SẤY ĐỐI LƯU
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1 Khái niệm chung a Sấy là gì?
Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu, thông qua các phương pháp như dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ Mục đích chính của quá trình sấy là giảm lượng nước có trong sản phẩm, từ đó cải thiện chất lượng, bảo quản lâu dài và tăng giá trị sử dụng của vật liệu.
Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng vật liệu, giảm ẩm, giảm ẩm, tăng độ bền và bảo quản được tốt.
2 Tĩnh lực học quá trình sấy a Các thông số hỗn hợp không khí
- Nhiệt độ: Gồm 3 loại: tK, tƯ, tS.
tK: Nhiệt độ bầu khô là nhiệt độ của hỗn hợp không khí được xác định bằng nhiệt kế thông thường
Nhiệt độ bầu ướt là nhiệt độ ổn định đạt được khi nước bốc hơi vào không khí chưa bão hòa, được đo bằng nhiệt kế có bọc vải ướt ở bầu thủy ngân.
tS: Nhiệt độ điểm sương, nhiệt độ ở trạng thái bão hòa hơi nước.
d: Là độ chứa hơi, là số kg ẩm có trong 1 kg không khí khô của không khí chưa bảo hòa hơi nước (kẩm/kgkkk).
A: là độ ẩm cực đại là số kg ẩm có trong 1 kg không khí khô của không khí bảo hòa hơi nước (kgẩm/kgkkk).
: Độ ẩm tương đối hay gọi là độ bảo hòa hơi nước = d/A(0% 100%).
- Áp suất: Gồm P, Pbh, Pb, Ph.
P: Áp suất tổng của không khí (mmHg).
Pbh: Áp suất hơi bảo hòa của nước ở cùng nhiệt độ bầu khô (mmHg).
Ph: Áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu (mmHg).
Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ bầu khô Áp suất riêng phần hơi nước trong tác nhân sấy và độ ẩm tương đối là: d=0,622 P bh
H: Là ENTAPI của hỗn hợp không khí ẩm, là nhiệt lượng của hỗn hợp không khí ẩm trong đó có chứa 1 kg không khí khô b Cân bằng vật chất trong thiết bị sấy
Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm của vật liệu được xác định qua hai khái niệm chính Đầu tiên, độ ẩm vật liệu trên căn bản vật liệu ướt được ký hiệu là x (kgẩm/kgvlư), được tính bằng công thức x = L1 - L0, trong đó L1 là trọng lượng của vật liệu ướt và L0 là trọng lượng của vật liệu khô.
L 1 ∗100 % (%kgẩm/kgvlư) X: Độ ẩm vật liệu trên căn bản vật liệu khô (kgẩm/kgvlk).
- Các phương trình cân bằng vật chất:
Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
Lượng vật liệu trước khi sấy:
Lượng vật liệu sau khi sấy:
Lượng ẩm cần tách trong quá trình sấy:
Lượng không khí khô cần trong quá trình sấy:
2−d 1 (kg, kg/s) Lượng không khí ẩm cần làm bay hơi 1kg ẩm: g = W G = d 1
Trong quá trình sấy, độ ẩm của vật liệu được xác định bằng x1 và x2, tương ứng với độ ẩm trước và sau khi sấy, tính theo vật liệu ướt Độ ẩm tác nhân ban đầu và sau khi đun nóng được ký hiệu là d0 = d1, trong đó không có sự tách ẩm hay tăng ẩm xảy ra Độ ẩm tác nhân ra, tức là độ ẩm sau khi loại bỏ hơi ẩm từ vật liệu, được ký hiệu là d2 Cuối cùng, việc cân bằng năng lượng là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Nhiệt lượng cần thiết làm bay hơi 1 kg ẩm trong quá trình sấy theo lý thuyết: q c =H 2 −H 0 d 2 −d 0 =g(H 2 −H 0 )
3 Động học quá trình sấy a Các định nghĩa
- Tốc độ sấy: Là lượng ẩm bay hơi trên 1m2 vật liệu sấy trong một đơn vị thời gian.
Thời gian sấy là khoảng thời gian từ khi bắt đầu đun nóng vật liệu cho đến khi đạt được độ ẩm mong muốn, có thể là độ ẩm bảo quản hoặc một mức độ ẩm cụ thể nào đó Quá trình sấy diễn ra qua nhiều giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn đều có vai trò quan trọng trong việc loại bỏ độ ẩm và đảm bảo chất lượng của vật liệu.
Người ta chia các quá trình sấy ra làm các giai đoạn:
- Giai đoạn tăng tốc: Giai đoạn đun nóng vật liệu nhiệt độ vật liệu tăng lượng ẩm bay hơi chậm.
Giai đoạn sấy đẳng tốc là giai đoạn trong quá trình sấy mà vật liệu bay hơi đều với tốc độ không đổi theo thời gian Trong giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy không tăng và duy trì ở mức bằng nhiệt độ của vật liệu ướt.
- Giai đoạn giảm tốc: Nhiệt độ vật liệu sấy tăng lượng ẩm bay hơi chậm dần. c Tính tốc độ sấy:
Tốc độ sấy kí hiệu N:
N = S dt dW hay dW = S.Ndt
Trong đó: W1, W2: Là lượng lượng ẩm bay ra ở thời điểm 1 và 2. t1, t2: Là thời gian sấy từ giai đoạn 1 đến giai đoạn 2.
Thời điểm mới bắt đầu sấy lượng ẩm bay ra là 0 (kg)
Giai đoạn tăng tốc: NTT = S ∆t W TT
Giai đoạn đẳng tốc: NĐT = S ∆t W DT
Giai đoạn giảm tốc: NGT = S ∆t W ¿ ¿ d Tính thời gian sấy
X (kgẩm/kg vật liệu khô)
Thời gian sấy tính toán lý thuyết của từng giai đoạn được tính bằng công thức: t = N S W
Trong thực tế để xác định được thời gian sấy cho từng loại vật liệu ta phải làm thí nghiệm mới có kết quả chính xác. e Giản đồ sấy :
Do sự khác biệt trong điều kiện sấy ở từng trường hợp, có nhiều loại thiết bị sấy khác nhau Điều này dẫn đến việc phân loại sấy theo nhiều cách khác nhau.
Thiết bị sấy được phân loại dựa vào tác nhân sấy, bao gồm sấy bằng không khí, sấy bằng khói lò, và các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại, hay sấy bằng dòng điện cao tần.
- Dựa vào áp suất làm việc: Thiết bị sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường.
- Dựa vào phương thức làm việc: Sấy liên tục hay sấy gián đoạn
- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: Thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ.
- Dựa vào cấu tạo thiết bị: Phòng sấy, hầm sấy, sấy bang tải, sấy trục, sấy thùng quay, sấy phun, sấy tầng sôi
- Dựa vào chiều tác động của tác nhân sấy và vật liệu sấy:Cùng chiều, nghịch chiều và giao chiều.
Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị sấy
THÍ NGHIỆM
Hình 1.2: Số liệu thực nghiệm quá trình sấy đối lưu
- Dài = 33,2cm và Rộng = 25,6cm S = 849,92 cm 2
Bảng 1.1: Bảng số liệu thô thu được khi sấy ở nhiệt độ 50 0 C
Bảng 1.2: Bảng số liệu thô thu được khi sấy ở nhiệt độ 60 0 C
- Độ ẩm vật liệu tính trên căn bản vật liệu khô (%kg ẩm/kg vật liệu khô)
- Độ ẩm vật liệu vào lúc t = 0 phút ở nhiệt độ 50 o C là:
0,080 100 %=7,5 % Tương tự ta có độ ẩm vật liệu trong các khoảng t=5, t, t, t ở nhiệt độ 50 o C và 60 o C ở các bảng 1.3 và bảng 1.4.
Ta có tốc độ sấy tại t = 5 phút là:
Bảng 1.3: Các thông số và công thức tính toán cho chế độ sấy ở nhiệt độ 50 o C t
(kg) Wi (%) N=dw/ dt (%/h) TKtb Tưtb Pb
Bảng 1.4: Các thông số và công thức tính toán cho chế độ sấy ở nhiệt độ 60 o C t
N=dw/ dt (%/h) TKtb Tưtb Pb
Pb (mmHg): Áp suất riêng phần hơi ẩm trên bề mặt vật liệu điều kiện đoạn nhiệt.
Ph (mmHg): Áp suất hơi ẩm trong tác nhân sấy (được tra trên giản đồ không khí ẩm).
Do sự giới hạn của giản đồ nên khi nhiệt độ quá 50 o C thì P sẽ được cho bằng 85 mmHg.
Trong đó: Jm: cường độ ẩm
B: áp suất phòng sấy am: hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất (kg/ m 2 h.mm.Hg) am= 0,0229+0,0174.Vk
Vk : Tốc độ khí trong phòng sấy ( chọn Vk = 1.6 (m/s)
Tốc độ sấy đẳng tốc
Trong đó: W1: độ ẩm ban đầu khi sấy(%)
Wc: độ ẩm cân bằng = 3%
Thời gian sấy đẳng tốc:
Trong đó: Jm : Cường độ ẩm.
B: Áp suất phòng sấy; B = 760mmHg. am : Hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất (kg/ m2.h.mmHg) am = 0.0229 + 0.0174.Vk
Vk : Tốc độ khí trong phòng sấy ( chọn Vk = 1.6 (m/s)
Tốc độ sấy đẳng tốc
Trong đó: W1 : Độ ẩm ban đầu trước khi sấy(%)
Wc : Độ ẩm cân bằng = 3%.
Thời gian sấy đẳng tốc:
∆ T sây =| T sấy T −T sấy (¿) sấy (tn) | 100 = | 0,025− 0,025 20 60 |.10033,3(%)
∆ w th =| W th ( ¿ W ) − th(¿) W cuoi(tn) | 100= | 9,25−0 9,25 | 100=1(%)
∆ N dt =| N dt ( ¿ N ) − dt ∆ ( ¿ ) dt ( tn ) | 100= | 778−51,762 778 | 100= 93,5 ( %)
∆ T sây =| T sấy W −W sấy (¿) sấy(tn) | 100= | 0,82− 0,82 20 60 | 100 Y,3( %)
∆ w th =| W th ( ¿ W ) − th(¿) W cuoi(tn) | 100= | 20,26− 20,26 4,05 | 100 ,0 (% )
∆ N dt =| N dt ( N ¿ ) − dt(¿) ∆ dt (tn) | 100= | 131,7 131,7 −81,06 | 100 8,5(% )
Nhiệt độ 50 0 C Đồ thị biểu diễn độ ẩm của vật liệu theo thời gian (W-t)
Thời gian (phút) Độ ẩm (%)
Tốc độ sấy (%/h) Đồ thị biểu diễn tốc độ sấy vật liệu theo độ ẩm (N-W)
Thời gian (phút) Độ ẩm (%) Đồ thị biểu diễn độ ẩm của vật liệu theo thời gian (W-t)
Tốc độ sấy (%/h) Đồ thị biểu diễn tốc độ sấy vật liệu theo độ ẩm (N-W)
KẾT LUẬN
- Đồ thị W-τ là một đường cong.
- Độ ẩm của vật liệu giảm dần theo thời gian.
- Đồ thị đường cong tốc độ sấy khác biệt khá nhiều so với lí thuyết do sai số
- Đường đẳng tốc không rõ ràng.
2 Kết quả thí nghiệm: có sai số
- Thời gian sấy chưa chính xác.
- Các thao tác kỹ thuật trong quá trình thí nghiệm chưa tốt.
- Các sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu.
- Cần nắm rõ các thao tác kỹ thuật trước khi làm thí nghiệm.
- Dùng đồng hồ và cố gắng canh chỉnh thời gian chính xác nhất có thể.
- Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu.
Dựa trên các thông số thu thập từ quá trình thí nghiệm, chúng ta có thể tính toán những giá trị quan trọng liên quan đến quá trình sấy Tuy nhiên, do những sai sót trong thiết bị cũng như các lỗi trong quá trình thực hiện và tính toán, kết quả thu được có sự chênh lệch đáng kể so với mong đợi Việc kéo dài thời gian sấy đã giúp thu thập thêm nhiều giá trị, từ đó giảm thiểu sai số khi thời gian sấy bị kéo dài quá mức.
TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
1 Định nghĩa quá trình sấy đối lưu
Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò,
2 Truyền nhiệt và truyền ẩm bằng phương pháp đối lưu
Là quá trình các phân tử chất lỏng hoặc chất khí nhận nhiệt rồi đổi chỗ cho nhau.
Gồm có 3 giai đoạn sấy:
- Giai đoạn đun nóng vật liệu.
- Giai đoạn sấy đẳng tốc.
- Giai đoạn sấy giảm tốc.
- Truyền nhiệt cho vật liệu.
- Dẫn ẩm trong lòng vật liệu.
- Tách ẩm vào môi trường xung quanh.
5 Một vài loại thiết bị sấy
- Thiết bị sấy băng tải.
- Thiết bị sấy thăng hoa.
- Thiết bị sấy tầng sôi.
- Thiết bị sấy bức xạ - đối lưu.
- Thiết bị sấy điện cao tần.
- Thiết bị sấy khí động (hay còn gọi là thiết bị sấy khí thổi).
6 Các thông số cần đo trong quá trình thí nghiệm
Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt và thời gian.
Tiến hành sấy miếng vải ở nhiệt độ 50°C bằng cách đặt vật liệu vào buồng sấy Ghi nhận các giá trị thí nghiệm như khối lượng, nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt Tiếp tục ghi nhận giá trị sau mỗi 5 phút cho đến khi khối lượng vật liệu không thay đổi trong 20 phút, sau đó dừng thí nghiệm.
8 Cách thức tiến hành thí nghiệm
Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm:
- Xác định khối lượng vật liệu khô ban đầu (G0) của vật liệu:
- Mở cửa buồng sấy ra, đặt cẩn thận.
Để làm ẩm vật liệu, sau khi đã cân xong, nhẹ nhàng nhúng vật liệu vào chậu nước khoảng 30 giây để nước thấm đều Sau đó, lấy vật liệu ra, để ráo nước và xếp vào giá Đừng quên chuẩn bị đồng hồ đeo tay để đo thời gian.
Lắp lại cửa buồng sấy.
Mở hết các van của hai cửa khí vào ra.
Châm đầy nước vào bầu ướt (phía sau hệ thống).
- Lập bảng số liệu thí nghiệm.
Bước 2: Khởi động hệ thống:
- Khởi động quạt: bật công tắc của quạt để hút dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân.
- Khởi động caloriphe, bật công tắc Caloriphe.
- Cài đặt nhiệt độ cho Caloriphe ở nhiệt độ thí nghiệm.
Bước 3: Tiến hành thí nghiệm:
- Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi: nhiệt độ của Caloriphe đạt giá trị mong muốn ( 1 2 0 C ) Tiến hành sấy vật liệu ở nhiệt độ khảo sát.
- Đo số liệu trong chế độ thí nghiệm.
- Các số liệu cần đo: Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt và thời gian.
Khối lượng (gam) khi đặt giá đỡ vật liệu sấy, đọc số hiển thị trên cân.
Nhiệt độ ( 0 C): Nhấn nút tương ứng các vị trí cần đo và đọc số trên đồng hồ hiện số.
- Chuyển chế độ thí nghiệm (nếu có):
Mở cửa buồng sấy, lấy vật liệu ra làm ẩm tiếp (lặp lại như ban đầu).Cài nhiệt độ Caloriphe ở giá trị tiếp theo cho chế độ sấy mới.
Chờ hệ thống hoạt động ổn định.
Lặp lại trình tự như chế độ đầu.
Bước 4: Kết thúc thí nghiệm
- Tắt công tắt của điện trở Caloriphe.
- Sau khi tắt Caloriphe được 5 phút, tắt quạt cho Caloriphe nguội.
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm của thiêt bị.
- Vận hành được hệ thống thiết bị sấy.
- Tính toán được các thông số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng, thời gian sấy đẳng tốc và giảm tốc.
- Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy dựa trên số liệu thực nghiệm.
- Là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (W) theo thời gian sấy ( )
- Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liên kết giữ ẩm và vật liệu, hình dáng kích thước; cấu trúc vật liệu, phương pháp và chế độ sấy.
- Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy.
11 Đường cong tốc độ sấy
Đường cong tốc độ sấy thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm của vật liệu, trong đó đường cong này được xác định là đạo hàm của đường cong sấy.
12 Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy
13 Khái niệm sấy và sự khác nhau giữa sấy và cô đặc
Sấy đối lưu là phương pháp loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua việc cung cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm Quá trình này diễn ra đồng thời với việc truyền nhiệt và truyền ẩm bằng cách sử dụng phương pháp đối lưu hiệu quả.
Sự khác nhau giữa sấy và cô đặc:
- Sấy là quá trình bốc hơi nước làm cho vật liệu khô đi không còn ẩm trong đó
- Cô đặc cũng là quá trình làm bốc hơi nước nhưng nó làm giàu các cấu tử hòa tan trong đó và làm cho vật liệu cô đặc lại.
14 Thời gian sấy của vật liệu
Thời gian sấy của vật liệu phụ thuộc vào chế độ sấy cụ thể của từng loại vật liệu Mỗi loại vật liệu có những yêu cầu và chế độ sấy khác nhau, dẫn đến thời gian sấy cũng sẽ khác nhau.
CÔ ĐẶC
Cơ sở lý thuyết
a Cân bằng vật liệu trong hệ thống cô đặc 1 nồi
- Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W
- Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc
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] xđ : nồng độ % chất khô trong nguyên liệu, [ phần khối lượng] xc : nồng độ % chất khô trong sản phẩm, [phần khối lượng]
- Theo định luật bảo toàn vật chất:
W = Gđ (1- x x đ c ) Nồng độ sản phẩm cuối: x c =G đ x đ
Theo định luật bảo toàn nhiệt:
Gđ.cđ.tđ + D.i = Gc.cc.tc + W.i’ + D.cn.tn + Qcđ + Qmt
Nhiệt độ nguyên liệu được đo bằng tđ, trong khi nhiệt độ sản phẩm là tc Nhiệt độ nước ngưng được ký hiệu là tn, và nhiệt dung riêng của nguyên liệu là cđ, tính bằng J/kg.độ Nhiệt dung riêng của sản phẩm được ký hiệu là cc, cũng tính bằng J/kg.độ, trong khi nhiệt dung riêng của nước ngưng là cn, đơn vị cũng là J/kg.độ Cuối cùng, hàm nhiệt trong hơi đốt được ký hiệu là i, và hàm nhiệt trong hơi thứ là i’, cả hai đều được đo bằng J/kg.
Qcđ tổn thất nhiệt cô đặc, [J]; Qcđ=0.01.∆q.Gc
∆q tổn thất nhiệt cô đặc riêng, [J/kg]
Qmt tổn thất nhiệt ra môi trường, [J].
- Lượng hơi đốt tiêu tốn:
Trong quá trình tính toán nhiệt có thể xem cc ≈ cđ
- Tính bề mặt truyền nhiệt
Trong đó: Q: lượng nhiệt truyền, [J].
K: hệ số truyền nhiệt, [W/m 2 độ].
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m 2 ]
∆thi: hiệu số nhiệt hữu ích, [độ].
Thiết bị thí nghiệm
Dung dịch được cô đặc theo từng mẻ, với quá trình nhập liệu từ thùng chứa dung dịch đầu Trong buồng bốc hơi, dung dịch sôi nhờ nhiệt truyền từ nước nóng bên ngoài Hơi bốc lên từ dung dịch được dẫn qua thiết bị ngưng tụ ống xoắn để thu hồi và định lượng Hệ thống sử dụng bơm chân không loại vòng nước để tạo chân không.
Hệ thống cô đặc hai vỏ có thiết bị chính sau:
- Nồi cô đặc hai vỏ có cánh khuấy - Bơm chân không loại vòng nước
- Máy khuấy trộn - Nồi cô đặc hai vỏ
- Thiết bị ngưng tụ ống xoắn - Bình chứa nước ngưng
- Áp kế đo độ chân không - Nhiệt kế điện tử
- Hệ thống điện - Xô nhựa chứa dung dịch đầu
Sơ đồ thiết bị
Hình 2.1: Sơ đồ thiết bị cô đặc
Hình 2.2: Số liệu thực nghiệm quá trình cô đặc
Bảng 2.1: Số liệu thô thu được sau quá trình cô đặc
(brix) ngưng V(ml) nước vào t v ( 0 C) nước ra t r ( 0 c) ngoài vỏ t ng ( 0 C) dung dịch t dd ( 0 C) thứ t ht ( 0 C)
Nồng độ phần khối lượng của dung dịch đường nhập liệu:
Tại t = 0, nồng độ là 17,5Bx vậy xđ = 0,175 (phần khối lượng)
Nồng độ dịch đường thu được sau quá trình thí nghiệm:
73,5Bx => xc= 0,73,5 (phần khối lượng)
Lượng nước ngưng thực tế:
(Tổng thể tích nước ngưng thu được trong suốt quá trình thí nghiệm
Tính cân bằng vật chất và các đại lượng chưa biết:
Ta có: xđ = 0,175 (phần khối lượng)
Tính xc và W áp dụng định luật bảo toàn vật chất:
Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W
Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc
xc= Gđ.xđ / Gc = 10 0,175/1,64 = 1,06 (phần khối lượng)
Sai số nồng độ cuối của quá trình:
Nồng độ % chất khô trong sản phẩm sau khi cô đặc được xác định theo lý thuyết là xc (phần khối lượng), trong khi nồng độ % chất khô thực tế trong sản phẩm cô đặc được đo bằng Bx kế là xc’ (phần khối lượng).
Sai số lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc
Nồng độ dung dịch đường (Bx) Đồ thị biểu diễn nồng độ dung dịch đường theo thời gian cô đặc
Lượng nước ngưng thu được (ml) Đồ thị biểu diễn lượng nước ngưng thu được theo thời gian cô đặc
- Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số Bx và thời gian cô đặc : Chỉ số Bx tăng dần theo thời gian
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lượng nước ngưng thu được và thời gian cô đặc cho thấy lượng nước ngưng có sự biến động, tăng giảm theo thời gian Nguyên nhân của hiện tượng này là do áp lực khí không đủ để đẩy nước từ bình chứa ngưng ra ngoài phục vụ cho việc đo lường.
2 Kết quả thí nghiệm: có sai số
Thiết bị cô đặc gián đoạn một nồi là công cụ quan trọng trong thí nghiệm cô đặc, giúp người dùng hiểu rõ quy trình và cách vận hành của thiết bị Quá trình này tăng nồng độ dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi trong môi trường chân không, từ đó giảm nhiệt độ sôi của dung dịch và tiết kiệm năng lượng Điều này cũng giúp sản phẩm tránh bị biến tính do nhiệt độ cao Tuy nhiên, trong quá trình thực hành, có thể xảy ra sai sót về thông số, nhiệt độ và thời gian.
- Các thao tác kỹ thuật trong quá trình thí nghiệm chưa tốt.
- Dụng cụ thiết bị thí nghiệm còn nhiều hạn chế.
- Sai số làm tròn lớn.
- Cân đong dung dịch đường chưa chính xác.
- Thông số thiết bị không ổn định.
- Thời gian không đồng đều.
- Kiểm tra thiết bị trước và sau khi làm thí nghiệm Báo ngay cho bộ phận sửa chữa nếu có phát hiện hư hỏng.
- Cần nắm vững kiến thức trước khi thực hành thí nghiệm.
- Vệ sinh và khởi động thiết bị để nhiệt độ và áp suất ổn định.
- Thao tác vận hành nhanh, pha dung dịch phải chuẩn.
- Tính toán cẩn thận và chính xác.
IV TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
1 Mục tiêu bài thí nghiệm là gì?
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm thiết bị cô đặc gián đoạn một 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.
Quá trình tinh chế dung dịch diễn ra khi nồng độ của dung dịch được nâng cao thông qua việc tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi Trong quá trình này, dung môi sẽ bay hơi và được gọi là hơi thứ.
3 Mục đích của quá trình cô đặc là gì?
- 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).
4 Các bước chuẩn bị tiến hành thí nghiệm?
- Tìm hiểu hệ thống thiết bị, các van và tác dụng của nó.
- Tìm hiểu thiết bị đo nhiệt độ, các vị trí đo và cách điều chỉnh công tắc để đo nhiệt độ.
- Tìm hiểu các thiết bị đo nồng độ chất khô (Brix kế).
- Xác định các đại lượng cần đo.
- Chuẩn bị dung dịch đường đem đi cô đặc.
- Chuẩn bị bảng số liệu thí nghiệm.
5 Các phương pháp đo nồng độ của dung dịch đường?
- Phương pháp 1: sử dụng Brix kế theo nguyên tắc khúc xạ quang học (nồng độ càng lớn góc khúc xạ càng lớn)
- Phương pháp 2: dùng phù kế (tỷ trọng kế) theo nguyên tắc nồng độ càng cao thì lực đẩy càng mạnh.
6 Nêu các bước tiến hành thí nghiệm?
7 Mô tả cấu tạo hệ thống thiết bị cô đặc dùng trong thí nghiệm?
- Thiết bị ngưng tụ ống xoắn.
- Bơm chân không loại vòng nước.
- Áp kế đo độ chân không.
- Xô nhựa chứa dung dịch đầu.
8 Nêu các dạng thiết bị cô đặc khác nhau?
- Dạng thiết bị cô đặc một nồi
- Dạng thiết bị cô đặc nhiều nồi
- Dạng thiết bị cô đặc liên tục
- Dạng thiết bị cô đặc gián đoạn.
- Dạng thiết bị cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất khác.
9 Các thông số cần đo trong bài?
- Nồng độ dung dịch đường (Bx).
- Lượng nước ngưng thu được Vngưng (ml).
10 Viết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc?
Phương trình cân bằng nhiệt lượng trong quá trình cô đặc:
Gđ.cđ.tđ+D.i = Gc.cc.tc+W.i’+D.cn.tn+Qcd+Qmt
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các thông số nhiệt liên quan đến quy trình sản xuất Cụ thể, tđ đại diện cho nhiệt độ nguyên liệu tính bằng độ, tc là nhiệt độ sản phẩm, tn là nhiệt độ nước ngưng, cđ là nhiệt dung riêng của nguyên liệu tính bằng J/kg.độ, cc là nhiệt dung riêng của sản phẩm, và cn là nhiệt dung riêng của nước ngưng Bên cạnh đó, i thể hiện hàm nhiệt trong hơi đốt và i’ là hàm nhiệt trong hơi thứ, cả hai đều được tính bằng J/kg Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả năng lượng.
Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc, [J].
Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường, [J].
D: lượng hơi đốt tiêu tốn.
11 Viết cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc?
Trong đó: G đ khối lượng nguyên liệu [kg].
G c khối lượng sản phẩm [kg]. x đ nồng độ % chất khô trong nguyên liệu [ phần khối lượng]. x c nồng độ % chất khô trong sản phẩm [phần khối lượng].
CHƯNG CẤT
Mô hình mâm lý thuyết
Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản nhất dựa trên các cơ sở sau:
- Cân bằng giữa hai pha lỏng - hơi cho hỗn hợp hai cấu tử
- Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm lý cho hai pha lỏng - hơi là:
- Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm
- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện
- Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha.
Phương trình cân bằng vật chất
Trong đó: F: Suất lượng nhập liệu
D: Suất lượng sản phẩm đỉnh
W: Suất lượng sản phẩm đáy. xF: Nồng độ nhập liệu (của cấu tử dễ bay hơi) xD: Nồng độ sản phẩm đỉnh (của cấu tử dễ bay hơi) xW: Nồng độ sản phẩm đáy(của cấu tử dễ bay hơi)
Hiệu suất
Để chuyển đổi từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, cần xác định hiệu suất mâm Có ba loại hiệu suất mâm chính: hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn bộ tháp; hiệu suất mâm Murphree, áp dụng cho từng mâm riêng lẻ; và hiệu suất cục bộ, tập trung vào một vị trí cụ thể trên mâm.
Hiệu suất tổng quát Eo là chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả sử dụng của hệ thống, được xác định bằng tỉ lệ giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực trong toàn bộ tháp.
E0=số mâm lý tưởng số mâm thực
Hiệu suất mâm Murphree được định nghĩa là tỷ lệ giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm và sự biến đổi nồng độ cực đại mà pha hơi có thể đạt được khi nó rời khỏi mâm và cân bằng với pha lỏng ở mâm thứ n.
Trong quá trình chảy chuyền qua các mâm, nồng độ thực của pha hơi tại mâm thứ n được ký hiệu là yn, trong khi nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n là yn+1 Đồng thời, y*n biểu thị nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại ống chảy ở mâm thứ n.
Nói chung, pha lỏng rời mâm có nồng độ không bằng với nồng độ trung bình của pha lỏng trên mâm nên dẫn đến khái niệm hiệu cục bộ.
Hiệu suất cục bộ được định nghĩa như sau:
Trong quá trình phân tách, y’n đại diện cho nồng độ pha hơi tại một vị trí cụ thể trên mâm n, trong khi y’n+1 là nồng độ pha hơi tại cùng vị trí trên mâm n Bên cạnh đó, y’en thể hiện nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại vị trí tương ứng.
Sơ đồ nguyên lý thiết bị
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất
A-Thùng chứa vật liệu B-Bơm nhập liệu
C-Lưu lượng kế nhập liệu D-Điện trở gia nhiệt nhập liệu E-Cột chung cất F-Nồi đun
G-Thiết bị ngưng tụ H-Bơm hoàn lưu K-Bình chứa sản phẩm
Hình 3.2: Số liệu thực nghiệm quá trình chưng cất
- Nồng độ nhập liệu: xF = 13% v/v
- Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 9%v/v
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 42,6% v/v
Bảng 3.1: Bảng kết quả thực nghiệm quá trình chưng cất rượu (không hồi lưu)
Ta có thể tích nhập liệu là:
L = Lo + D Vì đây là quá trình chưng cất không hồi lưu nên L = D Phần mol xF, xD xF ρ r x r
Trong đó: ρr(kg/m3) khối lượng riêng của cồn tra theo nồng độ và nhiệt độ ρn (kg/m3) khối lượng riêng của nước tra theo nhiệt độ Tương tự với xD
Suất lượng nhập liệu F, suất lượng sản phẩm đỉnh D
Phương trình cân bằng vật chất tính W và xW
Bảng 3.2: Bảng tổng hợp cân bằng vật chất
Nhập liệu Sản phẩm đỉnh R
Đồ thị
Nồng độ sản phẩm đỉnh (%) Đồ thị biểu diễn nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian
Th ể tí ch ( l) Đồ thị biểu diễn thể tích sản phẩm đỉnh theo thời gian
Đồ thị thể hiện nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian cho thấy sự không ổn định Nồng độ cao nhất đạt được là 64% vào phút thứ 10, sau đó bắt đầu giảm dần.
Đồ thị thể hiện sự biến động không ổn định của thể tích sản phẩm đỉnh theo thời gian Ban đầu, thể tích thu được ở mức thấp, nhưng đã có sự gia tăng đột ngột vào phút thứ 20, đạt 2,15 l sản phẩm Tuy nhiên, sau đó, thể tích thu được tiếp tục giảm dần theo thời gian.
Kết quả thí nghiệm có sai số.
Nguyên nhân
- Các giá trị đo được lấy sai số.
- Sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu.
- Sai số do thiết bị thí nghiệm.
Cách khắc phục
- Nắm rõ các thao tác kỹ thuật trước khi làm thí nghiệm.
- Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu.
IV TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
Chưng cất là quá trình tách biệt các thành phần trong hỗn hợp lỏng hoặc lỏng-khí dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của chúng Quá trình này diễn ra trong cùng một điều kiện, cho phép thu được các cấu tử riêng lẻ.
2 Nêu một số loại thiết bị chưng cất
Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau:
- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới.
- Tháp chưng cất dùng mâm chóp
- Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm ).
3 Thí nghiệm này khảo sát những yếu tố nào?
Thí nghiệm này khảo sát hiệu suất làm việc của máy, và thể hiện quan hệgiữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát.
4 Tỉ số hoàn lưu là gì? Không có dòng hoàn lưu được không ?
Tỉ số hoàn lưu là tỉ số trong lượng hoàn lưu quay về tháp và sản phẩm đỉnh lấy ra.
Không có dòng hoàn lưu là không được.
5 Nêu điều kiện mô hình mâm lý thuyết ? Điều kiện mô hình mâm lý thuyết :
- Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm.
- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện.
- Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha.
6 Có mấy lọai hiệu suất mâm ?
Có 3 loại hiệu suất mâm : hiệu suất tổng quát, hiệu suất mâm Murphree, hiệu suất cục bộ.
7 Nêu định nghĩa các hiệu suất mâm và mối tương quan nếu có ?
Hiệu suất mâm tổng quát E0 là chỉ số đánh giá hiệu suất sử dụng đơn giản, tuy nhiên, nó không chính xác nhất vì chỉ phản ánh tỷ lệ giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực cho toàn bộ tháp.
Hiệu suất mâm Murphree được định nghĩa là tỷ số giữa sự biến đổi nồng độ của pha hơi qua một mâm và sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời khỏi mâm, cân bằng với pha lỏng rời khỏi mâm thứ n.
- Hiệu suất mâm cục bộ:
Mối quan hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát cho thấy rằng hiệu suất tổng quát của tháp không đơn thuần là trung bình của hiệu suất từng mâm Sự tương quan này phụ thuộc vào độ dốc tương đối của đường cân bằng và đường làm việc Cụ thể, khi tỷ số mG/L lớn hơn 1, hiệu suất tổng quát sẽ cao hơn, trong khi khi mG/L nhỏ hơn 1, hiệu suất tổng quát sẽ thấp hơn.
8 Trình bày trình tự thí nghiệm?
9 Nêu các số liệu cần đo trong bài?
- Lưu lượng dòng F, D (ml/phút).
- Độ chỉ cồn kế xD, xF (%).
10 Ảnh hưởng của tỉ số hoàn lưu R đến quá trình chưng cất?
- Tăng nồng độ sản phẩm đỉnh và làm cho tháp hoạt động.
- Giảm số mâm lí thuyết.
11 Dòng hoàn lưu có tác dụng gì?
Khi tỷ số hoàn lưu (R) tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng, dẫn đến lượng sản phẩm thu được ít Ngược lại, nếu tỷ số hoàn lưu (R) thấp, nồng độ sản phẩm đỉnh giảm, thì lượng sản phẩm thu được sẽ nhiều hơn Do đó, tỷ số hoàn lưu (R) cần được điều chỉnh ở mức thích hợp để đảm bảo năng suất thu được tối ưu.
12 Viết phương trình cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng vật chất: F = D+W
Khi thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu thì ảnh hưởng như thế nào đến sản phẩm?
Khi thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu thì nồng độ sản phẩm sẽ giảm.
TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG
Các khái niệm
Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp, diễn ra đồng thời thông qua ba hình thức trao đổi nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt Những hình thức này tương tác với nhau, tạo ra sự chuyển giao năng lượng nhiệt trong các môi trường khác nhau.
Trong tự nhiên quá trình truyền nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. c Chất tải nhiệt
Chất tải nhiệt là chất có khả năng di chuyển nhiệt độ từ một vị trí đến vị trí khác, cũng như từ môi trường này sang môi trường khác, theo các quy luật tự nhiên Truyền nhiệt trực tiếp là một trong những phương thức quan trọng trong quá trình này.
Truyền nhiêt trực tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. e Truyền nhiệt gián tiếp
Truyền nhiệt gián tiếp là quá trình truyền nhiệt diễn ra khi chất tải nhiệt không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, mà thay vào đó, nhiệt được truyền qua một vật ngăn cách Trong quá trình này, nhiệt độ được duy trì ổn định, đảm bảo hiệu quả trong việc truyền tải năng lượng nhiệt.
Truyền nhiệt ổn định là quá trình trong đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Ngược lại, truyền nhiệt không ổn định là quá trình mà nhiệt độ có sự thay đổi theo cả không gian và thời gian.
Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi theo không gian và thời gian. h Trường nhiệt
ng b b tr ng inox tr
Trường nhiệt là khái niệm phản ánh độ nóng của vật thể thông qua nhiệt độ (t, [°C]; T, [K]) Tất cả các giá trị nhiệt độ của vật hoặc môi trường được gọi là trường nhiệt Một trong những loại trường nhiệt là nhiệt trường ổn định, nơi nhiệt độ không thay đổi theo thời gian.
Nhiệt trường ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian t = f(x,y,z). j Nhiệt trường không ổn định
Nhiệt trường không ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ thay đổi theo không gian và thời gian. k Mặt đẳng nhiệt
Mặt đẳng nhiệt là tập hợp các điểm có nhiệt độ đồng nhất Trong quá trình dẫn nhiệt, nhiệt không được truyền tải trên cùng một mặt đẳng nhiệt, mà chỉ di chuyển từ mặt đẳng nhiệt này sang mặt đẳng nhiệt khác.
Các quá trình truyền nhiệt
Trong thực tế quá trình truyền nhiệt diễn ra theo 3 phương thức truyền nhiệt cơ bản như sau: a Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp, thông qua sự chuyển động hoặc dao động của các phân tử mà không làm thay đổi vị trí của chúng Hiện tượng này xảy ra trong các chất rắn, lỏng và khí, bất kể trạng thái đứng yên hay chuyển động Theo định luật Fourier, khi xem xét một mặt phẳng có diện tích F và dòng nhiệt dẫn qua theo phương vuông góc với mặt phẳng đó, định luật này mô tả mối quan hệ giữa dòng nhiệt và gradient nhiệt độ.
Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và độ gradien nhiệt độ theo phương đó.
Trong đó: Qx: dòng nhiệt truyền qua diện tích F (j/s). qx: mật độ dòng nhiệt (W/m 2 ).
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt vuông góc với phương x (m 2 ). λF: hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ).
Thực nghiệm chứng tỏ λF là một thông số vật lý biểu diễn khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.
- Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vật liệu, cấu trúc vật liệu.
- Hệ số dẫn nhiệt của chất khí trong khoảng 0,006÷0,6 (W/m.độ).
- Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng trong khoảng 0,07÷0,7 (W/m.độ).
- Hệ số dẫn nhiệt của chất rắn phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp và độ ẩm của vật liệu.
Từ định luật Fourien cơ bản người ta đưa ra các dạng phương trình truyền nhiệt cho các trường hợp cụ thể.
Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng là quá trình mà nhiệt độ của vật không thay đổi theo thời gian Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích cơ chế dẫn nhiệt trong điều kiện ổn định, giúp hiểu rõ hơn về sự truyền nhiệt qua các bề mặt.
- Một lớp: Nhiệt lượng truyền qua trong khoảng thời gian T (giây)
Nếu ta muốn tìm nhiệt độ tại một vị trí cách mặt nhiệt độ một khoảng x: t=t i −q λF x
Trong đó: t 1 : nhiệt độ bề mặt tường trái ( o C). t 2 : nhiệt độ bề mặt tường phải ( o C).
F : diện tích bề mặt tường trái nơi tiếp xúc với dòng nhiệt nóng (m 2 ). δ : chiều dày của tường (m). λF : hệ số dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt (W/m o C).
- Nhiều lớp: Nhiệt lượng truyền qua trong khoảng thời gian T (giây)
Nếu xét trong khoảng thời gian 1s:
Trong đó: n: số lớp vật liệu. r i =δ i λF i : nhiệt trở của tường (m 2 s o C/j).
Mật độ dòng nhiệt qua các lớp (2 lớp): q=λF 1 δ 1 (t 1 −t 2 ) q=λF 2 δ 2 (t 2 −t 3 )
Vậy tổng quát cho tường n lớp: q=( t 1−t n +1 )
Và nhiệt độ cho vách thứ k là: t k =t 1 −q ∑ i=1 n δ i λF i
Trong đó: k: vách thứ k theo chiều truyền nhiệt. k-1: số lớp trước vách k theo chiều truyền nhiệt. n: số lớp.
Dẫn nhiệt ổn định qua ống:
Nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt qua vách trụ (ống) với nhiệt độ vách trong t1 và nhiệt độ vách ngoài t2 không thay đổi, trong đó vật liệu có hệ số dẫn nhiệt λF không đổi, được mô tả bằng phương trình dẫn nhiệt.
Trong đó: L: chiều dài của ống (m) d1, d2: đường kính trong và ngoài của ống (m) δ=d 2 −d 1
F: diện tích bề mặt trung bình (m 2 ):
