Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc chân không đường mía 1100kg/h - HUFI

Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục cho dung dịch đường mía năng suất 1100kg/h. Hướng dẫn chi tiết đồ án kỹ thuật thực phẩm đạt tiêu chuẩn

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: Trịnh Hoài Thanh
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thực phẩm
• Đề tài: Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch đường mía năng suất sản phẩm 1100kg/h
• Loại tài liệu: Đồ án kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi

Thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục ứng dụng công nghệ cô đặc chân không nhằm nâng cao hiệu quả xử lý dung dịch đường mía. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý tạo áp suất thấp để hạ nhiệt độ sôi dung dịch, giảm tổn thất dinh dưỡng và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống gồm buồng đốt, buồng bốc, thiết bị ngưng tụ baromet và bơm chân không. Ưu điểm nổi bật là khả năng cô đặc liên tục với năng suất 1100 kg/h, phù hợp sản xuất quy mô công nghiệp. Thiết bị được thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn, dễ vận hành và bảo trì. Lựa chọn vật liệu inox 304 chống ăn mòn, đảm bảo độ bền lâu dài trong môi trường ẩm ướt.

1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc chân không

Thiết bị cô đặc chân không hoạt động dựa trên nguyên lý tạo môi trường chân không trong buồng bốc, hạ thấp nhiệt độ sôi dung dịch dưới 100°C. Hơi thứ sinh ra từ dung dịch sau khi cô đặc được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet, nơi hơi ngưng tụ thành nước nhờ tiếp xúc với nước lạnh. Áp suất chân không được duy trì nhờ bơm chân không, tạo điều kiện lý tưởng cho quá trình cô đặc hiệu quả. Hơi đốt cấp nhiệt cho buồng đốt, truyền nhiệt qua thành ống truyền nhiệt đến dung dịch. Hệ thống tuần hoàn dung dịch đảm bảo nồng độ đồng đều, ngăn ngừa hiện tượng đóng cặn.

1.2. Ứng dụng trong sản xuất đường mía

Thiết bị cô đặc chân không được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đường mía nhờ khả năng cô đặc dung dịch đường có nồng độ thấp thành sản phẩm đặc sánh. Quá trình cô đặc giúp loại bỏ nước dư thừa, tăng nồng độ đường từ 10-15% lên 60-70%, đồng thời bảo toàn hàm lượng dinh dưỡng. Thiết bị phù hợp sản xuất đường thô, đường kính, hoặc sirô đường. Ưu điểm vượt trội so với phương pháp cô đặc thông thường là tiết kiệm năng lượng, giảm thời gian xử lý và nâng cao chất lượng sản phẩm.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật và vấn đề cô đặc dung dịch đường

Cô đặc dung dịch đường mía đòi hỏi giải quyết đồng thời các thách thức về nhiệt độ, độ nhớt và áp suất. Dung dịch đường có đặc tính kết tinh khi nồng độ vượt ngưỡng 65%, gây tắc nghẽn đường ống và bề mặt truyền nhiệt. Áp suất chân không cần duy trì ổn định để tránh biến tính đường saccharose. Độ nhớt tăng cao khi nồng độ tăng, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số truyền nhiệt. Thách thức khác là cân bằng năng lượng giữa hơi đốt và hơi thứ, đảm bảo hiệu suất cô đặc tối ưu. Thiết bị phải đáp ứng năng suất 1100 kg/h, với dung dịch đầu có nồng độ 15% và sản phẩm cuối 65%.

2.1. Đặc tính lý hóa của dung dịch đường mía

Dung dịch đường mía chứa chủ yếu saccharose (C12H22O11) với nồng độ 10-20%, kèm theo glucose, fructose và các tạp chất vô cơ. Độ nhớt động học tăng theo nồng độ và giảm khi nhiệt độ tăng, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt. Điểm sôi dung dịch phụ thuộc vào nồng độ và áp suất: ở áp suất khí quyển (1 atm), dung dịch 20% sôi ở 103°C; ở áp suất 0,25 atm, sôi ở 65°C. Độ hòa tan saccharose giảm khi nhiệt độ hạ thấp, gây nguy cơ kết tinh nếu không kiểm soát chặt chẽ.

2.2. Các vấn đề kỹ thuật trong quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc dễ gặp hiện tượng đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt do dung dịch đường bão hòa. Sự tích tụ cặn làm giảm hệ số truyền nhiệt, tăng tiêu hao năng lượng và giảm hiệu suất thiết bị. Vấn đề xâm thực do hơi thứ ngưng tụ không kịp thoát ra, gây ồn và rung động. Áp suất chân không không ổn định dẫn đến biến động nhiệt độ sôi, ảnh hưởng chất lượng sản phẩm. Hệ thống tuần hoàn dung dịch cần điều chỉnh phù hợp để tránh hiện tượng phân lớp nồng độ. Ngoài ra, thiết bị phải chịu được áp lực chân không ổn định trong suốt quá trình vận hành.

III. Giải pháp thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi

Giải pháp thiết kế tập trung vào tối ưu hóa bề mặt truyền nhiệt, hệ thống tuần hoàn dung dịch và kiểm soát áp suất chân không. Buồng đốt sử dụng ống truyền nhiệt d25/27 mm, vật liệu inox 304, diện tích bề mặt 17,24 m². Hệ thống ống tuần hoàn trung tâm với đường kính 159 mm đảm bảo dung dịch lưu thông liên tục, ngăn ngừa đóng cặn. Thiết bị ngưng tụ baromet được tích hợp để xử lý hơi thứ hiệu quả. Bơm chân không duy trì áp suất ổn định ở 0,25 atm, đảm bảo nhiệt độ sôi dung dịch ở 65°C. Toàn bộ hệ thống được thiết kế tuân thủ tiêu chuẩn ASME Section VIII, đảm bảo an toàn áp suất.

3.1. Tính toán truyền nhiệt và cân bằng năng lượng

Cân bằng năng lượng xác định lượng hơi đốt cần thiết dựa trên nhiệt ẩn ngưng tụ (2257 kJ/kg) và nhiệt dung riêng dung dịch (3,8 kJ/kg·K). Lượng hơi đốt tiêu thụ riêng là 0,1624 kg hơi/kg dung dịch cô đặc. Hệ số truyền nhiệt K đạt 1200 W/m²·K nhờ thiết kế ống truyền nhiệt phù hợp. Diện tích bề mặt truyền nhiệt 17,24 m² vượt 50% so với yêu cầu 11,45 m², đảm bảo dư tải trong vận hành. Tổn thất nhiệt qua vỏ thiết bị được giảm thiểu bằng lớp cách nhiệt dày 50 mm. Hiệu suất nhiệt đạt 85%, tiết kiệm 20% năng lượng so với phương pháp cô đặc thông thường.

3.2. Lựa chọn vật liệu và cấu trúc thiết bị

Vật liệu chính là inox 304 (AISI 304) chống ăn mòn trong môi trường axit hữu cơ, chịu nhiệt độ lên đến 200°C. Buồng đốt có đường kính 600 mm, chiều cao 1,5 m, đáy nón góc 60° để thu gom cặn. Buồng bốc đường kính 1000 mm, chiều cao 2,5 m, nắp elip có gờ gia cố. Ống dẫn liệu, hơi thứ và nước ngưng sử dụng thép không gỉ 316L. Các mối hàn được kiểm tra bằng phương pháp siêu âm, đảm bảo độ kín khít. Hệ thống chân đỡ bằng thép carbon được sơn chống rỉ, chịu tải trọng 5000 kg.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng thiết bị

Thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục đạt hiệu suất cao với năng suất 1100 kg/h, tiết kiệm 20% năng lượng so với phương pháp truyền thống. Ưu điểm vượt trội là khả năng cô đặc dung dịch đường mía mà vẫn bảo toàn chất lượng sản phẩm. Thiết bị dễ vận hành, bảo trì thấp nhờ thiết kế module hóa. Triển vọng ứng dụng mở rộng sang các ngành sản xuất hóa chất, dược phẩm và thực phẩm chức năng. Nghiên cứu tiếp theo có thể tối ưu hóa hệ thống tuần hoàn và tích hợp cảm biến IoT để giám sát từ xa. Đánh giáLifecycle cho thấy tuổi thọ thiết bị trên 15 năm, hoàn vốn trong 3-4 năm nhờ tiết kiệm năng lượng.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường

Thiết bị giúp giảm 30% chi phí nhiên liệu nhờ sử dụng năng lượng tái tạo từ hơi đốt thừa. Lượng nước thải giảm 40% nhờ hệ thống tuần hoàn kín. Giảm phát thải CO2 tương đương 5 tấn/năm so với phương pháp cô đặc truyền thống. Chi phí đầu tư ban đầu khoảng 500 triệu đồng, hoàn vốn trong 3,5 năm nhờ tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì. Thiết bị phù hợp tiêu chuẩn ISO 14001 về quản lý môi trường.

4.2. Hướng phát triển công nghệ

Tương lai hướng tới tích hợp trí tuệ nhân tạo để điều chỉnh tự động thông số vận hành. Nghiên cứu vật liệu mới như composite chịu nhiệt có thể giảm trọng lượng thiết bị 20%. Phát triển hệ thống thu hồi nhiệt từ hơi thứ để tái sử dụng trong quá trình sấy khô. Mở rộng ứng dụng cho cô đặc các dung dịch hữu cơ khác như sữa, nước trái cây. Hợp tác với các viện nghiên cứu để chuẩn hóa thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn. Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất là thiết bị cô đặc. Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến.

Vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Đồ án ký thuật thực phẩm là một môn học giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, có những kỹ năng tính toán cần thiết sau khi ra làm việc thực tế. Làm đồ án giúp cho sinh viên biết hệ thống hóa kiến thức đã được học vào trong thực tế, mỗi sinh viên sẽ tự biết sử dụng trong việc tra cứu các thong số cần thiết, vận dụng đúng các kiến thức đã đượ c học trong tính toán một cách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót đáng tiếc về sau, nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị một cách có hệ thống.

Nhiệm vụ đề tài: Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch đường mía năng suất 1100kg/h. Điều kiện hoạt động của thiết bị phải đảm bảo chất lượng của sản phẩm thu được nhằm làm nguyên liệu cho công đoạn chế biến sau. Cần phải xác định thiết bị cô đặc phù hợp với đặc tính của nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm. Các thông số công nghệ khác tự chọn.

Tính chất nguyên liệu sản phẩm: 1.1 Đặc điểm nguyên liệu: Mía là cây công nghiệp lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp đường. Đường là một loại thực phẩm cần có trong cơ cấu bữa ăn hàng ngày của nhiều quốc gia trên thế giới, cũng như là loại nguyên liệu quan trọng của nhiều ngành sản xuất công nghiệp nhẹ và hàng tiêu dùng như bánh kẹo. Về mặt kinh tế chúng ta nhận thấy trong thân mía chứa khoảng 80-90% nước dịch, trong dịch đó chứa khoảng 16-18% đường. Vào thời kỳ mía chín già người ta thu hoạch mía rồi đem ép lấy nước.

Từ nước dịch mía được chế lọc và cô đặc thành đường. Nguyên liệu cô đặc ở dạng dạng dịch: Dung môi: nước Các chất hòa tan: gồm các cấu tử có hàm lượng thấp và chủ yếu là đường saccharose. Trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp khoảng 6÷10% khối lượng.2 Đặc điểm của sản phẩm Sản phẩm ở dạng dung dịch: Dung môi nước Các chất hòa tan: có nồng độ cao 1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm 1.1 Biến đổi tính chất vật lý Thời gian cô đặc tang làm cho nồng độ dung dịch tang dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi: 5 - Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiêt, hệ số truyền nhiệt. - Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi.2 Biến đổi tính chất hóa học - Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid.

2+ - Đóng cặn bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca ít hòa tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa. - Phân hủy chất cô đặc. - Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid.3 Biến đổi sinh học - Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao). - Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao.4 Yêu cầu nguyên liệu Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu.

Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi. Đảm bảo được hương vị, mùi đặc trưng vẫn còn nguyên. Hệ thống cô đặc: 1. Định nghĩa Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi sang dạng hơi.

Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị. Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng hoặc để tách các chất rắn hòa tan (trường hợp này có kèm theo quá trình kết tinh), ví dụ: cô đặc dung dịch đường, cô đặc xút, cô đặc các dung dịch muối,…khi làm việc ở các áp suất khác ta dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể làm việc gián đoạn hay liên 6 tục có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc hệ thống cô đặc nhiều nồi. Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi 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 chât 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 ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. Phân loại: Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau: - Theo cấu tạo: + Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc 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:  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 đốt). + 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 đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh 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, chảy một lần tránh tiếp xúc lâu làm biến chất sản phẩm. Đặt biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, nước ép hoa quả,…. Gồm:  Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

7  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 quá trình: + Cô đặc ở 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 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 ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn. + Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không quá lớn và sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.

Có thể cô 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 sản phẩm tốt hơn và quá trình cô đặc ổn định hơn cô đặc gián đoạn và có thể áp dụng điều khiển tự động nhưng chưa có cảm biến tin cậy. - Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng.

- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…) bằng dòng điện. - Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), 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 khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài.

Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá 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 tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc. Ứng dụng cô đặc: Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái 8 cây,… Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2, các muối vô cơ,… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn.

Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.