Tài liệu Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi chân không cô đặc nước quả từ 8 bx lên 20 bx với năng suất 500 [kg.h 1]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾẾT BỊ TRONG CNSH & CNTP  ĐỒỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH QUÁ TRÌNH THIÊẾT BỊ TRONG CNSH & CNTP Đềề tài: Tính Toán Và Thiếết Kếế Thiếết Bị Cô Đặc Một Nôồi Chân Không Cô Đặc Nước Quả Từ 8 Bx Lến 20 Bx Với Năng Suâết 500 [Kg.h-1] Lớp: Kĩ Thuật Thực Phẩm 01 – K57 GVHD: PGS. TS. Tôn Thâết Minh Hà Nội 2016 ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH LỜI NÓI ĐẤỒU Việt Nam chúng ta là một nước nhiệt đới gió mùa nến râết thích h ợp cho s ự phát triển của các cây ăn quả nhiệt đới quanh năm phát tri ển. Năếm băết đ ược lợi thếế này, chúng ta đã phát triển các vùng trôồng cây ăn qu ả r ộng l ớn, cho năng suâết cao, đáp ứng được nhu câồu tiếu thụ trong nước và xuâết kh ẩu quôếc tếế. Tuy nhiến, cùng với sự phát triển của kinh tếế - xã h ội, nhu câồu vếồ tiếu th ụ các loại hoa quả không chỉ dừng lại ở hoa quả tươi mà còn các sản phẩm khác từ hoa quả như: nước hoa quả, mứt, sữa hoa quả,… Điếồu này yếu câồu câồn ph ải có một phương pháp sơ chếế và chếế biếến nước quả thành sản phẩm hay bán thành phẩm nhăồm bảo quản hay làm nguyến liệu cho các quá trình sau. Hiện tại, đôếi với hoa quả tươi, các phương pháp b ảo qu ản ch ủ yếếu là làm lạnh hoặc bảo quản băồng CO 2. Tuy nhiến, các phương pháp này chỉ bảo quản được trong thời gian vài tháng, hơn nữa chi phí m ặt băồng và năng l ượng cao. Do vậy, nếếu sản phẩm không yếu câồu giữ nguyến qu ả thì m ột trong nh ững phương pháp được chọn để bảo quản nguyến liệu, phục vụ cho các quá trình sau là ép lâếy nước sau đó cô đặc. Phương pháp này sẽẽ đ ảm b ảo cho vi ệc hoa quả ngay khi nhập kho sẽẽ được chếế biếến ngay để nhăồm đ ảm b ảo châết l ượng nguyến liệu. Hơn nữa, hoa quả sau khi sơ chếế thẽo phương pháp này sẽẽ b ảo quản được trong thời gian lâu hơn; chi phí vếồ m ặt băồng và năng l ượng ít h ơn so với bảo quản hoa quả tươi. Năếm băết được các yếu câồu và nhu câồu ngày càng cao vếồ lo ại thiếết b ị cô đ ặc nước quả, ẽm được PGS. TS. Tôn Thâết Minh giao cho đếồ tài: “Tính toán và thiếết kếế thiếết bị cô đặc một nôồi chân không cô đặc n ước qu ả t ừ 8 Bx lến 20 Bx v ới năng suâết 500 [Kg.h-1]”. Do kinh nghiệm cũng như kiếến thức thực tếế còn hạn chếế, ẽm râết mong các thâồy cô trong bộ môn giúp đỡ để đôồ án chuyến ngành I c ủa ẽm đ ược hoàn thi ện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤ 2Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH LỜI NÓI ĐẤỒU........................................................................................................................................................... 2 MỤC LỤC................................................................................................................................................................. 3 PHẤỒN I: ĐẶT VẤẾN ĐẾỒ.......................................................................................................................................... 5 1. Tính câếp thiếết của đếồ tài..................................................................................................................... 5 2. Mục đích của đếồ tài, khả năng ứng dụng và phát triển.......................................................7 3. Yếu câồu chung.......................................................................................................................................... 7 PHẤỒN II: PHẤỒN TỔNG QUAN........................................................................................................................... 8 1. Tổng quan vếồ các loại nước quả..................................................................................................... 8 a. Các loại quả lâếy nước chủ yếếu................................................................................................... 8 b. Quy mô trôồng trọt và tiếồm năng phát triển..........................................................................8 c. Giá trị dinh dưỡng và lợi ích đôếi với sức khỏẽ.................................................................10 2. Tổng quan vếồ quá trình cô đặc...................................................................................................... 11 a. Khái niệm, phân loại quá trình cô đặc.................................................................................11 b. Những biếến đổi của nguyến liệu trong quá trình cô đặc............................................12 c. Cô đặc chân không........................................................................................................................ 12 d. Phân loại các hệ thôếng cô đặc (sử dụng nhiệt) và nguyến lý hoạt động............13 PHẤỒN III: PHẤỒN TÍNH TOÁN THIẾẾT KẾẾ.................................................................................................... 14 A. CÁC THÔNG SÔẾ CƠ BẢN............................................................................................................. 14 1. Thông sôế dịch cô đặc.......................................................................................................................... 14 2. Thông sôế hơi đôết, nước ngưng và hơi thứ................................................................................14 B. TÍNH TOÁN CẤN BẰỒNG VẬT CHẤẾT VÀ NẰNG LƯỢNG..................................................15 1. Sơ đôồ, nguyến lý làm việc của hệ thôếng....................................................................................15 a. Sơ đôồ hệ thôếng................................................................................................................................ 15 b. Nguyến lý làm việc........................................................................................................................ 16 2. Tính toán cân băồng vật châết........................................................................................................... 16 3. Phương trình cân băồng nhiệt lượng...........................................................................................17 4. Tính bếồ mặt truyếồn nhiệt................................................................................................................. 18 a. Chọn ôếng đôết.................................................................................................................................... 18 b. Tính hệ sôế truyếồn nhiệt K........................................................................................................... 18 c. Tính hiệu nhiệt độ có ích........................................................................................................... 20 C. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾẾT BỊ CHÍNH....................................................................................21 1. Tính buôồng đôết...................................................................................................................................... 21 3Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH a. b. c. d. GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH Tính sôế ôếng trao đổi nhiệt......................................................................................................... 21 Xác định đường kính ôếng đôếi lưu........................................................................................... 21 Cách săếp xếếp ôếng trến vỉ ôếng.................................................................................................... 22 Tính đường kính buôồng đôết....................................................................................................... 22 2. Tính kích thước không gian bôếc hơi............................................................................................23 a. Tính bán kính buôồng bôếc hơi (Dbh).........................................................................................23 b. Tính chiếồu cao buôồng bôếc hơi................................................................................................... 24 3. Tính chiếồu dày thiếết bị bôếc hơi....................................................................................................... 25 a. Chiếồu dày phâồn thân buôồng đôết của thiếết bị......................................................................25 b. Chiếồu dày thân buôồng bôếc hơi thiếết bị..................................................................................26 4. Tính chiếồu dày đáy và năếp thiếết bị............................................................................................... 26 D. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾẾT BỊ PHỤ..................................................................................28 1. Tính thiếết bị gia nhiệt trước cô đặc............................................................................................ 28 a. Tính nhiệt lượng tiếu hao.......................................................................................................... 28 b. Tính bếồ mặt truyếồn nhiệt........................................................................................................... 29 c. Tính kích thước thiếết bị............................................................................................................... 31 2. Tính thiếết bị ngưng tụ Baromẽt.................................................................................................... 33 a. Thể tích khí không ngưng câồn hút ra khỏi thiếết bị........................................................33 b. Tính đường kính của thiếết bị ngưng tụ...............................................................................33 c. Kích thước ôếng Baromẽt............................................................................................................. 34 d. Kích thước tâếm ngăn.................................................................................................................... 35 ẽ. Chiếồu cao thiếết bị............................................................................................................................ 36 f. Chiếồu cao ôếng baromẽt................................................................................................................ 36 3. Tính chọn bơm chân không............................................................................................................. 37 PHẤỒN IV: KẾẾT LUẬN......................................................................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................... 40 4Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH PHẤỒN I: ĐẶT VẤẾN ĐẾỒ 1. Tính câếp thiếết của đếồ tài Thẽo một khảo sát onlinẽ trến trang https://vinarẽsẽarch.nẽt/ hướng sử dụng các loại nước giải khát ở Việt Nam năm 2013 cho biếết: vếồ xu Xu hướng nổi lến trong vài năm gâồn đây là sử d ụng các lo ại n ước ép trái cây và nước ép trái cây chứa sữa để bổ sung dưỡng châết cho c ơ th ể. Trến k ệ các siếu thị xuâết hiện ngày càng nhiếồu các loại nước ép. Thẽo kh ảo sát c ủa Công ty nghiến cứu thị trường W&S từ 402 mâẽu có tổng thu nhập gia đình trến 7 triệu đôồng/tháng, vếồ nhu câồu và thói quẽn sử dụng các lo ại n ước ép trái cây đóng gói, kếết quả có 62% người tiếu dùng lựa chọn n ước ép trái cây, trong khi nước giải khát có ga chỉ có 60%. Đáng lưu ý là có hơn một n ữa sôế ng ười đ ược khảo sát có thói quẽn uôếng nước ép trái cây môẽi ngày. Nước cam ép được nhiếồu người lựa chọn hơn các loại nước ép khác. Các loại nước ép trái cây nhãn hiệu Vfrẽsh của Công ty Vinamilk đ ược ưa chu ộng nhiếồu nhâết, chiếếm 69,3%, kếế đếến là nước ép trái cây của Công ty Tân Hi ệp Phát. Nhà máy Chương Dương, ngoài những sản phẩm truyếồn thôếng đ ược biếết đếến nhiếồu như sá xị, soda, cam còn cho ra dòng sản phẩm n ước gi ải khát nha đam, dứa, cà rôết… 5Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH Xu hướng người tiếu dùng chuyển sang sử dụng các lo ại n ước qu ả thì có nhiếồu lý do, tuy nhiến chủ yếếu là vếồ lý do sức khỏẽ và nhu câồu s ử d ụng ngày càng cao.  Lý do sử dụng nước quả (nguôồn: Vinarẽsẽarch ):  Tâồn suâết sử dụng nước quả (nguôồn: Vinarẽsẽarch): Năếm băết được các nhu câồu cao của thị trường, các doanh nghi ệp và c ơ s ở chếế biếến ngày càng phát triển và kèm thẽo đó là nhu câồu vếồ thiếết b ị, đ ặc bi ệt là thiếết bị cô đặc nước quả. Do vậy, đếồ tài tính toán và thiếết kếế thiếết b ị cô đ ặc nước quả là hoàn toàn câồn thiếết và đúng đăến. 6Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH 2. Mục đích của đếồ tài, khả năng ứng dụng và phát triển Mục đích của đếồ tài là tính toán và thiếết kếế thiếết bị cô đặc n ước qu ả v ới năng suâết 500 [Kg.h-1] (quy mô vừa và nhỏ) để tạo sản phẩm hoặc bán thành phẩm nhăồm tiện lợi cho việc bảo quản và chếế biếến sau này. Đ ảm b ảo châết lượng nguyến liệu đâồu vào và giảm chi phí mặt băồng và năng l ượng. Thiếết bị cô đặc chân không không chỉ câồn thiếết trong công ngh ệ s ản xuâết nước quả mà còn được sử dụng nhiếồu trong công ngh ệ s ản xuâết các lo ại s ản phẩm khác như: tương cà, tương ớt,… hay cô đặc đường (trong sản xuâết đường). Do vậy, khả năng ứng dụng và phát triển râết cao vì thếế mà thiếết b ị cô đặc cũng được thiếết kếế trong một dải rộng ứng với nhiếồu chếế đ ộ công ngh ệ c ủa nhiếồu sản phẩm khác nhau. Từ đó góp phâồn gia tăng giá tr ị cho s ản ph ẩm cho nông sản Việt Nam, giải quyếết bài toán vếồ b ảo qu ản nông s ản sau thu ho ạch. 3. Yếu câồu chung Thiếết bị cô đặc nước quả được thiếết kếế phải đảm b ảo m ột sôế các yếu câồu sau: - Yếu câồu vếồ thiếết bị:  Buôồng đôết và buôồng bôếc hơi phải đủ lớn, đáp ứng yếu câồu công ngh ệ;  Có khả năng đo nhiệt độ, áp suâết bến trong buôồng bôếc và buôồng đôết;  Có van điếồu khiển cường độ hơi vào;  Có kính quan sát;  Nhỏ gọn, dếẽ chếế tạo và lăếp đặt;  Dếẽ vệ sinh, bảo dưỡng. - Yếu câồu vếồ công nghệ:  Năng suâết (thẽo sản phẩm): 500 [Kg.h-1];  Nhiệt độ cô đặc (bôếc hơi): 60 oC;  Nôồng độ đạt 20 Bx khi ra khỏi thiếết bị.  Tổn thâết châết khô ít nhâết. 7Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH PHẤỒN II: PHẤỒN TỔNG QUAN 1. Tổng quan vếồ các loại nước quả a. Các loại quả lâếy nước chủ yếếu Trến thực tếế, có râết nhiếồu các loại quả được sử dụng để làm n ước qu ả nhưng chủ yếếu, được ưa chuộng nhâết là cam,táo và chanh. Thẽo m ột kh ảo sát onlinẽ trến trang https://vinarẽsẽarch.nẽt/ năm 2013, ta thâếy được xu hướng sử dụng nước quả được thể hiện trến biểu đôồ bến dưới. b. Quy mô trôồng trọt và tiếồm năng phát triển Thẽo trung tâm thông tin thương mại (http://www.agro.gov.vn) trong bài viếết “thực trạng và phát triển cây ăn trái đếến năm 2015” – năm 2006 cho biếết: - Quy mô trôồng trọt: Diện tích cây ăn quả cả nước trong thời gian qua tăng khá nhanh, năm 2005 đạt 766,9 ngàn ha (so với năm 1999 tăng thếm ngàn ha, tôếc đ ộ tăng bình quân là 8,5%/năm), cho sản lượng 6,5 triệu tâến (trong đó chuôếi có s ản l ượng lớn nhâết với khoảng 1,4 triệu tâến, tiếếp đếến cây có múi: 800 ngàn tâến, nhãn: 590 ngàn tâến). Vùng Đôồng băồng sông Cửu Long có diện tích cây ăn qu ả l ớn nhâết 8Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH (262,1 ngàn ha), sản lượng đạt 2,93 triệu tâến (chiếếm 35,1% vếồ di ện tích và 46,1% vếồ sản lượng). Do đa dạng vếồ sinh thái nến chủng loại cây ăn quả của nước ta râết đa d ạng, có tới trến 30 loại cây ăn quả khác nhau, thuộc 3 nhóm là: cây ăn quả nhi ệt đới (chuôếi, dứa, xoài…), á nhiệt đới (cam, quýt, vải, nhãn…) và ôn đ ới (m ận, lế…). Một trong các nhóm cây ăn quả lớn nhâết và phát triển m ạnh nhâết là nhãn, v ải và chôm chôm. Diện tích của các loại cây này chiếếm 26% t ổng di ện tích cây ăn quả. Tiếếp thẽo đó là chuôếi, chiếếm khoảng 19%. Trến địa bàn cả nước, bước đâồu đã hình thành các vùng trôồng cây ăn qu ả khá tập trung, cho sản lượng hàng hoá lớn. Riếng trái cam đ ược trôồng t ập trung ở ĐBSCL, với diện tích 28,7 ngàn ha, cho sản lượng trến 200 ngàn tâến. Địa phương có sản lượng lớn nhâết là tỉnh Vĩnh Long: năm 2005 cho s ản l ượng trến 47 ngàn tâến. Tiếếp thẽo là các tỉnh Bếến Trẽ (45 ngàn tâến) và Tiếồn Giang (42 ngàn tâến). Trến vùng Trung du miếồn núi phía Băếc, cây cam sành cùng đ ược trôồng khá tập trung ở tỉnh Hà Giang, tuy nhiến, sản lượng m ới đ ạt gâồn 20 ngàn tâến. - Tiếồm năng phát triển: Thẽo đếồ án qui hoạch chuyển đổi cơ câếu sản xuâết nông, lâm nghi ệp, thu ỷ sản cả nước đếến năm 2010 và tâồm nhìn 2020 mới nhâết c ủa Th ủ t ướng Chính phủ thì trong đó, đôếi với cây ăn quả Chính phủ định hướng: Trong nh ững năm tới mở rộng diện tích 11 loại cây ăn quả có lợi thếế. Diện tích cây ăn qu ả đếến năm 2010 đạt 1 triệu ha, tâồm nhìn năm 2020 kho ảng 1,3 tri ệu ha. Bôế trí ch ủ yếếu ở Trung du miếồn núi phía Băếc, Đôồng băồng Sông Cửu Long, Đông nam b ộ, Đôồng băồng Sông Hôồng và một sôế vùng khác có đủ điếồu ki ện. Rà soát chương trình phát triển rau quả, hoa cây cảnh đếến 2010 và qui hoạch 11 loại cây ăn quả chủ lực xuâết khẩu (bao gôồm: Cam sành, B ưởi Năm Roi, Bưởi da xanh, Xoài cát Hoà Lộc, Sâồu riếng, Măng c ụt, Thanh long, Vú s ữa Lò rèn, Vải, Nhãn xuôồng cơm vàng và D ứa. Qua đây ta có thể thâếy được diện tích cây ăn quả càng ngày càng tăng trong đó có cây cam – loại nước hoa quả được sử dụng phổ biếến nhâết, sẽẽ đ ược đâồu tư phát triển, mở rộng vùng nguyến liệu. 9Pagẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH c. Giá trị dinh dưỡng và lợi ích đôếi với sức khỏẽ - Nguôồn cung câếp Cacbonhydrat: Trong những loại hoa quả thông thường đếồu bao gôồm 3 lo ại đ ường ch ủ yếếu là: đường fructosẽ, đường glucosẽ và đường saccarosẽ. Như quả táo, qu ả lế thì đường fructosẽ là chủ yếếu; quả nho, quả dâu tây, qu ả đào có hàm l ượng đ ường glucosẽ tương đôếi lớn; quả cam, qu ả quýt, qu ả đào, qu ả m ật qu ả h ạnh... thì hàm lượng đường saccarosẽ là chính. Hàm l ượng đường có trong các lo ại trái cây thông thường là t ừ 10% - 20%, hàm l ượng đường vượt 20% có qu ả táo, quả d ừa, quả chuôếi, hàm l ượng đường thâếp hơn có dâu tây, qu ả chanh, qu ả dâu ta, quả đào... Tr ước khi trái cây chín, hợp châết hydratẽ cacbon ch ủ yếếu lâếy tinh bột làm chính, cùng với quá trình chính c ủa qu ả m ới dâồn dâồn chuy ển hóa thành đường. - Nguôồn cung câếp Vitamin: Hoa quả là nguôồn cung câếp vitamin quan tr ọng cho con ng ười. Nhiếồu lo ại trái cây tươi đếồu có hàm l ượng vitamin C phong phú, trong đó hàm l ượng vitamin C có trong quả táo ta là cao nhâết, nó gâếp mâếy ch ục lâồn th ậm trí là h ơn trăm lâồn so với các loại trái cây khác. Hàm lượng vitamin C có trong qu ả táo tàu, quả lế, quả hạnh thì thâếp hơn. Đôếi với những loại cây có màu đỏ ho ặc màu vàng như quả cam, quả quýt, củ cà rôết, quả hôồng, hàm lượng carotẽn t ương đôếi nhiếồu. Ví d ụ nh ư quả kiwi vàng có hàm l ượng vitamin C gâếp đôi qu ả cam. Qu ả mãng câồu, cứ 100 gam qu ả có 8050 micrograms, đôếi v ới lo ại cam quýt c ứ 100 gam thì có hàm l ượng carotẽn từ 800-5140 micrograms, s ơn trà là 700 micrograms, quả h ạnh là 450 micrograms, qu ả hôồng là 440 micrograms. Có một sôế loại trái cây như táo tâồu, quả lế, qu ả h ạch đào, quả nho và qu ả v ải thì hàm lượng carotẽn râết thâếp. - Nguôồn cung câếp muôếi vô cơ Hàm lượng muôếi vô cơ có trong các lo ại trái cây cũng râết phong phú nh ư các nguyến tôế canxi, săết, phôết pho, đôồng, kali, natri, magiẽ... Nh ưng nh ững lo ại hoa quả khác nhau thì hàm lượng các nguyến tôế cũng khác nhau. Qu ả trám, s ơn trà, cam quýt có hàm lượng canxi cao; quả nho, qu ả h ạnh, qu ả dâu tây có hàm lượng săết cao; quả chuôếi có hàm l ượng photpho tương đôếi cao. Hàm l ượng săết và đôồng có trong trái cây dếẽ đ ược con người hập thu sử d ụng, có th ể tr ở thành loại thực phẩm trị liệu râết tôết đôếi với những người măếc b ệnh thiếếu máu. 10 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH - Nguôồn cung câếp axit hữu cơ: Trong hoa quả có ch ưa râết nhiếồu loại axit hữu cơ, ch ủ yếếu có axit táo, axit chanh, succinatẽ và fumaratẽ... Succinatẽ và fumaratẽ có nhiếồu trong các lo ại hoa quả ch ưa chín. Sự tôồn t ại của axit hữu c ơ có th ể kiếến cho nôồng đ ộ pH có trong trái cây tương đôếi thâếp, kiếến cho trái cây duy tr ị đ ược đ ộ chua nhâết đ ịnh của nó, từ đó có tác dụng bảo vệ tính ổn định của vitamin C. Sự tôồn t ại c ủa axit hữu cơ cũng có lợi cho tính ổn định có trong trái cây chôếng l ại nh ững lo ại axit gây hoại huyếết. Vếồ vai trò của trái cây đôếi với sức khỏẽ con người là không th ể ph ủ nh ận. 2. Tổng quan vếồ quá trình cô đặc a. Khái niệm, phân loại quá trình cô đặc Quá trình cô đặc là quá trình làm giảm lượng dung môi (dung môi ta quan tâm trong trường hợp này là nước) có trong dung dịch để thu được dung d ịch có nôồng độ châết răến cao. Các phương pháp cô đặc thường được sử dụng:  Cô đặc băồng lạnh đông: Khi làm lạnh đông chậm, các phân tử nước sẽẽ kếết tinh và l ớn dâồn lến t ạo thành khôếi băng, tách khỏi dung dịch ban đâồu. Quá trình cô đ ặc này ph ụ thu ộc nhiếồu vào nhiệt độ lạnh đông, sôế lượng tinh thể đá tạo thành. Sử dụng ph ương pháp này sẽẽ tránh gây mâết vitamin, các châết thơm và các châết dếẽ b ị phân h ủy bơi nhiệt. Tuy nhiến, chi phí năng lượng và chi phí thiếết b ị cho ph ương pháp này cao.  Cô đặc băồng phương pháp thẩm thâếu ngược: Khi ta ngăn hai dung dịch khác nhau băồng tâếm màn bán thâếm, n ước sẽẽ đi t ừ dung dịch có nôồng độ châết khô thâếp đếến nơi có nôồng đ ộ châết khô cao đ ể hai bến đạt nôồng độ cân băồng. Trong phương pháp này, dưới tác d ụng c ơ h ọc c ủa dung dịch có nôồng độ cao hơn áp suâết thẩm thâếu, làm nước đi thẽo chiếồu ng ược l ại từ nơi có nôồng độ châết khô cao đếến nơi có nôồng độ châết khô thâếp. Ph ương pháp này có ưu điểm là hạn chếế tôếi đa mâết mát các thành phâồn c ơ b ản của dung dich. Tuy nhiến, phương pháp này làm mâết một sôế muôếi khoáng và không đ ược thanh trùng bổ sung. 11 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH  Cô đặc băồng bôếc hơi nước nhờ nhiệt độ: Phương pháp này hiện là phương pháp phổ biếến nhâết hi ện nay. Nh ờ nhi ệt độ, dung dịch được đun sôi và lúc này, nước trong dung d ịch diếẽn ra quá trình chuyển pha từ lỏng sang hơi và tách ra khỏi dung dịch. Phương pháp này đ ược dùng phổ biếến, trang thiếết bị tương đôếi đơn gi ản. Tuy nhiến, do s ử d ụng nhi ệt độ nến không tránh khỏi tổn thâết một sôế châết dinh dưỡng dếẽ b ị phân h ủy b ởi nhiệt. Ngoài ra, trong quá trình bôếc hơi, hơi n ước cuôến thẽo các châết th ơm và các châết dếẽ bay hơi khác của dung dịch. b. Những biếến đổi của nguyến liệu trong quá trình cô đ ặc  Biếến đổi vếồ tính châết vật lý và hóa lý: Khi dung dịch bay hơi, nôồng độ châết khô tăng làm tính châết c ủa dung d ịch cũng thay đổi như: hệ sôế dâẽn nhiệt, nhiệt dung riếng và h ệ sôế câếp nhi ệt c ủa dung dịch giảm; trong khi đó thì các chỉ sôế vếồ độ nhớt, khôếi l ượng riếng c ủa dung dịch tăng.  BIếến đổi vếồ tính châết hóa học: Sự tăng nôồng độ châết khô cũng dâẽn đếến một sôế thay đổi hóa học nh ư: gi ảm pH, một sôế phản ứng kếết tủa; xuâết hiện các phản ứng phụ nh ư: caramẽn hóa, sự phân hủy vitamin,…  Biếến đổi vếồ tính châết sinh học: Việc sử dụng nhiệt độ trong quá trình cô đặc làm hạn chếế kh ả năng ho ạt động của vi sinh vật, giúp sản phẩm được bảo quản trong th ời gian dài. c. Cô đặc chân không Cô đặc chân không là một phương pháp sử dụng nhiệt để bôếc hơi n ước nhưng hoạt động ở áp suâết chân không (độ chân không 640 mmHg đếến 680 mmHg). Phương pháp này thích hợp sử dụng cho các sản phẩm kém ch ịu nhi ệt, cho năng suâết cao mà vâẽn đảm bảo châết lượng, màu săếc, mùi v ị c ủa s ản ph ẩm (áp suâết càng nhỏ thì nhiệt độ sôi càng giảm). 12 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH d. Phân loại các hệ thôếng cô đặc (sử dụng nhiệt) và nguyến lý ho ạt đ ộng - Hệ thôếng cô đặc một nôồi: Trong hệ thôếng cô đặc một nôồi bao gôồm thiếết bị cô đặc m ột nôồi tuâồn hoàn tự nhiến và tuâồn hoàn cưỡng bức. Đôếi với thiếết bị tuâồn hoàn tự nhiến lại chia ra thành hai loại: ôếng tuâồn hoàn năồm phía trong và ôếng tuâồn hoàn năồm phía ngoài. Đôếi với thiếết bị tuâồn hoàn cưỡng bức cũng chia ra thành hai lo ại: ôếng tuâồn hoàn năồm phía trong và ôếng tuâồn hoàn năồm phía ngoài. Nguyến lý hoạt động của thiếết bị cô đặc một nôồi có ôếng tuâồn hoàn t ự nhiến như sau: dung dịch được đưa vào ôếng nhập liệu chảy xuôếng phía d ưới qua dàn ôếng truyếồn nhiệt và ôếng tuâồn hoàn. Khi bị đôết nóng, do dung d ịch bến trong ôếng tuâồn hoàn có nhiệt độ nhỏ hơn dịch bến trong ôếng đôết nến khôếi l ượng riếng dịch bến trong ôếng tuâồn hoàn chìm đi xuôếng trong khi d ịch trong ôếng đôết đi lến. Điếồu này đã tạo dòng dịch tuâồn hoàn bến trong ôếng đôết. Đôếi với dịch tuâồn hoàn cưỡng bức, ta sử dụng thếm m ột b ơm, có tác d ụng hút dịch phía trến buôồng đôết và đẩy dịch từ dưới buôồng đôết lến, t ạo dòng tuâồn hoàn cưỡng bức. Ngoài ra, trong hệ thôếng cô đặc một nôồi còn có thiếết bị cô đặc loại nôồi hai vỏ, có cánh đảo năồm ngang hoặc thẳng đứng hoặc thiếết bị cô đặc có thùng quay năồm nghiếng. - Hệ thôếng cô đặc nhiếồu nôồi: Hệ thôếng cô đặc nhiếồu nôồi được sử dụng rộng rãi với ưu điểm là: các dung dịch tự di chuyển từ nôồi trước sang nôồi sau nhờ chếnh l ệch áp suâết gi ữa các nôồi. Ngoài ra, trong hệ thôếng cô đặc nhiếồu nôồi, h ơi th ứ c ủa nôồi tr ước sẽẽ đ ược tận dụng làm hơi đôết cho nôồi sau. Điếồu này giúp chúng ta tiếết ki ệm đáng k ể chi phí năng lượng. Hệ thôếng cô đặc nhiếồu nôồi được chia ra thành các dạng râết phong phú nh ư: hệ thôếng cô đặc hai nôồi, hệ thôếng cô đặc ba nôồi, hệ thôếng cô đ ặc bôến nôồi. Trong môẽi hệ thôếng lại chia ra thành: cô đặc xuôi chiếồu và cô đ ặc ng ược chiếồu. Vi ệc chọn hệ thôếng nào thì tùy vào yếu câồu công nghệ. 13 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH PHẤỒN III: PHẤỒN TÍNH TOÁN THIẾẾT KẾẾ A. CÁC THÔNG SÔẾ CƠ BẢN 1. Thông sôế dịch cô đặc      Năng suâết: 500 [kg] sản phẩm một giờ (Gc = 500 [kg.h-1]). Nôồng độ dung dịch ban đâồu và lúc sau lâồn lượt là: x d = 8 Bx; xs = 20 Bx. Nhiệt độ dung dịch trước và sau cô đặc: td = 20 oC; tc = 60 oC. Nhiệt độ làm việc của thiếết bị cô đặc: tc = 60 oC. Áp suâết làm việc của thiếết bị thẽo nhiệt độ: p = 150 [mmHg] (thẽo Bảng 6.1 – Tài Liệu 1)  Nhiệt dung riếng của dung dịch được tính thẽo công thức: C 1  0.0047.x [kcal.kg-1.độ-1] (thẽo 6.6.1 – Trang 269 – Tài Liệu 1) với x [Bx] là nôồng độ dung dịch. Thay giá trị của x ta tính được nhiệt dung riếng c ủa dung d ịch ban đâồu và sau khi cô đặc lâồn lượt là:  Cd 1  0,0047.8 0.9624 [kcal.kg-1.độ-1]  Cc 1  0,0047.20 0.906 [kcal.kg-1.độ-1]  C15 Bx 1  0,0047.15 0.9295 [kcal.kg-1.độ-1] 2. Thông sôế hơi đôết, nước ngưng và hơi thứ Nhiệt độ hơi đôết là: 100 oC. Nhiệt độ nước ngưng:  95 oC. Áp suâết hơi đôết phd = 1,0132 bar = 0.1 [N.mm-2]. Nhiệt dung riếng của nước ngưng: Cn = 1 [kcal.kg-1.độ-1] Nhiệt độ của hơi thứ là 60 oC. Thẽo mục 4 – trang 293 – tài liệu 1, ta tra được nhiệt lượng riếng của hơi thứ tại 60 oC là: iht = 622 [kcal.kg-1].  Nhiệt lượng riếng của hơi đôết: ihd = 639 [kcal.kg-1] (thẽo 6.6.1 – bài 3 – trang 269)       14 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH 15 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH B. TÍNH TOÁN CẤN BẰỒNG VẬT CHẤẾT VÀ NẰNG LƯỢNG 1. Sơ đôồ, nguyến lý làm việc của hệ thôếng a. Sơ đôồ hệ thôếng nuoc lanh 7 3 6 8 4 hoi dot 5 9 hoi dot nuoc ngung nuoc ngung 1 10 Bo m Chân Không 2 1 – Thùng chứa dịch 2 – Bơm 3 – Thùng cao vị 4 – Lưu lượng kếế 5 – Thiếết bị đun nóng dịch 6 – Thiếết bị cô đặc 7 – Thiếết bị ngưng tụ Baromẽt 8 – Bộ phận tách nước và khí không ngưng 9 – ÔẾng Baromẽt 10 – Bơm chân không 16 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH b. Nguyến lý làm việc  Dung dịch được bơm 2 hút từ thùng chứa dịch 1, sau đó d ịch đ ược đưa lến thùng cao vị 3 và được đưa xuôếng bộ định lượng 4 tr ước khi đưa vào thiếết bị đun nóng 5.  Sau khi đi qua bộ định lượng 4, dịch đi vào thiếết b ị đun nóng 5. T ại đây, dịch được đun nóng tới nhiệt độ mong muôến (thường là nhi ệt độ sôi bay hơi trong thiếết bị cô đặc).  Tại thiếết bị cô đặc 6, dung dịch sôi và nước trong dung d ịch bay h ơi. Hơi nước và khí không ngưng được hút đi vào thiếết b ị ng ưng t ụ Baromẽt 7. Dung dịch trong buôồng đôết thì liến t ục đ ược đun nóng và dịch tuâồn hoàn tự nhiến trong ôếng tuâồn hoàn trong buôồng đôết.  Hơi nước và khí không ngưng sau khi được hút vào trong thiếết b ị ngưng tụ. Tại đây, nước lạnh liến tục phun xuôếng và h ơi đi t ừ d ưới lến, qua các đĩa và ngưng tụ. Sau đó, thẽo ôếng Baromẽt 9 ch ảy ra ngoài.  Khí không ngưng tiếếp tục được hút ra và cho đi qua m ột b ộ tách nước 8 trước khi vếồ bơm chân không 10. 2. Tính toán cân băồng vật châết Coi như trong suôết quá trình, khôếi lượng châết khô không đ ổi. T ừ các thông sôế ban đâồu, ta tính được khôếi lượng dịch đưa vào ban đâồu (G d) là: Gd Gc xc 20 500 1250 xd 8 [kg.h-1] Lại có: Gd = Gc + W [kg.h-1] Trong đó, W là khôếi lượng nước câồn bôếc hơi. Vậy lượng nước câồn bôếc hơi: W = Gd - Gc = 1250 – 500 = 750 [kg.h-1] 17 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH 3. Phương trình cân băồng nhiệt lượng Thẽo Tài Liệu 1 – trang 244 ta có: Phương trình cân băồng nhiệt lượng được xây dựng dựa trến ph ương trình: Q vao  Qtiẽuhao [kcal.h-1] Trong đó, nhiệt lượng đi vào gôồm có:  Nhiệt lượng do hơi đôết: Qhd D.ihd [kcal.h-1]  Nhiệt lượng do dung dịch đâồu: Qdd Gd .C d .t d [kcal.h-1] Nhiệt lượng tiếu hao bao gôồm:  Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra:     Qsp Gc .Cc .t c [kcal.h-1] Nhiệt lượng do hơi nước bôếc lến mang ra: Qhn W.ihn [kcal.h-1] Nhiệt lượng do nước ngưng tụ: Qnt D.C n . [kcal.h-1] Nhiệt lượng tổn thâết do cô đặc: Qcd 0,01. xc .Cc .q [kcal.h-1] Nhiệt lượng mâết mát ra môi trường xung quanh: Qtt 0,04.Q 0,04.( D.ihd  Gd .Cd .t d ) [kcal.h-1] Từ đây, ta có phương trình cân băồng nhiệt lượng: D.ihd  Gd .Cd .t d Gc .Cc .t c  W.ihn  D.C n .  Qcd  0,04.( D.ihd  Gd .Cd .t d ) Từ phương trình trến, suy ra lượng hơi đôết câồn là: G .C .t  W.iht  0,01. xc .Cc .q  0,96.Gd .Cd .t d D c c c 0,96ihd  Cn . [kg.h-1] Thay các giá trị vào ta được: 500.0,906.60  750.622  0,01.20.0,906.0,32  0,96.1250.0,9624.60 D 0,96.639  1.95  D 820 [kg.h-1] 18 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH 4. Tính bếồ mặt truyếồn nhiệt a. Chọn ôếng đôết Thiếết bị cô đặc của ta là loại tuâồn hoàn tự nhiến, buôồng đôết trong, dung dịch không tạo kếết tủa trến bếồ mặt ôếng, các ôếng xếếp d ọc thẽo thiếết b ị. Dựa vào bảng 6.2 – trang 238 – tài liệu 1, ta chọn ôếng đôết v ới các kích thước sau:  Đường kính trong: dt = 25 [mm].  Bếồ dày:  2 [mm].  Chiếồu dài: l = 103 [mm]. Bếồ mặt truyếồn nhiệt của thiếết bị cô đặc được tính thẽo công thức: F D.ihd K .t [m2] Trong đó: K – hệ sôế truyếồn nhiệt t t hd  t ht - hiệu sôế nhiệt độ có ích [oC] b. Tính hệ sôế truyếồn nhiệt K Hệ sôế truyếồn nhiệt K được tính thẽo công thức: K 1 1  1   1  2 [kcal.m-2.độ-1] - Các thông sôế nước ngưng từ hơi bão hòa ở nhiệt độ 100 oC tra trong bảng I.5; bảng I.102; bảng I.129; bảng I.212 – tài liệu 2:  Khôếi lượng riếng: nn 950 [kg.m-3] 3  Độ nhớt: nn 0,2.10 [Ns.m-2]  Hệ sôế dâẽn nhiệt: nn 0.682 [W.m-1.độ-1] 6  Nhiệt hóa hơi: rnn 2.10 [J.kg-1] 19 P a g ẽ ĐÔỒ ÁN CHUYẾN NGÀNH GVHD: PGS. TS. TÔN THẤẾT MINH - Các thông sôế dịch đường tính băồng phương pháp nội suy tại 15 Bx (nôồng độ trung bình) ở nhiệt độ 40 oC (nhiệt độ trung bình) từ các thông sôế tra trong bảng I. 86; bảng I.112; bảng I.130 – tài liệu 2:  Khôếi lượng riếng: dd 1060 [kg.m-3] 3  Độ nhớt: dd 0,95.10 [Ns.m-2]  Hệ sôế dâẽn nhiệt: dd 0.562 [W.m-1.độ-1]  Vận tôếc dịch trong ôếng: vdd 0.3 [m.s-1]  Nhiệt dung riếng dung dịch: Cdd = 0,9295 [kcal.kg-1.độ-1] Cdd = 3890 [J.kg-1.độ-1] - Thẽo 6.6.2 – trang 271 – tài liệu 1, hệ sôế câếp nhi ệt 1 khi ngưng hơi nước trến bếồ mặt vách đứng được tính thẽo công thức: nn3 . nn2 .rnn . g 1 1,34. nn .H .t [W.m-1.độ-1] Với H = 1 [m] là chiếồu dài ôếng, t 5 oC là chếnh lệch nhiệt độ giữa hơi nước và nước ngưng, thay sôế vào ta có: 3 2 6 nn3 . nn2 .rnn . g 0.682 .950 .2.10 .10 1 1,34. 4 1,34. 4 11656 3 nn .H .t 0,2.10 .1.5 [W.m-1.độ-1] 4 - Thẽo 6.6.2 – trang 272 – tài liệu 1, hệ sôế câếp nhi ệt 2 từ thành ôếng cho nước ở chếế độ chảy rôếi là:  2 Nu. dd dt [W.m-1.độ-1]  Xác định Rẽ: v .d .  0,3.0,025.1060 Rẽ  dd t dd  8368 dd 0,95.10 3  Xác định Pr: Cd .dd 3890.0,95.10  3 Pr   5,22 dd 0,562 20 P a g ẽ