Áo cáo thực hành môn kỹ thuật thực phẩm 2 Đề tài cô Đặc

Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyền 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 t

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HÒ CHÍ MINH

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

—— [IIl

A

INDUSTRIAL UNIVERSITY

OF HOCHIMINH CITY

BAO CAO THUC HANH MON KY THUAT THUC PHAM 2

Dé Tai: CO DAC

TP H6 Chi Minh, thang nam

MỤC LỤC

HI Cơ sở lý thuyết

3

3

3

IV Tiến hành thí nghiệm -2 2 <2 se St SE se re cưeeere re seree 7

1 Chuẩn bị thí nghiệm 2 ° ° ©+£ EE# Sex gevseegvxxe 7

9

10

11

NỘI DUNG

I Giới thiệu

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi Dung môi tách ra khỏi dung dich bay lên gọi là hơi thứ

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 dó chỉ phí hơi đốt giảm, dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch để phân hủy vì nhiệt hoặc có thế sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa)

Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyền 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 quyên thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không

khí

H Mục dích 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

HI Cơ sở lý thuyết

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 vảo 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 nhiệt độ sôi càng tăng

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 2 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 ởớ mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bô sung dung dịch mới liên

tục vào để giữ mức chất lỏng không đôi cho đến khi nồng độ dạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phâm và thực hiện một mẻ mới

2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị

Vv

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc Các thiết bị phụ trợ trong mô hình

- W1 Nguồn gia nhiệt nồi đun 2000W

- Pl Bơm định lượng lưu lượng tôi đa 15 lí/h

- ECHI Thiết bị ngưng tụ của nỗi dun

- ECH2 Bộ trao đồi nhiệt ống xoắn của thiết bị két tinh

Hệ thống van

- VI Van cấp cho nồi đun

- V2 Van xả cho nồi đun

- V3 Van cấp cho thiết bị kết tính trong quá trình gián đoạn

- V4 Van cấp cho thiết bị kết tính trong quá trình liên tục

3 Cân băng vật chất và năng lượng

3.1 Nong dé

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

m

= _chattan xX=———

"

Ngoài ra, nồng độ còn được xác định là khối lượng chất tan trong thé tich dung dich, biểu diễn dưới dạng:

C _ Mona ttan

3

m

»

“Vang dich

Mot lién hé grira hai nong d6 nay như sau:

Cc

Paung dich

Với Pang ain 14 khdi Luong riéng cua dung dich (kg/m’)

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:

Lượng chất vào = lượng chất ra Đối với chất tan:

Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan ra

Ga.X¿=G,.X

Phương trình này giúp ta tính toán được khối lượng của dung dịch còn lại trone nồi đun sau quá trinh cô đặc

Đối với hỗn hợp:

Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + Khối lượng dung hơi

thứ

G,=G,+G,, Phương trình này cho phép tính được khối lượng dung môi đã bay hơi trong quá trình cô đặc

Trong đó:

Gạ: Khôi lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kp)

5

Xạ: Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun (kg/kg)

G,: Khôi lượng dung dịch còn lại trên nồi đun (kg)

X.: Nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun (kø/kp)

G„: Khối lượng dung môi bay hơi (kg)

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

Đề đơn giản tính toán, chúng ta thường coi như không có mắt mát năng lượng

Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Qu = P,-t

Năng lượng dung dịch nhận được

Q, = Gy C,.(Tyaa- Ta)

C, = Cy - X) Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp (Q,¡ đặc trưng cho năng lượng mang vào, Q¡ đặc trưng cho năng lượng mang ra; bỏ qua tôn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt)

Qu =Q,

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình

Qo =P, + 1;

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi

Q;= G,(1„- Giao: Tsaa) Năng lượng do nổi đun cung cấp cho quá trình Q; đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q›

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

Qhg = Gy + Tw= Viro+ Puro cCn¿o-CT, - T,).1,

Trong do:

Qui: nhiét lượng nỗi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Q,„: nhiệt lượng nổi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)

Q„„: nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (1)

P,: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W)

P;: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W)

1,: thời eian thực hiện quá trình đun sôi dung dich (s)

1;: thời eian thực hiện quá trình hóa hơi (s)

Q;: nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

Q;: nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)

iy: ham nhiét của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thuong (J/kg )

r„: ân nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg)

CT„- Tạ): chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ dau cua dung dich (°C)

(T, -T,): chênh lệch nhiệt độ củ nước ra và vào (”C)

Cao: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m°/⁄s)

Vụ;o : khối lượng riêng của nước (kg/mẺ)

D„;o: nhiệt dung riêng của nước (J/kpg.K)

C,: nhiệt dung riêng của dung dich (J/kg.K)

IV Tiến hành thí nghiệm

1 Chuẩn bị thí nghiệm

1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ

- Bật công tắc nguồn cấp cho tủ điện

- Kích hoạt bộ điều khiển bằng cách chuyền công tắc tổng sang vị trí 1, công tắc đèn hiển thị trắng sáng

- Kích hoạt mô hình thí nghiệm bởi công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ đề 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 ông nhựa mềm dẫn nước giải nhiệt đầu ra được đặt đúng nơi quy định

- Mở van V9

- Kiểm tra áp suất hệ thống đạt được 1 bar

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

1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị

Trước khi thí nghiệm

- Nồi đun và thiết bị kết tỉnh 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

Kết thúc thí nghiệm

- Tắt WI

- Khóa van VPI

- Đợi cho dung dịch trong nồi đun đạt đến nhiệt độ khoảng 30°C

- Khóa van nguồn nước giải nhiệt cấp cho thiết bị ngưng tụ ECHI

- Tháo hết dung dịch trong nồi đun qua van V2

- Tháo dung môi (nước) trong binh chứa hơi thứ

1.3 Chuẩn bị dung dịch

- Chuẩn bị 6 lít dung dịch CuSO; loãng (có thế pha mới theo yêu cầu giáo viên hướng dẫn)

- Xác định nồng độ (ø/1)

- Xác định khối lượng riêng dung dịch

2 Tiến hành thí nghiệm

Giai đoạn dun sôi dung dịch

- Cho dung dịch nồi đun khoảng 6 lít

- Khóa van VI, VPI

- Kích hoạt bộ gia nhiệt, điều chỉnh công suất lên 100%

- Chỉnh lưu lượng nước cho thiết bị ngưng tụ ECHI với lưu lượng 801/h

- Ðo thời gian và quan sát dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đun đến khi dung dịch sôi, quan sát nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước giải nhiệt

- Đo nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đến khi dung dịch sôi Giai đoạn bốc hơi dung môi

- Mo van VP1

- Giảm nhẹ công suất bộ gia nhiệt xuống 75% đề giữ nhiệt ôn định nhiệt độ hiệu số giữa TI3 va TIS

- Ghi nhận thời gian thực hiện quá trình từ lúc bắt đầu cho đến khi lượng nước ngưng tụ

được 2 lít thì dừng quá trình

- Đo nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi thiết bị ngưng tu

- Quan sát nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun khi thực hiên quá trinh

- Đo nỗng độ dung dịch sau khi kết thúc quá trình

- Xác định khối lượng riêng của dung dịch sau khi quá trình cô đặc

3 Số liệu thực nghiệm

Nguồn

} gian | (°C) | (°C) | (CC) | Am do Q (0h)

dun

P(W)

Bat

dau

Dun

sôi

Kết

V Kết quả

Ban đầu

Lúc sau

Nông độ chât tan trước và sau cô đặc

TI; = 302C => p„ạo = 996 (ke/m*)

=> Pra = Duzao.dụa = 996 x 1,0186 = 1014,6252 (kg/m”)

= Mewsos _ 563,31

549,84

Ss Mipo

P: = Duao.d, = 996 x 1,0245 = 1020,402 (kg/m”)

Xq =

xX, =

Poa

1020,402

= 1,0245 (kg/m”)

C, _ 21,158

1014,6252

C, _ 37,495 = 0,0367 (kg/kg)

Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun

- Dung dich CuSO4 nap vao: 6 lit

Gạ = pạ.Vị¿ = 1014/6252 x 0,006 = 6,0878 (kg)

- Taco

X Cc

= 0,021 (kg/kg)

_ Gạ.Xạ _ 6,0878 x 0,021

0,0367 = 3,4835 (kg)

- Mặt khác

G, = G.tG, => G, = G, + G, = 6,0878 - 3,4835 = 2,6043 (kg) Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình giai đoạn đun sôi

Qu, = P, t, =1000x (15 x 60) = 900000 (kJ) Năng lượng dung dịch nhận được giai đoạn đun sôi

C„ = Cuy(1- X) = 4180 x (1 - 0,021) = 4092/22 (J/kg.K)

Q, = Gạ.C,.(T;¿¿- Tạ) = 6,0878 x 4092,22 x (93 - 31,3) = 1736626,041 (J) Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình giai đoạn bốc hơi

Qi = P; tạ= 1000 x (70 x60) = 4200000 () Năng lượng nước nhận được để bốc hơi trong giai đoạn bốc hơi

Q, = G, i, = 2,6043 x 2679 = 6976,9197 (kJ) =6976919,7 (J) Can bang năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

Qne= Gu + tw = Vivo+ Puro -Cur0-(T, - T,).1;

- Tinh theo ly thuyét

Que= Gy + ty = 2,6043 x 2260 = 5885,718 (kJ) = 5885718 (J)

- Tính theo thực tế

Qn = Gye tw = Vivo + Pawo (Ciao-ÉT, - T,).t,

_ 200

3600 x 1000

(J)

Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ

x 996 x 4,18 x (32,4 - 30,6) x (70 x 60) = 1748,5776 (kJ) = 1748577,6

At, = 93°C - 30°C = 63°C

At, = 93°C - 32,4°C = 60,6 _At- At, _ 63 - 60,6

Nên 8 in ote n63

K, = — "hs 1,.F.AtUy, 0,2 61,192 x70 x 60 = = 114,5053 (W/m*.K (wim)

K,, = Qu = 1748577,6 = 34,0182 (W/m’.K)

™ .F Aty, 0,2 x 61,192 x 70 x 60

VI Kết luận

Năng lượng do nồi đun cung cấp để đun sôi dung dịch thì một phần được sử dụng còn một phần bị thất thoát nhiệt ra bên ngoài môi trường

Nguyên nhân sai số khi tính toán cân bằng năng lượng và vật chất:

- Thời gian giữa các lần đo bị chênh lệch

10

- Nong độ chất tan sau cô đặc tính được độ chính xác không cao

- Hoặc trong quá trình làm các thao tác làm chưa chuẩn

- Quá trình làm chưa đảm bảo

- Có thể do tác động từ các yếu tố bên ngoài đến quá trình làm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Xuân Toản, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập

3: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, NXB KHKT, 2013

[2] Phạm Văn Bôn, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm, Tập 5: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, quyền 1: Truyền nhiệt ôn định, NXB Đại học Quốc gia

TP.HCM, 2006

[3] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên, Số tay quá trình và thiết bị công

nghệ hóa chất, tap 1, 2, NXB Khoa học kỹ thuật, 2013

[4] Warren L.McCabe, Julian C.Smith, Peter Harriott, Unit operations of chemical engineering, McGraw Hill