Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi, cô đặc dịch cà chua với năng suất 380 kgh

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
-----o0o-----

ĐỒ ÁN

KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 2 NỒI, CÔ
ĐẶC DỊCH CÀ CHUA VỚI NĂNG SUẤT 380 KG/H

GVHD: TS. Phan Thế Duy
MÃ NHÓM: D1N3
Trần Ngọc Đào

MSSV: 2005200783

LỚP: 11DHTP6

Phạm Ngọc Trâm

MSSV: 2005208189

LỚP: 11DHTP13

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12/2022


BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
-----o0o-----

ĐỒ ÁN

KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 2 NỒI, CÔ
ĐẶC DỊCH CÀ CHUA VỚI NĂNG SUẤT 380 KG/H

GVHD: TS. Phan Thế Duy
MÃ NHÓM: D1N3
Trần Ngọc Đào

MSSV: 2005200783

LỚP: 11DHTP6

Phạm Ngọc Trâm

MSSV: 2005208189

LỚP: 11DHTP13


TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12/2022


LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi cam đoan “Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi, cô đặc dịch cà chua với
năng suất 380 kg/h” này là do chính chúng tơi nghiên cứu và thực hiện.
Các nội dung trình bày trong bài tập là trung thực, không sao chép. Các tài liệu tham
khảo sử dụng trong bài được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

Ký và ghi rõ họ tên

Ký và ghi rõ họ tên

Thành viên 1

Thành viên 2

Dao

Tram

Trần Ngọc Đào

Phạm Ngọc Trâm

i


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thì các vấn đề sức khỏe con người là một
trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu. Trong đó, nhu cầu về dinh dưỡng cũng
như nhu cầu thực phẩm đang là một phần quan trọng của vấn đề sức khỏe cần được
tìm tịi, nghiên cứu và phát triển. Vì vậy, các cơng ty cũng như các nhà cung cấp thực

phẩm đang dần muốn nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng suất sản xuất và
hướng đến sự đa dạng hóa sản phẩm trong dây chuyền sản xuất.
Để đạt được mong muốn như trên, cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật,
việc tạo ra những thiết bị sản xuất hiện đại là nhiệm vụ cấp bách và hàng đầu của hầu
hết những kĩ sư công nghệ thực phẩm cu hiện tại và tương lai.
Sau khi đã được học qua phần lý thuyết về Kỹ Thuật Thực Phẩm 1,2,3, với vai trò là
những sinh viên đang theo học nghành công nghệ thực phẩm, và nguồn kiến thức đã
được học cùng với sự giúp đỡ của thầy TS. Phan Thế Duy. Chúng em xin trình bày về
“Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi, cô đặc dịch cà chua với năng suất 380 kg/h”.
Hy vọng bản thiết kế của chúng em sẽ góp một phần nào đó trong việc đóng góp vào
sự đa dạng về các thiết bị trong nghành thực phẩm.
Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế và lần đầu tiên làm về thiết bị cơ đặc được thực
hiện trên mơ hình lý thuyết cho nên sẽ không tránh khỏi những sai sót. Chúng em rất
mong nhận được sự đóng góp từ các Thầy trong nghành Công nghệ thực phẩm để rút
kinh nghiệm và thực hiện tốt hơn trong những đề tài tiếp theo.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, tháng 12/2022

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i
LỜI NĨI ĐẦU.............................................................................................................ii
MỤC LỤC...................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH..........................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC DỊCH CÀ CHUA.............................1
1.1. Giới thiệu chung.................................................................................................1
1.1.1. Tổng quan về nguyên liệu cà chua...........................................................1

1.1.2. Thành phần hóa học.................................................................................2
1.2. Q trình cơ đặc.................................................................................................4
1.2.1. Định nghĩa cô đặc.....................................................................................4
1.2.2. Các phương pháp cô đặc...........................................................................4
1.2.3. Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt...................................5
1.2.4. Ứng dụng của sự cô đặc............................................................................5
1.3. Các thiết bị cô đặc..............................................................................................5
1.3.1. Phân loại....................................................................................................5
1.3.2. Các thiết bị và chi tiết................................................................................8
1.4. Quy trình công nghệ...........................................................................................9
1.4.1. Nguyên lý hoạt động thiết bị cô đặc.........................................................9
1.4.2. Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet......................................9
1.4.3. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống.........................................................9
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ.........................................................11
2.1.1. Cơ sở lựa chọn quy trình........................................................................11
2.2. Hệ thống cơ đặc 2 nồi xuôi chiều.....................................................................11
2.2.1. Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xi chiều..................................................12
2.2.2. Thuyết minh quy trình cơ đặc 2 nồi xi chiều.....................................12
2.3. Quy trình sản xuất cơ đặc cà chua...................................................................12
2.3.1. Sơ đồ công nghệ......................................................................................14
2.3.2. Thuyết minh quy trình............................................................................15
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG...........................21
3.1. Dự kiện ban đầu...............................................................................................21
3.2. Cân bằng vật chất.............................................................................................21
3.2.1. Lưu lượng nhập liệu...............................................................................22
3.2.2. Tính tổng lượng hơi thứ bốc lên............................................................22
3.2.3. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi..................................................22
3.2.4. Tính nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi..................................23
3.3. Cân bằng năng lượng.......................................................................................23
3.3.1. Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi....................................................................23

iii


3.3.2. Xác định tổn thất nhiệt độ.......................................................................25
3.3.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sơi dung dịch..............................31
3.3.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch.....................................................32
3.3.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi................................................33
CHƯƠNG 4: TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT...............................................38
4.1. Lượng nhiệt trao đổi (Q)..................................................................................38
4.2. Hệ số truyền nhiệt (K)......................................................................................39
4.2.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1).......................................................39
4.2.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)........................................................41
4.2.3. Nhiệt tải riêng trung bình.......................................................................46
4.3. Tóm tắt tiến trình tính lập để tính nhiệt tải riêng:............................................47
4.3.1. Hệ số truyền nhiệt của nỗi nồi................................................................47
4.3.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi............................................48
4.4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt...........................................................................49
CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CƠ ĐẶC............................................................51
5.1. Tính buồng đốt.................................................................................................51
5.1.1. Tính số ống truyền nhiệt.........................................................................51
5.1.2. Đường kính buồng đốt, Dd.....................................................................51
5.1.3. Đường kính ống tuần hồn trung tâm...................................................52
5.1.4. Số ống truyền nhiệt danh nghĩa.............................................................53
5.1.5. Kiểm tra diện tích bề mặt truyền nhiệt...................................................53
5.2. Tính buồng bốc................................................................................................53
5.2.1. Đường kính buồng bốc, Db.....................................................................53
5.2.2. Thể tích buồng bốc..................................................................................55
5.2.3. Chiều cao buồng bốc...............................................................................56
5.3. Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu.....................................................56
5.3.1. Ống nhập liệu nồi 1.................................................................................56

5.3.2. Ống tháo liệu nồi 1 (nhập liệu nồi 2).....................................................57
5.3.3. Ống tháo liệu nồi 2..................................................................................57
5.3.4. Ống dẫn hơi đốt nồi 1..............................................................................57
5.3.5. Ống dẫn hơi thứ nồi 1.............................................................................57
5.3.6. Ống dẫn hơi thứ nồi 2.............................................................................58
5.3.7. Ống dẫn nước ngưng nồi 1.....................................................................58
5.3.8. Ống dẫn nước ngưng nồi 2.....................................................................58
5.3.9. Tổng kết các ống dẫn liệu, tháo liệu......................................................58
CHƯƠNG 6: TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ......................60
6.1. Tính cho buồng đốt..........................................................................................60
6.1.1. Tính bề dày thân, S’................................................................................60
6.1.2. Kiểm tra bề dày buồng đốt......................................................................62
6.2. Tính cho buồng bốc.........................................................................................62
6.2.1. Tính bề dày thân......................................................................................62
6.2.2. Kiểm tra bề dày buồng bốc......................................................................64
iv


6.3. Tính nắp...........................................................................................................66
6.4. Tính đáy...........................................................................................................68
6.5. Tính bích..........................................................................................................70
6.5.1. Mặt bích nối nắp với buồng bốc.............................................................70
6.5.2. Mặt bích nối buồng đốt với đáy..............................................................71
6.5.3. Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt....................................................71
6.6. Đệm..................................................................................................................71
6.7. Bộ phận nối buồng đốt với buồng bốc.............................................................71
6.8. Tính vỉ ống.......................................................................................................72
6.9. Tính tai treo......................................................................................................72
6.9.1. Tính khối lượng thiết bị..........................................................................73
6.9.2. Tính khối lượng dung dịch.....................................................................75

6.10. Tổng kết thiết bị chính...................................................................................76
CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ PHỤ...............................................................................78
7.1. Thiết bị ngưng tụ baromet................................................................................78
7.1.1. Lựa chọn thiết bị ngưng tụ.....................................................................78
7.1.2. Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ..................................78
7.1.3. Thể tích khơng khí và khơng khí ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng
tụ baromet..........................................................................................................79
7.1.4. Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet......................80
7.2. Tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu.......................................................................86
7.2.1. Tính lượng hơi đốt cần dùng..................................................................86
7.2.2. Tính hệ số truyền nhiệt...........................................................................87
7.2.3. Bề mặt truyền nhiệt.................................................................................92
7.2.4. Số ống truyền nhiệt.................................................................................92
7.2.5. Đường kính thiết bị gia nhiệt..................................................................93
7.3. Tính bồn cao vị................................................................................................93
7.4. Bơm..................................................................................................................95
7.4.1. Bơm chân không.....................................................................................95
7.4.2. Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.............................................................97
7.4.3. Bơm nhập liệu.........................................................................................99
7.4.4. Bơm tháo liệu (ở nồi 2).........................................................................100
CHƯƠNG 8: CÁC CHI TIẾT PHỤ...................................................................103
8.1. Bề dày lớp cách nhiệt.....................................................................................103
8.2. Cửa sửa chữa..................................................................................................103
8.3. Kính quan sát.................................................................................................103
CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN...................................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................105

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cơ đặc 2 nồi xi chiều.......................................................12

Hình 3.1 Sự thay đổi nhiệt độ trong q trình cơ đặc

28

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống cơ đặc hai nồi..............................................................34

Hình 6.1 Nắp elip

66

Hình 6.2 Bích liền bằng thép, kiểu 1...........................................................................70

Hình 7.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet

78

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hàm lượng chất khoáng trong 100g cà chua.................................................3
Bảng 1.2 Số lượng solanin theo độ chín của cà chua....................................................3
Bảng 1.3 Các sắc tố trong cà chua theo độ chín............................................................3

Bảng 3.1 Nhiệt độ và áp suất mỗi nồi

25

Bảng 3.2 Tổn thất nhiệt do nồng độ nâng cao ∆ ’........................................................27
Bảng 3.3 Áp suất 2 nồi................................................................................................30
Bảng 3.4 Tổng tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc..............................................31
Bảng 3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi..........................................................32

Bảng 4.1 Lượng nhiệt trao đổi của 2 nồi

39

Bảng 4.2 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ của 2 nồi........................................................41
Bảng 4.3 Tổng nhiệt trở vạch và chênh lệch nhiệt độ của tường................................42
Bảng 4.4 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi.................................44
Bảng 4.5 Nhiệt dung riêng..........................................................................................45
Bảng 4.6 Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi..................................................49
Bảng 4.7 Diện tích bề mặt truyền nhiệt.......................................................................50

Bảng 5.1 Tổng kết các ống dẫn liệu, tháo liệu

59

Bảng 6.1 Bích nối nắp với buồng bốc

71
vii


Bảng 6.2 Bích nồi buồng đốt với đáy..........................................................................71
Bảng 6.3 Bích nồi buồng bốc và buồng đốt................................................................71
Bảng 6.4 Thông số của tai treo....................................................................................76

Bảng 6.5 Tổng kết thiết chính.....................................................................................76

Bảng 7.1 Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet

83

Bảng 7.2 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ.......................................................................88
Bảng 7.3 Tổng nhiệt trở vạch và chênh lệch nhiệt độ của tường................................89
Bảng 7.4 Chuẩn số Prandlt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với lưu chất.................91
Bảng 7.5 Các hệ số trở lực cục bộ...............................................................................95

viii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC DỊCH CÀ CHUA
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Tổng quan về nguyên liệu cà chua


Cà chua có nguồn gốc ở Peru, Bơlivia, và Êquađo. Đây là cây thuộc họ cà
“solannaceae”, có tên khoa học là “lycoperricon esculentum Mill. Cà chua có quả
mọng, nhiều nước, có số lượng ơ (hay cịn gọi là buồng hạt) khác nhau (2-3, có khi
nhiều hơn). Hình dạng quả có thể dẹt, trịn, hình elip, bầu dục dài, dạng quả mận
và dạng quả lê. Trong cà chua chín có chứa nhiều chất dinh dưỡng như: đường,
vitamin A. vitamin C, canxi, sắt. photspho, magie, carotenoid...Bởi vậy, ngoài
được dùng như một loại rau cung cấp vitamin và chất khống, cà chua cịn có tác
dụng về mặt y học. Theo Võ Văn Chi và Lê Văn Đức (1997), cà chua có vị ngọt,
tính mát, có tác dụng tạo năng lượng, làm cân bằng tế bào và tăng sức sống .



Ở Việt Nam, cây cà chua được xếp vào các loại rau có giá trị kinh tế cao, diện tích
trồng cà chua lên đến chục ngàn ha, tập trung chủ yếu ở đồng bằng và trung du
phía Bắc. Hiện nay có một số giống chịu nhiệt mới lai tạo chọn lọc có thể trồng tại
miền Trung, Tây Nguyên và Nam Bộ nên diện tích ngày càng được mở rộng.
Nhiều giống cà chua lai ghép chất lượng tốt được phát triển mạnh ở Đà Lạt, Lâm
Đồng. Một số giống cà chua chất lượng đã được xuất khẩu ra thị trường thế giới.



Thời vụ: một năm có thể trồng 4 vụ cà chua:
+ Vụ sớm, gieo hạt vào cuối tháng 7 đầu tháng 8;
+ Vụ chính gieo cuối tháng 9 đến đầu tháng 10
+ Vụ muộn gieo từ tháng 11 đến giữa tháng 12
+ Vụ xuân gieo từ tháng 1 – 2 năm sau.



Giống cà chua:
 Cà chua hồng: quả có hình dạng quả hồng, khơng chia múi. Thịt quả đặc,
 nhiều bột, lượng đường trong quả cao. Năng suất thường đạt 25 – 30 tấn/ha.
 Các giống thường gặp: Ba Lan, hồng lan của Viện cây lương thực; giống
214;
 HP5; HP1 của Hải Phòng…
 Cà chua múi: quả to, nhiều ngăn tạo thành múi, là giống cây sinh trưởng vô

1


hạn, thời gian sinh trưởng dài, năng suất và khả năng chống chịu khá nhưng

chất lượng không bằng cà chua hồng.
 Cà chua bi: quả nhỏ, chua, giá trị thấp, thường dùng làm nguyên liệu tạo
giống.


Quả cà chua có nhiều kích cỡ và màu sắc khi chín khác nhau (vàng, da cam, hồng,
đỏ…) nhưng cà chua màu đỏ giàu chất dinh dưỡng và các hợp chất có hoạt tính
sinh học nhất. Trong số các loại rau, củ, quả dùng làm rau thì cà chua là thực phẩm
chứa vitamin, chất khống và nhiều chất có hoạt tính sinh học nhất, là thực phẩm
có lợi cho sức khỏe được dùng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới

1.1.2. Thành phần hóa học
Glucid:
Hàm lượng glucid trong cà chua phụ thuộc vào loại nguyên liệu và điều kiện trồng
trọt, chiếm khoảng 4 – 8%. Trong thành phần glucid bao gồm các chất:
– Đường: 2 – 5%, phần lớn là fructose, glucose còn sacharose chiếm rất ít (<0.5%)
(cần chú ý khi tiến hành cơ đặc thì phải tiến hành cơ đặc ở nhiệt độ thấp để giảm
bớt mức độ xảy ra phản ứng melanoidin hay caramen hóa sẽ làm thành phẩm có
màu tối kém hấp dẫn).
– Tinh bột: chỉ có ở dạng vết khoảng 0.07% – 0.26%. Trong q trình chín, tinh bột
sẽ chuyển thành đường.
– Cellulose: có nhiều trong quả xanh, càng chín thì hàm lượng càng giảm dần..
– Pecin: có nhiều khi quả chín (pectin có khả năng tạo nhớt cao, góp phần tạo độ
paste cho sản phẩm vì vậy cần chú ý nhiệt độ khi chế biến tránh phá hủy cấu trúc
pectin).
Acid hữu cơ:
– Hàm lượng acid chung của cà chua chín trung bình khoảng 0.4% (theo acid malic),
pH = 3.1 – 4.1, ngồi ra cịn có acid citric và lượng nhỏ acid tatric.
– Khi còn xanh, acid ở dạng tự do. Khi chín nó có dạng muối acid.
– Mơi trường chua làm môi trường tốt cho sự phát triển của các loại nấm men, nấm

mốc nhưng các vi khuẩn ưa nhiệt lại rất kỵ mơi trường này. Bởi vì các nấm men,
nấm mốc dễ dàng bị tiêu diệt khi gia nhiệt nên đồ hộp sản xuất từ cà chua thường
chỉ cần thanh trùng ở nhiệt độ 80 – 100oC.

2


Nitơ:
– Nitơ trong cà chua khoảng 1%, lúc còn xanh, nitơ ở dạng tự do, khi chín nó bị
phân hủy thành acid amin.
– Hàm lượng trung bình của bốn acid amin quan trọng (mg/gN) Lysine: 180
– Methionine: 40
– Cystine: 40
– Trytophan: 50
Khống:
Gồm có:
Bảng 1.1 Hàm lượng chất khống trong 100g cà chua

Hàm
lượng(μg/100g)

Na

Ca

Mg

Fe

Zn

3

13

11

0.4

0.2

Chất chát:
Ở cà chua thường có vị đắng, hăng đó là do có chứa glucosid solanin.
Bảng 1.2 Số lượng solanin theo độ chín của cà chua

Sắt tố cà chua

Xanh

Ửng

Chín

Solanin

4mg%

5mg%

8mg%

Sắc tố:
Trong cà chua thường có sắc tố thuộc nhóm carotenoid như carotene, lycopen,
xantophyl. Ở quả xanh cịn có chlorophyll. Tùy theo mức độ chín mà các sắc tố kia
tăng dần nên màu của quả trở nên đậm hơn.
Bảng 1.3 Các sắc tố trong cà chua theo độ chín

Sắt tố cà chua

Cịn xanh

Nửa chín

Chín

Lycopen

0,11

0,84

7,85

Carotene

0,16

0,43

0,73

Xantophyl

0,02

0,05

0,06

3


– Trong q trình đun nóng và xé nhỏ thì hàm lượng caroten bị tổn thất khoảng 16 –
20%. Mặt khác do caroten là tiền chất để tạo ra vitamin A, do vậy trong q trình
đun nóng dưới tác dụng của nhiệt độ đặc biệt nếu như đun nóng lâu và ở nhiệt độ
cao thì các vitamin A bị phá hủy, từ đó các caroten cũng bị phá hủy. Do vậy hàm
lượng caroten bị tổn thất trong quá trình đun nóng làm giảm màu sắc của cà chua
trong q trình chế biến.
– Mặt khác công đoạn xé tơi để phục vụ cho cơng đoạn đun nóng cũng làm cho hàm
lượng caroten bị tổn thất.
– Màu sắc của cà chua bị biến đổi chính là do các phản ứng hóa học giữa các sắc tố
có trong cà chua và ion kim loại như các lưỡi dao dùng để xé nhỏ hay các dụng cụ
chứa đựng làm bằng đồng, sắt.
Vitamin:
– Vitamin K (7,9 μg/100g)
– Vitamin C (40mg/100g)
– Beta-caroten (393 μg/100g)
Các thành phần khác:
Cà chua chứa pectinase, khi càng chín enzyme này càng nhiều.
1.2. Q trình cơ đặc

1.2.1. Định nghĩa cơ đặc
Cơ đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ của một cấu tử nào đó
trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Q trình cơ đặc của dung dịch lỏng-rắn hay
dung dịch lỏng-lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sơi rất cao thì thường được tiến hành
bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn), đó là các q trình vật lý –
hóa lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi trong q trình
đó) mà ta có thể tách một phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp
nhiệt độ hay phương pháp làm lạnh kết tinh. [4]
1.2.2. Các phương pháp cô đặc
1.2.2.1. Phương pháp nhiệt (đun nóng)
Dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp
suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống dung dịch. Để
cơ đặc được dung dịch khơng chịu được nhiệt độ cao địi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ
thấp ứng với nhiệt độ ở mặt thống thấp. Đó là phương pháp cô đặc chân không. [4]

4


1.2.2.2. Phương pháp lạnh
Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn
chất tinh khiết, thường là kết tinh dung mơi để tăng nồng độ chất tan. Tùy tính chất cấu
tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh đó xảy ra ở
nhiệtđộ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. [4]
1.2.3. Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất
lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngồi. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt
để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong q trình
cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên

bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hồn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí và
lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
1.2.4. Ứng dụng của sự cô đặc
 Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước
trái cây….
 Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, KCl, các muối vô cơ …
 Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị
cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù chỉ
là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà
máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cơ
đặc là một tất yếu. Nó địi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và
hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa
dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
1.3. Các thiết bị cô đặc
1.3.1. Phân loại

 Các thiết bị cô đặc được phân loại theo các cách sau:
 Theo cách sắp xếp ống đốt [4]:
 Thẳng
 Ngang
 Nghiêng

5


 Theo hình dáng cấu tạo mặt đốt [4]:
 Vỏ áo bạc
 Ống bạc
 Ống xoắn
 Hình ống

 Cánh
 Theo loại lưu thế [4]:
 Ống dẫn hơi
 Ống dẫn lỏng
 Theo cách bố trí mặt đốt (đun nóng) [4]:
 Phịng đốt (đun nóng) bằng hơi bên ngồi
 Nằm ngang
 Thẳng đứng
+ Phịng đốt (đun nóng) bằng bằng hơi bên trong
 Thẳng đứng
 Nằm ngang
 Theo trạng thái tuần hoàn [4]:
 Tuần hồn cưỡng bức
 Tuần hồn tự nhiên có vịng tuần hồn đặc biệt
 Tuần hồn tự nhiên khơng có vịng tuần hồn đặc biệt
 Theo số lần tuần hồn [4]:
 Một lần
 Nhiều lần
 Theo loại chất mạng nhiệt (chất tải nhiệt) [4]
 Đốt (đun nóng) bằng khí
 Đốt (đun nóng) bằng điện
 Đốt (đun nóng) bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt)
 Chất mạng nhiệt (chất tải nhiệt) lỏng có nhiệt độ cao (dầu, nước có áp suất
6


cao…)
Trong cơng nghiệp hóa chất thường dùng các thiết bị cơ đặc đun nóng bằng hơi,
loại này bao gồm các phần chính sau [5]:
 Phịng đốt – bề mặt truyền nhiệt.

 Phòng phân ly hơi – khoảng trống để tách hơi thứ ra khỏi dung dịch.
 Bộ phận tách bọt – dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
1.3.1.1. Theo cấu tạo
Có nhiều cách phân loại khác nhau ở trên nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc
điểm cấu tạo sau đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất [4]:
Các thiết bị cô đặc (TBCĐ) được chia làm 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu như sau:
 Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên). Thiết bị cơ đặc nhóm này
có thể cơ đặc dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua
bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
 Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể ống tuần hồn trong
hoặc ống tuần hồn ngồi.
 Loại 2: Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc).
 Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hồn cưỡng bức). Thiết bị cơ đặc
nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt
truyền nhiệt. Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các
dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
Có loại dùng cánh khuấy đặt ở trung tâm buồng đốt để tuần hồn dung dịch. Bao
gồm:
 Loại 3: Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
 Loại 4: Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
 Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cơ đặc nhóm này chỉ cho phép
dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để
tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc
biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao
gồm:
 Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch
sơi tạo bọt khó vỡ.

7

 Loại 6: Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch
sơi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.3.1.2. Theo phương pháp thực hiện q trình


Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường
dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực
đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là
không cao. [4]



Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi dưới 100 0C, áp suất chân
khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. [4]



Cơ đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm năng lượng (tiết kiệm hơi đốt). Số
nồi khơng nên lớn q vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cơ đặc chân
khơng, cơ đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng
hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. [4]



Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển
tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. [4]



Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi,
có hoặc khơng có ống tuần hồn. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của
dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cơ đặc ở áp suất chân không, áp suất thường
hoặc áp suất dư. [4]

1.3.2. Các thiết bị và chi tiết
1.3.2.1. Thiết bị chính


Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.



Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…



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

1.3.2.2. Thiết bị phụ


Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu, tháo liệu



Bồn cao vị



Lưu lượng kế



Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước vào thiết bị ngưng tụ, bơm chân không.



Thiết bị gia nhiệt.



Thiết bị ngưng tụ Baromet.
8




Các loại van.



Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

1.4. Quy trình cơng nghệ
1.4.1. Ngun lý hoạt động thiết bị cơ đặc


Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các
ống truyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hồn trở lên phía buồng

bốc. Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần
hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên. Quá trình
trao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt. [4]



Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độ dung
dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng. Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch
càng chậm lại về sau. Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo
yêu cầu. [4]



Tốc độ chuyển động tuần hồn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch
càng tăng, q trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh
chóng đạt yêu cầu và ngược lại. Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy. [4]

1.4.2. Nguyên lý hoạt động thiết bị ngưng tụ Baromet


Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Nó rất thơng dụng trong ngành hố chất và
thực phẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất
chân không (như dung dịch đường, muối, glycêrin, bột ngọt, nước mắm, xút…).[4]



Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet,
nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo các ngăn và phun thành tia. Hơi trao
đổi nhiệt với nước, ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại, theo
ống Baromet chảy ra ngoài. [4]

1.4.3. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống


Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung
dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ
sôi rồi đi vào nồi cô đặc thứ I để thực hiện quá trình bốc hơi. Dung dịch sau khi cơ
đặc ở nồi I được dẫn ra ở phía dưới để đi vào nồi cơ đặc thứ II. Hơi thứ đi ra phía
trên của nồi I được dẫn vào buồng đốt của nồi thứ II. Q trình cơ đặc lại tiếp tục
được diễn ra lần thứ hai.



Dung dịch sau khi được cô đặc trong nồi thứ hai đã đạt được nồng độ theo yêu cầu
được bơm tháo liệu bơm ra ngoài và dẫn vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ sinh ra
trong nồi II này sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ baromet, một phần ngưng tụ
9