Đồ án Chuyên ngành cô đặc hệ 3 nồi chân không liên tục sữa có đường

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐẶC HỆ 3 NỒI CHÂN KHƠNG LIÊN TỤC SỮA CĨ ĐƯỜNG Đồ án chuyên ngành 1 CHƯƠNG 1: ............................................................................................................................... 4 I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ...................................................................................................... 4 II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ ................................................................................................ 4 1. Khái niệm ................................................................................................................ 4 2. Sơ lược về nguyên liệu: .......................................................................................... 4 3. Thành phần hoá học của 1 lít sữa bò...................................................................... 5 4. Phân loại thiết bị cô đặc.......................................................................................... 6 5. Lựa chọn thiết bị cô đặc.......................................................................................... 6 III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ...................................................................................... 7 1. Sữa tươi nguyên liệu ............................................................................................... 8 2. Gia nhiệt sơ bộ......................................................................................................... 8 3. Thanh trùng .............................................................................................................. 8 4. Cô đặc ...................................................................................................................... 8 5. Làm lạnh ................................................................................................................ 10 6. Thành phẩm ........................................................................................................... 11 CHƯƠNG 2: ............................................................................................................................. 12 I. SƠ LƯỢC VỀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ............................................................................ 12 II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ........................................................ 12 1. Cân bằng vật chất ............................................................................................... 13 2. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi .................................................................. 14 3. Xác định tổn thất nhiệt độ hệ thống ..................................................................... 15 3.1. Tổn thất do nồng độ ( ’) ................................................................................... 15 3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh ( ’’)..................................................... 16 3.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên đường ống ( ’’’) .......................... 16 3.4. Tổn thất chung cho toàn hệ thống .................................................................... 16 3.5. Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi ..................................................... 16 4. Tính nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng ............................................................. 16 4.1. Nhiệt lượng riêng............................................................................................... 16 4.2. Nhiệt dung riêng: ............................................................................................... 16 5. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết ............ 17 III. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH .................................................................. 20 1. Độ nhớt................................................................................................................... 21 Đồ án chuyên ngành 2 2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ............................................................................. 22 3. Hệ số cấp nhiệt...................................................................................................... 22 3.1. Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị ............................................ 22 3.2. Giai đoạn cấp nhiệt từ thành đến dung dịch .................................................... 23 3.3. Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi ......................................................... 25 IV. KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ......................................................................................... 26 1. Buồng đốt............................................................................................................... 26 1.1. Ống truyền nhiệt ................................................................................................ 26 1.2. Đường kính buồng đốt ....................................................................................... 26 2. Kích thước buồng bốc............................................................................................ 26 3. Đường kính các ống dẫn ....................................................................................... 27 3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt và hơi thứ ............................................................ 27 3.2. Đường kính ống dẫn dung dịch ......................................................................... 28 V. TÍNH CƠ KHÍ .............................................................................................................. 29 1. Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công ........................................................ 29 2. Xác định điều kiện làm việc................................................................................. 29 3. Tính bề dày thân chịu áp suất ngoài .................................................................... 30 4. Tính bề dày đáy, nắp buồng đốt và buồng bốc ................................................... 33 4.1. Nắp, đáy elip làm việc áp suất ngoài ............................................................... 33 4.2. Đáy nón làm việc áp suất ngoài: ...................................................................... 34 5. Các bộ phận phụ .................................................................................................... 36 5.1. Bích và bulông: .................................................................................................. 36 5.2. Vĩ ống và đĩa phân phối .................................................................................... 37 5.3. Tai treo ............................................................................................................... 38 5.4. Tính bề dày lớp cách nhiệt................................................................................ 41 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ........................................................................... 42 I. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET .......................................................................... 42 II. THIẾT BỊ GIA NHIỆT ................................................................................................ 47 III. TÍNH VÀ CHỌN BƠM ............................................................................................ 48 IV. TÍNH HỆ THỐNG CHÂN KHÔNG........................................................................ 50 1. Chọn bơm chân không........................................................................................... 50 2. Chọn hệ thống ống dẫn khí ................................................................................... 50 3. Xác định độ dẫn khí của các ống dẫn và trở lực của toàn hệ thống .................. 51 Đồ án chuyên ngành 3 4. Xác định thời gian hút khí và áp suất tới hạn của hệ thống ............................... 52 CHƯƠNG 4:ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................................................... 54 I. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC ................................... 54 II. ĐẠI LƯỢNG CẦN ĐIỀU CHỈNH ............................................................................. 56 III. TÁC ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ...................................................................................... 57 IV. CÁC THÔNG SỐ CẦN KIỂM TRA ....................................................................... 57 V. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................................................................................... 57 CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT ........................................................................................................ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 62 Đồ án chuyên ngành 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch sữa đặc có đường bằng thiết bị ống dài, ba nồi, xuôi chiều, liên tục. Năng suất nhập liệu: 2000 kg/h Nồng độ đầu: 10% khối lượng Nồng độ cuối: 74% khối lượng Aùp suất ngưng tụ: 0,1 at Aùp suất hơi đốt: 3 at II. LỰA CHỌN THIẾT BỊ 1. Khái niệm Cô đặc là phương pháp thường được dùng để tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch 2 hay nhiều cấu tử . Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi hay dễ bay hơi ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh. Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt. Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng của dung dịch (tức khi dung dịch sôi). Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp. 2. Sơ lược về nguyên liệu: Người ta có thể sản xuất sữa cô đặc có đường từ nguyên liệu chính là sữa tươi hay sữa tái chế (sữa tái chế được chuẩn bị từ bột gầy, chất béo khan từ sữa và nước). Ngoài ra, người ta còn sữ dụng đường saccharose, lactose và một số phụ gia. Để là giảm giá thành sản phẩm, một số nhà sản xuất dùng dầu thực vật để hiệu chỉnh hàm lượng chất béo trong sản phẩm. Sữa tươi và sữa tái chế: trong sản xuất sữa cô đặc, nguyên liệu sữa tươi và sữa tái chế phải đạt các chỉ tiêu về cảm quan, hoá lý và vi sinh vật tương tự như trong sản xuất sữa tiệt trùng và các sản phẩm khác từ sữa. Các nhà sản xuất thường quan tâm đến hai chỉ tiêu dưới đây: Sự ổn định của các protein sữa với tác nhân nhiệt càng cao thì càng tốt: yêu cầu này nhằm hạn chế sự đông tụ protein trong các quá trình xử lý nhiệt, đảm bảo cấu trúc sản phẩm được đồng nhất và không bị kết tủa. Để làm tăng tính ổn định của các protein sữa, các nhà sản xuất cần sử dụng một số phụ gia thích hợp. Đồ án chuyên ngành 5 Hàm lượng vi sinh vật trong sữa càng thấp càng tốt: do quá trình cô đặc sữa diễn ra ở nhiệt độ thấp (65 – 700C) nên sẽ hoạt hoá các bào tử trong sữa và làm cho chúng nảy mầm, đồng thời các tế bào sinh dưỡng chịu nhiệt sẽ không bị ức chế trong quá trình cô đặc. Đường saccharose: saccharose là một disaccharide do glucose va fructose tạo thành. Việc sữ dụng saccharose trong sản xuất sữa đặc có đường với mục đích làm tăng áp lực thẩm thấu trong sản phẩm, nhờ đó kéo dài thời gian bảo quản sữa cô đặc. Thông thường, các nhà sản xuất sữ dụng tinh thể saccharose (tinh luyện) để sản xuất sữa cô đặc có đường. Các chỉ tiêu chất lượng như sau: hàm lượng saccharose không thấp hơn 99.8%, độ ẩm không vượt quá 0.05%, độ tro không lớn hơn 0.03% và độ màu không quá 30 0 ICUMSA. Đường lactose: trong sản xuất sữa đặc có đường, người ta bổ sung lactose vào sữa tươi dưới dạng mầm tinh thể nhằm mục đích điều khiển quá trình kết tinh lactose sao cho kích thức tinh thể phải nằm trong một khoảng giá trị yêu cầu. Nếu kích thước tinh thể lactose quá lớn thì sẽ ảnh hưởng xấu đến giá trị cảm quan của sản phẩm. Trước khi sữ dụng, đường lactose sẽ được sấy khô và nghiền mịn đến kích thước vài m. Phụ gia: quan trọng nhất là nhóm phụ gia có chức năng ổn định các protein sữa nhằm hạn chế hiện tượng đông tụ protein dưới tác dụng của nhiệt. Các nhà sản xuất thường sữ dụng muối sodium phosphate, citrate hoặc tetrapolyphosphate. Ngoài ra, để ổn định hệ nhũ tương của sản phẩm, một số nhà sản xuất còn bổ sung các loại vitamin, gồm các loại vitamin tan trong nước và các vitamin tan trong chất béo. Dầu thực vật: dầu thực vật là chất béo có giá thành thấp hơn chất béo khan từ sữa. Một số công ty tại Việt Nam sữ dụng dầu thực vật (như dầu cọ) để hiệu chỉnh lượng chất béo trong sản phẩm sữa cô đặc. Hàm lượng chất béo trong sữa cô đặc thường dao động trong khoảng 8 – 9%. Việc sữ dụng dầu thực vật sẽ góp phần làm giảm giá thành sản phẩm nhưng có thể ảnh hưởng đến một số chỉ tiêu vật lý và cảm quan sản phẩm. Chỉ tiêu chất lượng quan trọng của dầu là hàm lượng triglyceride, độ ẩm, chỉ số acid, peroxide và iodine. Mỗi công ty sẽ tự đề xuất mức giá trị cụ thể cho chỉ tiêu chất lượng của dầu nguyên liệu. 3. Thành phần hoá học của 1 lít sữa bò Các thành phần Trạng thái Khối lượng % KL Nước Pha lỏng, tồn tại ở hai dạng: nước tự do và nước liên kết 902 87,4 Gluxit (40 60) g/l Chủ yếu ở dạng tự do (lactoza ở trạng thái phân tử) và một lượng nhỏ ở dạng kết hợp ( galactoza, galactosamin, axit sialic ở trạng thái keo, được liên kết với protein) 49 4,75 Chất béo (25 45) g/l Ở dạng cầu béo: là những chất béo có đường kính (1 10) m, được bao bằng một màng lipoprotein, ở dạng nhủ tương. 39 3,78 Đồ án chuyên ngành 6 Ở dạng các hợp chất hoà tan trong chất béo: các sắc tố ( -caroten) sterol (cholesterol), các vitamin. Hợp chất nitơ (25 45) g/l Ở dạng mixen 28g: ở dạng huyền phù, là phức của phosphat canxi liên kết với liên hợp của casein. Ở dạng hoà tan 4,7g: là những cao phân tử của albumin và imunoglobulin. Nitơ phi protein 0.3g: ure, axit uric, creatin,… 33 3,2 Chất khoáng (25 40) g/l Ở trạng thái keo hoà tan như: ở dạng phân tử và ion (axit xitric, K, Ca, P, Na, Cl, Mg); ở dạng các nguyên tố trung lượng (Zn, Al, Fe, Cu. I,…) 9 0,87 Các chất khác Các chất xúc tác sinh học: vitamin (A, D, E, K, B1, B2, PP, B6, B12, C,…) va ø các enzime Các chất khí hoà tan: CO2, O2,… Vết 4. Phân loại thiết bị cô đặc Thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm: - Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên. Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. - Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức. Thiết bị trong nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm đựơc sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt. -Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi xuống. Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hay buồng đốt ngoài. Tuỳ theo điều kiện của dung dịch mà ta có thể sử dụng cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường hay áp suất dư. 5. Lựa chọn thiết bị cô đặc Theo tính chất của nguyên liệu, cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói trên ta chọn loại thiết bị ống dài, thẳng đứng, màng chảy xuôi xuống có buồng đốt ngoài, sử dụng ba nồi xuôi chiều liên tục. Ưu điểm của hệ thống: Đồ án chuyên ngành 7 Dùng thiết bị cô đặc kiểu màng chất lỏng, dung dịch vào và ra khỏi dàn ống một lần, không có tuần hoàn trở lại, nên thời gian dung dịch tiếp xúc trực tiếp với bề mặt truyền nhiệt ngắn, thích hợp với sản phẩm dễ bị biến tính vì nhiệt độ. Dùng hệ thống 2 nồi xuôi chiều liên tục có thể sử dụng hợp lý lượng hơi bằng cách dùng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dần từ nồi trước ra nối sau, do đó nhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp. Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm giảm bớt chiều cao thiết bị, tách bọt triệt để do buồng đốt cách xa không gian hơi. Nhược điểm: Hệ cô đặc 3 nồi xuôi chiều loại ống dài không có lợi khi phải cô đặc dung dịch có độ nhớt cao và nồng độ cuối lớn, vì dung dịch khi lấy ra ở nhiệt độ thấp có độ nhớt lớn nên khó lấy ra. Không thích hợp khi cô đặc dung dịch đến nồng độ cuối cao và dung dịch dễ kết tinh vì dung dịch sẽ dính trên đường ống gây tắc ống. Với ống quá dài nên việc vệ sinh ống khó khăn và ống chịu sự dãn nở vì nhiệt nhiều. III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Gia nhiệt sơ bộ (55÷60) 0 C Sữa tươi nguyên liệu (4÷8) 0 C Sữa cô đặc 74% Thanh trùng (70±2) 0 C Cô đặc nồi 1 (65÷70) 0 C Cô đặc nồi 2 (60÷63) 0 C Cô đặc nồi 3 (55±2) 0 C Làm lạnh (4÷8) 0 C Đồ án chuyên ngành 8 Thuyết minh quy trình công nghệ: 1. Sữa tươi nguyên liệu Sữa tươi nguyên liệu sau khi kiểm tra tiêu chuẩn vệ sinh thường có chất khô (10,6±0,1)%. Để chất lượng sữa tươi nguyên liệu có chất lượng ổn định chúng sẽ được làm lạnh ở môi trường nhiệt độ (4÷8) 0 C và được đưa vào bồn có dung tích phù hợp đã được khử trùng. 2. Gia nhiệt sơ bộ Sữa tươi ở nhiệt độ (4÷8) 0 C từ bồn chứa sẽ được bơm vào vào bồn cân bằng. Do bồn cân bằng có van phao kiểm soát mức sữa nên tránh hiện tượng dao động dòng sữa nguyên liệu cấp vào tháp cô đặc. Từ bồn cân bằng sữa tươi được đưa qua vỉ trao đổi nhiệt, nhờ trao đổi nhiệt với sản phẩm sữa cô đặc của nồi cô đặc thứ 3 (hồi nhiệt) có nhiệ t độ 55 0 C thì nhiệt độ của sữa tươi tăng lên (20÷26) 0 C. Sau đó ra khỏi vỉ sữa tươi lại tiếp tục được gia nhiệt sơ bộ nhờ bốn thiết bị gia nhiệt kiểu ống chùm. Nhiệt ở đây được tái sử dụng từ phần hơi dư của mỗi tháp cô đặc. Trước khi vào thiết bị thanh trùng, nhiệt độ sữa tươi có thể đạt đến (55÷60) 0 C. 3. Thanh trùng Sau khi gia nhiệt sơ bộ, sữa tươi sẽ đi vào thiết bị thanh trùng để được nâng nhiệt lên đến nhiệt độ thanh trùng. Thiết bị than