Đồ án thiết kế thiết bị cô đặc nước xoài ép, năng suất 2500 kgh

Xoài _ Mangifera indica L. Thuộc họ Đào lộn hột Anacardiaceae. Xoài là loại cây ăn quả nhiệt đới, nguồn gốc cây xoài ở miền Đông Ấn Độ và các vùng giáp ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia. Qủa: xoài chín có màu vàng hấp dẫn, có vị chua ngọt, mùi thơm ngon. Xoài chín được ăn tươi, đóng hộp, làm nước trái cây, mứt kẹo, sấy khô để tiêu thụ nội địa và xuất khẩu 2.2 Thành phần hóa học có trong quả xoài: Quả xoài có giá trị dinh dưỡng cao, thịt quả có hàm lượng vitamin B, C chiếm từ 2 3%, đường chiếm 20% (là loại đường đơn được hấp thu hoàn toàn), Axitsitric, Caroten (tiền sinh tố A) 15%. Quả chứa nhiều caroten và vitamin B1, B2 và C. Hạch quả chứa nhiều tinh bột, dầu và tanin. Lá chứa tanin và một hợp nhất flavonoid là mangiferin. Vỏ thân chứa 3% tanin và mangiferin. 2.3 Gía trị sử dụng của quả xoài trong cuộc sống: Trong 100g phần ăn được của xoài chín có chứa các chất dinh dưỡng (FAO, 1976): nước 86, 5g; glucid 15, 9g; protein 0, 6g; lipid 0, 3g; tro 0, 6g; các chất khoáng: Ca 10mg, P 15mg, Fe 0, 3mg; các vitamin: A 1880 microgam, B1 0, 06mg, C 36mg; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày, rất tốt cho sự phát triển của trẻ em, làn da và thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN

KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC XOÀI ÉP, NĂNG SUẤT 2500 KG/H

Giảng viên hướng dẫn: TS Phan Thế Duy Mã nhóm : D1N6

Đặng Thái Dương MSSV: 2005208234 Lớp: 11DHTP51 Trần Lữ Anh Thư MSSV: 2005201099 Lớp: 11DHTP2

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN

KỸ THUẬT THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NƯỚC XOÀI ÉP, NĂNG SUẤT 2500 KG/H

Giảng viên hướng dẫn: TS Phan Thế DuyMã nhóm : D1N6

Đặng Thái Dương MSSV: 2005208234 Lớp: 11DHTP15 Trần Lữ Anh Thư MSSV: 2005201099 Lớp: 11DHTP2

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022

LỜI CẢM ƠN

Em 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 Hóa học của trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án

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 dạy bảo của quý thầy cô Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Phan Thế Duy, người đã tận tình hướng dẫn và góp ý kỹ lưỡng trong thời gian qua giúp em hoàn thành bài báo cáo một cách tốt nhất Đồng thời do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không thể tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn

Nhóm sinh viên gồm : Đặng Thái Dương - MSSV: 2005208234

LỜI CẢM ƠN 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 7

I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 7

II GIỚI THIỆU VỀ XOÀI 7

2.1 Đặc điểm chung về cây xoài: 7

2.2 Thành phần hóa học có trong quả xoài: 7

2.3 Gía trị sử dụng của quả xoài trong cuộc sống: 7

III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC 8

3.9 Các thiết bị và chi tiết 13

3.10 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng phẩm 13

PHẦN II TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 14

I Cân bằng vật chất và năng lượng 14

1.1 Thông số ban đầu: 14

1.2 Cân bằng vật liệu 14

1.3 Tổn thất nhiệt độ 14

1.4 Cân bằng năng lượng : 19

1.5 Phương trình cân bằng nhiệt 20

II Thiết kế thiết bị chính : 24

2.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 24

2.2 Nhiệt tải phía hơi nước bão hòa 25

2.3 Nhiệt tải riêng từ bề mặt đốt đến lòng chất lỏng sôi 26

2.4 Nhiệt tải phía tường (qv) 28

2.5 Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 29

2.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 30

III Tính kích thước của thiết bị cô đặc 30

3.1 Tính kích thước buồng đốt 30

3.2 Tính kích thước buồng bốc 32

3.3 Tính bền cơ khí cho thiết bị cô đặc 37

3.4 Tính cho đáy thiết bị 43

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:

- Loại thiết bị sử dụng: thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục, ống tuần hoàn trung tâm - Nồng độ nhập liệu: 15% (khối lượng)

- Nồng độ sản phẩm: 24% (khối lượng)

- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75at - Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa

- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C

II GIỚI THIỆU VỀ XOÀI

2.1 Đặc điểm chung về cây xoài:

- Xoài _ Mangifera indica L

- Thuộc họ Đào lộn hột - Anacardiaceae

- Xoài là loại cây ăn quả nhiệt đới, nguồn gốc cây xoài ở miền Đông Ấn Độ và các vùng giáp ranh như Miến Điện, Việt Nam, Malaysia

- Qủa: xoài chín có màu vàng hấp dẫn, có vị chua ngọt, mùi thơm ngon Xoài chín được ăn tươi, đóng hộp, làm nước trái cây, mứt kẹo, sấy khô để tiêu thụ nội địa và xuất khẩu

2.2 Thành phần hóa học có trong quả xoài:

- Quả xoài có giá trị dinh dưỡng cao, thịt quả có hàm lượng vitamin B, C chiếm từ 2 - 3%, đường chiếm 20% (là loại đường đơn được hấp thu hoàn toàn), Axitsitric, Caroten (tiền sinh tố A) 15%

Quả chứa nhiều caroten và vitamin B1, B2 và C Hạch quả chứa nhiều tinh bột, dầu và tanin Lá chứa tanin và một hợp nhất flavonoid là mangiferin Vỏ thân chứa 3% tanin và mangiferin

2.3 Gía trị sử dụng của quả xoài trong cuộc sống:

- Trong 100g phần ăn được của xoài chín có chứa các chất dinh dưỡng (FAO, 1976): nước 86, 5g; glucid 15, 9g; protein 0, 6g; lipid 0, 3g; tro 0, 6g; các chất khoáng: Ca 10mg, P 15mg, Fe 0, 3mg; các vitamin: A 1880 microgam, B1 0, 06mg, C 36mg; cung cấp 62 calo, 78% nhu cầu vitamin A mỗi ngày, rất tốt cho sự phát triển của trẻ em, làn da và thị

lực; 46% nhu cầu vitamin C.Quả xoài xanh thái mỏng, phơi khô hoặc sấy khô là nguồn vitamin C thiên nhiên dồi dào

III KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC

3.1 Khái niệm:

- Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao các nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn), đó là các quá trình vật lý – hóa lý Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh

- Mục đích: tăng nồng độ dung dịch, kết tinh

3.2 Các phương pháp cô đặc:

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

3.3 Bản chất và tính chất cô đặc

Bản chất :

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

Tính chất :

- Tốc độ cô đặc tùy thuộc các đại lượng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, nhiệt dung riêng,tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ sôi dung dịch, áp suất làm việc của thiết bị

- Các thông số của tác nhân cấp nhiệt cũng ảnh hưởng đến quá trình cô đặc:hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt

- Nhiệt độ sôi của dung dịch tỉ lệ thuận với áp suất làm việc của thiết bị cô đặc

3.4 Ứng dụng của sự cô đặc:

Trong sản xuất thực phẩm: cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây Trong sản xuất hóa chất: cô đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn

Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

3.5 Nguyên liệu và sản phẩm: 3.5.1 Đặc điểm nguyên liệu :

- Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch gồm: Dung môi: nước

Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng thấp ( xem như là không có) và chủ yếu là nước dịch quả nguyên chất và đường fructose, glucose Các cấu tử này được xem là không bay hơi trong quá trình cô đặc

3.5.2 Đặc điểm sản phẩm :

Sản phẩm ở dạng dung dịch sệt, gồm: -Dung môi: nước

-Các chất hòa tan: có nồng độ cao -Các chất không hòa tan

3.5.6 Biến đổi của nguyên liệu sản phẩm :

Trong quá trình cô đặc tính chất của nguyên liệu có sự thay đổi a) Biến đổi vật lý:

Thời gian cô đặc càng lâu thì nồng độ dung dịch sẽ càng tăng và sẽ dẫn tới: - Hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm

- Khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi tăng b) Biến đổi hóa học:

Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng thủy phân amid của các cấu tử tạo thành acid

- Đóng cặn:

- Phân hủy một số Vitamin

- Tăng màu do caramen hóa, phân hủy đường khử c) Biến đổi sinh học:

- Tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ cao

- Hạn chế khả năng hoạt động của các VSV ở nồng độ cao - Yêu cầu nguyên liệu và sản phẩm

- Phải đảm bảo giữ được màu, mùi và vị cho sản phẩm - Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu

- Thành phần hóa học chủ yếu không bị thay đổi

3.6 Các thiết bị cô đặc

3.6.1 Phân loại và ứng dụng: - Theo cấu tạo

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:

+Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài +Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

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 nhiệt, nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao 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 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

3.6.2 Theo 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

3.7 Thiết bị cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật chúng ta lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và có ống tuần

hoàn trung tâm

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

Ưu điểm:

• Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ không trong thiết bị • Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng

• Cấu tạo đơn giản, dễ 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, có thiết bị ngưng tụ chân không

3.8 Quy trình sản xuất

Thuyết minh quy trình

-Quá trình xử lí: chuẩn bị cho quá trình ép diễn ra dễ dàng và nhanh -Ép: Làm giảm kích thước thịt quả để quá chuẩn bị cho quá trình lọc -Lọc: tách chất rắn không hòa tan ra khỏi dung dịch

-Cô đặc: làm bốc hơi nước xoài ép, tăng nồng độ chất hòa tan trong dung dịch

3.9 Các thiết bị và chi tiết

Thiết bị chính • thiết bị cô đặc một 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 - 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

3.10 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng phẩm

- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm - 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

PHẦN II TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

I Cân bằng vật chất và năng lượng 1.1 Thông số ban đầu:

Năng xuất nhập liệu : 2500kg/h

- Nồng độ nhập liệu: 15% (khối lượng) - Nồng độ sản phẩm: 24% (khối lượng)

- Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,75at - Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa

- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 300C

Loại thiết bị sử dụng: thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục, ống tuần hoàn trung tâm

W: Lượng hơi thứ khi nồng độ thay đổi từ xđ đến xc, kg/h Gđ, Gc: Lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h

xđ, xc: Nồng độ dung dịch đầu và nồng độ cuối dung dịch, % khối lượng

1.3 Tổn thất nhiệt độ

- Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tỉnh và tổn thất do trở lực đường ống

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là Png = 0,25 at Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có:

Dùng công thức nội suy:

→ Nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ baromet là tc = 64,2oC

∆’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆’’’= 1oC (trang 295 [3])

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsdm( P0) – tc = ∆’’’ Trong đó:

tsdm(P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng) Mà tsdm(P0) = ∆’’’ + tc = 1 + tc (theo chứng minh trên)

→ tsdm(P0) = 64,2 + 1 = 65,2oC Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có:

Dùng công thức nội suy:

→ Áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,2oC, P0 = 0,2575 at

1.3.1 Tổn thất do nồng độ

Áp dụng công thức Tysenco VI.10 [2] : ∆′= ∆0′ 𝑓 =𝑡𝑠𝑑𝑑 (𝑝0) − 𝑡𝑠𝑑𝑚(𝑝0)

Trong đó

𝑡𝑠𝑑𝑑(𝑝0): Nhiệt độ sôi dung dịch tại áp suất 𝑃0

𝑡𝑠𝑑𝑚(𝑝0): Nhiệt độ sôi dung môi tại áp suất 𝑃0

∆0′: là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển

- Tra đồ thị hình VI.2 trang 60 – sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2 [2] Với nồng độ cuối của dung dịch là 24% thì ∆0′≈ 0,48 (Vì khi cô đặc có tuần hoàn dung dịch, thì nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (X𝑐) do đó ∆0′ lấy theo nồng độ cuối dung dịch Vì cấu tử hòa tan ở đây chủ yếu là đường nên giá trị ∆0′ được dò trong đồ thị ở dưới theo đường cong của đường

𝑓 ∶ hệ số hiệu chỉnh và được tính bằng công thức

𝑡 : là nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, t = 65,2℃

𝑟 : là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc tại 𝑃𝑐 = 0,25

Tra bảng I.251[1] : Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất

Độ tăng áp suất do thủy tĩnh ∆′′ 𝑙à

-𝐻0𝑝: là chiều cao chất lỏng theo ống báo mức, (m)

-𝜌𝑠: Khối lượng riêng trung bình dung dịch trong nồi lúc sôi bọt (kg/𝑚3)

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 2 m (bảng VI.6[2])

Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 660C

=> ΣΔ = 0,38+3,969+1=5,349oC

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt là 2,2 at

Theo như bảng trên ta thấy áp suất 2,2 nằm trong khoảng 2at→3at vì vậy nhiệt độ cũng sẽ nằm trong khoảng 119,6℃→132,9℃ (bảng I.251, [1-315])

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ ℃ 1

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi ℃ 53

1.4 Cân bằng năng lượng :

Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt độ của dung dịch nước ép xoài 18% đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 70,220C Nhiệt độ của dung dịch nước ép xoài 24 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 65,58 + 2 3,969 =73,518 oC ❖ Nhiệt dung riêng của dung dịch nước ép xoài:

Nhiệt dung riêng của dung dịch nước ép xoài do chủ yếu chất hòa tan là đường nên ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.50) [1]/153

1.5 Phương trình cân bằng nhiệt

Nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc Q

Công thức VI3 [2-57]:

Q= Qđ + Qbh + Qkn+ Qtt

Trong đó:

Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W

Qkn: nhiệt lượng khử nước, W

Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W

- Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qs) Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang

=> C1 = 3823,9616 J/kg.độ

Tính nhiệt độ sôi tại sản phẩm:

Ở nồng độ => ∆′0 = 0,2, tra theo đồ thị hình VI•2, [2-60]

W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 937,5 kg/h

r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,315at nằm trong khoảng 0,2→ 0,3 nên I.251[1-314]

Áp suất (at) Nhiệt hóa hơi

- Nhiệt lượng dùng để khử nước (Qkn )

Theo công thức VI.4, [2-57]

Qkn = Qđht - Qcht

Trong đó:

ℎ𝑡

ℎ𝑡

Qđht : nhiệt lượng hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc, W

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

Không có hiện tượng quá lạnh nước ngưng, tức là nước ngưng ở trạng thái lỏng sôi, nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: i - Cn tn = r

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp là : QD = D.(i - Cn tn) = D r Chọn lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: Qtt =0.05D.r

Vậy lượng nhiệt tiêu thụ cho cô đặc là 733625,6 J/s , 733,624kw

- Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc (D)

Theo công thức 4.5a, [3-182]:

𝜑: độ ẩm của hơi đốt bão hòa, chọn 𝜑 = 0,05 theo [5-295]

- Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Theo sách VI.7[2-58]: d = 0,351

900/3600 = 1,35 (𝑘𝑔 ℎơ𝑖 đố𝑡

𝑘𝑔 ℎơ𝑖 𝑡ℎứ)

Vậy chi phí riêng hơi đốt để tạo ra 1 kg hơi thứ là 1,35 ( kg hơi đốt/ kg hơi thứ) Bảng tóm tắt cân bằng năng lượng:

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt Tc 0C 73.518 Nhiệt dung riêng dung dịch 16% C

đ

J/(kg.K) 3846,839

Nhiệt dung riêng dung dịch 32% Cc J/(kg.K) 3705,63

Nhiệt lượng do hơi đốt cung QD W 733625,6 Lượng hơi đốt biểu kiến D kg/s 0,351 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng d kg/kg 1,35

II Thiết kế thiết bị chính :

2.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:

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 tố độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước chảy ngưng chảy màng( do ống truyền nhiệt ngắn có h0 = 2m), ngưng bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng

cấp nhiệt phía hơi ngưng W/(m2.K)

r: ẩn nhiệt ngưng tụcủa hơi nước bão hòa ở áp suất 2,2 at => r =2200,6.103 J/kg (tra bảng I.251 [2-315])

H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2 m)

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

Giả sự điều kiện làm vệc của phòng đốt thỏa mãn

Thông số ống truyền nhiệt H = 1,5m; dtr = 25 mm Hơi ngưng tụ trên bề mặt chảy dòng

α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng; W/m2.K

r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 2,2at Tra bảng I.251 [1-314] có r = 2200,6 103J/kg

H: chiều cao của ống truyền nhiệt H = 1,5m A: Hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng [2-29]

tm= 1

2(tt1 + tD) Trong đó :

tt1 :Nhiệt độ của mặt tường 1

tD :Nhiệt độ của hơi đốt, tD =122,260C

𝛼𝑛: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Theo công thức V.91, trang 26, [2], ta có:

𝛼𝑛 = 0,145 ∆𝑡2,33 𝑃0,5 kcal/m2.k.h Với:

P là áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng (N/m2) Có P = 0,2527 at = 25252,12 N/m2

∆t: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi, oC Cdd: nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), J/(kg.K)

Cdm: nhiệt dung riêng của nước ở tsdm (ptb), J/(kg.K) µdd: độ nhớt của dung dịch ở tsdd (ptb), N.s/m2

µdm: độ nhớt của nước ở tsdm (ptb), N.s/m2

ρdd: khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd (ptb), kg/m3

ρdm: khối lượng riêng của nước ở tsdm (ptb), kg/m3

λdd: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd (ptb), W/(m.độ) λdm

: hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm (ptb), W/(m.độ)

Các thông số của nước tra bảng I.249 và bảng I.251, trang 310, 314 [1], ta có:

Các thông số của dung dịch

ρdd: tra ở các nồng độ khác nhau, tra bảng I.86, trang 59,60, [1]

M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp C6H8O7 và H2O M = a.M(C6H8O7) + (1 – a).MH2O = a.204 + (1 – a).18; kg/kmol

a: phần mol của acid citric (C6H8O7)

Xem nồng độ acid citric (C6H8O7) trong dung dịch là 24% (xc)

∆tv: chênh lệch nhiệt độ của tường, oC Tra bảng V.I , [4], trang 4, ta có: Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn định thì:

q1 = q2 = qv (6) ∆t1 = tD – 𝑡𝑣1 (7) ∆tv = 𝑡𝑣1 − 𝑡𝑣2 (8) ∆t2 = 𝑡𝑣2 − 𝑡𝑡𝑏𝑠𝑜𝑖 (𝑡𝑡𝑏𝑠𝑜𝑖 = 𝑡𝑠𝑑𝑑 = 69,54oC) (9)

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

Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:

2.6 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Chọn F = 10 m2 theo dãy chuẩn trang 276 [3]

III Tính kích thước của thiết bị cô đặc

d = 25 mm: đường kính ống truyền nhiệt ( vì α1 > α2 nên lấy d = dt = 0,025 m) l = Hd = 1,5 m: chiều dài ống truyền nhiệt

F = 10 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt → chọn n = 91 ống

Theo bảng V.11, trang 48, [4] bố trí theo hình lục giác đều Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth):

Áp dụng công thức (III.26) trang 121, [7]:

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (III – 52) trang 135, [6]:

L = 1,5 m: chiều dài của ống truyền nhiệt

Dnth = 0,273 + 2.0,003 = 0,279: đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm α = 60o: góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 10 m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

Theo tiêu chuẩn trang 274 [3] chọn Dt = 600 mm = 0,6 m Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Theo công thức 3.86, trang 202, [3], ta có: d0: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt m: số ống trên đường chéo

Số ống truyền nhiệt đã bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm Chọn m’ = 3 theo trang 48,

→ 𝑛 = ∑ 𝑛 − 𝑛′ = 91 − 7 = 84 ố𝑛𝑔: số ống truyền nhiệt còn lại Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt

𝐹 = 𝜋 𝐻𝑑(𝑛 𝑑𝑡+ 𝑑𝑡ℎ) = 𝜋 1,5 (84.0,025 + 0,273) = 11,182 > 10 (thỏa) Tính kích thước đáy nón của buồng đốt

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng đốt và đáy nón hgo = 40 mm

Ta thấy đường kính trong của đáy nón chính là đường kính trong của buồng đốt:

− Số ống truyền nhiệt là 84 ống có kích thước d là 25/28 mm − Một ống tuần hoàn giữa có đường kính dth = 273 mm − Đường kính vỏ buồng đốt Dd = 600 mm

− Chiều cao buồng đốt Hd = 1,5 m

− Diện tích bề mặt truyền nhiệt F = 10 m2

− Chiều cao đáy nón Hnón = 544 mm

ρh: khối lượng riêng của hơi ở áp suất buồng bốc P0 = 0,2575 at Tra bảng I.251, trang 314 , [1] ta có:

ρ’= 979,64 kg/ m3: khối lượng riêng của giọt lỏng, kg/m3 (tra bảng I.249, trang 311, [1]: tra ở nhiệt độ sôi của dung môi trong buồng bốc tsdm = 66,585 oC)

ρ”= ρh = 0,1624 kg/m3: khối lượng riêng của hơi thứ ớ áp suất buồng đốt p0 = 0,2575 at d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m tra trang 276, [3]

Chọn theo dãy chuẩn, lấy Db = 0,8 m Kiểm tra lại Re:

𝑅𝑒 = 3,876

0,92 = 4,785 (𝑡ℎỏ𝑎 𝑚ã𝑛 0,2 < 𝑅𝑒 < 500)

Chiều cao buồng bốc (Hb)

Theo công thức VI.34, trang 72, [4]: chiều cao của không gian hơi còn gọi là chiều cao buồng VKGH: thể tích không gian hơi, m3

Theo công thức VI.32, trang 71, [4]:

𝑉𝐾𝐺𝐻 = 𝑊 𝜌ℎ 𝑈𝑡𝑡, 𝑚

Trong đó:

W: lượng hơi thứ bốc lên khỏi thiết bị, kg/h

ρh: khối lượng riêng của hơi thứ ở P0 = 0,2575 at, kg/m3

ρh = 0,1624 kg/m3

Utt: cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thể tích nước bay hơi trên 1 đơn vị thể tích của không gian hơi trong 1 đơn vị thời gian)

Utt = f Utt_(1at)

Với:

f = 1: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển (xác định theo đồ thị hình VI.3, trang 72, [4])

Chọn Utt_(1 at) = 1600 m3/m3.h, theo trang 72, [4] Theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt, ta chọn: Hb = 2,5 m

Vậy chiều cao buồng bốc Hb = 2,5 m

Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc

Chọn chiều cao phần gờ giữa buồng bốc và nắp elip hgo = 40 mm

Ta thấy đường kính trong của nắp elip chính là đường kính trong của buồng bốc: Dt = 800

ρđ = 1048,31 kg/m3 (tra xđ = 12%, bảng I.86, trang 58, [1])

ω = 20 m/s ( chọn theo hơi quá nhiệt, trang 74, [4])

P0 = 0,2575 at  ρhơi thứ = 0,1626 kg/m3 (tra theo bảng I.250, trang 312, [1])

➢ Sơ lược về cấu tạo

Buồng đốt có đường kính trong Dt = 600 mm, chiều cao Ht = 1500 mm

Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng Vật liệu chế tạo là thép không gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

➢ Tính toán

− Bề dày tối thiểu S’: