thiết kế thiết bị cô đặc nước cam

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

PHẦN 1

TỔNG QUAN VỀ CAM VÀ CÔNG
NGHỆ
SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC

I. TỔNG QUAN VỀ CAM
I.1. Nguồn gốc
Cây cam đã được biết đến từ rất lâu khoảng 2200 năm trước
công nguyên ở Trung Quốc nhưng một số người lại cho rằng cây
cam có nguồn gốc từ dãy Himalayas (Ấn Độ). Cam được trồng rất
phổ biến ở Ấn Độ, sau đó lan rộng về phía đông, và đến cả
vùng Đông Nam Á. Vào khoảng thế kỉ thứ 3 trước công nguyên,
cây cam được đưa đến Châu Âu và nó lan ra tới cả vùng Đòa Trung
Hải. Sau đó, cây cam được Columbus mang đến Châu Mỹ. Những
năm sau đó, những người làm vườn ở Châu Mỹ và Châu Âu đã
đem cây cam đến Châu Úc và Châu Phi. Ngày nay cây cam được
trồng rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới.
I.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại cam khác nhau, tùy thuộc vào từng
quốc gia và đòa phương. Trong thương mại, cam được chia thành 2 loại:
Cam ngọt (sweet orange) và cam chua (sour orange). Trong đó, cam chua
thường dùng trong sản xuất mứt cam. Một số loại cam ngọt thường
gặp:

 Cam tròn
Cam tròn phổ biền nhất là loại Valencia, có nguồn gốc từ đảo
Azores và Bồ Đào Nha. Giống cam này có khả năng thích ứng trong

những vùng nội đòa, nơi có sự chênh lệch sâu sắc giữa ngày và
đêm và làm hoạt hóa hệ sắc tố của vỏ tạo cho nó màu sắc
hấp dẫn. Quả có cỡ nhỏ tới trung bình thích hợp cho sản xuất
công nghiệp. Vỏ mỏng, da cam nhẵn, màu cam sáng. Quả có mùi
vò đặc sắc ngay khi còn tươi hay sau khi đã được chế biến nước ép.
Khi quả chín trên cây, nó chuyển sang màu cam sáng nhưng khi
nhiệt độ nóng lên làm cho da hấp thụ lại chlorophyl từ lá nên cam
chín có màu xanh nhạt. Loại cam này chủ yếu dùng làm nước quả
với chất lượng nước ép tốt nhất do chứa nhiều dòch quả có màu

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 1


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
sậm và bền , ít hạt nên không tạo vò đắng. Valencia cũng có thể
dùng ăn tươi.

 Cam navel
Trước năm1835, Cam navel được trồng nhiều ở Florida nhưng bò phá
huỷ trong chiến tranh thế giới thứ nhất. Giống cam này cũng được
trồng nhiều ở Brazil, Trung Quốc ... Cam navel có quả to hơn giống
Valencia và các loại cam ngọt khác. Quả có màu vàng đậm sáng
cho tới cam, da hồ đào dày và dễ lột vỏ, không hạt. Quả cho
chất lượng tốt khi đạt độ chắc và khối lượng nhất đònh, cho nhiều
nước quả. Thời tiết lạnh làm màu quả càng vàng sáng vì thế
quả có thể chín và vẫn còn màu xanh nhạt trên da. Giống cam
này ít được dùng trong chế biến nước quả vì trong quá trình chế

biến dễ phát sinh vò đắng.

 Cam Blood ( Cam đỏ )
Đây là loại quả được xem là ngon và hấp dẫn nhất trong các
loại quả có múi được tìm thấy đầu tiên ở Đòa Trung Hải. Quả cỡ
trung bình với vỏ mỏng có ít hoặc không hạt. Có màu đỏ sậm
sáng đẹp. Nhược điểm lớn nhất là hàm lượng anthocyanin tạo màu
đỏ đậm có khuynh hướng bò nhạt trong quá trình chế biến và bảo
quản. Anthocyanin còn là chất chống oxy hóa mạnh tạo nhiều gốc
tự do gây ung thư, lão hóa, bệnh nhẹ … Loại cam này thường được
dùng để ăn tươi, ăn kèm salad, dùng rôti hoặc nướng thòt.

 Cam ngọt (acidless orange)
Loại này được trồng chủ yếu ở Đòa Trung Hải. Do nước quả có
độ ngọt quá cao và hàm lượng acid thấp không đủ khả năng ức
chế vi sinh vật nên loại cam này không thích hợp cho sản xuất nước
ép.

Valencia Orange

Navel orange
Blood orange
Acidless orange
Hình 1 – Các loại cam phổ biến trong thương mại

Ở Việt Nam, cam được chia làm 3 loại : cam chanh, cam sành và cam
đắng. Một số giống cam phổ biến ở nước ta như cam Xã Đoài
( Nghệ An ), cam Động Đình, cam đường,…
 Cam Xã Đoài ( Nghệ An ) : Cây tương đối cao, ít cành lá (cành
quả), trồng ở Xã Đoài, xã Nghi Diên, huyện Nghi Lộc, tỉnh

Nghệ An. Quả ngon, thơm có vỏ mỏng và bóng, vò ngọt đậm,
ít xơ . Dùng chủ yếu trong sản xuất nước cam và mứt cam.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 2


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
 Cam đường : Quả trung bình 100g, vỏ mỏng, màu vàng đỏ hay
đỏ sẫm, dễ bóc, múi dễ chia. Có ba loại chính là Cam giấy
với các giống Cam Canh (Hà Nội), Cam Đồng dụ (Hải Phòng),
Cam Ngọc cục và Cam Hành Thiện (Nam Hà); Cam Bù, Cam Chua
ở Hương Sơn (Hà Tónh); Cam voi ở Tuyên Hoá (Quảng Bình).
 Cam sành : quả có vỏ sần sùi và mòn; vỏ dày, khi chín có
màu vàng hay đỏ sẫm, tuy dày nhưng dễ bóc, ruột đỏ, hạt
có màu nâu lục, vò ngọt, hơi chua, hương vò ngon như quýt Ôn
Chân (Nhật Bản). Thích hợp làm đồ hộp quả nước đường.
Giống phổ biến là cam Bố Hạ, trồng ở bãi phù sa Hà Bắc
trên đất thoát nước; quả dẹt, nặng trung bình 200-250g, màu
vàng đỏ đẹp chín vào tháng 11-12-1 năm sau, dòp Tết Nguyên
đán. Cam sành còn có tên là Citrus nobilis Lour. Quýt trước
đây cũng được xem là một thứ trong Cam sành.
I.3. Cấu tạo của quả cam
Cấu tạo của quả cam gồm có những phần sau :
 Lớp vỏ ngoài (flavedo) : có màu cam hoặc màu xanh tùy
theo giống. Lớp vỏ ngoài có chứa rất nhiều các túi tinh
dầu.
 Lớp cùi trắng (albedo) : có chứa pectin và cellulose.

 Múi cam : bên trong có chứa những tép cam, trong có chứa
dòch bào.
 Hạt cam : chứa mầm cây.

 Lõi : là phần nằm ở trung tâm của quả cam, thành phần
tương tự lớp cùi trắng.
I.4. Thành phần hóa học của cam
Thành phần hóa học của cam được trình bày trong bảng 2.
Bảng 1 – Thành phần dinh dưỡng của cam tươi (tính trên 100g)
Thành phần
Thành phần chính

Nước
Protein
Tinh dầu
Sacharose
Glucose
Frutose
Acid hữu cơ
Cellulose
Pectin

Hàm lượng
Múi
Vỏ
75,95
88,06
0.9
2,4

vết
3.59
1.25
1.45
1,41
0,47
1,41

Muối Vit
khoáng a

Ca
P

34
23

Fe
A

0.4
0.09

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

1,22
3,49
3,24
0,22
3,49

0,22
-

Đơn
vò
%
%
%
%

%
%
%
mg%
mg%
mg%
mg%

Trang 3


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

mine

0,09
0,02

0.4

β-Carotene
B1
B2

0.04
0.06

PP
C

0.75
65

mg%
mg%
mg%

1,27

mg%
mg%

170

Bảng 2 – Đặc điểm kỹ thuật của cam, quýt, chanh Việt Nam
([13],244)

Chỉ tiêu

260

Cam
chanh
(Xã
Đoài)
240

88

Cam
sành
(Bố Hạ)

Khối lượng quả, g
Đường kính quả,
mm
Hàm lượng chất
khô, %
Độ acid
pH

Quýt
(Lí
Nhân)

Chanh
(Hoà
Bình)

40

64

80

45

5,1

11,5

11,5

10

7,0

3,2

3,2 - 3,8

0,75
-

2,5 - 2,6

I.5. Thu hoạch và bảo quản
Ở nước ta, cam được trồng rộng rãi trên khắp cả nước. Cây ra
hoa quanh năm, thường có hoa vào tháng 1-2, có quả vào tháng

11-12. Cam cũng như các loại quả có múi khác thường được thu hái
khi mới bắt đầu chín. Có thể dùng kéo cắt cuống sát mặt quả.
Sau khi thu hái nên để quả ở điều kiện bình thường trong 12-14 giờ
để ổn đònh hô hấp. Trong thời gian đó, tiến hành lựa chọn theo độ
chín, kích thước, loại bỏ những quả bầm giập, sây sát. Trong trường
hợp quả nhiễm bẩn nhiều thì phải rửa rồi để khô ráo. Để chống
nhiễm trùng có thể bôi vôi vào cuống. Để bảo quản cam trong
thời gian dài, người ta thường sử dụng một số phương pháp như:
bảo quản trong cát, bằng hóa chất, nhiệt độ thấp,…
II. GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC CAM CÔ ĐẶC
II.1. Sơ đồ quy trình công nghệ

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 4


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

Hình 2 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước cam cô đặc

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 5


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
II.2. Thuyết minh

 Chọn lựa phân loại
Nguyên liệu cam được lựa chọn nhằm loại trừ những quả không đạt
tiêu chuẩn như sâu bệnh, men mốc, thối hỏng… cho chế biến nước
cam cô đặc. Sau khi chọn lựa chọn, ta tiến hành phân loại nhằm
phân chia thành nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng,
màu sắc và độ chín…
 Rửa
Rửa có thể tiến hành trước hoặc sau khi phân loại nhằm loại trừ
tạp chất cơ học như đất, cát bụi và làm giảm lượng vi sinh vật ở
ngoài vỏ nguyên liệu. Yêu cầu cơ bản của quá trình rửa là sau khi
rửa sạch không bò dập nát, các chất dinh dưỡng không bò tổn
thất, thời gian rửa ngắn và ít tốn nước.
Nước rửa cũng như nước dùng trong công nghệ chế biến (chần,
nấu, pha chế…) phải là nước ăn, đảm bảo chỉ tiêu Vệ sinh dòch
tễ (Bộ Y tế) quy đònh. Nước rửa được sử dụng ở đây có thể tận
dụng từ lượng nước sau khi rửa tinh thể nước đá cuối quá trình cô
đặc.
 Ép
Nguyên lý : ép là phương pháp chủ yếu để tách dòch bào ra khỏi
nguyên liệu. Trong quá trình ép thì hiệu suất ép là chỉ tiêu quan
trọng nhất. Hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố : phẩm
chất nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ
chắc của lớp nguyên liệu ép và áp suất ép. Dòch bào chứa
trong không bào bò bao bọc bới chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh
của quả có tính bán thấm, ngăn cản sự tiết dòch bào. Vì vậy,
muốn năng cao hiệu suất ép phải làm giảm tính bán thấm của
chất nguyên sinh bằng cách làm biến tính chất nguyên sinh hay
làm chết tế bào. Thông thường người ta sử dụng các phương pháp
như sau : đun nóng, sử dụng nấm men chứa hỗn hợp pectinase,
protease hoặc dùng dòng điện…

Thiết bò ép : sử dụng thiết bò ép liên tục của hãng FMC

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 6


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

Hình 3 – Máy ép cam của hãng FMC Food Tech
Cấu tạo của máy
Máy có từ 3 đến 8 cặp chén ép (tùy năng suất của máy). Vd:
máy có 5 cặp chén ép có thể ép 350 – 500 trái/ phút). Chén
dưới cố đònh, chén trên có thể chuyển động lên xuống. Ở giữa
chén trên và dưới có lỗ tròn, cạnh sắc để tạo nên lỗ cắt đường
kính 1 inch ở phần giữa trái cam. Dòch quả ở bên trong sẽ thoát ra
ngoài qua lỗ này trong quá trình ép.
 Ống lọc thô (Prefinisher tube): tách các phần thòt quả có kích
thước lớn ra khỏi dòch quả.
 Ống góp (Juice manifold): thu nhận dòch quả.
 Piston (Orifice tube): tạo áp suất bên trong ống lọc để đẩy dòch
quả ra ngoài, đầu ống có thể đóng mở được có tác dụng
thu nhận và thải bỏ các phần tử lớn còn ở bên trong ống
lọc.
Nguyên lý hoạt động
 Giai đoạn cắt : chén phía trên di chuyển xuống, tạo một lực
nén cắt hai đầu của quả cam.
 Giai đoạn ép : phần trục của chén trên tiếp tục di chuyển
xuống phía dưới, áp lực tăng, đẩy phần dòch quả ở bên trong

quả ra, đi vào ống lọc thô. Phần vỏ thoát ra khỏi chén thông
qua khe hở giữa dao cắt và khung của chén trên.
 Giai đoạn kết thúc : orifice tube chuyển động lên phía trên tạo
một áp lực bên trong ống lọc thô, dòch quả và phần thòt quả
sẽ được ép ra ngoài.
 Lc thô
Sau khi ép, phần dòch quả và thòt quả có kích thước nhỏ hơn các
lỗ lọc trên ống lọc thô sẽ được đẩy ra và chảy vào ống góp ở
phía dưới. Nước quả sẽ được dẫn qua thiết bò kế tiếp. Phần bã

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 7


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
còn nằm ở bên trong ống lọc sẽ được hút ra ngoài thông qua một
lỗ (đóng mở được) ở orifice tube. Phần lõi và vỏ quả có chứa
nhiều tinh dầu cam. Trong quá trình ép và thoát ra ngoài chén ép,
phần vỏ quả bò tổn thương, các tinh dầu sẽ tập trung trên bề
mặt vỏ. Ở gần cuối máy có một bộ phận phun nước có tác
dụng rửa trôi các tinh dầu, tạo thành hệ nhũ tương và chảy ra
ngoài. Phần nhũ tương này sẽ đi qua thiết bò lọc để tách cặn, sau
đó sẽ được li tâm để tách dầu ra khỏi nước. Phần dầu sẽ tiếp
tục được tinh chế còn phần nước sẽ được tiếp tục sử dụng làm
nước rửa tinh dầu.
 Gia nhiệt
Tiến hành gia nhiệt dòch ép bằng thiết bò gia nhiệt dạng ống chùm
hay ống lồng ống. Mục đích của quá trình gia nhiệt là làm kết tủa

các thành phần không tan trong dòch quả làm ảnh hưởng đến tính
chất cảm quan của sản phẩm. Các thành phần này bao gồm
protid, chất đắng… Nhiệt độ có thể làm protid bò biến tính và tạo
tủa. Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theo các hợp
chất gây vò đắng. Quá trình này góp phần làm cho dung dòch có
độ đồng nhất cao và trong hơn. Có thể bổ sung chất trợ lắng để
tăng hiệu quả của quá trình. Lưu ý cần gia nhiệt thật nhanh ớ
nhiệt độ 70-75oC từ 5-10 phút để tránh tổn thất chất khô.
 Ly tâm
Quá trình ly tâm nhằm mục đích tách bã và các chất chất keo đã
kết tủa sau quá trình gia nhiệt làm cho dòch quả đem cô đặc có
độ đồng nhất cao và loại bỏ những ảnh hưởng xấu của sản
phẩm cô đặc sau này.
 Cô đặc
Nguyên tắc : khi giảm nhiệt độ của dung dòch nước cam chưa bão
hoà xuống dưới nhiệt độ đóng băng của nó thì dung môi (nước)
sẽ đóng băng trước, còn chất hoà tan (đường, acid, cấu tử
hương…) vẫn còn ở dạng dung dòch. Tách pha rắn khỏi pha lỏng
bằng cách ly tâm kết hợp với dao cạo nước đá, dòch quả thu được
chính là nước cam cô đặc. Nhiệt độ cô đặc được đưa xuống
khoảng -10oC ÷ -15oC. Để đảm bảo hiệu suất cô đặc cao ta có thể
tiến hành cô đặc nhiều cấp.
So với phương pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổn
thất chất hoà tan nhiều hơn nhưng sản phẩm có chất lượng cao,
giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và đặc biệt là những tính chất
cảm quan đặc trưng của nước quả mà phương pháp bốc hơi không
có được.
Mặt khác để sản phẩm đạt nồng độ cao bằng cách kết hợp hai
phương pháp : lúc đầu cô đặc bằng chân không, sau đó làm lạnh
đông tiếp tục đến nồng độ chất khô cần thiết.

 Rót chai, ghép nắp
Nước cam trong quá trình bảo quản và tồn trữ thì hương vò giảm
sút rõ rệt. Để hạn chế tình trạng này, người ta dùng chai thủy tinh
màu và bảo quản ở nhiệt độ 0-5 oC. Sau khi rót xong cần phải

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 8


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
ghép nắp, quá trình ghép kín nhằm cách li hoàn toàn với môi
trường không khí và vi sinh vật gây hư hỏng, làm giảm phẩm chất
của sản phẩm. Mặt khác nắp chai phải được ghép thật kín và
thật chắc còn nhằm mục đích đảm bảo quá trình thanh trùng
không bò bật nắp hay hở mối ghép.
 Thanh trùng
Thanh trùng là một quá trình quan trọng có tính chất quyết đònh tới
khả năng bảo quản chất lượng của sản phẩm. Quá trình thanh
trùng nhằm tiêu diệt hoàn toàn hay ức chế các vi sinh vật gây hư
hỏng và các nha bào của chúng. Yêu cầu của kỹ thuật thanh
trùng là vừa đảm bảo tiêu diệt vi sinh vật có hại còn lại ít đến
mức độ không thể phát triển để làm hỏng đồ hộp và làm hại
sức khoẻ người tiêu dùng, lại vừa đảm bảo cho đồ hộp có chất
lượng tốt nhất về giá trò cảm quan và dinh dưỡng.
 Bảo quản
Mục đích của quá trình bảo quản là nhằm theo dõi sự ổn đònh của
sản phẩm, sớm phát hiện các đồ hộp bò hư hỏng. Thời gian ổn
đònh của nước quả ít nhất là 15 ngày. Tiến hành bảo quản bằng

cách lấy riêng 1% số lượng đóng chai, bảo quản tại phong kiểm tra
ở nhiệt độ 37oC để phát hiện sự hoạt độïng của một số vi sinh
vật có hại (phương pháp bảo ôn sản phẩm).
 Hoàn thiện sản phẩm
Đây là khâu cuối cùng của quy trình sản xuất. Các chai được đóng
gói, dán nhãn và xuất xưởng. Sản phẩm được phân phối ra thò
trường và đến tay người tiêu dùng.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 9


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

PHẦN 2

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
CHO THIẾT BỊ KẾT TINH

I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO QUY TRÌNH
I.1. Sơ đồ quy trình cô đặc

Hình 4 - Sơ đồ quy trình công nghệ cô đặc kết tinh 2 cấp
I.2. Đặt vấn đề
 Tính toán cân bằng vật chất cho 1kg nhập liệu (vào nồi cô
đặc) với nồng độ chất khô ban đầu là x = 10%. Sản phẩm
có nồng độ chất khô là 30%. Năng suất 5000T/năm.
 Vì không có giản đồ kết tinh của nước cam nên ta có thể

chọn giản đồ kết tinh của nước táo làm cơ sở để xác đònh
nhiệt độ kết tinh của nước cam theo nồng độ (vì thành phần
hoá học nước táo gần với thành phần hoá học của nước
cam)
 Trong thực tế, lượng chất khô trong dòch nước cam là hỗn hợp
phức tạp nhiều cấu tử nhưng để đơn giản ta xem dòch nước
cam ép là hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn gồm nước và chất
khô tan trong nước.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 10


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
Bảng 3 – Thành phần chất khô của một số dòch ép trái cây
Thành
phần

Đơn vò

Cam

Táo

Dâu tây

Nước

g

88.8

87.5

84

Protein

g

0.9

0.5

1.8

Lipid

g

-

-

-

Glucid

g

8.4

11.3

9.4

Cellulose

g

1.4

0.6

4.0

Bảng 4 – Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dòch cam ép
theo nồng độ
Khối lượng
Nồng độ
riêng
phần khối
Nhiệt độ
o
ρ, kg/m3
lượng, x%
kết tinh, C
2

0
994
10
-1
1037
20
-2
1089
30
-5
1142
 Trên giản đồ ta xác đònh được nhiệt độ kết tinh của nước cam
theo đường kết tinh của táo


Nhiệt độ bắt đầu kết tinh : t1 (x = 0,12) = -1oC ; ρ = 1037 kg/m3



Nhiệt độ của kết thúc quá trình cô đặc (x=0.3) : t 2 = -5oC ;
ρ = 1142 kg/m3.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 11


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam


Khối lượng riêng có thể tính theo công thức : (xem bảng 4)
ρ = 1766 – 6.8W – 0.97T + 0.006WT ([4],2.32,tr.83)



Chọn mô hình kết tinh 2 cấp
•

Cấp 1 : từ -1oC (x=0.1) đến -2oC (x=0.2)

•

Cấp 2 : từ –2oC (x=0.2) đến -5oC (x=0.3)

I.3. Tính cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc
Chọn mô hình cô đặc kết tinh gián đoạn 2 cấp. Gọi :
Gđ, xđ : Khối lượng và nồng độ chất khô trong hỗn hợp nhập liệu
Gc, xc : Khối lượng dòch cái và nồng độ chkhô tương ứng thu được
(sản phẩm)
M1, x1 :Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái
thu được sau kết tinh 1
M2, x2 : Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái
sau KT2
∆M1, ∆M2 = Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K 1, K2 sau
KT1 và KT2
K1, xk1 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên
tinh thể thô sau KT1
K2, xk2 : Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên
tinh thể thô sau KT2

K3 : khối lượng tinh thể nước đá còn sau thiết bò rửa
M3 : Lượng nước rửa tại thiết bò rửa
I.3.1. Tại thiết bò kết tinh 1 :
CBVC tính cho 1 kg dòch nhập liệu
 Gd = K 1 + M 1

Gd x d = K 1 x1 + M 1 x1
Trong đó

K1 = Gd
=>

x1 − xd
0, 2 − 0,1
= 1.
= 0,556 kg
x1 − xk1
0, 2 − 0, 02

xd − xk1
0,1 − 0, 02
= 1.
= 0, 444 kg
x1 − xk 1
0, 2 − 0, 02
= 0,02 ; Gđ = 1 kg/h

M 1 = Gd

xđ = 0,1, x1 = 0,2, xk1

I.3.2. Tại thiết bò lọc 1
 Mục đích : Lọc dòch cái 1 và tinh thể nước thô. Sau đó đưa tinh
thể nước đá thô đi qua máy rửa
 Chọn thiết bò lọc ly tâm để lọc tinh thể
 Chọn các thông số cho quá trình lọc
•

ρd1 : khối lượng riêng của dòch cái sau kết tinh 1

•

ρ1 : khối lượng riêng

•

f1 : tỷ lệ diện tích bề mặt xung quanh tự do của tinh thể
có dòch bám vào

•

δ1 : bề dày lớp dòch bám

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 12


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

•

d1 : đường kính trung bình (cạnh tinh thể lập phương)

 Cần tính được :


Lượng dòch còn sót lại trong bã lọc tinh thể

∆M 1 = ∆1Gd =

6 f 1δ 1 ρ d 1 x1 − x d
6.0,7.10 −5.1089 0.2 − 0.1
.
.Gd =
.
.1 = 8,17.10 −3 kg / h
−3
ρ1 d 1 x1 − x k1
0
.
2
−
0
.
02
1037.3.10

Trong đó
m; d1 = 3.10-3m.



ρd1 = 1089 kg/m3; ρd1 = 1037 kg/m3; f1 = 0.7; δ1 = 10-5

Tỷ lệ dòch cái thu được sau thiết bò lọc 1
M 1 − ∆M 1 0.444 − 8,17.10 −3
=
= 0.4363 kg dòch lọc/kg dòch ép đầu
m1 =
Gd
1

I.3.3. Tại thiết bò kết tinh 2
Ở đây, dòch M1 sau khi lọc (khối lượng còn M 1 - ∆M1) sẽ được
đem kết tinh lần 2 thu được dòch M 2 và khối tinh thể thô K 2 với nồng
độ chất khô tương ứng là x2, xk2. Ta có
x − x1

K 2 = ( M 1 − ∆M 1 ). 2
= 0.1558 kg

M 1 − ∆M 1 = K 2 + M 2

x2 − xk 2

=> 

x − xk 2
( M 1 − ∆M 1 ) x1 = K 2 x k 2 + M 2 x 2
 M 2 = ( M 1 + ∆M 1 ). 1

= 0.286 kg

x2 − xk 2
I.3.4. Tại thiết bò lọc 2 – Lọc ly tâm
Lượng dòch cái ∆M2 còn sót trong khối tinh thể là
∆M 2 =

6 f 2 .δ 2 .ρ d 2 x 2 − x1
6.0,7.10 −5.1142
.
.( M 1 − ∆M 1 ) =
.0,1558 = 2,402.10 −3 kg
ρ2d2
x2 − xk 2
1037.3.10 −3

I.3.5. Tại thiết bò rửa


Cho tinh thể K1 và K2 có chứa dòch sót ∆M1, ∆M2 vào thiết bò
rửa R3 với lượng nước rửa là M3. Lượng tinh thể sau rửa có
khối lượng là K3, trong đó có tích một lượng nước rửa là ∆M3
, nước rửa này có thể xem như không có chất khô hoà tan
trong đó. Còn lượng nước nước thu hồi M’3 có nồng độ x3
có thể được đưa và hỗn hợp dòch ép lúc ban đầu để giảm
mất mát chất khô.



Trong thiết bò rửa các tinh thể K1 và K2 chỉ bò mài mòn về

kích thước chứ không bò giảm về số lượng tinh thể, do đó
nó thay đổi kích thước (d 1’, d2’), độ bám dính bề mặt (f 1’, f2’)
theo tỷ lệ tổn hao khối lượng tinh thể (∆). Thông thường
∆ = 0.01−0.15 nên ta chọn ∆ = 0,1.



Tính cân bằng vật chất
•

Theo khối lượng :
K1 + K2 + M3 + ∆M1+ ∆M2 = K3 + M’3 + ∆M3 = (1 - ∆)(K1 + K2) + M’3

Với K3 = (1 - ∆)(K1 + K2)

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 13


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
•

Theo chất khô
K1xk1 + K2xk2 + 0 + ∆M1x1 + ∆M2x2 = (1 - ∆)K1xk1 + (1 - ∆)K2xk2 +

M’3x3 + 0


Lượng tinh thể sau rửa là
K3 = (1 – 0.1).(0,5556 + 0,1558) = 0.64 kg



Lượng nước rửa lấy theo tỷ lệ lượng tinh thể cần rửa với
hệ số tỷ lệ ξ0 (thường ξ0 = 0.2– 1). Chọn ξ0 = 0,6
M3 = ξ0 (K1 + K2) = 0,6.(0.5556 + 0.1558) = 0,42684 kg



Lượng nước tích lại trong khối tinh thể

∆M3


6.∆2 / 3 .Gd 
6f δ ρ
b f ' ( x − x1 ) 
.b1 f '1 ( x1 − x d ) + 2 2 2
. x d − x k1 − 1 1 d 1 ( x1 − x d )  
=
x1 − x k 1 
x2 − xk 2
ρ1 d 1



Với

b1 = δ’1/d1 ; b2 = δ’2/d2
d’1/d1 = d’2/d2 = ∆2/3 = (0,1)2/3 = 0,21544

=> d’1 = d’2 = 6,4632.10-4 m
Giả sử :

d1
δ
d
δ
= 1 và 2 = 2
d '1 δ '1
d '2 δ '2

=> δ’1 = δ’2 = 2,1544.10-6 m
=> b1 = b2 = 7,1813.10-3
Vậy lượng nước rửa tích lại trong khối tinh thể sau cùng là
∆M3 =

7,18.10 −3.0,7.(0.2 − 0.1) +

6.0,21544.1 

. 7,18.10 −3.0.7.(0,3 − 0,2) 

6.0,7.10 −5.1089
0,2 − 0,02 +
( 0,2 − 0.1)  
.0,1 − 0,02 −
0,3 − 0,02

1037.3.10 −3




= 0.000464 kg/h


Lượng nước ra khỏi thiết bò rửa M’3

Từ phương trình cân bằng vật chất
M3 + K1 + K2 + ∆M1 + ∆M2 = K3 + M’3 + ∆M3
K1xk1 + K2xk2 + 0 + ∆M1x1 + ∆M2x2 = (1 - ∆)K1xk1 + (1 - ∆)K2xk2 + M’3x3
Suy ra : M’3 = M3 + K1 + K2 + ∆M1 + ∆M2 - ∆M3 - K3 = 0.5081 kg/h
Và
x=3 ∆.( K1 xk1 + K 2 xk 2 ) + ∆M 1 x1 + ∆M 2 x2
M '3

0,1.(0,5556.0,02 + 0.1558.0,02) + 0,0082.0,2 + 0,0024.0,3
= 0,74%
0,5081
Suy ra lượng chất khô thất thoát theo nước rửa là 0,74%.0,5081 =
3,76.10-3 kg/h.
=

So với lượng chất khô hỗn hợp đầu (0,1 kg/h) thì tỷ lệ thất thoát
là : 3,76%.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 14


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
Vì tỷ lệ thất thoát này là không đáng kể nên ta không cần hồi
lưu nước rửa này vào hỗn hợp đầu. Lượng nước rửa này có thể
được tái sử dụng để rửa nguyên liệu đầu vào.
II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO CẢ QUY TRÌNH
II.1. Năng suất thành phẩm
5000T/năm = 5000.103kg/(300ngày*16giờ/ngày) = 1041,7 kg/h
II.2. Năng suất thiết bò cô đặc:


Nếu tổn thất sau quá trình thanh trùng và rót chai là 1%



Gc = 1041,7/0,99 = 1052,2 kg/h

II.3. Năng suất nhập liệu vào thiết bò cô đặc


Tỷ lệ dòch cô thu được so với dòch đầu là 0,286



Gđ = 1052,2/0,286 = 3679,1 kg/h

II.4. Khối lượng nước ép vào máy ly tâm (lọc tinh),



Chọn tổn thất là 0,5%



Gv(lọc tinh) = 3679,1/0,995 = 3697,6 kg/h

II.5. Khối lượng nước ép vào thiết bò gia nhiệt


Chọn tổn thất trong quá trình gia nhiệt là 0,5%



Gv(gia nhiệt) = 3697,6/0.995 = 3716,2 kg/h

II.6. Khối lượng nước ép vào thiết bò lọc thô,


Chọn tổn thất là 1,0%



Gv(lọc thô) = 3753,7 kg/h

II.7. Khối lượng nguyên liệu vào máy ép,


Biết hiệu suất ép là 85%



Cho tỷ lệ bã (bao gồm vỏ, hạt, …) và dòch tách ra trong
quả là 5/3 = 1.667



Khối lượng dòch ép ra = 3753,7 kg/h



Khối lượng dòch ép có trong quả = 3753,7/0,85 = 4416,1 kg/h



Khối lượng bã (bao gồm vỏ, hạt, tạp chất…) vào
1,667.4416,1 = 7360,2 kg/h

=

→ Khối lượng nguyên liệu vào máy ép = 4416,1 + 7360,1 =
11776,3 kg/h
II.8. Khối lượng nguyên liệu (G) vào


Quá trình rửa (tổn thất 0,5%) = 11776,3/0,995 = 11835,5 kg/h



Quá trình chọn lọc, phân loại (tổn thất 3%) = 11835,5/0,97 =
12201,6 kg/h

Bảng 5 - Tổng kết cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc (theo
1kg hỗn hợp đầu)

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 15


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
Khối
lượng, kg

Thành phần
1.
liệu

Nồng độ,
%kl

Nhập
Dòch ép

Gđ

thể
2. Thiết bò Tinh

thô
K1
KT1
Dòch cái 1
M1
3. Thiết bò
lọc 1
Dòch sót 1

∆M1

thể
4. Thiết bò Tinh
thô
K2
KT2
Dòch cái 2
M2
5. Thiết bò
lọc 2
Dòch sót 2

∆M2

6. Thiết bò Tinh thể đá K3
rửa
Nước rửa
M3
Nước
lại

tích

∆M3

Nươc thu hồi M'3
7.
Sản Dòch
phẩm
đặc

1

0.1

0.5556

0.02

0.4444

0.2

0.0082

0.2

0.1558

0.02

0.2910

0.3

0.0024

0.3

0.6402

0

0.4268

0

0.000464

0

0.5081

0.0074

0.2860

0.3

cô

Gc

Bảng 6 – Tổng kết cân bằng vật chất cho cả quy trình sản xuất
Quá trình

Tổn
hao
(%)

Đầu
vào
(kg/h)

Đầu ra
(kg/h)

1

Nhập nguyên liệu

5.0%

2

Chọn lọc, phân loại

3.0%

12201.6

11835.5

3

Rửa

0.5%

11835.5

11776.3

11776.3

11113.9

7360.2

7360.2

4416.1

3753.7

Nguyên liệu
4

Ép

Bã

15.0%

Dòch ép

12201.6

5

Lọc thô

1.0%

3753.7

3716.2

6

Gia nhiệt

0.5%

3716.2

3697.6

7

Ly tâm - lọc tinh

0.5%

3697.6

3679.1

8

Cô đặc

71.4%

3679.1

1052.2

9

Rót chai, đóng nắp, thanh
trùng, bảo quản

1.0%

1052.2

1041.7

1
2

Bảo quản

0.0%

1041.7

1041.7

1
3

Thành phẩm

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

1041.7

Trang 16


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

PHẦN 3

TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯNG
CHO
THIẾT BỊ KẾT TINH

I. CÁC THÔNG SỐ CẦN TÍNH
I.1. Nhiệt dung riêng của dòch ép
Nhiệt dung riêng của nước cam ép theo nhiệt độ được tính gần
đúng theo công thức : ([3], I.50, 153)
c = 4190 – (2514 – 7,542t)x , J/kg.độ
Trong đó :
J/kg.độ

c : nhiệt dung riêng của dung dòch nước đường,
t : nhiệt độ dung dòch, oC.
x : nồng độ của dung dòch, phần khối lượng.

Sự thay đổi của nhiệt dung riêng trong quá trình cô đặc :
Nhậ
p liệ
u

(1)

Là
m lạnh

Bắ
t đầ
u kế
t tinh

(2)

Kế

t thú
c KT 1

(3)

Kế
t thú
c KT2

(4)

(5)

I.2. Độ nhớt động lực của dòch ép
Độ nhớt của dung dòch nước ép lấy gần đúng theo dung dòch
đường mía theo [3,I.112,114)
I.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch và tinh thể nước đá
 Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch được tính theo công thức :
[3,I.32,123]
λ dungdòch= A.Cp.ρ. 3

ρ
M hh

(

W
)
mK

Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dòch ép, J/kg.độ;
r – khối lượng riêng của dòch ép, kg/m3; M – khối lượng mol hỗn hợp.
Với dung dòch đang ép thuộc loại chất lỏng liên kết nên A =
3,58.10-8.
 Hệ số dẫn nhiệt của tinh thể nước đá : [3, I.128, 132]
λđá1 (-2oC) = 2,532 W/mK
λđá2 (-5oC) = 2,566 W/mK

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 17


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
I.4. Nhiệt kết tinh của nước đá
Nhiệt kết tinh trung bình của nước (ở 0oC) là 1434,6 cal/mol =
333608,3 J/kg ([10],23)
Bảng 7 - Tổng kết các thông số nhiệt lý của dòch ép và nước
đá
Quá trình
(1) Nhập liệu
(2) Làm lạnh
(3) Bắt đầu
kết tinh
(4) Kết thúc
KT1
(5) Kết thúc
KT2

x
0.1
0
0.1
0
0.1
0
0.2
0
0.3
0

t
30
3
-1
-2
-5

ρ
kg/m
3
1037
1037
1037
1089
1142

cdd
J/kg.đ

ộ
3961.
23
3940.
86
3937.
85
3684.
18
3424.
49

cđá
J/kg.đ
ộ
2090.
3
2090.
3

µ,
Pa.s
1.792E03
1.792E03
1.792E03
3.804E03
9.287E03

λ dd,
λ đá,

W/m W/m
K
K
0.341
5
0.339
8
0.339
5
0.339
0 2.532
0.335
8 2.566

II. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯNG
Nhiệt lượng Q (tính trên 1 kg dòch ép ban đầu) cần cung cấp cho toàn
quá trình cô đặc kết tinh bao gồm (lượng nhiệt này được cung cấp
cho tác nhân lạnh)
Qo : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh sơ bộ dòch ép ban đầu từ
30oC → 3oC;
Q1 : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dòch ép từ 3 oC
→ -1oC;
Qkt : nhiệt lượng cần thiết để kết tinh nước;
Qdd : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1oC → -5oC;
Qđá : nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh nước đá từ -1oC → -5oC.
II.1. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ dòch ép
ban đầu
 Nhiệt độ đầu và cuối quá trình : tđ = 30oC → t’đ = 3oC
 Khối lượng dòch ép : Gđ = 1kg/h
 Nhiệt dung trung bình L : c đ = (3961.23 + 3940.86)/2 = 3951,05

J/kg.độ
 Lượng nhiệt cung cấp : Qo = Gđcđ(tđ – t’đ) = 1.3951,05.(30 - 3) =
106678.2 J/kg dòch đầu.h
II.2. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dòch ép
từ 3oC → -1oC
 Nhiệt dung trung bình của dòch ép : c 1 = (3940.86 + 3939.36)/2 =
3939.36 J/kg/độ
 Lượng nhiệt cần cung cấp là : Q1 = Gđc1(t’đ – t1) = 15757.4 J/kg
dòch đầu.h
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 18


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
II.3. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình kết tinh nước
 Nhiệt kết tinh trung bình của nước là λkt = 333608,3 J/kg
 Khối lượng tinh thể tạo thành K = K1 + K2 = 0,5556 + 0,1558 =
0,7114 kg/kg dòch đầu.h
 Nhiệt lượng cung cấp


Kết tinh 1 : Qkt1 = K1. λ kt = 0,5556. 333608,3 = 185352.8 J/kg dòch
đầu.h



Kết tinh 2 : Qkt2 = K2. λ kt = 0,1558. 333608,3 = 51976.2 J/kg dòch
đầu.h

=> Qkt = Qkt1 + Qkt2 = 185352,8 + 51976,2 = 237329 J/kg dòch đầu.h
II.4. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1 oC →
-5oC
 Ta có :

Qdd = Qdd1 + Qdd2

 Trong đó : Qdd1 : nhiệt lượng cung cấp cho dòch cái M 1 (từ -1oC →
-2oC)
Qdd2 : nhiệt lượng cung cấp cho dòch cái M 2 (từ -2oC →
-5 C)
o

 Khối lượng và nhiệt dung riêng của dòch cái
•

M1 = 0,4444 kg/kg dòch đầu; cM1 = 3864,18 J/kg.độ

•

M2 = 0,29 kg/kg dòch đầu; cM2 = 3424,49 J/kg.độ

 Nhiệt lượng cung cấp
•

Qdd1 = M1cM1.(t1 – t2) = 0,4444.3864,18 = 1717,24 J/kg dòch
đầu.h

•

Qdd2 = M2c M2.(t3 – t2) = 0,29. 3424,49.3 = 2979.3 J/kg dòch đầu.h

=>

Qdd = 1717,24 + 2979,3 = 4696,54 J/kg dòch đầu.h

II.5. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh tinh thể đá từ
-1oC → -5oC
Qđá = Qđá 1 + Qđá 2 = K1cđá1.(t1 - t2) + K2cđá 2.(t2 – t3)
 Nhiệt dung riêng của nước đá lấy gần đúng là 2090,3 J/kg
 Nhiệt lượng cần là :


Tại kết tinh 1 (từ -1oC → -2oC) : Qđá1 = 0,5556.2090,3.1 = 1161,4
kJ/kg dòch đầu.h



Tại kết tinh 2 (từ -2oC → -5oC) : Qđá2 = 0.1558.2090,3.3 = 977 J/kg
dòch đầu.h

=> Qđá = 2138,4 J/kg dòch đầu.h
II.6. Tổng nhiệt lượng thực tế
Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 15% lượng nhiệt thực tế
 Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 1 :

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 19

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
ΣQkt1 = 1,15 (Q1 + Qdd1 + Qkt1 + Qđá1)
= 1,15 (15757,4 + 1717,24 + 185352,8 + 1161,4) = 234587,1 J/kg
dòch đầu.h
 Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 2 :
ΣQkt2 = 1,15 ( Qdd2 + Qkt2 + Qđá2)
= 1,15 (2979,3 + 51976,2 + 977) = 64322,4 J/kg dòch đầu.h
 Vậy nhiệt cần cung cấp cho toàn quá trình là
ΣQ

= 1,15 Q = 1,15 (Qo + Q1 + Qdd + Qđá + Qkt)
= 1,15.(106678,2 + 15757,4 + 4696,54 + 2138,4 +237329)
= 421589,5 J/kg dòch đầu

Bảng 8 – Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc
Nhiệt lượng
riêng
Quá trình
J/kg dòch đầu.h
1. Làm lạnh sơ
111527,2
bộ
2. Kết tinh 1
234587,1
3. Kết tinh 2
64322,4
Tổng

nhiệt
421589,5
lượng cần

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Nhiệt lượng
tổng
kJ/h
410319,8

Nhiệt lượng
tổng
kW
113,98

863069,5
236648,6
1.551.069,9

239,74
65,74
430,85

Trang 20


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

PHẦN 4

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ
KẾT TINH VÀ CHỌN THIẾT BỊ
LỌC, RỬA

I. THIẾT BỊ KẾT TINH
I.1. Giới thiệu
Thiết bò cô đặc kết tinh là thiết bò thân hình trụ đứng, dạng vỏ
áo, đáy và nắp ellipse tiêu chuẩn.
Tác nhân giải nhiệt để kết tinh dung môi được dùng là NH3.
Vật liệu chế tạo thiết bò
 Thân làm bằng thép không gỉ để không làm ảnh hưởng
đến độ tinh khiết của sản phẩm, mã hiệu X18H10T.
 Vỏ làm bằng thép thường CT3
Phương pháp gia công : dùng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu
hàn giáp mối hai phía.
I.1.1. Thùng kết tinh 1
 Các thông số kích thước, chọn :
 Đường kính trong : DT = 1200 mm
 Chiều cao thân : HT = 1800 mm
 Hệ số chứa đầy : β = 0.8
 Đáy, nắp ellipse tiêu chuẩn :

hgờ = 50 mm

F = 1,75 m2

; ht = 300 mm

; Vnắp, đáy = 0,283 m3

 Vỏ bọc cách nhiệt, vật liệu : bông thuỷ tinh
 Vỏ cách thân 50 mm
 Thời gian lưu : τ = 4h
 Năng suất thể tích nhập liệu : Vđ =

3679,1
= 3,548 m3/h
1037

 Tính kích thước thùng
 Thể tích thùng :
Vthùng

= Vthân + Vđáy + Vnắp = π .

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

DT2
1,2 2
.H T + 2.Vday = π .
.1,8 + 2.0,283 = 2,6 m3
4
4

Trang 21


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò

Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
 Chiều cao toàn bộ thùng : Hthùng = HT + Hđáy + Hnắp = 1,8 + 0,35.2
= 2,5 m
 Thể tích dung dòch chứa : Vdd1 = 0,8.Vthùng = 2,08 m3
 Chiều cao dung dòch chứa tính từ đáy :
Hdd1 = Hdd(thân) + Hdd(đáy) =

Vdd − Vday

πD / 4
2
T

+ hday =

2,08 − 0,283
+ 0,35 = 1,939 m
π .1,2 2 / 4

 Tính bề mặt truyền nhiệt
 Để đảm bảo truyền nhiệt tốt thì lớp vỏ áo của thiết bò
được bao cao hơn chiều cao mực chất lỏng ở bên trong 150mm.
 Bề mặt truyền nhiệt : F = Fdd(thân) = πD(Hdd(thân) + 0,15) = 6,56 m2
 Tính số thùng kết tinh 1
N1 =

Vd 1
3,548.4
.τ =
= 6,82 => Chọn số thùng N2 = 7 thùng

Vdd 1
2,08

I.2.2. Thùng kết tinh 2
 Kích thước thùng kết tinh 2
 Để đơn giản trong việc chế tạo và lắp đặt ta chọn các thông
số kích thước của thùng 2 giống kích thước thùng 1 như sau :


Thùng :DT = 1,2 m; Vthùng = 2,6 m3; Hthùng = 2,5 m;



Thân :

HT = 1,8 m



Đáy, nắp :

Vđáy = Vnắp = 0,283 m3; Fđáy = Fnắp = 1,75 m2



Thể tích và chiều cao dung dòch : V dd2 = 2,6.0,8 = 2,08 m3; Hdd2 =
Hdd1 = 1,939 m

 Bề mặt truyền nhiệt : F2 = πD(Hdd(thân) + 0,1) = 6,367 m2
 Số thùng kết tinh 2 : N2 =

Trong đó : Vđ2 =

Vd 2
.τ = 2,83 ≈ 3 thùng
Vdd 2

Gd 1 .( M 1 − ∆M 1 ) (0,444 − 0,00817).3679,1
=
= 1,4724 m3/h
ρd2
1089

τ = 4h; Vdd2 = 2,08 m3
=> Chọn số thùng kết tinh là 3 thùng
I.2. Tính toán điều kiện bền
I.2.1. Các thông số cần tra và chọn
 p suất tính toán :
Nếu xem áp suất thủy tónh là không đáng kể, bên trong thiết
bò làm việc ở áp suất khí quyển: PT = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2
p suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10 oC) tác
động lên thân thiết bò là
PN = PsôiNH3 = 2,9075 at = 0,29075 N/mm2

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 22


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam

p suất tác động lên thân thiết bò là
P = PN – PT = 0,19075 N/mm2
=> Thiết bò chòu áp suất ngoài
Vậy áp suất tính toán cho thân thiết bò được chọn trên cơ sở
điều kiện làm việc nguy hiểm nhất, đó là trường hợp khi ta tháo
liệu mà chưa xả tác nhân ra hết lúc đó áp suất tác động lên
thân thiết bò sẽ lớn nhất và bằng áp suất của tác nhân lạnh,
nên PTT = PN = 0,29075 N/mm2.
 Nhiệt độ tính toán được lấy là nhiệt độ môi trường làm việc
cộng với 20oC (thiết bò có bọc cách nhiệt). Nhưng trong điều kiện
thiết bò làm việc ở nhiệt độ thấp như vậy nên ta chọn luôn
nhiệt độ tính toán là 20oC.
 Vật liệu chế tạo
Thân bằng thép không gỉ X18H10T
Vỏ làm bằng thép thường CT3
 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)
 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : [ σ] * = 147 N/mm 2
 Hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 (thiết bò có bọc cách nhiệt)
 Ứng suất cho phép : [ σ] = [ σ] * × η = 147.0.95 = 139,65 N/mm 2
 Hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,95
 Mô đun đàn hồi : E t = 20,5 × 10 4 N/mm 2
 Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20oC)
Hệ số an toàn chảy : nc = 1.65
⇒ σ c = 147 × 1,65 = 242.55 N/mm 2
I.2.2. Tính bền cho thân thiết bò khi chòu áp suất ngoài
 P l' 
 Bề dày tối thiểu S'= 1.18D t  n . 
 E t Dt 

0.4

Trong đó : DT = 1200 mm - Đường kính trong của thiết bò;
Pn = 0,29075 N/mm2 - p suất ngoài tác dộng lên thân thiết
bò;
Et = 20,5.104 N/mm2 - Môđun đàn hồi;
l’ = lthân + hđáy/3 = 1800 + 350/3 = 1916,7 mm – chieu dài tính
toám cho thân.
 0,29075 1916,7 
=> S' = 1,18.1200.
.

-4
1200 
 20,5.10

0.4

= 7,818 mm

 Chọn hệ số bổ sung bề dày C
 Hệ số ăn mòn của tác nhân NH3 là Ca = 1 mm;

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 23


Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
 Hệ số ăn mòn của dung dòch nước trái cây là Cb = 0,5 mm;

 Hệ số quy tròn Co = 0,682 mm;
=> C = 2,182 mm
 Bề dày thiết bò : S = 10 mm
 Kiểm tra bền
(1) Kiểm tra điều kiện :
1,5

2(S − C a )
l'
≤
≤
Dt
Dt

⇔ 1,5
⇔

2×9
1200
≤ 1,75 ≤
1200
2×9
(Thoả điều
0,1837 < 1,75 < 8,165
kiện)

l'
E
(2) So sánh :
và 0.3 tt

DT
σc
E
=> 0.3 tt
σc

Dt
2(S − C a )

 2(S − C a ) 


 Dt


3

3

3
 2.9  = 0,4658 < l' =1,5975
1200 
DT

 2(S − C a ) 
20,5.10 4
=

 0.3
242,55

 Dt


=> Thoả điều kiện (2)
(3) Kiểm tra

[ P] = 0.649.E t D t
l'

 S − Ca

 Dt

= 0,649 × 20,5 × 10 4 ×





2

S − Ca
Dt

1200  9 


1917  1200 

2

9
1200

= 0,4057 N/mm 2 > P = 0.2907 N/mm 2
=> Thân đủ bền
I.2.3. Tính ổn đònh cho đáy nắp
 Đáy chòu áp suất ngoài : Pn = PNH3 = 0,2907 N/mm2
 Nắp chòu áp suất ngoài xấp xỉ với áp suất khí quyển vì vậy
khi tính bền cho đáy, nếu đáy đủ bề thì nắp cũng đủ bền.
 Chọn bề dày tính toán cho nắp bằng với bề dày của thân thiết
bò : S = 10 mm
 Tính bền cho đáy
(1) So sánh :
Trong đó :

0.15Et
Rt
và
xσ tc
S
Rt = Dt = 1200 mm (đáy-nắp ellipse tiêu chuẩn);

Et = 20,5.104 N/mm2; σ c = 242.55 N/mm2;
x = 0,7 (vật liệu chế tạo làm bằng thép không gỉ);

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 24

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
Đề tài : Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam
R t 1200
=
=12
S
10

Khi đó :

0,15E t 0,15.20,5.10 4
= 181,11
=
xσ ct
0,7.242.55
=>

ht
R t 0,15E t
= 0,25 < 0.3
<
và 0.2 <
t
DT
xσ c
S

(2) p suất cho phép : [ Pn ] =

2[ σ n ]( S − C a )
βR t

Trong đó : [ σ n ] là ứng suất nén được xác đònh bởi công thức :
[ σ n ] = K cE t S − Ca
Dt
Vì

DT
1200
=
= 66,7 ∈ [25,250]
2( S − C a )
2.9

Nên K c = 875
=> [ σ n ] = K c E t

σ ct
242,55
k c = 875
0.065 = 0,0673 ; kc = 0.065 (theo [11],140)
Et
20.5 × 10 4

S − Ca
9
= 0,0673.20,5.10 4.
= 103,46 N/mm2
Dt

1200

E t ( S − C a ) + 5xσ ct R t
20,5.10 4.9 + 5.0,7.242,55.1200
=> β =
=
E t ( S − C a ) − 6.7xσ ct R t (1 − x ) 20,5.10 4.9 − 6,7.0,7.242,55.1200.0,3
=> β = 1,995
Vậy [ Pn ] =

2[ σ n ]( S − C a ) 2.103,46.9
= 0,7779 N / mm 2 > 0,29075 N / mm 2
=
βR t
1,995.1200

=> Đáy đủ bền
 Tính tương tự cho nắp ta cũng được [Pn] = 0,7779 N/mm2 > 0,1 N/mm2
=> Nắp cũng đủ bền
I.2.4. Tính bề dày vỏ thiết bò
Áp suất bên trong vỏ thiết bò P = P tác nhân = 0,29075 N/mm2 ⇒ Vỏ
thiết bò chòu áp suất trong (Xem như bề mặt cách nhiệt không tác
dụng lên vỏ, phía ngoài vỏ chỉ chòu áp suất khí quyển).
 p suất tính toán cho vỏ thiết bò :
PTT = Pdư = Ptuyệt đối – Pa = 0.29075 – 0.1 = 0.19075 N/mm2
 Nhiệt độ tính toán lấy bằng nhiệt độ tác nhân cộng thêm 20 oC
(có bọc cách nhiệt)
=> Ttt = 10oC
 Vỏ làm bằng thép thường CT3

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh

Trang 25