TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG TRÍCH LY cà PHÊ CÔNG SUẤT 1000 kgh

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TS. Trần Lệ Thu (GVHD)

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM
(Hệ: Đại học chính quy)

Đề tài:
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÍCH
LY CÀ PHÊ CÔNG SUẤT 1000 Kg/h
Tên sinh viên
Lý Dự
Phan Trần Anh Huy

Lớp
05DHTP2
05DHTP5

Mã sinh viên
2005140077
2005140215

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học
Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ
thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành
đồ án này.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ,
hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ
án học phần. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô.
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ
qua. Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn
hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được
ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt
hơn bài báo cáo sắp tới.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Lý Dự
Phan Trần Anh Huy

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

MỤC LỤC

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

DANH MỤC HÌNH

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

DANH MỤC BẢNG

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội thì yêu cầu về
sự tiện dụng và chất lượng của sản phẩm ngày càng lớn và cà phê hòa tan hay cà
phê uống liền là sự lựa chọn tối ưu cho những người yêu thích cà phê. Đó là một
loại đồ uống bắt nguồn từ cà phê nhưng dưới dạng bột cà phê và đã được nêm nếm
sẵn theo khẩu vị và được chế biến bằng phương pháp rang, xay, sấy khô. Cà phê hòa
tan được sử dụng ngay bằng cách chế với nước sôi và khuấy đều là có thể sử dụng,
không chỉ vậy loại cà phê này có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng. Để sản xuất
được cà phê hòa tan cần phải qua quá trình trích ly và nó là quá trình vô cùng quan
trọng trong việc sản xuất cà phê hòa tan. Chính vì điều đó mà các nhà máy sản xuất

cà phê hòa tan ngày càng cải tiến thiết bị trích ly của mình để quá trình trích ly được
tối ưu hơn.
Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quan
đến nguyên liệu, thiết bị, để chế tạo một thiết bị trích ly cà phê với công suất 1000
kg/h. Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý thuyết và mô hình hóa.
Khi ta thiết kế được một hệ thống trích ly tối ưu hơn điều đó sẽ giúp
công ty làm giảm giá thành sản phẩm kéo theo đó là sẽ hạ được giá thành sản phẩm
cho người tiêu dùng và có sản phẩm chất lượng hơn. Ngoài ra nó còn tạo nguồn
nguyên liệu phong phú cho một số nghành sản xuất thực phẩm khác như: bánh kẹo.
.
Sinh viên thực hiện
Lý Dự
Phan Trần Anh Huy

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

PHẦN MỘT: TỔNG QUAN TRÍCH LY
1.1. Nguyên liệu
1.1.1.Cà phê nhân
q
Thành phần hóa học

Thành phần hóa học trong cà phê nhân biến đổi phụ thuộc vào chủng
loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản:
- Nước

Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại 10-12% ở dạng liên kết. Khi
hàm lượng nước cao hơn hạt cà phê có thể bị nấm móc và hư hỏng. Mặt khác hàm
lượng nước cao có thể làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình
rang, tốn nhiều nhiên liệu và nhất là làm tổn thất hương cà phê. Hàm lượng nước
sau khi rang còn lại khoảng 2,7%.
- Chất khoáng
Hàm lượng chất khoáng trong cà phê nhân là 3-5%, chủ yếu là kali,
photpho, nitơ, magie, clo. Những chất này ảnh hưởng đến mùi cà phê. Chất lượng
cà phê cao khi lượng chất khoáng càng thấp và ngược lại.
- Glucid
Chiếm khoảng trong tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào
thành phần nước uống mà chỉ tạo màu và vị caramel. Đường có trong cà phê chủ
yếu do tác dụng của phản ứng thủy phân dưới tác dụng của acid hữu cơ và enzyme
thủy phân. Hàm lượng sacharose có trong cà phê phụ thuộc vàomức độ chín, quả
càng chín thì hàm lượng đường càng cao. Hạt cà phê có chứa nhiều polysaccharied
nhưng phần lớn là bị tách ra sau qua trình trích ly.
- Protein
Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng đóng vai trò quan
trọng trong việc tạo ra hương vị của sản phẩm. Thành phần protein trong cà phê có
những acid amin sau: cysteine, alanie, lysine, phenilanine, histidine, leusine,... Khi
gia nhiệt các mạch polypeptide bị phân cắt, các acid amin được giải phóng tiếp tục
tham gia vào phản ứng maillard, caramel tạo mùi và vị cho cà phê rang. Trong các
amin kể trên chú ý nhất là các acid amin chứa lưu huỳnh như cysteine, proline,
chúng góp phần làm giảm tốc độ oxi hóa của các chất thơm, làm cho cà phê rang
giữ được mùi vị lâu khi bảo quản.
- Lipid
Hạt cà phê chứ lượng lipid khá lớn( 10-13%). Lipid trong cà phê gồm
chủ yếu trong dầu và sáp. Trong qua trình chế biến lipid bị biến đổi, song một phần
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho
sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hòa tan các chất thơm. Khi
pha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã.
- Các alkaloid
Trong cà phê có các alkaloid như caffeine, trigonelline, coline. Trong đó
quan trọng và được nghiên cứu nhiều hơn cả là caffeine, trigonelline.
Caffeine chiếm từ 1-3%, hàm lượng caffein thấp hơn trong chè nhưng nó
kích thích hệ thần kinh với thời gian nhiều hơn.
Trigonelline không có hoạt tính sinh lý, ít tan trong rượu etylic, không
tan trong cloroform và ete, tan nhiều trong nước nóng, nhiệt độ nóng chảy là 218°C.
Tính đáng quý của nó là dưới tác dụng của nhiệt độ cao nó bị thủy phân thành acid
nicotide (tiền vitamin PP).
- Chất thơm
Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũy
trong hạt. Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quá
trình rang.Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà
phê bị mất mùi thơm nên cần bảo quản trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh.
1.1.2.Tiêu chuẩn cà phê nhân
Để đánh giá chất lượng cà phê nhân người ta thường dựa vào các tiêu chí
sau:
- Độ ẩm < 13%
- Cỡ hạt đồng đều theo TCVN 4807:2001
- Hàm lượng tạp chất và tỉ lệ các loại cà phê khác nhau
- Tổng trị số lỗi trên 300g mẫu
- Các tính chất cảm quan về màu sắc và thể chất của hạt cà phê
- Nước

Chỉ tiêu

Tiêu chuẩn
Chỉ tiêu vật lí

Mùi vị

không

Độ trong (ống Dienrent)

100 ml
Chỉ tiêu hóa học

pH

6,0 – 7,8

CaO

50 – 100 mg/l

MgO

50 mg/l

Fe₂O₃

0.3 mg/l

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
MnO

0.2 mg/l

BO₄³¯

1,2 – 2,5 mg/l

SO₄²¯

0,5 mg/l

NH₄¯

0,1 -0.3mg/l

NO₂¯

Không

NO₃¯

Không

Pb

0,1 mg/l

As

0,05 mg/l

Cu

2 mg/l

Zn

5 mg/l

F

0,3 – 0,5 mg/l
Chỉ tiêu vi sinh

Tổng số vi sinh vật hiếu khí

<100 cfu/ml

Chỉ số Coli ( số Coli/1l nước )

<20

Chuẫn số Coli

>50

Vi sinh gây bệnh

Không có

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn dùng nước trong công nghệ thực phẩm
1.2. Cơ sở lý thuyết quá trình trích ly
1.2.1.Khái niệm:

Trích ly là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử có trong mẫu
nguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc với dung môi. Động lực học của
quá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trong
dung môi. Đây là một quá trình truyền khối.
Trong quá trình triết ly, dung môi thường ở dạng pha lỏng, còn nguyên
liệu có thể ở dạng pha rắn hoặc pha lỏng. Nếu mẫu nguyên liệu ở dạng pha rắn, quá
trình được gọi là trích ly rắn-lỏng (solid- liquid extraction). Còn nếu mẫu nguyên
liệu ở dạng lỏng thì đây là quá trình trích ly lỏng-lỏng (liquid- liquid extraction).
Trong công nghiệp thực phẩm, các nguyên liệu cần được trích ly thường tồn tại ở
dạng pha rắn.
Trích ly chất rắn là quá trình hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử trong
chất rắn bằng cách cho chất rắn tiếp xúc với dung môi lỏng.
1.2.2.Dung môi:

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Chọn dung môi trong quá trình trích ly là một vấn đề hết sức quan trọng
để thực hiện quá trình trích ly. Người ta thường chọn những tiêu chí sau đây để lựa
-

chọn dung môi:
Dung môi có khả năng hòa tan chọn lọc, tức cấu tử cần thu nhận trong mẫu nguyên
liệu có độ hòa tan cao trong dung môi. Ngược lại, các cấu tử khác có trong mẫu
nguyên liệu cần trích ly thì không hòa tan được trong dung môi hoặc có độ tan kém

-

hơn.
Dung môi phải trơ với các cấu tử có trong dịch trích.
Dung môi không gây hiện tượng ăn mòn thiết bị, khó cháy và không độc với người

-

sử dụng.
Dung môi có giá thành thấp, dễ tìm; các nhà sản xuất có thể thu hồi dung môi sau

-

quá trình trích ly để tái sử dụng.
1.2.3.Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện
Khai thác: Các quá trình trích ly trong công nghiệp thực phẩm có mục đích chủ yếu
là khai thác do chiết rút các cấu tử cần thu nhận có trong nguyên liệu ban đầu, làm

-

tăng nồng độ của chúng trong sản phẩm cuối cùng.
Hoàn thiện: quá trình trích ly có thể hoàn thiện một vài chỉ tiêu chất lượng của sản
phẩm, ví dụ như trích ly caffeine từ trà và cà phê trong công nghệ sản xuất trà và cà

-

phê nghèo caffeine.
1.2.4.Các biến đổi nguyên liệu
Hóa lý: là nhóm biến đổi quan trọng trong quá trình trích ly. Đó là sự hòa tan của
các cấu tử từ nguyên liệu (pha rắn) và dung môi (pha lỏng). Cần chú ý, tùy theo tính
chọn lọc của dung môi mà thành phần và hàm lượng các cấu tử hòa tan thu được
trong dịch trích sẽ thay đổi. Thông thường ngoài những cấu tử cần thu nhận, dịch
trích còn chứa một số cấu tử hòa tan khác. Ngoài ra trích ly còn có thể xảy ra những
biến đổi về pha khác như sự bay hơi, sự kết tủa…. Như trong sản xuất cà phê hòa
tan, quá trình trích ly có thể làm tổn thất một số cấu tử hương có trong nguyên liệu.

-

Điều này ảnh hưởng không tốt đến mùi của bột cà phê hòa tan.
Vật lý: sự khuếch tán là biến đổi vật lý quan trọng trong quá trình trích ly. Các phân
tử chất tan sẽ dịch chuyển từ tâm của nguyên liệu đến vùng bề mặt và dịch chuyển
từ vùng bề mặt nguyên liệu vào dung môi. Các phân tử dung môi sẽ khuếch tán từ
vùng bên ngoài nguyên liệu vào bên trong cấu trúc các mao dẫn của nguyên liệu. Sự
khuếch tán sẽ giúp cho quá trình chiết rút các cấu tử cần trích ly từ nguyên liệu vào

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
dung môi xảy ra nhanh và triệt để hơn. Động lực học của khuếch tán là do chênh
-

lệch nồng độ.
Hóa học: trong quá trình trích ly, có thể xảy ra các phản ứng hóa học giữa các cấu tử
trong nguyên liệu. Tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ gia tăng khi chúng ta thực
hiện quá trình trích ly ở nhiệt độ cao, ví dụ như trong trích ly triglyceride trong đậu
nành, nếu sử dụng nhiệt độ cao dễ làm cho chất béo bị oxy hóa. Hiện tượng này làm
cho dịch trích ly chứa nhiều tạp chất và gây khó khăn cho những quá trình tinh sạch
tiếp theo.
-

Hóa sinh và sinh học: khi sử dụng dung môi là nước và trích ly ở nhiệt độ
phòng thì một số biến đổi hóa sinh và sinh học có thể xảy ra. Các enzyme
trong nguyên liệu sẽ xúc tác phản ứng chuyển hóa những cơ chất có nguồn
gốc nguyên liệu. Hệ vi sinh vật trong nguyên liệu sẽ phát triển. Tuy nhiên,
khi chúng ta thực hiện quá trình ở nhiệt độ cao thì biến đổi hóa sinh và sinh
học xảy ra không đáng kể.
1.2.5.Các yếu tố ảnh hưởng

Hàm mục tiêu của quá trình trích ly là hiệu suất thu hồi cấu tử cần chiết
tách. Đó là tỷ lệ giữa hàm lượng cấu tử trong dung dịch trích ly so với hàm lượng
cảu nó trong nguyên liệu đem trích ly. Gía trị hiệu suất thu hồi cấu tử càng cao thì
việc thực hiện quá trình trích ly sẽ đạt hiệu quả kinh tế càng cao:
-

Kích thước nguyên liệu: kích thước nguyên liệu càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc bề
mặt giữa nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn. Do đó, việc trích ly các cấu tử từ
nguyên liệu vào dung môi sẽ trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, nếu kích thước của

nguyên liệu quá nhỏ thì chi phí cho quá trình nghiền xé nguyên liệu sẽ gia tăng.
Ngoài ra, việc phân riêng pha lỏng và pha rắn khi kết thúc quá trình trích ly sẽ trở
nên khó khăn hơn. Bằng phương pháp thực nghiệm, các nhà sản xuất cần xác định

-

kích thước phù hợp ứng với từng loại nguyên liệu đem trích ly.
Tỉ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi: với cùng một lượng nguyên liệu, nếu
ta tăng lượng dung môi sử dụng thì hiệu suất trích ly sẽ tăng theo. Đó là chênh lệch
nồng độ của cấu tử cần trích ly trong nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn. Tuy
nhiên, nếu lượng dung môi sử dụng quá lớn thì sẽ làm loãng dịch trích. Khi đó, các
nhà sản xuất phải thực hiện quá trình cô đặc hoặc xử lý dịch trích bằng phương
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
pháp khác để tách bớt dung môi. Như vậy, chúng ta cần xác định tỷ lệ phù hợp giữa
khối lượng nguyên liệu và dung môi. Ví dụ như trong sản xuất thức uống thảo mộc,
tỷ lệ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi (nước) thường dao động trong
-

khoảng 1/6 – 1/10.
Nhiệt độ trích ly: khi tăng nhiệt độ, các cấu tử sẽ chuyển động nhanh hơn, do đó sự
hòa tan và khuếch tán của cấu tử từ nguyên liệu vào dung môi sẽ được tăng cường.
Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của dung dịch sẽ giảm, dung môi dễ dàng
xuyên qua lớp nguyên liệu và làm cho diện tích tiếp xúc bề mặt giữa nguyên liệu và
dung môi sẽ càng lớn. Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ trích ly sẽ làm tăng chi phí
năng lượng cho quá trình, đồng thời có thể xảy ra một số phản ứng hóa học không

mong muốn trong dịch trích ly và sự tổn thất các cấu tử hương sẽ tăng. Do đó các
nhà sản xuất sẽ chọn nhiệt độ trích ly tối ưu tùy theo trường hợp cụ thể, vd như

-

trong sản xuất trà hòa tan quá trình trích ly được thực hiện ở 70-90 0C.
Thời gian trích ly: khi tăng thời gian trích ly thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ tăng.
Tuy nhiên, nếu thời gian trích ly quá dài thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ không

-

tăng thêm đáng kể.
Tốc độ của dong dung môi chảy qua lớp nguyên liệu trong thiết bị trích ly: nếu
dòng dung môi được bơm với tốc độ cao vào thiết bị chứa nguyên liệu cần trích ly
thì sẽ làm giảm đi kích thước lớp biên bao bọc xung quanh nguyên liệu, đây là nơi
tập trung các cấu tử hòa tan. Do đó, tốc độ trích ly các cấu tử từ nguyên liệu sẽ gia
tăng. Tùy thuộc vào hình dạng thiết bị, kích thước của lớp nguyên liệu trong thiết bị
mà tốc độ dòng dung môi bơm vào thiết bị sẽ được lựa chọn sao cho thời gian trích

-

ly là ngắn nhất và hồi suất hồi chất chiết là cao nhất.
Áp suất: trong phương pháp trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn, áp suất và nhiệt độ
là hai yếu tố ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất thu hồi chất chiết. Thông thường,
khi tăng áp suất và nhiệt độ thì quá trình trích ly diễn ra càng nhanh và hiệu suất
trích ly sẽ tăng theo. Tuy nhiên, việc tăng áp suất sẽ tăng chi phí vận hành và giá
thành thiết bị cũng tăng cao. Trong nghiên cứu trích ly carotenoids và chlorophyll từ
tảo Nannochloropsis gaditana bằng CO2 siêu tới hạn, các nhà khoa học đã thấy rằng
khi áp suất từ 10MPa thì hiệu suất trích ly tăng theo. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng áp
suất trích ly lên 50MPa thì hiệu suất trích ly bị giảm nhẹ.

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
1.3. Các thiết bị trích ly rắn – lỏng
1.3.1.Quá trình không liên tục:

Qúa trình không ổn định bao gồm các quá trình trong đó chất rắn và
dung môi được cho tiếp xúc theo từng mẻ hoặc từng mẻ chất rắn được cho tiếp xúc
với dòng ding môi chảy liên tục.
q Thùng trích ly (ngâm trích)
Các hạt rắn có kích thước trung bình thường được trích ly bằng phương
pháp ngâm chiết trong thùng hở. Các thùng nhỏ thường được làm bằng gỗ hoặc kim
loại:
Quy trình thực hiện
Qúa trình được thực hiện bằng cách cho đầy chất rắn vào thùng, sau đó cho vào
-

thùng lượng dung môi đủ ngập chất rắn và toàn bộ khối chất rắn được ngâm trong
dung môi trong một thời gian định trước. Trong khoảng thời gian ngâm này dung
môi có thể được cho bơm tuần hoàn. Sau đó chất lỏng được tháo ra ở đáy thùng để
đưa vào hệ thống chưng cất thu hồi dung môi và dung chất. Toàn bộ quá trình được
xem như một bậc. Lặp lại quá trình này nhiều lần cuối cùng sẽ hào tan hết tất cả
dung chất. Một phương pháp thực hiện khác là cho chất lỏng chảy vào và liên tục,
quá trình như vậy tương đương với quá trình nhiều bậc. Trong trường hợp độ giảm
áp của chất lỏng quá lớn khi chảy qua lớp chất rắn thì ta sẽ dùng thùng kín để bơm
chất lỏng qua tầng chất rắn. Thùng kín cũng tránh được sự tổn thất dung môi do quá

trình bay hơi của dung môi dễ bay hơi khi quá trình hoạt động ở nhiệt độ lớn hơn
nhiệt độ sôi.
Ưu điểm
Phương pháp này rẻ tiền, cấu tạo của các thùng ngâm chiết thay đổi theo bản
-

chất của chất rắn và chất lỏng cũng như năng suất của quá trình.
- Ứng dụng

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Thiết bị trích ly một bậc hiện đang được sử dụng trong sản xuất thức uống thảo

Hình 1.1. Thiết bị trích ly một bậc

-

mộc, trà hòa tan, cà phê hòa tan và dầu béo ở quy mô nhỏ.
1.3.2.Trích ly nhiều bậc:
Nguyên lí hoạt động
Hệ thống gồm có tất cả 14 thiết bị và được ký hiệu từ 1 tới 14. Dung môi
sẽ chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, còn các thiết bị trích ly sẽ chuyển động
cùng chiều kim đồng hồ. Dung môi mới nạp vào hệ thống tại thiết bị số 13, còn dịch
trích ly được tháo ra khỏi hệ thống từ thiết bị số 9, các số thiết bị 10,11,12 đặc trưng
cho các công đoạn tháo bã ra khỏi thiết bị, vệ sinh thiết bị và nạp nguyên liệu vào
thiết bị.

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
-

Ứng dụngHệ thống trích ly nhiều bậc được sử dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp
để sản xuất cà phê hòa tan, trà hòa tan và đường saccharose ở củ cải đường. Mỗi
thiết bị trên có thể chứa 10 tấn nguyên liệu.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
1.3.3.Quá trình liên tục (ổn định)

Ngoài ra còn có một số loại thiết bị trích ly nhiều bậc hoạt động liên tục
để trích ly dầu thực vật từ các hạt chứa dầu
bằng một số loại dung môi hữu cơ( chẳng
hạn hexan). Dung dịch dung môi – dầu
thường còn lẫn một lượng nhỏ các hạt rất
mịn, lơ lửng gọi là micella.
q Thiết bị trích ly Rotocel:

-

Cấu tạo: Thiết bị trích ly Rotocel gồm

Hình 1.3. Trích ly liên tục

thùng tròn có 18 ngăn chứa các hạt rắn quay
-

chậm trên một thùng cố định.
Nguyên lý hoạt động: Khi thùng quay chứa
các hạt rắn quay chậm trên một thùng cố
định. Khi thùng quay chất rắn sẽ được nạp
vào các ngăn và dung môi được tới lên mỗi
ngăn định kỳ để thực hiện quá trình trích ly.
Khi quay gần hết một vòng, chất rắn sẽ tháo
qua một ngăn cố định bên dưới và được
chuyển ra ngoài. Dung môi ngấm qua chất
rắn vào ngăn cố định bên dưới và được bơm
trở lại vào ngăn chứa chất rắn kế tiếp. Qúa
trình trích ly là nghịch dòng và dung dịch
đậm đặc nhất được lấy ra tù ngăn chứa chất
rắn mới. Toàn bộ thiết bị được bọc kín trách

-

tổn thất dung môi.
Ứng dụng: để trích ly enzyme một cách

-

liên tục từ canh trường nấm mốc và vi khuẩn.
q Thiết bị trích ly Kenedy:
Cấu tạo: Thiết bị trích ly gồm nhiều khoang, vật liệu trích ly được đưa từ khoang

Hình 1.4. Thiết bị trích ly Rotocel

này sang khoang khác bằng cánh gat, trong khi dung môi chảy tràn nghịch chiều. Số
khoang của thiết bị được xác định theo yêu cầu của quá trình trích ly.

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
-

Ứng dụng: Thiết bị trích ly Kenedy thường được dùng trích ly tanin từ vỏ cây đước,
dầu béo thực vật và các quá chất khác.

Hình 1.5. Thiết bị trích ly Kenedy
q Thiết bị trích ly Bollman

Nguyên lý hoạt động: chất rắn
được đặt trong các giỏ có đục lỗ và được
gắn vào hệ thống vận chuyển, có chuyển
động đi xuống ở bên phải hình và đi lên ở
bên trái hình. Khi đi xuống, chất rắn được
trích ly cùng dòng bằng dung môi có chứa

một phần dung chất được bơm từ đáy bên
trái thiết bị lên đỉnh. Chất lỏng chảy qua
các giỏ xuống đến đáy bên phải là dung
dịch đậm đặc và được lấy ra ngoài. Khi đi
lên chất rắn được trích ly bằng dung môi
mới để cho dung dịch có một phần dung chất.

Hình 1.6. Thiết bị trích ly Bollman

q Thiết bị trích ly CO2 tới hạn:
-

Cấu tạo: Hệ thống gồm có các bộ phận chính như sau: bình trích ly (1), bình phân
riêng co2 và chất trích ly(2), thiết bị ngưng tụ co2 (3), thiết bị trao đổi nhiệt (4), bơm

-

co2 (5).
Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên, người ta sẽ cho nguyên liệu cần trích ly vào bình
(1). Sau đó nạp co2 vào bình (1) để đuổi không khí trong bình (1) ra môi trường bên
ngoài. Tiếp theo, co2 được bơm vào (5) đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) rồi đi vào
bình trích ly (1). Người ta sẽ hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất trong bình (1) để co 2 đạt
đến trạng thái siêu tới hạn. Khi kết thúc quá trình trích ly, hỗn hợp trong bình (1) sẽ
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
được đưa qua bình phân riêng (2). Bằng cách thay đổi áp suất, người ta tách được

co2 và chất chiết. Khi đó, co2 được đưa vào bình (3) và được làm lạnh để tái sử dụng
cho mẻ sản xuất tiếp theo, còn chất chiết sẽ được tháo ra khỏi bình (2) theo cửa đáy.
Song song đó, người ta sẽ tháo bã nguyên liệu và vệ sinh bình trích ly (1) trước khi
-

thực hiện mẽ kế tiếp.
Ứng dụng: dùng để trích ly béo từ đậu nành, cà phê hòa tan, trà hòa tan, sản xuất
đường từ củ cải đường.

Hình 1.7. Thiết bị trích ly CO2 tới hạn

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ
2.1. Sơ đồ nguyên lí làm việc
2.2. Cân bằng vật chất
2.2.1. Các thông số ban đầu
-

Chọn thiết bị là: Tháp mâm xuyên lỗ, hoạt động liên tục
Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước, thì cấu tử dễ bay hơi là Ethanol
Khối lượng phân tử Ethanol: MR = 46 (g/mol), Nước: MN = 18 (g/mol)
Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)
Nồng độ phần khối lượng nhập liệu: = 18% phần khối lượng
Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: = 90% phần khối lượng

Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy: = 2% phần khối lượng
Chọn các thông số:

-

Nhiệt độ nhập liệu: tF = 280C.
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 320C.
Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 600C.
Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Các ký hiệu sử dụng:

-

F, D, W, L: suất lượng mol của các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy,
dòng hoàn lưu, đơn vị (Kmol/h).

-

GF, GD, GW, GL: suất lượng khối lượng của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy, dòng hoàn lưu, đơn vị (Kg/h).

-

xF, xD, xW, xL: nồng độ phẩn mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của các dòng,
đơn vị (phần khối lượng).

-

: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của các dòng, đơn
vị (phần mol).

-

: Nồng độ phần mol của các cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
của dòng nhập liệu

-

Gh: suất lượng khối lượng hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh thiết bị, đơn vị: (Kg/h)
2.2.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
Nồng độ phần mol của các dòng: nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy. Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

•
•
•

= 0.0791 (%mol)
= 0.7788 (%mol)
= 0.0079 (%mol)

Khối lượng trung bình dòng nhập liệu:
• = 0.0791*46 + (1 – 0.0791) * 18

= 20.2148 (Kg/Kgmol)
Gọi
F là lượng nhập liệu ban đầu (phần mol)
= = = 49.4687 (Kmol/h).
Suất lượng mol của các dòng:
Gọi:
D là lượng sản phẩm đỉnh (phần mol)
W là lượng sản phẩm đáy (phần mol)
Áp dụng cân bằng vật chất theo suất lượng khối lượng, và nồng độ phần khối
lượng
Ta có hệ phương trình: Sau khi thay các giá trị có sẵn:
(Kmol/h)
Khối lượng trung bình sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy lần lượt là:
•

=*+ (1-)* = 0.7788*46+(1-0.7788) *18
= 39.8064(Kg/Kmol)
• = *+(1-)*=0.0079*46+(1-0.0079) *18
= 18.2212 (Kg/Kmol)
• = D*= 4.5689 * 39.8064 = 181.8715 (Kg/h)
• = W* = 44.8998 * 18.2212 = 818.1282 (Kg/h)

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp Ethanol - Nước

Từ số liệu từ bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Ethanol-nước ở 1 atm:
2.2.3. Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp
2.2.3.1.

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý
thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên
liệu, nước và bơm...) là tối thiểu.
Với = 0.0791 tra đồ thị T-x, y ta được = 0.3960
Áp dụng công thức (IX.24), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:
Rmin = = = 1.2080
2.2.3.2.

Tỷ số hoàn lưu làm việc

Áp dụng công thức (IX.25A), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:
R = 1.3* Rmin + 0.3 = 1.8703
2.2.4. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết
2.2.4.1.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:
y = *x+ = *x + = 0.6516x + 0.2713
2.2.4.2.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.

Áp dụng công thức (IX.22), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:
(1)
Với
Thay vào (1) ta được:

= 4.4238x – 0.0270
2.2.4.3.

Vẽ đồ thị chưng cất, xác định số mâm lý thuyết

Bước 1: Vẽ đường cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp Ethanol – Nước
Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trính x = xF = 0.0791
Bước 3: Vẽ đường làm việc phần cất có phương trình y = 0.6516x +
0.2713 đi qua 2 điểm F (0.0791; 0.3228), D (0.7788; 0.7788).
Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng y = 4.4238x – 0.0270 đi qua 2
điểm W (0.0079; 0.0079) và giao điểm F của đường nhập liệu và đường làm việc
phần luyện.
Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và
đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất.

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn các đường làm việc và số mâm lý thuyết.

Từ đồ thị trên, ta kết luận:
-

Có 3 mâm chưng
Có 7 mâm cất
Có 1 mâm nhập liệu

Vậy số mâm lý thuyết, Nlt = 11
2.2.5. Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất.
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
Áp dụng công thức (IX.59), trang 170, tài liệu tham khảo [2]:
Ntt =
• Trong đó: : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay
•

hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp chất lỏng: = (α, µ)
Ntt: số mâm lý thuyết.
Nlt: số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp :
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
Áp dụng công thức (IX.61), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:
α= *
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Với: x: phần mol của rượu trong pha loãng.
y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
• Tại vị trí nhập liệu:
xF = 0.0791 ta tra đồ thị cân bằng của hệ T-x,y ta được :
αF = * = * =7.6329
Từ = 18% và tF = 88.1720C
Tra tài liệu tham khảo [1] ta được: µ = 0.4016 (Cp)
Suy ra: µF*αF = 7.6329*0.4016 = 3.0653
Tra tài liệu tham khảo [2] ta được: ηF = 0.38
•

Tại vị trí mâm đáy:

Xw = 0.0079 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:
= = 6.9444
Từ = 2%, và tW = 98.49oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ = 0.2970 (Cp)
= 6.9444 * 0.2970 = 2.0625, tra tài liệu tham khảo [2]: ηW = 0.4870
• Tại vị trí mâm đỉnh:
XD = 0.7788 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:
= = 1.1621
Từ =90%, và tD = 78.6887oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ = 0.5428 (Cp)
= 1.1621 * 0.5428 = 0.6358, tra tài liệu tham khảo [2]: ηD = 0.5556
Áp dụng công thức (IX.60), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:
ηtb = (ηF + ηW + ηD) / 3 = (0.38 + 0.4870 + 0.5556) / 3 = 0.4742
• Số mâm thực tế của tháp Ntt:
 Số mâm thực tế là 23 mâm, trong đó có 6 mâm chưng, 16 mâm cất 1 mâm nhập

liệu.
2.3. Tính toán thiết kế tháp chưng cất
2.3.1. Đường kính tháp
Áp dụng công thức (IX.89), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:
Dt = = 0.0188 (m)
Vtb: Lượng hơi nước trung bình đi trong tháp (m3/h)
ωtb: Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
gtb: Lượng nước hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)
 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, do
đó đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
2.3.2. Đường kính đoạn cất
2.3.2.1.

Lượng hơi trung bình đi trong tháp

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Áp dụng công thức (IX.91), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:
gtb = (Kg/h)
gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)
g1: Lượng hơi đi vào trong đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)
• Xác định gd: gd = GD*(R+1) = 181.8715*(1.8703+1) = 522.0258 (Kg/h)
• Xác định g1= Từ hệ phương trình.
Với:
G1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất.

rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp.
ra: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic.
rb: ẩn nhiệt hóa hơi của nước.
x1 = = 0.18 (pkl)
Tính r1
Theo bảng I.212 trang 254, tài liệu tham khảo [1] ta có:
0
- Ở 60 C:
ra1 = 210 (kcal/kg)
rb1 = 579 (kcal/kg)
- Ở 1000C
ra2 = 194 (kcal/kg)
rb2 = 539 (kcal/kg)
• Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)
Δrb = rb2 – rb1 = 539 – 579 = – 40 (kcal/kg)
Δt = t2− t1 = 100 – 60 = 400C
•

q
q
•

Theo phương pháp nội suy, ta tính ra, rb ở 88.172

•

Vậy
Tính rd: hơi đi ra ở đỉnh tháp ở nhiệt độ 78.6887oC, tương tự như trên:
Ta có:
•

•

Vậy
Suy ra ta có hệ phương trình như sau:

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang