QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH BẰNG CƠ HỌC

CHƯƠNG QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH BẰNG CƠ HỌC (LẮNG, LỌC & LY TÂM) Thực phẩm hỗn hợp phức tạp hợp chất, thành phần  Cần có phân tách để chuẩn bị cho trình chế biến tiếp sau Các trình phân tách học gồm: - Lắng - Lọc - Ly tâm - Ép Q TRÌNH LẮNG Q trình lắng (Sedimentation) trình phân tách vật liệu dạng hạt khỏi dòng lưu thể lực trọng trường Các vật liệu dạng hạt thường chất rắn, giọt chất lỏng nhỏ Trong cơng nghiệp thực phẩm, thường gặp trình lắng để phân tách phần tử rắn khỏi chất lỏng khí Tốc độ lắng hạt thơng số quan trọng QUÁ TRÌNH LẮNG Tốc độ lắng trường hợp nồng độ hạt rắn lưu thể thấp  Hạt lắng tự do, không bị ảnh hưởng phần tử hạt khác xung quanh - Trường hợp NRe < 0,2: - Trường hợp NRe > 1000 : 𝑑2 𝑢= (𝜌 − 𝜌𝑓 ) 18𝜇 𝑝 (7.1) 4𝑑𝑔(𝜌𝑝 − 𝜌𝑓 ) 3𝐶𝑑 𝜌𝑓 (7.2) 𝑢= Trong đó: d : đường kinh ρp : khối lượng riêng hạt rắn ρf : khối lượng riêng huyền phù g : gia tốc trọng trường Cd : hệ số trở lực Q TRÌNH LẮNG Hình 7.1 Ảnh hưởng chuẩn số Reynolds tới hệ số trở lực Cd ψ : đại diện cho mức độ cầu hạt rắn QUÁ TRÌNH LẮNG Tốc độ lắng trường hợp nồng độ hạt rắn lưu thể cao Khi nồng độ hạt rắn cao:  Có tương tác hạt qua trình lắng - Nếu kích thước hạt nhỏ (6-10 μm) : tốc độ tương đương với tốc độ tính theo định luật Stock Với kích thước hạt = trung bình kích thước hạt lớn hạt nhỏ - Nếu hạt có kích thước lớn: Hình thành khu vực lắng khác QUÁ TRÌNH LẮNG THIẾT BỊ LẮNG Buồng lắng bụi Khí Khí bẩn Cấu tạo: Ống hút khí vào Phần thân buồng Ống dẫn khí Các phễu dẫn bụi Bụi Hình 7.2 Buồng lắng - Vận tốc dịng khí ngang vào thấp - Lắng thích hợp cho hạt bụi có kích thước lớn 50 μm Q TRÌNH LẮNG THIẾT BỊ LẮNG Cyclone lắng bụi Cấu tạo: Cửa vào (1) Thân hình trụ (2) Đáy hình nón (3) Cửa khơng khí (4) Cửa tháo bụi (5) Khi vào cyclone, khơng khí chuyển động trịn theo thân trụ Nhờ lực ly tâm, hạt bụi chuyển động tách khỏi dịng khí theo hướng bán kính sau tập hợp lại thành thiết bị Đến cuối ống (2), phần khí qua ống (4) ngoài, phần chuyển động tiếp xuống phần phễu (3) tạo thành dòng để lên ống (4) Bụi chuyển động dọc theo thành thân (1) (2), sau tập trung cửa (5) tháo ngồi Hình 7.3 Sơ đồ ngun lý hoạt động cyclone QUÁ TRÌNH LẮNG THIẾT BỊ LẮNG Thiết bị lắng phân riêng hệ rắn – lỏng Bể lắng huyền phù Bể hình trụ Đáy hình nón bẹt Xung quanh mép bể có lắp máng vịng có tiết diện hình chữ nhật để dẫn nước chảy Trong bể có lắp cánh khuấy khơng Hình 7.4 Bể lắng Q TRÌNH LỌC Quá trình lọc (Filtration) trình tách phần tử chất rắn khỏi lưu thể cách cho lưu thể qua vật liệu lọc - Chất lỏng thu = dịch lọc, nước - Phần chất rắn tách = bã lọc, bã - Vật liệu lọc = vải lọc, vách ngăn Huyền phù Bã Vải lọc Dịch lọc, nước Hình 7.5 Ngun lý q trình lọc Q TRÌNH LỌC Động lực trình lọc Động lực trình = chênh lệch áp suất phía phía vách ngăn Sự chênh lệch áp suất tạo do: + Cột thủy tĩnh + Áp lực bề mặt vách ngăn, + Áp suất chân khơng phía vách ngăn Dựa vào động lực, phân loại gồm: + Lọc áp suất thủy tĩnh (lọc trọng lực) + Lọc áp lực + Lọc chân không 10 QUÁ TRÌNH LỌC THIẾT BỊ LỌC Thiết bị lọc áp suất Máy lọc ép khung (1) : Huyền phù (2) : Áp suất (3) : Dịch lọc (4) : Phòng chứa bã (5) : Vải lọc (6) : Khung lọc (7) : Bản lọc (8) : Bã lọc Hình 7.9 Nguyên lý hoạt động máy lọc ép khung 23 QUÁ TRÌNH LỌC THIẾT BỊ LỌC Thiết bị lọc áp suất Máy lọc ép khung Nguyên lý hoạt động: Huyền phù áp suất vào phía khung Dịch lọc qua vải lọc, chảy theo máng qua rãnh dẫn Các phần tử rắn bị giữ lại vải khung chứa đầy bã Bã rửa không Để tháo bã, khung tách ra, bã rơi xuống tác dụng trọng lực lực học tác động vào 24 QUÁ TRÌNH LỌC THIẾT BỊ LỌC Thiết bị lọc chân không Máy lọc chân khơng thùng quay Cấu tạo: Thùng quay hình trụ có đục lỗ bề mặt phủ lớp vải lọc Bên thùng chia thành ngăn riêng biệt Mỗi ngăn có đường ống nối với trục rỗng Thùng đặt bể quay với tốc độ chậm, 0,1 -0,3 vòng/phút Bể chứa đầy huyền phù cần lọc Trong bể có lắp cánh khuấy để tránh lắng hạt rắn Hình 7.10 Sơ đồ nguyên lý máy lọc chân không thùng quay 25 QUÁ TRÌNH LỌC THIẾT BỊ LỌC Thiết bị lọc chân không Máy lọc chân không thùng quay Nguyên lý hoạt động: Khi thùng quay, ngập bể huyền phù dịch lọc chui qua vải lọc vào rãnh bên thùng nhờ hút chân không Khi phần thùng quay khỏi bể huyền phù, lớp bã hút nốt phần chất lỏng lại rửa vịi phun từ phía Khơng khí nén thổi vào phía vải lọc để làm lỏng phần bã bám vải lọc Sau phần bã tách khỏi thùng dao cạo Phần thùng quay lại vào bể huyền phù chu trình lặp lại Như vậy, vịng quay, tất cơng việc gồm lọc, rửa, làm khô, tách bã tiến hành độc lập với 26 QUÁ TRÌNH LY TÂM Quá trình ly tâm (Centrifugation) trình phân tách phần tử khỏi lưu thể cách sử dụng lực ly tâm Thường có ứng dụng ly tâm: + Phân tách chất lỏng không tan lẫn + Phân tách phần tử rắn khỏi chất lỏng khơng khí 27 Q TRÌNH LY TÂM Lực ly tâm - Lực ly tâm hình thành vật liệu quay 𝑚𝑟𝜔2 𝐹𝑐 = 𝑔𝑐 Trong đó: Tốc độ góc ω: 𝑢 𝜔= 𝑟 u : tốc độ theo phương tiếp tuyến (m/s) r : khoảng cách theo phương bán kính tới trung tâm quay (m) 28 QUÁ TRÌNH LY TÂM Lực ly tâm 𝐹𝑐 = 𝑚 𝑔𝑐 𝑢2 𝑟 Nếu diễn đạt theo số vòng quay phút: 𝑚𝑟𝑁 𝐹𝑐 = 0,011 𝑔𝑐 Trong đó: N : tốc độ quay tròn (số vòng quay/phút) 29 QUÁ TRÌNH LY TÂM Lực ly tâm Nếu lưu thể chứa phần tử có khối lượng riêng khác đưa vào bát quay  phần tử có khối lượng riêng lớn dịch chuyển phía thành bát lực ly tâm tác dụng lên lớn hơn; phần tử có khối lượng riêng nhỏ hướng phía bên bát (Hình 7.11) Hình 7.11 Phân tách lưu thể có khối lượng riêng khác ly tâm  Nguyên lý sử dụng để phân tách thực phẩm lỏng có chứa phần tử có khối lượng riêng khác 30 QUÁ TRÌNH LY TÂM Tốc độ phân tách 𝐷2 𝑁 𝑟(𝜌𝑝 − 𝜌𝑠 ) 𝑢𝑐 = 1640𝜇 Trong đó: u: tốc độ phân tách (m/s) D: đường kính hạt pha nặng (m) N : tốc độ quay thùng ly tâm tính vịng/phút ρp , ρs: khối lượng riêng hai pha (kg/m3) r : khoảng cách từ phần tử tới trục quay (m) 31 QUÁ TRÌNH LY TÂM Phân tách lỏng – lỏng Trong phân tách lỏng-lỏng, độ dày lớp xác định khối lượng riêng chất lỏng, khác áp suất ngang qua lớp chất lỏng tốc độ quay Vùng trung lập = vùng ranh giới chất lỏng tốc độ ly tâm định áp suất chất lỏng cân Vùng có bán kính rn  Dùng để xác định vị trí ống nạp liệu ống dẫn sản phẩm 32 QUÁ TRÌNH LY TÂM 𝑟𝑛 𝜌𝐴 𝑟𝐴 − 𝜌𝐵 𝑟𝐵 = 𝜌𝐴 − 𝜌𝐵 Trong đó: rn : bán kính vùng trung lập (m) ρ : khối lượng riêng (kg/m3) r : bán kính (m) Chỉ số A, B đại diện cho lớp chất lỏng nặng nhẹ 33 QUÁ TRÌNH LY TÂM Ví dụ tính tốn 2: Các hạt rắn huyền phù phân tách ly tâm Các hạt rắn có đường kính 100 μm, khối lượng riêng 800 kg/m3 Chất lỏng nước, có khối lượng riêng 993 kg/m3 Độ nhớt nước 5,95.10-4 Ns/m2 Bán kính phân tách 7,5 cm Nếu tốc độ phân tách cần đạt 0,03 m/s, xác định tốc độ quay cần thiết thiết bị ly tâm Ví dụ tính tốn 3: Hãy xác định vị trí đặt ống vào thiết bị ly tâm tách cream khỏi sữa nguyên kem Khối lượng riêng sữa gầy 1025 kg/m3, cream 865 kg/m3 Ống cream có bán kính 2,5 cm sữa gầy cm 34 QUÁ TRÌNH LY TÂM THIÊT BỊ LY TÂM Thùng ly tâm Phân tách hệ lỏng – rắn Cấu tạo: Gồm thùng hình trụ, bên có rổ quay có đục lỗ Thùng quay quanh trục Nguyên lý hoạt động: Khi thùng quay, chất lỏng chui qua rổ phía ngồi thùng, bã rắn giữ lại rổ Sau đó, thùng quay chậm lại bã rắn tháo Hình 7.12 Thùng ly tâm Dung tích thiết bị lên tới 90 000 lít/h 35 Q TRÌNH LY TÂM THIÊT BỊ LY TÂM Thiết bị ly tâm loại đĩa Phân tách hệ lỏng – lỏng Cấu tạo: Gồm chồng đĩa hình côn kim loại xếp cách 0,5 – 1,27 mm thùng quay có đường kính 0,2 – 1,2 m Trên đĩa có lỗ khớp tạo thành kênh dẫn cho chất lỏng chuyển động Hỗn hợp lỏng – lỏng vào ống nạp liệu vào đĩa thành lớp mỏng Nhờ lực ly tâm, chất lỏng nặng trượt theo đĩa xuống dưới, tập trung phía thành thùng Chất lỏng nhẹ chuyển động theo hướng ngược lại, tập trung phía trục thùng Hình 7.13 Máy ly tâm loại đĩa 36 QUÁ TRÌNH LY TÂM THIÊT BỊ LY TÂM Thiết bị ly tâm vít tải Phân tách hệ lỏng – rắn Cấu tạo: Một vít tải đặt thùng quay hình trụ Hình 7.14 Ly tâm vít tải Nguyên lý hoạt động: Thùng quay với vận tốc khoảng 25 vịng/phút quay nhanh vít tải bên  chất rắn vận chuyển phía đầu thùng Chất lỏng phía cuối (phần rộng hơn) thùng 37 ... Kết hợp phương trình (7. 4) (7. 5), ta có: