CHƯƠNG 1. Nhiệm vụ đề tài: Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán, thiết kế thiết bị cô đặc nước ép dưa hấu một nồi từ nồng độ 5% đến 68% với năng suất 240 l/h tính theo sản phẩm đầu ra. 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: Nguyên liệu: Dưa hấu là nguyên liệu được sử dụng cho sản phẩm nước ép dưa hấu, có tên khoa học là Citrullus lanatus, là một loại thực vật trong họ Bầu bí có nguồn gốc từ miền Nam châu Phi. Cây dưa hấu sinh trưởng tốt trên vùng đất cát ven biển và đất phù sa sông. Đồng bằng sông Cửu Long và duyên hải miền Trung là những khu vực trồng dưa hấu lớn nhất nước ta.
Quả dưa hấu là một loại trái cây có giá trị dinh dưỡng cao, hàm lượng chất béo và natri thấp, đồng thời là nguồn cung cấp năng lượng, vitamin và các khoáng chất cho cơ thể. Dưa hấu có chứa citrulline - một loại acid amin có tác dụng điều hòa huyết áp, đồng thời là nguồn cung cấp lycopene và chất chống oxy hóa dồi dào. Thành phần dinh dưỡng của dưa hấu Thành phần Hàm lượng (%) Nước 91,35 Carbohydrate: glucose, fructose, sucrose,. 7,5 Protein 0,6 Chất xơ 0,4 Lipide 0,15 Vitamin(A, C, B1, B3, B5, B6, B9,…) Chất khoáng(K, Mg, Ca, P, Zn,…) Sản phẩm: Những nguyên cứu gần đây đã phát hiện rất nhiều lợi ích từ dưa hấu nên chúng được đưa đi sản xuất nước ép dưa hấu nguyên chất tố cho sức khỏe con người như là: giảm đau nhức cơ bắp và mệt mỏi; hỗ trợ xương chắc khỏe; tăng cường canxi hàm 2 lượng cholesterol, calo và chất béo rất thấp phù hợp cho giảm cân; chất lycopene có trong dưa hấu còn giúp phòng ngừa nhiều loại ung thư, tim mạch, hen suyễn,…; phục hồi sinh lực cho phái mạnh; tăng cường năng lượng; hạt dưa hấu còn công dụng để chữa bệnh như là làm mát phổi, tan đờm, nhuận tràng, và có lợi cho hệ tiêu hóa.
Rễ và lá cây có thể sử dụng chữa bệnh tiêu chảy và kiết lỵ. Những biến đổi xảy ra trong quá trình cô đặc: Trong quá trình cô đặc thì tính chất cuả nguyên liệu luôn luôn thay đổi, thời gian cô đặc càng lâu làm cho nồng độ dung dịch tăng lên dẫn đến tính chất cũng có sự biến đổi theo. Khi nồng độ tăng lên làm cho hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm đi. Đồng thời các đại lượng như khối lượng riêng, độ nhớt, độ sôi, tổn thất nhiệt lại tăng lên.
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 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. 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.
4 + 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 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 5 đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. Cấu tạo của thiết bị cô đặc: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm: Cấu tạo: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là phòng bốc 1 phần dưới của thiết bị là phòng đốt 2 có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đường kính lớn hơn từ 7 - 10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo. Nguyên lý làm việc: Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đó dung dịch được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet.
Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị.