Thiết bị bốc hơi

THIẾT BỊ BÓC HƠI

Thiết bị bốc hơi

Mục lục: I.Giới thiệu II. Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi :

1. Tính chất vật lý 2. Hệ số truyền nhiệt: 3. Sự tích bẩn trong dàn bay hơi 4. Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng

4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi 4.2 Thiết bị bốc hơi màng treo

2 3 4 4 4 7 8

5.Thiết bị cô đặc nước ép trái cây màng rơi III. Các hệ thống thiết bị bốc hơi:

1. Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ: 2. Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

9 11 12 13 14 15

2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều 2.2 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều 2.3 hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song 2.4 Hệ thống thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết bị bốc hơi bổ sung IV. Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi: 1. Hệ thống một thiết bị bốc hơi 2. Hệ thống bốc hơi liên tục

19 24 26 30 30 32 32 33 34 38 40 42 46 46 46 46 47 47 48

V.Các thiết bị bốc hơi; 1. Thiết bị bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hồn tựï nhiên 2. Thiết bị bốc hơi có buồng đốt ngồi VI. Chất lượng thực phẩm: VII. Thiết bị bốc hơi trong thực phẩm 1. Cân bằng vật chất và cân bằng 2. Thiết bị tính tốn thời gian lưu dài 3. Thiết bị bốc hơi có thời gian lưu ngắn VIII. Thiết bị bốc hơi tiết kiệm năng lượng 1. Thiết bị bay hơi liên tục 2. Thiết bị cô đặc nén hơi 3. Thiết bị cô đđặc có bơm nhiệt 4. Phối hợp thẩm thấu ngược\ cô đặc 5. Sự khử muối từ nước 6. Thiết bị bốc hơi tận dụng nhiệt thải IX. Nguyên lý thiết kế: 1.Lựa chọn thiết bị bốc hơi 2.Lựa chọn vật liệu

IX. Các thành phần của thiết bị bốc hơi

Thân của thiết bị bốc hơi 1. Thiết bị thiết bị tách lỏng hơi 2. Thiết bị ngưng tu

50 51 53 54ï

- -

Thiết bị bốc hơi

3. Hệ thống chân không 4. Điều chỉnh thiết bị bốc hơi 5. Nguyên cứu thiết bị bốc hơi 6. Vấn đề vệ sinh

55 56 56 57

- -

Thiết bị bốc hơi

I.GIỚI THIỆU

Sự bay hơi là một quá trình tách rời vật lý, nó lấy đi phần hơi từ dung dịch lỏng hoặc hỗn hợp nhờ sự bốc hơi và nhận được sản phẩm cô đặc của thành phần không bay hơi. Đối với thức ăn lỏng, sự bay hơi lấy đi hầu hết nước kết quả là sản phẩm cô đặc có thể được dùng cho những quy trình xa hơn như qua ùtrình sấy.

Quá trình bay hơi được sử dụng rộng rãi trong việc cô đặc nước trái cây rau quả, sữa, cà phê trích ly, tinh luyên đường và muối. Sự mất đi dung lượng nước làm giảm trọng lượng và dung tích sản phẩm, giảm chi phí nhà kho và vận chuyển, và cải thiện sự ổn định của sản phẩm.

Sự bay hơi được taọ ra như là 1 quy trình cơ bản của việc cô đặc thức ăn lỏng, mặc dù 1 vài phương pháp mới có sự thuận lợi đặc biệt như đóng băng và thẩm thấu ngược.

Sự bay hơi được sử dụng như là 1 quá trình tiền cô đặc cho phân lập sữa và cà phê hòa tan, trước khi sấy. Hiệu suất của sự bay hơi nước thì cao hơn ( 90% ) so với quá trình sấy (60% ).

Kĩ thuật thiết kế dàn bay hơi là dựa trên hiệu quả của sự truyền nhiệt từ môi trường sang sản phẩm lỏng, hiệu quả của sự tách hơi nước và sử dụng nguồn năng lượng. Các dữ liệu kĩ thuật được cung cấp bởi nhà sản xuất các thiết bị bay hơi.

Trong ứng dụng thực phẩm, sự bốc hơi can duy trì chất lượng của sản phẩm, và thiết bị bay hơi phải phù hợp với điều kiện vệ sinh và quy trình sản xuất. Dàn bay hơi cũng được sử dụng cho chất thải, giữ lại sản phẩm phụ hữu ích và giảm dòng chất thải ra môi trường.

II. SỰ TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BỐC HƠI

Một lượng lớn năng lượng nhiệt phải được truyền từ môi trường làm nóng xuyên qua lớp kim loại của thiết bị tới dung dich lỏng. Nhu cầu nhệt được quyết định bởi vật liệu và cân bằng năng lượng quanh mỗi thiết bị bay hơi và trên tồn bộ hệ thống. Sự truyền nhiệt giữa bề mặt kim loai và dung dịch là công đoạn quan trọng nhất trong sự bay hơi. Do đó điện trở nhiệt của lớp ngăn và môi trường làm nóng được cân nhắc là nhỏ hơn. Sự truyền nhiệt trên bề mặt liên quan trưc tiếp tới tính chất vật lý và mô hình dòng chảy của dung dịch.

1.Tính chất vật lý:

Tính chất vật lý chất lỏng có tầm quan trọng trực tiếp tới sự bốc hơi, đó là độ nhớt, độ dẫn nhiệt, độ đặc, nhiệt dung riêng, sức căng bề mặt và sự tăng điểm sôi. Dữ liệu về độ nhớt và độ dẫn điện trong các tài liệu thực phẩm được viết bởi Saravacos và Maroulis ( 2001 ). Tầm quan trọng của tính chất vật lý tới sự bay hơi được viết bởi Chen (1993 ).

Sức căng bề mặt của nước là 73 dyn/cm hay 73mJ/m2 (25oC) và nó giảm đáng kể khi thành phần hữu cơ có mặt trong dung dịch. Sức căng bề mặt của dung dịch lỏng thực phẩm thường thấp hơn (cỡ 30 dyn/c), tùy thuộc vào thành phần chất hoạt động bề mặt hiện hữu.

- -

Sự tăng điểm sôi (BPE) gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau và đó là điều không mong muốn trong quá trình bốc hơi. Vì vậy nó đòi hỏi nhiệt độ cao hơn của môi trường nhiệt để tác động tới cùng một điều kiện phát động. Nó đặc biệt cao trong dung dịch cô đặc muối ăn và kiềm.

Thiết bị bốc hơi

Sự tăng điểm sôi của thực phẩm lỏng là tương đối thấp, và trong hầu hết các trường hợp nó được bỏ qua trong tính tốn truyền nhiệt. Nó trở nên quan trọng trong dung dich đường cô đặc và những thành phần có phân tử lượng thấp khác. Các thành phần có phân tử lượng cao thì bị hòa tan hoặc phân tán trong nước như tinh bột, pectin, protein ảnh hưởng không đáng kể tới sự tăng điểm sôi.

Đối với dung dịch đường, như là nước ép trái cây, phương trình thực nghiệm sau có thể được dùng để ước lượng BPE (Chen và Hernandez, 1997 ):

BPE = 0.33 xp(4X)

Với X là tỉ lệ khối lượng của đường. Do đó BPE của nước ép trái cây sẽ tăng trong quá trình bay hơi từ 0.7oC tới 4.4oC.

2.Hệ số truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt gia nhiệt được tính bằng phương trình tổng quát:

Q=U.A.∆T Với U là hệ số truyền nhiệt chung (W/m2K). A là diện tích truyền nhiệt(m2) và ∆T là sự sai khác nhiệt độ giữa môi trường nhiệt với môi trường sôi. U thường được xác định bằng thực nghiệm hoặc lấy từ hệ thống công nghiêp hay nhà máy thử nghiệm tương tự. Dự đốn giá trị của U rất khó khăn bởi vì sự tích lũy lực cản trên bề mặt gia nhiệt nên không thể lượng tử hóa một cách chính xác. Tuy nhiên phân tích sự truyền nhiệt là rất hữu ích để đánh giá nhiệt trở của hệ thống cô đặc.

Tổng nhiệt trở của hệ thống cấp nhiệt được tính:

(7.3) 1/U=1/hs +x/∆ +1/hi +FR

Với hs và hi tương ứng là hệ số truyền nhiệt ở phần cấp nhiệt và phần bay hơi.x/∆ là nhiệt trở của thành dàn bốc hơi, và FR là lực cản tích lũy. Phương trình 7.3 liên quan tới bề mặt truyền nhiệt và được ứng dụng để làm ống đèn với đường kính tương đối lớn 50mm. Với ống đường kính nhỏ nhiệt trở phải được điều chỉnh bởi tỉ số giữa đường kính ngồi và trong.

Phần cấp nhiệt được tính tốn để lực cản tích lũy không đáng kể do đó dàn bay hơi dùng hơi nước bão hòa và bề mặt kim loại sạch, do đó điện trở của phần cấp nhiệt tương đối thấp vì thế giá trị lớn hs ứng với hơi nước bão hòa. Điện trở thành (x/∆) tương đối thấp vì thế x nhỏ và hệ số dẫn nhiệt cao đặc trưng cho dàn bay hơi.

Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt thiết bị (hi) đặc trưng cho tính chất vật lý (chủ yếu là độ nhớt) và lưu lượng của chất lỏng. Nó làm tăng chế độ chảy và nhiệt độ và có thể được ước lượng từ thực nghiệm. Hệ số truyền nhiệt trong màng lỏng là đặc biệt quan trọng tới sự tích lũy hơi,như đã được trình bày trong mục này.

3.Sự tích bẩn trong dàn bay hơi:

- -

Tích bẩn là sự hình thành kết tủa trên bề mặt truyền nhiệt, nó làm giảm sự truyền nhiệt, mức độ bay hơi và có thể phá hủy đặc trưng của sản phẩm. Sự tích bẩn là tai hại cho quy trình công nghiệp bởi vì giá thành đầu tư cao, năng lượng thất thốt, chi phí bảo dưỡng và sụt giảm sản phẩm trong khi ngừng cọ rữa.

Thiết bị bốc hơi

Tích bẩn bao gồm sư tích lũy, là kết tủa của muối vô cơ trên bề mặt cấp nhiệt, kết tủa protein, ăn mòn, tích bẩn sinh học và tích tụ đông đặc.

Sự tích bẩn kéo theo sự kích nổ, trao đổi chất và gắn kết với bề mặt cấp nhiệt và tach rời tích lũy chất lỏng.Trong thiết bị cô đặc và những thiết bị truyền nhiệt khác, tích bẩn được gây ra bởi sự hấp phụ và biến tính của các phân tử sinh học như protein , pectin, tinh bột trên bề mặt truyền nhiệt.

Kinh nghiệm tương quan của lực cản tích bẩn tới thời gian vận hành cho những ứng dụng cụ thể rất hữu ích để xác định chu kì làm sạch tối ưu, bao lâu thì có thể bảo trì hệ thống.

Việc sử dụng lực cản hoặc độ nhiễm bẩn chỉ đưa ra giá trị gần đúng cho một thiết bi và sản phẩm cụ thể. Thực tế sẽ chính xác hơn là dùng giá trị tin cậy của hệ số truyền nhiệt chung.Giá trị điển hình của U cho thiết bị bay hơi được thể hiện trong bảng 7-1.

4- Sự truyền nhiệt trong thiết bị bốc hơi kiểu chảy màng.

Sự thốt hơi nước bằng phương pháp màng rơi, màng treo hay kết hợp cả hai phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các dàn bốc hơi thực phẩm. Bởi vì lợi thế của chúng là quá trình đơn giản, chi phí về thiết bị và vận hành thấp. Hình 1 phác họa nguyên lý hoạt động của thiết bị bốc hơi kiểu màng hơi và màng treo.

4.1.Thiết bị bốc hơi màng rơi.

Trong thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi, chất lỏng chảy thành màng xuống dọc theo bề mặt bốc hơi ( bên trong vỏ ống hay bản mỏng) bởi trọng lực. Trong khi đó nhiệt được truyền xuyên qua tường nhờ hơi nước. Hỗn hợp chất lỏng và hơi nước được thốt ra bên dưới của ống ( hay bản mỏng) và đi vào trong thiết bị phân riêng lỏng hơi. Sau đó tập trung chất chất lỏng bơm ra ngồi, còn hơi nước chuyển trực tiếp vào thiết bị ngưng tụ.

Γ min = 0.008 ( ηs σ 3)1/5

Trong thiết bị màng rơi, lưu lượng chất lỏng nhỏ nhất trên từng đơn vị chiều dài của bề mặt dẫn hay là “tốc độ dẫn”( Γ ; kg/ms) được thu nhận từ thực nghiệm (Minton,1986) ta có phương trình.

Trong đó : Γ : là độ nhớt ( mPa.s)

σ : sức căng bề mặt của chất lỏng ( dyn/cm)

s : khối lượng riêng của nước

Bảng 1: Một số giá trị đặc trưng của hệ số truyền nhiệt

Dạng thiết bị bốc hơi Thực phẩm dạng lỏng U, W/m2 K

Màng rơi, dạng ống Nước ép trái cây 12-65o Brix 2000-600

- -

Màng rơi, dạng bản mỏng Sữa 10-30% TS 2500-1500

Thiết bị bốc hơi

Màng treo dạng ống Sữa 10-35% TS 2000-1200

Đối lưu cưỡng bức Xi-rô đường 15-65o Brix 2500-1500

Màng khuấy Bột rau trái 1500-700

(Số liệu được lấy từ Saravacos và Maroulis (2001))

Hình 1. Biểu đồ về nguyên lý của thiết bị bốc hơi kiểu màng rơi (a) và màng treo (b)

L: chất lỏng ; V: hơi nước ; S: hơi.

Γ min= 0.008(0.356 x 683)1/5 = 0.008 x 10.23 = 0.08 kg/m.s Màng thực phẩm lỏng có thể chảy dạng mỏng hơn so nước tinh khiết (có thể xem là sức

Theo cách đó thì lưu lượng nước nhỏ nhất ở 80oC dạng màng dọc bề mặt sẽ là

căng bề mặt nhỏ hơn ), tăng hệ số truyền nhiệt.

Γ min=0.008(34/68)3/5 = 0.052 kg/m.s

Lưu lượng nhỏ nhất đối với thực phẩm lỏng có sức căng bề mặt là 34 dyn/cm

Hệ số Reynolds của màng rơi được tính bởi phương trình rút gọn ( Perry và Green,1997)

Re = 4 Γ / η

Đối với nước nóng 80oC chảy với lưu lượng nhỏ nhất thì hệ số Reynolds sẽ là

- -

Re = 4 x 0.08/0.356 = 900 , dòng chảy tầng

Thiết bị bốc hơi

Hệ số truyền nhiệt cao hơn ( h ) thu được trong chế độ chảy rối khi Re > 2100. Phương trình thực nghiệm dưới đây có thể được sử dụng để đánh giá hệ số truyền nhiệt của màng nước trong chế độ chảy rối.

h = 9150 Γ 1/3

Hệ số truyền nhiệt của chất lỏng khi chảy rối đối với loại màng rơi đươc tính bởi phương trình thực nghiệm chung :

ϕ = ( λ 3 ρ 2g/ η 2)

h = 0.01 ( ϕ .Re.Pr)1/3

Trong đó :

Re = 4 Γ / η

Pr = Cp η/ λ

Khi sử dụng hệ đơn vị SI thì ϕ 1/3 có đơn vị là hệ số truyền nhiệt ( W/m2 K)

Sự minh họa sau đây, sự chảy của màng nước tại 80oC trên dọc bề mặt của thiết bị có Γ =

0.5 kg/m.s là hỗn loạn : độ nhớt của nước ở 80oC là η= 0.356 mPas = 0.000356 Pas

Ta tính được: Re = 4 Γ / η = 4 x 0.5/0.000356 = 5618.

Với λ = 0.67 W/m K, ρ = 972 kg/m3 và g = 9.81 m/s2

Suy ra ϕ = [(0.67)3 x (972)2 x 9.81 ]/(0.000356)2 = 21.8 x 1012

Và ϕ 1/3= 28000

Pr = (4100 x 0.000356)/ 0.67 = 2.2 và Pr1/3=1.3 h = 0.01 x (21.8 x 1012 x 2.2 x 5618 )1/3 = 6440 W/m2 K.

Qua thực nghiệm nhận ra rằng hệ số truyền nhiệt chung ( U) đối với sự bay hơi của nước ở nhiệt độ 80oC là U = 2000 W/m2K. Phương trình (7.3) có thể được dùng để xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm của bề mặt bốc hơi (hi), giả thiết không tích tụ bẩn : 1/hi = 1/U – x/ λ - 1/hs. Bề dày của thành ống là x= 3 mm ( 2inch ống, 10 gause), độ dẫn nhiệt của thép không rỉ là λ = 15 W/mK. Hơi thứ có hệ số truyền nhiệt có thể giả định là hs= 10 000 W/m2K. Tính ra 1/hi = 1/2000 -3/15 000 – 1/10 000 và suy ra hi = 5 000 W/m2K (bề mặt sạch).

Phương trình đơn giản đối với màng nước (7.6) lợi tức hệ số truyền nhiệt dưới đây, cho Γ = 0.5 kg/m.s : hi = 9 150 x 0.51/3 = 7264 W/m2K. Phương trình (7.6) đã tính quá cao hệ số truyền nhiệt của nước sôi.Phương trình thực nghiệm tổng quát cũng tính giá trị hệ số truyền nhiệt cao hơn so với giá trị thực nghiệm, nhưng nó có ích để đánh giá gần đúng các dung dịch khác. Dự đốn hệ số truyền nhiệt tỉ lệ nghịch với độ nhớt mũ 2/3 ( 2/3) .hi∞ 1/η2/3

Hệ số truyền nhiệt tính tốn được của bề mặt bốc hơi (hi) từ U phụ thuộc nhiều vào hệ số truyền nhiệt của hơi (hs) và lực cản tích lũy điều mà khó dự đốn chính xác. Vì lý do này, hệ số truyền nhiệt thí nghiệm tổng cộng dễ nhận ra trong thực hành.

- -

4.2.Thiết bị bốc hơi treo.

Thiết bị bốc hơi

Thiết bị bốc hơi treo được tìm thấy trong các ứng dụng ít hơn so với thiết bị dạng màng. Bởi vì thời gian lưu trú của nó dài hơn, nhiệt độ của quá trình và độ chênh lệch áp suất cũng cao hơn. Điều đó đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và có thể làm nguy hại đến chất lượng của những thực phẩm lỏng nhạy cảm với nhiệt như nước ép trái cây. Tuy nhiên, hệ thống màng treo lại không đòi hỏi những bộ phân phối đặc biệt, chúng có hiệu suất truyền nhiệt cao và chúng không bị ngẹt nhiều như những bộ phận trong thiết bị màng rơi.

Trong hệ thống màng treo, chất lỏng bắt đầu được đun sôi trong ống, những bong bóng hơi nước được sản xuất ra, to dần lên và bốc lên bởi đối lưu tự nhiên. Cuối cùng tạo thành dạng màng trên thành kéo dài đến tận đỉnh của ống, dẫn đến hơi nước tăng nhanh hơn. Một lần nữa, hổn hợp chất lỏng và hơi nước được tách chất lỏng. Chất lỏng có thể tái sử dụng hay tách khỏi chu trình sản xuất, và hơi nước thì được ngưng tụ.

Trong dàn bốc hơi kiểu màng treo, chất lỏng được cung cấp vào bên dưới của ống dọc, và nước bốc hơi dần dần cũng như hỗn hợp lỏng hơi được chuyển lên trên. Trong điều kiện lý tưởng, bề mặt của thiết bị bốc hơi được bao phủ hồn tồn bởi màng chất lỏng và dòng hơi nước như bong bóng, thể nút hay tầng hơi lỏng. Tại đỉnh chia của ống hơi nước với vận tốc nhanh có thể lôi cuốn theo một ít chất lỏng ở dạng nhỏ giọt làm giảm hệ số truyền nhiệt. Bởi vậy, tỉ lệ của hơi nước trong ống bốc hơi có vai trò quan trọng trong truyền nhiệt.

Đại lượng thực nghiệm của sự truyền nhiệt trong nhà máy sản xuất thử thiết bị bốc hơi dạng màng treo đưa ra phương trình thực nghiệm có thể áp dụng được (Bourgois and Lemaguer,1984,1987):

Nu = 8.5 Re0.2 Pr1/3 S2/3

Trong đó : S : hệ số trượt (là hệ số hơi nước đối với vận tốc chất lỏng trong ống bốc hơi. Những hệ số Re, Nu và Pr được quyết định tại vị trí giữa, sử dụng vận tốc trung bình và giá trị đặc trưng.

Những giá trị thực nghiệm với sự cô đặc nước ép trái cây trong các sản phẩm thử và thiết bị bốc hơi màng treo công nghiệp có hiệu suất truyền nhiệt tổng quát (U) giảm từ 1500 W/m2K ( ở dưới 15o Brix ) đến gần 1000 W/m2K ( trên 60o Brix) trong ống cô đặc. Vận tốc màng chất lỏng tại đáy và đỉnh ống cô đặc tương ướng là 1.27 và 1.97 m/s. Vận tốc tương ướng của dòng hơi cao hơn rất nhiều (48.4 và 59 m/s).

Bởi vậy đối với màng rơi, sức căng bề mặt đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo màng. Dạng thực phẩm có sức căng bề mặt nhỏ hơn nước sẽ bao phủ bề mặt truyền nhiệt làm hiệu quả hơn nhiều so với nước tinh khiết, với hệ số truyền nhiệt cao hơn.

5. Thiết bị cô đặc nước ép trái cây bằng màng rơi.

- -

Dàn bốc hơi màng rơi được sử dụng rộng rãi tập trung ở nước ép trái cây và số liệu thực nghiệm của hệ số truyền nhiệt được sử dụng để thiết kế và ước lượng của những bộ phận công nghiệp. Thành phần cấu tạo khác nhau của táo và nho được sử dụng trong đại lượng đo thí nghiệm, sử dụng thiết bị bốc hơi thử nghiệm tại xưởng thí nghiệm nông nghiệp ở New York, Cornell University, Geneva, New York ( Saravacos et al .,1970). Thiết bị bốc hơi đó có có một lớp áo hơi dọc ống, đường kính 50 mm và dài 3.3 m, với bề mặt truyền nhiệt 0.46 m2. Số liệu quá trình bốc hơi đạt được có nhiệt độ sôi và chế độ chảy khác nhau.

Thiết bị bốc hơi

Hình 2 cho thấy hệ số truyền nhiệt tổng quát (U) của nước ép trái cây đã được làm trong tăng từ 1300 đến 2000 W/m2K, và nhiệt độ sôi cũng tăng 20 đến 100oC. Giá trị tăng của U đạt được bởi sự giảm vận tốc của dịch nước ép ở nhiệt độ cao. Những dịch ép trong là chất lưu Newton và năng lượng hoạt hóa của dòng chảy tăng đột ngột ở độ cô đặc cao hơn( 50kJ/mol tại 60o Brix (Saravacos, 1970, Saravacos and Maroulis,2001)

Hình 2: Sự tăng hệ số truyền nhiệt tổng (U) của nước nho đã lọc với nhiệt độ sôi.

Số liệu từ Saravacos et al (1970)

Hệ số truyền nhiệt tổng giảm đáng kể khi nước ép bị cô đặc ( hình 7-3). Bởi vậy, giá trị U của nước nho đã được lọc giảm từ 1900 đến gần 1200 W/m2K khi mà độ Brix có giá trị tăng từ 20 đến 65o Brix. Giá trị U thấp đạt được khi cô đặc nước nho chưa được lọc, 1350 đến 650 W/m2K. Sự giảm đáng kể trong chế độ truyền nhiệt là hiển nhiên bởi vì tích tụ bẩn trên bề mặt bốc hơi với các phần tử và bộ phận hữu cơ, những chất kết tủa tích tụ lại. Nên chú ý đến sự cô đặc dịch ép chưa lọc nên dùng ở 60o Brix, bởi vì những điều đó ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình.

Hệ số truyền nhiệt đạt được với dịch nước táo có lọc và không qua lọc là tương tự nhau.(Hình 4). Dịch táo cho hệ số U có giá trị giữa 2000 và 1150 W/m2K trong giới hạn 10 đến 65o Brix, trong khi đó dịch nước không lọc có giá trị giữa 1480 và 740 W/m2K trong khoảng từ 10 đến 60o Brix ( Saravacos et al.,1970). Depectinization ( bỏ qua xử lý những pectin keo tụ bằng thủy phân bằng enzyme và lọc ) thường được dùng trong sản xuất ra nước táo cô đặc.

III-CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ BỐC HƠI:

1 Hệ thống một thiết bị cô chân không có tháp ngưng hơi thứ

- -

Hệ thống cô loại này được thể hiện ở hình 3 , nó gồm có thiết bị cô chân không, thiết bị ngưng tụ hơi thứ dạng tháp có ống thủy lực bơm chân không. Thiết bị cô chân không gồm có hai phần: phần đáy gọi là buồng đốt, nó là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi hơi đốt là hơi nước nóng từ nồi hơi hoặc từ thiết bị cô áp suất dư với dung dịch dang cô. Thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị bốc hơi

trong trường hợp này thường là loại ống chùm có vỏ bọc hoặc nối hai vỏ( năng suất thấp). phần trên là không gian bọt và phân ly hơi thứ khỏi dung dịch đang bốc hơi.

Do hơi thứ có nhiệt độ thấp (vì áp suất chân không) nên không sử dụng thành nguồn nhiệt mà phải đem ngưng tụ thành thể lỏng trong tháp ngưng tụ trực tiếp nhằm tránh tiêu tốn điện năng cho bơm chân không. Bơm chân không chỉ phải hút không khí không ngưng, chủ yếu là không khí lẫn trong dung dịch hoặc chui vào hệ thống qua các mối ghép hở.

Hình 3. Sơ đồ hệ thống cô chân không :

1- thiết bị cô chân không ;2- tháp ngưng tụ hơi thứ; 3- bơm chân không ;nl-nguyên liệu là dung dịch có nông độ thấp ;sp- sản phẩm là dung dịch có nồng độ cao; hd- hơi đốt ; nn- nước ngưng; ht- hơi thứ;n- nước mát; K- khí không ngưng.

Chiều cao ống thủy lực dưới tháp ngưng tùy thuộc áp suất chân không trong hệ thống.

Cô chân không được áp rất rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong công nghiệp chê biến các sản phẩm thực phẩm, dược phẩm và y học. Do nhiệt bốc hơi thấp nên không làm cháy, gây sẫm màu, mất màu đặc trưng, tổn thất vitatmin, cho sản phẩm chất lượng cao. Nhiệt bốc hơi thấp làm cho hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch tăng dẫn đến cường độ truyền nhiệt lớn. nhiệt độ bốc hơi thấp cho phép ta sử dụng hơi thứ của quá trình cô áp suất dư hay nguồn nhiệt thải của quá trình sản xuất nào đó gần kề: tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ít.

Hình 4 biểu diễn hệ thống thiết bị cô chân không với thiết bị ngưng tụ hơi thứ là loại ống chùm có vỏ bọc. nguyên lý hoạt động của thiết bị này cũng giống như ở hình 3. Điểm khác là hơi thứ ngưng tụ và nước làm mát không trộn lẫn vào nhau. Hơi thứ ngưng tụ thành thể lỏng và khí không ngừng chảy vào bình chứa, sau đó khí không ngừng được bơm chân không hút và đẩy ra ngồi. Trường hợp này hơi thứ là sản phẩm không ngừng chảy vào hai bình số 3. Bình số 4 dùng duy trì áp suất chân không nhằm tránh va đập thủy tĩnh cho bơm chân không.

- -

Nói chung hệ thống một thiết bị bốc hơi năng suất thấp, hiệu quả nhiệt không cao, chỉ phù hợp với sản xuất nhỏ. Để làm bay hơi 1Kg hơi thứ cần từ 1.05 đến 1Kg hơi đốt.

Thiết bị bốc hơi

h.t

2 t.p + k

h.d

Hình 4. sơ đồ hệ thống một thiết bị bốc hơi chân không với thiết bị ngưng tụ ống chùm

1-thiết bị bốc hơi; 2- thiết bị ngưng tụ; 3-bình chứa; 4- bình chứa khí không ngưng ở áp suất chân không; 5- bơm chân không; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; ht- hơi thứ; tp- thành phẩm; n-nước mát; k- khí không ngưng.

2.Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

Hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị làm việc theo nguyên tắc cơ bản là: hơi đốt sạch ( hơi nước nóng lấy từ nồi hơi) được cấp cho thiết bị bốc hơi thứ nhất, sau khi cấp nhiệt, nó ngưng lại thành nước ngưng xả ra ngồi. Hơi thứ của thiết bị thứ nhất sẽ được sử dụng làm hơi đốt cho thiết bị bốc hơi thứ hai, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ hai lại là hơi đốt của thiết bị thứ ba v.v. Đương nhiên do tổn thất nhiệt độ nên nhiệt độ bốc hơi của các thiết bị phía sau thấp hơn thiết bị phía trước. Đồng thời áp suất của hơi thứ trong thiết bị phía sau thấp hơn áp suất hơi thứ trong thiết bị phía trước. Aùp suất hơi thứ của thiết bị cuối cùng có thể thấp hơn áp suất khí quyển (áp suất chân không).

Số thiết bị bốc hơi trong một hệ thống có thể là hai, ba, bốn, năm,… hoặc tối đa là mười. Nhờ cách đấu nhiều thiết bị bốc hơi liên tiếp như vậy mà ta đã tiết kiệm được năng lượng một cách đáng kể. Để làm bay hơi 1 kg hơi nước từ dung dịch với hệ thống hai thiết bị thì chỉ cần 0,57 kg hơi đốt sạch; với ba thiết bị là 0,4 kg; bốn thiết bị là 0,3 kg; năm thiết bị là 0,27 kg.

- -

Sau đây là một số hệ thống bốc hơi nhiều thiết bị

Thiết bị bốc hơi

2.1 Hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều

Đây là hệ thống bốc hơi được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và hố chất, xem hình 5. Nguyên tắc làm việc của hệ thống này là chuyển động của dòng hơi đốt và dung dịch cần cô (dung dịch bốc hơi nhằm nâng cao nồng độ) là dòng cùng chiều.

Hình 5. Sơ đồ hệ thống ba thiết ba thiết bị bốc hơi dòng cùng chiều:

1- bồn chứa dung dịch ban đầu; 2- thùng chứa cao; 3- thiết bị đo lưu lượng; 2’- bơm; 4- bơm; 5- thiết bị gia nhiệt; 6,7,8- thiết bị bốc hơi thứ nhất, thứ hai, thứ ba; 9- thiết bị ngưng tự có ống thuỷ lực; 10- thiết bị phân ly lỏng khỏi khí không ngưng; 11- thùng chứa sản phẩm; 12- các ống xả nước ngưng; 13- ống thủy lực; 14- ống xả khí không ngưng cho buồng đốt có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển; 15- bơm tháo sản phẩm; h.d- hơi đốt sạch; n.n- nước ngưng; k- khí không ngưng.

- -

Dung dịch ban đầu chứa ở bồn số 1 rồi được bơm 2’ bơm lên thùng cao vị 2, có ống chảy trào về bồn 1. Thùng cao vị có tác dụng ổn định áp lực dòng chảy. Nếu trở lực của thiết bị gia nhiệt 5 không lớn thì không cần bơm 4. Trước khi chảy vào thiết bị bốc hơi 6 thì dung dịch đã được làm nóng bằng hơi thứ của chính thiết bị số 6; mức độ nâng nhiệt tuỳ thuộc vào lương hơi thứ và thiết bị gia nhiệt. Hơi đốt sạch được cấp vào buồng đốt thiết bị số 6. Hơi thứ của thiết bị số 6 được chia được chia thành 2 phần, một phần làm hơi đốt cho thiết bị gia nhiệt,

Thiết bị bốc hơi

phần còn lại làm hơi đốt cho thiết bị bốc hơi thứ hai là số 7. Dung dịch đã được cô ở thiết bị số 6 sẽ tự chảy sang thiết bị số 7 rồi số 8 nhờ chênh lệch áp suất. Hơi thứ của thiết bị số 7 là hơi đốt của thiết bị số 8. Hơi thứ của thiết bị số 8 được đưa sang ngưng tụ tại thiết bị số 9. Aùp suất của hơi thứ trong thiết bị số 8 là áp suất chân không, nên nhiệt độ bốc hơi là thấp nhất. Dung dịch đạt nồng độ yêu cầu sẽ được bơm 15 đưa sang thùng chứa sản phẩm 11. Khí không ngưng được bơm chân không (trong hình không thể hiện) hút và xả ra ngồi.

Ưu điểm chính của hệ thống dòng cùng chiều là không cần dùng bơm vận chuyển dung dịch từ thiết bị bốc hơi này sang thiết bị bốc hơi phía sau. Nhược điểm của nó là làm tăng mạnh độ nhớt do nồng độ tăng dần mà nhiệt độ lại giảm dần, nên cường độ truyền nhiệt trong các buồng đốt giảm đi.

2.2 Hệ thống bốc hơi dòng ngược chiều

Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều được thể hiện ở hình 6. Hơi đốt đi theo chiều từ thiết bị đầu đến thiết bị cuối còn dung dịch lại vào thiết bị cuối và ra ở thiết bị đầu nhớ bơm. Nhiệt độ và nồng độ của dung dịch tăng dần nên hiệu quả truyền nhiệt ở các buồng đốt tốt hơn. Nước ngưng cũng được xả ra ngồi nhờ thiết bị xả nước ngưng (trên hình không thể hiện).

Hệ thống bốc hơi dòng ngược chiều có ưu điểm là cường độ truyền nhiệt của các buồng đốt gần như nhau và ở mức cao mặc dù nồng độ dung dịch tăng dần. Nhược điểm là phải chi phí năng lượng cho bơm vận chuyển dung dịch, hệ thống phức tạp hơn.

Hệ thống kiểu này thường được dùng để cô dung dịch tăng nhanh độ nhớt khi nồng độ tăng.

- -

Hình 6. Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi dòng ngược chiều:

Thiết bị bốc hơi

1,2,3- các thiết bị bốc hơi; 4- thiết bị ngưng tụ có ống thủy lực; h.d- hơi đốt sạch; n.n- nước ngưng; B- bơm; K- không khí ngưng; ht1, ht2, ht3- hơi thứ của từng thiết bị; n.l- dung dịch nguyên liệu; sp- thùng chứa sản phẩm (dung dịch cuối).

2.3 Hệ thống nhiều thiết bị bốc hơi làm việc song song

h.t1

h.t3

h.t2

h.d

n.n

Đặc điểm chính của hệ thống này là dung dịch ban đầu được cấp cho tất cả các thiết bị, hơi đốt sạch được cấp cho thiết bị thứ nhất, hơi thứ của thiết bị đầu là hơi đốt cảu thiết bị tiếp theo. Hơi thứ của thiết bị cuối cùng được ngưng tự hồn tồn trong thiết bị ngưng tụ có ống thủy lực. Khi nào nồng độ dung dịch trong từng thiết bị đạt giá trị theo yêu cầu thì được tháo vào thùng sản phẩm (xem hình 7). Hệ thống này được dùng để cô đặc các dung dịch có độ nhớt rất cao và kết tinh, chúng rất khó chảy thậm chí tác làm tắc ống dẫn nếu cho chảy chuyển từ thiết bị trước sang thiết bị sau.

Hình 7. Sơ đồ hệ thống ba thiết bị bốc hơi làm việc song song:

1,2,3- các thiết bị bốc hơi; d- dung dịch ban đầu; h.d- hơi đốt; ht1- hơi thứ của thiết bị thứ nhất cũng đồng thời là hơi thứ của thiết bị thứ hai; ht2- hơi thứ của thiết bị thư hai đồng thời là hơi đốt của thiết bị thứ ba; ht3 hơi thứ của thiết bị cuối cùng; sp- thùng chứa sản phẩm; n- nước; n.n- nước ngưng; k- không khí ngưng

2.4 Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thêm thiết bị bốc hơi bổ sung

- -

Hệ thống này được áp dụng khi nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị cuối đã quá thấp mà dung dịch vẫn chưa đạt nồng độ mong muốn. Khi ấy, ta lắp thêm thiết bị bốc hơi sử dụng hơi đốt có nhiệt độ cao (hơi đốt sạch) để cô tiếp dung dịch đến nồng độ mong muốn. Thiết bị lắp thêm gọi là thiết bị bổ sung. Hơi thứ của thiết bị cuối và của thiết bị bổ sung đều đượv ngưng tụ trong tháp ngưng, sản phẩm lấy ra ở thiết bị bổ sung, xem hình 8

Thiết bị bốc hơi

Hình 8. Hệ thống bốc hơi dòng cùng chiều có thiết bị bổ sung:

1,2,3, bs- các thiết bị bốc hơi; h.d- hơi đốt sạch; d- dung dịch ban đầu; n- nước; n.n- nước ngưng; NT- tháp ngưng tụ hơi thứ; K- không khí ngưng; sp- thùng chứa sản phẩm

) (III-3)

4. Tính thiết kế các hệ thống bốc hơi Mục đích chính của việc thiết kế một hệ thống bốc hơi là xác định khối lượng nước bốc hơi (hơi thứ), số lượng và bề mặt truyền nhiệt, nhiệt lượng (thường là hơi nước nóng) cần cung cấp cho quá trình bốc hơi. Hơi nước cần dùng để cấp nhiệt cho quá trình bốc hơi được gọi là hơi đốt. Các số liệu ban đầu được dùng để tính tốn là : loại dung dịch cần cô đặc ; khối lượng, nhiệt độ, áp suất, nồng độ đầu và cuối của quá trình cô ; lượng hơi thứ dùng làm hơi đốt ; áp suất trong thiết bị ngưng v.v. Cơ sở tính tốn là các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt của các thiết bị bốc hơi. Số lượng thiết bị bốc hơi trong hệ thống được xác địng trên cơ sở tính tốn các kinh tế kỹ thuật. Bề mặt truyền nhiệt của từng thiết bị bốc hơi được tính tốn thiết kế giống như các thiết bị trao đổi nhiệt đã đề cập ở phần đầu. 4-1 Hệ thống một thiết bị bốc hơi Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của thiết bị bốc hơi được thể hiện ở hình III-8. Để tính được lượng hơi thứ bốc lên từ dung dịch cần cô ta dựa vào phương trình cân bằng khối lượng của dung dịch (gồm dung môi và chất hòa tan) hoặc của riêng chất hòa tan. Nếu coi tổn thất vật chất bằng không thì các phương trình cân bằng vật chất sẽ là : Với dung dịch ta có : Gđ = Gc + W (III-1) Với riêng chất hòa tan sẽ là : Gđ.xđ = Gc.xc (III-2) trong đó : Gđ, Gv - khối lượng dung dịch đầu , cuối quá trình bốc hơi ; W- khối lượng hơi thứ ; xđ ,xc - nồng độ đầu, cuối của dung dịch. Từ hai phương trình (III-1) và (III-2) ta dễ dàng thu được phương trình sau đây : W = Gđ .( 1 –

- -

IV-TÍNH THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG BỐC HƠI

Thiết bị bốc hơi

Chia 2 vế của phương trình trên cho Gđ ta có lượng nước bay hơi riêng là ω : ω =

(III-4)

= 1 -

phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị bốc hơi ở hình (III-8) là : (bỏ qua nhiệt độ khử nước) D.ihđ + Gđ.Cđ.tđ = Gc.Cc.tc + W.iht + D.inn + QT (III-5) Từ đó ta dễ dàng tìm được lượng hơi đốt cần cấp cho quá trình cô là D:

w i .

Q t

(III-6)

+ )

G C t G C t . c d d − i − ht

. d i ( ht

Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi là Q : Q = D (iht - inn) = Gc.Cc.tc - Gđ.Cđ.tđ + W.iht + QT (III-7) Trong đó : Cđ , Cc – nhiệt dung riêng của dung dịch vào, ra khỏi thiết bị ; tđ , tc - nhiệt độ đầu, cuối của dung dịch ; iht , inn - entapi của hơi đốt, nước ngưng ; QT - tổn thất nhiệt qua vỏ thiết bị bốc hơi ra môi trường xung quanh. Nếu chấp nhận sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nông độ là tuyến tính thì : Cc = Cn – m.xc (III-8) trong đó : Cc , Cn – nhiệt dung riêng của nước, dung dịch cuối quá trình cô ; m – hằng số ; xc - nồng độ cuối của dung dịch. khi đó ta có : Gc.Cc = Gc .( Cn - m.xc ) = ( Gđ – W ).( Cn – m. ) hay : Gc.Cc = Gc .( Cn - m.xc ) – W.Cn = Gđ.Cđ – W.Cn (III-9) Từ phương trình (III-7) và (III-9) ta tính được nhiệt lượng Q cần cung cho quá trình bốc hơi như sau : Q = Gđ.Cđ.( tc – tđ ) + W.( iht – Cn.tc ) + QT (III-10) Nhiệt lượng Q để dùng thiết kế buồng đốt như là thiết bị trao đổi trao đổi nhiệt giữa nguồn cấp nhiệt và dung dịch trong quá trình bốc hơi. Đối với thiết bị bốc hơi có công suất vừa và lớn thì buồng đốt thường là loại ống chùm lắp trong hay ngồi buồng bốc hơi. Nguồn cung cấp nhiệt là hơi nước bão hòa. Khi quá trình bốc hơi được tiến hành theo mẻ mang tính gián đoạn hay chu kỳ, ta cần tính thời gian cho mỗi mẻ là τ : τ = τ1 + τ2 (III-11) trong đó : τ1 – là thời gian cần để làm nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ bắt đầu sôi ; τ2 - thời gian bốc hơi ( thời gian cô đặc ) từ nồng độ đầu đến nồng độ cuối của dung dịch. Do quá trình truyền nhiệt là không ổn định nên thời gian τ1 và τ2 được tính như sau :

(III-12)

τ 1

t hd t

− −

. G C d d K F . 1

s 1

Q 1 . K F t . (cid:0) 1

trong đó : Q1 – nhiệt lượng nung nóng dung dịch từ tđ đến tsl ; F – bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt ; K1 – hệ số truyền nhiệt trong quá trình làm nóng dung dịch ; thđ – nhiệt độ của hơi đốt (hơi nước bão hòa ) ; tđ – nhiệt độ đầu của dung dịch ; tsl – nhiệt độ lúc bắt đầu sôi (nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với nồng độ đầu) ; ∆t1 – hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch.

- -

Thiết bị bốc hơi

Để xác định τ2 ta dựa vào phương trình vi phân của dòng nhiệt truyền qua bề mặt truyền nhiệt. dQ = K2.F.( thd – t ).dτ

i ht

(

d . (

)

d c t

hay

x ρ

( . . ) ρ

) ρ

dQ V =

−

i d ht

τ = 2

dQ 1 ∫ F K t (

)

−

C t . − d x d

trong đó : K2 – là hệ số truyền nhiệt trong thời gian τ2, giá trị của K2 thay đổi theo nồng độ của dung dịch; t – nhiệt độ sôi của dung dịch, nó thay đổi theo nồng độ dung dịch. Giải tích phân trên bằng giải tích khó bởi vì cần phải biết sự phụ thuộc của Q, K2, t vào nồng độ dung dịch. Thay vào đó, ta giải tích phân trên bằng phương pháp đồ thị. Trên trục tung của hệ trục tọa độ

trên trục hồnh là giá trị Q ứng với các nồng độ dung dịch thay đồi

vuông góc ta đặt giá trị

)

t−

K t ( 2

từ xđ đến xc. Với mỗi giá trị nồng độ của dung dịch ta thu được một điểm trên đường cong tích phân. Diện tích nằm dưới đường cong là giá trị của tích phân. Giá trị của Q được tính phụ thuộc vào việc bốc hơi với mức dung dịch thay đổi (cạn dần ) hay không thay đổi (vừa bốc hơi vừa nạp dung dịch đầu ). Khi mức dung dịch thay đổi trong quá trình bốc hơi, thì Q được tính như sau (không kể lượng nhiệt đốt nóng dung dịch từ nhiệt độ đầu đến lúc sôi ). Q = Gđ.Cđ.( tc – tsl) + W.( iht - Cn.tc ) + QT (III-14) Khi bốc hơi không thay đổi mức dung dịch : Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình bốc hơi không thay đổi mức dung dịch là dQ ứng với lượng dung dịch bổ sung là dV, bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường, được tính như sau : dQ = iht.dW + W.d(c.t.ρ ) - Cđ.tđ. ρđ.dV (III-15) trong đó : ρđ – khối lượng riêng của dung dịch mới nạp (nồng độ đầu của dung dịch ) ; ρ – khối lượng riêng tức thời của dung dịch ; C – nhiệt lượng riêng tức thời của dung dịch ; t – nhiệt độ tức thời của dung dịch ; dW – khối lượng hơi nước bốc hơi ( hơi thứ ) ứng với lượng dung dịch nạp thêm dV ; V – thể tích dung dịch trong thiết bị bốc hơi ; V = const. Mặc dù thể tích của dung dịch là hằng số nhưng khối lượng của nó thay đổi, bởi vì nồng độ tăng lên. Thành phần khối lượng chất kho trong dung dịch được tính như sau : V.d( ρ.x ) = ρđ.xđ.dV (III-16)

. (III-17)

hay

x ( . ) ρ

V .d ρ

x d

Sự thay đổi thành phần khối lượng của dung dịch trong thiết bị được thể hiện như sau : V.dρ = ρđ.dV – dW (III-18) hay dW = ρđ.dV - V.dρ (III-19) Thay các giá trị dV, dW vào phương trình tính dQ ra thu được :

i ht

(

)

d ct (

(III-20)

( x ρ

) ρ

−

i d ht

C t . − t x d

Ứng với thời điểm dung dịch ban đầu bắt đầu sôi ta dễ dàng tính được Q từ phương trình trên.

- -

Thiết bị bốc hơi

i ht

(

)

c t ( . .

))

(III-21)

Q V =

−

( x − ρ ρ s

x d

i ht

( − ρ ρ s

C t . 1 s

) ρ 1

C t . − d x d

Trong đó : csl, tsl, ρsl – nhiệt dung riêng, nhiệt độ, khối lượng riêng của dung dịch ban đầu lúc bắt đầu sôi ; ρ, t, c – khối lượng riêng, nhiệt độ, nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồng độ x. Thể tích của dung dịch được xác định theo khối lượng sản phẩm :

(III-22)

G c ρ c

Trong đó : Gc – khối lượng sản phẩm ; Ρc ρc – khối lượng riêng của sản phẩm (khối lượng riêng của dung dịch khi nồng độ đạt đến giá trị cuối là xc ). Khối lượng dung dịch ban đầu nạp vào thiết bị là Gđ được tính như sau : Qđ = ρđ.V (III-23) Từ lúc bắt đầu đốt nóng đến lúc dung dịch bắt đầu sôi thì khối lượng dung dịch không thay đổi :

Qđ = Qsl = ρsl.V (III-24)

Trong đó : Gsl – khối lượng dung dịch lúc bắt đầu sôi ; ρsl – khối lượng riêng dung dịch lúc bắt đầu sôi. Đối với dung dịch nước gần giống nhau, ta có thể lấy Csl = Cđ. Ngồi ra nếu nhiệt độ đầu và nhiệt độ lúc bắt đầu sôi gần nhau thì ρsl ~ ρđ. Với các thiết bị bốc hơi có thiết bị truyền nhiệt như nhau, dùng cô một loại dung dịch, sau mỗi chu kì (mỗi mẻ ) có năng suất sản phẩm như nhau thì phương pháp bốc hơi với thể tích dung dich thay đổi (giảm dần ) thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn so với phương pháp bốc hơi có thể tích dung dịch không đổi. Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp bốc hơi với thể tích của thiết bị dùng chứa dung dịch ban đầu sẽ lớn hơn phương pháp bốc hơi có thể tích dung dịch không đổi. Hơn nữa thời gian τ để cô một mẻ của phương pháp thể tích thay đổi sẽ dài hơn. 4.2. Hệ thống bốc hơi liên tục Hệ thống bốc hơi liên tục được áp dụng để cô đặc liên tục một dung dịch nào đó, vì vậy nó còn có tên gọi là hệ thống cô liên tục. Trong hệ thống này có nhiều thiết bị bốc hơi, nó có thể làm việc theo nguyên tắc dòng cùng chiều, ngược chiều, hỗn hợp, v.v.

Khi tính thiết kế hệ thống bốc hơi liên tục, ta căn cứ vào nồng độ đầu và cuối của dung dịch, năng suất, tính chất hóa lý, nhiệt lý…nhằm thiết lập hệ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, xác định lượng nước bốc hơi cho từng thiết bị, hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và dung dịch, tổn thất nhiệt, số lượng thiết bị tối ưu trong hệ thống.

- -

4.2.1. Cân bằng hệ vật chất cho hệ thống bốc hơi liên tục Nếu dùng phương trình cân bằng vật chất để tính lượng nước đã bốc hơi cho cả hệ thống thì nó cũng giống như khi tính cho hệ thống một thiết bị bốc hơi. Do hệ thống liên tục có nhiều thiết bị bốc hơi, mỗi thiết bị có nhiệm vụ cô đặc đến nồng độ nào đó, nên ta pahir dùng phương trình cân bằng vật chất đối với từng thiết bị một.

Thiết bị bốc hơi

Ta gọi W1, W2, W3…..Wn là lượng nước bốc hơi và G1, G2, G3….Gn là khối lượng dung dịch đi ra từ thiết bị số 1, 2, 3…..n. Đối với hệ thống bốc hơi liên tục, dòng cùng chiều có phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị thứ nhất như sau: (bỏ qua tổn thất vật chất). (25)

Gđ = G1 + W1 Gđ.xđ = G1.x1

x1 - nồng độ dung dịch từ thiết bị bốc hơi thứ nhất đi ra Trong đó : Gđ , xđ – là khối lượng, nồng độ của dung dịch cấp vào thiết bị thứ nhất Từ hai phương trình trên ta dễ dàng tìm được x1 :

x = 1

G x d d G -W d 1

(26)

(27)

G x d G Tương tự với thiết bị thứ 2 ta dễ dàng tìm được x2 : x2 = (Gđxđ)/(Gđ – W1 – W2) Với thiết bị bốc hơi thứ n ( cuối cùng ) sẽ là: xn = (Gđxđ)/(Gđ – W1 – W2 …..- Wn) Chia cả tử số và mẫu số cho Gđ ta có phương trình sau:

(28)

x n

x d n

ω i

− ∑

1 =

(29)

ω=

Trong đó : lượng nước bốc hơi riêng của thiết bị thứ i

W i G i

(30)

Đối vơi hệ thống bốc hơi liên tục dòng ngược chiều thì dung dịch ban đầu đi vào thiết bị thứ n ( cuối cùng) và sản phẩm đi ra từ thiết bị thứ nhất. Từ đó ta có các phương trình sau:

;

;....

x n

x i

1 −

G d G W − n

G x . d d G W W − − n

1 −

G x . d d n ∑ G W i i 1 =

Gn = Gđ - Wn ; Gn-1 = Gđ – Wn – Wn-1 ; ……G1 = Gc Gc là khối lượng sản phẩm với nồng độ x1

Nhìn phương trình trên ta thấy: với dung dịch ban đầu có khối lượng Gđ, nồng độ xđ muốn xác định nồng độ dung dịch sau từng thiết bị cần phải biết lượng nước đã bốc hơi trong thiết bị đó và ở các thiết bị trước nó. Với phương pháp tính nồng độ dung dịch như trên là đã coi như là dung dịch không kết tinh.

4.2.2. Khối lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị Trong hệ thống bốc hơi liên tục thì việc tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị được tiến hành đồng thời với việc tính lượng hơi đốt cần cấp cho tồn bộ hệ thống và hơi đốt cho mỗi thiết bị, mà hơi đốt của thiết bị sau lại là hơi thứ của thiết bị trước.

- -

Có nhiều phương pháp tính lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị nhưng kết quả đều là gần đúng. Bởi vì khi tính lượng nước bốc hơi gắn liền với quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt qua bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt sang cho dung dịch đang bốc hơi với nồng độ tăng dần là quá trình không ổn định. Ngồi ra còn phải tính nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh,

Thiết bị bốc hơi

mà muốn tính nó ta phải có kích thước của thiết bị. Kích thước thiết bị chỉ có được sau khi tính công nghệ thiết bị, tính bền. Để thuận tiện cho quá trình tính tốn ta có thể lấy tổn thất nhiệt ra môi trường chung quanh qua vỏ thiết bị đã được bọc cách nhiệt vào khoảng từ 1% - 3% công suất nhiệt của thiết bị.

- -

Có 3 phương phán tính được áp dụng phổ biến nhất là: phương pháp đơn giản, phương pháp chung, phương pháp chung có tính đến nhiệt tiêu tốn do tăng nồng độ dung dịch.

Thiết bị bốc hơi

Phương pháp đơn giản

E

i

i-1

D

i+1

i

Wi

Wi-1

Di-1

i-1

i

Gi-2

Gi

Gi-1

Hình 10. Hệ thống bốc hơi liên tục: i-1; i- là thiết bị thứ i-1; và thứ i Phương pháp này không phụ thuộc vào chiều chuyển động của dung dịch và hơi đốt. Nó được dùng để tính gần đúng lượng nước bốc hơi trong từng thiết bị và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của tồn hệ thống bốc hơi. Chẳng hạn ta có hệ thống bốc hơi như hình 9 thì quá trình tính tốn như sau: Theo phương pháp đơn giản thì có 1kg hơi đốt cấp cho thiết bị sẽ thu được 1kg hơi thứ đi

ra từ thiết bị sấy. Chẳng hạn với thiết bị thứ i ở hình trên ta có: (32)

Wi = Di = Wi-1 – Ei-1 Trong đó : Di , Wi – là hơi đốt, hơi thứ của thiết bị bốc hơi thứ i Ei – Phần hơi thứ của thiết bị thứ I không dùng làm hơi đốt cho thiết bị thứ i+1 Tương tự với hệ thống bốc hơi có n thiết bị, thì lượng nước bốc hơi (hơi thứ) trong từng thiết bị từ thứ 1,2,3….n sẽ là:

(33)

(

... 2

1) − −

−

− −

−

W1 = D1 W2 = W1 – E1 = D1 – E1 W3 = W2 – E2 = D1 – E1 – E2 ………………….……………………………. Wn =Wn-1 – En-1 = D1 – E1 – E2 - …..- En-2 – En-1 Cộng tất cả lượng hơi thứ của các thiết bị ta có lượng hơi nước đã bốc hơi khỏi dung dịch

E n

W nD = 1

E 1

E 2

−

1 −

1 =

(34) đi qua hệ thống bốc hơi liên tục là W: n ∑

... + +

Từ phương trình trên ta dễ dàng tính được lượng hơi đốt được lấy từ nồi hơi cấp cho tồn hệ thống bốc hơi là D1:

D 1

E 1

E 2

E n

−

1 −

W n + n

− n

2 n

1 n

(35)

- -

4-2-3.Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống bốc hơi liên tục:

Thiết bị bốc hơi

Do có tổn thất nhiệt độ, mà nhiệt độ hơi thứ của thiết bị trước trong buồng đốt của thiết bị

(36) ∆1 = ∆11+∆21+∆31

sau thấp hơn nhiệt độ hơi đốt trong của buồng đốt thiết bị trước. Có ba loại tổn thất nhiệt độ được thể hiện ở điều kiện sau: Trong đó: ∆1 là tổn thất nhiệt độ do bản chất của dung dịch, nó đúng bằng hiệu nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất ở cùng chế độ áp suất.

Giá trị của ∆11 phụ thuộc vào loại chất hòa tan, loại dung môi, nồng độ dung dịch và áp suất.Có thể tính gần đúng ∆11 theo công thức sau đây: (37)

∆11=∆1a.0,01621T2/r Trong đó: ∆1a là tổn thất nhiệt độ ở diều kiện áp suất bằng áp suất khí quyển, tra bảng; T,r – nhiệt độ sôi tuyệt đối, nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất; ∆21- là tổn thất nhiệt độ do trở lực của lớp dung dịch.

Giá trị của ∆21 phụ thuộc vào chiều cao của lớp dung dịch từ bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt đến mặt thống. Nhiệt độ bốc hơi ở bề mặt thấp hơn nhiệt độ của lớp dưới khoảng 3- 5oC.

∆31 – là tổn thất nhiệt độ do đường ống dẫn hơi từ thiết bị thứ nhất đến buồng đốt của thiết bị thứ hai.

Giá trị cu∆31 phụ thuộc vào đặc tính của tuyến ống,∆31=0,5-1,5oC, lấy trung bình ∆31 =1oC cho mỗi thiết bị. Tổng tổn thất nhiệt độ của một hệ thống bốc hơi liên tục được tính như sau:

Δ + 1 i

Δ + 2 i

(38)

∑ ∑ Δ = i

∑

∑ Δ

1 =

i Trong đó: n- số thiết bị trong hệ thống i: thiết bị thứ i. Trong quá trình bốc hơi của hệ thống một thiết bị thì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt đang

ngưng tụ và hơi thứ là lớn hơn giá trị của ∆; và đối với hệ thống nhiều thiết bị thì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt trong thiết bị và hơi thứ của thiết bị cuối cùng đang ngưng tụ trong tháp ngưng, bao giờ cũng lớn hơn ∆i. Đó là chênh lệch nhiệt độ cần có để thực hiện quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt của dung dịch đang bốc hơi, kí hiệu ∆tc.

Đối với hệ thống một thiết bị bốc hơi thì ∆tc được tính như sau: (39) ∆tc = th.d – tht

Trong đó:th.d,tht- nhiệt độ của hơi đốt đang tụ trong buồng đốt, nhiệt độ của hơi thứ. Đối với hệ thống có nhiều thiết bị bốc hơi liên tục thì: (40) ∆tc = th.d1 –tN

Trong đó th.d1 – nhiệt độ hơi đốt của thiết bị thứ nhất; tN- nhiệt độ hơi đang nhưng tụ trong tháp ngưng tụ lắp sau thiết bị bốc hơi cuối cùng. Hiệu nhiệt độ hữu ích chung của hệ thống bốc hơi liên tục được kí hiệu là ∆t: (41) ∆t=∆tc-∆i=( th.d1-tN) -∆i

- -

(42) ∆t=∆t1+∆t2+……+∆tn Để tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt trong từng thiết bị thì phải phân bố ∆t như sau: Trong đó: ∆t1,∆t2 ….∆tn – là hiệu nhiệt độ trung bình giữa hơi đốt và hơi thứ trong thiết bị thứ nhất … thứ n.

Thiết bị bốc hơi

Các giá trị của ∆t1, ∆t2 …∆tn có thể tính theo các điều kiện sau đây sao cho: -Nhiệt độ hơi thứ của từng thiết bị( trừ thiết bị cuối cùng) đủ cao để làm hơi đốt cho thiết bị kế tiếp.

-Bề mặt truyền nhiệt của tất cả các buồng đốt trong các thiết bị bốc hơi là bằng nhau. -Tổng bề mặt truyền nhiệt của tất cả các buồng đốt là nhỏ nhất. -Bề mặt truyền nhiệt của các buồng đốt là bằng nhau và tổng của chúng là nhỏ nhất. Đối với trường hợp thứ nhất thì các giá trị ∆t1, ∆t2…∆tn được tính như sau: ∆t1 = th.d1 – t1

∆t1 =thd1 – tht1 - ∆1,1 -∆2,1

t1= tht1 +∆1.1 và ∆2.1 ∆t2= thd2 – t2 thd2 = tht1 - ∆3.1 T2 = tht2 + ∆1.2 + ∆2.2 ∆t 2= tht1- tht2 - ∆1.2 - ∆2.2 - ∆3.1

tn= tN + ∆1.n + ∆2.n + ∆3.n (43) ∆tn=tht(n-1) – tN - ∆1n- ∆2n- ∆3n- ∆3(n-1)

Mà Nên Mà Tương tự đối với thiết bị thứ i ta có: ∆ti= tht(i-1) – thti - ∆1.i-∆2.i-∆3(i-1). Với thiết bị thứ n( sau cùng) ta có: ∆tn= thdm –tn Nhưng : tndn= tht(n-1) - ∆3(n-1) nên: trong đó: ∆11,∆12,…∆1i….- là tổn thất nhiệt do bản chất của dung dịch trong thiết bị thứ nhất,…, thứ I,…, thứ n;

∆21,∆22…∆2n- tổn thất nhiệt độ do trở lực của dung dịch trong thiết bị bốc hơi thứ nhất,… thứ n;

t Δ

∆31,∆32…∆3n- tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ của thiết bị thứ 1,…, thứ n. Đối với trường hợp thứ 2 thì khi tính ∆t1,∆t2…∆tn dựa trên điều kiện bề mặt truyền nhiệt

Δ = 1

(44)

của các buồng đốt là bằng nhau(F1=F2=…=Fn), nghĩa là: Q i K i Q ∑ i K= 1

....

Δ = Δ =

t 1

t = Δ = n

t Δ n

Trong đó Q1,Q2,… Qn lần lượt là nhiệt tải của từng thiết bị; K1,K2,…,Kn- là hệ số truyền nhiệt của buồng đốt trong từng thiết bị. Từ điều kiện 44 ta thu được đẳng thức sau đây:

Với đẳng thức 45 ta dễ dàng tính được các giá trị ∆t1,∆t2…∆tn. Chẳng hạn với thiết bị thứ

- -

I ta có:

Thiết bị bốc hơi

... = =

Q 2 K

Q n K

Q 1 K 1

Cách tính thứ hai này được ứng dụng nhiều nhất.Phương pháp tính ∆t1,∆t2,…∆tn theo điều

kiện tổng bề mặt truyền nhiệt của các buồng đốt(F1+F2+…+Fn) là nhỏ nhất ít được dùng vì các buồng đốt sẽ có F1#F2#...#Fn. Như vậy sẽ không kinh tế khi chế tạo, lắp đặt sửa chữa thay thế các thiết bị trong hệ thống bốc hơi. Trường hợp thứ tư là tính ∆t1,∆t2…∆tn theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các buồng

đốt là bằng nhau và tổng của chúng là nhỏ nhất phải thõa mãn cùng 1 lúc đẳng thức sau: (47) (48) ∆t1=∆t2=…=∆tn=∆t/n Q1/K1=Q2/K2=…=Qn/Kn

Để thõa mãn điều kiện 48 thì nhiệt tải của các thiết bị của các thiết bị phải tỉ lệ thuận với hệ số truyền nhiệt của chúng. Muốn vậy thì lượng hơi thứ trích ly( không dùng làm hơi đốt cho thiết bị sau) phải được xác định chính xác. Điều đó cũng không thuận tiện vì đôi khi không biết dùng hơi thứ trích ly vào việc gì. SỐ LƯỢNG THIẾT BỊ TỐI ƯU Trong hệ thống bốc hơi liên tục nhiều thiết bị thì việc xác định số lượng thiết bị dựa trên các tính tốn kinh tế kỹ thuật. Đó là các chi phí đầu tư xây dựng và chi phí sản xuất. Số lượng thiết bị được lựa chon sao cho tổng chi phí đầu tư và chi phí sản xuất là nhỏ nhất, xem hình ( 10).

Hình 11.Đồ thị lựa chọn số thiết bị tối ưu:1- chi phí khai

thác sản xuất; 2- chi phí đầu tư; 3- tổng chi phí; T- chi phí; n- số thiết bị; nt- số thiết bị tối ưu

Nếu số lượng thiết bị nhiều lên sẽ làm giảm chi phí hơi

V-CÁC THIẾT BỊ BỐC HƠI

đốt sạch, chi phí vận hành (10) (chi phí sản xuất) giảm, nhưng lại làm tăng vốn đầu tư xây dựng. Số thiết bị trong hệ thống bốc hơi liên tục vào khoảng từ 3 đến 5.

Thiết bị bốc hơi bao gồm rất nhiều loại như: thiết bị bốc hơi để tăng nồng độ của một dung dịch nào đó (còn gọi là thiết bị cô đặc), thiết bị bay hơi nhằm thu hồi chất hòa tan ở dạng rắn (còn gọi là thiết bị kết tinh) thiết bị thu hồi dung dịch tinh khiết, thiết bị bay hơi thu nhiệt (thiết bị bốc hơi trong máy lạnh); thiết bị sấy. Trong chương này chúng ta không đề cập đến thiết bị bay hơi thu nhiệt và thiết bị sấy. Thiết bị bốc hơi trước hết nó là một thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và dung dịch,

vì vậy nó phải thỏa mãn mọi vấn đề của thiết trao đổi nhiệt; đồng thời nó còn đáp ứng được yêu cầu công nghệ của quá trình sôi có tạo bọt hay không tạo bọt, tránh được các hạt chất lỏng đi theo hơi thứ, tránh được bám bẩn bề mặt truyền nhiệt.

- -

Khi đun sôi các dung dịch có độ nhớt cao và sức căng bề mặt nhỏ (chẳng hạn các dung dịch của các chất có nguồn gốc thực vật hoặc động vật) đều xảy ra hiện tượng tạo bọt. Vì vậy, các thiết bị dùng để cô các dung dịch loại này phải có kết cấu phù hợp (không gian bay hơi

Thiết bị bốc hơi

lớn) nhằm tránh hiện tượng bọt đi theo hơi thứ ra khỏi thiết bị. Bọt đi theo hơi thứ không những làm tổn hại chất ta cần thu được ở dung dịch, mà còn làm bẩn hơi thứ trong trường hợp dùng hơi thứ như một chất tải nhiệt cho quá trình bay hơi nào đó. Hiển nhiên ta có thể hạn chế quá trình tạo bọt của một số dung dịch nào đó bằng cách thêm vào dung dịch chất chống tạo bọt (chẳng hạn như dầu thực vật,v.v…). Bọt và chất lỏng đi theo hơi thứ sẽ làm bẩn bề mặt truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ, làm bẩn nước ngưng trong thiết bị ngưng tụ trực tiếp. Nếu dung dịch bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt trong thiết bị bốc hơi sẽ làm giảm chất lượng

sản phẩm, hiệu suất truyền nhiệt giảm, sinh ra đốt nóng cục bộ làm hỏng thiết bị. Biện pháp tránh bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt là tăng cường đối lưu dung dịch. Muốn có đối lưu ta phải kết cấu thiết bị bốc hơi cho phù hợp.

Thiết bị bay hơi nói chung đều có các bộ phận chính như: khoang đốt, khoang chứa dung dịch, khoang hơi à bộ phận trích các hạt lỏng khỏi hơi thứ.

Khoang đốt chính là thiết bị trao đổi nhiệt qua bề mặt. Nhiệt được truyền từ chất tải nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt sang cho dung dịch đang sôi. Tùy loại thiết bị mà khoang đốt có thể là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, ống xoắn ruột gà,v.v…

Khoang chứa dung dịch đang sôi gồm không gian chứa dịch ở khoang đốt và không gian chứa dịch phía trên khoang đốt. Khoang chứa dịch có liên quan đến hiệu suất quá trình sôi, sự đối lưu dung dịch và sự tạo bọt. Nếu dung dịch tạo bọt nhiều thì khoang chứa dung dịch nên nhỏ lại. Khoang hơi là không gian phía trên bề mặt của dung dịch. Mục đích của không gian này là nhằm tách hơi thứ ra khỏi dung dịch đang sôi một cách liên tục và ổn định. Khoang hơi càng phải lớn nếu dung dịch tạo bọt nhiều, đồng thời phải đảm bảo cho vận tốc hơi thứ nhỏ để nó không cuốn theo các hạt dung dịch có kích thước lớn.

Bộ phận tách các hạt lỏng thường lắp ở đỉnh thiết bị bốc hơi ở vị trí trước của ra của hơi thứ. Nhiệm vụ của nó là tách kiệt các hạt lỏng rồi trả về khoang dung dịch. Nguyên lý tách các hạt lỏng là dựa vào trọng lực, lực quán tính hoặc lực ly tâm của chính các hạt lỏng. Từ nguyên lý tách hạt lỏng ta kết cấu bộ phận này cho phù hợp, càn gọn và có hiệu suất cao càng tốt.

Ngồi các bộ phận chính như trên, thiết bị bốc hơi còn có các cửa cho dung dịch vào, tháo sản phẩm ra; cửa cho hơi đốt vào và của nước ngưng ra; cửa cho hơi thứ đi thiết bị ngưng tụ; cửa quan sát, cửa lấy mẫu; cửa lắp đồng hồ áp lực; cửa lắp nhiệt kế; cửa vệ sinh và sửa chữa v.v…

Các thiết bị bay hơi dùng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hóa chất có cấu tạo

rất đa dạng; vì vậy việc phân loại chúng gặp khó khăn. Tuy nhiên ta có thể phân loại chúng dựa trên những đặc điểm chính như sau: -

Căn cứ vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt ta chia ra : loại 2 vỏ, loại ống xoắn ruột gà, loại ống trơn, ống có cánh v.v….

- Dựa trên vị trí của bề mặt truyền nhiệt trong không gian ta có: loại nằm ngang, loại thẳng đứng, loại nghiêng.

- Dựa vào vị trí của buồng đốt: buồng đốt trong, và loại có buồng đốt ngồi. - Dựa vào kiểu cấp nhiệt: bằng hơi nước nóng, bằng khói lò, bằng chất tải nhiệt, đặc biệt bằng điện.

- Dựa vào chiều chuyển động của các lưu thể: loại cùng dòng (dòng cùng chiều), dòng ngược chiều.

- -

- Đặc điểm tuần hồn: tuần hồn tự nhiên, tuần hồn cưỡng bức.

Thiết bị bốc hơi

- -

Số lần tuần hồn; 1 lần hay nhiều lần. Thường trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất các thiết bị bốc hơi có bề mặt truyền nhiệt là chùm ống được ứng dụng rộng rãi nhất. Sau đây là một số thiết bị bốc hơi có cấu tạo điển hình.

1. Thiết bị bốc hơi thẳng đứng, buồng đốt trong, tuần hồn tự nhiên:

Cấu tạo của loại thiết bị này được thể hiện ở hình 12. Buồng đốt là loại thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thẳng đứng. Oáng tuần hồn nằm ở trung tâm chùm ống truyền nhiệt. Diện tích tiết diện ngang của ống tuần hồn bằng ¼ đến 1/3 tổng diện tích tiết diện ngang của các ống truyền nhiệt. Nhờ vậy lớp dung dịch trong ống trung tâm bị đốt nóng ít hơn lớp dung dịch trong các ống truyền nhiệt; nên khối lượng riêng của lớp dung dịch trong ống trung tâm lớn hơn. Do chênh lệch về khối lượng riêng như vậy nên dung dịch tuần hồn tự nhiên. Ở ống trung tâm dung dịch chuyển động từ trên xuống còn trong các ống truyền nhiệt thì ngược lại.

- -

Hình 12. thiết bị bốc hơi buồng đốt trong, có ống tuần hồn trung tâm: 1- buồng đốt; 2- ống tuần hồn; 3- buồng hơi; 4- vách hình vành khăn; hd- hơi đốt; nn- nước ngưng; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; ht- hơi thứ

Thiết bị bốc hơi

Hình 13- Thiết bị bốc hơi buồng đốt trong, có không gian tuần hồn phía ngồi buồng đốt: Hd- hơi đốt; ht- hơi thứ; nn- nước ngưng; nl- nguyên liệu; sp- sản phẩm; nr- nước rửa; 1- thân; 2- ống cấp hơi đốt; 3-chỏm cầu; 4-buồng đốt; 5-ống hồi lưu; 6- vách trụ; 7,8 cửa vào sửa chửa (thiết bị có đường kính lớn)

Hơi nước nóng đi vào không gian giữa các ống, sau khi cấp nhiệt cho dung dịch chuyển động trong các ống, hơi nước ngưng đọng và được lấy ra ở cửa gần vỉ ống dưới.

Hơi thứ bốc ra từ dung dịch được dồn lên buồng hơi phía trên khoang đốt. Buồng hơi là hình trụ thẳng đứng có đường kính lớn hơn đường kính buồng đốt một chút, dung tích của nó phụ thuộc vào đặc tính tạo bọt của dung dịch và cường độ sôi trong thiết bị. Vận tốc của hơi thứ đi trong buồng hơi phải nhỏ hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng. Có như vậy hơi thứ mới không cuốn theo nhiều hạt lỏng. Mặc dù vậy vẫn còn nhiều các hạt lỏng đi theo hơi thứ lên đến đỉnh buồng hơi. Để tách hết các hạt lỏng ra khỏi hơi thứ, ta cho hơi thứ đi qua bộ phận tách lỏng (phân ly hơi và lỏng) đặt ở đỉnh buồng hơi.

- -

Buồng hơi là hình trụ thẳng đứng, nó được lắp với thân buồng đốt bằng hàn (cũng có thể dùng phương pháp ghép bằng bích). Các chi tiết của bộ phẩn tách lỏng được hàn vào các vị trí tương ứng ở đỉnh buồng hơi. Đáy thiết bị được ghép với buồng đốt bằng bích có bu lông. Độ

Thiết bị bốc hơi

dốc của đáy nón phải đủ lớn để dung dịch sau khi cô có thể chảy xuống dễ dàng. Khi cần làm sạch bề mặt trong của các ống truyền nhiệt, ta tháo đáy, sau đó dùng chổi sắt có cán dài để thông ống.

Hình 13A- Cấu tạo thiết bị bốc hơi: 1- thân; 2- ống hơi; 3- chỏm cầu; 4-buồng đốt; 5-ống hồi lỏng; 6-vách trụ; 7,8- cửa vào sủa chữa (thiết bị lớn)

Tai treo thiết bị được lắp ở vị trí cao hơn trọng tâm của thiết bị khi có tải. Thiết bị loại này

được bọc cách nhiệt, nên các tai treo và các đoạn ống nói có bích làm cửa dẫn lưu thể v.v… phải đủ dài để dô ra khỏi lớp bọc cách nhiệt. Có như vậy thì việc tháo lắp thiết bị khi cần thiết mới nhanh chóng và dễ dàng.

- -

Hình 13 thể hiện cấu tạo của thiết bị bốc hơi cũng là loại thẳng đứng có buồng đốt trong, tuần hồn tự nhiên. Nhưng để có tuần hồn tự nhiên ta sử dụng không gian vành khăn giữa vỏ buồng đốt và vỏ thiết bị. Buồng đốt là một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có kết cấu cứng,không có nắp và đáy. NÓ được gá len các tai đỡ bằng bu lông, tai đỡ hàn vào vỏ thiết bị. Oáng dẫn hơi nước nóng vào buồng đốt lắp ở tâm vỉ ống trên, còn ống tháo nước ngưng lắp ở tâm vỉ ống dưới. Đường kính ngồi của vỏ buồng đốt nhỏ hơn đường kính trong của vỏ thiết bị, sao cho diện tích tiết diện hình vành khăn bằng 25% đến 30% tổng diện tích tiết diện ngang của các ống truyền nhiệt trong buồng đốt. Có như vậy mới đảm bảo cho quá trình tuần hồn tự nhiên tốt. Do nhiệt độ của lớp dung dịch ở không gian vành khăn thấp nên khối lượng riêng của nó lớn. Còn dung dịch ở trong các ống truyền nhiệt có nhiệt độ cao hơn nên khối lượng

Thiết bị bốc hơi

riêng nhỏ hơn. Do chênh lệch khối lượng riêng như vạy, nên dung dịch tuần hồn tự nhiên. Dung dịch chuyển động xuống qua không gian vành khăn, chuyển động lên qua các ống truyền nhiệt. Hơi thứ bay ra từ dung dịch khi di qua các ống truyền nhiệt được dồn lên buồng hơi. Đường kính của buồng hơi đủ lớn, sao cho vận tốc của hơi thứ trong đó không lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bắn ra từ dung dịch do quá trình sôi mãnh liệt trong các ống truyền nhiệt gây nên. Nhằm tách hết các hạt lỏng khỏi hơi thứ ta dùng bộ phận tách lỏng lắp ở đỉnh buồng hơi. Việc bít kín giữa ống tháo nước ngưng và đáy nón, cũng như giữa ống nạp hơi nước nóng và đỉnh thiết bị đều sử dụng hộp đệm.

Với kết cấu như ở hình 13 và 13A rất dễ dàng làm vệ sinh và sửa chữa thiết bị. Buồng đốt có thể tháo ra khỏi thiết bị dễ dàng. Ở đỉnh buồng hơi có lắp ống dẫn nước, được uốn lại thành vòng tròn, có khoan lỗ thốt nước. Khi cần làm sách bên trong thiết bị, ta xả nước qua ống này. Thiết bị như hình 12 và hình 13, 13A chỉ dùng để cô các dung dịch không kết tinh hoặc ít kết tinh. Loại thiết bị này có tổn thât nhiệt không lớn, gọn gàng, tốn ít kim loại. Khó làm sạch bề mặt truyền nhiệt bằng cơ học. 2.Thiết bị bốc hơi có buồng đốt ngồi

Thiết bị loại này có ưu điểm lớn là dễ dàng thay thế buồng đốt khi cần sữa chữa. Khi ấy nếu muốn cho thiết bị bốc hơi làm việc nhanh trở lại, thì ta thay ngay buồng đốt dự trữ vào. Cũng có thể chế tạo thiết bị bốc hơi có nhiều buồng đốt ngồi. Các buồng đốt thay nhau làm việc và sửa chữa, nên thiết bị bốc hơi làm việc liên tục. Thiết bị loại này có nhược điểm là: cồng kềnh, tốn nhiều kim loại và tổn thất nhiệt lớn hơn buồng đốt trong.

VI- CHẤT LƯỢNG THỰC PHẨM

Quá trình bốc hơi có thể giảm thiểu tối đa những thay đổi không mong muốn về chất lượng và giá trị dinh dưỡng đối với những nguyên liệu thực phẩm nhạy cảm với nhiệt độ. Những sự thay đổi đó là về giá trị cảm quan ( màu, mùi, vị), mất mát về vitamin, hay sự tạo thành những hợp chất không mong muốn ( sự hóa nâu, hay caramel hóa).

- -

Sự thất thốt những hợp chất mùi trong của quá trình bốc hơi nước quả có thể phục hồi bằng cách thu hồi lại các chất mùi trong phần cất hay bổ sung vào sau bằng nước quả tươi.

Thiết bị bốc hơi

Hình 14-Hệ số truyền nhiệt chung (U) của dung dịch nước nho đã lọc và chưa lọc (UFL) tại 550C, số liệu từ Saravacos et al (1970)

Sự thất thốt chất lượng sản phẩm có thể giảm thiểu tối đa bằng phương pháp bốc hơi ở nhiệt độ thấp ( quá trình diễn ra ở áp suất chân không), tuy vậy, vẫn có những bất lợi đó là hệ số truyền nhiệt thấp, tính nhớt, dính (dẻo) của sản phẩm cô đặc cao. Theo quan điểm của ngành công nghệ thực phẩm là sử dụng nhiệt độ cao trong thời gian ngắn để tiến hành quá trình bốc hơi. Đối với những sản phẩm thực phẩm ở thể lỏng và nhạy cảm với nhiệt độ, người ta tiến hành cô đặc nhanh ở nhiệt độ cao có thể giảm thiểu tối đa sự mất mát về chất lượng sản phẩm thực phẩm. Như hệ thống TASTE (Thermally Accelerated Short Time Evaporator), sử dụng trong quá trình cô đặc nước ép của các loại quả thuộc họ citrus (cam, chanh,…).

Cặn bẩn tích tụ trên bề mặt của thiết bị bốc hơi là một vấn đề rất nghiêm trọng trong quá trình bốc hơi đối với thực phẩm dạng huyền phù và dạng khối nhão, bởi vì nó không chỉ làm giảm tốc độ truyền nhiệt và tốc độ bốc hơi, mà còn có thể gây ra những biến đổi không mong muốn về chất lượng sản phẩm, ảnh hưởng đến quá trình vệ sinh thiết bị. Sự tích tụ bẩn có thể giảm xuống mức thấp nhất bằng những máy bốc hơi thiết kế và hoạt động đặc biệt. Vận tốc chất lỏng cao là điều mà người ta rất mong muốn, đặc biệt là với những thực phẩm ở dạng chất lỏng phi Newton, khi sự xuất hiện các chất dính dẻo giảm ở vận tốc trượt cao. Sự khuấy trộn cơ học giúp rửa sạch bề mặt truyền nhiệt và làm giảm sự xuất hiện của các chất dính, dẻo trong dòng chảy.

Hình 15-Hệ số truyền nhiệt chung trong quá trình bốc hơi nước táo đã lọc (FL) và chưa lọc (UFL). Số liệu từ Saravacos et al (1970)

VII- THIẾT BỊ BỐC HƠI TRONG THỰC PHẨM

- -

Nhiều dạng thiết bị bốc hơi được sử dụng cho quá trình cô đặc thực phẩm dạng lỏng. Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự lựa chọn một hệ thống thiết bị bốc hơi là chất lượng thực phẩm, công suất bốc hơi, vấn đề năng lượng/giá cả. Yêu cầu đầu tiên trong việc đảm bảo nhu cầu thực phẩm là sự ổn định giữa nhiệt độ và thời gian trong thiết bị bốc hơi. Công suất của quá trình bốc hơi phụ thuộc vào vận tốc truyền nhiệt, sự tận dụng năng lượng được cải thiện bởi hệ thống tiết kiệm năng lượng. Những phân xưởng thí nghiệm bốc hơi có thể sử dụng

Thiết bị bốc hơi

cho việcï mở rộng, áp dụng quy mô lớn đối với những thực phẩm cô đặc, sản phẩm cô đặc từ cam, chanh, …(citrus) (Chen and Johnson, 1995).

1. Cân bằng vật chất và năng lượng

Kích thước của một thiết bị bốc hơi được tính tốn dựa trên cơ sở của việc ước lượng diện tích bề mặt truyền nhiệt cho quá trình bốc hơi và truyền nhiệt. Sự cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết cho quá trình tính tốn kích thước, được ước lượng qua những quy tắc đã khảo sát ở chương 1.

Hình 16 là biểu đồ mô tả sự cân bằng cơ bản về lượng cần thiết và quá trình diễn ra. Dữ kiện theo sau chuẩn bị cho việc thiết kế sơ bộ quá trình: (1) khâu nhập liệu và sản phẩm vào và ra khỏi thiết bị bốc hơi dưới dạng chất lỏng bão hòa, ở nhiệt độ sôi tại áp suất đang xét. (2) Sự tăng nhiệt độ sôi (BPR:boiling point rise) có thể bỏ qua, được xem là một giả thiết hợp lý cho nguyên liệu thực phẩm, ngoại trừ quá trình cô đặc nồng độ cao (trên 600 Brix). (3) Hơi nước gia nhiệt và hơi nước ngưng tụ được bão hòa (ở điểm ngưng tụ/bốc hơi). (4) Sự thất thốt nhiệt ra môi trường được bỏ qua. Lượng nhiệt thất thốt khoảng 1 – 3% tổng lượng nhiệt sử dụng và có thể giảm xuống bằng lớp cách nhiệt riêng cho thiết bị bốc hơi.

Phân tích tính tốn sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố bốc hơi được cho trong ví dụ 1.

Hình 16-cân bằng vật chất trong thiết bị bốc hơi. m, lưu lượng; T, nhiệt độ; H, entanpy; A, diện tích bề mặt truyền nhiệt

2. Thiết bị bốc hơi thời gian lưu dài:

- -

Đối với thực phẩm bền nhiệt, như dung dịch đường, si rô, nước ép khoai tây và sản phẩm từ khoai tây, nước ép quả và đóng hộp, dung dịch muối có thể bốc hơi trong nhiều dạng khác nhau của thiết bị bốc hơi, được biểu thị bởi mối quan hệ giữa thời gian bốc hơi dài, nhiệt độ cao, và sự tuần hồn. Hệ số truyền nhiệt cao có được là do sự khuấy trộn và sự tuần hồn tự nhiên hay cưỡng bức của dòng thực phẩm (Minton, 1986). Hơn nữa, sự tuần hồn cưỡng bức làm giảm sự tích tụ cặn.

Thiết bị bốc hơi

a. Thiết bị bốc hơi vỏ ống

Nồi hơi được dùng cho quá trình bay hơi phân đoạn và cô đặc đối với sản phẩm thực phẩm bền nhiệt, như khoai tây purée và nước sốt cà chua nấm. Sự khuấy trộn cơ học với những lưỡi dao được dùng để chống lại sự tích tụ cặn trên bề mặt truyền nhiệt và tăng tốc độ truyền nhiệt.

b. Hệ thống ống dẫn nhiệt

Ống dẫn hơi nước được đặt chìm trong dung dịch cần cô đặc như một hệ thống làm việc đơn giản và hiệu quả. Hệ thống ống dẫn có thể được uốn để làm tăng tốc độ truyền nhiệt. Hệ thống ống dẫn được sử dụng trong thiết bị truyền nhiệt WURLING, được thiết kế cho các sản phẩm từ khoai tây và các khối nghiền từ trái cây trong nhà máy bốc hơi miền tây USDA (Morgan, 1967). Do vận tốc tương đối cao, tăng lên ở bề mặt tiếp xúc giữa hệ thống ống xoắn và sản phẩm, có thể làm giảm sự xuất hiện của các chất dính, nhớt đối với sản phẩm trái cây hoặc từ rau (dạng chất lỏng phi Newton), làm tăng hệ số truyền nhiệt (Saravacos, 1974).

c. Thiết bị bốc hơi ống ngắn

Thiết bị bốc hơi ống ngắn ( thùng bốc hơi chân không) bao gồm một chùm ống ngắn, dài từ 2–3 m, truyền nhiệt bên ngồi nhờ hơi nước, được để chìm trong dung dịch lỏng bốc hơi. Dòng chất lỏng chảy lên trên qua hệ thống ống bởi đối lưu tự nhiên với vận tốc khoảng gần 1m/s, và được tần hồn liên tục trong suốt quá trình bốc hơi. Một vài điểm sôi xuất hiện bên trong hệ thống ống. Thiết bị bốc hơi là hệ thống rẻ tiền, hiệu quả đối với quá trình bốc hơi chất lỏng dính nhớt thấp, như dung dịch đường. Thời gian tiếp xúc khoảng vài phút và công suất thấp khiến hệ thống này không được chấp nhận cho quá trình bốc hơi thực phẩm dạng lỏng và nhạy cảm với nhiệt độ với thể tích lớn.

d.Thiết bị bốc hơi có tuần hồn cưỡng bức

Chất lỏng được tuần hồn nhờ hệ thống bơm ly tâm qua bộ trao đổi nhiệt bên ngồi (hoặc bên trong) với vận tốc cao ( 3–5 m/s), nhiệt được cung cấp qua hơi nước ngưng tụ. Khi áp suất chênh lệch lớn, chất lỏng không sôi bên trong đường ống của hệ thống trao đổi nhiệt, nó sẽ phân riêng nhanh chóng thành lỏng/hơi, và được duy trì trong chế độ chân không. Do đó hệ số trao đổi nhiệt lớn, vận tốc chất lỏng lớn, sự hình thành cặn trong lớp ống bị ngăn chặn. Thời gian tiếp xúc trong vài phút, hiệu quả cao đối với những thực phẩm dạng lỏng bền nhiệt như dung dịch đường.

3. Thiết bị bốc hơi có thời gian lưu ngắn

a) Thiết bị bốc hơi dạng ống dài đặt thẳng đứng

Phần lớn các loại thực phẩm dạng lỏng nhạy cảøm với nhiệt độ, như là các loại nước quả và sữa, được cô đặc trong thiết bị bốc hơi dạng ống dài thẳng đứng với đường kính mỗi ống 25-50mm và chiều cao 4-10m. Thiết bị bốc hơi màng rơi thì được sử dụng rộng rãi hơn các thiết bị bốc hơi màng treo (hình 1). Do độ cao của thiết bị nên chúng thường được đặt ngồi nhà máy. Hình 17 thể hiện sơ lược 2 dạng của thiết bị bốc hơi dạng ống dài thẳng đứng.

- -

Hệ thống màng rơi được sử dụng phổ biến hơn, nguyên nhân bởi hệ số truyền nhiết cao, độ giảm áp suất thấp, và thời gian tiếp xúc ngắn (khoảng vài giây). Chất lỏng nhập liệu đã được nung nóng sơ bộ phải được phân phối đồng đều trên đỉnh của ống, và hỗn hợp lỏng hơi tại đáy

Thiết bị bốc hơi

V/L

được tách ra trong thiết bị ly tâm hoặc thiết bị lọc. Chất lỏng đã được cô đặc được tháo ra với 1 máy bơm thích hợp ( nếu độ nhớt quá cao thì dùng bơm chân không dạng pittông), và hơi bốc ra được ngưng tụ trên bề mặt hoặc trong bình ngưng hỗn hợp, được đi kèm theo bời hệ thống chân không

Hình 17- Sơ đồ thiết bị bốc hơi dạng ống dài thẳng đứng

a)Thiết bi bốc hơi màng rơi

b)Thiết bị bốc hơi màng treo

F, nhập liệu; P, sản phẩm; S, hơi đốt; C, hơi ngưng;

L, chất lỏng; V, hơi bốc; SP, thiết bị ngưng tụ

Thiết bị bốc hơi màng rơi thường dùng để cô đặc nước rau quả (như nước cà chua). Một bơm được sử dụng để hồn lưu 1 phần sản phẩm đã cô đặc để tăng cường sự trao đổi nhiệt và làm giảm sự đóng cáu trên bề mặt thiết bị.

Trái với thiết bị bốc hơi màng rơi, thiết bị bốc hơi màng treo thì không cần có bộ phận phân phối nguồn nhập liệu và sự đóng cáu cũng ít hơn. Tuy nhiên, trong khi hoạt động thì sự giảm áp suất cao hơn, điều này nghĩa là nhiệt độ của chất lỏng tại đáy cao hơn đáng kể so với đỉnh ống; Thời gian tiếp xúc cũng dài hơn. Trong cả 2 dạng thiết bị bốc hơi, do tốc độ bay hơi nhanh nên dòng hỗn hợp lỏng-hơi đi ra khỏi ống có vận tốc lớn ( có thể lên tới 100 m/s).

- -

Thiết bị RFC (rising and falling film evaporator) là 1 dạng kết hợp của 2 loại thiết bị trên đã tận dụng được các thuận lợi của dạng thiết bị chảy màng.(Moore và Hessler, 1963; Moore và Hessler 1968)

Thiết bị bốc hơi

b) Thiết bị bốc hơi dạng bản

Thiết bị bốc hơi dạng bản, sự vận hành giống như thiết bị bốc hơi màng rơi hoặc thiết bị bốc hơi RFC, tương tự nguyên lý hoạt động của hệ thống bốc hơi dạng ống dài. Chúng có ưu điểm là chiều cao (dài) thiết bị thấp hơn nên có thể đặt ngay bên nhà máy. Chúng cũng dễ tháo dời và vệ sinh hơn so với thiết bị dạng ống.

Thiết bị bốc hơi dạng bản gần giống với thiết bị truyền nhiết dạng bản, với thiết kế đặc biệt để có thể vận chuyển chất lỏng nhớt đang sôi cùng với quá trình bốc hơi trong suốt quá trình truyền nhiệt.

c) Thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy

Thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy được sử dụng đối với các loại thực phẩm dạng lỏng có độ nhớt rất lớn và dể đóng cáu, hoặc có nhiều hạt phân tán lơ lửng mà không thể xử lý trong các thiết bị bốc hơi dạng ống hay dạng bản thông thường. Đặc trưng chính của thiết bị dạng này là có 1 Rotor được đặt trong thân của thiết bị (đứng hoặc nằm ngang), nhờ việc khuấy trộn chất lỏng nhớt, làm gia tăng khả năng truyền nhiệt và ngăn cản sự đóng cáu (hình 13). Nhiều loại rotor chống ăn mòn tốt thường được sử dụng như: fixed, scarping, or hinged (Minton,1986). Trong thiết bị đặt đứng, bộ phận tách pha lỏng-hơi và động cơ có thể cùng bố trí tại đỉnh hay tại đáy thiết bị. Thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy thường được dùng kết hợp cùng với thiết bị bốc hơi chảy màng dạng ống khi cần cô đặc tách chất rắn. Bởi sự giới hạn của thiết bị (chỉ có 1 ống cùng với 1 rotor) nên bề mặt bốc hơi của thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy thì có giới hạn, tối đa khoảng 10m2. Ngược lại, thiết bị bốc hơi dạng ống (như thiết bị bốc hơi màng rơi…) có cấu tạo gốm nhiều ống nên làm tăng bề mặt bốc hơi lên lớn hơn nhiều.

Trong thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy dạng đứng, rotor có thể được tháo gỡ bằng máy nâng thủy lực để kiểm tra sửa chữa.

Hệ số truyền nhiệt chung (U) của thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy nói chung cao, phụ thuộc vào tốc độ quay của cánh khuấy và tốc độ nhập liệu. Đối với các sản phẩm có độ nhớt cao, U đạt giá trị lớn trong khoảng 2000-3000 W/m2K. U đạt giá trị 2700-2100 W/m2K khi cô đặc dung dịch đường 10-600 Brix tại 1000 C, (using a pilot-scale agitated film evaporator) sử dụng thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy có thang điều khiển (Marinos- Kouris và Saravacos, 1974).

Thiết bị có bề mặt truyền nhiệt ≤ 1m2, cao 2-3m và chiếm ≤ 0.2m2 diện tích mặt sàn. Chúng có thể vận hành trong một khoảng rộng nhiệt độ với năng suất bay hơi 1-3 tấn hơi nước/h

- -

Thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy có thể sử dụng để kết tinh muối, như NaCl (Dziak và Skoczylas, 1996).

Thiết bị bốc hơi

rotor

Hình 18- Sơ đồ thiết bị bốc hơi chảy màng có cánh khuấy với bộ phận tách pha lỏng khí nằm trên đỉnh.

M, động cơ; F, nhập liệu; P, sản phẩm; S, hơi đốt; C, hơi ngưng; V, hơi bốc

d) Thiết bị bốc hơi chảy màng ly tâm

Hệ số truyền nhiệt của màng chất lỏng được gia tăng trong trường ly tâm, đã gia tăng hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối. Sự chuyển động quay của tâm thiết bị cùng với thời gian tiếp xúc ngắn và hệ số truyền nhiệt cao, thiết bị này có thể dùng để cô đặc các thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm với nhiệt. Hệ số truyền nhiệt cao cùng với sự duy trì của hương vị sản phẩm trong thiết bị bốc hơi chảy màng ly tâm De Laval Centritherm đã được Malkki và Veldstra công bố năm 1967.

Nhiệt trao đổi trên bề mặt bộ phận hoặc mâm quay đồng trục, tương tự như trong máy tách ly tâm. Mâm quay có 2 lớp và hơi đốt ( vd hơi nước) thổi qua bên trong mâm, trong khi đó sản phẩm được phân phôi tại 1 vòi đặt bên ngồi mâm và dâng lên trong suốt quá trình quay. Lớp màng sản phẩm dày khoảng 0,1 mm, thể tích chất lỏng ngưng trệ dưới 1,5L , và thời gian tiếp xúc trong thiết bị dưới 1 giây.

- -

Hệ số truyền nhiệt thay đổi trong khoảng 2000-10000 W/m2K đạt được khi cô đặc Sirô bắp (0-600 Brix, sử dụng mâm quay nằm ngang với tốc độ quay khoảng 200-1000 vòng/phút (Yanniotis và Kolokotsa, 1996). Thiết bị loại này ít sử dụng trong công nghiệp bởi giá thành và chi phí vận hành cao cùng với năng suất bay hơi thấp.

Thiết bị bốc hơi

VIII-HỆ THỐNG THIẾT BỊ BỐC HƠI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG:

Bốc hơi và sấy là những thiết bị tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong quá trình sản xuất thực phẩm. Với việc giá năng lượng ngày càng tăng và việc sản xuất năng lượng đã gây tác động mạnh tới môi trường, các hệ thống tiết kiệm và tận dụng năng lượng đã được phát triển và ứng dụng trong công nghiệp (ERDA,1977). Việc tiết kiệm năng lượng có thể được tiến hành bằng cách cải tiến các thiết bị hiện có, hiện đại hóa (hiệu chỉnh các thiết bị phụ), hoặc chuyên môn hóa (lắp đặt những thiết bị mới tiết kiệm năng lượng).

Năng lượng cho thiết bị bốc hơi thường được cung cấp bằng hơi nước bão hòa, thì được dùng chủ yếu để bốc hơi nước trong nguyên liệu thực phẩm lỏng. Theo lý thuyết, việc bốc hơi 1 kg nước cần hơn 1 kg hơi nước bão hòa, được sử dụng như là chất dẫn nhiệt, vì enthalpy (nhiệt) của quá trình bốc hơi nước sẽ giảm khi áp suất tăng. Ví dụ như việc bốc hơi nước cần 2,26 MJ/kg ở 100oC và áp suất hơi nước bão hòa là 4 bar, năng lượng cần cung cấp để nó ngưng tụ sẽ là 2,13 MJ/kg. Vì vậy, hơi nước tiết kiệm (SE) được trong công đoạn này là SE = 2,13/2,26 = 0,94 kg nước bốc hơi/kg hơi. Trong ví dụ này, chất lỏng được giả định là đi vào và ra thiết bị bốc hơi ở dạng hơi bão hòa (tại nhiệt độ sôi).

Hơi nước tiết kiệm trong thiết bị bốc hơi có thể được tăng lên nhờ vào việc sử dụng các hệ thống tiết kiệm năng lượng khác nhau, như sử dụng hệ thống cô đặc liên tục và hơi nén. Bảng 2 cho thấy lượng hơi nước tiết kiệm được trong các thiết bị bốc hơi công nghiệp (Kessler, 1986; Bouman et al.., 1988; Hartel, 1992; Chen và Heznandez, 1997). Lượng hơi nước tiết kiệm được trong hệ thống bốc hơi liên hồn xấp xỉ SE = 0,85N, với N là số lượng thiết bị có trong hệ thống (Filho et al.,1984).

Bảng 2 . Lượng hơi nước tiết kiệm được trong các thiết bị bốc hơi:

Thiết bị bốc hơi SE, kg nước/kg hơi

Một bộ phận bốc hơi 0,90 – 0,98

Hai bộ phận 1,70 – 2

Ba bộ phận 2,40 – 2,80

Sáu bộ phận 4,6 – 4,9

Máy nén nhiệt, 3 bộ phận bốc hơi 4 – 8

Máy nén hơi 10 – 30

1. Thiết bị bay hơi liên tục:

- -

Hệ thống thiết bị bay hơi liên tục (ME) dựa trên việc sử dụng lại hơi nước từ một thiết bị bốc hơi để truyền nhiệt trong thiết bị tiếp theo làm việc ở áp suất thấp hơn. Vì vậy 1 kg hơi có thể làm bốc hơi nước nhiều hơn, tùy vào số lượng thiết bị và áp suất hoạt động.

Thiết bị bốc hơi

Việc xem xét đến nhiệt động dẫn đến nhu cầu cần làm giảm áp suất (và cả nhiệt độ) từ thiết bị này đến thiết bị tiếp theo. Đối với các thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm nhiệt, nhiệt độ ở thiết bị đầu tiên không nên cao quá 100oC, trong khi ở thiết bị cuối cùng, nhiệt độ không nên thấp hơn 40oC, để dùng nước làm lạnh hơi cuối ở nhiệt độ môi trường trong bình ngưng tụ. Giả định rằng sự khác biệt nhiệt độ giữa các thiết bị là 10oC, số thiết bị tối đa trong hệ thống bốc hơi thực phẩm nên khoảng N = 60/10 = 6.

Hình 19 biểu diễn sơ đồ hệ thống 3 thiết bị bốc hơi liên tiếp với công đoạn nhập liệu trực tiếp. Thiết bị bốc hơi nhập liệu trực tiếp được ưu tiên sử dụng vì nguyên liệu (có nồng độ và độ nhớt thấp) được bốc hơi một cách hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao, mà không có sự tắc nghẽn. Trong trường hợp đặc biệt, việc hồn lưu nguyên liệu và cho chảy đồng thời qua các thiết bị bốc hơi liên tục có thể có lợi hơn so với hệ thống nhập liệu trực tiếp. Hệ thống có hồn lưu nguyên liệu yêu cầu phải có bơm để vận chuyển chất lỏng từ thiết bị cuối lên thiết bị đầu tiên, làm tăng áp suất trở lại như ban đầu.

Hình 19- Sơ đồ hệ thống bốc hơi gồm 3 giai đoạn, nhập liệu trực tiếp.

F nguyên liệu. L chất lỏng. V hơi. P sản phẩm. S hơi nước đưa vào lúc ban đầu. C thiết bị ngưng tụ.

Hơi được tiết kiệm trong hệ thống ME thì nhiều hơn so với 1 thiết bị nhưng ít hơn N thiết bị:

SE = ∑mvi/ms (i = 1,N)

- -

Trong đó ms là lượng hơi tiêu tốn (kg/s) và mvi là tốc độ bốc hơi (kg/s) của thiết bị thứ i. Chỉ số SE được dự đốn dựa vào nguyên liệu và năng lượng tiêu thụ ở mỗi thiết bị và trong tồn bộ hệ thống. Nhiệt độ sôi (và áp suất) trong thiết bị cuối cùng của 1 hệ thống ME giới hạn không chỉ dựa vào việc xem xét nhiệt độ của nước lạnh trong thiết bị ngưng tụ mà còn dựa vào độ nhớt cao của thực phẩm lỏng đã qua cô đặc. Độ nhớt của chất lỏng cao (độ nhớt tăng mạnh

Thiết bị bốc hơi

khi khi nhiệt độ hạ) có nghĩa là nguy cơ tắc nghẽn cao và hệ số truyền nhiệt thấp hơn, do đó các quá trình sẽ trở nên tốn kém hơn.

Phương trình rút gọn cho hệ thống gồm 3 thiết bị bốc hơi được ghi trong ví dụ 1.

Độ tăng điểm sôi (BPE) gây ảnh hưởng xấu đến sự hoạt động của hệ thống bốc hơi liên tục ME. Trong trường hợp đó, hơi đi ra khỏi thiết bị tách lỏng/hơi sẽ bị quá nhiệt bởi độ tăng điểm sôi BPE, nhưng chúng sẽ bị ngưng tụ ở bộ phận tản nhiệt của thiết bị tiếp theo tại nhiệt độ bão hòa, làm mất đi sự quá nhiệt BPE khi lực phát động có sẵn (ΔT).

Đối với hầu hết các loại thực phẩm dạng lỏng, BPE thường nhỏ (khoảng 1oC) và có thể bỏ qua, ngoại trừ các dung dịch đường có nồng độ cao và nước ép trái cây.

Trong một vài hệ thống cô đặc thực phẩm, có nhiều hơn 1 nồi bốc hơi được dùng trong thiết bị cuối cùng để đạt hiệu quả kinh tế hơn. Hơi đi từ thiết bị trước sẽ được chia thành 2 hay nhiều dòng, và chúng được dùng để cung cấp nhiệt cho 2 hay nhiều bậc trao đổi nhiệt, hoạt động ở cùng một áp suất trong thiết bị cô đặc cuối cùng. Mỗi bậc trao đổi nhiệt được cung cấp nguyên liệu lỏng đã được cô đặc từ thiết bị trước.

Hình 19- Hệ thống thiết bị cô đặc gồm 2 giai đoạn, 3 bậc.

Trong thiết bị cô đặc các dung dịch phi thực phẩm có chứa nước (ví dụ như nước muối khử), số lượng thiết bị có trong hệ thống ME có thể nhiều hơn so với thiết bị cô đặc thực phẩm, bởi vì có thể dùng nhiệt độ cao hơn ở thiết bị đầu tiên, và sự khác biệt nhiệt độ (ΔT) giữa các thiết bị có thể nhỏ hơn so với thực phẩm. Thông thường thì mỗi hệ thống ME có 8 – 12 thiết bị cô đặc là tốt nhất, đạt hiệu quả cao trong việc giảm giá thành thiết bị. Trong hầu hết các quá trình khử muối từ thực vật, hệ thống cô đặc nhanh nhiều tầng thường có nhiều giai đoạn (25 – 50) và sự chênh lệch nhiệt độ giữa mỗi giai đoạn thấp.

- -

2. Thiết bị cô đặc nén hơi:

Thiết bị bốc hơi

Việc tiết kiệm hơi nước trong hệ thống ME có thể được nhiều hơn nhờ thiết bị cô đặc nén hơi, đó là những thiết bị mà hơi từ một thiết bị cô đặc được nén lại và được tái sử dụng như là một chất dẫn nhiệt. Việc nén hơi có thể đạt được bằng cách nén nhiệt động hoặc nén cơ học (hình 20). Hệ thống nén nhiệt động dùng 1 bơm với hơi nước cóù áp suất cao nhằm làm tăng áp suất và nhiệt độ của hơi nước và dùng hỗn hợp nén làm chất dẫn nhiệt. Hoạt động của bơm hơi nước được miêu tả ngắn gọn trong phụ lục D.

Hình 20- Thiết bị cô đặc nén hơi. (a) nén nhiệt động; (b) nén cơ học.

Cân bằng vật chất của hệ thống chỉ ra rằng phần hơi nước phải được di chuyển tới thiết bị ngưng tụ để đạt được trạng thái cân bằng. Thiết bị nén nhiệt chỉ được dùng khi có thể tạo ra dòng hơi nước có áp suất cao với chi phí thấp. SE có thể đạt được từ 4 – 8 lần, cao hơn các thiết bị cô đặc thực phẩm điển hình.

Thiết bị cô đặc nén hơi cơ học (MVR) được dùng phổ biến hơn hệ thống nén nhiệt động, bởi vì SE của chúng cao hơn (gấp 10 lần) và chi phí hoạt động thấp hơn, nhất là tiết kiệm được điện năng.

Hơi được nén bằng máy và được dùng làm chất dẫn nhiệt trong các thiết bị cô đặc. Một lượng nhỏ hơi nước gia nhiệt được thêm vào hệ thống để kết hợp với phần ngưng tụ trong quá trình nén hơi nước. Bảng số liệu về tỷ lệ và chi phí của cả hệ thống nén nhiệt động và MVR đã được ghi lại bởi Minton (1986).

- -

Máy nén ly tâm được dùng để nén hơi nước với tỷ số nén là 1,4 – 2, làm tăng độ chênh nhiệt độ lên 5 – 20oC. Quá trình hoạt động sẽ tiết kiệm hơn so tuốc bin cánh quạt, với tỷ số nén thấp hơn thường chỉ 1,2 và độ chênh nhiệt độ cũng chỉ vào khoảng 5oC. ΔT thấp có thể ứng dụng trong thiết bị bốc hơi chảy màng xuôi xuống mà không làm tăng nhiệt độ điểm sôi cũng như độ chênh áp suất trong tuốc bin.

Thiết bị bốc hơi

Phối hợp ME và hệ thống nén hơi, điều này làm tăng SE và tiết kiệm hơn, thường được dùng trong cô đặc các thực phẩm dạng lỏng. Hình 21 biểu diễn sự kết hợp của hệ thống cô đặc 3 giai đoạn với 1 máy nén hơi cơ học. Hơi được nén ở thiết bị cuối cùng để cung cấp nhiệt cho thiết bị đầu tiên.

Hình 21- sự kết hợp giữa 1 máy cô đặc 3 giai đoạn và 1 thiết bị MVR.

Thông số kỹ thuật của các máy cô đặc các sản phẩm nước cà chua được thể hiện ở bảng 3. Thiết bị bốc hơi chảy màng xuôi xuống nhiều tầng (2 hay 3) được cung cấp bởi 3 nhà sản xuất khác nhau. Thiết bị bốc hơi I và III tương tự nhau, chất lỏng chảy tự do dưới lực trọng trường trên màng mỏng, từ cùng 1 nhà sản xuất. Thiết bị II, IV và V tương tự nhau, chất lỏng chảy cưỡng bức trên màng mỏng, có chung nhà sản xuất. Thiết bị VI chứa 1 nồi cô đặc có chất lỏng chảy tự do (bậc thứ nhất) và một nồi cô đặc có chất lỏng chảy cưỡng bức (bậc thứ hai), được sản xuất bởi nhà sản xuất thứ 3.

- -

Theo như bảng 3, để sản phẩm đạt được cùng một nồng độ sau khi cô đặc, một thiết bị gồm giai đoạn bốc hơi yêu cầu ít hơn 30% so với thiết bị có 2 giai đoạn. Hơn nữa, so với thiết bị chỉ có 2 giai đoạn bốc hơi, thì thiết bị có 3 giai đoạn sử dụng ít nước hơn khoảng 35%, nhưng yêu cầu điện năng nhiều hơn 20 – 40%. Cả hai thiết bị đều đòi hỏi không gian mặt đất như nhau, 50 – 70m2 và 11 – 12m chiều cao. Kích thước là một phần của thể tích của 1 thiết bị. Nếu thể tích của một thiết bị cô đặc đã biết trước tăng gấp 3 thì yêu cầu về không gian chứa phải tăng khoảng 40%. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, yêu cầu về nước lạnh và điện năng giảm xuống 40%. Khi một thiết bị bốc hơi có bơm tuần hồn được thêm vào hệ thống cô đặc, sự tiêu thụ nước lạnh sẽ giảm khi hơi nước được sử dụng tốt hơn, nhưng cần nhiều năng lượng cho bơm.

Thiết bị bốc hơi

Bảng 3: Các chỉ số kỹ thuật của thiết bị bốc hơi cà chua thương mại

Thiết bị bốc hơi II

Kiểu thiết bị bốc hơi Thiết bị bốc hơi I 2 nồi 2 nồi Thiết bị bốc hơi III 3 nồi Thiết bị bốc hơi VI 3 nồi Thiết bị bốc hơi V 3 nồi Thiết bị bốc hơi VI 2 nồi, chảy xuôi/ chảy tuần hồn

40 72 72 118 96

Diện tích truyền nhiệt, m2

Chiều cao, m 11 12 11 11 19 15

11 11 11 11 33 34 Sự bốc hơi nước, tấn/h

14 14 14 14 34

Cà chua nguyên liệu,tấn/h

2.6 2.4 2.4 7.4 Cà chua cô đặc 30o Brix, tấn/h

4 5.6 3.8 4 14 Hơi nước tiêu thụ, tấn/h

80 380 80 250 750 100 Nước làm lạnh, m3/h

- -

110 50 10 78 118 130 Năng lượng tiêu thụ, kW

Thiết bị bốc hơi

3. Thiết bị cô đặc có bơm nhiệt:

Thiết bị cô đặc có bơm nhiệt là một hệ thống có kích thước tương đối nhỏ, dùng bơm nhiệt để cô đặc chất lỏng và hệ thống làm lạnh để ngưng tụ hơi nước. Hệ thống hoạt động ở nhiệt độ cô đặc thấp và nó thuận lợi cho việc cô đặc các thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm với nhiệt. Tuy nhiên, ứng dụng trong công nghiệp của hệ thống này là khá giới hạn, như trong trường hợp thiết bị sấy có bơm nhiệt, bởi vì nó có buồng cô đặc nhỏ và chi phí hoat động cao.

4. Phối hợp thẩm thấu ngược/cô đặc:

Việc loại bỏ nước hồn tồn từ thực phẩm lỏng bằng công nghệ màng membrane (chủ yếu là thẩm thấu ngược) sau khi cô đặc bằng sự bay hơi màng sẽ là một hệ thống cô đặc có hiệu quả kinh tế cao, đạt chất lượng cao đối với các dung dịch nhạy cảm với nhiệt. Hiệu quả kinh tế và khả năng hoạt động của hệ thống có thể được kiểm tra một cách chi tiết đối với mỗi loại thực phẩm (Moresi, 1988).

5. Sự khử muối từ nước

Bốc hơi là phương pháp chính để khử muối từ nước sau quá trình thẩm thấu ngược. Thiết bị bốc hơi liên tục ME (thường là thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi) với 1 lượng lớn nồi cô đặc với kích cỡ trung bình được dùng để khử muối từ nước lợ và cả nước biển. Người ta dùng các ống nhỏ hơn (làm từ kim loại dẫn nhiệt thay vì ống làm bằng thép không rỉ trong thiết bị bốc hơi thực phẩm) và nhiệt độ cao hơn để đạt được hệ số dẫn nhiệt tổng rất cao, chẳng hạn bằng 8 000 W/m2 K. Bên cạnh đó người ta sử dụng thiết bị bốc hơi nén hơi nhỏ hơn tiết kiệm được 1 lượng lớn năng lượng và xử lý trước bề mặt thiết bị bốc hơi nhằm ngăn chặn quá trình đóng cặn.

Để đạt được lưu lượng lớn, người ta dùng hệ thống thiết bị bốc hơi nhanh nhiều tầng MSF. Hệ thống này gồm 1 loạt các thiết bị truyền nhiệt (20-40) có tác dụng làm nóng sơ bộ nước vào bằng hơi ngưng tụ của dòng nước vào nhanh. Hai dòng chảy này có độ chênh nhiệt độ nhỏ khoảng 2-3oC và cho khoảng 20 000 m3 nước đã được khử muối 1 ngày với chi phí thấp nhất.

6. Thiết bị bốc hơi tận dụng nhiệt thải

Khi ứng dụng thiết bị bốc hơi ở quy mô rộng như tinh chế đường và khử muối trong nước ta dùng hơi nước thải từ các nhà máy phát điện (hệ thống phát điện đôi) để tiết kiệm được nguồn nhiệt. Hơi nước áp suất cao dùng để phát điện năng mong muốn và hơi nước ở áp suất thấp (khoảng 2 bar) bơm bằng turbine hơi nước có thể tận dụng như là 1 chất mang nhiệt trong thiết bị bốc hơi liên tục ME hoặc MSF.

Hơi nóng thốt từ các loại thiết bị như máy sấy không khí cũng có thể được tận dụng để làm chất mang nhiệt cho thiết bị bốc hơi. Những hệ thống như vậy có thể được ứng dụng trong quá trình chế biến vật liệu thải bỏ từ trái cam (vỏ và thịt quả) mà thường được dehydrate bằng máy sấy tuần hồn khí đốt. Hơi nóng thốt ra có thể làm nóng thiết bị bốc hơi, từ đó cô đặc dịch thải từ quả cam (Filho et al. 1984).

- -

Chất thải giàu năng lượng từ các nhà máy chế biến thực phẩm có thể tận dụng tạo hơi nước cho quá trình bốc hơi. Ví dụ, trong chế biến đường mía, hơi nước dùng cho thiết bị bốc hơi tạo từ quá trình đốt bã mía.

Thiết bị bốc hơi

X .THIẾT KẾ THIẾT BỊ BỐC HƠI:

I. Lựa chọn thiết bị bốc hơi : Trong quá trình chọn 1 thiết bị bốc hơi phù hợp nhất với năng suất mong muốn, ta cần xem xét các yếu tố sau đây:

1) Thiết bị có hệ số truyền nhiệt chung cao nhất là thiết bị bốc hơi dạng chảy màng. Hệ số truyền nhiệt càng cao thì diện tích bề mặt truyền nhiết càng nhỏ, từ đó chi phí đầu tư giảm, chính bởi vậy nên trong mọi trường hợp, thiết bị bốc hơi dạng chảy màng luôn được xem xét đầu tiên.

Trong khi bất lợi duy nhất của thiết bị bốc hơi chảy màng là dễ bám cáu trên bề mặt truyền nhiệt, khi năng suất bay hơi trung bình thì bù vào cho sự không thuận lợi này chính là chi phí thấp của nó, còn khi năng suất lớn thì vấn đề này đặc biệt phức tạp. Một thí dụ điển hình là thiết bị thùng quay.Dung dịch mà gây ra điều đó trong quá trình sản xuất tơ sợi và cellulose thì chứa các thành phần chính như H2SO4, Na2SO4, và các chất khác như Zn2SO4 cùng với nước. Quá trình tích tụ diễn ra trong khoảng 1 tuần, sau đó thì thiết bị sẽ được xử lý.

Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm từ có nguồn gốc từ thiên nhiên thì đều mẫn cảm với nhiệt độ, trong trường hợp đó các thiết bị thường được vệ sinh ít nhất 1 lần 1 ngày vì yêu cầu vệ sinh thực phẩm. Trong lĩnh vực hố chất thì một thiết bị bốc hơi có thể hoạt động liên tục trong 1 tuần hoặc có 1 vài trường hợp liên tục trong nhiều tháng.

2) Khi năng suất bốc hơi lên đến khoảng 60000 Lbs/h tính theo lượng nước bốc hơi, thì có thể dùng cả thiết bị dạng bản mỏng hoặc thiết bị dạng ống. Chi phí đầu tư có có thể tăng giảm và có thể giảm bớt yêu cầu diện tích nhà xưởng, cùng với chi phí thấp của việc thiết lập các thiết bị bản mỏng được ép chặt với nhau đã khiến chúng thực sự đáng quan tâm. Khi năng suất bốc hơi cao hơn 60000 Lbs/h thì sự lựa chọn là giữa các thiết bị dạng ống. Một mô hình phù hợp thì có thể đem lại nhiều hiệu quả.

3) Trong nhiều trường hợp, sự lựa chọn thiết bị bốc hơi được quyết định bởi cấu trúc của vật liệu cần dùng. Ví dụ như trong trường hợp cô đặc acid sulfuric, có thể cô đặc lên đến nồng độ 50%, bề mặt truyền nhiệt bình thường có thể dùng bằng graphite. Khi đó thì yêu cầu sử dụng của thiết bị dạng ống sẽ khác so với thiết bị dạng bản mỏng. Với nhiệt độ bay hơi và điều kiện cô đặc phù hợp, Incoloy và Hastelloy đã có thể sử dụng cả thiết bị dạng ống hoặc thiết bị bản mỏng, nhưng giá thành sẽ đắt hơn dùng bằng thiết bị vật liệu là graphite. Các thiết bị phân riêng và đường ống có thể dùng bằng nhựa phenolic hoặc bằng cao su tráng thép cacbon. Sự cô đặc acid sulfuric tới nồng độ trong khoảng 50-72% vẫn có thể sử dụng bề mặt truyền nhiệt bằng graphite một cách bình thường khi nhiệt độ hoạt động duy trì dưới 230-2400F, nhưng đường ống và các bình chứa thì được dát bằng thép, tantiron, hoặc chì đúc. Vì lý do cấu trúc nên chùm ống bằng graphite được sắp xếp trong thiết bị màng rơi và thiết bị có tuần hồn với thiết bị tách lỏng-hơi đặt bên trên.

- -

4) Thường dùng nhiều hơn một thiết bị bốc hơi trong khi cô đặc 1 sản phẩm. Ví dụ là thường có 1 thiết bị bốc hơi chính đi theo thiết bị hồn thiện. Thiết bị chính này được dùng để làm bay hơi phần lớn lượng nước hoặc dung môi bay hơi tới điểm mà chất lỏng cô đặc được đưa tới nồng độ giới hạn. Đối với các dung dịch quá bão hồ sẽ diễn ra sự kết tinh. Thiết bị cô đặc kết tinh có tuần hồn cưỡng bức thường được dùng trong giai đoạn cuối cùng của hệ thống bốc hơi.

Thiết bị bốc hơi

Xem xét ví dụ cô đặc dung dịch từ nồng độ 4% lên đến 60% chất khô, hệ số cô đặc là 15:1. Tại nồng độ 40% chất khô, thì độ nhớt là quá cao đối với thiết bị bốc hơi dạng chảy màng và sản phẩm sẽ được cô đặc trong thiết bị Paravap hoặc thiết bị chảy màng đã được lau chùi. Tuy nhiên, sự cô đặc từ nồng độ 4% đến 40% chất khô, hay hệ số cô đặc là 10:1, 90% nhập liệu đã được cô đặc trong thiết bị cô đặc đầu tiên. Và thiết bị cô đặc hồn thiện chỉ còn cô đặc dung dịch từ nồng độ 40% đến 60% chất khô, hay là hệ số cô đặc là 1,5:1. Điều này có nghĩa là 96,43% nhập liệu đã được cô đặc trong hệ thống cô đặc hoặc trong thiết bị bốc hơi nén hơi (mechanical vapor recompression bulk evaporator) với hiệu quả dùng nhiệt cao và đạt được hệ số truyền nhiệt cao. Chỉ có khoảng 3,57% năng suất bị hạn chế bởi 1 thiết bị cô đặc điều khiển giai đoạn khó khăn nhất trong quá trình cô đặc.

5) Khi cần cô đặc kết tinh, thì tại thiết bị mà xảy ra quá trình kết tinh thì luôn luôn dùng thiết bị bốc hơi có tuần hồn cưỡng bức, và trong đa số các trường hợp thì đó là thiết bị dạng ống. Tuy nhiên, khi vấn đề không phải nằm trong quá trình kết tinh, mà là từ sự chia tỷ lệ của bề mặt truyền nhiệt chung, thì thiết bị paraflash đạt hiệu quả hơn. Như hình 16, hệ số hồi lưu trong thiết bị bản mỏng thì thấp hơn trong thiết bị dạng ống, do đó đòi hỏi công suất thấp hơn.

- -

Bảng so sánh sự hồi lưu trong thiết bị dạng bản và thiết bị dạng ống Các đặc tính của dung dịch: Tỉ trọng: Nhiệt dung riêng Độ dẫn điện Độ nhớt 1,35 0,62 0,26 BTU 100 cp

Thiết bị bốc hơi

- -

II. Lựa chọn vật liệu: Hai tham số ảnh hưởng đến việc lựu chọn vật liệu là sự ăn mòn và vệ sinh. Tất cả các thiết bị bốc hơi phải bảo đảm vệ sinh. Hầu hết thiết bị sẽ được rửa bằng nước, sau đó là với dung dịch kiềm hoặc acid ,sau cùng ta sẽ rửa với nước.ví dụ trong sản xuất sữa và thịt ,thiết bị bốc hơi phải hồn tồn sạch các kết tủa hay vết bẩn tích tụ lại. Hầu hết các thiếùt bị bốc hơi làm sạch được chế tạo bởi thép không gỉ 304 hay 316. Tính chống ăn mòn là một điều cần chú ý khi lựa chọn vật liệu vì hầu hết các thiết bị hóa chất làm việc trong môi trường ăn mòn. Vì vậy chọn vật liệu bền đối môi trường ăn mòn không những để đảm bảo tuổi thọ máy mà còn đảm bảo độ tinh khiết cho sản phẩm. Thép không gỉ phù hợp cho giai đoạn đầu của quá trình bốc hơi, còn các giai đoạn sau đó ta phải sử dụng các vật liệu có tính chống ăn mòn cao hơn. Sự ăn mòn cũng là một vấn đề cần được xem xét khi ta chọn vật liệu đệm. Đây là một vấn đề quan trọng đối với thiết bị bốc hơi dạng bản mỏng với những đệm bít có tính đàn hồi.nhiều dung dịch như được clo hóa và họp chất thơm sẽ phá hủy chỗ đệm, hay các dung dịch khác chứa acid nitric có trong các chất làm sạch.vì vậy nên lồi trừ acid nitric khỏi các chất làm sạch.

Thiết bị bốc hơi

Các loại vật liệu điển hình dùng trong một số thiết bị bốc hơi

Sản phẩm Sản phẩm sữa và thực phẩm Nước ép trái cây Đường Sản phẩm chứa nồng độ muối cao Sođa kiềm (<40%) Xút đậm đặc Acid HCl

Vật liệu chế tạo Thép không gỉ 304/316 Thép không gỉ 316 Thép carbon 304/ 316 Titan, thép hợp kim, thép không gỉ kép Thép carbon khử ứng suất Nickel Graphite hay cao su phủ thép carbon

3-Các thành phần của thiết bị bốc hơi

Những thành phần chính của thiết bị bốc hơi gồm thiết bị nung sơ bộ, thân thiết bị bốc hơi và thiết bị tách lỏng/hơi. Các thiết bị phụ gồm thiết bị ngưng tụ, hệ thống chân không, máy bơm, ống dẫn và hệ thống điều khiển quá trình. Thiết bị nung sơ bộ là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống hoặc là thiết bị truyền nhiệt dạng bản.

3.1.Thân thiết bị bốc hơi

Trong chế biến thực phẩm người ta chủ yếu sử dụng 2 loại thân thiết bị bốc hơi ở thiết bị bốc hơi dạng ống đứng(long-tube vertical evaporator) và thiết bị bốc hơi dạng bản.

- -

3.1.1.Thiết bị bốc hơi dạng ống đứng

Thiết bị bốc hơi

Thiết bị bốc hơi dạng ống đứng gồm những ống dài, thường có chiều đường kính 50 mm và dài 6-12 m cho quá trình 1 lần hoặc có chiều dài từ 4-7 m cho quá trình tuần hồn. Các ống đứng (50-500) được gắn thành 1 chùm ống (được dùng trong thiết bị vỏ áo hơi nước) tạo được 1 diện tích truyền nhiệt lớn khoảng 100-200 m2.

Các loại ống dẫn thường làm từ thép không rỉ (304 hoặc 316), tốt nhất là đánh bóng làm sạch để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh. Các ống dẫn được nối bằng các giãn nở cơ học, thường dùng trong cách bố trí tam giác để được thêm được diện tích bề mặt đối với đường kính vỏ cho sẵn (APV, 1987).

Thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi (falling film evaporator) là hệ thống trong đó quá trình chất lỏng bay hơi song song với quá trình chảy trong ống. Người ta sử dụng chúng rộng rãi trong quá trình bốc hơi thực phẩm dạng lỏng nhạy cảm nhiệt bởi khả năng truyền nhiệt tốt và dễ dàng lắp đặt chế tạo. Chúng hầu như hoạt động giống như là những thiết bị 1 lần vì thời gian chất lỏng giữ lại ngắn khoảng vài giây. Tuy nhiên sự tuần hồn cục bộ chất lỏng sẽ là đáng mong muốn trong việc giữ lớp mỏng của chất lỏng trong các ống hoặc bản bốc hơi, khi mà ở nồi cuối của thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi lượng chất lỏng cô đặc bị giảm đến 1 khoảng mà lớp màng chất lỏng bị chia cắt làm tăng khả năng tắc nghẽn. Sự tuần hồn trong thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi có lợi vì làm tăng hệ số truyền nhiệt nhưng làm tăng thời gian lưu của chất lỏng (vài phút) và chi phí năng lượng cho đường ống.

- -

Thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi đòi hỏi phải có sự phân phối đặc biệt chất lỏng vào đầu các ống, tức đảm bảo phân phối đều vào tất cả các ống, ngăn ngừa sự hình thành các “điểm nóng” và sự tắc nghẽn ở bề mặt bên trong của các ống dẫn. Người ta thường sử dụng 2 kiểu: kiểu máng xối (hệ thống tĩnh) và kiểu vòi phun hình nón (hệ thống động) (Minton, 1986). Phân phối chất lỏng kiểu vòi phun cũng được sử dụng trong thiết bị bốc hơi màng chảy xuôi dạng bản.

Thiết bị bốc hơi

Trong thiết kế cơ học của thiết bị bốc hơi dạng ống đứng cần xem xét độ bền của các ống đứng trong những điều kiện bất lợi như giãn nởõ nhiệt, ảnh hưởng của chân không, các rung động cơ học trong suốt quá trình hoạt động. Hệ thống bốc hơi nên làm cho phù hợp với các điều luật về chế tạo và kiểm tra của các hiệp hội kỹ sư và các cơ quan quốc gia.

3.1.2.Thiết bị bốc hơi dạng bản

Thiết bị bốc hơi dạng bản bao gồm chất lỏng thay đổi luân phiên và các bản hơi nước, được gắn lại theo cách tương tự như thiết bị truyền nhiệt dạng bản. Điểm khác biệt chính giữa 2 hệ thống này là trong thiết bị bốc hơi dạng bản chất dẫn nhiệt là hơi nước bão hòa, trong khi đó người ta sử dụng nước nóng hoặc hơi nóng để làm nóng thiết bị truyền nhiệt dạng bản. Hơn nữa, thiết bị bốc hơi dạng bản được thiết kế nhằm điều chỉnh lớp chất lỏng màng chảy xuôi xuống và hơi bốc hơi sinh ra trong quá trình bốc hơi để rồi được tách ra riêng biệt bằng thiết bị tách lỏng/hơi.

Ta có 2 kiểu thiết bị bốc hơi dạng bản chính: hệ thống chảy ngược/chảy xuôi và hệ thống chảy xuôi. Thêm vào đó, người ta còn sử dụng 2 kiểu thiết bị bốc hơi dạng bản đặc biệt cho sản phẩm thực phẩm có độ nhớt cao: paraflow và paraflash. Thiết bị bốc hơi dạng bản thông thường gồm các thiết bị chảy ngược/chảy xuôi 1 lần với thời gian giữ lại ngắn (vài giây) và lưu lượng lên tới 15 000 kg/h. Thiết bị bớc hơi dạng bản chảy xuôi cho hệ số truyền nhiệt lớn hơn, thời gian giữ lại ngắn hơn và lưu lượng lớn hơn (đạt tới 30 000 kg/h) nhưng đòi hỏi phải có sự phân phối chất lỏng đặc biệt nhằm đạt được hiệu quả tối ưu.

Thiết bị bốc hơi dạng bản dùng chất đệm đàn hồi đặc biệt (cao su nitrile-butadiene hoặc isobutylene-isoprene) để chịu đựng nhiệt độ hơi nước lên tới 120oC (2 bar) và chống lại tác dụng chân không với nhiệt độ sôi 40-95 oC.

3.2.Thiết bị tách lỏng/hơi

- -

Hỗn hợp lỏng/hơi từ thân thiết bị bốc hơi phải được tách 1 cách có hiệu quả thành chất lỏng cô đặc và hơi, sau đó sẽ dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ. Hơi có thể được giữ 1 lượng lớn sản phẩm ởù dạng bọt hoặc những giọt nhỏ do việc chất lỏng văng bắn ra, tạo bọt hoặc bị lôi cuốn. Sự lôi cuốn gây nên bởi hơi dẫn di chuyển với vận tốc cao do sự bốc hơi mãnh liệt. Sự 48

Thiết bị bốc hơi

tạo bọt là do có sự tác động của các tác nhân hoạt động bề mặt trong thực phẩm dạng lỏng và do không khí rò rỉ vào trong thiết bị bốc hơi. Vì vậy nếu ta sử dụng những loại thiết bị tách lỏng/khí được thiết kế đặc biệt hay dùng các hợp chất chống bọt thì sẽ kiểm sốt được hiện tượng tạo bọt. Sự mất mát sản phẩm vào trong hơi và chất ngưng tụ gây ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và giải quyết các vấn đề liên quan đến môi trường trong việc khử chúng ra khỏi chất ngưng tụ.

Có 2 kiểu thiết bị tách lỏng/hơi được sử dụng trong công nghiệp: thiết bị tách ly tâm và thiết bị tách vách ngăn (H. 22). Bên cạnh đó người ta còn sử dụng thiết bị tách bằng lực trọng trường như trong trường hợp sử dụng các loại bồn lớn trong đó vận tốc bay hơi giảm mạnh (Hahn, 1986).

Hình 22: Thiết bị tách hơi/lỏng (V/L). a) ly tâm. b) vách ngăn.

Vận tốc hơi đi vào trong thiết bị tách kiểu ly tâm nên thấp hơn 100 m/s. Hơi đi vào theo phương tiếp tuyến với thành thiết bị tách và di chuyển theo hình trôn ốc; khi đó các giọt chất lỏng nhỏ lẫn trong hỗn hợp lỏng/khí sẽ văng vào thành thiết bị. Kích cỡ của thiết bị tách kiểu ly tâm tương tự như thiết bị cơ học cyclone. Máy tách lớn hơn sử dụng trong trường hợp có tác động của chân không như trong nồi cuối của hệ thống bốc hơi liên tục ME. Thiết bị tách lỏng/hơi kiểu vách ngăn dựa trên việc thay đổi hướng di chuyển của dòng hơi nhờ vào các tấm ngăn dạng bản. Các giọt lỏng nhỏ được giữ lại trên các tấm ngăn, kết hợp lại thành giọt lỏng và chảy xuống phía dưới dưới tác dụng của lực trọng trường.

3.3.Thiết bị ngưng tụ

Trước tiên hơi sinh ra trong suốt quá trình bốc hơi được dùng như là chất dẫn nhiệt trong thiết bị bốc hơi liên tục ME hay trong hệ thống nén hơi. Một ít hơi có thể được sử dụng để nung nguyên lệu cho thiết bị bốc hơi. Phần hơi còn lai sẽ được ngưng tụ theo 2 cách khác nhau tương tự với 2 kiểu thiết bị ngưng tụ: thiết bị ngưng tụ bề mặt và thiết bị ngưng tụ hỗn hợp.

- -

Thiết bị ngưng tụ là 1 phần của hệ thống duy trì chân không, vì chúng loại bỏ hơi nước có tác dụng làm tăng áp suất trong quá trình bốc hơi. Ta phải dùng những ống dẫn hơi có đường kính lớn giữa thiết bị bốc hơi/tách và thiết bị ngưng tụ,ï để giảm độ chênh áp suất, vì vận tốc hơi cao dưới tác động của chân không.

Thiết bị bốc hơi

Thiết bị ngưng tụ bề mặt thực chất là thiết bị truyền nhiệt vỏ ống, làm lạnh bằng nước lạnh và chất ngưng tụ chảy thành dòng riêng biệt để thu nhận, tránh được việc ảnh hưởng đến môi trường. Chất ngưng tụ cũng có thể được dùng để phục hồi các cấu tử hương trong tháp chưng cất.

V/A

Trong thiết bị ngưng tụ hỗn hợp, hơi được ngưng tụ bằng cách tiếp xúc trực tiếp với nước làm lạnh rồi cả hỗn hợp được thải bỏ ra bên ngồi. Dưới tác dụng của chân không hỗn hợp chất ngưng tụ và nước tách ra từ hệ thống bằng bơm ly tâm hoặc thiết bị ngưng tụ baromet (H. 23).

Hình 23: Thiết bị ngưng tụ baromet và hệ thống chân không bơm phun hơi nước.

V—hơi, A— khí, CW— nước lạnh, SE — bơm phun hơi nước, S — hơi nước ở áp suất cao.

Thiết bị ngưng tụ baromet phải đặt cao ít nhất 10.5 m, khi đó cột nước tương ứng với áp suất không khí (1.03 bar). Aùp suất giảm trong thiết bị bốc hơi sẽ mất đi nhờ sự ngưng tụ hơi và dưới tác động phụ trợ của bơm chân không.

3.4.Hệ thống chân không

Hệ thống duy trì chân không cần thiết trong việc tránh sự rò rỉ khí và loại bỏ hơi không ngưng tụ được tồn tại trong nguyên liệu thực phẩm dạng lỏng. Hai hệ thống chân không chính dùng trong thiết bị bốc hơi thực phẩm là bơm phun hơi nước và bơm chân không vòng lỏng, được nối trực tiếp với thiết bị ngưng tụ (H. 23).

- -

Bơm phun hơi nước loại bỏ hơi chưa ngưng tụ được bằng hơi nước lôi cuốn ở áp suất cao, chảy dưới tốc độ cao trong máy bơm phun được thiết kế đặc biệt. Từ 2 máy bơm phun trở lên

Thiết bị bốc hơi

gắn liên tiếp (áp suất hơi nước khoảng 7 bar) tạo nên độ chân không cao (giảm xuống đến 1 mbar hoặc thấp hơn).

Bơm chân không vòng lỏng là bơm ly tâm với 1 vòng lỏng có tác dụng bịt kín buồng rotor và bơm khí cũng như hơi không thể ngưng tụ ra bên ngồi. Thiết bị bốc hơi có độ chân không cao có thể cần đến hệ thống bơm 2 giai đoạn (Bhatia and Cheremisinoff, 1981). Đối với thiết bị bốc hơi bình thường thì vòng lỏng trong bơm là nước nhưng đối với thiết bị bốc hơi có độ chân không cao thì người ta sử dụng dầu và các chất lỏng khó bay hơi.

3.5. Điều chỉnh thiết bị bốc hơi

Năng suất hoạt động của hệ thống thiết bị bốc hơi phụ thuộc vào sự điều khiển quá trình, nó đạt được ra sao chính là ở sự đơn giản hay tiến bộ của cả hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển sẽ có trách nhiệm thay đổi điều kiện va kết cấu vật liệu, thay đổi sự cấp nhiệt để duy trì sự cô đặc sản phẩm trên lý thuyết. Trong tồn bộ hệ thống điều khiển, hơi nước được giới hạn bằng tay, trong khi sự cô đặc sản phẩm (chẳng hạn., oBrix) và tốc độ cô đặc là các biến số điều chỉnh quan trọng.

Điều chỉnh hồn lưu đơn giản dựa trên kiểm tra và điều khiển chất lượng sản phẩm bằng sự điều chỉnh bằng tay nhiêt độ (hơi nước) cấp vào. Đó là phương pháp thử và sai với sự biến đổi chất lượng của sản phẩm là tương đối lớn. Các hệ thống điều khiển dòng nhập liệu ở các tầng mang đến câu trả lời nhanh hơn và sự biến đổi ít hơn về chất lượng sản phẩm bởi nó tính đến bất kì sự biến đổi các điều kiện của vật liệu.điều khiển và thiết bị đo quá trình, vi dụ: chương trình điều khiển thiêt kế máy(PLC), được xem lại trong phần phụ lục C.

3.6. Nghiên cứu thiết bị bốc hơi

Quá trình thử và ước lượng hiệu suất của thiết bị bốc hơi có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp tiên tiến bởi Viện nghiên cứu Hoa Kỳ cac thiết bị hóa học(AIChE,1979), được đề cập ở phần 2. Các phép đo tiêu chuẩn đươc tiến hành, sau khi thiết bị bốc hơi đạt trạng thái ổn định. Phép đo gồm vật liệu, sản phẩm, tốc độ hóa hơi và nhiệt độ; áp suất hơi nước, thân máy và bình ngưng; nhiệt độ nước làm lạnh; và chất rắn tạo thành trong bình ngưng. Độ tăng điểm sôi và tổn thất nhiệt, nếu xem đến, cũng có thể ước lượng. Kích thước thiết bị được giơi hạn bởi diện tích (m2 ) bề mặt cấp nhiệt, nghĩa là bên trong bề mặt của ống hay tấm nơi chất lỏng hóa hơi.

Cân bằng từ vật liệu và năng lượng, thu được những số liệu quan trọng: tốc độ bốc hơi (công suât), kg/h; nhiệt tiêu thụ, kg/h; nhiệt tiêt kiệm kg hơi bốc/kg nhiệt cung cấp; khác nhau về nhiệt độ trung bình, K; và hệ số truyền nhiệt, W/m2 K. Công suất bốc hơi và hệ số truyền nhiệt là các đặc điểm quan trọng của thiết bị bốc hơi trong việc ứng dụng trong thực tế. Báo cáo lại dữ liệu thu được trong suốt hoạt động của thiết bị bốc hơi là cần thiết để định rõ tốc độ làm tắc nghẽn và giảm sự thêm vào của hệ số truyền nhiệt và công suất bốc hơi.

- -

3.7. Những vấn đề về vệ sinh

Thiết bị bốc hơi

Những nguyên tắc và bộ luật về vệ sinh thiết bị thực phẩm (phần 2) là những liên quan quan trọng đâến thiết kế, hoạt động, và làm sạch thiết bị bốc hơi trong thực phẩm. Vấn đề về vệ sinh quan trọng nhất là làm tắc nghẽn bề mặt bốc hơi, bởi sự lắng đọng của các chất keo và các chất hợp thành khác, sẽ làm giảm hệ số truyền nhiệt và tốc độ bốc hơi (công suất). Sự làm tắc nghẽn là điều tất yếu trong quá trình hoạt động, và việc làm sạch định kì là cần thiết (Minton, 1986). Chu kì hoạt động có thể dài ( tuần) như cô đặc đường, hay ngắn như sữa (ngày), bởi sự kết tủa của protein nếu nhiệt độ kéo dài. Hệ thống làm sạch CIP có thể sử dụng cho tất cả các phần của thiết bị tiếp xúc với thực phẩm.

Ví dụ1:

Hình 24

Sơ đồ thiết bị bốc hơi 3 giai đoạn cô đặc nước cam như hình vẽ. Thiết bị bốc hơi sẽ cô đặc dòng nhập liệu mf = 7000 kg/h ở 12o Brix đến dòng sản phẩm mp = m3 =1292kg/h ở 65o Brix. Theo đó, công suất của thiết bị bốc hơi sẽ là mv = mf – mp = 7000 – 1292 = 5708 kg/g. Hình 16 đưa ra sơ đồ khối của quá trình, có ích trong việc đưa ra những yêu cầu về vật liệu và cân bằng năng lượng.

Việc đưa ra những giả thuyết làm đơn giản hóa những tính tốn ban đầu. Tồn bộ dòng đi vào qua 3 giai đoạn. Dòng nhập liệu đi vào ở giai đoạn đầu và dòng sản phẩm ra ở giai đoạn cuối ( thứ 3) tương ứng với điểm sôi cũng như thất thốt không đáng kể và nâng nhiệt độ sôi không đáng kể (BPE = 0). Hơi nước bão hòa ở 110oC(1.43 bars) được tính cho giai đoạn đầu, lớp cặn được loại bỏ sau mỗi giai đoạn. Ơû giai đoạn cuối cùng điểm sôi là 50oC (0.123 bar). Theo đó, sự chênh lệch nhiệt độ của tồn bộ quá trình là ΔT = 110 – 50 = 60oC. Tồn bộ quá trình xem như là đoạn nhiệt, nghĩa là sự truyền nhiệt trong mỗi giai đoạn là giống nhau:

- -

Qs = Q1 = Q2 = Q3

Thiết bị bốc hơi

Hay

msΔHs = mv1ΔHv1 = mv2ΔHv2 = mv3ΔHv3

Hệ số truyền nhiệt trong mỗi giai đoạn được tính theo phương trình cơ bản (7.2). Suy ra, phương trình (7.10) trở thành

U1A1ΔT1 = U2A2ΔT2 = U3A3ΔT3

Theo quan điểm các ngành kỹ thuật và xây dựng, thân thiết bị ở cả 3 giai đoạn là như nhau,

nghĩa là A1 = A2 = A3, từ đó ta có

U1ΔT1 = U2ΔT2 = U3ΔT3 (*)

Hệ số truyền nhiệt trong 3 giai đoạn giảm nên U1 > U2 > U3, do tăng sự cô đặc và tính dẻo của chất lỏng. Do đó, theo phương trình (7.13) chênh lệch nhiệt độ tương ứng là ΔT1 < ΔT2 < ΔT3. Dựa vào hệ số truyền nhiệt (U) ta có thể thiết kế thiêt bị. Một số dữ liệu thiếu của thiết bị cô đặc nước cam trong ví dụ, giá trị U của nước cam không lọc hết được tại oBrix có thể lấy giá trị gần đúng: U1 = 1600 W/m2 K, U2 = 1400 W/m2 K, và U3 = 700 W/m2 K. Giá trị gần đúng của hệ số truyền nhiệt ở giai đoạn trung gian (U2) được chấp nhận. Do đó, phương trình (*) trở thành

1600ΔT1 = 1400ΔT2 = 700ΔT3

Sự chênh lệch nhiệt độ được tính bởi

ΔT1 + ΔT2 + ΔT3 = 60 Từ 2 phương trình cuối cùng ta được ΔT1 = 13.6oC, ΔT2 = 15.4oC và ΔT3 = 31oC. Suy ra, nhiệt độ sôi ở 3 giai đoạn là T1 = 96.4oC, T2 = 81oC, T3 = 50oC.

Lưu ý rằng ở nhiệt độ cao trong giai đoạn đầu (96.4oC) đủ để tiệt trùng nước cam và khử hoạt tính của enzym pectic (làm cho ổn định nước cam vẩn đục). Từ bảng tra (Haar et al., 1984; phụ lục B), nhiệt hóa hơi tại nhiệt độ sôi ở 3 giai đoạn là ΔHs = 2230 kJ/kg (110oC), ΔH1 = 2266 kJ/kg (96.4oC), ΔH2 = 2306 kJ/kg (81oC) và ΔH3 = 2382 kJ/kg (50oC).

Tốc độ bay hơi nước ở 3 giai đoạn được tính theo phương trình

2230ms = 2266m1 = 2306m2 = 2382m3

mv1 + mv2 + mv3 = 5708

Theo đó, ms = 1978 kg/h, mv1 = 1945 kg/h, mv2 =1912 kg/h và mv3 = 1851 kg/h.

Nhiệt tiết kiệm được sau 3 quá trình của thiết bị sẽ là S = 5708/1978 = 2,88. Diện tích bề mặt truyền nhiệt sẽ là A = 1978 * 2230/1600 * 13* 3.6 = 60 m2.

Với ống có đường kính bên trong 50mm và chiều dài 10m, số lượng ống theo yêu cầu là N = 60/3.14*0.05*10 = 38. Đó là thiết bị có kích thước trung bình, bởi công suất làm việc của thiết bị như ví dụ trên là 5708 kg/h.

Sự cô đặc nước cam ở giai đoạn trung gian( thứ 2) của thiết bị bốc hơi, tính theo cân bằng

- -

khối lượng: m1 = mf – mv1 = 7000 – 1945 = 5055 kg/h và X1 = 12*(7000/5055) = 16.6o Brix.

Thiết bị bốc hơi

Vận tốc bốc hơi của cơ chất trong thiết bị bốc hơi là quan trọng để thiêt kế thiết bị tách hơi nướchay chất lỏng. Tốc độ bay hơi lúc kết thúc ở 3 giai đoạn là:mv1 = 0.54 kg/s, mv2 = 0.53kg/s, mv3 = 0.514 kg/s. Mật độ bốc hơi trong 3 giai đoạn, theo bảng tra hơi nước là: rv1 = 0.54 kg/m3, rv2 = 0.243 kg/m3, rv1 = 0.083kg/m3. Diện tích mặt cắt ngang của ống là 3.14*0.052/4 = 0.002 m2. Do đó, tốc độ bốc hơi là: u1 = 0.54/38*0.002*0.54 = 8.3 m/s, u2 = 0.53/38*0.002*0.243 = 29 m/s, và u3 = 0.514/38*0.002*0.083 = 81.5 m/s. Tốc độ hóa hơi cao nhất, như tính tốn, ở giai đoan cuối cùng khi áp suất làm việc trong quá trình là thấp nhất. Vận tốc bốc hơi sẽ được xem xét để đưa vào việc thiết kế dụng cụ tách trong thiết bị bốc hơi. Điều đó là cần thiết để thiết kế được những dụng cụ tách lớn ở giai đoạn cuối cùng để ngăn chất lỏng lẫn vào hơi nước.

1. Giải pháp đơn giản hóa được áp dụng trong ví dụ trên việc chấp nhận các hệ số truyền nhiệt (U) trong 3 giai đoạn của thiết bị bốc hơi. Sự cô đặc nước cam ban đầu thành sản phẩm như đã biết (oBrix), hồn tồn phù hợp với giá trị U và có thể đem lại một số tham khảo cho vật liệu (trong một số trường hợp như nước táo không qua lọc). Tuy nhiên cô đặc nước ép ở giai đoạn 2 là không rõ ràng, làm như vậy, là phương pháp thử và sai. Giải pháp có thể tìm thấy bằng cáh lặp lại các phép tính tốn, sử dụng các giá trị mới tìm đươc của U, tương ứng với ước lượng cho giai đoạn 2. Chi tiêt hơn đó là hệ thống thiết bị bốc hơi phức tạp đòi hỏi các chương trình máy tính, cũng như phải lạc quan hơn về giá cả và hiệu quả sử dụng năng lượng của thiết bị (Chen and Hernandez, 1997; Holland and Liapis, 1981).

2. Ơû giai đoạn 3 quá trình hoat động của thiết bị có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ ΔT3 = 31oC và sự cô đặc cao(65o Brix), tạo điều kiện tránh tắc nghẽn bề mặt của thiết bị. Nên thiết bị sẽ hoạt động tốt hơn và trở nên kinh tế hơn.

- -

3. Để tiết kiệm được hơi nước tính tốn ở 3 giai đoạn của thiết bị có thể thực hiện bằng cách thêm một hay hai(chủ yếu) yếu tố tác động lên quá trình, hay việc sử dụng hệ thống giảm nén hơi nước. Mới đây môt biện pháp cũng rất kinh tế là đồng thời cải tiến bình ngưng lớn dùng cho hơi nước ở giai đoạn cuối của quá trình.