Báo cáo thí nghiệm qttb cnsh 1

Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và thiết bị Công nghệ sinh học I, mã học phần BF3711, Đại học Bách khoa Hà Nội. Bài báo cáo gồm 5 bài, mỗi bài bao gồm mục đích, quy trình, xử lý số liệu và nhận xét kết quả

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

*******************

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNSH I

Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Thanh Hương

Hà Nội, 09/01/2024

MỤC LỤC

Bài thí nghiệm số 1:

Xác định vận tốc lắng trong môi trường thực phẩm lỏng 4 Bài thí nghiệm số 2:

Định luật Bernoulli 9 Bài thí nghiệm số 3:

Thí nghiệm khuấy trộn chất lỏng 13

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1 Xác định vận tốc lắng trong môi trường thực phẩm lỏng

1 Cơ sở lý thuyết

Trong sản xuất và trong các ngành công nghiệp hóa chất, công nghệ môi trường, phương pháp lắng thường được sử dụng để tách chất rắn và các hạt lơ lửng ra khỏi môi trường lỏng, khí, VD tách bụi khỏi không khí, tách bùn từ nước thải v.v… Vì vậy việc nghiên cứu sự lắng của các hạt đóng một vai trò quan trọng Trong bài thí nghiệm này, sinh viên tiến hành lắng hạt thủy tinh trong môi trường mật ong, đo vận tốc lắng, tính toán chuẩn số Reynolds, hệ số trở lực

và vận tốc lắng Sự khác nhau giữa vận tốc lắng thực tế và lý thuyết được đưa ra so sánh và thảo luận

Trong môi trường chất lỏng, theo định luật Archimedes, trọng lực của hạt hình cầu KS được tính như sau:

K S=π d3

6 (ρ1−ρ2)g ,( N )(1)

ρ1: khối lượng riêng của hạt cầu (kg/m3)

ρ2: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

g: gia tốc trọng trường (m/s2)

Khi hạt cầu rơi (lắng) với vận tốc u, sẽ chịu trở lực gây ra bởi môi trường chất lỏng Trở lực này phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường lỏng (khối lượng riêng, độ nhớt), phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của vật thể, và phụ thuộc vào vận tốc rơi và gia tốc trọng trường Theo Newton, trở lực S được xác định như sau:

S=ξ F ρ2u2

2 , (N )(2)

ξ: hệ số trở lực

F: tiết diện của hạt theo hướng chuyển động

Đối với hạt hình cầu:

2

4 ρ2u2

2 , (N )(3)

Giả thiết hạt hình cầu lắng với vận tốc không đổi Khi đó S = KS:

4

ξ πd

2

4 ρ2u2

2=

π d3

6 (ρ1−ρ2)g (4 ) u=√4 gd(ρ1−ρ2)

3 ρ2ξ (5)

Hệ số trở lực ξ là hàm số của Renolds, nghĩa là phụ thuộc vào tốc độ lắng, kích thước hạt, khối lượng riêng của chất lỏng và độ nhớt của chất lỏng Sự phụ thuộc ξ = f(Re) được xác định bằng thực nghiệm, cụ thể như sau:

ℜ≤ 0,2 ξ=24ℜ

0,2<ℜ<500 ξ=18,5ℜ

500< ℜ< 15.104ξ=0,44

với:

ℜ=ρ2ud

μ: độ nhớt động lực học của chất lỏng, Pa.s

2 Dụng cụ, thiết bị

Ống thủy tinh cao 40 cm, đồng hồ bấm giờ, cân điện tử, thước kẹp, cốc đong

3 Nguyên liệu

Mật ong 2 lít, 1 túi hạt thủy tinh hình cầu

4 Các bước tiến hành

Sinh viên tiến hành thí nghiệm lắng hạt thủy tinh hình cầu trong môi trường mật ong Kích thước hạt thủy tinh được xác định bằng thước kẹp hoặc theo thông số của nhà sản xuất, sau đó được thả vào ống thủy tinh chứa mật ong có chiều cao h = 35cm Đo thời gian rơi của hạt thủy tinh t (s)

Các bước tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Xác định khối lượng của hạt thủy tinh bằng cân điện tử: m1 (g)

Bước 2: Xác định khối lượng của 1l mật ong bằng cân điện tử: m2 (kg)

Bước 3: Tiến hành lắng hạt thủy tinh, đo thời gian lắng bằng đồng hồ bấm giờ t (s)

Lặp lại thí nghiệm 5 lần

1 Tính toán kết quả và nhận xét

- Khối lượng hạt cầu: m1 = 5 g = 0,005 kg

- Đường kính hạt cầu: d = 1.5 cm = 0,015 m

- Thể tích hạt cầu: V = 4 π r3

3 = 1,767 10−6 m3

- Khối lượng riêng viên bi thủy tinh : 𝛒1 = m1

V 1 = 0,005

1,767.10−6 = 2886 kg/m3

- Khối lượng riêng mật ong: 𝛒2= 1471 kg/𝑚3

- Chiều cao mật ong: h = 0,342 m

- Độ nhớt động lực học chất lỏng: µ = 14,095 Pa.s

- Vận tốc lắng thực tế: utt = h/t

6

Bảng số liệu:

Thời gian lắng t(s)

Vận tốc lắng thực tế u tt (m/s)

Chuẩn

số Re

Hệ số trở lực

𝜉

Vận tốc lắng lý thuyết u (m/s)

Chuẩn số : Re = ρ2 ud μ = 1471utt 0 0,01514,095

Hệ số trở lực: ξ = 24ℜ

Tính vận tốc lắng lí thuyết theo công thức (5):

u = √ ( 4 gd ( ρ1−ρ 2)

3 ρ 2 ξ ) với g=9.8 m/s2 Nhận xét: Vận tốc lí thuyết có sai khác với vận tốc thực tế vì:

+ Tốc độ thả ban đầu không đồng đều Nếu vận tốc ban đầu lớn, thời gian lắng nhanh, vận tốc lắng lớn Nếu vận tốc ban đầu nhỏ, thời gian lắng chậm, vận tốc lắng nhỏ

+ Nhiệt độ môi trường: nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến độ nhớt của chất lỏng

- Nhiệt độ càng thấp, các phân tử chất lỏng càng kém linh động, độ nhớt tăng dẫn đến tốc độ lắng của hạt giảm

- Nhiệt độ tăng, các phân tử chất lỏng càng chuyển động linh động, độ nhớt giảm, hạt càng dễ dàng rơi xuống nên tốc độ lắng tăng

+ Sai số trong quá trình thực hành, do người quan sát, đọc thể tích, bấm thời gian, sai

số trong tính toàn làm tròn,…và các yếu tố bên ngoài khác

8

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 2

ĐỊNH LUẬT BERNOULLI CHO DÒNG CHẢY

I.M

ục đích: Vẽ đường năng và đường đo áp sau khi xác định các thành phần trong phương

trình Bernoulli bằng thí nghiệm

II.Cơ sở lý thuyết

Phương trình Bernoulli là phương trình năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng Phương trình Bernoulli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định

từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 (hình vẽ 1) có dạng:

z1+ p1

γ +

α1v12

2 g =z2+p2

γ +

α2v22

2 g +h w1−2

Trong đó:

z1, z2 − năng lượng vị trí của dòng chảy ở tâm mặt cắt ướt 1-1 và 2-2 so với mặt chuẩn 0-0 bất kỳ được gọi là vị năng đơn vị hay độ cao hình học

III.Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 2 Nước được cấp qua van cấp vào bình điều

tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1 sang bình điều tiết B Ở các bình điều tiết A

và B mực nước được duy trì ổn định Trên ống thí nghiệm Bernoulli 1 có gắn các ống đo áp I, II,

III, IV và V tương ứng với 5 mặt cắt đã chọn Đường kính của ống d1 = 2,7 cm; d2 = 2,1 cm Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy

Hình 2 Sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli

A, B Các bình chứa nước; 1 Ống thí nghiệm Bernoulli;

2 Van điều chỉnh lưu lượng; 3 Lưu lượng kế; I, II, III, IV và V Các ống đo áp

10

IV.Trình tự thí nghiệm

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương trình Bécnuli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định

2 Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo

3 Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và B dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng

dẫn thí nghiệm thực hành và đợi đến khi các bình được cung cấp đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm

4 Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli

1 Ghi lại các giá trị lưu lượng Qi trên lưu lượng kế 3 và cao độ của các ống đo áp I, II, III, IV

và V trên các thước đo (tức là giá trị z i+p i/γ)

5 Tiến hành thí nghiệm với năm giá trị vận tốc khác nhau

V.Xử lý số liệu

- Đổi đơn vị Q ( LPM) → Q (m3/s)

Q ( GPM) = 3,785LPM (GPM)

Q (GPM) = gallon phút = 3,785:100060 (m3/s)

→ Q (GPM) = gallon3,785 = 3,785:100060 (m3/s)

Q (GPM) = 60000LPM (m3/s)

Vậy Q = 60000LPM (m3/s)

- Đường kính tiết diện mặt cắt của ống:

d1 = d2 = d4 = d5 = 34 mm

d3 = 16 mm

Lấy g = 9,8 m/s2

Bảng 1 – Kết quả thí nghiệm các thành phần trong phương trình Bernoulli

(

m3

/s¿

v1

(m/s)

α1v1

2

2 g

(m)

z1+ p1 γ

(m)

v2

(m/s)

α2v2

2

2 g

(m)

z2+p2 γ

(m)

v3

(m/s)

α3v3

2

2 g

(m)

z3+p3 γ

(m)

v4

(m/s)

α4v4

2

2 g z4+

p4 γ

(m)

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [10] [11] [12] [14] [15] [16]

1 0.83 0.09 0.0397 12.7 0.09 0.0397 13.2 0.4128 0.835 13.6 0.09 0.0397 13

2 1 0.11 0.0593 8.4 0.11 0.0593 9 0.4974 1.2123 9.4 0.11 0.0593 8.3

3 1.17 0.13 0.0828 23.2 0.13 0.0828 25.7 0.5819 1.6592 24.2 0.13 0.0828 22.3

4 1.33 0.15 0.1103 26.1 0.15 0.1103 6.4 0.6615 2.1442 6.8 0.15 0.1103 4.6

5 1.5 0.17 0.1416 7.4 0.17 0.1416 8.1 0.746 2.7269 8.4 0.17 0.1416 6.1

I Mở đầu

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3 Thí nghiệm khuấy trộn chất lỏng

Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi trong các

ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để

tăng cường quá trình hòa tan, truyền nhiệt, chuyển khối và quá trình hóa học

Phổ biến hơn cả là khuấy cơ học, có nghĩa là dùng các loại cánh khuấy để khuấy trộn

Tùy theo cấu tạo mà người ta chia ra các loại cánh khuấy sau đây: loại mái chèo, loại chân vịt hay chong chóng, loại tua bin và các loại đặc biệt khác

Đặc trưng của quá trình khuấy là công suất yêu cầu và hiệu suất khuấy trộn Khi cánh khuấy quay thì năng lượng tiêu hao dùng để thắng ma sát của cánh khuấy với

chất lỏng

12

Ta có thể coi chất lỏng chuyển động trong máy khuấy như là trường hợp đặc biệt của chuyển động chất lỏng Do đó để diễn đạt quá trình khuấy ở chế độ ổn định ta

có thể dùng phương trình chuẩn số của chất lỏng chuyển động:

Re =

Fr =

ω

d

ρ μ

ω 2

gd

chuẩn số Rây - nôn Chuẩn số Phơ - rút

 - hiệu số áp suất

ρ - Khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3

ω - vận tốc chuyển động của dòng, m/s

d - đường kính, m

μ - độ nhớt, N.s/m2

Đối với thiết bị khuấy trộn thì d là đường kính cánh khuấy, vận tốc chuyển động của chất lỏng được thay bằng số vòng quay của cánh khuấy ( ω  π dn ), còn hiệu số áp suất thì thay bằng công suất yêu cầu Khi đó, chuẩn số thủy lực sẽ có dạng sau đây :

=

ρ n3d 5

ρnd2

n2d g

Ở đây: n – số vòng quay của cánh khuấy, vòng/s

d – đường kính cánh khuấy, m

EuK = f (ReK, FrK) Qua thực nghiệm ta có: EuK = C Rem

k Fr n (2) Trong đó : C, m, n – những đại lượng được xác định bằng thực nghiệm

Chúng phụ thuộc vào kích thước cánh khuấy, mức chất lỏng, dạng thùng khuấy,

độ nhẵn của thành thùng và các cơ cấu khác

Nếu trên bề mặt không tạo thành phễu, khi đó cánh khuấy nhúng sâu vào trong chất lỏng nên ảnh hưởng của gia tốc trọng trường có thể bỏ qua

  ρnd 2 m

Ta có :

ρ n3d5 = C  

(3)

II Mục đích thí nghiệm

1 Làm quen với cấu tạo của máy khuấy và các loại cánh khuấy mái chèo, chong

chóng (chân vịt)

2 Xác định công suất tiêu hao khi khuấy, số vòng quay, thời gian khuấy trộn.

3 Xác định các chuẩn số Ơ - le, Rây - nôn và mối quan hệ giữa chúng.

4 Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian khuấy.

III Sơ đồ thí nghiệm

I Các bước tiến hành thí nghiệm

1 Kiểm tra hệ thống thiết bị thí nghiệm theo sơ đồ

2 Xem xét các dụng cụ đo: thiết bị đo công suất, chiết quang kế đo nồng độ Brix

3 Đổ 2 lít nước vào thùng, cho 0,2kg đường hoặc muối vào

4 Chọn số vòng quay của cánh khuấy trên tủ điều khiển

5 Bật máy cho động cơ hoạt động, cánh khuấy quay

14

6 Bắt đầu tính thời gian khuấy, cứ 1 phút lấy mẫu đo nồng độ Brix một lần (đọc

chính xác đến 0,1)

7 Ghi các số liệu vào bảng 1 và bảng 2

8 Đo đến khi nồng độ Bx không đổi thì dừng khuấy Xác định thời gian khuấy

9 Sau khi lấy tất cả các số liệu xong thì tắt máy, làm vệ sinh sạch sẽ chỗ làm thí

nghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm với cán bộ hướng dẫn

Số liệu thí nghiệm

 Nhiệt độ của nước: 𝑡°°𝐻2𝑂 = 27℃;

 Đường kính cánh khuấy: d = 5,4 cm;

 Khối lượng riêng của nước: ρ=997 kg/m3

 Độ nhớt của nước: μ =0,850.10-3 (N.s/m2) – độ nhớt của dung dịch nước ở 27oC

Bảng 1: Bảng kết quả thí nghiệm

Số thí

nghiệ

m

Số vòng

quay

cánh

khuấy

(Vòng/

phút)

Công suất

N (W) EuK lgEuK ReK lgReK m lgC C

1 4.6 11.7 261.309 2.417 15733.4 4.197

-2.875 14.302 1014,302

2 6.9 12.4 82.057 1.914 23600.05 4.373

3 8.5 13.1 46.372 1.666 29072.52 4.463

4 5.2 11.9 183.984 2.265 17785.54 4.250

5 8.1 12.9 52.769 1.722 27704.4 4.443

Bảng 2: Kết quả đo nồng độ Brix

* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 96 vòng/phút:

* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 240 vòng/phút:

Thời

I Tính toán kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị

1 Xác định chuẩn số Ơ - le

(4)

ρn3d 5

N – công suất, W

n – số vòng quay cánh khuấy, vòng/s

d – đường kính cánh khuấy, m

ρ - Khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3

16

2 Xác định chuẩn số Rây – nôn:

ρnd 2

ReK =

μ

μ - độ nhớt chất lỏng, N.s/m2

Làm 5 thí nghiệm có các giá trị của ReK khác nhau

Trên hệ trục lgEuK - lgReK qua các điểm ta vẽ đường thẳng Trên cơ sở đường thẳng ta có phương trình :

lgEuK = lgC + m.lgReK (6)

Cần xác định giá trị của m, C trong phương trình (7)

0.5 1 1.5 2 2.5 3

f(x) = − 2.82 x + 14.25

3 Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian

khuấy (với 2 tốc độ cánh khuấy khác nhau) Rút ra nhận xét

5 10 15 20 25 30

Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 96 vòng/phút Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 240 vòng/phút

Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta có thế khẳng định tốc độ đảo trộn càng nhanh thì độ đồng

đều của sản phẩm càng nhanh Tốc độ đảo trộn càng tăng thì càng tăng khả năng độ đồng đều cho sản phẩm càng nhanh => Hiệu suất của quá trình khuấy trộn phụ thuộc phần lớn vào thời gian khuấy trộn và tốc độ cánh khuấy

Trong quá trình khuấy trộn lần thứ nhất có một số điểm độ Bx bị giảm do sai số trong quá trình đọc kết quả của chiết quang kế hoặc lấy mẫu ở những vị trí khác nhau nên có độ Bx khác nhau

18

Dung dịch đường sau khi khuấy trộn ở lần thứ nhất thì tiếp tục khuấy trộn tiếp ở lần thứ 2 nhưng với số vòng quay tăng lên là 240 vòng/phút Ta thấy độ Bx tăng từ 15 đến 18 và không tiếp tục tăng tiếp Lý do có thể do ban đầu khi điều chỉnh tốc độ quay của cánh khuấy thao tác chưa chính xác làm cho số vòng quay và tốc độ quay ban đầu lớn hơn nhiều số vòng quay cần điều chỉnh Từ đó làm cho độ Bx tăng mạnh từ 15 đến 18 ở phút đầu tiên và ngừng tăng ở những phút tiếp theo

Ngoài ra trong quá trình khuấy trộn, còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như:

- Nhiệt độ

- Tốc độ khuấy trộn

- Bản chất của chất tan

- Bản chất dung môi: độ nhớt, ví dụ: dung môi loãng dễ khuấy trộn và ngược lại

- Kết cấu cánh khuấy