Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc 2 Nồi Dung Dịch Đường Sucrose

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật thực phẩm tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính

• Đề tài: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc 2 Nồi Dung Dịch Đường Sucrose

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• NHIỆM VỤ NIÊN LUẬN KỸ THUẬT THỰC PHẨM
• DANH SÁCH BẢNG
• QUY ƯỚC KÝ HIỆU
• 1. PHẦN 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE
• 1.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
• 1.2.1. Giới thiệu chung về cô đặc
• 1.2.2. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm
• 2. PHẦN 2: THIẾT BỊ CHÍNH
• 2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
• 2.1.1. Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ)
• 2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi
• 2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi
• 2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
• 2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
• 2.2.2. Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ
• 2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch
• 2.2.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch
• 2.2.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi
• 2.2.6. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi
• 2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
• 2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp
• 2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi
• 2.4. KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT
• 2.4.1. Số ống truyền nhiệt
• 2.4.2. Ống tuần hoàn trung tâm
• 2.4.3. Đường kính trong buồng đốt
• 2.5. KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC
• 2.6. ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN
• 2.6.1. Đối với dung dịch và nước ngưng
• 2.7. TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH
• 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET
• 3.1. LƯỢNG NƯỚC LẠNH CẦN THIẾT ĐỂ NGƯNG TỤ
• 3.2. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN HÚT RA KHỎI BAROMET
• 3.3. KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
• 3.3.1. Đường kính trong
• 3.3.2. Kích thước tấm ngăn
• 3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ
• 3.3.4. Kích thước ống Baromet
• 3.4. CHIỀU DÀY THIẾT BỊ
• 3.5. HỆ THỐNG TAI ĐỠ
• 3.5.1. Khối lượng vật liệu
• 3.5.2. Khối lượng nước
• 3.5.3. Để nối các ống dẫn
• 3.5.4. Để nối các bộ phận của thiết bị
• 4. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC
• 4.1. HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 2 NỒI XUÔI CHIỀU
• 4.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc 2 Nồi Dung Dịch Sucrose

Việc tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose là một bài toán kỹ thuật cốt lõi trong ngành công nghệ thực phẩm và hóa chất. Mục tiêu chính của quá trình này là làm tăng nồng độ chất khô của dung dịch đường từ mức ban đầu lên nồng độ mong muốn bằng cách loại bỏ dung môi (nước) thông qua phương pháp đun sôi. Hệ thống cô đặc 2 nồi, một dạng của hệ thống cô đặc nhiều nồi, được ưa chuộng vì khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội. Cụ thể, hơi thứ bốc lên từ nồi thứ nhất, thay vì thải ra ngoài, sẽ được sử dụng làm hơi đốt cho nồi thứ hai. Nguyên lý này giúp giảm đáng kể lượng hơi đốt chính cần cung cấp, qua đó tối ưu hóa chi phí vận hành. Trong đồ án này, hệ thống được thiết kế để xử lý dung dịch sucrose, một loại đường disacarit nhạy cảm với nhiệt độ cao. Do đó, việc cô đặc thường được thực hiện dưới áp suất chân không để giảm nhiệt độ sôi dung dịch, tránh hiện tượng caramen hóa làm hỏng sản phẩm. Thiết bị được lựa chọn trong tính toán là loại thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm, giúp tăng cường đối lưu tự nhiên, cải thiện hệ số truyền nhiệt và hạn chế đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết các bước tính toán từ cân bằng vật chất, năng lượng đến thiết kế kích thước thiết bị chính và phụ, dựa trên các số liệu ban đầu cụ thể.

1.1. Nguyên lý hoạt động cô đặc 2 nồi và các phương pháp chính

Cốt lõi của nguyên lý hoạt động cô đặc 2 nồi là tận dụng năng lượng của hơi thứ. Hơi đốt (thường là hơi nước bão hòa) được cấp vào buồng đốt của nồi 1 để đun sôi dung dịch. Hơi nước bốc lên từ dung dịch trong nồi 1 (gọi là hơi thứ 1) có nhiệt độ và áp suất thấp hơn hơi đốt ban đầu. Hơi thứ 1 này được dẫn sang buồng đốt của nồi 2 và đóng vai trò là tác nhân gia nhiệt. Dung dịch từ nồi 1 sau khi cô đặc một phần được chuyển sang nồi 2 để tiếp tục quá trình. Hơi thứ bốc lên từ nồi 2 sẽ được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ barometric. Có hai phương pháp vận hành chính là cô đặc xuôi chiều và cô đặc ngược chiều. Trong phương pháp xuôi chiều, dung dịch và hơi đốt đi cùng chiều, từ nồi có áp suất cao đến nồi có áp suất thấp. Phương pháp này có ưu điểm là dung dịch tự chảy giữa các nồi mà không cần bơm. Ngược lại, phương pháp ngược chiều đòi hỏi phải bơm dung dịch từ nồi áp suất thấp sang nồi áp suất cao, nhưng lại cho hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn khi dung dịch có độ nhớt dung dịch sucrose cao ở nồng độ cuối.

1.2. Đặc tính dung dịch đường sucrose ảnh hưởng đến quá trình cô đặc

Đường sucrose (C12H22O11) có những đặc tính hóa lý quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến việc thiết kế hệ thống cô đặc. Thứ nhất, sucrose rất nhạy cảm với nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao, sucrose dễ bị phân hủy và caramen hóa, tạo ra màu sẫm và vị đắng, làm giảm chất lượng sản phẩm cuối. Điều này đòi hỏi quá trình cô đặc phải được thực hiện ở nhiệt độ thấp, tức là dưới áp suất chân không. Thứ hai, độ nhớt dung dịch sucrose tăng mạnh khi nồng độ tăng và nhiệt độ giảm. Độ nhớt cao làm giảm tốc độ tuần hoàn tự nhiên của dung dịch, cản trở quá trình truyền nhiệt và làm giảm hệ số truyền nhiệt. Do đó, việc lựa chọn loại thiết bị như thiết bị cô đặc tuần hoàn là cần thiết để đảm bảo sự đối lưu tốt. Cuối cùng, nhiệt độ sôi của dung dịch sucrose cao hơn nhiệt độ sôi của nước ở cùng một áp suất. Sự chênh lệch này, được gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ, cần được tính toán chính xác để xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích cho quá trình truyền nhiệt.

II. Thách Thức Chính Khi Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc

Quá trình tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật, đòi hỏi sự chính xác cao để đảm bảo hiệu quả vận hành và chất lượng sản phẩm. Thách thức lớn nhất là xác định và tối ưu hóa các thông số liên quan đến truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt (K) không phải là một hằng số mà thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại thiết bị, tốc độ dòng chảy, độ nhớt dung dịch sucrose, và mức độ đóng cặn trên bề mặt. Một vấn đề khác là việc tính toán chính xác các loại tổn thất nhiệt độ. Chúng bao gồm tổn thất do nồng độ chất tan làm tăng nhiệt độ sôi dung dịch (Δ’), tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch (Δ’’), và tổn thất do trở lực thủy lực trên đường ống (Δ’’’). Việc bỏ qua hoặc tính toán sai các tổn thất này sẽ dẫn đến việc xác định sai hiệu số nhiệt độ hữu ích, từ đó tính sai diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết. Ngoài ra, việc phân bố hợp lý hiệu số nhiệt độ (hay hiệu số áp suất) giữa hai nồi cũng là một bài toán cần giải quyết. Sự phân bố không đều có thể dẫn đến một nồi quá tải trong khi nồi kia hoạt động không hiệu quả. Cuối cùng, việc lựa chọn và thiết kế các thiết bị phụ như thiết bị ngưng tụ barometric và bơm chân không cũng phải được tính toán cẩn thận để tạo và duy trì độ chân không ổn định cho toàn hệ thống.

2.1. Phân tích các loại tổn thất nhiệt độ ảnh hưởng hiệu quả

Trong một hệ thống cô đặc, tổn thất nhiệt độ là sự chênh lệch giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch, làm giảm hiệu số nhiệt độ hữu ích cho quá trình truyền nhiệt. Có ba loại tổn thất chính. Thứ nhất là tổn thất do nồng độ (Δ’), xảy ra vì dung dịch chứa chất tan có nhiệt độ sôi cao hơn dung môi nguyên chất ở cùng áp suất. Thứ hai là tổn thất do áp suất thủy tĩnh (Δ’’). Ở đáy thiết bị, áp suất bằng tổng áp suất hơi trên mặt thoáng và áp suất cột chất lỏng, làm nhiệt độ sôi dung dịch ở đáy cao hơn trên bề mặt. Thứ ba là tổn thất do trở lực thủy lực (Δ’’’), phát sinh khi hơi thứ di chuyển qua các đường ống từ nồi này sang nồi kia hoặc đến thiết bị ngưng tụ. Theo tài liệu gốc, tổng tổn thất nhiệt độ chung cho hệ thống 2 nồi được tính toán là ΣΔ = 12,981°C, một con số đáng kể cần được xem xét cẩn thận trong quá trình thiết kế để đảm bảo diện tích truyền nhiệt là đủ.

2.2. Tác động của áp suất hơi thứ và độ nhớt đến thiết kế

Áp suất hơi thứ là một thông số vận hành then chốt, quyết định nhiệt độ sôi trong các nồi tiếp theo và hiệu quả sử dụng năng lượng. Áp suất hơi thứ của nồi 1 (Phđ2) sẽ là áp suất hơi đốt cho nồi 2, và áp suất hơi thứ của nồi 2 (Png) sẽ quyết định độ chân không cần thiết trong hệ thống. Việc kiểm soát chính xác áp suất này giúp duy trì nhiệt độ cô đặc trong khoảng an toàn cho dung dịch sucrose. Bên cạnh đó, độ nhớt dung dịch sucrose là một thách thức lớn. Khi nồng độ tăng từ 15% lên 65%, độ nhớt tăng lên đáng kể. Độ nhớt cao làm giảm hệ số đối lưu nhiệt, cản trở sự bốc hơi và làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng thể. Điều này giải thích tại sao các thiết bị như thiết bị cô đặc tuần hoàn hay thiết bị cô đặc màng rơi thường được ưu tiên cho các dung dịch có độ nhớt cao, nhằm tạo ra sự xáo trộn cưỡng bức hoặc tạo lớp màng mỏng để tăng cường truyền nhiệt.

III. Phương Pháp Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng Hệ Cô Đặc 2 Nồi

Nền tảng của mọi tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi là việc thiết lập chính xác các phương trình cân bằng. Quá trình này được chia thành hai phần chính: cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Việc thực hiện cân bằng vật chất hệ cô đặc giúp xác định tổng lượng hơi thứ cần bốc hơi, lượng sản phẩm cuối cùng thu được, và nồng độ dung dịch sau mỗi nồi. Dựa trên dữ liệu đầu vào (năng suất 1000 kg/h, nồng độ đầu 15%, nồng độ cuối 65%), tài liệu tính toán được tổng lượng hơi thứ là W = 769,2 kg/h. Sau đó, lượng hơi thứ này được giả sử phân bố đều cho hai nồi (W1 = W2 = 384,6 kg/h) để tính toán sơ bộ nồng độ trung gian. Tiếp theo, cân bằng năng lượng hệ cô đặc được thiết lập cho từng nồi. Phương trình này xem xét nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, nhiệt lượng do dung dịch mang vào, nhiệt lượng dung dịch mang ra, và nhiệt lượng do hơi thứ mang đi. Giải hệ phương trình cân bằng năng lượng cho cả hai nồi cho phép xác định chính xác lượng hơi đốt chính (D) cần dùng và lượng hơi thứ thực tế (W1, W2) ở mỗi nồi. Kết quả tính toán thực tế sau đó được so sánh với giả thiết ban đầu, nếu sai số nhỏ hơn 5% thì giả thiết được chấp nhận. Quá trình này đảm bảo tính nhất quán và chính xác cho toàn bộ thiết kế.

3.1. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất hệ cô đặc chi tiết

Phương trình cân bằng vật chất hệ cô đặc là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Đầu tiên, ta có phương trình cân bằng tổng quát: G = P + W, trong đó G là lưu lượng nhập liệu, P là lưu lượng sản phẩm, và W là tổng lượng hơi thứ. Tiếp theo là phương trình cân bằng chất khô: G.xđ = P.xc, với xđ và xc là nồng độ đầu và cuối. Từ hai phương trình này, ta tính được P = 230,8 kg/h và W = 769,2 kg/h. Sau khi giả sử phân bố hơi thứ W1 = W2, ta thực hiện cân bằng vật chất cho riêng nồi 1: G = P1 + W1, và G.xđ = P1.x1. Từ đó, xác định được lưu lượng ra khỏi nồi 1 (P1 = 615,4 kg/h) và nồng độ trung gian (x1 = 24,37%). Các giá trị này là dữ liệu đầu vào quan trọng cho các bước tính toán cân bằng năng lượng và truyền nhiệt trong thiết bị cô đặc tiếp theo.

3.2. Xây dựng phương trình cân bằng năng lượng và hiệu quả hơi

Phương trình cân bằng năng lượng hệ cô đặc được viết riêng cho từng nồi dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Đối với nồi 1, nhiệt lượng vào bao gồm nhiệt do hơi đốt D và nhiệt do dòng nhập liệu G mang tới. Nhiệt lượng ra bao gồm nhiệt do dòng ra P1, nhiệt do hơi thứ W1 và nhiệt do nước ngưng mang đi. Tương tự cho nồi 2, nhiệt lượng vào là từ hơi thứ W1 (đóng vai trò hơi đốt) và dòng P1. Nhiệt lượng ra là từ sản phẩm P, hơi thứ W2 và nước ngưng. Các phương trình này có dạng: D(iđ – Cn1θ1) = P1C1Ts1 – GCđTđ + W1i1 cho nồi 1. Giải hệ phương trình năng lượng này cùng với phương trình W1 + W2 = W, ta thu được lượng hơi đốt thực tế D = 601,9 kg/h. Từ đó, hiệu quả sử dụng hơi, được định nghĩa là tỉ số giữa tổng lượng hơi thứ và lượng hơi đốt (W/D), có thể được tính toán để đánh giá mức độ tiết kiệm năng lượng của hệ thống.

IV. Hướng Dẫn Tính Bề Mặt Truyền Nhiệt và Kích Thước Thiết Bị

Sau khi xác định được các dòng năng lượng, bước tiếp theo trong tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi là xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết cho mỗi nồi. Đây là thông số quyết định kích thước và chi phí của thiết bị. Diện tích bề mặt truyền nhiệt (F) được tính theo công thức cơ bản: F = Q / (K * Δthi), trong đó Q là lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp, K là hệ số truyền nhiệt tổng thể, và Δthi là hiệu số nhiệt độ hữu ích. Việc tính toán K là phức tạp nhất, vì nó phụ thuộc vào hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (α1) và hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi (α2). Cả α1 và α2 đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất, và các đặc tính vật lý của lưu chất. Theo tài liệu, hệ số truyền nhiệt cho nồi 1 và nồi 2 lần lượt là K1 = 766,18 W/m².độ và K2 = 585,56 W/m².độ. Từ đó, diện tích bề mặt truyền nhiệt cho mỗi nồi được tính toán là F = 27,354 m². Dựa trên diện tích này, các kích thước hình học của thiết bị như số ống truyền nhiệt, đường kính buồng đốt và chiều cao buồng bốc sẽ được xác định để hoàn thiện bản vẽ hệ thống cô đặc.

4.1. Phương pháp xác định hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi

Việc xác định hệ số truyền nhiệt K là một quá trình tính toán lặp. Giá trị K được tính từ tổng nhiệt trở: 1/K = 1/α1 + δ/λ + 1/α2 + r, trong đó α1 là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, α2 là hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, δ/λ là nhiệt trở của thành ống, và r là nhiệt trở do cặn bẩn. Giá trị α1 được tính dựa trên lý thuyết ngưng tụ màng, phụ thuộc vào chiều cao ống và nhiệt độ. Giá trị α2, phức tạp hơn, phụ thuộc vào cường độ sôi của dung dịch, độ nhớt dung dịch sucrose, và khối lượng riêng. Quá trình tính toán thường bắt đầu bằng việc giả sử một phân bố hiệu số nhiệt độ, từ đó tính lặp các giá trị α1, α2 và K cho đến khi kết quả hội tụ. Đây là bước tính toán quan trọng trong mọi đồ án quá trình thiết bị liên quan đến truyền nhiệt.

4.2. Quy trình tính toán kích thước buồng đốt và buồng bốc

Từ diện tích bề mặt truyền nhiệt F đã tính, kích thước của các bộ phận chính được xác định. Đối với buồng đốt, trước hết cần chọn đường kính và chiều dài tiêu chuẩn của ống truyền nhiệt. Sau đó, số ống truyền nhiệt (n) được tính bằng công thức n = F / (π.d.l). Đường kính buồng đốt được xác định dựa trên số ống và cách bố trí chúng (thường là hình lục giác đều) để đảm bảo không gian cho ống tuần hoàn trung tâm. Đối với buồng bốc, kích thước được tính toán để đảm bảo không gian hơi đủ lớn, tránh hiện tượng lôi cuốn các giọt lỏng theo hơi thứ. Đường kính và chiều cao buồng bốc phụ thuộc vào cường độ bốc hơi cho phép (Utt) và khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất làm việc. Việc tính toán chính xác các kích thước này đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả.

V. Sơ Đồ Công Nghệ Cô Đặc 2 Nồi và Các Thiết Bị Phụ Trợ Chính

Một tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi hoàn chỉnh không chỉ bao gồm thiết bị chính mà còn phải có các thiết bị phụ trợ hoạt động đồng bộ. Sơ đồ công nghệ cô đặc 2 nồi mô tả toàn bộ dòng chảy vật chất và năng lượng trong hệ thống. Theo sơ đồ công nghệ cô đặc 2 nồi xuôi chiều, dung dịch đường loãng được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi 1. Tại đây, dung dịch được cô đặc một phần và sau đó tự chảy sang nồi 2 do chênh lệch áp suất. Sản phẩm cuối cùng được tháo ra từ đáy nồi 2. Hơi đốt chính cấp cho nồi 1, hơi thứ từ nồi 1 cấp cho nồi 2. Hơi thứ từ nồi 2 được dẫn đến thiết bị ngưng tụ barometric. Tại đây, hơi nước được ngưng tụ bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh. Hỗn hợp nước ngưng và nước làm mát chảy xuống bể chứa thông qua ống baromet. Khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài để duy trì áp suất chân không ổn định trong toàn hệ thống. Việc lựa chọn và tính toán chính xác các thiết bị phụ này là yếu tố quyết định đến sự ổn định và hiệu quả của cả quá trình cô đặc.

5.1. Thuyết minh sơ đồ công nghệ cô đặc 2 nồi xuôi chiều

Trong sơ đồ công nghệ cô đặc 2 nồi xuôi chiều, dòng dung dịch và dòng hơi đi song song từ nồi 1 sang nồi 2. Nồi 1 hoạt động ở áp suất và nhiệt độ cao hơn nồi 2. Dung dịch đầu vào (15%) được bơm qua thiết bị gia nhiệt rồi vào nồi 1. Hơi đốt từ lò hơi cung cấp nhiệt cho nồi 1. Dung dịch sau khi đạt nồng độ trung gian (24,37%) tự động chảy sang nồi 2. Hơi thứ từ nồi 1 được dùng làm hơi đốt cho nồi 2. Dung dịch trong nồi 2 tiếp tục được cô đặc đến nồng độ cuối cùng (65%) rồi được bơm ra ngoài. Hơi thứ từ nồi 2 được đưa đến thiết bị ngưng tụ. Sơ đồ này có ưu điểm vận hành đơn giản, không cần bơm trung gian. Tuy nhiên, nó có thể không hiệu quả bằng phương pháp ngược chiều khi cô đặc các dung dịch có độ nhớt cao ở nồng độ cuối, vì ở nồi cuối cùng, nhiệt độ thấp làm tăng mạnh độ nhớt, giảm hệ số truyền nhiệt.

5.2. Vai trò và tính toán thiết bị ngưng tụ Barometric

Thiết bị ngưng tụ barometric (ngưng tụ kiểu trộn) đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống. Chức năng chính của nó là ngưng tụ toàn bộ lượng hơi thứ từ nồi cuối cùng (nồi 2) để tạo và duy trì độ chân không. Nguyên lý hoạt động là cho hơi thứ tiếp xúc trực tiếp với các tia nước lạnh được phun từ trên xuống qua các tấm ngăn. Hơi truyền nhiệt cho nước, ngưng tụ thành lỏng và chảy cùng nước làm mát xuống ống baromet. Chiều cao của ống baromet phải đủ lớn (thường > 10,33m) để cột nước trong ống có thể cân bằng với áp suất khí quyển, ngăn không cho nước bị hút ngược vào thiết bị. Việc tính toán thiết bị này bao gồm xác định lượng nước lạnh cần thiết, đường kính và chiều cao của tháp ngưng tụ, đảm bảo ngưng tụ hoàn toàn hơi thứ và tách khí không ngưng hiệu quả trước khi chúng đi vào bơm chân không.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 2 NỒI DUNG DỊCH ĐƯỜNG SUCROSE Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGs.Ts Nguyễn Văn Mười 1. Phan Trí Nguyên B1800339 2. Trần Thị Huyền Trân B1800403 LỚP: NN1808A3 2020 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười LỜI NÓI ĐẦU Niên luận kỹ thuật thực phẩm là học phần giúp sinh viên biết vận dụng kiến thức cơ sở về các quá trình thiết bị trong công nghệ thực phẩm, tự tính toán và thiết kế thiết bị hay một phần của quá trình chế biến thực phẩm ở quy mô công nghiệp.

Được bộ môn công nghệ thực phẩm tạo điều kiện và sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Mười em đã thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm với đề tài: “Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose”. Trong quá trình thực hiện chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô cũng như các bạn trong ngành Công nghệ thực phẩm để bản thân rút ra kinh nghiệm và thành công hơn trong những đề tài tiếp theo. Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc và chân thành đến thầy Nguyễn Văn Mười. Dù rất bận rộn với công việc giảng dạy và nghiên cứu nhưng thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bài Niên luận Kỹ thuật thực phẩm một cách tốt nhất.

Bên cạnh đó, các bạn học cùng lớp cũng đã giúp đỡ rất nhiều, xin cám ơn các bạn. Xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực hiện Phan Trí Nguyên Trần Thị Huyền Trân SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang i Trần Thị Huyền Trân B1800403 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười KHOA NÔNG NGHIỆP Bộ môn Công nghệ thực phẩm ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM (NN164) Họ tên sinh viên: 1. Phan Trí Nguyên B1800339 2.

Trần Thị Huyền Trân B1800403 Lớp: Công nghệ thực phẩm khóa 44 Thời gian thực hiện: từ 22/10/2020 đến 20/12/2020 TÊN NHIỆN VỤ: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose Số liệu ban đầu: - Năng suất nhập liệu: 1 tấn - Nồng độ đầu: 15% sucrose - Nồng độ cuối: 65% sucrose - Nhiệt độ nhập liệu ở nhiệt độ sôi - Loại thiết bị tự chọn KẾT QUẢ THU NHẬN: - Bản thuyết minh số liệu tính toán thiết bị chính, thiết bị phụ và tính cơ khí một số chi tiết - Bản vẽ thiết bị chính khổ A1 - File tổng hợp - Cán bộ hướng dẫn PGs. Nguyễn Văn Mười SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang ii Trần Thị Huyền Trân B1800403 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………………………………. i NHIỆM VỤ NIÊN LUẬN KỸ THUẬT THỰC PHẨM ……………………………….

ii MỤC LỤC ………………………………………………………………………………. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC. Giới thiệu chung về cô đặc.

Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm. THIẾT BỊ CHÍNH. CÂN BẰNG VẬT LIỆU. Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ).

Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi. Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi. Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ.

Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi.

TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp. Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi. KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT.

Số ống truyền nhiệt. Ống tuần hoàn trung tâm. Đường kính trong buồng đốt. KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC.

ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN. Đối với dung dịch và nước ngưng. TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET.

LƯỢNG NƯỚC LẠNH CẦN THIẾT ĐỂ NGƯNG TỤ. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN HÚT RA KHỎI BAROMET. KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ.1 Đường kính trong.2 Kích thước tấm ngăn.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ.32 SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang iii Trần Thị Huyền Trân B1800403 DO.SUCROSE Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Kích thước ống Baromet.

CHIẾU DÀY THIẾT BỊ. HỆ THỐNG TAI ĐỠ. Khối lượng vật liệu. Khối lượng nước.

Để nối các ống dẫn. Để nối các bộ phận của thiết bị. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC. HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 2 NỒI XUÔI CHIỀU.

THUYẾT MINH QUY TRÌNH.55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.57 SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang iv DO.SUCROSE Trần Thị Huyền Trân B1800403 DO.SUCROSE Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao.

Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc. Nhiệt dung riêng của dung dịch đường sucrose. Các thông số về năng lượng.15 Bảng 7 Lượng nhiệt do hơi cung cấp.

Nhiệt tải riêng q1 phía hơi ngưng. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi. Hiệu số nhiệt độ hữu ích.

Bề mặt truyền nhiệt. Kích thước buồng bốc. Kích thước các ống dẫn. Bảng tóm tắt thiết bị chính.

Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet. Tổng hợp chiều dày buồng đốt, buồng bốc. Thể tích thép. Thể tích đáy và nắp thiết bị.

Thể tích nước. Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng. Mối ghép bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn. Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp.54 SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang v DO.SUCROSE Trần Thị Huyền Trân B1800403 DO.SUCROSE Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs.

Nguyễn Văn Mười QUY ƯỚC KÝ HIỆU Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau: - [AI – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [AII – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [B – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, T. Với: x: số trang Số chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ trang web được ghi trong dấu ( ).

SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang vi DO.SUCROSE Trần Thị Huyền Trân B1800403 DO.SUCROSE Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười PHẦN 1: GIỚI THIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE Surose là thành phần quan trọng nhất của mía, là sản phẩm của công nghiệp sản xuất đường, là một disacarit có công thức C 12H22O11. Trọng lượng phân tử của sucrose là 342,30.

Sucrose được cấu tạo từ hai đường đơn là α, D-glucose và β, D- fructose. Công thức cấu tạo của sacaroza Tinh thể đường sucrose trong suốt, không màu, nhiệt độ nóng chảy là 186 – 188 C. Nếu ta đưa từ từ đến nhiệt độ nóng chảy, đường biến thành 1 dạng sệt trong o suốt. Nếu kéo dài thời gian đun hoặc đun ở nhiệt độ cao, đường sẽ mất nước rồi phân huỷ và biến thành caramen.

Đường dễ hoà tan trong nước, không tan trong dầu hoả, cloroform, benzen, ancol…Độ nhớt của dung dịch đường tăng theo chiều tăng nồng độ và giảm theo chiều tăng nhiệt độ. Do dung dịch đường sucrose không chịu được nhiệt độ cao (chất tan dễ bị biến tính) nên đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp hay thường gọi là áp suất chân không. Như vậy, sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều để cô đặc dung dịch đường sucrose. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 1.

Giới thiệu chung về cô đặc Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên. SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang vii DO.SUCROSE Trần Thị Huyền Trân B1800403 DO.SUCROSE Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị. Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa,… Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ.

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp suất dư) thì dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi. Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt).

Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau. Phân loại Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo có 6 loại được chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên. + Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài. + Loại 2: Có buồng đốt ngoài.

- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài. SVTH: Phan Trí Nguyên B1800339 Trang viii DO.SUCROSE Trần Thị Huyền Trân B1800403 DO.SUCROSE Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: PGs. Nguyễn Văn Mười + Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài. - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng.

+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. + Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 1.