Thiết kế hệ thống cô đặc chân không dung dịch cà chua sử dụng nồi hai vỏ có cánh khuấy

ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

LỜI MỞ ĐẦU
Bộ môn “ Quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm” cung cấp những kiến
thức cần thiết cho sinh viên và kĩ sư công nghệ thực phẩm, kĩ sư chế biến nông
sản, thủy hải sản và kĩ sư máy thực phẩm. Ngoài ra bộ môn này góp phần nào tới
kĩ sư các ngành kĩ thuật sản xuất, có khả năng vận dụng vào trong thực hành sản
xuất công nghiệp liên quan, hiểu sâu hơn về nghiên cứu sản xuất máy móc thiết
bị hiện đại trên thế giới, nhất là trong thời đại hiện nay mà máy móc khoa học
phát triển như vũ bão.
Trong giới hạn “Đồ án môn học – Thiết kế hệ thống cô đặc chân không
dung dịch cà chua sử dụng nồi hai vỏ có cánh khuấy” chủ yếu đề cập đến các quá
trình xảy ra trong thiết bị nồi hai vỏ, cũng hiểu được cấu trúc, cách vận hành hệ
thống.Như chúng ta biết cô đặc ứng dụng rất nhiều trong quá trình sản xuất hóa
chất và thực phẩm, nhất là trong các ngành sản xuất nước quả cô đặc, hóa chất,…
Đối với giới hạn đồ án về nước quả cà chua cô đặc thì như chúng ta biết
với hoa quả tươi, các phương pháp bảo quản chủ yếu là làm lạnh hoặc bảo quản
bằng CO2. Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ đảm bảo được trong thời gian vài
tháng, hơn nữa chi phí mặt bằng và năng lượng cao. Do vậy, với quả cà chua với
sản lượng rất lớn mỗi năm như thế thì việc bảo quản nguyên quả là rất khó khăn,
nên một trong những phương pháp được lựa chọn để bảo quản nguyên liệu,
phục vụ cho các quá trình chế biến sau này là ép lấy nước sau đó cô đặc. Phương
pháp này đã giải quyết được vấn đề trong việc kéo dài thời gian bảo quản nguyên
liệu, đảm bảo chất lượng cho sản phẩm được chế biến sau đó; chi phí về mặt
bằng và năng lượng ít hơn so với bảo quản hoa quả tươi.
Đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Thế Hưng. Bài
làm của em còn nhiều thiếu xót em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của
thầy cô để hoàn thiện kiến thức của bản thân hơn .
Em xin chân thành cảm ơn!

1
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………....... 1
MỤC LỤC……………………………………………………………………………………..2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN…………………………………………………………….4
1. Đặt

vấn

đề………………………………………………………………………………….........

……..4
a. Nhiệm vụ, mục đích của đề tài…………………………………………………………….4
b. Yêu cầu chung……………………………………………………………………………………..4
2. Tổng
quan
về
nước
quả
cà
chua
cô

đặc……………………………………………………...5
a. Giới thiệu về quả cà chua…………………………………………………………………..…
5
b. Thành phần hóa học nguyên liệu quả cà chua………………………………….……
5
c. Tình hình sản xuất và tiêu thụ trên thị trường…………………………………..
…..6
d. Tổng
quan
về
sản
phẩm
cà
chua
cô
đặc………………………………………………..6
3. Quá
trình
cô
đặc
……………………………………………………………………………………….7
a. Định nghĩa và cơ sở lí thuyết cô đặc………………………………………………………
7
b. Các phương pháp cô đặc……………………………………………………………………..8
c. Bản
chất
của
sự
cô
đặc

do
nhiệt…………………………………………………………...9
d. Ứng dụng của cô đặc…………………………………………………………………….
……..9
4. Thiết
bị
cô
đặc.,
……………………………………………………………………………………....10
a. Phân
loại
và
ứng
dụng............................................................................10
b. Các
thiết
bị
và
chi
tiết
hệ
thống
trong
thiết
bị.........................................10

CHƯƠNG II: PHẦN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ …………………………………………..
…..12
2
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138

ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

A.CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN…………………………………………………………..….
….12
1. Thông số dịch cô đặc……………………………………………………………………….….…
12
2.
Thông
số
hơi
đốt,
nước
ngưng
và
hơi
thứ…………………………………………....12
B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG……….……13
1. Sơ đồ, nguyên lí làm việc của hệ thống…………………………………………….
……..13
a. Sơ đồ hệ thống………………………………………………………………………………….13
b. Nguyên lý làm việc…………………………………………………………………………….14
2. Tính toán cân bằng vật chất…………………………………………………………………….14
3. Phương
trình
cân
bằng

nhiệt
lượng………………………………………………………...15

C. TÍNH
TOÁN
VÀ
CHÍNH………………………………………..16

CHỌN

THIẾT

BỊ

1. Tính kích thước buồng đốt………………………………………………………………………

16

Tính
thể
tích
vật
liệu………………………………………………………………………….16
b. Tính đường kính và chiều cao buồng đốt………………………………………….17
c. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt……………………………………………………18
2. Tính kích thước không gian bốc hơi……………………………………………………..
….22
a. Tính bán kính buồng bốc hơi (Dbh)……………………………………………….
…….22
b. Tính

chiều
cao
buồng
bốc
hơi…………………………………………………………….23
c. Chiều dày thân buồng bốc hơi của thiết bị……………………………………….…
23
d. Tính
kích
thước
nắp
thiết
bị……………………………………………………………….24
D.TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ ………………………………………..……
26
1. Tính
thiết
bị
gia
nhiệt
trước
cô
đặc………………………………………………………….26
a. Tính nhiệt lượng tiêu hao…………………………………………………………..……..26
b. Tính
bề
mặt
truyền
nhiệt…………………………………………………….................26
c. Tính kích thước thiết bị……………………………………………………………………..29

a.

3
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I
2. Tính

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

thiết bị ngưng tụ Baromet…………………………………………………….
………….30
a. Thể tích khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị……………………….…….30
b. Tính đường kính của thiết bị ngưng tụ……………………………………………..30
c. Kích thước ống Baromet………………………………………………………….......…31
d. Kích thước tấm ngăn…………………………………………………………………………32
e. Chiều cao thiết bị……………………………………………………………………….…….32
f. Chiều cao ống baromet…………………………………………………………………….33
3. Tính
chọn
bơm
chân
không……………………………………………………………………..33

KẾT
…………………………………………….35

LUẬN……………………………………..

4
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.

Đặt vấn đề

a. Nhiệm vụ, mục đích của đề tài

Nhiệm vụ của đề tài là tính toán thiết bị cô đặc nước cà chua với năng suất 200
[Kg.h-1] để tạo sản phẩm hoặc bán thành phẩm nhằm tiện lợi cho việc bảo quản
và chế biến sau này. Đảm bảo chất lượng nguyên liệu đầu vào và giảm chi phí mặt
bằng và năng lượng.
Thiết bị cô đặc chân không không chỉ cần thiết trong công nghệ sản xuất nước
cà chua mà còn được sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất các loại nước quả
khác như: Cam, vải,… hay sản xuất đường (cô đặc đường). Do vậy khả năng ứng
dụng và phát triển rất cao vì thế mà thiết bị cô đặc cũng được thiết kế trong một
dải rộng ứng với nhiều chế độ công nghệ của nhiều sản phẩm khác nhau. Từ đó
góp phần gia tăng giá trị cảu sản phẩm cho nông sản Việt Nam, giải quyết bài toán
về bảo quản nông sản sau thu hoạch.
b. Yêu cầu chung

Thiết bị cô đặc nước cà chua được thiết kế phải đảm bảo một số yêu cầu sau:
-

-

2.

Yêu cầu về thiết bị:
 Buồng đốt và bốc hơi phải đủ đáp ứng cho các yêu cầu công nghệ.
 Có khả năng đo nhiệt độ, áp suất trong và ngoài buồng đốt, bốc
hơi.
 Có van điều khiển hơi vào.
 Có kính quan sát.
 Nhỏ gọn, dễ chế tạo và lắp đặt.
 Dễ vệ sinh, bảo dưỡng.
Yêu cầu về công nghệ:
 Năng suất (theo sản phẩm): 200 [Kg.h-1].
 Nhiệt độ cô đặc (bốc hơi): 60°C.
 Nồng độ đạt 55% khi ra khỏi thiết bị.
 Tổn thất chất khô ít nhất.

Tổng quan về cà chua cô đặc.
a.

Giới thiệu về quả cà chua.

5
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

Cây cà chua có tên khoa học là Lycopesium esculentum, là một loại rau quả
làm thực phẩm. Quả ban đầu có màu xanh, chín ngả màu từ vàng đến đỏ. Cà
chua thuộc họ cây Bạch anh, các loại cây trong họ này thường phát triển từ 1 đến
3 mét chiều cao, có những cây thân mềm bò trên mặt đất hoặc dây leo trên thân
cây khác ví dụ nho.
Cà chua có vị hơi chua và là một loại thực phẩm bổ dưỡng, giàu vitamin C và A,
đặc biệt là giàu lycopeme tốt cho sức khỏe.
Hiện có khoảng 7.500 giống cà chua trồng cho các mục đích khác nhau. Cà
chua thuần chủng đang ngày càng trở lên phổ biến, đặc biệt giữa các người vườn
và nhà sản xuất khi học có xu hướng sản xuất các loại cây trồng có hương vị thú vị
hơn, tăng khả năng kháng bệnh và năng suất.
Thành phần hóa học nguyên liệu quả cà chua.
Glucid : hàm lượng glucid trong cà chua phụ thuộc vào loại nguyên liệu và
điều kiện trồng trọt, chiếm khoảng 4 – 8%.

b.
-

Trong thành phần glucid bao gồm các chất:
Đường: 2 – 5%, phần lớn là fructose, glucose còn sacharose chiếm rất ít
(<0.5%) (khi tiến hành cô đặc thì phải tiến hành cô đặc ở nhiệt độ thấp để giảm
bớt mức độ xảy ra phản ứng melanoidin hay caramen hóa sẽ làm thành phẩm có
màu tối kém hấp dẫn).
Tinh bột: chỉ có ở dạng vết khoảng 0.07% – 0.26%. Trong quá trình
chín,tinh bột sẽ chuyển thành đường.
Cellulose: có nhiều trong quả xanh, càng chín thì hàm lượng càng giảm dần..
- Pecin: có nhiều khi quả chín (pectin có khả năng tạo nhớt cao, góp phần
tạo độ paste cho sản phẩm vì vậy cần chú ý nhiệt độ khi chế biến tránh

phá hủy cấu trúc pectin).
- Acid hữu cơ: Hàm lượng acid chung của cà chua chín trung bình khoảng
0.4% (theo acid malic), pH = 3.1 – 4.1, ngoài ra còn có acid citric và lượng
nhỏ acid tatric. Khi còn xanh, acid ở dạng tự do. Khi chín nó có dạng muối
acid. Môi trường chua làm môi trường tốt cho sự phát triển của các loại
nấm men, nấm mốc nhưng các vi khuẩn ưa nhiệt lại rất kỵ môi trường
này. Bởi vì các nấm men, nấm mốc dễ dàng bị tiêu diệt khi gia nhiệt nên
đồ hộp sản xuất từ cà chua thường chỉ cần thanh trùng ở nhiệt độ 80 –
100oC.
- Nitơ Nitơ trong cà chua khoảng 1%, lúc còn xanh, nitơ ở dạng tự do, khi
chín nó bị phân hủy thành acid amin.
- Vitamin: bao gồm vitamin K, C, beta-caroten,…
- Chứa một số nguyên tố khoáng: Na, Ca, Mg, Fe, Zn.
-

-

6
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I
GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG
- Các thành phần khác: Chất chát, sắc tố Cà chua chứa pectinase, khi càng

chín enzyme này càng nhiều.
c. Tình hình sản xuất và tiêu thụ trên thị trường.

Cà chua là cây rau ăn quả được trồng, tiêu thụ hầu hết các nước trên thế giới.
Sản lượng cà chua sản xuất liên tục tang trong những năm gần đây. Theo số liệu

của Tổ chức Nông lương Liên hiệp quốc (FAO) năm 2013, diện tích cà chua đạt
4,734 triệu ha và liên tục tang lên trong những năm gần đây do sự cải tại nâng
cao năng suất cây trồng của các phương pháp hiên đại. Với sản lượng trên thì
bình quân tiêu thụ trên đầu người hằng năm là 24kg/người/ năm(2011). Điều đó
khẳng định cây cà chua là cây trồng quan trọng trong nền nông nghiệp của nhiều
nước trên thế giới.
Ở Việt Nam thì cà chua cũng là loại cây rau quả được trồng trên khắp cả nước
với sản lượng rất lớn đặc biệt ở một số tỉnh như: Hải Phòng, Hải Dương, Nam
Định, Bắc Giang.
Do vậy yêu cầu cấp thiết được đặt ra với loại quả này trong vấn đề kéo dài thời
gian bảo quản, sản xuất ra sản phẩm mới hoặc bán thành phẩm trở thành nguyên
liệu cho sản xuất về sau. Việc đóng hộp cà chua cô đặc đã phần nào giải quyết
được những sự thất thoát về nguyên liệu cũng đảm bảo được đầu ra cho người
sản xuất cà chua.
d. Tổng quan về sản phẩm cà chua cô đặc.

Cà chua cô đặc là một trong những sản phẩm chính của công nghiệp đồ hộp
rau quả, được coi là bán chế phẩm vì nó được dùng để chế biến các loại đồ hộp
khác như đồ hộp xốt các loại, nước xốt của đồ hộp thịt, cá, rau, để làm nguyên
liệu nấu nướng. Cà chua cô đặc được chế biến bằng cách cô đặc thịt cà chua
(theo mức độ khác nhau) sau khi đã nghiền nhỏ và loại bỏ hạt, vỏ. Phân loại cà
chua cô đặc như sau:
- Pure cà chua: có độ khô 12, 15 và 20%
- Cà chua cô đặc loại độ khô 30, 35 và 40%
- Cà chua cô đặc loại độ khô 50 – 70%
- Bột cà chua: độ khô 88 – 95%
Dạng cà chua cô đặc có độ khô 30% được chế biến nhiều hơn cả Ở Mỹ, cà chua cô
đặc được phân loại như sau:
- Pure cà chua: cà chua chà mịn qua rây để loại bỏ vỏ, hạt
7

SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

- Pure cà chua miếng: cà chua xé tơi, qua sàng để loại bỏ vỏ, hạt.
- Cà chua cô đặc loại có độ khô 25 – 29%
- Cà chua cô đặc có độ khô 29 – 33%
- Cà chua cô đặc có độ khô trên 33%
- Cà chua miếng cô đặc: cà chua xé tơi, loại bỏ vỏ và hạt, rồi cô đặc. 1.2.2 Sản
phẩm thị trên thị trường
3.

Quá trình cô đặc.

a. Định nghĩa và cơ sở lí thuyết cô đặc.

Cô đặc là phương pháp dung để nâng cao nồng độ các chất hòa tan trong dung
dịch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng- rắn hay lỏng-lỏng
có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường đc tiến hành bằng cách tách một phần
dung môi. Đó là quá trình vật lý-hóa lý
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất
tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan.
- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
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), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay

trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy
vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân
hủy 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 được thải ra
ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
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 chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi,
8
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

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 gọi là hơi thứ, hơi thứ ở
nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung
nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm
việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác
nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển)
thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô
đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt

độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch
tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa
kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể
tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ
của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba...hơi thứ
nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ
sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng 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 nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn
nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
b. Các phương pháp cô đặc.

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): Đây là phương pháp sử dụng phổ biến nhất
hiện nay. Dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn dưới tác dụng
của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng
chất lỏng.
- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử
sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng
nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt
thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải
dùng đến máy lạnh.
- Phương pháp thẩm thấu ngược: Khi ta ngăn hai dung dịch khác nhau bằng
tấm màn chắn thấm, nước sẽ đi từ dung dịch có nồng độ chất khô thấp đến đến
9
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138

ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

nơi có nồng độ chất khô cao để hai bên đạt nồng độ cân bằng. Trong phương
pháp này, dưới tác dụng cơ học của dung dịch có nồng độ cao hơn áp suất thẩm
thấu, làm nước đi theo chiều ngược lại từ nơi có nồng độ chất khô cao đến nơi có
nồng độ chất khô thấp. Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế tối đa mất mát
các thành phần cơ bản của dung dịch. Tuy nhiên, phương pháp này làm mất một
số muối khoáng và không được thanh trùng bổ sung.
 So sánh các phương pháp.

Phương pháp nhiệt

Phương pháp lạnh

Phương pháp thẩm thấu
ngược

Sản phẩm không mất đi
Dễ bị quá nhiệt cục bộ làm Sản phẩm không bị hỏng một số thành phần cơ
hỏng sản phẩm
do nhiệt
bản, nhưng mất đi một số
muối khoáng.
Sản phẩm dễ bị thay đổi Sản phẩm không thay đổi Sản phẩm không thay đổi
màu sắc, đôi khi có mùi
màu sắc, không có mùi
màu sắc, không có mùi
Hiệu suất cô đặc cao

Hiệu suất cô đặc thấp

Hiệu suất cô đặc cao

Thiết bị đơn giản

Thiết bị phức tạp

Thiết bị phức tạp

c. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi thì nhiệt tác dụng lên các
phần tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ
thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó,
ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp
nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên
bề mặt và dưới đáy tạo nên sợ tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.
d. Ứng dụng của cô đặc.

- Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm. Mục đích để đạt
được nồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch trang thía quá bão
hòa để kết tinh.
- Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính,…
10
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138

ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

- Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl…
4.

Thiết bị cô đặc.

a. Phân loại và ứng dụng.

 Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc

- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên dung cô đặc dung dịch khá loãng, độ
nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dẫ dàng qua bề mặt truyền nhiệt
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức dung bơm để tạo vận tốc dung dịch
1,5-3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt,
độ nhớt cao, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: dung dịch chảy hành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt
lâu làm biến chất sản phẩm.
 Theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường có nhiệt độ sôi áp suất không đổi. Thường dung cô
đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, thời gian cô đặc ngắn nhất.
- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất
chân không.
- Cô đặc nhiều nồi: Mục đích là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì
sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơn so với chi phí đề ra. Đặc biệt có thể sử dụng
hơi nồi thứ vào mục đích nâng cao kinh tế.
- Cô đặc liên tục cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn.

b. Các thiết bị và chi tiết hệ thống trong thiết bị.


-

Thiết bị chính:
Ống tuần hoàn trung tâm
Ống truyền nhiệt
Buồng đốt, buồng bốc
Đáy nắp
Thiết bị phụ:
Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu
Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không
Thiết bj gia nhiệt
Thiết bị ngưng tụ Baromet
Thiết bị đo và điều chỉnh.
11

SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

12
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

CHƯƠNG II: PHẦN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
A. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
1.

Thông số dịch cô đặc

 Năng suất: 200 [kg] sản phẩm một giờ (Gc = 200 [kg.h-1]).
 Nồng độ dung dịch ban đầu và lúc sau lần lượt là: x d = 5 Bx; xs = 55

Bx.
 Nhiệt độ dung dịch trước và sau cô đặc: td = 20 oC; tc = 60 oC.
 Nhiệt độ làm việc của thiết bị cô đặc: t c = 60 oC.
 Áp suất làm việc của thiết bị theo nhiệt độ: p = 150 [mmHg]
(theo Bảng 6.1 – Trang 221 – Tài Liệu 1)
 Nhiệt dung riêng của dung dịch được tính theo công thức:

C = 1 − 0.0047.x

[kcal.kg-1.độ-1]
(theo 6.6.1 – Trang 269 – Tài Liệu 1)
với x [Bx] là nồng độ dung dịch.
Thay giá trị của x ta tính được nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu và sau
khi cô đặc lần lượt là:
 Cd = 1 – 0,0047.5 = 0.9765 [kcal.kg-1.độ-1]
 Cc = 1 – 0,0047.55 = 0.7415 [kcal.kg-1.độ-1]
 C30Bx = 1 – 0,0047.30 = 0.859 [kcal.kg-1.độ-1]

Khối lượng riêng của dịch tại từng nồng độ được tra trong bảng I. 86 – tài liệu
2:
 Khối lượng riêng tại 5 Bx:

ρd

 Khối lượng riêng tại 30 Bx:
 Khối lượng riêng tại 55 Bx:

= 1019,65 [kg.m-3]

ρ30Bx
ρc

= 1128,98 [kg.m-3]

=1259,76 [kg.m-3]

Thông số hơi đốt, nước ngưng và hơi thứ.

2.






Nhiệt độ hơi đốt là: 133 oC.
Nhiệt độ nước ngưng: Ө =125 oC.
Áp suất hơi đốt phd = 1,0132 bar = 0.1 [N.mm-2].

Nhiệt dung riêng của nước ngưng: Cn = 1 [kcal.kg-1.độ-1]
Nhiệt độ của hơi thứ là 60 oC.
13

SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG



Theo mục 4 – trang 293 – tài liệu 1, ta tra được nhiệt lượng riêng
của hơi thứ tại 60 oC là: iht = 622 [kcal.kg-1].
Nhiệt lượng riêng của hơi đốt: ihd = 651 [kcal.kg-1]
(theo 6.6.1 – bài 3 – trang 269)

B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1.

Sơ đồ, nguyên lí làm việc của hệ thống
a. Sơ đồ hệ thống

Sơ đồ hệ thống
1 – Thùng chứa dịch
2 – Bơm
3 – Thùng cao vị
4 – Lưu lượng kế
5 – Thiết bị đun nóng dịch

6 – Thiết bị cô đặc
7 – Thiết bị ngưng tụ Baromet
8 – Bộ phận tách nước và khí không ngưng
9 – Ống Baromet
10 – Bơm chân không

14
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG
b. Nguyên lí làm việc
 Dung dịch được bơm 2 hút từ thùng chứa dịch 1, sau đó dịch









2.

được đưa lên thùng cao vị 3 và được đưa xuống bộ định lượng 4
trước khi đưa vào thiết bị đun nóng 5.
Sau khi đi qua bộ định lượng 4, dịch đi vào thiết bị đun nóng 5.
Tại đây, dịch được đun nóng tới nhiệt độ mong muốn (thường là

nhiệt độ sôi bay hơi trong thiết bị cô đặc).
Tại thiết bị cô đặc 6, dung dịch sôi và nước trong dung dịch bay
hơi. Hơi nước và khí không ngưng được hút đi vào thiết bị
ngưng tụ Baromet 7. Dung dịch trong buồng đốt thì liên tục
được đun nóng và dịch tuần hoàn tự nhiên trong ống tuần hoàn
trong buồng đốt.
Hơi nước và khí không ngưng sau khi được hút vào trong thiết bị
ngưng tụ. Tại đây, nước lạnh liên tục phun xuống và hơi đi từ
dưới lên, qua các đĩa và ngưng tụ. Sau đó, theo ống Baromet 9
chảy ra ngoài.
Khí không ngưng tiếp tục được hút ra và cho đi qua một bộ tách
nước 8 trước khi về bơm chân không 10.

Tính toán cân bằng vật chất

Coi như trong suốt quá trình, khối lượng chất khô không đổi. Từ các thông số
ban đầu, ta tính được khối lượng dịch đưa vào ban đầu (Gd) là:

Gd = Gc

xc
55
= 200 = 2200
xd
5

[kg.h-1]

Lại có:
Gd = Gc + W [kg.h-1]

Trong đó, W là khối lượng nước cần bốc hơi.
Vậy lượng nước cần bốc hơi:
W = Gd - Gc = 2200– 200 = 2000 [kg.h-1]

15
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I
3.

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Theo Tài Liệu 1 – trang 244 ta có:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng được xây dựng dựa trên phương trình:

∑Q

vao

= ∑ Qtieuhao

[kcal.h-1]

Trong đó, nhiệt lượng đi vào gồm có:
 Nhiệt lượng do hơi đốt:

Qhd = D.ihd

 Nhiệt lượng do dung dịch đầu:

[kcal.h-1]

Qdd = Gd .Cd .t d

[kcal.h-1]

Nhiệt lượng tiêu hao bao gồm:


Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra:

Qsp = Gc .Cc .t c

[kcal.h-1]

Qhn = W.ihn



Nhiệt lượng do hơi nước bốc lên mang ra:



Nhiệt lượng do nước ngưng tụ:




Nhiệt lượng tổn thất do cô đặc:
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:

Qnt = D.Cn .θ

[kcal.h-1]

[kcal.h-1]

Qcd = 0,01. xc .Cc .∆q

[kcal.h-1]

Qtt = 0,04.QΣ = 0,04.( D.ihd + Gd .Cd .t d )

[kcal.h-1]

Từ đây, ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:

D.ihd + Gd .C d .t d = Gc .Cc .t c + W.ihn + D.Cn .θ + Qcd + 0,04.( D.ihd + Gd .C d .t d )
Từ phương trình trên, suy ra lượng hơi đốt cần là:

D=

Gc .C c .t c + W.iht + 0,01.x c .C c .∆q − 0,96.Gd .C d .t d
0,96ihd − C n .θ

[kg.h-1]

Thay các giá trị vào ta được:

D=


200.0,7415.60 + 2000.622 + 0,01.55.0,7415.2,48 − 0,96.2200.0,9765.60
0,96.651 − 1.125

D = 2258

[kg.h-1]
16

SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

17
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

C. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH
1.

Tính kích thước buồng đốt

a. Tính thể tích vật liệu

Đối với thiết bị làm việc gián đoạn, lượng nguyên liệu ban đầu nạp vào thiết bị
là Gd Kg, nguyên liệu có khối lượng riêng là
, được tính theo công thức:

Vnl =

Vnl =


ρd

Gd
ρd

kg/m3 , thì thể tích của nó là Vnl m3

, m3

2200
= 2,16
1019,65

m 3.

Nếu trong quá trình gia công cần có nước thì thể tích có ích V c chính bằng tổng

thể tích nguyên liệu đầu và thể tích của nước Vn :

Vc = Vnl + Vn

, m3

Do trong quá trình cô đặc ta không sử dụng thêm nước nên ta có :
Vc = Vnl = 2,16 m3.
Lại có: Thể tích của thiết bị V phụ thuộc vào thể tích có ích V c và hệ số chứa
đầy αc :

V=

Vc
 α c

, m3

αc – là hệ số chứa đầy, nó phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu có tạo bọt
hay không tạo bọt, phụ thuộc vào thiết bị nằm đứng hay nằm ngang, vv..
Tra trong bảng I-2 tài liệu 4, tr 24 : ta chọn giá trị của αc =0,804.

18
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

V=


Vc
2,16
=
= 2,7
 α c 0,804

m3 .

19
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I
b.

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

Tính đường kính và chiều cao buồng đốt.

Từ thể tích của thiết bị V, ta dễ dàng tính được đường kính D và chiều cao H
của vỏ trong thiết bị (chưa kể chiều dày của vỏ).
Đường kính vỏ trong của thiết bị hai vỏ hình trụ đặt đứng được xác định như
sau:

D=

V

3

π
K +K'
4

m

Trong đó:

K=

H
D

= 0,7 lấy theo cấu tạo thiết kế;

K’ = 0,071 là tỉ số phụ thuộc vào hình dạng của đáy.
[ tra bảng I-1,tr 22, tài liệu 4 với hình dạng đáy thiết kế hình cầu.]

D=


2,7

3

π
0.7 + 0,071

4

= 1,63
m.

Chiều cao của vỏ trong đặt thẳng đứng là H được tính từ công thức:

H = K .D

= 0,7 . 1,63 = 1,1 m.

Ta có kích thước của buồng đốt:
•
•

Đường kính trong: Dt = 1,63 m.
Chiều cao: H = 1,1 m.

Theo bảng thực nghiệm – trang 379 – tài liệu 1, ta chọn đáy hình bầu dục với

h=
chiều cao
•

 Dt 1630
=
= 407,5
4
4

mm.

Chọn chiều cao đáy là: 410mm.
20

SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

Với yêu cầu công nghệ tiêu chuẩn ta chọn bề dày của thiết bị trao đổi nhiệt là
δ
dt = 3mm. Do vậy độ dày của vách truyền nhiệt là : = 3mm.
Trên thành buồng đốt, với lớp vỏ thiết bị bên ngoài đường kính trong của vỏ

÷

ngoài lớn hơn đường kính ngoài của vỏ trong khoảng từ 60 120mm. Ta chọn
khoảng cách này bằng 100mm.
Đường kính ngoài của vỏ trong bằng :

1630+3=1633 mm.

Đường kính trong của vỏ ngoài khi đó : 1633+100=1733 mm.
Chọn chiều dày vỏ ngoài là 7mm (Do ngăn cản quá trình tuyền nhiệt ra khỏi
môi trường)
Đường kính ngoài của vỏ ngoài là: 1733+7=1740 mm.
Đối với đáy buồng đốt, khoảng cách giữa hai đáy của vỏ trong và vỏ ngoài là từ

÷

30 60 mm. Ta chọn khoảng cách này là 40 mm.
c.

Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt.

Khi đó ta tính được bề mặt truyền nhiệt theo công thức:

F=

Dhd . ihd
K .∆t

m2.

Trong đó : K – hệ số truyền nhiệt,

∆t

°

= thd - tht là hiệu số nhiệt độ có ích [ C].

 Tính hệ số truyền nhiệt K.

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

K=

1
1 δ 1
+ +
α1 λ α 2

[kcal.m-2.độ-1]

Trong đó:
- Các thông số nước ngưng từ hơi bão hòa ở nhiệt độ 133 oC tra trong bảng
I.5; bảng I.102; bảng I.129; bảng I.212 – tài liệu 2:


Khối lượng riêng:

  ρnn = 1328

[kg.m-3]
21

SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG


Độ nhớt:



Hệ số dẫn nhiệt:

λnn = 0,786

[W.m-1.độ-1]

Nhiệt hóa hơi:
[J.kg-1]
Các thông số dịch đường tính bằng phương pháp nội suy tại 30 Bx (nồng
độ trung bình) ở nhiệt độ 60 oC từ các thông số tra trong bảng I. 86; bảng
I.112; bảng I.130 – tài liệu 2:


Khối lượng riêng:

ρdd = 1128,98

µdd = 1,3.10−3



Độ nhớt:



Hệ số dẫn nhiệt:





-

[Ns.m-2]

rnn = 1,9.106


-

µnn = 0,2.10

−3

[kg.m-3]

[Ns.m-2]

λdd = 0,58

[W.m-1.độ-1]

vdd = 0.3

Vận tốc dịch trong ống:
[m.s-1]
Nhiệt dung riêng dung dịch: Cdd = 0,859 [kcal.kg-1.độ-1]
Cdd = 3595 [J.kg-1.độ-1]

Theo 6.6.2 – trang 271 – tài liệu 1, hệ số cấp nhiệt
mặt vách đứng được tính theo công thức:

λnn3 .ρnn2 .rnn . g
α1 = 1,34. 4
µnn .H .∆t
∆t = 8 o

Với H = 1,95 [m] là chiều dài ống,
nước và nước ngưng, thay số vào ta có:

α1 = 1,34. 4

α1

khi ngưng hơi nước trên bề

[W.m-1.độ-1]

C là chênh lệch nhiệt độ giữa hơi

λnn3 .ρnn2 .rnn . g
0,7863.13282.1,9.106.10
= 1,34. 4
= 13140
µnn .H .∆t
0,2.10−3.1,1.8
[W.m-1.độ-1]

-

Theo 6.6.2 – trang 272 – tài liệu 1, hệ số cấp nhiệt
chế độ chảy rối là:

α2

từ thành ống cho nước ở

22
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

α 2 = Nu.


vdd .Dt .ρdd 0,3.1,63.1128,98
=
= 424670
µdd
1,3.10−3

Xác định Pr:

Pr =


[W.m-1.độ-1]

Xác định Re:

Re =


λdd
dt

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

Cd .µdd 3595.1,3.10−3
=
= 8,06
λdd
0,58

Xác định Nu:

Nu = 0,023.Re0,8 .Pr0.4 = 0,023.4246700,8.8,060,4 = 1685
Thay số vào ta có:

α 2 = Nu.
-

[W.m-1.độ-1]

Thay các giá trị vào K ta có:

K=



λdd
0,58
= 1685.
= 600
Dt
1,63

K = 471

1
= 548
1
0.003 1
+
+
13140
36
600

[W.m-1.độ-1]

[kcal. m-1.độ-1.h-1

23
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

 Tính hiệu nhiệt độ có ích

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

Trong quá trình truyền nhiệt từ buồng đốt vào vào dung dịch, ta gặp phải tổn thất
do nồng độ (đã tính ở trên), tổn thất thủy tĩnh (
vậy, hiệu số nhiệt độ có ích:

∆ ''

) và tổn thất thủy lực (

∆t = t hd − t ht − ∆'' − ∆'''

). Do

[oC]

Dựa vào số liệu thực nghiệm trang 246 và trang 255 – tài liệu 1, ta có

∆ =3

∆'''

∆'' = 1

o

C

'''

và
Suy ra:

o

C.

∆t = 133 − 60 − 1 − 3 = 69

[oC]

 Thay các giá trị vào ta tính được diện tích truyền nhiệt là:

F=

D.ihd 2258.651
=
= 45
K . ∆t
471.69

[m2] = 45.106 [mm2]

24
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138


ĐỒ ÁN I

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ HƯNG

2. Tính kích thước không gian bốc hơi
Kích thước không gian bốc hơi phải đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không
lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo.

a. Tính bán kính buồng bốc hơi (Dbh)
Dựa vào mục 5 – trang 289 – tài liệu 1 ta có:


Năng suất tính theo thể tích hơi thứ:

Vh = W.υht

[m3.h-1]
Trong đó: W là năng suất hơi thứ; W = 2000 [kg.h-1]

υht = 1,02

[m3.kg-1] – thể tích riêng hơi thứ tại 60 oC

(theo bảng 1.5 – trang 11 – tài liệu 2)
Ta tính được năng suất tính theo thể tích là:

Vh = W.υht = 2000.1,02 = 2040


[m3.h-1]

Tốc độ hơi đi trong buồng hơi (chọn đường kính buồng hơi bằng đường kính
buồng đốt)

ωh =

Vh

π .D
.3600
4
2
t

=

2040
= 0,3
π .1,632
.3600
4

[m.s-1]
Theo mục 6.52– trang 263 – tài liệu 1, vận tốc lắng hạt lỏng tính theo công
thức:

ωl =

Trong đó:

ρl ρh

,

dhl

4. g.( ρl − ρh ).dhl
3.ξ . ρh

[m.s-1]

- khối lượng riêng của chất lỏng và của hơi thứ [kg.m-3]

- đường kính hạt lỏng; dhl = 0,0002 [m]

25
SVTH: NGUYỄN THỊ THẢO - 20144138