Cô đặc lạnh

Chương I: TỔNG QUAN I. GIỚI THIỆU NGUYÊN LIỆU: Nho là cây họ nho. Quả thuộc loại mọng nước, hình trứng tròn. Nho có gần hai trăm loại, hình dạng quả khác nhau, cả màu sắc, độ to nhỏ, thời gian chin và mùi vị cũng khác nhau. Quả chin vỏ có nhiều màu: đỏ tím, trắng sửa, tím đen, xanh… Ở nước ta nho được trồng nhiều ở các tỉnh phía nam, tỉnh Ninh Thuận. Nho dùng để điều trị các bệnh liên quan đến rối loạn trao đổi chất, rối loạn gan, thận và phổi cùng các bệnh liên quan đến tim mạch. Nho cải thiện quá trình trao đổi chất, lợi tiểu, chống viêm nhiễm và có tác dụng nhuận tràng. Nho rất tốt với những người bị mệt mỏi hệ thần kinh, những bệnh nhân huyết áp cao, bệnh nhân phế quản. Thành phần hóa học của nho: 65 – 85 % nước 10-12% đường 0.5 – 0.7 % các axit hữu cơ ( axit tactalic, axit malic) 0.1 – 0.3 % pectin 0.1 – 0.5 % Chất khoáng Vitamin C, B1, B2, PP cùng các chất thơm khác II. LÝ THUYẾT CÔ ĐẶC KẾT TINH: Sự cô đặc các thực phẩm lỏng ( như trà, cà phê, nước trái cây, rượu….) và một số hóa chất, dược phẩm là một trong những phương pháp tốt bảo vệ những tính chất vốn có của chúng, bảo quản lâu, giảm chi phí bảo quản và vận chuyển. Sau khi phục hồi lượng nước sản phẩm gần như dạng ban đầu Sự cô đặc có thể thực hiện bằng phương pháp bốc hơi có ( hay không có ) thu hồi các chất bay hơi, hay bằng phương pháp kết tinh dung môi và thẩm thấu nghịch. Phương pháp bốc hơi được xem là phương pháp kinh tế và được nghiên cứu kĩ để cô đặc dung dịch. Có thể thu hồi các chất bay hơi bốc ra cùng với hơi nước trong tháp chưng cất. Tuy nhiên không thể tránh khỏi phân hủy nhiệt và tác dụng của một sô men dù chỉ ở nhiệt độ 50-700C. Trong quá trình thẩm thấu nghịch bị mất một phần đáng kể những chất thơm. Cô đặc bằng kết tinh dung môi thường là nước ( gọi tắt là cô đặc lạnh ) có một loạt các ưu điểm so với các phương pháp khác, đặc biệt với những sản phẩm kém bền nhiệt và chứa nhiều chất thơm. Ở nhiệt độ thấp các quá trình phân hủy hóa học và sinh hóa yếu không đáng kể, còn các cấu tử dễ bay hơi và cấu tử thơm được bảo toàn nguyên vẹn, đảm bảo chất lượng cho sản phẩm. Nước sạch lấy ra từ kết tinh có thể phục vụ vào chu trình sản xuất. Cô đặc bằng dược phẩm dùng để sản xuất dược phẩm các chất màu tự nhiên cho thực phẩm, để sản xuất nước uống được từ các nguồn nước mặn tự nhiên. 1. cơ sở vật lý của cô đặc kết tinh: Trong quá trình kết tinh sơ cấp hệ 2 cấu tử ( dung môi và nước không tạo dung dịch rắn ) thì nước tinh khiết được kết tinh ra, nên càng hạ nhiệt độ của hệ thì nồng độ chất tan càng tăng dần. Sự cô đặc kết tinh dựa trên cơ sở thay đổi điều kiện cân bằng pha khi làm lạnh các hệ đa cấu tử dị thể ( không đồng nhất ). Hệ này có chứa các phần tử vĩ mô của các chất không được có thể đóng vai trò như chất khơi mào cho sự tăng trưởng tinh thể. Rất nhiều hóa chất và dược phẩm lỏng được xem là dị thể. Cơ chế sinh mầm tinh thể trên bềmặt rắn được gọi là cơ chế sinh mầm dị thể. Nếu trong quá trình kết tinh nước mà thành phần các cấu tử tan vẫn bảo toàn, còn các tính chất nhiệt động của dung dịch nước được xác định bởi tương tác ảnh hưởng giữa chúng thì nhóm các chất tan được xem như một cấu tử tương đương. Khi đó nồng độ chất tan trong dung dịch được xác định bởi công thức: x = ; X = ; m = Trong đó: x, X, m: Tương ứng là nồng độ khối lượng, nồng độ phân mol, nồng độ mol của các cấu tử trong dung dịch. MH2O, M, NH2O, N tương ứng là khối lượng và số mol của nước và của các cấu tử không tan trong dung dịch. N*: số mol của các cấu tử tan ( tính cho 1kg nước ). Hình 1: Giản đồ pha hệ 2 cấu tử không tạo dung dịch rắn ( cân bằng lý tưởng ) Tại điểm I trạng thái của hệ được xác định bởi nhiệt độ T1 và nồng độ x1. Khi làm lạnh đến nhiệt độ bắt đầu kết tinh T2 thì dung dịch vẫn chưa biến đổi pha mà trở nên bảo hòa ở T2. Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ dung dịch thì xảy ra quá trình kết tinh nước làm nồng độ dung dịch tăng lên. Khi nhiệt độ T3 < T2 nồng độ cân bằng của chất tan là x3, còn hàm lượng nước đá và dung dich còn lại ( dịch cái ) trong 1kg hỗn hợp được xác định từ cân bằng vật chất sau: 1.x1 = M0.x0 + Mdx3 Với: M0, Md: khối lượng nước đá và dịch cái trong 1kg dung dịch tương ứng với nhiệt độ T3. x0, x1, x3: tương ứng là nồng độ chất tan trong tinh thể nước đá, nồng độ trong hỗn hợp đầu và trong dịch cái còn lại Bước đầu ta xem như nước đá không có chất tan ( x0 = 0 ) Vậy Md = M0 = Khi giảm nhiệt độ đến TE thì thành phần dịch cái biến đổi dần theo đường liquidus AE. ở nhiệt độ TE dung dịch bảo hòa chất tan với nồng độ xE ứng với điểm ơtecti. Dung dịch ơtecti sẽ đóng rắn đẳng nhiệt ở TE dưới dạng một hỗn hợp cơ học của các tinh thể của cả 2 cấu tử. Đường đẳng nhiệt TE là đường solidus kết thúc quá trình kết tinh. Trong các dung dịch nước, điểm ơtecti còn gọi là điểm cryohydrate Công nghệ cô đặc nhiều thực phẩm và làm ngọt nước mặn được dựa trên cơ sỏ vật lý nói trên. Đặc điểm của nó là chỉ tạo một pha rắn ( nước đá ) nếu làm lạnh đến nhiệt độ ơtecti nồng độ tối đa của sản phẩm là xE. Quá trình cân bằng lý tưởng ( lý thuyết ) của sự phân riêng ở đây được xem như trong giai đoạn kết tinh đạt được sự cân bằng pha còn khi phân riêng từ hệ huyền phù thì thu được dịch cái hòan toàn tách khỏi tinh thể nước đá. Trong các quá trình thực nồng độ chất tan trong pha kết tinh ( nước đá ) xk cao hơn nồng độ cân bằng lý thuyết x0 do một phần dịch cái bị giữ lại trong các khe hở giữa các lớp tinh thể ( tạp chất ngoại ) và bên trong từng tinh thể ( tạp chất nội ). Hình 2: Giản đồ cân bằng pha hệ 2 cấu tử không tạo dung dịch rắn ( cân bằng thực ) 2. công nghệ sản xuất: Quá trình cô đăc kết tinh gồm có 2 giai đoạn chủ yếu: kết tinh và phân riêng. Để thu được dịch cô đặc có nồng độ cao thì phải tiến hành quá trình theo từng bậc giảm dần nhiệt độ kết tinh hay sử dụng phương pháp có hồi lưuu nhằm cải thiện chỉ tiêu hiệu quả năng lượng của thiết bị cô đặc ( TBCĐ) 2.1 giai đoạn kết tinh Mục đích của giai đoạn này là tạo một huyền phù có tinh thể nước đá ( magma – concentrat ) có kích thước từ 200 – 400 micron. Tùy theo đặc tính của pha kết tinh tạo được người ta chia ra làm kiểu kêt tinh khối và kiểu kết tinh bề mặt ( hay còn gọi là kết tinh động tuyến ). Đặc trưng của kết tinh khối là sự tạo thành các tinh thể trong khắp thể tích của dung dịch khi đạt một độ qúa lạnh hay quá bão hòa đồng đều. Hình dạng và kích thước của các tinh thể được tạo thành phụ thuộc vào mức độ quá lạnh hỗn hợp, điều kiện thoát nhiệt kết tính, tính chất và nồng độ chất tan. Khi làm lạnh chậm và dộ quá nhiệt bé thì tạo được những tinh thể rất lớn, thô có bề mặt ruêng bé và có rất ít dung dịch bị bám ở bề mặt tinh thể ( dạng một lớp mỏng ). Khi tăng tốc độ thoát nhiệt tạo được độ quá lạnh lớn trong dung dịch thì tạo được vô số mầm tinh thể nước đá và trong tinh thể chứa khá nhiều chất tan bị hấp phụ. Hàm lượng chất tan trong tinh thể nước đá còn tăng lên trong các trường hợp khi tốc độ tăng trưởng kích thước tinh thể vượt quá tôc độ khuyếch tán của chất tan trong pha lỏng do sự tăng nồng độ chất tản ở vùng gần bề mặt của tinh thể đang tăng trưởng và làm giảm nhiệt độ kết tinh cục bộ. Đặc trưng sự biến đổi rnhiệt độ và nồng độ của dung dịch ở bề mặt tinh thể biểu diễn ở đồ thị. Trong lòng dung dịch quá lạnh có nhiệt độ T’p nồng độ chất tan là xp. Độ quá lạnh ΔT = Tkt – Tp ( Tkt nồng độ kết tinh tương ứng với nồng độ cân bằng xp ). Trước bề mặt kết tinh đang di động thì nồng độ dung dịch khá cao ( xd >xp ), ứng với nồng độ cân bằng Td, tức độ quá lạnh thực tế ΔTt = Tđ – Tp và độ quá bão hòa của dung dịch tại bề mặt tinh thể là Δx = xđ –xp. Sự kết tinh khối có thể thực hiện trong các thiết bị có bề mặt truyền nhiệt hay bằng sự tiếp xúc trực tiếp của dung dịch với tác nhân lạnh theo chế độ làm việc liên tục hay gián đoạn. Các thiết bị kết tinh khối thường dùng loại vỏ áo hay kiểu xoắn nhúng ngập để làm lạnh. Quá trình kết tinh xảu ra khi hỗn hợp kết tinh được khuấy mạnh, gradient nhiệt độ giữa dung dich và bề mặt truyền nhiệt rất bé, làm cho các tinh thể sinh mầm và trưởng thành trong lòng hỗn hợp. Nhưng cũng có khi bắt đầu tạo thành tinh thể ở bề mặt truyền nhiệt. Phần nước đá tạo thành ở bề mặt truyền nhiệt phải được cơ cấu dao cạo ra và trộn lẫn trong pha lỏng tạo nên hỗn hợp huyền phù ngày càng nhiều tinh thể nước đá. Quá trìn kết tinh bề mặt ( hay kết tinh động tuyến ) được thực hiện bằng cách thoát nhiệt qua lớp tinh thể nước đá bám ở bề mặt truyền nhiệt để vào môi trường làm việc. Quá trình có thể được thực hiện gián đoạn không có tách pha rắn ở bbề mặt truyền nhiệt hay ở chế độ tách liên tục nước đá từ bề mặt kết tinh. Khi đó nhiệt độ dung dịch hơi cao hơn nhiệt độ cân bằng 1 chút. Các thiết bị kiểu liên tục thường có dạng thùng quay hay loại vỏ áo. 2.1 Giai đoạn phân riêng: Đây là giai đoạn quyết định hiệu quả của quá trình cô đặc bằng kết tinh, tránh tổn thất chất khô đồng thời không làm loãng dung dịch đã cô do nước đá tan chảy. Hiệu quả của sự phân riêng phụ thuộc rất nhiều vào kích thước tinh thể nước đá và độ nhớt dung dịch. Quá trình tách các tinh thể từ hỗn hợp huyền phù có thể bằng phương pháp lọc qua lớp tinh thể nước đá hay ly tâm ( ly tâm lọc ). Quá trình này có kèm theo quá trình truyền nhiệt và truyền khối đồng thời trong chất lỏng và trên bề mặt tinh thể. Quá trình phân riêng trong các máy ly tâm lọc kiểu chu kỳ diễn ra qua mấy giai đoạn sau: Nhập liệu huyền phù và tạo lớp xốp các tinh thể nước đá trên bề mặt vải lọc. Lọc chất lỏng qua lớp xốp ngậm đầy dung dịch. Sấy sơ bộ lớp xốp, tách kiệt dung dịch ra khỏi lớp xốp. Rửa lớp xốp. Sấy lại lớp xốp khỏi nước rửa. 3. Biện pháp công nghiệp cô đặc kết tinh: Sơ đồ UNION CARBIDE: Thường dùng để cô đặc nước qủa, rượu nho…..Hệ thống gồm 2 thiết bị trao đổi nhiệt để kết tinh 2 bậc và máy ly tâm để tách tinh thể nước đá Sauk hi thiết bị kết tinh bậc 1 ( KT1 ), huyền phù chứa tinh thể nước đá K1 và dịch cái M1 được ly tâm lọc L1 tách riêng ra. Dịch cái được đưa đến thiết bị kết tinh bậc 2 ( KT2 ), sau đó huyền phù vào máy ly tâm L2. Các tinh thể nước đá K1, K2 được rửa ở máy ly tâm L3 sau khi ra khỏi hệ thống. Sản phẩm của dây chuyền này có nồng độ khoảng gấp 4 lần nước ép nguyên liệu. Nước rửa nước đá được phối chế với nguyên liệu đầu để tận thu chất tan KT1, KT2 : thiết bị kết tinh cấp 1, cấp 2 L1, L2 : bộ lọc giai đoạn 1, 2 R3 : bộ rửa M1, M2 : dịch cái sau thiết bị kết tinh 1, 2 ( thành phẩm M2 ) K1, K2 : tinh thể nước đá sau thiết bị kết tinh 1, 2 CHƯƠNG II QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHÚ THÍCH CÁC KÍ HIỆU: Tháp giải nhiệt Thiết bị hồi nhiệt Bình chứa dầu Bình tách dầu Động cơ máy nén Máy nén Thiết bị kết tinh cấp 1 Thiết bị kết tinh cấp 2 Thiết bị phun nước rửa nước đá Thiết bị chứa nước đá Bồn cao vị Thiết bị làm lạnh sơ bộ Bình chứa nguyên liệu Bình chứa sản phẩm Bình chứa nước muối Bình tách lỏng Thiết bị bay hơi Thiết bị ngưng tụ Bình chứa cao áp Chương III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Chất tan chủ yếu là đường nên ta có thể xem dịch ép như dung dịch đường Nước nho ban đầu có nồng độ: xd = 10% suy ra nhiệt độ bắt đầu kết tinh là tkt0 = -0.80C Nước nho thành phẩm có nồng độ : x2 = xc = 50% suy ra nhiệt độ kết tinh tkt2 = -6.50C Chọn nhiệt độ tại thiết bị kết tinh cấp 1 : ttk1 = -20C suy ra x1 =25% Chọn xk1 = 0.002 : Là tổn thất chất khô trong tinh thể đá khô khi đi qua thiết bị lọc L1 Chọn xk2 = 0.003 : Là tổn thất chất khô trong tinh thể đá khô khi đi qua thiết bị lọc L2 III.1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT TẠI THIẾT BỊ KẾT TINH CẤP 1: suy ra : K1 = Gd. ; M1 = Gd. Với x1 = 0.25; xd = 0.1; xk1 = 0.002 Ta được : K1 = (75/124).Gd =0.6048Gd M1 = ( 49/124).Gd = 0.3952Gd III.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT TẠI THIẾT BỊ KẾT TINH CẤP 2: Ta có hệ phương trình bảo toàn khối lượng : Suy ra : K2 = ( M1 – ΔM1 ). ; M2 = ( M1 - ΔM1 ). Với ΔM1 là lượng dịch cái giữ lại trong khối tinh thể K1 ( tùy theo phương pháp lọc tách dịch cái khỏi tinh thể ) Dùng phương pháp lọc trọng trường: ΔM1 = Δ1.Gd = Trong đó : β1 – Độ rỗng xốp của khối tinh thể thô K1, có đường kính trung bình d1 ( cạnh tinh thể lập phương ) với tỉ lệ diện tích bề mặt xung quanh tự do f1 = 0.5 – 0.9 của tinh thể có dịch bám dính với lớp dày δ1. Chọn β1 = 0.12 ξ1 – Hệ số điền đầy của dung cái vào lỗ rỗng giữa các tinh thể ( ξ= 0,2-1 ) Chọn ξ1= 0.4 ρ1 – Khối lượng riêng của dịch cái sau lọc 1 ρ1 = 999,7 kg/m3 ( tra khối lượng riêng của nước đá ở -20C) ρdd1 – Khối lượng riêng của dung dịch sau KT1 ( tra theo x1 ) ρdd1 = 1105.51 kg/m3 ( khối lượng riêng dd đường 25% ) à ΔM1 = 0.03648 Gd Ta được K2 = 0.1804Gd , M2 = 0.1783Gd III.3. TÍNH ΔM2 ( lượng dịch cái bị giữ lại trong khối tinh thể K2) Chọn β2 = 0.12 ξ2= 0.4 Ta có ρdd2 = 1231.74kg/m3; ρ2 = 999.02 ( Tra nhiệt dung riêng của nước ở tk2 ) ΔM2 = = 0.03383 ( M1 - ΔM1 ) = 0.01213 Gd Suy ra sản phẩm của quá trình cô đặc: Gc = M2 – ΔM2 = 0.16617 Gd Gc = 0.25 tấn/h à Gd = Gc/0.16617 = 1.505(tấn / h) III.4.TẠI THIẾT BỊ RỬA: Phương trình cân bằng vật chất: Theo khối lượng: K1 + K2 +M3 + ΔM1 + ΔM2 = K3 + M’3 + ΔM3 Theo chất khô: K1.xk1 + K2.xk2 + ΔM1.x1 + ΔM2.x2 = M’3.x3 + ( 1 – Δ ).K1.xk1 + ( 1 – Δ ).K2.xk2 Với tỷ lệ khối lượng tinh thể bị tan Δ = 0.01-0.15. Chọn Δ = 0.15 Vậy : K3 = ( 1 – Δ ). ( K1 + K2 ) = (1-0,15 ).(0.6048 Gd + 0.1804Gd ) =0.6674Gd = 1.005 (T/h) - Tỉ lệ dịch cái thu được sau thiết bị lọc 1 ( L1 ) m1 = Lượng nước rửa M3 lấy theo tỷ lệ lượng tinh thể cần rửa với hệ số tỷ lệ ξ0: M3 = ξ0.( K1 + K2 ) = ξ0.Gd. Chọn ξ0 = 0.3 à M3 = 0.3545 ( T/h ) Lượng nước rửa tích tụ lại trong khối tinh thể K3 sau R3 ΔM3 = ΔM1’ + ΔM2’ = m3c.Gd = Gd.(1 – Δ). Chọn β1’ = β2’ = 0.15 ξ1’= ξ2’ = 0.3 à ΔM3 = 0.0532( T/h) Lượng nước thu hồi M3’ M3’ = K1 + K2 + M3 + ΔM1 + ΔM2 – K3 – ΔM3 = 0.3666Gd = 0.5518 ( T/h ) Nồng độ chất khô x3: M3’.x3 = K1.xk1+ K2.xk2 + ΔM1.x1 + ΔM2.x2 – ( 1- Δ).( K1.xk1 + K2.xk2) = (0,6048. 0,002 + 0,1804.0,003 + 0.03648 . 0,25 + 0,01213. 0,5 – ( 1-0.15). ( 0,6048. 0,002 + 0,1804. 0,003). Gd = 0.01545 Gd à x3 = 0.042 Đại lượng Lưu Lượng ( T/h ) Nồng độ Gd 1.505 0.1 Gc 0.25 0.5 K1 0.9102 0.002 K2 0.2715 0.003 K3 1.0045 0 M1 0.5947 0.25 M2 0.2683 0.5 M3 0.3545 0 M3' 0.5518 0.042 ΔM1 0.0549 0.25 ΔM2 0.01826 0.5 ΔM3 0.0532 0