Đồ án thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục Ứng dụng cô đặc dung dịch cà phê sau trích ly

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề tài:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG
MỘT NỒI LIÊN TỤC - ỨNG DỤNG CÔ ĐẶC
DUNG DỊCH CÀ PHÊ SAU TRÍCH LY

Thực hiện:
Nguyễn Thị Kim Thủy – 2005150220
Ngũ Ngọc Yến - 2005150102
GVHD: Huỳnh Thái Nguyên

Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018

i


PHIẾU NHẬN XÉT
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

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

Phần đánh giá:
Ý thức thực hiện: ..........................................................................................................
Nội dung thực hiện: ......................................................................................................
Hình thức trình bày: ....................................................................................................
Tổng hợp kết quả: .......................................................................................................
Điểm bằng số: ..................... Điểm bằng chữ: ...........................................................
TP. HCM, ngày
Chủ nhiệm bộ môn

tháng

Giảng viên hƣớng dẫn

i

năm


LỜI CÁM ƠN
Với đề tài “Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục - Ứng dụng
cô đặc dung dịch cà phê sau trích ly”, chúng tôi chân thành cám ơn sự hƣớng
dẫn của thầy Huỳnh Thái Nguyên đã giúp chúng tôi hoàn thành môn học Đồ án
Kỹ thuật Thực phẩm. Ngoài ra, chúng tôi cám ơn sự giúp đỡ từ các thầy cô
thuộc khoa Công nghệ thực phẩm cũng nhƣ bạn bè cùng khóa đã hỗ trợ trong
quá trình thực hiện đồ án này.

Đây là lần đầu tiên chúng tôi làm đồ án này nên trong bài làm dƣới đây sẽ có
nhiều điều thiếu sót. Chúng tôi hy vọng có đƣợc sự góp ý từ thầy và các bạn để
chúng tôi bổ sung, sửa lỗi và hoàn thiện đầy đủ hơn về bài làm của mình.

ii


LỜI MỞ ĐẦU
Cà phê hòa tan hay cà phê uống liền (instant coffee) là loại đồ uống bắt
nguồn từ cà phê dƣới dạng bột cà phê, đƣợc nêm nếm sẵn theo khẩu vị và đƣợc
chế biến bằng phƣơng pháp rang - xay - sấy khô.
Trong công nghệ sản xuất cà phê hòa tan, quá trình cô đặc đƣợc thực hiện
sau quá trình trích ly để dễ dàng thực hiện quá trình sấy tiếp theo. Chính vì điều
đó, chúng tôi đƣợc thầy giao đề tài “Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi
liên tục - Ứng dụng cô đặc dung dịch cà phê sau trích ly” nhằm làm tăng nồng
độ chất khô từ dung dịch cà phê một cách hiệu quả nhất cũng nhƣ tăng hiệu quả
của quá trình sấy và góp phần cải thiện chất lƣợng sản phẩm cà phê hòa tan.

iii


Mục lục
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... iii
Mục lục .....................................................................................................................iv
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .....................................................................................1
1.1.

Ứng dụng của quá trình cô đặc vào trong công nghệ sản xuất thực phẩm .1

1.2.

Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan .............................................1

1.2.1.

Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan .............................1

1.2.2.

Thuyết minh quá trình cô đặc trong sản xuất cà phê hòa tan ...............3

1.2.3.

Hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục ......................................4

CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ...................................................................7
2.1.

Dữ kiện ban đầu ..........................................................................................7

2.2.

Cân bằng vật chất ........................................................................................7

2.2.1.

Suất lƣợng nhập liệu (Gn) .....................................................................7

2.2.2.

Tổng lƣợng hơi thứ bốc lên ..................................................................7

2.3.

Cân bằng năng lƣợng ..................................................................................7

2.3.1.

Xác định nhiệt độ và áp suất trong nồi .................................................7

2.3.2.

Nhiệt dung riêng ...................................................................................8

2.3.3.

Cân bằng nhiệt lƣợng ...........................................................................9

2.4.

Xác định nhiệt độ tổn thất .........................................................................10

2.4.1.

Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (’) ...................................................10

2.4.2.

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) ........................................10

2.4.3.
thứ (∆’’’)

Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đƣờng ống dẫn hơi
12

2.4.4.

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống ..........................12

2.5.

Nhiệt lƣợng riêng ......................................................................................12

iv


2.6.

Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc .................................................12

2.6.1.

Nhiệt tải riêng phía hơi ngƣng (q1).....................................................12

2.6.2.

Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2) .....................................................13

2.7.

Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc ................................................14

2.8.

Tính nhiệt lƣợng do hơi đốt cung cấp .......................................................14

2.9.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt ....................................................................14

CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ .........................................15
3.1.

Thiết bị chính ............................................................................................15

3.1.1.

Buồng đốt ...........................................................................................15

3.1.2.

Buồng bốc ...........................................................................................17

3.1.3.

Tính kích thƣớc của ống dẫn ..............................................................20

3.1.4.

Đƣờng kính ống dẫn hơi đốt...............................................................21

3.1.5.

Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ ..............................................................21

3.1.6.

Đƣờng kính ống tháo nƣớc ngƣng......................................................21

3.1.7.

Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn .............................................22

3.1.8.

Tính bề dày lớp cách nhiệt thân thiết bị .............................................22

3.1.9.

Tổng kết ..............................................................................................23

3.2.

Tính cơ khí các chi tiết thiết bị ..................................................................23

3.2.1.

Buồng đốt ...........................................................................................24

3.2.2.

Buồng bốc ...........................................................................................27

3.2.3.

Mặt bích ..............................................................................................29

3.2.4.

Bích nối buồng đốt .............................................................................29

3.2.5.

Bích nối buồng bốc.............................................................................30

3.2.6.

Vỉ ống .................................................................................................31

3.2.7.

Tai treo................................................................................................32

3.3.

Thiết bị phụ ...............................................................................................35

3.3.1.

Thiết bị ngƣng tụ baromet ..................................................................35

v


3.3.2.

Tính toán và chọn bơm .......................................................................40

KẾT LUẬN ..............................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................50

vi


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Ứng dụng của quá trình cô đặc vào trong công nghệ sản xuất thực phẩm

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.
Trong công nghệ sản xuất thực phẩm, quá trình cô đặc đƣợc ứng dụng rộng rãi:
+ Công nghệ sản xuất đƣờng
+ Công nghệ sản xuất nƣớc trái cây cô đặc
+ Công nghệ sản xuất trà, cà phê hòa tan
+ Công nghệ sản xuất sữa đặc có đƣờng
+ …
1.2.

Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

1.2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

1


Cà phê nhân

Phân loại – Làm sạch

Rang

Nghiền

Trích ly

Lọc

Cô đặc

Sấy

Tạo hạt

Phối trộn

Bao gói

Sản phẩm
Hình 1.2.1: Sơ đồ quy trình sản xuất cà phê hòa tan
hƣơng

2


1.2.2. Thuyết minh quá trình cô đặc trong sản xuất cà phê hòa tan
Mục đích: tăng nồng độ chất khô của dịch trích cà phê để quá trình sấy đƣợc thực
hiện dễ dàng.
 Các biến đổi trong quá trình cô đặc dung dịch cà phê
 Sự tăng độ nhớt của dịch trích: trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô của
dịch trích tăng lên, do đó, độ nhớt của dịch trích cũng tăng theo.
 Hiện tƣợng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi: trong quá trình cô đặc, dƣới tác
dụng của nhiệt độ, cùng với sự bay hơi nƣớc, các chất dễ bay hơi (đặc biệt là các cấu
tử tạo hƣơng) cũng sẽ bị bay hơi, gây hiện tƣợng tổn thất hƣơng, làm giảm cƣờng độ
hƣơng của sản phẩm. Để hạn chế hiện tƣợng tổn thất hƣơng, ngƣời ta thực hiện quá
trình tách hƣơng trƣớc khi cô đặc.
 Sự thay đổi nồng độ chất khô: nồng độ chất khô trong dịch trích cà phê sẽ tăng
lên sau khi dịch trích đƣợc cô đặc.
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để thực hiện quá trình cô đặc dịch
trích cà phê nhƣ sau:
 Phƣơng pháp cô đặc bốc hơi: phƣơng pháp này dùng nhiệt để thực hiện quá
trình cô đặc. Quá trình cô đặc này thƣờng đƣợc thực hiện ở áp suất chân không để tăng
hiệu quả quá trình cô đặc. Đồng thời, còn hạn chế các biến đổi của những cấu tử trong
dịch trích cà phê do tác động của nhiệt.
 Phƣơng pháp cô đặc kết tinh: trong phƣơng pháp cô đặc kết tinh, dịch trích cà
phê đƣợc làm lạnh nhanh đến 2oC. Sau đó, dung dịch đƣợc làm lạnh chậm đến nhiệt độ
-4oC. Khi đó, nƣớc sẽ kết tinh. Tốc độ làm lạnh càng chậm, tinh thể tạo thành càng to,
quá trình tách các tinh thể đá càng thuận lợi. Dịch trích cà phê đƣợc làm lạnh nhanh

bằng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng đến nhiệt độ khoảng 2oC, dịch trích cà phê đƣợc
hạ nhiệt độ xuống dần đến -4oC và duy trì ở điều kiện nhiệt độ này cho đến khi quá
trình kết tinh đƣợc hoàn thành. Sau đó, tinh thể đá đƣợc tách ra bằng phƣơng lọc hoặc
ly tâm.
 Phƣơng pháp cô đặc bằng membrane: trong phƣơng pháp này, dịch trích cà phê
đƣợc phân riêng bằng membrane với dòng retentate là dòng dịch trích cà phê cô đặc và
dòng permeate là dòng thải bỏ. Thông thƣờng, trong cô đặc cà phê, hai kỹ thuật
membrane thƣờng đƣợc ứng dụng là kỹ thuật lọc nano và kỹ thuật thẩm thấu ngƣợc.
Ƣu điểm của phƣơng pháp cô đặc membrane là chất lƣợng cảm quan của dịch trích cà
phê không bị ảnh hƣởng đáng kể, chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, chi phí đầu tƣ
thiết bị membrane khá cao và nồng độ chất khô cuối cùng của dịch cô đặc thƣờng thấp

3


hơn các phƣơng pháp khác. Do đó, membrane thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ quá trình tiền
cô đặc, sau đó có thể thực hiện tiếp quá trình cô đặc chân không hoặc quá trình cô đặc
kết tinh.
1.2.3. Hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục
1.2.3.1.

1.
2.
3.
4.

Sơ đồ hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục

Bơm nhập liệu
Bồn chứa nguyên liệu

Bồn cao vị
Lƣu lƣợng kế

5.
6.
7.
8.

Thiết bị gia nhiệt
Nồi cô đặc
Thiết bị Baromet
Thiết bị phân ly

9. Bơm chân không
10. Bồn chứa nƣớc ngƣng
11. Bơm sản phẩm
12. Bồn chứa sản phẩm

Hình 1.2.3.1: Sơ đồ hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục
ống tuần hoàn trung tâm
1.2.3.2.

Nguyên lý làm việc hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục

4


Nguyên liệu ban đầu là dung dịch cà phê có nồng độ 8%. Dung dịch từ bể chứa
nguyên liệu đƣợc bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lƣu lƣợng
kếrồi đi vào thiết bị gia nhiệt và đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sôi.

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng,
bên trong gồm nhiều ống nhỏ đƣợc bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống
đƣợc giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống đƣợc hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nƣớc
bão hoà có áp suất 2.5at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dƣới lên ở bên
trong ống. Hơi nƣớc bão hoà ngƣng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho
dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi đƣợc gia
nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nƣớc ngƣng tụ
thành nƣớc lỏng và theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy hơi đƣợc dẫn về nồi hơi. Khí
không ngƣng đƣợc xả theo định kỳ.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: phần dƣới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các
ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt
(hơi nƣớc bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngƣng tụ bên ngoài
ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống. Dung dịch đi trong
ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngƣng tụ cung cấp để sôi, làm
hoá hơi một phần dung môi. Hơi ngƣng tụ theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy hơi đƣợc
dẫn về nồi hơi.
Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm: khi thiết bị làm việc, dung dịch
trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng - hơi có khối lƣợng riêng giảm đi và
bị đẩy từ dƣới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một
đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lƣợng hơi tạo ra
trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lƣợng riêng của hỗn hợp lỏng - hơi
ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này đƣợc đẩy xuống
dƣới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dƣới lên
trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên thiết bị là buồng 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 dƣới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại đƣợc
hoàn lƣu.
Dung dịch sau cô đặc đƣợc bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản
phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngƣng thoát ra từ phía trên của buồng

bốc đi vào thiết bị ngƣng tụ baromet (thiết bị ngƣng tụ kiểu tiếp xúc). Chất làm lạnh là

5


nƣớc đƣợc bơm vào ngăn trên cùng, còn dòng hơi thứ đƣợc dẫn vào ngăn dƣới cùng
của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nƣớc giải nhiệt để ngƣng tụ thành lỏng và cùng
chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí không ngƣng tiếp tục đi lên trên, đƣợc dẫn
qua bộ phận tách giọt rồi đƣợc bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngƣng tụ
thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngƣng tụ giảm. Vì vậy,
thiết bị ngƣng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không
trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải đƣợc lắp đặt ở độ
cao cần thiết để nƣớc ngƣng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.
Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn
theo dòng khí không ngƣng để đƣa về bồn chứa nƣớc ngƣng.
Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngƣng ra ngoài để tránh trƣờng hợp
khí không ngƣng tích tụ trong thiết bị ngƣng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết
bị và nƣớc có thể chảy ngƣợc vào nồi cô đặc.

6


CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1.

Dữ kiện ban đầu

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

Các số liệu ban đầu:
 Dung dịch cà phê sau khi trích ly:
 Nhiệt độ ban đầu 28oC, nồng độ ban đầu 8%.
 Nồng độ cuối 60%.
 Năng suất Gc = 250kg/h
 Chọn hơi đốt là hơi nƣớc bão hòa ở áp suất Ph = 2.5 at
 Áp suất thiết bị ngƣng tụ Pnt = 0.5 at
2.2.

Cân bằng vật chất

2.2.1. Suất lượng nhập liệu (Gn)
𝐺đ 𝑥đ = 𝐺𝑐 𝑥𝑐
→ Gđ =

𝐺𝑐 𝑥𝑐 250 ∗ 60
=
= 1875 (𝑘𝑔/𝑕)
𝑥đ
8

2.2.2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên
𝐺đ = 𝐺𝑐 + 𝑊
→ 𝑊 = 𝐺đ − 𝐺𝑐 = 1875 − 250 = 1625 (𝑘𝑔/𝑕)
2.3.

Cân bằng năng lƣợng

2.3.1. Xác định nhiệt độ và áp suất trong nồi
Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 2.5 at. Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1,

trang 315, ta có nhiệt độ hơi đốt là 126.25oC.
Áp suất hơi thứ trong buồng bốc:
Gọi ∆’” là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đƣờng ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngƣng tụ.
Theo Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, chọn ∆’” = 1oC.
Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm (P0)
tsdm (P0) – tc = ∆’”

7


tsdm (P0) = ∆’” + tc = 1 + tc
Trong đó:
tc: nhiệt độ hơi thứ trong TBTN baromet
tsdm (P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng).
(Theo Bài tập truyền nhiệt – Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm,
trang 117).
Tra bảng I.251, Sổ tay QTTB tập 1, trang 314, ta có:
Ở áp suất thự trên chân không kế tại thiết bị ngƣng tụ Pc = 0.5at thì nhiệt độ hơi thứ
trong thiết bị ngƣng tụ baromet tc = 80.9oC.
Mà tsdm (P0) = tc + 1 (theo chứng minh trên)
tsdm (P0) = 80.9 + 1 = 81.9oC.
Tra bảng I.250, Sổ tay QTTB tập 1, trang 312, theo công thức nội suy ta suy ra:
P0 = 0.524at
Vậy với nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc là 81.9oC thì áp suất hơi thứ P0 = 0.524at
2.3.2. Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ < 20% tính theo công thức I.43, sổ tay
QTTB tập1, trang 152:
Cdd = 4186 ∗ (1 − x) (J/kg. độ)
Với x: nồng độ chất tan, phần khối lƣợng (%)

Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186 ∗ (1 − 0.08) = 3851.12 (J/kg. độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ > 20% tính theo công thức I.44, sổ tay
QTTB tập 1, trang 152:
Cc = Cht t ∗ xc + 4186 (1 − xc )(J/kg. độ)
Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan không nƣớc (J/kg.độ)
Áp dụng công thức I.41, sổ tay QTTB tập 1, trang 152
𝑀 ∗ 𝐶𝑕𝑡 =

𝑛𝑖 𝑐𝑖

Cht: nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ)

8


ni: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất (J/kg nguyên tử.độ) bảng I.141
sổ tay QTTB, tập 1, trang 152
CC = 7500 (J/kg nguyên tử.độ); CH = 9630 (J/kg nguyên tử.độ); CO = 16800 (J/kg
nguyên tử.độ)
 𝐶𝑕𝑡 =

𝑛 𝐶 𝑐 𝐶 +𝑛 𝐻 𝑐 𝐻 +𝑛 𝑂 𝑐 𝑂
𝑀 𝐶 6 𝐻 12 𝑂 6

=

7,5∗10 3 ∗6+9,63∗10 3 ∗12+16,80∗10 3 ∗6
180

= 1452 (𝐽/𝑘𝑔. độ)

Vậy Cc = Cht ∗ xc + 4186 1 − xc = 1452 ∗ 0.60 + 4186 ∗ 1 − 0.60
= 2545.6 (J/kg. độ)
2.3.3. Cân bằng nhiệt lượng
 Nhiệt vào: do dung dịch đầu: GđCđtđ
 Do hơi đốt: D.i
 Nhiệt ra: hơi thứ mang ra: W.i’
 Nƣớc ngƣng tụ: D.C. 
 Sản phẩm mang ra: Gc.Cc.tc
 Nhiệt cô đặc: Qcđ
 Nhiệt tổn thất: Qtt
 Phƣơng trình cân bằng nhiệt:
GđCđtđ + D.i = W.i’ + D.C.  + Gc.Cc.tc  Qcđ + Qtt
Trong đó: D: lƣợng hơi đốt mang vào
 : nhiệt độ của nƣớc ngƣng

tđ, tc: nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch
Cđ, Cc, C: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nƣớc ngƣng, J/kg.độ
i, i': hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ, J/kg
Từ phƣơng trình, rút ra:
𝐷=

𝑊∗(𝑖 ′ −𝐶𝑐 𝑡 𝑐 )
𝑖−𝑐𝜃

+

𝐺đ 𝐶đ ∗(𝑡 𝑐−𝑡 đ )±𝑄𝑐đ
𝑖−𝑐𝜃

+

𝑄𝑡𝑡
𝑖−𝑐𝜃

Quá trình cô đặc cà phê sau khi trích ly có Qcđ = 0. Đây là qúa trình cô đặc liên tục
nên tđ = tc. Chọn tổn thất nhiệt là 5%, lƣợng hơi đốt là:
𝐷=

1625 ∗ (2643.92 − 2545.6 ∗ 28)
+ 0.05𝐷 = 2007.4 (𝑘𝑔/𝑕)
2730 − 4260 ∗ 126.25

Lƣợng hơi đốt tiêu tốn riêng

9


𝑚=

𝐷 2007.4
=
= 1.23 𝑘𝑔 𝑕ơ𝑖 đố𝑡/𝑕ơ𝑖 𝑡𝑕ứ
𝑊
1625

Trong đó: W là lƣợng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 1625 kg/h
2.4.

Xác định nhiệt độ tổn thất

2.4.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (’)
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.
∆′ = 𝑡 𝑜 𝑠𝑑𝑑 − 𝑡 𝑜 𝑠𝑑𝑚
Áp dụng công thức VI.10, sổ tay QTTB tập 2, trang 59
∆′ = ∆′ 𝑜 ∗ 𝑓
Trong đó:
o’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển
Với xc = 60% và đồ thị VI.2, sổ tay QTTB tập 2, trang 60 ta đƣợc ∆′ 𝑜 = 2.86
f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển
Tra VI.11, sổ tay QTTB tập 2, trang 59:
𝑇2
273 + 𝑡𝑕𝑡
𝑓 = 16.2 ∗
= 16.2 ∗
𝑟
𝑟𝑕𝑡

2

273 + 81.9
= 16.2 ∗
2304.46

2

= 0.885

→ ∆′ = ∆′ 𝑜 ∗ 𝑓 = 2.86 ∗ 0.885 = 2.53𝑜 𝐶
2.4.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Theo công thức VI.12, sổ tay QTTB tập 2, trang 60:
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc là:
Ptb = P0 + h1 +

h2
∗ ρdds ∗ g (N/m2 )
2

Trong đó:
P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch, N/m2 (P0 = 0.524 at)
h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, m
h2: chiều cao của ống truyền nhiệt, m

10


ρdds: khối lƣợng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
với 𝜌𝑑𝑑𝑠 = ½ 𝜌𝑑𝑑 với 𝜌𝑑𝑑 là khối lƣợng riêng thực của dung dịch đặc không chứa
bọt hơi; kg/m3
g: gia tốc trọng trƣờng, m/s2 (g = 9,81 m/s2)
Vì đây là quá trình cô đặc liên tục nên 𝜌𝑑𝑑 tra theo nồng độ trung bình của dung
dịch:
xtb =

xđ + xc
8 + 60
=

= 34 %
2
2

→ 𝜌𝑑𝑑 = 1148.37 𝑘𝑔/𝑚3 (tra bảng I.86, sổ tay Quá QTTB tập 1, trang 59)
Coi 𝜌𝑑𝑑 trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến
độ sâu trung bình chất lỏng.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệth2 = 2 m
Theo công thức VI.6, sổ tay QTTB tập 2, trang 80:
𝑕1 = 0.26 + 0.0014 ∗ 𝜌𝑑𝑑 − 𝜌𝑑𝑚

∗ 𝑕2

= [0.26 + 0.0014 ∗ 1148.37 − 970.62 ∗ 2 = 0.76 (𝑚)
(𝜌𝑑𝑚 tra bảng I5, sổ tay QTTB tập 1, trang 11)
Ta có: Ptb = P0 + h1 +

h2
2

∗ ρdds ∗ g (N/m2 )

= 0.524 + 0.76 +

2
2

1

1

2

9,81∙10 4

∗ ∗ 1148.37 ∗ 9,81 ∙

= 0.625 𝑎𝑡

Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 314 suy ra ttb = 86.45oC nhiệt độ sôi trung
bình của dung dịch ứng với Ptb
Theo công thức sách Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296, ta
có:

∆” = tsdd.(Po + ∆P) – tsdd.(Po)
∆” = ttb(Ptb) – ttsdd(P0) (*)
Theo trên, ∆’ = 2.53oC mà ∆’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) (công thức sách Quá trình và thiết bị
truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 296)
tsdd(Po) = ∆’ + tsdm(Po)
= 2.53 + 81.9 = 84.43oC

11


Thay vào công thức (*), ta đƣợc:
∆” = 86.45 – 84.43 = 2.02oC
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 2.02oC.
2.4.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy tĩnh gây nên trên đường ống dẫn hơi thứ
(∆’’’)
Chọn ∆’’’ = 1oC

2.4.4. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống
Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống
Σ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 2.53 + 2.02 + 1 = 5.55oC
Tổng chênh lệch nhiệt độ của cả hệ thống (công thức VI6.12, sổ tay QTTB tập 2
trang 67)
∆t = thd - tnt = 126.25 – 80.9 = 45.35oC
Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích
∆thi = ∆t - Σ∆ = 45.35 – 5.55 = 39.8oC
Nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi
tc = tnt + Σ∆ = 80.9 + 5.55 = 86.45oC
2.5.

Nhiệt lƣợng riêng

Gọi I là nhiệt lƣợng riêng của hơi đốt (J/kg)
i là nhiệt lƣợng riêng của hơi thứ (J/kg)
Tra bảng I.250, sổ tay QTTB tập 1, trang 312
Hơi đốt

2.6.

Hơi thứ

T (0C)

I.10-3 (J/kg)

T (0C)

i.10-3 (J/kg)

126.25

2720

81.9

2647.42

Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

2.6.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)
Từ công thức V.101, sổ tay QTTB tập 2, trang 28, ta có :
𝛼1 = 2.04 ∗ 𝐴 ∗

𝑟
𝑕 ∗ ∆𝑡1

12

0.25


𝑞1 = 𝛼1 ∗ ∆𝑡1
Trong đó:
r: ẩn nhiệt ngƣng tụ của nƣớc ở áp suất hơi đốt 2.5at
Tra bảng I.251, sổ tay QTTB tập 1, trang 314, r = 2189.5*103 (j/kg)
h: chiều cao ống truyền nhiệt (h = 2m)
A: phụ thuộc nhiệt độ màng nƣớc ngƣng (𝑡𝑚 =

𝑡 đ + 𝑡 𝑣1
2

)

Tra sổ tay QTTB tập 2, trang 28
tđ, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía nƣớc ngƣng, oC
𝛼1 : hệ số cấp nhiệt phía nƣớc ngƣng, W/m2.độ
Tính toán:
Theo bài tập và ví dụ tập 10, ta có r = r1 + r2 + r3
Chọn hơi đốt (cũng chính là hơi nƣớc bão hòa) là nƣớc sạch, theo công thức V.I, sổ
tay QTTB tập 2, trang 4)
Nhiệt trở của cặn mặt ngoài r1 = 0.464 ∗ 10−3 (𝑚2 . độ. 𝑊)
Dung dịch cần cô đặc cà phê r2 = 0.387 ∗ 10−3 (𝑚2 . độ. 𝑊)
Chọn ∆𝑡1 = 3.2, ta có:
 t v1 = t đ − ∆𝑡1 = 126.25 − 3.2 = 123.05
 tm =

tđ + tv 1
2

=

126.25+123.05
2

= 124.65 oC

 A = 189.395
 𝛼1 = 2.04 ∗ 189.395 ∗

4 2189.5∗10^3

2∗3.2

= 9344.15

 𝑞1 = 𝛼1 ∗ ∆𝑡1 = 9344.15 ∗ 3.2 = 29901.28
2.6.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)
𝑡𝑣2 = 𝑡𝑣1 − 𝑞1 ∗ 8.91 ∗ 10−4 = 123.05 ∗ 29901.28 ∗ 8.91 ∗ 10−4 = 96.408 𝑜 𝐶
∆𝑡2 = 𝑡𝑣2 − 𝑡𝑠𝑑𝑚 = 96.408 − 86.45 = 9.958 𝑜 𝐶
𝛼𝑛 = 45.3 ∗ 0.5240.5 ∗ ∆𝑡2 2.33 = 45.3 ∗ 0.5240.5 ∗ 9.9582.33 = 6942.32 (𝑊/𝑚2 độ)
𝛼2 = 0.45 ∗ 𝛼𝑛 = 0.45 ∗ 6942.32 = 3124.044 (𝑊/𝑚2 độ)

13


𝑞2 = 𝛼2 ∗ ∆𝑡2 = 3124.044 ∗ 9.958 = 31109.23 (𝑊 𝑚2 )
So sánh sai số giữa q1 và q2
𝑆𝑎𝑖 𝑠ố =

𝑞 2 −𝑞 1
𝑞2

∗ 100 =

31109.23−29901.28

∗ 100 = 3.88% < 5%

31109.23

Vậy nhiệt tải trung bình là:
𝑞𝑡𝑏 =
2.7.

𝑞1 + 𝑞2 31109.23 + 29901.28
=
= 30505.255 (𝑊 𝑚2 )
2
2

Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc

Giá trị K đƣợc tính thông qua hệ số cấp nhiệt
𝐾=

1
1
𝛼1

+

𝑟+

1
𝛼2

Trong đó:
r = 8.91*10-4 (W/m2.độ)

α1 = 9344.15 (W/m2.độ)
α2 = 3124.044 (W/m2.độ)
𝐾=

1
1
9344.15

2.8.

+

= 758.658 (𝑊/𝑚2 . độ)

1
3124.044

Tính nhiệt lƣợng do hơi đốt cung cấp
𝑄 =𝐷∗𝑟 𝜃 =

2.9.

+ 8.91 ∗

10−4

2007.4 ∗ 2189.5 ∗ 103
= 1220889.53 = 1.22 ∗ 106 (𝐽/𝑠)
3600

Diện tích bề mặt truyền nhiệt
𝑄
1.22 ∗ 106
𝐹=
=
= 40.40 𝑚2
𝐾 ∗ ∆𝑡𝑕𝑖 758.658 ∗ 39.8

Chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt là 50 𝑚2

14


CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ
3.1.

Thiết bị chính

3.1.1. Buồng đốt
3.1.1.1.

Tính thể tích dung dịch đầu
𝐺đ = 𝑉đ ∗ 𝜌đ
𝑉đ =

𝐺đ
1875
=
= 1.817 𝑚3
𝜌đ

1031.76

Trong đó:
ρ∶ Khối lƣợng riêng dung dịch nhập liệu, kg⁄m3 .
G đ = 1875kg/h : Khối lƣợng dung dịch nhập liệu
xđ = 8%  𝜌 = 1031.76 kg/m3
( tra bảng I.86, trang 60, Sổ tay QTTB tập 1)
3.1.1.2.

Tính thể tích dung dịch cuối
𝐺𝑐 = 𝑉𝑐 ∗ 𝜌𝑐
𝑉𝑐 =

𝐺𝑐
250
=
= 0.194 𝑚3
𝜌𝑐
1288.73

Trong đó:
ρ∶ Khối lƣợng riêng dung dịch nhập liệu, kg⁄m3 .
G c = 250 kg/h : Khối lƣợng dung dịch nhập liệu
xc= 60 % =>𝜌 = 1288.73 kg/m3 ( tra bảng I.86, trang 59, Sổ tay QTTB tập 1)
3.1.1.3.

Tính số ống truyền nhiệt

Chọn loại ống truyền nhiệt có đƣờng kính 38x2 mm nên: d = dt=34 (mm) ( theo
bảng V1.6, sổ tay QTTB tập 2, trang 80)

Chọn chiều cao của ống truyền nhiệt là h = 2 (m).
𝑛=

𝐹
50
=
= 234 ố𝑛𝑔
𝑑𝑡 ∗ 𝑕 ∗ 𝜋
0.034 ∗ 2 ∗ 3.14

Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.11, sổ tay QTTB tập 2, trang48:
Chọn n = 271 ống.

15


Chọn cách xếp ống theo hình 6 cạnh.
Số hình 6 cạnh là: 9
Số ống trên đƣờng xuyên tâm của lục giác b = 19 ống.
Đƣờng kính ống tuần hoàn trung tâm

3.1.1.4.

Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hoàn Fth :
𝜋 ∗ 𝐷 2 𝑡𝑕
𝐹𝑡𝑕 =
=> 𝐷𝑡𝑕 =
4

4 ∗ 𝐹𝑡𝑕

𝜋

Vì đây là thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm. Nên tiết diện tuần hoàn trung
tâm Fth = ( 0,25  0,35 ) Fo , với Fo là diện tích tiết diện ngang cả tất cả các ống truyền
nhiệt, chọn Fth= 0,3.Fo.
𝜋 ∗ 𝑑2 ∗ 𝑛
3.14 ∗ 0.0342 ∗ 271
𝐹𝑡𝑕 = 0.3 ∗
= 0.3 ∗
= 0.073 (𝑚2 )
4
4
Đƣờng kính ống tuần hoàn trung tâm:
𝐷𝑡𝑕 =

4 ∗ 𝐹𝑡𝑕
=
𝜋

4 ∗ 0.073
= 0.304 𝑚
3.14

Chọn Dth= 325(mm)
Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:
𝐹 = 3.14 ∗ 𝐻 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑𝑡 + 𝐷𝑡𝑕 = 3.14 ∗ 2 ∗ 234 ∗ 0.034 + 0.325 = 52 >
48.7 𝑚2 (thỏa mãn)
Đƣờng kính thiết bị buồng đốt

3.1.1.5.

Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác đều
thì đƣờng kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức VI.40 trang 74 (sổ tay
QTTB tập 2)
𝐷𝑡 =

( 𝑑𝑡𝑕 + 2𝛽𝑑𝑛 )2 +

0.4𝛽2 sin 60 ∗ 𝐹 ∗ 𝑑𝑛
∪∗ 𝑕

Trong đó:
𝛽=

𝑡
𝑑𝑛

= 1.4 ∶ 𝑕ệ 𝑠ố, 𝑡𝑕ườ𝑛𝑔 𝛽 = 1.3 − 1.5.

16


𝑑𝑛 = 0.038 ∶ Đườ𝑛𝑔 𝑘í𝑛𝑕 𝑛𝑔𝑜à𝑖 𝑐ủ𝑎 ố𝑛𝑔 𝑡𝑟𝑢𝑦ề𝑛 𝑛𝑕𝑖ệ𝑡.
∪= 0.8 ∶ 𝐻ệ 𝑠ố 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑙ướ𝑖 đỡ ố𝑛𝑔, 𝑡𝑕ườ𝑛𝑔 ∪ = 0.7 − 0.9.
h = 2(m) : Chiều cao của ống truyền nhiệt
𝐷𝑡𝑕 = 0.325 𝑚 : Đườ𝑛𝑔 𝑘í𝑛𝑕 𝑛𝑔𝑜à𝑖 𝑐ủ𝑎 ố𝑛𝑔 𝑡𝑢ầ𝑛 𝑕𝑜à𝑛 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑡â𝑚.
F = 50 (m2) : Diện tích bề mặt truyền nhiệt
𝐷𝑡 =

0.325 + 2 ∗ 1.4 ∗ 0.038

2

+

0.4 ∗ 1.42 sin 60 ∗ 50 ∗ 0.038
= 0.9962 𝑚
0.8 ∗ 2

𝐷𝑡 = 996.2 𝑚𝑚
Chọn đƣờng kính trong buồng đốt là 1000mm.
3.1.1.6.

Tính kích thƣớc đáy nón của buồng đốt

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón h = 50mm
Đƣờng kính trong của đáy nón chính là đƣờng kính trong của buồng đốt:
Dt =1000mm
 Từ đó, tra bảng XIII.22, Sổ tay QTTB tập 2, trang 396, ta có:
H nón = 562 mm
Ft = 1.430 m2: Bề mặt trong
Vđ = 0.214 m3: Thể tích đáy
3.1.1.7.

Tổng kết

 Số ống truyền nhiệt là 271 ống có kích thƣớc d34/38 mm
 Một ống tuần hoàn giữa có đƣờng kính: dth = 325 mm
 Đƣờng kính vỏ buồng đốt: Dd = 1000mm
 Chiều cao buồng đốt: Hd = 2 m

 Diện tích bề mặt truyền nhiệt: F = 50m2
 Chiều cao đáy nón : H nón = 562 mm
 Thể tích dung dịch ở đáy : V đ = 0.214 m3
3.1.2. Buồng bốc
3.1.2.1.

Đƣờng kính buồng bốc

Lƣu lƣợng hơi thứ trong buồng bốc là:

17


𝑉𝑕ơ𝑖 =

𝑊
1625
=
= 1.427 (𝑚3 𝑠)
𝜌𝑕
3600 ∗ 0.3162

Trong đó:
𝜌𝑕 : 𝐾𝑕ố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑟𝑖ê𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑕ơ𝑖 ở á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑃0 = 0.524 𝑎𝑡
Tra bảng I.251, trang 314, Sổ tay QTTB tập 1, ta có: 𝜌𝑕 = 0.3162

𝑘𝑔

𝑚3

W = 1625 kg/h: Lƣu lƣợng hơi thứ
Vận tốc hơi:
𝜔𝑕ơ𝑖 =

𝑉𝑕ơ𝑖
𝜋∗

𝐷𝑏 2

1.427

=

𝜋∗

4

𝐷𝑏 2

=

4

1.82 𝑚
𝑠
𝐷𝑏 2

Vận tốc lắng:
Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bị truyền nhiệt tập 5, quyển 1, trang 292:
𝜔0 =

4∗𝑔∗ 𝜌 ′ −𝜌 ′′ ∗ 𝑑
3∗ 𝜀∗𝜌 ′′

Trongđó:
ρ’=967.643kg/m3: khối lƣợng riêng của giọt lỏng, kg/m3 (tra bảng I.249, trang 311,
sổ tay QTTB tập 1- tra ở nhiệt độ sôi của dung dịch trong buồng bốc tsdd = 86.45oC)
ρ”=ρh=0.3162 kg/m3: khối lƣợng riêng của hơi
d: đƣờng kính giọt lỏng, chọn d = 0.0003m
g = 9.81m/s2: gia tốc trọng trƣờng
𝜉: hệ số trở lực, tính theo Re, với độ nhớt 𝜇 = 0.012*10-3 N.s/m2
𝜔𝑕ơ𝑖 ∗ 𝑑 ∗ 𝜌′′
𝑅𝑒 =
=
𝜇

1.82
𝐷𝑏 2

∗ 0,0003 ∗ 0.3162
0,012 ∗ 10−3

=

0,2 < Re < 500 thì
ξ=

18,5
=
Re0,6

18,5
14.387 0,6

= 3.736 ∗ Db 1,2

Db 2

18

14.387
𝐷𝑏 2