CÔ ĐẶC DỊCH CAFE MỘT NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

~~~~~~*~~~~~~

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
CÔ ĐẶC DỊCH CAFE MỘT NỒI CHÂN KHÔNG LIÊN TỤC

SVTH :
Hoàng Nhất Phi
Niên khóa: 2014-2018

TP. Hồ Chí Minh – 2017


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cám ơn đến ban chủ nhiệm bộ môn công nghệ hóa học
trường đại học nông lâm Tp HCM đã mở ra một môn học hết sức thú vị, giúp chúng em
có điều kiện tiếp cận với thực tế, có được những kinh nghiệm quý báu và tích lũy chúng
nhằm phục vụ môi trường học tập và làm việc sau này, đồng thời chúng em cũng không
quên gửi lời cám ơn đến thầy đã tận tình hướng dẫn. Vì hiểu biết của chúng em còn hạn
hẹp nên bài báo cáo này còn nhiều thiếu xót rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
thầy cô.
TP.Hồ Chí Minh Ngày 20 tháng 9 năm 2017
Sinh viên thực hiện


Mục lục

ĐẶT VẤN ĐỀ

1

PHẦN 1 TỔNG QUAN

2

1.1.
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:.......................................................................................2
1.2.
Nguyên liệu và sản phẩm................................................................................2
1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu...................................................................................2
1.2.2. Đặc điểm sản phẩm......................................................................................3
1.2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm...............................................................3
1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa......................................3
1.3.
SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC:.................................................................................3
1.3.1. Khái niệm:....................................................................................................3
1.3.2. Đặc điểm của quá trình cô đặc....................................................................4
1.3.3. Các phương pháp cô đặc.............................................................................4
1.3.4. Các thiết bị cô đặc........................................................................................5
1.3.4.1. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm.............................................5
1.3.4.2. Thiết bị cô đặc phòng đốt treo..............................................................5
1.3.4.3. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài:..........................................................6
a.

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng....................................................................6

b.

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang..........................................................6
1.3.4.4. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức...................................................6
1.3.4.5. Thiết bị cô đặc loại màng......................................................................7
1.3.4.6. Thiết bị cô đặc có vành chất lỏng.........................................................7
1.3.4.7. Thiết bị cô đặc loại rôto.........................................................................8
1.3.4.8. Cô đặc nhiều nồi....................................................................................8
1.4.
Quy trình công nghệ........................................................................................9
1.
Quy trình công nghệ:.......................................................................................9
2.
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc..................................................10
PHẦN II12
cân bằng vật chất và năng lượng

12

2.1.
Dữ kiện ban đầu............................................................................................12
2.2.
Cân bằng vật chất và năng lượng.................................................................12
2.2.1. Suât lượng nhập liệu (Gđ):........................................................................12
2.2.2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên.......................................................................12


2.3.
Cân bằng năng lượng....................................................................................13
2.3.1. Cân bằng nhiệt lượng.................................................................................13
2.3.2. Chuẩn hóa nhiệt độ:...................................................................................14

2.4.
Xác định nhiệt độ tổn thất:...........................................................................15
2.4.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ (’):...................................................................15
2.4.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (”)................................................16
2.4.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đường ống dẫn hơi
thứ.( ’’’ ) . ..................................................................................................................16
2.4.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống................................16
2.5.
Nhiệt dung riêng............................................................................................17
2.6.
Nhiệt lượng riêng...........................................................................................17
PHẦN III

18

TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

18

3.1.
Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:..................................................18
3.1.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng(q1):..........................................................19
3.1.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2):..........................................................19
3.1.3. Nhiệt tải riêng phía tường (qv):.................................................................20
3.2.
Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:.................................................22
3.3.
Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:.........................................................22
3.4.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt:......................................................................22

PHẦN 4 22
THIẾT KẾ CHÍNH

22

4.1.
BUỒNG TRUYỀN NHIỆT:..........................................................................23
4.1.1. Tính số ống truyền nhiệt:...........................................................................23
4.1.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm:.....................................................23
4.1.3. Đường kính thiết bị buồng truyền nhiệt:..................................................23
4.2.
BUỒNG BỐC:...............................................................................................24
4.2.1. Đường kính buồng bốc:.............................................................................24
4.2.2. Chiều cao buồng bốc hơi:..........................................................................24
4.3.
Tính kích thước các ống dẫn:.......................................................................25
4.3.1. Đường kính ống dẫn hơi nước:.................................................................26
4.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ:....................................................................26
4.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch:................................................................27
4.3.3.1. Đường kính ống dẫn dung dịch đầu vào thiết bị gia nhiệt:..............27


4.3.3.2.

Đường kính ống dẫn dung dịch từ thiết bị gia nhiệt vào nồi cô đặc:
27
4.3.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch từ nồi cô đặc vào bể chứa sản phẩm
27
4.3.4. Đường kính ống tháo nước ngưng:...........................................................28
4.4.

BỀ DÀY VĨ ỐNG:.........................................................................................29
4.5.
CHIỀU DÀY LỚP CÁCH NHIỆT...............................................................29
4.5.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn:..................................................29
4.5.1.1. Ống dẫn hơi nước:...............................................................................30
4.5.1.2. Ống dẫn hơi thứ:.................................................................................30
4.5.1.3. Ống dẫn dung dịch từ thiết bị gia nhiệt vào nồi cô đặc:...................30
4.5.1.4. Từ nồi cô đặc sang bể chứa sản phẩm:..............................................31
4.5.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị............................................31
4.6.
Tính cơ khí các chi tiết thiết bị:....................................................................32
4.6.1. Bề dày buồng truyền nhiệt:.......................................................................32
4.6.2. Bề dày buồng bốc:......................................................................................34
4.6.3. Bề dày đáy buồng truyền nhiệt:................................................................35
4.6.4. Bề dày nắp buồng bốc:...............................................................................37
4.7.
CHỌN MẶT BÍCH........................................................................................38
4.7.1. Buồng truyền nhiệt.....................................................................................38
4.8.
CHỌN TAI TREO:........................................................................................39
4.8.1. Tai treo buồng truyền nhiệt:......................................................................39
4.8.1.1. Khối lượng lớp cách nhiệt...................................................................39
4.8.1.2. Khối lượng chất lỏng :.........................................................................40
4.8.1.3. Khối lượng cột hơi:..............................................................................40
4.8.1.4. Khối lượng bích:..................................................................................41
4.8.1.5. Khối lượng ống truyền nhiệt:.............................................................42
4.8.1.6. Khối lượng ống tuần hoàn trung tâm:...............................................42
4.8.1.7. Khối lượng vỉ ống:...............................................................................42
PHẦN 5 43
THIẾT BỊ PHỤ

43

5.1.
CÂN BẰNG VẬT LIỆU................................................................................43
5.1.1. Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ........................43
5.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị:.......43
5.2.
KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ NGƯNG TỤ......................................................44
5.2.1. Đường kính thiết bị ngưng tụ....................................................................44


5.2.2. Kích thước tấm ngăn.................................................................................45
5.2.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ.......................................................................46
5.2.4. Tính kích thước ống bazomet....................................................................47
5.3.
CHỌN BƠM..................................................................................................49
5.3.1. Bơm chân không.........................................................................................49
5.3.2. Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ.......................................................50
5.3.3. Bơm dung dịch lên thùng cao vị................................................................53
5.3.4. Bơm dung dịch từ nồi sang bể chứa sản phẩm:.......................................55
PHẦN 6: TÍNH TOÁN KINH TẾ THIẾT BỊ 58
KẾT LUẬN

60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61


ĐẶT VẤN ĐỀ

Kỹ thuật cô đặc đã ra đời từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệ
hóa chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Nhất là trong thời buổi hiện
nay, thời kỳ phát triến của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn
và tất bật, việc đảm bảo nhu cầu về việc ăn uống hàng 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
thức phẩm đang đóng một vài trò rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biển sẵn
vừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm
bảo các giá trị dinh dưỡng và an toàn thực phẩm.
Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phệ, nước trái cây, rượu ... là một
trong những phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quản
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 thấm thấu nghịch. Mỗi phương pháp đều có những
đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài tóan công nghệ.
Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị được sử dụng trong công nghiệp sản xuất thực phẩm
với những mục đích khác nhau. Nhưng do thời gian nghiên cứu có hạn nên nhiệm vụ của
đồ án này chỉ nghiên cứu về "thiệt bị cô đặc chân không 1 nồi, làm việc liên tục ống tuần
hoàn trung tâm" và ứng dụng nó để cô đặc dịch cà phê sau khi trích ly trong công nghệ cà
phê hòa tan.

1


PHẦN 1
TỔNG QUAN

1.1.

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi liên tục để cô đặc dung dịch cà phê sau khi trích

ly
Năng suất sản phẩm: 750 kg sản phẩm/h
Nồng độ đầu: 12% khối lượng
Nồng độ cuối: 65% khối lượng
Áp suất hơi nước : 3 at
Áp suất ngưng tụ: 0,2 at
1.2.
Nguyên liệu và sản phẩm
1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cho công đoạn cô đặc là dịch cà phê sau khi trích ly có nồng độ 12%
Quả cà phê gồm những phần sau : lớp vỏ quả , lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa,
nhân .
Lớp vỏ quả : là lớp vỏ ngoài , mềm , ngoài bì có màu đỏ, vỏ cà phê chè mềm hơn
cà phê vối và cà phê mít .
Lớp vỏ thịt : dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt gọi là trung bì .Vỏ thịt cà phê chè
mềm , chứa nhiều chất ngọt , dễ xay xát hơn . Vỏ thịt cà phê mít cứng và dày hơn .
2


Vỏ trấu : hạt cà phê sau khi loại bỏ các chất nhờn và phơi khô gọi là cà phê thóc ,
vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ mềm gọi là vỏ trấu tức là nội bì . Vỏ
trấu cà phê chè mỏng hơn và dễ đập hơn là vỏ trấu của cà phê vối và cà phê mít .
Vỏ lụa : bao bọc quanh nhân cà phê còn một lớp mỏng , mềm gọi là vỏ lụa ,
chúng có màu sắc khác nhau tuỳ theo từng loại cà phê . Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng
bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến . Vỏ lụa cà phê vối mầu nâu
nhạt . Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân cà phê .
Nhân cà phê : ở trong cùng . Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng , có những tế

bào nhỏ , trong có chứa những chất dầu . Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn .
Một quả cà phê thường có từ 1 , 2 hoặc 3 nhân. Thông thường chỉ có 2 nhân
1.2.2. Đặc điểm sản phẩm
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
- Dung môi: nước
- Các chất hòa tan: có nồng độ cao.
1.2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm
Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi
không ngừng.
> Biến đổi tính chất vật lý
Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung
dịch thay đổi.
- Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số
truyền nhiệt.
- Các đại lượng tăng: khối lượng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ,
nhiệt độ sôi.
> Biển đổi tính chất hóa học
Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit của
các cấu tử tạo thành acid.

3


Đóng cặn
Phân hủy một số vitamin.
> Biển đổi sinh học
Tiêu diệt vi sinh vật ( ở nhiệt độ cao)..Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh
vật ở nồng độ cao
1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để:

- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên.
- Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.
- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
1.3.
SƠ LƯỢC VỀ CÔ ĐẶC:
1.3.1. Khái niệm:
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng
cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
1.3.2. Đặc điểm của quá trình cô đặc
- Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung
dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được
tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do
đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình
chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn
hợp.
- Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước gọi là
“hơi thứ”-thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn có nên được sử dụng làm hơi đốt
cho các nồi cô đặc. Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi
4


phụ”.
1.3.3. Các phương pháp cô đặc
- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi
làm việc gián đoạn hay liên tục.
+ Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng
độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không
đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại
cho dung dịch mới để cô đặc.
+ Khi cô đặc liên tục: dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được

lấy ra liên tục.
- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất(áp suất chân
không, áp suất thường hay áp suất dư) tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật và sản phẩm cô đặc để
lựa chọn áp suất làm việc thích hợp trong quá trình cô đặc.
+ Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ
bị phân huỷ vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi
trung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt.
Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng
nhiệt thừa của các quá trình khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc.
+ Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch
không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho
cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
+ Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà thải ra ngoài
môi trường. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trên thực tế, trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở
áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không.
5


1.3.4. Các thiết bị cô đặc
1.3.4.1. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
Đây là loại thiết bị có phần dưới là phòng đốt, trong đó có ống truyền nhiệt và
ống tuần hoàn tương đối lớn, dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía
ngoài ống. Khi làm việc dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi-lỏng
có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần
hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền
nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn. Vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơilỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị
có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống
trong ống tuần hoàn.
- Ưu điểm:

+ Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa và làm sạch.
- Nhược điểm:
+ Vận tốc tuần hoàn nhỏ (không quá 1,5m/s) và bị giảm do ống tuần hoàn cũng bị
đun nóng.
- Ứng dụng:
+ Dùng để cô đặc dung dịch nhớt và dung dịch tạo thành váng, cặn.
1.3.4.2. Thiết bị cô đặc phòng đốt treo
Là loại thiết bị có phòng đốt đặt giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa
phòng đốt và vỏ đóng vai trò là ống tuần hoàn.
- Ưu điểm:
+ Phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chửa, làm sạch.

6


+ Vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng.
- Nhược điểm:
+ Cấu tạo phức tạp và có kích thước lớn.
- Ứng dụng:
+ Dùng để cô đặc dung dịch kết tinh.
1.3.4.3. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài:
a. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng
Dung dịch đi vào buồng đốt ở bên ngoài đặt đứng, dung dịch được bốc hơi ở
buồng bốc, hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt.
- Ưu điểm:
+ Cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn.
+ Có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình sửa chửa,
làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục.
- Nhược điểm:
+ Buồng đốt đứng nên thiết bị cao.

+ Việc xử lý điều khiển khó khăn.
b. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu nằm ngang
Loại này có phòng đốt là thiết bị hình chữ U. Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền
nhiệt chuyển động từ trái sang phải còn ở nhánh trên thì từ phải qua trái.
- Ưu điểm:
+ Buồng đốt được gắn vào một chiếc xe nhỏ dễ dàng tách ra sửa chửa,
làm sạch.
7


+ Cường độ tuần hoàn lớn.
1.3.4.4. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
Dung dịch đi vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn rồi đi ra phía dưới của phòng bốc, còn
phần chính thì về lại trộn với dung dịch đầu .
- Ưu điểm:
+ Hệ số cấp nhiệt () lớn.
+ Làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3-5oC)
+ Giảm được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt.
+ Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt cao.
- Nhược điểm:
+ Tốn nhiều năng lượng cho bơm.
- Ứng dụng:
+ Dùng để cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn, cường độ bay hơi lớn.
1.3.4.5. Thiết bị cô đặc loại màng
Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới
lên trên. Phòng đốt là thiết bị loại ống chùm dung dịch đi trong ống còn hơi đốt đi ngoài
ống. Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên kéo theo màng chất
lỏng và tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch lên đến miệng là đạt được nồng độ cần thiết.
- Ưu điểm:
+ Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ nên tổn thất thuỷ tĩnh bé.

- Nhược điểm:
8


+ Khó làm sạch vì ống dài.
+ Khó điều chỉnh áp suất hơi đốt và mức dung dịch thay đổi.
+ Không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.
1.3.4.6. Thiết bị cô đặc có vành chất lỏng
Thiết bị này gồm phòng đốt, phía trên phòng đốt là phòng sôi. Trên phòng sôi là
những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vành khăn, từ phòng sôi
hỗn hợp hơi-lỏng đi lên phòng bốc hơi. Hơi thứ đi lên ra ngoài, dung dịch còn lại đi
xuống phòng đốt phần kết tinh lắng xuống đáy. Phòng đốt có tác dụng nung nóng dung
dịch không có tác dụng sôi. Dung dịch chỉ sôi khi đi vào các tấm ngăn.
- Ưu điểm:
+ Vận tốc tuần hoàn lớn (đến 3m/s)
+ Thiết bị ít bám cặn.
- Nhược điểm:
+ Cấu tạo thiết bị phức tạp.
- Ứng dụng:
+ Sử dụng cô đặc dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn.
1.3.4.7. Thiết bị cô đặc loại rôto
Thiết bị có rôto quay, có bao hơi, các cánh lắp vào trục thẳng đứng. Dung dịch
đầu đưa vào bên trên thiết bị, có cánh quay, dưới tác dụng của ly tâm chất lỏng văng ra
thành thiết bị và chuyển động xoáy. Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được nung nóng bởi
bao hơi. Hơi thứ được đưa lên phía trên rồi ra ngoài còn sản phẩm được tháo ra qua đáy
thiết bị.

9

- Ưu điểm:
+ Cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ.
+ Có thể cô đặc dung dịch dạng keo, đặc sệt.
- Nhược điểm:
+ Cấu tạo, gia công phức tạp, giá thành cao.
1.3.4.8. Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó có ý nghĩa về
mặt sử dụng nhiệt.
Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào đun nồi
thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được vào đun nồi thứ ba... hơi thứ của nồi cuối cùng
được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi
nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ
giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi
thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi
trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối
làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không).
Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì nếu
ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đưa vào đốt nóng thì được 1kg hơi thứ, như vậy 1kg hơi đốt
đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ tương đương với số nồi trong hệ thống cô
đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là lượng hơi đốt dùng để làm bốc 1kg hơi thứ tỷ lệ
nghịch với số nồi. Ví dụ khi cô đặc hai nồi: 1kg hơi đốt vào nồi đầu làm bốc hơi 1kg hơi
10


thứ trong nồi đầu, 1kg hơi thứ này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng bốc hơi 1kg hơi thứ
nữa, như vậy đối với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ là
0,5kg.
Tuy nhiên số nồi không thể vô hạn vì khi số nồi tăng thì tổn thất nhiệt độ SD 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 chửa, lắp ghép, hao mòn...) sẽ
tăng nhanh. Mặt khác, muốn đảm bảo quá trình làm việc ta phải có điều kiện:

Giới hạn đối với mỗi nồi là

o

C

Dựa vào đồ thị của mối quan hệ giữa chi phí về thiết bị, chi phí về hơi đốt và chi
phí chung thì số nồi thích hợp của quá trình cô đặc nhiều nồi là 2:4 nồi.
1.4.
Quy trình công nghệ
1. Quy trình công nghệ:
Cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
Lý do chọn:Vì năng suất này không cao nên kích thước của các thiết bị đều ở mức
độ vừa phải.
Chi phí đầu tư không cao,trong đó thiết bị chính chiếm khoảng 33% tổng chi phí.
Kết cấu thiết bị đơn giản và có thể được điều khiển tự động

11


Hình 1. Cô đặc chân không một nồi liên tục
1)Thùng chứa dung dịch đầu

9) Thiết bị ngưng tụ

2)Bơm

10) Thiết bị thu hồi bọt

3)Thùng cao vị

11) Ống baromet

4)Lưu lượng kế

12) Thùng chứa

5)Thiết bị đun nóng
6)Nồi cô đặc
7)Bơm
8)Thùng chứa sản phẩm

2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc
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 thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi. Dung dịch sau khi cô đặc được bơm ra
ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra
phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra
12


ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không ngưng
được bơm chân không hút ra ngoài.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng truyền nhiệt
gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống,
hơi nước bão hòa sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động

của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn rất nhiều so với
các ống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung
dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung dịch sẽ có Pds = 0.5 Pdd do đó sẽ tạo ra áp lực đẩy
dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả là tạo một dòng chuyển
động tuần hoàn trong thiết bị. Để ống tuần hoàn tung tâm hoạt động có hiệu quả dung
dịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 - 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt. Phần phía trên thiết bị
là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách giọt để
tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ.
Hơi nước theo ống dẫn hơi đưa vào buồng đốt ở áp suất 3 at. Hơi thứ ngưng tụ
theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả ra
ngoài theo cửa xả khí không ngưng.
Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn thiết bị ngưng tụ Baromet, toàn bộ hệ thống (thiết bị
ngưng tụ Baromet, thiết bị cô đặc) làm việc ở điều kiện chân không do bơm chân không
tạo ra.
Dung dịch cà phê được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm,
vào thùng chứa sản phẩm.
Đóng các van
Tắt bơm.
PHẦN II
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1.

Dữ kiện ban đầu
13


Trong cà phê tinh bột chiếm thành phần chủ yếu từ 8 - 23 %, do vậy có sự biến
tính tương đối trong quá trình cô đặc từ tinh bột thành gluco nên các thông số được tính
thông qua gluco.

Các số liệu ban đầu:
Dung dịch cà phê sau khi trích ly:
-

Nhiệt độ ban đầu 28oC, nồng độ ban đầu 12%.

-

Nồng độ cuối 65%.

-

Năng suất Gc = 750kg/h

- Chọn hơi nước bảo hòa ở áp suất Ph = 3 at (thđ = 132,90 C)
- Áp suất thiết bị ngưng tụ Pnt = 0.2 at (59.70 C)
2.2.
Cân bằng vật chất và năng lượng
2.2.1. Suât lượng nhập liệu (Gđ):
Gđ= Gc + W
Gđ.Xđ=Gc.Xc
Trong đó:
Gđ, Gc : lượng dung dịch đầu và cuối mỗi nồi,kg
W

: lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn,kg

Xđ, XC : nồng độ đầu và cuối mỗi giai đoạn.
Gd=Gc.XC/Xd
Gd=750.65/12=4062.5 (kg/h)

2.2.2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên
W = Gđ - Gc = 4062.5 - 750= 3312.5 kg/h
14


Hình:Sơ đồ tính toán
2.3.
Cân bằng năng lượng
2.3.1. Cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt vào:
- Do dung dịch đầu: Gđ.Cđ.tđ
- Do hơi nước: D.i
Nhiệt ra: - Hơi thứ mang ra: W.i’
- Nước ngưng tụ: D.C.
- Sản phẩm mang ra: Gc.Cc.tc
- Nhiệt cô đặc: Qcđ
15


- Nhiệt tổn thất: Qtt
* Phương trình cân bằng nhiệt
GđCđtđ + D.i = W.i’ + D.C. + Gc.Cc.tc ± Qcđ + Qtt
Trong đó:

D:lượng hơi nước mang vào
:nhiệt độ của nước ngưng
tđ, tc :nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch
Cđ, Cc, C:nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối của nước

ngưng (J/kg.độ)

i, i':hàm nhiệt của hơi nước và hơi thứ J/kg
Từ phương trình ta rút ra:

D = + 0,05D
Ta có i’ = 2333,8 KJ/Kg là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ vơi áp suất 0,21 at
(Tra bảng I 251 ST QTTB T1, trang 314).
i = 2171 KJ/Kg là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất 3at. (Tra bảng
I 251 ST QTTB T1, trang 314).
Quá trình cô đặc cà phê sau khi trích ly có Qcđ = 0. Đây là quá trình cô đặc liên
tục nên tđ = tc. Chọn tổn thất nhiệt là 5% ,chọn chuẩn đường enthalpy là nhiệt độ cuối
cùng dung dịch, = tc = 0, ta tính được lương hơi nước mang vào là:

Hay D =3748.3 (kg/h)
Lượng hơi nước tiêu tốn riêng:
( kg hơi nước / kg hơi thứ ).
16


Trong đó:
D : lượng hơi nước dùng cô đặc, (D = 3748.2 kg/h.)
W :lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, (W = 3312.5 kg/h.)
2.3.2. Chuẩn hóa nhiệt độ:
Áp suất buồng truyền nhiệt là áp suất hơi bão hòa 3 at. (Tra bảng I.251. STQTTB
T1, 314 nhiệt độ hơi nước là 132,9oC.
Gọi ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT,
theo công thức VI.14, STQTTB T2, 60 chọn ’’’ = 1 oC.
Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tht:
tht - tnt =

’’’ = 1 => tht = tnt+1 = 59,7 +1 = 60,7 oC

Áp suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng I.250, STQTTB T1, 312: ở nhiệt độ
hơi thứ 60,7oC là 0, 21 at.
2.4.
Xác định nhiệt độ tổn thất:
2.4.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ (’):
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi nguyên chất.Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất
gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.
Ta có:
’ = t0sdd - t0sdm

(ở cùng áp suất).

Áp dụng công thức VI.10, STQTTB T2, 59:
’ = ’o . f
Ở đây :
17


o

’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. Tra từ đồ thị.

f : hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
T2
f = 16,2 — (VI. 11,STQTTBT2,59)
r
=16,2

Với xc = 65% ta có o’ = 4.10C (suy ra từ đồ thị hình VI.2, STQTB T2, 60)
Vậy f=
’ = ’o . f = 4.1*0.77 = 3.160C
2.4.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (”)
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta
có:
P = 2 ps.g.Hop
Trong đó:
s

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

ps = 0.5 pdd

Pdd : Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m3
Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng ,m
Hop = [0.26+0.0014(pdd-pdm)].Ho

Coi Pdd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến
độ sâu trung bình của chất lỏng.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho= 2 m.
Hop = [0.26+0.0014( Pdd- Pdm) ]. Ho
18


=[0.26+0.0014(1285.7- 999)]*2= 1.32 m
Áp suất trung bình:
Ptb = P’+P=0.21+0,5*0,5*1285.7*10-4*1.32 = 0.25 at
Tra sổ tay tại Ptb = 0.25 at ta có ttb = 64.2 0C.
Ta có:

’’ = ttb - t0, độ

 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:
” = 64.2 - 60.7 = 3.50C
2.4.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ.
( ’’’ ) .
Thực tế thì ”’ = 1 - 1.5.
Chọn ’’’= 1
2.4.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống
Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống
= ’ + ’’ + ’’’ = 3.16 + 3.5 + 1 = 7.660 C Tổng
chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống
t = thd - tnt = 132.9 - 59.7 = 73.20 C
Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích
thi = t - = 73.2 - 7.66 = 65.540 C
Nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi :
tc = tnt + = 59.7 + 7.66 = 67.360 C
2.5.

Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ <20% tính theo công thức sau:
Cdd = 4186.(1-x) (J/kg.độ) (I.43, STQTTB T1, 152)
Với x:nồng độ chất tan, phần khối lượng (%)
19