Đồ án thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi đường mía 1100kg/h

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục dung dịch đường mía năng suất 1100 kg/h, đầy đủ tính toán công nghệ, thiết bị và bản vẽ chi tiết.

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

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục

Thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục là giải pháp tối ưu cho quá trình cô đặc dung dịch đường mía, đặc biệt trong sản xuất công nghiệp. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng áp suất chân không để giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giúp tiết kiệm năng lượng và bảo toàn chất lượng sản phẩm. Với năng suất 1100 kg/h, thiết bị đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô vừa và lớn, đồng thời đảm bảo hiệu suất cô đặc cao nhờ hệ thống truyền nhiệt hiệu quả. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, hóa chất và chế biến nông sản.

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

Thiết bị cô đặc chân không hoạt động theo nguyên lý giảm áp suất bên trong buồng cô đặc, khiến dung dịch sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường. Hơi nước sinh ra được hút ra ngoài bằng hệ thống bơm chân không, trong khi dung dịch được tuần hoàn liên tục qua buồng đốt để gia nhiệt. Quá trình này diễn ra trong môi trường kín, ngăn ngừa oxy hóa và bảo vệ chất lượng sản phẩm. Hiệu suất cô đặc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất chân không và diện tích bề mặt truyền nhiệt.

1.2. Ứng dụng trong sản xuất dung dịch đường mía

Thiết bị cô đặc chân không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất đường mía do khả năng cô đặc dung dịch đường với nồng độ cao mà không làm biến chất các thành phần dinh dưỡng. Quá trình cô đặc diễn ra ở nhiệt độ thấp, giúp giữ nguyên màu sắc, hương vị và độ ngọt tự nhiên của sản phẩm. Ngoài ra, thiết bị còn được ứng dụng trong sản xuất mật ong, siro và các sản phẩm từ trái cây.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật cho dung dịch đường mía năng suất 1100kg h

Dung dịch đường mía có đặc tính vật lý thay đổi theo nồng độ, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cô đặc. Đối với dung dịch đường mía năng suất 1100 kg/h, yêu cầu kỹ thuật bao gồm nồng độ đầu vào từ 10-15% Brix, nhiệt độ sôi từ 60-70°C và độ nhớt phù hợp để đảm bảo quá trình truyền nhiệt hiệu quả. Việc lựa chọn thiết bị phải đáp ứng khả năng xử lý lưu lượng lớn, đồng thời duy trì độ ổn định về nhiệt độ và áp suất. Ngoài ra, vật liệu chế tạo thiết bị cần chống ăn mòn do dung dịch đường có tính axit nhẹ.

2.1. Đặc tính vật lý và hóa học của dung dịch đường mía

Dung dịch đường mía có độ nhớt tăng theo nồng độ, gây khó khăn cho quá trình truyền nhiệt. Độ nhớt của dung dịch 15% Brix vào khoảng 1,5-2,0 mPa.s, trong khi dung dịch 50% Brix có thể lên tới 100 mPa.s. Nhiệt dung riêng của dung dịch đường mía giảm khi nồng độ tăng, dẫn đến hiệu suất truyền nhiệt giảm. Ngoài ra, dung dịch có khả năng tạo bọt và đóng cặn, đòi hỏi thiết bị phải có hệ thống vệ sinh dễ dàng.

2.2. Yêu cầu về năng suất và hiệu suất cô đặc

Năng suất 1100 kg/h yêu cầu thiết bị phải có khả năng xử lý lưu lượng dung dịch liên tục mà không gây quá tải. Hiệu suất cô đặc được xác định bởi tỷ lệ khối lượng dung dịch đầu vào và sản phẩm đầu ra, thường đạt 40-60% đối với dung dịch đường mía. Để đạt được hiệu suất này, thiết bị cần có diện tích bề mặt truyền nhiệt đủ lớn và hệ thống gia nhiệt ổn định. Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất chân không là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Giải pháp thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục

Giải pháp thiết kế tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc buồng cô đặc, hệ thống truyền nhiệt và cơ chế tuần hoàn dung dịch. Buồng đốt được thiết kế với ống truyền nhiệt bố trí theo kiểu chùm ống, đảm bảo diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn. Buồng bốc có kích thước phù hợp để tách hơi nước hiệu quả, trong khi hệ thống chân không được lựa chọn dựa trên lưu lượng hơi cần hút. Vật liệu chế tạo chủ yếu là thép không gỉ 304, chống ăn mòn và dễ vệ sinh. Hệ thống điều khiển tự động giúp duy trì ổn định các thông số vận hành.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của thiết bị

Thiết bị gồm ba thành phần chính: buồng đốt, buồng bốc và hệ thống chân không. Buồng đốt chứa các ống truyền nhiệt, nơi dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa. Buồng bốc có nhiệm vụ tách hơi nước khỏi dung dịch, trong khi hệ thống chân không duy trì áp suất thấp trong toàn bộ thiết bị. Dung dịch được tuần hoàn liên tục giữa buồng đốt và buồng bốc thông qua ống tuần hoàn trung tâm, đảm bảo quá trình cô đặc đồng đều.

3.2. Tính toán và lựa chọn thông số kỹ thuật

Thông số kỹ thuật được tính toán dựa trên cân bằng vật chất và năng lượng. Diện tích bề mặt truyền nhiệt được xác định từ lưu lượng dung dịch, nhiệt độ sôi và hệ số truyền nhiệt. Hệ thống chân không được lựa chọn dựa trên lưu lượng hơi cần hút, thường sử dụng bơm chân không vòng dầu hoặc ejector hơi. Áp suất chân không duy trì trong khoảng 0,1-0,3 bar, đủ để giảm nhiệt độ sôi xuống 60-70°C. Vật liệu chế tạo phải đáp ứng tiêu chuẩn ASME Section VIII.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của thiết bị cô đặc

Thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục là giải pháp hiệu quả cho sản xuất dung dịch đường mía năng suất 1100 kg/h, kết hợp giữa tiết kiệm năng lượng và chất lượng sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ này giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt, tăng hiệu suất cô đặc và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng. Thiết bị có khả năng mở rộng quy mô sản xuất, đồng thời dễ dàng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất hiện có. Trong tương lai, thiết bị có thể được nâng cấp với hệ thống điều khiển thông minh và tái sử dụng nhiệt thải.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

Thiết bị cô đặc chân không giúp giảm chi phí năng lượng lên tới 30% so với phương pháp cô đặc truyền thống nhờ vào việc sử dụng nhiệt độ sôi thấp. Hiệu suất cô đặc đạt 50-60%, cao hơn đáng kể so với các phương pháp khác. Tuổi thọ thiết bị ước tính từ 10-15 năm, với chi phí bảo trì thấp do vật liệu chống ăn mòn. Đánh giá vòng đời thiết bị cho thấy tỷ lệ hoàn vốn trong vòng 3-4 năm, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong ngành công nghiệp

Thiết bị cô đặc chân không không chỉ ứng dụng trong sản xuất đường mía mà còn trong chế biến sữa, nước trái cây, mật ong và các sản phẩm từ nông sản. Với khả năng cô đặc dung dịch có độ nhớt cao, thiết bị mở rộng ứng dụng trong sản xuất hóa chất và dược phẩm. Trong tương lai, tích hợp công nghệ IoT sẽ giúp tối ưu hóa quá trình vận hành, giám sát từ xa và dự báo bảo trì. Đây là xu hướng tất yếu trong ngành công nghiệp 4.0.

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.

- Đóng cặn bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca2+ 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, CaCl2, 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.