Đồ Án Thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi, xuôi chiều + Bản vẽ

CHƯƠNG 1
Tổng quan

1.1.NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
Thiết kế hệ thống cô đặc nước sơ ri 2 nồi, xuôi chiều với các thông số sau :
- Thiết bị cô đặc dạng ống dài thẳng đứng.
- Năng suất sản phẩm: 3000 kg/h.
- Nồng độ nhập liệu: 10 %.
- Nồng độ sản phẩm : 45%.
- Aùp suất hơi đốt: 4 at.
- Aùp suất hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ: 0.2 at.
- Các thông số khác tự chọn.

1.2. LỰAC CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
1.2.1.Khái quát về cô đặc
- Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng cách tách 1 phần dung môi ở dạng hơi hay kết tinh chất tan.
- Quá trình cô đặc thường được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất rắn hoà tan.
- Quá trình cô đặc bốc hơi có những đặc điểm sau:
+ thường tiến hành ở các áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp suất thường ( áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất khác (ví dụ áp suất chân không) người ta dùng thiết bị kín.
+ có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn, xuôi chiều hay ngược chiều.
+ 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.

1.2.2. Phân loại thiết bị cô đặc
Có nhiều cách phân loại nhưng thường phân loại thành 3 nhóm sau:
- Nhóm 1: dung dịch được đối lưu tự nhiên → dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dẽ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức→ dùng được cho các dung dịch khá sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng → cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến tính một số thành phần của dung dịch.
Tuỳ vào một số tính chất của dung dịch, tính hiệu quả cũng như mặt bằng mà có thể thiết kế buồng đốt trong hay ngoài cho thiết bị cô đặc.

1.2.3. Khái quát về nguyên liệu
- Sơri (Barbados), tên khoa học Malpighia glaboa, thuộc họ Malpighiacea, là một thứ trái nhỏ, có khía, tròn, màu đỏ (khi chín) và có hương vị đặc trưng.
- Trước đến nay sơ ri chỉ dùng để ăn như một số trái cây khác, do tính chất mềm, dễ dập nên phải thường ăn ngay.
- Ngày nay, sau khi phân tích về thành phần các chất có trong trái sơ ri, người ta phát hiện nó có hàm lượng vitamin rất cao(đặc biệt là vitamin C), khoáng, đạm Điều đó có nghĩa là sơ ri có giá trị cao trong việc chế biến một số thức uống: rược vang, nước trái cây có hàm lượng đường vừa đủ, thêm một số vitamin và khoáng chất

Thành phần tính cho 100g ăn được

Đường (g) Chất đạm (g) Nước
(g) Vitamin (mg) Caroten (mg) Chất khoáng (mg)
C B1 B2 B3 Ca Mg K Fe
8.0 0.67 91.0 3.00 0.02 0.03 0.27 500 13 11 127 0.69

1.2.4. Lựa chọn thiết bị cô đặc
Chọn thiết bị cô đặc chảy màng, ống dài, buồng đốt ngoài, hệ thống hai nồi , xuôi chiều, liên tục.
ã Ưu điểm:
- Hệ thống cô đặc ở áp suất không cao, nhiệt độ sôi không cao nên thích hợp để cô đặc dung dịch dễ biến tính, tránh hư hỏng sản phẩm phù hợp với dung dịch dung dịch thực phẩm, chứa đường và một số vitamin
- Dùng hệ cô đặc 2 nồi nên đã tiết kiệm được chi phí hơi đốt do tận dụng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt nồi sau.
- Cô đặc dạng màng lưu chất chỉ dàn đều trong ống và bốc hơi nhẹ nhàng. Sử dụng ống dài giúp tăng thời gian lưu để bốc hơi được tốt hơn, dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt 2 truyền nhiệt 1 lần nên tránh được tác dụng nhiệt độ lâu làm biến tính dung dịch.
- Nồng độ nước sơ ri ở dây thực chất được coi là nồng dộ đường vì sau khi chế biến ép nước sơ ri nồng dộ đường là lớn nhất, nồng độ các chất khác rất nhỏ coi như mức ảnh hưởng không đáng kể . Tuy nhiên việc muốn giữ lại các chất đó sau khi cô đặc xong ta phải quan tâm đến nhiệt độ quá trình. Đồng thời việc chảy xuôi chiều giúp nhiệt độ không cao quá ở phần cuối dế làm biến tính dung dịch do sự quá nhiêt cục bộ


ã Nhượïc điểm:
- Hệ cô đặc nhiều nồi đòi hỏi chi phí cho thiết bị nhiều hơn, cũng như diện tích nhà xưởng lớn hơn, đặc biệt việc chọn buồng đốt ngoài càng làm tốn diện tích
- Cô đặc chân không nên điều kiện an toàn khó khăn, tốn năng lượngvà chi phí vận hành thiết bị
1.3.QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.3.1. Thuyết minh quy trình công nghệ (có sơ đồ đính kèm)
Dung dịch nước sơ ri sau khi qua một số công đoạn ép, lọc, tinh chế trước đó được đưa vào bồn chứa, duy trì ở nhiệt độ 60 0 C nhằm tránh được sự phát triển của vi sinh vật.
Sau đó nước sơ ri được bơm lên trên thiết bị gia nhiệt với suất lượng 3000 kg/h. Qua trình bơm sẽ có sự điều chỉnh lưu lượng cho thích hợp với hệ thống tự động điều khiển lưu lượng. Thiết bị gia nhiệt được sử dụng là thiết bị gia nhiệt ống chùm dạng vỏ áo, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ được bố trí theo đỉnh tam giác đều. Các đầu ống này được giữ cố định nhờ các vỉ ống gắn với thân. Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi đốt lấy từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at. Dung dịch được đưa vào cùng chiều dòng hơi để tránh hiện tượng dòng ra bị cháy do tiếp xúc với nhiệt độ quá cao.Ngoài ra việc dung dịch chảy từ trên xuống sẽ tận dụng lực trọng trường nên không tiêu tốn năng lượng. Trong thiết bị gia nhiệt có sự trao đổi nhiệt giữa dòng lỏng và dòng hơi qua vách ống truyền nhiệt. Dòng lỏng sẽ được gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào thiết bị cô đặc t =110.210C. Việc gia nhiệt lên nhiệt độ sôi có ý nghĩa lớn cho quá trình diễn ra lúc sau ở thiết bị cô đặc vì ta sẽ không phải mất thêm năng lượng cho việc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, ngoài ra còn đảm bảo quá trình truyền nhiệt để bốc hơi ở buồng đốt là thật sự hiệu quả. Còn dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành lỏng sôi và đựơc thoát ra ngoài. Ơû thiết bị gia nhiệt có ống thoát khí không ngưng để đảm bảo an toàn về áp suất trong thiết bị và quá trình truyền nhiệt có hiệu quả.
Từ thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đưa sang hệ thống cô đặc. Ở đây ta sử dụng thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, ống dài, và hai nồi liên tục xuôi chiều. Loại thiết bị này khá thích hợp với việc cô đặc dung dịch thực phẩm do chế độ nhiệt êm dịu và không tăng quá nhanh.
Đầu tiên dòng lỏng vào buồng đốt 1 (thiết bị cô đặc 1). Thiêùt bị này có cấu tạo như thiết bị gia nhiệt loại màng có bộ phận phân phối lỏng (là bộ phận có nhiều lỗ nhỏ và những ống ngắn hàn vào đĩa, các ống này có dưòng kính nhỏ hơn ống truyền nhiệt và được đặt đồng tâm, lọt vào ống truyền nhiệt. Ở đây dòng lỏng được để ở chế độ chảy màng từ trên xuống trong các ống truyền nhiệt để tận dung lực trọng trường cũng như có thể tạo được màng lỏng mỏng và đều. Việc phân phối lỏng như trên được thực hiện nhờ vào đĩa phân phối lỏng. Khi lỏng đi vào buồng đốt (phần nắp) sẽ chảy từ từ qua các lỗ nhỏ rồi men theo thành rỗng giữa ống truyền nhiệt và ống ngắn để tạo thành màng mỏng với bề dày theo yêu cầu đặt ra. Dòng hơi được sử dụng cũng từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at, dùng năng lượng lấy từ sự ngưng tụ hơi nước để cấp nhiệt cho dòng lỏng. Trong thiết bị này, khác với thiết bị gia nhiệt ở chỗ dòng lỏng không nhận nhiệt để thay đổi nhiệt độ mà đẻ thay đổi entanpi nhằm chuẩn bị cho quá trình bốc hơi sẽ diễn ra ở trong buồng bốc. Tưong tự như thiêát bị gia nhiệt dòng hơi ngưng tụ thành lỏng được thoát ra ngoài và ở buồng đốt cũng có ống thoát khí không ngưng. Sau khi chảy qua hệ thống ống truyền nhiệt, dung dịch đi xuống thân phụ để chuyển qua buồng bốc. Thân phụ giúp duy trì một vận tốc ổn dịnh cho dòng lỏng. Thân phụ nối với bồng bốc nhờ một ống hình chữ nhật đi ra vuông góc với thân phụ và tiếp tuyến với thân buồng bốc để tạo ra dòng chuyển động xoáy giúp xáo trộn tốt hơi và lỏng giúp quá trình bốc hơi dễ dàng hơn.
Ở buồng bốc 1, dung dịch thực hiện quá trình bốc hơi (sau khi đã nhận đủ nhiệt để chuyển trạng thái). Hơi nứơc bốc lên với áp suất là 1.47 at và dung dịch còn lại sẽ tăng nồng độ lên là 16.9%. Trong quá trình bốc hơi sẽ có hiện tượng dòng hơi lôi cuốn các giọt lỏng đi theo nó và điều này sẽ làm ảnh hưởng đến thiết bị phía sau do có sự tạo cặn lên các ống truyền nhiệt làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Để khắc phục điều này trong các buồng bốc thường có bộ phận phân ly giọt lỏng. Tuỳ vào loại thiết bị mà có thể dựa vào lực trọng trường, sự dính ướt hay sự ly tâm. Ơû đây ta sử dụng thiết bị phân ly theo kiểu dính ướt dạng nón. Khi dòng hơi bốc lên sẽ gặp bề mặt nón, các giọt lỏng sẽ bị giữ lại trên nón và chảy xuống lại buồng đốt theo ống mao quản, còn hơi thứ tràn qua phần nón đi ra ngoài theo ống dẫn hơi để sang truyền nhiệt cho buồng đốt 2. Còn dung dịch được bơm sang buồng đốt 2 để tiếp tục thực hiện quá trình cô đặc.
Ở hệ thống nồi cô đạc 2 hiện tượng xảy ra tương tự như ơ nồi 1 tuy nhiên cũng có một số khác biệt về hơi đốt và đầu ra của các dòng như sau:
Ở buồng đốt 2, dung dịch sơ ri (lúc này đã có sự giảm mạnh về lưu lượng) cũng được chảy màng từ trên xuống thực hiện chế độ truyền nhiệt êm dịu. Hơi đốt lúc này chính là hơi thứ lấy từ buồng bốc 1. Do có sự thay đổi đáng kể áp suất ở mặt thoáng dung dịch nên nhiệt độ sôi của dung dịch đã giảm xuống ứng vơi nhiệt độ hiện có của dung dịch. Do đó dung dịch cũng chỉ cần nhận nhiệt lượng phục vụ cho việc tăng entanpi để có thể bốc hơi khi sang buồng bốc. Nứơc ngưng cùng khí không ngưng cũng được thoát ra ngoài. Dung dịch chảy xuống thân phụ được đưa sang buồng bốc.
Tại buồng bốc 2, quá trình bay hơi được thực hiện. Hơi thứ lúc này có áp suất tuyệt đối khá nhỏ 0.21 at được đi theo ống dẫn hơi đên thiết bị ngưng tụ baromet. Trong khi đó dung dịch nước sơ ri sau quá trình bốc hơi đạt đến nồng độ 45 % ở nhiệt độ 61.30C được đưa vào bồn chứa chuẩn bị cho các công đoạn sau đó.
Thiết bị ngưng tụ baromet được chọn ở đây là thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô. Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếp dòng lỏng được cấp vào từ trên xuống có nhiệt độ thấp 300C sẽ ngưng tụ thành lỏng theo dòng nước đi xuống bồn chứa với nhiệt độ nước ngưng bằng 500C. Trong quá trình này có một lượng lớn hơi được ngưng tụ nên áp suất giảm tạo áp suất chân không. Chính nhờ điều này mà áp suất trong thiết bị được duy trì ổn định. Sau khi qua thiết bị ngưng tụ, dòng khí không ngưng còn lại sẽ được chuyển qua thiết bị tách lỏng. Tấm ngăn sẽ làm vật cản để dính ướt các giọt lỏng có thể còn sót lại trong dòng khí này rồi sau đó mới cho nó qua thiết bị bơm chân không để tránh hiện tượng xâm thực có thể xảy ra làm hư bơm.Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp suất bên ngoài nên khí không ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy phải sử dụng bơm hút chân không giúp hút khí không ngưng để áp suất không bị thay đỏi trong cả hệ thống.
Lượng nước ngưng được thoát ra từ thiết bị gia nhiệt, buồng đốt 1, buồng đốt 2 được gom lại và đi qua tháp giaiû nhiệt hạ đến nhiệt độ thường phục vụ cho những mục đích khác nhau tuỳ vào độ tinh sạch của nó.