Thiết kế thiết bị cô đặc nước vải

KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC & THỰC PHẨM

Đồ án:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
DUNG DỊCH NƯỚC VẢI
NĂNG SUẤT 1000KG/H


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................

Tp.HCM, ngày

tháng

năm

Giảng viên hướng dẫn


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
Tp.HCM, ngày tháng năm
Giảng viên phản biện


MỤC LỤC


DANH MỤC BẢNG..........................................................................................................5

LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................................3
1. Tổng quan về vải.............................................................................................................3
1.1. Nguồn gốc.................................................................................................................3
1.2. Những đặc tính chủ yếu...........................................................................................3
1.3. Các giống vải và vùng trồng tại Việt Nam................................................................3
1.4. Giá trị dinh dưỡng.....................................................................................................4
1.5. Lợi ích của vải...........................................................................................................5
1.6. Tiêu chuẩn nguyên liệu.......................................................................................5
1.7. Quy trình sản xuất vải cơ đặc...................................................................................7
2. Cơ đặc và q trình cơ đặc.................................................................................8
2.1. Khái niệm............................................................................................................8
2.2. Bản chất của cô đặc do nhiệt.....................................................................8
2.3. Phân loại và ứng dụng..................................................................................8
2.4. Một số thiết bị cô đặc....................................................................................9
2.5. Lựa chọn thiết bị cô đặc...................................................................................12
CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NƯỚC VẢI.....13
3. Hệ thống cô đặc dung dịch nước vải....................................................................13
3.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục chân không
.......................................................................................................................................13
3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc.........................................................13
3.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc...............................................................13
CHƯƠNG III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG................................................15
4.

Cân bằng vật chất và năng lượng.............................................................................15
4.1. Cân bằng vật chất.......................................................................................15
4.2. Cân bằng nhiệt......................................................................................................16

CHƯƠNG IV. TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.......................................................................22
5. Tính kích thước thiết bị cơ đặc..................................................................................22
5.1. Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cơ đặc.........................................................22
5.2. Tính kích thước thiết bị cơ đặc...........................................................................26
5.3. Tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc...............................................32


4.3.7. Khối lượng và tai treo..........................................................................................49
CHƯƠNG V. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ..........................................................................56
6. Tính tốn thiết bị phụ.....................................................................................................56
6.1. Thiết bị ngưng tụ.....................................................................................................56
6.2. Bồn cao vị...............................................................................................................58
6.3. Bơm........................................................................................................................60
6.4. Cửa sữa chữa........................................................................................................64
6.5. Kính quan sát..........................................................................................................64
BẢNG TỔNG KẾT................................................................................................................65
KẾT LUẬN............................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................71

 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt............................................18
Bảng 2: Tổng kết về các số liệu trong cân bằng năng lượng.....................................21
Bảng 3: Tổng kết về các thông số truyền nhiệt cho thiết bị......................................26
Bảng 4: Kích thước nồi cơ đặc.................................................................................43
Bảng 5: Số liệu bích nối buồng đốt và đáy...............................................................45
Bảng 6.Số liệu của bích nối buồng bốc và nắp.........................................................46
Bảng 7: Tổng kết về loại thép và khối lượng thép dùng cho thiết bị........................54

LỜI MỞ ĐẦU

Mục tiêu của đồ án “Thiết kế thiết bị cô đặc nước vải
năng suất 1 t ấ n /h” là thiết kế hệ thống cô đặc nước vải từ nồng
độ chất khô 15% đến 40% với năng suất 1 tấn/h đạt tiêu chuẩn xuất
khẩu.
Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức
cơ bản về q trình cơ đặc dung dịch nước vải. Quy trình cơng
nghệ, tính tốn cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho
thiết bị cơ đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ
cần thiết theo yêu cầu.
Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết
kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu
không thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm. Do đó để
trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiến
thức về môn học Q trình thiết bị trong Cơng nghệ Hóa- Thực
phẩm. Ngồi ra, việc giải các bài tốn cơng nghệ, hay thực hiện
cơng tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng
rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ của bộ mơn Q
trình thiết bị và những người bạn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn
em trong quá trình thiết kế.
6


Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một cơng việc hết sức
mới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh
giá khách quan của thầy 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.

Xin chân thành cám ơn!

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1. Tổng quan về vải
1.1. Nguồn gốc
Vải còn gọi là lệ chi, tên khoa học là Litchi chinensis, là một lồi thực vật có
hoa thuộc họ Bồ hòn.Vải là loại cây ăn quả thân gỗ vùng nhiệt đới, có nguồn gốc miền
Nam Trung Quốc, phân bố trải dài về phía nam tới Indonesia và về phía đơng tới
Philippines. (The Plant List, 2013)
1.2. Những đặc tính chủ yếu
Vải là cây thường xanh với kích thước trung bình, có thể cao tới
15–28 m, có lá hình lơng chim mọc so le, mỗi lá dài 12.5–20 cm, với
2-8 lá chét ở bên dài 5–10 cm và khơng có lá chét ở đỉnh. (Davidson,
2006).
Các lá non mới mọc có màu đỏ đồng sáng, sau đó chuyển dần
thành màu xanh lục khi đạt tới kích thước cực đại. Hoa nhỏ màu
trắng ánh xanh lục hoặc trắng ánh vàng, mọc thành các chùy
hoa dài tới 30 cm. (Menzel, 2005).
Quả là loại quả hạch, hình cầu hoặc hơi thn, dài 3–4 cm và
đường kính 3 cm. Lớp vỏ ngoài màu đỏ, cấu trúc sần sùi, khơng ăn
được nhưng dễ dàng bóc được. Bên trong là lớp cùi thịt màu trắng
mờ, ngọt và giàu vitamin C, có kết cấu tương tự như của quả nho. Ở
giữa quả là một hạt màu nâu, dài 2 cm và đường kính cỡ 1-1,5 cm.
Hạt - tương tự như hạt của quả dẻ ngựa - có độc tính nhẹ và khơng
nên ăn. Quả chín vào giai đoạn từ tháng 6 (ở các vùng gần xích đạo)
đến tháng 10 (ở các vùng xa xích đạo), khoảng 100 ngày sau khi cây
ra hoa. (Somogyi, 2005).

1.3. Các giống vải và vùng trồng tại Việt Nam
1.3.1. Nhóm vải chua (vải tu hú)
Cây cao lớn, lá to, phiến lá to. Khi ra hoa, chùm hoa vải từ cuống đến nụ hoa
đều phủ một lớp lơng đen. Quả thường chín vào cuối tháng 4 và đầu tháng 5. Khi chín
vỏ quả màu đỏ tươi, trọng lượng quả 30-50kg, vỏ dày, hạt to, cùi mỏng và rất chua, tỷ
lệ cùi chiếm 60-65% trọng lượng quả. ở nước ta loại vải này chủ yếu được trồng ở các
tỉnh trung du và miền núi như: Phú Thọ, Hà Tây, Tuyên Quang, Quảng Ninh...
1.3.2. Nhóm vải nhỡ
Cây to trung bình, tán cây thường to 5-7m, dạng trứng, lá to, cây sinh trưởng
khỏe, chùm hoa khơng có lơng đen, nhưng hoa mọc thưa hơn vải chua, quả chín muộn
hơn nhóm vải chua nhưng sớm hơn nhóm vải thiều. Quả có trọng lượng trung bình từ
28-34g.

8


1.3.3. Nhóm vải ngọt
Cây có tán hình mâm xơi cao từ 10-15m, lá nhỏ, phiến lá dày bóng, khả năng
chịu hạn tốt, phù hợp với đất có độ pH 5-6, khi ra hoa chùm hoa không phủ lớp lông
đen mà có màu trắng vàng, chín chính vụ (tháng 6). Trọng lượng quả trung bình 1825g, vỏ quả mỏng, hạt nhỏ, dày cùi, tỷ lệ ăn được 70-80%, cùi thơm và ngọt hơn 2
nhóm vải trên.
Giống vải được ưa chuộng nhất ở Việt Nam là vải thiều trồng tại
khu vực huyện Thanh Hà, tỉnh Hải Dương. Tuy nhiên, vải được trồng
nhiều nhất ở huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang. Quả vải tại vùng
Thanh Hà (Hải Dương) thơng thường có hương vị thơm và ngọt hơn
vải được trồng ở các khu vực khác (mặc dù cũng lấy giống từ
đây). Một giống vải khác chín sớm hơn, có tên gọi dân gian là "vải tu
hú", có hạt to hơn và vị chua hơn so với vải thiều. Nguyên do có tên
gọi như vậy có lẽ là vì gắn liền với sự trở lại của một loài chim di cư
là chim tu hú. (camnangcaytrong.com)

1.4. Giá trị dinh dưỡng
Trong 100g phần ăn được của quả vải cung cấp:


Năng lượng: 276 kJ (66 Kcal)
Thành phần
Carbohydrates
Protein
Chất béo
Vitamin :
B1
B2
B3
B6
B9
C

Hàm lượng

Đơn vị

16.53
0.83
0.44

g
g
g

0.011

0.065
0.603
0.1
14
71.5

mg
mg
mg
mg
µg
mg

Chất khống
Calcium
Sắt
Phospho
Magnesium
Kali
Kẽm

5
0.13
31
10
171
0.07

mg
mg

mg
mg
mg
mg

Nước

81.8

g

(USDA Nutrient Database)

9


1.5. Lợi ích của vải
- Hỗ trợ tiêu hóa
Lượng chất xơ đáng kể trong vải, cũng như trong hầu hết các
loại trái cây và rau quả sẽ giúp hỗ trợ q trình tiêu hóa. Điều này
giúp nhu động ruột di chuyển qua đường tiêu hóa một cách thuận lợi,
đồng thời chất xơ cũng kích thích nhu động của cơ trơn ruột non,
tăng tốc độ thức ăn đi qua. Nó cũng kích thích dịch vị và dịch tiêu
hóa, do đó, sự hấp thụ các chất dinh dưỡng hiệu quả. Điều này có
thể làm giảm táo bón và các rối loạn tiêu hóa khác. Nó cũng giúp
giảm béo bụng.(Jun Nishihira, 2009). Hơn nữa, các đặc tính chống
viêm của vải thiều giàu flavanol cũng có tác dụng bảo vệ gan. (Dong
xiao Su, 2016).
- Tăng khả năng miễn dịch
Có lẽ chất dinh dưỡng quan trọng nhất trong vải thiều là vitamin C. Điều này có

nghĩa là hệ thống miễn dịch của bạn được tăng cường đáng kể, vì vitamin C là một
hợp chất chống oxy hóa chính và được biết là kích thích hoạt động của các tế bào bạch
cầu, là tuyến phòng thủ chính của hệ thống miễn dịch của cơ thể. (Seung Wan Kang,
2012).
-Tiềm năng chống ung thư
 Một nghiên cứu năm 2006 cho thấy chiết xuất từ quả vải thiều
có khả năng tạo ra quá trình chết rụng cũng như ức chế sự tăng
sinh tế bào của tế bào ung thư vú. (Xiujie Wang, 2006).
 Nghiên cứu cho thấy chiết xuất từ hạt vải có thể là một liệu
pháp thay thế để điều trị ung thư tuyến tiền liệt. Mặc dù các
nghiên cứu trên người vẫn chưa được thực hiện, nhưng những
phát hiện cho đến nay có vẻ đầy hứa hẹn. (Hongwei Guo,
2017).
 Nghiên cứu mới nhất của ông được công bố trên tạp chí
Nutrients cho thấy vải thiều có một số tác dụng điều trị có thể
giúp điều trị ung thư ruột kết. (Sonia Emanuele, 2018).
-Kháng vi-rút
Các proanthocyanidins trong vải thiều đã được nghiên cứu rộng rãi và chúng
cũng đã được các nhà nghiên cứu từ Học viện Khoa học Trung Quốc chứng minh khả
năng kháng virus. Litchitannin A2, một hợp chất được tìm thấy trong vải thiều, có liên
quan chặt chẽ đến việc ngăn chặn sự lây lan hoặc bùng phát của vi rút, bao gồm vi rút
herpes simplex và coxsackievirus. (Xinya Xu, 2010)

10


-Kiểm sốt huyết áp
Vải thiều chứa nhiều kali, có nghĩa là nó có thể giúp cơ thể bạn duy trì sự cân
bằng chất lỏng; nó cũng ít natri. Cân bằng chất lỏng là một phần không thể thiếu
không chỉ của các chức năng trao đổi chất mà còn trong bệnh tăng huyết áp. Kali được

coi là chất làm giãn mạch, có nghĩa là nó làm giảm sự co thắt của mạch máu và động
mạch, do đó làm giảm căng thẳng cho hệ thống tim mạch. Hơn nữa, Tiến sĩ Mahesh
Thirunavukkarasu và cộng sự, Trung tâm Y tế Đại học Connecticut, Hoa Kỳ, trong một
nghiên cứu đã tiết lộ rằng oligonol chiết xuất từ quả vải cũng là một chất giãn mạch.
(Mahesh, 2012).
1.6. Tiêu chuẩn nguyên liệu
TCN 575-2004
Chỉ tiêu
Trạng thái

-

Độ chín
Màu sắc

-

Hương vị
Kích thước

-

u cầu
Vải quả tươi tốt, phát triển bình
thường, hình sáng cân đối, gai tương
đối nhẵn. Khơng bị ẩm ướt bất thường
ngồi vỏ và khơng có vết thâm.
Cùi vải dày, chắc và bóng.
Khơng có quả thối,úng, lên men, khơ,
sâu bệnh…

Đảm bảo độ chín kỹ thuật
Màu sắc vỏ quả từ ửng hồng đến đỏ
tươi 2/3 quả.
Cùi vải màu trắng ngà, cho phép phớt
hồng ở phần đuôi.
Hương đặc trưng của vải quả chín.
Vị ngọt, khơng có mùi vị lạ.
Đường kính mặt cắt ngang lớn nhất
của quả: không nhỏ hơn 30mm.

11


1.7. Quy trình sản xuất vải cơ đặc
Vải
Phân loại
Xử lý
Nước

Dập. nát

Vỏ, hột

Rửa
Ép
Lọc thơ

Bã

Gia nhiệt

Ly tâm
Phụ gia

Cơ đặc

Chai

Rót chai

Nắp

Ghép nắp
Thanh trùng
Bảo quản

Nước vải cô đặc

12


2. Cơ đặc và q trình cơ đặc
2.1. Khái niệm
Cơ đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòa
tan trong dung dịch bao gồm hai hay nhiều cấu tử. Q trình cơ 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 mơi;
đó là q trình vật lý – hóa lý.
Các phương pháp cơ đặc:
+ Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi 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 thống chất lỏng.
+ Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ nào
đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới các dạng tinh thể của đơn chất tinh
khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy
tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà
q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta
phải dùng máy lạnh.
2.2. Bản chất của cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi, tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phần tử
chất lỏng gần mặt thống 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 ngồi. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng
lượng thực hiện q trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra 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 cơ
đặc. Tách khơng khí và lắng keo sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
2.3. Phân loại và ứng dụng
Theo cấu tạo:
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị
cơ đặc nhóm này có thể cơ đặc dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp,
đảm bảo sự tuần hồn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:

13


+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hồn trong
hoặc ngồi.
+ Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc).
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hồn cưỡng bức). Thiết

bị cơ đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc từ 1.5 m/s đến 3.5
m/s tại bề mặt truyền nhiệt.
Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho
các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên
bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
+ Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
+ Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cơ đặc nhóm
này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền
nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác động nhiệt độ lâu
làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp
cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao
gồm:
+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung
dịch sơi tạo bọt khó vỡ.
+ Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung
dịch sơi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
Theo phương thức thực hiện quá trình
+ Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không
đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức
dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc
ngắn nhất.
+ Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sơi thấp ở áp
suất chân khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi
dung môi diễn ra liên tục.
+ Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi
khơng nên q lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta

14

có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả
kinh tế.
+ Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể
được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Đối với mỗi nhóm thiết bị ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong,
buồng đốt ngồi, có hoặc khơng có ống tuần hồn. Tùy 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.
2.4. Một số thiết bị cơ đặc
2.4.1. Thiết bị cơ đặc có ống tuần hoàn trung tâm
- Cấu tạo:
+ Phần dưới của thiết bị là phịng đốt, có các ống truyền nhiệt và
ống tuần hoàn tương đối lớn.
+ Dung dịch ở trong ống cịn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngồi
ống.
-

Ngun tắc làm việc: Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo

thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới
lên trên miệng ống. Trong ống tuần hồn, thể tích dung dịch theo
một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó
lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp
hơi – lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống
dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ
dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần
hoàn. Tốc độ tuần hồn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
càng tăng và q trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng
giảm. Tốc độ tuần hồn thường khơng q 1,5 m/s. Khi năng suất

thiết bị lớn có thể thấy ống tuần hồn bằng vài ống có đường kính
nhỏ hơn. Phần phía trên phịng đốt là phịng bốc để tách hỗn hợp
lỏng hơi thành hai dòng. Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ
phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng, giọt lỏng chảy
xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn
lưu.

15


- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sữa chữa và làm sạch
- Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hồn cũng bị
đun nóng
2.4.2.
-

Thiết bị cơ đặc phòng đốt treo

Cấu tạo:

+ Phòng đốt đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa
phòng đốt và vỏ đóng vai trị tuần hồn, hơi đốt đi vào phịng theo
ống.
+ Phịng đốt có thể được lấy ra ngồi khi cần sữa chữa hoặc làm
sạch.
+ Tốc độ tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngồi khơng bị đốt nóng
-

Nhược điểm :

+ Cấu tạo phức tạp.
+ Kích thước lớn do có khoảng trống vành khăn.
2.4.3.
-

Thiết bị cơ đặc phịng đốt ngồi kiểu đứng

Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc:

+ Dung dịch đi vào phịng đốt được đun sơi tạo thành hỗn hợp lỏng
đi qua ống vào phòng bốc hơi.
+ Hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch cịn lại đi về phịng
đốt theo ống tuần hồn.
+ Đơi khi ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm
việc thay thế khi cần làm sạch và sữa chữa để đảm bảo quá trình
làm việc liên tục.
2.4.4.

Thiết bị cơ đặc phịng đốt ngồi nằm ngang

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc :
+ Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U.
+ Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái
qua phải, còn ở nhánh trên từ phải qua trái.
+ Phòng đốt được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi
phòng bốc hơi để làm sạch và sữa chữa.
-

Ưu điểm:

16


+ Cường độ tuần hoàn của dung dịch lớn hơn loại ống tuần hồn ở
giữa và phịng đốt treo
+ Dễ dàng tháo phòng đốt để sữa chữa và làm sạch.
2.4.5.

Thiết bị cơ đặc tuần hồn cưỡng bức

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:
+ Dung dịch đưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn.
+ Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phịng bốc hơi, cịn phần
chính chảy về ống do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch
đầu đi vào phòng đốt.
-

Ưu điểm

+ Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt
+ Có thể cơ đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hồn tự
nhiên khó thực hiện.
-

Nhược điểm

+ Tốn năng lượng để bơm
+ Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn.
+ Tuần hồn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau.
2.4.6.

Thiết bị cô đặc loại màng

- Cấu tạo – Nguyên tắc làm việc:
+ Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng
màng mỏng từ dưới lên trên.
+ Phòng đốt là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài 6 – 9 m, hơi
đốt đi vào phía ngồi ống, dung dịch vào ở đáy thiết bị.
+ Nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độ
cần thiết.
+ Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên với
tốc độ lớn ~20m/s kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cũng đi
lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi.
- Ưu điểm:
+ Thiết bị cơ đặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi có mức
chất lỏng thích hợp. Nếu mức chất lỏng cao quá, hệ số truyền nhiệt
sẽ giảm vì tốc độ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá

17


thấp bề mặt truyền nhiệt của ống ở giữa sẽ bị khơ, mức chất lỏng
thích hợp xác định bằng thực nghiệm.
+ Áp suất thủy tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thủy tĩnh ít
- Nhược điểm:
+ Khó làm sạch vì ống dài.
+ Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi.
+ Khơng thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh.
2.5. Lựa chọn thiết bị cơ đặc
Trong vải có nhiều chất khống và vitamin, đặc biệt là hàm lượng

cao vitamin C, rất tốt cho sức khỏe, tuy nhiên các thành phần này dễ
bị phân hủy ở nhiệt độ cao nên em chọn thiết bị cơ đặc chân khơng
một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm
nhằm tránh thất thốt chất dinh dưỡng.
Cơ đặc ở áp suất chân khơng làm giảm nhiệt độ sơi của dung dịch,
giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và
bám lại trên thành thiết bị. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn
giản, dễ vệ sinh và sửa chữa.
Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn
dung dịch nhỏ và hệ số truyền nhiệt thấp.

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC
DUNG DỊCH NƯỚC VẢI

18


3. Hệ thống cô đặc dung dịch nước vải
3.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên
tục chân không
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ
bồn cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế xuống thiết bị gia nhiệt
và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cơ đặc thực hiện
q trình bốc hơi. Dung dịch sau khi cơ đặc được bơm ra ở phía dưới
thiết bị cô đặc đi vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ và khí khơng ngưng
đi ra ở phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ baromet,
ngưng tụ thành giọt lỏng chảy vào bồn chứa nước ngưng, phần
không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ cịn khí khơng ngưng được
bơm chân khơng hút ra ngồi.
3.2. Nguyên lý làm việc của thiết bị cô đặc

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm các ống truyền nhiệt và
một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi
trong khoảng khơng gian phía ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động của
ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hồn có đường kính lớn hơn
nhiều so với ống truyền nhiệt do đó có hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung
dịch sơi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sơi dung
dịch có ρds = 0.5ρdd do đó tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần
hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả là tạo một vịng chuyển động
tuần hồn trong thiết bị. Để ống tuần hồn trung tâm hoạt động có
hiệu quả dung dịch cho vào khoảng 0.4-0.7 chiều cao ống truyền
nhiệt. Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi
dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách những giọt lỏng ra
khỏi hơi thứ. Hơi đốt đưa vào thiết bị, hơi thứ ngưng tụ theo ống dẫn
ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài và phần khí khơng ngưng được xả
ra ngồi theo cửa xả khí ngưng. Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào
thiết bị baromet. Toàn bộ hệ thống làm việc ở điều kiện chân không
do bơm chân không tạo ra. Dung dịch được bơm ra ngoài theo ống
tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm và vào thùng chứa sản phẩm.

19


3.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc


Thiết bị chính:

- Ống tuần hồn, ống truyền nhiệt.
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp...
- Ổng: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí khơng ngưng...



Thiết bị phụ:

- Bể chứa sản phẩm, ngun liệu.
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
- Thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet.
- Các loại van.
- Thiết bị đo

Sơ đồ hệ thống cô đặc một nồi
1. Thùng chứa
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Lưu lượng kế
5. Thiết bị đốt nóng
6. Nồi cơ đặc
7. Bơm

20


8. Thùng chứa sản phẩm
9. Thiết bị ngưng tụ
10.

Bộ phận thu hồi bọt

11. Ốngbaromet

21


CHƯƠNG III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
4. Cân bằng vật chất và năng lượng
4.1. Cân bằng vật chất
Dữ liệu ban đầu:






Nồng độ ban đầu: xđ = 15%
Nồng độ sản phẩm: xc = 40%
Năng suất nhập liệu: Gđ = 1000kg/h
Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu: chọn tđ = 300C
Chọn áp suất hơi đốt là 1.23at. (Tra bảng 56, bảng tra cứu /45) ta có nhiệt độ hơi đốt

là 105oC.
 Chọn áp suất ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là 0.098at. (Tra bảng 56,
bảng tra cứu /45) có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ là Tng=45oC
Theo định luật bảo tồn khối lượng trong suốt q trình cơ đặc ta có: nồng độ chất
tan khơng thay đổi.
Gđ*xđ = Gc*xc
(1)
Khối lượng của dung dịch đầu bằng khối lượng dung dịch cuối và khối lượng hơi
nước bốc ra trong q trình cơ đặc.
Gđ = G c + W

(2)

Trong đó:
Gđ. Gc: lưu lượng ban đầu và cuối cùng của dung dịch (kg/h)
xđ. xc: nồng độ chất tan đầu và cuối (%)
W: lượng hơi thứ (kg/h)
 Lưu lượng cuối dung dịch:
Gc= = (kg/h)
 Tổng lượng hơi thứ bốc lên:
Gđ = Gc + W => W = Gđ - Gc = 1000 – 375 = 625 (kg/h)
Tra bảng 56 bảng tra cứu/45 có ẩn nhiệt hóa hơi của nồi cơ đặc là 2391.3 (kJ/kg)

Loại

Tháp ngưng tụ

Áp

Nồi cơ đặc
Nhiệt
Ẩn

suất(at)

độ(oC)

hóa

suất(at)

độ(oC)

107
45

hơi(kJ/kg)
2239
2391.3

0.098

45

Hơi đốt 1.32
Hơi
0.098

nhiệt Áp

Nhiệt

22


thứ
4.2. Cân bằng nhiệt
4.2.1. Tổn thất nhiệt
4.2.1.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
 Theo công thức của Tisen co (VI.10), trang 59, [2]:

=f
 Trong đó:
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sơi của dung mơi ở
áp suất khí quyển.
: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển
Dung dịch được cơ đặc có tuần hồn nên a = xc = 40%
= 0.90C (Tra đồ thị VI.2, trang 60, [2])

Theo cơng thức VI.11, [2], trang 59: f = 16.2
Trong đó:
t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất p0
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi ngun chất ở áp suất làm việc (tra bảng I.251, trang
314,[1]) => r = 2391.3 (kJ/kg)
Ta có:
f = 16.2* = 16.2. = 0.685
= 0.9. 0.685 = 0.61650C
tsdd(p0) = tsdm(p0) + = 45+0.6165 = 45.620C
4.2.1.2. Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:
23


P = ρs*g*Hop (N/m2) (Phạm Văn Bơn, 2006)
Trong đó ρs: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3), ρs = 0.5 ρdd
ρdd: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)
Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m).
 Hop = [0.26 + 0.0014(ρdd – ρdm))]*Htt
Chọn Htt=1.5m
Nồi 1:
Hop= [0.26+0.0014(1178.53-990.1)]*1.5= 0.786(m)

0.5*1178.53*9.81*0.786
2*9.81*104
Ptb= P +0.5ρdd*g*Hop= 0.098 +
=1.18 (at)
'
1

Để tính tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ở áp suất khác nhau có thể dùng quy tắc
Babơ. Theo quy tắc Babơ thì quan hệ giữa áp suất hơi bão hịa của dung mơi trên dung
dịch lỗng p với áp suất hơi bão hịa của dung mơi ngun chất p 0 ở cùng nhiệt độ là
không đổi và đối với dung dịch có nồng độ nhất định quan hệ đó không phụ thuộc vào
nhiệt độ sôi.
từ biểu thức này nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng với áp suất
nào đó thì cũng có thể xác định được nhiệt độ ở các áp suất khác nhau.
x%
40%

tsdd0C
45.62

p (at)
0.098

= 0.97
Theo quy tắc Babô tỉ lệ trên vẫn giữ nguyên giá trị tại mọi nhiệt độ sôi của dung
dịch. Do đó tại nhiệt độ t:
= = 0.97=>0.12 (at)
Như vậy nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc ở áp suất 0.117 at bằng nhiệt độ sôi của
nước ở áp suất 0.12 at là 48.90C (tra bảng I.251, trang 314, tập 1).
Vậy tsdd(ptb) – ttsdd(p0) = 48.9 – 45.62= 3.3 (0C)

4.2.1.3. Tổn thất trở lực do đường ống
 Chọn tổn thất nhiệt do trở lực đường ống 0C ( trang 184, [5])
4.2.1.4. Tổn thất nhiệt cho cả hệ thống
= 0.62+ 3.3 + 1 = 4.92(0C)
4.2.2.

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
24


 Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa. áp suất hơi đốt là 1.23at. t D = 1050C (tra bảng
I.251, [1], trang 314).
 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
 = tD- tC - = 105 - 45 – 4.92 = 55.080C
Bảng 1: Tổng kết số liệu về cân bằng và tổn thất nhiệt
Thông số
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Lưu lượng nhập liệu
Lưu lượng sản phẩm

Ký hiệu
xđ
xc
Gđ
Gc
Hơi thứ
Lượng hơi thứ
W
Áp suất

po
Nhiệt độ
tsdm(po)
Enthalpy
h2
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rw
Hơi đốt
Áp suất
Pđ
Nhiệt độ
tD
Entanpy
h1
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rđ
Tổn thất nhiệt độ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở
tsdd(po)
áp suất po
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Áp suất trung bình
ptb
Nhiệt độ sôi của dung môi ở
tsdm(ptb)
ptb
Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở
tsdd(ptb)
ptb

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống
Tổng tổn thất nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Đơn vị
%wt
%wt
Kg/h
Kg/h

Giá trị
15
40
1000
375

Kg/h
At
0
C
kJ/kg
kJ/kg

625
0.098
45
2579.8
2391.3

At

C
0
C
kJ/kg

1.23
105
2687
2248

0

0

C

45.62

C
At

0.62
0.117

0

0

C

48

0

C

3.3

0

C

48.9

C
C
0
C

1
4.92
55.08

0
0

Gọi
D: là lượng hơi đốt cho vào nồi (kg/s)
h1: entanpy hay nhiệt lượng riêng của hơi đốt (kJ/kg)
tđ: nhiệt độ ban đầu của dung dịch trước cô đặc (0C)

tc: nhiệt độ cuối của sản phẩm sau cô đặc (0C)
: nhiệt độ của nước ngưng. coi nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt ( 0C)
25