Xemtailieu Tải về Quy trình công nghệ sản xuất cô đặc dứa
ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC NƯỚC DỨA.........................................4 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN [5]..................................................................4 1.2. NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM.....................................................................4 1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu......................................................................................4 1.2.2. Đặc điểm của sản phẩm...................................................................................8 1.2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm...................................................................8 1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm..........................................................................9 1.3. CÔ ĐẶC VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC [6].........................................................9 1.3.1. Định nghĩa.......................................................................................................9 1.3.2. Các phương án cô đặc......................................................................................9 1.3.3. Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt...........................................10 1.3.4. Ứng dụng của sự cô đặc.................................................................................10 1.4. PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC......................10 1.4.1. Phân loại và ứng dụng...................................................................................10 1.4.2. Cấu tạo thiết bị cô đặc loại màng...................................................................11 1.4.3. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng..........................................................12 1.5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ............................................................................12 1.5.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống................................................................12 1.5.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc loại màng.......................................13 1.5.3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị Baromet.....................................................14 CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG...............................15 2.1. DỮ LIỆU BAN ĐẦU.......................................................................................15 2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:[2]...........................................................................15 2.3. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.........................................................................15 2.2.1. Các thông số cần xác định...................................................................15 2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ....................................................................16 2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích : [2]..............................................................17 1 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM 2.2.4. GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Cân bằng nhiệt lượng..........................................................................17 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH......................................................21 3.1. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT...........................21 3.1.1. Tính hệ số truyền nhiệt K...........................................................................21 3.1.1.1. Tính nhiệt tải riêng trung bình[2]............................................................21 3.1.1.2. Tính hệ số truyền nhiệt...........................................................................26 3.1.2. Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt..............................................................27 3.2.TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA BUỒNG ĐỐT VÀ BUỒNG BỐC........................27 3.2.1. Kích thước buồng đốt....................................................................................27 3.2.1.1. Số ống truyền nhiệt.....................................................................................27 3.2.1.2. Đường kính buồng đốt[4]...........................................................................29 3.2.2. Kích thước buồng bốc [1].............................................................................29 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ...........................................................33 4.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET............................................................33 4.1.1 Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ [4]..................................33 4.1.2 Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ [4]............................33 4.1.3 Các kích thước của thiết bị ngưng tụ Baromet [4]......................................34 4.1.3.1. Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ Baromet.......................................34 4.1.3.2.Kích thước tấm ngăn [4]..............................................................................35 4.1.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ [5]...................................................................35 4.1.3.4.Kích thước ống Baromet[4].........................................................................35 4.2 THIẾT BỊ GIA NHIỆT NHẬP LIỆU................................................................38 4.2.1 Tính hệ số truyền nhiệt...............................................................................38 4.2.1.1. Tính nhiệt tải riêng trung bình................................................................39 4.2.1. Tính hệ số truyền nhiệt..................................................................................42 4.2.2 Tính lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp.........................................................42 4.2.3 Tính bề mặt truyền nhiệt............................................................................42 4.2.4 Số ống truyền nhiệt....................................................................................43 4.2.5 Đường kính thiết bị gia nhiệt [4]...............................................................43 4.3 ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN [3]....................................................................43 2 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN 4.4 BƠM CHÂN KHÔNG [3]...........................................................................44 4.5 BỒN CAO VỊ................................................................................................44 KẾT LUẬN.............................................................................................................47 3 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC NƯỚC DỨA 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN [5] Sản phẩm nước trái cây với chất lượng cao là mục tiêu chính của ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Hương vị, chất dinh dưỡng và độ đục của sản phẩm cuối cùng là một thông số chính cần phải xem xét khi chế biến nước quả. Ngoài ra, ngày càng có nhiều yêu cầu nước quả với các đặc điểm tự nhiên và không chất bảo quản. Điều này dẫn tới những nghiên cứu kĩ thuật mới có thể cải thiện được chất lượng cảm quan, dinh dưỡng của nước quả. Trong các loại nước trái cây đóng hộp hiện nay trên thế giới, nước dứa đứng ở vị trí thứ 3 tính theo sản lượng, chỉ sau nước cam và nước cà chua. Đây là loại nước trái cây rất thích hợp cho việc đóng hộp vì nó giữ được vị tươi tự nhiên, mùi thơm rất đặc trưng và có sự hài hoà hoàn chỉnh giữa độ chua và ngọt. Ngành công nghiệp sản xuất nước trái cây của Việt Nam hiện nay sử dụng phương pháp cô đặc bằng nhiệt để thu sản phẩm có hàm lượng chất khô theo yêu cầu. Quá trình cô đặc là một quá trình hết sức quan trọng trong quá trình chế biến thực phẩm. Nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học, thực phẩm. Trong các thiết bị cô đặc thì thiết bị cô đặc loại màng được coi là thiết bị hiện đại nhất, nó có ưu điểm vượt trội so với các thiết bị cô đặc khác. Sau đây em xin trình bày thiết bị cô đặc loại màng dùng để cô đặc dung dịch dứa. 1.2. NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu Dứa là một loại cây ăn trái nhiệt đới có tên khoa học là Ananas comosus, thuộc họ tầm gửi Bromeliaceae, rất được ưa chuộng trên thế giới. Dứa có mùi mạnh, hấp dẫn, độ ngọt cao và độ chua hài hoà. 4 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Cây dứa có nguồn gốc châu Mỹ, nơi người da đỏ bản xứ đã tuyển chọn và trồng trọt dứa lâu đời. Ngày 04/11/1493, Christophe Colomb đổ bộ xuống hòn đảo Guadalape, họ tìm thấy cây dứa và ăn thử quả dứa đầu tiên. Ngày nay dứa được trồng phổ biến ở tất cả các nước nhiệt đới và một số nước á nhiệt đới có mùa đông ấm, tập trung nhất là ở Hawai (33% sản lượng thế giới), Thái Lan (16%), Brazil (10%) và Mexico (9%). Các giống dứa đầu tiên du nhập vào Đông Dương từ các chuyến du hành của người Bồ Đào Nha và Ấn Độ đầu thế kỉ 16. Ngành trồng dứa chế biến ở miền nam thực sự phát triển kể từ năm 1936 do sự thành lập nhà máy chế biến dứa đóng hộp ở Sài Gòn-Chợ Lớn. Cây dứa là loại cây ăn trái có giá trị kinh tế cao, ngoài ra còn có giá tri dinh dưỡng cũng khá cao, có vị ngọt, hương thơm, màu sắc đẹp. Hiện nay, dứa là một loại trái cây có giá trị xuất khẩu cao. Từ trái dứa tươi, qua công nghệ chế biến có thể sản xuất ra nhiều sản phẩm có giá trị trên thị trường. a. Thành phần hóa học của dứa Trái dứa có 72-82% nước, 8-18,5% đường, 0,3-0,8% acid, 0,25-0,5% protein, khoảng 0,25% muối khoáng, 60-70% đường trong dứa là đường saccharose, còn lại là glucose và fructose. Acid nhiều nhất trong thành phần là acid hữu cơ của dứa là acid citric (65%), acid malic (20%), acid tatric (10%) và acid succinic (3%). Dứa còn chứa enzym thuỷ phân protein là Bromelin. Hàm lượng Bromelin tăng dần từ ngoài vào trong và từ dưới gốc lên ngọn. Hàm lượng vitamin C khoảng 15-55mg%, vitamin A 0,06mg%, vitamin B 0,09mg%, vitamin B2 0,04mg%. Thành phần hoá học của dứa cũng như các loại rau trái khác thay đổi theo giống, độ chín, thời vụ, địa điểm và điều kiện trồng trọt. b. Phân loại các giống dứa 5 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Dứa có tất cả khoảng 60-70 giống, nhưng có thể gộp chung thành ba nhóm chính: nhóm dứa Hoàng hậu (Queen), nhóm dứa Cayenne và nhóm dứa Tây Ban Nha (Spanish). - Nhóm dứa Hoàng hậu (Queen): + Trái dứa Queen tương đối nhỏ, khối lượng trung bình mỗi trái 0,8-1,6kg, mắt lồi, dạng trụ tròn khá đều. Thịt trái vàng đậm, vị chua ngọt đậm đà. Nhóm này có chất lượng cao nhất. + Nhóm dứa Queen được trồng nhiều nhất trong ba nhóm dứa ở Việt Nam, bao gồm các loại như dứa hoa, dứa tây, dứa Victoria, khóm.... Hình 1.1. Một số loại dứa trong nhóm Queen A - Dứa Victoria B - Khóm Long An - Nhóm dứa Cayenne: + Dứa Cayenne cho trái lớn nhất, khối lượng trung bình 1,5-2,5kg/trái, mắt phẳng và nông. Trái có dạng trụ côn, lớn ở dưới gốc, nhỏ dần ở đầu ngọn. Thịt trái kém vàng, nhiều nước, ít ngọt và kém thơm hơn dứa Queen. 6 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Hình 1.2. Dứa Cayenne - Nhóm dứa Tây Ban Nha (Spanish) + Trái dứa Spanish lớn hơn trái dứa Queen, mắt to và sâu. Thịt trái vàng nhạt, có chỗ trắng, vị chua, ít mùi thơm nhưng nhiều nước hơn. Nhóm này có chất lượng cao nhất. Hình 1.3. Dứa Spanish 7 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN c. Thu hoạch dứa Dứa rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu nhiệt độ quá cao, dứa bị héo, mềm và màu không còn tươi. Nếu nhiệt độ thấp, dứa bị nâu đen ở lõi và lan dần ra phía ngoài. Tuỳ theo từng nơi trồng, dứa hoa thường thu hoạch tự nhiên vào tháng 3, 4, 5 và 6; dứa Cayenne thu hoạch vào tháng 6, 7, 8; dứa ta thu hoạch vào tháng 6, 7. Trong những năm gần đây, do có tiến hành xử lí dứa hoa bằng đất đèn, người ta có thể điều chỉnh để dứa hoa có thể kết trái vào bất kì lúc nào, nghĩa là thu hoạch quanh năm. d. Bảo quản dứa Khi bảo quản dứa chờ chế biến, bảo quản trong kho mát, độ ẩm 85-90%, thời gian 1-2 tuần. Ngoài ra có thể tiêm hormon thực vật ức chế quá trình chín của quả. 1.2.2. Đặc điểm của sản phẩm Thành phần dinh dưỡng trong 100g dứa - Dung môi: nước (86%) - Các chất hoà tan: đường (9,9g), chất xơ (1,4g)…. 1.2.3. Biến đổi nguyên liệu và sản phẩm Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. - Biến đổi tính chất vật lý: Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi. - Biến đổi tính chất hoá học: + Khi nồng độ tăng lên làm cho hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm đi. Đồng thời các đại lượng như khối lượng riêng, độ nhớt, độ sôi, tổn thất nhiệt lại tăng lên. 8 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN + Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân huỷ amit của các cấu tử tạo thành acid. + Đóng cặn. + Phân hủy một số vitamin. - Biến đổi sinh học: Tiêu diệt vi sinh vật không có lợi ở nhiệt độ cao. 1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm Thực hiện một chế độ hết sức nghiêm ngặt để : - Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm, có mùi vị đặc trưng được giữ nguyên. - Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu - Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi. 1.3. CÔ ĐẶC VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC [6] 1.3.1. Định nghĩa - Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. 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 hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh. - Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi. - Qúa 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. 1.3.2. Các phương án 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. 9 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN - Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể 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 phải dùng đến máy lạnh. 1.3.3. Bản chất của sự cô đặc bằng phương pháp nhiệt Dựa theo thuyết động học phân tử: - Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì 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 phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. - Bên cạnh đó, sự bay hơi 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) khi đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc. 1.3.4. Ứng dụng của sự cô đặc - Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây... - Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ.... 1.4. PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 1.4.1. Phân loại và ứng dụng a. Theo cấu tạo - Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm: + Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. + Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc). 10 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN - Dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm: + Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài + Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài. - Dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, hoa quả ép... Gồm: + Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ. + Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dùng cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. b. Theo phương pháp thực hiện quá trình: - Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): Có nhiệt độ sôi áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao. - Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 0C áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. - Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm năng lượng (tiết kiệm hơi đốt). Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. - Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. 1.4.2. Cấu tạo thiết bị cô đặc loại màng - Cấu tạo: thiết bị cô đặc loại màng có cấu tạo tương tự thiết bị cô đặc cưỡng bức nhưng với các ống trao đổi nhiệt cao từ 6 đến 9m. 11 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Hình 1.4. Thiết bị cô đặc loại màng 1. Phòng đốt 4. Van xả khí không ngưng 2. Phòng bốc 5. Ống tuần hoàn ngoài 3. Ống truyền nhiệt + Thiết bị chính: ống tuần hoàn ngoài, ống truyền nhiệt, buồng đốt, buồng bốc. + Thiết bị phụ: bể chứa sản phẩm nguyên liệu, các loại bơm, các thiết bị gia nhiệt, thiết bị ngưng tụ Baromet, các loại van, thiết bị đo.... 1.4.3. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng - 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 sẽ bề mặt truyền nhiệt. - Phân bố hơi đều. - Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng. - Thu hồi bột do hơi thứ mang theo. - Tổn thất năng lượng (do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất) - Thao tác đơn giản, tự động hóa dễ dàng. 1.5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1.5.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống 12 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN - Nguyên liệu được nhập liệu vào nồi cô đặc sẽ trao đổi nhiệt với hơi thông qua các ống truyền nhiệt sẽ sôi và trở nên nhẹ hơn và được tuần hoàn trở lên phía buồng bốc. Tại đây, hơi nước được tách ra khỏi dung dịch, dung dịch đi theo ống tuần hoàn trung tâm xuống đáy thiết bị và theo ống truyền nhiệt trở lên trên. Qúa trình trao đổi nhiệt được thực hiện chủ yếu trong ống truyền nhiệt. - Sau nhiều lần như vậy, hơi nước tách khỏi dung dịch càng nhiều nồng độ dung dịch càng tăng, độ nhớt dung dịch tăng. Do đó, tốc độ chuyển động dung dịch càng chậm về sau. Quá trình kết thúc khi dung dịch đã đạt được nồng độ theo yêu cầu. Tốc độ chuyển động tuần hoàn càng tăng thì hệ số cách nhiệt về phía dung dịch càng tăng, quá trình bốc hơi xảy ra càng mạnh mẽ, nồng độ chất tan càng nhanh chóng đạt yêu cầu và ngược lại. Tuy nhiên sẽ hao phí năng lượng khuấy. 1.5.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc loại màng - 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 màn chất lỏng từ bề mặt ống 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 phải 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 ở thành ống tới hơi chứ không phải lỏng, do đó hiệu quả truyền nhiệt giảm đi nhanh chóng. 13 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN - 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 rất lớn và dung dịch kết tinh 1.5.3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị Baromet - Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Nó rất thông dụng trong ngành hóa chất và thực phẩm, thường đi theo các thiết bị cô đặc các dung dịch trong nước ở áp suất chân không như dung dịch đường. Hơi thứ sau khi ra khỏi thiết bị cô đặc sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, nước sẽ được chảy từ trên xuống dưới theo cắt ngăn và phun thành tia. Hơi trao đổi nhiệt với nước ở áp suất thấp do bơm chân không tạo ra, sẽ ngưng tụ lại theo ống Baromet chảy ra ngoài. 14 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 2.1. DỮ LIỆU BAN ĐẦU Thiết kế thiết bị cô đặc lọai màng để cô dung dịch nước dứa. Năng suất nhập liệu : 0.7 m3/h Nồng độ nhập liệu : 15% (khối lượng) Nồng độ sản phẩm : 30 % (khối lượng) Áp suất ngưng tụ : Pck = 0.7 at 2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:[2] Khối lượng riêng của dung dịch nhập liệu : = 1061,04 (kg/m3) (Bảng I.86 – trang 58 – Sổ tay QT& TB CN Hóa chất – Tập 1). Suất lượng dung dịch ban đầu: Gd = 0,7 . 1061,04 = 742,728 (kg/h) Lượng hơi thứ bay lên : W =G d ( 1− x x d )=742 , 728 .(1− 15 )=371 ,364 ( kg/h ) 30 c Suất lượng dung dịch sau khi cô đặc: Gc = Gđ – W = 742,728 – 371,364 = 371,364 (kg/h) Trong đó: xd: Nồng độ đầu của dung dịch (%) => xd = 0,15 xc: Nồng độ cuối của dung dịch (%) => xc = 0,30 Bảng2.1. Lượng hơi thứ, nồng độ và suất lượng vào, ra của dung dịch cô đặc Đại lượng Suất lượng dung dịch (kg/h) Nồng độ dung dịch (% khối lượng) Lượng hơi thứ (kg/h) 2.3. Vào Ra Vào Ra Nồi cô đặc Gd = 742,728 Gc = 371,364 Xd = 15 Xc = 30 W = 371,364 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 2.3.1. Các thông số cần xác định 15 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị ngưng tụ Baromet : t c = 68,7oC ( tra ở áp suất của hơi nước là 0,3 at - Bảng I.251 – trang 314 – Sổ tay QT&TBCN Hóa chất – Tập 1 ) Nhiệt độ hơi thứ ở buồng bốc : t w = tc + ’’’ = 68,7 + 1 = 69,7oC ( Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc bằng nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị Baromet cộng với 10C - 10C chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên ống dẫn). Chọn hơi đốt là hơi bão hòa ở áp suất 2 at tD = 119,6oC (Bảng I.251 – trang 314 – Sổ tay QT&TBCN Hóa chất –Tập 1). Bảng 2.2:Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt sử dụng và hơi thứ trong buồng bốc Loại Nồi Hơi đốt Hơi thứ Áp suất cô đặc Nhiệtđộ Thiết bị Aùp suất (at) P1 = 2 P = 0,314 (0C) tD = 119,6 tw =69,7 (at) Png= 0,3 ngưng tụ Nhiệtđộ (0C) tc = 68,7 2.2.1 Xác định tổn thất nhiệt độ Tổn thất nhiệt độ do nồng độ[2] Ta sử dụng phương pháp Babô để xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ : (VI.11a Sổ tay QT &TBCN Hóa Chất Tập 1, trang 59) Ở 1,034 at tsdd = 100,9oC.Ở nhiệt độ này Pnước = 1,073 at Ta có : K= ( 11,,073 034 ) 100, 9 O C =1 ,0377 Vậy : P 'nuoc K= 0 ,314 ( ) t sdd =1 , 0377 P’nước = 1,0377 . 0.314 = 0,326 at Suy ra : 16 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN tsdd ở áp suất Po = 0,314 at là 70,375oC Do đó tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao là : ’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) = 70,375 – 69,7 = 0,675 0C 2.2.1.1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: Trong thiết bị cô đặc loại màng, quá trình bốc hơi tiến hành trong lớp dung dịch rất mỏng nên ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh thực tế không đáng kể. Vậy : ’’ = 0 2.2.1.2. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống [1] Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng tụ là 10C. ’’’ = 10C Do đó: 2.2.1.3. Tổn thất chung cho toàn hệ thống cô đặc = ’+ ” + ”’ = 0,675 + 0 + 1 = 1,675 (0C) 2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích : [2] thi = t - = tD – tc - = 119,6 – 68,7 – 1,675 = 49,225oC 2.2.4. Cân bằng nhiệt lượng 2.2.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch[3] Vì ta lấy sản phẩm ra ở đáy buồng bốc nên t2 = tsdd(Po) = 70,375oC Chọn nhiệt độ dung dịch nhập liệu là t1 = 70OC Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu (1): Cd = 4190 -(2514 – 7,542t1)xđ = 4190 - (2514 – 7,542.70).0,15 = 3892 (J/kgđộ) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi cô đặc (1): 17 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN Cc = 4190 - (2514 – 7,542.t2)xc = 4190 - (2514 – 7,542.70,375).0,3 = 3595(J/kgđộ) (I.50 STQTTB Tập 1, trang 153) 2.2.4.2. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng[2] W , iw Qm D , iD , (Gd – W)Cct2 Gd,Cd,t1 D , Cng , Giải thích các đại lượng trên sơ đồ: D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h) : Độ ẩm của hơi đốt . Chọn = 0,05 iD, iw: Hàm nhiệt của hơi đốt , hơi thứ (J/kg) t1, t2: Nhiệt độ vào và ra khỏi nồi của dung dịch (0C) Cd, Cc : Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi của dung dịch (J/kg.độ) : Nhiệt độ nước ngưng tụ (0C) – lấy bằng nhiệt độ hơi đốt Cng : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ) Qm : Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (J) – Qm = (0,03-0,05)QD Gd: Lượng dung dịch ban đầu (kg/h) Phương trình cân bằng nhiệt lượng: (1-).D.i + .D.Cng. + Gd.Cd.td = W.iw + GcCc.t2 + D.Cng. + Qm (2) Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hòa. Các thông số gồm có : Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ : iD = 2710 (kJ/kg) = 2710000 (J/kg) ứng với t 0=119,6; áp suất = 2at 18 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN iw = 2626,3 (kJ/kg) = 26260000 (J/kg) ứng với t 0=69,7; áp suất = 0,31at (Bảng I.251 – trang 314 – Sổ tay QT&TB CN Hóa chất – Tập1) Nhiệt độ của dung dịch: t1 = 700C t2 = 70,3750C Nhiệt dung riêng của dung dịch: Cd = 3892 J/kg.độ Cc = 3595 J/kg.độ Nhiệt độ nước ngưng: (Xem như bằng nhiệt độ hơi đốt) = 119,6 0C Nhiệt dung riêng của nước ngưng: Cng = 4250 J/kg.độ (Bảng I.249 – trang 310 – Sổ tay QT&TB CN Hóa chất – Tập 1) Lượng hơi đốt tiêu tốn ở buồng đốt: D= G C t −G C t +W i 0,97 .( 1−ϕ )( i − C θ) c c 2 d D d 1 wƯ = 371 , 364 . 3595. 70,375−742 , 728. 3892 .70+371 , 364 . 2626000 0 , 97 .( 1− 0 ,05 ). (2 710 000− 425 0 .1 19 , 6) ng = 480,6 (kg/h) 19 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN ĐỒ ÁN QT&TB THỰC PHẨM GVHD: HUỲNH THỊ DIỄM UYÊN CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 3.1. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT Chọn loại thiết bị ống chùm thẳng đứng , dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống. Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể được tính theo công thức tổng quát như sau: [1] QD F= K.Δ t hi (m2) Trong đó: QD : Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (W) QD = D.r (Nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa) D : Lượng hơi đốt (kg/s) r : Ẩn nhiệt ngưng tụ (j/kg) K : Hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ) thi : Hiệu số nhiệt độ hữu ích (0C) 20 SVTH: NGUYỄN THỊ BẢO TRÂN Tải về bản full