Đang tải... (xem toàn văn)
báo cáo, tiểu luận môn học: quá trình và thiết bị chuyển khối nghành công nghệ thực phẩm đại học Bách khoa hà nội gồm 3 bài cơ bản: sấy bơm nhiệt, sấy đối lưu và chưng cất cồn theo hơi nước. trình bày chi tiết lý thuyết và số liệu
BÀI 1: THÍ NGHIỆM SẤY ĐỐI LƯU TUẦN HỒN KHÍ THẢI I LÝ THUYẾT Sấy trình tách phần hay phần lớn lượng ẩm có vật ẩm Q trình sấy phức tạp khơng ổn định, đồng thời xảy nhiều q trình: truyền nhiệt từ tác nhân sấy cho vật sấy, dẫn nhiệt vật sấy, bay ẩm, dẫn ẩm từ bề mặt vật sấy, truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trường sấy Các trình tuân theo trình truyền ẩm Trong trình sấy, độ ẩm vật liệu sấy liên tục thay đổi theo hướng giảm dần chia làm giai đoạn: Giai đoạn đầu: giai đoạn nung nóng vật sấy đến nhiệt độ bay ẩm Giai đoạn (giai đoạn có tốc độ sấy không đổi): chủ yếu làm bay nước tự vật sấy Hơi bay lên từ bề mặt vật sấy nước bão hòa, nhiệt hóa nhiệt hóa nước tự Giai đoạn (giai đoạn tốc độ sấy giảm dần): ẩm bên truyền bề mặt vật liệu sấy nhỏ lượng ẩm bốc bề mặt vật liệu Giai đoạn kéo dài tới vật sấy đạt tới độ ẩm cân Đường cong sấy: đường cong biểu diễn thay đổi độ ẩm vật sấy theo thời gian sấy gọi đường cong sấy: w = f(τ) Đồ thị hàm f(τ) phụ thuộc nhiều vào yếu tố dạng liên kết nước vật sấy, hình dáng, kích thước đặc tính vật sấy, phương pháp chế độ sấy, nhiên chúng có dạng chung minh họa hình Đường cong tốc độ sấy: đường cong tốc độ sấy biểu diễn quan hệ tốc độ sấy hàm ẩm vật sấy, thu cách đạo hàm đường cong sấy theo thời gian: dw/dτ = f(w) Hình minh họa dạng đường cong tốc độ sấy Trong giai đoạn sấy thứ nhất, tốc độ sấy không đổi nên đồ thị hàm f(w) đoạn thẳng AB song song với trục hoành Đoạn biểu diễn giai đoạn thứ trình sấy có hình dạng phức tạp, phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu sấy dạng liên kết ẩm với vật chất khơ vật sấy Hình 1: Đường cong sấy Hình 2: Đường cong tốc độ sấy w wA dw/d A B A wB wA Wđ B wB wc w II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Làm quen nắm vững quy trình vận hành thiết bị thí nghiệm sấy đối lưu có tuần hồn khí thải - Xác định quan hệ độ ẩm vật liệu với thời gian sấy (đường cong sấy) - Xác định quan hệ tốc độ sấy độ ẩm vật liệu (đường cong tốc độ sấy) III SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Sơ đồ thí nghiệm 10 Cân Vật liệu sấy Buồng sấy Cửa lấy khơng khí Quạt Cửa thải tác nhân sấy Calorife Tủ điều khiển Bích nối 10 Giá đỡ 11 Atomat tổng 12 Công tắc điều khiển Ngun lý làm việc Khơng khí bên quạt hút qua cửa đun nóng carolife điện Khống chế nhiệt độ khơng khí nhờ hệ thống nhiệt xúc Vật liệu ẩm xếp vào khay đặt khung buồng sấy Khung treo đĩa cân Quan sát thay đổi khối lượng vật liệu sấy kim cân Điều chỉnh lượng không khí thải nhờ có chắn IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Cân vật liệu miến ý khơng để vật liệu mát Quan sát kiểm tra hệ thống thí nghiệm theo sơ đồ Mở quạt đóng cầu dao nguồn điện để tăng nhiệt cho carolife Đợi đến nhiệt độ sấy (tác nhân sấy) ổn định (sấy nhiệt độ định điều chỉnh nhiệt xúc) cho vật liệu vào đọc số cân Đọc ghi lại số cân phút/lần để biết lượng ẩm bốc Tiến hành đến số cân không thay đổi sau lần đo ngừng thí nghiệm Ngắt cầu dao carolife, đợi 10 phút tắt quạt Lấy vật liệu sấy quan sát cân vật liệu Ghi số liệu thu báo cáo với người hướng dẫn Dọn dẹp nơi thí nghiệm trước V TÍNH TỐN Lượng ẩm có vật liệu: g = Gư - Gk (g) (sấy đến khối lượng không đổi) g: tổng lượng nước vật sấy (g) Gư: khối lượng vật liệu sấy lúc ướt (g) Gk: khối lượng vật liệu sấy lúc khô tuyệt đối (g) Lượng ẩm sau lần sấy: ∆Wi = Gi-1 - Gi (g) Gi-1, Gi khối lượng vật liệu sấy ứng với thời gian i-1 i Lượng ẩm chứa vật liệu sau lần sấy: Wi’ = Σg – (g) Độ ẩm vật liệu: Wi (%)= × 100% (%) VI BẢNG SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ TÍNH TỐN Mkhay = 0,84 kg Gư = 1,44 – 0,84 = 0,6 kg Gk = 1,14 – 0,84 = 0,3 kg G = Gư – Gk = 0,3 kg STT lần Bảng số liệu thí nghiệm đo Thời Nhiệt độ Khối gian buồng lượng τ(ph) sấy (°C) miến (g) 10 10 14 16 25 30 40 45 80 81 82 90 94 96 103 107 111 113 3500 3450 3400 3350 3300 3250 3230 3210 3219 3200 Kết tính tốn Lượng Lượng ẩm bay ẩm Wi vật liệu sấy Wi’ (g) (g) 50 50 50 50 50 20 20 10 300 250 200 150 100 50 30 10 0 Độ ẩm Tốc vật liệu sấy sấy Wi (%) 50 41,67 33,33 25 16.67 8,33 1,67 0 (g/ph) 12,5 50 10 12,5 25 2,22 độ 11 50 115 3200 0 0 VII BÁO CÁO Đồ thị đường cong sấy đồ thị đườ ng cong s biểu diễn s ự phụ thuộc đ ộ ẩ m vào thời gian 60 50 độ ẩm (%) 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 thời gian ( phút ) Nhận xét: - Độ ẩm giảm dần theo thời gian Khối lượng vật liệu giảm dần theo thời gian Đồ thị đường cong tốc độ sấy đồ thị đ ườ ng cong t ố c độ s biểu diễn s ự phụ thuộc t ốc đ ộ s vào đ ộ ẩ m VLS 60 50 tốc độ sấy (g/ph) 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 độ ẩm (%) Nhận xét: - Đồ thị đường cong tốc độ sấy có hình dạng phức tạp Độ ẩm nhiều tốc độ sấy nhanh ngược lại BÀI THÍ NGHIỆM SẤY BƠM NHIỆT I MÁY LẠNH Cấu tạo máy lạnh gồm phận chính: - Máy nén: hút hết môi chất lạnh tạo dàn bay đồng thời trì áp suất cần thiết cho bay nhiệt độ thấp nén từ áp suất bay lên áp suất ngưng tụ, đẩy vào dàn ngưng - Giàn nóng (giàn ngưng tụ): thiết bị trao đổi nhiệt bên môi chất lạnh ngưng tụ, bên môi trường làm mát (nước khơng khí) Nhiệm vụ dàn ngưng thải nhiệt môi chất ngưng tụ ngồi mơi trường - Van tiết lưu: thay đổi thể tích dòng chảy, vận tốc dòng tăng, áp suất giảm xuống - Giàn lạnh (giàn bay hơi): thiết bị trao đổi nhiệt bên môi chất lạnh, bên môi trường cần làm lạnh Nhiệm vụ dàn bay thu nhiệt môi trường lạnh cấp cho môi chất lạnh sôi nhiệt độ thấp Ngun lí hoạt động - Mơi chất lạnh dạng khí qua máy nén nén đến áp suất ngưng tụ, sau cho qua thiết bị trao đổi nhiệt giàn nóng để làm mát Khi đó, mơi chất ngưng tụ lại hồn tồn thành dạng lỏng (quá trình tỏa nhiệt) - Tiếp theo, môi chất dạng lỏng qua van tiết lưu để điều chỉnh lưu lượng - Sau đó, mơi chất tiếp tục qua giàn lạnh hóa - Hơi tiếp tục vào máy nén Chu trình làm lạnh - Quá trình 1-2: nhiệt cấp vào máy nén, áp suất tăng lên đến áp suất ngưng tụ Nhiệt độ tăng lên phần lượng đưa vào trình nén chuyển sang mơi chất lạnh Q trình nén q trình đoạn nhiệt - Quá trình 2-3: trình ngưng tụ đẳng nhiệt thiết bị ngưng tụ Khí nhiệt áp suất cao từ máy nén vào bình ngưng tụ Bộ phận khử nhiệt khí trước quay lại dạng lỏng Quy trình thường sử dụng khơng khí nước để làm mát Tại bình chứa chất lỏng hệ thống ống, nhiệt độ giảm thêm dung dịch môi chất lạnh làm mát sơ trước vào van tiết lưu - Quá trình 3-4: dung dịch làm mát sơ trước vào van tiết lưu Thiết bị giúp giảm áp suất chất lỏng điều chỉnh lưu lượng chất lỏng thiết bị bay Đây trình lưu đẳng entanpi - Quá trình 4-1: môi chất lỏng áp suất thấp đưa vào thiết bị bay Tại đây, môi chất lỏng hấp thu nhiệt từ mơi trường xung quanh, thường khơng khí, nước chất lỏng khác Trong q trình này, thay đổi trạng thái từ lỏng sang khí bị nhiệt đầu thiết bị bay Đây trình bay đẳng nhiệt II MÁY SẤY BƠM NHIỆT Cấu tạo khoang sấy Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy sấy bơm nhiệt - Khơng khí ban đầu (khơng khí ngồi trời) quạt hút qua dàn bay để làm lạnh xuống nhiệt độ đọng sương nên ẩm ngưng tụ tách khỏi khơng khí qua bình tách lỏng Độ ẩm khơng khí giảm xuống nhiệt độ giảm nên độ ẩm tương đối không khí sau dàn lạnh cao - Sau đó, khơng khí thổi qua máy nén vào dàn ngưng tụ để gia nhiệt làm khơ khơng khí đến độ ẩm cần thiết - Tiếp theo, khơng khí đưa buồng sấy, hấp thụ ẩm vật liệu sấy Vật liệu sấy đặt khoang sấy quay tròn nhờ động điện, vật liệu sấy sấy Trong q trình này, khơng khí có nhiệt độ thấp độ ẩm thấp trao đổi nhiệt ẩm với vật liệu sấy chuyển động tròn khoang sấy, ẩm từ vật liệu sấy tách nhanh đồng Chú ý: sấy bơm nhiệt nhiệt độ thấp, nhiệt độ bề mặt vật nhỏ nhiệt độ bên vật, đồng thời tiếp xúc với khơng khí có độ ẩm phân áp suất nước nhỏ nên bề mặt có phân áp suất nước nhỏ phía bên vật → tăng cường q trình dịch chuyển ẩm lòng vật ngồi để bay làm khô vật → ẩm vật liệu dịch chuyển bề mặt từ bề mặt vào môi trường - Độ ẩm tương đối khơng khí khỏi khoang sấy tăng khơng khí được hồn lưu tồn phần dàn bay Chu trình tiếp tục q trình sấy kín Chú ý: nhiệt độ tác nhân sấy trước khoang sấy điều khiển theo yêu cầu nhờ vào việc tắt, mở quạt: nhiệt độ sấy chưa đạt yêu cầu quạt tắt, đạt nhiệt độ quạt mở Ưu điểm: Nhiệt độ khơng khí cần trì mức nhiệt độ mơi trường thấp nên khả giữ màu sắc, mùi vị vitamin tốt → thích hợp sấy nguyên liệu có chịu nhiệt Có khả điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu khả chịu nhiệt loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt dàn ngưng Tiết kiệm lượng nhờ sử dụng lượng dàn nóng dàn lạnh để sấy khơ hút ẩm, hiệu sử dụng nhiệt cao Công suất lớn Do thiết bị thiết kế theo kiểu chuyển động quay vòng, nên nguyên liệu tiếp xúc nhiệt cách trực tiếp liên tục, tránh tượng số nguyên liệu sấy khô thành than số nguyên liệu khác lại khơng khơ Thiết bị thiết kế bền vững chiếm diện tích nhỏ, cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ thiết bị vệ sinh, lau chùi đơn giản thuận tiện Bảo vệ môi trường, vận hành an toàn Nhược điểm: Thời gian sấy thường lâu độ chênh phân áp suất nước vật liệu sấy tác nhân sấy khơng lớn Phải có giải pháp xả băng sau thời gian làm việc III THỰC HÀNH SẤY MIẾN Trình tự thí nghiệm - Ngâm miến khoảng 15 phút cân - Quan sát kiểm tra hệ thống thí nghiệm - Vận hành máy sấy - Đọc ghi kết phút mang nguyên liệu cân lần Tính tốn ( giống 1) Bảng số liệu kết thí nghiệm Gk = 150 g Mđĩa = 773,25 g Mđĩa + miến ướt = 1182,9 g M miến ướt = 1182,9 – 773,25 = 409,65 g Tổng lượng ẩm: g = Gư - Gk = 409,65 – 150 = 259,65 g STT lần Bảng số liệu thí nghiệm đo Thời Nhiệt độ Khối gian buồng lượng củ τ(ph) sấy (°C) cải (g) Kết tính tốn Lượng Lượng ẩm bay ẩm Wi vật liệu sấy Wi’ (g) (g) Độ ẩm Tốc vật sấy liệu sấy Wi (%) độ (g/ph) 10 15 20 25 30 37 37 37 37 37 37 37 VI BÁO CÁO Đồ thị đường cong sấy 410,65 399,5 389,9 382,2 374.55 367,8 361,65 10,15 9,6 7,7 7,65 6,75 6,15 259,65 249,5 239,9 232,2 224,55 217,8 211,65 63,38 62,45 61,53 60,75 59,95 59,21 58,52 0,186 0,184 0,156 0,16 0,148 0,138 đồ thị đườ ng cong s biểu diễn s ự phụ thuộc đ ộ ẩ m v ật liệu vào thờ i gian 64 63 62 độ ẩm (%) 61 60 59 58 57 56 10 15 20 25 30 35 thời gian t (phút) Nhận xét: ta thấy khối lượng vật liệu giảm dần theo thời gian Cũng ta nói độ ẩm vật liệu giảm dần theo thời gian độ ẩm tỉ lệ với khối lượng vật liệu sấy Đồ thị đường cong tốc độ sấy tốc độ sấy(g/ph) đồ thị đườ ng cong t ố c độ s biểu diễn s ự phụ thuộc t ố c độ s vào đ ộ ẩ m v ật liệu s 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 58 59 60 61 62 63 64 độ ẩm (%) Nhận xét: Ta thấy tốc độ sấy giảm dần theo khối lượng vật liệu Khối lượng vật liệu giảm tốc độ sấy giảm Ưu – nhược điểm sấy bơm nhiệt - Thiết bị sấy bơm nhiệt không sấy nhiệt độ cao thiết bị sấy tuần hồn khí thải - Thiết bị sấy bơm nhiệt khơng gây nguy hiểm thiết bị sấy vi sóng - Có thể hạ thấp phần áp suất nước - Thời gian sấy lâu thiết bị khác lớp vật liệu dày dạng liên kết giữ ẩm vật liệu BÀI THÍ NGHIỆM CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC I MỞ ĐẦU Chưng luyện trình tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa sở độ bay khác cấu tử hỗn hợp Quá trình chưng luyện tiến hành thiết bị loại tháp đĩa tháp đệm Khi làm việc, từ lên tiếp xúc với chất lỏng chảy từ xuống ngưng tụ lại cấu tử khó bay hơi, nhiệt tỏa trình ngưng tụ làm bay lượng cấu tử dễ bay Vì vậy, lặp lại nhiều lần bốc ngưng tụ thế, giàu cấu tử dễ bay hơi, lỏng giàu cấu tử khó bay Nói cách khác, với chiều cao tháp thích hợp (số đĩa tương ứng), cuối đỉnh tháp ta thu sản phẩm có nồng độ cấu tử dễ bay cao đáy tháp ta thu sản phẩm giàu cấu tử khó bay Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp nhiệt độ sôi thay đổi theo chiều cao tháp tương ứng với thay đổi nồng độ Hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp với đặc tính kỹ thuật sau: Đường kính tháp D = 120 mm Số đĩa tháp đoạn luyện N1 = Số đĩa tháp đoạn chưng N2 = Mỗi đĩa có chóp, ống chảy chuyền nằm tháp II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc tháp chưng luyện liên tục loại tháp chóp Tìm hiểu vận hành chế độ làm việc tháp Tính cân vật liệu tháp Xác định số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) hiệu suất tháp III Q TRÌNH THÍ NGHIỆM Vẽ sơ đồ tháp chưng luyện Mơ tả q trình thí nghiệm a) Nguyên lý hoạt động tháp - Nguyên liệu bơm vào tháp → qua lưu lượng kế để xác định lưu lượng bơm vào (không qua cao vị)→ vào bình gia nhiệt nguyên liệu đầu → chảy vào đĩa tiếp liệu → chảy xuống qua ống chảy tràn - Dưới tháp gia nhiệt → lên trao đổi chuyển khối, truyền nhiệt với lỏng - Thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm → lỏng xuống chia thành ngả (1 ngả quay trở lại tháp hồi lưu, ngả xuống lấy sản phẩm) - Sản phẩm vào làm mát → thu sản phẩm đỉnh - Có làm mát: làm mát sản phẩm đỉnh, làm mát sản phẩm đáy Chú ý: - Thơng thường, có thùng cao vị lấy tạo áp lực đẩy vào tháp điều kiện phòng thí nghiệm nên thí nghiệm khơng có thùng cao vị → nguyên liệu không đồng - Nồng độ hồi lưu = Nồng độ sản phẩm đỉnh Sản phẩm lấy có nồng độ cao điểm đẳng phí → sau điểm đẳng phí khơng phân tách (điểm đẳng phí điểm giao đường cong cân đường thẳng y = x, nghĩa nồng độ cồn pha = nồng độ cồn pha lỏng) - Trên đường hồi lưu có lắp ống cao su khơng thẳng mà vòng → tạo trở lực lớn → tránh tháp đường không mong muốn, tạo điều kiện tối ưu để cồn lên theo đường thẳng - Nồng độ dòng hồi lưu cao nồng độ đĩa → ý nghĩa: bù lỏng bù lượng cồn Lỏng hồi lưu tràn vào đĩa b) Cấu tạo tháp chóp - Tháp có 12 đĩa chóp, pic có đĩa, đĩa có van để lấy mẫu - Đĩa phẳng kim loại, đĩa khoét lỗ, hàn ống vào lỗ (ống hơi, lên qua ống), thêm cốc úp ngược hàn định vị vào ống tạo tiếp xúc - lỏng, có để khoảng cách để lên, có nhiều khía mép cốc; hàn thêm ống trụ cho mép ống hình trụ cao mép chóp (ống thủng đầu) Lỏng chảy vào đĩa → mức lỏng dâng lên đến mép ống chảy xuống đĩa tương tự đĩa → mép ống định mức nước Nước tràn vào ống → trì lượng nước đĩa Đĩa hàn gắn vào tháp - Khi đun nóng, chui qua ống bị cản chóp → sục vào chất lỏng lên, lên lại gặp đĩa → chui qua ống → sục qua chất lỏng lại lên tương tự đĩa - Có dòng lỏng vào (ở đĩa tiếp liệu liên tục, dòng hồi lưu liên tục) → chảy tràn qua đĩa → chảy xuống Dòng lỏng qua ống chảy tràn xuống, dòng qua ống từ lên (2 dòng vật chất di chuyển tháp) c) Phân tích q trình truyền nhiệt – chuyển khối - Q trình truyền nhiệt: sục từ lên có nhiệt độ cao nhiệt độ lỏng → truyền nhiệt sang lỏng cách ngưng tụ → giải phóng nhiệt từ ẩn nhiệt hóa Hơi đĩa lên truyền nhiệt cho đĩa → truyền nhiệt cho lỏng qua đĩa - Quá trình chuyển khối: di chuyển vật chất nhờ chênh lệch nồng độ áp suất: Chênh lệch nồng độ: nồng độ cồn pha lỏng < nồng độ cồn pha mà cồn khuyếch tán lên đường cân khả tối đa đạt q trình chuyển khối xảy với tháp nhanh nên nồng độ cồn pha khơng đạt đến cân bằng, tiếp tục khuyếch tán vào → nồng độ cồn pha chưa đạt đến trạng thái cân nên cồn tiếp tục lên → mấu chốt: so sánh nồng độ cồn pha nồng độ cồn giá trị cân đạt tối đa Quá trình chuyển khối xảy trên: bề mặt thoáng chất lỏng chất lỏng, chất lỏng chuyển khối xảy mãnh liệt có dòng từ lên sục qua lỏng Nồng độ cấu tử dễ bay pha II cao pha I → khuyếch tán từ pha lỏng vào pha II < khuyếch tán từ pha I vào pha lỏng chênh lệch so với nồng độ pha cân lỏng tạo → nơi có chênh lệch lớn chuyển khối mạnh Số liệu thí nghiệm STT Nồng độ sản phẩm đỉnh, %V Trung bình 72 72 72 72 Nồng độ sản phẩm đáy, %V 1 1 Nồng độ hỗn hợp đầu, %V 8 8 Lưu lượng sản phẩm đỉnh, l/h 2,5 2,5 2,5 2,2 VI TÍNH TỐN Quy đổi nồng độ Bảng quy đổi nồng độ thể tích – nồng độ khối lượng ethanol %V 10 20 30 40 50 60 70 80 90 %M 7.98 16.16 24.54 33.24 42.37 52.03 62.34 73.45 85.65 Nồng độ khối lượng sản phẩm đỉnh (%M): aP = 62,34+ (72-72) Nồng độ khối lượng sản phẩm (%M): aw = Chỉ số hồi lưu, R 3 3 Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu: aF = Quy đổi nồng độ phần khối lượng – nồng độ phần mol xP = xW = xF = Tính tốn cân vật liệu tháp F.xF = W.xw +P.xP (1) Trong đó: F: Lượng hỗn hợp đầu cho vào tháp (Kmol/s) W: Lượng sản phẩm đáy (Kmol/s) P: Lượng sản phẩm đỉnh (Kmol/s) xF , xW , xP : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hỗn hợp đầu, đáy đỉnh tháp Ta có: F=W+P Thay (2) vào (1) ta có: (W + P) xF = W.xW + P.xP P.(xP – xF) = W.(xF – xW) Chứng minh tương tự, ta cân vật liệu tháp: Xác định số bậc thay đổi nồng độ - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện: y= = y= 0,75x + 0,0985 - Phương trình làm việc đoạn chưng : Có L=( lượng hỗn hợp đầu tính theo đơn vị sản phẩm đỉnh Kmol/Kmol) y== (2)