Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi nước ép dưa hấu năng suất 180 l h

Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus, một thành viên của họ bầu bí (Cucurbitaceae), có nguồn gốc từ các khu vực nhiệt đới của Châu Phi gần sa mạc Kalahari. Các nhà thực vật học gọi nó là pepo là một loại trái cây có vỏ dày và trung tâm nhiều thịt 1. Dưa hấu được trồng đại trà ở những nơi có thời kỳ ấm áp dài không có sương giá. Các cây phải được trồng với khoảng cách rộng rãi vì cây thân leo dài và có rãnh. Ngoại lệ là đối với các giống cây trồng lùn, nơi các cây có thể được trồng với khoảng cách chặt chẽ hơn. Cây trồng có thể được tạo ra trên đồng ruộng bằng cách gieo hạt hoặc sử dụng phương pháp cấy ghép trong thùng chứa 2.

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài “Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi nước épdưa hấu năng suất 180 lít/h” do nhóm 21 nghiên cứu và thực hiện.

Chúng em đã kiểm tra các dữ liệu theo quy định hiện hành.

Kết quả bài làm của đề tài “Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi nước ép dưahấu năng suất 180 lít/h” là trung thực và không sao chép từ bất kỳ bài tập của nhóm

Các tài liệu được sử dụng trong đồ án có nguồn gốc và xuất xứ rõ ràng

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy (cô) Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh, các thầy (cô) khoa Công Nghệ Thực Phẩm của trường đã tạo điều kiện cho hoàn thành đồ án này.

Trong thời gian học tập tại trường em đã tiếp thu rất nhiều kiến thức và bài báo cáo này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện dưới sự hướng dẫn của quý thầy (cô) Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Phan Thế Duy, người đã tận tình hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua để em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất Mặc khác do hạn chế về kinh nghiệm thực tế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót không mông muốn, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy (cô) để em có thêm kinh nghiệm giúp em hoàn thành tốt hơn những báo cáo sau này.

Xin chân thành cảm ơn!

NHÓM 21

1.1.3 Cấu tạo của quả dưa hấu 4

1.1.4 Giá trị dinh dưỡng của quả dưa hấu 4

1.1.5 Thu hoạch và bảo quản 5

1.2.Cô đặc và quá trình cô đặc 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Quá trình cô đặc 5

1.2.3 Phân loại thiết bị cô đặc 6

1.3.Thiết bị cô đặc dùng trong công nghệ thực phẩm [8] 7

1.3.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm 8

1.3.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo 9

1.3.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài (kiểu đứng, nằm ngang) 10

1.3.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức 11

1.3.5 Thiết bị cô đặc loại màng 12

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 14

2.1.Dữ kiện ban đầu 14

2.2.Lựa chọn quy trình công nghệ 14

2.3.Quy trình sản xuất nước ép dưa hấu cô đặc 15

2.3.1 Thuyết minh quy trình 16

2.3.2 Hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục 18

2.3.3 Nguyên lý làm việc hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục 19

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG 21

3.1.Thông số ban đầu 21

3.2.Cân bằng vật chất 21

3.2.1 Suất lượng nhập liệu Gđ, tháo liệu Gc 21

3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên 21

3.3.Tổn thất nhiệt độ 21

3.3.1 Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ 21

3.3.2 Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (∆’) 22

3.3.3 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ∆’’ 23

3.4.Cân bằng năng lượng 26

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 29

4.1.Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 29

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 29

4.1.2 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 33

4.1.3 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 33

4.2.Tính kích thước của thiết bị cô đặc 33

4.2.1 Tính kích thước buồng đốt 33

4.3.Tính kích thước buồng bốc 37

4.3.1 Đường kính buồng bốc (Db) 37

4.3.2 Chiều cao buồng bốc (Hb) 38

4.3.3 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc 40

5.1.Thiết bị truyền nhiệt 67

5.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 67

5.1.2 Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 68

5.1.3 Nhiệt tải riêng phía tường 69

5.1.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 70

5.2.Chọn thiết bị ngưng tụ 73

5.3.Thiết bị ngưng tụ baromet 73

5.3.1 Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ 73

5.3.2 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 74

5.3.3 Các đường kính chủ yếu của thiết bị ngưng tụ Baromet 75

5.4.Bồn cao vị: 81

5.5.1 Bơm chân không 83

5.5.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 84

5.5.3 Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 86

5.5.4 Bơm tháo liệu 89

KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAO KHẢO 93

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tóm tắt cân bằng vật chất 25

Bảng 3.2 Tóm tắt cân bằng năng lượng 28

Bảng 4.1 Số liệu đường kính các ống 42

Bảng 4.2 Số liệu của bích nối với buồng đốt - buồng bốc 58

Bảng 4.3 Số liệu nối của buồng đốt - đáy 58

Bảng 4.4 Số liệu của bích nối buồng bốc - nắp 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh về dưa hấu ruột đỏ 2

Hình 1.2 Hình ảnh dưa hấu ruột vàng 3

Hình 1.3 Hình ảnh dưa hấu không hạt 3

Hình 1.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 8

Hình 1.5 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo 9

Hình 1.6 Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài kiểu đứng 10

Hình 1.7 Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài nằm ngang 11

Hình 1.8 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức 11

Hình 1.9 Thiết bị cô đặc loại màng 12

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình sản xuất nước ép dưa hấu cô đặc 16

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục 18

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm, Đồ án kỹ thuật thực phẩm là một cơ hội tốt để sinh viên có thể tiếp cận với việc tính toán, thiết kế và chọn lựa các chi tiết của một thiết bị theo các thông số cụ thể Qua đó sinh viên có thể tích lũy được những kiến thức cần thiết như: khả năng đọc, tra cứu tài liệu và kĩ năng tính toán, trình bày theo phong cách khoa học Những kĩ năng này rất có ích cho sinh viên sau này khi ra trường đi làm việc.

Trong đồ án này, nhiệm vụ của nhóm em là tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc nước ép dưa hấu, năng suất 180 lít/h từ nồng độ 4% lên 65% Việc cô đặc nước ép dưa hấu ở nồng độ cao cũng cần tiêu hao năng lượng nhiều (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch) Để cô đặc nước ép dưa hấu nồng độ cao hạn chế sự hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt gây ra khó khăn cho các quá trình khác Với mục tiêu đó, đồ án này nhóm em thực hiện “thiết kế hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn” Thiết bị cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi của chất tan.

“Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 1 nồi nước ép dưa hấu năng suất 180l/h” được

thực hiện bởi chúng em dưới sự hướng dẫn của thầy TS Phan Thế Duy là giảng viên bộ môn Kỹ thuật thực phẩm trường Đại học Công nghiệp thực phẩm Tp HCM.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về dưa hấu

1.1.1 Nguồn gốc

Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus, một thành viên của họ bầu bí (Cucurbitaceae), có nguồn gốc từ các khu vực nhiệt đới của Châu Phi gần sa mạc Kalahari Các nhà thực vật học gọi nó là "pepo" là một loại trái cây có vỏ dày và trung tâm nhiều thịt [ CITATION Dan19 \l 1066 ].

Dưa hấu được trồng đại trà ở những nơi có thời kỳ ấm áp dài không có sương giá Các cây phải được trồng với khoảng cách rộng rãi vì cây thân leo dài và có rãnh Ngoại lệ là đối với các giống cây trồng lùn, nơi các cây có thể được trồng với khoảng cách chặt chẽ hơn Cây trồng có thể được tạo ra trên đồng ruộng bằng cách gieo hạt hoặc sử dụng phương pháp cấy ghép trong thùng chứa[ CITATION Tod08 \l 1033 ].

1.1.2 Phân loại

Hiện nay, có rất nhiều loại dưa hấu đa dạng khác nhau, tùy thuộc vào từng quốc gia và địa phương Phổ biến là các loại dưa hấu:

a) Dưa hấu ruột đỏ

Hình 1.1.2.1.1.Hình ảnh về dưa hấu ruột đỏ

Dưa hấu đỏ có hình dạng tròn hoặc thuôn dài tùy loại giống, có vỏ dày nhẵn bóng, màu xanh (có thể pha xanh đen), có hoặc không có vân sẫm Thịt quả màu trắng khi còn non, trắng hồng khi già và đỏ rực bắt mắt khi chín Dưa hấu đỏ quả có nhiều nước và càng chín thì sẽ càng ngọt Trọng lượng trung bình mỗi quả từ 1,5-3kg/ trái Dưa hấu đỏ quả có nhiều nước và càng chín thì sẽ càng ngọt[ CITATION Ngu15 \l 1066 ].

b)Dưa hấu ruột vàng

Hình 1.1.2.1.2.Hình ảnh dưa hấu ruột vàng

Dưa hấu ruột vàng là loại cây chịu nhiệt cực kì tốt, khả năng kháng sâu bệnh cao, dễ trồng dễ chăm nên có thể trồng quanh năm và cho hiệu suất cao Đây là giống cây trồng có hiệu quả kinh tế cao, chỉ sau 60-80 ngày gieo trồng bạn đã có thể thu hoạch được những trái dưa chín ngọt mát[ CITATION Ngu15 \l 1066 ].

c) Dưa hấu không hạt

Hình 1.1.2.1.3.Hình ảnh dưa hấu không hạt

Dưa hấu không hạt là một giống dưa hấu mới Với đặc điểm không có hạt, loại dưa này mang đến sự tiện lợi thoải mái khi ăn và đặc biệt an toàn với người già, trẻ nhỏ, do đó ngày càng được ưa chuộng trên thị trường[ CITATION Ngu15 \l 1066 ].

Ngoài ra, còn các dạng dưa hấu như:

 Dạng sugar baby: Dạng quả từ hình tròn đến dạng hình oval dài, oval ngắn Trong nhiều năm qua giống Sugar baby được trồng rất phổ biến, nhất là vào dịp Tết

 Dạng Crimson sweet: Dạng quả hình cầu, tròn, oval dài, oval ngắn, khối lượng

trung bình từ 2-8kg Vỏ quả nền xanh nhạt, mờ, sọc xanh đậm chạy dọc thân quả đường nét không rõ, ruột đỏ, thời gian sinh trưởng 55-75 ngày[ CITATION Ngu15 \l 1066 ].

 Dạng Châu Á: Dạng quả hình tròn, oval ngắn, hình cầu, khối lượng trung bình từ 3-8kg Vỏ quả có có nền xanh nhạt, bóng có sọc xanh đậm, đường nét rõ chạy dọc thân quả, ruột đỏ, thời gian sinh trưởng 55-75 ngày

 Dạng Charleston graỵ: Dạng quả hình cầu, tròn, oval dài, khối lượng trung bình từ 2-9kg Vỏ quả màu xanh nhạt, không có sọc, ruột đỏ, thời gian sinh trưởng 70-85 ngày[ CITATION Ngu15 \l 1066 ].

Dưa hấu rất đa dạng về hình dạng và màu sắc, thường có màu xanh nhạt và có những đường kẻ từ trên xuống dưới Có nhiều hình dạng từ hình cầu, hình trứng đến hình bầu dục, dạng trái oval, dạng trái tròn

Lúc còn nhỏ dưa hấu có nhiều lông tơ, sau lớn lên lông tơ mất dần đến khi quả chín thì hết Khi quả chín, vỏ quả cứng, trên vỏ quả có đóng phấn trắng, các đường gân trên vỏ nổi rõ, vỏ láng Hạt dưa cũng rất đa dạng về kích cỡ (lớn, trung bình, nhỏ) Màu hạt có màu đen hoặc trắng[ CITATION Ngu15 \l 1066 ].

1.1.4 Giá trị dinh dưỡng của quả dưa hấu

Quả dưa hấu có 93% là nước, với một lượng nhỏ protein, chất béo, khoáng chất và vitamin Ở một số vùng khô hạn, dưa hấu được sử dụng như một nguồn nước quý giá Các thành phần dinh dưỡng chính của trái cây là carbohydrate (6,4g/100g), vitamin A (590 IU) và lycopene (4,100 µg/100g, khoảng 2,300-7,200), một hợp chất chống ung thư được tìm thấy trong dưa hấu ruột đỏ Lycopene có thể giúp giảm nguy cơ mắc một số bệnh ung thư, chẳng hạn như tuyến tiền liệt, tuyến tụy và dạ dày Hàm lượng lycopene của giống dưa hấu đỏ sẫm mới cao hơn so với cà chua, bưởi hồng, hoặc ổi Các loại thịt cam chỉ có một lượng nhỏ lycopene và hàm lượng beta carotene tương tự như các loại thịt đỏ Loại màu vàng hoàng yến không chứa lycopene, nhưng có một lượng nhỏ beta carotene Hạt dưa hấu rất giàu chất béo và protein[ CITATION Tod08 \l 1033 ].

Là trái cây, nó có mật độ năng lượng thấp và do đó được khuyến khích để quản lý cân nặng Adedeji và Oluwalana chỉ ra rằng dưa hấu là một nguồn cung cấp khoáng chất và vitamin tốt vì nó chứa 11 khoáng chất và 19 loại vitamin Nó có các vitamin như thiamine, riboflavin, niacin và folate Ngoài ra, nó có các khoáng chất như kali, magiê, canxi, phốt pho và sắt[ CITATION Nhi07 \l 1033 ] Do những đặc tính này,

tiêu thụ dưa hấu có thể hữu ích trong việc duy trì sự cân bằng axit, base trong cơ thể, có vai trò chính trong sinh lý bình thường, duy trì sự thèm ăn và tiêu hóa bình thường.

1.1.5 Thu hoạch và bảo quản

Dưa hấu được thu hoạch khi có độ chín 80-90%, khoảng 60-70 ngày sau khi trồng tuỳ theo điều kiện vận chuyển đến thị trường tiêu thụ xa hay gần Thường khoảng 25-30 ngày sau khi chấm dứt thụ phấn Thời kỳ quả chín của dưa hấu phụ thuộc rất nhiều vào giống, thời gian gieo hạt và nhiệt độ sau khi hình thành quả Cùng một giống nhưng thời gian chín trong từng năm cũng có sự khác nhau Thu hoạch sớm sẽ làm hàm lượng đường trong quả thấp, hương vị không đậm đà, giá thành sản phẩm thấp, ngược lại thu hoạch quá muộn sẽ làm cho các chất dinh dưỡng trong quả bị phân tán, ruột quả bị rỗng Để bảo quản cam trong thời gian dài, người ta thường sử dụng một số phương pháp như: bảo quản trong cát, bằng hóa chất, nhiệt độ thấp… [ CITATION Ngu15 \l 1033 ].

1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc

1.2.1.Khái niệm

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:

 Làm tăng nồng độ chất tan.

 Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (tinh khiết).

 Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)[ CITATION Ngu06 \l 1066 ].

1.2.2 Quá trình cô đặc

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 kết hợp quá trình kết tinh) ví dụ: cô đặc dung dịch đường, cô đặc xút, cô đặc các dung dịch muối,

Trong quá trình cô đặc, sẽ tiêu hao một lượng hơi nhiều nhưng đồng thời cũng sinh ra một lượng lớn hơi thứ Hơi thứ ở nhiệt độ cao làm nguồn nhiệt cho các công đoạn khác như nấu đường, làm sạch.

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  Khi truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng.

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở ấp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất khác ta dùng thiết bị kín Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc một nồi hoặc cô đặc 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 này sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau[ CITATION Nhi \l 1066 ].

1.2.3 Phân loại thiết bị cô đặc

a) Theo cấu tạo

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo dưới đây là dễ dàng và tiêu biểu nhất Thiết bị cô đặc được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây:

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.

+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc hơi).

 Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài + Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.

 Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép Bao gồm:

+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ[ CITATION Ngu151 \l 1066 ].

b) Phương thức thực hiện quá trình

 Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi, thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.

 Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.

 Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp hai phương pháp này với nhau đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiểu quả kinh tế.

 Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện nay chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư[ CITATION Ngu151 \l 1066 ].

1.3 Thiết bị cô đặc dùng trong công nghệ thực phẩm [ CITATION Nhi1 \l 1033 ]

Gồm các loại thiết bị cô đặc chính sau:  Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm  Thiết bị cô đặc phòng đốt treo.

 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài (thẳng đứng, nằm ngang).

 Thiết bị cô đặc loại màng.

1.3.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

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 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 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 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 (trong trường hợp thiết bị làm việc liên tục) Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịch được đưa vào thiết bị gián đoạn, và sản phẩm cũng được lấy ra gián đoạn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt cũng giảm Tốc độ tuần hoàn loại này thường không quá 1,5 m/s.

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản dễ sửa chữa và làm sạch.

Nhược điểm: Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng.

1.3.2 Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

Cấu tạo

Hình 1.3.2.1.1.Thiết bị cô đặc phòng đốt treo

1 Vỏ thiết bị 3.Ống truyền nhiệt 5 Tai đỡ 2 Phòng đốt 4 Ống dẫn hơi đốt

Nguyên lý hoạt động

Đun dịch sẽ được cho vào ống truyền nhiệt (3), cho hơi đốt vào phòng đốt (2) qua ống dẫn hơi đốt (4) Tại phòng đốt (2), dung dịch trong các ống truyền nhiệt (3) được truyền nhiệt, dung dịch sẽ sôi lên và trở thành hỗn hợp hơi – lỏng Hỗn hợp nóng lên khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên miệng ống.

Ưu điểm: phòng đốt có thể lấy ra ngoài khi cần sửa chữa hoặc làm sạch Vận tốc tuần hoàn lớn hơn vì vỏ ngoài không bị đố nóng.

Nhược điểm: thiết bị có cấu tạo phức tạp và kích thước lớn do có khoảng trống hình vành khăn.

1.3.3 Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài (kiểu đứng, nằm ngang)

Cấu tạo

Hình 1.3.3.1.1.Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài kiểu đứng

1 Buồng đốt 3 Ống dẫn 5 Ống tuần hoàn ngoài

2 Buồng bốc 4 Bộ phận tách bọt Nguyên lý hoạt động

Dung dịch được đưa vào buồng đốt (1) liên tục và đi trong các ống truyền nhiệt, còn hơi đốt được đi vào trong buồng đốt và đi ở khoảng giữa ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị để đun sôi dung dịch Dung dịch tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng đi qua ống 3 vào buồng bốc hơi (2), ở đây hơi thứ tách ra đi lên phía trên, còn dung dịch đi theo ống tuần hoàn (5) trộn lẫn với dung dịch mới đi vào buồng đốt Khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu được trích một phần ra ở đáy buồng bốc làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung dung dịch mới vào thiết bị

Ưu điểm: năng suất cao, do chiều dài ống truyền nhiệt lớn và ống tuần hoàn không bị đốt nóng nên cường độ tuần hoàn lớn và cường độ bốc hơi cao.

Nhược điểm: Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo Cấu tạo

Hình 1.3.3.1.2.Thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài nằm ngang

1 Buồng đốt 3 Bộ phận tách giọt 5 Ống ra hơi thứ 2 Buồng bốc 4 Ống nhập liệu 6 Ống tháo sản phẩm

Nguyên lý hoạt động

Dung dịch được đưa vào thiết bị và đi vào ống truyền nhiệt chữ U từ trái sang phải ở nhánh dưới lên nhánh trên rồi lại chảy về buồng bốc ở trạng thái sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt và ra ngoài, còn nồng độ dung dịch tăng dần tới nồng độ yêu cầu Sau đó tháo phần dung dịch ra làm sản phẩm và tiếp tục cho dung dịch mới vào thực hiện một mẻ mới.

Ưu điểm: Buồng bốc có thể tách ra khỏ buồng đốt dễ dàng để làm sạch và sửa chữa Nhược điểm: Cồng kềnh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất thấp.

1.3.4 Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức

Cấu tạo

Hình 1.3.4.1.1.Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức

1 Buồng bốc 3 Ống truyền nhiệt 5 Ống tuần hoàn ngoài 2 Buồng đốt 4 Bơm 6 Bộ phận tách giọt Nguyên lý hoạt động

Dung dịch được bơm đưa vào buồng đốt liên tục và đi trong các ống trao đổi nhiệt từ dưới lên buồng bốc, còn hơi đốt được đưa vào buồng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị Dung dịch được đun sôi trong ống truyền nhiệt với cường độ sôi cao và lên buồng bốc Tại bề mặt thoáng dung dịch ở buồng bốc, dung môi tách ra bay lên và đi qua bộ phận tách giọt rồi sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch trở lên đậm đặc hơn trở về ống tuần hoàn ngoài trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục được bơm đưa vào buồng đốt Khi dung dịch đạt nồng độ yêu cầu thì ta luôn luôn lấy một phần dung dịch ra ở đáy buồng bốc ra làm sản phẩm Tốc độ dung dịch trong ống truyền nhiệt khoảng từ 1,5÷3,5m/s do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên từ 3 đến 4 lần và có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ hữu ích nhỏ từ 3 đến 5 độ vì cường độ tuần hoàn chỉ phụ thuộc vào năng suất của bơm.

Ưu điểm: Năng suất cao cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện.

Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm.

1.3.5 Thiết bị cô đặc loại màng

Cấu tạo

Hình 1.3.5.1.1.Thiết bị cô đặc loại màng

1 Buồng đốt 3 Ống truyền nhiệt 5 Ống tuần hoàn ngoài

2 Buồng bốc 4 Van xả khí

Nguyên lý hoạt động

Dung dịch được đưa từ đáy buồng đốt vào trong các ống trao đổi nhiệt với mức chất lỏng chiếm khoảng từ 1/4 đến 1/5 chiều cao của ống truyền nhiệt Hơi đốt đi vào buồng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị, dung dịch được đun sôi với cường độ lớn và hơi thứ tách ra ngay trên bề mặt thoáng của dung dịch ở trong ống truyền nhiệt và hơi chiếm hầu hết tiết diện của ống và chuyển động từ dưới lên với vận tốc rất lớn khoảng 20 m/s kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên, và màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi làm nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độ cần thiết, hơi thứ đi lên đỉnh tháp qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch chảy xuống ống tuần hoàn ngoài và một phần được lấy ra làm sản phẩm, một phần về trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục đi vào buồng đốt, hoặc có thể tháo hoàn toàn dung dịch đậm đặc làm sản phẩm khi chênh lệch giữa nồng độ đầu và cuối yêu cầu không lớn Thiết bị này có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp, nếu mức chất lỏng quá cao thì hệ số truyền nhiệt giảm vì tốc độ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp thì phía trên sẽ bị khô, khi đó quá trình cấp nhiệt ở phía trong ống nghĩa là quá trình cấp nhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải lỏng Do đó, hiệu quả truyền nhiệt giảm đi nhanh chóng Ưu điểm: Áp suất thủy tĩnh nhỏ do đó tổn thất thủy tĩnh ít.

Nhược điểm: Khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực chất lỏng thay đổi, không cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn và dung dịch kết tinh.

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ2.1 Dữ kiện ban đầu

 Năng suất sản phẩm là 180 l/h.

 Nồng độ ban đầu 4% tới nồng độ cuối là 65% (theo khối lượng).

2.2 Lựa chọn quy trình công nghệ

Thiết bị được chọn: thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục, buồng đốt trong, tuần hoàn trung tâm.

Thiết bị chính - thiết bị cô đặc 1 nồi có ống tuần hoàn trung tâm:

Ống nhập liệu, ống tháo liệu, ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt, buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp, các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.

Thiết bị phụ:

Bể chứa nguyên liệu, bể chứa sản phẩm, bồn cao vị, lưu lượng kế, thiết bị gia nhiệt, thiết bị ngưng tụ baromet, bơm nguyên liệu và bồn cao vị, bơm tháo liệu, bơm nước vào thiết bị ngưng tụ, bơm chân không, các van, thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

Nguyên nhân chọn:

 Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy.

 Thiết bị cô đặc này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa, làm sạch và sửa chữa.

 Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế không cho chất tan bị cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị, làm hư thiết bị Tuy nhiên tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.

 Độ nhớt của dung dịch nước ép dưa hấu không cao nên có thể dùng tuần hoàn trung

 Cấu tạo đơn giản dễ thiết kế, lắp đặt, sửa chữa, làm sạch Nhược điểm:

 Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng  Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.

 Hệ thống phức tạp, cần có thiết bị ngưng tụ chân không để tạo chân không.

2.3 Quy trình sản xuất nước ép dưa hấu cô đặc

Nguyên liệu cô đặc ở dạng cô đặc gồm:  Dung môi: nước.

 Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có 0 và chiếm chủ yếu là đường glucozo Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc.

Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường là nhiều hay ít Tuy nhiên, trước khi cô đặc, nồng độ đường thấp, khoảng 5-8% khối lượng.

Sản phẩm sau cô đặc ở dạng dung dịch:  Dung môi: nước.

 Các chất hòa tan: glucozo có nồng độ cao (65%) Quy trình sản xuất

Hình 2.3.1.1.1.Sơ đồ quy trình sản xuất nước ép dưa hấu cô đặc

1.1.1 Thuyết minh quy trình

Rửa

Nhằm loại trừ tạp chất cơ học như đất, cát, bụi và làm giảm lượng vi sinh vật ngoài vỏ nguyên liệu Yêu cầu cơ bản sau khi rửa là táo không bị dập nát, tổn thất dinh dưỡng…

Nước để rửa cũng như trong công nghiệp chế biến (chần, nấu, pha chế, ) phải là nước ăn đảm bảo theo tiêu chuẩn bộ y tế.

Ép

Nguyên lý ép là phương pháp chủ yếu tách dịch bào ra khỏi nguyên liệu Trong quá trình ép thì hiệu suất ép là chỉ tiêu quan trọng nhất, hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố: phẩm chất nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ chắc của lớp nguyên liệu ép và áp suất ép Dịch bào chứa trong không bào bị bao bọc bởi chất nguyên sinh Chất nguyên sinh của quả có tính bán thấm, ngăn cản sự tiết dịch bào

Vì vậy, muốn nâng cao hiệu suất ép phải làm giảm tính bán thấm của chất nguyên sinh bằng cách biến tính chất nguyên sinh hay làm chết tế bào Thông thường, người ta sử dụng các phương pháp như đun nóng, sử dụng nấm men chứa hỗn hợp pectinase, protease hoặc dùng dòng điện…

Thanh trùng

Tiến hành thanh trùng dịch ép bằng thiết bị dạng ống chùm hay ống lồng ống Mục đích của quá trình thanh trùng là làm kết tủa các thành phần không tan trong dịch quả làm ảnh hưởng đến tính chất cảm quan của sản phẩm Các thành phần này bao gồm protid, chất đắng… Nhiệt độ có thể làm protid bị biến tính và tạo tủa Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theo các hợp chất gây vị đắng Quá trình này góp phần làm cho dung dịch có độ đồng nhất cao và trong hơn Nhiệt độ 70-80°C từ 5-10 phút để tránh tổn thất chất khô

Cô đặc

Mục đích: tăng nồng độ chất khô của dịch trích cà phê để quá trình sấy đƣợc thực hiện dễ dàng.

Các biến đổi trong quá trình cô đặc nước ép dưa hấu:

 Sự tăng độ nhớt của dịch trích: trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô của dịch trích tăng lên, do đó, độ nhớt của dịch trích cũng tăng theo.

 Hiện tượng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi: trong quá trình cô đặc, dưới tác dụng của nhiệt độ, cùng với sự bay hơi nước, các chất dễ bay hơi (đặc biệt là các cấu tử tạo

hương) cũng sẽ bị bay hơi, gây hiện tượng tổn thất hương, làm giảm cường độ hương của sản phẩm Để hạn chế hiện tượng tổn thất hương, người ta thực hiện quá trình tách hương trước khi cô đặc.

 Sự thay đổi nồng độ chất khô: nồng độ chất khô trong nước ép dưa hấu sẽ tăng lên sau khi dịch trích được cô đặc Phương pháp cô đặc bốc hơi: phương pháp này dùng nhiệt để thực hiện quá trình cô đặc Quá trình cô đặc này thường được thực hiện ở áp suất chân không để tăng hiệu quả quá trình cô đặc Đồng thời, còn hạn chế các biến đổi của những cấu tử trong nước ép dưa hấu do tác động của nhiệt

 Sau đó dung dịch nước ép cô đặc được đem làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống, tiến hành chiết rót vô trùng, đóng gói để sử dụng cho các mục đích khác hoặc đem phân phối sản phẩm.

2.3.2 Hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục

Hình 2.3.2.1.1.Sơ đồ hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục

1 Bồn cao vị 2 Thiết bị gia nhiệt 3 Lưu lượng kế 4 Nồi cô đặc

nguyên liệu

2.3.3 Nguyên lý làm việc hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch nước ép dưa hấu có nồng độ 4% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi.

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 2,5at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà 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 được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi được dẫn về nồi hơi Khí không ngưng được xả theo định kỳ.

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi được dẫn về nồi hơi.

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm: khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng - hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng -hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng - hơi thành hai dòng Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra

khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet

Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng, còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm

Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.

Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.

Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc.

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG3.1 Thông số ban đầu

- Nồng độ của dung dịch: xđ = 4% - Nồng độ cuối của dung dịch: xc = 65%

- Năng suất sản phẩm : V= 180 lít/h = 0,18 m3/h - Áp suất ngưng tụ: pn = 1 - 0,7 = 0,3 at (chọn)

- Trong dưa hấu glucid chiếm thành phần chủ yếu từ khoảng 2,3 %[ CITATION Nhi07 \l 1033 ] Do có sự chuyển đổi fructose thành glucose nên các trong quá trình cô đặc nên các thông số được tính thông qua glucose.

3.2 Cân bằng vật chất

 Khối lượng riêng của dung dịch nước ép dưa hấu nồng độ 65% oC: ρ=1318,66¿m3) [

CITATION Nhi \l 1033 ] trang 61

 Suất lượng tháo liệu (tính theo kg/h): Gc = ρ×V =1318,66 × 0,18 = 237,3588 (kg/h)  Áp dụng phương trình cân bằng vật chất nồi cô đặc: Gđ × xđ = Gc × xc [Theo công

thức 5.16 [ CITATION Phạ06 \l 1033 ], trang 277]

Trong đó: Gđ, Gc : lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, (kg/h)

xđ, xc : nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, (% khối lượng)

 Suất lượng nhập liệu: Gđ=Gc× xc

237,3588× 0,65

3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên

 Tổng lượng hơi thứ bốc lên: [Theo công thức 5.17 [ CITATION Phạ06 \l 1033 ],

Áp suất tuyệt đối (at)Nhiệt độ sôi (0C)

 Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là tn= 68,7 oC.

- ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆’’’= 1 oC [giáo trình kttp2]

- 1 oC chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên ống dẫn Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsdm (po) – tn = ∆’’’ Trong đó

tsdm (po): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất po (mặt thoáng) Mà tsdm po) =∆’’’+ tn = 1+tn (theo chứng minh trên)

 tsdm (po) = 68,7 +1 = 69,7 oC

Tra bảng I.250, trang 312, [ CITATION Nhi06 \l 1033 ], ta có:

Nhiệt độ (oC)Áp suất (at)

: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển (oC)

ƒ: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển

Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị bằng nhiệt độ hơi thứ (oK)

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg) Tra bảng VI.251, trang 314, [ CITATION Nhi06 \l 1033 ], ta có:

Tại po = 0,3139 at Ta nội suy được: r = 2333,78 (kJ/Kg) Thế vào công thức trên ta được:

2333,78× 103=0,8152

Với nồng độ cuối của dung dịch là 65% thì ∆0’= 3,85 (vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ∆’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung

dịch - Tra theo đồ thị VI.2, trang 60, [ CITATION Nhi \l 1033 ]

- ρdm: khối lượng riêng của dung môi ở nhiệt độ sôi của dung dịch 75 oC – Tra bảng I.249 trang 310- sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất 1.

Chọn tsdd (po+∆p) = 75oC, C% = xc = 65%, ta có ρdd= 1318,66 kg/m3 [ CITATION

Nhi06 \l 1033 ] trang 60]

 ρs= 0,5× 1318,66 = 659,33 (kg/m3)  Hop= [0,26+ 0,0014× ( pdd+ ρdm)] ×ho

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho= 1,5m bảng VI.6, trang 80 [ CITATION

Nhi \l 1033 ] ρdm- khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 72oC

Tra bảng I.249 trang 311, [ CITATION Nhi06 \l 1033 ], ρdm= 976,6 (kg/m3) Hop= [0,26+ 0,0014× (1318,66  976,6)]×1,5 = 1,108 m

∆p =12 ×9,81 × 659,33× 1,108

9,81 ×104= 0,0365 N/m2  ptb= po+ ∆p= 0,3139 + 0,0365= 0,3504 at

Tra bảng I.251, trang 314, [ CITATION Nhi06 \l 1033 ], ta có:

Tại ptb=0,3504 at Dùng công thức nội suy ta có tsdm(ptb) 72,08 oC

⇒ ΣΔ = 2,8532 +2,3768 +1 = 6,23 oC

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2,5 at; tD = 126,25 oC (bảng I.251, trang 315, [ CITATION Nhi06 \l 1033 ]

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

3.4 Cân bằng năng lượng

 Nhiệt độ của dung dịch nước ép dưa hấu 4% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 72,5532 oC  Nhiệt độ của dung dịch nước ép dưa hấu 65% đi ra đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(po) + 2× ∆’’ = 72,5532 + 2 × 2,3768 = 77,31 oC (công thức 2.15, trang 107,

[ CITATION Phạ10 \l 1033 ])

Nhiệt dung riêng của dung dịch nước ép dưa hấu: a = 4 % (a < 0,2):

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ < 20% tính theo công thức I.43,[ CITATION Nhi06 \l 1033 ], trang 152:

Cđ = 4186 × (1 − x) ; (J/kg×độ)

Nhiệt dung riêng đầu: Cđ = 4186 × (1 – 0,04) = 4018,56 (J/kg×độ) a = 65 % (a > 0,2):

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ > 20% tính theo công thức I.44,[ CITATION Nhi06 \l 1033 ], trang 152:

Cc = Cht × xc + 4186 (1 − xc ); (J/kg× độ) Với Cht nhiệt dung riêng của chất hòa tan không nước (J/kg.độ)

Áp dụng công thức I.41, sổ tay QTTB tập 1, trang 152 M×Cht=∑ni×ci

Cht: nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg×độ)

ni: số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất (J/kg nguyên tử×độ) bảng I.141[ CITATION Nhi06 \l 1033 ] trang 152

CCacbon= 7500 (J/kg nguyên tử.độ); CHiđro= 9630 (J/kg nguyên tử.độ); COxi = 16800

 (Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt) Trong đó: D: lượng hơi đốt mang vào

: nhiệt độ của nước ngưng

tđ, tc: nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch

Cđ, Cc, C: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối và nước ngưng, (J/kg.độ ) i, i': hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ, (J/kg)

 Có thể bỏ qua:

 Nhiệt cô đặc là rất nhỏ, có thể bỏ qua: Qcđ = 0

 Đây là quá trình cô đặc liên tục nên tđ = tc Chọn tổn thất nhiệt là 5% lượng hơi đốt.

Bảng 3.4.1.1.1.1.Tóm tắt cân bằng năng lượng

Nhiệt dung riêng dung dịch 4%cđ J/(kg.K) 4018,56

Nhiệt dung riêng dung dịch 65%ccJ/(kg×K) 2408,9

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH4.1.Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng.

Theo công thức V-101, [ CITATION Nhi \l 1033 ], trang 28:

α1=2,04 × A ×(H ×∆ tr 1)0,25 , W/(m2×K) Trong đó:

α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m2×K).

r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,5 at, r = 2189,5

×103J/kg (tra bảng I.251 [ CITATION Nhi \l 1033 ], trang 315).

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5m).

A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm

tm=tD+tV 1

Với tD, tV1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng  A: tra ở [ CITATION Nhi \l 1033 ], trang 29.