Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi chân không cô đặc nước quả từ 8 bx lên 20 bx với năng suất 500 kg h 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNSH & CNTP


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CNSH & CNTP
Đề tài: Tính Toán Và Thiết Kế Thiết Bị Cô Đặc Một Nồi Chân Không
Cô Đặc Nước Quả Từ 8 Bx Lên 20 Bx Với Năng Suất 500 [Kg.h-1]

Lớp:

Kĩ Thuật Thực Phẩm 01 – K57

GVHD:

PGS. TS. Tôn Thất Minh

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam chúng ta là một nước nhiệt đới gió mùa nên rất thích h ợp cho s ự phát tri ển c ủa
các cây ăn quả nhiệt đới quanh năm phát triển. Nắm bắt đ ược l ợi th ế này, chúng ta đã phát
triển các vùng trồng cây ăn quả rộng lớn, cho năng suất cao, đáp ứng đ ược nhu c ầu tiêu th ụ
trong nước và xuất khẩu quốc tế.
Hà Nội 2016


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nhu c ầu v ề tiêu th ụ

các loại hoa quả không chỉ dừng lại ở hoa quả tươi mà còn các sản ph ẩm
khác từ hoa quả như: nước hoa quả, mứt, sữa hoa quả,… Đi ều này yêu c ầu
cần phải có một phương pháp sơ chế và chế biến nước quả thành sản phẩm
hay bán thành phẩm nhằm bảo quản hay làm nguyên liệu cho các quá trình
sau.
Hiện tại, đối với hoa quả tươi, các phương pháp bảo quản chủ y ếu là làm
lạnh hoặc bảo quản bằng CO2. Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ bảo quản
được trong thời gian vài tháng, hơn nữa chi phí mặt bằng và năng l ượng cao.
Do vậy, nếu sản phẩm không yêu cầu giữ nguyên quả thì một trong nh ững
phương pháp được chọn để bảo quản nguyên liệu, phục vụ cho các quá trình
sau là ép lấy nước sau đó cô đặc. Phương pháp này sẽ đ ảm b ảo cho vi ệc hoa
quả ngay khi nhập kho sẽ được chế biến ngay để nhằm đảm bảo ch ất l ượng
nguyên liệu. Hơn nữa, hoa quả sau khi sơ chế theo phương pháp này sẽ b ảo
quản được trong thời gian lâu hơn; chi phí về mặt bằng và năng l ượng ít h ơn
so với bảo quản hoa quả tươi.
Nắm bắt được các yêu cầu và nhu cầu ngày càng cao về lo ại thi ết b ị cô
đặc nước quả, em được PGS. TS. Tôn Thất Minh giao cho đ ề tài: “Tính toán và
thiết kế thiết bị cô đặc một nồi chân không cô đặc nước quả từ 8 Bx lên 20 Bx
với năng suất 500 [Kg.h-1]”.
Do kinh nghiệm cũng như kiến thức thực tế còn hạn chế, em rất mong
các thầy cô trong bộ môn giúp đỡ để đồ án chuyên ngành I của em đ ược hoàn
thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

2Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

MỤC LỤC

3Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo một khảo sát online trên trang về xu
hướng sử dụng các loại nước giải khát ở Việt Nam năm 2013 cho bi ết:
Xu hướng nổi lên trong vài năm gần đây là s ử dụng các loại n ước ép trái
cây và nước ép trái cây chứa sữa để bổ sung dưỡng ch ất cho c ơ th ể. Trên k ệ
các siêu thị xuất hiện ngày càng nhiều các loại nước ép. Theo kh ảo sát c ủa
Công ty nghiên cứu thị trường W&S từ 402 mẫu có tổng thu nh ập gia đình
trên 7 triệu đồng/tháng, về nhu cầu và thói quen sử d ụng các lo ại n ước ép
trái cây đóng gói, kết quả có 62% người tiêu dùng l ựa ch ọn n ước ép trái cây,
trong khi nước giải khát có ga chỉ có 60%. Đáng l ưu ý là có h ơn m ột n ữa s ố
người được khảo sát có thói quen uống nước ép trái cây mỗi ngày.
Nước cam ép được nhiều người lựa chọn hơn các loại n ước ép khác. Các
loại nước ép trái cây nhãn hiệu Vfresh của Công ty Vinamilk đ ược ưa chu ộng
nhiều nhất, chiếm 69,3%, kế đến là nước ép trái cây c ủa Công ty Tân Hi ệp
Phát. Nhà máy Chương Dương, ngoài những sản ph ẩm truy ền th ống đ ược
biết đến nhiều như sá xị, soda, cam còn cho ra dòng sản phẩm n ước giải khát
nha đam, dứa, cà rốt…

4Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

Xu hướng người tiêu dùng chuyển sang sử dụng các loại n ước qu ả thì có
nhiều lý do, tuy nhiên chủ yếu là về lý do sức khỏe và nhu cầu s ử d ụng ngày
càng cao.
 Lý do sử dụng nước quả (nguồn: Vinaresearch ):

 Tần suất sử dụng nước quả (nguồn: Vinaresearch):

Nắm bắt được các nhu cầu cao của thị trường, các doanh nghiệp và c ơ s ở
chế biến ngày càng phát triển và kèm theo đó là nhu cầu về thiết bị, đ ặc bi ệt
5Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

là thiết bị cô đặc nước quả. Do vậy, đề tài tính toán và thiết k ế thi ết b ị cô đ ặc
nước quả là hoàn toàn cần thiết và đúng đắn.

2. Mục đích của đề tài, khả năng ứng dụng và phát triển
Mục đích của đề tài là tính toán và thiết kế thiết bị cô đ ặc n ước qu ả v ới

năng suất 500 [Kg.h-1] (quy mô vừa và nhỏ) để tạo sản phẩm hoặc bán thành
phẩm nhằm tiện lợi cho việc bảo quản và chế biến sau này. Đ ảm bảo ch ất
lượng nguyên liệu đầu vào và giảm chi phí mặt bằng và năng lượng.
Thiết bị cô đặc chân không không chỉ cần thiết trong công ngh ệ s ản xu ất
nước quả mà còn được sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất các loại sản
phẩm khác như: tương cà, tương ớt,… hay cô đặc đ ường (trong s ản xu ất
đường). Do vậy, khả năng ứng dụng và phát triển rất cao vì th ế mà thiết b ị cô
đặc cũng được thiết kế trong một dải rộng ứng với nhiều ch ế độ công ngh ệ
của nhiều sản phẩm khác nhau. Từ đó góp phần gia tăng giá tr ị cho s ản
phẩm cho nông sản Việt Nam, giải quyết bài toán về bảo quản nông s ản sau
thu hoạch.

3. Yêu cầu chung
Thiết bị cô đặc nước quả được thiết kế phải đảm bảo một số các yêu cầu
sau:
- Yêu cầu về thiết bị:
 Buồng đốt và buồng bốc hơi phải đủ lớn, đáp ứng yêu c ầu công
nghệ;
 Có khả năng đo nhiệt độ, áp suất bên trong buồng bốc và buồng
đốt;
 Có van điều khiển cường độ hơi vào;
 Có kính quan sát;
 Nhỏ gọn, dễ chế tạo và lắp đặt;
 Dễ vệ sinh, bảo dưỡng.
- Yêu cầu về công nghệ:
 Năng suất (theo sản phẩm): 500 [Kg.h-1];
 Nhiệt độ cô đặc (bốc hơi): 60 oC;
 Nồng độ đạt 20 Bx khi ra khỏi thiết bị.
6Page

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

 Tổn thất chất khô ít nhất.

7Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

PHẦN II: PHẦN TỔNG QUAN
1. Tổng quan về các loại nước quả
a. Các loại quả lấy nước chủ yếu
Trên thực tế, có rất nhiều các loại quả được sử dụng để làm n ước quả
nhưng chủ yếu, được ưa chuộng nhất là cam,táo và chanh. Theo một kh ảo sát
online trên trang năm 2013, ta thấy được xu hướng
sử dụng nước quả được thể hiện trên biểu đồ bên dưới.

b. Quy mô trồng trọt và tiềm năng phát triển
Theo trung tâm thông tin thương mại ( ) trong bài
viết “thực trạng và phát triển cây ăn trái đến năm 2015” – năm 2006 cho
biết:
- Quy mô trồng trọt:
Diện tích cây ăn quả cả nước trong thời gian qua tăng khá nhanh, năm

2005 đạt 766,9 ngàn ha (so với năm 1999 tăng thêm ngàn ha, t ốc đ ộ tăng bình
quân là 8,5%/năm), cho sản lượng 6,5 triệu tấn (trong đó chu ối có s ản l ượng
8Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

lớn nhất với khoảng 1,4 triệu tấn, tiếp đến cây có múi: 800 ngàn t ấn, nhãn:
590 ngàn tấn). Vùng Đồng bằng sông Cửu Long có di ện tích cây ăn qu ả l ớn
nhất (262,1 ngàn ha), sản lượng đạt 2,93 triệu tấn (chi ếm 35,1% v ề di ện
tích và 46,1% về sản lượng).
Do đa dạng về sinh thái nên chủng loại cây ăn quả của n ước ta r ất đa
dạng, có tới trên 30 loại cây ăn quả khác nhau, thuộc 3 nhóm là: cây ăn qu ả
nhiệt đới (chuối, dứa, xoài…), á nhiệt đới (cam, quýt, v ải, nhãn…) và ôn đ ới
(mận, lê…). Một trong các nhóm cây ăn quả lớn nh ất và phát tri ển m ạnh nh ất
là nhãn, vải và chôm chôm. Diện tích của các loại cây này chiếm 26% t ổng
diện tích cây ăn quả. Tiếp theo đó là chuối, chiếm khoảng 19%.
Trên địa bàn cả nước, bước đầu đã hình thành các vùng trồng cây ăn qu ả
khá tập trung, cho sản lượng hàng hoá lớn. Riêng trái cam đ ược tr ồng t ập
trung ở ĐBSCL, với diện tích 28,7 ngàn ha, cho sản lượng trên 200 ngàn t ấn.
Địa phương có sản lượng lớn nhất là tỉnh Vĩnh Long: năm 2005 cho s ản
lượng trên 47 ngàn tấn. Tiếp theo là các tỉnh Bến Tre (45 ngàn t ấn) và Ti ền
Giang (42 ngàn tấn). Trên vùng Trung du miền núi phía Bắc, cây cam sành
cùng được trồng khá tập trung ở tỉnh Hà Giang, tuy nhiên, s ản l ượng m ới đ ạt
gần 20 ngàn tấn.
- Tiềm năng phát triển:
Theo đề án qui hoạch chuyển đổi cơ cấu sản xuất nông, lâm nghiệp, thuỷ

sản cả nước đến năm 2010 và tầm nhìn 2020 mới nhất của Thủ tướng Chính
phủ thì trong đó, đối với cây ăn quả Chính phủ định h ướng: Trong nh ững năm
tới mở rộng diện tích 11 loại cây ăn quả có lợi thế. Diện tích cây ăn quả đến
năm 2010 đạt 1 triệu ha, tầm nhìn năm 2020 khoảng 1,3 tri ệu ha. Bố trí ch ủ
yếu ở Trung du miền núi phía Bắc, Đồng bằng Sông Cửu Long, Đông nam bộ,
Đồng bằng Sông Hồng và một số vùng khác có đủ điều kiện.
Rà soát chương trình phát triển rau quả, hoa cây cảnh đến 2010 và qui
hoạch 11 loại cây ăn quả chủ lực xuất khẩu (bao gồm: Cam sành, B ưởi Năm
Roi, Bưởi da xanh, Xoài cát Hoà Lộc, Sầu riêng, Măng c ụt, Thanh long, Vú s ữa
Lò rèn, Vải, Nhãn xuồng cơm vàng và Dứa.
Qua đây ta có thể thấy được diện tích cây ăn quả càng ngày càng tăng
trong đó có cây cam – loại nước hoa quả được sử dụng phổ bi ến nhất, sẽ
được đầu tư phát triển, mở rộng vùng nguyên liệu.
9Page


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

10 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

c. Giá trị dinh dưỡng và lợi ích đối với sức khỏe

- Nguồn cung cấp Cacbonhydrat:
Trong những loại hoa quả thông th ường đều bao gồm 3 loại đ ường chủ
yếu là: đường fructose, đường glucose và đường saccarose. Nh ư quả táo, qu ả
lê thì đường fructose là chủ yếu; quả nho, qu ả dâu tây, qu ả đào có hàm l ượng
đường glucose tương đối lớn; quả cam, qu ả quýt, qu ả đào, qu ả m ật qu ả
hạnh... thì hàm lượng đường saccarose là chính. Hàm l ượng đ ường có trong
các loại trái cây thông thường là từ 10% - 20%, hàm l ượng đ ường v ượt 20%
có quả táo, qu ả d ừa, quả chu ối, hàm lượng đường th ấp hơn có dâu tây, qu ả
chanh, quả dâu ta, quả đào... Tr ước khi trái cây chín, h ợp ch ất hydrate cacbon
chủ y ếu lấy tinh bột làm chính, cùng với quá trình chính của quả m ới d ần
dần chuyển hóa thành đường.
- Nguồn cung cấp Vitamin:
Hoa quả là nguồn cung cấp vitamin quan trọng cho con người. Nhi ều lo ại
trái cây tươi đều có hàm lượng vitamin C phong phú, trong đó hàm l ượng
vitamin C có trong quả táo ta là cao nh ất, nó gấp mấy chục lần th ậm trí là
hơn trăm lần so với các loại trái cây khác. Hàm lượng vitamin C có trong qu ả
táo tàu, quả lê, qu ả h ạnh thì thấp hơn. Đối với những loại cây có màu đ ỏ
hoặc màu vàng như quả cam, qu ả quýt, c ủ cà r ốt, quả h ồng, hàm l ượng
caroten tương đối nhiều. Ví dụ nh ư quả kiwi vàng có hàm l ượng vitamin C
gấp đôi quả cam. Qu ả mãng c ầu, cứ 100 gam qu ả có 8050 micrograms, đ ối
với loại cam quýt cứ 100 gam thì có hàm l ượng caroten từ 800-5140
micrograms, sơn trà là 700 micrograms, quả h ạnh là 450 micrograms, quả
hồng là 440 micrograms. Có một số loại trái cây như táo tầu, quả lê, qu ả h ạch
đào, quả nho và quả vải thì hàm lượng caroten rất thấp.
- Nguồn cung cấp muối vô cơ
Hàm lượng muối vô cơ có trong các loại trái cây cũng rất phong phú nh ư
các nguyên tố canxi, sắt, phốt pho, đồng, kali, natri, magie... Nh ưng nh ững lo ại
hoa quả khác nhau thì hàm l ượng các nguyên tố cũng khác nhau. Qu ả trám,
sơn trà, cam quýt có hàm lượng canxi cao; quả nho, qu ả h ạnh, quả dâu tây có
hàm lượng sắt cao; quả chu ối có hàm lượng photpho t ương đ ối cao. Hàm

lượng sắt và đồng có trong trái cây dễ đ ược con ng ười h ập thu s ử d ụng, có

11 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

thể tr ở thành lo ại thực phẩm trị li ệu rất tốt đối với những người m ắc bệnh
thiếu máu.
- Nguồn cung cấp axit hữu cơ:
Trong hoa quả có chưa rất nhiều loại axit hữu cơ, chủ yếu có axit táo, axit
chanh, succinate và fumarate... Succinate và fumarate có nhi ều trong các lo ại
hoa quả ch ưa chín. Sự tồn tại của axit hữu cơ có thể ki ến cho nồng độ pH có
trong trái cây tương đối thấp, kiến cho trái cây duy trị đ ược độ chua nh ất
định của nó, từ đó có tác d ụng bảo vệ tính ổn định của vitamin C. S ự t ồn t ại
của axit hữu cơ cũng có lợi cho tính ổn định có trong trái cây chống lại nh ững
loại axit gây hoại huyết.
Về vai trò của trái cây đối với sức khỏe con người là không th ể ph ủ nh ận.

2. Tổng quan về quá trình cô đặc
a. Khái niệm, phân loại quá trình cô đặc
Quá trình cô đặc là quá trình làm giảm lượng dung môi (dung môi ta quan
tâm trong trường hợp này là nước) có trong dung dịch đ ể thu đ ược dung d ịch
có nồng độ chất rắn cao.
Các phương pháp cô đặc thường được sử dụng:
 Cô đặc bằng lạnh đông:
Khi làm lạnh đông chậm, các phân tử nước sẽ kết tinh và l ớn dần lên t ạo

thành khối băng, tách khỏi dung dịch ban đầu. Quá trình cô đ ặc này ph ụ
thuộc nhiều vào nhiệt độ lạnh đông, số lượng tinh thể đá tạo thành. S ử dụng
phương pháp này sẽ tránh gây mất vitamin, các chất th ơm và các ch ất d ễ b ị
phân hủy bơi nhiệt. Tuy nhiên, chi phí năng l ượng và chi phí thi ết b ị cho
phương pháp này cao.
 Cô đặc bằng phương pháp thẩm thấu ngược:
Khi ta ngăn hai dung dịch khác nhau bằng tấm màn bán th ấm, n ước sẽ đi
từ dung dịch có nồng độ chất khô thấp đến n ơi có n ồng độ ch ất khô cao đ ể
hai bên đạt nồng độ cân bằng. Trong phương pháp này, dưới tác d ụng c ơ h ọc
của dung dịch có nồng độ cao hơn áp suất thẩm thấu, làm n ước đi theo chiều
ngược lại từ nơi có nồng độ chất khô cao đến n ơi có nồng đ ộ ch ất khô th ấp.
12 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế tối đa m ất mát các thành ph ần c ơ
bản của dung dich. Tuy nhiên, phương pháp này làm m ất m ột s ố mu ối
khoáng và không được thanh trùng bổ sung.
 Cô đặc bằng bốc hơi nước nhờ nhiệt độ:
Phương pháp này hiện là phương pháp phổ biến nh ất hiện nay. Nh ờ nhiệt
độ, dung dịch được đun sôi và lúc này, nước trong dung dịch diễn ra quá trình
chuyển pha từ lỏng sang hơi và tách ra khỏi dung d ịch. Ph ương pháp này
được dùng phổ biến, trang thiết bị tương đối đơn giản. Tuy nhiên, do s ử
dụng nhiệt độ nên không tránh khỏi tổn thất một số ch ất dinh d ưỡng d ễ b ị
phân hủy bởi nhiệt. Ngoài ra, trong quá trình bốc hơi, hơi nước cuốn theo các
chất thơm và các chất dễ bay hơi khác của dung dịch.

b. Những biến đổi của nguyên liệu trong quá trình cô đặc
 Biến đổi về tính chất vật lý và hóa lý:
Khi dung dịch bay hơi, nồng độ chất khô tăng làm tính ch ất c ủa dung d ịch
cũng thay đổi như: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và hệ số cấp nhiệt của
dung dịch giảm; trong khi đó thì các chỉ số về độ nh ớt, khối l ượng riêng c ủa
dung dịch tăng.
 BIến đổi về tính chất hóa học:
Sự tăng nồng độ chất khô cũng dẫn đến một số thay đổi hóa học nh ư:
giảm pH, một số phản ứng kết tủa; xuất hiện các phản ứng ph ụ nh ư:
caramen hóa, sự phân hủy vitamin,…
 Biến đổi về tính chất sinh học:
Việc sử dụng nhiệt độ trong quá trình cô đặc làm hạn chế kh ả năng hoạt
động của vi sinh vật, giúp sản phẩm được bảo quản trong th ời gian dài.
c. Cô đặc chân không
Cô đặc chân không là một phương pháp sử dụng nhiệt đ ể bốc h ơi n ước
nhưng hoạt động ở áp suất chân không (độ chân không 640 mmHg đ ến 680
mmHg). Phương pháp này thích hợp sử dụng cho các sản ph ẩm kém ch ịu
nhiệt, cho năng suất cao mà vẫn đảm bảo chất lượng, màu sắc, mùi v ị c ủa
sản phẩm (áp suất càng nhỏ thì nhiệt độ sôi càng giảm).
13 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

14 P a g e

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

d. Phân loại các hệ thống cô đặc (sử dụng nhiệt) và nguyên lý hoạt động
- Hệ thống cô đặc một nồi:
Trong hệ thống cô đặc một nồi bao gồm thiết bị cô đặc một n ồi tuần
hoàn tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức. Đối với thiết bị tuần hoàn tự nhiên lại
chia ra thành hai loại: ống tuần hoàn nằm phía trong và ống tuần hoàn nằm
phía ngoài. Đối với thiết bị tuần hoàn cưỡng bức cũng chia ra thành hai lo ại:
ống tuần hoàn nằm phía trong và ống tuần hoàn nằm phía ngoài.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn tự
nhiên như sau: dung dịch được đưa vào ống nhập liệu chảy xuống phía d ưới
qua dàn ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn. Khi bị đốt nóng, do dung d ịch
bên trong ống tuần hoàn có nhiệt độ nhỏ hơn dịch bên trong ống đốt nên
khối lượng riêng dịch bên trong ống tuần hoàn chìm đi xu ống trong khi d ịch
trong ống đốt đi lên. Điều này đã tạo dòng dịch tuần hoàn bên trong ống đ ốt.
Đối với dịch tuần hoàn cưỡng bức, ta sử dụng thêm một bơm, có tác dụng
hút dịch phía trên buồng đốt và đẩy dịch từ dưới buồng đ ốt lên, t ạo dòng
tuần hoàn cưỡng bức.
Ngoài ra, trong hệ thống cô đặc một nồi còn có thiết bị cô đặc loại nồi hai
vỏ, có cánh đảo nằm ngang hoặc thẳng đứng hoặc thiết bị cô đặc có thùng
quay nằm nghiêng.
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi:
Hệ thống cô đặc nhiều nồi được sử dụng rộng rãi với ưu điểm là: các
dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp su ất gi ữa
các nồi. Ngoài ra, trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, h ơi th ứ của n ồi tr ước sẽ
được tận dụng làm hơi đốt cho nồi sau. Điều này giúp chúng ta ti ết ki ệm
đáng kể chi phí năng lượng.

Hệ thống cô đặc nhiều nồi được chia ra thành các dạng rất phong phú
như: hệ thống cô đặc hai nồi, hệ thống cô đặc ba n ồi, h ệ th ống cô đ ặc b ốn
nồi. Trong mỗi hệ thống lại chia ra thành: cô đặc xuôi chiều và cô đặc ng ược
chiều. Việc chọn hệ thống nào thì tùy vào yêu cầu công ngh ệ.

15 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

16 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

PHẦN III: PHẦN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
A. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
1. Thông số dịch cô đặc
 Năng suất: 500 [kg] sản phẩm một giờ (Gc = 500 [kg.h-1]).
 Nồng độ dung dịch ban đầu và lúc sau lần lượt là: x d = 8 Bx; xs = 20
Bx.
 Nhiệt độ dung dịch trước và sau cô đặc: td = 20 oC; tc = 60 oC.
 Nhiệt độ làm việc của thiết bị cô đặc: tc = 60 oC.
 Áp suất làm việc của thiết bị theo nhiệt độ: p = 150 [mmHg]

(theo Bảng 6.1 – Tài Liệu 1)

 Nhiệt dung riêng của dung dịch được tính theo công th ức:
C = 1 − 0.0047.x

[kcal.kg-1.độ-1]

(theo 6.6.1 – Trang 269 – Tài Liệu 1)

với x [Bx] là nồng độ dung dịch.
Thay giá trị của x ta tính được nhiệt dung riêng của dung d ịch ban đ ầu và
sau khi cô đặc lần lượt là:




Cd = 1 − 0,0047.8 = 0.9624

[kcal.kg-1.độ-1]

Cc = 1 − 0,0047.20 = 0.906
C15Bx

[kcal.kg-1.độ-1]
= 1 − 0,0047.15 = 0.9295
[kcal.kg-1.độ-1]

2. Thông số hơi đốt, nước ngưng và hơi thứ
 Nhiệt độ hơi đốt là: 100 oC.
θ = 95 o

 Nhiệt độ nước ngưng:
C.
 Áp suất hơi đốt phd = 1,0132 bar = 0.1 [N.mm-2].
 Nhiệt dung riêng của nước ngưng: Cn = 1 [kcal.kg-1.độ-1]
 Nhiệt độ của hơi thứ là 60 oC.
17 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

 Theo mục 4 – trang 293 – tài liệu 1, ta tra đ ược nhiệt l ượng riêng
của hơi thứ tại 60 oC là: iht = 622 [kcal.kg-1].
 Nhiệt lượng riêng của hơi đốt: ihd = 639 [kcal.kg-1]
(theo 6.6.1 – bài 3 – trang 269)

18 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1. Sơ đồ, nguyên lý làm việc của hệ thống
a. Sơ đồ hệ thống
nuoc lanh

7
3

6

8

4

hoi dot

5

9
hoi dot

nuoc ngung

nuoc ngung

1

10
Bo m
Chân
Không

2

1 – Thùng chứa dịch
2 – Bơm
3 – Thùng cao vị
4 – Lưu lượng kế
5 – Thiết bị đun nóng dịch
6 – Thiết bị cô đặc
7 – Thiết bị ngưng tụ Baromet
8 – Bộ phận tách nước và khí không ngưng
9 – Ống Baromet
10 – Bơm chân không

19 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

b. Nguyên lý làm việc
 Dung dịch được bơm 2 hút từ thùng chứa dịch 1, sau đó dịch đ ược
đưa lên thùng cao vị 3 và được đưa xuống bộ định lượng 4 tr ước khi
đưa vào thiết bị đun nóng 5.
 Sau khi đi qua bộ định lượng 4, dịch đi vào thiết bị đun nóng 5. T ại
đây, dịch được đun nóng tới nhiệt độ mong muốn (thường là nhiệt
độ sôi bay hơi trong thiết bị cô đặc).
 Tại thiết bị cô đặc 6, dung dịch sôi và nước trong dung dịch bay h ơi.
Hơi nước và khí không ngưng được hút đi vào thiết b ị ng ưng t ụ
Baromet 7. Dung dịch trong buồng đốt thì liên tục được đun nóng và
dịch tuần hoàn tự nhiên trong ống tuần hoàn trong buồng đốt.

 Hơi nước và khí không ngưng sau khi được hút vào trong thi ết bị
ngưng tụ. Tại đây, nước lạnh liên tục phun xuống và h ơi đi t ừ d ưới
lên, qua các đĩa và ngưng tụ. Sau đó, theo ống Baromet 9 ch ảy ra
ngoài.
 Khí không ngưng tiếp tục được hút ra và cho đi qua một bộ tách
nước 8 trước khi về bơm chân không 10.

2. Tính toán cân bằng vật chất
Coi như trong suốt quá trình, khối lượng chất khô không đ ổi. T ừ các thông
số ban đầu, ta tính được khối lượng dịch đưa vào ban đầu (G d) là:

Gd = Gc

xc
20
= 500 = 1250
xd
8

[kg.h-1]

Lại có:
Gd = Gc + W [kg.h-1]
Trong đó, W là khối lượng nước cần bốc hơi.
Vậy lượng nước cần bốc hơi:
W = Gd - Gc = 1250 – 500 = 750 [kg.h-1]

20 P a g e

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

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

∑Q

= ∑ Qtieuhao

vao

[kcal.h-1]

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

Qhd = D.ihd

 Nhiệt lượng do dung dịch đầu:

[kcal.h-1]
Qdd = Gd .Cd .t d

[kcal.h-1]

Nhiệt lượng tiêu hao bao gồm:
 Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra:





Qsp = Gc .Cc .t c

[kcal.h-1]
Qhn = W.ihn
Nhiệt lượng do hơi nước bốc lên mang ra:
[kcal.h-1]
Qnt = D.C n .θ
Nhiệt lượng do nước ngưng tụ:
[kcal.h-1]
Qcd = 0,01. xc .Cc .∆q
Nhiệt lượng tổn thất do cô đặc:
[kcal.h-1]
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:
Qtt = 0,04.QΣ = 0,04.( D.ihd + Gd .Cd .t d )
[kcal.h-1]

Từ đây, ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
D.ihd + Gd .Cd .t d = Gc .Cc .t c + W.ihn + D.Cn .θ + Qcd + 0,04.( D.ihd + Gd .Cd .t d )

Từ phương trình trên, suy ra lượng hơi đốt cần là:

D=

Gc .Cc .t c + W.iht + 0,01.xc .Cc .∆q − 0,96.Gd .Cd .t d
0,96ihd − Cn .θ

Thay các giá trị vào ta được:

21 P a g e

[kg.h-1]


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

D=



GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

500.0,906.60 + 750.622 + 0,01.20.0,906.0,32 − 0,96.1250.0,9624.60
0,96.639 − 1.95

D = 820

[kg.h-1]

4. Tính bề mặt truyền nhiệt
a. Chọn ống đốt
Thiết bị cô đặc của ta là loại tuần hoàn tự nhiên, buồng đốt trong, dung
dịch không tạo kết tủa trên bề mặt ống, các ống xếp dọc theo thi ết bị.

Dựa vào bảng 6.2 – trang 238 – tài liệu 1, ta chọn ống đ ốt v ới các kích
thước sau:
 Đường kính trong: dt = 25 [mm].
δ =2
 Bề dày:
[mm].
 Chiều dài: l = 103 [mm].
Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị cô đặc được tính theo công th ức:

F=

D.ihd
K .∆t

[m2]

Trong đó: K – hệ số truyền nhiệt
∆t = t hd − t ht

- hiệu số nhiệt độ có ích [oC]

b. Tính hệ số truyền nhiệt K
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công th ức:

K=

1
1 δ 1
+ +
α1 λ α2

[kcal.m-2.độ-1]

- Các thông số nước ngưng từ hơi bão hòa ở nhiệt độ 100 oC tra trong
bảng I.5; bảng I.102; bảng I.129; bảng I.212 – tài liệu 2:

22 P a g e


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

ρnn = 950
 Khối lượng riêng:
[kg.m-3]
µnn = 0,2.10−3
 Độ nhớt:
[Ns.m-2]
λnn = 0.682
 Hệ số dẫn nhiệt:
[W.m-1.độ-1]
rnn = 2.106
 Nhiệt hóa hơi:
[J.kg-1]

23 P a g e

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

- Các thông số dịch đường tính bằng phương pháp nội suy tại 15 Bx
(nồng độ trung bình) ở nhiệt độ 40 oC (nhiệt độ trung bình) từ các
thông số tra trong bảng I. 86; bảng I.112; bảng I.130 – tài liệu 2:
ρdd = 1060
 Khối lượng riêng:
[kg.m-3]
µdd = 0,95.10−3
 Độ nhớt:
[Ns.m-2]
λdd = 0.562
 Hệ số dẫn nhiệt:
[W.m-1.độ-1]
vdd = 0.3
 Vận tốc dịch trong ống:
[m.s-1]
 Nhiệt dung riêng dung dịch: Cdd = 0,9295 [kcal.kg-1.độ-1]
Cdd = 3890 [J.kg-1.độ-1]

α1

- Theo 6.6.2 – trang 271 – tài liệu 1, hệ số cấp nhi ệt
khi ngưng hơi
nước trên bề mặt vách đứng được tính theo công th ức:

λnn3 .ρnn2 .rnn . g

α1 = 1,34. 4
µnn .H .∆t
∆t = 5

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

[W.m-1.độ-1]

C là chênh lệch nhiệt độ giữa hơi

o

λnn3 .ρnn2 .rnn . g
0.6823.9502.2.106.10
4
α1 = 1,34.
= 1,34.
= 11656
µnn .H .∆t
0,2.10−3.1.5
4

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

α 2 = Nu.

λdd
dt

[W.m-1.độ-1]

 Xác định Re:

24 P a g e

α2

[W.m-1.độ-1]

từ thành ống cho


ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
MINH

GVHD: PGS. TS. TÔN TH ẤT

Re =

vdd .dt . ρdd 0,3.0,025.1060
=
= 8368
µdd
0,95.10−3

 Xác định Pr:
Pr =

Cd .µdd 3890.0,95.10−3
=
= 5,22
λdd
0,562

25 P a g e