Thiết kế thiết bị cô đặc chân không dùng để cô đặc dịch cà phê sau trích li năng suất 1200 kg/h

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM

-----o0o-----

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG
BUỒNG ĐỐT TRONG, DÙNG TRONG CÔ ĐẶC
DUNG DỊCH CÀ PHÊ TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ
HÒA TAN VỚI NĂNG SUẤT 1200KG/GIỜ
GVHD:
Lớp:
SVTH:

Tp.HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2019


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM

-----o0o-----

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG
BUỒNG ĐỐT TRONG, DÙNG TRONG CÔ ĐẶC

DUNG DỊCH CÀ PHÊ TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ
HÒA TAN VỚI NĂNG SUẤT 1200KG/GIỜ
GVHD:
Lớp:
SVTH:


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

TPHCM,

ngày

tháng

Giảng viên hướng dẫn

năm


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:
MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN..........................................................................................2
I. Nhiệm vụ của đồ án...................................................................................................2
II. Giới thiệu về nguyên liệu và sản phẩm hạt cà phê hòa tan.......................................2
1. Nguyên liệu...........................................................................................................2
2. Sản phẩm cà phê hòa tan........................................................................................3
III. Giới thiệu về công nghệ sản xuất cà phê hòa tan.....................................................4
IV. Khái quát về cô đặc.................................................................................................5
1. Định nghĩa.............................................................................................................5
2. Các phương pháp cô đặc........................................................................................5
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.............................................................................5
4. Ứng dụng của cô đặc.............................................................................................5
V. Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt..........................................................6
1. Phân loại và ứng dụng...........................................................................................6
2. Thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc...............................................................7
CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG......................................8
I. Dữ liệu đề bài.............................................................................................................8
II. Cân bằng phương trình vật chất................................................................................8
1. Suất lượng tháo liệu...............................................................................................8
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)............................................................................8
III. Cân bằng năng lượng..............................................................................................8
1. Tổn thất nhiệt độ....................................................................................................8

1.1. Tổng thất nhiệt độ: do nồng độ tăng (∆’)........................................................8
1.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)....................................................9
1.3. Tổn thất trở lực do đường ống......................................................................10
1.4. Tổn thất nhiệt cho cả hệ thống:.....................................................................10
1.5. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống.....................................10
2. Cân bằng năng lượng...........................................................................................11
2.1. Cân bằng nhiệt lượng,...................................................................................11
2.2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng...............................................................11
3. Hệ số cấp nhiệt....................................................................................................12
1


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

3.1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (α1)...........................................................12
3.2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi...................................13
3.3. Nhiệt tải riêng phía tường.............................................................................15
4. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc...........................................15
5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt...............................................................................15
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH...............................................................16
I. Tính kích thước thiết bị cô đặc.................................................................................16
1. Tính kích thước buồng bốc..................................................................................16
1.1. Đường kính buồng bốc (Db)..............................................................................16
1.2. Chiều cao của buồng bốc..................................................................................17
2. Tính kích thước buồng đốt...................................................................................17
2.1. Số ống truyền nhiệt...........................................................................................17
2.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth).......................................................18
2.3. Đường kính buồng đốt......................................................................................18

2.4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt.........................................................................19
3. Tính kích thước các ống dẫn................................................................................19
3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt.............................................................................20
3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ.........................................................................20
3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch....................................................................20
II. Tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc................................................23
1. Tính cho buồng đốt..............................................................................................23
1.1. Sơ lược về cấu tạo........................................................................................23
1.2. Tính toán......................................................................................................23
2. Tính cho buồng bốc.............................................................................................25
2.1. Sơ lược về cấu tạo........................................................................................25
2.2. Tính toán......................................................................................................25
3. Tính cho đáy thiết bị............................................................................................28
3.1. Sơ lược về cấu tạo........................................................................................28
3.2. Tính toán......................................................................................................28
4. Tính cho nắp thiết bị:...........................................................................................32
4.1. Sơ lược về cấu tạo:.......................................................................................32
4.2. Tính toán......................................................................................................33
2


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

5. Tính mặt bích.......................................................................................................34
5.1. Sơ lược về cấu tạo:.......................................................................................34
5.2. Chọn mặt bích..............................................................................................35
6. Tính vỉ ống..........................................................................................................36
6.1. Sơ lược về cấu tạo........................................................................................36

6.2. Tính toán......................................................................................................36
7. Khối lượng và trai treo.........................................................................................38
7.1. Sơ lược cấu tạo trai treo chân đỡ..................................................................38
7.2. Buồng đốt.....................................................................................................38
7.3. Buồng bốc....................................................................................................38
7.4. Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt..........................................39
7.5. Đáy nón........................................................................................................39
7.6. Nắp ellipe.....................................................................................................39
7.7. Ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm...............................................40
7.8. Mặt bích........................................................................................................40
7.9. Bu lông và ren..............................................................................................41
7.10. Đai ốc.........................................................................................................42
7.11. Vỉ ống.........................................................................................................42
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ................................................................45
I. Thiết bị gia nhiệt......................................................................................................45
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (α1)..................................................................45
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi..........................................45
3. Nhiệt tải riêng phía tường....................................................................................47
4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt...............................................................................47
II. Thiết bị ngưng tụ:...................................................................................................49
1. Chọn thiết bị ngưng tụ.........................................................................................49
2. Tính thiết bị ngưng tụ..........................................................................................50
3. Bồn cao vị............................................................................................................55
4. Bơm..................................................................................................................... 57
4.1. Bơm chân không...........................................................................................57
4.2. Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ............................................................58
4.3. Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị................................................60
3

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

4.4. Bơm tháo liệu...............................................................................................63
5. Các chi tiết phụ....................................................................................................65
5.1. Cửa sữa chữa................................................................................................65
5.2. Kính quan sát................................................................................................66
LỜI KẾT......................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................68

4


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

LỜI MỞ ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Kĩ thuật thực
phẩm là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công
nghệ hoá học. Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông
qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ
thể, thông dụng.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học Công nghiệp Thực
phẩm TP. Hồ Chí Minh, các thầy cô khoa Công nghệ Thực phẩm của trường đã tạo
điều kiện cho em được thực hiện đồ án.
Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo
này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự dạy bảo của quý thầy cô. Đặc
biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Thái Nguyên, người đã tận tình

hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một
cách tốt nhất. Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn
hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến
đóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành
tốt hơn những đồ án sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. Nhiệm vụ của đồ án
Thiết kế thiết bị cô đặc chân không buồng đốt trong, dùng trong cô đặc dung dịch cà
phê trong sản xuất cà phê hòa tan





Năng suất: 1200kg/giờ
Áp xuất chân không: 0,5 atm
Hoạt động: cô đặc liên tục
Nồng độ dịch cà phê ban đầu: 10 ⁰Brix

 Nồng độ dịch cà phê cần đạt được 40 ⁰Brix.
II. Giới thiệu về nguyên liệu và sản phẩm hạt cà phê hòa tan

1. Nguyên liệu
Nguyên liệu chính để làm nên cà phê hòa tan là cà phê nhân. Thành phần hóa học
trong nhân cà phê biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác,
phương pháp chế biến và bảo quản. Thành phần hóa học của cà phê nhân gồm các chất
sau:
 Nước
Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại là 10-12% ở dạng liên kết, Khi hàm lượng
nước cao hơn, các loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt. Mặt khác, hàm lượng
nước cao sẽ làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang, tốn nhiều
nguyên liệu và nhất là làm tổn thương hương cà phê. Hàm lượng nước trong cà phê
sau khi rang còn 2,7%
 Chất khoáng
Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng 3-5%, chủ yếu là kali, nito, magie,
photpho, clo. Ngoài ra còn thấy nhôm , sắt, đồng, iod, lưu huỳnh,…,
 Glucid
Chiếm khoảng ½ tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào thành phần nước
uống chỉ có màu và vị caramel. Đường có trong cà phê do quá trình thủy phân dưới tác
dụng của acid hữu cơ và enzyme thủy phân. Hàm lượng saccharose có trong cà phê
phụ thuộc vào mức độ chín: quả càng chín thì hàm lượng saccharose càng cao. Hạt cà
phê còn chứa nhiều polysacchride nhưng phần lớn bị loại ra ngoài bã cà phê sau quá
trình trích ly,
 Protein
2


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong

việc hình thành hương vị của sản phẩm. Trong quá trình chế biến chỉ có một phần
protein bị phân giải thành acid amin, còn phần lớn bị biến thành hợp chất không tan.
 Lipid
Hạt cà phê chứa lipid khá lớn (1-13%), Lipid trong cà phê gồn chủ yếu dầu và sáp.
Trong đó sáp chiến 7-8% tổng lượng lipid, còn dầu chiến 90%. Trong quá trình chế
biến lipid bị biến đổi, song một phầ acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của
nhiệt độ cao tạo nên hương liệu thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là
dung môi tốt gòa 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 alcaloid nư caffeine, trigonellinne, coline. Trong đó quan trọng và
được nghiên cứu nhiều hơn cả là caffeine và trigonelline.
 Chất thơm
Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũy trong hạt.
Trong quá trình rang, các chất thơm thoát ra ban đầu có mùi hắc sau chuyển thành mùi
thơm. 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 đựng trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh,
2. Sản phẩm cà phê hòa tan
Sản phẩm cà phê hòa tan rất đan dạng về hình thức (kích thước, màu sắc,…), hượng
vị.
Cà phê hòa tan có thể được đóng gói riêng hoặc trộn cùng với nguyên liệu khác như
sữa bột, đường, cofee mate… Đây là một thức uống rất tiện lợi, dễ sử dụng. Tuy nhiên,
nó không có được hương vị đặc trưng của cà phê do thời gian sản xuất kéo dài và nhiệt
độ cao.
Bảng 1: Chỉ tiêu chất lượng cà phê hòa tan
Độ ẩm

2-3%

Khả năng tan nhanh

Tan hoàn toàn trong khoảng 10 giây

Tỉ lệ cặn

0,2-0,5 mg/100g

Bụi nổi

Không

Mùi vị

Giữ được mùi cà phê, không có mùi vị lạ

Hàm lượng cafeine

2-3%

Hàm lượng carbonhydrate

38-42%

pH của dung dịch cà phê

4,5-5 l
3

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

khối lượng riêng
220-240 g/l
III. Giới thiệu về công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

4


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

Mục đích: của quá trình cô đặc trong sản xuất cafe hòa tan: Khai thác
Cà phê nhân

Làm sạch
Phối trộn
Rang
Xay
Nước

Trích ly

Bã

Lọc
Tách hương
Cô đặc
Sấy
Tạo hạt
Phối trộn
Đóng gói

Sản phẩm
Sau khi trích ly xong, nồng độ chất khô hòa tan trong dịch trích ly cafe thường thấp.
Hiện nay, nồng độ chất khô trong dịch trích ly cao nhất có thể đạt được khoảng 2530% (w/w). Khi nồng độ chất khô còn thấp như thế, việc thực hiện quá trình sấy để thu
5


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

hồi sản phẩm sẽ không mạng lại hiệu quả kinh tế cao. Do đó, dịch trích ly cần phải
được cô đặc đến nồng độ chất khô cao hơn để quá trình sấy được thực hiện dễ dàng
hơn. Như vậy, mục đích của quá trình cô đặc là nhằm nâng cao nồng độ chất khô có
trong dịch trích nhằm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sấy,
IV. Khái quát về cô đặc
1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch
gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có
chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung
môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý. Tuỳ theo tính chất của
cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần
dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương

pháp làm lạnh kết tinh.
2. Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên
mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra
dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng
độ chất tan. Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá
trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử:
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất
lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt
để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt
và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và
dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo
(protit) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc.
4. Ứng dụng của cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, cô đặc: Dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…
Trong sản xuất hoá chất, cô đặc các dung dịch: NaOH, NaCl, CaCl 2, các muối vô cơ…
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô
đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc
chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà
6


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là
một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất
cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và
đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
V. Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
1. Phân loại và ứng dụng
1.1. Theo cấu tạo
 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá
loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề
mặt truyền nhiệt. Gồm:
◦ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc
ngoài
◦ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt)


Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5
– 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng
cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền
nhiệt. Gồm:
◦ Có buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài
◦ Có buồng đốt ngoài ống tuần hoàn ngoài



Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc lâu làm
biến chất sản phẩm. Đặt biệt thích hợp chho các dung dịch thực phẩm như dung
dịch nước trái cây, nước ép hoa quả… Gồm:
◦ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo

bọt khó vỡ
◦ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo
bọt và bọt dễ vỡ
1.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình



Cô đặc ở áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường
dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch để giữ mức dung dịch cố
định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ
dung dịch đạt được là không cao



Cô đặc ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 0C, áp suất chân
không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn sự bay hơi nước liên tục



Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không quá lớn và sẽ
làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả
7


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao
hiệu quả kinh tế



Cô đặc liên tục: cho kết quả sản phẩm tốt hơn, ổn định hơn quá trình cô đặc gián
đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự động nhưng chưa có cảm biến đủ tin cậy

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có
hoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch,
ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư
2. Thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
1.3. Thiết bị chính





Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
1.4. Thiết bị phụ















Bể chứa nguyên liệu
Bể chứa sản phẩm
Bồn cao vị
Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt
Thiết bị ngưng tụ baromet
Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
Bơm tháo liệu
Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Bơm chân không
Các van
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

8


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
I. Dữ liệu đề bài
 Dung dịch cô đặc: dung dịch cà phê
 Nồng độ đầu: 10 Brix xđ = 10 %
 Nồng độ cuối: 40 Brix xc = 40 %
 Năng suất nhập liệu: Gc = 1200 kg/h

 Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30℃
 Áp suất ngưng tụ: pck = 0,5 atm = 0,516 at ⇒ pc = 1 – 0,516 = 0,484 at
 Áp suất hơi đốt, hơi nước bão hòa chọn: 3at (132,9 ℃) (Tr314, [1])
II. Cân bằng phương trình vật chất
1. Suất lượng tháo liệu
Theo định luật bảo toàn chất khô (CT5.16,Tr195,[3]) :

2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo định luật bảo toàn khối lượng (CT5,16,Tr195,[3]):
W = 3600 (kg/h)
III. Cân bằng năng lượng
1. Tổn thất nhiệt độ
 Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c = 0,484 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết
bị ngưng tụ là tc = 80℃ (Tr314, [1])
 Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngưng tụ, Chọn Δ’’’ = 1℃ (Tr296, [3])
 Ta có: Δ’’’ = 1℃
Δ’’’ = tdm (Po) – tc(VI.14, Tr60, [2])
Trong đó:
 tc: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pc (áp suất hơi thứ) trong thiết bị ngưng tụ
 tdm: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Po ( áp suất hơi đốt) trong thiết bị ngưng tụ
⇒ tdm (Po) = tc + Δ’’’ = 80 + 1 = 81℃
9


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

⇒ Po = 0,503 at

(Tr312, [1])

1.1. Tổng thất nhiệt độ: do nồng độ tăng (∆’)
 Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ ∆’ được xác định theo công thức
gần đúng của Tisenco
∆’ = ∆’0 , f
(VI ,10, Tr59, [2])
Trong đó:
 ∆’0: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở áp suất thường,
 f: là hệ số hiệu chỉnh
Với:
(VI ,10, Tr59, [2])
Trong đó:
 T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,0K
 r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/Kg
 Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 40 %,
Tra bảng VI,2, trang 67, [2]:
 Tại nhiệt độ tdm = 81 0C suy ra: f = 0,88 (theo bảng điều chỉnh hệ số f theo nhiệt độ)
Δ’ = 1,3 0,88 = 1,14oC
⇒ tdd(po) = tdm(po) + Δ’ = 81 + 1,14 = 82,14 oC
1.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là Δp (N/m2), ta có:
(N/m2)
Trong đó:
 ρs : khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; kg/m3
ρs = 0,5 ρdd
ρdd : khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3

C% = xc = 40 %, ta có ρdd = 1178,53 kg/m3
(I,86, Tr60, [1])
3
⇒ ρs = 0,5 1178,53 = 589,265 kg/m
 Hop :chiều cao thích hợp của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng; m
Hop = [0,26 + 0,0014,(ρdd – ρdm)] ho
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 2 m
(VI,6,Tr80,[2])
ρdm: khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch t dd =
82,14 ℃
Tra bảng I,249, trang 311, [1], ρdm = 970,43 kg/m3
⇒ Hop = [0,26 + 0,0014 (1178,53 – 970,43)]2 = 1,1 m

10


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

Tra bảng I,251, trang 314, [1] ptb = 0,5354 at tương ứng với tdm(ptb) = 82,5 oC
Ta có:
Δ’’ = tdm(ptb) – tdm(po)= 82,5 - 81 = 1,5 oC
⇒ tdd(ptb) = tdd(po) + Δ’’ = 82,14 + 1,5 = 83,64 oC
Sản phẩm được lấy ra tại đáy ⇒ tdd(po + 2Δp) = 82,14 + 2 = 85,14 oC
1.3. Tổn thất trở lực do đường ống
Δ’’’ = 1oC
1.4. Tổn thất nhiệt cho cả hệ thống:
∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 1,14 + 1,5 + 1 = 3,64 oC
1.5. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống

∆t = thd – tdm = 132,9 – 81 = 51,9 oC
 Tổng chênh lệch hữu ích của cả hệ thống
∆hi = ∆t - ∑∆ = 51,9 – 3,64 = 48,26 oC
 Sản phẩm lấy ra ở đáy của thiết bị, nhiệt độ cuối của dung dịch trong nồi
tcuối = tdm + ∆’ + 2∆’’ + ∆’’’ = 81 + 1,14 + 2 1,5 + 1 = 86,14 ℃
Thông số
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu

Ký hiệu
xđ
xc
Gđ
Gc
HƠI THỨ
W
po

Đơn vị
%wt
%wt
kg/h
kg/h

Giá trị
10
40
4800

1200

kg/h
at
℃

3600
0,503

at
℃

3
132,9

tdd(po)

℃

82,14

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

Δ’

℃

1,14

Áp suất trung bình

ptb

0,5354

tdm(ptb)

at
℃

Δ’’

℃

1,5

Suất lượng
Áp suất
Nhiệt độ

tdm(po)

Áp suất

HƠI ĐỐT
Phd

Nhiệt độ

Thd

81

TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po

Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb
Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh

11

82,5


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb

tdd(ptb)

℃

83,64

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống

Δ’’’

℃

1

Tổng tổn thất nhiệt độ

ΣΔ

℃

3,64

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Δthi

℃

48,26

2. Cân bằng năng lượng.
2.1. Cân bằng nhiệt lượng,
Nhiệt dung riêng của dung dịch cà phê ở các nồng độ khác nhau được tính theo công
thức sau:
J/kg.độ)
(I.50, Tr153, [1])
Trong đó
 t: nhiệt độ của dung dịch (℃)
 x: nồng độ của dung dịch, phần khối lượng
Với xđ = 10%, tđ = 30℃

Với xc = 40%, tđ = 86,14℃
2.2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Dòng nhiệt ra (W):
 Do dung dịch đầu

Gđcđtđ

 Do hơi đốt

D

 Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

φDc

Dòng nhiệt ra (W):
 Do sản phẩm mang ra

Gccctc

 Do hơi thứ mang ra

W i"

 Do nước ngưng

Dcθ

 Nhiệt cô đặc

Qcđ

 Nhiệt tổn thất
Phương trình cân bằng nhiệt:

Qtt

Dc + D( 1- )i”D + GđCđtđ = ( Gcc – W)Cctc + W*i”W + Dc + Qtt
Có thể bỏ qua:
 Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng
đốt: φDctD = 0
 Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0
12


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo
khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi),
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)(cθ); W
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau
khi ngưng) thì (- cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt),
Vậy lượng hơi đốt biểu kiến:

= 1,32 (kg/s)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng
Nhiệt lượng do hới đốt cung cấp:
QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD = 1,32.(1 – 0,05).(1-0,05).2171000 = 2586312,3 W

Thông số
Nhiệt độ vào buồng bốc
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt
Nhiệt dung riêng dung dịch 10%
Nhiệt dung riêng dung dịch 40%
Lượng hơi đốt biểu kiến
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Kí hiệu
tđ
tc
Cđ
Cc
D
d

Đơn vị
℃
℃
J/(kg,K)
J/(kg,K)
Kg/s
Kg/kg

Giá trị
82,14
86,14
3961,23
3444,27
1,32

1,32

3. Hệ số cấp nhiệt
 Quá trình truyền nhiệt gồm 3 giai đoạn:
 Giai đoạn 1: nhiệt truyền từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ
số cấp nhiệt α1 và nhiệt tải riêng q1.
 Giai đoạn 2: dẫn nhiệt qua thành ống.
 Giai đoạn 3: nhiệt truyền từ bề mặt ống đến dung dịch với hệ số cấp nhiệt α 2 và
nhiệt tải riêng q2.
3.1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (α1)
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng
cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước ngưng
chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 2 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên
bề mặt đứng. Công thức (V.101, Tr28, [2]):
Trong đó:
 α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.độ)
13


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

 r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at (2171 kJ/kg)
 H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2 m)
 A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm
Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1 = 129,11 oC.
Tra A ở [2], trang 28:
tm ℃
A

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

104

120

139

155

169

179

188

194

197

199

199

⇒ A = 191,302

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q1 = α1Δt1 = = 34216,486 W/m2
3.2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]
Trong đó:
 αn: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt
nên αn được tính theo công thức V.91, trang 26, [2]: αn = 0,145p0,5Δt22,33
Xem quá trình truyền nhiệt là ổn định.
∆t2 = tv2 – tc mà tv2 = tv1 – q1∑r
Với ∑r = r1 +r2+r3
 Chọn hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) là nước sạch, theo (V.I, Tr4, [2])
r1 = 0,46410-3 nhiệt trở của cặn mặt ngoài (m2.độ/W).
Dung dịch cần cô đặc là cà phê theo (V.I, Tr4, [2])

r2 = 0,38710-3 nhiệt trở của cặn mặt trong (m2.độ/W).
 Chọn bề dày ống truyền nhiệt  = 0.002 (m), vật liệu chế tạo là thép không gỉ
OX18H10T và có λ = 16,3 W.m/độ (bảng XII.7, Tr313, [2])
∑r = r1 + r2 + r3 = 0,46410-3 + 0,38710-3 + = 9,73710-4 (m2.độ/w)
tv2 = tv1 – q1 ∑r = 129,11 – 34216,486 9,73710-4 = 95,793 0C
∆t2 = tv2 - tc = 95,793– 86,14 = 9,653 0C
Tra bảng I.249, Trang 310, [1]
14


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

 cn = 4199 J/(kg.K): nhiệt dung riêng của nước ở tdm(ptb)


n

= 0,34310-3(N.s/m2): độ nhớt của nước ở tdm(ptb)

 ρn = 970,2 kg/m3: khối lượng riêng của nước ở tdm(ptb)
 λn = 0,6765 W/m: hệ số dẫn nhiệt của nước ở tdm(ptb)
 cdd = cc= 3444,27 J/(kg.K): nhiệt dung riêng của dung dịch ở t dd(ptb).Tra bảng I.112,
trang 114, [1]
 dd = 1,17210-3 (N.s/m2): độ nhớt của dung dịch ở tdd(ptb).Tra bảng I.86, trang 60, [1]
 ρdd = 1178,53 kg/m3: khối lượng riêng của dung dịch ở tdd(ptb)
 λdd = 0,54 W/m: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tdd(ptb)
Với λdd được tính theo công thức I.32, trang123, [1]
Trong đó:

 A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết,
A = 3,58.10-8
 M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp cà phê và H2O.
M = aMcaphe + (1 – a).MH2O = a342 + (1 – a)18; kg/kmol
 a: phần mol của cà phê. Xem nồng độ cà phê trong dung dịch là 40% (xc)

3.3. Nhiệt tải riêng phía tường
Theo công thức BT và VD tập 10
Trong đó:
 Σr: tổng trở vách; m2.K/W

Nhiệt tải riêng phía dung dịch:
q2 = α2Δt2 = 9,653 =34319,305 W/m2
Sai số tương đối của q2 với q1

Nhiệt tải riêng trung bình:

4. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc
K được tính thông qua các hệ số cấp nhiệt:
15


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Chọn F = 80 theo dãy chuẩn của sách quá trình và thiết bị quyển 1, trang 276
Thông số
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng

Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi
Bề dày ống truyền nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống
Nhiệt trở phía hơi ngưng
Nhiệt trở phía dung dịch
Hệ số truyền nhiệt tổng quát
Nhiệt tải riêng trung bình
Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Kí hiệu

r1
r2
K

Đơn vị

Giá trị

℃
℃
W/
W/
m
W/

129,11
95,793

9028,097
3555,142
0.002
16,3
0,46410-3
0,38710-3

m2.độ/W
m2.độ/W
W/
W/

F

732,2
34267,895
80

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. Tính kích thước thiết bị cô đặc
1. Tính kích thước buồng bốc
1.1. Đường kính buồng bốc (Db)
 Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
Trong đó:
 W: suất lượng hơi thứ; kg/h
 ρh = 0,304 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p o = 0,503 at
(tra bảng I.251, trang 314, [1])
 Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc:
Trong đó:
 Db – đường kính buồng bốc (m)

 Tốc độ lắng:
Được tính theo công thức (5.14), Tr 276, [4]:
Trong đó:
 ρ' = 971,16 kg/m3: khối lượng riêng của giọt lỏng ở tdm (po) (tra bảng I.249, Tr 311,
[1])
16


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

 ρ = 0,304 kg/m3: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc po = 0,503 at
 d – đường kính giọt lỏng; m. Chọn d = 0,0004 m (trang 292, [4]).
 ξ – hệ số trở lực, tính theo Re:
Với:
 Pa.s: độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,503 at (Tr 117, [1])
Nếu 0,2 < Re < 500 thì

 Áp dụng điều kiện wh < (0,7 ÷ 0,8)wo theo [4]:
Chọn wh < 0,7wo

Chọn = 1,8 m = 1800 mm theo tiêu chuẩn trang 277, [4]
 Kiểm tra lại Re:
Như vậy, đường kính buồng bốc là Db = 1800 mm.
1.2. Chiều cao của buồng bốc
 Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]:
Utt = fUtt(1 at) m3/(m3.h)
Trong đó:
 f: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển

 Utt (1at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at
Chọn Utt (1 at) = 1650 m3/(m3.h), f = 1,2 (tra hình VI.3, trang 72, [2]).
⇒ Utt = 1,21650 = 1980 m3/(m3.h)
 Thể tích buồng bốc:
Chiều cao buồng bốc:
Nhằm mục đích an toàn, ta chọn Hb = 2,5 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt).
2. Tính kích thước buồng đốt
2.1. Số ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức II.25, Tr121, [5]
Trong đó:
 F = 80 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt
17


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD:

 l = 2 m: chiều dài của ống truyền nhiệt
 d: đường kính của ống truyền nhiệt. Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm.
Số ống truyền nhiệt là:
Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 547 và bố trí ống theo hình lục giác
đều.
2.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth)
Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [5]:
Chọn . Với:

theo tiêu chuẩn Tr274, [4]
Kiểm tra:

2.3. Đường kính buồng đốt
Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình
lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức III.28,
Tr121, [5]:
Trong đó:
 : hệ số, thường có giá trị từ 1,3 đến 1,5. Chọn β = 1,4
 t: bước ống; m
 dn = 0,029 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
 ψ: hệ số sử dụng vỉ ống, thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9. Chọn ψ = 0,8
 l = 2 m: chiều dài của ống truyền nhiệt
 dnth = 0,4 + 2.0,002 = 0,404 m: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm
 α = 60o: góc ở đỉnh của tam giác đều
 F = 80 m2: Diên tích bề mặt truyền nhiệt
theo tiêu chuẩn trang 276, [4]
2.4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt
Phân bố 547 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như sau:
Số hình lục giác
13
Số ống trên đường xuyên tâm
27
Tổng số ống không kể các ống trên đường viên phân
547
Số ống trong các hình viên phân
18