thực hành kỹ thuật thực phầm về cô đặc

ĐỊNH NGHĨA VỀ 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 gọi là hơi thứ.. Cô đặc l

BÀI 1: CÔ ĐẶC (THIẾT BỊ CÔ ĐẶC GIÁN ĐOẠN MỘT NỒI) PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

1.1.2 ĐỊNH NGHĨA VỀ 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 gọi là hơi thứ

Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không bay hơi rong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh

1.1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC

Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

 Cô đặc ở áp suất khí quyển: Là phương pháp đơn giản nhưng không kinh 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

1.1.4 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 (nước cất)

1.1.5 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG GIÁN ĐOẠN

 Ưu điểm:

 Dễ vận hành, thao tác dễ dàng

 Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi do dung dịch sôi ở nhiệt độ thấp hơn

 Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng

 Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau

 Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch

 Cấu tạo đơn giản giá thành thấp

 Nhược điểm:

 Quá trình cô đặc không ổn định do nhiệt độ và áp suất không ổn dịnh, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian

 Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác

 Khó giữ được độ chân không trong thiết bị

1.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI

Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:

W G

G đ  c 

c c đ

G  (theo hàm lượng chất khô trong dung dịch)

Trong đó:

Gđ – Khối lượng nguyên liệu, [kg]; kg/s

Gc – Khối lượng sản phẩm, [kg]; kg/s

W – Lượng hơi thứ, [kg]; kg/s

xd – Nồng độ chất khô trong nguyên liệu, [phần khối lượng]

xc – Nồng độ chất khô trong sản phẩm, [phần khối lượng]

Lượng hơi thứ trong quá trình cô đặc



c

đ đ

x

x G

Nồng độ sản phẩm cuối

W G

x G G

x G

x

đ

đ đ c

đ đ c





1.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI

Theo định luật bảo toàn nhiệt

7 6 5 4 3

2 1

Q Q Q Q Q Q

Q Q Q

Q Q

r

v

r v





















Trong đó:

Q1: Nhiệt do dung dịch mang vào

Q2: Nhiệt do nước nóng cung cấp

Q3: Nhiệt do dung dịch sau cô đặc mang

ra

Q4: Nhiệt do hơi thứ mang ra

Q5: Nhiệt do nước ngưng mang ra

Q6: Nhiệt do quá trình cô đặc

Q7: Nhiệt tổn thất ra môi trường

→ G đ c đ t đ + D.C 80 t 80 = G c c c t c + W.i’ + D.c n t n + Q cđ + Q mt

Với:

tđ : Nhiệt độ nguyên liệu, [độ]

tc ; Nhiệt độ sản phẩm, [độ]

tn : Nhiệt độ nước ngưng, [độ]

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 thứ, [J/kg]

C80: nhiệt dung riên của nước ở 80°C

Lượng nước nóng dùng để cấp nhiệt cho nồi

80 80

'

t C

Q Q t c G t c G i W

Tính bề mặt truyền nhiệt

Theo phương trình truyền nhiệt.

Q = K.F..hi = D.(i - cn.tn).

Trong đó :

Q: lượng nhiệt truyền, [J]

K: Hệ số truyền nhiệt,[ W/m2.độ]

F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m2]

: Thời gian cô đặc,[s]

hi : Hiệu số nhiệt độ hữu ích , [độ]

Rút ra bề mặt truyền nhiệt :

,

) (

hi

n n t K

t c i D F





1.4 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC GIÁN ĐOẠN MỘT NỒI

Trong đó:

1 Nồi cô đặc 2 vỏ có cánh khuấy.

2 Thiết bị ngưng tụ ống xoắn.

3 Bình chứa nước ngưng tụ.

4 Bình chứa nước dùng cho bơm chân không.

5 Bơm chân không.

6 Máy khuấy trộn

7 Áp kế đo áp suất chân không.

8 Hệ thống điện.

PHẦN II: XỬ LÝ SỐ LIỆU

8

1

5

7

3

2

433

6

Bảng số liệu thí nghiệm.

Thời

gian

(phút)

Nồng độ

dung dich (Brix)

Lượng nước ngưng

V (ml)

Nhiệt độ nước vào t v

( 0 C)

Nhiệt độ nước ra

t r ( 0 C)

Nhiệt độ nước ngoài vỏ

t ng ( 0 C)

Nhiệt độ

dd t dd

( 0 C)

Nhiệt độ hơi thứ

t ht ( 0 C)

Thể tích dung dịch sau quá trình cô đặc thu được là:

V c = 1350 (ml) Đo ở nhiêt độ phòng

Bx = 68.5

1 Tính khối lượng dung dịch đường nhập liệu:

Dòng nhập liệu là dung dịch đường có nồng độ chất khô là 14.5 Bx được pha từ 1kg đường saccharose 99.85 Bx và dung môi là nước

khối lượng dòng nhập liệu:

Gd=mH2O+msaccharose

msaccharose 99.85 14.5

14.5

mH2O 0 85.35

35

.

85

5

14

2



O

H

sac

m

m

) ( 886 5 5 14

35 85

*

1

m H O  

suy ra

G d = m H2O + m saccharose = 5.886+1= 6.886 kg

Thể tích dung dịch nhập liệu ( Vđ)

ta có Gđ = Vđ.đ (kg)

 V đ = G đ : đ = 6.886 :1.05598 = 6.523 (l)

2 Tính lượng dung dịch đường thực tế sau quá trình cô đặc:

G c =V c *c = 1.350 * 1.33681 = 1.805 (kg)

Trong đó:

Gc : Thể tích dung dịch đường thu được sau quá trình thực nghiệm

c : Khối lượng riêng của dung dịch đường ở 68.5 Bx

3 Tính lượng nước ngưng thực tế trong quá trình cô đặc:

W* = V ngưng ngưng ( kg)

V ngưng = 0 + 560 +665 + 680 + 550 + 615 + 450 + 635 + 310

= 4465 (ml) = 0.004465 (m 3 )

W* = 0.004465 * 995.68 = 4.446 (kg)

Trong đó:

Vngưng : Tổng thể tích nước ngưng thu được trong suốt quá trình thực nghiệm

ngưng : Khối lượng riêng nước ngưng ( kg/m3)

( Nước ngưng tra ở 30oC) ngưng =995.68

sử lượng nước ngưng thực tế không thất thoát vàbằng với lượng nước ngưng theo lí thuyết thì ta mới tính được sai số x c .( lúc này sai số giữa nước ngưng thực tế và nước ngưng lí thuyết =0)

Với W=W*

Ta có Gc=Gđ-W , Xc=Gđ* Xđ/Gc

Gc=6.886 – 4.446 = 2.44 (kg)

X c = 6.886 * 14.5 : 2.44 = 40,92 (Bx)

4 Tính sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm:

+ Nồng độ cuối của quá trình

*

c

c c

x x

92 40

5 68 92

40 



= 67.39%

Trong đó

c

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

*

c

x : Nồng độ chất khô trong sản phẩm cô đặc theo thực tê đo bằng Bx kế, [phần khối lượng]

Giải thích kết quả sai số.

 Sai số của nồng độ tương đối lớn giữa thưc tế và lí thuyết nguyên nhân do quá trình thao tác lấy mẫu làm thất thoát lượng lớn dung dịch trong quá trình lấy mẫu

lượng nước ngưng W và sai số(lúc này sao số của nồng độ lí thuyết và thực tế=0)

Ta có Xc = Xc* , W = Gđ(1-Xđ/Xc), Gc = Gđ*Xđ/Xc

+ Lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc:

100

%

*

W

W W

Trong đó W : Lượng hơi thứ theo lý thuyết, [kg]; kg/s

W*: Lượng hơi thứ theo thực tế, [kg]; kg/s

5 Tính năng lượng và các đại lượng chưa biết

+ 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.tn

Với: Cn là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở 30°C = 4200j/kg.độ

tn là nhiệt độ nước ngưng tụ =30°C

Bảng kết quả tính cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ

SST W (kg)

Nhiệt ngưng tụ

r (j/kg) *

Nhiệt độ hơi thứ

t ht ( 0 C)

Lượng nhiệt ngưng

tụ Q nt

Nhiệt độ nước vào

t v ( 0 C)

Nhiệt độ nước ra

t r ( 0 C)

Lưu lượng nước G n

+ 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:

x t

c 4190  ( 2514  7 542 ) *

Trong đó: t là nhiệt độ của dung dịch (0C)

x là nồng độ của dung dịch (%)

+ Q1 = Gđ.Cđ.tđ : nhiệt do dung dịch mang vào

+ Q2 = Gn.Cn.tn: nhiệt do nước nóng cung cấp

+ Q3 = Gc.Cc.tc: nhiệt lượng do dung dịch đường mang ra

+ Q4 = W.i’: nhiệt do hơi thứ mang ra

+ Q5 = Gn.Cn.tn’: nhiệt còn lại sau khi làm nóng dung dịch đường

+ Q6 = Qcđ: nhiệt do quá trình cô đặc

+ Q7 = Qmt nhiệt tổn thất ra môi trường

6 Vẽ đồ thị :

+ Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số Bx với thời gian cô đặc

Thời gian

Nồng độ

(Bx)

14

20

8

24

5

30

56 5

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

ngưng (ml)

PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ GIẢI THÍCH.

Thiết bị cô đặc chân không 1 nồi sử dụng trọng thí nghiệm cô đặc, giúp chúng ta thực hành và hiểu về qui trình cũng như cách vận hành của thiết bị cô đặc Đây là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, nhờ làm việc trong môi trường chân không, nên nhiệt độ sôi của dung dịch đường

giảm, làm giảm sự hao phí nhiệt năng và giúp cho sản phẩm không bị biến tính khi ở nhiệt độ cao

Tuy nhiên, trong quá trình thí nghiệm đã mắc phải những sai số lớn Do những nguyên nhân sau:

 Cách vận hành thiết bị chưa đúng làm ảnh hưởng tới nhiệt độ của dung dịch

 Bảng thông số của thiết bị không ổn định vì nhiều yếu tố bên ngoài tác động

và do chủ quan dẫn đến việc đọc thông số không chính xác

 Thao tác thí nghiệm còn chậm chưa chính (vd: mở hoặc đóng nhầm valve)

 Việc làm tròn số khi tính toán

 Những sai số sẵn có trong thiết bị (vd: do thiết bị hoạt động không ổn định hoặc thiết bị vệ sinh chưa sạch

 Lấy nước ngưng bằng ống đong cho kết quả tương đối

Với qui mô phòng thí nghiệm, nên việc sai sót là không thể tránh khỏi tuy nhiên để giảm hạn chế những sai sót ảnh hưởng đến kết quả sinh viên cần nắm vững kiến thức trước khi thí nghiệm, và đảm bảo thiết bị đã sẵn sàng để thiết bị hoạt động tốt nhất (vd: vệ sinh thiết bị, vận hành thiết bị trước để đạt nhiệt độ và áp suất yêu cầu của bài)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa học tập 1.NXB đại học quốc gia thành Phố Hồ Chí Mimh

2 Thực hành kĩ thuật thực phẩm Trường đại học công nghiệp Thực Phẩm thành Phố Hồ Chí Mimh

3 Thực hành công nghệ sản xuất nước giải khát Trường đại học công nghệ thực phẩm tp HCM

4 Quá trình và thiết bị truyền nhiệt Tập 5 Trường đại học quốc gia thành Phố Hồ Chí Mimh