Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

LỜI MỞ ĐẦU


Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, ngành công
nghiệp nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn. Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ
có đức có tài ngày càng trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và không thể thiếu. Để trở
thành một người kỹ sư, việc giải các bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế
máy móc, thiết bò và dây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu. Ý thức được
tầm quan trọng và vai trò của mình trong tương lai, em đã vận dụng những kiến thức mà mình
đã được học trong suốt 3 học kỳ vừa qua vào việc hoàn thành đồ án thiết kế này.
Nhiệm vụ cơ bản của đồ án này là thiết kế hệ thống thiết bò cô đặc nước cam bằng phương
pháp lạnh hay phương pháp kết tinh dung môi với năng suất đã cho (5000 tấn/năm). Đồ án này
bao gồm các phần chính như sau :
Giới thiệu tổng quan về nguyên liệu và quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm nước
cam cô đặc.
Tính toán cân bằng vật chất cho quy trình cô đặc.
Tính toán cân bằng năng lượng cho quy trình cô đặc.
Tính toán thiết kế thiết bò chính.
Tính chọn thiết bò phụ.
Tính giá thành sản phẩm.
Đánh giá hiệu quả hoạt động, ưu - nhược điểm của thiết bò và phương pháp công nghệ
từ đó đề xuất những giải pháp nhằm khắc phục và cải tiến phương pháp.
Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể
có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của các thầy cô sẽ là nguồn
động viên và khích lệ đối với em để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn
thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô bộ môn Máy & Thiết bò đã trang bò cho em
những kiến thức nền tảng làm cơ sở cho em thực hiện đồ án này. Em cũng xin rất cảm ơn thầy
Phạm Văn Bôn đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thiết kế.

Phần sau đây là nội dung chi tiết của bản đồ án, kính mong được sự xem xét, chỉ dạy và
hướng dẫn của các thầy cô.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 1


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

PHẦN 1

TỔNG QUAN VỀ CAM VÀ CÔNG NGHỆ
SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC

I. TỔNG QUAN VỀ CAM
I.1. Nguồn gốc
Cây cam đã được biết đến từ rất lâu khoảng 2200 năm trước công nguyên ở Trung Quốc
nhưng một số người lại cho rằng cây cam có nguồn gốc từ dãy Himalayas (Ấn Độ). Cam được
trồng rất phổ biến ở Ấn Độ, sau đó lan rộng về phía đông, và đến cả vùng Đông Nam Á. Vào
khoảng thế kỉ thứ 3 trước công nguyên, cây cam được đưa đến Châu Âu và nó lan ra tới cả
vùng Đòa Trung Hải. Sau đó, cây cam được Columbus mang đến Châu Mỹ. Những năm sau đó,
những người làm vườn ở Châu Mỹ và Châu Âu đã đem cây cam đến Châu Úc và Châu Phi.
Ngày nay cây cam được trồng rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới.
I.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại cam khác nhau, tùy thuộc vào từng quốc gia và đòa phương. Trong
thương mại, cam được chia thành 2 loại: Cam ngọt (sweet orange) và cam chua (sour orange).
Trong đó, cam chua thường dùng trong sản xuất mứt cam. Một số loại cam ngọt thường gặp:

Cam tròn
Cam tròn phổ biền nhất là loại Valencia, có nguồn gốc từ đảo Azores và Bồ Đào Nha.
Giống cam này có khả năng thích ứng trong những vùng nội đòa, nơi có sự chênh lệch sâu sắc
giữa ngày và đêm và làm hoạt hóa hệ sắc tố của vỏ tạo cho nó màu sắc hấp dẫn. Quả có cỡ
nhỏ tới trung bình thích hợp cho sản xuất công nghiệp. Vỏ mỏng, da cam nhẵn, màu cam sáng.
Quả có mùi vò đặc sắc ngay khi còn tươi hay sau khi đã được chế biến nước ép. Khi quả chín
trên cây, nó chuyển sang màu cam sáng nhưng khi nhiệt độ nóng lên làm cho da hấp thụ lại
chlorophyl từ lá nên cam chín có màu xanh nhạt. Loại cam này chủ yếu dùng làm nước quả với
chất lượng nước ép tốt nhất do chứa nhiều dòch quả có màu sậm và bền, ít hạt nên không tạo
vò đắng. Valencia cũng có thể dùng ăn tươi.
Cam navel
Trước năm1835, Cam navel được trồng nhiều ở Florida nhưng bò phá huỷ trong chiến tranh
thế giới thứ nhất. Giống cam này cũng được trồng nhiều ở Brazil, Trung Quốc ... Cam navel có
quả to hơn giống Valencia và các loại cam ngọt khác. Quả có màu vàng đậm sáng cho tới cam,
da hồ đào dày và dễ lột vỏ, không hạt. Quả cho chất lượng tốt khi đạt độ chắc và khối lượng
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 2


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

nhất đònh, cho nhiều nước quả. Thời tiết lạnh làm màu quả càng vàng sáng vì thế quả có thể
chín và vẫn còn màu xanh nhạt trên da. Giống cam này ít được dùng trong chế biến nước quả
vì trong quá trình chế biến dễ phát sinh vò đắng.
Cam Blood ( Cam đỏ )
Đây là loại quả được xem là ngon và hấp dẫn nhất trong các loại quả có múi được tìm thấy
đầu tiên ở Đòa Trung Hải. Quả cỡ trung bình với vỏ mỏng có ít hoặc không hạt. Có màu đỏ

sậm sáng đẹp. Nhược điểm lớn nhất là hàm lượng anthocyanin tạo màu đỏ đậm có khuynh
hướng bò nhạt trong quá trình chế biến và bảo quản. Anthocyanin còn là chất chống oxy hóa
mạnh tạo nhiều gốc tự do gây ung thư, lão hóa, bệnh nhẹ… Loại cam này thường được dùng để
ăn tươi, ăn kèm salad, dùng rôti hoặc nướng thòt.
Cam ngọt (acidless orange)
Loại này được trồng chủ yếu ở Đòa Trung Hải. Do nước quả có độ ngọt quá cao và hàm
lượng acid thấp không đủ khả năng ức chế vi sinh vật nên loại cam này không thích hợp cho
sản xuất nước ép.

Valencia Orange

Navel orange

Blood orange

Acidless orange

Hình 1 – Các loại cam phổ biến trong thương mại
Ở Việt Nam, cam được chia làm 3 loại : cam chanh, cam sành và cam đắng. Một số giống
cam phổ biến ở nước ta như cam Xã Đoài ( Nghệ An ), cam Động Đình, cam đường,…
Cam Xã Đoài ( Nghệ An ) : Cây tương đối cao, ít cành lá (cành quả), trồng ở Xã Đoài,
xã Nghi Diên, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An. Quả ngon, thơm có vỏ mỏng và bóng, vò
ngọt đậm, ít xơ . Dùng chủ yếu trong sản xuất nước cam và mứt cam.
Cam đường : Quả trung bình 100g, vỏ mỏng, màu vàng đỏ hay đỏ sẫm, dễ bóc, múi dễ
chia. Có ba loại chính là Cam giấy với các giống Cam Canh (Hà Nội), Cam Đồng dụ
(Hải Phòng), Cam Ngọc cục và Cam Hành Thiện (Nam Hà); Cam Bù, Cam Chua ở
Hương Sơn (Hà Tónh); Cam voi ở Tuyên Hoá (Quảng Bình).
Cam sành : quả có vỏ sần sùi và mòn; vỏ dày, khi chín có màu vàng hay đỏ sẫm, tuy
dày nhưng dễ bóc, ruột đỏ, hạt có màu nâu lục, vò ngọt, hơi chua, hương vò ngon như
quýt Ôn Chân (Nhật Bản). Thích hợp làm đồ hộp quả nước đường. Giống phổ biến là

cam Bố Hạ, trồng ở bãi phù sa Hà Bắc trên đất thoát nước; quả dẹt, nặng trung bình
200-250g, màu vàng đỏ đẹp chín vào tháng 11-12-1 năm sau, dòp Tết Nguyên đán. Cam
sành còn có tên là Citrus nobilis Lour. Quýt trước đây cũng được xem là một thứ trong
Cam sành.
I.3. Cấu tạo của quả cam

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 3


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Cấu tạo của quả cam gồm có những phần sau :
Lớp vỏ ngoài (flavedo) : có màu cam hoặc màu xanh tùy theo giống. Lớp vỏ ngoài có
chứa rất nhiều các túi tinh dầu.
Lớp cùi trắng (albedo) : có chứa pectin và cellulose.
Múi cam : bên trong có chứa những tép cam, trong có chứa dòch bào.
Hạt cam : chứa mầm cây.
Lõi : là phần nằm ở trung tâm của quả cam, thành phần tương tự lớp cùi trắng.
I.4. Thành phần hóa học của cam
Thành phần hóa học của cam được trình bày trong bảng 2.
Bảng 1 – Thành phần dinh dưỡng của cam tươi (tính trên 100g), ([13],tr245)
Hàm lượng

Thành phần

Đơn vò

Múi

Vỏ

88,06

75,95

%

Protein

0.9

-

%

Tinh dầu

vết

2,4

%

Sacharose

3.59

1,22

%

Glucose

1.25

3,49

Frutose

1.45

3,24

Acid hữu cơ

1,41

0,22

%

Cellulose

0,47

3,49

%

Pectin

1,41

0,22

%

Ca

34

-

mg%

P

23

-

mg%

Fe

0.4

-

mg%

A

0.09

-

mg%

β-Carotene

0.4

0,09

mg%

B1

0.04

0,02

mg%

B2

0.06

-

mg%

PP

0.75

1,27

mg%

C

65

170

mg%

Nước
Thành phần chính
Muối

khoáng

Vitamine

Bảng 2 – Đặc điểm kỹ thuật của cam, quýt, chanh Việt Nam ([13],244)
Cam sành

Cam chanh

Quýt

Chanh

(Bố Hạ)

(Xã Đoài)

(Lí Nhân)

(Hoà Bình)

Khối lượng quả, g

260

240

40

64

Đường kính quả, mm

88

80

45

5,1

11,5

11,5

10

7,0

-

-

0,75

-

Chỉ tiêu

Hàm lượng chất khô, %
Độ acid

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 4


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

pH

3,2

3,2 - 3,8

-

2,5 - 2,6

I.5. Thu hoạch và bảo quản
Ở nước ta, cam được trồng rộng rãi trên khắp cả nước. Cây ra hoa quanh năm, thường có
hoa vào tháng 1-2, có quả vào tháng 11-12. Cam cũng như các loại quả có múi khác thường
được thu hái khi mới bắt đầu chín. Có thể dùng kéo cắt cuống sát mặt quả. Sau khi thu hái nên
để quả ở điều kiện bình thường trong 12-14 giờ để ổn đònh hô hấp. Trong thời gian đó, tiến
hành lựa chọn theo độ chín, kích thước, loại bỏ những quả bầm giập, sây sát. Trong trường hợp
quả nhiễm bẩn nhiều thì phải rửa rồi để khô ráo. Để chống nhiễm trùng có thể bôi vôi vào
cuống. Để bảo quản cam trong thời gian dài, người ta thường sử dụng một số phương pháp như:
bảo quản trong cát, bằng hóa chất, nhiệt độ thấp,…
II. GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC
II.1. Giới thiệu công nghệ cô đặc nước ép trái cây nói chung
Như đã biết, kỹ thuật cô đặc đã ra đờiù từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công

nghệ hoá chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Nhất là trong thời buổi hiện
nay, thời kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn và tất
bật, việc đảm bảo nhu cầu về bữa ăn hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do
tốn khá nhiều thời gian và công sức. Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đang đóng
một vai trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừa đảm bảo rút ngắn thời
gian nấu nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm bảo các giá trò dinh dưỡng và
an toàn thực phẩm.
Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … là một trong những
phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quả lâu, giảm chi phí bảo
quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực
tế gần như ở dạng ban đầu.
Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như : phương pháp nhiệt
(bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháp lạnh (kết tinh
dung môi dạng rắn) và thẩm thấu nghòch.
Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ.
Tuy vậy có thể nói, phương pháp cô đặc lạnh là một giải pháp rất thích hợp cho việc cô đặc
những dung dòch mà thành phần của chúng dễ bò biến đổi bởi tác dụng của nhiệt độ. Đó là
những dung dòch nước ép trái cây giàu sinh tố, trà, rượu …
Bảng 3 - So sánh hàm lượng còn lại của một số chất thơm trong sản phẩm cô đặc bằng hai
phương pháp theo Grenco ([7],bảng 11-1,trang 222)
Chất thơm

Nước ép ban
đầu (130Bx)

Tổng hàm lượng
Axetaldehyt
Axetat etyl

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

100
100
100

Tỉ lệ hàm lượng còn lại sau khi cô đặc (%)
Bằng kết tinh
Bằng bốc hơi có gia
0
(đến 45-50 Bx)
nhiệt (đến 600Bx)
91.4
0.05
37.5
0.05
30
0.05



Trang 5


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Ethanol
Butylat etyl
limonen

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

100
100
100

64
94
100



0.05
0.05
0.05

Trang 6


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

II.2. Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 2 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước cam cô đặc
II.2. Thuyết minh
Chọn lựa phân loại
Nguyên liệu cam được lựa chọn nhằm loại trừ những quả không đạt tiêu chuẩn như sâu bệnh,
men mốc, thối hỏng… cho chế biến nước cam cô đặc. Sau khi chọn lựa chọn, ta tiến hành phân
loại nhằm phân chia thành nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độ
chín…
Rửa

Rửa có thể tiến hành trước hoặc sau khi phân loại nhằm loại trừ tạp chất cơ học như đất, cát
bụi và làm giảm lượng vi sinh vật ở ngoài vỏ nguyên liệu. Yêu cầu cơ bản của quá trình rửa là

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 7


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

sau khi rửa sạch không bò dập nát, các chất dinh dưỡng không bò tổn thất, thời gian rửa ngắn và
ít tốn nước.
Nước rửa cũng như nước dùng trong công nghệ chế biến (chần, nấu, pha chế…) phải là nước ăn,
đảm bảo chỉ tiêu Vệ sinh dòch tễ (Bộ Y tế) quy đònh. Nước rửa được sử dụng ở đây có thể tận
dụng từ lượng nước sau khi rửa tinh thể nước đá cuối quá trình cô đặc.
Ép
Nguyên lý : ép là phương pháp chủ yếu để tách dòch bào ra khỏi nguyên liệu. Trong quá trình
ép thì hiệu suất ép là chỉ tiêu quan trọng nhất. Hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố : phẩm
chất nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ chắc của lớp nguyên liệu ép và
áp suất ép. Dòch bào chứa trong không bào bò bao bọc bới chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh
của quả có tính bán thấm, ngăn cản sự tiết dòch bào. Vì vậy, muốn năng cao hiệu suất ép phải
làm giảm tính bán thấm của chất nguyên sinh bằng cách làm biến tính chất nguyên sinh hay
làm chết tế bào. Thông thường người ta sử dụng các phương pháp như sau : đun nóng, sử dụng
nấm men chứa hỗn hợp pectinase, protease hoặc dùng dòng điện…
Thiết bò ép : sử dụng thiết bò ép liên tục của hãng FMC Food Technology

Hình 3 – Máy ép cam của hãng FMC Food Tech
Cấu tạo của máy

Máy có từ 3 đến 8 cặp chén ép (tùy năng suất của máy). Vd: máy có 5 cặp chén ép có thể
ép 350 – 500 trái/ phút). Chén dưới cố đònh, chén trên có thể chuyển động lên xuống. Ở giữa
chén trên và dưới có lỗ tròn, cạnh sắc để tạo nên lỗ cắt đường kính 1 inch ở phần giữa trái
cam. Dòch quả ở bên trong sẽ thoát ra ngoài qua lỗ này trong quá trình ép.
Ống lọc thô (Prefinisher tube): tách các phần thòt quả có kích thước lớn ra khỏi dòch quả.
Ống góp (Juice manifold): thu nhận dòch quả.
Piston (Orifice tube): tạo áp suất bên trong ống lọc để đẩy dòch quả ra ngoài, đầu ống có
thể đóng mở được có tác dụng thu nhận và thải bỏ các phần tử lớn còn ở bên trong ống
lọc.
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 8


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Nguyên lý hoạt động
Giai đoạn cắt : chén phía trên di chuyển xuống, tạo một lực nén cắt hai đầu của quả
cam.
Giai đoạn ép : phần trục của chén trên tiếp tục di chuyển xuống phía dưới, áp lực tăng,
đẩy phần dòch quả ở bên trong quả ra, đi vào ống lọc thô. Phần vỏ thoát ra khỏi chén
thông qua khe hở giữa dao cắt và khung của chén trên.
Giai đoạn kết thúc : orifice tube chuyển động lên phía trên tạo một áp lực bên trong
ống lọc thô, dòch quả và phần thòt quả sẽ được ép ra ngoài.
Lc thô
Sau khi ép, phần dòch quả và thòt quả có kích thước nhỏ hơn các lỗ lọc trên ống lọc thô sẽ được
đẩy ra và chảy vào ống góp ở phía dưới. Nước quả sẽ được dẫn qua thiết bò kế tiếp. Phần bã
còn nằm ở bên trong ống lọc sẽ được hút ra ngoài thông qua một lỗ (đóng mở được) ở orifice

tube. Phần lõi và vỏ quả có chứa nhiều tinh dầu cam. Trong quá trình ép và thoát ra ngoài
chén ép, phần vỏ quả bò tổn thương, các tinh dầu sẽ tập trung trên bề mặt vỏ. Ở gần cuối máy
có một bộ phận phun nước có tác dụng rửa trôi các tinh dầu, tạo thành hệ nhũ tương và chảy ra
ngoài. Phần nhũ tương này sẽ đi qua thiết bò lọc để tách cặn, sau đó sẽ được li tâm để tách dầu
ra khỏi nước. Phần dầu sẽ tiếp tục được tinh chế còn phần nước sẽ được tiếp tục sử dụng làm
nước rửa tinh dầu.
Gia nhiệt
Tiến hành gia nhiệt dòch ép bằng thiết bò gia nhiệt dạng ống chùm hay ống lồng ống. Mục đích
của quá trình gia nhiệt là làm kết tủa các thành phần không tan trong dòch quả làm ảnh hưởng
đến tính chất cảm quan của sản phẩm. Các thành phần này bao gồm protid, chất đắng… Nhiệt
độ có thể làm protid bò biến tính và tạo tủa. Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theo
các hợp chất gây vò đắng. Quá trình này góp phần làm cho dung dòch có độ đồng nhất cao và
trong hơn. Có thể bổ sung chất trợ lắng để tăng hiệu quả của quá trình. Lưu ý cần gia nhiệt thật
nhanh ớ nhiệt độ 70-75oC từ 5-10 phút để tránh tổn thất chất khô.
Ly tâm
Quá trình ly tâm nhằm mục đích tách bã và các chất chất keo đã kết tủa sau quá trình gia nhiệt
làm cho dòch quả đem cô đặc có độ đồng nhất cao và loại bỏ những ảnh hưởng xấu của sản
phẩm cô đặc sau này.
Cô đặc
Nguyên tắc : khi giảm nhiệt độ của dung dòch nước cam chưa bão hoà xuống dưới nhiệt độ
đóng băng của nó thì dung môi (nước) sẽ đóng băng trước, còn chất hoà tan (đường, acid, cấu
tử hương…) vẫn còn ở dạng dung dòch. Tách pha rắn khỏi pha lỏng bằng cách ly tâm kết hợp
với dao cạo nước đá, dòch quả thu được chính là nước cam cô đặc. Nhiệt độ cô đặc được đưa
xuống khoảng -10oC ÷ -15oC. Để đảm bảo hiệu suất cô đặc cao ta có thể tiến hành cô đặc
nhiều cấp.
So với phương pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổn thất chất hoà tan nhiều hơn
nhưng sản phẩm có chất lượng cao, giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và đặc biệt là những
tính chất cảm quan đặc trưng của nước quả mà phương pháp bốc hơi không có được.
Mặt khác để sản phẩm đạt nồng độ cao có thể cô đặc bằng cách kết hợp hai phương pháp : lúc
đầu cô đặc bằng chân không, sau đó làm lạnh đông tiếp tục đến nồng độ chất khô cần thiết.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 9


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Rót chai, ghép nắp
Nước cam trong quá trình bảo quản và tồn trữ thì hương vò giảm sút rõ rệt. Để hạn chế tình
trạng này, người ta dùng chai thủy tinh màu và bảo quản ở nhiệt độ 0-5oC. Sau khi rót xong
cần phải ghép nắp, quá trình ghép kín nhằm cách li hoàn toàn với môi trường không khí và vi
sinh vật gây hư hỏng, làm giảm phẩm chất của sản phẩm. Mặt khác nắp chai phải được ghép
thật kín và thật chắc còn nhằm mục đích đảm bảo quá trình thanh trùng không bò bật nắp hay
hở mối ghép.
Thanh trùng
Thanh trùng là một quá trình quan trọng có tính chất quyết đònh tới khả năng bảo quản chất
lượng của sản phẩm. Quá trình thanh trùng nhằm tiêu diệt hoàn toàn hay ức chế các vi sinh vật
gây hư hỏng và các nha bào của chúng. Yêu cầu của kỹ thuật thanh trùng là vừa đảm bảo tiêu
diệt vi sinh vật có hại còn lại ít đến mức độ không thể phát triển để làm hỏng đồ hộp và làm
hại sức khoẻ người tiêu dùng, lại vừa đảm bảo cho đồ hộp có chất lượng tốt nhất về giá trò cảm
quan và dinh dưỡng.
Bảo quản
Mục đích của quá trình bảo quản là nhằm theo dõi sự ổn đònh của sản phẩm, sớm phát hiện các
đồ hộp bò hư hỏng. Thời gian ổn đònh của nước quả ít nhất là 15 ngày. Tiến hành bảo quản
bằng cách lấy riêng 1% số lượng đóng chai, bảo quản tại phong kiểm tra ở nhiệt độ 37oC để
phát hiện sự hoạt độïng của một số vi sinh vật có hại (phương pháp bảo ôn sản phẩm).
Hoàn thiện sản phẩm

Đây là khâu cuối cùng của quy trình sản xuất. Các chai được đóng gói, dán nhãn và xuất
xưởng. Sản phẩm được phân phối ra thò trường và đến tay người tiêu dùng.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 10


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

PHẦN 2

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
CHO THIẾT BỊ KẾT TINH

I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO QUY TRÌNH
I.1. Sơ đồ quy trình cô đặc

Hình 4 - Sơ đồ quy trình công nghệ cô đặc kết tinh 2 cấp
I.2. Đặt vấn đề
Tính toán cân bằng vật chất cho 1kg nhập liệu (vào nồi cô đặc) với nồng độ chất khô
ban đầu là x = 10%. Sản phẩm có nồng độ chất khô là 30%. Năng suất 5000T/năm.
Vì không có giản đồ kết tinh của nước cam nên ta có thể chọn giản đồ kết tinh của nước
táo làm cơ sở để xác đònh nhiệt độ kết tinh của nước cam theo nồng độ (vì thành phần
hoá học nước táo gần với thành phần hoá học của nước cam)
Trong thực tế, lượng chất khô trong dòch nước cam là hỗn hợp phức tạp nhiều cấu tử
nhưng để đơn giản ta xem dòch nước cam ép là hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn gồm nước và
chất khô tan trong nước.

Thành phần
Đơn vò
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Táo
Cam


Dâu tây
Trang 11


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
Nước

g

88.8

87.5

84

Protein

g

0.9

0.5

1.8

Lipid

g

-

-

-

Glucid

g

8.4

11.3

9.4

Cellulose

g

1.4

0.6

4.0

Bảng 4 – Thành phần chất khô của một số dòch ép trái cây tính trên 100g
0

10

20

30

40

50

60

0

70
Xe=65%

-2
-4

Nhiệt độ, t

-6

-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20

Hình 5 - Biểu đồ nhiệt độ đóng băng của dung dịch nước cam
theo nồng độ chất khơ

Trên giản đồ ta xác đònh được nhiệt độ kết tinh của nước cam theo đường kết tinh của táo
Nhiệt độ bắt đầu kết tinh : t1 (x = 0,12) = -1oC ; ρ = 1037 kg/m3
Nhiệt độ của kết thúc quá trình cô đặc (x=0.3) : t2 = -5oC ; ρ = 1142 kg/m3.
Khối lượng riêng có thể tính theo công thức : (xem bảng 4)
ρ = 1766 – 6.8W – 0.97T + 0.006WT ([4],2.32,tr.83)
Bảng 5 – Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dòch cam ép theo nồng độ
Nồng độ phần
khối lượng, x%

Nhiệt độ kết
tinh, oC

Khối lượng riêng
ρ, kg/m3

2

0

994

10

-1

1037

20

-2

1089

30

-5

1142

Chọn mô hình kết tinh 2 cấp
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 12


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

•

Cấp 1 : từ -1oC (x=0.1) đến -2oC (x=0.2)

•

Cấp 2 : từ –2oC (x=0.2) đến -5oC (x=0.3)

I.3. Tính cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc
Chọn mô hình cô đặc kết tinh gián đoạn 2 cấp. Gọi :
Gđ, xđ : Khối lượng và nồng độ chất khô trong hỗn hợp nhập liệu
Gc, xc : Khối lượng dòch cái và nồng độ chkhô tương ứng thu được (sản phẩm)
M1, x1 :Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái thu được sau kết tinh 1
M2, x2 : Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái sau KT2
ΔM1, ΔM2 = Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K1, K2 sau KT1 và KT2
K1, xk1 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT1
K2, xk2 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT2
K3 : khối lượng tinh thể nước đá còn sau thiết bò rửa
M3 : Lượng nước rửa tại thiết bò rửa
I.3.1. Tại thiết bò kết tinh 1 :
Cân bằng vật chất tính cho 1 kg dòch nhập liệu:
⎧ Gd = K 1 + M 1
⎨
⎩Gd x d = K 1 x1 + M 1 x1

Trong đó

K1 = Gd

x1 − xd

0, 2 − 0,1
= 1.
= 0,556 kg
0, 2 − 0, 02
x1 − xk1

M 1 = Gd

xd − xk 1
0,1 − 0, 02
= 1.
= 0, 444 kg
x1 − xk 1
0, 2 − 0, 02

<=>

xđ = 0,1, x1 = 0,2, xk1 = 0,02 ; Gđ = 1 kg/h

I.3.2. Tại thiết bò lọc 1
Mục đích : Lọc dòch cái 1 và tinh thể nước thô. Sau đó đưa tinh thể nước đá thô đi qua
máy rửa
Chọn thiết bò lọc ly tâm để lọc tinh thể
Chọn các thông số cho quá trình lọc

•

ρd1 : khối lượng riêng của dòch cái sau kết tinh 1

•

ρ1 : khối lượng riêng

•

f1 : tỷ lệ diện tích bề mặt xung quanh tự do của tinh thể có dòch bám vào

•

δ1 : bề dày lớp dòch bám

•

d1 : đường kính trung bình (cạnh tinh thể lập phương)

Cần tính được :
Lượng dòch còn sót lại trong bã lọc tinh thể

ΔM 1 = Δ 1Gd =

6 f1δ 1 ρ d 1 x1 − x d
6.0,7.10 −5.1089 0.2 − 0.1
.
.Gd =
.
.1 = 8,17.10 −3 kg / h
ρ1 d1 x1 − x k1
1037.3.10 −3 0.2 − 0.02

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 13


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
3

m.

Trong đó ρd1 = 1089 kg/m3; ρd1 = 1037 kg/m3;

f1 = 0.7; δ1 = 10-5 m; d1 = 3.10-

Tỷ lệ dòch cái thu được sau thiết bò lọc 1
m1 =

M 1 − ΔM 1 0.444 − 8,17.10 −3
=
= 0.4363 kg dòch lọc/kg dòch ép đầu
1
Gd

I.3.3. Tại thiết bò kết tinh 2
Ở đây, dòch M1 sau khi lọc (khối lượng còn M1 - ΔM1) sẽ được đem kết tinh lần 2 thu
được dòch M2 và khối tinh thể thô K2 với nồng độ chất khô tương ứng là x2, xk2. Ta có
x − x1
⎧
K 2 = ( M 1 − ΔM 1 ). 2

= 0.1558 kg
⎪
M 1 − ΔM 1 = K 2 + M 2
⎧
x2 − xk 2
⎪
=> ⎨
⎨
x − xk 2
⎩( M 1 − ΔM 1 ) x1 = K 2 x k 2 + M 2 x 2
⎪ M 2 = ( M 1 + ΔM 1 ). 1
= 0.286 kg
⎪⎩
x2 − xk 2

I.3.4. Tại thiết bò lọc 2 – Lọc ly tâm
Lượng dòch cái ΔM2 còn sót trong khối tinh thể là

ΔM 2 =

6 f 2 .δ 2 .ρ d 2 x 2 − x1
6.0,7.10 −5.1142
.
.( M 1 − ΔM 1 ) =
.0,1558 = 2,402.10 −3 kg
−3
x2 − xk 2
ρ2d2
1037.3.10

I.3.5. Tại thiết bò rửa
Cho tinh thể K1 và K2 có chứa dòch sót ΔM1, ΔM2 vào thiết bò rửa R3 với lượng nước
rửa là M3. Lượng tinh thể sau rửa có khối lượng là K3, trong đó có tích một lượng
nước rửa là ΔM3 , nước rửa này có thể xem như không có chất khô hoà tan trong đó.
Còn lượng nước nước thu hồi M’3 có nồng độ x3 có thể được đưa và hỗn hợp dòch ép
lúc ban đầu để giảm mất mát chất khô.
Trong thiết bò rửa các tinh thể K1 và K2 chỉ bò mài mòn về kích thước chứ không bò
giảm về số lượng tinh thể, do đó nó thay đổi kích thước (d1’, d2’), độ bám dính bề
mặt (f1’, f2’) theo tỷ lệ tổn hao khối lượng tinh thể (Δ). Thông thường
Δ = 0.01−0.15 nên ta chọn Δ = 0,1.
Tính cân bằng vật chất

•

Theo khối lượng :
K1 + K2 + M3 + ΔM1+ ΔM2 = K3 + M’3 + ΔM3 = (1 - Δ)(K1 + K2) + M’3

Với K3 = (1 - Δ)(K1 + K2)

•

Theo chất khô
K1xk1 + K2xk2 + 0 + ΔM1x1 + ΔM2x2 = (1 - Δ)K1xk1 + (1 - Δ)K2xk2 + M’3x3 + 0

Lượng tinh thể sau rửa là
K3 = (1 – 0.1).(0,5556 + 0,1558) = 0.64 kg
Lượng nước rửa lấy theo tỷ lệ lượng tinh thể cần rửa với hệ số tỷ lệ ξ0 (thường ξ0 =
0.2– 1). Chọn ξ0 = 0,6
M3 = ξ0 (K1 + K2) = 0,6.(0.5556 + 0.1558) = 0,42684 kg

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 14


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Lượng nước tích lại trong khối tinh thể

ΔM3

⎤⎫
6.Δ2 / 3 .Gd ⎧
6f δ ρ
b f ' ( x − x1 ) ⎡
=
.⎨b1 f '1 ( x1 − x d ) + 2 2 2
.⎢ x d − x k1 − 1 1 d 1 ( x1 − x d )⎥ ⎬
x1 − x k1 ⎩
x2 − xk 2
ρ1 d 1
⎣
⎦⎭

Với

b1 = δ’1/d1 ; b2 = δ’2/d2
d’1/d1 = d’2/d2 = Δ2/3 = (0,1)2/3 = 0,21544

=> d’1 = d’2 = 6,4632.10-4 m
Giả sử :

δ
δ
d1
d
= 1 và 2 = 2
d '1 δ '1
d '2 δ '2

=> δ’1 = δ’2 = 2,1544.10-6 m
=> b1 = b2 = 7,1813.10-3
Vậy lượng nước rửa tích lại trong khối tinh thể sau cùng là
⎧7,18.10 −3.0,7.(0.2 − 0.1) +
⎫
6.0,21544.1 ⎪
⎪
.⎨ 7,18.10 −3.0.7.(0,3 − 0,2) ⎡
ΔM3 =
⎤⎬
6.0,7.10 −5.1089
0,2 − 0,02 ⎪+
(0,2 − 0.1)⎥ ⎪
.⎢0,1 − 0,02 −
0,3 − 0,02
1037.3.10 −3
⎣
⎦⎭

⎩
= 0.000464 kg/h
Lượng nước ra khỏi thiết bò rửa M’3
Từ phương trình cân bằng vật chất
M3 + K1 + K2 + ΔM1 + ΔM2 = K3 + M’3 + ΔM3
K1xk1 + K2xk2 + 0 + ΔM1x1 + ΔM2x2 = (1 - Δ)K1xk1 + (1 - Δ)K2xk2 + M’3x3
Suy ra :
Và

M’3 = M3 + K1 + K2 + ΔM1 + ΔM2 - ΔM3 - K3 = 0.5081 kg/h
Δ.( K1 xk1 + K 2 xk 2 ) + ΔM 1 x1 + ΔM 2 x2
x3 =
M '3

=

0,1.(0,5556.0,02 + 0.1558.0,02) + 0,0082.0,2 + 0,0024.0,3
= 0,74%
0,5081

Suy ra lượng chất khô thất thoát theo nước rửa là 0,74%.0,5081 = 3,76.10-3 kg/h.
So với lượng chất khô hỗn hợp đầu (0,1 kg/h) thì tỷ lệ thất thoát là : 3,76%.
Vì tỷ lệ thất thoát này là không đáng kể nên ta không cần hồi lưu nước rửa này vào hỗn hợp
đầu. Lượng nước rửa này có thể được tái sử dụng để rửa nguyên liệu đầu vào.
II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO CẢ QUY TRÌNH
II.1. Năng suất thành phẩm
5000T/năm = 5000.103kg/(300ngày*16giờ/ngày) = 1041,7 kg/h
II.2. Năng suất thiết bò cô đặc:
Nếu tổn thất sau quá trình thanh trùng và rót chai là 1%
Gc = 1041,7/0,99 = 1052,2 kg/h

II.3. Năng suất nhập liệu vào thiết bò cô đặc

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 15


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Tỷ lệ dòch cô thu được so với dòch đầu là 0,286
Gđ = 1052,2/0,286 = 3679,1 kg/h
II.4. Khối lượng nước ép vào máy ly tâm (lọc tinh),
Chọn tổn thất là 0,5%
Gv(lọc tinh) = 3679,1/0,995 = 3697,6 kg/h
II.5. Khối lượng nước ép vào thiết bò gia nhiệt
Chọn tổn thất trong quá trình gia nhiệt là 0,5%
Gv(gia nhiệt) = 3697,6/0.995 = 3716,2 kg/h
II.6. Khối lượng nước ép vào thiết bò lọc thô,
Chọn tổn thất là 1,0%
Gv(lọc thô) = 3753,7 kg/h
II.7. Khối lượng nguyên liệu vào máy ép,
Biết hiệu suất ép là 85%
Cho tỷ lệ bã (bao gồm vỏ, hạt, …) và dòch tách ra trong quả là 5/3 = 1.667
Khối lượng dòch ép ra = 3753,7 kg/h
Khối lượng dòch ép có trong quả = 3753,7/0,85 = 4416,1 kg/h
Khối lượng bã (bao gồm vỏ, hạt, tạp chất…) vào = 1,667.4416,1 = 7360,2 kg/h

→ Khối lượng nguyên liệu vào máy ép = 4416,1 + 7360,1 = 11776,3 kg/h

II.8. Khối lượng nguyên liệu (G) vào
Quá trình rửa (tổn thất 0,5%) = 11776,3/0,995 = 11835,5 kg/h
Quá trình chọn lọc, phân loại (tổn thất 3%) = 11835,5/0,97 = 12201,6 kg/h
Bảng 6 - Tổng kết cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc (theo 1kg hỗn hợp đầu)
Thành phần

Khối lượng, kg

Nồng độ, %kl

1. Nhập liệu

Dòch ép

Gđ

1

0.1

2. Thiết bò KT1

Tinh thể thô

K1

0.5556

0.02

Dòch cái 1

M1

0.4444

0.2

3. Thiết bò lọc 1

Dòch sót 1

ΔM1

0.0082

0.2

4. Thiết bò KT2

Tinh thể thô

K2

0.1558

0.02

Dòch cái 2

M2

0.2910

0.3

5. Thiết bò lọc 2

Dòch sót 2

ΔM2

0.0024

0.3

6. Thiết bò rửa

Tinh thể đá

K3

0.6402

0

Nước rửa

M3

0.4268

0

Nước tích lại

ΔM3

0.000464

0

Nươc thu hồi

M'3

0.5081

0.0074

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 16


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

7. Sản phẩm

Dòch cô đặc

Gc

0.2860

0.3

Bảng 7 – Tổng kết cân bằng vật chất cho cả quy trình sản xuất
Tổn hao
(%)

Quá trình

Đầu vào
(kg/h)

Đầu ra
(kg/h)

12201.6

1

Nhập nguyên liệu

5.0%

2

Chọn lọc, phân loại

3.0%

12201.6

11835.5

3

Rửa

0.5%

11835.5

11776.3

11776.3

11113.9

7360.2

7360.2

4416.1

3753.7

Nguyên liệu
4

Ép

Bã

15.0%

Dòch ép
5

Lọc thô

1.0%

3753.7

3716.2

6

Gia nhiệt

0.5%

3716.2

3697.6

7

Ly tâm - lọc tinh

0.5%

3697.6

3679.1

8

Cô đặc

71.4%

3679.1

1052.2

9

Rót chai, đóng nắp, thanh trùng, bảo quản

1.0%

1052.2

1041.7

0.0%

1041.7

1041.7

12 Bảo quản

1041.7

13 Thành phẩm

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 17


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

PHẦN 3

TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯNG CHO
THIẾT BỊ KẾT TINH

I. CÁC THÔNG SỐ CẦN TÍNH
I.1. Nhiệt dung riêng của dòch ép
Nhiệt dung riêng của nước cam ép theo nhiệt độ được tính gần đúng theo công thức : ([3], I.50,

153)
c = 4190 – (2514 – 7,542t)x , J/kg.độ
Trong đó :

c : nhiệt dung riêng của dung dòch nước đường, J/kg.độ
t : nhiệt độ dung dòch, oC.
x : nồng độ của dung dòch, phần khối lượng.

Sự thay đổi của nhiệt dung riêng trong quá trình cô đặc :
Nhập liệu

(1)

Làm lạnh

Bắt đầu kết tinh

(2)

Kết thúc KT 1

(3)

Kết thúc KT2

(4)

(5)

I.2. Độ nhớt động lực của dòch ép

Độ nhớt của dung dòch nước ép lấy gần đúng theo dung dòch đường mía theo [3,I.112,114)
I.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch và tinh thể nước đá
Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch được tính theo công thức : [3,I.32,123]

λ

dung dòch

= A.Cp.ρ. 3

ρ
M hh

(

W
)
mK

Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dòch ép, J/kg.độ; r – khối lượng riêng của
dòch ép, kg/m3; M – khối lượng mol hỗn hợp.
Với dung dòch đang ép thuộc loại chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10-8.
Hệ số dẫn nhiệt của tinh thể nước đá : [3, I.128, 132]
λđá1 (-2oC) = 2,532 W/mK
λđá2 (-5oC) = 2,566 W/mK
I.4. Nhiệt kết tinh của nước đá
Nhiệt kết tinh trung bình của nước (ở 0oC) là 1434,6 cal/mol = 333608,3 J/kg ([10],23)

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 18


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Bảng 8 - Tổng kết các thông số nhiệt lý của dòch ép và nước đá
Quá trình

x

t

ρ
kg/m3

cdd
J/kg.độ

cđá
J/kg.độ

μ,
Pa.s

(1) Nhập liệu
(2) Làm lạnh
(3) Bắt đầu kết tinh
(4) Kết thúc KT1

(5) Kết thúc KT2

0.10
0.10
0.10
0.20
0.30

30
3
-1
-2
-5

1037
1037
1037
1089
1142

3961.23
3940.86
3937.85
3684.18
3424.49

2090.3
2090.3

1.792E-03

1.792E-03
1.792E-03
3.804E-03
9.287E-03

λđá,
λdd,
W/mK W/mK

0.3415
0.3398
0.3395
0.3390
0.3358

2.532
2.566

II. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯNG

Nhiệt lượng Q (tính trên 1 kg dòch ép ban đầu) cần cung cấp cho toàn quá trình cô đặc kết tinh
bao gồm (lượng nhiệt này được cung cấp cho tác nhân lạnh)
Qo : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh sơ bộ dòch ép ban đầu từ 30oC → 3oC;
Q1 : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dòch ép từ 3oC → -1oC;
Qkt : nhiệt lượng cần thiết để kết tinh nước;
Qdd : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1oC → -5oC;
Qđá : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh nước đá từ -1oC → -5oC.
II.1. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ dòch ép ban đầu

Nhiệt độ đầu và cuối quá trình : tđ = 30oC → t’đ = 3oC

Khối lượng dòch ép : Gđ = 1kg/h
Nhiệt dung trung bình : cđ = (3961.23 + 3940.86)/2 = 3951,05 J/kg.độ
Lượng nhiệt cung cấp : Qo = Gđcđ(tđ – t’đ) = 1.3951,05.(30 - 3) = 106678.2 J/kg dòch
đầu.h
II.2. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dòch ép từ 3oC → -1oC

Nhiệt dung trung bình của dòch ép : c1 = (3940.86 + 3939.36)/2 = 3939.36 J/kg/độ
Lượng nhiệt cần cung cấp là : Q1 = Gđc1(t’đ – t1) = 15757.4 J/kg dòch đầu.h
II.3. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình kết tinh nước

Nhiệt kết tinh trung bình của nước là λkt = 333608,3 J/kg
Khối lượng tinh thể tạo thành K = K1 + K2 = 0,5556 + 0,1558 = 0,7114 kg/kg dòch đầu.h
Nhiệt lượng cung cấp
Kết tinh 1 : Qkt1 = K1. λkt = 0,5556. 333608,3 = 185352.8 J/kg dòch đầu.h
Kết tinh 2 : Qkt2 = K2. λkt = 0,1558. 333608,3 = 51976.2 J/kg dòch đầu.h
=> Qkt = Qkt1 + Qkt2 = 185352,8 + 51976,2 = 237329 J/kg dòch đầu.h
II.4. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1oC → -5oC

Ta có :

Qdd = Qdd1 + Qdd2

Trong đó :

Qdd1 : nhiệt lượng cung cấp cho dòch cái M1 (từ -1oC → -2oC)

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 19


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Qdd2 : nhiệt lượng cung cấp cho dòch cái M2 (từ -2oC → -5oC)
Khối lượng và nhiệt dung riêng của dòch cái
•

M1 = 0,4444 kg/kg dòch đầu; cM1 = 3864,18 J/kg.độ

•

M2 = 0,29 kg/kg dòch đầu; cM2 = 3424,49 J/kg.độ

Nhiệt lượng cung cấp
•

Qdd1 = M1cM1.(t1 – t2) = 0,4444.3864,18 = 1717,24 J/kg dòch đầu.h

•

Qdd2 = M2c M2.(t3 – t2) = 0,29. 3424,49.3 = 2979.3 J/kg dòch đầu.h

=> Qdd = 1717,24 + 2979,3 = 4696,54 J/kg dòch đầu.h
II.5. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh tinh thể đá từ -1oC → -5oC

Qđá = Qđá 1 + Qđá 2 = K1cđá1.(t1 - t2) + K2cđá 2.(t2 – t3)
Nhiệt dung riêng của nước đá lấy gần đúng là 2090,3 J/kg
Nhiệt lượng cần là :

Tại kết tinh 1 (từ -1oC → -2oC) : Qđá1 = 0,5556.2090,3.1 = 1161,4 kJ/kg dòch đầu.h
Tại kết tinh 2 (từ -2oC → -5oC) : Qđá2 = 0.1558.2090,3.3 = 977 J/kg dòch đầu.h
=> Qđá = 2138,4 J/kg dòch đầu.h
II.6. Tổng nhiệt lượng thực tế

Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 15% lượng nhiệt thực tế
Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 1 :
ΣQkt1 = 1,15 (Q1 + Qdd1 + Qkt1 + Qđá1)

= 1,15 (15757,4 + 1717,24 + 185352,8 + 1161,4) = 234587,1 J/kg dòch đầu.h
Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 2 :
ΣQkt2 = 1,15 ( Qdd2 + Qkt2 + Qđá2)

= 1,15 (2979,3 + 51976,2 + 977) = 64322,4 J/kg dòch đầu.h
Vậy nhiệt cần cung cấp cho toàn quá trình là
ΣQ

= 1,15 Q = 1,15 (Qo + Q1 + Qdd + Qđá + Qkt)
= 1,15.(106678,2 + 15757,4 + 4696,54 + 2138,4 +237329)
= 421589,5 J/kg dòch đầu.h
Bảng 9 – Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc
Nhiệt lượng riêng
J/kg dòch đầu.h

Nhiệt lượng tổng
kJ/h

Nhiệt lượng tổng
kW

1. Làm lạnh sơ bộ

111527,2

410319,8

113,98

2. Kết tinh 1

234587,1

863069,5

239,74

3. Kết tinh 2

64322,4

236648,6

65,74

Tổng nhiệt lượng cần

421589,5

1.551.069,9

430,85

Quá trình

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 20


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 21


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

PHẦN 4

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ KẾT TINH
VÀ CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA

I. THIẾT BỊ KẾT TINH
I.1. Giới thiệu

Thiết bò cô đặc kết tinh là thiết bò thân hình trụ đứng, dạng vỏ áo, đáy và nắp ellipse tiêu
chuẩn.
Tác nhân giải nhiệt để kết tinh dung môi được dùng là NH3.
Vật liệu chế tạo thiết bò
Thân làm bằng thép không gỉ để không làm ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm,
mã hiệu X18H10T.
Vỏ làm bằng thép thường CT3
Phương pháp gia công : dùng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai phía.
I.1.1. Thùng kết tinh 1

Các thông số kích thước, chọn :
Đường kính trong : DT = 1200 mm
Chiều cao thân : HT = 1800 mm
Hệ số chứa đầy : β = 0.8
Đáy, nắp ellipse tiêu chuẩn :

hgờ = 50 mm ; ht = 300 mm
F = 1,75 m2

; Vnắp, đáy = 0,283 m3

Vỏ bọc cách nhiệt, vật liệu : bông thuỷ tinh
Vỏ cách thân 50 mm
Thời gian lưu : τ = 4h
Năng suất thể tích nhập liệu : Vđ =

3679,1
= 3,548 m3/h
1037

Tính kích thước thùng
Thể tích thùng :
Vthùng = Vthân + Vđáy + Vnắp = π .

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

DT2
1,2 2
.H T + 2.Vday = π .
.1,8 + 2.0,283 = 2,6 m3
4
4



Trang 22


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Chiều cao toàn bộ thùng : Hthùng = HT + Hđáy + Hnắp = 1,8 + 0,35.2 = 2,5 m
Thể tích dung dòch chứa : Vdd1 = 0,8.Vthùng = 2,08 m3
Chiều cao dung dòch chứa tính từ đáy :
Hdd1 = Hdd(thân) + Hdd(đáy) =

Vdd − Vday

πD / 4
2
T

+ hday =

2,08 − 0,283
+ 0,35 = 1,939 m
π .1,2 2 / 4

Tính bề mặt truyền nhiệt
Để đảm bảo truyền nhiệt tốt thì lớp vỏ áo của thiết bò được bao cao hơn chiều cao mực
chất lỏng ở bên trong 150mm.
Bề mặt truyền nhiệt : F = Fdd(thân) = πD(Hdd(thân) + 0,15) = 6,56 m2
Tính số thùng kết tinh 1
N1 =

Vd 1
3,548.4
= 6,82 => Chọn số thùng N2 = 7 thùng
.τ =
Vdd 1
2,08

I.2.2. Thùng kết tinh 2

Kích thước thùng kết tinh 2
Để đơn giản trong việc chế tạo và lắp đặt ta chọn các thông số kích thước của thùng 2
giống kích thước thùng 1 như sau :
Thùng :

DT = 1,2 m; Vthùng = 2,6 m3; Hthùng = 2,5 m;

Thân :

HT = 1,8 m

Đáy, nắp : Vđáy = Vnắp = 0,283 m3; Fđáy = Fnắp = 1,75 m2
Thể tích và chiều cao dung dòch : Vdd2 = 2,6.0,8 = 2,08 m3; Hdd2 = Hdd1 = 1,939 m
Bề mặt truyền nhiệt : F2 = πD(Hdd(thân) + 0,1) = 6,367 m2
Số thùng kết tinh 2 : N2 =
Trong đó :

Vđ2 =

Vd 2
.τ = 2,83 ≈ 3 thùng
Vdd 2

Gd 1 .( M 1 − ΔM 1 )

ρd 2

=

(0,444 − 0,00817).3679,1
= 1,4724 m3/h
1089

τ = 4h; Vdd2 = 2,08 m3
=> Chọn số thùng kết tinh là 3 thùng
I.2. Tính toán điều kiện bền
I.2.1. Các thông số cần tra và chọn

p suất tính toán :
Nếu xem áp suất thủy tónh là không đáng kể, bên trong thiết bò làm việc ở áp suất khí
quyển: PT = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2
p suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10oC) tác động lên thân thiết bò là
PN = PsôiNH3 = 2,9075 at = 0,29075 N/mm2
p suất tác động lên thân thiết bò là
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 23


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

P = PN – PT = 0,19075 N/mm2
=> Thiết bò chòu áp suất ngoài
Vậy áp suất tính toán cho thân thiết bò được chọn trên cơ sở điều kiện làm việc nguy hiểm
nhất, đó là trường hợp khi ta tháo liệu mà chưa xả tác nhân ra hết lúc đó áp suất tác động lên
thân thiết bò sẽ lớn nhất và bằng áp suất của tác nhân lạnh, nên PTT = PN = 0,29075 N/mm2.
Nhiệt độ tính toán được lấy là nhiệt độ môi trường làm việc cộng với 20oC (thiết bò có bọc
cách nhiệt). Nhưng trong điều kiện thiết bò làm việc ở nhiệt độ thấp như vậy nên ta chọn
luôn nhiệt độ tính toán là 20oC.
Vật liệu chế tạo
Thân bằng thép không gỉ X18H10T
Vỏ làm bằng thép thường CT3
Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : [σ ] = 147 N/mm 2
*

Hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 (thiết bò có bọc cách nhiệt)
Ứng suất cho phép : [σ ] = [σ ] × η = 147.0.95 = 139,65 N/mm 2
*

Hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,95
Mô đun đàn hồi : E t = 20,5 × 10 4 N/mm 2
Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20oC)
Hệ số an toàn chảy : nc = 1.65

⇒ σ c = 147 × 1,65 = 242.55 N/mm 2
I.2.2. Tính bền cho thân thiết bò khi chòu áp suất ngoài

⎛ P l' ⎞
Bề dày tối thiểu S' = 1.18 D t ⎜⎜ n . ⎟⎟
⎝ Et Dt ⎠

0.4

Trong đó : DT = 1200 mm - Đường kính trong của thiết bò;
Pn = 0,29075 N/mm2 - p suất ngoài tác dộng lên thân thiết bò;
Et = 20,5.104 N/mm2 - Môđun đàn hồi;
l’ = lthân + hđáy/3 = 1800 + 350/3 = 1916,7 mm – chiều dài tính toán cho thân.

⎛ 0,29075 1916,7 ⎞
.
=> S' = 1,18.1200.⎜⎜
⎟
-4
1200 ⎟⎠

⎝ 20,5.10

0.4

= 7,818 mm

Chọn hệ số bổ sung bề dày C
Hệ số ăn mòn của tác nhân NH3 là Ca = 1 mm;
Hệ số ăn mòn của dung dòch nước trái cây là Cb = 0,5 mm;
Hệ số quy tròn Co = 0,682 mm;
=> C = 2,182 mm

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 24


Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Bề dày thiết bò : S = 10 mm
Kiểm tra bền
(1) Kiểm tra điều kiện :
1,5

2(S − C a )
l'
≤
≤

Dt
Dt

⇔ 1,5
⇔

2×9
1200
≤ 1,75 ≤
1200
2×9
0,1837 < 1,75 < 8,165 (Thoả điều kiện)
⎡ 2(S − C a ) ⎤
⎥
⎢
⎦
⎣ Dt

E
l'
(2) So sánh :
và 0.3 tt
DT
σc
E
=> 0.3 tt
σc

Dt
2(S − C a )

3

3

3

⎡ 2(S − C a ) ⎤
20,5.10 4
⎢
⎥ = 0.3
242,55
⎣ Dt
⎦

l'
⎡ 2.9 ⎤
⎢⎣1200 ⎥⎦ = 0,4658 < D =1,5975
T

=> Thoả điều kiện (2)
(3) Kiểm tra

[P] = 0.649.E t D t
l'

⎛ S − Ca
⎜⎜
⎝ Dt

⎞
⎟⎟
⎠

2

S − Ca
Dt

1200 ⎛ 9 ⎞
= 0,649 × 20,5 × 10 ×
⎟
⎜
1917 ⎝ 1200 ⎠
4

2

9
1200

= 0,4057 N/mm 2 > P = 0.2907 N/mm 2
=> Thân đủ bền
I.2.3. Tính ổn đònh cho đáy nắp

Đáy chòu áp suất ngoài : Pn = PNH3 = 0,2907 N/mm2
Nắp chòu áp suất ngoài xấp xỉ với áp suất khí quyển vì vậy khi tính bền cho đáy, nếu đáy
đủ bề thì nắp cũng đủ bền.
Chọn bề dày tính toán cho nắp bằng với bề dày của thân thiết bò : S = 10 mm
Tính bền cho đáy

(1) So sánh :

Trong đó :

0.15E t
Rt
và
S
xσ tc

Rt = Dt = 1200 mm (đáy-nắp ellipse tiêu chuẩn);
Et = 20,5.104 N/mm2; σ c = 2 42 .55 N/mm2;
x = 0,7 (vật liệu chế tạo làm bằng thép không gỉ);

Khi đó :

R t 1200
=12
=
S
10

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh



Trang 25