CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Tổng quan hệ thống cô đặc 1. Định nghĩa cô đặc Cô đặc là phương pháp dùng để tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó hay dễ bay hơi để lựa chọn phương pháp nhiệt (đun nóng) hay phương pháp làm lạnh kết tinh để tách một phần dung môi.
Trong luận văn này, em sử dụng dùng phương pháp nhiệt. Dưới tác dụng của nhiệt, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất trên mặt thoáng dung dịch. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để thắng lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài.
Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Phân loại thiết bị cô đặc nhiệt Theo cấu tạo, thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm: - Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên. Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
Gồm: 5 + Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. + Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc). - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bị trong nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
Gồm: + Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài. + Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài. - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi xuống. Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.
Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, hoa quả ép…Gồm: + Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ. + Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. Theo phương pháp thực hiện, thiết bị cô đặc được chia thành: - Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.
Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao. - Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. - Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt.
Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô 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. 6 - Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn.
Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. Hệ thống cô đặc chân không bán liên tục - Mục đích: Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxi. - Ưu điểm: + Nhập liệu đơn giản: Nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị, nhập liệu theo từng mẻ một. + Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng.
+ Có thể cô đặc dung dịch đến các nồng độ khác nhau theo phương pháp gián đoạn từng mẻ hoặc liên tục. - Nhược điểm: + Làm việc ở trạng thái không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian cô đặc. + Thiết bị phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không. Hệ thống cô đặc nước đường 1.
Công nghệ cô đặc nước đường Cô đặc đường mía là công đoạn tiếp theo sau quá trình làm sạch nước mía. Mục đích của quá trình là làm bốc hơi nước mía có nồng độ ban đầu (khoảng 12-15oBx) đến nồng độ cao (khoảng 65oBx) [6]. Tuy nhiên nếu cô đặc nước mía tới nồng độ quá cao (>70oBx) sẽ xuất hiện các tinh thể đọng lại (trong đường ống và bơm), tăng độ nhớt gây khó khăn cho quá trình lọc. Trong thực tế, cô đặc nước đường một nồi hoạt động theo mẻ thường được làm việc theo một trong ba phương pháp sau: 7 (1) Cho dung dịch nhập liệu vào một lần ban đầu rồi cho bốc hơi, mực dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu.
(2) Dung dịch nhập liệu cho vào ban đầu đến một mức nhất định, sau đó vừa cho bốc hơi vừa tiếp tục dung dịch vào để giữ cho mức dung dịch trong thiết bị không đổi. (3) Dung dịch ban đầu được cho vào thiết bị đến một mức nhất định, sau đó vừa cho bốc hơi vừa cho tiếp dung dịch vào để giữ cho khối lượng riêng dung dịch không đổi, vì khối lượng riêng dung dịch tăng khi nồng độ tăng do đó mức dung dịch trong thiết bị sẽ giảm. Trong phương pháp cô đặc dùng nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi). Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không [5].
Thiết bị cô đặc ở đây được thiết kế mô phỏng theo các thiết bị cô đặc sử dụng trong công nghiệp. Dung dịch được cô đặc theo từng mẻ. Dung dịch sôi trong nồi cô đặc do hơi nước bên ngoài vỏ ống truyền nhiệt vào nồi. Hơi thứ bốc lên trong nồi cô đặc được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (TBNT) ống chùm.
Thiết bị tạo chân không được sử dụng để tạo chân không cho toàn hệ thống. Hệ thống gồm các thiết bị sau: - Thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. - Thiết bị ngưng tụ loại ống chùm. - Bình chứa hơi thứ ngưng tụ.
- Tháp giải nhiệt. - Thiết bị tạo chân không ejector. - Hệ thống điều khiển. Đặc điểm nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc đường 1.
Đặc điểm nguyên liệu Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm: - Dung môi: nước. - Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccarozơ. Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc. Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít.
Đặc điểm sản phẩm Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm: - Dung môi: nước. - Các chất hòa tan: có nồng độ cao 1. Biến đổi hóa học trong quá trình cô đặc - Sự chuyển hóa đường saccarozơ Nếu nước mía trong có tính axit và các chất không đường tạo axit thì trong quá trình bốc hơi, đường saccarozơ bị thủy phân tạo thành hỗn hợp glucozơ và fructozơ làm tổn thất đường. Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ, thời gian lưu của nước mía, nồng độ dung dịch đường.
Thông thường, khi nhiệt độ càng cao, trị số pH càng thấp, thời gian lưu càng dài thì tốc độ chuyển hóa càng nhanh, tổn thất đường càng nhiều. - Sự phân hủy saccarozơ và tăng cường độ màu Trong quá trình bốc hơi độ màu nước luôn tăng đậm. Nguyên nhân chủ yếu là do phản ứng tạo caramen của đường saccarozơ và sự phân hủy đường khử. Lượng caramen tạo thành phụ thuộc vào trị số pH, nhiệt độ và thời gian lưu của nước mía và chỉ cần một 9 lượng caramen rất nhỏ cũng làm cho nước mía có màu đậm.
Ngoài ra, đường khử kết hợp với axit amin tạo thành chất màu melanoidin làm tăng màu sắc của nước mía. - Sự biến đổi độ kiềm Nước mía trong khi vào thiết bị cô đặc thường có pH trung tính hoặc kiềm nhẹ, nhưng trong quá trình bốc hơi, độ kiềm nước mía vẫn phát sinh biến đổi (tăng hoặc giảm). - Sự biến đổi độ tinh khiết + Độ tinh khiết tăng: Do chất không đường bị phân hủy. Do sự phân hủy amit và muối cacbonat tạo ra CO2, NH3.
+ Độ tinh khiết giảm: Trong quá trình bốc hơi, tổn thất đường saccarozơ do chuyển hóa làm độ tinh khiết giảm. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa - Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên. - Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu. - Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Điều khiển quá trình được ứng dụng nhiều trong các quá trình sản xuất, trong cách ngành công nghiệp như hóa dầu, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm…Việc sử dụng kỹ thuật điều khiển tự động mang lại chất lượng sản phẩm tốt hơn, giảm thiểu nhân công và xa hơn là mang lại hiệu quả về kinh tế. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ làm việc một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu.
