Báo cáo thực hành kỹ thuật thực phẩm 2 bài 5 quá trình cô đặc

Giới thiệu Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi.. Cô đặc áp suất cao hơn thì khí quyển thường dùng cho các dung dịch không b

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

- -BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

BÀI 5: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

Họ và tên: Lê Hà Thanh Trúc

MSSV: 21058021

Lớp: DHTP17B

Nhóm: 3

Tổ: 2

Giáo viên hướng dẫn: Phạm Văn Hưng

TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 4 năm 2023

MỤC LỤC

I Giới thiệu 3

II Mục đích thí nghiệm 3

III Cơ sở lý thuyết 3

3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 3

3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 3

3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng 4

3.3.1 Nồng độ 4

3.3.2 Cân bằng vật chất 4

3.3.3 Cân bằng năng lượng 5

IV Tiến hành thí nghiệm 7

4.1 Chuẩn bị thí nghiệm 7

4.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ 7

4.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị 8

4.1.3 Chuẩn bị dung dịch 8

4.2 Tiến hành thí nghiệm 8

4.2.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch 8

4.2.2 Giai đoạn bốc hơi dung môi 9

V Bảng số liệu 9

VI Xử lý số liệu 9

VII Kết luận 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

I Giới thiệu

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 gọi là hơi thứ Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất khác nhau (áp suất chân không, áp suất thường - hệ thống thiết bị để hở hay áp suất dư)

Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do dó chi phí hơi đốt giảm, dùng

để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa)

Cô đặc áp suất cao hơn thì khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất cao khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí

II Mục đích thí nghiệm

- Vận hành hóa được thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số của quá trình

- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng cho quá trình cô đặc gián đoạn

- So sánh năng lượng cung cấp cho quá trình theo lý thuyết và thực tế

- Xác định năng suất và hiệu suất của quá trình cô đặc

- Xác định hệ số truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ

III Cơ sở lý thuyết

3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch

- Nhiệt độ sôi của dung dịch là thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết

bị cô đặc

- Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất

- Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch trong thiết bị Trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp, càng xuống sâu nhiệt độ sôi càng tăng

3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn

- Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo 2 phương pháp sau:

- Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu

- Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ dạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch

ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới

3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng

3.3.1 Nồng độ

Nồng độ được sử dụng trong quá trình được xác định là khối lượng của chất tan so với khối lượng dung dịch, được biểu diễn dưới dạng:

𝑥̅ = mchất tan mdung dịch (kg/kg) Ngoài ra, nồng độ còn được xác định là khối lượng chất tan trong thể tích dung dịch, biểu diễn dưới dạng:

𝑐̅ = mchất tan vdung dịch (kg/m3)

Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:

𝑥̅ = 𝑐̅

𝜌𝑑𝑑

Với 𝜌dd là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

3.3.2 Cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:

Lượng chất vào + lượng chất phản ứng = lượng chất ra + lượng chất tích tụ

Đối với quá trình cô đặc

- Không có lượng tích tụ

- Không có phản ứng hóa học nên không có lượng phản ứng

Do đó phương trình cân bằng vật chất được viết lại:

Lượng chất vào = lượng chất ra

 Đối với chất tan:

Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra

Gđ.x đ = Gc.x c

Phương trình này giúp ta tính toán được khối lượng của dung dịch còn lại trong nồi đun sau quá trình cô đặc

 Đối với hỗn hợp:

Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + Khối lượng dung hơi thứ

Gđ = Gc + Gw

Phương trình này tính toán khối lượng dung môi đã bay hơi trong quá trình cô đặc

Trong đó:

Gđ: khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kg)

x đnồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun(kg/kg)

Gc: khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun(kg)

c

x : nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun(kg/kg)

Gw: khối lượng dung môi bay hơi(kg)

3.3.3 Cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:

Năng lượng mang vào = năng lượng mang ra + năng lượng thất thoát

Để đơn giản tính toán, chúng ta thường coi như không có mất mát năng lượng

 Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Qk1 = P1 τ1

Năng lượng dung dịch nhận được:

Q1 = Gđ.Cp.(Tssd – Tđ)

Cp = CH2O (1- 𝑥̅) Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp (Qk1 đặc trưng cho năng lượng mang vào,

Q1 đặc trưng cho năng lượng mang ra; bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt)

Qk1 = Q1

 Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Qk2 = P2.τ2

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Q2 = Gw iw

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Qk2 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q2

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:

Qngưng tụ = Gw rw = VH2O.pH2O .CH20 (Tr – Tv) τ2

Chú thích:

Qk1: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Qk2: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)

P1: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W)

P2: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W)

τ1: thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s)

τ2: thời gian thực hiện quá trình hóa hơi(s)

Q1: nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

Q2: nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)

iw: hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường

rw: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg)

(Tssd – Tđ): chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (0C)

(Tr – Tv): chênh lệch nhiệt độ củ nước ra và vào (0C)

VH2O: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m3/s)

pH2O: khối lượng riêng của nước (kg/m3)

CH20: nhiệt dung riêng của nước (J/kgK)

Cp: nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kgK)

IV Tiến hành thí nghiệm

4.1 Chuẩn bị thí nghiệm

4.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ

- Bật công tắc nguồn cấp cho tủ điện

- Kích hoạt bộ điều khiển bằng cách chuyển công tắc tổng sang vị trí 1, công tắc đèn hiển thị trắng sáng

- Kích hoạt mô hình thí nghiệm bởi công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ để kích hoạt

mô hình, lúc này đèn xanh sáng

- Bộ hiển thị số được cấp điện

- Mở van nguồn nước cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống

- Kiểm tra ống nhựa mềm dẫn nước giải nhiệt đầu ra được đặt đúng nơi quy định

- Mở van V9

- Kiểm tra áp suất hệ thống đạt được 1 bar

- Mở van V6 để lưu thông nước trong thiết bị ngưng tụ

4.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị

Trước khi thí nghiệm

- Nồi đun và thiết bị kết tinh được tháo hết và sạch

- Các van thoát được đóng: V2, V5, V8

- Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng và sạch

- Các van V3 và V4 đóng

Kết thúc thí nghiệm

- Tắt W1

- Khóa van VP1

- Đợi cho dung dịch trong nồi đun đạt đến nhiệt độ khoảng 30oC

- Khóa van nguồn nước giải nhiệt cấp cho thiết bị ngưng tụ ECH1

- Tháo hết dung dịch trong nồi đun qua van V2

- Tháo dung môi (nước) trong bình chứa hơi thứ

4.1.3 Chuẩn bị dung dịch

Chuẩn bị 8l dung dịch CuSO4 loãng (có thể pha mới theo yêu cầu giáo viên hướng dẫn)

Xác định nồng độ (g/l)

Xác định khối lượng riêng dung dịch

4.2 Tiến hành thí nghiệm

4.2.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch

- Cho dung dịch nồi đun khoảng 8 lít

- Khóa van V1, VP1

- Kích hoạt bộ gia nhiệt, điều chỉnh công suất lên 100%

- Chỉnh lưu lượng nước cho thiết bị ngưng tụ ECH1 với lưu lượng 80l/h

- Đo thời gian và quan sát dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đun đến khi dung dịch sôi, quan sát nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước giải nhiệt

- Đo nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đến khi dung dịch sôi

4.2.2 Giai đoạn bốc hơi dung môi

- Mở van VP1

- Giảm nhẹ công suất bộ gia nhiệt xuống 75% để giữ nhiệt ổn định nhiệt độ hiệu số giữa TI3

và TI5

- Ghi nhận thời gian thực hiện quá trình từ lúc bắt đầu cho đến khi lượng nước ngưng tụ được 2l thì dừng quá trình

- Đo nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- Quan sát nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun khi thực hiên quá trình

- Đo nồng độ dung dịch sau khi kết thúc quá trình

- Xác định khối lượng riêng của dung dịch sau khi quá trình cô đặc

V Bảng số liệu

Giai

đoạn

Nguồn gia nhiệt

nồi đun P(W)

Thời gian (phút)

TI1

(0C)

TI3

(0C)

TI5

(0C)

Vdd

(l)

Vdm

(l) Am

Nồng

độ (g/l) Q (l/h)

VI Xử lý số liệu

- Ban đầu

𝑇𝐼3 = 30𝑜𝐶 ⇒ 𝜌𝐻2𝑂 = 996 (kg/m3)

𝑑𝑏đ =𝑚𝐶𝑢𝑆𝑂4

𝑚𝐻2𝑂 =

560,1 549,84= 1,0187

⇒ 𝜌𝑏đ = 𝜌𝐻2𝑂 𝑑𝑏đ = 996 1,0187 = 1014,6252 (kg/m3)

- Lúc sau

𝑑𝑠 =𝑚𝐶𝑢𝑆𝑂4

𝑚𝐻2𝑂 =

563,32 549,84= 1,0245

⇒ 𝜌𝑠 = 𝜌𝐻2𝑂 𝑑𝑠 = 996 1,0245 = 1020,402 (kg/m3)

- Nồng độ chất tan trước và sau cô đặc

𝑥̅đ = 𝐶1

𝜌𝑏đ= 27,5

1014,6252 = 0,0271 (kg/kg)

𝑥̅𝑐 =𝐶2

𝜌 𝑠= 32,3

1020,402 = 0,0316 (kg/kg)

- Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun

Dung dịch CuSO4 nạp vào: 6 lít

𝐺đ = 𝜌𝑏đ 𝑉𝑏đ = 1014,6252 0,006 = 6,0877 (kg)

Ta có:

𝐺đ 𝑥̅đ = 𝐺𝑐 𝑥̅𝑐 ⇒ 𝐺𝑐 =𝐺đ 𝑥̅đ

𝑥̅ 𝑐 =6,0877.0,0271

0,0316 = 5,2207 (kg) Mặc khác:

𝐺đ = 𝐺𝑐+ 𝐺𝑤 ⇒ 𝐺𝑤 = 𝐺đ − 𝐺𝑐 = 6,0877 − 5,2207 = 0,867 (kg)

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình giai đoạn đun sôi

𝑄𝑘1 = 𝑃1 𝜏1 = 1000 (22.60) = 1320000 (J)

- Năng lượng dung dịch nhận được giai đoạn đun sôi

𝐶𝑝 = 𝐶𝐻2𝑂 (1 − 𝑥̅đ) = 4180 (1 − 0,0271) = 4066,722 (J/kg.K)

𝑄1 = 𝐺đ 𝐶𝑝 (𝑇𝑠𝑠𝑑− 𝑇đ) = 6,0877 4066,722 (86,7 − 30,8) = 1383915,379 (J)

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình giai đoạn bốc hơi:

𝑄𝑘2 = 𝑃2 𝜏2 = 1000 (95 60) = 5700000 (J)

- Năng lượng nước nhận được để bốc hơi trong giai đoạn bốc hơi:

𝑄2 = 𝐺𝑤 𝑖𝑤 = 0,867 2679 = 2322.693 (kJ) = 2322693 (J)

- Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

𝑄𝑛𝑔 = 𝐺𝑤 𝑟𝑤 = 𝑉𝐻2𝑂 𝜌𝐻2𝑂 𝐶𝐻2𝑂 (𝑇𝑟 − 𝑇𝑣) 𝜏2

Tính theo lý thuyết

𝑄𝑛𝑔 = 𝐺𝑤 𝑟𝑤 = 0,867 2679 = 2322.693 (kJ) = 2322693 (J)

Tính theo thực tế

𝑄𝑛𝑔ư𝑛𝑔 𝑡ụ = 𝑉𝐻2𝑂 𝜌𝐻2𝑂 𝐶𝐻2𝑂 (𝑇𝑟 − 𝑇𝑣) 𝜏2

3600.1000 996 4180 (33,4 − 30) (95.60) = 6723697,2(J) = 6723,6971 (kJ)

- Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ

Ta có:

 Nhiệt độ nồi đun là 93,1 ℃

 Nhiệt độ nước giải nhiệt vào 30℃

 Nhiệt độ nước giải nhiệt ra là 33,4℃

∆𝑡1= 93.1℃ - 30℃ = 63.1℃

∆𝑡2 = 93.1℃ - 33.4℃ = 59,7℃

Nên ∆𝑇𝑙𝑜𝑔 =∆𝑡1−∆𝑡2

𝑙𝑛∆𝑡1

∆𝑡2

=63,1 − 59,7

𝑙𝑛63,159,7 = 61,38℃

𝐾𝑙𝑡 = 𝑄𝑛𝑔

𝐹.∆𝑇𝑙𝑜𝑔 = 2322693

0,2 (61,38+273)= 34731,3386 (J/m2.K)

𝐾𝑡𝑛 =𝑄𝑛𝑔ư𝑛𝑔 𝑡ụ

𝐹.∆𝑇𝑙𝑜𝑔 = 6723697,2

0,2 (61,38+273)= 100539,7631 (J/m2.K)

VII Kết luận

- Năng lượng do nồi đun cung cấp để đun sôi dung dịch thì một phần được sử dụng còn một phần bị thất thoát nhiệt ra bên ngoài môi trường

- Nguyên nhân sai số khi tính toán cân bằng năng lượng và vật chất:

+ Thời gian giữa các lần đo bị chênh lệch

+ Nồng độ chất tan sau cô đặc tính được độ chính xác không cao

- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc liên tục hay gián đoạn Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng năng suất nhỏ và nhiệt năng không có gia trị kinh tế Quá trình cô đặc được sử dụng nhiều trong công nghệ đồ hộp để sản xuất cà chua cô đặc, sữa đặc…Trong quá trình cô đặc người ta thường sử dụng hơi nước bão

hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điễm sôi Khi đó nước sẽ từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Giáo trình hướng dẫn thực hành kỹ thuật thực phẩm - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM

[2] Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - truyền khối - Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM

[3] Sách kỹ thuật thực phẩm 2 - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Giáo trình hướng dẫn thực hành kỹ thuật thực phẩm- Trường đại học Công Nghiệp TP.HCM

[2[ Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt- truyền khối- Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia

TP HCM

[3] Sách kỹ thuật thực phẩm 2- Trường đại học Công Nghiệp TP.HCM