HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG: BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸ THUẬT THỰC PHẨM 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸ THUẬT THỰC PHẨM 1 ĐỀ TÀI HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG Giảng viên hướng dẫn TS Đỗ Đình Nhật Lớp 20DTP1A Nhóm Trư.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH

KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG



BÁO CÁO THỰC HÀNH

KỸ THUẬT THỰC PHẨM 1

ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG

Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Đình Nhật

Lớp 20DTP1A Nhóm:

Trương Thị Hồng Thắm – 2000006495 Ngô Thị Ngọc Hân – 2000003056

Tp.HCM, tháng 9 năm 2022

I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM

Trình bài được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm thiết bị cô đặc gián đoạn 1 nồi, hoạt động trong điều kiện chân không

Vận hành được hệ thống cô đặc

Tính toán được cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và các đại lượng đặc trưng cho quá trình cô đặc

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Các khái niệm trong cô đặc

 Khái niệm cô đặc

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên được gọi là hơi thứ

 Mục đích của quá trình cô đặc

- Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)

- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

2 Các phương pháp cô đặc

 Cô đặc ở áp suất khí quyển: là phương pháp đơn giản nhưng không tinh

tế

 Cô đặc ở áp suất chân không: dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi

cao, dễ phân hủy vì nhiệt, …

 Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ

cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác

3 Thiết bị thí nghiệm

Dung dich cô đặc theo từng mẽ, nhập liệu một lần từ thùng chứa dung dịch đầu Dung dịch sôi trong buồng bốc hơi do nhiệt truyền từ dầu tải nhiệt bên vỏ ngoài Hơi thứ bốc lên từ dung dịch sôi được dẫn qua thiết bị ngưng tụ ống xoắn để ngưng tụ thu hồi và định lượng Một bơm chân không loại vòng nước được sử dụng để tạo chân không cho hệ thống

 Hệ thống cô đặc gồm các thiết bị chính:

- Nồi cô đặc 2 vỏ cánh khuấy.

- Máy khuấy trộn

- Thiết bị ngưng tụ ống xoắn

- Bình chứa nước ngưng

- Bơm chân không loại vòng nước

- Áp kế đo độ chân không

- Nhiệt kế điện tử

- Hệ thống điện

- Xô nhựa chứa dung dịch đầu

3.1 Nồi cô đặc 2 vỏ

Nồi chứa dung dịch đường có đường kính D = 350 mm, cao H =530 mm, bề dày

d = mm

Nồi được chế bằng thép không gỉ AISI304

3.2 Thiết bị ngưng tụ ống xoắn

Ống xoắn có đường kính f16 được quấn thành các vọng xoắn có đường kính D

= 150mm Ống xoắn được gia công bằng thép k gỉ AISI304

3.3 Bơm chân không

Hệ thống sử dụng bơm chân không loại vòng nước 1HP

III SƠ ĐỒ THIẾT BỊ

Thiết bị cô đặc chân không

IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1 Giới thiệu thiết bị

- Trước khi tiến hành thí nghiệm, sinh viên cần hiểu rõ nguyên lí hoạt động cũng như cách vận hành thiết bị theo chỉ dẫn của cán bộ Phòng Thí Nghiệm

- Quan sát kĩ thao tác của cán bộ Phòng Thí Nghiệm để khi tiến hành đảm bảo được an toàn và có kết quả tốt nhất

2 Chuẩn bị thí nghiệm

- Bước 1: Trộn đều 5 lít nước và 1kg đường

- Bước 2: Khởi động máy cô đặc (kiểm tra và vệ sinh máy trước khi thí nghiệm)

- Bước 3: Tiến hành thí nghiệm

+ Khởi động máy bơm chân không tạo áp suất bên trong nồi cô đặc khoảng 55cmHg (áp suất bên trong lớn hơn áp suất bên ngoài) sau đó tắt bơm và nhập liệu vào máy

- Bước 4:Lấy mẫu do độ Brix và đo nhiệt độ nước ra, nước ngưng, nhiệt độ dung dịch Cứ 10 phút thì lấy mẫu và đo

Bảng số liệu từ phòng thói nghiệm

T (phút) Brix V (lít) tv (ᴼC) tr (ᴼC) tng (ᴼC) tdd (ᴼC) tht (ᴼC)

 Nồng độ phần khối lượng của đường nhập liệu:

Bx = 14 vậy x = 14% (phần khối lượng) tra bảng ta có khối lượng riêng của dung dịch đường ở Sử dụng bảng khối lượng riêng của đường theo độ Brix Sổ tay Công Nghệ Hóa Chất – tập 1: Bx = 14  r = 1056.77 (kg/m3)

 Tính lượng nước ngưng thực tế

Vngưng = 1.924 (lít)

W* = Vngưng ρngưng (kg)

= 1.924x10-3 x 991.87 = 1.91 (kg)

Vngưng : tổng thể tích nước ngưng thu được trong quá trình thí nghiệm (lít) Đổi sang

m3

ρngưng : khối lượng riêng của nước ngưng (kg/m3) (ρngưng = 991.87 (kg/m3)), tra ở Sổ tay Công Nghệ Hóa Chất – tập 1, ở nhiệt độ trung bình nước ngưng là 40.9 oC)

 Tính khối lượng dung dịch đường nhập liệu

Ta có:

Vđ = 5 (lít)

ρđ = 1056.77 (kg/m3)

mđường = 1 (kg)

Gđ = Vđ rđ = 5x10-3 x 1056.77 = 5.28 (kg)

Mà: Gđ = mđường + mnước

 mnước pha = Gđ – mđường = 5.28 - 1 = 4.28 (kg)

= mnước ngưng + mnước còn lại

 mnước còn lại = mnước pha – mnước ngưng = 4.28 – 1.91 =2.37 (kg)

(Với mnước ngưng = W* = 1.91 (kg))

 Tính Gc, xc, và W:

Ta có: Gc = mđường + mnước còn lại = 1 + 2.37 = 3.37 (kg)

Áp dụng định luật bảo toàn vật chất:

+ Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W

+ Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc

Nhớ đó:

+ Nồng độ sản phẩm cuối:

xc= Gđ xđ

Gc =

5.28∗14 % 3.37 =22 %

+ Lượng hơi thứ

W = 𝐺đ.(1−xđ xc) = 5.28 x (1− 14 %22 %) = 1.92(kg)

 Tính phần trăm sai số của các dung dịch sau cô đặc:

Ta có:

%𝑆𝑆𝑥𝑐 = |xc− xc∗¿

xc ¿|.100 = |22%−24 %22 % |∗100=9.1%

Đánh giá sai số:

Phần trăm sai số của dung dịch sau cô đặc là: 9.1%

Trong đó:

+ xc : Nồng độ chất khô trong sản phẩm sau cô đặc theo lý thuyết [phần khối lượng]

+ xc* : Nồng độ chất khô trong sản phẩm cô đặc theo thực tế đo bằng Bx kế, [phần khối lượng]

Giải thích kết quả: do thời gian thực hiện thí nghiệm ngắn nên nồng độ chất

khô thực tế không lớn hơn nhiều so với nồng độ chất khô sau cô đặc theo lý thuyết nên phần trăm sai số nồng độ cuối còn lớn

 Tính phần trăm sai số của lượng nước ngưng thu được trong quá trình

cô đặc:

Giả định Gc = Gc* W ≈ W*

Ta có:

%𝑆𝑆𝑤 = |W − W ∗¿

W ¿|.100= |1.92−1.911.92 |∗100 = 0.52%

Trong đó:

+ W: lượng hơi thứ (lượng nước bốc hơi)

+ W*: lượng nước ngưng thực tế

Đánh giá sai số:

Ta được %SSw = 0.52%

Phần trăm sai số của lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc là:0.6%

Giải thích kết quả: do nồng độ hơi thứ gần bằng lượng nước ngưng thực tế nên

phần trăm sai số nhỏ

 Tính cân bằng năng lượng

+ Tính cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ và xác định lưu lượng nước sử dụng trong giải nhiệt ngưng tụ.

Ta có: r = Cn x tn

= 4200 x 30 = 126000 Với: Cn là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở 30oC = 4200j/kg.độ

Tn là nhiệt độ nước ngưng tụ = 30oC

+ Tính cân bằng nhiệt cho thiết bị cô đặc và xác định lượng nhiệt mà nguồn nóng cung cấp

Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:

c = 4190 – (2514 – 7.542t)* x Trong đó: t là nhiệt độ của dung dịch (oC)

x là nồng độ của dung dịch (%)

VI ĐỒ THỊ

Thời gian (phút) Brix

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0

5

10

15

20

25

30

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số Bx và thời gian cô đặc t

Brix

Thời gian

Nhận xét:

Ta có: W* = Vngưng x ρngưng Wi = (∑

i+ 0

n=13

V) x ρngưng

Thời gian

(phút) V ngưng W khối lượng nước ngưng (kg)

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa khối lượng nước ngưng thu được và thời gian cô đặc t

W khối lượng nước ngưng (kg)

Thời gian (phút)

Nhận xét:

VII CÂU HỎI CHUẨN BỊ

1 Mục đích của quá trình cô đặc:

- Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)

- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

2 Các bước chuẩn bị tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Trộn đều 5 lít nước và 1kg đường

Bước 2: Khởi động máy cô đặc (kiểm tra và vệ sinh máy trước khi thí nghiệm)

Bước 3: Tiến hành thí nghiệm:

Khởi động máy bơm chân không tạo áp suất bên trong nồi cô đặc khoảng 55cmHg (áp suất bên trong lớn hơn áp suất bên ngoài) sau đó tắt bơm và nhập liệu vào máy

Bước 4: Lấy mẫu đo độ Brix và đo nhiệt độ nước ra, nước ngưng, nhiệt độ dung dịch Cứ 10 phút thì lấy mẫu và đo

3 Các phương pháp đo nồng độ của dung dịch đường:

- Sử dụng dụng cụ đo: máy đo nồng độ đường

- Sử dụng công thức:

𝑁ồ𝑛𝑔 độ 𝑋𝑐=𝐺đ×𝑋đ𝐺𝑐=𝐺đ×𝑋đ𝐺đ− 𝑊 Trong đó:

Xc: nồng độ chất khô trong sản phẩm (phần khối lượng)

Xđ: nồng độ chất khô trong nguyên liệu (phần khối lượng)

Gđ: khối lượng nguyên liệu (kg); (kg/s)

Gc: khối lượng sản phẩm (kg); (kg/s)

W: lượgn hơi thứ (Kg); (m/s)

4 Cấu tạo thiết bị hệ thống cô đặc dùng trong thí nghiệm:

- Hệ thống cô đặc gồm:

· Nồi cô đặc 2 vỏ cánh khuấy

· Máy khuấy trộn

· Thiết bị ngưng tụ ống xoắn

· Bình chứa nước ngưng

· Bơm chân không loài vòng nước

· Áp kế đo độ chân không

· Nhiệt kế điện tử

· Hệ thống điện

· Xô nhựa chứa dung dịch

- Nguyên lí làm việc:

· Nguyên liệu được đưa vào nồi cô đặc, khởi động máy và bơm chân không, dưới tác động của bơm chân không, nồi cô đặc được hút chân không, tạo ra chênh lệch áp suất, áp suất và nhiệt độ sôi giảm

· Cánh khuấy hoạt động, nguyên liệu được đảo trộn đều

· Hơi được cấp vào để gia nhiệt giúp làm sôi nguyên liệu làm dung môi trong nguyên liệu bốc hơi

· Kết thúc quá trình cô đặc ta lấy mẫu thử xem đạt yêu cầu chưa và đưa vào giai đoạn chế biến khác

5 Mục đích, ưu điểm, nhược điểm của hệ thống cô đặc chân không gián đoạn:

- Mục đích

+ Làm tăng nồng độ chất hòa tan

+ Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất

- Ưu điểm

+ Giữ được chất lượng sản phẩm

+ Nhập liệu và lấy sản phẩm dễ dàng

+ Có thể cô đặc đến nhiều nồng độ khác nhau

+ Cấu tạo đơn giản

- Nhược điểm

+ Tính chất hóa lý và nồng độ thay đổi

+ Khó duy trì áp suất chân không trong nồi

6 Các thông số cần đo trong bài:

- T: thời gian

- Brix: nồng độ

- V (lít): thể tích nước ngưng

- Tr (oC): nhiệt độ nước ra

- Tng (oC): nhiệt độ nước ngưng

- Tdd (oC): nhiệt độ mẫu sau khi lấy ra

- Tht (oC): nhiệt độ hơi thứ

7 Viết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc:

∑𝑸𝒗=∑𝑸𝒓 𝑮đ×𝒄(đ)×𝒕(đ)+𝑫×𝒊=𝑮𝒄× 𝒄(𝒄)×𝒕(𝒄)+ 𝑾× 𝒊′+ 𝑫× 𝒄(𝒏)×𝒕(𝒏)+𝑸𝒄đ+𝑸𝒎𝒕

Trong đó:

tđ: nhiệt độ nguyên liệu (oC) tc: nhiệt độ sản phẩm (oC) tn: nhiệt độ nước ngưng (oC) cđ: nhiệt dung riêng nguyên liệu (J/kg.độ)

cc: nhiệt dung riêng sản phẩm (J/kg.độ) cn: nhiệt dung riêng nước ngưng (J/kg.độ) i: hàm nhiệt trong hơi đốt (J/kg)

i’: hàm nhiệt trong hơi thứ (J/kg) Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc (J); 𝑄𝑐đ=0,01× △𝑞× 𝐺𝑐

Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường (J)

8 Ứng dụng của quá trình cô đặc:

- Ứng dụng trong sản xuất mức hoa quả, nước quả cô đặc, sir