Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước mía

Các loại mía trồng  Loài Saccharum officnarum L 1753 mía nhiệt đới, mía quý Hình 1.1: Mía loài saccharum officnarum L Nguồn:https://vi.wikipedia.org/wiki/accharum_officinarum#/media/ Fi

PHẦN 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 1

1.1.1.Giới thiệu chung về cây mía 1

1.1.2 Phân loại mía 1

1.1.3 Cấu tạo của cây mía 3

1.1.4 Thành phần hóa học của cây mía 5

1.1.5 Thu hoạch và bảo quản 6

1.1.6 Quy trình cô đặc nước mía 7

1.1.7 Thuyết minh 8

1.2 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 12

1.2.1 Giới thiệu chung về cô đặc 12

1.2.2 Phân loại 12

1.2.3 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm 13

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ CHÍNH 14

2.1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU 14

2.1.1.Lượng nước bốc hơi của hệ thống (hơi thứ) 14

2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong nồi 14

2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong nồi 15

2.2 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 15

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ nồi 15

2.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ ∑∆ 15

2.2.3 Hiệu suất nhiệt độ hữu ích ∆t hi và nhiệt độ sôi dung dịch 17

2.2.4 Xác định nhiệt dung riêng dung dịch 17

2.2.5 Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ nồi 18

2.3 TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT 19

2.3.1 Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp 19

2.3.2 Hệ số truyền nhiệt K của nồi 19

2.4 KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT 24

2.4.1 Số ống truyền nhiệt 24

2.4.2 Ống tuần hoàn trung tâm 25

2.4.3 Đường kính trong buồng đốt 25

2.5 KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC 26

2.6 ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 27

2.6.1 Đối với dung dịch và nước ngưng 27

2.6.2 Đối với hơi bão hòa 28

2.7 TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH 30

CHƯƠNG 3 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC 31

3.1 HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI 31

3.1.1 Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi 31

3.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng cuả mía (tính trên 100g) 5

Bảng 2.1 Nhiệt độ và áp suất hơi của nồi 15

Bảng 2.2 Lượng nhiệt do hơi cung cấp 19

Bảng 2.3 Gía trị A phụ thuộc và tm 20

Bảng 2.4 Hệ số cấp nhiệt ∝1, phía hơi ngưng tụ 21

Bảng 2.5 Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi 22

Bảng 2.6 Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi 24

Bảng 2.7 Bề mặt truyền nhiệt 25

Bảng 2.8 Kích thước buồng bốc 27

Bảng 2.9 Kích thước các ống dẫn 29

Bảng 2.10 Bảng tóm tắt thiết bị chính 30

Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước kí hiệu như sau:

- [ AI - X] - Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

- [ AII - X] - Sổ tay qúa trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2, Nhà xuất bản Khoahọc và Kỹ thuật

-[B - X] - Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, Ts Phan VănThơm

-[ AIII - X] - Các quá trinh và thiết bị trong Công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3, các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, tác giả Phạm Xuân Toàn

Với: X: Số trang

Số chỉ công thức, bảng hay địa chỉ web được ghi trong dấu ( )

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1.1.1.Giới thiệu chung về cây mía

Cây mía xuất hiện trên trái đất từ thời rất xa xưa, khi lục đại châu Á và châu Úccòn dính liền Một số tác giả cho gần vùng Tân Guinia là quê hương của cây mía nguyên thủy và từ đây mía được đưa đến các vùng khác nhau trên thế giới Tuy nhiên, trong tác phẩm “ Nguồn gốc của cây trồng” của De Candelle lại viết: “ Cây mía được trồng đầu tiên ở vùng Đông Nam Á, rồi từ đó qua Châu Phi và sau cùng là Châu Mỹ” (Humbert, 1963) Trong ngôn ngữ Sankrit( tiếng phạn) các từ như Sarkara hay Sakkarachỉ tên đường ăn là bất nguồn từ ngôn ngữ Châu Á, đều đó càng khẳng định cây mía được bất nguồn từ đây Khi cây mía được đưa đến trồng ở vùng Ả Rập, tên Sarkara hay Sakkara được chuyển thành Sukkar Từ vùng Ả Rập cây mía được đưa sang Ethiopia, Ai Cập, rồi Sicilia… và những thập tự quân đưa đến Chipre Những người Ả Rập cũng đưa mía vào Tây Ban Nha, thái tử Bồ Đào Nha Don Enrique nhập mía đem trồng ở đảo Madeira rồi từ đó chuyển đến Canarias Ở vùng này, điều kiện khí hậu, đấtđai rất thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của cây mía, và chính nơi đây đã sản xuất ra tất cả lượng đường tiêu dung của Châu Âu trong vòng 300 năm Cây mía được đưa đến châu Mỹ trong chuyến đi thứ 2 của Cristobal Colon vào năm 1493 và trồng tạiđảo Santo Domingo Cuối thế kỉ 18 ở châu Âu người ta tìm ra loại đường mới lấy từ cây củ cải đường rồi từ đó đường mía và đường củ cải cùng song song phát triển (Humbert, 1963)

1.1.2 Phân loại mía

Mía thuộc họ Gramineae ( hà thảo), họ phụ Andropogoneae, tộc Saccharinnae, chiSaccharum Chi Saccharum có 10 loài, trong đó chủ yếu có 3 loài mía trồng và 2 loàidại

Các loại mía trồng

 Loài Saccharum officnarum L (1753) (mía nhiệt đới, mía quý)

Hình 1.1: Mía loài saccharum officnarum L

(Nguồn:https://vi.wikipedia.org/wiki/accharum_officinarum#/media/

File:Sugar_cane_madeira_hg.jpg)

Là loài mía trồng chính, vì vậy tên Saccharum officinarum.L được dùng để chỉ chungcho các loài mía trồng Loài mía này thích hợp vùng nhiệt đới Đặc điểm chính là: cây

to, thịt mềm, nhiều nước, tỉ lệ đường cao Nhược điểm chính: tính kháng bệnh thấp.Các giống địa phương của nước ta thuộc loài S.officinarum có mía voi, mía đỏ, míatím,mía mưng…

 Loài Saccharum sinense Roxb, Emend, Jesw (1819) (Mía Trung Quốc)

 Loài Saccharum barber jesw (1925) (mía Ấn Độ)

Thích hợp điều kiện á nhiệt đới Thân nhỏ, lóng hình trụ, tỷ lệ xơ cao Đặc tính nônghọc có lợi là sức sống khỏe, đẻ khỏe, bộ rễ phát triển manh, chịu han tốt, kháng đượcnhiều loại sâu bệnh

Các loài mía dại

 Loài Saccharum spontaneum L (1771) (mía dại vùng Tây Nam Á)

 Loài Saccharum robustum Bround Jesw (1929)

Jeswiet phát hiện ra loài này ở Tân Gui-nê năm 1929 Đặc điểm loài này là thân nhỏ,lóng dài, tỉ lệ đường thấp, sức sống khỏe và ra hoa Thân cây tuy cao nên cứng nênchống được gió bảo và sâu đục thân, kháng bệnh kém, nhất là những bệnh ở cổ rể.Trong tộc Saccharinae có nhiều chi có quan hệ chặt chẽ với chi saccharum.Mulkherjee đã xếp các chi này vào 1 hệ thống gọi là “phức hệ Saccharum”, gồm cácchi: Saccharum + Eriathus + Sclerostachia + Narenga + Sorghum Trong thiên nhiên,các chi trong phức hệ Saccharum có thể tạp giao với nhau và sự tạp giao này đã xảy ratrong quá trình phát triển và di chuyển của giống Brande cho rằng sự xuất hiện cácdạng đa bội là bằng chứng rõ rệt về sự tạp giao này Sự tạp giao tự nhiên này đã phátsinh loài S.-officinarum – cơ sở của những giống mía đầu tiên.

1.1.3 Cấu tạo của cây mía

Cây mía bao gồm các bộ phận (hay các tổ chức) chính là: rễ, thân, lá, hoa và hạt Mỗi

bộ phận của cây mía đều có những chức năng riêng Đối với sản xuất, chế biến, thânmía là đối tượng chủ yếu, là sản phẩm thu hoạch

Rễ: Mía có hai loại rễ chính: rễ sơ sinh (rễ hom) và rễ thứ sinh (rễ vĩnh cửu) Trongloại rễ thứ sinh còn được chia làm ba nhóm theo chức năng sinh lý của nó là rễ hấpthụ, rễ chống đỡ (rễ xiên) và rễ ăn sâu (rễ hút nước) Ngoài ra, còn có một loại rễ thứ

ba gọi là rễ phụ sinh đâm ra từ đai rễ ở trên thân mía

3

Hình 1.7: Hoa mía

(Nguồn:https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q=hoa%20m

%C3%ADa#imgrc=UFT6P1zR_y0IlM:)

Hạt mía: trông như một chiếc vảy khô, nhẵn, hình thoi, ở trong chứa albumin, tinh bột

và một mầm nhỏ Khi chín, hạt có màu biến đổi từ vàng sang màu hạt dẻ và không bị nứt

Hình 1.8: Hạt mía

(Nguồn:https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q=h%E1%BA%A1t%20m

%C3%ADa#imgrc=aw-yn-7FzoD41M:)

1.1.4 Thành phần hóa học của cây mía.

- Trong thân mía có Sacarroza 7-10%, protein 0.22%, chất béo 0.5%

- Các chất men: Lacaza, tyrozinaza, oxydaza ba loại men này chỉ có trong mía no

- Vỏ cây mía chứa chất béo gồm axit oleic, axit linoleic, axit stearic và axit capronic

- Nước mía có màu nâu

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng cuả mía (tính trên 100g)

Dấu hiệu mía chín, mia chín là lúc ham lượng đường saccharose trong mía đạt tối đa

và một lượng đường khử còn lại ít nhất Thu hoạch mía tốt nhất là khi mía đạt độ chín

kỹ thuật, có hàm lượng đường phần gốc và phần gốc tương đương nhau

Sau thu hoạch mía hàm lượng đường saccharose giảm nhanh, do đó mái cần được vận chuyển về nhà máy và ép càng sớm càng tốt

Để giảm suy thoái mía người ta nên đốn mía khi trời mát và cho mía ngả về một phía sao cho ngọn của hàng đốn sau phủ lên gốc của mía đốn trước để không bị phơi nắng Khi chuyên chở lấy lá mía phủ lên lớp mía, nếu trời nắng gắt thì tưới nước lên mía

1.1.6 Quy trình cô đặc nước mía

Hình 1.9: Sơ đồ quy trình cô đặc nước mía

7

BÙN LỌC

BÃLẤY NƯỚC MÍA

Giai đoạn khai thác nước mía:

Mục đích công nghệ: mục đích công nghệ của giai đoạn khai thác nước mía nhằm lấy kiệt nước mía trong cây mía Giai đoạn khai thác nước mía là giai đọan đầu tiên và quan trọng của dây chuyền sản xuất đường Chỉ tiêu quan trọng của giai đoạn này là năng suất ép mía và hiệu suất ép mía

- Năng suất ép mía: năng suất của hệ máy ép là số tấn mía ép được trong một đơn vị thời gian với hiệu suất ép nhất định Đơn vị của năng suất thường dùng là tấn mía/ngàyhoặc tấn mía/giờ

- Hiệu suất ép mía: hiệu suất ép là số liệu quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của phân xưởng ép Hiện nay hiệu suất ép thường đạt từ 92-96%

Ép:

Nguyên tắc thực hiện

Để lấy nước mía, cần phá vỡ các tế bào của cây mía bằng cách dùng lực cơ học xé tơi

và ép dập thân cây Giai đoạn khai thác nước mía chia làm hai bước: xử lý và ép mía Cây mía vừa dài vừa cong, vỏ mía lại có một lớp sáp trơn nên gây khó khăn cho việc ép lấy nước Vì vây để năng cao năng suất ép và hiệu suất ép, đầu tiên mía cần chặt băm nhỏ Cây mía sau khi đổ vào băng tải sẽ được san bằng, đi qua các dao chặt hai lần Ở lần thứ nhất: mía được chặt thành từng khúc nhỏ 20-25 mm Sau đó mía được chuyển đến máy ép dập hay vào búa đập để xé mía thành từng sợi nhỏ có đường kính từ 1-2 mm Mía xé tơi sẽ được băng chuyền chuyển đến hệ máy ép hay còn gọi là

hệ các che ép mía Mục đích chủ yếu của quá trình ép là chiết rút tới mức tối đa cho phép lượng đường saccharose có trong cây mía Vì nước mía nằm trong các tế bào, do

đó nếu chỉ sử dụng lực ép cơ học thuần tuý thì sẽ không tách triệt để lượng đường có trong cây mía Bổ sung thêm một lượng nước vào trong quá trình ép sẽ giúp tăng hiệu suất tách đường

9

Giai đoạn làm sạch nước mía

Nguyên tắc thực hiện

Để loại bỏ những tạp chất thô không hòa tan, đơn giản là có thể sử dụng các loại rây

có kích cỡ khác nhau Để loại bỏ chất keo, cần tạo các điều kiện để keo tụ hay sử dụngcác chất hấp phụ lôi kéo các chất keo đồng kết tủa sau đó lắng, lọc để loại các kết tủa này để các chất tan kết tụ và phân riêng tủa bằng các biện pháp lắng hoặc lọc để loại các chất màu hòa tan, phương pháp hữu hiệu nhất là hấp thụ bằng than và đât hoạt tính Cuối cùng, để loại các chất hòa tan không keo tụ như cation kim loại kiềm hay các anion dễ tan thì sử dụng các cột trao đổi ion

 Quá trình lọc

Mục đích: khai thác, tận thu phần đường còn sót trong nước bùn Trong quá trình lọc nước bùn, cần bổ sung một phần các xơ mịn dể làm chất trợ lọc các dạng thiết bị lọc thường được sử dụng trong sản xuất đường mía là thiết bị lọc khung bản và lọc chân không thùng quay Ngoài ra còn sử dụng thiết bị lọc dĩa và thiết bị lọc ống

 Quá trình cô đặc

Mục đích công nghệ: làm bốc hơi nước mía có nồng độ từ 13- 150Bx đến nồng độ mật chè 60- 650Bx Mục đích nhằm loại nước, giảm khối lượng thành phẩm trước khi tẩy màu, và là quá trình chuẩn bị kết tinh đường

Các biến đổi nguyên liệu: ở nhiệt độ cao và nước bốc hơi saccharose sẽ bị biến đổi thành glucose và fructose Quá trình diễn ra nhanh chóng nếu trong dung dịch đường

có tính acid Khi nước mía bốc hơi, một phần khoáng chưa loại bỏ hết sẽ tạo cặn gây hạn chế khả năng truyền nhiệt

Phương pháp thực hiện: quá trình cô đặc được thực hiện ngay sau qúa trình

lắng – lọc và trước khi qua quá trình loại các chất không đường hòa tan Do nồng độ đương trước và sau khi cô đặc khác nhau nhiều nên để giảm bớt các biến đổi của đườngcũng như tiết kiệm năng lượng cần sử dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi liên tiếp nhau Hơi thứ củ nồi trước sẽ được tận thu làm hơi đốt cho nồi sau Dung dịch nước

đường đi qua mỗi nồi được tách đi một phần nước, do đó nồng độ đường tăng

dần Trong quá trinh cô đặc nước mía, nhiệt độ sôi của dung dịch đường thay đổi phụ thuộc vào áp suất, nồng độ đường saccharose và tinh độ của nước mía hỗn hợp ngoài

ra trong các nhà máy công nghiệp, cần lưu ý đến tổn thất do áp suất thủy tĩnh gây ra bởi chiều cao cột nước điều này dẫn đến sự chênh lệch về điểm sôi giữa bề mặt và dưới đáy cột nước Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt ở các hiệu là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch đường thông thường, các nhà máy ở nước ta

thường sử dụng hệ cô đặc cùng chiều để bốc hơi Chênh lệch áp suất giữa các nồi đượctính toán sao cho nước mía có thể dễ dàng di chuyển từ nồi trước ra nồi sau Thêm nữa, để đảm bảo cho nồi cuối nước vẫn bốc hơi, trong công nghiệp thường sử dụng hệ nồi bốc hơi áp lực chân không

11

1.2 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1.2.1 Giới thiệu chung về cô đặc

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay nhiều cấu

tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên

Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị

Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa,…

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khitruyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệtgián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng

Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc

áp suất dư) thì dùng thiết bị kín

Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi

Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt)

Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau

1.2.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo có 6 loại được chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây:

- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên.

+ Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài.+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)

+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài

+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài

- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng.

+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài

+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài

Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng vàlàm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt.

Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khinồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra

Ưu và nhược điểm

+ Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng

- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn

trung tâm cũng bị đun nóng

13

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ CHÍNH2.1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU

2.1.1.Lượng nước bốc hơi của hệ thống (hơi thứ)

- Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi - cô đặc

Gđ.xđ = Gc.xc [B - 105] - (III - 3)

Với: Gđ , Gc , W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ,kg/h

xđ , xc : nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối (% khối lượng)

2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong nồi

bản tính là 1 giờ

Cân bằng vật chất tổng quát:

Gđ = Gc + W, kg/hVới: Gđ , Gc , W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ,kg/h

Theo đầu đề: Gc = 2000 kg/h

 W = Gđ - 2000

Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:

Gđ.xđ = Gc.xc [B - 105] - (III - 3)Với: xđ , xc : nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối (% khốilượng)

2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong nồi

a: Nồng độ đường trong dung dịch là 50% (Xc)

342+

1−0,518 = 0,05 (mol)

Gđ xđ

W

Gc xc

Cô đặc

2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ nồi

Ta xác định được hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ tra [B - 39] - (II - 7)

Bảng 2.1 Nhiệt độ và áp suất hơi của nồi.

Áp suất (at) Nhiệt độ (oC)

- ∆o’: Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường

∆’ = 3,95 oC Tra trên http://www.sugartech.co.za/

15