Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi dung dịch nước táo với năng suất theo sản phẩm 1,5 tấn một giờ

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU.........................................................................................1
1.1. Tổng quan về nguyên liệu:......................................................................................1
1.1.1. Giới thiệu chung về cây Táo.............................................................................1
1.1.2. Giới thiệu về nước ép Táo cô đặc.....................................................................1
1.1.3. Phân loại quả Táo.............................................................................................2
1.1.4. Thành phần hóa học của Táo............................................................................3
1.1.5. Công dụng quả Táo tây.....................................................................................3
1.2. Quy trình cô đặc nước Táo......................................................................................5
1.3. Thuyết minh qui trình..............................................................................................6
1.4. Giới thiệu về lý thuyết cô đặc và thiết bị cô đặc......................................................7
1.4.1. Giới thiệu chung về cô đặc...............................................................................7
1.4.2. Các phương pháp cô đặc...................................................................................8
1.4.3. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm......................................................8
CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH..............................................................................10
2.1. Dữ liệu ban đầu.....................................................................................................10
2.1.1. Yêu cầu..........................................................................................................10
2.1.2. Quy ước..........................................................................................................10
2.2. Cân bằng vật liệu..................................................................................................10
2.2.1. Lượng nước bốc hơi và lưu lượng tháo liệu của hệ thống...............................10
2.2.2. Lượng hơi thứ bốc lên (W).............................................................................11
2.3. Cân bằng nhiệt lượng............................................................................................11
2.3.1.

Xác định tổn thất nhiệt độ .....................................................................11

2.3.2.

Hiệu suất nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi dung dịch..................................13

2.3.3.

Nhiệt dung riêng.........................................................................................14

2.3.4.

Lượng hơi đốt tiêu thụ.................................................................................14

2.4. Tính bề mặt truyền nhiệt.......................................................................................15
2.4.1. Hệ số cấp nhiệt...............................................................................................15
2.4.2. Hệ số cấp nhiệt 1, phía hơi ngưng tụ............................................................16
1


2.4.3. Hệ số cấp nhiệt 2, từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi.......................................17
2.5. Hệ số truyền nhiệt K.............................................................................................20
2.6. Bề mặt truyền nhiệt...............................................................................................20
2.7. kích thước buồng đốt............................................................................................20
2.7.1. số ống truyền nhiệt.........................................................................................20
2.7.2. đường kính ống tuần hoàn trung tâm..............................................................21
2.7.3. đường kính buồng đốt.....................................................................................21
2.8. Đường kính buồng bốc.........................................................................................22
2.9. Đường kính các ống dẫn.......................................................................................23
2.9.1. Ống Nhập Liệu...................................................................................................23
2.9.2. Ống tháo liệu......................................................................................................23
2.9.3. Ống Dẫn Hơi Đốt...............................................................................................24
2.9.4. Ống dẫn hơi thứ.................................................................................................24
2.9.5. Ống dẫn nước ngưng..........................................................................................24
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ QUI TRÌNH CÔ ĐẶC...........................................................27
3.1. Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi...................................................................................27
3.1.1. Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi........................................................................27

3.1.2. Thuyết minh hệ thống.....................................................................................28
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN.........................................................................................29
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................30

2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. thành phần hóa học có trong 100g táo tươi………………………….………3
Bảng 2.1. nhiệt độ và áp suất hơi của nồi.....................................................................11
Bảng 2.2. lượng nhiệt do hơi cung cấp........................................................................15
Bảng 2.3 Giá trị A phụ thuộc vào tm............................................................................16
Bảng 2.4 Hệ số nhiệt 1, phía hơi ngưng tụ................................................................17
Bảng 2.5 Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi..................................................................18
Bảng 2.6 nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi..............................................................20
Bảng 2.7 Bề mặt truyền nhiệt......................................................................................20
Bảng 2.8 Kích thước buồng bốc..................................................................................23
Bảng 2.9 kích thước các ống dẫn.................................................................................25
Bảng 2.10 Bảng tóm tắt thiết bị chính..........................................................................26

3


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.2 Quy trình cô đặc nước Táo..............................................................................5
Hình 1.3 Máy ép Táo.....................................................................................................6
Hình1.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm..........................................................8
Hình 2.1 Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc.......................................................11
Hình 2.2. cân bằng nhiệt lượng trong nồi cô đặc.........................................................14
Hình 2.3 Truyền nhiệt qua bề mặt................................................................................16

4


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1. Tổng quan về nguyên liệu:
1.1.1. Giới thiệu chung về cây Táo
- Táo tây, còn gọi là bôm (phiên âm từ tiếng Pháp: pomme) là một loại trái cây từ cây
táo tây Malus domestica. Cây táo có nguồn gốc ở Trung Á, nơi tổ tiên của nó - loài táo
dại Tân Cương - vẫn còn tồn tại cho đến ngày hôm nay. Táo đã được trồng từ hàng
ngàn năm ở châu Á và châu Âu, được thực dân châu Âu đưa đến Bắc Mỹ, táo có ý
nghĩa tôn giáo và thần thoại trong nhiều nền văn hóa, bao gồm cả văn hóa ở Bắc
Âu, Hy Lạp và Kitô giáo tại châu Âu.
- Cây táo sẽ rất lớn nếu được trồng từ hạt giống, nhưng sẽ nhỏ hơn nếu được trồng
theo phương pháp ghép lên rễ (gốc ghép). Hiện có hơn 7500 giống táo, dẫn đến một
loạt các đặc tính mong muốn. Giống khác nhau được phối giống cho thị hiếu khác
nhau và sử dụng khác nhau, bao gồm nấu ăn, sản xuất nguyên liệu nấu ăn và làm rượu
táo. Táo thường được nhân giống bằng phương pháp ghép, mặc dù táo hoang dã vẫn
mọc dễ dàng từ hạt giống. Cây táo và quả táo dễ bị nhiễm một số loại nấm, vi
khuẩn và các vấn đề sâu bệnh, và có thể điều chỉnh bằng một số hóa chất hữu cơ và vô
cơ. Trong năm 2010, hệ gen của cây táo đã được giải mã như là một phần của nghiên
cứu về kiểm soát dịch bệnh và nhân giống chọn lọc trong sản xuất táo.
1.1.2. Giới thiệu về nước ép Táo cô đặc
Nước táo là một loại đồ uống hình thành do ép trái táo tây. Từ 1,5 kg táo tây có thể
vắt được một lít nước táo. Bên Đức ngoài nước táo tinh chất (Apfelsaft hay A-Saft)
còn hay uống nước táo pha với nước suối (Apfelschorle). Vào năm 2011 trung bình tại
Đức mỗi người uống 8,0 lít nước táo nguyên chất và 9,4 lít nước táo pha với nước
suối.
Nước táo trong thường được chế biến từ nước táo cô đặc. Nước táo cô đặc được chế ra
bằng cách cho nước bay hơi và tách ra các chất chứa vị và mùi. Nhờ vậy trọng lượng

của nước táo giảm xuống chỉ còn khoảng 1/6, do đó việc lưu trữ và chuyên chở tiện lợi
hơn. Việc chế biến nước táo trong bằng nước táo cô đặc còn có lợi là, khi trộn các loại
nước táo (ngọt/chua) khác nhau, nếu không tùy theo loại táo, hay vùng trồng trọt sẽ tạo
ra các mùi vị khác nhau. Phương pháp làm bay hơi nước và làm loãng trở lại nhờ
những máy móc tân tiến không làm ảnh hưởng tới mùi vị và lượng vitamin.
Ở Đức táo dùng để chế biến nước táo, được sử dụng 100%. Khoảng 75% là nước táo,
25% còn lại là vỏ và hột. Phân nửa số còn lại này được dùng để chế tạo Apfelpektin,
một chất được dùng trong công nghệ thực phẩm, hoặc công nghệ dược. Phân nửa còn
lại được dùng để chế tạo đồ ăn cho súc vật, hay chế tạo năng lượng. Như vậy việc
dùng táo để chế biến nước táo là một thí dụ tốt cho một nền kinh tế tuần hoàn tân tiến.
1


1.1.3. Phân loại quả Táo
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại Táo khác nhau, tuy nhiên hiện nay có một số
loại Táo thương phẩm được dùng phổ biến như sau:
Loại táo
Red dilicious

Đặc điểm
Táo ngọt, giòn cứng, nhiều nước, hàm lượng acid thấp, được dùng
để ăn tươi
Táo giòn, cứng, màu trắng, ngọt, có vị ngọt dịu khi nấu, vỏ mỏng
và mềm, thường được dùng để ăn lạnh hoặc dùng làm món salad.
Táo cứng, giòn, ngọt, có mùi rượu vang khi bảo quản, thường dùng
làm món khai vị.
Có mùi đặc trưng khi ăn, hình trái tim, màu sắc và vỏ thay đổi từ
vàng đến da cam.
Hương vị tốt, cứng, thơm, có vị chua ngọt, màu sắc thay đổi xanh –
đỏ - vàng.

Giòn, vị chua nhẹ, thường dùng để ăn tươi.
Cứng, giòn, hơi chua, coa màu xanh - vàng.

Golden diliciuos
Fujl
Gala
Baraebrun
jonagold
Granny smith

Red dilicious

jonagold

Golden diliciuos

Granny smith
Hình 1.1 Các loại táo thông dụng (Nguồn internet)

1.1.4. Thành phần hóa học của Táo

Bảng 1.1. Thành phần dinh dưỡng có trong 100g táo tươi:
2


Tên chất

Số lượng

Vitamin A

Vitamin C
Vitamin D
Vitamin E
Vitamin K
Vitamin B1
Vitamin B2
Vitamin B3
Vitamin B5
Vitamin B6
Vitamin B12
Folate
Choline

3 g
4,6 mg

Nhu cầu
hằng ngày
0%
5%

0,18 mg
2,2 g
0,02 mg
0,03 mg
0,09 mg
0,06 mg
0,04 mg
0 g
3 g

3,4 mg

1%
2%
1%
2%
1%
1%
3%

Tên chất

Số lượng

Canxi
Sắt
Magiê
Phốt pho
Kali
Natri
Kẽm
Đồng
Mangan
selen

6 mg
0,12 mg
5 mg
11mg
107 mg

1 mg
0,04 mg
0,03 mg
0,04 mg
0 g

Nhu cầu hằng
ngày
1%
2%
1%
2%
2%
0%
0%
3%
2%

1%
1%

1.1.5. Công dụng quả táo tây
Táo có nhiều công dụng đối với sức khỏe con người, cả về giá trị dinh dưỡng lẫn công
dụng phòng, trị bệnh. Táo có thành phần dinh dưỡng rất phong phú, đặc biệt là các loại
vi chất, sinh tố và axit hoa quả. Trong trái táo có khoảng 30 mg ketone, 15% là các
chất hydrocarbon và chất keo; các loại vitamin A, C, E. Ngoài ra, lượng kali và các
chất chống oxy hóa cũng rất phong phú. Lượng canxi trong táo cũng cao hơn trong các
loại hoa quả khác, giúp trung hòa lượng muối dư thừa trong cơ thể.
Chống nhiễm khuẩn: Nếu ăn 1 trái táo bằng cách nhai kỹ, nuốt chậm trong 15 phút
không chỉ có lợi cho tiêu hóa, mà còn có thể diệt được tới 99% các vi sinh vật có hại

trong miệng, thực quản và dạ dày.
Giúp ngăn ngừa ung thư: các nhà nghiên cứu tại trường đại học Cornell đã tìm thấy
hợp chất triterpenoids trong vỏ táo có chứa hoạt chất ngăn ngừa sự phát triển của các
tế bào ung thư trong đại tràng, gan và vú; chiết xuất từ trái táo có thể giảm số lượng và
kích thước của khối u vú ở chuột.
Nhuận mật: bạn có thể dùng táo ngâm rượu uốn để giúp lưu thông mật, chống tạo sỏi.
Làm sạch động mạch: theo các nhà nghiên cứu, táo có chứa hoạt chất bảo vệ tim mạch
giống trái nho. Nghiên cứu được thực hiện trên chuột đồng cho thấy, tiêu thụ nhiều
hợp chất phenolic sẵn có trong táo và nho một thời gian dài sẽ giảm đáng kể sự tích tụ
chất béo trên thành động mạch.
Chống táo bón: Cũng giống như một số loại hoa quả khác, mỗi ngày bạn nên ăn từ 1 –
2 trái táo sẽ giảm thiểu nguy cơ mắc các bệnh về đường tiêu hóa, đặc biệt là táo bón.

3


Giảm nguy cơ tiểu đường: Phụ nữ ăn tối thiểu 1 trái táo/ ngày sẽ giảm 28% nguy cơ
mắc bệnh tiểu đường so với những phụ nữ không ăn táo.
Hỗ trợ giảm thiểu các vấn đề về hô hấp: Ăn ít nhất 5 trái táo mỗi tuần giúp phổi hoạt
động tốt hơn nhờ chất chống oxy hóa Quercetin có trong vỏ táo.
Tăng cường hệ miễn dịch: Mỗi trái táo chứa khoảng 8mg vitamin C cung cấp khoảng
14% nhu cầu vitamin C hàng ngày của cơ thể, có tác dụng tăng cường hệ thống miễn
dịch.
Tác dụng làm đẹp:
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, axit ursolic có trong vỏ táo có tác dụng làm giảm nguy
cơ béo phì. Các nhà khoa học giải thích, axit ursolic thúc đẩy cơ thể đốt cháy calo,
tăng việc hình thành cơ và giảm chất béo lâu năm trong cơ thể. Chất béo trong táo
không đáng kể, hầu như không chứa protein nên cung cấp ít calo (trung bình 100g chỉ
có 60 calo); đồng thời, hàm lượng axit malic ít, lại phân tán dễ dàng trong cơ thể nên
là cách giảm béo hữu hiệu. Lượng lớn chất xơ có trong táo khiến bạn no lâu hơn mà

không tiêu thụ nhiều calo (1 trái táo bình thường chỉ chứa khoảng 95 calo). Chất xơ
phức tạp của táo khiến cơ thể phải mất nhiều thời gian hơn để tiêu hóa so với những
chất khác như đường hay tinh bột. Bạn hãy ăn mỗi ngày 2 trái táo nếu muốn giảm béo
và chất mỡ dưa thừa của cơ thể.
Trong lĩnh vực thẩm mỹ, dùng rượu táo để hạn chế gàu trên tóc và làm chất thơm để
khử mùi của cơ thể, nhất là ở những người có mồ hôi dầu. Táo còn được sử dụng để
chế tạo một số sản phẩm mặt nạ hiệu quả.

1.2. Quy trình cô đặc nước Táo
Đây là quy trình cô đặc nước ép táo:
Táo
Chọn lựa
Rửa 4


Gọt vỏ và bỏ hạt
Ép
Lọc thô
Gia nhiệt
Ly tâm
Cô đặc
Rót chai
Ghép nắp
Thanh trùng
Bảo quản
Sản phẩm
Hình 1.2 Quy trình cô đặc nước Táo (Nguồn internet)

1.3. Thuyết minh qui trình
 Lựa chọn phân loại: nhằm loại bỏ những quả không đạt chuẩn như: sâu bệnh, thối

hỏng, mốc…, sau đó ta tiến hành phân loại màu sắc, độ chín,…
 Rửa: nhằm loại trừ tạp chất cơ học như đất, cát, bụi và làm giảm lượng vi sinh vật
ngoài vỏ nguyên liệu. Yêu cầu cơ bản sau khi rửa là táo không bị dập nát, tổn thất dinh
dưỡng…
Nước để rửa cũng như trong công nghiệp chế biến (chần, nấu, pha chế,...) phải là nước
ăn đảm bảo theo tiêu chuẩn bộ y tế.
 Gọt vỏ và bỏ hạt: nhằm loại bỏ các phần không sử dụng được như vỏ, hạt, cuốn để
tránh ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
 Ép: là phương pháp chủ yếu để tách dịch bào ra khỏi nguyên liệu, trong quá trình
này hiệu suất ép là quan
Rót trọng
chai nhất nó phụ thuộc vào: phẩm chất nguyên liệu, phương
5

Ghép nắp
Thanh
Sản phẩm
Bảo
quản
trùng


pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ chắc của nguyên liệu và hiệu suất ép.. dịch bào
chứa trong không bào được bao bọc bởi chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh có tính
bán thấm, ngăn cản sự tiết dịch bào. Vì vậy để nâng cao hiệu suất ép thì giảm tính bán
thấm xuống bằng cách làm biến đổi chất nguyên sinh hay làm chết tế bào.

Hình 1.3 Máy ép Táo (Nguồn internet)

 Lọc thô:sau khi ép phần dịch quả và thịt quả có kích thước nhỏ hơn lỗ lọc sẽ được

đẩy ra và chảy vào ống góp ở phía dưới, nước quả sẽ được dẫn qua thiết bị kế tiếp.
Phần bã còn nằm bên trong ống lọc sẽ được hút ra ngoài thông qua một lỗ đóng mở
được.
 Gia nhiệt: tiến hành gia nhiệt bằng thiết bị gia nhiệt dạng ống trùm hay ống lồng.
mục đích gia nhiệt để làm kết tủa các thành phần không tan trong dung dịch quả làm
ảnh hưởng đến tính chất cảm quan của sản phẩm. có thể bổ sung chất trợ lắng để tăng
hiệu quả cho quá trình. Lưu ý cần gia nhiệt nhanh để tránh tổn thất chất khô ở 70 –
75oC.
 Ly tâm: nhằm mục đích tách bã và các chất keo đã kết tủa sau quá trình gia nhiệt
làm cho dịch quả đem cô đặc có độ đồng nhất cao và những ảnh hưởng xấu của quá
trình cô đặc sản phẩm.
 Cô đặc:
Nguyên tắc: khi giảm nhiệt độ của nước Táo chưa bão hòa xuống nhiệt độ đóng băng
của nó thì dung môi (nước) sẽ đóng băng trước, còn chất hòa tan như: đường, acid,…
vẫn còn ở dạng dung dịch. Tách pha rắn và pha lỏng ly tâm bằng cách ly tâm kết hợp
với dao cạo nước đá, dung dịch thu được chính là nước Táo cô đặc. So với phương
pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổn thất chất hòa tan nhiều hơn nhưng
sản phẩm có chất lượng cao, giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và tính cảm quan
cho sản phẩm mà phương pháp bốc hơi không có được.

6


 Rót chai, ghép nắp: để đảm bảo được hương vị và chất lượng người ta dùng chay
thủy tinh và bảo quản ơt nhiệt độ 0 - 5 oC. sau khi gót xong cần phải ghép nắp, quá
trình ghép kính nhằm cách ly hoàn toàn với môi trường không khí vì vi sinh vật gây hư
hỏng, làm giảm phẩm chất của sản phẩm. mặt khác nắp chai được ghép thật kín và thật
chặt nhằm đảm bảo quá trình thanh trùng không bị bật nắp hoặc hở mối ghép.
 Thanh trùng: là quá trình quan trọng có tính chất quyết định khả năng bảo quản
chất lượng sản phẩm. quá trình thanh trùng nhằm tiêu diệt hoàn hoàn toàn hay ức chế

các vi sinh vật gây hư hỏng và các nha bào của chúng. Yêu cầu kĩ thuật thanh trùng là
tiêu diệt vi sinh vật có hại còn lại ít đén mức độ không thể phát triển để làm hư hỏng
đồ hộp và làm hại sức khỏe người tiêu dùng, lại vừa đảm bảo cho đồ hộp có chất lượng
tốt nhất về giá trị cảm quan sản phẩm.
 Bảo quản: nhằm theo dõi sự ổn định của sản phẩm, sớm phát hiện các đồ hợp bị hư
hỏng. thời gian ổn định của nước quả ít nhất 15 ngày. Tiến hành bảo quản bằng cách
lấy riêng 1% số lượng đóng chai, bảo quản tại phòng kiểm tra ở nhiệt độ 37 oC để phát
hiện hoạt động của 1 số vi sinh vật có hại.
 Sản phẩm: đây là khâu cuối cùng củ qui trình sản xuất. các chai được đóng gói,
dãn nhãn và xuất xưỡng. sản phẩm được phân phối thị trường và đến tay người tiêu
dùng.
1.4. Giới thiệu về lý thuyết cô đặc và thiết bị cô đặc
1.4.1. Giới thiệu chung về cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách
đun sôi, dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại
trong dung dịch.
Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc (do có nhiệt độ cao nên được tận dụng lại).
Hơi đốt: hơi đun sôi dung dịch (thường từ lò hơi).
- Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng vai trò hết sức quan trọng,
được ứng dụng với mục đích:
+ làm tăng nồng độ chất tan.
+ tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
+ thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Cô đặc ở nhiệt độ sôi mọi áp suất (chân không, áp suất thường…), trong thiết bị cô đặc
một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoạn hay liên tục.
1.4.2. Các phương pháp cô đặc
7


- phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang 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 ở mức nào đó thì một số cấu tử sẽ tách ra
dạng tinh thể đơn chất, tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất
tan. Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết
tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng máy lạnh.
- Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong thiết bị một nồi hay nhiều nồi làm việc
gián đoạn hoặc liên tục.
1.4.3. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

Hình1.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm (Nguồn internet)

- Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các
ống truyền nhiệt sẽ sôi trở nên nhẹ và tuần hoàn lên buồng bốc. tại đay hơi nước được
tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị
và theo ống truyền nhiệt trở lên trên. Quá rình trao đổi nhiệt được thực hiên chủ yếu
trong ống truyền nhiệt.
- Sau nhiều lần hơi nước tách ra khỏi dung dịch càng nhiều, nồng độ dung dịch tăng,
độ nhớt tăng. Do đó tốc độ chuyển động của dung dịch càng chậm về phía sau, quá
trình kết thúc khi dung dịch đạt nồng độ yêu cầu.
- Tốc độ chuyển động tuần hàn càng tăng thì hệ số cấp nhiệt về phía dung dịch càng
tăng, quá trình bốc hơi xảy ra mạnh, nồng độ chất tan càng nhanh chóng và đạt yêu
cầu, tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng sấy.
8


9


CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ CHÍNH

2.1. Dữ liệu ban đầu
2.1.1. Yêu cầu
- Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi dung dịch nước Táo
Nồng độ đầu: Xđ = 12% = 0,12%
Nồng độ cuối: Xc = 30% = 0,3%
Năng suất nhập liệu: Gđ = 1,5 tấn/h = 1500 kg/h
Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu: chọn tđ = 24oC
- Công việc thiết kế bao gồm:
Tính toán kích thước thiết bị chính: buồng bốc, buồng đốt, nắp, đáy mỗi nồi.
Bản vẽ thiết bị chính khổ A1.
2.1.2. Quy ước
Để đơn giản trong việc chú thích Tài liệu, qui ước kí hiệu như sau:
[AI - X] – sổ tay và thiết bị công nghệ hóa chất, tập 1, nhà xuất bản khoa học và kĩ
thuật.
[AII - X] - sổ tay và thiết bị công nghệ hóa chất, tập 2, nhà xuất bản khoa học và kĩ
thuật.
[AIII - X] – các quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 3, các quá
trình và thiết bị truyền nhiệt, tác giả Phạm Xuân Toàn.
[B - X] – sổ tay và thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, TS Phạm
Văn Thơm.
Với: X là số trang.
Số chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ web được ghi trong dấu ().
2.2. Cân bằng vật liệu
2.2.1. Lượng nước bốc hơi và lưu lượng tháo liệu của hệ thống
- Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặc:
GđXđ = GcXc

[B - 105] – (III - 3)

Với Gđ, Gc: lưu lượng ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) của dung dịch (kg/h).

Xđ, Xc: nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phần khối lượng.
W: lượng hơi thứ (kg/s).
10


- Dựa vào phương trình ta có:
= 3750(kg/h) = 1,0416 (kg/s)
2.2.2. Lượng hơi thứ bốc lên (W)
Gđ = G c + W
 W = Gđ – Gc = 3750 –1500 = 2250 (kg/h) = 0,625 (kg/s)
2.3. Cân bằng nhiệt lượng
Ta xác định được hơi đốt ta tự chọn và nhiệt độ hơi thứ tra [B-39] – (II-7)

Bảng 2.1. nhiệt độ và áp suất hơi của nồi
Hơi đốt
Hơi thứ
Hơi ngưng

Áp suất (at)
0,6108
0,2133
0,2099

Nhiệt độ (oc)
88
63
62

1.3.1. Xác định tổn thất nhiệt độ 

Hình 2.1 Biến đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc (Nguồn internet)

11


Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao ’.
Theo công thức tisenco:
’ = 0’.f

[B-106] – (III-5)

Trong đó:
0’: tổn thất nhiệt ở áp suất thường.
0’ = 1,42 oC. tra trên
f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc thường làm việc ở áp suất khác với áp suất
thường (1at).
[B-106]
Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc về giá trị thì bằng nhiệt độ
hơi thứ oK.
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc (J/kg).

[B-39]

Lấy r = 2378.103
Mà
f = 16,2. = 16,2. = 16,2.= 0,769
 ’=0’.f = 1,42. 0,769 = 1,092 oC
Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ’’
- Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu của lớp dung dịch: ở trên bề mặt dung
dung dịch thì áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất ở trên

mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong quá trình tính
toán, ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch:
Pht = P’ + P
Với P = (h1 +).s.g

[B-110] – (III-7)
(N/m2)

Và s = , kg/m2
Trong đó:
P’ : áp suất trên bề mặt dung dịch (N/m2)
P’ = Pht = 0,2133 (at)
P: áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến nữa ống (N/m2)
h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng
của dung dịch (m) h1=0.5
h2: chiều cao của dung dịch chứa trong ống truyền nhiệt (m) h2=1/2
12


s: khối lương riêng dung dịch khi sôi (kg/m3)
: khối lương riêng dung dịch (kg/m3)
g: gia tốc trọng trường (m/s2)
 = 1134,1 kg/m3 (tra trên )
Ta có:
P = (h1 +).s.g
= (h1 +) . . g
= (0,5 + . . 9,81 = 5562,76 (N/m2)
= = 0,0567 (at)
Ta có
Ptb = P’ + P = Pht + P = 0,2133 + 0,0567 = 0,27 (at)

Tra theo [B-111]  ttb = 67 oC
Công thức tra trang 111-STTB [4]
’’ = ttb – tht = 67 – 63 = 4 oC[B-111]
Tổn thất nhiệt do trở lực thủy học trên đường ống ’’
thường chấp nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi khác
và từ nồi cuối cùng đến thiết bị nhưng tụ là 1 oC.
’’’ = 1 oC.

[B-111]

Tổn thất chưng trong toàn hệ thống cô đặc:
 = ’ + ’’ + ’’’ = 1,092 + 4 + 1 = 6,092 oC

[B-111]

1.3.2. Hiệu suất nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi dung dịch
Hiệu suất nhiệt độ hữu ích ti
tch = T – tng = thd – tng = 88 – 62 = 26 oC

[B-111]

ti = tch -  = 26 – 6,092 = 19,908 oC
Nhiệt độ sôi dung dịch ts:
ts = thd + ’ + ’’ = 63 + 1,092 + 4 = 68,092 oC

[B-111] – (III-10)

1.3.3. Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng đầu của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức sau:
13

Cđ = 4186.(1 – xđ), (J/kg. độ)

[AI-152] – (1-43)

Với X là nồng độ chất hòa tan , phần khối lượng %
 Cđ = 4186 .(1 – 0,12) = 3683,68 (J/kg. độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch cuối:
Cdd = Cc = 4190 – (2514 – 7,542 . ts). Xc (J/kg. oC)
= 4190 – (2514 – 7,542 . 68,092 . 0,3) = 3589,865 (J/kg. độ)

[AI-153] – (1-50)

1.3.4. Lượng hơi đốt tiêu thụ
Gọi:
D: lương hơi nước cho vào nồi, kg/s.
I: hàm nhiệt hơi đốt
I = 2658,4.103 ((J/kg)

[B-39]

i: hàm nhiệt hơi thứ
i= 2613,82.103 (J/kg)

[B-39]

tđ, ts: nhiệt độ đầu và cuối dung dịch oC.
 = tng = 62 oC, nhiệt độ nước ngưng, coi nhiệt độ nước ngưng bang nhiệt độ hơi đốt.
Cđ, Cc, Cn : nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng (J/kg. độ).

Cn =4252,8 (J/kg. độ)

[B-38]

Hình 2.2. cân bằng nhiệt lượng trong nồi cô đặc (Nguồn internet)

Lượng nhiệt vào:
Do dung dịch đầu: Gđ, Cđ, tđ
14


Do hơi đốt: D, I
Lượng nhiệt mang ra:
Do sản phẩm: Gc, Cc, tc
Do hơi thứ: W, i
Do nước ngưng: D, C, 
Ta có:
Công thức [AIII-142] – (1-32)
D = W() + GđCđ()
= 0,625.() + 1,0416 . 3683,68 . ()
= 0,71 (kg/s) = 2602,8 (kg/h)
r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
r = 2289,8.103 (J/kg), tra ở thđ = 88oC

[B-39]

QD = D.r = 0,71.2289,8.103 = 1625758 (W)
Bảng 2.2. lượng nhiệt do hơi cung cấp
Nồi

D (kg/h)
2602

Thđ (oC)
88

r (J/kg)
2289800

Q (W)
1625758

2.4. Tính bề mặt truyền nhiệt
2.4.1. Hệ số cấp nhiệt
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:
Nhiệt truyền từ hơi đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt 1 và tải
nhiệt riêng q1.
Dẫn nhiệt qua thành ống.
Nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hê số cấp nhiệt nhiệt 2 và tải nhiệt
riêng q2.
Ta có:
t1 = thđ – tT1 , oC
t2 = tT2 – ts , oC
t = t1+t2

15


Hình 2.3 Truyền
mặt (Nguồn

nhiệt qua bề

2.4.2. Hệ số cấp
phía hơi ngưng

nhiệt 1,
tụ

internet)

- Hệ số cấp nhiệt
1, với ống
truyền nhiệt đặt
thẳng đứng
thì hệ số 1 đối với hơi bão hòa ngưng tụ ta tính theo công thức [AII-28] – (V-101)
1= 2,04 . A .

W/m2.độ

Với:
r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = 1m)
A: trị số phụ thuộc tm
A=
Bảng 2.3 Giá trị A phụ thuộc vào tm
Tm (oc)
A

0

104

20
120

40
139

60
155

80
169

100
179

Chọn t1 = 2,14oC
tT1 = thđ - t = 88 – 2,14 = 85,86 oC
nhiệt độ màng tm:
tm = = = 86,93 oC
 A = 172,465

[AII-29]

r = 2289.103 (J/kg), tra ở thđ 88oC [B-39]
vậy:
1= 2,04 . 172,465 . = 11315,587 (W/m2.độ)
Ta có:
q1 = 1 . t1 = 11315,587.2,14 = 24215,356(W/m2)

Bảng 2.4 Hệ số nhiệt 1, phía hơi ngưng tụ
16

120
188

140
194

160
197

180
199

200
199


Thđ
o
C
Nồi

Ts
o
C

t1
o

C

tT1
o
C

Tm
o
C

A

68,092

2,14

85,86

88,93

172,456 2289.103

r
(J/kg)

1
(W/m2.độ)

q1
(W/m2)

11315,587

24215,356

2.4.3. Hệ số cấp nhiệt 2, từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi
Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định.
t2 = tT2 – ts mà tT2 = tT1 - q1 . r
Với: r = r1 + r2 + r3
Chọn hơi đốt (hơi nước bảo hòa) là nước sạch theo [AII-4] – (VI)
 r1 = 0,232.10-3 nhiệt trở của nước sạch (m2.độ/W)
 r2 = 0,387.10-3 nhiệt trở của cặn bẩn (m2.độ/W)
Chọn bề dày của ống truyền nhiệt;  = 0,002 (m)
Chọn vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc là thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt:
 = 50 (W/m2.độ)
 r3 = = = 4.10-5
r = r1 + r2 + r3
= 0,232.10-3+0,387.10-3+4.10-5 = 6,59.10-4 (m2.độ/W)
TT2 = tT1 – q1. r
= 85,86 – (24215,356 . 6,59.10-4) = 69,902oC
 t2 = tT2 – ts = 69,902 – 68,092 = 1,81oC
Khi dung dịch (dung môi là nước) sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì hệ số cấp
nhiệt khi chất lỏng sôi được tính theo CT [AII-71] – (VI-27)
Ta có:
2 = dd = n.( . [)]2 . () . ]0,435 (W/m2.K)
Trong đó:
n: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc dung dịch theo nồng độ. Do nước sôi sủi bọt
nên n được tính theo công thức [AII-26] – (V-91)
n = 0,145 . (W/m2.độ)
17

t2 = 1,81oC
P = Pht . 9,81.104 = 0,2133 . 9,81.104 = 20924,73 (N/m2)
n = 0,145 .. = 83,577(W/m2.độ)
Bảng 2.5 Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi
q W/m2

tT1 oC

tT2 oC

t2 oC

n(W/m2.độ)

24215,356

85,86

69,902

1,81

83,577

Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (J/kg.độ)
dd: độ nhớt dung dịch khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Ns/m2)
dd= 6,519 (mpa.s) = 0,006519 (Ns/m2)
Tra theo: />dd: khối lượng riêng dung dịch khi cô đặc nồng độ dung dịch (kg/m3)

dd = 1134,1 kg/m3
Tra theo: />Cn: nhiệt dung riêng của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (J/kg.độ)
Cn = 4183 (J/kg.độ)
n: độ nhớt nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch (Ns/m2)

n = 0,4916.10-3 (Ns/m2)
n: khối lượng riêng nước khi cô đặc nồng độ dung dịch (kg/m3)

n = 981,58 (kg/m3)
n: hệ số dẫn nhiệt của nước (W/m2.độ)

n = 66,14.10-2 (W/m2.độ)
Cn , n , n [B-39]
dd: hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng
Theo CT [AI-123] – (I-32)
dd = A.Cp..
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)
Cp = Cdd = 3589,865 (J/kg.độ)
18


: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)
 = dd = 1134,1(kg/m3)
A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước.
A = 3,58.10-8 [AI-123]
M: khối lượng mol của hỗn hợp loãng, ở đây hỗn hợp là đường và nước.
M = a . Mđường + (1 - a) . MH20
a: nồng độ đường trong dung dịch là 30% (Xc)
a = = = 0,0221 (mol)

 M = 0,0221.342 + (1-0,0221).18 = 25,1604 (kg/mol)
dd = 3,58.10-8. 3589,856. 1134,1 . = 0,519 (W/m.độ)
 2 = 83,756. . [
= 13776,983 (W/m2.độ)
 q2 = 13776,983 . 1,81 = 24936,34 (W/m2.độ)

19


Bảng 2.6 nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi

Nồi

Dung
dịch
Nước


(W/m.độ)
0,519


(kg/m3)
1134,1

C
(J/kg.độ)
3589,865



(m.Pas)
0,006519

66,14.10-2

981,58

4183

0,4916.10-3

2
(W/m2.độ)
13776,983

q2
(W/m2.độ)
24936,34

Kiểm tra lại giả thuyết:

qtb 24575,848 (W/m2)
2.5. Hệ số truyền nhiệt K
Theo công thức [ B-116] – (III-17)
K = (W/m2.độ)
2.6. Bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức [B-118]-(III-2)
F = = = 66,15 (m)
Bảng 2.7 Bề mặt truyền nhiệt
Nồi

Q (W)
1625758

K (W/m2.độ)
1234,47

2.7. kích thước buồng đốt
2.7.1. số ống truyền nhiệt
Theo công thức [B-121] – (III-25)
n = = = 1193,5 (ống)
lấy n = 1200 ống, l = 1 chiều dài ống truyền nhiệt (m)
Vì 1 > 2 nên d = dt = 0,0157 (m)
dt tra theo />
2.7.2. đường kính ống tuần hoàn trung tâm
Theo công thức [B-121] – (III-26)
20

(oC)
19,908

F (m2)
66,15


Dth = = = 0,195 (m)
Trong đó:
ft: tiết diện ngang của ống tuần hoàn (m 2), thường lấy 25  30 tổng tiết diện ngang của
ống gia nhiệt FD.
FD = = = 0,12 (m2)

ft = 0,12.0,25 = 0,03 (m2)
2.7.3. đường kính buồng đốt
- Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và theo hình lục giác đều thì đường kính
trong được tính theo công thức: [B-121] – (III-28)
Dt = Dbđ =
=
= 0,716 (m)
Trong đó:
 = 1,3  1,5
Lấy  = 1,3
: hệ số sử dụng ống đỡ,  = 0,7  0,9
Lấy  = 0,9
dn: đường kính ngoài ống truyền nhiệt (m)
l: chiều dài ống truyền nhiệt (m)
Dd: bề dày ống tuần hoàn (m)
Dd = 0,00559 (m)
dth: đường kính ngoài ống tuần hoàn (m)
dth = Dd + Dth = 0,195 + 2. 0,00559 = 0,506 (m)

2.8. Đường kính buồng bốc.
- Thể tích của buồng đốt (không gian hơi), chiều cao, đường kính và bản chất của dung
dịch có mối quan hệ với nhau. Thường người ta tính thể tích buồng bốc có thể chọn
đường kính hoặc chiều cao buồng bốc. Trong thực tế, chiều cao buồng bốc phải lớn
hơn 1,5m. Nếu cô đặc dung dịch tạo ra nhiều bọt thì chiều cao buồng bốc có thể từ 2,5
 3m.
21