LỜI MỞ ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ 3, môn học Đồ án kĩ thuật thực phẩm là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị. Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng. Đề án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất nhập liệu 1000 kg/h”. Với: + Năng suất nhập liệu 1000kg/h + Nồng độ nhập liệu: 15% khối lượng + Nồng độ sản phẩm: 25% khối lượng + Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,74 at + Sử dụng thiết bị cô đặc ống chùm, dạng tuần hoàn trung tâm.
+ Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30oC (tự chọn). Vì đồ án kĩ thuật thực phẩm là đề tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên đảm nhận nên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, chúng em rất mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy, Cô để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn. Chúng em chân thành cảm ơn.
Sơ lược về nguyên liệu và sản phẩm 1. Đặc điểm của nguyên liệu Thành phần hóa học của nước mía phụ thuộc giống mía, đất đai, khí hậu, mức độ chín, sâu bệnh,…[1] Bảng 1. Các thành phần của nước mía [1] Thành phần Hàm lượng (%) Chất rắn hòa tan 100 Phần đường 75 – 92 Saccarose 70 – 88 Glucose 2–4 Fructose 2–4 Các loại muối 3,0 – 7,5 Muối acid vô cơ 1,5 – 4,5 Muối acid hữu cơ 1,0 – 3,0 Acid hữu cơ tự do 0,5 – 2,5 Chất không đường hữu cơ khác Albumine 0,5 – 0,6 Tinh bột 0,001 – 0,050 Chất keo 0,3 – 0,60 Chất béo, sáp mía 0,05 – 0,15 2 Chất không đường chưa xác định 3,0 – 5,0 Lúc mía chín, phần đường cao, chất không đường thấp, do đó độ tinh khiết tương đối cao, đồng thời phần nước giảm, phần xơ cũng tăng lên. [1] Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm: Dung môi : nước [1] Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze.
Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc. Đặc điểm của sản phẩm (yêu cầu sản phẩm) Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm: Dung môi: nước Các chất hòa tan: có nồng độ cao hơn ban đầu. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm Sự chuyển hóa đường saccarose Nếu nước mía trong có tính acid và các chất không đường tạo acid thì trong quá trình bốc hơi, đường saccarose bị thủy phân thành hỗn hợp glucose và fructose làm tổn thất đường. Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ, thời gian lưu của nước mía trong thiết bị cô đặc, nồng đọ dung dịch đường.
Thông thường, khi nhiệt độ càng cao, trị số pH càng thấp, thời gian lưu càng dài thì tốc độ chuyển hóa càng nhanh, tổn thất đường càng nhiều. [1] Sự phân hủy saccarose và tăng cường độ màu Trong quá trình bốc hơi, độ màu của nước mía luôn tăng đậm. Nguyên nhân chủ yếu là do phản ứng khử tạo caramen của đường saccarose và sự phân hủy đường khử. Lượng caramen tạo thành phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ và thời gian lưu của nước mía và chỉ cần một lượng caramen rất nhỏ cũng làm cho nước mía có màu đậm.
Ngoài ra, đường khử kết hợp với acid amine tạo thành chất màu melanoidine làm tăng màu sắc của nước mía. [1] Biến đổi độ tinh khiết 3 Độ tinh khiết tăng là do các nguyên nhân sau: Chất không đường bị phân hủy. Do sự phân hủy amide tạo ra NH 3 và muối carbonate tạo ra CO2, các chất này theo hơi nước ra ngoài làm giảm chất phi đường, tăng độ tinh khiết. [1] Một phần chất không đường tạo kết tủa.
[1] Độ tinh khiết giảm: Trong quá trình bốc hơi, tổn thất đường saccarose do chuyển hóa làm độ tinh khiết giảm. Cô đặc và quá trình cô dặc 1. Khái niệm Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ. Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi.
[2] Mục đích cô đặc: Làm tăng nồng độ dung dịch loãng. [2] Các loại hơi: Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch. [2] Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc. [2] Hơi phụ: hơi thứ lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc.
Bản chất của quá trình cô đặc Quá trình bốc hơi: Quá trình bay hơi theo thuyết động học phân tử, các phân tử dung môi nằm gần mặt thoáng có chuyển động nhiệt quá tốc độ giới hạn sẽ thoát khỏi bề mặt và trở thành trạng thái hơi. 4 Khi bay hơi, các phân tử phải khắc phục liên kết các phân tử ở trạng thái lỏng (ẩn nhiệt hoá hơi trong rt) và áp suất bên ngoài (ẩn nhiệt hoá hơi ngoài rn ), tổng năng lượng nhiệt tiêu tốn đó gọi là ẩn nhiệt bay hơi r. Quá trình sôi: quá trình bay hơi xảy ra tại mặt thoáng, trong lòng chất lỏng. Chất lỏng sôi khi áp suất hơi > áp suất mặt thoáng.
Ứng dụng của sự cô đặc Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường ,mì chính,các dung dịch nước trái cây. Dùng trong sản xuất hóa chất NaOH, NaCl,CaCl2 các muối vô cơ. Các thiết bị cô đặc nhiệt 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 [3]. 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 – 3,5 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 [3]. 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…[3]. 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.
Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm. 5 Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ. Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt Phân bố hơi đều. Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo. Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất. Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.
Nguyên lí hoạt động của hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục 1. Bể chứa dung dịch 5. Thiết bị gia nhiệt 9. Nồi cô đặc 10.
Bồn cao vị 7. Bồn chứa dung dịch cô đặc 11. Nước ngưng 4. Thiết bị ngưng tụ baromet 12.
Sơ đồ nguyên lí hệ thống cô đặc 1 nồi Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) để ổn áp. Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế (4) đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ (5) và được đun nóng đến nhiệt độ sôi, rồi đưa vào nồi cô đặc (6). Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không Hơi thứ đưa qua bộ ngưng tụ baromet số (8) để tạo chân không cho nồi cô đặc. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn (7).
[2] 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. Các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. 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.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc dạng ống chùm tuần hoàn trung tâm 1. Ống truyền nhiệt 4. Ống tuần hoàn trung tâm 5. Bộ phận tách giọt Hình 2.
Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là buồng bốc 1 phần dưới của thiết bị là buồng đốt 2 có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, trong buồng đốt gồm có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đường kính lớn hơn từ 7 đến 10 lần ống truyền nhiệt, trong buồng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo. [2] Nguyên lý hoạt động: Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào buồng 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 riêng 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 8 truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại bề mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet.