THIẾT BỊ CHỊU ÁP LỰC VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Thiết bị chịu áp lực là thiết bị có áp suất do mỗi chất tác dụng lên phía trong hoặc phía ngoài của thành thiết bị. Thiết bị được gọi có áp suất chỉ khi: áp suất làm việc của thiết bị (áp suất dư) lớn hơn áp suất môi trường. Hiện nay, theo QPVN những thiết bị làm việc với áp suât lớn hơn 0,7 at thì được gọi là thiết bị chịu áp lực. Lực tác dụng lên phía trong: nồi hơi, bình chứa. Lực tác dụng lên phía ngoài: nồi hai vỏ... Thiết bị chịu áp lực được thiết kế chính dùng để chứa các môi chất khí và lỏng ở một áp suất khác với áp suất của môi trường. Thiết bị chịu áp lực được sử dụng trong cả hai lĩnh vực công nghiệp và sinh hoạt. Nó xuất hiện trong công nghiệp như bình chứa khí nén và bồn chứa nước nóng. Các thiết bị chịu áp lực khác chẳng hạn như: nồi hấp, than hơi, tháp chưng cất và nhiều thiết bị khác trong khai thác khoáng sản hoặc nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu, bình phản ứng hạt nhân trong tàu vũ trụ, tàu ngầm trong hệ thống phanh khí nén xe cơ giới, tàu lửa và tồn chứa các khí hóa lỏng như amoniac, chlorine, propane, buane,... Thiết bị chịu áp lực về lí thuyết nó có thể có bất kì hình dạng nào nhưng hình cầu, hình trụ thường được sử dụng. Về mặt lý thuyết mặt cầu sẽ có hình dạng tối ưu cho thiết bị chịu áp lực nhưng khó sản xuất do đó nó đắt tiền hơn. Vì vậy phần lớn thiết bị chịu áp lực là hình dạng hình trụ với hai đáy là hình elip. Thiết bị chịu áp lực được thiết kế để vận hành một cách an toàn tại một nhiệt độ và áp suất cụ thể, kĩ thuật được gọi là, Áp suất thiết kế và Nhiệt độ thiết kế. Một thiết bị được thiết kế không phù hợp để sử dụng với một áp suất cao sẽ gây ra mối nguy hiểm rất lớn. 1.2. Các loại thiết bị chịu áp lực Các thiết bị chịu áp lực trong công nghiệp gồm có hai loại chính: Các thiết bị không bị đốt nóng gồm : bình chứa không khí nén, các bình chứa khí nén (oxy, nito, amoniac, CO2,...), bình chứa khí hía lỏng như gas LPG, bình ga NH3,bình ga Freon, bình sinh khí axetylen, các ống dẫn hơi, dẫn khí có áp suất... Các thiết bị đốt nóng gồm nồi hơi và các b

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài:

THIẾT BỊ CHỊU ÁP LỰC VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Người thực hiện: Phạm Thị Hoài Xinh MSSV: 2022150117

Người kiểm tra: Đỗ Ngọc Thịnh

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 12 năm 2016

LỜI MỞ ĐẦU

Trong nền kinh tế hiện đại, các loại thiết bị chịu áp lực đóng một vai trò quantrọng trong sản xuất và cả sinh hoạt, là cơ sở để hiện đại hóa các quá trình côngnghệ, cơ khí hóa các công việc nặng nhọc Ở nước ta hiện nay, các thiết bị chịu áplực đang được sử dụng rộng rãi và ngày càng nhiều Có thể nói rằng không có mộtdoanh nghiệp sản xuất nào là không sử dụng một trong các loại thiết bị chịu áplực Theo số liệu ước tính hiện nay trên cả nước có khoảng 0,5 triệu nồi hơi, gần8.000 hệ thống lạnh, khoảng 30 triệu thiết bị áp lực bao gồm cả các loại chai chứakhí

Các loại thiết bị chịu áp lực được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như côngnghệ may, công nghệ hóa học, kĩ thuật môi trường, y tế v.v Đặc biệt trong lĩnhvực công nghệ thực phẩm Tuy nhiên việc sử dụng thiết bị chịu áp lực luôn luôngắn liền với những yếu tố nguy hiểm như nổ thiết bị, rò rỉ môi chất độc hại, bỏngnhiệt, điện giật, va đập cơ học.v.v Trong đó nguy hiểm nhất là hiện tượng nổ vỡthiết bị chịu áp lực Khi nổ thiết bị chịu áp lực, nó gây ra hậu quả rất to lớn, có thểlàm chết và bị thương nhiều người, phá huỷ công trình nhà xưởng và thiết bị Vìvậy vần đề đặt ra là phải tìm hiểu kĩ các yêu cầu về kĩ thuật an toàn khi sử dụngcác thiết bị chịu áp lực Bên cạnh đó, em đang học chuyên ngành đảm bảo chấtlượng và an toàn thực phẩm với mong muốn tìm hiểu ứng dụng của các loại thiết

bị này trong thực phẩm Nếu có gì sai sót thì kính mong thầy đóng góp ý kiến đểbài tiểu luận của em được hoàn thiện hơn

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỊU ÁP LỰC

1.1 Khái niệm thiết bị chịu áp lực

Thiết bị chịu áp lực là thiết bị có áp suất do mỗi chất tác dụng lên phía trong hoặc phía ngoài của thành thiết bị

Thiết bị được gọi có áp suất chỉ khi: áp suất làm việc của thiết bị (áp suất dư) lớn hơn áp suất môi trường Hiện nay, theo QPVN những thiết bị làm việc với áp suât lớn hơn 0,7 at thì được gọi là thiết bị chịu áp lực

- Lực tác dụng lên phía trong: nồi hơi, bình chứa

- Lực tác dụng lên phía ngoài: nồi hai vỏ

Thiết bị chịu áp lực được thiết kế chính dùng để chứa các môi chất khí và lỏng

ở một áp suất khác với áp suất của môi trường Thiết bị chịu áp lực được sử dụng trong cả hai lĩnh vực công nghiệp và sinh hoạt Nó xuất hiện trong công nghiệp như bình chứa khí nén và bồn chứa nước nóng Các thiết bị chịu áp lực khác chẳnghạn như: nồi hấp, than hơi, tháp chưng cất và nhiều thiết bị khác trong khai thác khoáng sản hoặc nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu, bình phản ứng hạt nhân trongtàu vũ trụ, tàu ngầm trong hệ thống phanh khí nén xe cơ giới, tàu lửa và tồn chứa các khí hóa lỏng như amoniac, chlorine, propane, buane,

Thiết bị chịu áp lực về lí thuyết nó có thể có bất kì hình dạng nào nhưng hình cầu, hình trụ thường được sử dụng Về mặt lý thuyết mặt cầu sẽ có hình dạng tối

ưu cho thiết bị chịu áp lực nhưng khó sản xuất do đó nó đắt tiền hơn Vì vậy phần lớn thiết bị chịu áp lực là hình dạng hình trụ với hai đáy là hình elip

Thiết bị chịu áp lực được thiết kế để vận hành một cách an toàn tại một nhiệt

độ và áp suất cụ thể, kĩ thuật được gọi là, "Áp suất thiết kế" và "Nhiệt độ thiết kế".Một thiết bị được thiết kế không phù hợp để sử dụng với một áp suất cao sẽ gây ra mối nguy hiểm rất lớn

1.2 Các loại thiết bị chịu áp lực

Các thiết bị chịu áp lực trong công nghiệp gồm có hai loại chính:

- Các thiết bị không bị đốt nóng gồm : bình chứa không khí nén, các bình chứakhí nén (oxy, nito, amoniac, CO2, ), bình chứa khí hía lỏng như gas LPG, bình ga

NH3,bình ga Freon, bình sinh khí axetylen, các ống dẫn hơi, dẫn khí có áp suất

- Các thiết bị đốt nóng gồm nồi hơi và các bộ phận của nó, các balông hơi, nồi nấu, sấy, hấp,

1.2.1 Các thiết bị không bị đốt nóng

Các thiết bị không bị đốt nóng gồm các bình chứa (Oxy, nito, amoniac,

CO2 ), bình chứa ga, bình sinh khí axetylen, các ống dẫn hơi, dẫn khí

Đặc tính quan trọng nhất của Oxy là khả năng phản ứng của nó Chỉ có một số

ít phân tử là không phản ứng với Oxy Các tiến trình đốt cháy và Oxy hóa với môi trường giàu Oxy sẽ nhanh hơn trong môi trường không khí Đặc tính này làm cho Oxy trở nên cần thiết cho phần lớn các ứng dụng Công Nghiệp

Oxy sản xuất công nghiệp bằng cách phân đoạn khí hóa lỏng, sử dụng zeolit với

áp lực chuyển động để tập trung oxy từ không khí, điện nước và các phượng tiện

khác

Hình 1.1 Máy sản xuất bình oxy mini

Trong công nghiệp, bình chứa khí nén oxy được sản xuất với nhiều dung tích khác nhau: 40 lít với áp suất làm việc 135 - 150 bar, 10 lít,

Hình 1.2 Bình khí Oxy 40 lít

Tuy nhiên, với nhu cầu của khách hàng sử dụng lớn hơn 15 chai/ ngày và việc

sử dụng bình khí nén oxy sử dụng mất an toàn trong lao động sản xuất Để giảm bớt chi phí cho người sử dụng cũng như an toàn trong lao động sản xuất, người ta

đã sản xuất ra bình oxy lỏng cấp bằng bình lỏng XL45 với dung tích 175 lít

Khí oxy lỏng có màu xanh nhạt, oxy lỏng được sản xuất bằng hệ thống từ bình lỏng siêu lạnh XL45 Ở đây, oxy được cấp ở dạng lỏng sau đó chuyển qua hệ thống hóa hơi, van điều áp và bình tích khí Sức chứa một bình XL45 khí oxy tương đương 24 chai khí oxy cao áp 40 lít

- Theo phương CA thì nồng độ khí oxy được sử dụng với nồng độ thấp để tạo

ra môi trường cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật; tham gia vào quá trình hô hấp hiếu khí, chín sau thu hoạch và lão hóa Thiếu oxy rau quả sẽ hô hấp yếm khí nên cần phải duy trì nồng độ oxy ở mức tối thiểu trong kho bảo quản

Nồng độ oxy trong bảo quản các loại rau quả

Nồng độ oxy tối thiểu trong kho

2 Dâu tây, đào, đu đủ, kiwi, mận, mơ, thơm, bắp,

bông cải, cần tây

5 Quả có múi, đậu xanh, khoai tây, măng tây

Hình 1.4 Lê được bảo quản với nồng độ O2 2%

Trong phòng bảo quản thì chuối được bảo quản với nồng độ O2 2%, CO2 4% thì cho kết quả tốt

Hình 1.5 Chuối được bảo quản với nồng độ O2 2 - 5%

Trong phòng bảo quản, chuối được bảo quản với O2 2 - 5%; CO2 2 - 5%, nhiệt

độ 10 - 160C, bảo quản được lâu 6 - 8 tuần

Đối với chuối được vận chuyển bằng đường biển bảo quản ở nhiệt độ 12 -

160C và O2 2 - 5%; CO2: 2 - 5%, thời gian bảo quản kéo dài tới 6 tháng

- Theo phương pháp MA: Tăng thời gian bảo quản táo với nồng độ O2 thấp,

CO2 cao

- Theo phương pháp MAP: Thực phẩm được bao gói trong bao bì với thành phần không khí đã được sửa đổi khác hằn với không khi bên ngoài

Với lượng oxy từ 60 - 80% có thể giữ được màu đỏ tự nhiên của thịt

Nồng độ lớn hơn 5% tạo mô cơ có độ sáng và ức chế sự biên đổi không thuận nghịch Sử dụng nồng độ oxy lớn hơn 50%, cải thiện mùi vị tươi của sản phẩm baogói

Hình 1.6 Thịt thỏ được đóng gói với O2 70%

Thịt thỏ được đóng gói hiệu chỉnh bằng bao bì PE với thành phần không khí

là 30% CO2 + 70% O2 và bảo quản ở 10C

Cũng có thể bảo quản thịt gà tây được đóng gói PE sạch với thành phần không khí 80% O2 + 20% CO2 và được bảo quản ở nhiệt độ 40C Có thể bảo quản được 14 ngày

1.2.1.2 Bình chứa CO2

CO2 (carbon dioxide) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất Là một chất khí không vị, không màu, không mùi và không cháy Đặc tính của carbon dioxide là tính trơ và độ hòa tan trong nước cao nên CO2 là khí hỗ trợ cho cuộc sống hằng ngày và trong công nghệ môi trường

Ở nhiệt độ dưới -780C ngưng tụ tạo thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khô (thể rắn)

CO2 lỏng chỉ được tạo thành dưới áp suất 5,1 bar; ở điều kiện áp suất khí

quyển, nó chuyển trực tiếp từ pha khí sang rắn hay ngược lại theo quá trình gọi là

sự thăng hoa

Khí CO2 thực phẩm được bán ra thị trường với số lượng lớn CO2 tinh khiết được ứng dụng trong nghành công nghệ thực phẩm với quy trình bia, rượu, nước giải khát,

* Việc sử dụng khí CO2 để duy trì một bầu không khí trở nên một sản phẩm dạng lỏng hoặc bột bên trong các nhà kho, bể chứa, xilo, lò phản ứng, thiết bị xử líhoặc tàu bè Khí trơ CO2 sẽ giúp ngăn ngừa sẽ giúp ngăn ngừa sự xuống cấp hư hỏng các sản phẩm từ độ ẩm và oxy

Hình 1.7 Xilo bảo quản thực phẩm

Hình 1.8 Bồn chứa CO2

* Đóng băng sản phẩm, làm lạnh nhanh

Các dạng lỏng và rắn (đá khô) của khí CO2 được sử dụng để làm lạnh và đông băng nhanh các sản phẩm thực phẩm CO2 ở dạng lỏng và rắn khi làm đông lạnh thực phẩm có thể đạt được một tốc độ nhanh hơn và nhiệt độ thấp hơn so với

hệ thống nhiệt cơ điện lạnh

Hình 1.9 Sản phẩm được đóng băng

Kỹ thuật xử lý thực phẩm bằng khí CO2 được ra đời và phát triển với mục đích là kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm Kỹ thuật xử lý bằng CO2 giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm Tồn trữ thịt với nồng độ CO2 thích hợp sẽ trì hoãn sự biến chất trên bề mặt thịt Ở nồng độ 10% CO2 thì thời gian bảo quản thịt tăng lên 2 lần so với cùng điều kiện bảo quản Đây là cách kéo dài thời gian tồn trữ thịt lạnh tới 60 – 70 ngày

* CO2 tinh khiết được dùng để tạo gas cho sản phẩm nước giải khát, bia, đồ uống có gas

Năm 1770, nhà hóa học người Thụy Điển Torbern Bergman đã sáng chế ra thiết bị để tạo khí CO2 trong nước có gas trên cở sở phản ứng CaCO3 với H2SO4

CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2 + H2O

Thiết bị tạo khí CO2 mới này, mở đầu cho công nghệ sản xuất nước khoáng cógas nhân tạo

Hình 1.10 Nước khoáng có gas nhân tạo

Ở nhiệt độ bình thường carbon dioxide là một chất khí Nếu chỉ bơm nó vào

chất lỏng thì đại bộ phận không hòa tan được Vì vậy các nhà sản xuất đã nén trực tiếp trong chai, khi nổ ra thường nghe tiếng nổ nhẹ Đồng thời, áp lực trong chai nhỏ, CO2 bay ra, sẽ xuất hiện bọt hơi, khi rót vào ly nước, CO2 hòa tan trôi lên bề mặt để thoát ra ngoài, nên nó xuất hiện bọt để bám vào thành ly hoặc bề mặt Khi bọt tan hết, khuấy đều ly đựng chất lỏng, nó lại xuất hiện tới khi CO2 bay hết.

Để đáp ứng cho công nghệ đóng chai, đã có trên 1500 patent công nghệ của

Mỹ được cấp cho việc phát minh chế tạo các phụ kiện đóng chai như nút, nắp, vỏ chai, chịu được áp suất lớn của khí CO2 trong chai Nhiều giải pháp công nghệ

đã được tìm kiếm, để hạn chế sự thất thoát khí CO2 ra khỏi bao bì thủy tinh Năm

1892, tác giả Wiliam Painter thuộc công ty Baltimore đã thành công trong việc sáng chế "Gioăng nút chai Crown", đó là giải pháp đầu tiên rất hiệu quả để giữ khí

CO2 trong chai thủy tinh

Hình 1.11 Sục khí CO2 vào bia

* Trong việc bảo quản rau quả, thực phẩm tươi

Hiện nay chất khí dùng để bảo quản thực phẩm rau quả chủ yếu là CO2 và kết hợp với bảo quản lạnh Để tạo ra khí CO2 với nồng độ cần thiết, người ta bơm tuyết CO2 hay khí CO2 bơm vào các phòng bảo quản kín Đối với rau quả nồng độ kín CO2 từ 10 - 12% là tốt nhất

Việc sử dụng CO2 tinh khiết dùng trong thực phẩm quá nồng độ cho phép, sử dụng CO2 không đảm bảo chất lượng có thể gây ngộ độc cho người dùng và nhữnghiểm họa không lường về sức khỏe

Ngoài ra, như đã trình bày trong phần bình chứa oxy, thì CO2 cùng với O2 với

hàm lượng nhất định và nhiệt độ thích hợp sẽ bảo quản được các loại thực phẩm tươi sống và củ quả.

Hình 1.12 Bảo quản rau quả tươi bằng phương pháp MAP

* Trong kĩ thuật đóng chai: Khi bơm khí CO2 hoặc khí Nitơ trong các sản phẩm đóng chai sẽ loại bỏ và ức chế Oxy sản sinh ra từ sản phẩm sẽ giữ được

thời gian bảo quản, ngăn ngừa quá trình oxy hóa và mất hượng vị cho sản phẩm.

Hình 1.14 Ứng dụng CO2 trong kĩ thuật đóng chai

1.2.1.3 Bình chứa Nitơ

Khí Nitơ chiếm 78% thể tích không khí tự nhiên Ở nhiệt độ chuẩn, khí Nitơ

là một khí không màu, không mùi, không vị Khí Nitơ không độc và là một khí trơ

về phương diện hóa học Khí Nitơ không duy trì sự cháy và có thể ngăn chặn tiến trình cháy do đặc tính nặng hơn không khí Khí Nitơ có thể gây ngạt, bởi vì nó hấpthụ Oxy Dưới áp suất khí quyển, khí Nitơ hóa lỏng ở nhiệt độ -1960C

Trong quá trình sử dụng, khí Nitơ phải tuân thủ theo hướng dẫn an toàn theo tiêu chuẩn IGV, EIGA, CGA

Trong công nghệp, khí Nitơ được sử dụng tinh khiết 99,999% với nhiều dung tích và áp suất khác nhau Khí Nitơ trong công nghiệp là loại khí thay thế không khí trong các thiết bị chạy bằng khí nén, thời gian sử dụng của các thiết bị này phụthuộc rất nhiều vào độ khô của khí nén Do Nitơ có độ khô rất lớn so với khí nén nên thiết bị sử dụng khí Nitơ có tuổi thọ rất cao

Hình 1.15 Khí Nitơ tinh khiết

Trong công nghiệp thực phẩm, khí Nitơ lỏng cũng được ứng dụng rộng rãi trong quy trình làm kem tại chỗ Khí Nitơ được làm lạnh đến -1960C được bảo quản trong bình kín có chất lượng cao

Hình 1.16 Khí Nitơ lỏng được chiết ra bình nhỏ

Nguyên liệu làm kem được đưa vào máy đánh kem để trộn đều như công việc làm kem bình thường Chúng ta có thể pha trộn mùi vị tùy ý, miễn sao phù hợp vớikhẩu vị mỗi người Sau đó, dùng khí Nitơ lỏng để xịt thẳng vào Công đoạn xịt Nitơ lỏng phải thật nhanh chỉ trong vòng khoảng 20 giây Nhiệt độ lạnh của Nitơ lỏng sẽ làm lạnh và đông kem ngay Kem vẫn giữ được hương vị ngon mà kem truyền thống không có được

Hình 1.17 Làm lạnh nhanh kem bằng Nitơ lỏng

Khí Nitơ được dùng để tạo bọt bia: Bằng cách sử dụng N2, polypeptit bọt bia được tạo ra trong rất mịn, lâu tan hơn so với khí CO2 và có cẩm giác rất ngon

Hình 1.18 Ứng dụng Nitơ tạo bọt bia

Sử dụng khí Nitơ trong quá trình đóng chai, đóng nắp hộp thực phẩm hoặc sử dụng bình Nitơ lỏng nhỏ giọt trong quá trình đóng nắp hộp Trong quá trình đóng chai, rất nhiều khí O2 được đẩy vào chai tăng quá trình oxy hóa, vì vậy người ta sửdụng khí Nitơ để đẩy oxy ra ngoài và giúp bảo quản tốt hơn

Khi sử dụng khí Nitơ thay cho không khí có chứa O2 sẽ có tác dụng diệt khuẩn, giúp chất hữu cơ không bị xâm nhập bởi vi khuẩn và nấm mốc

Sử dụng khí Nitơ là phương pháp kinh tế, ít tốn kém thay thế cho các phụ gia

để giảm thiểu sự sinh trưởng vi khuẩn, giảm oxy bảo quản hương vị và hình dạng của sản phẩm tăng hạn sử dụng của sản phẩm cũng như cải thiện hình thức tươi mới của sản phẩm

Trong chế biến rượu, N2 dạng khí thường được dùng trong công nghiệp chế biến rượu trong các công đoạn khác nhau như sục khí, phủ khí, sục bọt Các công đoạn này làm giảm sự oxy hóa enzym sản sinh vi khuẩn và bảo quản rượu khỏi bị oxy hóa

Ngoài ra, người ta còn ứng dụng khí N2 cùng với khí O2 và CO2 với hàm lượng nhất định sẽ bảo quản được thực phẩm tươi sống trong bao bì

Theo phương pháp MAP - phương pháp bảo quản thực phẩm thì cá gầy nên bảo quản trong bao goái với hỗn hợp khí 60% CO2 và 40% khí N2.

1.2.1.4 Bình chứa khi amôniac

Amôniac là một hợp chất vô cơ có công thức phân rử NH3 Ở điều kiện tiêu

chuẩn, nó là một khí độc, có mùi khai, tan nhiều trong nước.

Ứng dụng chủ yếu trong điều chế phân đạm, điều chế acid nitric, là chất sinh hàn, dùng đề làm bánh bao, sản xuất hidrazin N2H4 dùng làm nhiên liệu cho tên lửa và áp dụng trong công nghệ làm lạnh

Khí NH3 được đựng trong thùng thép có thể chứa từ 50, 60, 70 kg/thùng

1.2.2 Các thiết bị đốt nóng

Các thiết bị đốt nóng bao gồm: nồi hơi, nồi nấu, nồi sấy, nồi hấp

1.2.2.1 Nồi hơi

Nồi hơi là thiết bị sử dụng các nhiên liệu như (than, củi, trấu, giấy vụn…)

để có thể đun sôi nước tạo thành hơi nước mang nhiệt để có thể phục vụ cho nhu cầu về nhiệt trong lĩnh vực công nghiệp Tùy theo mục đích sử dụng mà tạo ra