báo cáo kỹ thuật thực phẩm 2 bài 5 quá trình cô đặc

QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC5.1 GIỚI THIỆUCô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch chứa chất tan không bay hơi bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi.. Dung môi tách ra khỏi dung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINHVIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

- -BÁO CÁO KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

Viện: Công Nghệ Sinh Học và Thực Phẩm

Họ và tên SV: Phạm Thảo Hiền

Nhóm: Nhóm 2

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15, tháng 4, năm 2024

BÀI 5 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 3

5.1 GIỚI THIỆU 3

5.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 3

5.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

5.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 4

5.3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 4

5.3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng 4

BÀI 5 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC5.1 GIỚI THIỆU

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch (chứa chất tan không bay hơi) bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi Dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọilà hơi thứ.

Mục đích của quá trình cô đặc

- 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 (nước cất).

Quá trình cô đặc được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp sản xuất hóa chất, thực phẩm: Cô đặc đường trong nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút trong các nhà máy sản xuất phèn nhôm, cô đặc các dịch trích ly từ các nguyên vật liệu trong tự nhiên: cà phê, hồi,

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất khác nhau (áp suất chân không, áp suất thường – hệ thống thiết bị để hở hay áp suất dư)

Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do đó chi phí hơi đốt giảm Cô đặc chân không dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxyhoá, đường hoá, nhựa hoá).

Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài khôngTrong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không.

5.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Vận hành được hệ thống thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số của quá trình.- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng cho quá trình cô đặc gián đoạn.- So sánh năng lượng cung cấp cho quá trình theo lý thuyết và thực tế.

- Xác định năng suất và hiệu suất quá trình cô đặc.- Xác định hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ.

5.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

5.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch

Nhiệt độ sôi của dung dịch là thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc.

Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất.

Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch trong thiết bị Trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp, càng xuống sâu thì nhiệt độ sôi càng tăng.

5.3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn

Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo hai phương pháp sau:

- Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu.

- Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới.

5.3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng5.3.3.1 Nồng độ

Nồng độ được sử dụng trong quá trình được xác định là khối lượng của chất tan so với khối lượng của dung dịch, được biểu diễn dưới dạng:

5.3.3.2 Cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất tổng quát

Lượng chất vào + lượng chất phản ứng = lượng chất ra + lượng chất tích tụ

Đối với quá trình cô đặc- Không có lượng tích tụ

- Không có phản ứng hóa học nên không có lượng phản ứng.Do đó phương trình cân bằng vật chất được viết lại:

Đối với chất tan

Lượng chất vào = Lượng chất ra

Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan ra

5.3.3.3 Cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:

Năng lượng mang vào = Năng lượng mang ra + Năng lượng thất thoát.

Để đơn giản trong tính toán, chúng ta coi như không có mất mát năng lượng Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trìnhQk1= P1.τ 1

Năng lượng dung dịch nhận đượcQ1=Gđ Cp (Tsdd – Tđ)

Cp = CH2O.(1-x)

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Qk đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng dung dịch nhận được Q1 đặc trưng cho năng lượng mang ra Do vậy phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp này là (bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt)

Qk1= Q1

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trìnhQk2= P2.τ2

Năng lượng nước nhận được để bốc hơiQ2 = Gw (iw-CH20.tsdd)

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình QK2 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q2

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụQng = Gw.Tw

Gw.Tw= VH20 PH2O-CH20 (Tr-Tv) T2

Các phương trình cân bằng năng lượng giúp ta so sánh giữa lý thuyết với thực nghiệmTrong đó:

Qk1 : Nhiệt lượng nồi đun cấp cho quá trình đun nóng (J)

Qk2: Nhiệt lượng nồi đun cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)Qk3: Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (J) P1: Công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W) P2: Công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W)

τ 1: Thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s)

τ2: Thời gian thực hiện quá trình hóa hơi (s)Q1: Nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)Q2: Nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)

iw: Hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường (J/kg) Tw: Ấn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg)

(Tsdd – Td): Chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (C)(Tr– Tv): Chênh lệch nhiệt độ của nước ra và vào (°C)

VH2O: Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m/s)

ρdd: Khối lượng riêng của nước (kg/m3)CH2O: Nhiệt dung riêng của nước (J/kg.K)ACp: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.K)

5.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

5.4.1 Sơ đồ hệ thống

Mô hình này trình bày cơ chế của quá trình cô đặc bởi sự bay hơi cục bộ dung môi Mô hình khảo sát quá trình làm việc gián đoạn ở áp suất khí quyển.

Mô tả chung của mô hình:- Dung tích nồi đun 10 lít

- Bộ điều chỉnh công suất gia nhiệt (2000W) được điều chỉnh bằng tay.

- Một thiết bị ngưng tụ vỏ làm bằng thủy tinh và bộ làm lạnh làm ống xoắn bằng thép không rỉ (bề mặt truyền nhiệt 0,2m).

- Một bơm định lượng cấp liệu cho quá trình làm việc liên tục.- Tất cả các van được điều chỉnh bằng tay.

- Nhiệt độ được đo bằng các đầu dò nhiệt độ kết nối với bộ hiển thị số gắn với bộ điều khiển gắn ở bảng trước.

- Công suất gia nhiệt được điều chỉnh tay thì được đọc trực tiếp trên bộ điều khiển phía trước bảng hiển thị số nhiệt độ nồi đun.

Lưu lượng dòng chất tải nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt được đo bằng Rotamet viên bi với thiết bị ngưng tụ 40 – 400lít/h.

- Lớp bảo vệ cách nhiệt đặt tại mức thoát giữa nồi đun và thiết bị kết tinh không cho phépnung trong suốt quá trình di chuyển dung dịch và thất thoát nhiệt ít nhất để tránh việc kết tinh huyền phù trong ống

Chống chỉ định

Cấm sử dụng hệ thống thiết bị cô đặc trong các trường hợp sau:- Các chất gây tắc nghẽn.

- Tiến hành ở áp suất chân không.

- Để mô hình làm việc mà không có sự giám sát của người điều hành được huấn luyện về

các nguy cơ của máy.

- Dùng với các vật cứng như viết, chìa khóa,

- Dùng với các chất phản ứng mà không cho phép dùng với mô hình thí nghiệm

Quá trình làm việc có nhiệt độ đến 100°C và làm việc ở áp suất khí quyển với các trang thiết bị phụ trợ và các tiện nghi khác phục vụ cho quá trình thí nghiệm Bên cạnh đó, để phục vụ cho quá trình cần có thêm các hóa chất, máy, dụng cụ sau

- Dung dịch đồng sulphate

- Cân phân tích và ống đong (100ml) dùng để xác định khối lượng riêng của dung dịch - Máy đo độ hấp thu A dùng để xác định nồng độ (g/1) của dung dịch thông qua đường chuẩn

Nồng độ dung dịch g/l được xác định thông qua độ hấp thu A Độ hấp thu A được xác định qua máy đo có bước sóng A = 890nm, ở nhiệt độ phòng 30°C Cuvet chứa mẫu phải luôn sạch và khô ráo, bên trong ống không được có bọt khí và được đặt trong máy đo đúng theo yêu cầu.

5.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

5.5.1 Chuẩn bị thí nghiệm

5.5.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ

- Bật công tắc nguồn cấp cho tủ điện.

- Kích hoạt bộ điều khiển bằng cách chuyển công tắc tổng sang vị trị 1, công tắc đèn hiểnthị trắng sáng.

- Kích hoạt mô hình thí nghiệm bởi công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ (nếu cần thiết sử dụng công tắc khẩn cấp) để kích hoạt mô hình, lúc này đèn xanh sáng.

- Bộ hiển thị số được cấp điện.

- Mở van nguồn cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống.

- Kiểm tra ống nhựa mềm dẫn nước giải nhiệt đầu ra được đặt đúng nơi quy định.

- Mo van V9

- Kiểm tra áp suất của hệ thống đạt được 1 bar.

- Mở van V6 để lưu thông nước trong thiết bị ngưng tụ.

5.5.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị

Trước khi thí nghiệm

- Nồi đun và thiết bị kết tinh được tháo hết và sạch.

- Các van thoát được đóng: V2, V5, V8

- Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng và sạch- Các van V3 và V4 đóng.

Tháo dung môi (nước) trong bình chứa hơi thứ

5.5.1.3 Chuẩn bị dung dịch

- Chuẩn bị 8 lít dung dịch CuSO4 loãng (có thể pha mới theo yêu cầu giáo viên hướng dẫn)

- Xác định nồng độ (g/l) của dung dịch- Xác định khối lượng riêng dung dịch

5.5.2 Báo cáo

- Ghi nhận kết quả thí nghiệm để tính toán cân bằng vật chất và năng lượng Những vấn đề cần ghi chú trong mỗi giai đoạn của thí nghiệm.

- Tính toán cân bằng vật chất- Tính toán cân bằng năng lượng

- So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm trong mỗi giai đoạn Nhận xét và giải thích

- Tính hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ

- Nhận xét về sự biến đổi nhiệt độ trong nồi đun khi thực hiện giai đoạn hóa hơi dung môi Giải thích sự biến đổi này.

Nhiệt độnước

Nhiệt độdung

Lưulượng (L/p)

Nồngđộ (kg/

100 =1,0336(mlg )=1033,6 ( kgm3)

Tính mẫu:Trước cô đặc

- Độ hấp thu A1=1,382 → Nồng độ C1=25,31(kg/m3)- Khối lượng riêng dung dịch ρdddung dịch= 1005,2 (kg/m3)- Cân bằng vật chất:

Xđ= ρdd ddC đ = 25,31

Sau cô đặc

- Độ hấp thu A2=3.678 → Nồng độ C 2=50,9 (kg/m3)- Khối lượng riêng dung dịch ρdddung dịch=1033,6 (kg/m3)- Cân bằng vật chất:

Xc= ρdd ddCc = 50,9

1033,6=0,049 (

Đối với hỗn hợp theo lý thuyếtGc=Gđ × x đx c =6,0312× 0,0252

0,049 =3,102(kg )Khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun: Đối với hỗn hợp: Gđ=Gc+Gw

Khối lượng hơi thứ bốc hơi:

Gw=Gđ−G c=6,0312−3,102=2,9292(kg) Tính toán cân bằng năng lượng:

 Giai đoạn đun sôi:

Công suất điện trở gia nhiệt:2000W

→ Công suất điện trở cho quá trình đun sôi: P1=100%.2000=2000W

→ Công suất điện trở cho quá trình hóa hơi: P2=100%.2000=2000WNăng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình (thực tế):

Qk1=P1.τ 1=2000× 18× 60=¿2160 kJNăng lượng dung dịch nhận được

Q1= Gđ.Cp.(Tsdd-Tđ)= 6,0312.4,088.(85-42,4)=1050,33 kJTrong đó:

Cpdd=CpH2O.(1-xđ)=4,174.(1-0,0252)=4,069 (kJ/kg.℃)- Năng lượng thất thoát ra môi trường:

Qtt1=Qk1-Q1=2160-1050,33=1109,67(kJ)Hiệu suất giai đoạn đun sôi dung dịch:

%H= Qk 1Q 1 =1050,33

2160 ×100=48,6 % Giai đoạn bốc hơi dung môi:

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:Qk2=P2.τ 2=2000.80.60=9600 (kJ )

Nhiệt lượng nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ: T1=93℃Tra bảng sổ tay QTTB ta được: iw=2672,6 (kJ/kg)

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi

Q2=Gw.(iw-CH2O.tsdd)=2,9292.(2672,6-4,2152.93)=6680,29 (kJ)Năng lượng thất thoát ra môi trường:

Qtt2=Qk2-Q2=9600-6680,29=2919,71 (kJ)Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:Qng=Gw.rw = VH2O.ρddH 2O CpH 2O (Tr−Tv ) τ 2

= 2.1008,9.4,220.(38,8-29,4).80.60=384202,03 (kJ)Năng lượng cung cấp cho cả quá trình:

F ∆T

Q=Qngτ 2 =6650,5

80.60 =1385,52 (J )F=0,2 m2

Hiệu số nhiệt độ hữu ích , xem như quá trình chuyển động ngược chiều:-∆ T max=93−42,4=50,6℃

24,48℃Hệ số truyền nhiệt của thiết bị :

K=F ∆ TlogQng =384202,03.1000

0,2.24,48 =78472636,85(

Wm2 K)

5.7 TRẢ LỜI CÂU HỎI

1 Viết phương trình cân bằng vật cho quá trình cô đặc cho cả chất tan và hỗn hợp

- Đối với chất tan: Gđ.𝑥̅đ = 𝐺𝑐 𝑥̅𝑐- Đối với hỗn hợp: Gđ = Gc + Gw

- Cân bằng vật cho quá trình cô đặc: (Gc + Gw) 𝑥̅đ = Gc 𝑥̅𝑐 ↔ x đxc= GcGc+Gw

2 Viết biểu thức biểu diễn mối liên hệ giữa nồng độ (g/l) và (g chất tan/g dung dịch)𝑥̅ =ρddddC

3 Khái niệm quá trình cô đặc Trong quá trình cô đặc lượng chất tan trong dung dịch thay đổi như thế nào ?

- Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch (chứa chất tan không bay hơi) bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi Dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọilà hơi thứ

4 Hãy nêu các phương pháp cô đặc và đặc điểm của nó

- Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất khác nhau (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư).

- Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi giảm do đó chi phí hơi đốt giảm Thường dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa).

- Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phânhủy bởi nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để dử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác.

- Cô đặc ở ấp suất khí quyển thì hơi thứ không được dử dụng mà được thải ra ngoài không khí.

5 Nhiệt độ sôi của dung dịch thay đổi như thế nào khi nồng độ dung dịch thay đổi?- Nồng độ dung dịch tăng khi nhiệt độ sôi của dung dịch tăng và ngược lại

- Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất cùng áp suất.- Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch trong thiết bị Trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp, càng xuống sâu thì nhiệt độ sôi càng tăng.

6 Vai trò của nồi đun (buồng đốt) trong quá trình cô đặc là gì?

- Tác dụng gia nhiệt, tách hỗn hợp dung dịch thành hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ, các giọt lỏng rơi lại.

Như vậy cô đặc là quá trình làm bay hơi dung môi và tăng nồng độ chất tan trong dung

dịch Trong quá trình này, nhiệt lượng tính toán lý thuyết và nhiệt lượng tính toán thực tế có sự khác nhau, do không có cách nhiệt nên nhiệt lượng tỏa ra môi trường là rất lớn, làmgiảm hiệu suất đến quá trình cô đặc Đồng thời, làm tiêu tốn lượng nhiệt không cần thiết trong quá trình cô đặc sản phẩm Vì vậy, trong sản xuất chúng ta cần tính đến lượng nhiệtnày và có biện pháp cách nhiệt hiệu quả để tăng hiệu suất của quá trình cô đặc cũng như đỡ tốn chi phí cung cấp nhiệt cho quá trình cô đặc

5.8 BÀN LUẬN

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm

việc gián đoạn hay liên tục Khi cô đặc gián đoạn dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục giữ nguyên mức chất lỏng không đổi trong quá trình và khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu sẽ lấy ra hết rồi tiếp tục cho dung dịch mới vào để cô đặc tiếp.

thật thoát nhiệt ra mỗi trường cũng như thất thoát thông qua nước giải nhiệt.

Một lý do khác gây ra sự sai lệnh là do sai số hệ thống thiết bị, sau một thời gian sử dụng hệ thống bị gỉ sét, đóng cặn gây nên hiện tượng cản trở sự các quá trình trong thiết bị, một phần năng lượng sẽ bị lớp gỉ, cặn cản lại dẫn đến sự sai số cho quá trình.

- Theo lý thuyết, coi như không mất mát năng lượng thì Qk1 = Q1, Qk2 = Q2