Báo cáo môn kĩ thuật thực phẩm 2 đề tài cô đặc

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÔN: KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2

ĐỀ TÀI: CƠ ĐẶC
GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN
Nhóm thực hiện: nhóm 3


Thành viên nhóm:

2


Mục lục

3


1. Khái niệm về q trình cơ đặc:




Cơ đặc là quá trình làm bốc hơi nước của sản phẩm bằng các đun sơi
Bốc hơi cơ đặc là q trình làm tăng nồng độ dung dịch chất tanvkhoong
bay hơi bằng cách bốc hơi dung mơi khi đun sơi dung dịch.
Q trình cô đặc được sử dụng nhiều trong công nghiệp đồ hộp để sản
xuất cà chua đặc, mứt, nước quả cô đặc, các loại súp khô, sữa đặc,...

2. Bản chất và mục đích của q trình cơ đặc




Mục đích:
• Làm tăng nồng độ dung dịch lỗng
• Để kết tinh
• Chuẩn bị: q trình cơ đặc bằng nhiệt có thể có mục đích cơng
nghệ là chuẩn bị, giúp cho các q trình tiếp theo trong quy trình
sản xuất được thực hiện dễ dàng và đạt hiệu quả kinh tế cao hơn.
• Khai thác: q trình cơ đặc nhiệt sẽ tách bớt nước ra khỏi thực
phẩm, do đó sản phẩm trở nên “nhẹ hơn” và nồng độ các chất dinh
dưỡng trong sản phẩm sẽ gia tăng.
• Bảo quản: q trình cơ đặc bằng nhiệt làm giảm lượng nước và
tăng hàm lượng chất khô trong sản phẩm. Do đó, hoạt độ của nước
trong sản phẩm sau cô đặc sẽ giảm đi. Đây là một yếu tố quan
trọng gây ức chế hệ vi sinh vật trong sản phẩm và góp phần kéo
dài thời gian bảo quản sản phẩm.
Bản chất
• Cơ đặc bằng nhiệt (hay cơ đặc bốc hơi) là quá trình làm bay hơi
nước trong thực phẩm dưới tác dụng của nhiệt nhằm mục đích làm
tang nồng độ chất khô của thực phẩm của thực phẩm. Cần phân
biệt sự khác nhau giữa hai quá trình cơ đặc và sấy. Trong q trình
cơ đặc bằng nhiệt, ngun liệu đầu vào ln có dạng lỏng, như
syrup, nước trái cây, sữa… Nồng độ chất khô của nguyên liệu
thường dao động trong khoảng 10-35%. Sau q trình cơ đặc, sản
phẩm thu được cũng có dạng lỏng và nồng độ chất khơ có thể lên
đến 80%.

• Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để tách nước ra khỏi
thực phẩm lỏng như thẩm thấu ngược - sử dụng membrane (reverse
osmosis), cô đặc lạnh đông (freeze concentration), cô đặc bằng
nhiệt… Trong đó, phương pháp cơ đặc bằng nhiệt tốn nhiều chi phí
4


năng lượng. Tuy nhiên, ưu điểm vượt trội của phương pháp cơ đặc
có thể tang lên rất cao so với các phương pháp tách nước khác.
• Trong q trình cơ đặc nhiệt, người ta thường sử dụng hơi nước
bão hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điểm sơi. Khi
đó, nước từ trạng thái lỏng sẽ chuyển qua trạng thái hơi và thốt
vào mơi trường xung quanh. Tốc độ bốc hơi nước phụ thuộc vào
tốc độ truyền khối của bọt hơi

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cơ đặc




Sự chênh lệch nhiệt độ của hơi bão hịa (tác nhân gia nhiệt) và nhiệt độ
sơi của nguyên liệu. Nếu sự chênh lệch giữa nhiệt độ của hơi bão hịa và
nhiệt độ sơi của ngun liệu càng lớn thì tốc độ truyền nhiệt sẽ càng lớn.
Để tăng sự chênh lệch nhiệt độ nói trên, các nhà sản xuất có thể sử dụng
một trong hai phương pháp sau đây:
• Tăng nhiệt độ và áp suất hơi bão hịa: phương pháp này có nhược
điểm là nếu nhiệt độ của hơi bão hịa q cao thì các cấu tử mẫn
cảm nhiệt có trong ngun liệu cần cơ đặc sẽ bị biến đổi và ảnh
hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.
• Giảm nhiệt độ sôi của nguyên liệu bằng cách cô đặc trong mơi

trường chân khơng: khi đó, nhiệt độ sơi của nguyên liệu cần cô đặc
sẽ phụ thuộc vào áp lực trên bề mặt dung dịch, nồng độ chất khô
của nguyên liệu và chiều cao cột thủy tinh tong thiết bị cơ đặc.
Tổn thất nhiệt do nồng độ:
• Ở cùng một áp suất chênh lệch nhiệt độ sôi dung dịch và dung môi
nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt do nồng độ
• Tổn thất nhiệt độ do nồng độ phụ thuộc vào bản chất chất tan và
nồng độ dung dịch. Được xác định bằng thưc nghiệm hoặc tính
theo cơng thức Lisenco
0’= Ks.x
0’=tsdd – tsdm
Trong đó:
0’ – độ tăng phí điểm tại áp suất khí quyển,[độ], có thể tra theo
nồng độ ở áp suất khí quyển của một số chat hịa tan
Ks – hằng số nghiệm sôi của dung môi
x – nồng độ chất tan, [mol/lít]
Trường hợp áp suất cơ đặc khác áp suất khí quyển.
’
 = f. 0’
Trong đó
5


’ – độ tăng phí điểm tại áp suất cơ đặc, [độ C]
f – hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung môi tại các áp
suất khác.
f =16,14.Tm2/r
Tm - nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất [độ K] bằng nhiệt độ
hơi thứ.
r - ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi, [J/Kg].

(Chú ý: Tm tính bằng °K nhưng tính bằng °C)


Tổn thất nhiệt lượng cơ đặc
Trong q trình cơ đặc , do nồng độ tăng nên nhiệt tiêu hao để bốc hơi cũng
thay đổi một lượng q gọi là tổn thất nhiệt lượng khi cô đặc .
(Tổn thất nhiệt khi cơ đặc bằng hiệu nhiệt hịa tan ở nồng độ đặc và nồng độ
lỗng . Nhiệt hịa tan bằng tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt solvat)
q = q2 - q1 (J/kg)





4.

q1, q2 là nhiệt hịa tan tích phân tại nồng độ đầu và cuối (J/kg)
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
Do chênh lệch cột áp nên có một phần nhiệt lượng tiêu hao để hơi vượt qua
chiều cao lớp chất lỏng
Tổn thất nhiệt do sức cản thủy lực
Một phần tiêu hao nhiệt lượng do lực cản trở thủy lực do hơi thốt qua lớp
chất lỏng. Nó phụ thuộc vào loại lưu chất và độ nhớt của chất lỏng

Các phương pháp cô đặc.
- Cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi
- Cô đặc liên tục hay gián đoạn
- Cô đặc ở áp suất chân không, áp suất dư hoặc áp suất thường

Cơ đặc một nồi.

Hệ một nồi có thể hoạt động theo phương thức gián đoạn hay liên tục. Phương
pháp gián đoạn được dùng khi cần nâng cao nồng độ sản phẩm, còn phương pháp
liên tục được dùng khi dung dịch khi có nồng độ nhớt tương đối thấp.
4.1.

6


Nguyên lý làm việc:
Dung dịch loãng từ bể (1) được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) để ổn áp. Từ
thùng cao vị số (3), dung dịch định lượng bằng lưu kuongwj kế (4) đưa vào thiết bị
đun nóng (5) để đun nóng dung dịch tới nhiệt độ sơi trong nồi cô đặc rồi được đưa
vào nồi cô đặc (6). Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong
chân không. Hơi thứ đưa qua bộ ngưng tụ baromet số (8) để tạo chân không cho
nồi cô đặc. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn (7).
Cân bằng vật liệu:
Xét hệ thống một nồi:
Trong đó
Gđ: khối lượng nguyên liệu, [kg, kg/s]
Gc: khối lượng sản phẩm, [kg, kg/s]
7


W: lượng hơi thứ, [kg, kg/s]
xđ: nồng độ chất khô trong nguyên liệu, [% khối lượng]
xc: nồng độ chất khô trong sản phẩm, [% khối lượng]
Theo định luật bảo toàn vật chất.
Bảo toàn khối lượng:
Gđ = Gc + W
Bảo toàn chất khơ:

Gđ.xđ = Gc.xc
Giải ra ta có:
Lượng hơi thứ
W = Gđ (1 Nồng độ sản phẩm cuối
Cân bằng nhiệt lượng:
Ký hiệu
tđ: nhiệt độ nguyên liệu, [độ]
tc: nhiệt độ sản phẩm, [độ]
tn: nhiệt độ nước ngưng, [độ]
cđ: nhiệt dung riêng nguyên liệu, [J/kg.độ]
cc: nhiệt dung riêng sản phẩm, [J/kg.độ]
cn: nhiệt dung riêng nước ngưng, [J/kg.độ]
i1: hàm nhiệt trong hơi đốt, [J/kg]
i2: hàm nhiệt trong hơi thứ, [J/kg]
Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc, [J]
q; tổn thất nhiệt cô đặc riêng, [J/kg]
Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường, [J]
8


Theo định luật bảo toàn nhiệt.

Rút ra:
Lượng hơi đốt tiêu tốn.
Trong q trình tính tốn nhiệt có thể xem
-

Tính bề mặt truyền nhiệt.

Trong đó:

Q: lượng nhiệt truyền, [J]
K: hệ số truyền nhiệt, [W/m2.độ]
9


F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m2]
: thời gian cơ dặc, [s]
: hiệu số nhiệt độ hữu ích, [độ]
Rút ra bề mặt truyền nhiệt
[m2]
Tổn thất nhiệt khi cơ đặc
•

Hiệu số nhiệt hữu ích thi

Hiệu số nhiệt độ hữu ích Ata Hiệu số nhiệt độ hữu ích A là hiệu số giữa nhiệt độ
hơi đốt và nhiệt độ sôi trung binh của dung dịch. thi = T - tsdd
Trong tính tốn thường khơng biết được nhiệt độ sơi của dung dịch là chị biết nhiệt
độ của hơi đốt và nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ , gọi đó là hiệu số nhiệt
độ chung

hi

= T – tng , từ đó tính ra hiệu số nhiệt độ hữu ích thi.

thi = tch T: nhiệt độ hơi đốt (0C )
tng: nhiệt độ hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ (0C )
• : tổng tổn thất nhiệt độ trong cơ đặc
Tổn thất nhiệt trong cơ đặc
•

•
•

Trong đó
•

: tổn thất nhiệt do nồng độ [0C]

•

: tổn thất nhiệt do thủy tĩnh [0C]

•
•
•

: tổn thất nhiệt do trở lực ống dẫn [0C]

Xác định

10


Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự tổn thất nhiệt độ do nồng độ và do áp suất
thủy tĩnh
Trong đó:
•
•
•

Po: áp suất hơi tại mặt thoáng dung dịch
tsdd: nhiệt độ sôi dung dịch tại áp suất po
tsdm: nhiệt độ sôi dung mơi tại áp suất po

Xác định :
Tính độ tăng áp suất do thủy tĩnh
, [N/m2]
Trong đó:
•
•
•

Hop: chiều cao chất lỏng theo ống báo mức (m)
ptb: khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi lúc sơi bọt (kg/m3)
ptb=1/2 khối lượng riêng của dung dịch đặc lúc khơng có bọt
g: gia tốc trọng trường (m/s2)

Tính ra được theo hình
Xác định:
Xác định tổn thất áp suất trên đường dẫn hơi thứ
, [N/m2]
Trong đó:
•

ρ: khối lượng riêng hơi (kg/m3)
11


•
•

•
•
•

ω: tốc độ hơi (m/s2)
L: chiều dài ống (m)
ʎ: hệ số ma sát
ξ: hệ số trở lực cục bộ đường hơi đi
de: đường kính tương đương (m)

Từ đây ta có thể tính ra như trên
Có thể lấy theo kinh nghiệm, mỗi nồi.
Tính chiều cao chất lỏng tối ưu:

Hop= [0,26 + 0,0014.(
Trong đó:
: chiều cao ống truyền nhiệt, [m]
Hop: chiều cao nhất chất lỏng đo theo ống báo mức của nồi, [m]
Cơ đặc nhiều nồi.
Khi cơ đặc 1 nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế. mặt khác hơi thứ
vẫn còn mang một nhiệt lượng lớn, tốn nước để ngưng tụ.
4.2.

Cơ đặc nhiều nồi là q trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, hạ thấp chỉ tiêu hao
hơi đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các thông số kỹ thuật, do đó nó có ý nghĩa
kinh tế cao về sử dụng nhiệt.
Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
12

Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào nồi
thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được vào nồi thứ 3,… hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết
bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc
hơi một phần, nồng độ tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ
giữa hơi đốt và dung dịch sơi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt
và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì
hơi thứ của nịi trước là hơi đốt của nồi sau. Thơng thường thì nồi đầu làm việc ở
áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân
khơng).
Cơ đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi, vì
nếu ta giả thiết rằng cứ 1kg hơi đốt đưa vào nồi đầu sẽ làm bốc hơi số kg hơi thứ
tương đương với số nồi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, hay nói cách khác là
lượng hơi đốt dùng để làm bốc hơi 1kg hơi thứ tỉ lệ nghịch với số nồi. Ví dụ khi cơ
đặc 2 nồi: 1kg hơi đốt vào nồi đầu làm bốc hơi 1kg hơi thứ trong nồi đầu, 1kg hơi
thứ này đưa vào đốt nóng nồi sau cũng cũng bốc hơi 1kg hơi thứ nữa, như vậy đối
với hai nồi ta được 2kg hơi thứ và lượng hơi đốt tính theo 1kg hơi thứ là kg.
4.1.1. Sơ đồ hệ thống

Trong cơng nghiệp có ba sơ đồ hệ thống cô dặc nhiều nồi:
-

Hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều
Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều
Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song
4.1.2. Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều

→ Thường dùng trong cơng nghiệp thực phẩm
Ngun tắc làm việc: Dung dịch lỗng sau khi gia nhiệt để nâng nhiệt độ tới
nhiệt độ sôi rồi được đưa vào nồi cô đặc số (1) để cô đặc một phần dung dịch. Nồi

số (1) sử dụng hơi đốt là hơi chính trong nhà máy. Nguyên liệu từ nồi số (1) đưa
sang làm nguyên liệu cho nồi số (2). Nồi số (2) sử dụng hơi thứ nồi số (1) đề làm
hơi đốt, tiếp tục cô đặc một phần dung dịch. Quá trình cứ như vậy cho tới nồi cuối
cùng. Hơi thứ nồi cuối cùng được đưa qua bộ ngưng tụ để tạo độ chân không cho
hệ thống. Sản phẩm nồi cuối được bơm liên tục hút ra ngồi. Ở các cấp đầu, lượng
hơi thứ khơng sử dụng hết, trích một phần làm hơi phụ.

13


Ưu và nhược của thiết bị cô đặc nhiều nồi cùng chiều:
Ưu điểm:
-

-

Để hệ thống làm việc được thì nhiệt độ nồi trước phải lớn hơn nồi sau, áp
suất nồi trước phải lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua
nồi sau mà không cần bơm, đở tốn năng lượng. Thường nồi đầu áp suất
dương, nồi sau áp suất âm.
Nhiệt độ sản phẩm thấp nên chất lượng sản phẩm tốt.
Hệ thống đơn giản, chi phí thấp

Nhược điểm
-

Các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, do đó hệ
số k giảm vì vậy cường độ bốc hơi các nồi sau giảm, không khai thác được
hết công suất thiết kế của thiết bị.

Ứng dụng
-

Hệ thống có nhiều ưu điểm, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp
đường, bột ngọt,...
4.1.3. Sơ đồ cô đặc nhiều nồi ngược chiều

→ Dùng trong công nghiệp hóa học
14


Nguyên tắc : Dung dịch loãng sau khi gia nhiệt để nâng nhiệt độ tới nhiệt độ
sôi rồi được đưa vào nồi cô đặc cuối để cô dặc một phần dung dịch. Nồi cuối sử
dụng hơi đốt là hơi thứ nồi trước cuối. Hơi nồi cuối cùng được đưa qua bộ ngưng
tụ để tạo độ chân không cho hệ thống. Nguyên liệu từ nồi cuối được bơm chuyển
qua thiết bị gia nhiệt nâng cao nhiệt độ lên bằng nhiệt độ sôi trong nồi trước cuối,
rồi được bơm vào làm nguyên liệu cho nồi trước cuối. Quá trình cứ như vậy cho
tới nồi đầu. Sản phẩm lấy ra từ nồi đầu.

Ưu điểm
−

−

Càng về sau thì dung dịch càng đặc, nhiệt độ càng cao nên độ nhớt dung
dịch không tăng, đối lưu khơng giảm, hệ số K ít thay đổi nên cường độ bốc
hơi các nồi gần bằng nhau, khai thác được hết các cơng suất các nồi.
Lượng nước ngưng tụ ít.

Nhược điểm

−
−
−
−

Hệ thống phức tạp, vốn đầu tư lớn
Tốn năng lượng nhiệt và bơm
Sản phẩm có nhiệt độ cao nên giảm chất lượng
Năng suất hệ thống nhỏ hơn hệ thống cô đặc nhiều nồi cùng chiều

Ứng dụng
Dùng trong trường hợp dung dịch có độ nhớt thay đổi nhiều theo nhiệt độ và sản
phẩm chịu được nhiệt độ cao.
15


4.1.4. Số nồi trong hệ thống

Hệ thống nồi càng dài thì càng tiết kiệm năng lượng nhiệt ( tuy nhiên mức tiết
kiệm càng ít dần). Từ nồi số 10 mức tiết kiệm chỉ giảm 1% khi tăng 1 nồi.
Số nồi càng nhiều thì hệ thống càng phức tạp, chi phí đầu từ và sửa chữa càng
tăng, tổn thất nhiệt càng tăng.
Vì vậy để hệ thống làm việc có hiệu quả kinh tế phải xác định số nồi tối ưu. Số
nồi tói ưu là số nồi trong hệ thống mà chi phí giá thành sản phẩm nhỏ nhất. Trong
cơng nghiệp só nồi thường là 5÷7 nồi/ hệ thống.

4.1.5. Tính tốn cơ đặc nhiều nồi

Cân bằng vật chất
Ký hiệu

Gđ −khối lượng nguyên liệu [kg]
Gc − khối lượng sản phẩm[kg]
Gi −khối lượng ra nồi thứ I,[kg]
W −lượng hơn thứ cả hệ thống,[kg]
Wi − lượng hơi thứ nồi thứ i,[kg]
xđ − nồng độ chất khô trong nguyên liệu,[%]
xc − nồng độ chất khô trong sản phẩm,[%]
xi − nồng độ chất khô trong dung dịch nồi thứ I,[%].
a


Lượng hơi thứ cả hệ thống



W=∑Wi = Gd (1-)


Nồng độ sản phẩm các nồi
 Nồng độ sản phẩm nồi 1
X1= =


Nồng độ nồi thứ 2
X2= =



Nồng độ nồi thứ n
16

Xn= =
b


Cân bằng nhiệt
Ký hiệu
Tđ − nhiệt độ nguyên liệu[độ C]
tc − nhiệt độ sản phẩm ,[ độ C ]
tn − nhiệt độ ngưng tụ ,[ độ C ]
cd − nhiệt dung riêng nguyên liệu,[J/kg.độ]
cc − nhiệt dung riêngsản phẩm,[J/kg.độ]
cn − nhiệt dung riêng ngước,[J/kg.độ]
Wi − năng lượng hơi thứ bốc ra tại nồi thứ i
Wn − năng lượng hơi thứ bốc ra tại nồi cuối cùng
Ei − lượng hơi phụ tại nòi thứ i
I − hàm nhiệt hơi đốt [J/kg]
i’− hàm nhiệt hơi thứ [J/kg]
Qcđ − tổn thất nhiệt do nồi cô đặc [J]
Qđ − tổn thất nhiệt do nồi đun [J]

Theo định luật bảo toàn của hệ thống ta có:
D1*i1+Gđ*cđ*tđ = Gc*cc*tc+∑Di*cn*tn+0.01*Gc*xc*qcđ+Qđ
Muốn tính lượng hơi thứ, hơi đốt các nồi cần biết
-

Lượng hơi phụ sử dụng
Lượng hơi thứ bốc hơi
Tổn thất nhiệt ra mơi trường

Trong tính tốn đơn giản bỏ qua tự bốc hơi và tổn thất nhiệt ra mơi trường
Theo định lượng bảo tồn chất tại các nồi
W5= Wn
W4=Wn+E4
W3=Wn+E4+E3
W2 = Wn+E4+E3+E2
W1=Wn+E4+E3+E2+E1
17


…………………………………
W =nWn+ (n+1)En -1+ (n-2)En-2+…
 Rút ra lượng hơi thứ cuối
Wn =


Lượng hơi đốt

D = Di =


Nếu không dùng hơi phụ E thì lượng hơi đốt cần thiết

D = Wn =


Hệ số sử dụng các nồi:

η=

Hệ số truyền nhiệt các nồi:
Hệ số truyền nhiệt từ nồi trước đến nồi sau tuần hồn tự nhiên giảm khoảng
30% ÷20%
Nồi đầu K= 20000,[W/m2.độ]
Nồi cuối K= 400÷500,[W/m2.độ]

5.

Các thiết bị cơ đặc dùng trong cơng nghệ thực phẩm
5.1.
Thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn trung tâm

18


Nguyên 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 hồn tự nhiên từ dưới lên trong ống
truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.Tốc độ tuần hoàn 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 thay ống tuần hồn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn.
Phía trên phịng đốt là phịng bốc hơi trong đó có bộ phận tách bọt dùng để
tách các giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
-

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch.

-

Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hồn cũng bị đun nóng.
19


Thiết bị cơ đặc phịng đốt ngồi kiểu đứng

5.2.

Ngun tắc làm việc: Dung dịch được đưa vào phòng đốt 1 liên tục và đi trong
các ống truyền nhiệt, còn hơi đốt được đi vào trong phòng đốt và đi ở khoảng
giữa ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị để đun sôi dung dịch. Dung dịch tạo thành
hỗn hợp hơi lỏng đi qua ống 3 vào phòng bốc hơi 2, ở đây hơi thứ tách ra đi lên
phía trên, cịn dung dịch đi theo ống tuần hoàn 5 trộn lẫn với dung dịch mới đi
vào phòng đốt. Khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu được trích một phần ra ở đáy
phòng bốc làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ xung dung dịch mới vào thiết bị.
Do chiều dài ống truyền nhiệt lớn nên cường độ tuần hoàn lớn và cường độ bốc
hơi lớn.
-

Ưu điểm: năng suất cao,

-

Nhược điểm: Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo.

20

Thiết bị cơ đặc phịng đốt ngồi kiểu nằm ngang

5.3.

Ngun lý làm việc: Dung dịch được đưa vào thiết bị và đi vào ống truyền nhiệt
chữ u từ trái sang phải ở nhánh dưới lên nhánh trên rồi lại chảy về phịng bốc ở
trạng thái sơi, dung mơi tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt và
ra ngồi, cịn nồng độ dung dịch tăng dần tới nồng độ yêu cầu.sau đó tháophần
dung dịch ra làm sản phẩm và tiếp tục cho dung dịch mới vào thực hiện một mẻ
mới.
-

Ưu điểm: Phịng bốc có thể tách ra khỏ phòng đốt dễ dàng để làm sạch và
sửa chữa.

-

Nhược điểm: Cồng kềnh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất

thấp
5.4.

Thiết bị cơ đặc tuần hồn cưỡng bức

Ngun tắc làm việc: Dung dịch được bơm đưa vào phòng đốt liên tục và đi
trong các ống trao đổi nhiệt từ dưới lên phòng bốc, còn hơi đốt được đưa vào
phòng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị. Dung dịch được
21

đun sôi trong ống truyền nhiệt với cường độ sôi cao và lên phịng bốc. Tại bề
mặt thống dung dịch ở phịng bốc, dung mơi tách ra bay lên và đi qua bộ phận
tách giọt rồi sang thiết bị ngưng tụ baromét, còn dung dịch trở lên đậm đặc hơn
trở về ống tuần hoàn ngoài trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục được bơm đƣa
vào phòng đốt. Khi dung dịch đạt nồng độ u cầu thì ta ln ln lấy một phần
dung dịch ra ở đáy phòng bốc ra làm sản phẩm. Tốc độ dung dịch trong ống
truyền nhiệt khoảng từ 1,5 đến 3,5 m/s do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn
tự nhiên từ 3 đến 4 lần và có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ hữu ích nhỏ từ
3 đến 5 độ vì cường độ tuần hoàn chỉ phụ thuộc vào năng suất của bơm.
-

Ưu điểm: Năng suất cao cô đặc được những dung dịch có độ nhớt lớn mà
tuần hồn tự nhiên khó thực hiện.

-

Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm.

22


PHẦN 1: TỔNG QUAN
1 Tên đề tài:
Người ta sử dụng hệ thống cơ đặc 3 nồi xi chiều tuần hồn tự nhiên để cơ đặc dung
dịch đường có
• suất lượng 5 tấn /h
• nồng độ đầu 12% (KL)
• nồng độ cuối 40% (KL)

• áp suất hơi đốt nồi đầu 3at
• chiều cao ống là 4m
• áp suất chân khơng trong thiết bị ngưng tụ là 0,8at.
2. Tổng quan về cô đặc
2.1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan tổng dung
dịch hai hay nhiều cấu tử. Q trình cơ đặc của dung dịch lỏng- rắn hay lỏng-lỏng có
chênh lệch nhiệt độ sơi rất cao thường được tién hành bằng cách tách một phần dung
mơi (cấu tử dễ bay hơi hơn). Đó là các q trình vật lý- hố lý.
2.2. 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 thoáng chất lỏng
Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ
tách ra dạng tinh thể 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 cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
2.3.
Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử. Để tạo thành hơi( trạng thái tự do) thì tốc
độ chuyện động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới
hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở
lực bên ngồi. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện
quá trình này.
Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu 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 hồn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí và
lắng keo (protit) sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô đặc.
2.4. Ứng dụng của cô đặc
Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm. Mục đích để đạt được

nồng độ dung dụng theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết
tinh.
23


Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây…
Sản xuất hóa chất: NaOH,NaCl, các muối vơ cơ….
3. Thiết bị cô đặc
3.1. Phân loại và ứng dụng
a) Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cơ đặc
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cơ đặc dung
dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ
1,5 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng
cho dung dịch sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt
lâu làm biến chất sản phẩm. Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái
cây, hoa quả ép…
b) Theo phương pháp thực hiện q trình:
Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất khơng đổi.
Thường dùng cơ đặc dung dịch liên tục để giữ ức dung dịch cố định, đạt năng suất
cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt dược là
không cao.
Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sơi thấp hơn do có áp
suất chân khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên
lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra. Có thể cơ đặc
chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử
dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự dộng phát.

Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp.
4. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc
- Thiết bị chính:
 ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
 buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp…
- Thiết bị phụ:
 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu,..
 Các loại bơm; bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
 Thiết bị gia nhiệt
 Thiết bị ngưng tụ Baromet
 Thiết bị đo và điều chỉnh.
- Thiết bị ống tuần hồn trung tâm gồm:
 Phịng đốt
 Ống truyền nhiệt
 Ống tuần hoàn
24


 Nguyên tắc hoạt động: Dung dịch ở phòng đốt đi trong ống cịn hơi đốt

-

-

đi vào khoảng phía ngồi ống. Khi làm việc, dung dịch ở trong ống
truyền nhiệt sơi tạo thành hỗn hợp hơi – lỏng có khối lượng riêng giảm
đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, cịn trong ống tuần hồn thể
tích của dung dịch trên 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 chuyền động
tuần hồn tự nhiên từ dưới lên trong ống truền nhiệt và từ trên xuống
trong ống tuần hồn. Tốc độ tuần hồn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của
dung dịch càng tăng và làm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt.
q trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến
khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra.
 Ưu và nhược điểm:
Ưu điểm: Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch, hệ thống truyền
nhiệt K khá lớn, khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cơ
đặc dung dịch dễ bị bẫn tắt, dung dịch tuần hoàn tự nhiên giúp tiết kiệm được
năng lượng.
Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hồn trung
tâm cũng bị đun nóng.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình chính

Được chia làm 3 nhóm sau:
• Tác động nhiễu cho phép ổn định:
• Lưu lượng, nhiệt độ dịng nhập liệu: Gđ, tđ
• Áp suất của hơi đốt: Pđ
Đây là các yếu tố ta có thể kiểm sốt được chúng, có thể định được
chúng.
Đối với dịng nhập liệu các thông số cơ bản lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ,
sẽ có ảnh hưởng đến chất lượng dịng sản phẩm, cũng như ảnh hưởng đến diễn
bién của q trình cơ đặc.
Ảnh hưởng của dòng lưu lượng nhập liệu:
Nếu lưu lượng như ta đã tính là 1000kg/h và các yếu tố khác đều ổn định
thì q trình cơ đặc xảy ra đúng như ta dự đốn, chất lượng dịng thành phẩm
được bảo đảm.
Nhưng nếu:

25