Tính toán và thiết kế máy khuấy trộn và định lượng nha

Tính chất vật lý của khối kẹo: Khối kẹo ra khỏi thiết bị nấu là dung dịch nhớt, khi làm lạnh thì độ nhớt của nó tăng rất mạnh và ở 800C ữ 900C thì khối kẹo có tính dẻo.. * Sự biến đổi tr

Lời nói đầu

Máy khuấy trộn và định lợng nha đợc ứng dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, dùng để sản xuất bánh kẹo, đờng sữa, bia,r-

ợu Hiện nay hầu hết các nhà máy sản xuất bánh kẹo ở nớc ta đều sử dụng thiết bị này

Sau một thời gian thực tập thực tế tại nhà máy bánh kẹo Tràng An,

chúng em đã đợc nhận đề tài “Tớnh toỏn và thiết kế mỏy khuấy trộn và định lượng nha”/

Nội dung của đồ án bao gồm:

Phần I: Các quá trình công nghệ

Phần II: Tính toán cơ khí

Phần 1 Các quá trình công nghệ

A Quá trình công nghệ

I Quá trình sản xuất carame (Khối kẹo, liên quan tới

định lợng nha)

Khái niệm chung

Caramen là sản phẩm kẹo do nấu dung dịch đờng với mật tinh bột hoặc đờng với đờng chuyển hoá đến độ ẩm 1 -3%

Dựa vào cấu tạo có thể chia caramen làm hai nhóm chính sau:

Caramen là chất vô định hình, cứng, dòn hay gọi là kẹo cứng

Sơ đồ kĩ thuật sản xuất kẹo

Sản xuất kẹo gồm các phần chính nh sau:

1 Chuẩn bị khối kẹo

2 Chuẩn bị nhân

3 Nâng cao phẩm chất, tạo hình, bao gói, đóng bao và bảo quản.Từng phần nói trên lại gồm nhiều công đoạn nhỏ Các công đoạn này khác nhau hay không là do mức độ cơ khí hoá, nhóm và loại kẹo cần sản xuất ra thị trờng

Khối kẹo sau khi nấu là dung dịch nhớt, trong suốt có màu vàng nhạt đến màu vàng tơi Khi làm lạnh khối kẹo nhiệt độ từ 400C ữ 450C nó trở nên cứng giòn và ở trạng thái vô định hình

Quá trình kỹ thuật sản xuất khối kẹo có thể coi nh sự chuyển đờng từ tinh thể cứng về trạng thái phi tinh Sự chuyển đó có thể coi bằng 2 cách:

+ Nấu đờng nóng chảy

+ Hoà tan đờng trong nớc rồi tiếp tục cô đặc

Trong thực tế ngời ta sản xuất khối kẹo bằng cách nấu dung dịch đờng với mật tinh bột hoặc đờng chuyển hoá đến hàm lợng chất khô yêu cầu.

Mật tinh bột có trong thực đơn của khối kẹo không những có tác dụng chống hồi đờng, mà còn làm cho khối kẹo có tính dẻo để chờ biến tiếp (nh cán, kéo dài, tạo hình)

Trong sản xuất caramen thờng dùng tỉ lệ giữa mật và đờng là 50

ữ60/100 Khi thiếu mật tinh bột ta có thể thay một phần hay toàn bộ mật bằng đờng chuyển hoá phải tính toán sao cho hàm lợng đờng khử có trong khối kẹo không đợc quá 15% ữ 16%

Chuẩn bị khối kẹo gồm hai giai đoạn sau:

+ Chuẩn bị sirô caramen

+ Nấu sirô caramen thành khối kẹo

I.1 Chuẩn bị Sirô caramen(cho quá trình nha)

Chuẩn bị sirô caramen gồm có hai phơng pháp:

I.1.1 Phơng pháp gián đoạn:

Trong phơng pháp này có thể chuẩn bị Sirô theo hai sơ đồ sau:

a Sơ đồ thứ nhất

Hoà tan đờng trong mật tinh bột đã nấu nóng sơ bộ bằng hơi rồi nấu hỗn hợp đó đến nồng độ cần thiết Lúc đầu nấu nóng mật đến 600C, dùng bơm cho vào thiết bị (Chảo thùng) và sau đó cho đờng vào Cùng lúc cho đ-ờng ta cho hơi nóng qua ống phun trực tiếp đặt dới đáy thiết bị, sau khi đ-ờng đã hoà tan ta ngắt đờng hơi qua ống phun và cho vào ống xoắn đặt trong thiết bị, áp suất đa hơi vào ống xoắn là 4 ữ 5 atm

Hỗn hợp đờng mật nấu đến hàm lợng chất khô là 84% ữ 86% Sau

đó hỗn hợp trên tự chảy theo ống dẫn vào bình chứa và nhờ bơm đa qua bộ phận lọc lới kim loại có đờng kính của lỗ là 0,3 mm ữ 0,5 mm, lọc xong đa vào bình chứa của thiết bị nấu chân không, hàm lợng đờng khử trong sirô caramen dùng mật không đợc quá 12% ữ 14%, và dùng đờng chuyển hoá là 14% ữ 16% Hàm lợng đờng khử theo sơ đồ này tăng từ 4% ữ 5% Theo

thời gian chuẩn bị siro của một chu kỳ là 30 phút.

b Sơ đồ thứ hai

Hoà tan đờng trong nớc nóng rồi nấu với mật tinh bột Hàm lợng

n-ớc dùng để hoà tan đờng là 25% ữ 30% so với đờng Lúc đầu cho nớc vào thiết bị ống xoắn, sau đó cho hơi nóng vào ống, rồi cho đờng vào thiết bị

Để tăng cờng độ hoà tan của đờng trong thiết bị có đặt bộ phận khuấy, thời gian hoà tan là 20 ữ 30 phút Trong thời gian này có một lợng nớc bốc hơi

và khi nhiệt độ đạt tới 1080 ữ 1100C thì nồng độ của siro đờng là 80% Khi

tỉ lệ có trong thực đơn và nấu đến 1160 ữ 1170 để hàm lợng chất khô là 84%

ữ 86% Sau đó cho qua bộ phận lọc rồi đa vào bình chứa của thiết bị nấu chân không, thời gian chung để chuẩn bị sirô theo sơ đồ này là 40 ữ 50 phút Hàm lợng đờng khử 13% ữ 16%, trong quá trình chuẩn bị sirô caramen hàm lợng đờng khử tăng từ 4% ữ 6%

I.1.2 Phơng pháp liên tục

Phơng pháp liên tục rút ngắn thời gian chuẩn bị sirô và siro làm ra

có chất lợng cao hơn so với phơng pháp gián đoạn

Theo phơng pháp này thì đờng không hoà tan trong mật hoặc trong nớc, mà trộn nó với mật và một ít nớc (17% ữ 20% so với khối lợng của đ-ờng) Hỗn hợp trên đựơc nấu dới áp suất lúc này đờng sẽ hoà tan trong nớc

có trong hỗn hợp

Theo phơng pháp này đờng sẽ khong bị phân huỷ sau Hàm lợng ờng khử khoảng 11,5% - 14% khối kẹo nấu từ siro caramen theo phơng pháp này sẽ sáng màu và bền hơn khi bảo quản

đ-I.2 Nấu siro caramen thành khối kẹo

Muốn thu đợc khối kẹo có độ ẩm 1% - 3% ta cần nấu siro caramen

có độ ẩm 12% - 16% đến độ ẩm nói trên

I.2.1 Các phơng pháp nấu

a Thủ công:

Dùng chảo nấu đốt bằng than hoặc củi Nhiệt độ nấu cuối cùng là

900C Nhiệt độ cao ảnh hởng xấu tới sản phẩm, nấu thủ công năng suất thấp, mất nhiều sức lao động và không đảm bảo vệ sinh

700mm) thời gian chảy của khối kẹo xuống chảo thứ hai là 2phút Trong chảo thứ hai nớc bốc hơi và nhiệt độ sôi hạ xuống Tuỳ theo trị số chân không trong chảo mà độ ẩm còn lại trong khối kẹo là 2% ữ 3% Khi khối kẹo đạt tới nhiệt độ 115% ữ125% qua 3 ữ 5 phút thì đa ra khỏi thiết bị và làm lạnh ngay Thời gian của cả qúa trình nấu dung dịch trong thiết bị vạn năng là 18ữ 20 phút Năng suất của thiết bị là 800kg khối kẹo một ca

c Thiết bị nấu chân không

Cấu tạo: Gồm hai phần

+ Phần đốt nóng

+ Phần bốc hơi

Phần đốt nóng gồm vỏ hình trụ, bên trong có ống xoắn ruột gà, bên ngoài ống dẫn hơi bão hoà áp suất 5 ữ 6atm phần bốc hơi là một hình trụ thẳng đứng đợc chia làm hai phần, giữa hai phần có cửa van liên hệ nhau và

đầu cuối của phần bốc hơi có ban xả khối kẹo

Ngày nay các nớc tiên tiến thờng dùng thiết bị chân không có hai ống xoắn đặt lồng nhau, đờng kính của ống 30/34mm, chiều dài mỗi ống 33mm năng suất của khối kẹo là 5 tấn/1ca, bề mặt đốt nóng là 6, 2m2

Phần đốt và phần hơi đặt riêng biệt và liên hệ với nhau bằng ống dẫn Nguyên lý làm việc của thiết bị:

Siro caramen có độ ẩm 14% ữ 16% nhờ bơm pitttông đa vào ống xoắn của buồng đốt, đồng thời mở van nạp hơi cho vào buồng đốt Hơi nóng bao lấy các ống xoắn và ngng tụ Phần ngng tụ đợc ra liên tục qua ống dẫn khí phía dới buồng đốt Trên buồng đốt có gắn áp kế và van an toàn để theo dõi áp suất và không cho áp suất cao quá mức qui định Siro sau khi đi qua các ống dẫn xoắn trong buồng đốt thì đợc ống dẫn đa vào buồng bốc chân không, trong buồng bốc giữ mức độ chân không là 680mm cột thuỷ ngân nhờ bình ngng tụ và bơm chân không nối với buồng đốt

Siro chảy xuống bốc chân không phía trên, khi lợng siro đã đạt tới khoảng 18 ữ 20 kg thì mở van cho chảy xuống bình chứa phía dới Còn hơi thứ và không khí theo ống dẫn vào bình ngng tụ Tại bình ngng tụ hơi thứ đ-

ợc làm lạnh bằng nớc, không khí và nớc (hỗn hợp) nhờ bơm chân không hút

ra ngoài Bơm chân không còn có nhiệm vụ tạo và giữ chân không trong buồng bốc

nhiệt độ của siro là từ 1350 ữ 1400 và vào buồng bốc hạ xuống còn

từ 1100 ữ 1200 nhờ chân không Tại buồng đốt nớc tiếp tục bốc hơi và còn lại từ 1% ữ 3% Qua hai phút đợc tải ra ngoài và đựơc làm lạnh ngay

I.3 Yêu cầu kỹ thuật, thành phần hoá học và tính chất vật lý của khối kẹo.

I.3.1 Yêu cầu kỹ thuật

Sau khi ra khỏi buồng bốc của thiết bị chân không nhiệt độ của khối kẹo từ 1100C – 1300C Khối kẹo cần đạt những yêu cầu sau đây:

+ Trong suốt không có vết đục biểu hiện sự hồi đờng

+ Màu sắc vàng tơi (Nếu ta dùng mật) và hơi sẫm nếu ta dùng đờng chuyển hoá

+ Độ ẩm không quá 3%

+ Hàm lợng đờng chuyển hoá không đợc quá 20%

+ Cần phải dẻo ở nhiệt độ tạo hình và ở nhiệt độ ở công đoạn gia công khác (quật, cán, lăn, vuốt), có nghĩa là có khả năng chịu đợc sự kéo dài để tạo ra hình dạng bất kỳ

I.3.2 Thành phần hoá học cuả khối kẹo

Tuỳ theo thực đơn mà thành phần hoá học của kẹo có khác nhau:Nếu dùng tinh bột: Sacarôza 58%

Nếu dùng đờng chuyển hoá: Sacaroza: 78% - 80%

Đờng chuyển hoá: 18 % - 20%

Độ ẩm: 2%

I.3.3 Tính chất vật lý của khối kẹo:

Khối kẹo ra khỏi thiết bị nấu là dung dịch nhớt, khi làm lạnh thì độ nhớt của nó tăng rất mạnh và ở 800C ữ 900C thì khối kẹo có tính dẻo Trong trạng thái này ta có thể tạo hình nó theo hình dạng tuỳ ý Tiếp tục làm lạnh

đến 400C ữ 450C thì khối kẹo trở nên phi tinh trong suốt, cứng và giòn

Độ ẩm của khối carame càng thấp thì nó sẽ nhanh cứng và độ cứng càng cao.

Độ nhớt của khối kẹo giảm khi hàm lợng mật tinh bột giảm (vì Dextrin có trong mật làm tăng độ nhớt của khối kẹo), khi giảm nhiệt độ thì

độ nhớt tăng VD: Khi ở 1200C thì khối kẹo làm theo thực đơn bình thờng (50 phần mật 100 phần đờng) thì có độ nhớt là 640 poiz, khi nhiệt độ hạ xuống còn 1000C thì độ nhớt là 9000 poiz, và ở 900C là 50.000 pioz Nh đã nói ở trên thì ở nhiệt độ 900C khối kẹo có tính dẻo (vi độ nhớt cao)

Chỉ số độ nhớt rất quan trọng đối với khối kẹo Giữ đợc trạng thái phi tinh của khối kẹo trong các công đoạn gia công tiếp hay không là đo độ nhớt của nó quyết định Nếu chúng ta giữ khối kẹo khá lâu ở nhiệt độ cao (ở nhiệt

độ đó nó có độ nhớt thấp) thì xảy ra quá trình kết tinh và kết quả là khối kẹo bị bồi đờng Khi tăng độ nhớt thì tốc độ kết tinh giảm, làm lạnh nhanh thì độ nhớt tăng tạo điều kiện làm chậm sự chuyển hoá của các phần tử, các tinh thể không tạo ra đợc, khối kẹo giữ đựơc trạng thái bình thờng

Trong dây chuyền sản xuất cơ giới (không phụ thuộc vào thực đơn)

đòi hỏi khối kẹo phải có tính chất cơ học ổn định Một trong những tính chất đó là tính dẻo, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất kẹo Tính dẻo

đối với chất phi tinh và độ nhớt

Khối kẹo ra khỏi buồng bốc của thiết bị nấu chân không có nhiệt độ

1200C thì độ nhớt xấp xỉ 600 poiz Để tránh hiện tợng hồi đờng của khối kẹo ta phải giữ độ nhớt nh trên khi khối kẹo ra khỏi thiết bị (không phụ thuộc vào thực đơn)

II Quá trình truyền nhiệt

II.1 Quá trình đun nóng

II.1.1 Bản chất, mục đích và phạm vi thực hiện:

II.1.1.1 Bản chất

Đun nóng là quá trình làm tăng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ cuối cùng cho trớc Nhiệt độ ban đầu (tbđ) thờng bằng nhiệt độ của

môi trờng không khí xung quanh Nhiệt độ cuối cùng (tc) phụ thuộc vào mục đích của quá trình và tính chất của vật liệu Thờng đợc xác định từ tr-

ớc Chênh lệch giữa nhiệt độ cuối cùng (tc) và nhiệt độ ban đầu (tbđ) luôn luôn là một đại lợng lớn hơn 0

T= tc – tđ > 0

Không phụ thuộc vào phơng pháp thực hiện

Có thể thực hiện quá trình bằng cách tăng nhiệt độ một cách liên tục hoặc tăng gián đoạn nhng cả hai qúa trình vẫn đảm bảo t = tc – tđ > 0

II.1.1.2 Mục đích công nghệ

Trong công nghiệp chế biến thực phẩm quá trình đun nóng thờng

đ-ợc thực hiện nhằm các mục đích sau:

Mục đích chuẩn bị: trong thực tế khi tiến hành quá trình đun nóng chỉ nhằm mục đích chuẩn bị cho các quá trình khác Ví dụ: để bóc vỏ cam cho dễ ngời ta thờng chần trong nớc sôi trong thời gian 5 ữ 10 phút, đun nóng hơn;

đun nóng sản phẩm trớc khi vào hộp ghép nắp; đun nóng để tạo điều kiện tốt cho quá trình hoá học, sinh học, lý học thực hiện nhanh chóng hơn…

III.1.1.3 Mục đích khai thác

Quá trình đun nóng có thể làm tăng hiệu suất thu nhập hiệu sản phẩm từ một loại sản phẩm nào đó ví dụ: nhiệt độ cao khoảng 60 ữ 700C sẽ làm tăng hoạt độ của enzym amilaza, làm cho khả năng trích ly các chất hoà tan nh đờng từ mía, dịch từ quả, làm tăng hiệu suất ép, tăng sự hoà tan chất màu…

II.1.1.4 Mục đích chế biến:

Dới tác dụng của nhiệt độ cao nhiều loại nguyên liệu bị biến đổi về cấu trúc, tính chất hoá học, lý học làm cho chất l… ợng của nguyên liệu biến

đổi hẳn Những biến đổi về chất lợng có thể theo chiều hớng xấu đi hoặc tốt lên Trong công nghệ chế biến thực phẩm ngời ta lợi dụng những biến đổi tốt của chất lợng để tạo ra sản phẩm có ích

Nhiệt độ cao sẽ làm cho sản phẩm chín, loại bỏ (làm bay hơi) những

thành phần gây mùi, vị lạ làm tăng giá trị dinh dỡng và khả năng hấp thụ dinh dỡng của cơ thể; làm hồ hoá các sản phẩm tinh bột, tẩy mùi những biến đổi…

đó sẽ làm cho sản phẩm có chất lợng tốt hơn, giá trị cảm quan cao hơn

II.1.1.5 Mục đích bảo quản

Đun nóng ở nhiệt độ trên 700C trớc đó có tác dụng làm mất hoạt tính của các loại enzim có trong nguyên liệu ngăn ngừa đợc những biến đổi xấu Ví dụ các loại enzim xúc tác các quá trình phân huỷ các thành phần hoá học, sinh học, làm cho sản phẩm có thể biến đổi màu hoặc giảm hàm l-ợng các thành phần hoá học, sinh học có ích Nhiệt độ cao trên 900C có thể tiêu diệt vi sinh vật có trong sản phẩm thực phẩm Do vậy trong công nghệ thực phẩm thờng đun nóng sản phẩm ở nhiệt độ và thời gian nhất định nhằm tiêu diệt vi sinh vật, ngăn ngừa h hỏng sản phẩm Đó là quá trình thanh trùng nhiệt

II.1.1.6 Mục đích hoàn thiện.

Một số loại thực phẩm thờng tồn tại ở dạng bán thành phẩm Để có chất lợng của các loại này đạt tới mức hoàn thiện hơn nhiều khi phải qua gia nhiệt (đun nóng) Đun nóng sẽ làm cho sản phẩm chín sử dụng đợc

Trong thực tế công nghiệp quá trình đun nóng thờng đợc thực hiện kết hợp khi thanh trùng đồ hộp thịt cá ngoài mục đích để tiêu diệt vi sinh vật, bảo quản sản phẩm có mục đích chế biến làm cho thịt cá chín

II.1.1.7 Phạm vi thực hiện

Đun nóng là một trong những quá trình quan trọng nhất Quá trình này đợc thực hiện hầu hết trong các qui trình công nghệ sản xuất thực phẩm với những mục đích khác nhau

II.1.2 Những biến đổi của vật liệu (sản phẩm) trong qúa trình đun nóng

II.1.2.1 Các biến đổi vật lý:

Các biến đổi vật lý trong khi đun nóng bao gồm

* Sự biến đổi nhiệt độ: Trong quá trình đun nóng do sự chênh lệch

nhiệt độ giữa môi trờng đun nóng và vật liệu, nhiệt độ trong vật liệu tăng dần lên tốc độ tăng nhiệt độ chậm dần từ ngoài vào trung tâm do khoảng cách giữa chúng và nguồn nhiệt xa dần Những điểm có cùng khoảng cách

đến nguồn nhiệt thì nhiệt độ sẽ bằng nhau Do vậy trong vật liệu sẽ hình thành trờng nhiệt độ trong đó lớp ngoài cùng có nhiệt độ cao nhất, ở trung tâm thì nhiệt độ thấp nhất

Tốc độ thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào sự truyền nhiệt trong khối vật liệu sự truyền nhiệt trong vật liệu có thể thực hiện bằng nhiều cách phụ thuộc vào trạng thái của chúng Nếu vật liệu là chất lỏng thì nhiệt đợc truyền vào trung tâm chủ yếu bằng đối lu Nếu là chất dắn thì nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt Khi vật liệu ở thể bán chất lỏng (sệt) thì nhiệt truyền bằng cả đối lu và dẫn nhiệt

* Sự biến đổi trạng thái vật liệu

Khi đun nóng vật liệu có thể biến đổi về trạng thái tồn tại – chuyển pha phần lớn các chất rắn mà nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ của môi trờng thì trong quát trình đun nóng trạng thái của chúng có thể chuyển sang pha lỏng hoặc bán chất lỏng (mỡ, bơ ).…

Tuy nhiên có nhiều loại vật liệu dạng rắn, do nhiệt độ đun nóng không đủ cao hoặc do đặc tính lý hoá của chúng mà trong thời gian đun nóng không sảy ra hiện tợng chuyển pha (thịt, cá, rau, qủa )…

* Sự thay đổi thể tích

Thể tích của vật liệu có thể tăng lên khi đun nóng ∆V = V – V0 >

0 Trong trờng hợp đó thể tích của vật liệu bằng V = V0 + βt + ∆Vkhí

Trong đó:

V: Thể tích khí đun

β: Hệ số nở khối

T: Nhiệt độ đun nóng

∆Vkhí: Chênh lệch thể tích chất khí trong vật liệu

Tuy nhiên có nhiều trờng hợp khi đun nóng thể tích vật liệu sẽ giảm

đi Đó là hiện tợng sảy ra khi đun nóng các loại nguyên liệu có cấu trúc

xốp, có chứa nhiều khí trong gian bào (nh rau, quả )…

Sự biến đổi khối lợng

Sự biến đổi khối lợng có thể biểu diễn bằng biểu thức sau

M = m0 = αt – nbh = yht

Trong đó:

m: Khối lợng vật liệu

m0: Khối lợng vật liệu trớc khi đun

α : Hệ số biến đổi khối lợng

nbh: Khối lợng bốc hơi

yht: Khối lợng hoà tan vào môi trờng

* Sự biến đổi màu sắc

Màu sắc biến đổi do nhiều nguyên nhân Một trong những nguyên nhân vật lý dẫn đến biến màu là do thay đổi khả năng hấp thụ và phản xạ

ánh sáng của vật liệu do tác động của nhiệt độ cao

II.1.2.2 Biến đổi hoá lí, hoá học

* Các chỉ tiêu hoá lý của vật liệu nh độ nhớt, độ hoà tan cũng dễ…

bị thay đổi do nhiệt độ cao Cụ thể, độ hoà tan tăng, độ nhớt giảm ( hoặc tăng) Đối với các phản ứng hoá học nh… thuỷ phân, trung hoà, polime hoá,

ôxi hoá thì nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng.…

* Kết quả sự xúc tiến các phản ứng hoá học là sự biến đổi các thành phần hoá học trong vật liệu Một số chất đợc tạo thành có thể làm tăng chất lợng sản phẩm (pectin, chất thơm, chất màu )nh… ng nhiều trờng hợp làm giảm hàm lợng của các chất có ích, tạo thành một số chất gây ảnh hởng xấu

đến mùi vị, mầu của sản phẩm Đây là nhợc điểm chủ yếu của quá trình nấu

II.1.2.3 Biến đổi sinh hoá và sinh lý.

* Quá trình đun nóng có ảnh hởng rất lớn đến sự thay đổi hoạt độ của các enzim và sự hoạt động của các vi sinh vật Ta biết rằng enzim và vi sinh vật có khoảng nhiệt độ hoạt động tối thích Ví dụ enzim amilaza hoạt

động mạnh ở nhiệt độ 60 ữ700C, vi sinh vật hoạt động mạnh ở nhiệt độ

370C ữ 400C Nếu tăng dần nhiệt độ môi trờng cao hơn nhiệt độ tối thích (top)thì hoạt động của enzim và vi sinh vật sẽ giảm dần đến bị vô hoạt hoá (bị tiêu diệt) hoàn toàn ở nhiệt độ đủ cao

* Nh vậy qúa trình tăng nhiệt đi qua 2 vùng nhiệt độ có tác dụng khác nhau lên enzim và vi sinh vật Vùng thứ nhất là vùng từ nhiệt độ môi trờng đến nhiệt độ tối thích Tại vùng này nhiệt độ càng tăng hoạt động enzim và vi sinh vật càng tăng Vùng thứ hai là vùng nhiệt độ tối thích đến nhiệt độ ngừng hẳn hoạt động của enzim và vi sinh vật Nh vậy tốc độ tăng nhiệt độ khi đun nóng rau quả (khoai tây, lê, táo ) nếu thời gian tăng nhiệt…

độ đun nóng càng chậm bao nhiêu thì sản phẩm càng bị đen bấy nhiêu Đó

là do enzim poliphenolxidaza hoạt động mạnh và lâu trớc khi bị tiêu diệt

* Không phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt độ, cuối cùng enzim và vi sinh vật vẫn bị ức chế và đến tiêu diệt hoàn toà

* Nhiệt độ cao cũng sẽ làm tác dụng của các chất độc đợc tạo thành trong sản phẩm trớc khi đun nóng, đỡ nguy hiểm cho ngời tiêu thụ

II.1.2.4 Biến đổi cấu trúc tế bào

Dới tác dụng của nhiệt độ cao chất nguyên sinh trong tế bào bị đông

tụ, màng tế bào bị phá huỷ làm mất tính bán thẩm thấu, không khí và hơi

n-ớc trong gian bào bị thoát ra ngoài làm cho cấu trúc toàn khối trở nên trật, mềm

II.1.2.5 Biến đổi cảm quan

* Thay đổi màu sắc: Đun nóng dẫn tới thay đổi màu sắc do nhiều nguyên nhân khác nhau

Nhiều khi nhờ đun nóng mà màu sắc tốt lên hoặc giữ đợc màu tự

nhiên ban đầu đó là trờng hợp chần rau quả Trong trờng hợp này chần làm mất hoạt tính của các enzim phân huỷ hoặc tạo chất màu (Poliphenolozxidaza, clorophilaza )…

Đun nóng có thể làm cho màu của các sản phẩm đã sunphít hoá trở lại bình thờng sau khi bị mất màu do tác dụng của H2SO3

Ngợc lại qúa trình đun nóng có thể làm thay đổi màu tự nhiên của sản phẩm đó là hiện tợng tạo màu hồng trong nớc chanh, cam, chuối hoặc…

là tạo màu nâu, sẫm màu trong các loại sản phẩm nh bột cà chua, bột ớt …

* Thay đổi mùi vị

Nhiệt độ đun nóng có thể dẫn đến sự thay đổi mùi vị theo hai chiều hớng khác nhau tuỳ theo vật liệu Đối với các sản phẩm mà trớc khi đun nóng có chứa các chất gây mùi, vị không thích hợp (vị đắng trong măng, vị ngái trong đậu nành, mùi ôi trong thịt cá ) đun nóng sẽ làm cho sản phẩm…mất mùi vị đó làm cho chất lợng sản phẩm tốt lên Còn đối với những sản phẩm có mùi vị tự nhiên tốt thì sau khi đun sẽ bị ít nhiều mất đi mùi vị do các chất thơm hoặc các chất gây vị tốt bị bốc hơi hoặc bị phân hủy

II.1.3 Nguồn nhiệt và các phơng pháp đun nóng

Đun nóng là một quá trình rất phổ biến trong công nghiệp hoá chất

và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng tốc độ của một số qúa trình phản ứng hoá học, ngoài ra đun nóng còn là phơng tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác nh trng cất, cô đặc, sấy khô …

II.1.3.1 Nguồn nhiệt

* Nhiệt năng dùng để đun nóng có thể tạo ra bằng nhiều phơng pháp khác nhau và từ nhiều nguồn nhiệt khác nhau Có khi ngời ta sử dụng nguồn nhiệt ngay từ nguồn nhiệt trực tiếp nh khí lò dòng điện, có khi dùng chất tải nhiệt trung gian ( chất này lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng) nh hơi nớc, nớc quá nhiệt, dầu khoáng các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi của nó, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó và một số kim loại hoặc hợp kim ở trạng thái lỏng

* Ngoài ra ngời ta còn sử dụng nhiệt của khí thải hoặc chất lỏng thải

có nhiệt độ cao

* Mỗi chất tải nhiệt đều có u điểm và nhợc điểm nhất định, do đó, tuỳ trờng hợp cụ thể mà ta chọn lựa cho thích hợp, khi lựa chọn cần chú ý các điều kiện quan trọng sau:

- Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ

- áp suất hơi bão hoà và độ bền do ảnh hởng của nhiệt độ

- Độ độc và tính hoạt động hoá học

- Độ an toàn khi đun nóng ( Không cháy nổ )…

Rẻ và rễ tìm

II.1.3.2 Các phơng pháp đun nóng

II.1.3.2.1 Đun nóng bằng hơi nớc bão hoà

Phơng pháp đun nóng bằng hơi nớc bão hoà đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học

Những u điểm

* hệ số cấp nhiệt lớn (α ≈ 10000 ữ 15000w/m2 độ) do đó bề mặt truyền nhỏ, nghĩa là kích thớc thiết bị gọn hơn các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác

* Lợng nhiệt cung cấp lớn (tính theo đơn vị chất tải nhiệt) vì đó là nhiệt lợng toả ra khi ngng tụ hơi

* Đun nóng đợc đồng đều vì hơi ngng tụ trên toàn bộo bề mặt truyền nhiệt ở nhiệt độ không đổi

* Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi

* Vận chuyển xa đợc dễ dàng theo đờng ống

Nhợc điểm chính của hơi nớc là: không thể đun nóng ở nhiệt độ cao, vì nếu nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi bão hoà càng tăng, ẩn nhiệt bay hơi cũng giảm Do đó khi tăng nhiệt độ thì thiết bị sẽ phức tạp thêm, hiệu suất sử dụng nhiệt cũng giảm Vì vậy phơng pháp đun nóng bằng hơi nớc bão hoà chỉ sử dụng tốt nhất trong trờng hợp đun nóng không quá 1800

II.1.3.2.1.1 Phơng pháp đun nóng bằng hơi nớc trực tiếp

* Phơng pháp truyền nhiệt đơn giản nhất là đun nóng bằng hơi nớc trực tiếp, tức là cho hơi nớc sục thẳng vào chất lỏng cần đun nóng Hơi nớc ngng tụ và cấp ẩn nhiệt cho chất lỏng, nớc ngng tụ lại trộn lẫn với chất lỏng

* Thiết bị đơn giản nhất để đun nóng bằng hơi nớc trực tiếp là thiết

bị loại sục, gồm có một bể chứa chất lỏng cần đun nóng và một ống hơi trên ống dẫn hơi có đặt các van để tạo thêm qúa trình làm việc tốt Van ngợc chiều dùng để ngăn chặn không cho chất lỏng đi ngợc trở lại trong trờng hợp mà áp suất trong ống hơi thấp hơn áp suất khí quyển Trớc khi bắt đầu

đun nóng, ngời ta mở van phụ để tháo hết nớc ngng đang tích tụ trong ống dẫn hơi

*Khi cần thiết vừa đun nóng vừa khuấy trộn chất lỏng thì dùng thiết

bị đun nóng loại sủi bọt trong thiết bị này hơi từ ống dẫn hơi vào đợc đi qua những ống phun hình xoắn ốc, vòng tròn hoặc một số ống thẳng song song

có những lỗ nhỏ đặt nằm dới đáy bể chứa chất lỏng Nhờ bố trí nh thế nên hơi nớc đợc phun đều trong bể có tác dụng khuấy trộn

* Loại thiết bị sủi bọt và loại sục làm việc có nhiều tiếng động Để tránh tiếng động, ngời ta dùng thiết bị đun nóng không tiếng động Loại này có lắp thêm một cái loa ở đầu ống dẫn hơi Khi làm việc, hơi phun ra khỏi đầu ống dẫn hơi với tốc độ rất lớn, do đó áp suất tĩnh học trong loa giảm xuống chất lỏng bên ngoài loa ập vào các lỗ cạnh của loa, vừa pha trộn với luồng hơi phun ra vừa làm tắt tiếng động

* Phơng pháp đun nóng bằng hơi nớc trực tiếp nói chung là rất đơn giản nhng có nhợc điểm là đa thêm một lợng lớn nớc ngng tụ vào trong chất lỏng cần đun nóng Do đó phơng pháp này chỉ dùng trong trờng hợp cho phép pha loãng chất lỏng và không có phản ứng xẩy ra giữa chất lỏng và n-

ớc Thờng ngời ta chỉ dùng để đun nóng nớc và các dung dịch nớc

* Để xác định lợng hơi tiêu hao trong quá trình đun nóng ngời ta dựa vào phơng trình cân bằng nhiệt lợng:

C2 – Nhiệt dung riêng của chất lỏng (j/kgđộ)

T2đ, t2c – nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng (0C)

λ - nhiệt lợng riêng của hơi nứơc (j/kg)

Qm – tổn thất nhiệt ra môi trờng xung quanh (w)

τ - thời gian đun nóng (s)

II.1.3.2.1.2 Đun nóng bằng hơi nớc gián tiếp

* Nếu nh chất lỏng cần đun nóng không đợc phép trộn lẫn với nớc không đợc phép pha loãng thì không thể dùng ph… ơng pháp đun nóng trực tiếp mà phải dùng phơng pháp đun nóng bằng hơi nớc gián tiếp, tức là giữ hơi và chất lỏng có một tờng ngăn cách nhiệt từ hơi chuyển qua tờng để cấp cho chất lỏng

* Đun nóng bằng hơi nớc gián tiếp đợc thực hiện trong nhiều loại thiết bị có cấu tạo khác nhau nh: thiết bị có vỏ bọc ngoài loại ống xoắn, loại ống chùm hơi n… ớc sau khi cáp nhiệt cho chất lỏng qua tờng thì ngng tụ lại thành nớc ngng chảy ra khỏi thiết bị qua một đờng ống riêng

Thờng ngời ta dùng hơi nớc bão hoà để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và nhiệt ngng tụ cao Dùng hơi nớc quá nhiệt không lợi vì hệ số cấp nhiệt thấp và lợng nhiệt quá nhiệt không lớn lắm

* Trong trờng hợp trao đổi nhiệt này chiều dày của lu thể không ảnh hởng tới quá trình trong khi làm việc, thờng ngời ta cho hơi vào trong thiết

bị từ phía trên để nớc ngng có thể chảy xuống dế dàn

* Cũng giống nh trờng hợp đun nóng bằng hơi nớc trực tiếp, lợng hơi nớc tiêu hao để đun nóng gián tiếp xác định dựa vào phơng trình cân bằng nhiệt lợng

d t c

G2 2 2

+ λ

c

m a

c Ct

Q t

t c G D

2

2 2 2

Trong đó:

θ - nhiệt độ của nớc ngng

C – nhiệt dung riêng của nớc ngng tụ

II.2 Thiết bị trao đổi nhiệt

Các thiết bị dùng để thực hiện quá trình truyền nhiệt gọi là thiết bị trao đổi nhiệt, các thiết bị này có hình dạng và cấu tạo khác nhau tuỳ thuộc vào phơng pháp và điều kiện tiến hành qúa trình

Theo phơng pháp làm việc ngời ta chia thiết bị trao đổi nhiệt ra làm

đến một nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh

3 Loại trực tiếp ( Hỗn hợp): Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau (xem phần ngng tụ trực tiếp)

III Quá trình khuấy

III.1 Mục đích và phạm vi ứng dụng

Những máy để khuấy trộn sản phẩm thực phẩm lỏng đợc dùng trong sản xuất bánh kẹo, bánh mì, mì ống, rợu vang, vitamin, làm bia rợu và những lĩnh vực sản xuất sản phẩm thực phẩm khác, để thực hiện các quá trình công nghệ sau đây:

θ

λ C

Q t t c G

1 Chuẩn bị dung dịch

2 Chuẩn bị nhũ tơng và huyền phù

3 Tăng nhanh các quá trình nhiệt và sinh hoá

4 Gia công sản phẩm với mục đích để cho chúng có một một đặc quánh nhất định

III 2 Cơ sở của sự khuấy chất lỏng

III.2.1 ứng dụng của sự khuấy chất lỏng

Các cơ cấu khuấy trộn đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học công nghiệp thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác Nhằm các mục đích sau:

* Tạo ra một dung dịch đồng nhất khi hỗn hợp một chất lỏng dễ hoà tan trong một chất lỏng khác

* Tạo ra nhũ tơng khi hỗn hợp một chất lỏng không hoà tan trong một chất lỏng khác

* Làm tăng nhanh phản ứng hoá học giữa hai pha lỏng, hoặc pha lỏng với pha khí thực chất là tăng bề mặt tiếp xúc pha

* Tăng cờng quá trình trao đổi nhiệt từ thành vào sản phẩm hoặc

ng-ợc lại

* Tăng nhanh qúa trình hoà tan khi hoà tan vật thể rắn không hoà tan

* Ngời ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén, bằng tiết lu hay bằng tuần hoàn chất lỏng

4III.2.2 Cơ sở của quá trình khuấy chất lỏng

III.2.2.1 Sự chuyển động của chất lỏng trong thiết bị khuấy

Khi cơ cấu khuấy đặt trong thiết bị đợc chuyển động thì làm cho chất lỏng trong thiết bị cũng đợc chuyển động theo Sự chuyển động của chất lỏng ở trong thiết bị sinh ra do cơ cấu khuấy thờng có 3 dòng nh sau:

* Dòng chảy tiếp tuyến: chất lỏng đợc chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục quay, dòng này thờng sinh ra do các cơ cấu khuấy kiểu mái chèo, khung, mỏ neo.

* Dòng chảy hớng kính: chất lỏng đợc chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục quay Hớng từ tâm ra thành thiết bị, dòng này thờng sinh ra do cơ cấu khuấy kiểu tuyếc bin

* Dòng chảy hớng trục: Chất lỏng đợc chảy thành dòng hơng song song với trục quay, dòng này thờng đợc sinh ra do cơ cấu khuấy kiểu chong chóng, mái chèo cánh nghiêng

III 2.2.2 Sự phân bố vận tốc của chất lỏng trong thiết bị

Khi cơ cấu khuấy chuẩn động thì chất lỏng trong thiết bị chuyển

động theo Vận tốc chất lỏng thay đổi theo khoảng cách từ điểm xét tới trục quay

Qua khảo sát ngời ta thấy rằng nếu không kể tốn thất thì vận tốc của chất lỏng trong khoảng từ 0 → RK sẽ tăng dần bằng v = ωr

Trong đó:

ω - là vận tốc góc

r – bán kính của điểm khảo sát

Còn trong khoảng Rk → RT thì vận tốc giảm dần theo đờng hypecbol

Vr = const = vRK

R0 = α.0,15

Trong đó:

R0: Bán kính tác dụng của cơ cấu khuấy (m)N: Công suất tiêu hao của cơ cấu khuấy (kw)

à: Độ nhớt động lực của môi trờng đợc khuấy (cp)

α : Hệ số phụ thuộc vào kiểu cơ cấu khuấy

III.2.2.3 Chế độ thuỷ đông chất lỏng trong khi khuấy

* Theo cơ cấu khuấy làm việc thì chất lỏng trong thiết bị cũng chuyển động theo, tốc độ chuyển động của chất lỏng thì phụ thuộc và tốc

độ chuyển động của cơ cấu khuấy

* Đặc trng cho chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị là chuẩn số Rey – nôn khuấy

ReK = Trong đó:

P: khối lợng riêng của chất lỏng đợc khuấy (Kg/m3)n: số vòng quay của cơ cấu khuấy trong một giây (v/s)

à: Độ nhớt động lực của chất lỏng đợc khuấy (Ns/m2)

DK: Đờng kính của cơ cấu khuấy (m)

* Chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị cũng đợc chia thành 3 miền và ứng với giá trị của ReK là:

p d n

.

à

10 ≤ ReK ≤ 103

103≤ ReK≤ 107

III.2.2.4 Sự tạo thành huyền phù

* Quá trình tạo ra huyền phù là sự phân tán các hạt rắn không hoà tan vào một chất lỏng nh cơ cấu khuấy Khi cơ cấu khuấy chuyển động sẽ làm cho chất lỏng trong thiết bị chuyển động theo và kéo theo các hạt rắn cùng chuyển động Muốn cho các hạt rắn không lắng xuống đợc thì vận tốc của cơ cấu khuấy phải đạt tới một giá trị xác định Vận tốc này gọi là tốc độ tới hạn nó phụ thuộc vào tính chất của môi trờng và các thông số hình học của cơ cấu khuấy

* Qua các công trình nghiên cứu bằng thực nghiệm và các tính thứ nguyên Ngời ta đa ra phơng trình đặc trng cho trạng thái đồng đều của huyền phù nh sau:

√: Độ nhớt động học của chất lỏng m2/s

ρ1: Khối lợng riêng chất lỏng kg/m3

∆: ρr - ρ1: Hiệu số khối lợng riêng kg/m3

45 , 0 1

, 0 13 , 0 2 , 0 85

,

l g c

d d

D K

D

) ( ) (

k d D

tính chất của môi trờng và các thông số hình học của cơ cấu khuấy.

* Qua các công trình nghiên cứu bằng phân tích thứ nguyên và thực nghiệm ngời ta đa ra phơng trình đặc trng cho quan hệ giữa bề mặt phân chia và các thông số nh sau:

S.dK = C.ReK0,1WeK0,5(

Trong đó:

S: Bề mặt tiếp xúc pha riêng (m2/m3)

DK: đờng kính cơ cấu khuấy (m)

Vφ: thể tích pha phân tán (m3)

VC: Thể tích pha liên tục (m3)

C: hằng số phụ thuộc kiểu cơ cấu khuấy:

III.3.1.1 Khái niệm

* Khuấy trộn bằng cơ khí nghĩa là dùng cánh khuấy

* Cánh khuấy có nhiều loại:

* Cánh khuấy mái chèo: Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ ờng dùng để hoà tan chất rắn, có khối lợng riêng không lớn lắm

Th-* Cánh khuấy chân vịt (chong chóng): Dùng để điều chế dung dịch

84 , 0

)

C V V

V

+ φ φ

σ

ρc n2d3K

huyền phù, nhũ tơng Không thể dùng cánh khuấy chân vịt để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy chất lỏng trong đó có các hạt rắn có khối l-ợng riêng lớn.

* Cánh khuấy tuyếc bin: Dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao

đến 5.105cp, để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan các chất rắn nhanh hoặc để khuấy động các hạt rắn đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 60%

* Cánh khuấy đặc biệt: dùng trong trờng hợp không thể dùng đợc cánh khuấy mái chèo, chong chóng, tuyếc bin Thờng dùng để khuấy bùn nhão hoặc chất lỏng có độ nhớt rất cao

* Đặc trng của quá trình khuấy trộn là cờng độ khuấy và năng lợng tiêu hao

* Cờng độ khuấy trộn là chất lợng của kết quả khuấy theo thời gian Cờng độ khuấy trộn phụ thuộc vào nhiều yếu tố và cho đến nay vẫn cha có phơng pháp tính toán nào có thể tin cậy để xác định cờng độ khuấy trộn

* Pờrăngnốpski và Nicôlaiep cờng độ khuấy trộn có thể xác định bằng năng lợng tiêu hao của một đơn vị chất lỏng khuấy trộn trong một đơn

III.3.1.2 Công suất khuấy trộn

III.3.1.2.1 Công suất làm việc

* Khi máy làm việc thì năng lợng tiêu hao dùng để khắc phục ma sát của cánh khuấy với môi trờng

* Theo Niutơn một vật thể chuyển động tới môi trờng thì ma sát có thể tính theo công thức sau:

W: tốc độ chuyển động của vật thể trong môi trờng (m/s)

ρ1: Khối lợng riêng của môi trờng (kg/m3)

* Nếu lấy một nguyên tố diện tích dF của cánh khuấy mà xét hình ta thấy dF = hdx

* Công suất làm việc để khắc phục trở lực môi trờng của nguyên tố thể tích cánh khuấy bằng: dNp = wdS (W)

Cánh khuấy có 2 mái chèo thì: dS = ξhρ1w2dx

Và w = 2 πnx (m/s)

n – số vòng quay trong 1 giây (vng/s)

Thay giá trị của dS và w vào phơng trình ta có dNP = (2πnx)3ξρ1dxLấy tích phân của x từ 0 đến r ta có: NP = ξ(2π)3n3hρ1 (w) (*)

n – số vòng quay của cánh khuấy (vng/ph)

ρ1 – Khối lợng riêng của môi trờng (kg/m3)

1n d

N P

ρ

trộn của các loại cánh khuấy khác nhau Các loại cánh khuấy này ở trong

thiết bị có đờng kính D, chiều cao mức chất lỏng H, chiều rộng cánh khuấy

b, đờng kính cánh khuấy d đợc xác định () Nếu cánh khuấy chân vịt thì có

tỷ lệ bớc xoắn và đờng kính cánh khuấy s/d

* Theo hình 6.4 ta có thể xác định đợc hệ số ξM rồi thay vào phơng

trình ta tính đợc công suất làm việc của máy khuấy

* Những giá trị của ξM xác định bằng đồ thị hình 6.4 chỉ đúng cho

các loại cánh khuấy đồng dạng với các cánh khuấy đã tiến hành thực

nghiệm biểu diễn ở hình

* Nếu cánh khuấy không đồng dạng với cánh khuấy đã tiến hành thí

nghiệm thì năng lợng tiêu hao sẽ thay đổi Trong trờng hợp này ta phải nhân

2 1 1

3 3

à

ρ ρ

nd f

N d n

P =

m R

A eM

d

b D

H d

D

, ,

n r

r t

p s

e

k h

h H

D

N f D

f d

s f d

f d

b f D

H f

ad

D

4 ( , ) 1 , 0

1 ( , ) ( ), 25 , 0

1 ( , ) ( , ) (

=

β