Đăng ký Đăng nhập

Tài liệu Bài 2 cô đặc

.DOCX
15
321
91

Mô tả:

thực hành kĩ thuật thưc phẫm 2
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC- THỰC PHẨM ........................ BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸỸ THUẬT THỰC PHẨM GVHD: Nguyễễn Tiễến Đạt SVTH: Nguyễễn Thị Lệ Quyễn MSSV: TỔ 3 (thứ 3, tễết 2-6) BÀI 7: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 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 dịch 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 chi phí hơi đốt giảm, dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa). Cô đặc áp suất cao hơn thì khí quyển 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 cao khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. II. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:     Hiểu rõ hơn về quá trình cô đặc. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng để tìm các thông số cần thiết. Xác định năng suất và hiệu suất cuối cùng . Đánh giá quá trình hoạt động gián đoạn. III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: 3.1. 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 vào 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. 3.2. 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. 1 - Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch mới lien tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ dạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới. 3.3. Cân bằng vật chất và năng lượng. 3.3.1 Nồng độ Nồng 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 dạng:  x = mchất tan m dung dịch (kg/kg) Ngoài ra, nồng độ còn được xác định là khối lượng chất tan trong thể tích dung dịch, biểu diễn dưới dạng:  c mchất tan = v dung dịch (kg/m3) Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:  c  x = ρdd ρ dd là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3) 3.3.2 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 Gđ * xđ = Gc * xc Phương trình này giúp ta tính toán được khối lượng của dung dịch còn lại trong nồi đun sau quá trình cô đặc. Đối với hỗn hợp: 2 Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + Khối lượng dung hơi thứ Gđ = G c + G w Phương trình này tính toán khối lượng dung môi đã bay hơi trong quá trình cô đặc Trong đó: Gđ: khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kg) xđ nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun(kg/kg) Gc: khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun(kg) xc : nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun(kg/kg) Gw: khối lượng dung môi bay hơi(kg) 3.3.3 Cân bằng năng lượng - Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát: Năng lượng mang vào = năng lượng mang ra + năng lượng thất thoát Để đơn giản tính toán, chúng ta thường coi như không có mất mát năng lượng.  Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình: Qk1 = P1 * τ1 Năng lượng dung dịch nhận được: Q1 = Gđ * Cp * (Tssd – Tđ) Cp = CH2O * (1-  x ) Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp (Qk1 đặc trưng cho năng lượng mang vào, Q1 đặc trưng cho năng lượng mang ra; bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt) Qk1 = Q1  Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình: Qk2 = P2 x τ2 Năng lượng nước nhận được để bốc hơi: Q2 = G w x iw Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Qk2 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q2 3 Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ: Qngưng tụ = Gw x rw = VH2O x pH2O x CH20 x (Tr – Tv) x τ2 Chú thích: Qk1: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J) Qk2 : nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J) Qngưng tụ : nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (J) P1: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W) P2: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W) τ1: thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s) τ2: thời gian thực hiện quá trình hóa hơi(s) Q1 :nhiệt lượng dung dịch nhận được (J) Q2: nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J) iw : hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường rw : ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg) (Tssd – Tđ): chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (0C) (Tr – Tv) : chênh lệch nhiệt độ củ nước ra và vào (0C) VH2O :lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m3/s) pH2O: khối lượng riêng của nước (kg/m3) CH20 : nhiệt dung riêng của nước (J/kg.K) Cp : nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.K) IV. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 4.1.Chuẩn bị thí nghiệm. 4.1.1.Chuẩn bị các hệ thống phụ trợ. - Bật công tắc nguồn cấp cho tủ điện. - Kích hoạt bộ điều khiển bằng cách chuyển 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 để kích hoạt mô hình,lúc này đèn xanh sáng. - Bộ hiển thị số được cấp điện. - Mở van nguồn nước cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống. 4 - Kiểm tra ống 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 để lưu thông nước trong thiết bị ngưng tụ. 4.1.2Kiểm tra mô hình thiết bị - Nồi đun và thiết bị kết tinh được tháo hết và sạch - Các van thoát được đóng: V2, V5, V8 - Các van V3 và V4 đóng 4.1.3. Chuẩn bị dung dịch Chuẩn bị 8l dung dịch CuS04 loãng (có thể pha mới theo yêu cầu giáo viên hướng dẫn) Xác định nồng độ (g/l) Xác định khối lượng riêng dung dịch 4.2.Tiến hành thí nghiệm 4.2.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch - Cho dung dịch nồi đun khoảng 8 lít - Khóa van V1, VP1 - Kích hoạt bộ gia nhiệt, điều chỉnh công suất lên 100% - Chỉnh lưu lượng nước cho thiết bị ngưng tụ ECH1 với lưu lượng 80l/h - Đo 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. 4.2.2 Giai đoạn bốc hơi dung môi - Mở van VP1 - Giảm nhẹ công suất bộ gia nhiệt xuống 75% để giữ nhiệt ổn định nhiệt độ hiệu số giữa TI3 và TI5. - Ghi nhận thời gian thực hiện quá trình từ lúc bắt đầu cho đến khi lượng nước ngưng tụ được 2l thì dừng quá trình. - Đo nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ. 5 - Quan sát nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun khi thực hiên quá trình. - Đo nồng độ dung dịch sau khi kết thúc quá trình. - Xác định khối lượng riêng của dung dịch sau khi quá trình cô đặc. 4.3 Kết thúc thí nghiệm - Tắt W1 - Khóa van VP1 - Đợi cho dung dịch trong nồi đun đạt đến nhiệt độ khoảng 300C - Tháo hết dung dịch trong nồi đun qua van V2 - Tháo dung môi ( nước ) trong bình chứa hơi thứ. V. BẢNG SỐ LIỆU: Giai đoạn Nguồn gia Thời TI1 ( TI3 ( TI5 ( 0C Vdm (l) 0 nhiệt nồi gian t 0C) C) ) đun P(W) (phút) Am Nồng độ (g/l) Gia nhiệt 2000 2.853 39,428 3.602 50,51 0 30.7 30 30 0 Dung dịch 2000 sôi 20 88 30 29.9 0 Kết thúc 1500 ( hơi thứ 2 lít) 69 94.4 30 34.9 2 Trong đó: TI1: Đầu dò nhiệt độ nồi đun. TI3: Đầu dò nhiệt độ nước giải nhiệt vào thiết bị ngưng tụ. TI5: Đầu dò nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi thiết bị ngưng tụ. - Vban đầu = 7 lít - P1 = 2000 W - P2= 1500 W - Vnước (lưu lượng nước) = 200 l/h 6 - Cnước = 4200 J/kg*K - Khối lượng riêng của nước = 1000 kg/m3 - Nhiệt dung riêng của dd = 380 J/kg*K - Độ hấp thu dung dịch trước khi đun sôi: A1 = 2.844, A2 = 2.843, A3 = 2.872 → Atb= 2.844  2.843  2.872  2.853 A 3 - Độ hấp thụ sau khi nước ngưng tụ được 2 lít: A1 = 3.640, A2 = 3.590, A3 = 3.577 → Atb= 3.640 3.590  3.577 3.620 A 3 VI. XỬ LÝ SỐ LIỆU:  (kg/m3) Ban đầu 1021.451 Gđ (kg) 7.147 x (Kg/Kg ) Gc (kg) Gw (kg) Qk (J) Q (J) m (J) 132000 0 Lúc hơi thứ được 2 (l) 0.0492 5.607 1.54 621000 00 4122580 5912963 .28 Cân bằng vật chất và năng lượng.  Dung dịch ban đầu Ta có: = 39.428 ( Lý Thuyết 1653605,1 35  Phần tính toán c Qlt (J) 0.0386 Lúc sôi 1021.646 Qng thực nghiệ g l )= 39.428 ( kg 3 m ) 7 3486560  m ct C Mà v dd  kg m3  , d = 1.021  => mct= C × Vdd= 39.428 × 7 × 10-3 = 0.275996(Kg)  Nồng độ ban đầu của chất tan trong dung dịch nồi đun x m ct d .V = = 0.275996 1.021 ×7 kg = 0.0386 ( kg ) Khối lượng riêng của dung dịch ban đầu:  C ρdd =  X 39.428 1021.451 0.0386 = kg 3 m  )  Hơi thứ ngưng tụ được 2 lít Ta có: c = 50.265 (  m ct C Mà v dd  kg 3 m  g l )= 50.265 ( kg m3 ) , d = 1.021  => mct= C × Vdd= 50.265 × 7 × 10-3=0.351855 (Kg)  Nồng độ ban đầu của chất tan trong dung dịch nồi đun x = m ct d .V = 0.351855 1.021 ×7 kg = 0.0492 ( kg )  Nồng độ cuối của chất tan trong dung dịch nồi đun  C ρdd =  X = 50.265 1021.646 0.0492 kg m3  )  Cân bằng vật chất: Nồng độ đo quang ban đầu của dung dịch CuSO4 = 39.428 (g/l). Có d= 1.021 8 Vdd cho vào nồi đun: 7 (lít) Gđ =d*V= 1.021 ×7 = 7.147 (kg) -Ta có: khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra   Gđ × X đ G C × Xc ⬄7.147 × 0.0386 = Gc × 0.0492 Gc = 5.607 ( kg ) Suy ra: Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + -Khối lượng dung hơi thứ Gđ = Gc + Gw ⬄ 7.147 = 5.607 + Gw Gw = 1.54 (kg )  Đối với chất tan -Khi hơi thứ ngưng tụ 2 lít GC  C 39. 428 7 .147 ρ 1021. 451  5. 607 C 50 . 265 ρ 1021 .646 Gđ  (Kg)  Đối với hỗn hợp -Khi hơi thứ ngưng tụ 2 lít: Gw= Gđ – Gc = 7.147 – 5.5607 = 1.54 (Kg)  Cân bằng năng lượng + Giai đoạn đun sôi dung dịch Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Qk1 = P1 x τ1 = 2000 x 20 x 60 = 2400000 (J) Năng lượng dung dịch nhận được: Q1 = Gđ x Cp x (Tssd – Tđ) Trong đó: ρdd = 1080.219 kg/m3 [C] = xđ / ρdd = 39.428 1018.811 = 0.0387 => Cp = CH2O x ( 1- [C] ) ⬄ Cp = 4200 x (1- 0.0386) = 4037.88 ( J/kg.0K) 9 Từ đó => Q1 = Gđ x Cp x (Tssd – Tđ) ⬄ Q1 = 7.147 x 4037.88 x ( 88- 30.7 ) = 1653605.135 (J) Hiệu suất của giai đoạn đun sôi dung dịch H1 = (Qk1 / Q1 ) x 100= (2400000 /1653605.135) x 100= 145.14 (%) + Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch: Tra bảng ta có: -Hàm nhiệt hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường iw : 2677 KJ/kg -Ẩn nhiệt rw =2264 kJ/kg +Khi hơi thứ ngưng tụ đạt được 2 lít -Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi: QK2 = P2 x τ2 = 1500 x 69 x 60 = 62100000 (J) -Năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q2 = G w x iw -Hàm nhiệt hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường iw: 2264 KJ/kg =>Q2 = 1.54 × 2677000 = 4122580 (J) => Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ: Qngưng tụ = Gw x rw = GH2O x pH2O x CH20 x (Tr – Tv) x τ2 Ta có: Nhiệt độ nồi đun = 94.4 ℃ Nhiệt độ nước giải nhiệt = 30 ℃ Nhiệt độ ra khỏi thiết bị = 34.9 ℃ -Tính theo lý thuyết: Qng = Gw x rw=1.54 × 2264000=3486560 ∆ t max 94.4−3064.4 ℃ ∆ t min 94.4−34.959.5 ℃ Ta có: ∆t max 64.4  1.08  2 ∆t min 59.5 10 Δt log  64 . 4  59 .5 61. 95 2 K lt  Q ng 3486560  281401 .13 F  Δt log 0. 261 .95 J  m ×℃ 2 ( =52045.98( W  2 m .K Tính theo thực nghiệm: Qngưng tụ = 6,94 x 10 -5 x 1000 x 4200 x (34.9 - 30) x 69 x 60 =5912963.28 (J) ∆ t max 94.4−3064.4 ℃ ∆ t min 94.4−34.959.5 ℃ Ta có: Δt log  ∆t max 64.4  1.08  2 ∆t min 59.5 64 . 4  59 .5 61. 95 2 K lt  Q ng F  Δt log  5912963. 28  4772236 .75 0 . 261 . 95 J  m ×℃ 2 ( =88266.35( W  m2 . K VII. BIỂU ĐỒ: *Vẽ Biểu Đồ 11 7000000 5912963.28 6000000 5000000 4000000 3486560 3000000 2000000 1000000 0 Ql t Qtn HÌNH 1: BIỂU ĐỒ THỂ HIỆN SỰ KHÁC NHAU GIỮA NĂNG LƯỢNG LÝ THUYẾT VÀ NĂNG LƯỢNG THỰC TẾ Nhận xét: từ đồ thị ta thấy, thứ nhất Qng lý thuyết nhỏ hơn Qng thực nghiệm. Nồầng đ ộ (g/l) 60 50.27 50 40 39.43 30 20 10 0 Ban đầầ u 2 l ít HÌNH 2: BIỂU ĐỒ THỂ HIỆN NỒNG ĐỘ (G/L) BAN ĐẦU VÀ SAU 2 LÍT Nhận xét: Nồng độ của quá trình thể hiện thông qua nồng độ ban đầu và sau 2 lít khác nhau 12 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Klt Ktn BIỂU ĐỒ SO SÁNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VIII. NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN: a .Nhận xét về nồng độ đo được: Nồng độ lúc sau cao hơn ban đầu do khi cô đặc dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chất hòa tan trong dung dịch này không bay hơi, do đó nồng độ dung dịch sẽ tăng dần lên. b .Nhận xét về cân bằng năng lượng: Ta thấy năng lượng mà dung dịch nhận được thấp hơn năng lượng mà nồi đun cung cấp, qua đó cho thấy sự sai số do thiết bị hoặc đã xảy ra những tổn thất trong quá trình truyền năng lượng. Giữa lý thuyết và thực nghiệm có sự khác nhau - Khi lượng dung môi bay hơi đạt 2 lít thì lý thuyết lại nhỏ hơn thực nghiệm. *Kết quả sai số có thể do: Sai số khi tính toán về vật chất + Khi đưa dung dịch vào nồi hơi sau dó gia nhiệt đến khi sôi 1 phần đồng sunfat sẽ xảy ra những phản ứng không mong muốn như oxy hóa, hay hiện tượng phân ly tạo thành Cu bám trên thanh kim loại dùng để gia nhiệt dung dịch. + Sau khi thí nghiệm thì hơi nước sau khi ngưng tụ vẫn còn bám lại 1 ít trong thiết bị cũng có thể dẫn đến sai số khi tính nồng độ sau khi cô đặc. Sai số về năng lượng: + Khi gia nhiệt cho dung dịch thì nhiệt tỏa ra xung quanh nồi hơi. 13 + Hơi nước nóng được làm ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ do chiều dài của ống nước dẫn nước vào làm lạnh khá dài nên trong quãng đường đó sẽ tổn hao nhiệt độ nên khó đo chính xác nhiệt chất tải lạnh khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ. IX. KẾT LUẬN: Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc liên tục hay gián đoạn. Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng năng suất nhỏ và nhiệt năng không có gia trị kinh tế. Quá trình cô đặc được sử dụng nhiều trong công nghệ đồ hộp để sản xuất cà chua cô đặc, sữa đặc…Trong quá trình cô đặc người ta thường sử dụng hơi nước bão hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điễm sôi. Khi đó nước sẽ từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. X. TÀI LIỆU THAM KHẢO: Giáo trình quá trình thiết bị truyền nhiệt, tp HCM năm 2011 14
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan