Báo cáo thí nghiệm quá trình & thiết bị công nghệ sinh học i

Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian khuấy với 2 tốc độ cánh khuấy khác nhau... Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, trên l

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

TS Lê Ngọc Cương

Hà Nội, 2024

MỤC LỤC Bài 1: XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN TRONG PHƯƠNG TRÌNH

BERNOULLI 3

I Mục đích thí nghiệm 3

II Cơ sở lý thuyết 3

III Mô tả thiết bị thí nghiệm 4

IV Các bước tiến hành thí nghiệm 4

V Số liệu thí nghiệm 5

VI Tính toán xử lý số liệu và nhận xét 6

Bài 2: THÍ NGHIỆM KHUẤY TRỘN CHẤT LỎNG 9

I Cơ sở lý thuyết 9

II Mục đích thí nghiệm 10

III Máy khuấy trộn, chiết quang kế đo nồng độ Brix 10

1 Máy khuấy trộn 10

2 Cách sử dụng chiết quang kế để đo nồng độ Brix 11

IV Thí nghiệm 11

1 Các bước tiến hành 11

2 Số liệu thí nghiệm 12

V Tính toán kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị 14

1 Xác định chuẩn số Ơ - le 14

2 Xác định chuẩn số Rây - nôn 14

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 15

Bài 3:Xác định vận tốc lắng trong môi trường thực phẩm lỏng 16

1 Cơ sở lý thuyết 16

2 Dụng cụ, thiết bị 17

3 Nguyên liệu 17

4 Các bước tiến hành 17

5 Tính toán kết quả và nhận xét 18

Lời Cảm Ơn 20

II Cơ sở lý thuyết

Phương trình Bernoulli là phương trình năng lượng viết cho một đơn vịtrọng 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 vẽ1) có dạng:

 - trọng lượng riêng của chất lỏng

p 1 , p 2 – áp suất tại tâm mặt cắt 1-1 và 2-2.

γ – thế năng đơn vị cột áp thủy tĩnh tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

 1 ,  2 – hệ số hiệu chỉnh động năng hay hệ số Coriolis tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

v 1 , v 2 – vận tốc trung bình tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

α1v12

2 g , α1v12

2 g – động năng đơn vị hay độ cao vận tốc tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

h w1-2 – tổn thất năng lượng đơn vị trong đoạn dòng chảy từ mặt cắt 1-1 đến 2-2.

III Mô tả 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 tươngứng 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.

IV Các bước tiến hành thí nghiệm

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương trình Bernoulli đối với toàn dòngchất 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 đượccung 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

1 Ghi các giá trị lưu lượng Qi hiển thị trên lưu lượng kế 3 vào cột [2] của bảng

1

2 Ứng với mỗi giá trị lưu lượng Qi đo được nói trên ta tính được vận tốc trung

bình vi của dòng chảy tại các mặt cắt tương ứng theo công thức:

v i=Q i

S =4 Q i

π d2 trong đó d − đường kính tiết diện mặt cắt của ống 1

Ghi các giá trị tính được vào cột [3] của bảng 1

3 Từ các giá trị vi vừa tìm được ta tính các thành phần α1v12

2 g của phương trìnhBernoulli (ở đây, ta lấy αi = 1) Ghi các giá trị α1v12

2 g vào các cột [4], [7], [11],[15] và [19] tương ứng vào bảng 1

4 Theo cao độ của các ống đo áp I, II, III, IV và V ta xác định được trị số

z i + p i /γ tại các mặt cắt tương ứng (xem hình vẽ 2) (Nếu chọn mặt chuẩn đi quatrục của ống thì ta có zi = 0) Ghi các giá trị vừa tìm được vào các cột [5], [8],[12], [16] và [20] tương ứng của bảng 1

5 Các giá trị tổn thất cột áp ở các cột [9], [13], [17] và [21] trong bảng 1 được

phương trình Bernoulli ( Cần tính hw1-2 ở cột [9] ta lấy tổng giá trị cột [7] và cột[8] trừ đi giá trị cột [4 và cột [5])

6 Từ số liệu ở bảng 1 và sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli (trên hình vẽ 2) vẽ

đường năng và đường đo áp

● Nhận xét:

- Do bơm nước trực tiếp vào hệ thống , dẫn đến giá trị cao độ của các ống đo

áp không ổn định→ sai số trong tính toán kết quả Ngoài ra, sai số còn docách làm tròn số

- Dòng nước đi qua đoạn ống dẫn có đường kính d = 2,7 cm có vận tốc nhỏhơn khi đi qua đoạn ống có đường kính 2,1 cm áp suất trên đoạn ống có d =2,7 cm lớn hơn so với đoạn có d = 2,1 cm → Áp suất giảm

Bài 2 THÍ NGHIỆM KHUẤY TRỘN CHẤT LỎNG

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 Khicánh khuấy quay thì năng lượng tiêu hao dùng để thắng ma sát của cánh khuấy vớichất lỏng

Ta có thể coi chất lỏng chuyển động trong máy khuấy như là trường hợp đặc biệtcủa 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:

chuẩn số Rây - nôn

Fr =

ω2gd

Chuẩn số Phơ - rút

 ; FrK =

n2d g

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

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 tấmcản, khi đó cánh khuấy nhúng sâu vào trong chất lỏng nên ảnh hưởng của gia tốctrọng trường có thể bỏ qua

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

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 kể

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

IV Thí nghiệm

1 Các bước tiến hành

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 1 lít nước vào bình, cho 200g đường vào, cho cánh khuấy chạy

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

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

6 Bắt đầu tính thời gian khuấy, sau 1 phút lấy mẫu 1 lần, đo nồng độ muối Brix(nồng độ chất tan/ 100 g dung dịch) bằng chiết quang kế Ghi số liệu vào bảng

7 Đến khi nồng độ Bx = const thì dừng khuấy Xác định thời gian khuấy

8 Sau khi lấy tất cả các số liệu xong thì tắt máy, làm vệ sinh sạch sẽ chỗ làm thínghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm với cán bộ hướng dẫn

2 Số liệu thí nghiệm

Đường kính cánh khuấy: 5,3cm = 0,053 (m)

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

Độ nhớt của nước: μ=0,7679.10-3 (N.s/m2) – độ nhớt của dung dịch nước ở 32oC

Bảng 1 – Kết quả thí nghiệm khuấy trộn

E Uk

1 2,45 11,4 1859,22 3,27 8935,3 3,95 -3 15,12 10 15,12

2 4,17 11,6 383,68 2,58 15208,2 4,18

Bảng 2- Kết quả đo nồng độ Brix với tốc độ 147 vòng/phút

Thời gian khuấy t (phút) 1 2 3 4 5 6

- Khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3

2 Xác định chuẩn số Rây - nôn

ReK =

ρ nd 2 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 đườngthẳng ta có phương trình :

lgEuK = lgC + m.lgReK (6)

hay EuK = C

Rem K

(7)Cần xác định C và m trong công thức trên

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

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:

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ

Brix theo thời gian khuấy với 2 tốc độ cánh

khuấy khác nhau

147 vòng/phút 250,2 vòng/phút

Thời gian (phút)

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 K

S được tính như sau:

K S=π d3

6 (ρ1−ρ2)g , ( N )(1)

ρ 1 : khối lượng riêng của hạt cầu (kg/m 3 )

ρ 2 : khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 )

g: gia tốc trọng trường (m/s 2 )

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:

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: m 1 (g)

Bước 2: Xác định khối lượng của 1l mật ong bằng cân điện tử: m 2 (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.

- Độ nhớt của môi trường

- Nhiệt độ của môi trường

- Thể tích của môi trường

- …

Lời Cảm Ơn

Sau khi hoàn thành thí nghiệm Quá trình và thiết bị CNSH I dưới sự hướng dẫn của các thầy cô, em đã tiếp thu được những kiến thức về nguyên lý hoạt động của máy cũng như quá trình khuấy trộn và thấy được vận tốc lắng Em đã được tìm hiểu kỹ hơn về cấu tạo cũng như nguyên lí hoạt động của các máy đó cũng như những tác nhân ảnh hướng tới các quá trình trong CNSH Không chỉ vậy, mà chúng em còn được lý giải và tìm ra những giải pháp để hạn chế những tác nhân đó gây ra trong các quá trình đó.

Em rất cảm ơn thầy cô cũng như Bộ môn Quá trình thiết bị Công Nghệ Sinh Học đã tạo cơ hội cho chúng em được đi thí nghiệm, giúp em được bồi dưỡng thêm kiến thức và tạo động lực cho em bước tiếp trên con đường kỹ sư sinh học của bản thân mình Trên đây là nội dung bài báo cáo của em về môn Thí nghiệm Quá trình và thiết bị CNsh I Nội dung còn nhiều thiếu sót, em mong thầy cô thông cảm và cho em nhận xét cũng như góp ý để em rút kinh nghiệm và ngày càng hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!