Niên luận Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP & SINH HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.s Trần Thanh Trúc Trương Thanh Tùng MSSV: LT08210 Lớp: CNTP 34LT Lớp: Công nghệ thực phẩm 34LT Cần Thơ, tháng 6 năm 2009 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc LỜI NÓI ĐẦU Theo chương trình đào tạo ngành công nghệ thực phẩm, sinh viên sẽ thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm. Việc thực hiện niên luận nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị chế biến và lựa chọn vật liệu thích hợp. Đồng thời, niên luận này còn giúp sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở. Được sự hướng dẫn của cô Trần Thanh Trúc, em đã thực hiện niên luận kỹ thuật thực phẩm với đề tài:“Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch đường sucrose” Tuy đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện niên luận, nhưng với kiến thức còn hạn chế, quyển niên luận này vẫn có những thiếu sót không mong muốn, rất mong nhận được sự đóng góp của quý Thầy, Cô cũng như các bạn trong ngành Công nghệ thực phẩm để bản thân rút ra kinh nghiệm và thành công hơn trong những đề tài tiếp theo. Cuối cùng, xin chân thành cám ơn các Thầy cô trong bộ môn Công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện cho em thực hiện niên luận này. Em xin cám ơn sự giúp đỡ tận tình của Cô Trần Thanh Trúc và Thầy Nguyễn Văn Mười trong suốt thời gian thực hiện niên luận cùng các anh chị trong ngành cũng như các bạn cùng lớp. Xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực hiện Trương Thanh Tùng (Email: thanhtung_cntp34lt@yahoo.com) Trang ii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................ii MỤC LỤC......................................................................................................................... iii DANH SÁCH HÌNH ..........................................................................................................v DANH SÁCH BẢNG ........................................................................................................vi QUY ƯỚC KÝ HIỆU ......................................................................................................vii PHẦN 1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................1 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE ..........................................................1 1.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC ..............................................................................................................................1 1.2.1. Giới thiệu chung về cô đặc ..........................................................................1 1.2.2. Phân loại......................................................................................................2 1.2.3. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm.....................................................3 PHẦN 2 THIẾT BỊ CHÍNH .........................................................................................5 2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU ....................................................................................5 2.1.1. Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ ) ..........................................5 2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi ........................................................6 2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi ................................................6 2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ..........................................................................7 2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi...........................................................7 2.2.2. Xác định tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ ..............................................................8 2.2.3. Hiệu số nhiệt độ hữu ích Δthi và nhiệt độ sôi dung dịch ............................12 2.2.4. Xác định nhiệt dung riêng dung dịch.........................................................12 2.2.5. Lượng hơi đốt và lượng hơi thứ mỗi nồi....................................................13 2.2.6. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi........................................15 2.3. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT.................................................................15 2.3.1. Lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp ...............................................................15 2.3.2. Hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi...............................................................16 2.4. KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT........................................................................21 2.4.1. Số ống truyền nhiệt ....................................................................................21 2.4.2. Ống tuần hoàn trung tâm...........................................................................22 Trang iii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc 2.4.3. Đường kính trong buồng đốt......................................................................23 2.5. KÍCH THƯỚC BUỒNG BỐC........................................................................24 2.6. ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN ...................................................................25 2.6.1. Đối với dung dịch và nước ngưng..............................................................25 2.6.2. Đối với hơi bão hòa ...................................................................................25 2.7. TỔNG KẾT THIẾT BỊ CHÍNH.....................................................................26 PHẦN 3 THIẾT BỊ PHỤ - THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET..........................27 3.1. LƯỢNG NƯỚC LẠNH CẦN THIẾT ĐỂ NGƯNG TỤ ..............................27 3.2. THỂ TÍCH KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ KHÔNG NGƯNG CẦN HÚT RA KHỎI BAROMET.......................................................................................................27 3.3. KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ..........................28 3.3.1. Đường kính trong.......................................................................................29 3.3.2. Kích thước tấm ngăn..................................................................................29 3.3.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ........................................................................30 3.3.4. Kích thước ống Baromet ............................................................................32 PHẦN 4 TÍNH CƠ KHÍ..............................................................................................34 4.1. CHIẾU DÀY THIẾT BỊ..................................................................................34 4.1.1. Nồi 1...........................................................................................................34 4.1.2. Nồi 2...........................................................................................................42 4.2. VỈ ỐNG.............................................................................................................48 4.3. HỆ THỐNG TAI ĐỠ.......................................................................................49 4.3.1. Khối lượng vật liệu ....................................................................................49 4.3.2. Khối lượng nước ........................................................................................51 4.4. MẶT BÍCH.......................................................................................................53 4.4.1. Để nối các ống dẫn ....................................................................................53 4.4.2. Để nối các bộ phận của thiết bị .................................................................54 PHẦN 5 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔ ĐẶC...................................................................55 5.1. HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 2 NỒI XUÔI CHIỀU ................................................55 5.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH ......................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................57 Trang iv Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc DANH SÁCH HÌNH Hình 1. Công thức cấu tạo của sacaroza ..............................................................................1 Hình 2. Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc ............................................................9 Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống cô đặc 2 nồi..........................................................................13 Hình 4. Sự truyền nhiệt từ hơi đốt qua thành ống đến dung dịch ......................................16 Hình 5. Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet...........................................................................28 Hình 6. Sơ đồ hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều ................................................................55 Trang v Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất hơi của mỗi nồi .......................................................................8 Bảng 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ..................................................................9 Bảng 3. Bảng tóm tắt tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh..............................................11 Bảng 4. Tổn thất chung trong hệ thống cô đặc ..................................................................11 Bảng 5: Nhiệt dung riêng của dung dịch đường sucrose ...................................................13 Bảng 6. Các thông số về năng lượng .................................................................................14 Bảng 7. Lượng nhiệt do hơi cung cấp................................................................................16 Bảng 8. Nhiệt tải riêng q1 phía hơi ngưng .........................................................................18 Bảng 9. Hệ số cấp nhiệt theo nhiệt độ sôi..........................................................................19 Bảng 10. Nhiệt tải riêng q2 phía dung dịch sôi..................................................................20 Bảng 11. Hiệu số nhiệt độ hữu ích.....................................................................................21 Bảng 12. Bề mặt truyền nhiệt ............................................................................................21 Bảng 13. Kích thước buồng bốc .......................................................................................25 Bảng 14. Kích thước các ống dẫn ......................................................................................26 Bảng 15. Bảng tóm tắt thiết bị chính .................................................................................26 Bảng 16. Kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ Baromet..............................................31 Bảng 17. Tổng hợp chiều dày buồng đốt, buồng bốc ........................................................48 Bảng 18. Thể tích thép .......................................................................................................50 Bảng 19. Thể tích đáy và nắp thiết bị ................................................................................51 Bảng 20. Thể tích nước......................................................................................................52 Bảng 21. Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng ................................................................53 Bảng 22 . Mối ghép bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn ....................................54 Bảng 23. Mối ghép bích giữa thân với đáy và nắp ............................................................54 Trang vi Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc QUY ƯỚC KÝ HIỆU Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau: - [AI – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [AII – x] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - [B – x] – Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, T.S Phan Văn Thơm. - [C – x] – Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3 – Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, tác giả Phạm Xuân Toản. Với: x: số trang Số chỉ công thức, bảng, hay địa chỉ trang web được ghi trong dấu ( ) Trang vii Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc PHẦN 1 GIỚI THIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG SUCROSE Surose là thành phần quan trọng nhất của mía, là sản phẩm của công nghiệp sản xuất đường, là một disacarit có công thức C12H22O11. Trọng lượng phân tử của sacaroza là 342,30. Sucrose được cấu tạo từ hai đường đơn là , D-glucose và , D-fructose Hình 1. Công thức cấu tạo của sacaroza Tinh thể đường sucrose trong suốt, không màu, nhiệt độ nóng chảy là 186 – 188oC. Nếu ta đưa từ từ đến nhiệt độ nóng chảy, đường biến thành 1 dạng sệt trong suốt. Nếu kéo dài thời gian đun hoặc đun ở nhiệt độ cao, đường sẽ mất nước rồi phân huỷ và biến thành caramen. Đường dễ hoà tan trong nước, không tan trong dầu hoả, cloroform, benzen, ancol…Độ nhớt của dung dịch đường tăng theo chiều tăng nồng độ và giảm theo chiều tăng nhiệt độ. Do dung dịch đường sucrose không chịu được nhiệt độ cao (chất tan dễ bị biến tính) nên đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp hay thường gọi là áp suất chân không. Như vậy, sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều để cô đặc dung dịch đường sucrose. 1.2. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 1.2.1. Giới thiệu chung về cô đặc Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên. SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 1 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị. Quá trình cô đặc thường được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm như cô đặc muối, đường, sữa,… Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc gọi là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp suất dư) thì dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi. Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến áp suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt). Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau. 1.2.2. Phân loại Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo có 6 loại được chia làm ba nhóm chủ yếu sau đây: - Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên. + Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài. + Loại 2: Có buồng đốt ngoài. - Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 2 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc + Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài. + Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài. - Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng. + Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. + Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài. 1.2.3. Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm 1.2.3.1. Cấu tạo: gồm - Phòng đốt. - Ống truyền nhiệt - Ống tuần hoàn. 1.2.3.2. Nguyên tắc hoạt động Dung dịch ở phòng đốt đi trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch ở trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích của dung dịch trên một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt, do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơi – lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì tốc độ cấp nhiệt của dung dịch càng tăng và làm giảm sự đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt. Quá trình tuần hoàn tự nhiên của thiết bị được tiến hành liên tục cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì mở van đáy để tháo sản phẩm ra. 1.2.3.3. Ưu và nhược điểm - Ưu điểm: + Thiết bị cấu tạo đơn giản, dễ sữa chửa và làm sạch. SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 3 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc + Hệ số truyền nhiệt K khá lớn. + Khó bị đóng cặn trên bề mặt gia nhiệt nên có thể dùng để cô đặc dung dịch dễ bị bẩn tắt. + Dung dịch tuần hòan tự nhiên giúp tiết kiệm được năng lượng. - Nhược điểm: Tốc độ tuần hoàn giảm dần theo thời gian vì ống tuần hoàn trung tâm cũng bị đun nóng. SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 4 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc PHẦN 2 THIẾT BỊ CHÍNH 2.1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU 2.1.1. Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ ) W Gđ xđ Gc xc Cô đặc Chọn căn bản tính là 1 giờ. Cân bằng vật chất tổng quát: Gđ = Gc + W, kg/h Với: Gđ , Gc , W: khối lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối, tổng lượng hơi thứ, kg/h Theo đầu đề: Gđ = 3tấn/h = 3000 kg/h  W = 3000- Gc Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc Với: xđ , xc : nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối (% khối lượng) Ta có: xđ = 12%= 0,12 xc = 60% = 0,6  0,12.Gđ = 0,6.Gc 0,12 0,12  Gc = .G = .3000 = 600 kg/h 0,6 đ 0,6  W = 3000 – 600 = 2400 kg/h SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 5 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc 2.1.2. Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi Gọi W1, W2 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 và nồi 2 , kg/h Ta có: W1 + W2 = 2400 kg/h W Giả sử lượng hơi thứ của từng nồi 1  1, sau khi tính toán thực tế ta sẽ tìm W2 được W1 và W2 và so sánh với W1, W2 theo giả thuyết ban đầu. Nếu sai số giữa lượng hơi thứ thực tế và lượng hơi thứ lý thuyết < 5% là được. 2400  W1 = W2 = = 1200 kg/h 2 2.1.3. Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi W W Gđ xđ G1 x1 Gc xc Nồi 1 Nồi 2 G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h) x1 : nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng) - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: Cân bằng vật chất tổng quát: G1 = Gđ – W1 = 3000 – 1200 = 1800 kg/h Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô: Gđ.xđ = G1.x1 Gđ 3000  x1 = xđ = . 0,12 = 0,2 = 20% G1 1800 - Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 (x2): Nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 2 chính là nồng độ sản phẩm cuối x2 = xc = 60% SVTH: Trương Thanh Tùng – LT08210 – Lớp CNTP34LT Trang 6 Niên luận Kỹ thuật thực phẩm GVHD: Th.s. Trần Thanh Trúc Nồng độ trung bình nồi 1: x  x 12  20  x  đ 1 .100  .100  16 % tb1 2 2 Nồng độ trung bình nồi 2: x  x 20  60  x  1 2 .100  .100  40% tb2 2 2 2.2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi 0 + Chọn