Báo cáo thí nghiệm qttb cnsh 1

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b> ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI</b>

<b>VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM</b>

<b>BÁO CÁO THÍ NGHIỆM</b>

<b>Q TRÌNH & THIẾT BỊ CNSH I</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 1</b>

<b>Xác định vận tốc lắng trong môi trường thực phẩm lỏng</b>

<b>1. Cơ sở lý thuyết </b>

Trong sản xuất và trong các ngành cơng nghiệp hóa chất, cơng nghệ môi trường, phương pháp lắng thường được sử dụng để tách chất rắn và các hạt lơ lửng ra khỏi mơi trường lỏng, khí, VD tách bụi khỏi khơng khí, tách bùn từ nước thải v.v… Vì vậy việc nghiên cứu sự lắng của các hạt đóng một vai trị quan trọng. Trong bài thí nghiệm này, sinh viên tiến hành lắng hạt thủy tinh trong môi trường mật ong, đo vận tốc lắng, tính tốn chuẩn số Reynolds, hệ số trở lực và vận tốc lắng. Sự khác nhau giữa vận tốc lắng thực tế và lý thuyết được đưa ra so sánh và

ρ1: khối lượng riêng của hạt cầu (kg/m<small>3</small>) ρ2: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m<small>3</small>) g: gia tốc trọng trường (m/s<small>2</small>)

Khi hạt cầu rơi (lắng) với vận tốc u, sẽ chịu trở lực gây ra bởi môi trường chất lỏng. Trở lực này phụ thuộc vào tính chất vật lý của mơi trường lỏng (khối lượng riêng, độ nhớt), phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của vật thể, và phụ thuộc vào vận tốc rơi và gia tốc trọng trường. Theo Newton, trở lực S được xác định như sau:

<i>S=ξ F ρ</i><small>2</small><i>u</i><small>2</small>

2 <i>^{, (N )(2)}</i>

ξ: hệ số trở lực.

F: tiết diện của hạt theo hướng chuyển động Đối với hạt hình cầu:

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Hệ số trở lực ξ là hàm số của Renolds, nghĩa là phụ thuộc vào tốc độ lắng, kích thước hạt, khối lượng riêng của chất lỏng và độ nhớt của chất lỏng. Sự phụ thuộc ξ = f(Re) được xác định bằng thực nghiệm, cụ thể như sau:

Sinh viên tiến hành thí nghiệm lắng hạt thủy tinh hình cầu trong mơi trường mật ong. Kích thước hạt thủy tinh được xác định bằng thước kẹp hoặc theo thông số của nhà sản xuất, sau đó được thả vào ống thủy tinh chứa mật ong có chiều cao h = 35cm. Đo thời gian rơi của hạt thủy tinh t (s).

Các bước tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Xác định khối lượng của hạt thủy tinh bằng cân điện tử: m1 (g). Bước 2: Xác định khối lượng của 1l mật ong bằng cân điện tử: m2 (kg).

Bước 3: Tiến hành lắng hạt thủy tinh, đo thời gian lắng bằng đồng hồ bấm giờ t (s). Lặp lại thí nghiệm 5 lần.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

- Khối lượng riêng mật ong: 𝛒₂= 1471 kg/𝑚<small>3</small>

- Chiều cao mật ong: h = 0,342 m

- Độ nhớt động lực học chất lỏng: µ = 14,095 Pa.s - Vận tốc lắng thực tế: u<small>tt </small>= h/t

<small>6</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Nhận xét: Vận tốc lí thuyết có sai khác với vận tốc thực tế vì:

+ Tốc độ thả ban đầu khơng đồng đều. Nếu vận tốc ban đầu lớn, thời gian lắng nhanh, vận tốc lắng lớn. Nếu vận tốc ban đầu nhỏ, thời gian lắng chậm, vận tốc lắng nhỏ. + Nhiệt độ môi trường: nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến độ nhớt của chất lỏng.

- Nhiệt độ càng thấp, các phân tử chất lỏng càng kém linh động, độ nhớt tăng dẫn đến tốc độ lắng của hạt giảm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

- Nhiệt độ tăng, các phân tử chất lỏng càng chuyển động linh động, độ nhớt giảm, hạt càng dễ dàng rơi xuống nên tốc độ lắng tăng.

+ Sai số trong quá trình thực hành, do người quan sát, đọc thể tích, bấm thời gian, sai số trong tính tồn làm trịn,…và các yếu tố bên ngồi khác.

<small>8</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Phương trình Bernoulli là phương trình năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng. Phương trình Bernoulli đối với tồn dịng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định

z1, z2 − năng lượng vị trí của dịng chảy ở tâm mặt cắt ướt 1-1 và 2-2 so với mặt chuẩn 0-0 bất kỳ được gọi là vị năng đơn vị hay độ cao hình học.

<b>III.Thiết bị thí nghiệm</b>

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 2. Nước được cấp qua van cấp vào bình điều

<b>tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1 sang bình điều tiết B. Ở các bình điều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định. Trên ống thí nghiệm Bernoulli 1 có gắn các ống đo áp I, II,</b>

III, IV và V tương ứng với 5 mặt cắt đã chọn. Đường kính của ống d<small>1 </small>= 2,7 cm; d<small>2 </small>= 2,1 cm. Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dịng chảy.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>Hình 2. Sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli</i>

<b>A, B. Các bình chứa nước; 1. Ống thí nghiệm Bernoulli;</b>

2. Van điều chỉnh lưu lượng; 3. Lưu lượng kế; I, II, III, IV và V. Các ống đo áp.

<small>10</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>IV.Trình tự thí nghiệm</b>

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương trình Bécnuli đối với tồn dịng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định.

2. Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo.

<b>3. Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và B dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng</b>

dẫn thí nghiệm thực hành và đợi đến khi các bình được cung cấp đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm.

4. Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dịng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli

1. Ghi lại các giá trị lưu lượng Q<small>i </small>trên lưu lượng kế 3 và cao độ của các ống đo áp I, II, III, IV và V trên các thước đo (tức là giá trị <i>z_i</i>+<i>p_i</i>/<i>γ</i>

)

5. Tiến hành thí nghiệm với năm giá trị vận tốc khác nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<i><b>Bảng 1 – Kết quả thí nghiệm các thành phần trong phương trình Bernoulli</b></i>

Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp hóa chất và thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để tăng cường q trình hịa tan, truyền nhiệt, chuyển khối và q trình hóa học.

Phổ biến hơn cả là khuấy cơ học, có nghĩa là dùng các loại cánh khuấy để khuấy trộn.

Tùy theo cấu tạo mà người ta chia ra các loại cánh khuấy sau đây: loại mái chèo, loại chân vịt hay chong chóng, loại tua bin và các loại đặc biệt khác.

Đặc trưng của quá trình khuấy là công suất yêu cầu và hiệu suất khuấy trộn. Khi cánh khuấy quay thì năng lượng tiêu hao dùng để thắng ma sát của cánh khuấy với chất lỏng.

<small>12</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Ta có thể coi chất lỏng chuyển động trong máy khuấy như là trường hợp đặc biệt của chuyển động chất lỏng. Do đó để diễn đạt q trình khuấy ở chế độ ổn định ta có thể dùng phương trình chuẩn số của chất lỏng chuyển động:

Đối với thiết bị khuấy trộn thì d là đường kính cánh khuấy, vận tốc chuyển động của chất lỏng được thay bằng số vòng quay của cánh khuấy ( <i>ω </i> <i>πdn </i>), cịn hiệu số áp suất thì thay bằng cơng suất u cầu. Khi đó, chuẩn số thủy lực sẽ có dạng

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Eu<small>K </small>= f (Re<small>K</small>, Fr<small>K</small>) Qua thực nghiệm ta có: Eu<small>K </small>= C. _Re<i><small>m</small></i>

<i><small>k</small>.Fr<small>n</small></i> (2)

Trong đó : C, m, n – những đại lượng được xác định bằng thực nghiệm.

Chúng phụ thuộc vào kích thước cánh khuấy, mức chất lỏng, dạng thùng khuấy, độ nhẵn của thành thùng và các cơ cấu khác.

Nếu trên bề mặt khơng tạo thành phễu, khi đó cánh khuấy nhúng sâu vào trong chất lỏng nên ảnh hưởng của gia tốc trọng trường có thể bỏ qua.

<b>2. Xác định công suất tiêu hao khi khuấy, số vòng quay, thời gian khuấy trộn.3. Xác định các chuẩn số Ơ - le, Rây - nôn và mối quan hệ giữa chúng.</b>

<b>4. Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian khuấy.</b>

<b>III.Sơ đồ thí nghiệm</b>

<b>I.Các bước tiến hành thí nghiệm</b>

1. Kiểm tra hệ thống thiết bị thí nghiệm theo sơ đồ

2. Xem xét các dụng cụ đo: thiết bị đo công suất, chiết quang kế đo nồng độ Brix. 3. Đổ 2 lít nước vào thùng, cho 0,2kg đường hoặc muối vào.

4. Chọn số vòng quay của cánh khuấy trên tủ điều khiển. 5. Bật máy cho động cơ hoạt động, cánh khuấy quay.

<small>14</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

6. Bắt đầu tính thời gian khuấy, cứ 1 phút lấy mẫu đo nồng độ Brix một lần (đọc chính xác đến 0,1).

7. Ghi các số liệu vào bảng 1 và bảng 2

8. Đo đến khi nồng độ Bx khơng đổi thì dừng khuấy. Xác định thời gian khuấy. 9. Sau khi lấy tất cả các số liệu xong thì tắt máy, làm vệ sinh sạch sẽ chỗ làm thí

nghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm với cán bộ hướng dẫn.

<b>Số liệu thí nghiệm</b>

 Nhiệt độ của nước: 𝑡°°_𝐻₂_𝑂= 27℃;  Đường kính cánh khuấy: d = 5,4 cm;  Khối lượng riêng của nước:

ρ

=997 kg/m<small>3</small>

 Độ nhớt của nước: <i>μ </i>=0,850.10<small>-3</small> (N.s/m<small>2</small>) – độ nhớt của dung dịch nước ở 27<small>o</small>C

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>Bảng 2: Kết quả đo nồng độ Brix</b>

<i><b>* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 96 vòng/phút:</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

2. Xác định chuẩn số Rây – nôn: <i>ρnd </i><small>2</small>

Re<small>K </small>=

<i>μ </i>- độ nhớt chất lỏng, N.s/m<small>2</small>

Làm 5 thí nghiệm có các giá trị của ReK khác nhau.

Trên hệ trục lgEuK - lgReK qua các điểm ta vẽ đường thẳng. Trên cơ sở đường thẳng ta có

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

3. Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian khuấy. (với 2 tốc độ cánh khuấy khác nhau). Rút ra nhận xét.

<small>Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 96 vòng/phútMáy chạy với tốc độ cánh khuấy là 240 vòng/phút</small>

<b>Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta có thế khẳng định tốc độ đảo trộn càng nhanh thì độ đồng </b>

đều của sản phẩm càng nhanh. Tốc độ đảo trộn càng tăng thì càng tăng khả năng độ đồng đều cho sản phẩm càng nhanh => Hiệu suất của quá trình khuấy trộn phụ thuộc phần lớn vào thời gian khuấy trộn và tốc độ cánh khuấy.

Trong quá trình khuấy trộn lần thứ nhất có một số điểm độ Bx bị giảm do sai số trong quá trình đọc kết quả của chiết quang kế hoặc lấy mẫu ở những vị trí khác nhau nên có độ Bx khác nhau.

<small>18</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Dung dịch đường sau khi khuấy trộn ở lần thứ nhất thì tiếp tục khuấy trộn tiếp ở lần thứ 2 nhưng với số vòng quay tăng lên là 240 vòng/phút. Ta thấy độ Bx tăng từ 15 đến 18 và không tiếp tục tăng tiếp. Lý do có thể do ban đầu khi điều chỉnh tốc độ quay của cánh khuấy thao tác chưa chính xác làm cho số vịng quay và tốc độ quay ban đầu lớn hơn nhiều số vòng quay cần điều chỉnh. Từ đó làm cho độ Bx tăng mạnh từ 15 đến 18 ở phút đầu tiên và ngừng tăng ở những phút tiếp theo.

Ngoài ra trong q trình khuấy trộn, cịn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như:

</div>