Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp
nước ta đang phải đối đầu với những thách thức to lớn. Việc đào tạo nguồn nhân lực trẻ có đức
có tài ngày càng trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và không thể thiếu. Để trở thành một
người kỹ sư, việc giải các bài toán công nghệ hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc,
thiết bò và dây chuyền công nghệ là một việc rất cần thiết và tất yếu. Ý thức được tầm quan
trọng và vai trò của mình trong tương lai, em đã vận dụng những kiến thức mà mình đã được học
trong suốt 3 học kỳ vừa qua vào việc hoàn thành đồ án thiết kế này.
Nhiệm vụ cơ bản của đồ án này là thiết kế hệ thống thiết bò cô đặc nước cam bằng phương
pháp lạnh hay phương pháp kết tinh dung môi với năng suất đã cho (5000 tấn/năm). Đồ án này
bao gồm các phần chính như sau :
Giới thiệu tổng quan về nguyên liệu và quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm nước cam
cô đặc.
Tính toán cân bằng vật chất cho quy trình cô đặc.
Tính toán cân bằng năng lượng cho quy trình cô đặc.
Tính toán thiết kế thiết bò chính.
Tính chọn thiết bò phụ.
Tính giá thành sản phẩm.
Đánh giá hiệu quả hoạt động, ưu - nhược điểm của thiết bò và phương pháp công nghệ từ
đó đề xuất những giải pháp nhằm khắc phục và cải tiến phương pháp.
Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể có
rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của các thầy cô sẽ là nguồn động
viên và khích lệ đối với em để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện
hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô bộ môn Máy & Thiết bò đã trang bò cho em
những kiến thức nền tảng làm cơ sở cho em thực hiện đồ án này. Em cũng xin rất cảm ơn thầy
Phạm Văn Bôn đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thiết kế.
Phần sau đây là nội dung chi tiết của bản đồ án, kính mong được sự xem xét, chỉ dạy và hướng
dẫn của các thầy cô.
thế giới thứ nhất. Giống cam này cũng được trồng nhiều ở Brazil, Trung Quốc ... Cam navel có
quả to hơn giống Valencia và các loại cam ngọt khác. Quả có màu vàng đậm sáng cho tới cam,
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 2
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
da hồ đào dày và dễ lột vỏ, không hạt. Quả cho chất lượng tốt khi đạt độ chắc và khối lượng nhất
đònh, cho nhiều nước quả. Thời tiết lạnh làm màu quả càng vàng sáng vì thế quả có thể chín và
vẫn còn màu xanh nhạt trên da. Giống cam này ít được dùng trong chế biến nước quả vì trong
quá trình chế biến dễ phát sinh vò đắng.
Cam Blood ( Cam đỏ )
Đây là loại quả được xem là ngon và hấp dẫn nhất trong các loại quả có múi được tìm thấy
đầu tiên ở Đòa Trung Hải. Quả cỡ trung bình với vỏ mỏng có ít hoặc không hạt. Có màu đỏ sậm
sáng đẹp. Nhược điểm lớn nhất là hàm lượng anthocyanin tạo màu đỏ đậm có khuynh hướng bò
nhạt trong quá trình chế biến và bảo quản. Anthocyanin còn là chất chống oxy hóa mạnh tạo
nhiều gốc tự do gây ung thư, lão hóa, bệnh nhẹ… Loại cam này thường được dùng để ăn tươi, ăn
kèm salad, dùng rôti hoặc nướng thòt.
Cam ngọt (acidless orange)
Loại này được trồng chủ yếu ở Đòa Trung Hải. Do nước quả có độ ngọt quá cao và hàm lượng
acid thấp không đủ khả năng ức chế vi sinh vật nên loại cam này không thích hợp cho sản xuất
nước ép.
Hình 1 – Các loại cam phổ biến trong thương mại
Ở Việt Nam, cam được chia làm 3 loại : cam chanh, cam sành và cam đắng. Một số giống cam
phổ biến ở nước ta như cam Xã Đoài ( Nghệ An ), cam Động Đình, cam đường,…
Cam Xã Đoài ( Nghệ An ) : Cây tương đối cao, ít cành lá (cành quả), trồng ở Xã Đoài,
xã Nghi Diên, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An. Quả ngon, thơm có vỏ mỏng và bóng, vò
ngọt đậm, ít xơ . Dùng chủ yếu trong sản xuất nước cam và mứt cam.
Cam đường : Quả trung bình 100g, vỏ mỏng, màu vàng đỏ hay đỏ sẫm, dễ bóc, múi dễ
chia. Có ba loại chính là Cam giấy với các giống Cam Canh (Hà Nội), Cam Đồng dụ (Hải
Phòng), Cam Ngọc cục và Cam Hành Thiện (Nam Hà); Cam Bù, Cam Chua ở Hương Sơn
(Hà Tónh); Cam voi ở Tuyên Hoá (Quảng Bình).
ø
n
h
p
h
a
à
n
c
h
í
n
h
Nước 88,06
75,95
%
Protein 0.9
-
%
Tinh dầu vết
2,4
%
Sacharose
Glucose
Frutose
3.59
1.25
1.45
mg%
Fe 0.4
-
mg%
V
i
t
a
m
i
n
e
A 0.09
-
mg%
β-Carotene 0.4
0,09
mg%
B1 0.04
0,02
mg%
B2 0.06
-
mg%
PP 0.75
1,27
mg%
C 65
170
mg%
kỳ phát triển của nền công nghiệp hiện đại, cuộc sống con người luôn bận rộn và tất bật, việc
đảm bảo nhu cầu về bữa ăn hằng ngày luôn là gặp phải những vấn đề khó khăn do tốn khá
nhiều thời gian và công sức. Sự có mặt của ngành công nghiệp thực phẩm đang đóng một vai trò
rất lớn trong việc sản xuất các mặt hàng chế biến sẵn vừa đảm bảo rút ngắn thời gian nấu nấu
nướng vừa kéo dài thời gian bảo quản mà vẫn đảm bảo các giá trò dinh dưỡng và an toàn thực
phẩm.
Sự cô đặc các thực phẩm dạng lỏng như trà, cà phê, nước trái cây, rượu … là một trong những
phương pháp bảo vệ tốt nhất những đặc tính vốn có của chúng, bảo quả lâu, giảm chi phí bảo
quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước mất đi sau quá trình cô đặc, sản phẩm thực tế
gần như ở dạng ban đầu.
Việc cô đặc có thể được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau như : phương pháp nhiệt
(bốc hơi dung môi) có hay không thu hồi dung môi bay hơi hoặc phương pháp lạnh (kết tinh dung
môi dạng rắn) và thẩm thấu nghòch.
Mỗi phương pháp đều có những đặc trưng riêng trong việc giải quyết các bài toán công nghệ.
Tuy vậy có thể nói, phương pháp cô đặc lạnh là một giải pháp rất thích hợp cho việc cô đặc
những dung dòch mà thành phần của chúng dễ bò biến đổi bởi tác dụng của nhiệt độ. Đó là những
dung dòch nước ép trái cây giàu sinh tố, trà, rượu …
Bảng 3 - So sánh hàm lượng còn lại của một số chất thơm trong sản phẩm cô đặc bằng hai
phương pháp theo Grenco ([7],bảng 11-1,trang 222)
Chất thơm Nước ép ban
đầu (13
0
Bx)
Tỉ lệ hàm lượng còn lại sau khi cô đặc (%)
Bằng kết tinh
(đến 45-50
0
Bx)
Bằng bốc hơi có gia nhiệt
(đến 60
Nắp
Hình 2 – Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất nước cam cô đặc
II.2. Thuyết minh
Chọn lựa phân loại
Nguyên liệu cam được lựa chọn nhằm loại trừ những quả không đạt tiêu chuẩn như sâu bệnh,
men mốc, thối hỏng… cho chế biến nước cam cô đặc. Sau khi chọn lựa chọn, ta tiến hành phân
loại nhằm phân chia thành nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độ chín…
Rửa
Rửa có thể tiến hành trước hoặc sau khi phân loại nhằm loại trừ tạp chất cơ học như đất, cát bụi
và làm giảm lượng vi sinh vật ở ngoài vỏ nguyên liệu. Yêu cầu cơ bản của quá trình rửa là sau
khi rửa sạch không bò dập nát, các chất dinh dưỡng không bò tổn thất, thời gian rửa ngắn và ít tốn
nước.
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 6
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
Nước rửa cũng như nước dùng trong công nghệ chế biến (chần, nấu, pha chế…) phải là nước ăn,
đảm bảo chỉ tiêu Vệ sinh dòch tễ (Bộ Y tế) quy đònh. Nước rửa được sử dụng ở đây có thể tận
dụng từ lượng nước sau khi rửa tinh thể nước đá cuối quá trình cô đặc.
Ép
Nguyên lý : ép là phương pháp chủ yếu để tách dòch bào ra khỏi nguyên liệu. Trong quá trình ép
thì hiệu suất ép là chỉ tiêu quan trọng nhất. Hiệu suất ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố : phẩm chất
nguyên liệu, phương pháp sơ chế, cấu tạo, chiều dày, độ chắc của lớp nguyên liệu ép và áp suất
ép. Dòch bào chứa trong không bào bò bao bọc bới chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh của quả
có tính bán thấm, ngăn cản sự tiết dòch bào. Vì vậy, muốn năng cao hiệu suất ép phải làm giảm
tính bán thấm của chất nguyên sinh bằng cách làm biến tính chất nguyên sinh hay làm chết tế
bào. Thông thường người ta sử dụng các phương pháp như sau : đun nóng, sử dụng nấm men
chứa hỗn hợp pectinase, protease hoặc dùng dòng điện…
Thiết bò ép : sử dụng thiết bò ép liên tục của hãng FMC Food Technology
Hình 3 – Máy ép cam của hãng FMC Food Tech
Cấu tạo của máy
Máy có từ 3 đến 8 cặp chén ép (tùy năng suất của máy). Vd: máy có 5 cặp chén ép có thể ép
đến tính chất cảm quan của sản phẩm. Các thành phần này bao gồm protid, chất đắng… Nhiệt độ
có thể làm protid bò biến tính và tạo tủa. Kết tủa sẽ được lắng xuống đáy bồn và kéo theo các
hợp chất gây vò đắng. Quá trình này góp phần làm cho dung dòch có độ đồng nhất cao và trong
hơn. Có thể bổ sung chất trợ lắng để tăng hiệu quả của quá trình. Lưu ý cần gia nhiệt thật nhanh
ớ nhiệt độ 70-75
o
C từ 5-10 phút để tránh tổn thất chất khô.
Ly tâm
Quá trình ly tâm nhằm mục đích tách bã và các chất chất keo đã kết tủa sau quá trình gia nhiệt
làm cho dòch quả đem cô đặc có độ đồng nhất cao và loại bỏ những ảnh hưởng xấu của sản
phẩm cô đặc sau này.
Cô đặc
Nguyên tắc : khi giảm nhiệt độ của dung dòch nước cam chưa bão hoà xuống dưới nhiệt độ đóng
băng của nó thì dung môi (nước) sẽ đóng băng trước, còn chất hoà tan (đường, acid, cấu tử
hương…) vẫn còn ở dạng dung dòch. Tách pha rắn khỏi pha lỏng bằng cách ly tâm kết hợp với dao
cạo nước đá, dòch quả thu được chính là nước cam cô đặc. Nhiệt độ cô đặc được đưa xuống
khoảng -10
o
C
÷
-15
o
C. Để đảm bảo hiệu suất cô đặc cao ta có thể tiến hành cô đặc nhiều cấp.
So với phương pháp bốc hơi thì phương pháp lạnh đông tuy có tổn thất chất hoà tan nhiều hơn
nhưng sản phẩm có chất lượng cao, giữ được nhiều chất dinh dưỡng hơn và đặc biệt là những tính
chất cảm quan đặc trưng của nước quả mà phương pháp bốc hơi không có được.
Mặt khác để sản phẩm đạt nồng độ cao có thể cô đặc bằng cách kết hợp hai phương pháp : lúc
đầu cô đặc bằng chân không, sau đó làm lạnh đông tiếp tục đến nồng độ chất khô cần thiết.
Rót chai, ghép nắp
Nước cam trong quá trình bảo quản và tồn trữ thì hương vò giảm sút rõ rệt. Để hạn chế tình trạng
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO QUY TRÌNH
I.1. Sơ đồ quy trình cô đặc
Nhập liệu
Làm lạnh sơ bộ
Kết tinh 1
Ly tâm 1
Dòch cô đặc 1
G
đ
, x
đ
K
1
, x
k1
M
1
, x
1
M
1
-
∆
M
1
, x
1
Kết tinh 2
Ly tâm 2
K
, x=0
∆Μ
1
,
x
1
Κ
1
,
x
k1
K
3
,
∆
M
3
Sản phẩm
Hình 4 - Sơ đồ quy trình công nghệ cô đặc kết tinh 2 cấp
I.2. Đặt vấn đề
Tính toán cân bằng vật chất cho 1kg nhập liệu (vào nồi cô đặc) với nồng độ chất khô ban
đầu là x = 10%. Sản phẩm có nồng độ chất khô là 30%. Năng suất 5000T/năm.
Vì không có giản đồ kết tinh của nước cam nên ta có thể chọn giản đồ kết tinh của nước
táo làm cơ sở để xác đònh nhiệt độ kết tinh của nước cam theo nồng độ (vì thành phần
hoá học nước táo gần với thành phần hoá học của nước cam)
Trong thực tế, lượng chất khô trong dòch nước cam là hỗn hợp phức tạp nhiều cấu tử
nhưng để đơn giản ta xem dòch nước cam ép là hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn gồm nước và
chất khô tan trong nước.
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 10
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
o
C ; ρ = 1142 kg/m
3
.
Khối lượng riêng có thể tính theo công thức : (xem bảng 4)
ρ = 1766 – 6.8W – 0.97T + 0.006WT ([4],2.32,tr.83)
Bảng 5 – Nhiệt độ kết tinh và khối lượng riêng của dòch cam ép theo nồng độ
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 11
Thành phần Đơn vò Cam Táo Dâu tây
Nước g 88.8 87.5 84
Protein g
0.9 0.5
1.8
Lipid g
- -
-
Glucid g 8.4
11.3
9.4
Cellulose g 1.4
0.6
4.0
Nồng độ phần
khối lượng, x%
Nhiệt độ kết
tinh,
o
C
Khối lượng riêng
ρ, kg/m
1
, x
1
:Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái thu được sau kết tinh 1
M
2
, x
2
: Khối lượng dòch cái và nồng độ chất khô trong dòch cái sau KT
2
∆M
1
, ∆M
2
= Tổn thất sau lọc do dich ép bám lên tinh thể K
1
, K
2
sau KT1 và KT2
K
1
, x
k1
: Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT1
K
2
, x
k2
: Khối lượng tinh thể thô và nồng độ chất khô bám lên tinh thể thô sau KT2
K
0,2 0,02
d
d
k
d k
d
k
x x
K G kg
x x
x x
M G kg
x x
−
−
= = =
− −
−
−
= = =
− −
Trong đó x
đ
= 0,1, x
1
= 0,2, x
k1
= 0,02 ; G
đ
= 1 kg/h
dd
d
/10.17,81.
02.02.0
1.02.0
.
10.3.1037
1089.10.7,0.6
..
6
3
3
5
11
1
11
111
11
−
−
−
=
−
−
=
−
−
=∆=∆
ρ
ρδ
=
−
=
∆−
−
d
G
MM
kg dòch lọc/kg dòch ép đầu
I.3.3. Tại thiết bò kết tinh 2
Ở đây, dòch M
1
sau khi lọc (khối lượng còn M
1
- ∆M
1
) sẽ được đem kết tinh lần 2 thu được
dòch M
2
và khối tinh thể thô K
2
với nồng độ chất khô tương ứng là x
2
, x
k2
. Ta có
+=∆−
k
k
k
286.0).(
1558.0).(
22
21
112
22
12
112
I.3.4. Tại thiết bò lọc 2 – Lọc ly tâm
Lượng dòch cái ∆M
2
còn sót trong khối tinh thể là
kgMM
xx
xx
d
f
M
k
d
3
3
5
11
22
12
22
. Lượng tinh thể sau rửa có khối lượng là K
3
, trong đó có tích một lượng nước
rửa là ∆M
3
, nước rửa này có thể xem như không có chất khô hoà tan trong đó. Còn
lượng nước nước thu hồi M’
3
có nồng độ x
3
có thể được đưa và hỗn hợp dòch ép lúc
ban đầu để giảm mất mát chất khô.
Trong thiết bò rửa các tinh thể K
1
và K
2
chỉ bò mài mòn về kích thước chứ không bò
giảm về số lượng tinh thể, do đó nó thay đổi kích thước (d
1
’, d
2
’), độ bám dính bề mặt
(f
1
’, f
2
’) theo tỷ lệ tổn hao khối lượng tinh thể (∆). Thông thường ∆ = 0.01−0.15 nên ta
chọn ∆ = 0,1.
Tính cân bằng vật chất
• Theo khối lượng :
K
1
x
k1
+ K
2
x
k2
+ 0 + ∆M
1
x
1
+ ∆M
2
x
2
= (1 - ∆)K
1
x
k1
+ (1 - ∆)K
2
x
k2
+ M’
3
x
3
+ 0
Lượng tinh thể sau rửa là
+++
=
∆+∆++∆
=
M
xMxMxKxK
kk
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
∆M
3
=
( )
−−−
−
−
+−
−
∆
ρ
ρδ
Với b
1
= δ’
1
/d
1
; b
2
= δ’
2
/d
2
d’
1
/d
1
= d’
2
/d
2
= ∆
2/3
= (0,1)
2/3
= 0,21544
=> d’
1
= d’
2
= 2,1544.10
-6
m
=> b
1
= b
2
= 7,1813.10
-3
Vậy lượng nước rửa tích lại trong khối tinh thể sau cùng là
∆M
3
=
( )
+ K
1
+ K
2
+ ∆M
1
+ ∆M
2
= K
3
+ M’
3
+ ∆M
3
K
1
x
k1
+ K
2
x
k2
+ 0 + ∆M
1
x
1
+ ∆M
2
x
Và x
3
Suy ra lượng chất khô thất thoát theo nước rửa là 0,74%.0,5081 = 3,76.10
-3
kg/h.
So với lượng chất khô hỗn hợp đầu (0,1 kg/h) thì tỷ lệ thất thoát là : 3,76%.
Vì tỷ lệ thất thoát này là không đáng kể nên ta không cần hồi lưu nước rửa này vào hỗn hợp đầu.
Lượng nước rửa này có thể được tái sử dụng để rửa nguyên liệu đầu vào.
II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO CẢ QUY TRÌNH
II.1. Năng suất thành phẩm
5000T/năm = 5000.10
3
kg/(300ngày*16giờ/ngày) = 1041,7 kg/h
II.2. Năng suất thiết bò cô đặc:
Nếu tổn thất sau quá trình thanh trùng và rót chai là 1%
Gc = 1041,7/0,99 = 1052,2 kg/h
II.3. Năng suất nhập liệu vào thiết bò cô đặc
Tỷ lệ dòch cô thu được so với dòch đầu là 0,286
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 14
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
G
đ
= 1052,2/0,286 = 3679,1 kg/h
II.4. Khối lượng nước ép vào máy ly tâm (lọc tinh),
Chọn tổn thất là 0,5%
Gv(lọc tinh) = 3679,1/0,995 = 3697,6 kg/h
II.5. Khối lượng nước ép vào thiết bò gia nhiệt
Chọn tổn thất trong quá trình gia nhiệt là 0,5%
Gv(gia nhiệt) = 3697,6/0.995 = 3716,2 kg/h
Tinh thể đá K3 0.6402 0
Nước rửa M3 0.4268 0
Nước tích lại ∆M3 0.000464 0
Nươc thu hồi M'3 0.5081 0.0074
7. Sản phẩm
Dòch cô đặc Gc 0.2860 0.3
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 15
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
Bảng 7 – Tổng kết cân bằng vật chất cho cả quy trình sản xuất
Quá trình
Tổn hao
(%)
Đầu vào
(kg/h)
Đầu ra
(kg/h)
1 Nhập nguyên liệu 5.0%
12201.6
2 Chọn lọc, phân loại 3.0% 12201.6 11835.5
3 Rửa 0.5% 11835.5 11776.3
4 Ép
Nguyên liệu
Bã
Dòch ép
15.0%
11776.3 11113.9
7360.2 7360.2
4416.1 3753.7
5 Lọc thô 1.0% 3753.7 3716.2
6 Gia nhiệt 0.5% 3716.2 3697.6
Kết thúc KT2Làm lạnh
(1) (2) (3) (4) (5)
I.2. Độ nhớt động lực của dòch ép
Độ nhớt của dung dòch nước ép lấy gần đúng theo dung dòch đường mía theo [3,I.112,114)
I.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch và tinh thể nước đá
Hệ số dẫn nhiệt của dung dòch được tính theo công thức : [3,I.32,123]
dòch dung
λ
=
3
hh
M
ρ
A.Cp. .ρ
(
mK
W
)
Trong đó : Cp – nhiệt dung riêng đẳng áp của dòch ép, J/kg.độ; r – khối lượng riêng của
dòch ép, kg/m
3
; M – khối lượng mol hỗn hợp.
Với dung dòch đang ép thuộc loại chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10
-8
.
Hệ số dẫn nhiệt của tinh thể nước đá : [3, I.128, 132]
λ
đá1
(-2
λ
đa
ù, W/
mK
(1) Nhập liệu
0.1
0 30
1037
3961.23 - 1.792E-03 0.3415 -
(2) Làm lạnh
0.1
0 3
1037
3940.86 - 1.792E-03 0.3398 -
(3) Bắt đầu kết tinh
0.1
0 -1
1037
3937.85 - 1.792E-03 0.3395 -
(4) Kết thúc KT1
0.2
0 -2
1089
3684.18 2090.3 3.804E-03 0.3390 2.532
(5) Kết thúc KT2
0.3
0 -5
1142
3424.49 2090.3 9.287E-03 0.3358 2.566
II. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯNG
C → -5
o
C.
II.1. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh sơ bộ dòch ép ban đầu
Nhiệt độ đầu và cuối quá trình : t
đ
= 30
o
C → t’
đ
= 3
o
C
Khối lượng dòch ép : G
đ
= 1kg/h
Nhiệt dung trung bình : c
đ
= (3961.23 + 3940.86)/2 = 3951,05 J/kg.độ
Lượng nhiệt cung cấp : Q
o
= G
đ
c
đ
(t
đ
– t’
đ
) = 1.3951,05.(30 - 3) = 106678.2 J/kg dòch đầu.h
kt1
= K
1
. λ
kt
= 0,5556. 333608,3 = 185352.8 J/kg dòch đầu.h
Kết tinh 2 : Q
kt2
= K
2
. λ
kt
= 0,1558. 333608,3 = 51976.2 J/kg dòch đầu.h
=> Q
kt
= Q
kt1
+ Q
kt2
= 185352,8 + 51976,2 = 237329 J/kg dòch đầu.h
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 18
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
II.4. Nhiệt lượng cần thiết để làm lạnh dòch ép từ -1
o
C → -5
o
C
Ta có : Q
dd
= Q
= 0,29 kg/kg dòch đầu; c
M2
= 3424,49 J/kg.độ
Nhiệt lượng cung cấp
• Q
dd1
= M
1
c
M1
.(t
1
– t
2
) = 0,4444.3864,18 = 1717,24 J/kg dòch đầu.h
• Q
dd2
= M
2
c
M2
.(t
3
– t
2
) = 0,29. 3424,49.3 = 2979.3 J/kg dòch đầu.h
=> Q
dd
= 1717,24 + 2979,3 = 4696,54 J/kg dòch đầu.h
II.5. Nhiệt lượng cần cho quá trình làm lạnh tinh thể đá từ -1
o
C → -2
o
C) : Q
đá1
= 0,5556.2090,3.1 = 1161,4 kJ/kg dòch đầu.h
Tại kết tinh 2 (từ -2
o
C → -5
o
C) : Q
đá2
= 0.1558.2090,3.3 = 977 J/kg dòch đầu.h
=> Q
đá
= 2138,4 J/kg dòch đầu.h
II.6. Tổng nhiệt lượng thực tế
Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 15% lượng nhiệt thực tế
Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình kết tinh 1 :
ΣQ
kt1
= 1,15 (Q
1
+ Q
dd1
+ Q
kt1
+ Q
đá1
)
Nhiệt lượng tổng
kJ/h
Nhiệt lượng tổng
kW
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 19
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
1. Làm lạnh sơ bộ 111527,2 410319,8 113,98
2. Kết tinh 1 234587,1 863069,5 239,74
3. Kết tinh 2 64322,4 236648,6 65,74
Tổng nhiệt lượng cần
421589,5 1.551.069,9 430,85
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 20
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
PHẦN 4
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ KẾT TINH
VÀ CHỌN THIẾT BỊ LỌC, RỬA
I. THIẾT BỊ KẾT TINH
I.1. Giới thiệu
Thiết bò cô đặc kết tinh là thiết bò thân hình trụ đứng, dạng vỏ áo, đáy và nắp ellipse tiêu chuẩn.
Tác nhân giải nhiệt để kết tinh dung môi được dùng là NH
3
.
Vật liệu chế tạo thiết bò
Thân làm bằng thép không gỉ để không làm ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm,
mã hiệu X18H10T.
Vỏ làm bằng thép thường CT
3
Phương pháp gia công : dùng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai phía.
I.1.1. Thùng kết tinh 1
Các thông số kích thước, chọn :
3
/h
Tính kích thước thùng
Thể tích thùng :
V
thùng
= V
thân
+ V
đáy
+ V
nắp
=
6,2283,0.28,1.
4
2,1
..2.
4
.
2
2
=+=+
ππ
dayT
T
VH
D
m
3
Chiều cao toàn bộ thùng : H
−
ππ
day
T
daydd
h
D
VV
m
Tính bề mặt truyền nhiệt
Để đảm bảo truyền nhiệt tốt thì lớp vỏ áo của thiết bò được bao cao hơn chiều cao mực
chất lỏng ở bên trong 150mm.
Bề mặt truyền nhiệt : F = F
dd(thân)
= πD(H
dd(thân)
+ 0,15) = 6,56 m
2
Tính số thùng kết tinh 1
N
1
=
82,6
08,2
4.548,3
.
1
1
==
τ
đáy
= F
nắp
= 1,75 m
2
Thể tích và chiều cao dung dòch : V
dd2
= 2,6.0,8 = 2,08 m
3
; H
dd2
= H
dd1
= 1,939 m
Bề mặt truyền nhiệt : F
2
= πD(H
dd(thân)
+ 0,1) = 6,367 m
2
Số thùng kết tinh 2 : N
2
=
τ
.
2
2
dd
=> Chọn số thùng kết tinh là 3 thùng
I.2. Tính toán điều kiện bền
I.2.1. Các thông số cần tra và chọn
p suất tính toán :
Nếu xem áp suất thủy tónh là không đáng kể, bên trong thiết bò làm việc ở áp suất khí quyển:
P
T
= Pa = 1 at = 0,1 N/mm
2
p suất ngoài do tác nhân lạnh (ở nhiệt độ sôi là -10
o
C) tác động lên thân thiết bò là
P
N
= P
sôiNH3
= 2,9075 at = 0,29075 N/mm
2
p suất tác động lên thân thiết bò là
P = P
N
– P
T
= 0,19075 N/mm
2
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 22
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bò - Thiết kế thiết bò cô đặc nước cam bằng phương pháp lạnh
=> Thiết bò chòu áp suất ngoài
Vậy áp suất tính toán cho thân thiết bò được chọn trên cơ sở điều kiện làm việc nguy hiểm
N/mm 139,65147.0.95 ησσ ==×=
Hệ số bền mối hàn : ϕ
h
= 0,95
Mô đun đàn hồi :
24
t
N/mm1020,5E ×=
Giới hạn chảy ở nhiệt độ tính toán (20
o
C)
Hệ số an toàn chảy : n
c
= 1.65
2
c
N/mm 55.4221,65147σ =×=⇒
I.2.2. Tính bền cho thân thiết bò khi chòu áp suất ngoài
Bề dày tối thiểu
0.4
tt
n
t
D
l'
E
P
D 1.18S'
1200
1916,7
.
20,5.10
0,29075
1,18.1200.S'
0.4
4-
=
=
mm
Chọn hệ số bổ sung bề dày C
Hệ số ăn mòn của tác nhân NH
3
là C
a
= 1 mm;
Hệ số ăn mòn của dung dòch nước trái cây là C
b
= 0,5 mm;
Hệ số quy tròn C
o
−
≤≤
−
(2) So sánh :
T
D
l'
và
3
t
a
t
c
t
D
)C2(S
σ
E
0.3
−
=>
3
t
a
T
D
l'
=1,5975
=> Thoả điều kiện (2)
(3) Kiểm tra
[ ]
22
2
4
t
a
2
t
at
t
N/mm 0.2907 P N/mm4057,0
1200
9
1200
9
1917
1200
1020,50,649
D
CS
D
CS
l'
D
Chọn bề dày tính toán cho nắp bằng với bề dày của thân thiết bò : S = 10 mm
Tính bền cho đáy
(1) So sánh :
S
R
t
và
t
c
t
xσ
0.15E
Trong đó : R
t
= D
t
= 1200 mm (đáy-nắp ellipse tiêu chuẩn);
E
t
= 20,5.10
4
N/mm
2
;
55.422σ
c
=
N/mm
2
;
t
xσ
0,15E
và
3.025,0
D
h
2.0
T
t
<=<
(2) p suất cho phép :
[ ]
[ ]
( )
t
an
n
R
CS2
P
β
σ −
=
Trong đó :
[ ]
n
σ
là ứng suất nén được xác đònh bởi công thức :
[ ]
t
c
c
=
×
==
; k
c
= 0.065 (theo [11],140)
=>
[ ]
46,103
1200
9
.10.5,20.0673,0
D
CS
Eσ
4
t
a
tn
==
−
=
c
K
N/mm
2
=> β =
β
σ −
=
=
22
/29075,0/7779,0
,995.12001
2.103,46.9
mmNmmN >=
=> Đáy đủ bền
Tính tương tự cho nắp ta cũng được [P
n
] = 0,7779 N/mm
2
> 0,1 N/mm
2
=> Nắp cũng đủ bền
I.2.4. Tính bề dày vỏ thiết bò
Áp suất bên trong vỏ thiết bò P = P
tác nhân
= 0,29075 N/mm
2
⇒
Vỏ thiết bò chòu áp suất trong
(Xem như bề mặt cách nhiệt không tác dụng lên vỏ, phía ngoài vỏ chỉ chòu áp suất khí quyển).
p suất tính toán cho vỏ thiết bò :
P
TT
= P
Hệ số bền mối hàn : ϕ
h
= 0,95
SVTH : Ngô Lâm Tuấn Anh Trang 25
Copyright: Tài liệu đại học ©