Vật lí thực phẩm Lecture on applied physics in food

VẬTT LÝ THỰC TH C PHẨM PH M Giảng viên: Trần Thị Định Bộ môn Công nghệ chế biến Khoa Công nghệ thực phẩm Chuyên đề 1: Giới thiệu khái niệm vật lý thực phẩm Chuyên đề 2: Cân vật chất, cân lượng Chuyên đề 3: Truyền khối ứng dụng CNTP Chuyên đề 4: Truyền nhiệt ứng dụng CNTP Chuyên đề 5: Vận chuyển chất lỏng Nguyễn Bin (2008) Các trình, thiết bị cơng nghệ hố chất thực phẩm Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Phạm Văn Vĩnh (1997) Cơ học chất lỏng ứng dụng Nhà Xuất Bản Giáo Dục Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú Cơ sở kỹ thuật nhiệt Nhà Xuất Bản Giáo Dục Fellows P (2000) Food processing technology 2nd ed CRC Press, New York, US Welti-Chanes J., Velez-Ruiz J.F., Barbosa-Canovas V.G (Editors) (2003) Transport phenomena in food processing 2nd ed CRC Press, New York, US Cengel Y A., Boles M A (2002) Thermodynamics: an engineering approach 4th ed Mc Graw Hill, New York, US Chuyên đề 1: Các khái niệm vật lý thực phẩm Khái niệm Hệ đơn vị I Khái niệm 1.1 Các trình • Nóng chảy đơng đặc – – – • Hóa ngưng tụ – – – • Nóng chảy trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng Đơng đặc q trình chuyển từ pha lỏng sang pha rắn Với H20: r = 333,37 kJ/kg Hóa trình chuyển từ pha lỏng sang pha Ngưng tụ trình chuyển từ pha sang pha lỏng Với H20: r = 2258 kJ/kg Thăng hoa ngưng kết – – – Thăng hoa trình chuyển từ pha rắn sang pha Ngưng kết trình chuyển từ pha sang pha rắn Với H20: r = 2828,18 kJ/kg I Khái niệm A B Đồ thị pha nước Phương trình Clausius - Clapeyron dP r = dT T ⋅ ∆V Đồ thị áp suất nhiệt độ nước I Khái niệm 1.2 Các thơng số trạng thái • Nhiệt độ – – Là tính chất vật lý vật chất, đặc trưng cho mức độ nóng hay lạnh vật thể đơn vị đo nhiệt độ thường dùng kỹ thuật o • Áp suất – – C K = o C + 273 o o F = C ∗ + 32 Là lực tác dụng thẳng góc lên đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc: P = F / S Pa = 1N/m2 = 10-5 bar = 7.5*10-3 mmHg = 1.02*10-4 mH2O P = Pdu + Pa Pck = Pa − P P: áp suất tuyệt đối; Pdư: áp suất dư Pa: áp suất khí quyển; Pck: áp suất chân khơng I Khái niệm • Nội (U) – Là tổng nội động chuyển động hỗn loạn nguyên tử hay phân tử chứa vật nội liên kết phân tử, tính hệ quy chiếu gắn với khối tâm vật hay hệ vật lý • Enthalpy (H) – Là hàm trạng thái nhiệt động hệ, hệ nhiệt động trao đổi nhiệt cơng với mơi trường xung quanh – H = U + pV; U nội năng, p - áp suất V - thể tích • Entropy (S) – Là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt động hệ – Đối với trình thuận nghịch, dS = dQ/T; dQ lượng nhiệt trao đổi trạng thái hệ thay đổi vô nhỏ nhiệt độ T – Đối với trình không thuận nghịch S hệ tăng Biểu đồ P-H hơii (steam diagram) I Khái niệm Subcooled Liquid Superheated Vapors C A B Mixture of Liquid & Vapors Y D I Khái niệm 1.3 Các trạng thái nước • Nước bão hịa (nước sơi) – – • Hơi bão hịa khơ – • Là nước bắt đầu q trình hóa kết thúc ngưng tụ Là phần nước tồn với Là trạng thái bắt đầu ngưng tụ, vừa hóa xong Hơi bão hịa ẩm – – – Là hỗn hợp bão hịa khơ nước bão hịa (nước sơi) Tỷ số khối lượng bão hịa khơ bão hịa ẩm gọi độ khô Tỷ số khối lượng nước sôi với bão hòa ẩm gọi độ ẩm bão hòa ẩm II Biểu diễn thành phần pha Bài tập • Đề : cho dung dich axit axetic nồng độ 10% khối lượng nước điều kiện chuẩn Hãy xác định nồng độ phần mol tỷ số mol axit Bài tập • Đề bài: Nồng độ phần mol hỗn hợp khí buồng bảo quản CA cho táo 1oC 105 Pa sau: O2: 2%; CO2: 3%; N2: 95% Tính: a) Nồng độ phần khối lượng loại khí b) Khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp khí c)Tỷ khối hỗn hợp khí d) Áp suất riêng phần khí thành phần II Biểu diễn thành phần pha 2.2 Tốc độ khuyếch tán (velocity) dC i • Là thay đổi lượng vật chất theo thời gian: vi = dt • Hỗn hợp có hai cấu tử A, B • Tốc độ khuyếch tán khối lượng: uA = vA − v u B = vB − v v = x A v A + x B v B • Tốc độ khuyếch tán mol: u A = vA − v u B = vB − v v = x A v A + x B v B II Biểu diễn thành phần pha 2.3 Thơng lượng (flux) • Thơng lượng: lượng vật chất qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian • Hỗn hợp có hai cấu tử A, B – – – – – Thông lượng mol cấu tử A: N A = C A v A = C A (ν A − ν ) + x A N Thông lượng mol cấu tử B N B = CB vB = C B (ν B − ν ) + x B N Thông lượng mol hỗn hợp N = N A + N B Thông lượng khuyếch tán mol cấu tử A: J A = C A u A Thông lượng khuyếch tán mol cấu tử B : J B = C B u B J A =− JB III Cân pha 3.1 Khái niệm • Giả thiết có pha Фx Фy, cấu Y M tử M phân bố chúng At t = 0, yM xM = 0, y • Khi chưa cân xảy trình khuyếch tán cấu tử hai pha để đưa hệ trạng thái cân dC • Ở trạng thái cân bằng: v = =0 Y X XM X* dt • Tại điều kiện xác định tồn mối quan hệ cân nồng độ cấu tử hai pha biểu diễn đường cân III Cân pha Gọi x* y* nồng độ cân M Φx Φy: x* = f(yM) y* = f(xM) Giới hạn trình truyền khối hệ đạt trạng thái cân • Chiều khuyếch tán cấu tử tuân theo quy luật:  Giới hạn trình truyền khối hệ đạt trạng thái cân  Chiều khuyếch tán cấu tử tuân theo quy luật: - Nếu y < ycb: vật chất chuyển từ pha Fx vào pha Fy - Nếu y > ycb: vật chất chuyển từ pha Fy vào pha Fx III Cân pha 3.2 Quy tắc pha • Cho phép xác định thay đổi yếu tố mà cân không bị phá hủy C = k −φ + n C : số bậc tự Φ : số pha hệ k : số cấu tử độc lập hệ n : số yếu tố bên ảnh hưởng lên cân hệ • Đối với QT truyền khối, n = (T, P) C = k −φ + III Cân pha 3.3 Các định luật cân pha • Định luật Henry: – Áp suất riêng phần p khí chất lỏng tỷ lệ với phần mol x dung dịch p i = H ⋅ xi – Gọi y* nồng độ cân i hỗn hợp có áp suất chung P: pi = P ⋅ yi * – Phương trình đường cân bằng: H y* = x P pi: áp suất riêng phần cấu tử i hỗn hợp P: áp suất chung hỗn hợp H: số Henry x: phần mol x cấu tử dung dịch ! Định luật Henry với chất khí, thường áp dụng tính tốn q trình hấp thụ III Cân pha • Định luật Raoult: – Áp suất riêng phần cấu tử dung dịch áp suất bão hòa cấu tử (ở nhiệt độ) nhân với nồng độ phần mol cấu tử dung dịch pi = Pbh ⋅ xi – Gọi y* nồng độ cân i hỗn hợp có áp suất chung P: pi = P ⋅ yi * bh bh Theo định luật Dalton: P = p1 + p2 = p1 x + p2 (1 − x) – – Phương trình đường cân bằng: bh bh PT cân với dung dịch lý tưởng, thường áp dụng tính tốn q trình chưng luyện α x y* = + x(α − 1) ! p α= p IV Cơ chế trình truyền khối Bề mặt phân pha nhân màng nhân Sơ đồ tiếp xúc hai pha IV Cơ chế trình truyền khối 4.1 Truyền khối khuyếch tán phân tử • Là dịch chuyển vật chất mức độ phân tử để đạt đến trạng thái cân nồng độ chất pha • Xảy lớp màng chế độ chuyển động dòng, nhờ tiếp xúc phân tử tác dụng tương hỗ chúng • Xảy chậm, định tốc độ cho QT khuyếch tán • Động lực chênh lệnh nồng độ, khuyếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp IV Cơ chế trình truyền khối • Truyền khối • Cân IV Cơ chế trình truyền khối 4.1.1 Khuyếch tán ổn định • Nồng độ khơng thay đổi theo thời gian điểm • Mơ tả định luật Fick: ∂C i J i = − Dim ∂z Ji: thông lượng cấu tử i (mol/cm2.s) theo hướng z (m) Ci: nồng độ cấu tử i (mol/m3) Dim: hệ số khuyếch tán i hỗn hợp (m2/s) D: 5.10-6 – 10-5 (m2/s) khí , 10-10 – 10-9 (m2/s) chất lỏng, 10-14 – 10-10 (m2/s) chất rắn • Giả thiết: C, T, p hỗn hợp = cte • Thường áp dụng trình chế biến bảo quản thực phẩm IV Cơ chế q trình truyền khối 4.1.2 Khuyếch tán khơng ổn định • Nồng độ thay đổi theo thời gian khơng gian • Mơ tả định luật Fick: ∂C i ∂ 2Ci = Dim ∂t ∂z Dim: hệ số khuyếch tán i hỗn hợp (m2/s) Ci: nồng độ cấu tử I (mol/m3) t: thời gian (s) z: vị trí cấu tử (m) • Định luật nhận từ định luật cân vật chất ∂C i ∂ Ci ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = − J = ( Dim C i ) = Dim C i = Dim ∂t ∂z ∂z ∂z ∂z ∂z ∂z IV Cơ chế trình truyền khối 4.2 Truyền khối đối lưu • Đối lưu tự nhiên: chênh lệnh nồng độ mật độ (biến đổi nhiệt độ, áp suất) • Đối lưu cưỡng bức: tác dụng ngoại lực (bơm, máy nén) • Xảy nhân pha chế độ chuyển động xốy • Xảy nhờ xáo trộn phân tử dòng V Động lực q trình truyền khối • Là hiệu số nồng độ làm việc nồng độ cân • Có thể tính theo nồng độ pha Фx pha Фy ∆ y = y* - y hay ∆ y = y – y* y y ∆ x = x* - x hay ∆ x = x – x* y*=f(x) y*=f(x) ! + Động lực đại lượng biến thiên từ đầu đến cuối trình + Chất phân bố vào pha có nồng độ thấp nồng độ cân (x) g = y y x (x) y=g x Y x Y ) g(x Y= ) g(x = Y X Y Y*=f(x) Y*=f(x) X X Sơ đồ biểu diễn động lực trình truyền khối ... System boundary input system output • For steady-state continous process: accumulation = Input + generation = output + consumption • If no chemical reaction: Input = output I Cân vật chất (mass... 2: Cân vật chất, cân lượng Cân vật chất Cân lượng Bài tập ứng dụng I Cân vật chất (mass balance) • General mass balance equation: Input + generation − output − consumption = accumulation System... tách tinh dầu, tinh chế protein, lọc nước… – Kết tinh (cystallization): trình tách chất rắn dung dịch, vật chất từ pha lỏng vào pha rắn • VD: kết tinh đường từ mật mía, – Hịa tan (dissolution):