ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DỨA (WORD+CAD)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

Đồ án:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
DUNG DỊCH DỨA NĂNG SUẤT
1000KG/H

GVHD: NGUYỄN VĂN NGUYỆN
13116097

SVTH: NGUYỄN THỊ QUỲNH NHƯ


TPHCM, ngày 18 tháng 12, năm 2016

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................

..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................

Tp.HCM,
năm

ngày

tháng

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Văn Nguyện


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................

..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
Tp.HCM, ngày tháng năm
Giảng viên phản biện


MỤC LỤC
LỜI MỞ DẦU.....................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................2
1. Tổng quan về dứa......................................................................2
1.1. Nguồn gốc............................................................................2
1.2. Những đặc tính chủ yếu.......................................................2
1.3. Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam..........................2
1.4. Giá trị dinh dưỡng................................................................3
1.5. Lợi ích của dứa.....................................................................4
1.6. Quy trình sản xuất dứa cô đặc.............................................5
2. Cô đặc và quá trình cô đặc........................................................6
2.1. Khái niệm.............................................................................6
2.2. Bản chất của cô đặc do nhiệt...............................................6
2.3. Phân loại và ứng dụng.........................................................6
2.4. Một số thiết bị cô đặc...........................................................7
2.5. Lựa chọn thiết bị cô đặc.....................................................10
CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH
NƯỚC DỨA.....................................................................................11
3. Hệ thống cô đặc dung dịch nước dứa......................................11
3.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục
chân không...............................................................................11
3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc..............................11

3.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc...................................11
CHƯƠNG III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG....................13
4. Cân bằng vật chất và năng lượng..........................................13
4.1. Cân bằng vật chất.............................................................13
4.2. Cân bằng nhiệt...................................................................14
CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH.......................................20
5. Tính kích thước thiết bị cô đặc.................................................20


5.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc.........................20
5.2. Tính kích thước thiết bị cô đặc...........................................24
5.3. Tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc...........30
CHƯƠNG V. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ............................................54
6. Tính toán thiết bị phụ..............................................................54
6.1. Thiết bị ngưng tụ................................................................54
6.2. Bồn cao vị..........................................................................56
6.3. Bơm....................................................................................58
6.4. Cửa sữa chữa.....................................................................62
6.5. Kính quan sát.....................................................................62
BẢNG TỔNG KẾT.............................................................................63
KẾT LUẬN........................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................68

 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt............................................17
Bảng 2: Tổng kết về các số liệu trong cân bằng năng lượng.....................................20
Bảng 3: Tổng kết về các thông số truyền nhiệt cho thiết bị......................................25
Bảng 4: Kích thước nồi cô đặc.................................................................................43
Bảng 5: Số liệu bích nối buồng đốt và đáy...............................................................44
Bảng 6.Số liệu của bích nối buồng bốc và nắp.........................................................45

Bảng 7: Tổng kết về loại thép và khối lượng thép dùng cho thiết bị........................53


LỜI MỞ ĐẦU
Mục tiêu của đồ án “Thiết kế thiết bị cô đặc nước dứa
năng suất 1 t ấ n /h” là thiết kế hệ thống cô đặc dứa từ nồng độ
chất khô 15% đến 40% với năng suất 1 tấn/h đạt tiêu chuẩn xuất
khẩu.
Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức
cơ bản về quá trình cô đặc dung dịch nước dứa. Quy trình công
nghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho
thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ
cần thiết theo yêu cầu.
Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết
kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu
không thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm. Do đó để
trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiến
thức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thực
phẩm. Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiện
công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng
rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Nguyện cũng
như các thầy cô của bộ môn Quá trình thiết bị và những người
bạn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em trong quá trình thiết kế.
Đây cũng là bước 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 thầy 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.

6


Xin chân thành cám ơn!

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1. Tổng quan về dứa
1.1. Nguồn gốc
Dứa có tên khoa học là Annas comusmin là loại quả nhiệt đới. Chi này có
nguồn gốc từ khu vực Nam Mỹ và được đưa tới các đảo khu vực Caribe nhờ những thổ
dân Anh điêng Carib. Năm 1493, Christopher Columbus lần đầu tiên đã nhìn thấy các
loại cây của chi này tại Guadeloupe. Các cánh đồng trồng dứa thương phẩm được
thành lập tại Hawaii, Philippines, Đông Nam Á, Florida và Cuba. Dứa đã trở thành
một trong những loại cây ăn trái phổ biến nhất trên thế giới. (Morton& Julia F. 2011 ).
Ở nước ta dứa được trồng nhiều ở Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Giang, Bắc Ninh,
Tuyên Quang, Thanh Hoá, Nghệ An, Tây Ninh, Kiên Giang.
(khoahocchonhanong.com)
1.2. Những đặc tính chủ yếu
Dứa có các lá gai mọc thành cụm hình hoa thị. Các lá dài và có hình dạng giống
mũi mác và có mép lá với răng cưa hay gai. Hoa mọc từ phần trung tâm của cụm lá
hình hoa thị, mỗi hoa có các đài hoa riêng của nó. Chúng mọc thành cụm hình đầu rắn
chắc trên thân cây ngắn và mập. Các đài hoa trở thành mập và chứa nhiều nước và
phát triển thành một dạng phức hợp được biết đến như là quả dứa (quả giả), mọc ở
phía trên cụm lá hình hoa thị.
1.3. Các giống dứa và vùng trồng tại Việt Nam
 Dứa Victoria (dứa tây, dứa hoa) có các giống:
 Dứa hoa Phú Thọ: thuộc nhóm Queen, trồng được nơi đất chua xấu. Lá có

nhiều gai và cứng, quả nhỏ, thịt quả vàng đậm, thơm, ít nước, giòn.
 Dứa Na hoa: lá ngắn và to, quả to hơn dứa hoa Phú Thọ, phẩm chất ngon, năng
suất cao.


Dứa Cayen: lá chỉ có ít gai ở đầu mút lá, lá dài cong lòng máng, quả to. khi chưa
chín quả màu xanh đen, khi chín chuyển màu da đồng. Quả nhiều nước, thịt vàng
ngà, mắt dứa to và nông, vỏ mỏng, thích hợp với đóng hộp.

 Dứa ta thuộc nhóm Red Spanish: chịu bóng rợp, có thể trồng xen trong vườn quả,
vườn cây lâm nghiệp. Dứa Cayen trồng phổ biến ở Tam Điệp, Ninh Bình.


Dứa ta (Ananas comosus var spanish hay Ananas comosus sousvar - red spanish) là
cây chịu bóng tốt, có thể trồng ở dưới tán cây khác. Quả to nhưng vị ít ngọt

8




Dứa mật (Ananas comosus sousvar - Singapor spanish) có quả to thơm, ngon, trồng
nhiều ở Nghệ An và Thanh Hóa

 Dứa tây hay dứa hoa (Ananas comosus queen) được du nhập từ 1931, trồng nhiều ở
các đồi vùng Trung du. Quả bé nhưng thơm, ngọt

 Dứa không gai (Ananas comosus cayenne) được trồng ở Nghệ An, Quảng Trị, Lạng
Sơn. Cây không ưa bóng. Quả to hơn các giống trên. (khoahocchonhanong.com)
1.4. Giá trị dinh dưỡng

Trong 100g phần ăn được của dứa cung cấp:


Năng lượng: 202 kJ (48 Kcal)
Thành phần
Carbohydrat
es
Protein
Chất béo
Vitamin :
B1
B2
B3
B5
B6
B9
C
Chất khoáng
Calcium
Sắt
Phospho
Magnesium
Kali
Kẽm

Hàm lượng
12.63

Đơn vị
g

0.54
0.12

g
g

0.079
0.031
0.489
0.205
0.110
15
36.2

mg
mg
mg
mg
mg
µg
mg

13
0.28
8
12
115
0.1

mg
mg
mg
mg
mg
mg

(Nutritiondata.com)

9


1.5. Lợi ích của dứa
 Hỗ trợ hệ miễn dịch: vitamin C trong dứa có chức năng chính như một chất chống
oxi hóa tan trong nước của cơ thể, giúp cơ thể chống lại các gốc tự do. Điều này
khiến cho dứa trở nên vô cùng hữu dụng trong việc chống lại những bệnh lý như
bệnh tim, xơ vữa động mạch và đau khớp.
 Làm xương chắc khỏe: Dứa chứa gần 75% lượng mangan (một khoáng chất quan
trọng) cần thiết cho cơ thể, có vai trò quan trọng trong việc phát triển xương và các
mô liên kết. Do đó, dứa là một lựa chọn hoàn hảo cho những người lớn tuổi có
xương đang ngày trở nên giòn hơn.
 Thúc đẩy quá trình tiêu hóa: Giống như nhiều loại rau và quả khác, dứa chứa nhiều
chất xơ giúp tiêu hóa. Thêm vào đó, dứa còn chứa một lượng đáng kể bromelain,
một loại enzym phân hủy protein, từ đó đẩy nhanh quá trình tiêu hóa.
 Chống viêm: Bromelain cũng đã được chứng minh là có đặc tính chống viêm, có
thể giúp làm giảm nguy cơ đau khớp và sưng tấy, Viêm quá mức có thể dẫn tới một
loạt các bệnh nguy hiểm, bao gồm cả ung thư, và theo một số nhà dinh dưỡng học
thì bromelain có thể giúp phòng ngừa bệnh. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu cụ thể
về việc liệu bromelain trong dứa có kết quả tương tự hay không.
 Giảm đông máu: Bromelain có thể ngăn ngừa hình thành máu đông, khiến cho dứa

trở thành món ăn cực tốt cho người có nguy cơ bị đông máu. (Morton& Julia F,
2011 ).

10


1.6. Quy trình sản xuất dứa cô đặc
Dứa
Phân loại
Xử lý
Nước

Dập. nát

Vỏ. mắt dứa

Rửa
Ép
Lọc thô

Bã

Gia nhiệt
Ly tâm
Phụ gia

Cô đặc

Chai

Rót chai

Nắp

Ghép nắp
Thanh trùng
Bảo quản

Nước dứa cô đặc

2. Cô đặc và quá trình cô đặc
11


2.1. Khái niệm
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòa
tan trong dung dịch bao gồm 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 được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi;
đó là quá trình vật lý – hóa lý.
Các phương pháp cô đặc:
+ Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái
lỏng sang trạng thái hơi 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 độ nào
đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới các dạng tinh thể của đơn chất tinh
khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy
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 ta
phải dùng máy lạnh.

2.2. Bản chất của cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi, tốc độ chuyển động vì nhiệt của 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 phân tử đủ năng
lượng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ
yếu là do các bọt khí hình thành trong 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 sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô
đặc. Tách không khí và lắng keo sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
2.3. Phân loại và ứng dụng
Theo cấu tạo:
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị
cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp,
đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:

12


+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc).
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết
bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc từ 1.5 m/s đến 3.5
m/s tại bề mặt truyền nhiệt.
Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho
các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên
bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm
này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền
nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác động nhiệt độ lâu
làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp
cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao
gồm:
+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung
dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung
dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
Theo phương thức thực hiện quá trình
+ Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không
đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức
dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc
ngắn nhất.
+ Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp
suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi
dung môi diễn ra liên tục.
+ Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi
không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta

13


có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả
kinh tế.
+ Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể
được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Đối với mỗi nhóm thiết bị ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong,
buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn. Tùy theo điều

kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ
cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
2.4. Một số thiết bị cô đặc
2.4.1. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm
- Cấu tạo:
+ Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các 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.
-

Nguyên tắc 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. 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
hơi – lỏng 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. Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng
giảm. Tốc độ tuần hoàn thường không quá 1,5 m/s. Khi năng suất
thiết bị lớn có thể thấy ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính
nhỏ hơn. Phần phía trên phòng đốt là phòng bốc để tách hỗn hợp
lỏng hơi thành hai dòng. Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ
phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng, giọt lỏng chảy
xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn
lưu.

14


- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sữa chữa và làm sạch
- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị
đun nóng
2.4.2.
-

Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

Cấu tạo:

+ Phòng đốt đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa
phòng đốt và vỏ đóng vai trò tuần hoàn, hơi đốt đi vào phòng theo
ống.
+ Phòng đốt có thể được lấy ra ngoài khi cần sữa chữa hoặc làm
sạch.
+ Tốc độ tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng
-

Nhược điểm :

+ Cấu tạo phức tạp.
+ Kích thước lớn do có khoảng trống vành khăn.
2.4.3.
-

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng

Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:

+ Dung dịch đi vào phòng đốt được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng
đi qua ống vào phòng bốc hơi.
+ Hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng
đốt theo ống tuần hoàn.
+ Đôi khi ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm
việc thay thế khi cần làm sạch và sữa chữa để đảm bảo quá trình
làm việc liên tục.
2.4.4.

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài nằm ngang

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc :
+ Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U.
+ Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái
qua phải, còn ở nhánh trên từ phải qua trái.
+ Phòng đốt được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi
phòng bốc hơi để làm sạch và sữa chữa.
-

Ưu điểm:

15


+ Cường độ tuần hoàn của dung dịch lớn hơn loại ống tuần hoàn ở
giữa và phòng đốt treo
+ Dễ dàng tháo phòng đốt để sữa chữa và làm sạch.
2.4.5.

Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:
+ Dung dịch đưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn.
+ Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc hơi, còn phần
chính chảy về ống do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch
đầu đi vào phòng đốt.
-

Ưu điểm

+ Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt
+ Có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự
nhiên khó thực hiện.
-

Nhược điểm

+ Tốn năng lượng để bơm
+ Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn.
+ Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau.
2.4.6.

Thiết bị cô đặc loại màng

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:
+ Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng
màng mỏng từ dưới lên trên.
+ Phòng đốt là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài 6 – 9 m, hơi

đốt đi vào phía ngoài ống, dung dịch vào ở đáy thiết bị.
+ Nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độ
cần thiết.
+ Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên với
tốc độ lớn ~20m/s kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cũng đi
lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi.
- Ưu điểm:
+ Thiết bị cô đặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi có mức
chất lỏng thích hợp. Nếu mức chất lỏng cao quá, hệ số truyền nhiệt
sẽ giảm vì tốc độ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá

16


thấp bề mặt truyền nhiệt của ống ở giữa sẽ bị khô, mức chất lỏng
thích hợp xác định bằng thực nghiệm.
+ Áp suất thủy tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thủy tĩnh ít
- Nhược điểm:
+ Khó làm sạch vì ống dài.
+ Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi.
+ Không thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.
2.5. Lựa chọn thiết bị cô đặc
Trong dứa có nhiều chất khoáng và vitamin, đặc biệt là hàm lượng
cao vitamin C, rất tốt cho sức khỏe, tuy nhiên các thành phần này dễ
bị phân hủy ở nhiệt độ cao nên em chọn thiết bị cô đặc chân không
một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm
nhằm tránh thất thoát chất dinh dưỡng.
Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch,
giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và
bám lại trên thành thiết bị. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn

giản, dễ vệ sinh và sửa chữa.
Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn
dung dịch nhỏ và hệ số truyền nhiệt thấp.

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC
DUNG DỊCH NƯỚC DỨA

17


3. Hệ thống cô đặc dung dịch nước dứa
3.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên
tục chân không
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 ở phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet,
ngưng tụ thành giọt lỏng chảy vào bồn chứa nước ngưng, phần
không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được
bơm chân không hút ra ngoài.
3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm các ống truyền nhiệt và
một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống, hơi đốt 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
nhiều so với ống truyền nhiệt do đó có hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung
dịch sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung
dịch có ρds = 0.5ρdd do đó tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần

hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả là tạo một vòng chuyển động
tuần hoàn trong thiết bị. Để ống tuần hoàn trung tâm hoạt động có
hiệu quả dung dịch cho vào khoảng 0.4-0.7 chiều cao ống truyền
nhiệt. Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi
dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách những giọt lỏng ra
khỏi hơi thứ. Hơi đốt đưa vào thiết bị, hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn
ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí không ngưng được xả
ra ngoài theo cửa xả khí ngưng. Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào
thiết bị baromet. Toàn bộ hệ thống làm việc ở điều kiện chân không
do bơm chân không tạo ra. Dung dịch được bơm ra ngoài theo ống
tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm và vào thùng chứa sản phẩm.

18


3.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc


Thiết bị chính:

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp...
- Ổng: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng...


Thiết bị phụ:

- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị gia nhiệt.

- Thiết bị ngưng tụ Baromet.
- Các loại van.
- Thiết bị đo

Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi
1. Thùng chứa
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Lưu lượng kế
5. Thiết bị đốt nóng
6. Nồi cô đặc
7. Bơm

19


8. Thùng chứa sản phẩm
9. Thiết bị ngưng tụ
10.

Bộ phận thu hồi bọt

11. Ốngbaromet

20


CHƯƠNG III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
4. Cân bằng vật chất và năng lượng
4.1. Cân bằng vật chất

Dữ liệu ban đầu:






Nồng độ ban đầu: xđ = 15%
Nồng độ sản phẩm: xc = 40%
Năng suất nhập liệu: Gđ = 1000kg/h
Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu: chọn tđ = 300C
Chọn áp suất hơi đốt là 1.23at. (Tra bảng 56, bảng tra cứu /45) ta có nhiệt độ hơi đốt

là 105oC.
 Chọn áp suất ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là 0.098at. (Tra bảng 56,
bảng tra cứu /45) có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ là Tng=45oC
Theo định luật bảo toàn khối lượng trong suốt quá trình cô đặc ta có: nồng độ chất
tan không thay đổi.
Gđ*xđ = Gc*xc
(1)
Khối lượng của dung dịch đầu bằng khối lượng dung dịch cuối và khối lượng hơi
nước bốc ra trong quá trình cô đặc.
Gđ = G c + W

(2)

Trong đó:
Gđ. Gc: lưu lượng ban đầu và cuối cùng của dung dịch (kg/h)
xđ. xc: nồng độ chất tan đầu và cuối (%)
W: lượng hơi thứ (kg/h)

 Lưu lượng cuối dung dịch:
Gc= = (kg/h)
 Tổng lượng hơi thứ bốc lên:
Gđ = Gc + W => W = Gđ - Gc = 1000 – 375 = 625 (kg/h)
Tra bảng 56 bảng tra cứu/45 có ẩn nhiệt hóa hơi của nồi cô đặc là 2391.3 (kJ/kg)

Loại

Tháp ngưng tụ

Áp

Nồi cô đặc
Nhiệt
Ẩn

suất(at)

độ(oC)

hóa

suất(at)

độ(oC)

107
45

hơi(kJ/kg)

2239
2391.3

0.098

45

Hơi đốt 1.32
Hơi thứ 0.098

nhiệt Áp

Nhiệt

21


4.2. Cân bằng nhiệt
4.2.1. Tổn thất nhiệt
4.2.1.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
 Theo công thức của Tisen co (VI.10), trang 59, [2]:
=f
 Trong đó:
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở
áp suất khí quyển.
: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển
Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 40%
= 0.90C (Tra đồ thị VI.2, trang 60, [2])

Theo công thức VI.11, [2], trang 59: f = 16.2

Trong đó:
t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất p0
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (tra bảng I.251, trang
314,[1]) => r = 2391.3 (kJ/kg)
Ta có:
f = 16.2* = 16.2. = 0.685
= 0.9. 0.685 = 0.61650C
tsdd(p0) = tsdm(p0) + = 45+0.6165 = 45.620C
4.2.1.2. Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:
P = ρs*g*Hop (N/m2) (Phạm Văn Bôn, 2006)
Trong đó ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρs = 0.5 ρdd
22


ρdd: 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(ρdd – ρdm))]*Htt
Chọn Htt=1.5m
Nồi 1:
Hop= [0.26+0.0014(1178.53-990.1)]*1.5= 0.786(m)
0.5*1178.53*9.81*0.786
2*9.81*104
Ptb= P1'+0.5ρdd*g*Hop= 0.098 +
=1.18 (at)

Để tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác nhau có thể dùng quy tắc
Babô. Theo quy tắc Babô thì quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi trên dung
dịch loãng p với áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất p 0 ở cùng nhiệt độ là
không đổi và đối với dung dịch có nồng độ nhất định quan hệ đó không phụ thuộc vào

nhiệt độ sôi.
từ biểu thức này nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suất
nào đó thì cũng có thể xác định được nhiệt độ ở các áp suất khác nhau.
x%
40%

tsdd0C
45.62

p (at)
0.098

= 0.97
Theo quy tắc Babô tỉ lệ trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mọi nhiệt độ sôi của dung
dịch. Do đó tại nhiệt độ t:
= = 0.97=>0.12 (at)
Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc ở áp suất 0.117 at bằng nhiệt độ sôi của
nước ở áp suất 0.12 at là 48.90C (tra bảng I.251, trang 314, tập 1).
Vậy tsdd(ptb) – ttsdd(p0) = 48.9 – 45.62= 3.3 (0C)
4.2.1.3. Tổn thất trở lực do đường ống
 Chọn tổn thất nhiệt do trở lực đường ống 0C ( trang 184, [5])
4.2.1.4. Tổn thất nhiệt cho cả hệ thống
= 0.62+ 3.3 + 1 = 4.92(0C)
4.2.2.

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

 Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa. áp suất hơi đốt là 1.23at. t D = 1050C (tra bảng
I.251, [1], trang 314).
 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

23


 = tD- tC - = 105 - 45 – 4.92 = 55.080C
Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt
Thông số

Ký hiệu
Nồng độ đầu
xđ
Nồng độ cuối
xc
Lưu lượng nhập liệu
Gđ
Lưu lượng sản phẩm
Gc
Hơi thứ
Lượng hơi thứ
W
Áp suất
po
Nhiệt độ
tsdm(po)
Enthalpy
h2
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rw
Hơi đốt
Áp suất
Pđ

Nhiệt độ
tD
Entanpy
h1
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rđ
Tổn thất nhiệt độ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp
tsdd(po)
suất po
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Áp suất trung bình
ptb
Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb
tsdm(ptb)
Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb
tsdd(ptb)
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống
Tổng tổn thất nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Đơn vị
%wt
%wt
Kg/h
Kg/h

Giá trị
15

40
1000
375

Kg/h
At
0
C
kJ/kg
kJ/kg

625
0.098
45
2579.8
2391.3

At
C
0
C
kJ/kg

1.23
105
2687
2248

0

0

45.62

0

0.62
0.117
48
3.3
48.9
1
4.92
55.08

C

C
At
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0

C

Gọi
D: là lượng hơi đốt cho vào nồi (kg/s)
h1: entanpy hay nhiệt lượng riêng của hơi đốt (kJ/kg)
tđ: nhiệt độ ban đầu của dung dịch trước cô đặc (0C)
tc: nhiệt độ cuối của sản phẩm sau cô đặc (0C)
: nhiệt độ của nước ngưng. coi nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt ( 0C)
Cđ, Cc, Cn: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, sản phẩm cuối và nước ngưng
(kJ/kg.K)
h2: entanpy hay nhiệt lượng riêng của hơi thứ (kJ/kg)
Nhiệt lượng vào thiết bị cô đặc:
 Do dung dịch đầu: Gđ*Cđ*tđ
 Do hơi đốt:
D*h1

kW
kW
24


Nhiệt lượng ra khỏi thiết bị cô đặc:






Do sản phẩm:
Do hơi thứ:

Do nước ngưng:
Nhiệt cô đặc:
Nhiệt tổn thất:

Gc*Cc*tc
W.h2
D*Cn
Qc = Gđ∆q
Qtt

kW
kW
kW
kW
kW

Nhiệt độ của dung dịch cô đặc 15% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:
tvào = 300C
tra = tsdd(p0) = 45.620C
 Nhiệt độ của dung dịch cô đặc 15% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 45.620C
 Nhiệt độ của dung dịch cô đặc 40% đi ra ở đáy thiết bị cô đặc (công thức 2.15,trang
107,[6])
tc = tsdd (p0) + 2 = 45.62 + 2.3.3 = 52.220C
 Nhiệt dung riêng của dung dịch cô đặc:
 Nhiệt dung riêng của dung dịch cô đặc ở các nồng độ khác nhau được tính theo
công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]):
 x = 15% (x < 0.2):
cđ = 4186* (1- x) = 4186*(1- 0.15) = 3558.1(J/kg.K)
 x = 40% (
cc = cht*x +4186*(1- x) = 2375*731.8*0.4+ 4186*(1 – 0.4) = 3461.89 (J/kg.K)

với cht là nhiệt dung riêng của dung dịch cô đặc (theo công thức I.41,trang 152, [1]):
cht = =
= 2375.731 (J/kg.K)
4.2.3. Phương trình cân bằng nhiệt
Như vậy. sẽ thiết lập được phương trình cân bằng nhiệt sau đây:
 Có thể bỏ qua:
+ Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng
đốt :
+ Nhiệt cô đặc:
Trong hơi nước bão hòa. bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo
khoảng (độ ẩm của hơi)
Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa cung cấp là (W)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào ( không có quá trình
lạnh sau khi ngưng) thì ( 2248 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)
 Tổng lượng hơi đốt D phải dùng (biểu kiến): (Theo CT 5.23, Quá trình và thiết bị
[5], quyển 1, trang 279)
25