CHƯƠNG 1. Nhiệm vụ Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối (từ 10% đến 27%), năng suất nhập liệu 1500 kg/mẻ. - Nồng độ nhập liệu: 10% - Nồng độ sản phẩm: 27% - Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,7 at - Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa P = 3 at - Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.
- Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu 25oC 1. Tổng quan nguyên liệu 1. Nguyên liệu - NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion - Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày - Khối lượng riêng dd 10% là 1073 (kg/m3) (bảng 1. - Nguyên liệu đem đi cô đặc là dd NaCl 10% với dung môi là nước.
Các biến đổi trong quá trình cô đặc: Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi: Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt. Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. Yêu cầu chất lượng sản phẩm: Đạt nồng độ yêu cầu 2 Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
Cô đặc và quá trình cô đặc 1. Định nghĩa Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh. Cô đặc được tiến hành ở các nhiệt độ sôi và áp suất như: áp suất chân không, áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi.
Quá trình cô đặc có thể là gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là “hơi thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc thì gọi là “hơi phụ”. 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 thống chất 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 thống mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. Phân loại 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 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 bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5– 3 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 nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm: - Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khí 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 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 tăng năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao. Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác. Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc. 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 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. 4 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. Ứng dụng Công nghệ cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất hoá chất và thực phẩm.
Trong sản xuất hoá chất ứng dụng cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2, các muối vô cơ… Trong sản xuất thực phẩm người ta ứng dụng cô đặc để cô đặc dung dịch đường (syrup), đường dung dịch nước trái cây, dung dịch sữa, dung dịch cà phê,… Quá trình cô đặc có thể là công đoạn chế biến chính, tạo ra sản phẩm hoặc có thể là giai đoạn phụ, phục vụ cho các công đoạn chế biến tiếp theo. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn: 1. Ưu điểm - Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi. - Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản.
- Thao tác dễ dàng. - Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau. - Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp. Nhược điểm - Quá trình không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2. Thuyết minh quy trình công nghệ: 2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi.
- Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0,7 at. Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu có nồng độ 10% được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi. Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ.
Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không.
Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống.
Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo. Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống.
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 lượng hơi tạo ra ít hơn. Vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp 6 hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt. Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt.
Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch thiết bị. Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 27% thì ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ 2.
Bơm: Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: Bơm ly tâm và bơm chân không Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng. Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy. Bơm ly tâm được dùng để bơm nước muối từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đăc.
Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc. Thiết bị cô đặc: Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kín lớn hơn.