Đồ án cô đặc 1 nồi nước xoài (nồi 2 vỏ)

Trong đề tài đồ án được giao: “Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi để cô đặc dung dịch nước xoài ép năng suất 300kg/mẻ” ,chủ yếu đề cập đến các quá trình xảy ra trong thiết bị cô đặ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 4

1.2 KHÁI QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Các phương pháp cô đặc 6

1.2.2.1 Cô đặc bằng phương pháp lạnh đông 6

1.2.2.2 Cô đặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược 7

1.2.2.3 Cô đặc bằng bốc hơi nhờ nhiệt độ 7

1.2.3 Những biến đổi của quá trình cô đặc 7

1.2.4 Bản chất của quá trình cô đặc do nhiệt 8

1.2.5 Ứng dụng quá trình cô đặc 8

1.3 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT 8

1.3.1 Phân loại 8

1.3.2 Yêu cầu về công nghệ và thiết bị 9

1.3.3 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống 10

1.3.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 10

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

2.1 CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI 12

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 13

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 14

3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 14

3.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 15

3.2.1 Tổn thất nhiệt độ 16

3.2.2 Tính cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn 19

3.3 TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 24

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi 24

3.3.1.1 Các kí hiệu và công thức 24

3.3.1.2 Phía hơi đốt thành thiết bị 25

3.3.1.3 Từ thành thiết bị tới dung dịch 25

3.3.1.4 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch 27

3.3.1.5 Hệ số truyền nhiệt K 27

3.3.2 Hệ số truyền nhiệt để đưa dung dịch ban đầu từ 20 o C lên 65,95 o C 30 3.3.2.1 Các kí hiệu và công thức 30

3.3.2.2 Phía hơi ngưng 30

3.3.2.3 Phía vách 31

3.3.2.4 Phía dung dịch 31

3.3.2.5 Hệ số truyền nhiệt 32

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 34

4.1 Tính kích thước buồng đốt 34

4.1.1 Tính thể tích vật liệu 34

4.1.2 Tính đường kính và chiều cao buồng đốt 34

4.2 Tính thời gian cô đặc và diện tích bề mặt truyền nhiệt 36

4.3 Tính kích thước không gian bốc hơi 38

4.3.1 Tính đường kính buồng bốc hơi(D bh ) 38

4.3.2 Tính chiều cao buồng bốc hơi 39

4.3.3 Chiều dày thân buồng bốc hơi của thiết bị 39

4.4 Tính kích thước nắp thiết bị 40

CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 42

5.1 Tính các đường ống dẫn cửa 42

5.1.1 Ống và cửa nhập liệu 42

5.1.2 Ống và cửa tháo liệu 42

5.1.3 Ống dẫn hơi thứ 43

5.1.4 Ống dẫn hơi đốt 43

5.1.5 Ống dẫn nước ngưng 43

5.2 Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm 44

5.2.1 Tính hiệu nhiệt độ trung bình 46

5.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt phía nước α 2 46

5.2.3 Tính tổng nhiệt trở 47

5.2.4 Hệ số cấp nhiệt phía hơi α 1 47

5.2.5 Số ống truyền nhiệt 48

5.2.6 Chia ngăn cho thiết bị ngưng tụ 48

5.2.7 Tính kích thước thiết bị ngưng tụ 49

5.2.8 Tính toán các chi tiết khác 50

5.3 Tính toán chọn tai treo 51

5.3.1 Khối lượng thiết bị (M TB ) 51

5.3.2 Khối lượng dung dịch 51

5.4 Mối ghép bích 52

5.4.1 Bích nối nắp với thân thiết bị 52

5.4.2 Bích nối buồng đốt với thân thiết bị 53

5.4.3 Bích nối nắp với thân của thiết bị ngưng tụ 53

5.5 Chọn đệm 54

5.6 Chọn kính quan sát 54

5.7 Tính toán chọn cánh khuấy 54

5.8 Tính chọn bơm chân không 56

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

LỜI MỞ ĐẦU

Bộ môn “Quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm” cung cấp những kiến thức cầnthiết cho sinh viên và kĩ sư công nghệ thực phẩm, kĩ sư chế biến nông sản, thủy hảisản và kĩ sư máy thực phẩm Ngoài ra bộ môn này góp phần nào tới kĩ sư các ngành

kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sản xuất công nghiệpliên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc thiết bị hiện đại trên thếgiới, nhất là trong thời đại hiện nay mà máy móc khoa học đang phát triển khôngngừng

Trong đề tài đồ án được giao: “Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi để cô đặc dung dịch nước xoài ép năng suất 300kg/mẻ” ,chủ yếu đề cập đến các quá trình xảy

ra trong thiết bị cô đặc 1 nồi , hiểu được cấu trúc, cách vận hành hệ thống cũng nhưbiết tính toán được các thông số công nghệ cần thiết phục vụ cho việc thiết kế thiết

bị

Như chúng ta biết cô đặc ứng dụng rất nhiều trong quá trình sản xuất hóa chất vàthực phẩm, nhất là trong các ngành sản xuất nước quả cô đặc, hóa chất,…Xoài làmột loại cây ăn quả được trồng nhiều ở Việt Nam, cho sản lượng thu hoạch hàngnăm lớn, vì vậy gây ra một số khó khăn trong quá trình bảo quản nguyên quả Đểtăng thời gian bảo quản cũng như tạo ra những sản phẩm mới phục vụ nhu cầu trongnước cũng như xuất khẩu thì ép quả lấy nước sau đó đem cô đặc cũng là một giảipháp hay, tiết kiệm chi phí, kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn giữ được giá trị dinhdưỡng cho sản phẩm

Vì đây là đồ án đầu tiên được thực hiện dưới thời sinh viên nên không thể tránh khỏinhững thiếu sót,em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô đểhoàn thiện kiến thức của mình hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi để cô đặc dung dịch nước xoài ép:

- Năng suất theo sản phẩm: 300kg/mẻ

- Nồng độ đầu: 10Bx

- Nồng độ cuối: 55Bx

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

Xoài thuộc họ đào lộn hột (Anacadiaceae), có tên khoa học là Mangiferaindica L Đây là loại cây ăn quả nhiệt đới, có nguồn gốc từ Ấn Độ và các vùnggiáp ranh như Việt Nam, Myanmar, Malaysia,…

Tại Việt Nam, xoài được trồng nhiều nhất ở Đồng bằng sông Cửu Long và một sốkhu vực miền Trung, Tây Bắc , Theo số liệu thống kê vào năm 2017, Việt Nam códiện tích trồng lên tới 92.746 ha và sản lượng đạt 788.233 tấn, trong đó ĐBSCL làvùng sản xuất xoài lớn nhất, chiếm đến 46,1% diện tích và 64.4% sản lượng xoàicủa cả nước; tiếp theo là vùng Đông Nam Bộ (chiếm 19,2% diện tích và 64,4% sảnlượng xoài cả nước)

Xoài có giá trị dinh dưỡng cao, phù hợp cho mọi lứa tuổi Trong 100g xoài chínchứa: nước 86,5g; glucid 15,9g; protein 0,6g; lipid 0,3g; tro 0,6g; các chất khoáng:

Ca, P, Fe ; các vitamin: A , B1, C ; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗingày,46% nhu cầu vitamin C,…

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng có trong 100 g xoài

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm:

- Dung môi: nước

- Các chất hòa tan chiếm chủ yếu là đường Saccaroze và nhiều cấu tử với hàmlượng rất thấp (coi như không có) Các cấu tử này xem như không bay hơitrong quá trình cô đặc

1.2 KHÁI QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dung mà thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế

Trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đunsôi gọi là quá trình cô đặc Đặc điểm của cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dungdịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch sẽ không bay hơi do vậy nồng độdung dịch tăng dần lên, khác với chưng cất trong chưng cất thì các cấu tử trong hỗnhợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ

Hơi của dung môi được tách ra khỏi dung dịch được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt

độ cao có thể dung để đun nóng thiết bị khác Nếu dung hơi thứ để đun nóng mộtthiết bị khác ngoài thiết bị cô đặc thì được gọi là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể diễn ra trong một nồi hoặc nhiều nồi, gián đoạn hoặc liêntục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy từng vào yêu cầu

kĩ thuật Khi dùng ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dung thiết bị hở,còn khi làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (ápsuất thấp) vì nó có ưu điểm : khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũnggiảm theo khi đó độ chênh lệch giữa nhiệt độ hơi buồng đốt và dung dịch tăng dodiện tích bề mặt truyền nhiệt giảm

Cô đặc nhiều nồi là sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt nên nó có ý nghĩa kinh tế cao

về sử dụng nhiệt và nó hoạt động dựa trên nguyên tắc sau: Hơi đốt của nồi thứ nhất

sử dụng hơi từ nồi hơi, hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, hơi thứcủa nồi thứ hai làm hơi đốt cho nồi thứ ba…hơi thứ cuối cùng đi vào thiết bị ngưng

tụ Do có tổn thất nhiệt độ nên nhiệt đun nóng nồi sau bao giờ cũng thấp hơn nồitrước, bởi vậy mà người ta thường cô đặc dung dịch ở nồi thứ nhất với áp suất dưcòn các nồi sau đều ở áp suất chân không Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi dungdịch chuyển dịch từ nồi này sang nồi tiếp theo, qua mỗi nồi dung môi bay hơi đi mộtphần, nồng độ dung dịch tăng lên, đến cuối cùng nồng độ dung dịch đạt được nhưyêu cầu thì người ta tháo dịch vào thùng chứa

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

1.2.2.1 Cô đặc bằng phương pháp lạnh đông

Khi làm lạnh đông chậm, các phân tử nước sẽ kết tinh và lớn dần lên tạo thành khốibăng, tách khỏi dung dịch ban đầu Quá trình cô đặc này phụ thuộc nhiều vào nhiệt

độ lạnh đông, số lượng tinh thể đá tạo thành Sử dụng phương pháp này sẽ tránh gâymất vitamin, các chất thơm và các chất dễ bị phân hủy bơi nhiệt Tuy nhiên, chi phínăng lượng và chi phí thiết bị cho phương pháp này cao

1.2.2.2 Cô đặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược

Khi ngăn hai dung dịch khác nhau bằng tấm màn bán thấm, nước sẽ đi từ dung dịch

có nồng độ chất khô thấp đến nơi có nồng độ chất khô cao để hai bên đạt nồng độcân bằng Trong phương pháp này, dưới tác dụng cơ học của dung dịch có nồng độ

khô cao đến nơi có nồng độ chất khô thấp Phương pháp này có ưu điểm là hạn chếtối đa mất mát các thành phần cơ bản của dung dich Tuy nhiên, phương pháp nàylàm mất một số muối khoáng và không được thanh trùng bổ sung.

1.2.2.3 Cô đặc bằng bốc hơi nhờ nhiệt độ

Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay Nhờ nhiệt độ, dung dịch được đun sôi

và lúc này, nước trong dung dịch diễn ra quá trình chuyển khối từ pha từ lỏng sanghơi và tách ra khỏi dung dịch Phương pháp này được dùng phổ biến, trang thiết bịtương đối đơn giản Tuy nhiên, do sử dụng nhiệt độ nên không tránh khỏi tổn thấtmột số chất dinh dưỡng dễ bị phân hủy bởi nhiệt Ngoài ra, trong quá trình bốc hơi,hơi nước cuốn theo các chất thơm và các chất dễ bay hơi khác của dung dịch

1.2.3 Những biến đổi của quá trình cô đặc

 Biến đổi vật lý

- Khi dung dịch bay hơi: nồng độ chất hòa tan sẽ tăng, do đó tính chất củadung dịch sẽ thay đổi Tính chất của dung dịch thay đổi theo thời gian côđặc và nồng độ của dung dịch ở áp suất không đổi

- Khi nồng độ tăng: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt phíadung dịch giảm Nhưng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất do nồng độ sẽtăng

 Biến đổi hóa học

- Thay đổi pH của môi trường: do tính chất thủy phân amit của các cấu tửtạo thành axit

- Độ kiềm tăng

- Đóng cặn, do số muối canxi hòa tan rất chậm trong nồng độ cao, do phânhủy của một số muối axit hữu cơ tạo thành kết tủa

- Phân hủy chất cô đặc làm tăng tổn thất

- Tăng màu: do phân hủy các sản phẩm cô đặc dưới điều kiện nhiệt độ và

áp suất

- Do kết quả của phản ứng Maye maillard là phản ứng ngưng tụ giữa đườngkhử và amino axit, tạo thành các chất màu dạng keo chứa Nito

 Biến đổi sinh học

- Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao)

- Hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ cao

1.2.4 Bản chất của quá trình cô đặc do nhiệt

Dựa theo thuyết động học phân tử : Để tạo thành hơi thì nhiệt tác dụng lên bề mặtthoáng phải lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phụctrạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do vậy ta cần cấp nhiệt để các phân tử đủ nănglượng để thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt

và chuyển động liên tục, do sự chênh lệch về khối lượng riêng giữa các phân tử trên

bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

1.2.5 Ứng dụng quá trình cô đặc

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm

Mục đích: để đạt được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoăc đưa dung dịch quatrạng thái bão hòa để kết tinh

Ví dụ về ứng dụng của quá trình cô đặc trong sản xuất các loại thực phẩm: đường,các loại nước ép rau, củ, quả: cà chua, dứa, xoài,…

1.3 THIẾT BỊ CÔ ĐẶC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

1.3.1 Phân loại

Theo cấu tạo, tính chất của nhóm đối tượng cần cô đặc

* Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên, dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo

dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

* Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức dung bơm để tạo vận tốc dung dịch từ1,5- 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm: tăng hệ số truyền nhiệt, độ nhớtcao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

* Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần, tránh tiếp xúc quálâu làm biến chất sản phẩm

Theo phương pháp thực hiện quá trình

* Cô đặc áp suất thường có nhiệt độ sôi áp suất không đổi Thường dung cô đặcdung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định và thời gian cô đặc ngắn

* Cô đặc áp suất chân không dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suấtchân không

* Cô đặc nhiều nồi mục đích là tiết kiệm hơi đốt, nhưng số nồi không nên lớnquá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơn so với chi phí đề ra Do sử dụnghơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau nên có ý nghĩa kinh tế cao

1.3.2 Yêu cầu về công nghệ và thiết bị

 Yêu cầu công nghệ

 Đảm bảo nồng độ chất khô theo quy định

 Giảm tổn thất chất khô

 Giảm tốc độ đóng cặn trong nồi bốc hơi

 Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng, giảm tổn thất nhiệt

 Yêu cầu thiết bị

* Về cấu tạo, thiết bị cô đặc có nhiều loại nhưng chúng đều có 3 bộ phận chínhnhư sau:

Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đun nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt

là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ, trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài cácống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống

Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chưa cả dung dịch nên phải

có không gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại bộ phận nhận nhiệt

Bộ phận phân ly: để tách các giọt dung dịch còn lại trong hơi

* Những yêu cầu chung cần đảm bảo khi chế tạo các thiết bị cô đặc:

 Thích ứng được với tính chất đặc biệt của dung dịch cần được cô đặc: độnhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại,…

 Có hệ số truyền nhiệt lớn vì khi nồng độ tăng, hệ số truyền nhiệt sẽ giảmmạnh

 Tách ly hơi thứ cấp tốt, đảm bảo hơi thứ cấp sạch để có thể cho ngưng tụ lấynhiệt cho cấp cô đặc tiếp theo.

 Hơi đốt đảm bảo phân bố đều trong không gian bên ngoài giữa các ống củagiàn ống

 Đảm bảo tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt

 Dễ dàng cho việc làm sạch bề mặt trong các ống vì khi dung dịch bốc hơi bêntrong các ống sẽ làm bẩn mặt bên trong của ống (tạo cặn)

1.3.3 Các phương pháp cấp nhiệt cho hệ thống

 Phương pháp bốc hơi áp lực: Các nồi bốc hơi làm việc dưới áp lực

 Phương pháp bốc hơi chân không: Các nồi bốc hơi đều làm việc ở điều kiệnchân không

 Phương pháp áp lực chân không: Thiết bị đầu làm ở áp suất cao, thiết bị cuốilàm việc ở áp suất chân không

1.3.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

 Các thiết bị chính

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt, nồi hai vỏ, …

 Ống nhập liệu, ống tháo liệu

 Buồng đốt , buồng bốc hơi

 Đáy, nắp

 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

 Các thiết bị phụ

 Các bể chứa: nguyên liệu, sản phẩm,…

 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không;

 Thiết bị gia nhiệt;

 Thiết bị ngưng tụ: Baromet; ống chùm,…

 Thiết bị đo và điều chỉnh

 Lưu lượng kế

 Thùng cao vị

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiềunồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn

Cô đặc là quá trình sử dụng một nguồn nhiệt để cấp nhiệt cho dung dịch để làm bốchơi dung dịch cần cô đặc thu được dung dịch có nồng độ cao hơn

Cô đặc chân không là quá trình cô đặc mà thiết bị cô đặc hoạt động ở áp suất chânkhông, thấp hơn áp suất khí quyển, mục đích làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch côđặc, giúp cho dung dịch giữ được chất lượng, không bị biến chất do nhiệt độ cao

Ngoài ra quá trình làm việc ở nhiệt độ thấp giúp giảm tổn hao về năng lượng dochênh lệch nhiệt độ với môi trường thấp

Hệ thống cô đặc cũng rất đa dạng, có thể là hệ thống đơn chiếc một nồi cô, hặc hệthống nhiều nồi và tận dụng nhiệt của hơi thứ để cấp nhiệt cho các nồi khác giúpgiảm rất nhiều chi phí năng lượng

Trong đề tài này, ta chọn thiết bị để cô đặc là thiết bị nồi 2 vỏ có cánh khuấy vì một

số lí do như:

- Năng suất theo sản phẩm không lớn lắm (300kg/mẻ)

- Cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ vận hành

2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc chân không một nồi sử dụng nồi

hai vỏ có cánh khuấy

1.Thùng chứa nguyên liệu ; 2 Bơm nhập liệu ; 3 Ống dẫn hơi đốt; 4 Cửa nhậpliệu ; 5 Buồng bốc; 6 Quả cầu CIP; 7 Ống dẫn hơi thứ ; 8.Cửa thoát khí khôngngưng; 9 Buồng đốt; 10 Cửa thoát nước ngưng; 11 Cửa tháo sản phẩm; 12 Cốctách nước ngưng; 13 Thùng chứa sản phẩm; 14 Thiết bị đo áp suất; 15 Thiết bịngưng tụ; 16 Bộ phận tách lỏng; 17 Bơm chân không; 18 Bể chứa nước ngưng

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,2 at

Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% (10Bx) từ bể chứa nguyên liệu (1)vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồng bốc hơi (4)trong thiết bị cô đặc, sau khi nhập đủ 1650 kg thì dừng

Khi nhập đủ 1650 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (hơi nước bão hòa ở áp suất 3at)

Dung dịch nước xoài được đun nóng tới nhiệt độ sôi, dung dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng– hơi (phần hơi sẽ đi lên trên buồng bốc (5) Dung dịch trong buồng bốc hơi đượcgia nhiệt bởi hơi đốt trong buồng bốc Dung dịch trong buồng bốc sẽ sôi và bốc hơi,hơi thứ và khí không ngưng bốc ra được dẫn vào ống dẫn hơi thứ (7) vào thiết bịngưng tụ dạng ống chùm (15) ( thiết bị ngưng tụ này gồm nhiều ống truyền nhiệtnhỏ và được ngưng tụ bằng nước lạnh đi bên ngoài ống ), sau khi ngưng tụ thànhlỏng sẽ chảy qua bộ phận tách lỏng(16), còn phần khí không ngưng sẽ được bơm hútchân không(17) hút ra ngoài ống Nước ngưng được đưa xuống bể chứa nuớcngưng(18) Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa thoát nước ngưng(10), quacốc tách nước ngưng(12) rồi được xả ra ngoài thùng chứa nước ngưng

Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 55% (55Bx) thì ngưng cấp hơi đốt, sau đótháo sản phẩm ra bằng cửa tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa (13)

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

 Số liệu ban đầu:

 Dung dịch nước xoài ép có:

- Nồng độ ban đầu: 10Bx

- Nồng độ cuối: 55Bx

 Chọn nhiệt độ ban đầu là 20ºC

 Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at

xđ, xc: nồng độ dung dịch đầu, dung dịch cuối của mỗi giai đoạn, %W: lượng hơi thứ bốc ra của mỗi giai đoạn, kg

 Chia lượng dung dịch nhập vào theo các khoảng nồng độ : 10%, 25%, 40%,55%

 Giai đoạn từ 25 đến 40%

Có xđ = 25%=0,25; xc = 40%=0,4; Gc = 412,5 kg

G đ=G c × x c

x đ=412,5 × 0,4

0,25= 660 (kg)Lượng hơi thứ bốc ra: W= G đ−G c= 660−412,5=247,5 (kg)

 Tổng lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ quá trình cô đặc:

Wtổng= 990+247,5+112,5= 1350 (kg)

 Tổng lượng nhập liệu ban đầu: Gđ = 1650kg

Bảng 3.1 Tóm tắt kết quả cân bằng vật chất

Khối lượng riêng dung dịch,

kg/m 3

3.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Chọn áp suất thiết bị ngưng tụ P0=0,2 at

Suy ra nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t0= 59,7ºC

(Bảng I 251 trang 314 Tài liệu [1])

Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ Δ '' '

=¿ 0,5 oCNhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t1 = 59,7 + 0,5 = 60,2oC

Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dung dịch

Với t sdm= 60,2oC

⇒Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc hơi là P1≈0.2031 at

(Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])

3.2.1 Tổn thất nhiệt độ

Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do ápsuất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống

 Tồn thất nhiệt do nồng độ ∆ ' – Nhiệt độ sôi dung dịch

Theo công thức Tisenco (VI.9 trang 59 Tài liệu [2]):

Tại giá trị P1= 0,2031 at, ta tính ra r= 2358.103 J/kg (Bảng I.251 trang 314

Tài liệu [1]) ,từ đó tính được f =16,2.(60,2+273)

Tính tương tự tại các nồng độ khác, ta thu được kết quả:

Bảng 3.2 Kết quả tính toán tổn thất nhiệt do nồng độ

 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ∆ ''

Đây là tổn thất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng trên đáybuồng bốc hơi so với lớp chất lỏng có nhiệt độ sôi trung bình (thường lấynhiệt độ sôi của lớp chất lỏng ở giữa buồng bốc)

ttb : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất Ptb

t1 : nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P1 trên mặt thoáng

P1 : áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch (N/m2)

Δh : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ đáy buồng bốc hơi đếnmặt thoáng của dung dịch (m) Thường chọn Δh = 0,5m

h : chiều cao buồng đốt (m) ; h=1,5m

ρdds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρdds =0,5ρ

g : gia tốc trọng trường (m/s2).Thường chọn g = 9,81 m/s

* Tính tại thời điểm dung dịch có nồng độ 10%

Ta có: Ptb = 0,2031 + (0,5 + 0,75)× 519,99×9,81× 1

9,81× 104= 0,268 at

Theo Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1], ta có tại áp suất 0,268 at, ta nội suyđược 65,82 oC

Vậy tại áp suất 0,268 at, nhiệt độ sôi của H2O là 65,83 0C

Độ tăng nhiệt độ do cột thủy tĩnh là: Δ' '=¿ttb – t1 = 65,83 – 60,2 = 5,63 oC

=> nhiệt độ sôi dung dịch Đường 10% ở áp suất Ptb là

t sdd( Ptb)=60,32+5,63=65,95oC

Tính tương tự cho các khoảng nồng độ khác ta có

Bảng 3.3 Kết quả tính toán

Nồng độ dung dịch, % 10 25 40 55

3.2.2 Tính cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn

* Cân bằng nhiệt lượng: Σ nhiệt vào = Σ nhiệt ra

* Nhiệt lượng vào gồm có:

ϕ =5 % : tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo

θ : nhiệt độ nước ngưng, oC

c : nhiệt dung riêng nước ngưng ở θ o C, J/kg độ

cđ, cc : nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ

tđ, tc : nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, oC

i D '' : entanpi của hơi đốt, J/kg

i w '' : entanpi của hơi thứ, J/kg

Qt: nhiệt lượng tổn thất, J

Qcđ: nhiệt lượng cô đặc, J

* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

QD = D.(1-ϕ).(i D ''

−c θ) = D.(1-ϕ).r

r = i D ''−c θ : nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất PĐ

* Nhiệt dung riêng của dung dịch

 Nếu x < 20% ta tính C theo công thức:

Cdd = 4186 (1- x) ( Công thức I.42 trang 152 Tài liệu [1])

 Nếu x >20% thì C được tính theo công thức

Cdd = cht x + 4186 (1-x)( Công thức I.43 trang 152 Tài liệu [1])

x: nồng độ dung dịch

Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan( không chứa nước)

Cht được tính theo công thức C ht=n C ×C C+n H ×C H+n O × C O

M C12H22O11

Với nC, nH, nO : số nguyên tử C,H,O trong hợp chất

CC, CH,CO : nhiệt dung riêng của các nguyên tố C,H,O Tra bảng I.141trang 152 Tài liệu [1] ta có: CC = 7500 (J/kg.độ)

* Chọn hơi đốt có áp suấ t Pđ = 3at => thđ = 132,9oC

* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at là

r = 2171.103 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])

Entanpi của hơi thứ ở 60,2 oC, i w ''=2608,3×103 J/kg (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])

* Tổn thất nhiệt Q t = 0.05 × Q D

* Xem nhiệt cô đặc Qcđ là không đáng kể

 Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% lên 65,95 o C

3.3TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi

3.3.1.1 Các kí hiệu và công thức

α1 : hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m2K

α2 : hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m2K

q1 : nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m2

q2 : nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2

qv : nhiệt tải riêng phía vách buồng đốt, W/m2

tv1: nhiệt độ trung bình vách ngoài buồng đốt, oC

tv2 : nhiệt độ trung bình vách trong buồng đốt, oC

3.3.1.2 Phía hơi đốt thành thiết bị

ρ : khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tm, kg/m3

λ: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ tm, W/mK

μ: độ nhớt của nước ở nhiệt độ tm, Pas

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD, r = 2171×103 J/kg

3.3.1.3 Từ thành thiết bị tới dung dịch

 λ n , ρ n , c n , μ n: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m3), nhiệt dungriêng (J/kg độ), độ nhớt (Pas) của nước

 λ dd , ρ dd ,c dd , μ dd : các thông số của dung dịch theo nồng độ

 α n: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m2K

α n=0.56 × q0.7× p0.15 (5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2])

Với: q: nhiệt tải riêng, W/m2

p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m2

 Các thông số của nước: (Bảng I.249 trang 310 Tài liệu [1])

 Các thông số của dung dịch

μ dd nội suy theo ở I.112 trang 114 Tài liệu [1] (ở 40oC)

λ dd tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]

3.3.1.4 Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch

4- Tính Δt vtheo công thức (6) với qv = q1⇒t v2, Δt2

5- Tính α ntheo công thức (5) với q = q1