LỜI MỞ ĐẦU Ngày phát triển công nghệ thực phẩm ngày mạnh Nhu cầu sử dụng loại hợp chất tinh khiết có nồng độ theo ý muốn thiếu Vì truyền nhiệt ngày chứng tỏ lĩnh vực đóng vai trò quan trọng, thiếu hầu hết trình thực phẩm Trong trình cô đặc có vai trò đặc biệt quan trọng Ví dụ trình cô đặc đường để tạo độ thích hợp Với tốc độ phát triển khoa học công nghệ nhanh chóng nay, cô đặc tỏ trình thiếu ngành công nghệ thực phẩm Nắm bắt nhu cầu cần thiết trình chế biến thực phẩm kiến thức số môn học khác có liên quan: truyền nhiệt, truyền khối Đề tài tính toán thiết kế hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều góp phần nhỏ để giúp sinh viên ngành công nghệ thực phẩm hình dung cách rõ ràng chi tiết thiết bị sử dụng lĩnh vực thực phẩm Trong đồ án này, nhóm em có nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc nước mía với suất đầu vào thiết bị 1000kg/mẻ nước mía Đây bước để thực công việc mẽ nên có nhiều sai sót Nhưng xem xét đánh giá khách quan thầy cô nguồn động viên khích lệ chúng em, để lần thiết kế sau thực tốt đẹp hơn, hoàn thiện Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Th.s Lê Nguyễn Tường Vi thầy cô khoa Sinh học ứng dụng trường Đại học Tây Đô tận tình giúp đỡ hướng dẫn chúng em suốt trình thiết kế Chúng em xin chân thành cảm ơn! DANH SÁCH BẢNG QUY ƯỚC KÝ HIỆU Để đơn giản việc thích tài liệu, quy ước ký hiệu sau: - [1 – x] – Sổ tay trình thiết bị Công nghệ hóa chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - [2 – x] – Sổ tay trình thiết bị Công nghệ hóa chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - [A – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế biến thực phẩm đa dụng, T.S Phan Văn Thơm - [5 – x] – Các trình thiết bị Công nghệ hóa chất thực phẩm, tập – Các trình thiết bị truyền nhiệt, chịu trách nhiệm xuất PGS.TS Tô Đăng Hải Với: x: số trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU I SƠ LƯỢC CHUNG VỀ NGUYÊN LIỆU 1.1 Giới thiệu Mía tên gọi chung số loài chi Mía (Saccharum), bên cạnh loài lau, lách Chúng loại cỏ sống lâu năm, thuộc tông Andropogoneae họ Hòa thảo (Poaceae), địa khu vực nhiệt đới ôn đới ấm Cựu giới Chúng có thân to mập, chia đốt, chứa nhiều đường, cao từ 2-6 m Tất dạng mía đường trồng ngày dạng lai ghép nội chi phức tạp Chúng trồng để thu hoạch nhằm sản xuất đường Một số loài mía • • • • • Saccharum barberi: Mía Saccharum bengalense: Mía Bengal Saccharum edule : Mía Saccharum officinarum: Mía (loài có trồng Việt Nam) Saccharum sinense: Mía lau Cây mía bao gồm phận (hay tổ chức) là: rễ, thân, lá, hoa hạt Mỗi phận mía có chức riêng Đối với sản xuất, chế biến, thân mía đối tượng chủ yếu, sản phẩm thu hoạch Hình Hình thái mía Đường hợp chất dạng tinh thể, ăn Các loại đường sucrose, lactose, fructose Vị giác người xem vị Đường loại thức ăn chứa carbonhydrate lấy từ đường mía củ cải đường, có trái cây, mật ong nhiều nguồn khác Con người sử dụng đường lâu, ban đầu người khai thác mía để lấy chất Người Ấn Độ khám phá cách tạo tinh thể đường khoảng vào triều đại Gupta năm 350, cách mạng nông nghiệp hồi giáo, công ty Ả rập thực kỹ thuật sản xuất đường Ấn Độ sau điều chỉnh biến thành ngành công nghiệp lớn Ả rập thành lập nhà máy đường đồn điền lớn Việc sử dụng đường sản xuất đường trờ nên phổ biến khắp giới Châu Á sang Châu Phi, Châu Âu dần đến Châu Mỹ Người ta sử dụng đường gia vị tạo mùi cho thức ăn chế biến kẹo, mứt, tráng miệng nhiều ứng dụng khác Ở nước ta việc sản xuất đường diễn lâu, ngành công nghiệp đường phát triển không ngừng từ việc tăng diện tích trồng mía đến việc tăng nhà máy sản xuất đường, việc sản xuất đường qui mô nhỏ thiết bị chưa tiên tiến nên việc cải tiến sản xuất nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi dây chuyền thiết bị công nghiệp, tăng hiệu trình cần thiết Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc quan trọng Ngày nhà máy sản xuất đường cỡ lớn khoảng 1500 ngày cần nguồn nhân lực thường xuyên khoảng 150 người để sản xuất liên tục 24 1.2 Đặc điểm sinh trưởng 1.2.1 Nhiệt độ Mía loại nhiệt đới nên đòi hỏi điều kiện độ ẩm cao Nhiệt độ bình quân thích hợp cho sinh trưởng mía 15-26⁰C Giống mía nhiệt đới sinh trưởng chậm nhiệt độ 21⁰C ngừng sinh trưởng nhiệt độ 13 ⁰C ⁰C chết Những giống mía nhiệt đới chịu rét tốt nhiệt độ thích hợp giống mía nhiệt đới Thời kì nảy mầm mía cần nhiệt độ 15⁰C tốt từ 26-33⁰C Mía nảy mầm nhiệt độ 15⁰C 40⁰C Từ 28-35⁰C nhiệt độ thích hợp cho mía vươn cao Sự dao động biên độ nhiệt ngày đêm liên quan tới tỉ lệ đường mía Giới hạn nhiệt độ thích hợp cho thời kì mía chin từ 15-20⁰C Vì tỉ lệ đường mía thường đạt mức cao cho vùng có khí hậu lục địa vùng cao 1.2.2 Ánh sáng Mía nhạy cảm với ánh sáng đòi hỏi cao ánh sáng Thiếu ánh sáng, mía phát triển không tốt, hàm lượng đường thấp Mía cần thời gian tối thiểu 1200 tốt 2000 Quang hợp mía tỉ lệ thuận với cường độ độ dài chiếu sáng Thiếu ánh sáng hút phân phân đạm, lân, kali hiệu ánh sáng đầy đủ Vì vùng nhiệt đới nhiệt đới mía vươn cao mạnh bắt đầu vào mùa hè có độ dài ngày tăng lên Chính vậy, nhân tố quan trọng định suất sản lượng mía 1.2.3 Độ ẩm Mía cần nhiều nước lại sợ úng nước Mía phát triển tốt vùng có lượng mưa từ 1500mm/năm Giai đoạn sinh trưởng mía yêu cầu lượng mưa từ 100170mm/tháng Khi chín cần khô ráo, mía thu hoạch sau thời gian khô khoảng tháng cho tỉ lệ đường cao Bởi nước nằm vùng khô hạn trồng mía tốt nơi mưa nhiều phân bố năm việc trồng mía không hiệu Gió bão làm đổ dẫn đến làm giảm suất, giảm phẩm chất Chính gió dấu hiệu quan trọng công tác dự báo lên kế hoạch chế biến tốn chi phí mà giá trị sản xuất phẩm chất mía nguyên liệu cao 1.2.4 Độ cao Độ cao có liên quan đến cường độ chiếu sáng mức chênh lệch nhiệt độ ngày đêm, ảnh hưởng đến khả tích tụ đường mía, điều ảnh hưởng đến hoạt động khâu quy trình chế biến Giới hạn độ cao cho mía sinh trưởng phát triển vùng xích đạo 1600m, vùng nhiệt đới 700-800 m 1.2.5 Đất trồng Mía loại công nghiệp khoẻ, dễ tính, không kén đất, trồng mía nhiều loại đất khác nhau, từ 70% sét đến 70% cát Đất thích hợp cho mía loại đất xốp, tầng canh tác sâu, có độ phì cao, giữ ẩm tốt dễ thoát nước Có thể trồng mía có kết nơi đất sét nặng đất than bùn, đất hoàn toàn cát, đất chua mặn, đất đồi, khô hạn màu mỡ Yêu cầu tối thiểu với đất trồng có độ sâu, độ thoáng định, độ pH không vượt giới hạn từ 4-9, độ pH thích hợp 5,5-7,5 Độ dốc địa hình không vượt 15(C, đất không ngập úng thường xuyên Những vùng đất đai phẳng giới vận tải tương đối thuận lợi bố trí trồng mía Ngoài người ta canh tác mía vùng gò đồi có độ dốc không lớn vùng trung du miền núi Tuy nhiên vùng địa bàn cần bố trí rãnh mía theo đường đồng mức để tránh sói mòn đất Ngành trồng mía cho hiệu kinh tế cao hình thành vùng chuyên canh có quy mô lớn 1.3 Phân bố Đất nước Việt Nam nằm gọn khu vực nội chí tuyến, phía Bắc 23°22B (Đồng Văn), phía Nam 8°30B (Cà Mau), vùng phân bố mía đường giới Khoảng 250 năm trước Công Nguyên, người Âu Lạc biết trồng mía lấy mật, nấu đường Nghề trồng mía nấu đường theo chân dân tộc Việt Nam xưa phát triển từ vùng núi trung du xuống đồng sông Hồng vào đàng Nam Ngãi, Bình Phú đồng sông Cửu Long Tùy theo điều kiện địa lợi, nhân hòa mà hình thành vùng mía lớn, nhỏ, rải rác Phúc Hòa (Cao Bằng) với đường thẻ, Vĩnh Trụ (Hà Nam) lưu vực sông Hồng với mật trầm, đường tán; đến đàng thời Trịnh - Nguyễn phân tranh Quảng Ngãi, lưu vực sông Trà Khúc với đường phèn, đường phổi tiếng, hay Bình Định, Phú Yên lưu vực sông Côn, sông Ba với đường muỗn, đường bông, đến Biên Hòa sông Đồng Nai, Bến Tre xuống Đồng sông Cửu Long Cho đến kỷ 19 nghề mía đường Việt Nam xem nghề phụ bên cạnh nghề trồng lúa Trồng mía đất sỏi, đất bãi không trồng lúa được, ép che thủ công, trâu bò kéo, công suất ép - 1,5 mía ngày, ép mía nấu đường vào vụ Đông Xuân miền Bắc Nam bộ; xuân hè miền Trung Mỗi vụ ép khoảng 100 ngày Mỗi lò che cần - mía (năng suất 35 - 45 tấn/ha), tương đương với diện tích đất trồng mía mười hộ nông dân thôn, làng Phổ biến sản xuất tư liệu có đường ăn vào trung thu, ngày tết Ở miền Trung có phần xuất bán cho thương buôn nước cửa Hội An Cuối kỷ 19, đầu kỷ 20, bắt đầu khí hóa nghề chế biến đường, che thủ công khí, xây dựng vài nhà máy đường 350 – 500 TMN Với công suất 500 TMN, suất mía khoảng 50 tấn/ha, cần vùng mía có diện tích rộng 1.500 mía thu hoạch, kể 1/3 diện tích đất luân canh 2.000 Nhà máy đường lớn dần từ 1.000 - 4.000 TMN vùng mía lớn: - Vùng có tiềm mía đường tốt: Duyên hải Nam Trung bộ, Gia Lai, Miền Đông Nam - Vùng tiềm trung bình: Thanh Hóa, Kon Tum, Đắk Lắk, phía Bắc Đồng sông Cửu Long - Vùng tiềm kém: Trung du Bắc bộ, Duyên hải Bắc Trung bộ, phía Nam Đồng sông Cửu Long 1.4 Giá trị kinh tế Mía nguồn nguyên liệu liệu ngành công nghiệp chế biến đường Đường mía chiếm 60% tổng sản lượng đường thô toàn giới Mía loại có nhiều chất dưỡng chất đạm, canxi, khoáng, sắt, nhiều đường, giúp người nhiệt, giải khát, xóa tan mệt mỏi, trợ giúp tiêu hóa cung cấp lượng cho bắp hoạt động Đường giữ vai trò quan trọng khầu phần ăn hàng ngày người, nhu cầu thiếu đời sống xã hộị So sánh với số công nghiệp khác, mía trồng có nhiều ưu điểm: - Xét mặt công nghiệp: Mía đa dụng, sản phẩm đường, mía nguyên liệu trực tiếp gián tiếp nhiều ngành công nghiệp nghiệp rượu, giấy, ván ép, dược phẩm, điện từ bã mía; thức ăn chăn nuôi, phân bón từ lá, mía, bùn lọc tro lò; rỉ đường dùng làm nguyên liệu công nghiệp để sản xuất nhiên liệu sinh học, rượu, dung môi aceton, butanol, nấm men, axit citric, lactic, aconitic glycerin, … Các sản phẩm phụ mía đường khai thác triệt để, giá trị gấp - lần phẩm (đường) Bã mía chiếm 25 - 30% trọng lượng mía đem ép Trong bã mía chứa trung bình 49% nước, 48% xơ (trong chứa 45 - 55% cellulose), 2.5% chất hòa tan (đường) Bã mía dùng làm nguyên liệu đốt lò, làm bột giấy, ép thành viên bán dùng kiến trúc, cao làm Furfural nguyên liệu cho ngành sợi tổng hợp Trong tương lai mà rừng ngày giảm nguồn nguyên liệu làm bột giấy, làm sợi từ rừng giảm mía nguyên liệu quan trọng để thay Mật rỉ chiếm - 5% trọng lượng đem ép Thành phần mật rỉ trung bình chứa 20% nước, đường saccharose 35%, đường khử 20%, tro 15%, protein 5%, sáp 1%, bột 4% trọng lượng riêng Từ mật rỉ cho lên men chưng cất rượu rum, sản xuất men loại Một mật rỉ cho men khô loại axit axetic, sản xuất 300 lít tinh dầu 3800 lít rượu Bùn lọc chiếm 1.5 - 3% trọng lượng mía đem ép Đây sản phẩm cặn bã lại sau chế biến đường Trong bùn lọc chứa 0.5% nitơ, 3% protein thô lượng lớn chất hữu Từ bùn lọc rút sáp mía để sản xuất nhựa xêrin làm sơn, xi đánh giầy, v.v… Sau lấy áp bùn lọc dùng làm phân bón tốt - Xét mặt sinh học: + Khả sinh khối lớn: Nhờ đặc điểm có số diện tích lớn (gấp 5-7 lần so với diện tích đất) khả lợi dụng cao ánh sáng mặt trời (tối đa tới - 7% trồng khác đạt - 2%), vòng 10 - 12 tháng, hecta mía cho suất hàng trăm mía khối lượng lớn xanh, gốc, rễ để lại đất + Khả tái sinh mạnh: Mía có khả để gốc nhiều năm, tức lần trồng thu hoạch nhiều vụ Sau lần thu hoạch, ruộng mía xử lý, chăm sóc, mầm gốc lại tiếp tục tái sinh, phát triển Năng suất mía vụ gốc đầu nhiều cao vụ mía tơ Ruộng mía để nhiều vụ gốc, giá trị kinh tế cao (giảm chi phí sản xuất) + Khả thích ứng rộng: Cây mía trồng nhiều vùng sinh thái khác (khí hậu, đất đai, khô hạn úng ngập, ), chống chịu tốt với điều kiện khắc nghiệt tự nhiên môi trường, dễ thích nghi với trình độ sản xuất từ thô sơ đến đại II THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MÍA Bảng Thành phần hóa học mía Nước 70 – 75% Đường – 15% Xơ 10 – 16% Đường khử 0.01 – 2% Chất không đường khác – 3% (Nguồn: Công nghệ đường mía – Nguyễn Ngộ) Bảng Thành phần nước mía Chất rắn hòa tan Saccarose Glucose Fructose Muối acid vô Muối acid hữu Acid hữu tự 100 70 – 88 2–4 2–4 1.5 – 4.5 1.0 – 3.0 0.5 – 2.5 Anbumin 0.5 – 0.6 Tinh bột 0.001 – 0.05 Chất keo 0.3 – 0.6 Chất béo sáp mía 0.05 – 0.15% Chất không đường chưa xác định 3.0 – 5.0 (Nguồn: Công nghệ đường mía – Nguyễn Ngộ) III TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA ĐƯỜNG MÍA 3.1 Tính chất vật lý đường mía Thành phần chủ yếu dung dịch đường mía : nước chiếm tỷ lệ nhiều (70 – 85%), saccharose (10 – 15 %) Saccharose thành phần quan trọng nhất, sản phẩm cuối trình sản xuất đường Có công thức phân tử C 12H22O11 cấu tạo từ hai loại đường đơn glucose fructose M = 342 (đvC) Có số tính chất vật lý : - Tồn dạng tinh thể, suốt, không màu - Tỷ trọng 1,5879 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 186 – 188oC - Độ hòa tan : tan tốt nước, độ hòa tan tăng nhiệt độ tăng Tuy nhiên dung dịch đường không tinh khiết độ hòa tan phụ thuộc vào chất không đường (Vd: KCl, NaCl, …có mặt làm độ hòa tan tăng, đường không kết tinh hoàn toàn mà tạo mật rỉ Ngược lại có glucose, fructose,CaCl 2, MgCl2 … làm giảm độ hòa tan) - Độ ngọt: gốc OH- tạo nên, dung dịch chứa nhiều đường khử (glucose, fructose) 3.2 Tính chất hóa học đường mía Dưới tác dụng xúc tác axit, saccharose bị thủy phân thành glucose fructose – trình chuyển hóa đường Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc vào : - pH nhiệt độ dung dịch: pH thấp, nhiệt độ cao tốc độ chuyển hóa đường tăng nhanh chóng - Thời gian: thời gian lâu tạo thành đường chuyển hóa nhiều, ảnh hưởng không tốt đến sản xuất đường làm tổn thất đường, gây khó khăn cho trình kết tinh đường Dưới tác dụng kiềm: saccharose có tính chất axit yếu: - Trong môi trường kiềm nhiệt độ cao kiềm đậm đặc saccharose bị thủy phân thành aldehyde, axeton, axit hữu tạp chất có màu vàng nâu Môi trường có pH lớn saccharose bị phân hủy nhiều - Dưới tác dụng kim loại iềm thổ, dung dịch đường biến thành sacarat, gây ảnh hưởng xấu đến sản xuất, làm tăng tổn thất đường độ nhớt dung dịch + Dưới tác dụng nhiệt độ >200oC saccharose nước tạo thành chất caramen có màu từ vàng tới nâu đen Phản ứng làm tăng độ màu dung dịch đường non, đường thành phẩm, màu khó loại bỏ IV BIẾN ĐỔI VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC TRONG QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 4.1 Sự thay đổi pH chuyển hoá đường Saccharose 4.1.1 Sự thay đổi pH Nguyên nhân giảm độ kiềm - Sự phân hủy amit CH2 - CONH2 CH2 - COOH + CHNH2 – COOH (Asparagin) HOH (nước) + NH3 CHNH2 – COOH (axit asparagin) (amoniac) - Phân huỷ đường khử tạo axit hữu - Sự tạo caramen đường saccharose (tác dụng nhỏ) Hiện tượng tăng pH thấy trình cô đặc Tuy nhiên, thao tác xông SO thông CO2 không hợp lí, độ kiềm dung dịch tăng lên: 2KHCO3 = 2KCO3 + CO2 + H2O 2KHSO3 = K2SO3 + SO2 + H2O 4.1.2 Chuyển hoá đường saccharose Dưới tác dụng nhiệt độ, môi trường pH tăng cao giảm thấp đường saccharose bị chuyển hoá, làm giảm lượng đường saccharose làm tăng lượng đường hoàn nguyên 4.2 Sự gia tăng màu sắc Trong điều kiện nhiệt độ cao, đường saccharose bị caramen hoá làm tăng màu sắc dịch nước mía Lượng caramen phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian truyền nhiệt pH Ngoài ra, đường khử bị phân huỷ hay kết hợp với hợp chất chứa nitơ tạo thành melanoidin làm tăng màu sắc nước mía 4.3 Độ tinh khiết tăng Độ tinh khiết tăng trình cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm Đối với phương pháp vôi độ tinh khiết tăng từ 0,7 – 1,0; phương pháp sunfit hoá độ tinh khiết tăng từ 0,8 – 1,0; phương pháp cacbonat hoá độ tinh kiết tăng 0,2 – 0,5 Độ tinh khiết tăng nguyên nhân: - Chất không đường bị phân hủy - Sự tạo cặn thiết bị cô đặc - Sự thay đổi góc quay riêng chất không đường đặc biệt đường khử 4.4 Sự tạo cặn Sự tạo cặn xuất phát từ nguyên nhân: - Cùng với việc nồng độ đường tăng cao, nồng độ tạp chất không ngừng tăng lên trình cô đặc Khi nồng độ tạp chất vượt độ bão hoà chúng lắng thành cặn - Các oxit kim loại dạng keo (oxit silic, oxit nhôm, oxit sắt) trình gia nhiệt tách dần khỏi dung dịch tạo thành cặn - Muối canxi hoà tan kết hợp với muối hoà tan kali natri tạo thành muối cacbonat kết tủa CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC I QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 1.1 Định nghĩa Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch hai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dể bay hơn) Đó trình vật lý - hóa lý 1.2 Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử áp suất bên tác dụng lên mặt thoáng mà trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp phải dùng đến thiết bị làm lạnh 1.3 Bản chất cô đặc nhiệt Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành (trạng thái tự do) tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phần tử đủ lượng thực trình Bên cạnh đó, bay chủ yếu bọt khí hình thành trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi cô đặc 1.4 Ứng dụng cô đặc Ứng dụng sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt nồng độ dung dịch theo yêu cầu, đưa dung dịch đến trạng thái bão hòa để kết tinh Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, dung dịch nước trái Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô … II THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 2.1 Phân loại Có nhiều cách phân loại khác tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo có loại chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên + Loại 1: Có buồng đốt trong; có ống tuần hoàn hay ống tuần hoàn + Loại 2: Có buồng đốt - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hoàn cưỡng bức) + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn + Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng + Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có buồng đốt hay + Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt hay 2.2 Các thiết bị chi tiết hệ thống cô đặc - Thiết bị chính: + Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt + Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp… - Thiết bị phụ: + Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu + Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không + Thiết bị gia nhiệt + Thiết bị ngưng tụ Baromet + Thiết bị đo điều chỉnh -Thiết bị ống tuần hoàn trung tâm g ồm: + Phòng đốt + Ống truyền nhiệt + Ống tuần hoàn + Nguyên tắc hoạt động: dung dịch phòng đốt ống đốt vào khoảng trống phía ống Khi làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp - lỏng có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống, còntrong ống tuần hoàn thể tích dung dịch đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt, lượng tạo ống hơn, vậy, khối lượng riêng hỗn hợp hơi– lỏng lớn ống truyền nhiệt, bị đẩy xuống Kết thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn lớn tốc độ cấp nhiệt dung dịch tăng làm giảm đóng cặn bề mặt truyền nhiệt Quá trình tuần hoàn tự nhiên thiết bị tiến hành liên tục nồng độ dung dịch đạt yêu cầu mở van đáy để tháo sản phẩm + Ưu nhược điểm : Ưu điểm: thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa làm sạch, hệ số truyền nhiệt K lớn, khó bị đóng cặn bề mặt gia nhiệt nên dùng để cô đặc dung dịch dễ bị bẩn tắt, dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm lượng Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian ống tuần hoàn trung tâm bị đun nóng CHƯƠNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Quá trình cô đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Quá trình cô đặc thực áp suất khác tùy theo yêu cầu kỹ thuật, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở làm việc áp suất thấp dùng thiết bị kín cô đặc chân không có ưu điểm giảm bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm nhiệt độ sôi dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch tăng) Cô đặc nhiều nồi trình sử dụng thứ thay cho đốt, có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt Nguyên tắc trình cô đặc nhiều nồi tóm tắt sau: nồi thứ nhất, dung dịch đun nóng đốt, thứ nồi đưa vào đun nồi thứ hai, thứ nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch vào nồi sang nồi kia, qua nồi bốc phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt nồi phải có chênh lệch nhiệt độ đốt dung dịch sôi, hay nói cách khác chênh lệch áp suất đốt thứ nồi, nghĩa áp suất làm việc nồi phải giảm dần thứ nồi trước đốt nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc áp suất dư, nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Thiết bị cô đặc nồi: 11 12 10 Sơ đồ hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều 1- thùng dung dịch đầu 5- thiết bị đun nóng 9- nước ngưng 2- bơm 6- dung dịch vào cô đặc 10- sản phẩm cuối 3- thùng cao vị 7- đốt 11- nước làm lạnh 4- lưu lượng kế 8- thứ 12- hệ thống Baromet III THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Dung dịch nước mía đầu từ thùng chứa bơm lên thùng cao vị Từ dung dịch đưa qua lưu lượng kế, qua thiết bị đun nóng để đạt nhiệt độ ban đầu mong muốn, sau đưa vào nồi cô đặc để thực trình bốc Hơi đốt đưa vào nồi nước bão hòa Dung dịch vào nồi 1, bên ống truyền nhiệt đốt phía ống truyền nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra, dung dịch nâng nhiệt độ lên đến nhiệt độ sôi bắt đầu bốc Ở dung dịch cô đặc tuần hoàn tự nhiên chuyển sang nồi nhờ chênh lệch áp suất nồi Hỗn hợp – lỏng bốc lên với tốc độ lớn, va đập vào cạnh hình zigzag phận tách bọt (bộ phận phân ly lỏng – hơi) giọt chất lỏng rơi trở lại Hơi thứ nồi dùng làm đốt cho nồi Ở nồi dung dịch cô đặc tuần hoàn tự nhiên mở van xả vào bồn chứa Dung dịch chuyển từ nồi sang nồi vào bồn chứa cách tự nhiên liên tục Hơi thứ nồi đưa vào thiết bị ngưng tụ CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ I TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT, CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 1.Dữ kiện ban đầu Dung dịch nước mía  Nồng độ đầu: xđ = 10%  Nồng độ cuối: xc = 70%  Khối lượng đầu vào : Gđ = 1000 (kg/h)  Hơi đốt nước bão hòa có P = 3at 1.1 Cân vật chất 1.1.1.Suất lượng sản phẩm: Áp dụng phương trình cân vật chất: Gđ.xđ = Gc.xc ⇒ Gc= = =142,86 (kg/h ) 1.1.2 Lượng thứ bốc lên toàn hệ thống WΣ = Gđ (1 -) = 1000 (1 - ) = 857,14 (kg/h) (Trang 105 Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế biến thực phẩm – Phan Văn Thơm) Trong đó: - WΣ: Lượng thứ hệ thống cô đặc, kg/mẻ - Gđ: Lượng dung dịch ban đầu, kg/mẻ - Xđ, Xc: Nồng độ đầu cuối dung dịch, % chất khô 1.1.2 Lượng thứ bốc lên nồi Để đảm bảo việc dùng toàn thứ nồi trước cho nồi sau thường người ta dùng cách lựa chọn áp suất lưu lượng nồi thích hợp Ở ta chọn Lượng thứ bốc từ nồi: WΣ = W1+ W2=857,14 (kg/h) (2) Từ (1) (2), ta có: ⇒ 1.1.3 Xác định nồng độ dung dịch nồi Nồng độ cuối khỏi nồi thứ nhất: = Gđ = 1000 = 18,15% Nồng độ cuối khỏi nồi thứ II: = Gđ = 1000 = 70 % 1.2 Cân nhiệt lượng 1.2.1 Xác định áp suất nhiệt độ nồi Áp suất đốt vào nồi I: P1 = 3at Áp suất ngưng tụ: P = 0,5at Hiệu số áp suất hệ thống: P1 – Png = 3− 0,5= 2,5 at (1) - P1: Áp suất đốt nồi I, at - Png: Áp suất tháp ngưng tụ, at Tỉ số phân phối áp suất nồi: Từ (1) (2) ta có: ⇒ Áp suất thứ nồi: Nồi I: Pht1 = P1 − ΔP1 = − 1,54 = 1,46at Nồi II: Pht2 = Pht1 − ΔP2 = 1,46 − 0,96 = 0,5at Áp suất đốt nồi thứ II: ΔP2 = P2 − Png ⇒P2 = ΔP2 + Png = 0,96 + 0,5 = 1,46at Bảng 1: Áp suất nhiệt độ đốt thứ nồi Hơi đốt Hơi thứ Nồi I Áp suất Nhiệt độ (at) (oc) TI = P1 = 132,9 Pht1 = 1,46 t1= 109,9 Nồi II Áp suất Nhiệt độ (at) (oc) TII = P2 = 1,46 109,9 Pht2 = 0,5 t2 = 80,9 Tháp ngưng tụ Áp suất Nhiệt độ (at) (oc) Png = 0,5 Tng = 80,9 (Nguồn: Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập – Nguyễn Bin) 1.2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất - Tổn thất nhiệt độ nồng độ tăng cao Áp dụng công thức Tisenco: =0.f : Tổn thất nhiệt áp suất thường f: Hệ số hiệu chỉnh thiết bị cô đặc làm việc áp suất khác với áp suất thường( áp suất khí quyển) f = 16,2 =16,2 tht1: nhiệt độ thứ nồi I r: ẩn nhiệt hóa hơi nhiệt độ thti f1= 16.2 = 1,06 r1= 2234.103 (J/kg) f2= 16.2= 0,88 r2= 2307.103 (J/kg) Nồi I: xc= 18,15% Nồi II: xc= 70% = 50C (Dựa vào hình VI.2[2]/60) ⇒.f1=0,221,06 = 0,2330C f2= 0,88 = 4,40C Tổng tổn thất nhiệt nồng độ Σ=+ = 0,233 + 4,4 = 4,633 0C Tổn thất áp suất thủy tĩnh (): Chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến ống ΔP ΔP = tbg Hop (N/m2) (Theo sách trình thiết bị truyền nhiệt, ĐHCN.TP.HCM) tb : Khối lượng riêng trung bình dung dịch nồi lúc sôi bọt (kg/m3) dd : Khối lượng riêng dung dịch đặc lúc bọt (đơn vị) Hop : Chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m) Hop = [0,26 + 0,0014(dd – dm)].H0 Ptbi = Phti + ΔPi (i nồi thứ i) Xc (%) Nhiệt độ (0C) dd (kg/m3) Nồi I 18,15 108,7 1074,71 951,96 Nồi II 70 80,9 1349,56 971,56 dm (kg/m3) ( dd tra bảng 1.86[1 - 58]; dm tra bảng 1.249[1 - 311]) Coi dd nồi không thay đổi đáng kể khoảng nhiệt độ xét Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H0= 1,5m Nồi I: Hop = [0,26 + 0,0014(1074,71 – 951,96)].1,5 = 0,517(m) Áp suất trung bình: ΔP1= =0,013626(at) Ptb1.g.Hop1= 0,5.1074,71.9,81.0,516=1362,67N/m2 ⇒Ptb1= Pht1+ ΔP1= 1,46+ 0,013626= 1,4736 (at) Dựa vào bảng 1.251[1]/315 Ptb1=1.47at ⇒ t0tb1=110,10C ⇒= ttb1- tht1= 110,1- 109,9= 0,20C Nồi II: Hop2= [0,26+ 0,0014(1349,56-974,56)].1,5= 1,177(m) ΔP2= Ptb2.g.Hop2 = 0,5.1349,56.9,81.1,17 = 3872,46 (N/m2) = 0,03872(at) Ptb2= Pht2 + ΔP2=0,5+0,03872= 0,5387 0,54(at) Dựa vào bảng 1.251[1]/315 Ptb2=0,54at ⇒ t0tb1=82,740C ⇒= ttb2- tht2= 82,7-80,9=1,80C Vậy tổn thất nhiệt áp suất thủy tĩnh: Σ=+ = 0,2+ 1,8= 2,00C a Tổn thất trở lực thủy lực (: Chấp nhận tổn thất nhiệt độ đoạn ống dẫn thứ từ nồi sang nồi từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ 10C Theo đó, ta có: 11,50 nồi Chọn ==10C ⇒ Σ=+=1+1=20C Tổng tổn thất nhiệt Σ= Σ= 4,633+2+2=8,630C b Hiệu số hữu ích nhiệt độ sôi nồi: Hiệu số hữu ích nồi: Nồi I: = T1 (T2+ Σ) = 132,9(109,9+0,233+0,2+1)=21,5670C Nồi II: = T2 (tng+ Σ) = 109,9(80,9+4,4+1,8+1) = 21,80C Nhiệt độ sôi thực tế dung dịch nồi: Nồi I: = T1ts1⇒ ts1= T1= 132,9 111,3330C Nồi II: = T2ts2⇒ ts2= T2= 109,9 88,10C 2.3.1 Cân nhiệt lượng: a Tính nhiệt dung riêng dung dịch nồi: Dựa vào công thức 1.50[I]/153: C=4190 − (2514−7,542.t).x (J/kgđộ) - t: nhiệt độ sôi thực tế dung dịch 0C - x: nồng độ dung dịch (%) Nhiệt dung riêng dung dịch đầu ( tđ=111,3330C, x=10%): Cđ=4190−(2514−7,542.111,333).0,1=4022,567 (J/kgđộ) Nhiệt dung riêng dung dịch khỏi nồi I ( ts=111,3330C, x=18,15%): C1= 4190−(2514−7,542.111,333).0,1815=3886,109(J/kgđộ) Nhiệt dung riêng dung dịch khỏi nồi thứ II ( ts=88,10C, x=70%): C2= 4190−(2514−7,542.88,1).0,7=2895,31 (J/kgđộ) b Lập phương trình cân nhiệt lượng: Nồi I: D.i+Gđ.Cđ.tđ=W1.i1+(Gđ−W1).C1.t1+D.Cng1.+Qxq1 (1) Nồi II: W1.i1+( Gđ−W1).C1.t1= W2.i2+(Gđ−W).C2.t2+W1.Cng2.+Qxq2 (2) - D: lượng đốt dùng cho hệ thống (kg/h) - i,i1,i2: hàm nhiệt đốt, thứ nồi I nồi II (J/kg) - tđ,t1,t2: nhiệt độ sôi ban đầu, khỏi nồi I nồi II dung dịch (J/kgđộ) - , : nhiệt độ ngưng tụ nồi I nồi II (0C) - Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng nước nồi I nồi II (J/kgđộ) - Qxq1, Qxq2: nhiệt mát môi trường xung quanh (J) - Gđ: lượng dung dịch lúc ban đầu (kg/h) Chọn nước ngưng tụ trạng thái lỏng sôi nhiệt độ Ta có: i−Cng1.= r() i1−Cng2.= r() Đầu vào Đầu nồi I Đầu nồi II tđ=111,3330C t1=111,3330C t2= 88,10C Cđ=4022,567 (J/kgđộ) C1=3886,109 (J/kgđộ) C2=2889,51 (J/kgđộ) Gđ=1000 (kg/h) Gc=142,86 (kg/h) W1= (kg/h) W2= (kg/h) =132,90C =109,9 0C =80,90C ip=2730.(J/kg) i1=2695.(J/kg) i2=2645.(J/kg) Cng1=4272,09 (J/kgđộ) Cng2=4232,87 (J/kgđộ) (i tra bảng I.250[I]/312; C tra bảng I.249[I]/310) Cho Qxq1=0,05.D(iCng1 Q1) Qxq2=0,05.W(i1Cng2.Q2) Từ (2) ⇒ W1.i1+ (Gđ − W1).C1.t1= (W− W1).i2+ (Gđ−W).C2.t2+W1.Cng2.+0,05.W(i1− Cng2 ⇔W1.i1+Gđ.C1.t1−W1.C1.t1=W.i2−W1.i2+Gđ.C2.t2−W.C2.t2+W1.Cng2.+0,05.W.i1− 0,05.W.Cng2 W1.i1−W1.C1.t1+W1.i2−W1.Cng2.W(i2−C2.t2+0,05.i1−0,05.Cng2.2)+Gđ(C2.t2− C1.t1) ⇔W1(i1− C1.t1+ i2 − Cng2.) = W(i2− C2.t2+0,05.i1−0,05.Cng2.2) + Gđ(C2.t2− C1.t1) Lượng thứ bốc lên nồi I: W1= W1= 442,65(kg/h) ⇒ Lượng thứ bốc lên nồi II: W= W1+ W2= 857,14 ⇒ W2= 857,14-442,65=414,49(kg/h) c Kiểm tra giả thiết phân bố thứ nồi: Nồi I: C%= 100% = 1,43% < 5% (1) Nồi II: C%= *100% = 1,52 % [...]... nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Thiết bị cô đặc 2 nồi: 11 8 12 3 4 6 7 9 5 1 10 2 Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều 1- thùng dung dịch đầu 5- thiết bị đun nóng 9- nước ngưng 2- bơm 6- dung dịch vào cô đặc 10- sản phẩm cuối 3- thùng cao vị 7- hơi đốt 11- nước làm lạnh 4- lưu lượng kế 8- hơi thứ 12- hệ thống Baromet III THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ... tăng) Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi. .. theo công thức VI.7[2]/58) - D: lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/mẻ) - W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/mẻ) CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 3.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 3.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp: Nồi I: Nồi II: 3.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt k của mỗi nồi: k (W/m2.K) hoặc k Nhiệt tải trung bình: Nồi I: q1: nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị: Hệ. .. CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được... trong toàn hệ thống WΣ = Gđ (1 -) = 1000 (1 - ) = 857,14 (kg/h) (Trang 105 Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm – Phan Văn Thơm) Trong đó: - WΣ: Lượng hơi thứ của hệ thống cô đặc, kg/mẻ - Gđ: Lượng dung dịch ban đầu, kg/mẻ - Xđ, Xc: Nồng độ đầu và cuối của dung dịch, % chất khô 1.1.2 Lượng hơi thứ bốc lên trong các nồi Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau thường... Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài 2.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc - Thiết bị chính: + Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt + Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp… - Thiết bị phụ: + Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu + Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không + Thiết bị gia nhiệt + Thiết bị ngưng tụ Baromet + Thiết bị đo và điều chỉnh -Thiết bị ống tuần hoàn... dùng cho hệ thống (kg/h) - i,i1,i2: hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I và nồi II (J/kg) - tđ,t1,t2: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I và nồi II của dung dịch (J/kgđộ) - , : nhiệt độ ngưng tụ của nồi I và nồi II (0C) - Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ở nồi I và nồi II (J/kgđộ) - Qxq1, Qxq2: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J) - Gđ: lượng dung dịch lúc ban đầu (kg/h) Chọn nước ngưng tụ... thứ bốc lên ở nồi I: W1= W1= 442,65(kg/h) ⇒ Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi II: W= W1+ W2= 857,14 ⇒ W2= 857,14-442,65=414,49(kg/h) c Kiểm tra giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi: Nồi I: C%= 100% = 1,43% < 5% (1) Nồi II: C%= *100% = 1,52 % ... suất dư, nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Thiết bị cô đặc nồi: 11 12 10 Sơ đồ hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều 1- thùng dung dịch đầu 5- thiết bị đun nóng 9- nước ngưng... nóng CHƯƠNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I CƠ SỞ LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Quá trình cô đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Quá trình cô đặc thực áp suất khác tùy... đưa vào đun nồi thứ hai, thứ nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Còn dung dịch vào nồi sang nồi kia, qua nồi bốc phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để