BÁO CÁO BÀI 2: CÔ ĐẶC1.MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: Giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quá trình cô đặc và thiết bị cô đặc, vận hành đúng các quy trình thiết bị, đo đạc chính xác các thông số của quá trình và thiết bị. Tính toán cân bằng vật chất cân bằng năng lượng để xác định các thông số cần thiết. Xác định năng suất và hiệu suất quá trình cô đặc. Đánh giá quá trình hoạt động cô đặc gián đoạn và liên tục.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT:2.1Định nghĩa: 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 dịch bay lên gọi là hơi thứ.2.2Ứng dụng của quá trình cô đặc bay hơi:Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịchTách chất hòa tan ở dạng chất kết tinhTách dung môi ở dạng nguyên chất.2.3Các phương pháp cô đặc:2.3.1Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn:
Trang 1VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM
BÁO CÁO THỰC HÀNH:
KỸ THUẬT THỰC PHẨM
Giảng viên hướng dẫn : Trần Ngọc Thắng
Sinh viên thực hiện : Bùi Quang Trường
TP.Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2015
Trang 2BÁO CÁO BÀI 2: CÔ ĐẶC
- Giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quá trình cô đặc và thiết bị cô đặc, vận hành đúng các quy trình thiết bị, đo đạc chính xác các thông số của quá trình và thiết bị
- Tính toán cân bằng vật chất cân bằng năng lượng để xác định các thông số cần thiết
- Xác định năng suất và hiệu suất quá trình cô đặc
- Đánh giá quá trình hoạt động cô đặc gián đoạn và liên tục
- 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 dịch bay lên gọi là hơi thứ
- Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch
- Tách chất hòa tan ở dạng chất kết tinh
- Tách dung môi ở dạng nguyên chất
- 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 sung dung dịch mới liên tục vào để giữ chất lỏng không đổi choi đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới
2.3.2 Cô đặc một nồi liên tục
- Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau
đó tháo liên tục một phần dung dịch ra làm sản phẩm, đồng thời luôn bổ sung một lượng dung dịch mới vào thiết bị
2.3.3.1 Nồng độ
Trang 3- Thông thường nó được biểu diễn dưới dạng:
C = g chất tan trong 100 g dung môi
- Hoặc được xác định từ tỷ lệ giữa khối lượng chất tan với khối lượng dung dịch, được biễu diễn dưới dạng:
[C]= g chất tan/ g dunng dịch
Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:
OO C
C C
1 ]
[
1 [ ]
100
100 ]'
C
2.3.3.2 Quá trình cô đặc gián đoạn
a) Cân bằng vật chất
-Theo cách thức chung, chúng ta có thể viết phương trình cân bằng vật chất cho cả 2 thành phần dung môi và chất tan:
lượng chất tan + lượng chất phản ứng = lượng chất ra + lượng chất tích tụ
trong trường hợp đơn giản:
-Vận hành trong trạng thái ổn định nên không có năng lượng tích tụ
không có phản ứng hóa họcnên không có lượng phản ứng
-Phương trình còn lại:
lượng chất vào = lượng chất ra
đối với chất tan: (g)
khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra
M [ C ] M [ CS]
b
S b
E b
E
Trong đó: M E
b : khối lượng chất ban đầu trong nồi đun [ CE]
b : nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun
M S
b : khối lượng chất cuối cùng trong nồi đun [ CS]
b : nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun
Trang 4- Phương trình này cho biết khối lượng cuối cùng của dung dịch còn lại trong nồi đun sau khi cô đặc
- Đối với dung môi: (g)
Khối lượng dung môi vào = Khối lượng dung môi ra+ Khối lượng dung môi bốc hơi
M [ C 'E]
b
E
b
S
b [ ' ]
Trong đó: [ C 'E]
b : nồng độ ban đầu của dung môi trong nồi đun [ C 'S]
b : nồng độ cuối cùng của dung môi trong nồi đun Mvap: khối lượng dung môi bay hơi
Phương trình này cho phép tính toán khối lượng dung môi đã bay hơi
b) Cân bằng năng lượng
-Tổng quát:
Năng lượng mang vào = năng lượng tiêu hao để thực hiện quá trình + năng lượng thất thoát
Để đơn giản tính toán, chúng ta thường coi như không có mất mát năng lượng
- Đối với nồi đun (J):
E1 = Mvap.∆Hvap Trong đó: ∆Hvap : năng lượng để bốc hơi dung môi
- Tính toán công suất nhiệt (Kw)
W1 =
t
E1
Trong đó : t là thời gian tổng của quá trình cô đặc
Phương trình này cho phép xác định công suất gia nhiệt cần thiết để làm bay hơi lượng dung môi đã biết
- Thiết bị ngưng tụ:
E2 = Qv1.ρ.CP.(TS – TE).Nh (KJ) Trong đó: Qv1 : lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ
ρ : khối lượng riêng của nước
CP :nhiệt dung riêng của nước
Trang 5Quá trình cô đặc gián đoạn
Bảng số liệu thí nghiệm thu được
(ph)
W1
(W)
QV1 (lít/h)
Tl1 (oC)
Tl3 (oC)
Tl5 (oC)
Dung môi (g)
Nồng độ dung dịch (g/l)
Đặc điểm
0 2000 225 29,8 29.8 29.8 0 1.6 Bắt đầu quá
trình cô đặc
14 2000 225 99.8 29.8 29.8 0 1.6 Bắt đầu sôi
53 2000 225 100.2 29.8 37.9 2,184 1.93 Kết thúc quá
trình cô đặc
Bảng kết quả tính cân bằng vật chất
mđ (kg) mc (kg) Xd (%) Xc (%) m hơi thứ (kg)
Kết quả tính cân bằng năng lượng
QK1 (J) Q1 (J) QK2 (J) Q2 (J) Qng HS1 HS2
1680000 3599878.7 4680000
Với Cp= 18.4,18.10-3 (kJ/kg.độ)
1kg/m3
- 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
Trang 6- Khi cô đặc liên tục trong thiết bị cô đặc nhiều nồi thì dung dịch được đưa vào liên tục và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được láy ra liên tục Trong quá trình cô đặc có thể tiến hành ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật
- Cô đặc ở áp suất thường thì thiết bị để hở, cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do đó chi phí hơi đốt giảm và hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch giảm do đó diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm, cô đăc chân không cho phép
cô đặc dung dịch có nhiệt độ cao ở áp suất thường có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn ( oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa)
- Cô đặc ở áp suất cao chỉ xảy ra trong các nồi cô đặc đặt trước đối hệ thống cô đặc nhiều nồi
- Quá trình tiến hành thí nghiệm đã có sự chênh lệch giữa khối lượng chất tan khi cô đặc giữa lý thuyết và thực nghiệm
- Qua thí nghiệm, ta nhận thấy giữa lý thuyết và thực nghiệm ít nhiều có sự khác biệt
do ảnh hưởng của một số yếu tố không mong muốn nên đã dẫn đến sai số, có thể kể đến như: áp suất, nhiệt độ…
Nồng độ đo quang ban đầu của dung dịch CuSO4 = 29 (g/l)
dCuSO4 = 1.82
C%= CM/10d = 29/10*1.82= 1.6%
Vdd cho vào nồi đun: 7 (lít)
mđ =d*V= 7*1.82 =12.74 kg
Có: Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan ra
mđ*xđ=mc*xc
mc =(mđ*xđ)/xc = (12.74*1.6)/1.93=10.56 kg
Khối lượng dung dịch đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + Khối lượng hơi thứ
Khối lượng hơi thứ = Khối lượng dung dịch đầu – Khối lượng dung dịch còn lại
= 12.74 – 10.56 = 2.18 (kg)
Trang 7QK1= W1*τ1
=2000*14*60 =1680000 (J)
Có:
Nhiệt dung riêng của nước: CH20= 4186 J/Kg oC
Cđ = 29 g/l
ρdd = 1820 kg/m3
[C] = Cđ/ρdd = 29/1820 =0.016
Nhiệt dung riêng của dung dịch:
Cp = CH2O(1-[C]) = 4186(1-0,016)= 4119.024 J/Kg.oC
Nhiệt độ ban đầu của dung dich Tđ: 30.2 oC
Nhiệt độ sôi của dung dịch Ts : 98.8 oC
Q1= mđ*Cp*(Ts-Tđ)
=12.74*4119.024*(98.8-30.2)=3599878.7 (J)
HS1 = = = 46.67%
QK2= W2*τ2
=2000*39*60= 4680000 (J)
Có:
Hàm nhiệt hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường iw :2264 KJ/kg
Q2 =m hơi thứ* iw = 2.18*2264*1000= 4935520 (J)
Có:
Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ: V1= 225 l/h= m3/s
Nhiêt độ nước ra tS= 37.9oC
Nhiệt độ nước vào tđ =29.8oC
Khối lượng riêng của nước ρH2O =1000 kg/m3
Nhiệt dung riêng của nước CH2O =4186 J/kg.OC
Thời gian thực hiện quá trình hóa hơi τ2 = 39 phút
Trang 8 Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ trong quá trình cô đặc:
Qng =VH2O*ρH2O*CH2O*(tS-tđ)*τ2
=(225*10-3/3600)*1000*4186*(37.9 – 29,8) *(39*60)= 4958840,25(J)
HS2 = = = 94.82%