Kỹ thuật thực phẩm

MÔN HỌC
KỸ THUẬT THỰC PHẨM 3
CÁC QUÁ TRÌNH
TRUYỀN KHỐI
I. Định nghĩa và Phân loại
1.1. Định nghĩa
1.2. Phân loại
II. Cách biểu diễn thành phần pha
2.1. Phần khối lượng
2.2. Phần trăm khối lượng
2.3. Phần mol
2.4. Tỷ số mol
2.5. Phần thể tích
Chương I. Những Kiến Thức Cơ Bản Của Quá Trình Truyền Khối
A. Khái niệm cơ bản
Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
III. Cân bằng pha
3.1. Khái niệm về cân bằng pha
3.2. Quy tắc pha
3.3. Các định luật cân bằng pha
3.3.1. Định luật Hăngri
3.3.2. Định luật Raun

A. Khái niệm cơ bản
Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
B. Các định luật khuếch tán
I. Khuếch tán phân tử
1.1. Vận tốc khuếch tán
1.2. Công thức tính hệ số khuếch tán (Tham khảo)
II. Khuếch tán đối lưu
Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
C. Cân bằng vật liệu và động lực quá trình
I.Phương trình cân bằng vật liệu
II. Động lực khuếch tán
III. Phương trình truyền khối và động lực trung bình
3.1. Phương trình truyền khối
Vận tốc của một quá trình nào cũng tỷ lệ thuận với động lực và tỷ lệ nghịch với trở lực. Trong quá trình truyền khối động lực là hiệu số nồng độ và trở lực là sự cản trở chất khuếch tán chuyển động qua lưu thể
Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
C. Cân bằng vật liệu và động lực quá trình
Dựa theo định luật phân bố và tính toán ta có phương trình truyền khối:
G = kyFtDytb
Hoặc G = kxFtDxtb
Trong đó: ky và kx là hệ số truyền khối trong pha y và pha x
Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
C. Cân bằng vật liệu và động lực quá trình
III. Phương trình truyền khối và động lực trung bình
3.2. Động lực trung bình
Động lực của quá trình thay đồi từ đầu đến cuối nên khi tính toán phải dùng động lực trung bình. Khi đường cân bằng là đường cong thì tính theo động lực trung bình tích phân. Khi đường cân bằng là đường thẳng thì tính theo động lực trung bình logarit.

Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
C. Cân bằng vật liệu và động lực quá trình
III. Phương trình truyền khối và động lực trung bình
3.2. Động lực trung bình
3.2.1. Động lực trung bình tích phân
Dựa vào phương trình truyền khối và phương trình cân bằng vật liệu, động lực trung bình tích phân được xác định theo công thức:


Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
C. Cân bằng vật liệu và động lực quá trình
III. Phương trình truyền khối và động lực trung bình
3.2. Động lực trung bình
3.2.1. Động lực trung bình logarit
Dựa vào phương trình truyền khối khi đường cân bằng là đường thẳng và phương trình cân bằng vật liệu, động lực trung bình logarit ta xác định theo công thức:


Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
D. Phương pháp tính thiết bị truyền khối
Tính thiết bị truyền khối gồm tính kích thước thiết bị (đường kính, chiều cao và các kích thước khác), tính trở lực, công suất của bơm, quạt cần thiết,…
I. Tính đường kính thiết bị
II. Tính chiều cao thiết bị
Là phần chiều cao làm việc của tháp, kích thước phần trên và dưới tùy thuộc những bộ phận được lắp ở đó.

Chương I. Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền khối
D. Phương pháp tính thiết bị truyền khối
II. Tính chiều cao thiết bị
Là phần chiều cao làm việc của tháp, kích thước phần trên và dưới tùy thuộc những bộ phận được lắp ở đó.
2.1. Tính chiều cao theo phương trình truyền khối
2.2. Tính chiều cao theo số bậc thay đổi nồng độ
2.3. Tính chiều cao theo số đơn vị truyền khối
2.4. Tính chiều cao theo cách vẽ đường cong động học


CHƯƠNG II. HẤP TH?
Các khái niệm
Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
Quy trình công nghệ
Thiết bị hấp thụ
I. Các khái niệm
1. Định nghĩa
Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi, hay còn gọi là chất hấp thụ, khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
I. Các khái niệm
2. Ý nghĩa
Quá trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được ứng dụng để:
Thu hồi các cấu tử quý
Làm sạch khí
Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng
Tạo thành sản phẩm cuối cùng
I. Các khái niệm
3. Tính chất của dung môi
Có tính chất hòa tan chọn lọc nghĩa là chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra và không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc chỉ hòa tan không đáng kể. Đây là tính chất chủ yếu của dung môi
Độ nhớt dung môi bé. Độ nhớt càng bé chất lỏng chuyển động càng dễ trở lực sẽ nhỏ hơn và hệ số chuyển khối sẽ lớn hơn.
I. Các khái niệm
3. Tính chất của dung môi
Nhiệt dung riêng bé, ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi
Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của chất hòa tan như vậy sẽ dễ tách cấu tử ra khỏi dung môi
Nhiệt độ đóng rắn thấp tránh được hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị
I. Các khái niệm
3. Tính chất của dung môi
Không tạo thành kết tủa, khi hòa tan tránh được tắc thiết bị, và thu hồi cấu tử đơn giản hơn
Ít bay hơi, mất mát ít
Không độc đối với người, không ăn mòn thiết bị.
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
1. Độ hòa tan khí trong lỏng
Độ hòa tan của khí trong chất lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng. Độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m3, g/lít.
Độ hòa tan của khí trong chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp.
Sự phụ thuộc có thể biểu thị bằng định luật Henry - Dalton như sau:
ycb = m.x
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
1. Độ hòa tan khí trong lỏng
Đối với khí lý tưởng phương trình có dạng đường thẳng, phù hợp với khí thực khi nồng độ của khí không lớn lắm và độ hòa tan nhỏ.
Đối với các hệ thống không tuân theo định luật Henry khi đó hằng số cân bằng m là một đại lượng biến đổi phụ thuộc vào nồng độ x và đường cân bằng là một đường cong
Đối với khí lý tưởng phương trình có dạng đường thẳng, phù hợp với khí thực khi nồng độ của khí không lớn lắm và độ hòa tan nhỏ.
Đối với các hệ thống không tuân theo định luật Henry khi đó hằng số cân bằng m là một đại lượng biến đổi phụ thuộc vào nồng độ x và đường cân bằng là một đường cong
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
1. Độ hòa tan khí trong lỏng
Khi tính toán hấp thụ, người ta thường dùng nồng độ tỷ số mol hay nồng độ phần mol tương đối, ta có :
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
2. Cân bằng vật chất
Gọi :
Gy: lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ kmol/h.
Yd: nồng độ đầu của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ.
Yc:nồng độ cuối của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ.
Ltr: lượng dung môi đi vào thiết bị kmol/h
Xd: nồng độ đầu của dung môi kmol/kmol dung môi
Xc: nồng độ cuối của dung môi kmol/kmol dungmôi
Gtr: lượng khí trơ vào thiết bị kmol/h

II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
2. Cân bằng vật chất
Lượng khí trơ được xác định theo công thức :


Phương trình cân bằng vật liệu
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
2. Cân bằng vật chất
Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, ta có:

Lượng dung môi cần thiết:

II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
2. Cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng vật liệu tại vị trí bất kỳ trong thiết bị:



??
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
3. ?nh hu?ng c?a nhi?t d? và áp suất
Nếu nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng đường cân bằng sẽ dịch chuyển về trục tung động lực trung bình sẽ giảm do đó cường độ truyền khối sẽ giảm. Nếu ta tăng nhiệt độ đến một nhiệt độ tới hạn nào đó thì quá trình truyền khối sẽ không thực hiện được. Nhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt do độ nhớt của dung môi sẽ giảm, vận tốc khí tăng cường độ truyền khối cũng tăng.
Nếu ta tăng áp suất của hỗn hợp khí thì hệ số cân bằng m sẽ giảm do đó đường cân bằng sẽ chuyển gần về trục hoành. Động lực trung bình sẽ tăng. Nhưng sự tăng áp suất luôn kèm theo tăng nhiệt độ cho nên nó cũng ảnh hưởng xấu đến quá trình mặt khác tăng áp cũng gây khó khăn cho chế tạo thiết bị.
II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp th?
3. ?nh hu?ng c?a nhi?t d? và áp suất
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ (t1p2>p3)
III. Thiết bị hấp thụ
1. Thiết bị hấp thụ bề mặt
Thiết bị hấp thu loại bề mặt kiểu vỏ và kiểu ống
III. Thiết bị hấp thụ
1. Thiết bị hấp thụ loại màng
Thiết bị hấp thụ loại màng kiểu vỏ và kiểu tấm
III. Thiết bị hấp thụ
1. Tháp đệm
Tháp đệm và các loại đệm
III. Thiết bị hấp thụ
1. Tháp đĩa (tháp mâm)
Tháp đĩa và hoạt động của tháp đĩa
III. Thiết bị hấp thụ
1. Tháp đĩa (tháp mâm)
IV. Sơ đồ hệ thống hấp thụ
Sơ đồ hệ thống hấp thụ
CHƯƠNG III. CHUNG C?T
Các khái niệm
Cân bằng lỏng hơi hệ hai cấu tử
Chưng cất đơn giản
Chưng cất
I. Các khái niệm
1. Định nghĩa
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau)
I. Các khái niệm
1. Định nghĩa
Khi chưng hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
I. Các khái niệm
2. Các phương pháp chưng cất
Chưng đơn giản: Dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.
I. Các khái niệm
2. Các phương pháp chưng cất
Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử, như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào
I. Các khái niệm
2. Các phương pháp chưng cất
Chưng cất ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng cất ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau, khi đó các cấu tử hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào. Cân bằng giữa lỏng và hơi hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt.
Dung dịch thực là những dung dịch không hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt, sai lệch với định luật Raoult.
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
Sai lệch dương: lực liên kết giữa các phân tử khác loại nhỏ hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại
sai lệch âm: lực liên kết giữa các phân tử khác loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại.
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
Các cấu tử không hoà tan vào nhau hoặc hoà tan không đáng kể khi lực liên kết giữa các phân tử khác loại rất bé so với lực liên kết giữa các phân tử cùng loại.
Cân bằng pha trong dung dịch thực chỉ được xác định bằng thực nghiệm. Đối với các dung dịch lý tưởng cân bằng phải được xác định bằng định luật Rauolt.
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
Xét hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B, theo định luật Rauolt ta có áp suất riêng phần của các cấu tử là :
pA = PbhA.xA
pB = PbhB.xB = PbhB.(1 - xA)
Và áp suất chung của hỗn hợp hơi trên dung dịch là:
P = pA + pB = PbhA.xA + PbhB.(1 - xA)
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
Đồ thị P-x ở hình 3.2. (I) các đường thẳng OB biểu thị sự phụ thuộc giữa áp suất hơi của cấu tử A vào thành phần của nó trong dung dịch; đường DA biểu thị sự phụ thuộc giữa áp suất hơi của cấu tử B vào thành phần của nó trong dung dịch; đường AB biểu thị sự phụ thuộc giữa áp suất chung của hỗn hợp vào thành của các cấu tử ở nhiệt độ khác nhau
II. Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
Đối với các dung dịch lý tưởng ta có thể xây dựng đồ thị bằng cách tính giá trị áp suất hơi bão hoà của các cấu tử nguyên chất ở nhiệt độ khác nhau.
Ta có:


Ở mỗi nhiệt độ ta tìm các PbhA, PbhB rồi tính theo x, y theo các phương trình trên. Ta được đường cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử A và B
III. CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢN
Dung dịch được cho vào nồi chưng. Hơi tạo thành vào thiết bị ngưng tụ. Sau khi ngưng tụ và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết chất lỏng đi vào các thùng chứa. Thành phần chất lỏng ngưng luôn luôn thay đổi. Sau khi đã đạt được yêu cầu chưng, chất lỏng còn lại trong nồi được tháo ra
III. CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢN
Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau:
Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa
Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
III. CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢN
Nhận xét:
Lượng sản phẩm đỉnh tăng, lượng sản phẩm đáy giảm khi tăng thời gian chưng.
Nồng độ sản phẩm đáy và đỉnh giảm dần theo thời gian chưng.
III. CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢN
IV. CHƯNG CẤT
Sơ đồ quy trình công nghệ
III. CHƯNG CẤT
2. Nguyên tắc làm việc
Pha lỏng đi từ trên xuống có nồng độ cấu tử dể bay hơi giảm dần.
Pha khí đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dể bay hơi tăng dần.
Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.
III. CHƯNG CẤT
2. Nguyên tắc làm việc
Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi . Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất.
III. CHƯNG CẤT
2. Nguyên tắc làm việc
Theo lý thuyết thì mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi khi rời khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với chất lỏng khi đi vào đĩa. Do đó theo lý thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng độ. Thực tế thì ở trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt được cân bằng
Các giả thuyết trong tính toán
Hỗn hợp nhập liệu và dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi.
Quá trình ngưng tụ và bốc hơi không làm thay đổi thành phần pha.
Số mol pha hơi khi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp.
Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng và đoạn cất.
Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
a. Cân bằng vật chất:
Tổng quát:


Cấu tử dể bay hơi:



III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
F,D,W: lượng mol nhập liệu, sản phẩm đỉnh, đáy (kmol/h)
xF, xD,xW: nồng độ phần mol của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, đáy (kmol/kmolhh)
b. Phương trình đường làm việc:
Phương trình đường làm việc đoạn cất:
Phương trình đường làm việc đoạn chưng:
: chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)
: tỉ số lưu lượng nhập liệu và đỉnh
III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
c. Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu):
* Phương pháp đại số:
: nồng độ pha hơi cân bằng ứng với nồng độ nhập liệu pha lỏng.
R=b.Rmin
R=1,3.Rmin+0,3
hoặc R=(1,2÷2,5).Rmin
Rmin: chỉ số hồi lưu tối thiểu
III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
* Phương pháp đồ thị:
d. Số mâm lý thuyết:
III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
a. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu:
D1: lượng hơi đốt cần sử dụng.
r1: nhiệt hoá hơi của hơi đốt.
F: lưu lượng nhập liệu.
CF: nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu.
Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q
III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng năng lượng
b. Thiết bị ngưng tụ:
rD: nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp hơi đỉnh tháp.
G1, G1’: lưu lượng nước cần làm lạnh.
C1,C1’: nhiệt dung riêng nước làm lạnh.
tv, tr: nhiệt độ vào và ra nước giải nhiệt
Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q
* Ngưng tụ hoàn toàn:
* Ngưng tụ hồi lưu:
c. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
CD: nhiệt dung riêng của hỗn hợp hơi đỉnh tháp.
CW : nhiệt dung riêng của hỗn hợp hơi đáy tháp.
G2,G3: lưu lượng nước cần làm lạnh.
C2,C3: nhiệt dung riêng nước làm lạnh.
tv, tr: nhiệt độ vào và ra nước giải nhiệt
Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q
d. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
e. Toàn tháp:
D2: lưu lượng hơi đốt cần đun nóng.
r2 : nhiệt hóa hơi của hơi đốt.
Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q