuôi chiều loại ống dài không có lợi khi phải cô đặc dung dịch có

độ nhớt cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dịch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy ra

Không thích hợp khi cô đặc dung dịch đến nồng độ cuối cao và dung dịch dễ kết tinh vì dung dịch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống

Với ống quá dài nên việc vệ sinh ống khó khăn và ống chịu sự dãn nở vì nhiệt nhiễu

Thuyết mình quy trình công nghệ:

1 Sữa tươi nguyên liệu

Sữa tươi nguyên liệu sau khi kiểm tra tiêu chuẩn vệ sinh thường có chất khô

(10,6+0,1)% Để chất lượng sữa tươi nguyên liệu có chất lượng ổn định chúng sẽ được làm

lạnh ở môi trường nhiệt độ (4+z8)°C và được đưa vào bổn có dung tích phù hợp đã được

khử trùng

2 Gia nhiệt sơ bộ

Sữa tươi ở nhiệt độ (4+8)°C từ bồn chứa sẽ được bơm vào vào bổn cân bằng Do bồn

cân bằng có van phao kiểm soát mức sữa nên tránh hiện tượng dao động dòng sữa nguyên

liệu cấp vào tháp cô đặc

Từ bổn cân bằng sữa tươi được đưa qua vỉ trao đổi nhiệt, nhờ trao đổi nhiệt với sản

phẩm sữa cô đặc của nồi cô đặc thứ 3 (hồi nhiệt) có nhiệt độ 55°C thì nhiệt độ của sữa

tươi tăng lên (20:26)°C Sau đó ra khỏi vỉ sữa tươi lại tiếp tục được gia nhiệt sơ bộ nhờ

bốn thiết bị gia nhiệt kiểu ống chùm Nhiệt ở đây được tái sử dụng từ phần hơi dư của mỗi tháp cô đặc Trước khi vào thiết bị thanh trùng, nhiệt độ sữa tươi có thể đạt đến

(55+60)°C

3 Thanh tring

Sau khi gia nhiệt sơ bộ, sữa tươi sẽ đi vào thiết bị thanh trùng để được nâng nhiệt lên

đến nhiệt độ thanh trùng Thiết bị thanh trùng là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Sữa tươi đi trong ống trao đổi nhiệt gián tiếp với hơi đi ngoài ống Hơi nước cấp vào thiết

bị thanh trùng nhờ một ejector mà phần đẩy là hơi cấp chính, phần hút là hơi thứ cấp của

tháp cô đặc một

Ra khỏi thiết bị thanh trùng sữa tươi tiếp tục qua hệ thống ống giữ nhiệt khoảng hai

phút Nhờ đó các vi khuẩn gây hại sẽ bị tiêu diệt hết

4 Cô đặc

Việc cô đặc sữa tươi trong hệ thống này gồm 3 giai đoạn tương ứng với 3 nồi cô đặc

Nồi cô đặc hoạt động theo nguyên lý chẩy màng: sữa tươi được bơm lên đỉnh tháp và chảy

tràn xuống các ống (dạng ống chùm) trên đường chảy xuống đáy tháp, sữa tươi tạo thành một màng mỏng trên thành trong của ống Nhờ tiếp xúc gián tiếp với hơi được ngưng tụ theo phương pháp thông thường, trong đó nồi cô đặc 2 là thiết bị ngưng tụ cho nồi nổi cô đặc 1, nổi cô đặc 3 là thiết bị ngưng tụ cho nồi cô đặc 2 Hơi nước bốc ra từ tháp cô đặc 3

được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ baromet Nước này được cấp từ một tháp giải nhiệt

Hơi nước bão hòa cấp vào tháp cô đặc I qua một ejector mà phần đẩy là hơi cấp chính, phần hút là hơi thứ cấp của tháp cô đặc 1

kế tiếp Sau khi ra khỏi nổi cô đặc 3, sữa cô đặc sẽ đạt được độ khô cần thiết Độ khô của sữa tươi được xác định bằng một bộ đo tỉ trọng tự động, nó xác định áp suất hơi cần thiết

để cấp vào ejector của nổi cô đặc 1 Do đó, muốn tăng độ khô của sản phẩm cuối cùng thì cần phải tăng áp suất hơi cấp vào nổi cô đặc 1 vì lưu lượng cấp vào là cố định

Ấp suất chân không trong hệ thống hình thành do: thiết bị ngưng tụ và nhờ bơm chân

không, hơi nước sẽ được bơm chân không hút thải ngoài bắt buộc phải qua thiết bị ngưng

tụ để tách nước Sữa cô đặc ở môi trường chân không sẽ có nhiệt độ cô thấp, không gây phản ứng oxy hóa và biến tính cho sữa về nhiệt độ

Về mặt cấu tạo thiết bị cô đặc có dạng thân hình trụ, đặt đứng, gồm 3 bộ phận chính:

bộ phận nhận nhiệt (còn gọi là buồng đốt), không gian phân ly, bộ phận phân ly

Buồng đốt: bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ Các ống được bố trí

theo đỉnh hình tam giác đều, các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống Trong đó hơi nước (còn gọi là hơi đốt ) sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống Dung dịch nước mía sẽ được cho chẩy thành màng

mồng bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ

sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Phần hơi sẽ được tạo ra ở vùng trung tâm ống,

dung dịch sẽ được chảy thành màng mỏng sát thành ống

Điều kiện cần thiết để quá trình truyền nhiệt xả y ra là phải có sự chênh lệch nhiệt

độ giữa hơi đốt và dung dịch đường; tức là phải có sự chênh lệch áp suất của hơi đốt

và hơi thứ trong nồi

Các đại lượng, thông số ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của buông đốt là:

> Nhiệt độ và áp suất trong nổi vì nó liên quan mật thiết đến nhiệt độ sôi trong nôi đó Nếu áp suất trong nồi càng thấp thì điểm sôi càng thấp, áp suất hơi càng lớn, dung dịch đường sôi càng mạnh Tuy nhiên nếu áp suất càng thấp thì

độ nhớt của dung dịch lớn, ảnh hưởng đến đối lưu và truyền nhiệt Và nếu áp suất thấp thì nhiệt độ của hơi thứ bốc lên cũng thấp, làm giảm khả năng truyền nhiệt cho các nổi sau nếu như lượng hơi thứ này được sử dụng làm hơi đốt cho nổi sau

> Nhiệt độ nhập liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Nếu nhập liệu ở trạng thái chưa sôi thì khi vào buồng đốt phải tốn thêm một lượng nhiệt để

đưa nó đến trạng thái sôi Nhưng do dung dịch được nhập liệu vào nôi với tốc độ

không đổi, và nó chảy từ đầu ống đến cuối ống không có tuần hoàn trở lại nên nếu nhập liệu ở trạng thái chưa sôi thì khi đi hết ống nó chưa nhận đủ lượng nhiệt cần thiết để đạt đến nông độ yêu cầu

Hỗn hợp hơi-lỏng đi qua khỏi dàn ống, đến không gian phân ly và bộ phận phân ly, gọi chung là buồng bốc

Không gian phân ly: là phần không gian rộng lớn để tách hỗn hợp lỏng hơi thành hai

dòng, dòng hơi thứ cấp đi lên phía trên của buồng bốc đến bộ phận phân ly, dung dịch còn

lực trọng trường các hạt chất lỏng to, nặng sẽ rơi xuống và tách khỏi đồng hơi thứ và chảy xuống dưới, còn dòng hơi sẽ tiếp tục đi lên trên

Bộ phận phân ly: trong quá trình bốc hơi dung dịch, dòng hơi thứ được tạo thành khi

tách khỏi bề mặt dung dịch luôn kéo theo một lượng nhất định các hạt chất lỏng dung dịch Nếu dùng hơi thứ này để làm hơi đốt cho nồi sau bằng cách ngưng tụ thì dung dịch sẽ lắng đọng làm bẩn bể mặt ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt Mặt khác nếu kéo theo nhiều dung dịch sẽ gây tổn thất dung dịch Do vậy nhiệm vụ của bộ phận phân ly ở đây là

phải tách các hạt chất lỏng dung dịch còn lại ra khỏi hơi thứ cấp Ta sử dụng 3 phương

pháp vật lý sau để phân ly hơi thứ cấp:

> Sử dụng lực trọng trường:

> Dùng lực dính ướt của chất lỏng: khi các hạt chất lỏng chạm vào bể mặt vách rắn, lực dính ướt sẽ dính các hạt lỏng trên bŠ mặt và sau đó chảy xuống dưới

> Dùng lực ly tâm: khi cho dòng hơi thứ cấp quay tròn, nhờ lực ly tâm các hạt

chất lỏng bị văng ra, chạm vách rắn chảy xuống

> Để quá trình phân ly đạt hiệu quả cao thì chiều cao của không gian phân ly phải đủ lớn

Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Chất làm lạnh là nước

được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào mâm cuối của thiết

bị Hai dòng lỏng và hơi đi ngược chiều với nhau để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt nên nó sẽ ngưng tụ thành lỏng rơi trở xuống Khi ngưng

tụ chuyển từ hơi thành lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm làm áp suất giảm, do đó tự bản

thân thiết bị áp suất sẽ giảm Vì vậy thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, nó duy trì áp suất chân không trong hệ thống Dòng hơi thứ đi từ dưới lên, ngưng

tụ, chẩy xuống, khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bình tách Bình tách

là một vách ngăn, nó có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài Quá trình tách nước ra khỏi khí không ngưng để tránh trường hợp nước bị hút vào bơm chân không gây va đập thủy lực, nó được thực hiện bằng cách sử dụng lực dính ướt của chất lỏng và lực trọng trường Ấp suất làm việc của thiết bị baromet là áp suất

chân không do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự

chay ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tổn tại trong thiết bị

ngưng tụ quá nhiều (vì hệ thống làm việc liên tục), làm cho áp suất của thiết bị ngưng tụ

tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi 3

5 Làm lạnh

Trước khi và bồn chứa, sữa cô đặc được làm lạnh xuống khoảng (4+8)°C nhờ trao đổi

gián tiếp với nước lạnh khi đi qua bộ trao đổi nhiệt vỉ

10

Đô án chuyên ngành

6 Thành phẩm

Sữa sau cô đặc được chứa trong bổn 2 vỏ có dung tích phù hợp, có cánh khuấy, có bảo

ôn và có hệ thống làm lạnh Nếu nhiệt độ của sữa cô đặc lớn hơn 8°C thì sẽ tiếp tục làm lạnh tại bổn chứa

CHƯƠNG 2:

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

I SOLUGC VE THIET BỊ CÔ ĐẶC

Mục đích của cô đặc là bốc hơi nước trong dung dịch sữa

@ Những yêu cầu đối với thiết bị cô đặc:

- Khoảng không gian sữa cần nhỏ nhất, không có khoảng không chết

- Sữa lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất

- Đảm bảo thoát nước ngưng tụ dễ dàng Việc thoát nước ngưng tụ có liên quan chặt

chẽ đến tốc độ bốc hơi Nếu có một nỗi nào đó thoát nước ngưng không tốt, nước ngưng đọng lại nhiều trong phòng đốt, làm giảm lượng hơi đốt vào phòng và ảnh hưởng đến

tốc độ bốc hơi

- Thiết bị đơn giản, diện tích đốt dễ làm sạch

- Thao tác khống chế đơn giản, tự động hoá dễ dàng

+ Kí hiệu các đại lượng:

Kí hiệu đơn vị ý nghĩa

x %KL nồng độ trung bình của dung dịch sữa

t, °C nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch

ts °C nhiệt độ sôi của dung dịch

“a” kí hiệu ứng với nhập liệu

+ Mục đích : Giúp tính toán hơi đốt hữu ích, Q, At¡ để tính toán bể mặt truyền nhiệt, từ

B3: Xác định nhiệt độ tại mỗi nổi tị, t2, t3, twi , tw2, fw3;

B4 : Xác định nhiệt độ tổn thất cho mỗi nôi;

B5 : Xác định nhiệt độ sôi của mỗi nồi;

B6 : Xác định nhiệt độ chênh lệch hữu ích mỗi nôi;

B7 : Kiểm tra điều kiện:

Ate Atrill v sợ

max(Af,;,Af„¿,¡)

Nếu điều kiện thỏa thì ngừng, nếu điều kiện không thỏa thì lặp lại từ B1

4 Tính lại W¡, Wa, Wa, D theo phương trình cân bằng năng lượng của nổi 1, nồi 2,

Nồng độ dung dịch nhập liệu: xa=0,10

Nông độ dung dịch sản phẩm: xe= 0,74

i

Lượng hơi thứ tạo thanh cla cd hé: Ws = Ga (1-74) => W, =1729,73 kg/h

Cc i=l

Đối với từng nồi:

Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ: a =1,05

2 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nôi

Gọi Pì, Pạ, P, Pạ là áp suất hơi đốt trong các nôi I, II, IH, và thiết bị ngưng tu

Giả sử sự giảm áp xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giẩm theo tỉ lệ sau:

Gọi tự, twa, twa là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nổi 1, nổi 2, nổi 3

Tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn hơi thứ A”=1°C

Từ áp suất Pw¡, Pw›, Pwa đã biết, ta tra bảng I-151/T377-[1] ta được nhiệt độ hơi

thứ của nổi 1, nồi 2, nổi 3, từ đó biết được nhiệt độ hơi đốt qua công thức (9) Biết nhiệt

độ hơi đốt ta biết áp suất hơi đốt bằng cách tra bảng I-250/T375-[ 1]:

14

Đồ án chuyên ngành

Bang 1

P.i(a |tufC) |Ps(a) |öð(ŒC) |Ps(a) |(ŒC) |Pa(aoÐ | triC)

Hơi đốt | 3 132,90 | 1,575 |11217 |0,682 | 88,69 | 0,10 45,40 Hơi thứ |1626 | 113,17 | 0,711 | 89,69 |0,100 | 45,40

A'= baa — tam

Ta sit dung cong thtte Tisenco: A'= A) f = A).16,2 r

Trong d6: Aj 1a tén thất nhiệt độ theo nồng độ %kI

t; là nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, °C

r là ẩn nhiệt hoá hơi của dm ở áp suất làm việc, J/kg

Xem dung dịch sữa có tính chất tổn thất nhiệt độ theo nồng độ %kl như dung dịch đường, tra đồ thị hình VI.2/T60-[2] ta có:

(273+t,)°

(VI.10/T59-[2])

3.2 Tổổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (A°))

Vì chọn chế độ chảy màng bằng hệ thố.ng ống dài nên xem như dung dịch sôi ở mặt thodng tite A’’=0°C

3.3 Tén that nhiét dé do trở lực thuỷ học trên đường ống (A’’’)

Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi

nọ và từ nôi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1°C Nên:

Ay =A =A} =1°C=> A? =3°C 3.4 Tổn thất chung cho toàn hệ thống

Nồi I1 Atiii = tp1 — to2 - Ai 19,18

Nồi 3 Ati = tps — tne - As 37,48

4, Tinh nhiét lugng riéng, nhiét dung riéng

41 Nhiệt lượng riêng

-_ I1à nhiệt lượng riêng của hơi đốt, J/kg

- _ 1 là nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg

Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ) I-250/T375-[1]

42 Nhiệt dung riêng:

- _ Nhiệt dung riêng của dung dịch sữa trước khi cô đặc:

Xa = 10% < 20% nên Cọ = 4186(1 — xạ)

16

5 Lap phuong trinh cAn bing nhiét lugng va tinh lugng hoi dét cAn thiét

— Dạ, Dạ, D; là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)

- Gg, G, là lượng dung dich đầu và cuối hệ thống (kg/h)

— W¡, W¿, W¿ là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h)

— C¡, Ca, C; là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nổi 1,2,3 (J/kg.độ)

— Cạ, C, là nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ)

— Cai, Caa, Cạy là nhiệt dung riêng của nước ngưng nổi 1, 2, 3 (1/kg.độ)

— lì, lạ, lạ là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg)

— i}, in, ï› là hàm nhiệt của hơi thứ nôi 1, 2, 3, (J/kg)

te, t la nhiét do dau và cuối của dung dịch, (°C)

— ti, tb, ta là nhiệt độ sôi của dung dịch nỗi 1, 2, 3 ở Py (°C)

—_Ø,,8.,Ø,là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, (°C)

— Qại, Qua, Qua là nhiệt tồn thất ra môi trường nôi 1, 2, 3, (J)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng: LQvao = ZQra

Ta có bảng tổng kết cân bằng cho các nồi:

Bang 8

Dung dich dau mang vao Ga.Ca.te

Hơi đột mang vào DỊ,

Dung dịch (ở nôi l ra) mang vào (G¿— W¡)C¡t

Nội 2

Dung dịch mang ra (G¿—W¡ —W;)Cat;

Ra

Nước ngưng mang ra D2Cx2 82

Tén that nhiét chung 2 Qu = 0.05D:];

Hơi đột mang vào Daly

Dung dich (ở nôi 2 ra) mang vào (Gg -W, —W2)Cots

Nội 3

Dung dịch mang ra (Ga—W, —W; —W)Cat;

Ra

Nước ngưng mang ra DạC,; Ô;

Ton thất nhiệt chung 3 Qua = 0.05D¡];

18

(G, -W,)Ct, + Dsl, =Wai, +(G, —W, —W,)Cyt, + DyC,.0, +0,05D,1,

Biến đổi ta được:

W, (0,951, —C,t, + Cyt, — C9.) +W, (Cyt, -i,) = G, (Cyt, — Ct) (5.2)

+ N6i3:

Ở nồi 3 chi ¥: D3 = W2 va W = W1 + W2 + W3

Dyl, +(G, —W, -W,)Cyty =Wyi; +(G, —W)C,t, +DC,,0, + 0,05D, 1,

Biến đổi ta được:

W, (0.951, —C,,0; — Cyt, +i;) —W,(Cyty -i) = G, (Cyts-Cyt, ) + Wi; — Cyt) (5.3)

Giả thiết nhiệt cung cấp cho quá trình cô đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thể xem nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: Ø = tp

Từ phương trình (5.2) và (5.3), với số liệu ở các bắng trên, ta tính được:

Như vậy, sai số giữa giá trị tính toán và chọn lựa có sai số không quá 5% nên các

kết quá tính toán trên được chấp nhận

Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình (1): Dị = 788,50 kg/h

gia tốc trọng trường (g = 9,81m/s”) chiều cao thiết bị

đường kính thân thiết bị điện tích bề mặt truyền nhiệt đường kính ống truyền nhiệt đường kính trung bình ống truyền nhiệt tổng số ống truyển nhiệt

số ống truyền nhiệt trên đường chéo chính thể tích thiết bị

vận tốc lưu chất cường độ bốc hơi thể tích

hệ số điều chỉnh cho cường độ bốc hơi thể tích

hệ số cấp nhiệt bước ống truyền nhiệt chiều dày ống truyền nhiệt

hệ số dẫn nhiệt

độ nhớt tuyệt đối khối lượng riêng

kích thước hình học đặc trưng

kí hiệu ứng với hơi đốt

kí hiệu ứng với hơi thứ

kí hiệu bên ngoài ống truyền nhiệt

kí hiệu bên trong ống truyền nhiệt

kí hiệu ứng với buồng đốt

kí hiệu ứng với buông bốc

kí hiệu ứng với ống truyền nhiệt

20

Đồ án chuyên ngành

% Sơ đồ các bước tính toán:

1 Chọn vật liệu ống truyễển nhiệt và các thông số về kích thước thiết bị: Hạ, dụ, dạ, n

2 Chọn 2 giá trị chênh lệch nhiệt độ phía hơi đốt A¿ rồi suy ra nhiệt độ vách ngoài tương ứng

3 Tính hệ số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía hơi đốt (#z„ và 4ø)

4 Tinh chênh lệch nhiệt độ giữa hai phía của thành ống và chênh lệch nhiệ t độ phía

dung dịch

5 Chọn số ống truyền nhiệt nonọn

6 Tinh hé số cấp nhiệt và cường độ dòng nhiệt phía dung dịch (#, và #„)

7 Coi cường độ dòng nhiệt phụ thuộc tuyến tính vào Az, ,ta dựng hai đường thẳng

qp=f(A/„) và qL = g(A7„), giao điểm của hai đường thẳng này ứng vớigiá trị Ar,

cần xác định Lặp lại các bước 2 - 4 với giá trị này

§ Kiểm tra điểu kiện:

10 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi

11 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt F

12 Tính lại số ống truyền nhiệt n

13 kiểm tra điều kiện:

1 Độ nhớt

Độ nhớt ở nông độ đầu và nồng độ cuối theo mục 1.1.2/T319-[3] và nội suy độ nhớt ở nồng độ giữa theo nồng độ đầu và cuối, ta có bảng độ nhớt:

2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

Tính theo công thức 7.172/T323-[3]: Ä = 4„(— x)+ Ä„x

Trong đó:

2 là hệ số dẫn nhiệt của sữa, W/(m.K);

An 1d hé số dẫn nhiệt của nước, W/(m.K) ;

+, là hệ số dẫn nhiệt của chất khô trong sữa, W/(m.K)

Tuy nhiên ở đây không số liệu về hệ số dẫn nhiệt của chất khô trong sữa Do trong sữa có chứa một hàm lượng chất béo nhất định - là sản phẩm của phản ứng este hoá giữa

glixerin với axit béo nên hệ số dãn nhiệt của nó có thể tương ứng nhau Thực tế tra theo

toán đồ hình I-49/T170-[1] của dung dịch glixerin ở nhiệt độ 20 °C, nồng độ 74% có giá trị 0,286 kcal/(m.h.°C) gần đúng với kết quả ở bảng 7.35/T323-[3] là 0,24 kcal/(m.h.°C) ở cùng điều kiện

Mô tả sự truyền nhiệt qua thành ống:

Ở đây ta dùng hơi nước bão hoà làm hơi đốt đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc

đi trong ống Do đó khu vực sôi bố trí bên trong ống còn phía ngoài ống là lớp màng nước

ngưng tụ Màng nước ngưng này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt

Như vậy quá trình truyển nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai

đoạn:

- Truyển nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt là œ¡ với nhiệt tải là q¡ (W/m?);

- _ Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bể dày ồ, m;

- _ Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt œ2 và hiệt tải là qo (W/m’)

3.1 Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị

Theo định luật Niutơn ta có: đi =ŒIAti

Trong đó At¡ là hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ ( bằng nhiệt độ hơi bão

hoà) và nhiệt độ thành: A tị =tpn— tr, chọn A tia) = 0,65ỐC, A tia) = 050C, A tiạa; = 0,50C;

Chọn tốc độ của hơi nhỏ (œ°< 10 m/s, chính xác hơn khi po” < 30) và màng nước

ngưng chuyển động dòng (Re„ <100) thì hệ số cấp nhiệt œ¡ đối với ống thẳng đứng được

tính theo công thức sau:

2