BÀI GIẢNG THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ (PTN)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA – THỰC PHẨM BÀI GIẢNG THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ (PTN) Cán biên soạn: ThS Vi Nhã Trân ThS Nguyễn Thị Thúy Hồng ThS Trần Ngọc Liên ThS Trần Thị Thùy Linh Năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Thực tập q trình thiết bị mơn học thực hành nhằm giúp sinh viên củng cố kiến thức áp dụng lý thuyết học học phần trình học, truyền nhiệt truyền khối vào thực tập ứng dụng ngành thực phẩm Nội dung giảng thực tập trình thiết bị phịng thí nghiệm gồm sau: - Bài 1: Sấy rau - Bài 2: Chưng cất - Bài 3: Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt loại ống lồng ống Trang BÀI 1: SẤY RAU QUẢ 1.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát trình sấy đối lưu sử dụng thiết bị sấy khơng khí nóng, từ xác định đường cong sấy đường cong tốc độ sấy mối quan hệ thông số trình sấy Đánh giá thay đổi màu sắc, hình dạng rau trình sấy so với nguyên liệu ban đầu 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.2.1 Khái niệm Trong trình sấy, ẩm tách khỏi vật liệu làm cho thực phẩm độ hoạt động nước thấp dễ dàng cho việc bảo quản Sử dụng khơng khí nóng để sấy thực phẩm khay hình thức sấy phổ biến cơng nghệp thực phẩm Sấy q trình tách nước khỏi vật liệu cách làm cho nước chuyển pha tác nhân vật lý để thu sản phẩm rắn Ẩm vật liệu tồn trạng thái: liên kết hóa học, liên kết hóa lý liên kết lý Sấy tách toàn ẩm liên kết vật lý, phần ẩm liên kết hóa lý khơng tách ẩm liên kết hóa học Phần ẩm vật liệu tách sấy gọi ẩm tự do, phần không tách gọi ẩm liên kết Độ ẩm vật liệu: - Độ ẩm tương đối (căn ướt): tỷ số khối lượng ẩm mn khối lượng chung nguyên vật liệu W mn 100 [%] m (1-1) Giữa khối lượng chất khô mo độ ẩm tương đối nguyên liệu có mối quan hệ: mo= m.(1-W) [g] (1-2) -: Độ ẩm tuyệt đối (căn khô): tỷ số khối lượng ẩm mn khối lượng chất khô tuyệt đối mo nguyên vật liệu X mn 100 [%] mo (1-3) Giữa khối lượng chất khô mo, khối lượng nguyên liệu m độ ẩm tuyệt đối X có mối quan hệ: mo  Trong đó: m [g] 1 X (1-4) m: khối lượng nguyên liệu [g]; m=mo+mn mo: khối lượng chất khô tuyệt đối [g] mn: khối lượng ẩm (nước) [g] W: độ ẩm tương đối [%] X: độ ẩm tuyệt đối [%] Trang Trước sấy khối lượng nguyên liệu ẩm m1 độ ẩm tương đối W1, sau sấy m2 W2 Biết sấy khối lượng chất khô mo không thay đổi nên ta có: mo = m1(1-W1) = m2(1-W2) (1-5) Muốn quan sát trình sấy đường cong sấy cách rõ ràng, người ta thường sử dụng độ ẩm tuyệt đối X, với độ ẩm tương đối W thường biểu thị trạng thái ẩm nguyên vật liệu Vận tốc sấy: lượng nước thoát khỏi vật liệu ứng với đơn vị diện tích bề mặt vật liệu sấy đơn vị thời gian v Trong đó: mo X F  [kgH2O/m2.h] (1-6) mo: khối lượng vật liệu khô [kg] F: tổng bề mặt bay sản phẩm sấy [m2] : thời gian sấy [h] X: độ giảm ẩm Các đại lượng đặc trưng cho khơng khí ẩm * Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối khối lượng nước chứa m3 khơng khí ẩm Đây khối lượng riêng nước khơng khí ẩm h  Gh (kg/m3) V Trong đó: - Gh: khối lượng nước chứa khơng khí ẩm, kg - V: thể tích khơng khí ẩm, m3 * Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối tỷ số độ ẩm tuyệt đối khơng khí chưa bão hịa ρh độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm bão hòa ρhmax nhiệt độ  h  h max Hay Muốn xác định phbh nhiệt độ T Từ nhiệt độ T (oC)-> tra bảng Nước nước bảo hòa theo nhiệt độ áp dụng công thức 4026,42   p hbh  exp 12  (bar) 235,5  t   * Độ chứa d Độ chứa d lượng chứa 1kg khơng khí khơ (1+d) kg khơng khí ẩm d=Gh/Gk; [kgh/kgK] Trang Từ phương trình trạng thái khí lí tưởng viết cho nước khơng khí khơ ta có: pV pV G h  h G k  k Rh T Rk T Thay giá trị G vào (4-28) ta được: p R 8314,18 p h ph [kgh/kgK] d h k   0,622 p k Rh 29,8314 p k p  ph Hay d  0,622 x  p hbh (kg/kg ẩm) p   pbhbh p: áp suất khơng khí ẩm * Entanpi khơng khí ẩm Entanpi khơng khí ẩm tổng entanpi khơng khí khơ entanpi nước chứa Trong kĩ thuật thường tính entanpi 1kg khơng khí khơ d kg nước chứa (1+d)kg khơng khí ẩm, kí hiệu i: i = ik + d.ih; [kJ/kgK] (4-30) Trong đó: ik- entanpi 1kg khơng khí khơ, ik=Cpkt, mà Cpk=1kJ/kg.K ik = t; ih- entanpi nước, khơng khí ẩm chưa bão hồ nước nhiệt có ih = 2500 + Cpht = 2500 + 1,93t Cuối ta có: I = t + d(2500 +1,93t); (kJ/kgK) 1.2.2 Đƣờng cong sấy đƣờng cong tốc độ sấy Đƣờng cong sấy: đường biểu diễn giảm ẩm vật liệu sấy theo thời gian Đường cong sấy đường biểu diễn mối quan hệ ẩm độ tuyệt đối X (căn khô) theo thời gian  Xt: độ ẩm vật liệu thời điểm  Xo: độ ẩm ban đầu vật liệu X1: độ ẩm vật liệu ứng với bắt đầu trình sấy đẳng tốc Xc: độ ẩm vật liệu ứng với cuối trình sấy đẳng tốc 1 2  3 Hình 1.1 Đƣờng cong sấy Đƣờng cong tốc độ sấy: đường biểu diễn quan hệ tốc độ sấy độ ẩm tuyệt đối sản phẩm Đường cong tốc độ sấy xây dựng sau: - Xác định độ giảm ẩm X theo thời gian, tính tốc độ sấy vẽ tốc độ sấy theo độ ẩm tuyệt đối X Trang X  X Hính 1.2 Cách vẽ đƣờng cong tốc độ sấy 1.2.3 Các giai đoạn sấy Quá trình sấy đến khối lượng khơng đổi sử dụng dịng khơng khí nóng gồm giai đoạn: giai đoạn làm nóng, giai đoạn sấy đẳng tốc giai đoạn sấy giảm tốc Giai đoạn làm nóng: Nếu ban đầu nhiệt độ vật liệu thấp nhiệt độ bay đoạn nhiệt khơng khí giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ vật liệu tăng lên Trong giai đoạn này, hàm ẩm vật liệu thay đổi chậm thời gian diễn tiến nhanh, kết thúc giai đoạn này, nhiệt độ vật liệu đạt đến nhiệt độ bầu ướt khơng khí Nếu vật liệu có độ dày nhỏ trình sấy đối lưu thời gian không đáng kể Giai đoạn sấy đẳng tốc: Sau giai đoạn làm nóng, hàm ẩm vật liệu giảm tuyến tính theo thời gian Do giai đoạn dX  const nên gọi giai đoạn d sấy đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài thời điểm mà hàm ẩm vật liệu đạt giá trị Wk kết thúc Wk gọi độ ẩm tới hạn vật liệu Giai đoạn sấy giảm tốc: Khi độ ẩm vật liệu đạt giá trị tới hạn tốc độ sấy bắt đầu giảm dần đến vật liệu đạt đến độ ẩm cân hàm ẩm vật liệu không giảm nữa, tốc độ sấy Quá trình sấy kết thúc Hình Sơ đồ trình sấy lý thuyết biểu diễn đồ thị I – d Trang Xác định thông số trạng thái khơng khí giai đoạn Trạng thái khơng khí bên ngồi: xác định thơng số nhiệt độ to độ ẩm tương đối o d o  0,622 x  o p hbho (kg/kg KKkhô) p   o p hbho Io = to + do(2500 +1,93to); (kJ/kgKKkhơ) Trạng thái khơng khí sau calorife: xác định t1 d1 = I1 = t1 + do(2500 +1,93t1); (kJ/kgKKkhô) 1  d1 p 100% 0,622  d1  p hbh1 Trạng thái không khí cuối q trình sấy: xác định I2 = I1 t2 d2  I  t2 (kg/kg KKkhô) 2500  1,93.t 2  d2.p 100% 0,622  d  p hbh2 Lượng ẩm bay Ga  G1 W W 100  W  G2 W W 100  W kg/mẻ Trong đó: Ga : lượng ẩm cần bay G1, G2 : Khối lượng sản phẩm vào (kg) W1, W2 : ẩm độ vật liệu vào sản phẩm (%) Lượng ẩm bốc : Ga/ (kg/h)  : thời gian sấy (giờ) Tiêu hao khơng khí lý thuyết 1000 (kg/kg ẩm) l0  d2  d0 Tiêu hao nhiệt lý thuyết qo = lo (I1-Io) (kJ/kg ẩm) = lo (I1-Io)/3600 (kW/kg ẩm) 1.3 PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1.3.1 Dụng cụ - Tủ sấy: - Cân đồng hồ, thước - Cân số lẻ: - Đồng hồ bấm giờ: - Khay sấy: (1 khay lớn khay nhỏ) 1.3.2 Vật liệu Lúa gạo, loại đậu (đậu nành, đậu xanh,…) Trang 1.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM a) Trƣớc sấy - Làm nguyên liệu sàng - Khởi động tủ sấy hoạt động - Ghi nhận nhiệt độ độ ẩm tương đối khơng khí ngồi trời - Cài đặt nhiệt độ khơng khí sấy cần đạt Nhiệt độ tác nhân sấy 55-65oC - Nguyên liệu chia phần: + Lấy phần nguyên liệu xác định độ ẩm ban đầu (sấy đến khối lượng không đổi) + Phần cịn lại dùng làm thí nghiệm Trải nguyên liệu lên khay sấy: Khay lớn: Trải nguyên liệu khay sấy với độ dày khoảng: 0,5 cm, cm, cm, cm,… Khay nhỏ: trải nguyên liệu khay với độ dày khay lớn (khay dùng để ghi nhận khối lượng vẽ đường cong sấy) - Trước cho vào tủ sấy cần tiến hành: + Cân mẫu, xác định khối lượng + Xác định ẩm độ ban đầu mẫu + Chụp hình mẫu trước sấy b) Trong trình sấy + Lập bảng theo dõi giảm khối lượng mẫu máy sấy theo thời gian Cân nhanh, ghi nhận khối lượng tương ứng với thời điểm khay nhỏ (thời gian đo cách giờ) Chiều dày mẫu Thời gian sấy (giờ) Khối lƣợng mẫu (g) … + Ghi nhận nhiệt độ buồng sấy t1 nhiệt độ khí thải t2 15 BÁO CÁO KẾT QUẢ Vẽ đồ thị đường cong sấy Lập bảng: Thời gian (giờ) Độ dày mẫu Độ ẩm tuyệt đối (%) Trang Trao đổi số liệu so sánh đường cong sấy với nhóm sấy thực tập buổi (chú ý: nhóm thực tập sấy nguyên liệu có độ dày mẫu khác nhau) Tính khối lượng ẩm bay Xác định thơng số trạng thái khơng khí điểm 0, 1, tương ứng đồ thị I – d hình Xác định tiêu hao khơng khí lý thuyết Xác đinh tiêu hao nhiệt lý thuyết 1.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - Ý nghĩa việc xây dựng đường cong sấy? - So sánh thay đổi khối lượng mẫu có độ dày khác nhau? Giải thích? Trang BÀI 2: CHƢNG CẤT 2.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát q trình phân riêng hỗn hợp hai cấu tử phương pháp chưng cất Tính toán lượng sản phẩm sinh 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.1 Cân vật chất Gọi F lượng nhập liệu ban đầu (mol) D lượng sản phẩm đỉnh (mol) W lượng sản phẩm đáy thu (mol) Ta có: F = D + W F.xF = D.xD + W.xW (tính cho cấu tử dễ bay hơi) 2.2.2 Tính lƣợng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy  Đổi độ rượu (a) phần mol (x): ( (2-1) ) Trong đó: a: độ rượu x: phần mol N: khối lượng riêng nước 15 oC (N = 999,68 kg/m3) R: khối lượng riêng rượu 15 oC (tra phụ lục 1) MN: khối lượng phân tử nước MR: khối lượng phân tử rượu  Khối lượng riêng rượu etylic nguyên chất Nhiệt độ (oC) 20 40 60 Khối lượng riêng (kg/m ) 806 789 772 754 80 735 100 716  Khối lƣợng riêng hỗn hợp lỏng: (gồm chất A B) ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ Trong đó: ̅̅̅ phần khối lượng A (phần mol A/(phần mol A + (MA.phần mol B)/MB) A, B khối lượng riêng A B nguyên chất nhiệt độ (kg/m3) Trang (2-2) 2.3 PHƢƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM 2.3.1 Dụng cụ thí nghiệm DỤNG CỤ SỐ LƢỢNG Bộ chưng luyện 01 Cồn kế 01 Bếp điện 01 Đồng hồ 01 Bình định mức 500 ml 01 Ống đong 100 ml 02 DỤNG CỤ Phễu thủy tinh Cốc thủy tinh 500 ml Cốc thủy tinh 250 ml Cốc thủy tinh 100 ml Nhiệt kế Ống nhỏ giọt 2.3.2 Nguyên liệu, hóa chất - Rượu gạo - Ethanol tuyệt đối SỐ LƢỢNG 01 01 01 01 01 03 - Đá bọt - Nước cất 2.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Dùng cồn kế đo độ cồn rượu gạo Dùng nước cất pha loãng cồn tuyệt đối cho với độ cồn rượu gạo Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm chƣng cất đơn giản gián đoạn Lắp hệ thống chưng luyện hình 2.1 Đặt lên bếp đun, có nhiệt kế bên để đo nhiệt độ Tiến hành chưng luyện 500 ml rượu với loại: - Rượu gạo (nhóm 1) - Rượu pha lỗng có độ cồn độ cồn rượu gạo (nhóm 2) Chú ý cho vào bình chứa rượu vài viên đá bọt Cho nhiệt độ chưng cất từ 80 oC – 90 oC Sinh viên ghi nhận lượng sản phẩm theo thời gian phút, 10 phút, 15 phút,… kể từ giọt rượu sản phẩm rơi xuống ( t = ) thời gian đạt 100 phút (tối thiểu 6o ml) ngừng chưng cất Trang 10 2.5 BÁO CÁO KẾT QUẢ 2.5.1 Thu nhận kết - Ghi nhận nhiệt độ độ rượu nguyên liệu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy - Theo dõi thay đổi lượng rượu trình chưng cất Bảng 2.1: Sự thay đổi lƣợng rƣợu trình chƣng cất Thời gian (phút) Lượng rượu (ml) 2.5.2 Báo cáo kết - Vẽ biểu đồ lượng rượu theo thời gian, nhận xét - Nhóm nhóm trao đổi kết với so sánh kết sản phẩm trường hợp chưng cất: chưng cất rượu gạo rượu pha lỗng - Tính lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy (mol) 2.5.3 Câu hỏi Đây trình chưng cất gián đoạn hay liên tục? Giải thích? Tốc độ sản phẩm thay đổi suốt q trình chưng cất? Hãy giải thích? Viết cơng thức tính độ rượu? Để đo độ rượu dùng dụng cụ để đo? Những điểm khác biệt chưng cất có hồn lưu khơng có hồn lưu? Trang 11 BÀI 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ GIA NHIỆT LOẠI ỐNG LỒNG ỐNG 3.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát lưu chất chảy thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Kiểm chứng hệ số truyền nhiệt thực tế lý thuyết Giúp sinh viên hiểu thêm trình thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Thiết bị trao đổi nhiệt thường sử dụng công nghiệp loại ống chùm, dạng hay loại ống lồng ống (trao đổi nhiệt gián tiếp) Đối với thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn ống nối với nhau, đoạn có hai ống lồng vào Ống đoạn nối với ống đoạn ống đoạn nối với ống đoạn Một lưu chất ống, lưu chất khoảng không gian hai ống (hay ống ngoài) Lượng nhiệt truyền từ vật thể nóng sang vật thể nguội tính theo cơng thức: Q= K.F.tlog (3-1) Trong đó: Q- tổng nhiệt lượng truyền từ vật thể nóng sang vật thể nguội (W) K – hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ) F- diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2) tlog – độ chênh lệch nhiệt độ logarit lưu thể nóng nguội (oC) Trong công thức (3-1), hệ số truyền nhiệt K phụ thuộc nhiều thông số xác định cách tổng quát cho tất dạng bề mặt truyền nhiệt Do đó, cần phải xây dựng cơng thức thực nghiệm tính K khác tuỳ theo trường hợp cụ thể Gọi t1in, t1out – nhiệt độ lưu chất nóng vào khỏi ống (oC) t2in, t2out – nhiệt độ lưu chất lạnh vào khỏi ống (oC) Khi hai lưu chất thực trình trao đổi nhiệt lưu chất nóng nguội (t1in>t1out) lưu chất dòng làm nguội hấp thu nhiệt nên có nhiệt độ nóng (t2in 104 ) Theo Mikheyev: Nu f  0,021 Re ,8 f Pr , 43 f  Prf     Prw  , 25  l r Nhiệt độ xác định: nhiệt độ trung bình chất lỏng tf Kích thước xác định: đường kính ống d đường kính tương đương rãnh 4F d tđ  dtđ: U Với F – diện tích tiết diện ngang chất lỏng lưu động qua, [m2] U – chu vi ướt, [m] dtđ= d1-d2 Trong sách kỹ thuật thường cho số cơng thức đơn giản hóa hệ số trao đổi nhiệt, thực tế cách biểu thị khác khơng có mâu thuẫn với cơng thức trình bày Những cơng thức đơn giản hóa có thứ ngun tìm từ cơng thức tiêu chuẩn, ứng dụng thực tế có số thuận lợi định đồng thời trực tiếp biểu thị cho thấy ảnh hưởng đơn độc đại lượng vật lý  Thực nghiệm chứng tỏ, độ dài độ cong ống ảnh hưởng định hệ số trao đổi nhiệt thể hệ số l r: l: hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào tỷ số chiều dài đường kính ống Nếu l/d  50 l=1 Đối với ống ngắn (l/d