thực hành kỹ thuật thực phầm về cô đặc

Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
BÀI 1: CÔ ĐẶC
(THIẾT BỊ CÔ ĐẶC GIÁN ĐOẠN MỘT NỒI)
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
1.1.2. ĐỊNH NGHĨA VỀ CÔ ĐẶC
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.
Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó
trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay
không bay hơi rong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi
hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.
1.1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC
Phương pháp nhiệt (đun nóng): Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng
thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng
lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ
tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ
chất tan. Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá
trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
 Cô đặc ở áp suất khí quyển: Là phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế.
 Cô đặc ở áp suất chân không: Dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ
phân hủy vì nhiệt,…
 Cô đặc ở áp suất dư: Dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao,
sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác.
1.1.4. MỤC ĐÍCH CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
Nguyễn Thị Bích Ngọc 1
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
 Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch.
 Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh).
 Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất).

1.1.5. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG GIÁN ĐOẠN
 Ưu điểm:
 Dễ vận hành, thao tác dễ dàng.
 Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi do dung
dịch sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
 Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng.
 Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau.
 Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.
 Cấu tạo đơn giản giá thành thấp.
 Nhược điểm:
 Quá trình cô đặc không ổn định do nhiệt độ và áp suất không ổn dịnh, tính
chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian.
 Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.
 Khó giữ được độ chân không trong thiết bị.
1.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI
Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:
WGG
cđ

ccđđ
xGxG 
(theo hàm lượng chất khô trong dung dịch)
Nguyễn Thị Bích Ngọc 2
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
Trong đó:
G
đ
– Khối lượng nguyên liệu, [kg]; kg/s
G
c

– Khối lượng sản phẩm, [kg]; kg/s
W – Lượng hơi thứ, [kg]; kg/s
x
d
– Nồng độ chất khô trong nguyên liệu, [phần khối lượng]
x
c
– Nồng độ chất khô trong sản phẩm, [phần khối lượng]
Lượng hơi thứ trong quá trình cô đặc









c
đ
đ
x
x
GW 1
Nồng độ sản phẩm cuối
WG
xG
G
xG
x

đ
đđ
c
đđ
c



1.3. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 1 NỒI
Theo định luật bảo toàn nhiệt .
76543
21
QQQQQQ
QQQ
QQ
r
v
rv





 
Trong đó:
Q
1
: Nhiệt do dung dịch mang vào
Q
2

: Nhiệt do nước nóng cung cấp
Q
3
: Nhiệt do dung dịch sau cô đặc mang
ra
Q
4
: Nhiệt do hơi thứ mang ra
Nguyễn Thị Bích Ngọc 3
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
Q
5
: Nhiệt do nước ngưng mang ra
Q
6
: Nhiệt do quá trình cô đặc
Q
7
: Nhiệt tổn thất ra môi trường
→ G
đ
.c
đ
.t
đ
+ D.C
80
t
80
= G

c
.c
c
.t
c
+ W.i’ + D.c
n
.t
n
+ Q
cđ
+ Q
mt
Với:
t
đ
: Nhiệt độ nguyên liệu, [độ]
t
c
; Nhiệt độ sản phẩm, [độ].
t
n
: Nhiệt độ nước ngưng, [độ]
c
đ
: Nhiệt dung riêng nguyên liệu, [J/kg.độ]
c
c
: Nhiệt dung riêng sản phẩm, [J/kg.độ]
c

n
: Nhiệt dung riêng nước ngưng, [J/kg.độ].
i’: Hàm nhiệt trong hơi thứ, [J/kg]
C
80
: nhiệt dung riên của nước ở 80°C
Lượng nước nóng dùng để cấp nhiệt cho nồi
80.80
'.
tC
QQtcGtcGiW
D
mtcđđđđccc


Tính bề mặt truyền nhiệt .
Theo phương trình truyền nhiệt.
Nguyễn Thị Bích Ngọc 4
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
Q = K.F..
hi
= D.(i - c
n
.t
n
).
Trong đó :
Q: lượng nhiệt truyền, [J].
K: Hệ số truyền nhiệt,[ W/m
2

.độ].
F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m
2
].
: Thời gian cô đặc,[s].

hi
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích , [độ]
Rút ra bề mặt truyền nhiệt :
,
.
).(
hi
nn
tK
tciD
F



[m
2
]
Nguyễn Thị Bích Ngọc 5
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
1.4. CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC GIÁN ĐOẠN MỘT NỒI
Trong đó:
1. Nồi cô đặc 2 vỏ có cánh khuấy.
2. Thiết bị ngưng tụ ống xoắn.
3. Bình chứa nước ngưng tụ.

4. Bình chứa nước dùng cho bơm chân không.
5. Bơm chân không.
6. Máy khuấy trộn
7. Áp kế đo áp suất chân không.
8. Hệ thống điện.
PHẦN II: XỬ LÝ SỐ LIỆU
Nguyễn Thị Bích Ngọc 6
8
1
5
7
3
2
433
6
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
Bảng số liệu thí nghiệm.
Thời
gian
(phút)
Nồng độ
dung
dich
(Brix)
Lượng
nước
ngưng
V (ml)
Nhiệt độ
nước

vào t
v
(
0
C)
Nhiệt độ
nước ra
t
r
(
0
C)
Nhiệt độ
nước
ngoài vỏ
t
ng
(
0
C)
Nhiệt độ
dd t
dd
(
0
C)
Nhiệt độ
hơi thứ
t
ht

(
0
C)
0 14.5 0 30 40 78 63 55
10 16 560 30 40 79 65 63
20 17.9 665 30 40 79 65 62
30 20.8 680 30 40 79 65 63
40 24.5 550 30 40 79 64 62
50 30.5 615 30 40 79 63 62
60 35 450 30 40 79 65 62
70 45 635 30 40 80 67 65
80 56.5 310 30 40 81 71 64
Thể tích dung dịch sau quá trình cô đặc thu được là:
V
c
= 1350 (ml) Đo ở nhiêt độ phòng
Bx = 68.5
1. Tính khối lượng dung dịch đường nhập liệu:
Dòng nhập liệu là dung dịch đường có nồng độ chất khô là 14.5 Bx được pha từ 1kg
đường saccharose 99.85 Bx và dung môi là nước.
khối lượng dòng nhập liệu:
G
d
=m
H2O
+m
saccharose
m
saccharose
99.85 14.5

14.5
m
H2O
0 85.35
35.85
5.14
2

OH
sac
m
m
Nguyễn Thị Bích Ngọc 7
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
)(886.5
5.14
35.85*1
2
Kgm
OH

suy ra
G
d
= m
H2O
+ m
saccharose
= 5.886+1= 6.886 kg
Thể tích dung dịch nhập liệu ( V

đ
).
ta có G
đ
= V
đ
.
đ
(kg).
 V
đ
= G
đ
: 
đ
= 6.886 :1.05598 = 6.523 (l)
2. Tính lượng dung dịch đường thực tế sau quá trình cô đặc:
G
c
=V
c
*
c
= 1.350 * 1.33681 = 1.805 (kg)
Trong đó:
Gc

: Thể tích dung dịch đường thu được sau quá trình thực nghiệm.

c

: Khối lượng riêng của dung dịch đường ở 68.5 Bx
3. Tính lượng nước ngưng thực tế trong quá trình cô đặc:
W* = V
ngưng
. 
ngưng
( kg)
V
ngưng
= 0 + 560 +665 + 680 + 550 + 615 + 450 + 635 + 310
= 4465 (ml) = 0.004465 (m
3
)
W* = 0.004465 * 995.68 = 4.446 (kg)
Trong đó:
V
ngưng
: Tổng thể tích nước ngưng thu được trong suốt quá trình thực nghiệm.
Nguyễn Thị Bích Ngọc 8
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim

ngưng
: Khối lượng riêng nước ngưng ( kg/m
3
)
( Nước ngưng tra ở 30
o
C) 
ngưng
=995.68

 Do lượng dung dịch cô đặc thất thoát nhiều qua các lần lấy mẫu, nên ta giả
sử lượng nước ngưng thực tế không thất thoát vàbằng với lượng nước ngưng
theo lí thuyết thì ta mới tính được sai số
c
x
.( lúc này sai số giữa nước ngưng
thực tế và nước ngưng lí thuyết =0)
Với W=W*
Ta có Gc=Gđ-W , Xc=Gđ* Xđ/Gc
Gc=6.886 – 4.446 = 2.44 (kg)
X
c
= 6.886 * 14.5 : 2.44 = 40,92 (Bx)
4. Tính sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm:
+ Nồng độ cuối của quá trình

100.%
*
c
cc
Xc
x
xx
SS


100.
92.40
5.6892.40 


= 67.39%
Trong đó
c
x
: Nồng độ chất khô trong sản phẩm sau cô đặc theo lý thuyết [phần khối lượng].
*
c
x
: Nồng độ chất khô trong sản phẩm cô đặc theo thực tê đo bằng Bx kế, [phần
khối lượng].
Giải thích kết quả sai số.
Nguyễn Thị Bích Ngọc 9
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
 Sai số của nồng độ tương đối lớn giữa thưc tế và lí thuyết nguyên nhân do quá
trình thao tác lấy mẫu làm thất thoát lượng lớn dung dịch trong quá trình lấy
mẫu.
 Giả sử độ Bx đo được thực tế đúng với Bx theo lí thuyết thì ta mới tính được
lượng nước ngưng W và sai số(lúc này sao số của nồng độ lí thuyết và thực
tế=0)
Ta có Xc = Xc* , W = Gđ(1-Xđ/Xc), Gc = Gđ*Xđ/Xc
+ Lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc:
100.%
*
W
WW
SS
W


(%)

Trong đó W : Lượng hơi thứ theo lý thuyết, [kg]; kg/s
W*: Lượng hơi thứ theo thực tế, [kg]; kg/s
5. Tính năng lượng và các đại lượng chưa biết
+ Tính cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ và xác định lưu lượng nước sử dụng
trong giải nhiệt ngưng tụ.
Ta có: r = Cn.tn
Với: Cn là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở 30°C = 4200j/kg.độ
tn là nhiệt độ nước ngưng tụ =30°C.
Bảng kết quả tính cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ
Nguyễn Thị Bích Ngọc 10
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
SST
W
(kg)
Nhiệt
ngưng tụ
r (j/kg) *
Nhiệt độ
hơi thứ
t
ht
(
0
C)
Lượng
nhiệt
ngưng
tụ Q
nt
Nhiệt độ

nước vào
t
v
(
0
C)
Nhiệt độ
nước ra
t
r
(
0
C)
Lưu
lượng
nước G
n
1 0.560 126000 63 70560 30 40
2 0.665 126000 60 83790 30 40
3 0.680 126000 67 85680 30 40
4 0.550 126000 65 69300 30 40
5 0.615 126000 65 77490 30 40
6 0.450 126000 65 56700 30 40
7 0.635 126000 70 80010 30 40
8 0.310 126000 65 39060 30 40
+ Tính cân bằng nhiệt cho thiết bị cô đặc và xác định lượng nhiệt mà nguồn nóng
cung cấp.
Nhiệt dung riêng của dung dịch đường:
xtc *)542.72514(4190 
Trong đó: t là nhiệt độ của dung dịch (

0
C).
x là nồng độ của dung dịch (%).
+ Q1 = Gđ.Cđ.tđ : nhiệt do dung dịch mang vào.
+ Q2 = Gn.Cn.tn: nhiệt do nước nóng cung cấp
+ Q3 = Gc.Cc.tc: nhiệt lượng do dung dịch đường mang ra
+ Q4 = W.i’: nhiệt do hơi thứ mang ra
+ Q5 = Gn.Cn.tn’: nhiệt còn lại sau khi làm nóng dung dịch đường
+ Q6 = Qcđ: nhiệt do quá trình cô đặc.
+ Q7 = Qmt nhiệt tổn thất ra môi trường
6 . Vẽ đồ thị :
+ Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số Bx với thời gian cô đặc.
Nguyễn Thị Bích Ngọc 11
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
Thời gian
(p)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Nồng độ
(Bx)
14.
5
16 17.9
20.
8
24.
5
30.
5
35 45
56.

5
+ Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lượng nước ngưng thu được và thời gian cô đặc.
Thời gian (p) 0 10 20 30 40 50 60 70 80
lượng nước 0 560 1225 2570 3120 3735 4185 4820 5130
Nguyễn Thị Bích Ngọc 12
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
ngưng (ml)
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ GIẢI THÍCH.
Thiết bị cô đặc chân không 1 nồi sử dụng trọng thí nghiệm cô đặc, giúp chúng ta thực
hành và hiểu về qui trình cũng như cách vận hành của thiết bị cô đặc. Đây là quá trình
làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi,
nhờ làm việc trong môi trường chân không, nên nhiệt độ sôi của dung dịch đường
Nguyễn Thị Bích Ngọc 13
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
giảm, làm giảm sự hao phí nhiệt năng và giúp cho sản phẩm không bị biến tính khi ở
nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, trong quá trình thí nghiệm đã mắc phải những sai số lớn. Do những nguyên
nhân sau:
 Cách vận hành thiết bị chưa đúng làm ảnh hưởng tới nhiệt độ của dung dịch
 Bảng thông số của thiết bị không ổn định vì nhiều yếu tố bên ngoài tác động
và do chủ quan dẫn đến việc đọc thông số không chính xác
 Thao tác thí nghiệm còn chậm chưa chính (vd: mở hoặc đóng nhầm valve).
 Việc làm tròn số khi tính toán
 Những sai số sẵn có trong thiết bị (vd: do thiết bị hoạt động không ổn định
hoặc thiết bị vệ sinh chưa sạch
 Lấy nước ngưng bằng ống đong cho kết quả tương đối
Với qui mô phòng thí nghiệm, nên việc sai sót là không thể tránh khỏi tuy nhiên để
giảm hạn chế những sai sót ảnh hưởng đến kết quả sinh viên cần nắm vững kiến thức
trước khi thí nghiệm, và đảm bảo thiết bị đã sẵn sàng để thiết bị hoạt động tốt nhất
(vd: vệ sinh thiết bị, vận hành thiết bị trước để đạt nhiệt độ và áp suất yêu cầu của

bài)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa học tập 1.NXB đại học quốc gia thành
Phố Hồ Chí Mimh
Nguyễn Thị Bích Ngọc 14
Thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm GVHD: Võ Văn Sim
2. Thực hành kĩ thuật thực phẩm. Trường đại học công nghiệp Thực Phẩm thành
Phố Hồ Chí Mimh
3. Thực hành công nghệ sản xuất nước giải khát Trường đại học công nghệ thực
phẩm tp HCM
4. Quá trình và thiết bị truyền nhiệt Tập 5. Trường đại học quốc gia thành Phố Hồ
Chí Mimh
Nguyễn Thị Bích Ngọc 15