Báo cáo quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm i xác Định vận tốc lắng trong môi trường thực phẩm lỏng

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

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA & KHOA HỌC SỰ SỐNG VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ

THỰC PHẨM

******

BÁO CÁO Quá trình và thiết bị công nghệ

thực phẩm I

5/2023

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Quân

Giáo viên hướng dẫn: ThS Phạm Thanh HươngThS Nguyễn Tuấn Linh

Mục lục

BÀI 1 3

Xác định vận tốc lắng trong môi trường thực phẩm lỏng 3

1 Cơ sở lý thuyết: 3

2 Dụng cụ, thiết bị 4

3 Nguyên liệu 4

4 Cách bước tiến hành 4

5 Tính toán kết quả và nhận xét: 5

BÀI 2: Thí nghiệm khuấy trộn chất lỏng 7

I Mở đầu 7

II Mục đích thí nghiệm 8

III Máy khuấy trộn, chiết quang kế đo nồng độ Brix 8

1 Máy khuấy trộn 8

a Mục đích 8

b Cấu tạo 8

c Nguyên lý hoạt động 9

2 Cách sử dụng chiết quang kế để đo nồng độ Brix 9

IV Thí nghiệm 10

1 Các bước tiến hành 10

2 Số liệu thí nghiệm 10

V Tính toán kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị 12

BÀI 3: Xác định công nghiền riêng của hạt nông sản 14

1 Cơ sở lý thuyết 14

2 Dụng cụ, thiết bị 15

3 Nguyên liệu 15

4 Tiến hành 16

5 Kết quả 16

BÀI 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 khói không khí, tách bùn từ nước thải,vv… Vì vậy việc nghiên cứu sự lắng của các hạt đóng một vai trò quan trọng Trong thí nghiệm này, sinh viên tiến hành lắng cát trong môi trường nước, 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:

Ks= 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 Fρ2u

2

2 ,(N) (2)

ξ : hệ số trở lực

F : tiết diện của hạt theo hướng chuyển động

Đối với hạt hình cầu:

S= ξ π d

2

4 ρ2

u2

2 , (N) (3)

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

ξ π d

2

4 ρ2

u2

2 = π d3

6 ( ρ1−ρ2 )g (4)

u = √4 gd ( ρ1−ρ2)

3 ρ 2 ξ (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:

Re ≤ 0,2 ξ= 24ℜ 0,2 < Re < 500 ξ= 18 ,5ℜ

500 < Re < 15.104ξ= 0,44

Với Re = ρ2ud

μ (6)

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

2 Dụng cụ, thiết bị

Ống thủy tinh cao 31,3 cm, đồng hồ bấm giờ, cân điện tử, thước kẹp, cốc đong

3 Nguyên liệu

Mật ong 2 lít, các viên bi hình cầu

4 Cách bước tiến hành

Sinh viên tiến hành thí nghiệm lắng hạt bi hình cầu trong môi trường mật ong Kích thước hạt 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 = 31,3cm Đo thời gian rơi của hạt bi t (s)

- Các bước tiến hành thí nghiệm

5 Tính toán kết quả và nhận xét:

 Hạt bi (viên đạn hình cầu)

+ Khối lượng của hạt bi là: 0,21g=0,21.10-3(Kg)

+ Lấy đường kính của hạt bi là: 0,59cm = 5,9.10-3 m

+ Thể tích của hạt bi : V = 43πr3 = 43.(2,95.10-3)3π (m3)

+ Khối lượng riêng của hạt bi là: ρ1= m V =

0 ,21.10−3

4

3. (2,95.10−3)3 π =1952,83 (kg/m3)

+ Thể tích mật ong là: 1 lít

+ Khối lượng của 1 lít mật ong : 1,3944 kg

+ Khối lượng riêng mật ong:ρ2= 1 ,3944

10−3 =1394,4 (kg/m3) + Chiều cao mật ong : h = 0,311m

+ Vận tốc lắng thực tế: utt = h t

+ Độ nhớt động lực học chất lỏng: µ = 3,8726(Pa.s)

+ Chuẩn số Re = ρ2ud

μ = 1394 , 4 u tt 5 , 9.10−3

3,8726

+ Hệ số trở lựcξ= 24ℜ

+ Tính vận tốc lắng lí thuyết theo công thức (5):u = √4 gd ( ρ1−ρ2)

3 ρ 2 ξ với g=9,81 m/s2

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)

bình

Nhận xét:Vận tốc lí thuyết có sai khác với vận tốc thực tế vì:

+ Tốc độ thả ban đầu không đồng đều

+ Sai số do người quan sát và bấm thời gian hạt bi lắng

+ Kích thước hạt bi không đều

+ Trong cốc chứa hạt bi, ngoài khối lượng của hạt bi còn có khối lượng của không khí nên khối lượng riêng của hạt bi chúng ta sử dụng không đúng

+ Do nhiệt độ môi trường

BÀI 2 Thí nghiệm khuấy trộn chất lỏng

I Mở đầu

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

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:

Eu = f (Re, Fr,…) (1)

Ở đây:Eu =

ΔΡ

ρω 2chuẩn số Ơ - le

Re =

ωdρ

μ chuẩn số Rây - nôn

Fr =

ω2

gd 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 :

EuK =

Ν

ρn3d5 ; ReK =

ρ nd2

μ  ; FrK =

n2d g

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

d – đường kính cánh khuấy, m

N – công suất trên trục, W

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

(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, nghĩa là trong máy khuấy có đặt các tấm cản, khi đó cánh khuấy nhúng sâu vào trong chất lỏng nên ảnh hưởng của gia tốc trọng trường có thể bỏ qua

Ta có :

Ν

ρn3d5= C ( ρ nd2

μ )m

(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 Máy khuấy trộn, chiết quang kế đo nồng độ Brix

1 Máy khuấy trộn

a Mục đích

Có tác dụng làm tăng độ đồng đều của dung dịch cần trộn

b Cấu tạo

Gồm có động cơ, cánh khuấy và thùng chứa nguyên liệu.Ngoài ra còn có bảng điều khiển, giá đỡ và van xả đáy

c Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động: động cơ quay tác động lên cánh khuấy dựa vào bảng điều khiển để điều khiển tốc độ quay của cánh khuấy Dung dịch được hoà tan đồng đều nhờ cánh khuấy

2 Cách sử dụng chiết quang kế để đo nồng độ Brix

Bước 1: Nhỏ 1 - 2 giọt dung dịch cần đo lên lăng kính

Bước 2: Đậy tấm chắn sáng

Bước 3: Nước phải phủ đều trên lăng kính

Bước 4: Chờ 30 giây để bù nhiệt độ Đưa lên mắt ngắm

Bước 5: Đọc số trên thang đo Chỉnh tiêu cự sao cho số thấy rõ nhất

Bước 6: Sau khi sử dụng, lau sạch bằng giấy thấm mềm

* Chú ý:

- Không được làm ướt khúc xạ kế

- Khi nồng độ dung dịch đường quá cao, trên màn quan sát chỉ xuất hiện màu trắng

IV Thí nghiệm

1 Các bước tiến hành

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

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

Bước 3: Đổ 1 lít nước vào thùng, cho 200g đường hoặc muối vào

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

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

Bước 6: Bắt đầu tính thời gian khuấy, sau 1 phút lấy mẫu 1 lần, đo nồng độ Brix (nồng độ chất tan/

100 g dung dịch) bằng chiết quang kế (đọc chính xác đến 0,1) Ghi số liệu vào bảng

Bước 7: Ghi số liệu vào bảng 1 và bảng 2

Bước 8: Đến khi nồng độ Bx = const thì dừng khuấy

Bước 9: Sau khi lấy tất cả các số liệu xong thì tắt máy, làm vệ sinh sáchj sẽ tại chỗ làm thí nghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm với cán bộ hướng dẫn

2 Số liệu thí nghiệm

Đường kính cánh khuấy: 5,3cm=0,053m

Khối lượng riêng của nước: ρ= 995kg/m3

Độ nhớt của nước: μ=0,798.10−3 (N.s/m2) – độ nhớt của dung dịch nước ở 30oC

Bảng 1: Bảng kết quả thí nghiệm

Số

TN

Số vòng

quay cánh

khuấy

(Vòng/phút)

Công suất (W)

1

2

3

4

5

372,9

547,8

677,2

775,7

1050,1

12,1 13,1 13,4 13,7 14,9

121,13 41,37 22,40 15,24 6,68

2,08 1,62 1,35 1,18 0,82

410711 603346 745867 854355 1156579

5,61 5,78 5,87 5,93 6,06

-2,8131 17,866 1017,866

Bảng 2: Kết quả đo nồng độ Brix

* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 573,6 vòng/phút:

Thời

gian(p)

Bx(%) 10,3 11,0 13,1 13,3 14,0 14,1 14,3 14,3

* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 331,8 vòng/phút:

Thời

gian

(p)

Bx(%) 6,4 9,8 10,8 11,2 11,8 12,3 12,

8 13,0 13,2 13,8 14,0 14,0 14,1 14,3

V Tính toán kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị

1.Xác định chuẩn số Ơ - le

EuK =

Ν

ρn3d5  (4)

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

2 Xác định chuẩn số Rây - nôn

ReK =

ρ nd2

μ   (5)

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) hay EuK = C ReK m (7) Cần xác định C và m trong công thức trên

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

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

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 khô

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

- Kết cấu cánh khuấy

BÀI 3 Xác định công nghiền riêng của hạt nông sản

1 Cơ sở lý thuyết

Trong công nghiệp sản xuất bột, thức ăn gia súc và nhiều ngành công nghiệp khác thường tiến hành quá trình nghiền các cục to, các hạt thành bột thô, vừa và mịn Quá trình nghiền nhỏ vật liệu trong các máy nghiền là nhờ các lực cơ học Có thể phân loại các dạng tác dụng cơ học nhằm phá vỡ vật liệu đem nghiền như sau:

Bảng phân loại mức độ nghiền

Tùy theo kết cấu của từng loại máy nghiền mà lực phá vỡ vật liệu đem nghiền có thể là lực nén, ép, chẻ, cắt, va đập… hoặc do một vài lực ở trên tác dụng đồng thời Công nghiền không chỉ phụ thuộc vào loại lực tác dụng, kết cấu máy và các cơ cấu truyền động mà còn phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu đem nghiền như độ cứng, độ ẩm, tính chất của vỏ hạt… Công nghiền dùng để khắc phục các lực liên kết giữa các phần tử của vật liệu đem nghiền, các lực ma sát giữa vật liệu với nhau, giữa vật liệu và các cơ cấu nghiền, ma sát các bộ phận chuyển động trong máy Để xây dựng công thức tính toán về công suất, năng suất cho máy nghiền phải dựa vào thực nghiệm Một số cơ sở lý thuyết

để tính toán gần đúng như thuyết bề mặt của P.Rv Rittingơ, thuyết thể tích, thuyết thể tích về bề mặt của P.A Rebinde (đọc giáo trình máy và thiết bị chế biến lương thực)

Hình 1 Máy nghiền búa

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý máy nghiền búa: 1- vỏ, 2- Roto, 3- búa, 4- cửa nạp liệu, 5- trục dẫn động, 6- sàng

2 Dụng cụ, thiết bị

Máy nghiền, đồng hồ bấm thời gian, rây có kích thước lỗ: 0.1mm, 0.2mm, 0.5 mm

3 Nguyên liệu

Gạo

4 Tiến hành

Làm thí nghiệm nghiền gạo, lấy số liệu

- Cho máy chạy không tải, xác định công suất chạy không tải: P 0 = 610 W

- Cân 150g gạo cho một lần thí nghiệm nghiền Làm thí nghiệm 3 lần Lần lượt thời gian

nghiền là lần 1=15s, lần 2=30s, lần 3=45s Xác định công tiêu thụ A

- Lần lượt rây để phân loại bằng các rây có kích thước lỗ : 0.1mm, 0.2mm, 0.5 mm

- Bảng số liệu:

TT Thời giannghiền (h) Kích thước lỗrây (mm) Khối lượng thuđược m(kg)

Số chỉ đồng hồ

Công nghiền riêng (KWh/Kg)

Lúc bắt đầu nghiền Lúc nghiềnxong Ađầu (KWh)Acuối

(KWh) Lần 1 1/240

0,01

Lần 2 1/120

0,013

Lần 3 1/80

0,029

5 Kết quả

5.1 Tính công nghiền riêng

- Tính công có ích: A ci = A – A 0

Trong đó: A là công nghiền có tải trong thời gian nghiền T

A = A cuối - A đầu

A0 là công chạy không tải tương ứng với thời gian nghiền T

A 0 = P 0 x T

A ci A A 0 Ariêng

5.2 Xác định công nghiền riêng theo thuyết bề mặt

- Tính công có ích: A ci = A – A 0

Trong đó: A là công nghiền có tải trong thời gian nghiền T

A = A cuối - A đầu

A0 là công chạy không tải tương ứng với thời gian nghiền T

A 0 = P 0 x T

- Xác định diện tích bề mặt của hạt gạo f, tổng diện tích bề mặt của số lượng gạo đem nghiền F

- Xác định giá trị trung bình tổng diện tích các hạt có kích thước nhỏ hơn 0.1mm (sau nghiền) F

1, tương tự với kích thước nhỏ hơn 0.2mm là F2, nhỏ hơn 0.5mm là F3

- Công nghiền riêng: A riêng = A ci /(F 1 +F 2 +F 3 - F)

Xử lý số liệu:

- Thông số 1 hạt gạo: Đường kính d=0,2 cm, chiều cao L=0,6cm

- Khối lượng 1 gạt gạo là: g=m=D.V=1200.π d

2

4 l = 1200.π (0 ,2.10−2)2

4 (0,6.10−2)=2,26.10−5 (kg)

- Trong 0,15 kg gạo đó có số hạt gạo là:

n=

G

g =

0 ,15 2,26.10−5=6637 (hạt)

- Coi hạt là khối trụ => Diện tích toàn phần của hạt gạo là:

f= πdL + 2.πd2

4 = 4,398.10 5

(m2)

- Tổng diện tích bề mặt 0,15 kg gạo đem nghiền

F= f.n=4,398.10 5

.6637=0,292 (m2

)

Xác định giá trị trung bình tổng diện tích các hạt có kích thước nhỏ hơn 0.1mm (sau nghiền) F1, tương

tự với kích thước trong khoảng 0.1mm – 0.2mm là F2, trong khoảng 0.2mm – 0.5mm là F3

- Công nghiền riêng:

Ariêng = Aci / (F1+F2+F3 - F)

- Hạt sau khi vỡ coi như khối lập phương

 Nghiền lần 1

+ Các hạt có kích thước < 0,1 mm

Trung bình kích thước giữa hạt lớn và hạt bé: a = 0,05mm

Khối lượng trung bình của 1 hạt:

m =D V =1200.(0 ,05.10−3)3

=1,5.10−10(kg)

Trong 0,0205kg gạo có kích thước <0,1mm có: 0,0205

1 ,5.10−10=13,7.107( hạt) Diện tích bề mặt của 1 hạt là: 6.(0 ,05.10−3) 2

=1 ,5.10−8(m2

)

Tổng diện tích bề mặt: F1= 1,5.10−8 13,7.107=2,055 ( m²)

+ Các hạt có kích thước 0,1 mm < d < 0,2 mm

Trung bình kích thước giữa hạt lớn và hạt bé: a = 0,15mm

Khối lượng trung bình của 1 hạt:

m =D V =1200.(0 ,15.10−3) 3

=4 ,05.10−9( kg)

Trong 0,0452 kg gạo có kích thước 0,1 mm < d < 0,2 mm có:

0,0452

4 , 05.10−9=11,2.106

(hạt )

Diện tích bề mặt của 1 hạt là: : 6.(0 ,15.10−3 ) 2

=1 ,35.10−7(m2

)

Tổng diện tích bề mặt: F₂ = 1,35.10−7.11,2.106=1,512(m2

)

+ Các hạt có kích thước 0,2 mm < d < 0,5 mm

Trung bình kích thước giữa hạt lớn và hạt bé: a = 0,35mm

Khối lượng trung bình của 1 hạt: