Thiết kế thiết bị cô đặc nước cam

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp
nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn. Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ có đức
có tài ngày càng trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và không thể thiếu. Để trở thành một
người kỹ sư, việc giải các bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc,
thiết bò và dây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu. Ý thức được tầm quan
trọng và vai trò của mình trong tương lai, em đã vận dụng những kiến thức mà mình đã được học
trong suốt 3 học kỳ vừa qua vào việc hoàn thành đồ án thiết kế này.
Nhiệm vụ cơ bản của đồ án này là thiết kế hệ thống thiết bò cô đặc nước cam bằng phương
pháp lạnh hay phương pháp kết tinh dung môi với năng suất đã cho (5000 tấn/năm). Đồ án này
bao gồm các phần chính như sau :
 Giới thiệu tổng quan về nguyên liệu và quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm nước cam
cô đặc.
 Tính toán cân bằng vật chất cho quy trình cô đặc.
 Tính toán cân bằng năng lượng cho quy trình cô đặc.
 Tính toán thiết kế thiết bò chính.
 Tính chọn thiết bò phụ.
 Tính giá thành sản phẩm.
 Đánh giá hiệu quả hoạt động, ưu - nhược điểm của thiết bò và phương pháp công nghệ từ
đó đề xuất những giải pháp nhằm khắc phục và cải tiến phương pháp.
Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể có
rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của các thầy cô sẽ là nguồn động
viên và khích lệ đối với em để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện
hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô bộ môn Máy & Thiết bò đã trang bò cho em
những kiến thức nền tảng làm cơ sở cho em thực hiện đồ án này. Em cũng xin rất cảm ơn thầy
Phạm Văn Bôn đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thiết kế.
Phần sau đây là nội dung chi tiết của bản đồ án, kính mong được sự xem xét, chỉ dạy và hướng
dẫn của các thầy cô.

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 1
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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 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,
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 2
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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.

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.
 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
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 3
Acidless orange
Valencia Orange
Navel orange
Blood orange
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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), ([13],tr245)
Thành phần
Hàm lượng
Múi Vỏ
Đơn vò
T
h
a

ø
n
h

p
h
a
à
n

c
h
í
n
h
Nước 88,06
75,95
%
Protein 0.9
-
%
Tinh dầu vết
2,4
%
Sacharose
Glucose
Frutose
3.59
1.25
1.45

1,22
3,49
3,24
%
Acid hữu cơ
1,41 0,22 %
Cellulose 0,47
3,49
%
Pectin 1,41
0,22
%
M
u
o
á
i

k
h
o
a
ù
n
g
Ca 34
-
mg%
P 23
-

mg%
Fe 0.4
-
mg%
V
i
t
a
m
i
n
e
A 0.09
-
mg%
β-Carotene 0.4
0,09
mg%
B1 0.04
0,02
mg%
B2 0.06
-
mg%
PP 0.75
1,27
mg%
C 65
170
mg%

Bảng 2 – Đặc điểm kỹ thuật của cam, quýt, chanh Việt Nam ([13],244)
Chỉ tiêu
Cam sành
(Bố Hạ)
Cam chanh
(Xã Đoài)
Quýt
(Lí Nhân)
Chanh
(Hoà Bình)
Khối lượng quả, g 260 240 40 64
Đường kính quả, mm 88 80 45 5,1
Hàm lượng chất khô, % 11,5 11,5 10 7,0
Độ acid - - 0,75 -
pH 3,2 3,2 - 3,8 - 2,5 - 2,6
I.5. Thu hoạch và bảo quản
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 4
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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. Giới thiệu công nghệ cô đặc nước ép trái cây nói chung
Như đã biết, kỹ thuật cô đặc đã ra đờiù từ rất lâu và được ứng dụng rất phổ biến trong công nghệ
hoá chất đặc biệt là trong công nghiệp sản xuất thực phẩm. Nhất là trong thời buổi hiện nay, thời

kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn và tất bật, việc
đảm bảo nhu cầu về bữa ăn hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do tốn khá
nhiều thời gian và công sức. Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đang đóng một vai trò
rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nấu
nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm bảo các giá trò dinh dưỡng và an toàn thực
phẩm.
Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … là một trong những
phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quả lâu, giảm chi phí bảo
quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế
gần như ở dạng ban đầu.
Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như : phương pháp nhiệt
(bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháp lạnh (kết tinh dung
môi dạng rắn) và thẩm thấu nghòch.
Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ.
Tuy vậy có thể nói, phương pháp cô đặc lạnh là một giải pháp rất thích hợp cho việc cô đặc
những dung dòch mà thành phần của chúng dễ bò biến đổi bởi tác dụng của nhiệt độ. Đó là những
dung dòch nước ép trái cây giàu sinh tố, trà, rượu …
Bảng 3 - So sánh hàm lượng còn lại của một số chất thơm trong sản phẩm cô đặc bằng hai
phương pháp theo Grenco ([7],bảng 11-1,trang 222)
Chất thơm Nước ép ban
đầu (13
0
Bx)
Tỉ lệ hàm lượng còn lại sau khi cô đặc (%)
Bằng kết tinh
(đến 45-50
0
Bx)
Bằng bốc hơi có gia nhiệt
(đến 60

0
Bx)
Tổng hàm lượng 100 91.4 0.05
Axetaldehyt 100 37.5 0.05
Axetat etyl 100 30 0.05
Ethanol 100 64 0.05
Butylat etyl 100 94 0.05
limonen 100 100 0.05
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 5
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
II.2. Sơ đồ quy trình công nghệ
Cam
Sản phẩm
Chọn lựa
Rửa
Ép
Gia nhiệt
Lọc thô
Cô đặc
Rót chai
Ghép nắp
Thanh trùng
Ly tâm
Bảo quản
Quả hư
Nước rửa Nước thải
Vỏ, hạt
Bã thô
Bã tinh
Chai

Nắp
Hình 2 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước cam cô đặc
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.
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 6
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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 Food Technology
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.
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 7
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
 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 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 70-75
o
C 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 -10
o
C
÷
-15
o
C. 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 có thể cô đặc 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
o
C. Sau khi rót xong cần phải
ghép nắp, quá trình ghép kín nhằm cách li hoàn toàn với môi trường không khí và vi sinh vật gây
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 8
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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 37
o
C 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 & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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
Nhập liệu
Làm lạnh sơ bộ
Kết tinh 1
Ly tâm 1
Dòch cô đặc 1
G
đ
, x
đ
K
1
, x
k1
M
1
, x
1
M
1
-
∆
M
1
, x
1
Kết tinh 2
Ly tâm 2
K

2
, x
k2
M
2
, x
2
G
c
, x
c
Rửa tinh thể
Dòch cô đặc 2
K
2
, x
k2
∆Μ
2
,
x
2
Nước
Nước rửa
M’
3
, x
3
M
3

, x=0
∆Μ
1
,
x
1
Κ
1
,
x
k1
K
3
,
∆
M
3
Sản phẩm
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 & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh

Bảng 4 – Thành phần chất khô của một số dòch ép trái cây tính trên 100g
Hình 5
- Biểu đồ nhiệt độ đóng băng của dung dịch nước cam
theo nồng độ chất khơ
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Nhiệt độ, t
X
e
=65%
 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 : t
1
(x = 0,12) = -1
o
C ; ρ = 1037 kg/m
3
 Nhiệt độ của kết thúc quá trình cô đặc (x=0.3) : t
2
= -5

o
C ; ρ = 1142 kg/m
3
.
 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)
Bảng 5 – Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dòch cam ép theo nồng độ
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 11
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
Nồng độ phần
khối lượng, x%
Nhiệt độ kết
tinh,
o
C
Khối lượng riêng
ρ, kg/m

3
2 0 994
10 -1 1037
20 -2 1089
30 -5 1142
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
 Chọn mô hình kết tinh 2 cấp
• Cấp 1 : từ -1
o
C (x=0.1) đến -2
o
C (x=0.2)
• Cấp 2 : từ –2
o
C (x=0.2) đến -5
o
C (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 :
G
đ
, x
đ
: Khối lượng và nồng độ chất khô trong hỗn hợp nhập liệu
G
c
, x
c
: Khối lượng dòch cái và nồng độ chkhô tương ứng thu được (sản phẩm)
M

1
, x
1
:Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái thu được sau kết tinh 1
M
2
, x
2
: Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái sau KT
2
∆M
1
, ∆M
2
= Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K
1
, K
2
sau KT1 và KT2
K
1
, x
k1
: Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT1
K
2
, x
k2
: Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT2
K

3
: khối lượng tinh thể nước đá còn sau thiết bò rửa
M
3
: Lượng nước rửa tại thiết bò rửa
I.3.1. Tại thiết bò kết tinh 1 :
Cân bằng vật chất tính cho 1 kg dòch nhập liệu:



+=
+=
1111
11
xMxKxG
MKG
dd
d
<=>
1
1
1 1
1
1
1 1
0,2 0,1
1. 0,556
0,2 0,02
0,1 0,02
1. 0,444

0,2 0,02
d
d
k
d k
d
k
x x
K G kg
x x
x x
M G kg
x x
−
−
= = =
− −
−
−
= = =
− −
Trong đó x
đ
= 0,1, x
1
= 0,2, x
k1
= 0,02 ; G
đ
= 1 kg/h

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
• ρ
d1
: khối lượng riêng của dòch cái sau kết tinh 1
• ρ
1
: khối lượng riêng
• f
1
: tỷ lệ diện tích bề mặt xung quanh tự do của tinh thể có dòch bám vào
• δ
1
: bề dày lớp dòch bám
• d
1
: đường kính trung bình (cạnh tinh thể lập phương)
 Cần tính được :
 Lượng dòch còn sót lại trong bã lọc tinh thể
hkgG
xx
xx
d
f
GM
d
k

dd
d
/10.17,81.
02.02.0
1.02.0
.
10.3.1037
1089.10.7,0.6
..
6
3
3
5
11
1
11
111
11
−
−
−
=
−
−
=
−
−
=∆=∆
ρ
ρδ

SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 12
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
Trong đó ρ
d1
= 1089 kg/m
3
; ρ
d1
= 1037 kg/m
3
; f
1
= 0.7; δ
1
= 10
-5
m; d
1
= 3.10
-3
m.
 Tỷ lệ dòch cái thu được sau thiết bò lọc 1
m
1
=
4363.0
1
10.17,8444.0
3
11

=
−
=
∆−
−
d
G
MM
kg dòch lọc/kg dòch ép đầu
I.3.3. Tại thiết bò kết tinh 2
Ở đây, dòch M
1
sau khi lọc (khối lượng còn M
1
- ∆M
1
) 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 x
2
, x
k2
. Ta có



+=∆−

+=∆−
2222111
2211
)( xMxKxMM
MKMM
k
=>







=
−
−
∆+=
=
−
−
∆−=
kg
xx
xx
MMM
kg
xx
xx
MMK

k
k
k
286.0).(
1558.0).(
22
21
112
22
12
112
I.3.4. Tại thiết bò lọc 2 – Lọc ly tâm
Lượng dòch cái ∆M
2
còn sót trong khối tinh thể là
kgMM
xx
xx
d
f
M
k
d
3
3
5
11
22
12
22

222
2
10.402,21558,0.
10.3.1037
1142.10.7,0.6
).(.
..6
−
−
−
==∆−
−
−
=∆
ρ
ρδ
I.3.5. Tại thiết bò rửa
 Cho tinh thể K
1
và K
2
có chứa dòch sót ∆M
1
, ∆M
2
vào thiết bò rửa R
3
với lượng nước
rửa là M
3

. Lượng tinh thể sau rửa có khối lượng là K
3
, trong đó có tích một lượng nước
rửa là ∆M
3
, 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 x
3
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 K
1
và K
2
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
’, d
2
’), độ bám dính bề mặt
(f
1
’, f
2
’) 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 :

K
1
+ K
2
+ M
3
+ ∆M
1
+ ∆M
2
= K
3
+ M’
3
+ ∆M
3
= (1 - ∆)(K
1
+ K
2
) + M’
3
Với K
3
= (1 - ∆)(K
1
+ K
2
)
• Theo chất khô

K
1
x
k1
+ K
2
x
k2
+ 0 + ∆M
1
x
1
+ ∆M
2
x
2
= (1 - ∆)K
1
x
k1
+ (1 - ∆)K
2
x
k2
+ M’
3
x
3
+ 0
 Lượng tinh thể sau rửa là

K
3
= (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 ξ
0
(thường ξ
0
=
0.2– 1). Chọn ξ
0
= 0,6
M
3
= ξ
0
(K
1
+ K
2
) = 0,6.(0.5556 + 0.1558) = 0,42684 kg
 Lượng nước tích lại trong khối tinh thể
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 13
%74,0
5081,0
3,0.0024,02,0.0082,0)02,0.1558.002,0.5556,0.(1,0
'
).(
3
22112211
=

+++
=
∆+∆++∆
=
M
xMxMxKxK
kk
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
∆M
3
=
( )












−−−
−
−
+−
−
∆

d
d
kd
k
d
k
d
xx
d
f
xx
xx
xxfb
xxfb
xx
G
1
11
111
1
22
1222
111
11
3/2
6
.
)('
)('.
..6

ρ
ρδ
Với b
1
= δ’
1
/d
1
; b
2
= δ’
2
/d
2
d’
1
/d
1
= d’
2
/d
2
= ∆
2/3
= (0,1)
2/3
= 0,21544
=> d’
1
= d’

2
= 6,4632.10
-4
m
Giả sử :
1
1
1
1
''
δ
δ
=
d
d
và
2
2
2
2
''
δ
δ
=
d
d

=> δ’
1
= δ’

2
= 2,1544.10
-6
m
=> b
1
= b
2
= 7,1813.10
-3

Vậy lượng nước rửa tích lại trong khối tinh thể sau cùng là
∆M
3
=
( )

















−−−
−
−
+
+−
−
−
−−
−
1.02,0
10.3.1037
1089.10.7,0.6
02,01,0.
02,03,0
)2,03,0.(7.0.10.18,7
)1.02.0.(7,0.10.18,7
.
02,02,0
1.21544,0.6
3
53
3
= 0.000464 kg/h
 Lượng nước ra khỏi thiết bò rửa M’
3
Từ phương trình cân bằng vật chất
M
3

+ K
1
+ K
2
+ ∆M
1
+ ∆M
2
= K
3
+ M’
3
+ ∆M
3

K
1
x
k1
+ K
2
x
k2
+ 0 + ∆M
1
x
1
+ ∆M
2
x

2
= (1 - ∆)K
1
x
k1
+ (1 - ∆)K
2
x
k2
+ M’
3
x
3
Suy ra : M’
3
= M
3
+ K
1
+ K
2
+ ∆M
1
+ ∆M
2
- ∆M
3
- K
3
= 0.5081 kg/h

Và x
3

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%.
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 = 5000.10
3
kg/(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
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 14
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
 G
đ
= 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 6 - Tổng kết cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc (theo 1kg hỗn hợp đầu)
Thành phần Khối lượng, kg Nồng độ, %kl
1. Nhập liệu
Dòch ép Gđ 1 0.1
2. Thiết bò KT1
Tinh thể thô K1 0.5556 0.02
Dòch cái 1 M1 0.4444 0.2
3. Thiết bò lọc 1
Dòch sót 1 ∆M
1
0.0082 0.2
4. Thiết bò KT2
Tinh thể thô K2 0.1558 0.02
Dòch cái 2 M2 0.2910 0.3
5. Thiết bò lọc 2
Dòch sót 2 ∆M2 0.0024 0.3
6. Thiết bò rửa

Tinh thể đá K3 0.6402 0
Nước rửa M3 0.4268 0
Nước tích lại ∆M3 0.000464 0
Nươc thu hồi M'3 0.5081 0.0074
7. Sản phẩm
Dòch cô đặc Gc 0.2860 0.3
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 15
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
Bảng 7 – 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%
12201.6
2 Chọn lọc, phân loại 3.0% 12201.6 11835.5
3 Rửa 0.5% 11835.5 11776.3
4 Ép
Nguyên liệu
Bã
Dòch ép
15.0%
11776.3 11113.9
7360.2 7360.2
4416.1 3753.7
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
1041.7
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 16
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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 : c : nhiệt dung riêng của dung dòch nước đường, J/kg.độ
t : nhiệt độ dung dòch,
o
C.
x : nồng độ của dung dòch, phần khối lượng.
Sự thay đổi của nhiệt dung riêng trong quá trình cô đặc :
Nhập liệu
Bắt đầu kết tinh
Kết thúc KT 1

Kết thúc KT2Làm lạnh

(1) (2) (3) (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]
dòch dung
λ
=
3
hh
M
ρ
A.Cp. .ρ
(
mK
W
)
Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dòch ép, J/kg.độ; r – khối lượng riêng của
dòch ép, kg/m
3
; 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]
λ
đá1
(-2

o
C) = 2,532 W/mK
λ
đá2
(-5
o
C) = 2,566 W/mK
I.4. Nhiệt kết tinh của nước đá
Nhiệt kết tinh trung bình của nước (ở 0
o
C) là 1434,6 cal/mol = 333608,3 J/kg ([10],23)
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 17
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
Bảng 8 - Tổng kết các thông số nhiệt lý của dòch ép và nước đá
Quá trình x t
ρ
kg/m3
c
dd
J/kg.độ
c
đá
J/
kg.độ
µ,
Pa.s
λ
dd,
W/
mK

λ
đa
ù, W/
mK
(1) Nhập liệu
0.1
0 30
1037
3961.23 - 1.792E-03 0.3415 -
(2) Làm lạnh
0.1
0 3
1037
3940.86 - 1.792E-03 0.3398 -
(3) Bắt đầu kết tinh
0.1
0 -1
1037
3937.85 - 1.792E-03 0.3395 -
(4) Kết thúc KT1
0.2
0 -2
1089
3684.18 2090.3 3.804E-03 0.3390 2.532
(5) Kết thúc KT2
0.3
0 -5
1142
3424.49 2090.3 9.287E-03 0.3358 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)
Q
o
: nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh sơ bộ dòch ép ban đầu từ 30
o
C → 3
o
C;
Q
1
: nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh (trong TBKT) dòch ép từ 3
o
C → -1
o
C;
Q
kt
: nhiệt lượng cần thiết để kết tinh nước;
Q
dd
: nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1
o
C → -5
o
C;
Q
đá
: nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh nước đá từ -1
o

C → -5
o
C.
II.1. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ dòch ép ban đầu
 Nhiệt độ đầu và cuối quá trình : t
đ
= 30
o
C → t’
đ
= 3
o
C
 Khối lượng dòch ép : G
đ
= 1kg/h
 Nhiệt dung trung bình : c
đ
= (3961.23 + 3940.86)/2 = 3951,05 J/kg.độ
 Lượng nhiệt cung cấp : Q
o
= G
đ
c
đ
(t
đ
– 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 3
o
C → -1
o
C
 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 : Q
1
= G
đ
c
1
(t’
đ
– t
1
) = 15757.4 J/kg dòch đầu.h
II.3. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình kết tinh nước
 Nhiệt kết tinh trung bình của nước là λ
kt
= 333608,3 J/kg
 Khối lượng tinh thể tạo thành K = K
1
+ K
2
= 0,5556 + 0,1558 = 0,7114 kg/kg dòch đầu.h
 Nhiệt lượng cung cấp
 Kết tinh 1 : Q

kt1
= K
1
. λ
kt
= 0,5556. 333608,3 = 185352.8 J/kg dòch đầu.h
 Kết tinh 2 : Q
kt2
= K
2
. λ
kt
= 0,1558. 333608,3 = 51976.2 J/kg dòch đầu.h
=> Q
kt
= Q
kt1
+ Q
kt2
= 185352,8 + 51976,2 = 237329 J/kg dòch đầu.h
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 18
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
II.4. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1
o
C → -5
o
C
 Ta có : Q
dd
= Q

dd1
+ Q
dd2

 Trong đó : Q
dd1
: nhiệt lượng cung cấp cho dòch cái M
1
(từ -1
o
C → -2
o
C)
Q
dd2
: nhiệt lượng cung cấp cho dòch cái M
2
(từ -2
o
C → -5
o
C)
 Khối lượng và nhiệt dung riêng của dòch cái
• M
1
= 0,4444 kg/kg dòch đầu; c
M1
= 3864,18 J/kg.độ
• M
2

= 0,29 kg/kg dòch đầu; c
M2
= 3424,49 J/kg.độ
 Nhiệt lượng cung cấp
• Q
dd1
= M
1
c
M1
.(t
1
– t
2
) = 0,4444.3864,18 = 1717,24 J/kg dòch đầu.h
• Q
dd2
= M
2
c
M2
.(t
3
– t
2
) = 0,29. 3424,49.3 = 2979.3 J/kg dòch đầu.h
=> Q
dd
= 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 -1

o
C → -5
o
C
Q
đá
= Q
đá 1
+ Q
đá 2
= K
1
c
đá1
.(t
1
- t
2
) + K
2
c
đá 2
.(t
2
– t
3
)
 Nhiệt dung riêng của nước đá lấy gần đúng là 2090,3 J/kg
 Nhiệt lượng cần là :
 Tại kết tinh 1 (từ -1

o
C → -2
o
C) : Q
đá1
= 0,5556.2090,3.1 = 1161,4 kJ/kg dòch đầu.h
 Tại kết tinh 2 (từ -2
o
C → -5
o
C) : Q
đá2
= 0.1558.2090,3.3 = 977 J/kg dòch đầu.h
=> Q
đá
= 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 :
ΣQ
kt1
= 1,15 (Q
1
+ Q
dd1
+ Q
kt1
+ Q
đá1
)

= 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 :
ΣQ
kt2
= 1,15 ( Q
dd2
+ Q
kt2
+ Q
đá2
)
= 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 (Q
o
+ Q
1
+ Q
dd
+ Q
đá
+ Q
kt
)
= 1,15.(106678,2 + 15757,4 + 4696,54 + 2138,4 +237329)
= 421589,5 J/kg dòch đầu.h
Bảng 9 – Tổng kết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc
Quá trình
Nhiệt lượng riêng
J/kg dòch đầu.h

Nhiệt lượng tổng
kJ/h
Nhiệt lượng tổng
kW
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 19
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
1. Làm lạnh sơ bộ 111527,2 410319,8 113,98
2. Kết tinh 1 234587,1 863069,5 239,74
3. Kết tinh 2 64322,4 236648,6 65,74
Tổng nhiệt lượng cần
421589,5 1.551.069,9 430,85
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 20
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
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 NH
3
.
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 CT
3
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 : D
T
= 1200 mm
 Chiều cao thân : H
T
= 1800 mm
 Hệ số chứa đầy : β = 0.8
 Đáy, nắp ellipse tiêu chuẩn : h
gờ
= 50 mm ; h
t
= 300 mm
F = 1,75 m
2
; V
nắp, đáy
= 0,283 m
3

 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 : V
đ
=
548,3
1037
1,3679
=
m

3
/h
 Tính kích thước thùng
 Thể tích thùng :
V
thùng
= V
thân
+ V
đáy
+ V
nắp
=
6,2283,0.28,1.
4
2,1
..2.
4
.
2
2
=+=+
ππ
dayT
T
VH
D
m
3
 Chiều cao toàn bộ thùng : H

thùng
= H
T
+ H
đáy
+ H
nắp
= 1,8 + 0,35.2 = 2,5 m
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 21
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
 Thể tích dung dòch chứa : V
dd1
= 0,8.Vthùng = 2,08 m
3
 Chiều cao dung dòch chứa tính từ đáy :
H
dd1
= H
dd(thân)
+ H
dd(đáy)
=
939,135,0
4/2,1.
283,008,2
4/
22
=+
−
=+

−
ππ
day
T
daydd
h
D
VV
m
 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 = F
dd(thân)
= πD(H
dd(thân)
+ 0,15) = 6,56 m
2
 Tính số thùng kết tinh 1
N
1
=
82,6
08,2
4.548,3
.
1
1
==
τ

dd
d
V
V
=> Chọn số thùng N
2
= 7 thùng
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 : D
T
= 1,2 m; V
thùng
= 2,6 m
3
; H
thùng
= 2,5 m;
 Thân : H
T
= 1,8 m
 Đáy, nắp : V
đáy
= V
nắp
= 0,283 m
3
; F

đáy
= F
nắp
= 1,75 m
2

 Thể tích và chiều cao dung dòch : V
dd2
= 2,6.0,8 = 2,08 m
3
; H
dd2
= H
dd1
= 1,939 m
 Bề mặt truyền nhiệt : F
2
= πD(H
dd(thân)
+ 0,1) = 6,367 m
2

 Số thùng kết tinh 2 : N
2
=
τ
.
2
2
dd

d
V
V
= 2,83
≈
3 thùng
Trong đó : V
đ2
=
4724,1
1089
1,3679).00817,0444,0(
).(
2
111
=
−
=
∆−
d
d
MMG
ρ
m
3
/h
τ = 4h; V
dd2
= 2,08 m
3

=> 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:
P
T
= Pa = 1 at = 0,1 N/mm
2

p suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10
o
C) tác động lên thân thiết bò là
P
N
= P
sôiNH3
= 2,9075 at = 0,29075 N/mm
2
p suất tác động lên thân thiết bò là
P = P
N
– P
T
= 0,19075 N/mm
2
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 22
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
=> 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 P
TT
= P
N
= 0,29075 N/mm
2
.
 Nhiệt độ tính toán được lấy là nhiệt độ môi trường làm việc cộng với 20
o
C (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 20
o
C.
 Vật liệu chế tạo
Thân bằng thép không gỉ X18H10T
Vỏ làm bằng thép thường CT
3
 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)
 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :
[ ]
2
*
N/mm 147σ =
 Hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 (thiết bò có bọc cách nhiệt)
 Ứng suất cho phép :
[ ] [ ]
2
*

N/mm 139,65147.0.95 ησσ ==×=
 Hệ số bền mối hàn : ϕ
h
= 0,95
 Mô đun đàn hồi :
24
t
N/mm1020,5E ×=
 Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20
o
C)
Hệ số an toàn chảy : n
c
= 1.65
2
c
N/mm 55.4221,65147σ =×=⇒

I.2.2. Tính bền cho thân thiết bò khi chòu áp suất ngoài
 Bề dày tối thiểu
0.4
tt
n
t
D
l'
E
P
D 1.18S'









= .
Trong đó : D
T
= 1200 mm - Đường kính trong của thiết bò;
P
n
= 0,29075 N/mm
2
- p suất ngoài tác dộng lên thân thiết bò;
E
t
= 20,5.10
4
N/mm
2
- Môđun đàn hồi;
l’ = l
thân
+ h
đáy
/3 = 1800 + 350/3 = 1916,7 mm – chiều dài tính toán cho thân.
=>
818,7

1200
1916,7
.
20,5.10
0,29075
1,18.1200.S'
0.4
4-
=








=
mm
 Chọn hệ số bổ sung bề dày C
 Hệ số ăn mòn của tác nhân NH
3
là C
a
= 1 mm;
 Hệ số ăn mòn của dung dòch nước trái cây là C
b
= 0,5 mm;
 Hệ số quy tròn C
o

= 0,682 mm;
=> C = 2,182 mm
 Bề dày thiết bò : S = 10 mm
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 23
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
 Kiểm tra bền
(1) Kiểm tra điều kiện :
165,81,750,1837
92
1200
1,75
1200
92
1,5
)C2(S
D
D
l'
D
)C2(S
1,5
a
t
tt
a
<<⇔
×
≤≤
×
⇔

−
≤≤
−
(2) So sánh :
T
D
l'
và
3
t
a
t
c
t
D
)C2(S
σ
E
0.3






−
=>
3
t
a

t
c
t
D
)C2(S
σ
E
0.3






−
=
3
4
1200
2.9
242,55
10.5,20
0.3






= 0,4658 <

T
D
l'
=1,5975
=> Thoả điều kiện (2)
(3) Kiểm tra
[ ]
22
2
4
t
a
2
t
at
t
N/mm 0.2907 P N/mm4057,0
1200
9
1200
9
1917
1200
1020,50,649
D
CS
D
CS
l'
D

0.649.EP
=>=






×××=
−








−
=
=> Thân đủ bền
I.2.3. Tính ổn đònh cho đáy nắp
 Đáy chòu áp suất ngoài : P
n
= P
NH3
= 0,2907 N/mm
2
 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 :
S
R
t
và
t
c
t
xσ
0.15E
Trong đó : R
t
= D
t
= 1200 mm (đáy-nắp ellipse tiêu chuẩn);
E
t
= 20,5.10
4
N/mm
2
;
55.422σ
c
=
N/mm
2
;

x = 0,7 (vật liệu chế tạo làm bằng thép không gỉ);
Khi đó :
S
R
t
=
10
1200
=12
t
c
t
xσ
0,15E
=
11,181
0,7.242.55
100,15.20,5.
4
=
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 24
(Thoả điều kiện)
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
=>
S
R
t
<
t
c

t
xσ
0,15E
và
3.025,0
D
h
2.0
T
t
<=<
(2) p suất cho phép :
[ ]
[ ]
( )
t
an
n
R
CS2
P
β
σ −
=
Trong đó :
[ ]
n
σ
là ứng suất nén được xác đònh bởi công thức :
[ ]

t
a
tcn
D
CS
EK
−
=σ
Vì
]250,25[7,66
9.2
1200
)(2
∈==
−
a
T
CS
D
Nên
0673,00.065
1020.5
242,55
875k
E
σ
875K
4
c
t

t
c
c
=
×
==
; k
c
= 0.065 (theo [11],140)
=>
[ ]
46,103
1200
9
.10.5,20.0673,0
D
CS
Eσ
4
t
a
tn
==
−
=
c
K
N/mm
2
=> β =

( )
( ) ( )
x1Rσ6.7xCSE
Rσ5xCSE
t
t
cat
t
t
cat
−−−
+−
=
3,0.1200.55,242.7,0.7,69.10.5,20
1200.55,242.7,0.59.10.5,20
4
4
−
+
=> β = 1,995
Vậy
[ ]
[ ]
( )
t
an
n
R
CS2
P

β
σ −
=
=
22
/29075,0/7779,0
,995.12001
2.103,46.9
mmNmmN >=
=> Đáy đủ bền
 Tính tương tự cho nắp ta cũng được [P
n
] = 0,7779 N/mm
2
> 0,1 N/mm
2
=> 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/mm
2

⇒
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 :
P
TT
= P

dư
= P
tuyệt đối
– P
a
= 0.29075 – 0.1 = 0.19075 N/mm
2
 Nhiệt độ tính toán lấy bằng nhiệt độ tác nhân cộng thêm 20
o
C (có bọc cách nhiệt)
=> T
tt
= 10
o
C
 Vỏ làm bằng thép thường CT3
 Ứng suất cho phép ([11],hình1.2,18)
 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :
[ ]
2
*
N/mm 142σ =
;
 Hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95 (thiết bò có bọc cách nhiệt);
 Ứng suất cho phép :
[ ] [ ]
2
*
N/mm 134,9142.0,95 ησσ ==×=
;

 Hệ số bền mối hàn : ϕ
h
= 0,95
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 25