Sự cô đặc và lý thuyết tính toán về sự cô đặc

Bài chuyên đề CN-TBBQ
1. Đăt vấn đề
Trong cuộc sống nhiều sản phẩm mà ta bắt gặp, cũng như sử dụng
hằng ngày được làm hoặc chế tạo ra dưới rất nhiều hình thức bởi các quá
trình như lý, hóa và dưới rất nhiều góc độ khoa học khác nhau.Trong đó
“cô đặc” là một qúa trình làm bốc hơi nước của sản phẩm bằng cách đun
sôi hoặc làm kết tinh để tạo ra sản phẩm mới có nồng độ cao hơn nồng độ
của sản phẩm ban đầu.Trong công nghệ chế biến bảo quản chế biến nông
sản thực phẩm “cô đặc” là một vấn đề rất quan trọng đó là một công nghệ
được thực hiện để tăng nồng độ của sản phẩm, làm tăng độ sinh của thực
phẩm, kéo dài thời gian bảo quản và giảm được khối lượng vận chuyển làm
tăng khả năng kinh tế cũng như đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho
con người. Do đó, tôi chọn đề tài về “sự cô đặc” đó là:“NGHIÊN CỨU LÍ
THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC VÀ TÌM HIỂU CÁC
THÔNG SỐ LỚN NHẤT ẢNH HƯƠNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CÔ
ĐẶC” từ đó làm cơ sơ để tính toán ứng dụng vào thực tế cho ngành công
nghệ thực phẩm cũng như trong bảo quản chế biến nông sản thu được
nhiều hiệu quả kinh tế hơn.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
1
Bài chuyên đề CN-TBBQ
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Mục đích, yêu cầu kỹ thuật và phân loại
a) Mục đích
Cô đặc sản phẩm là quá trình loại dung môi ra khỏi dung dịch để thu lại
chất hòa tan không bay hơi có nồng độ cao hơn. Đối với sản phẩm thực
phẩm lỏng, dung môi chủ yếu là nước, vì vậy để loại bỏ nước, người ta có
thể dùng phương pháp làm cho nước kết tinh (cô đặc đông lạnh tương tự
như sấy thăng hoa) hoặc làm cho nước bốc hơi bằng cách đun sôi.
Cô đặc được áp dụng nhiều trong công nghệ bảo quản và chế biến nông

sản, nhằm mục đích :
- Tạo ra sản phẩm có nồng độ chất khô cao, nhờ đó đã làm tăng giá trị
dinh dưỡng, tăng thời gian cất giữ, giảm chi phí bao gói và bảo quản. Ví
dụ: cô đặc sữa trong công nghiệp chế biến sữa đặc, cô đặc nước quả ép
trong công nghiệp chế biến đồ hộp rau quả, nước giải khát,
- Tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình chế biến tiếp theo. Ví dụ: cô
đặc trước khi kết tinh trong chế biến đường, cô đặc trước khi sấy khô hoàn
toàn trong chế biến sữa bột và một số sản phẩm khác.
Trong nội dung này chỉ giới thiệu các thiết bị dùng để cô đặc sản phẩm
bằng phương pháp làm cho nước bốc hơi.
b) Yêu cầu kỹ thuật
- Phải đảm bảo nồng độ chất khô của dung dịch theo đúng yêu cầu của
từng loại sản phẩm.
- Chất lượng sản phẩm không bị thay đổi sau khi cô đặc, đặc biệt là các
cấu tử quan trọng của sản phẩm không bị mất đi và lượng hao tổn vật chất
khô trong quá trình cô đặc nhỏ nhất.
- Hệ số truyền nhiệt cao nhất trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ nhất
định và hơi phải được phân bố đều trong buồng bốc hơi.
- Vật liệu chế tạo thiết bị không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, có
thể dùng đồng thau, sắt tráng men hoặc thép không rỉ.
- Chi phí năng lượng riêng là nhỏ nhất.
- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, lắp ráp và tháo dỡ, dễ làm sạch bề mặt
truyền nhiệt.
c) Phân loại
- Theo chế độ tuần hoàn có: thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên và thiết bị
tuần hoàn cưỡng bức.
- Theo hình dạng của bộ phận trao đổi nhiệt có: ống thẳng, ống ruột gà,
ống vòng,
- Theo số lần tuần hoàn: một lần, hai lần.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
2
Bài chuyên đề CN-TBBQ
- Theo tính chất hoạt động: liên tục hoặc gián đoạn.
- Theo loại chất tải nhiệt: lỏng, hơi, khí, điện.
- Theo vị trí của bề mặt truyền nhiệt: đặt thẳng đứng, nằm ngang, nằm
nghiêng.
- Theo tổ hợp của bề mặt đun nóng: buồng đốt ngoài, buồng đốt trong.
- Theo số nồi hơi: loại một nồi, loại nhiều nồi.
2.2. Nguyên lý làm việc và cấu tạo
Cô đặc sản phẩm bằng phương pháp làm cho nước bốc hơi được thực
hiện nhờ làm sôi dung dịch. Dòng mang nhiệt thường là dòng hơi nước hay
khí nóng (còn gọi là hơi đốt) sẽ nhường nhiệt cho dung dịch. Dung dịch
được làm sôi và nước trong dung dịch sẽ bốc hơi, nhờ đó nồng độ dung
dịch được tăng lên. Để tiết kiệm nhiệt của hơi thứ, người ta thường kết cấu
hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi, trong đó hơi thứ của nồi thứ nhất được
dùng làm hơi đốt cho nồi thứ hai và hơi thứ của nồi thư hai được dùng làm
hơi đốt cho nồi thứ ba,
Về nguyên lý cấu tạo chung, thiết bị cô đặc gồm có: bộ phận trao đổi
nhiệt, bộ phận phân ly hơi thứ và tùy theo cấu tạo của từng loại thiết bị cô
đặc mà có thể có bình ngưng, bơm dung dịch và các bộ phận phụ trợ khác.
Bộ phận trao đổi nhiệt có nhiệm vụ mang nhiệt của hơi đốt truyền sang
cho dung dịch. Nó được cấu tạo bởi những ống kim loại, lắp đặt theo chiều
đứng, xiên, ngang. Người ta có thể cho hơi đốt đi vào trong ống còn dung
dịch ở phía ngoài ống (buồng đốt trong) hoặc hơi đốt ở phía ngoài ống còn
dung dịch đi trong ống (buồng đốt ngoài), khi đó dung dịch sẽ tiếp xúc với
bề mặt truyền nhiệt, nhận nhiệt và được làm sôi.
Quá trình bốc hơi nước của dung dịch có thể tiến hành ở áp suất khí
quyển, áp suất cao hơn khí quyển hoặc áp suất chân không.
Khi bốc hơi ở áp suất khí quyển, hơi thứ được thoát ra từ dung dịch sẽ

xả ngay ra khí quyển. Phương pháp này đơn giản nhưng lãng phí nhiệt. Khi
bốc hơi ở áp suất cao hơn khí quyển, hơi thứ có thể được dùng làm hơi đốt
trong các thiết bị dùng nhiệt tiếp theo. Phương pháp này đã tận dụng được
nhiệt của hơi thứ nhưng cũng cần phải chú ý cùng với sự tăng áp suất thì
điểm sôi của dung dịch cũng tăng lên và không thể áp dụng để cô đặc
những dung dịch dễ nhạy cảm với nhiệt độ cao (như nước cam, )
Khi bốc hơi ở áp suất chân không, nhiệt độ điểm sôi của dung dịch giảm
xuống, có thể dùng hơi có áp suất thấp làm chất tải nhiệt để làm sôi dung
dịch. Phương pháp này đã làm giảm bít mất mát nhiệt vào môi trường xung
quanh, tăng hiệu số nhiệt độ có ích giữa hơi đốt và dung dịch sôi, nhờ đó
cho phép giảm bít diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và kích thước của toàn bộ
thiết bị cô đặc. Mặt khác do nhiệt độ điểm sôi thấp nên có thể áp dụng để
cô đặc những sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao.
Để tăng cường khả năng bốc hơi và đặc biệt là cần giảm thời gian tiếp
xúc của dung dịch với bề mặt truyền nhiệt khi cô đặc những dung dịch

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
3
Bài chuyên đề CN-TBBQ
nhạy cảm với nhiệt, người ta cho dung dịch đi qua bề mặt truyền nhiệt của
các ống kim loại thành lớp màng mỏng theo chiều từ trên xuống (thiết bị cô
đặc màng rơi) hoặc từ dưới lên (thiết bị cô đặc màng leo) và trong một số
trường hợp lớp màng mỏng được tạo ra nhờ lắp thêm bộ phận khuấy (thiết
bị cô đặc màng khuấy).
Bộ phận phân ly hơi thứ có nhiệm vụ tách hơi thứ ra khỏi dung dịch sôi.
Nó được cấu tạo bởi một bình, trong đó có gắn những tấm chắn thích hợp
sao cho hỗn hợp lỏng-hơi đi vào trong bình đổi hướng chuyển động, chất
lỏng nặng hơn do lực ly tâm văng ra, đập vào tấm chắn hay thành bình lắng
đọng xuống đáy và chảy vào ống thu, còn hơi thứ nhẹ hơn bốc lên trên và
đi vào bình ngưng.

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số thiết bị cô đặc được sử
dụng phổ biến trong công nghiệp chế biến sữa, nước quả,
2.3. Cấu tạo và cách sử dụng một số thiết bị cô đặc
a) Thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên
Thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên có ống tuần hoàn ngoài được dùng
phổ biến trong sản xuất sữa đặc (hình 6.11).
Thiết bị có buồng đốt treo 3, bộ phận phân ly 1 và ống tuần hoàn ngoài
4. Sữa ban đầu đi vào thiết bị theo ống 6 và được đun sôi trong các ống 2
của của buống đốt 3. Hỗn hợp sữa lỏng-hơi nhẹ hơn nổi lên trên, theo ống 5
vào bộ phận phân ly 1 do tuần hoàn tự nhiên.

Hình 1. Sơ đồ thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên
1- bộ phân phân ly; 2- ống đun sôi; 3- buồng đốt; 4-
ống tuần hoàn ngoài; 5- ống dẫn sữa lỏng-hơi; 6- cửa
vào sữa.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
4
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Do ống 5 nối tiếp tuyến với bộ phận phân ly 1 nên hỗn hợp sữa lỏng-hơi
từ buồng đốt vào bộ phận phân ly chịu một chuyển động quay, các giọt sữa
văng vào thành bộ phận phân ly chảy xuống đáy và theo ống tuần hoàn
ngoài 4 trở về buồng đốt còn hơi thứ đi ra khỏi bộ phận phân ly. Trong
thiết bị trên, một bộ phận phân ly được nối với nhiều buồng đốt, nhờ vậy có
thể ngừng một buồng đốt nào đó để bảo dưỡng hay sửa chữa mà vẫn không
làm ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống thiết bị.
b) Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
Thiết bị cô đặc tuần hoàn nhờ bơm ly tâm được sử dụng để làm bay hơi
dung dịch có độ nhít lớn khó thực hiện theo phương pháp tuần hoàn tự
nhiên (hình 6.12).

Dung dịch đi vào thiết bị qua ống 1 được làm sôi khi đi lên theo các ống
đun sôi 4. Hỗn hợp lỏng-hơi đi vào bộ phận phân ly 6, ở đó hơi thứ được
tách ra khỏi hỗn hợp, qua ống 5 đi ra ngoài thiết bị, dung dịch đậm đặc theo
ống tuần hoàn 8 về máy bơm 9 và được đẩy trở lại vào các ống đun sôi 4 để
lặp lại vòng tuần hoàn. Dung dịch được cô đặc đến nồng độ đã định, đưa ra
khỏi thiết bị cô đặc qua cửa tháo 3. Hơi đốt đun nóng thân thiết bị theo ống
2 vào khoảng giữa các ống đun sôi 4 của buồng đốt 10. Nước ngưng tụ
chuyển ra khỏi thiết bị qua ống 7.
Do tốc độ chuyển động của dung dịch trong ống 4 lớn (tới 3,5m/s) nên
cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi đốt và dung dịch tăng lên đặc biệt khi hiệu
số nhiệt độ hữu ích không lớn hơn 3 ÷ 5
O
C. Hệ số truyền nhiệt cao hơn 2 ÷
3 lần hệ số truyền nhiệt trong các thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên.
Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm là năng suất cao, có thể làm bay hơi
một lượng nước khá lớn trong dung dịch nên được dùng nhiều trong công
nghiệp sản xuất đường, muối tinh, Nhược điểm chủ yếu là phải tiêu tốn
năng lượng cho bơm để khắc phục sức cản thủy lực của dung dịch trong
quá trình tuần hoàn.
c) Thiết bị cô đặc không tuần hoàn loại màng
Thiết bị cô đặc không tuần hoàn loại màng (hình 6.13), quá trình bay
hơi được tiến hành trên các màng dung dịch mỏng, khi nó được vận chuyển
lên cao theo các ống đun sôi 4 có chiều dài lớn (6 ÷ 9m), đường kính nhỏ
(50mm), với vận tốc lớn (20m/s).

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
5
Bài chuyên đề CN-TBBQ

Hình 2. Thiết bị cô đặc tuần Hình 3. Thiết bị cô đặc không
hoàn cưỡng bức tuần hoàn loại màng
Dung dịch liên tục cho vào ống 4 từ dưới lên qua hai ống nhỏ 1. Mức
dung dịch trong các ống luôn luôn giữ khoảng 1/4 đến 1/5 độ cao của ống.
Dung dịch sôi trong các ống chiếm gần hết thể tích của ống và đi lên trên,
cuốn theo nó màng chất lỏng vào bộ phận phân ly 6. Bộ phận này là tấm
thép uốn cong theo hình xoắn ốc. Nhờ chuyển động quay của hơi thứ trong
bộ phận phân ly, những giọt dung dịch đặc bị hơi cuốn theo văng vào thành
bộ phận phân ly, chảy xuống phía dưới và sản phẩm đã được cô đặc liên
tục đưa ra khỏi thiết bị qua ống 3. Hơi thứ đi qua ống nối 5 vào thiết bị
ngưng tụ. Hơi đốt đưa vào buồng đốt qua ống 2, còn nước ngưng tụ được
chuyển qua ống nối 6. Không khí được tích lũy lại ở khoảng không gian
giữa các ống của buồng đốt được chuyển ra theo ống 7.
Thiết bị cô đặc loại này có ưu điểm : quá trình cô đặc được thực hiện
liên tục, tạo ra dung dịch vừa đủ độ đặc mà chỉ cần một lần đi qua ống đun
sôi và bộ phận phân ly. Hệ số truyền nhiệt cao hơn so với các thiết bị khác.
Nhược điểm: khó lau chùi các ống vì các ống quá dài, chiều cao buồng làm
việc lớn. Tuy vậy, các thiết bị này vẫn được sử dụng phổ biến trong công
nghiệp sản xuất đường, mật, tinh bột và sử dụng rất có hiệu quả đối với
dung dịch nhạy với nhiệt độ cao.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
6
Bài chuyên đề CN-TBBQ
2.4. Hệ thống thiết bị cô đặc
a ) Hệ thống thiết bị cô đặc một nồi
Cô đặc một nồi chỉ dùng khi năng suất thấp và khi không dùng hơi thứ
làm chất tải nhiệt để đun nóng.
Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi liên tục được thể hiện trên hình 6.14.
Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm vào thùng 3, sau đó chảy qua lưu

lượng kế 4 vào thiết bị đun nóng 5.
ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô
đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ và khi không ngưng đi qua phía
trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ.
Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ sẽ
được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống 11 ra ngoài, còn khí không
được ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt 10 rồi vào bơm hút chân không.
Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào
thùng chứa 6.
Hình 4. Sơ đồ cô đặc một nồi
1- thùng chứa; 2- bơm; 3- thùng cao vị; 4- lưu lượng kế; 5-
thiết bị đun nóng; 6- nồi cô đặc; 7 - bơm; 8- thùng chứa sản
phẩm; 9- thiết bị ngưng tụ; 10- bộ phận thu hồi bọt; 11- ống
baromet.
b) Hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi
Để tiết kiệm và giảm bít lượng hơi nước tiêu hao làm nóng thiết bị
người ta tiến hành cô đặc trong thiết bị nhiều nồi.
Hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi bao gồm nhiều nồi nối tiếp nhau.
áp suất ở nồi sau thấp hơn so với nồi trước, vì vậy nhiệt độ của dung
dịch nồi sau nhỏ hơn nồi trước. Do sự phân bố nhiệt độ sôi của dung
dịch như vậy nên có thể dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
7
Bài chuyên đề CN-TBBQ
sau. Như vậy chỉ có nồi đầu tiên của hệ thống sẽ đun bằng hơi mới. Hơi
thứ của nồi đầu tiên đưa đi để đun nóng nồi thứ hai, ở nồi này áp suất và
nhiệt độ sôi của dung dịch thấp hơn so với nồi đầu tiên. Nhiệt lượng
chứa trong hơi thứ nồi đầu tiên đủ để làm sôi dung dịch ở nồi thứ hai.
Hơi thứ ở nồi thứ hai lại đun nóng và làm sôi dung dịch ở nồi thứ 3 của

hệ thống,
Nếu nồi cuối cùng của hệ thống làm việc ở áp suất cao hơn áp suất
khí quyển thì hơi thứ của nó vẫn có thể sử dụng được vào các công việc
khác tuỳ theo yêu cầu của quá trình sản xuất tiếp theo. Nếu nồi cuối cùng
làm việc ở áp suất chân không thì hơi thứ của nó sẽ đi vào thiết bị chiết.
Hệ thống cô đặc nhiều có thể làm việc xuôi chiều, ngược chiều hoặc song
song, trong đó hệ thống cô đặc xuôi chiều thường dùng phổ biến hơn cả.
Trên hình 6.15 là sơ đồ hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều. Dung dịch đi
vào nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2 rồi nồi 3 nhờ chênh lệch áp suất trong
các nồi. Còn hơi đốt đi vào phòng đốt của nồi 1 để đốt nóng dung dịch ở nồi
1, hơi thứ của nồi 1 đi vào phòng đốt của nồi 2, hơi thứ của nồi 2 đi vào
phòng đốt của nồi 3 và hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ 5.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi
trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của
nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều
có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi
và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự
bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
sôi của dung dịch , do đó, cần phải tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt để đun
nóng dung dịch, vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi đưa vào
nồi đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
Hình 5. Sơ đồ cô đặc ba nồi xuôi chiều
1, 2, 3- nồi cô đặc; 4- thiết bị gia nhiệt nguyên liệu đầu; 5-
thiết bị ngưng tụ; 6- thiết bị tách bọt; 7- bơm chân không.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
8
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các
nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ

nhít của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ
nồi đầu đến nồi cuối.
Hệ thống cô đặc ngược chiều được trình bày trong hình 6.16. Hơi di
chuyển giống như trường hợp xuôi chiều còn dung dịch đi vào nồi 3 và
sản phẩm ra khỏi ở nồi 1.
Hình 6. Sơ đồ đặc nhiều nồi ngược chiều
ở đây, vì áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch không tự
chảy từ nồi nọ sang nồi kia được mà phải dùng bơm để vận chuyển.
Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào ở
nồi đầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhít không tăng mấy. Kết quả là hệ
số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy. Đó chính là ưu
điểm của cô đặc nhiều ngược chiều. Ngoài ra, khi cô đặc ngược chiều
lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn khi cô đặc xuôi chiều, dó đó,
lượng nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
Khuyết điểm chính của cô đặc ngược chiều là cần phải có bơm để vận
chuyển dung dịch Hệ thống cô đặc song song 3 nồi được mô tả ở hình 6.17.
Hình 7. Sơ đồ cô đặc 3 nồi song song

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
9
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Dung dịch đầu vào đồng thời ở các nồi. Sản phẩm cũng đồng thời lấy ra
ở mỗi nồi. Hệ thống song song chỉ dùng khi yêu cầu nồng độ của dung dịch
không cao lắm, hoặc khi dung dịch cô đặc có kết tinh, vì khi đó dung dịch
có kết tinh di chuyển từ nồi nọ sang nồi kia dễ làm tắc ống.
Thiết bị cô đặc nhiều nồi có ưu điểm:
- Tiết kiệm nhiệt lượng đáng kể vì sử dụng được hơi thứ. Khi số nồi
càng nhiều thì lượng hơi đốt tiêu hao để làm bốc hơi 1 kg nước của sản
phẩm ở trong thiết bị càng nhỏ.
- Chất lượng sản phẩm tốt vì thời gian cô đặc liên tục, nhiệt độ sôi

thấp, thời gian cô đặc nhanh.
- Năng suất thiết bị cao.
2.5. Lý thuyết tính toán quá trình cô đặc
2.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc
- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc vào áp suất hơi trên bề mặt sản
phẩm, nồng độ chất khô và tính chất lý hóa của sản phẩm. Khi áp suất hơi
trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản phẩm càng
giảm. ở nhiệt độ sôi thấp, sản phẩm ít bị biến đổi. Vì vậy, trong nhiều
trường hợp người ta tạo chân không trong thiết bị cô đặc để hạ nhiệt độ sôi
của sản phẩm hoặc sử dụng chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp như hơi thứ. Tuy
nhiên, nhiệt độ sôi thấp sẽ làm giảm tốc độ trao đổi nhiệt trong sản phẩm và
có thể đưa tới hiện tượng bốc hơi bề mặt giống như quá trình sấy.
- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào cường độ bốc hơi của sản phẩm và
điều kiện vận hành của hệ thống thiết bị. ở thiết bị làm việc liên tục và sản
phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian cô đặc ngắn.
- Cường độ bốc hơi phụ thuộc chủ yếu vào hệ số truyền nhiệt. Hệ số
truyền nhiệt càng cao thì cường độ bốc hơi càng lớn. Để nâng cao hệ số
truyền nhiệt cần phải nâng cao nhiệt độ sôi và tốc độ tuần hoàn của sản
phẩm, bề mặt truyền nhiệt cần phải được làm sạch, lượng nước ngưng tụ
trong buồng đốt được thải ra tuần hoàn và nhanh chóng.
2.5.2. Tính toán hệ thống thiết bị cô đặc một nồi
a) Xác định lượng hơi đốt tiêu hao để làm bay hơi dung dịch
- Lượng nước trong dung dịch cần bay hơi
Giả thiết: G là lượng dung dịch vận chuyển vào thiết bị cô đặc (kg),
x
đ
là nồng độ dung dịch ban đầu (%), x
c
là nồng độ dung dịch sau khi cô
đặc (%), W là lượng nước bốc hơi.

Lượng chất khô có trong dung dịch trước và sau khi cô đặc là không
đổi, vì vậy phương trình cân bằng khối lượng là:
Gx
đ
= (G - W)x
c
(6.29)
Từ đó ta tính được lượng nước cần bốc hơi:

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
10
Bài chuyên đề CN-TBBQ
W = G(1 -
c
d
x
x
)
(6.30)
- Lượng hơi đốt tiêu hao để làm bay hơi
Biết W ta có thể sơ bộ xác định được lượng hơi đốt tiêu hao khi khi
bay hơi dựa vào phương trình cân bằng nhiệt:
Q
1
+ Q
2
= Q
3
+ Q
4

+ Q
5
+ Q
6
(6.31)
Nhiệt đi vào thiết bị gồm có:
- Q
1
: Nhiệt theo dung dịch
Q
1
= GC
d
t
d
(6.32)
- Q
2
: Nhiệt theo hơi đốt
Q
2
= i
1
D (6.33)
Nhiệt ra khỏi thiết bị gồm có:
- Q
3
: Nhiệt theo dung dịch cô đặc
Q
3

= (G - W) C
c
t
c
(6.34)
- Q
4
: Nhiệt theo hơi thứ
Q
4
= i
2
W (6.35)
- Q
5
: Nhiệt theo nước ngưng tụ của hơi đốt
Q
5
= DCt
n
(6.36)
- Q
m
: Nhiệt đi vào khoảng không (mất mát ra môi trường xung
quanh)
Trong đó:
C
d
, C
c

- nhiệt dung riêng dung dịch trước và sau khi cô đặc
(J/kg.độ);
t
d
, t
c
- nhiệt độ dung dịch trước và sau khi cô đặc,
0
C;
i
1
, i
2
- entanpi của hơi đốt và hơi thứ (J/kg);
C- nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ;
t
n
- nhiệt độ của nước ngưng tụ.
Thay các giá trị vừa tìm được vào phương trình (6.31), phương trình
cân bằng nhiệt có dạng:
GC
d
t
d
+ i
1
D = (G - W)C
c
t
c

+ i
2
W + DC
t
t
n
+ Q
m

(6.37)
Từ đây ta xác định được lượng hơi đốt cần thiết để làm bay hơi dung
dịch:
n
mccddcc
Cti
QtCiWtCtCG
D
1
2
)()( +−+−
=
(6.38)
n
c
Cti
Q
D
−
=
1

(6.39)
Với Q
c
là nhiệt lượng tiêu hao chung để làm bay hơi dung dịch:
Q
c
= G(C
c
t
c
- C
d
t
c
) + W(i
2
- C
c
t
c
) + Q
m

(6.40)

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
11
Bài chuyên đề CN-TBBQ
b) Xác định bề mặt đun nóng của thiết bị
Bề mặt đun nóng là thành của ống đun nóng ở phía có hơi đốt còn

phía kia là dung dịch cần cô đặc. Ta có thể tính bề mặt đun nóng của
thiết bị cô đặc từ phương trình cơ bản của quá trình truyền nhiệt.
Q
c
= KFτ
t∆
(6.41)
Từ phương trình (6.39), ta rút ra:
Q
c
= D(i
1
- Ct
n
) (6.42)
Cân bằng phương trình (6.41) và (6.42), ta rút ra:
tK
CtiD
F
n
∆
−
=
τ
)(
1
(6.43)
F- diện tích bề mặt đun nóng của thiết bị cô đặc, m
2
;

t
∆
- hiệu số nhiệt độ trung bình của hơi đốt và dung dịch sôi,
0
C
K- hệ số truyền nhiệt từ hơi đến dung dịch sôi, W/m
2
.h.
0
C;
τ
- thời gian cô đặc, h.
c) Hiệu số nhiệt độ có ích và tồn thất nhiệt độ khi cô đặc
Trong thiết bị cô đặc nhiệt độ của hơi nóng truyền qua thành thiết bị
tới dung dịch làm làm tăng nhiệt độ của dung dịch đến điểm sôi. Nhiệt từ
hơi đốt truyền sang dung dịch chỉ sôi khi nào nhiệt độ hơi đốt cao hơn
nhiệt độ sôi.
Hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ điểm sôi của dung dịch
được gọi là hiệu số nhiệt độ có ích.
∆
t
i
= t
hd
- t
s
(6.44)
∆
t
i

- hiệu số nhiệt độ có ích
t
hd
- nhiệt độ hơi đốt
t
s
- nhiệt độ điểm sôi.
Hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng
tụ gọi là hiệu số nhiệt độ chung:
∆
t
c
= t
hd
- t
ht
(6.45)
∆
t
c
- hiệu số nhiệt độ chung;
t
ht
- nhiệt độ hơi thứ.
Trong quá trình cô đặc hiệu số nhiệt độ có ích luôn nhỏ hơn hiệu số
nhiệt độ chung một đại lượng tổn thất nhiệt độ, nghĩa là:
∆
t
i
=

∆
t
c
-
∑
∆
= t
hd
- t
ht
-
∑
∆
(6.46)
∑
∆
: tổn thất nhiệt độ
Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn nhiệt độ hơi thứ một đại
lượng bằng tổn thất nhiệt độ.
t
s
= t
ht
+
∑
∆
(6.47)
Tổn thất nhiệt độ
∑
∆

bao gồm tổn thất lý hoá, tổn thất thuỷ tĩnh và
tổn thất thuỷ lực:
∑
∆
=
∆
lh
+
∆
tt
+
∆
tl
(6.48)

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
12
Bài chuyên đề CN-TBBQ
- Tổn thất lý hoá
∆
lh
nhằm khắc phục lực liên kết giữa nước và chất
hoà tan trong dung dịch cô đặc để cho nước bay hơi. Ví dụ ở điều kiện
áp suất khí quyển nước sôi ở 100
0
C, còn dung dịch muối ăn có nồng độ
26% sôi ở nhiệt độ 107,5
0
C, trong khi đó hơi thứ trong cả 2 trường hợp
trên đều là 100

0
C. Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch tăng lên một đại
lượng
∆
lh
= 7,5
0
C.
- Tổn thất thuỷ tĩnh
∆
tt
dùng để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh của cột
chất lỏng. Thông thường lớp dung dịch ở phía trên thiết bị có áp suất
thấp hơn lớp chất lỏng ở phía dưới thiết bị. Vì vậy nhiệt độ sôi của lớp
chất lỏng phía dưới cao ở phía trên. Sự chênh lệch nhiệt độ sôi của cột
chất lỏng lớp trên và lớp dưới được gọi là tổn thất thuỷ tĩnh
∆
tt
.
- Tổn thất thuỷ tĩnh
∆
tl
dùng để khắc phục sức cản thuỷ lực trong ống
dẫn. Khi hơi thứ đi từ bề mặt chứa dung dịch sôi ở thiết bị cô đặc đến
chỗ vào của thiết bị ngưng tụ, hơi phải khắc phục sức cản thuỷ lực của
ống dẫn. Vì vậy, áp suất hơi thứ giảm nên nhiệt độ của nó giảm xuống,
muốn giữ cho nhiệt độ hơi thứ không giảm thì phải tăng nhiệt độ sôi.
Như vậy nhiệt độ sôi tăng lên một đại lượng
∆
tl

.
2.6. Hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi
a) Cân bằng vật liệu trong cô đặc nhiều nồi
Đối với toàn bộ hệ thống vẫn có thể ứng dụng các công thức (6.30) và
(6.39) của quá trình cô đặc một nồi. Sơ đồ cân bằng vật chất và nhiệt lượng
trong thiết bị cô đặc nhiều nồi được thể hiện trên hình 6.18.
Hình 8. Sơ đồ cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong hệ thống cô đặc

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
13
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống:
)1(
c
d
d
x
x
GW −=
(6.49)
Trong đó: G
d
– lượng dung dịch đầu vào, kg/s
X
d
, X
c
– nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra khỏi nồi cuối, %
khối lượng.
- Lượng nước bốc hơi của các nồi, W:

W = W
1
+ W
2
+ +W
n
(6.50)
Trong đó: W
1
, W
2
, W
n
– lượng nước bốc hơi ở các nồi 1, 2,…n, kg/s.
- Nồng độ của dung dịch ra khỏi mỗi nồi tính theo công thức:
Với nồi thứ 1:
1
1
WG
x
Gx
d
d
d
−
=
(6.51)
Với nồi thứ 2:
21
2

WWG
x
Gx
d
d
d
−−
=
(6.52)
Với nồi thứ n:
nd
d
dn
WWWG
x
Gx
−−−−
=

21
(6.53)
b) Cân bằng nhiệt lượng
Để tính cân bằng nhiệt lượng của cô đặc nhiều nồi, ta có thể dùng
phương trình (6.37) của cô đặc một nồi để tính toán lượng nhiệt cung cấp
cho mỗi nồi:
- Đối với nồi thứ nhất:
( ) ( )
1m1cdc1111d1c1dd11111
QQtCiWttCGCIDQ +−+−=θ−= ')'(
(6.54)

- Đối với nồi thứ hai:
( )
22212
'
θ
CIWQ −=
( ) ( ) ( )
222222221122212
')'(
mcdcdcd
QQtCiWttCWGCIWQ +−+−−=−=
θ
(6.55)
- Đối với nồi thứ ba:
( )
33323
'
θ
CIWQ −=
( ) ( ) ( )
333333332213
'
mcdcdcd
QQtCiWttCWWGQ +−+−−−=
(6.56)
W = W
1
+ W
2
+ W

3
(6.57)
Từ các phương trình (6.54) đến phương trình (6.57) sẽ xác định được D
1
,
W
1
, W
2
, W
3
Khi giải hệ phương trình trên ta có thể coi:
i
1
= I
2
; i
2
= I; i
3
= I
tháp ngưng tụ
Trong đó:
C
d
, C
1
, C
2
- nhiệt dung riêng của dung dịch cho vào nồi 1,2,3;

Q
cd1
, Q
cd2
, Q
cd3
,- nhiệt cô đặc của các nồi 1, 2, 3;
I
1
, I
2
, I
3
–hàm nhiệt của hơi đốt các nồi 1, 2, 3;
C’
1
, C’
2
,C’
3
- nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ các nồi 1,2,3;
θ
1
, θ
2
,θ
3
- nhiệt độ nước ngưng tụ ở các nồi 1, 2, 3;

Lê Bắc Rin Lớp CT39A

14
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Q
m1
, Q
m2
,

Q
m3
– lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh của
các nồi 1, 2, 3 và chúng thường bằng 3- 5% lượng nhiệt cung cấp cho các
nồi.
Nếu hệ thống có n nồi thì phương trình cân bằng nhiệt của nồi thứ n là:
( ) ( ) ( ) ( )
mncdnncnnnndncnndnnnnn
QQtCiWttCWWWGCIWQ +−+−−−−−=−=
−
' '
121
θ
Như vậy, thiết lập được n phương trình và kết hợp với phương trình
(6.57) ta tìm được lượng hơi thứ của mỗi nồi và lượng hơi đốt cho vào nồi
1.
Trong trường hợp có lấy hơi thứ dùng vào việc khác gọi là hơi phụ E;
lượng hơi phụ lấy ra sau nồi một là E
1
(kg/s), sau nồi hai là E
2
(kg/s),…

Vậy lượng hơi thứ còn lại của nồi 1 dùng làm hơi đốt nồi hai là: W
1
– E
1
.
Lượng hơi thứ nồi hai còn lại dùng làm hơi đốt nồi ba là: W
2
– E
2
.
Phương trình cân bằng có dạng:
Q
2
= W
1
– E
1
(I
2
-C’
2
θ
2
)
( ) ( ) ( )
222222221122212
')'(
mcdcdcd
QQtCiWttCWGCIWQ +−+−−=−=
θ

(6.58)
Đối với nồi thứ ba:
( )
333223
'
θ
CIEWQ −−=
( ) ( ) ( )
333333332213
'
mcdcdcd
QQtCiWttCWWGQ +−+−−−=
(6.59)
c) Phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ có ích giữa các
nồi trong cô đặc nhiều nồi
Theo phương trình truyền nhiệt ta thấy khi cho biết Q và K thì còn F
phụ thuộc vào ∆t, vì vậy, tổng bề mặt đốt trong hệ thống cô đặc phụ thuộc
vào sự phân phối W và hiệu số nhiệt độ có ích giữa các nồi. Thực tế ta
thường gặp 3 phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích là: phân
phối theo điều kiện bề mặt các nồi bằng nhau, phân phối theo điều kiện
tổng bề mặt đốt nóng các nồi là nhỏ nhất và phân phối theo điều kiện bề
mặt đốt nóng các nồi bằng nhau và tổng bề mặt đốt nóng các nồi là nhỏ
nhất.
Trong tất cả các trường hợp ta đều phải biết nhiệt độ hơi đốt cho vào nồi
đầu T, nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t
nt
và nhiệt độ tổn thất của các
nồi ∑∆.
Tổng số nhiệt độ tổn thất của hệ thống xác định theo công thức sau:

∑ ∑
=
∆−∆=∆
n
i
i
Tt
1
(6.60)
Trong đó:
∑
t
∆
- tổng hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi:

∑
+++=
n21
tttt
∆∆∆∆



( ) ( ) ( )
∑
∆+∆+∆++∆+∆+∆+∆+∆+∆=∆
nnni
'""' '""''""'
222111
(6.61)

nt
tTT −=∆
(6.62)

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
15
Bài chuyên đề CN-TBBQ
- Phân phối theo điều kiện bề mặt các nồi bằng nhau
Theo phương pháp truyền nhiệt
tK
Q
F
∆
=
, đối với mỗi nồi ta có:
11
1
1
tK
Q
F
∆
=
,
22
2
2
tK
Q

F
∆
=
,

nn
n
n
tK
Q
F
∆
=
Theo điều kiện này ta có: F
1
= F
2
= …. = F
n
thay vào, ta có:
nn
n
tK
Q
tK
Q
tK
Q
∆
=

∆
=
∆
22
2
11
1
(6.63)
Ta có thể viết các đẳng thức này dưới dạng sau:
11
tt ∆=∆
1
1
2
2
12
K
Q
K
Q
tt ∆=∆
1
1
3
3
13
K
Q
K
Q

tt ∆=∆

1
1
1
K
Q
K
Q
tt
n
n
n
∆=∆
Cộng vế với vế ta có:
11
1
1
1
1
1
1
3
3
1
1
2
2
1
/

1
KQ
K
Q
tt
K
Q
K
Q
K
Q
K
Q
K
Q
K
Q
tt
n
i
i
i
n
n
∑
∑
∑
=
∆=∆













+++∆=∆
Hay:
∑
∑
=
∆=∆
n
i
i
i
K
Q
KQ
tt
1
11
1
/

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
16
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Đối với nồi thứ hai cũng tương tự như trên:
∑
∑
=
∆=∆
n
i
i
i
K
Q
KQ
tt
1
22
2
/
Đối với nồi thứ n:
∑
∑
=
∆=∆
n
i
i
i
nn

n
K
Q
KQ
tt
1
/
(6.64)
Phương trình này cho ta thấy: muốn phân phối hiệu số nhiệt độ có ích
theo phương pháp này cần phải biết sơ bộ lượng nhiệt Q và hệ số truyền
nhệit K ở từng nồi. Ta biết rằng lượng nhiệt ở mỗi nồi tỷ lệ gần đúng với
lượng nước bốc hơi, theo (6.57) ta có thể viết:
32
13
11
33
1
3
3
22
12
11
22
1
2
2
.
.
/
/

.
.
/
/
KW
KW
KQ
KQ
t
t
m
KW
KW
KQ
KQ
t
t
m
≅=
∆
∆
=
≅=
∆
∆
=
Ta có thể ứng dụng công thức này để tính toán sơ bộ.
- Phân bố hiệu số nhiệt độ theo điều kiện tổng bề mặt các nồi nhỏ nhất
Giả thiết hệ thống cô đặc gồm hai nồi, ta có:
11

1
1
tK
Q
F
∆
=
,
22
2
2
tK
Q
F
∆
=
, đồng thời
∑
∆+∆=∆
21
ttt
Do đó:
( )
12
2
11
1
21
ttK
Q

tK
Q
FFF
∆−∆
+
∆
=+=
∑
Giá trị nhỏ nhất của tổng các bề mặt đun nóng trong hệ thống cô đặc
tính bằng cách lấy đạo hàm trên theo
1
t∆
và cho bằng không, nghĩa là:
( )
0
1
1
=
∆td
dF
( )
( )
0
2
12
2
2
11
1
1

1
=
∆−∆
+
∆
=
∆
ttK
Q
tK
Q
td
dF
( )
( )
0
2
2
2
2
2
11
1
1
1
=
∆
+
∆
−=

∆
tK
Q
tK
Q
td
dF
Hay:
( )
2
2
2
2
11
1
2tK
Q
tK
Q
∆
=
∆
Từ đây rút ra:
1
3
3
1
1
2
2

'
Q
Q
K
K
t
t
m =
∆
∆
=
Từ đẳng thức này cộng vế, ta có:
m’
1
+ m’
2
+ m’
3
=
11
321
t
t
t
ttt
∆
∆
=
∆
∆+∆+∆

∑

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
17
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Trong đó:
1'
1
1
1
=
∆
∆
=
t
t
m
Như vậy ta có:
∑
∑
∆
=∆
'
1
m
t
t
Thay trị số của
∑
'm

vào ta được:
11
33
11
22
11
11
1
/
/
/
/
/
/
1
KQ
KQ
KQ
KQ
KQ
KQ
tt
++
∆=∆
∑
(6.65)
Đối với nồi thứ hai:
∑
∑
=

∆=∆
3
1
22
1
/
i
i
i
K
Q
KQ
tt
ở dạng chung:
∑
∑
=
∆=∆
n
i
i
i
kk
ik
K
Q
KQ
tt
1
/

(6.66)
nghĩa là hiệu số nhiệt độ có ích của nồi thứ k nào đó bằng tích số của
tổng hiệu số nhiệt độ có ích
∑
∆
i
t
với số
k
k
K
Q
của nồi đó chia cho tổng
i
i
K
Q
của các nồi.
- Phân phối
∆
t từ điều kiện bề mặt đốt nóng các nồi bằng nhau và tổng
các bề mặt là nhỏ nhất
Ta thấy rõ ràng điều kiện này đòi hỏi phải thoả mãn cả hai điều kiện, nghĩa
là m
k
= m’
k
.
.
1

1
K
Q
K
Q
m
k
k
k
=
.'
1
1
K
Q
K
Q
m
k
k
k
=
1
1
1
1
K
Q
K
Q

K
Q
K
Q
k
k
k
k
=
Điều kiện thoả mãn đẳng thức này là; m
k
= m’
k
= 1
Trên cơ sở đó ta có:

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
18
Bài chuyên đề CN-TBBQ
1
2
1
2
==
∆
∆
m
t
t
và

1
1
3
=
∆
∆
t
t
Hay:
n
tttt ∆==∆=∆=∆
321
Do đó:
1
321

t
t
ttt
∆
∆
==∆=∆=∆
∑
Ta cũng có: x
2
= 1 =
1
1
2
2

:
K
Q
K
Q
Hay:
1
2
1
2
:
K
K
Q
Q
, nghĩa là theo phương pháp phân phối nhiệt độ có ích này,
ta có:
Q
2
: Q
1
= K
2
: K
1
Viết ở dạng chung: Q
1
: Q
2
: Q

3
:….: Q
n
= K
1
: K
2
: K
3
:….:K
n
Do Q tỷ lệ với W nên ta cũng có:
W
1
: W
2
: W
3
= K
1
: K
2
: K
3
Như vậy phân phối nhiệt độ theo điều kiện này ta có:
- Hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi bằng nhau
- Lượng nước bốc hơi của các nồi tỷ lệ tương ứng với hệ số truyền
nhiệt.
d) Số nồi thích hợp trong hệ thống cô đặc nhiều nồi
Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1kg hơi thứ trong hệ thống cô đặc nhiều

nồi sẽ giảm khi số nồi tăng. Dưới đây là một số số liệu về lượng tiêu hao
hơi đốt (kg) theo 1kg hơi thứ:
Số nồi 1 2 3 4 5
Chi phí hơi cho 1 kg hơi thứ 1,1 0,57 0,4 0,3 0,27
Qua số liệu này ta thấy lượng hơi đốt có giảm đi khi số nồi tăng lên.
Nhưng không phải giảm theo tỷ lệ bậc một mà từ một nồi lên hai nồi giảm
đi 50%, còn từ bốn nồi lên năm nồi giảm đi 10% và thực tế từ mười nồi lên
11 nồi thì giảm đi không quá 1% nghĩa là xét về mặt hơi đốt thì số nồi
trong hệ thống cô đặc nhiều nồi không thể lớn hơn mười. Mặt khác khi số
nồi tăng hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do đó bề mặt đun nóng
của các nồi sẽ tăng. Ta giả thiết rằng: bỏ qua các tổn thất nhiệt độ, so sánh
bề mặt truyền nhiệt trong hệ thống cô đặc một nồi và cô đặc nhiều nồi ở
các điều kiện như nhau:
Đối với một nồi:
tK
Q
F
∆
=
.
1
Còn đối với nhiều nồi thì năng suất của mỗi nồi là:
n
Q
và hiệu số nhiệt
độ có ích:
n
T∆
, (n – số nồi)

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
19
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Vậy:
tK
Q
n
T
K
nQ
F
n
∆
=
∆
=
.
.
.
Nghĩa là:
n
FF =
1
Ta thấy rõ ràng là bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi khi cô đặc nhiều nồi
bằng bề mặt truyền nhiệt khi cô đặc một nồi, hay nói cách khác là khi số
nồi tăng thì bề mặt truyền nhiệt tăng tỷ lệ thuận với số nồi. Thực tế, khi số
nồi tăng thì tổn thất nhiệt độ Σ∆ tăng làm cho hiệu số nhiệt độ có ích giảm
đi, do đó, bề mặt truyền nhiệt càng tăng nhanh; nghĩa là khi số nồi tăng thì
chi phí thiết bị (chế tạo, sửa chữa, lắp ghép, hao mòn, …) sẽ tăng nhanh.
Mặt khác, số nồi cũng không thể vô hạn được vì muốn đảm bảo quá

trình làm việc được ta phải có điều kiện:
∑∑
>∆−∆=∆ 0TT
Giới hạn đối với mỗi nồi là 5 ÷ 7
0
C.
Ví dụ, giả thiết ∆T = 80
0
C, tổn thất trong mỗi nồi là Σ∆ = 10
0
C (coi tổn
thất trong các nồi bằng nhau), vậy:
- Đối với hai nồi: ∆t = 80 – 2.10 = 60 suy ra ∆
tk
= 30
0
C
- Đối với bốn nồi: ∆t = 80 – 4.10 = 40 suy ra ∆
tk
= 10
0
C
- Đối với hai nồi: ∆t = 80 – 5.10 = 30 suy ra ∆
tk
= 6
0
C
- Đối với tám nồi: ∆t = 80 – 8.10 = 0 suy ra ∆
tk
= 0

0
C
Theo ví dụ trên ta thấy số nồi nhiều nhất của hệ là năm nồi.
Để xác định số nồi thích hợp, ta tính toán một loạt đối với số nồi thay
đổi và lập đồ thị như trên hình 6.19. Trị số cực tiểu của MN cho ta thấy số
nồi thích hợp của hệ thống cô đặc nhiều nồi. Số nồi thích hợp thường từ 2-
4 nồi.
Hình 9. Xác định số nồi thích hợp trong cô đặc nhiều nồi AB biểu thị
chi phí về thiết bị; CD – chi phí về hơi đốt; MN – chi phí chung

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
20
Bài chuyên đề CN-TBBQ
Khi số nồi càng nhiều thì lượng hơi đốt tiêu hao để bay hơi 1 kg ở
thiết bị càng giảm. Tuy nhiên khi tăng số nồi sẽ tỷ lệ với sự tăng lượng
vật liệu lắp ráp, sửa chữa và khấu hao của hệ thống thiết bị. Vì vậy cần
phải xác định số nồi giới hạn. Theo kết quả tính toán hiệu quả kinh tế -
kỹ thuật cho thấy giá thành thấp nhất ứng với số nồi bằng 5.
2.7.Các yếu tố kỹ thuật của qúa trình cô đặc thực phẩm
trong công nghệ bảo quản chế biến nông sản thực phẩm.
Quá trình cô đặc thực phẩm có 3 tham số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời gian sản
phẩm lưu lại trong thiết bị (thời gian cô đặc) và cường độ bốc hơi.
Nhiệt độ sôi
- Khi tiến hành một quá trình cô đặc thực phẩm người ta đun nóng khối sản
phẩm tới nhiệt độ sôi. Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ
chất khi đó đến nồng độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho sản
phẩm ra khỏi thiết bị.
- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ
chất khí và tính chất vật lý, hóa học của sản phẩm.
Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản

phẩm càng thấp. Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ
giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm. Hay nói cách khác là điều chỉnh
nhiệt độ sôi bằng cách thay đổi độ chân không.
Bảng 2.3. Quan hệ giữa độ chân không và nhiệt độ sôi của nước
Độ chân không (mmHg) Nhiệt độ sôi (0C)
0 100
126 95
234 90
326 85
405 80
430 75
526 70
572,5 65
610 60
642 55
667,6 50
690 44,5

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
21
Bài chuyên đề CN-TBBQ
(Nguyễn Văn Tiếp và ctv. 2000)
Khi nồng độ chất khụ trong sản phẩm càng lớn thì nhiệt độ sôi càng
cao. Trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khụ tăng dần nờn nhiệt độ sôi của
sản phẩm cũng tăng dần.
Bảng 2.4. Quan hệ giữa nồng độ chất khụ và nhiệt độ sôi ở 760 mmHg
Nồng độ chất khụ (%) Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg (0C)
55 102,4
60 103,5
65 104,5

70 105,5
75 107,5
(Nguyễn Võn Tiếp và ctv. 2000)
- Nhiệt độ sôi thấp thì tính chất của thực phẩm ít bị biến đổi như sinh
tố ít bị tổn thất, màu sắc ít bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi. Nhiệt
độ sôi thấp cũng làm giảm tốc độ ăn mũn và kéo dài thời gian bền của vật
liệu làm thiết bị cô đặc.
Thời gian cô đặc
- Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi
nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu.
- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị và
cường độ bốc hơi của sản phẩm. Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản
phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại
của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn.
Cường độ bốc hơi
Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt
giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi. Cường độ trao đổi nhiệt được đặc
trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc. Hệ số truyền nhiệt càng
lớn, cường độ bốc hơi càng cao.
Biến đổi của thực phẩm trong quá trình cô đặc
+ Biến đổi vật lý
Thực phẩm cô đặc là một hệ của nhiều chất hòa tan như đường, acid,
muối, cũng chứa cả các chất không tan như tinh bột, cellulose ở trạng thái
huyền phù. Khi cô đặc, dung môi bay hơi, nồng độ chất tan tăng dần, nhiệt
độ sôi, độ nhớt, khối lượng riêng tăng, nhưng hệ số truyền nhiệt giảm, hàm
lượng khụng khớ còn lại trong gian bào và hòa tan trong sản phẩm cũng
giảm.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
22

Bài chuyên đề CN-TBBQ
+ Biến đổi húa học
- Cỏc loại đường trong rau quả, do chịu tác dụng của nhiệt độ cao ở bề
mặt truyền nhiệt của thiết bị cô đặc, nên bị caramel hóa. Hiện tượng
caramel hóa tạo ra các sản phẩm có màu đen và vị đắng làm sản phẩm có
chất lượng kém. Ở nhiệt độ 95
o
C, đường khử có thể bị caramel hóa. Ở nhiệt
độ 160
o
C, quá trình caramel hóa xảy ra mạnh. Ở 160
o
C, saccharose loại 1
phân tử nước tạo ra glucosan và fructosan. Ở 185 – 190
o
C, glucosan kết
hợp với fructosan tạo thành isosaccharosan. Tiếp tục, 2 phân tử
isosaccharosan kết với nhau, loại 2 phân tử nước tạo thành caramelan.
Caramelan lại kết hợp với isosaccharosan, loại 3 phân tử nước tạo thành
caramelen. Khi nhiệt độ tăng cao trên 200
o
C tạo thành caramelin (mất tính
hòa tan) Sơ đồ phản ứng caramel hóa như sau:
Hình 8

Hình 10. Quá trình carmel hóa của đường saccharose
- Hiện tượng xẫm màu còn do phản ứng giữa protein (nhóm –NH2) và
đường khử (nhúm –CHO) tạo các melanoidin.
- Tinh bột sẽ bị hồ húa. Pectin bị phân hủy nên giảm tính tạo đụng
trong nấu mứt

- Các chất thơm và các chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ bốc theo hơi nước
làm giảm hương vị của sản phẩm.
- Hàm lượng vitamin trong sản phẩm giảm do tác dụng của nhiệt độ
cao. Do đó để trình tổn thất vitamin, ta dựng thiết bị cô đặc.
Giới thiệu thiết bị cô đặc
Cô đặc có thể dựng loại thiết bị hở hoặc thiết bị cụ chân không.
+ Thiết bị cô đặc hở (làm việc ở áp suất thường): thường dựng để nấu
mứt
+ Thiết bị cô đặc chõn khụng: thường dựng để cô đặc cà chua, nước quả
Thiết bị cụ chân không có loại 1 nồi hoặc nhiều nồi, nhưng loại nhiều nồi
có ưu điểm hơn loại một nồi:

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
23
Bài chuyên đề CN-TBBQ
- Tiết kiệm hơi vỡ dựng được hơi thứ và tổn thất ít hơi.
- Chất lượng sản phẩm tốt vỡ cô đặc liên tục, nhiệt độ sôi thấp, thời gian cụ
nhanh.
Hình 11.Thiết bị cô đặc chân không.
3.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
3.1. Kết luận
Trên đây là sự trình bày về các quá trình của sự cô đặc. Nhằm góp phần tạo
ra các sản phẩm trong nghành công nghệ thực phẩm có chất lượng tốt đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của con người.
- Tạo ra sản phẩm có nồng độ chất khô cao, nhờ đó đã làm tăng giá trị dinh
dưỡng, tăng thời gian cất giữ, giảm chi phí bao gói và bảo quản. Ví dụ: cô
đặc sữa trong công nghiệp chế biến sữa đặc, cô đặc nước quả ép trong công
nghiệp chế biến đồ hộp rau quả, nước giải khát,
- Tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình chế biến tiếp theo.
3.2.Kiến nghị:

Trong nội dung này chỉ giới thiệu các thiết bị dùng để cô đặc sản phẩm
bằng phương pháp làm cho nước bốc hơi.
Mặt dù, không có nhiều tham vọng nhưng bài chuyên đề chỉ muốn đề ra
một số phương pháp.Ví dụ: cô đặc trước khi kết tinh trong chế biến đường,
cô đặc trước khi sấy khô hoàn toàn trong chế biến sữa bột và một số sản
phẩm khác.
Do điều kiện về thời gian cũng như trình độ kiến thức của bản thân có
hạn nên con nhiều vấn đề trong “sự cô đặc” mà chưa được nghiên cứu hết
mong sự đóng gúp của nhiều ý kiến tư nhiều phía để chuyên đề được tốt
hơn.

Lê Bắc Rin Lớp CT39A
24
Bài chuyên đề CN-TBBQ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Giáo trình “Các thiết bị cơ bản trong chế biến nông sản thực phẩm”,
ĐHNL Huế - 2006.
2. Bài giảng “ Công nghệ và thiết bị bảo quản nông sản thực phẩm”,
ĐHNL Huế 5 - 2007.
3. Th.s Lê Mỹ Hồng “Giáo trình Công nghệ thực phẩm”, ĐH Cần Thơ



Lê Bắc Rin Lớp CT39A
25