BÀI GIẢNG THỰC tập QUÁ TRÌNH và THIẾT bị (PTN)

    TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN THƠ   KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA –  HĨA –  THỰC PHẨM  PHẨM  BÀI GIẢNG  GIẢNG  THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ (PTN)  Cán biên soạn: soạn: ThS Vi Nhã Trân ThS. Nguyễn Thị Thúy Hồng  ThS Trần Ngọc Liên  ThS Trần Thị Thùy Linh  Năm 2021   LỜI NĨI ĐẦU  ĐẦU  Thực tậ p q trình thiết bị là môn 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 tậ p ứng dụng ngành thực phẩm Nội dung giảng thực tậ p q trình thiết bị phịng thí nghiệm gồm sau: - Bài 1: Sấy rau quả  - 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  NGHIỆM  Khảo sát trình sấy đối lưu sử  dụng thiết bị  sấy b ằng khơng khí nóng, từ  xác định đườ ng ng cong sấy đườ ng ng cong tốc độ  sấy mối quan hệ  thơng số trong q trình s y.   Đánh giá sự  thay đổi v ề màu sắc, hình dạng c rau quả  trình sấy so vớ i nguyên liệu ban đầu.  1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT  THUYẾT  1.2.1 Khái niệ niệm Trong trình sấy, ẩm đượ c tách khỏi vật liệu làm cho thực phẩm độ  hoạt động nướ c th ấ p d ễ dàng cho việc b ảo qu ản S ử d ụng khơng khí nóng để s th ực  phẩm khay hình thức sấy phổ biến công nghệ p thực phẩm Sấy trình tách nướ c khỏi vật liệu cách làm cho nướ c chuyển pha  bằng tác nhân vật lý để thu đượ c sản phẩm r ắn Ẩm vật liệu tồn t ại ở  các  các tr ạng thái: liên k ết hóa học, liên k ết hóa lý liên ết lý Sấy chỉ tách đượ c toàn bộ  ẩm liên k ết vật lý, phần ẩm liên k ết hóa lý k ết khơng tách đượ c ẩm liên k ết hóa học Phần ẩm vật li ệu tách đượ c sấy gọi ẩm tự do, phần không tách đượ c gọi ẩm liên k ết Độ ẩm vật liệu: - Độ ẩm tương đối (căn ướ t): t): tỷ số giữa khối lượ ng ng ẩm mn trên khối lượ ng ng chung nguyên vật liệu W     mn m 100 [%] (1-1) Giữa khối lượ ng ng chất khô mo  độ  ẩm tương đối nguyên liệu có mối quan hệ: mo= m.(1-W) [g] (1-2) -: Độ  ẩm tuyệt đối ( khô): tỷ s ố gi ữa kh ối lượ ng ng ẩm m n và khối lượ ng ng chất khô tuyệt đối mo của nguyên vật liệu  X   mn mo 100 [%] (1-3) Giữa khối lượ ng ng chất khô mo, khối lượ ng ng nguyên liệu m độ ẩm tuyệt đối X có mối quan hệ: mo  Trong đó:  m   X   [g] (1-4) m: khối lượ ng ng nguyên liệu [g]; m=mo+mn mo: khối lượ ng ng chất khô tuyệt đối [g] mn: khối lượ ng ng ẩm (nướ c) c) [g] W: độ ẩm tương đối [%] X: độ ẩm tuyệt đối [%] Trang   Trướ c sấy khối lượ ng ng nguyên liệu ẩm m1  độ  ẩm tương đối W1, sau sấy m2  W2 Biết r ằng sấy kh k hối lượ ng ng chất khơ mo khơng thay đổi nên ta có: mo = m1(1-W1) = m2(1-W2) (1-5) Muốn quan sát trình s đườ ng ng cong sấy cách rõ ràng, ngườ i ta thườ ng ng s ử d ụng độ  ẩm tuyệt đối X, với độ  ẩm tương đối W thườ ng ng biểu th ị t tr  r ạng thái ẩm nguyên vật liệu Vận tốc s ấy: lượng nướ c thoát khỏi vật liệu ứng vớ i đơn vị  diện tích  bề mặt vật liệu sấy đơn vị thờ i gian v   mo  X   F .  Trong đó: [kgH2O/m2.h]   (1-6) mo: khối lượ ng ng vật liệu khô [kg] F: tổng bề mặt bay sản phẩm sấy [m2] : thờ i gian sấy [h] X: độ giảm ẩm Các đại lượng đặc trưng cho khơng khí ẩm  *  Độ ẩm tuy ệt  đối.  Độ ẩm tuyệt đối khối lượng nước chứa m3 k hơng hơng khí ẩm Đây khối lượng riêng nước khơng khí ẩm.    h    Gh V  (kg/m3) 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 giữa độ ẩm tuyệt đối khơng khí chưa bão hịa ρh và độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm bão hòa ρhmax ở  cùng  cùng nhiệt độ        h     h ma max x  Hay     Muốn xác định phbh tại nhiệt độ T Từ nhiệt độ T ( oC)-> tra bảng Nước nước bảo hòa theo nhiệt độ áp dụng công thức  4026,42    p hb h  ex exp p 12    (bar) 235 ,  t    *  Độ chứ a hơi d.  Độ khí ẩm   chứa  d lượng chứa 1kg khơng khí khơ (1+d) kg khơng d=Gh/Gk ; [kgh/kgK] Trang   Từ phương trình trạng thái khí lí tưởng viết cho nước khơng khí khơ ta có: Gh     p hV   Rh T   và G k     p k V   Rk T    Thay các giá trị G vào (4 -28) ta được:  d    p h Rk   p k  Rh   p h 8314,18 p h    0,622  p   p h 29,8314. p k  [kgh/kgK]  . p hb h Hay d   0,622 x  p   . pbhbh  (kg/kg ẩm)   p: áp suất của khơng khí ẩm  *  Entanpi khơng khí ẩm.  Entanpi khơng khí ẩm tổng entanpi c 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 của 1kg khơng khí khơ, ik =C =C pk t, mà C pk=1kJ/kg.K ik  =  = t; ih- entanpi  nước, khơng khí ẩm chưa bão hồ nước nhiệt có ih = 2500 + C pht = 2500 + 1,93t Cuối cùng ta có: I = t + d(2500 +1,93t); (kJ/kgK) 1.2.2 Đƣờ ng độ sấấy ng cong sấ sấy và đƣờ ng ng cong tốc tốc độ s Đƣờ ng ng cong sấ sấy: đườ ng ng biểu di ễn sự giảm ẩm vật liệu sấy theo thờ i gian Đườ ng ng cong sấy đườ ng ng biểu diễn mối quan hệ giữa ẩm độ tuyệt đối X (căn khô) theo thờ i gian  Xt: độ ẩm vật liệu thời t hời 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 Đƣờ ng ng cong sấ sấy Đƣờ ng ng cong tốc tốc độ  độ  sấy: đườ ng ng biểu diễn quan hệ  tốc độ s độ  ẩm tuyệt đối sản phẩm Đườ ng ng cong tốc độ sấy có thể xây dựng sau:  - Xác định độ  giảm ẩm X theo thờ i gian, tính tốc độ  sấy vẽ  tốc độ  sấy theo độ ẩm tuyệt đối X Trang   X X   Hính 1.2 Cách vẽ vẽ đƣờ ng ng cong tốc tốc độ s độ sấấy 1.2.3 Các giai đoạn đoạn sấ sấy Quá trình sấy đến khối lượng khơng đổi sử  dụng dịng khơng khí nóng g ồm giai đoạn: giai đoạn làm nóng, giai đoạn sấy đẳng tốc giai đoạ n sấy giảm tốc Giai đoạn đoạn làm nóng:  Nếu ban đầu nhiệt độ  vật liệu thấp nhiệt độ bay đoạn nhiệt khơng khí giai đoạn đố t nóng, nhiệt độ  vật liệu tăng lên Trong giai đoạn này, hàm ẩm vật li ệu thay đổi r ất ch ậm thờ i gian diễn ti ến ết thúc giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu đạt đến nhiệt độ bầu ướ t khơng nhanh, k ết khí Nếu vật liệu có độ dày nhỏ  q trình sấy đối lưu thờ i gian khơng đáng kể Giai đoạ đoạn n sấy đẳng đẳng tốc: Sau giai đoạn làm nóng, hàm ẩm vật liệu giảm tuyến tính theo thờ i gian Do giai đoạn dX     const  nên d   đượ c gọi giai đoạn sấy đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài thời điểm mà hàm ẩm vật liệu đạt giá tr ị Wk k ết thúc Wk  đượ c gọi độ ẩm tớ i hạn vật liệu Giai đoạn đoạn sấ sấy giả gi ảm tố tốc: Khi độ ẩm vật li ệu đạt giá tr ị tớ i h ạn tốc độ sấy  bắt đầu giảm dần đến vật liệu đạt đến độ  ẩm cân hàm ẩm vật liệu khơng giảm nữa, tốc độ sấy Quá trình sấy k ết thúc Hình Sơ đồ quá đồ quá trình sấ sấy lý thuyế thuyết biể biểu diễn diễn đồ th đồ thịị I  I –   –  d  d Trang   định thông số Xác định số tr  trạạng thái củ khơng khí từng giai đoạn đoạn Tr ạng thái khơng khí bên ngồi: xác định bở i thông số nhiệt độ to và độ ẩm tương đối o d o  0,622 x  o  p hbho  p   o  p hbho  (kg/kg KKkhô) Io = to + do(2500 +1,93to); (kJ/kgKKkhô).  Tr ạng thái không khí sau calorife:  được xác định bở i t1 và d1 = I1 = t1 + do(2500 +1,93t1); (kJ/kgKKkhô)  1  d 1  p 0,622  d 1  p hb h1   100%   Tr ạng thái khơng khí cuố i q trình sấ   y: xác định bở i I2 = I1 và t2  d 2   2  I 2  t 2 2500  1 ,93.t 2  (kg/kg KKkhô) d 2  p    100%   0,622  d 2  p hb h2 ng  ẩm bay hơi   Lượ ng  Ga  G1 W    W    W     kg/mẻ   G2 100  W     100  W   W   Trong đó: Ga : lượ ng ng ẩm cần bay hơi  G1, G2 : Khối lượng sản phẩm vào (kg)  W1, W2 : ẩm độ vật liệu vào sản phẩm (%)   Lượng ẩm bốc giờ  : : Ga/  (kg/h)  : thời gian sấy (giờ)   Tiêu hao khơng khí lý thuyết   l 0  1000 d 2  d 0 (kg/k g ẩm)  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  NGHIỆM  1.3.1 Dụng cụ  cụ  - Tủ sấy: - Cân đồng hồ, thướ c - Cân số lẻ: - Đồng hồ bấm giờ : - Khay sấy: (1 khay l ớ n khay nh ỏ) 1.3.2 Vật liệu  liệu  Lúa gạo, loại đậu (đậu nành, đậu xanh,…)   Trang   1.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM NGHIỆM   a) Trƣớc sấy  sấy  - Làm nguyên liệu sàng  - Khởi động tủ sấy hoạt động ời i - Ghi nhận nhiệt độ và độ ẩm tương đối khơng khí ngồi tr ờ  - Cài đặt nhiệt độ khơng khí sấy cần đạt Nhiệt độ tác nhân sấy 55-65oC - Nguyên c chia 2liệu phầxác n: định độ  ẩm ban đầu (s đến kh ối lượ ng ệu ầđượ  + Lấy mộtliph n ngun ng khơng đổi) + Phần cịn lại dùng làm thí nghiệm Tr ải nguyên liệu lên khay sấy: Khay lớ n: n: Tr ải ải nguyên liệu khay sấy với độ dày khoảng: 0,5 cm, cm, cm, cm,…  Khay nhỏ: tr ải nguyên liệu khay với độ dày khay lớ n (khay dùng để ghi nhận khối lượ ng ng vẽ đườ ng ng cong sấy) - Trướ c cho vào tủ sấy cần tiến hành: + Cân mẫu, xác định khối lượ ng ng + Xác định ẩm độ ban  ban đầu mẫu + Chụ p hình mẫu trướ c sấy b) Trong trình sấ sấy + L ậ p b ảng theo dõi sự gi  g iảm kh ối lượ ng ng mẫu máy sấy theo thờ i gian Cân nhanh, ghi nhận kh ối lượng tương ứng v ớ i t ừng thời điểm c khay nhỏ (th ời gian đo  cách giờ ) ) Chiềều dày mẫ Chi mẫu ờ i gian sấ Thờ  Th sấy (giờ  (giờ ) Khối Khối lƣợ ng ng mẫ mẫu (g) …  + Ghi nhận nhiệt độ buồng sấy t1 và nhiệt độ khí thải t2.  15 BÁO CÁO KẾT QUẢ  QUẢ  Vẽ đồ thị đườ ng ng cong sấy Lậ p bảng: Thờ  Th ờ i gian (giờ  (giờ ) Độ dày mẫ Độ dày mẫu Độ  ẩm tuyệt Độ tuyệt đối đối (%) Trang   Trao đổi số  liệu so sánh đườ ng ng cong sấy vớ i nhóm sấy thực tậ p buổi (chú ý: nhóm thực tậ p sấy nguyên liệu có độ dày mẫu khác nhau) Tính khối lượ ng ng ẩm bay Xác định thông số tr ạng thái khơng khí điểm 0, 1, tươ ng ng ứng đồ  thị I –  d  d hình Xác định tiêu hao khơng khí lý thuyết   Xác đinh tiêu hao nhiệt lý l ý thuyết  1.6 KẾT QUẢ QUẢ VÀ THẢO L LUẬN UẬN   - Ý nghĩa việc xây dựng đườ ng ng cong sấy? - So sánh sự thay đổi khối lượ ng ng mẫu có độ dày khác nhau? Gi ải thích? Trang   BÀI 2: 2: CHƢNG CẤT CẤT 2.1 MỤC MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM NGHIỆM Khảo sát trình phân riêng hỗn hợ  p hai cấu tử  phương pháp chưng cất Tính tốn lượ ng ng sản phẩm sinh 2.2 CƠ SỞ  LÝ  LÝ THUYẾ THUYẾT 2.2.1 Cân bằ vậ vật chấ chất Gọi F lượ ng ng nhậ p liệu ban đầu (mol) D lượ ng ng sản phẩm đỉnh (mol) W lượ ng ng sản phẩm đáy thu đượ c (mol) Ta có: F = D + W F.xF = D.xD + W.xW (tính cho cấu tử dễ bay  bay hơi)  2.2.2 Tính lƣợ ng ng sả sản phẩm phẩm đỉnh đỉnh sả sản phẩm phẩm đáy  đáy     Đổi độ rượ u (a ( a) r a phần mo mol (x) (x ) :     ()  (2-1)    Tr ong ong đó:  a: độ rượ u x: phần mol  N: khối lượ ng ng riêng nướ c ở  15  15 oC ( N = 999,68 kg/m3) R : khối lượ ng ng riêng rượ u ở  15  15 oC (tra ở  ph  phụ lục 1) M N: khối lượ ng ng phân tử của nướ c MR : khối lượ ng ng phân tử của rượ u   K hối lượ ng ng ri r i êng c ủa rượ u ety etylilicc nguyê ng uyên n chấ t  Nhiệt độ (oC) 20 40 60 Khối lượ ng ng riêng (kg/m ) 806 789 772 754   80 735 100 716 Khối Kh ối lƣợ ng ng riêng củ hỗ hỗn hợ  hợ p lỏ lỏng: (gồ (gồm chấ chất A B) ̅  ̅           Trong đó:  ̅ là phần khối lượ ng ng A (phần mol A/(phần mol A + (MA.phần mol B)/MB) A, B là khối lượ ng ng riêng A B nguyên ch ất ở  cùng  cùng nhiệt độ (kg/m3) Trang (2-2)   2.3 PHƢƠNG TIỆN TIỆN THÍ NGHIỆ NGHIỆM 2.3.1 D Dụ ụng cụ cụ thí nghiệ nghiệm DỤNG CỤ CỤ  SỐ LƢỢ NG NG DỤNG CỤ CỤ  Bộ chưng luyện 01 bộ  Phễu thủy tinh Cồn k ế  01 Cốc thủy tinh 500 ml Bếp điện 01 Cốc thủy tinh 250 ml Đồng hồ  Bình định mức 500 ml Ống đong 100 ml   01 01 02 Cốc thủy tinh 100 ml Nhiệt k ế  Ống nhỏ giọt 2.3.2 Nguyên liệ liệu, hóa chấ chất - Rượ u gạo - Ethanol tuyệt đối SỐ LƢỢ NG NG 01 01 01 01 01 03 - Đá bọt -  Nướ c cất 2.4 TIẾ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆ NGHIỆM Dùng cồn k ế đo độ cồn rượ u gạo Dùng nướ c cất pha loãng cồn tuyệt đối cho với độ cồn rượ u gạo Hình 2.1 2.1 Sơ đồ thí đồ thí nghiệm nghiệm chƣng cất đơn giản gián đoạn đoạ n bên để   Lắ p hệ thống chưng luyện hình 2.1 Đặt lên bếp đun, có nhiệt k ế  bên đo nhiệt độ Tiến hành chưng luyện 500 ml rượ u vớ i loại: -  Rượ u gạo (nhóm 1) -  Rượu pha lỗng có độ cồn độ cồn rượ u gạo (nhóm 2) C hú ý cho vào o bì bì nh chứa rượu vài viên đá bọ t Cho nhiệt độ  chưng cất từ  80 oC  –   90 oC Sinh viên ghi nh ận lượ ng ng sản phẩm theo thời gian phút, 10 phút, 15 phút,… kể  t ừ giọt rượ u sản phẩm rơi xuống ( t = ) cho đế n thời gian đạt 100 phút (tối thiểu 6o ml) ngừng chưng cất Trang 10   2.5 BÁO CÁO K ẾT QUẢ QUẢ  2.5.1 Thu nhậ nhận k ết quả  - Ghi nhận nhiệt độ và độ rượ u nguyên liệu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy.  - Theo dõi sự thay đổi lượng rượu trình chưng cất cấ t Bảng 2.1: Sự  Sự  thay đổi lƣợng rƣợu trình chƣng cất Thờ i gian (phút) Lượng rượu (ml)  2.5.2 Báo cáo k ết quả  - Vẽ biểu đồ lượng rượu theo thờ i gian, nhận xét -  Nhóm nhóm trao đổi k ết qu ả v ớ i so sánh k ết quả c s ản ph ẩm trườ ng ng hợp chưng cất: chưng cất rượ u gạo rượ u pha lỗng - Tính lượ ng ng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy (mol).  2.5.3 Câu hỏ hỏi 1.  Đây trình chưng cất gián đoạ n hay liên tục? Giải thích? 2.  Tốc độ ra sản phẩm thay đổi suốt trình chưng cất? Hãy giải thích? 3.  Viết cơng thức tính độ rượu? Để đo độ rượ u dùng dụng cụ gì để đo?  4.  Nh Những điểm khác biệt sự chưng cất có hồn lưu khơng có hồn lưu?  Trang 11   BÀI 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT  NHIỆT  TRONG THIẾT BỊ GIA NHIỆT  NHIỆT LOẠI ỐNG LỒNG ỐNG  ỐNG  3.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM  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 và lý thuyết Giúp sinh viên hiểu thêm về quá trình thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT  THUYẾT  Thiết bị  trao đổi nhiệt thườ ng ng sử  dụng công nghiệp loại ống chùm, dạng hay loại ống lồng ống (trao đổi nhiệt gián tiế p) Đối vớ i thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn ống nối vớ i nhau, đoạn có hai ống lồng vào Ống đoạn nối vớ i ống đoạn ống đoạn nối vớ i ống đoạn Một lưu chất ống, lưu chất khoảng không gian hai ống (hay ống ngồi) Lượ ng ng nhiệt truyền từ vật thể nóng sang vật thể nguội có thể tính theo cơng thức: Q= K.F.tlog  (3-1) Trong đó: Q- tổng nhiệt lượ ng ng truyền từ vật thể nóng sang vật thể nguội (W) K –  h  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 cơng thức (3-1), hệ  số truyền nhiệt K phụ  thuộc nhiều thông số và không thể  xác định cách tổng quát cho tất cả các dạng bề  mặt truyền nhiệt Do đó, cần  phải xây dựng cơng thức th ực nghiệm tính K khác tu ỳ theo trườ ng ng h ợ  p cụ thể Gọi  –  nhi t1in, t1out –   nhiệt độ lưu chất nóng vào kh ỏi ống (oC) t2in, t2out –   nhiệt độ lưu chất lạnh vào khỏi ống (oC)  –  nhi Khi hai lưu chất thực trình trao đổi nhiệt lưu chất nóng sẽ nguội (t1in>t1out) lưu chất dịng làm nguội hấ p thu nhiệt nên có nhiệt độ  nóng hơ n (t2in 104 )   Theo Mikheyev:  Nu f    0,021 Re Pr  ,8  f   , 43  f    Pr  f      Pr    w   , 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 dtđ: d t đđ   4 F   U  Với F –  diện tích tiết diện ngang chất lỏng lưu động qua, [m 2] U –  c  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 công thức tiêu chuẩn, ứng dụng thực tế có số thuận lợi định đồng thời trực tiếp biểu thị cho thấy thấ y 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