Đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi xuôi chiều (Full)

Chia sẻ đồ án thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi xuôi chiều. Tài liệu đầy đủ phần thuyết minh, tính toán và lựa chọn thiết bị.

• Người hướng dẫn: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu
• Chuyên ngành: Quá trình và Thiết bị
• Đề tài: Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Khái Quát Về Hệ Thống Cô Đặc Nước Sơ Ri 2 Nồi

Hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi là một giải pháp hiệu quả để tăng nồng độ dung dịch sơ ri từ 10% lên 45%. Đây là quá trình loại bỏ nước từ dung dịch bằng cách sử dụng hơi nước ở áp suất 4 at. Hệ thống này được thiết kế để làm việc liên tục với năng suất sản phẩm đạt 3000 kg/h, phù hợp với nhu cầu sản xuất quy mô công nghiệp. Thiết bị cô đặc dạng ống dài thẳng đứng cho phép dung dịch chảy thành những màng mỏng qua bề mặt truyền nhiệt, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển nhiệt và bảo vệ các thành phần có giá trị của nước sơ ri, đặc biệt là vitamin C và các khoáng chất quan trọng.

1.1. Định Nghĩa Quá Trình Cô Đặc

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách một phần dung môi dưới dạng hơi hoặc kết tinh. Quá trình này thường diễn ra ở các áp suất khác nhau và có thể sử dụng buồng đốt trong hoặc ngoài. Trong trường hợp của sơ ri, đây là phương pháp quan trọng để chế biến nước trái cây có hàm lượng đường vừa đủ, kết hợp với các vitamin và khoáng chất thiết yếu cho sức khỏe con người.

1.2. Lý Do Chọn Hệ Thống 2 Nồi

Lựa chọn hệ thống cô đặc 2 nồi mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Hệ thống này tận dụng hơi thải từ nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, giúp tiết kiệm chi phí hơi đốt đáng kể. Đồng thời, áp suất thấp (4 at) và nhiệt độ soâi thấp rất phù hợp với dung dịch dễ biến tính như nước sơ ri, đảm bảo bảo quản được các thành phần dinh dưỡng quý giá trong quá trình xử lý.

II. Đặc Điểm Và Thông Số Kỹ Thuật Thiết Kế

Thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi tuân theo các thông số kỹ thuật cụ thể được xác định từ nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm. Năng suất sản phẩm 3000 kg/h đảm bảo khả năng xử lý dung dịch sô ri với hiệu suất cao. Nồng độ nước sơ ri ngoài vào là 10% (chủ yếu là đường), trong khi nồng độ sản phẩm cuối cùng là 45%, tương đương với nước sơ ri cô đặc. Áp suất hơi đốt 4 at được chọn để cân bằng giữa hiệu suất truyền nhiệt và bảo vệ các thành phần nhạy cảm của nước trái cây.

2.1. Thông Số Vận Hành Chính

Hệ thống hoạt động với áp suất hơi đốt là 4 at (gage pressure), trong khi áp suất hơi ở thiết bị ngưng tụ là 0. Liệu ngoài vào với nồng độ 10% được xử lý trong 2 nồi để đạt nồng độ sản phẩm 45%. Năng suất sản phẩm 3000 kg/h cho phép xử lý lượng lớn nguyên liệu. Thiết bị được thiết kế theo dạng ống dài thẳng đứng để tối ưu hóa bề mặt truyền nhiệt và thời gian lưu trú dung dịch trong hệ thống.

2.2. Nguyên Tắc Thiết Kế Ống Dài

Thiết bị cô đặc dạng ống dài cho phép dung dịch chảy thành màng mỏng qua bề mặt truyền nhiệt, tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt. Cấu trúc này giảm thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cao, bảo vệ các vitamin và khoáng chất. Dung dịch được đốt một lần duy nhất, giúp tránh tác động nhệ của quá nhiệt, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng cao nhất.

III. Nguyên Liệu Sơ Ri Và Thành Phần Dinh Dưỡng

Sơ ri (Barbados) - tên khoa học Malpighia glaboa - là một trái cây nhỏ, có khía, tròn, màu đỏ khi chín với hương vị đặc trưng. Trái cây này nổi tiếng với hàm lượng vitamin C cực cao, vượt xa các trái cây khác. Ngoài vitamin C, sơ ri chứa các khoáng chất quan trọng như canxi, magiê, kali, sắt và các vitamin nhóm B. Đây chính là lý do sơ ri được chế biến thành nước uống có giá trị dinh dưỡng cao. Quá trình cô đặc nước sơ ri 2 nồi giúp bảo tồn tối đa các chất này so với các phương pháp xử lý truyền thống khác, tạo ra sản phẩm có giá trị thương mại lớn.

3.1. Đặc Điểm Và Thành Phần Sơ Ri

Sơ ri là trái cây nhiệt đới thuộc họ Malpighiacea, có vị chua-ngọt đặc trưng và mùi hương ngoài. Trái có hàm lượng vitamin C từ 1500-3000 mg/100g, cao nhất trong các loại trái cây. Ngoài ra, sơ ri chứa carôten, chất đạm, lipid, và các khoáng chất thiết yếu. Do tính chất mềm và dễ hư hỏng, sơ ri cần được chế biến nhanh hoặc bảo quản cẩn thận để giữ nguyên dinh dưỡng.

3.2. Giá Trị Ứng Dụng Trong Công Nghiệp Thực Phẩm

Nước sơ ri cô đặc được sử dụng để sản xuất các đồ uống có giá trị dinh dưỡng cao, nước trái cây, nước ngọt tự nhiên với hàm lượng đường vừa phải. Hệ thống cô đặc 2 nồi đảm bảo giữ lại tối đa vitamin C và các chất dinh dưỡng khác nhờ hoạt động ở nhiệt độ thấp, phù hợp với tiêu chuẩn sản xuất thực phẩm và đồ uống hiện đại.

IV. Ưu Và Nhược Điểm Của Hệ Thống Thiết Kế

Hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho sản xuất. Ưu điểm chính là tiết kiệm chi phí hơi đốt thông qua tái sử dụng hơi thải, đồng thời bảo vệ tối ưu chất lượng sản phẩm do áp suất và nhiệt độ thấp. Cấu trúc ống dài giúp tăng thời gian lưu dung dịch, cải thiện hiệu suất truyền nhiệt và tránh ảnh hưởng của quá nhiệt. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có nhược điểm: chi phí đầu tư thiết bị cao hơn so với hệ thống 1 nồi, yêu cầu diện tích nhà xưởng lớn hơn, và điều kiện an toàn phức tạp hơn do hoạt động ở áp suất âm. Bất chấp những thách thức này, lợi ích kinh tế và bảo vệ chất lượng sản phẩm làm cho lựa chọn này vô cùng hợp lý.

4.1. Những Lợi Ích Chính Của Hệ Thống

Tiết kiệm hơi đốt là lợi ích kinh tế lớn nhất khi sử dụng hệ thống 2 nồi, giảm chi phí vận hành đáng kể. Bảo vệ chất lượng sản phẩm là ưu thế kỹ thuật, vì áp suất thấp và quá trình cô đặc dạng màng giúp giữ lại vitamin và khoáng chất. Quy trình xuôi chiều liên tục đảm bảo sản xuất ổn định, tăng hiệu suất lao động. Dung dịch chảy từ trên xuống tự nhiên, giảm chi phí năng lượng cho bơm lưu chất.

4.2. Những Thách Thức Và Hạn Chế

Chi phí đầu tư ban đầu cao do yêu cầu 2 thiết bị cô đặc độc lập thay vì 1. Diện tích nhà xưởng lớn hơn được cần thiết để lắp đặt hệ thống phức tạp. Điều kiện an toàn khó khăn hơn do hoạt động ở áp suất âm trong ngưng tụ. Quản lý và vận hành yêu cầu nhân công có trình độ cao hơn, tăng chi phí nhân lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ñoà aùn moân hoïc : Quaù trình vaø Thieát bò GVGD : TS Leâ Phan Hoaøng Chieâu CHÖÔNG 1 Toång quan 1.NHIEÄM VUÏ CUÛA ÑOÀ AÙN Thieát keá heä thoáng coâ ñaëc nöôùc sô ri 2 noài, xuoâi chieàu vôùi caùc thoâng soá sau : - Thieát bò coâ ñaëc daïng oáng daøi thaúng ñöùng. - Naêng suaát saûn phaåm: 3000 kg/h. - Noàng ñoä nhaäp lieäu: 10 %. - Noàng ñoä saûn phaåm : 45%.

- Aùp suaát hôi ñoát: 4 at. - Aùp suaát hôi thöù ôû thieát bò ngöng tuï: 0. - Caùc thoâng soá khaùc töï choïn. LÖÏAC CHOÏN THIEÁT BÒ COÂ ÑAËC 1.Khaùi quaùt veà coâ ñaëc - Coâ ñaëc laø quaù trình laøm taêng noàng ñoä cuûa chaát raén hoaø tan trong dung dòch baèng caùch taùch 1 phaàn dung moâi ôû daïng hôi hay keát tinh chaát tan.

- Quaù trình coâ ñaëc thöôøng ñöôïc duøng phoå bieán trong coâng nghieäp vôùi muïc ñích laøm taêng noàng ñoä caùc dung dòch loaõng, hoaëc ñeå taùch caùc chaát raén hoaø tan. - Quaù trình coâ ñaëc boác hôi coù nhöõng ñaëc ñieåm sau: + thöôøng tieán haønh ôû caùc aùp suaát khaùc nhau. Khi laøm vieäc ôû aùp suaát thöôøng ( aùp suaát khí quyeån) ta duøng thieát bò hôû, coøn khi laøm vieäc ôû aùp suaát khaùc (ví duï aùp suaát chaân khoâng) ngöôøi ta duøng thieát bò kín. + coù theå tieán haønh trong heä thoáng coâ ñaëc moät noài hoaëc nhieàu noài, coù theå laøm vieäc lieân tuïc hoaëc giaùn ñoaïn, xuoâi chieàu hay ngöôïc chieàu.

+ thöôøng ñöôïc tieán haønh ôû traïng thaùi soâi, nghóa laø aùp suaát hôi rieâng phaàn cuûa dung moâi treân beà maët dung dòch baèng aùp suaát laøm vieäc cuûa thieát bò. Phaân loaïi thieát bò coâ ñaëc Coù nhieàu caùch phaân loaïi nhöng thöôøng phaân loaïi thaønh 3 nhoùm sau: SVTH : Trang 1 Ñoà aùn moân hoïc : Quaù trình vaø Thieát bò GVGD : TS Leâ Phan Hoaøng Chieâu - Nhoùm 1: dung dòch ñöôïc ñoái löu töï nhieân → duøng ñeå coâ ñaëc caùc dung dòch khaù loaõng, ñoä nhôùt thaáp, ñaûm baûo söï tuaàn hoaøn töï nhieân cuûa dung dòch deõ daøng qua beà maët truyeàn nhieät. - Nhoùm 2: dung dòch ñoái löu cöôõng böùc→ duøng ñöôïc cho caùc dung dòch khaù seät, coù ñoä nhôùt khaù cao, giaûm ñöôïc söï baùm caën hay keát tinh töøng phaàn treân beà maët truyeàn nhieät. - Nhoùm 3: dung dòch chaûy thaønh maøng moûng → cho pheùp dung dòch chaûy thaønh maøng qua beà maët truyeàn nhieät moät laàn ñeå traùnh söï taùc duïng nhieät ñoä laâu laøm bieán tính moät soá thaønh phaàn cuûa dung dòch.

Tuyø vaøo moät soá tính chaát cuûa dung dòch, tính hieäu quaû cuõng nhö maët baèng maø coù theå thieát keá buoàng ñoát trong hay ngoaøi cho thieát bò coâ ñaëc. Khaùi quaùt veà nguyeân lieäu - Sôri (Barbados), teân khoa hoïc Malpighia glaboa, thuoäc hoï Malpighiacea, laø moät thöù traùi nhoû, coù khía, troøn, maøu ñoû (khi chín) vaø coù höông vò ñaëc tröng. - Tröôùc ñeán nay sô ri chæ duøng ñeå aên nhö moät soá traùi caây khaùc, do tính chaát meàm, deã daäp neân phaûi thöôøng aên ngay. - Ngaøy nay, sau khi phaân tích veà thaønh phaàn caùc chaát coù trong traùi sô ri, ngöôøi ta phaùt hieän noù coù haøm löôïng vitamin raát cao(ñaëc bieät laø vitamin C), khoaùng, ñaïm…Ñieàu ñoù coù nghóa laø sô ri coù giaù trò cao trong vieäc cheá bieán moät soá thöùc uoáng: röôïc vang, nöôùc traùi caây coù haøm löôïng ñöôøng vöøa ñuû, theâm moät soá vitamin vaø khoaùng chaát… Thaønh phaàn tính cho 100g aên ñöôïc Ñöôø Chaát Nöô Vitamin (mg) Carote Chaát khoaùng (mg) ng ñaïm ùc C B1 B2 B3 n (mg) Ca Mg K Fe (g) (g) (g) 8.

Löïa choïn thieát bò coâ ñaëc Choïn thieát bò coâ ñaëc chaûy maøng, oáng daøi, buoàng ñoát ngoaøi, heä thoáng hai noài , xuoâi chieàu, lieân tuïc.  Öu ñieåm: - Heä thoáng coâ ñaëc ôû aùp suaát khoâng cao, nhieät ñoä soâi khoâng cao neân thích hôïp ñeå coâ ñaëc dung dòch deã bieán tính, traùnh hö hoûng saûn phaåm phuø hôïp vôùi dung dòch dung dòch thöïc phaåm, chöùa ñöôøng vaø moät soá vitamin - Duøng heä coâ ñaëc 2 noài neân ñaõ tieát kieäm ñöôïc chi phí hôi ñoát do taän duïng hôi thöù cuûa noài tröôùc laøm hôi ñoát noài sau. - Coâ ñaëc daïng maøng löu chaát chæ daøn ñeàu trong oáng vaø boác hôi nheï nhaøng. Söû duïng oáng daøi giuùp taêng thôøi gian löu ñeå boác SVTH : Trang 2 Ñoà aùn moân hoïc : Quaù trình vaø Thieát bò GVGD : TS Leâ Phan Hoaøng Chieâu hôi ñöôïc toát hôn, dung dòch chaûy daïng maøng qua beà maët 2 truyeàn nhieät 1 laàn neân traùnh ñöôïc taùc duïng nhieät ñoä laâu laøm bieán tính dung dòch.

- Noàng ñoä nöôùc sô ri ôû daây thöïc chaát ñöôïc coi laø noàng doä ñöôøng vì sau khi cheá bieán eùp nöôùc sô ri noàng doä ñöôøng laø lôùn nhaát, noàng ñoä caùc chaát khaùc raát nhoû coi nhö möùc aûnh höôûng khoâng ñaùng keå. Tuy nhieân vieäc muoán giöõ laïi caùc chaát ñoù sau khi coâ ñaëc xong ta phaûi quan taâm ñeán nhieät ñoä quaù trình. Ñoàng thôøi vieäc chaûy xuoâi chieàu giuùp nhieät ñoä khoâng cao quaù ôû phaàn cuoái deá laøm bieán tính dung dòch do söï quaù nhieât cuïc boä  Nhöôïïc ñieåm: - Heä coâ ñaëc nhieàu noài ñoøi hoûi chi phí cho thieát bò nhieàu hôn, cuõng nhö dieän tích nhaø xöôûng lôùn hôn, ñaëc bieät vieäc choïn buoàng ñoát ngoaøi caøng laøm toán dieän tích - Coâ ñaëc chaân khoâng neân ñieàu kieän an toaøn khoù khaên, toán naêng löôïngvaø chi phí vaän haønh thieát bò 1.QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ 1. Thuyeát minh quy trình coâng ngheä (coù sô ñoà ñính keøm) Dung dòch nöôùc sô ri sau khi qua moät soá coâng ñoaïn eùp, loïc, tinh cheá tröôùc ñoù ñöôïc ñöa vaøo boàn chöùa, duy trì ôû nhieät ñoä 60 0 C nhaèm traùnh ñöôïc söï phaùt trieån cuûa vi sinh vaät.

Sau ñoù nöôùc sô ri ñöôïc bôm leân treân thieát bò gia nhieät vôùi suaát löôïng 3000 kg/h. Qua trình bôm seõ coù söï ñieàu chænh löu löôïng cho thích hôïp vôùi heä thoáng töï ñoäng ñieàu khieån löu löôïng. Thieát bò gia nhieät ñöôïc söû duïng laø thieát bò gia nhieät oáng chuøm daïng voû aùo, ñaët thaúng ñöùng, beân trong goàm nhieàu oáng truyeàn nhieät nhoû ñöôïc boá trí theo ñænh tam giaùc ñeàu. Caùc ñaàu oáng naøy ñöôïc giöõ coá ñònh nhôø caùc væ oáng gaén vôùi thaân.

Thieát bò gia nhieät söû duïng hôi ñoát laáy töø loø hôi vôùi aùp suaát tuyeät ñoái laø 4 at. Dung dòch ñöôïc ñöa vaøo cuøng chieàu doøng hôi ñeå traùnh hieän töôïng doøng ra bò chaùy do tieáp xuùc vôùi nhieät ñoä quaù cao.Ngoaøi ra vieäc dung dòch chaûy töø treân xuoáng seõ taän duïng löïc troïng tröôøng neân khoâng tieâu toán naêng löôïng. Trong thieát bò gia nhieät coù söï trao ñoåi nhieät giöõa doøng loûng vaø doøng hôi qua vaùch oáng truyeàn nhieät. Doøng loûng seõ ñöôïc gia nhieät ñeå ñaït ñeán nhieät ñoä soâi tröôùc khi vaøo thieát bò coâ ñaëc t =110.

Vieäc gia nhieät leân nhieät ñoä soâi coù yù nghóa lôùn cho quaù trình dieãn ra luùc sau ôû thieát bò coâ ñaëc vì ta seõ khoâng phaûi maát theâm naêng löôïng cho vieäc gia nhieät ñeán nhieät ñoä soâi, ngoaøi ra coøn ñaûm baûo quaù trình truyeàn nhieät ñeå boác hôi ôû buoàng ñoát laø thaät söï hieäu quaû. Coøn doøng hôi seõ ñöôïc ngöng tuï thaønh loûng soâi vaø ñöïôc thoaùt ra ngoaøi. Ôû thieát bò gia nhieät coù oáng thoaùt khí khoâng ngöng ñeå ñaûm baûo an toaøn veà aùp suaát trong thieát bò vaø quaù trình truyeàn nhieät coù hieäu quaû. SVTH : Trang 3 Ñoà aùn moân hoïc : Quaù trình vaø Thieát bò GVGD : TS Leâ Phan Hoaøng Chieâu Töø thieát bò gia nhieät, dung dòch ñöôïc ñöa sang heä thoáng coâ ñaëc.

ÔÛ ñaây ta söû duïng thieát bò coâ ñaëc coù buoàng ñoát ngoaøi, oáng daøi, vaø hai noài lieân tuïc xuoâi chieàu. Loaïi thieát bò naøy khaù thích hôïp vôùi vieäc coâ ñaëc dung dòch thöïc phaåm do cheá ñoä nhieät eâm dòu vaø khoâng taêng quaù nhanh. Ñaàu tieân doøng loûng vaøo buoàng ñoát 1 (thieát bò coâ ñaëc 1). Thieâùt bò naøy coù caáu taïo nhö thieát bò gia nhieät loaïi maøng coù boä phaän phaân phoái loûng (laø boä phaän coù nhieàu loã nhoû vaø nhöõng oáng ngaén haøn vaøo ñóa, caùc oáng naøy coù döoøng kính nhoû hôn oáng truyeàn nhieät vaø ñöôïc ñaët ñoàng taâm, loït vaøo oáng truyeàn nhieät.

ÔÛ ñaây doøng loûng ñöôïc ñeå ôû cheá ñoä chaûy maøng töø treân xuoáng trong caùc oáng truyeàn nhieät ñeå taän dung löïc troïng tröôøng cuõng nhö coù theå taïo ñöôïc maøng loûng moûng vaø ñeàu. Vieäc phaân phoái loûng nhö treân ñöôïc thöïc hieän nhôø vaøo ñóa phaân phoái loûng. Khi loûng ñi vaøo buoàng ñoát (phaàn naép) seõ chaûy töø töø qua caùc loã nhoû roài men theo thaønh roãng giöõa oáng truyeàn nhieät vaø oáng ngaén ñeå taïo thaønh maøng moûng vôùi beà daøy theo yeâu caàu ñaët ra. Doøng hôi ñöôïc söû duïng cuõng töø loø hôi vôùi aùp suaát tuyeät ñoái laø 4 at, duøng naêng löôïng laáy töø söï ngöng tuï hôi nöôùc ñeå caáp nhieät cho doøng loûng.

Trong thieát bò naøy, khaùc vôùi thieát bò gia nhieät ôû choã doøng loûng khoâng nhaän nhieät ñeå thay ñoåi nhieät ñoä maø ñeû thay ñoåi entanpi nhaèm chuaån bò cho quaù trình boác hôi seõ dieãn ra ôû trong buoàng boác. Töong töï nhö thieâát bò gia nhieät doøng hôi ngöng tuï thaønh loûng ñöôïc thoaùt ra ngoaøi vaø ôû buoàng ñoát cuõng coù oáng thoaùt khí khoâng ngöng. Sau khi chaûy qua heä thoáng oáng truyeàn nhieät, dung dòch ñi xuoáng thaân phuï ñeå chuyeån qua buoàng boác. Thaân phuï giuùp duy trì moät vaän toác oån dònh cho doøng loûng.

Thaân phuï noái vôùi boàng boác nhôø moät oáng hình chöõ nhaät ñi ra vuoâng goùc vôùi thaân phuï vaø tieáp tuyeán vôùi thaân buoàng boác ñeå taïo ra doøng chuyeån ñoäng xoaùy giuùp xaùo troän toát hôi vaø loûng giuùp quaù trình boác hôi deã daøng hôn. ÔÛ buoàng boác 1, dung dòch thöïc hieän quaù trình boác hôi (sau khi ñaõ nhaän ñuû nhieät ñeå chuyeån traïng thaùi). Hôi nöùôc boác leân vôùi aùp suaát laø 1.47 at vaø dung dòch coøn laïi seõ taêng noàng ñoä leân laø 16. Trong quaù trình boác hôi seõ coù hieän töôïng doøng hôi loâi cuoán caùc gioït loûng ñi theo noù vaø ñieàu naøy seõ laøm aûnh höôûng ñeán thieát bò phía sau do coù söï taïo caën leân caùc oáng truyeàn nhieät laøm giaûm hieäu quaû truyeàn nhieät.

Ñeå khaéc phuïc ñieàu naøy trong caùc buoàng boác thöôøng coù boä phaän phaân ly gioït loûng. Tuyø vaøo loaïi thieát bò maø coù theå döïa vaøo löïc troïng tröôøng, söï dính öôùt hay söï ly taâm. Ôû ñaây ta söû duïng thieát bò phaân ly theo kieåu dính öôùt daïng noùn. Khi doøng hôi boác leân seõ gaëp beà maët noùn, caùc gioït loûng seõ bò giöõ laïi treân noùn vaø chaûy xuoáng laïi buoàng ñoát theo oáng mao quaûn, coøn hôi thöù traøn qua phaàn noùn ñi ra ngoaøi theo oáng daãn hôi ñeå sang truyeàn nhieät cho buoàng ñoát 2.

Coøn dung dòch ñöôïc bôm sang buoàng ñoát 2 ñeå tieáp tuïc thöïc hieän quaù trình coâ ñaëc.