Thiết Kế Thiết Bị Cô Đặc Nước Mía Năng Suất 1200 kg/h

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Cô Đặc Nước Mía Năng Suất 1200 Kg/H
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường
• 1.2. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường
• 1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu
• 1.2.2. Đặc điểm sản phẩm
• 1.3. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
• 1.3.1. Biến đổi tính chất vật lý
• 1.3.2. Biến đổi tính chất hóa học
• 1.3.3. Biến đổi sinh học
• 1.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
• 1.5. Cô đặc và quá trình cô đặc
• 1.5.1. Định nghĩa
• 1.5.2. Các phương pháp cô đặc
• 1.5.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
• 1.5.4. Ứng dụng của sự cô đặc
• 1.5.5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc
• 1.6. Các thiết bị cô đặc nhiệt
• 1.6.1. Phân loại và ứng dụng
• 1.6.2. Hệ thống cô đặc chân không liên tục
• 1.6.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc
• 1.6.4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
• 2. CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
• 2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục
• 2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
• 3. CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
• 3.1. Dữ kiện ban đầu
• 3.2. Cân bằng vật chất
• 3.3. Cân bằng năng lượng
• 3.4. Các tổn thất nhiệt độ
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
• 4.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (QI)
• 4.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (Q2)
• 4.3. Nhiệt tải riêng phía tưởng (Qy)
• 4.4. Tiến trình tính nhiệt tải riêng
• 4.5. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
• 4.6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
• 5.1. Tính bu lông đốt
• 5.2. Thể tích dung dịch đa trong thiết bị
• 5.3. Thể tích dung dịch cuối
• 5.4. Tính chọn đường kính bu lông đốt
• 5.5. Tính kích thước đáy nón của bu lông đốt
• 5.6. Đường kính bu lông đốt
• 5.7. Chi tiết cao bu lông đốt
• 5.8. Tính kích thước nắp elip có gờ cho bu lông bốc
• 5.9. Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu
• 5.10. Ống nhập liệu
• 5.11. Ống dẫn hơi thứ
• 5.12. Ống xả khí không ngưng
• 5.13. Tổng kết về đường kính ống
• 6. CHƯƠNG 6: TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ
• 6.1. Sơ lược cấu tạo
• 6.2. Tính bền cho các chi tiết
• 6.3. Chọn mặt bích
• 6.4. Tính vít
• 6.5. Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ
• 6.6. Thể tích các bộ phận thiết bị
• 6.7. Khối lượng các bộ phận thiết bị
• 6.8. Tổng khối lượng
• 7. CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
• 7.1. Tính thiết bị ngưng tụ baromet
• 7.2. Thể tích không khí và khí không ngưng
• 7.3. Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet
• 7.4. Tính toán và chọn bơm
• 7.5. Chọn bơm chân không
• LỜI KẾT LUẬN

I. Tổng quan thiết kế thiết bị cô đặc nước mía 1200 kg h

Việc thiết kế thiết bị cô đặc nước mía năng suất 1200 kg/h là một bài toán kỹ thuật trọng yếu trong ngành công nghiệp chế biến đường. Mục tiêu chính là loại bỏ một phần dung môi (nước) khỏi dung dịch nước mía ban đầu để tăng độ Brix nước mía, tạo ra sản phẩm đậm đặc hơn. Quá trình này không chỉ giúp giảm chi phí vận chuyển, bảo quản mà còn là giai đoạn tiền đề cho các quy trình sản xuất khác như kết tinh đường hay sản xuất mật. Một hệ thống cô đặc nước mía hiệu quả phải đảm bảo được các yếu tố: hiệu suất truyền nhiệt cao, tiết kiệm năng lượng, vận hành ổn định và quan trọng nhất là bảo toàn chất lượng sản phẩm. Các thiết bị hiện đại thường ưu tiên sử dụng công nghệ chân không để hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch, tránh các biến đổi hóa học không mong muốn như caramen hóa đường. Thiết kế này đòi hỏi sự tính toán chính xác về cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, lựa chọn vật liệu và kết cấu cơ khí. Dựa trên các tài liệu nghiên cứu, một hệ thống điển hình bao gồm thiết bị chính như buồng đốt, buồng bốc, ống tuần hoàn và các thiết bị phụ trợ như bơm chân không, thiết bị ngưng tụ. Mỗi bộ phận đều được tính toán để hoạt động đồng bộ, đáp ứng năng suất đầu ra 1200 kg/h sản phẩm cuối cùng. Việc tư vấn thiết kế hệ thống cô đặc chuyên nghiệp sẽ xem xét các yếu tố từ nồng độ đầu vào, áp suất hơi đốt đến các tổn thất nhiệt độ để tối ưu hóa toàn bộ dây chuyền.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống cô đặc nước mía công nghiệp

Trong chuỗi giá trị của ngành mía đường, hệ thống cô đặc nước mía đóng vai trò là một mắt xích không thể thiếu. Chức năng chính của hệ thống là làm bay hơi nước, từ đó nâng cao nồng độ chất khô hòa tan (chủ yếu là đường saccarozo) trong dung dịch. Tầm quan trọng của quá trình này thể hiện ở việc nó là bước chuẩn bị cốt lõi cho việc sản xuất đường phèn từ nước mía, cô đặc mật mía, hay cô đặc siro mía. Một sản phẩm cô đặc đạt chuẩn giúp quá trình kết tinh diễn ra nhanh hơn, hiệu quả hơn và thu được sản phẩm cuối cùng có độ tinh khiết cao. Hơn nữa, việc giảm hàm lượng nước giúp ức chế hoạt động của vi sinh vật, kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm. Về mặt kinh tế, một dây chuyền sản xuất mật mía hiệu quả giúp giảm đáng kể thể tích sản phẩm, từ đó tiết kiệm chi phí lưu kho và vận chuyển, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật trong thiết kế máy cô đặc chân không

Mục tiêu hàng đầu của việc thiết kế máy cô đặc chân không là đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc vận hành ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển cho phép dung dịch sôi ở nhiệt độ dưới 100°C. Điều này cực kỳ quan trọng để ngăn chặn phản ứng caramen hóa và phân hủy đường khử, giúp giữ được màu sắc tự nhiên và hương vị đặc trưng của nước mía. Mục tiêu thứ hai là tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt. Thiết kế phải đảm bảo hệ số truyền nhiệt (K) cao nhất có thể, thông qua việc lựa chọn cấu trúc bề mặt truyền nhiệt hợp lý và tạo ra dòng chảy tuần hoàn hiệu quả trong thiết bị. Mục tiêu thứ ba là tiết kiệm năng lượng, thường được thực hiện bằng cách tận dụng hơi thứ cho các công đoạn khác hoặc sử dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi. Cuối cùng, thiết bị phải được thiết kế để dễ dàng vận hành, vệ sinh và bảo trì, đảm bảo an toàn lao động và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn thực phẩm, đặc biệt là việc lựa chọn vật liệu Inox 304/316.

II. Thách thức kỹ thuật giải pháp cô đặc chân không ưu việt

Quá trình cô đặc nước mía truyền thống bằng phương pháp đun sôi ở áp suất thường tiềm ẩn nhiều thách thức. Nhiệt độ sôi cao (trên 100°C) dễ gây ra các biến đổi hóa học không mong muốn. Đường saccarozo có thể bị caramen hóa, làm sẫm màu sản phẩm và tạo ra vị đắng. Các hợp chất khác trong nước mía cũng có thể bị phân hủy, ảnh hưởng đến hương vị cuối cùng. Một thách thức khác là hiện tượng đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt do các muối ít tan kết tủa ở nồng độ cao, làm giảm đáng kể hiệu suất truyền nhiệt và buộc phải dừng máy để vệ sinh thường xuyên. Để giải quyết các vấn đề này, giải pháp cô đặc chân không được xem là phương pháp tối ưu. Bằng cách tạo ra môi trường chân không trong buồng bốc, nhiệt độ sôi của dung dịch được hạ xuống đáng kể, có thể chỉ còn 60-70°C. Điều này giúp bảo toàn gần như nguyên vẹn các đặc tính cảm quan của sản phẩm. Hơn nữa, nguyên lý cô đặc chân không với dòng tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức giúp dung dịch chuyển động liên tục, giảm thiểu sự bám cặn và duy trì hiệu suất truyền nhiệt ổn định trong thời gian dài. Đây là công nghệ cốt lõi trong việc chế tạo máy cô đặc công nghiệp hiện đại, đảm bảo cả về chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế.

2.1. Phân tích biến đổi hóa lý của nước mía khi gia nhiệt

Khi gia nhiệt nước mía, hàng loạt biến đổi vật lý và hóa học xảy ra. Về vật lý, khi nồng độ dung dịch tăng, các chỉ số như khối lượng riêng và độ nhớt đều tăng lên. Ngược lại, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt giảm. Những thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt và cần được tính toán trong bản vẽ thiết kế máy cô đặc. Về hóa học, các biến đổi phức tạp hơn. Nhiệt độ cao thúc đẩy phản ứng caramen hóa, phân hủy đường khử, và phản ứng Maillard giữa đường và các amino acid, dẫn đến việc sản phẩm cuối cùng có màu sẫm hơn. Ngoài ra, một số muối canxi có độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng, gây ra hiện tượng đóng cặn. Việc hiểu rõ các biến đổi này là cơ sở để lựa chọn phương pháp và thiết bị cô đặc phù hợp, trong đó thiết bị bay hơi nước mía hoạt động ở nhiệt độ thấp là lựa chọn ưu tiên.

2.2. Nguyên lý cô đặc chân không và hiệu quả bảo toàn chất lượng

Nguyên lý cô đặc chân không dựa trên mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của chất lỏng. Khi áp suất trên bề mặt chất lỏng giảm, nhiệt độ cần thiết để chất lỏng sôi cũng giảm theo. Trong một hệ thống cô đặc tuần hoàn, một bơm chân không sẽ liên tục hút không khí và khí không ngưng ra khỏi buồng bốc, duy trì một áp suất thấp ổn định. Theo tài liệu tính toán, với áp suất tuyệt đối trong buồng bốc là 0.2575 at, nhiệt độ sôi của dung dịch chỉ khoảng 65.2°C. Ở nhiệt độ này, các phản ứng hóa học gây biến đổi chất lượng sản phẩm gần như không xảy ra. Nhờ vậy, sản phẩm mật mía hay siro giữ được màu sáng tự nhiên, hương vị thơm ngon và các thành phần dinh dưỡng quý giá. Đây là ưu điểm vượt trội so với phương pháp cô đặc hở, vốn làm sản phẩm bị sẫm màu và có thể xuất hiện vị khét nhẹ.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống cô đặc nước mía 1200 kg h

Việc thiết kế thiết bị cô đặc nước mía năng suất 1200 kg/h đòi hỏi một quy trình tính toán khoa học và chi tiết, bắt đầu từ việc xác lập các thông số ban đầu. Dữ liệu đầu vào bao gồm nồng độ dung dịch ban đầu (ví dụ 15%), năng suất sản phẩm cuối cùng (1200 kg/h), và các điều kiện vận hành như áp suất hơi đốt (ví dụ 3at) và áp suất chân không. Từ đó, tiến hành cân bằng vật chất để xác định lượng nguyên liệu đầu vào và lượng hơi thứ cần bốc hơi. Tiếp theo là bước cân bằng năng lượng, một giai đoạn phức tạp nhằm tính toán tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình, bao gồm nhiệt đun nóng dung dịch, nhiệt hóa hơi và các tổn thất nhiệt ra môi trường. Kết quả của bước này sẽ quyết định lượng hơi đốt cần cung cấp. Sau khi có được các thông số nhiệt, bước tiếp theo là tính toán truyền nhiệt để xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết. Diện tích này là cơ sở để quyết định kích thước buồng đốt, số lượng và chiều dài ống truyền nhiệt. Toàn bộ quy trình này đảm bảo hệ thống cô đặc nước mía được thiết kế tối ưu, đáp ứng đúng năng suất yêu cầu với chi phí vận hành hợp lý nhất. Các bản vẽ thiết kế máy cô đặc chi tiết sẽ được hoàn thiện dựa trên các kết quả tính toán này.

3.1. Quy trình cân bằng vật chất và năng lượng của hệ thống

Cân bằng vật chất là bước đầu tiên và cơ bản nhất. Dựa trên định luật bảo toàn khối lượng chất khô, lượng dung dịch nhập liệu (Gđ) được tính toán từ năng suất sản phẩm (Gc = 1200 kg/h) và nồng độ đầu-cuối. Lượng hơi thứ bốc lên (W) chính là hiệu số giữa lượng nhập liệu và lượng sản phẩm. Tiếp theo, cân bằng năng lượng được thực hiện để xác định nhiệt lượng tiêu thụ (Qđ). Theo công thức từ tài liệu tham khảo, Qđ bao gồm nhiệt đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qa) và nhiệt làm bốc hơi dung môi (Qbh). Các tổn thất nhiệt ra môi trường thường được giả định chiếm một tỉ lệ nhỏ (ví dụ 4%) của tổng nhiệt lượng. Dựa vào tổng nhiệt lượng yêu cầu và ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, lượng hơi đốt cần cung cấp (D) được xác định. Bước này rất quan trọng để lựa chọn nồi hơi và tối ưu hóa chi phí tiết kiệm năng lượng.

3.2. Tính toán truyền nhiệt và diện tích bề mặt gia nhiệt tối ưu

Hiệu quả của thiết bị bay hơi nước mía phụ thuộc vào khả năng truyền nhiệt từ hơi đốt sang dung dịch. Quá trình tính toán bắt đầu bằng việc xác định chênh lệch nhiệt độ hữu ích (Δt), là hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi của dung dịch sau khi đã trừ đi các tổn thất (tổn thất do nồng độ, do áp suất thủy tĩnh). Tiếp theo, hệ số truyền nhiệt tổng thể (K) được tính toán. Đây là một thông số phức tạp, phụ thuộc vào hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, phía dung dịch sôi và nhiệt trở của vật liệu làm ống và lớp cặn (nếu có). Cuối cùng, diện tích bề mặt truyền nhiệt (F) được xác định bằng công thức F = Qđ / (K * Δt). Theo tính toán trong tài liệu gốc, với các điều kiện đã cho, diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết là khoảng 16 m². Việc chọn được diện tích tối ưu giúp thiết bị đạt năng suất mà không lãng phí vật liệu và năng lượng.

IV. Hướng dẫn cấu tạo vật liệu chế tạo máy cô đặc tối ưu

Một máy cô đặc công nghiệp cho nước mía thường có cấu tạo chính gồm hai phần: buồng đốt và buồng bốc. Buồng đốt là nơi chứa các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Hơi đốt sẽ đi vào không gian bên ngoài các ống, ngưng tụ và truyền nhiệt cho dung dịch nước mía chảy bên trong. Buồng bốc nằm phía trên, là không gian để hơi thứ tách ra khỏi dung dịch. Buồng bốc thường có đường kính lớn hơn buồng đốt để giảm tốc độ hơi, hạn chế việc hơi thứ cuốn theo giọt lỏng. Bên trong buồng bốc có lắp bộ phận tách giọt để thu hồi sản phẩm. Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm các thiết bị phụ trợ quan trọng. Thiết bị ngưng tụ Baromet dùng để ngưng tụ hơi thứ, và bơm chân không để duy trì áp suất thấp trong hệ thống. Việc gia công thiết bị cô đặc đòi hỏi độ chính xác cao, đặc biệt là các mối hàn phải đảm bảo kín và chịu được áp lực. Lựa chọn vật liệu là yếu tố then chốt, quyết định độ bền và tính an toàn vệ sinh của toàn bộ thiết bị. Các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm đều phải được làm từ vật liệu chống ăn mòn và an toàn cho thực phẩm.

4.1. Cấu tạo chi tiết buồng đốt và buồng bốc của thiết bị

Buồng đốt là trái tim của nồi cô đặc 2 vỏ. Nó thường có dạng hình trụ, bên trong bố trí một chùm ống truyền nhiệt thẳng đứng. Ở trung tâm là một ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn. Thiết kế này tạo ra sự chênh lệch khối lượng riêng giữa dung dịch trong ống truyền nhiệt (nhiều hơi, nhẹ hơn) và trong ống tuần hoàn (ít hơi, nặng hơn), từ đó tạo ra dòng tuần hoàn tự nhiên mạnh mẽ. Buồng bốc được thiết kế với thể tích đủ lớn để quá trình tách pha lỏng-hơi diễn ra hiệu quả. Chiều cao của buồng bốc được tính toán để không gian hơi không bị quá tải, tránh hiện tượng sủi bọt trào ra ngoài. Theo tài liệu thiết kế, với năng suất 1200 kg/h, đường kính buồng đốt có thể là 600 mm và buồng bốc là 1200 mm, đảm bảo vận tốc hơi thứ nằm trong giới hạn cho phép.

4.2. Lựa chọn vật liệu Inox 304 316 và tiêu chuẩn cơ khí

Vật liệu là yếu tố quyết định đến tuổi thọ và độ an toàn của thiết bị cô đặc dịch lỏng thực phẩm. Vật liệu Inox 304/316 là lựa chọn hàng đầu. Inox 304 (tương đương thép X18H10T trong tiêu chuẩn GOST được đề cập trong tài liệu gốc) có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường thực phẩm thông thường và chi phí hợp lý. Inox 316 có thêm Molypden, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn clorua, phù hợp cho các sản phẩm có tính axit hoặc muối cao hơn. Các tính toán cơ khí chi tiết như độ dày thân thiết bị, nắp, đáy, và vỉ ống đều phải tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt (ví dụ TCVN) để đảm bảo thiết bị chịu được áp suất làm việc (cả áp suất trong từ hơi đốt và áp suất ngoài do chân không) và có độ bền cao trong suốt quá trình vận hành.

V. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị cô đặc trong sản xuất

Thiết bị cô đặc nước mía năng suất 1200 kg/h có vai trò trung tâm trong nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp. Ứng dụng phổ biến nhất là trong các nhà máy đường, nơi nước mía sau khi được trích ly và làm sạch sẽ được cô đặc để chuẩn bị cho quá trình kết tinh đường. Sản phẩm nước mía cô đặc, hay còn gọi là siro, có nồng độ đường cao, giúp quá trình tạo mầm và nuôi tinh thể đường diễn ra hiệu quả, thu được sản lượng đường cao và chất lượng tốt. Ngoài ra, thiết bị cô đặc nước mía còn là thành phần không thể thiếu trong các cơ sở sản xuất đường phèn từ nước mía. Quá trình cô đặc giúp đạt được nồng độ bão hòa cần thiết để các tinh thể đường phèn lớn có thể hình thành. Một ứng dụng quan trọng khác là cô đặc mật mía. Mật mía sau cô đặc có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm (bánh kẹo), sản xuất cồn, hoặc làm thức ăn chăn nuôi. Việc kiểm soát chính xác quá trình cô đặc giúp tăng độ Brix nước mía đến mức mong muốn, tạo ra các sản phẩm đa dạng, đáp ứng nhu cầu thị trường.

5.1. Quy trình sản xuất đường phèn và cô đặc mật mía

Trong dây chuyền sản xuất mật mía và đường phèn, giai đoạn cô đặc quyết định chất lượng sản phẩm. Đối với mật mía, nước mía được cô đặc đến một nồng độ nhất định, giữ lại các chất màu và khoáng chất tự nhiên, tạo nên hương vị đặc trưng. Quá trình này yêu cầu quy trình vận hành máy cô đặc phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh cháy khét. Đối với đường phèn, dung dịch nước mía sau khi làm sạch được cô đặc đến trạng thái quá bão hòa. Sau đó, dung dịch này được để nguội chậm trong các thùng kết tinh, cho phép các tinh thể đường lớn, trong suốt hình thành. Chất lượng của quá trình cô đặc, đặc biệt là việc tránh tạo màu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ trong và màu sắc của viên đường phèn thành phẩm.

5.2. Cách tăng độ Brix nước mía và đảm bảo chất lượng sản phẩm

Tăng độ Brix nước mía là mục tiêu chính của quá trình cô đặc. Độ Brix là chỉ số đo lường nồng độ chất khô hòa tan trong dung dịch, và đối với nước mía, nó gần như tương đương với nồng độ đường. Bằng cách loại bỏ nước, độ Brix của dung dịch tăng lên. Việc sử dụng máy cô đặc chân không là phương pháp hiệu quả nhất để vừa tăng độ Brix, vừa đảm bảo chất lượng. Nhiệt độ cô đặc thấp giúp bảo toàn các vitamin và khoáng chất, giữ được hương thơm tự nhiên và màu sắc tươi sáng của nước mía. Sản phẩm siro mía thu được không chỉ có giá trị dinh dưỡng cao mà còn có giá trị cảm quan vượt trội, là nguyên liệu lý tưởng cho ngành công nghiệp đồ uống và thực phẩm cao cấp.