Máy sản xuất thực phẩm

phẩm trưỡc khi vào hộp ghép nắp ; đun nóng để tạo điều kiện tốt cho quá trình hoá học, sinh học, lý học thực hiện nhanh chóng hơn v..v... Mục đích khai thác : quá trình đun nóng có thể làm tăng hiệu suất thu nhận sản phẩm từ một loại nguyên liệu nào đó ví dụ nhiệt độ cao khoảng 60 - 700C sẽ làm tăng hoạt độ của en zim amilaza ,làm cho khả năng trích ly các chất hoà tan như đường từ mía,dịch từ quả, làm tăng hiệu suất ép tăng sự hoà tan chất màu, v..v... Mục đích chế biến : dưới tác dụng của nhiệt độ cao nhiều loại nguyên liệu bị biến đổi về cấu trúc, tính chất hóa học, lý học v..v.. làm cho chất lượng của nguyên liệu biến đổi hẳn .Những biến đổi về chất lượng có thể theo chiều hướng xấu đi hoặc tốt lên .Trong công nghệ chế biến thực phẩm người ta lợi dụng những biến đổi tốt của chất lượng để tạo ra sản phẩm có ích Nhiệt độ cao sẽ làm cho sản phẩm chín, loại bỏ ( làm bay hơi ) những thành phần gây mùi, vị lạ làm tăng giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cơ thể; làm hồ hoá các sản phẩm tinh bột, tẩy mùi v...v..Những biến đổi đó sẽ làm cho sản phẩm có chất lượng tốt hơn, giá trị cảm quan cao hơn Mục đích bảo quản : đun nóng ở nhiệt độ trên 700C trước hết có tác dụng làm mất hoạt tính của các loại enzim có trong nguyên liệu ngăn ngừa đuợc những biến đổi xấu. Ví dụ các loại en zim xúc tác các quá trình phân huỷ các thành phần hoá học, sinh học, làm cho sản phẩm có thể biến màu hoặc giảm hàm lượng các thành phầng hoá học,sinh học có ích. Nhiệt độ cao trên 900C có thể tiêu diệt vi sinh vật có trong sản phẩm thực phẩm. Do vậy trong công nghệ thực phẩm thường đun nóng sản phẩm ở nhiệt độ và thời gian nhất định nhằm tiêu diệt vi sinh vật, ngăn ngừa hư hỏng sản phẩm .đó là quá trình thanh trùng nhiệt Mục đích hoàn thiện : một số loại thực phẩm thường tồn tại ở dạng bán thành phẩm. Để có chất lượng của các loại này đạt tới mức hoàn thiện hơn nhiều khi phải qua gia nhiệt ( đun nóng ) . Đun nóng sẽ làm cho sản phẩm chín sử dụng được Trong thực tế công nghiệp quá trình đun nóng thường được thực hiện kết hợp khi thanh trùngđồ hộp thịt cá ngoài mục đích để tiêu diệt vi sinh vật, bảo quản sản phẩm có mục đích chế biến làm cho thịt cá chín. Phạm vi thực hiện : đun nóng là một trong những quá trình quan trọng nhất. Quá trình này được thực hiện hầu hết trong các qui trình công nghệ sản xuất thực phẩm với nhữg mục đích khác nhau. II./ Những biến đổi của vật liệu (sản phẩm) trong quá trình đun nóng 1./ Các biến đổi vật lí:Các biến đổi vật lí trong khi đun nóng bao gồm Sự biến đổi nhiệt độ: Trong quá trình đun nóng do sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường đun nóng và vật liệu, nhiêt độ trong vật liệu tăng dần lên tốc độ tăng nhiệt độ chậm dần từ ngoài vào trung tâm do khoảng cách giữa chúng và nguồn nhiệt xa dần. Những điểm có cùng khoảng cách đến nguồn nhiệt thì nhiệt độ sẽ bằng nhau. Do vậy trong vật liệu sẽ hình thành trường nhiệt độ trong đó lớp ngoài cùng có nhiệt độ cao nhất, ở trung tâm thì nhiệt độ thấp nhất. Tốc độ thay dổi nhiệt độ phụ thuộc vào sự truyền nhiệt trong khối vật liệu Sự truyền nhiệt trong vật liệu có thể thực hện bằng nhiều cách phụ thuộc vào trạng thái của chúng. Nếu vật liệu là chát lỏng thì nhiệt được truyền vào trung tâm chủ yếu bằng đối lưu. Nếu là chất rắn thì nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt. Khi vật liệu ở thể bán chất lỏng (sệt) thì nhiệt truyền bằng cả đối lưu và dẫn nhiệt. Sự biến đổi trạng thái vật liệu Khi đun nóng vật liệu có thể biến đổi về trạng thái tồn tại - chuyển pha Phần lớn các chất rắn hoắcệt mà nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiẹt độ cua môi trường thì trong quảtình đun nóng trạng thái của chúng có thể chuyển sang pha lỏng hoặc bán chất lỏng (mỡ, bơ v.v...) Tuy nhiên có nhiều loại vật liệu dạng rắn, do nhiệt độ đun nóng không đủ cao hoặc do đặc tính lý hoá của chúng mà trong thồi gian đun nóng khong sảy ra hiện tượng chuyển pha (thịt,cá, rau, quảv.v.v...) Sự thay đổi thể tích Thể tích của vật liệu có thể tăng lên khi đun nóng DV = V - V0 > 0. Trong trường hợp đó thể tích của vật liệu bằng V = V0 + bt + DVKhí Trong đó: V: Thể tích khí đun b: hệ số nở khối t: nhiệt độ đun nóng DVKhí: Chênh lệch thể tích chất khí trong vật liệu Tuy nhiên có nhiều trường hợp khi đun nóng thể tích vật liệu sẽ giảm đi. đó là hiện tượng sảy ra khi đun nóng các loại nguuyên liệu có cấu trúc xốp, có chứa nhiều khí trong gian bào (như rau, quả...0 Sự biến đổi khối lượng Sự biến đổi khối lượng có thể biểu diễn bằng biểu thức sau M = m0 = at - nbh - yht Trong đó: m: khối lượng vật liệu m0: khối lượng vật liệu trước khi đun a: hệ số biến đổi khối lượng nbh: khối lượng bốc hơi yht : khối lượng hoà tan vào môi trường Sự biến đổi màu sắc Màu sắc biến đổi do nhiều nguyên nhân. một trong những nguyên nhân vậtt lý dẫn đến biến màu là do thay đổi khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng của vật liệu dotác động của nhiệt độ cao. 2./Biến đổi hoá lí, hoá học. Các chỉ tiêu hoá lý của vật liệu như độ nhớt độ hoà tanv.v...cũng dễ bị thay đổi do nhiệt độ cao. Cụ thể : độ hoà tan tăng , độ nhớt giảm(hoặc tăng)... Đối với các phản ứng hoá học như thuỷ phân,trung hoà, polime hoá, ôxi hoá v.v...Thì nhiệt độ làm tăng tốc độ phẩn ứng. Kết quả sự xúc tiến các phản ứng hoá học là sự biến đổi các thành phần hóa học trong vật liệu. Một số chất được tạo thành có thể làm tăng chất lượng sản phẩm (pectin, chất thơm,chất màuv.v...) Nhưng nhiều trường hợp làm giảm hàm lượng của các chất có ích, tạo thành một số chất gây ảnh hưởng xấu dến mùi, vị, mầu của sản phẩm. đây là nhược điểm chủ yếu của quá trình nấu 3./ Biến đổi sinh hoá và sinh lí Quá trình đun nóng có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi hoạt độ của các enzim và sự hoạt động của các vi sinh vật. Ta biết rằng enzim và vi sinh vật có khoảng nhiệt độ hoạt động tối thích. Ví dụ enzim amilaza hoạt động mạnh ở nhiệt độ 60 á 700C, vi sinh vật hoạt động mạnh ở nhiệt độ 37 á 400C. nếu tăng dần nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ tối thích (top) thì hoạt động của enzim và vi sinh vật sẽ giảm dần đến bị vô hoạt hoá (bị tiêu diệt) hoàn toàn ở nhiệt độ đủ cao. Như vậy quá trình tăng nhiệt đi qua 2 vùng nhiệt độ có tác dụng khác nhau lên enzim và vi sinh vật. Vùng thứ nhất là vùng từ nhiệt độ môi trưòng đến nhiêt độ tối thích. Tại vùng này nhiệt độ càng tăng hoạt độ củaenzim và vi sinh vật càng tăng. Vùng thứ 2 là vùng nhiệt độ tối thích đến nhiệt độ đun nóng cuối cùng. Sự tăng nhiệt độ ở vùng này dẫn đến sự giảm dần đến ngừng hẳn hoạt động của enzim và vi sinh vật. Như vậy tốc độ tăng nhiẹt của quá trình đun nóng sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới chấ lượng sản phẩm. ví dụ khi đun nóng rau quả (khoai tqy, lê, táo...) nếu thời gian tăng nhiệt độ đun nóng càng chậm bao nhiêu thì sản phảm càng bị đen bấy nhiêu. đó là do enzim poliphenolxidaza hoạt ộng mmạnh và lâu trước khi bị tiêu diệt. Không phụ thuộc vào tốc dộ tăng nhiệt độ, cuối cùng en zim và vi sinh vật vẫn bị ức chế và dén tiêu dệt hoàn toà. Nhiệt độ cao cũng sẽ làm tác dụng của các chất độc được tạo thành trong sản phẩm trước khi đun nóng, đỡ nguy hiểm cho ngưòi tiêu thụ. 4./ Biến đổi cấu trúc tế bào Dưới tác dụng của nhiệt độ cao chất nguyên sinh trong tế bào bị đông tụ, màng tế bào bị phá huỷ làm mất tính bán thẩm thấu, không khí và hơi nước trong gian bào bị thát ra ngoài làm cho cấu trúc toàn khối trở nên trật, mềm 5./ Biến đổi cảm quan Thay đổi màu sắc: Đun nóng dấn tới thay đỏi màu sắc do nhiều nguyên nhân khác nhau. Nhiều khi nhờ đun nóng mà màu sắc tốt lên hoặc giữ được màu tự nhiên ban đầu đó là trường hợp chần rau quả. Trong trường hợp này chần làm mất hoạt tính của các enzim phân huỷ hoặc tạo chất màu (poliphenoloxidaza,clorophilaza v.v...) Đun nóng có thể làm cho màu của các sản phẩm đã sunphít hoá trở lại bình thường sau khi bị mất màu do tác dụng của H2SO3. Ngược lại quá trình đun nóng có thể làm thay đổi màu tự nhiên của sản phẩm đó là hiện tượngtạo màu hồng trong nước chanh, cam, chuối v.v... hoặc là tạo màu nâu, sẫm màu trong các loại sản phẩm như bột cà chua, bột ớt v.v... Thay đổi mùi vị Nhiệt độ đun nóng có thể dẫn đến sự thay đổi mùi vị theo hai chiều hướng khác nhau tuỳ theo vật liệu. đối với các sản phẩm mà trước khi đun nóngcó chứa các chất gâymùi, vị không thích hợp (vị đắng trong măng,vị ngái trong đậu nành, mùi ôi tanh trong thịt cá v.v...) đun nóng sẽ làm cho sản phẩm mất mùi vị đó làm cho chất lượng sản phẩm tốt lên. còn đối với những sản phẩm có mùi vị tự hiên tốt thì sau khi đun sẽ bị ít nhiều mất đi mùi vì do các chất thơm hoặc các chất gây vị tốt bị bốc hơi hoặc bị phân huỷ III./ Nguồn nhiệt và các phương pháp đun nóng Đun nóng là một quá trình rất phổ biến trong công ghiệp hoá chất và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng tốc độ của một số quá trình phản ứng hoá học, ngoài ra đun nóng còn là phương tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác như trưng cất, cô đặc, sấy khô v.v... 1./ Nguồn nhiệt Nhiệt năng dùng để đun nóng có thể tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau và từ nhiều nguồn nhiệt khác nhau. Có khi người ta sủ dụng nguồn nhiệt ngay từ nguồn nhiệt trực tiếp như khí lò dòng điện, có khi dùng chất tải nhiệt trung gian (chất này lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng) như hơi nước, nước quá nhiệt, dầu khoáng các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi caovà hơi của nó, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó và một số kim loại hoặc hợp kim ở trạng thái lỏng Ngoài ra người ta còn sử dụng nhiệt của khí thải hoặc chất lỏng thải có nhiệt độ cao Mỗi chất tải nhiệt đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định, do đó, tuỳ trường hợp cụ thể mà ta lựa chon cho thích hợp, Khi lựa chọn cần chú ý các điều kiện quan trọng sau: Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ áp suất hơi bão hoà và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ Độ độc và tính hoạt động hoá học Độ an toàn khi đun nóng (không cháy nổ v.v..) Rẻ và rễ tìm 2./ Các phương pháp đun nóng a./ Đun nóng bằng hơi nước bão hoà phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hoà được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học. Những ưu điểm Hệ số cấp nhiệt lớn (a ằ 10000 á 15000 w/m2 độ) do đó bề mặt truyền nhỏ, nghĩa là kích thước thiết bị gọn hơn các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo đơn vị chất tải nhiệt) vì đó là nhiệt lượng toả ra khi ngưng tụ hơi Đun nóng được đồng đều vì hơi ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt ở nhiệt độ không đổi Dễ điêù chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi Vận chuyển xa được dễ dàng theo đường ống Nhược điểm chính của hơi nước là: không thể đun nóng ở nhiệt độ cao, vì nếu nhiệt đô hơi càng tăng thì áp suất hơi bão hoà càng tăng, ẩn nhiệt bay hơi cũng giảm. Do đó khi tăng nhiệt độ thì thiết bị sẽ phức tạp thêm, hiệu suất sử dụng nhiệt cũng giảm. vì vậy phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hoà chỉ sử dụng tốt nhất trong trường hợp đun nóng không quá 1800 a.1./ Phương pháp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp Phương pháp truyền nhiệt đơn giản nhất là đun nóng bằng hơi nước trực tiếp, tức là cho hơi nước sục thẳng vào chất lỏng cần đun nóng. Hơi nước ngưng tụ và cấp ẩn nhiệt cho chất lỏng, nước ngưng tạo thành lại trộn lẫ với chất lỏng. Thiết bị đơn giản nhất để đun nóng bằng hơi nước trực tiếp là thiết bị loại sục, gồm có một bể chứa chất lỏng cần đun nóng và một ống hơi ( hình 1 ) trên ống dẫn hơi có đặt các van để tạo thêm quá trình làm việc tốt. Van ngược chiều dùng để ngăn chặn không cho chất lỏng đi ngược trở lại trong trường hợp mà áp suất trong ống hơi thấp hơn áp suất khí quyển. Trước khi bắt đầu đun nóng, người ta mở van phụ để tháo hết nước ngưng đang tích tụ trong ống dẫn hơi. Khi cần thiết vừa đun nóng vừa khuấy trộn chất lỏng thì dùng thiết bị đun nóng loại sủi bọt ( hình 2 ) trong thiết bị này hơi từ ống dẫn hơi vào được đi qua những ống phun hình xoắn ốc, vòng tròn hoặc một số ống thẳng song song có những lỗ nhỏ đặt nằm dưới đáy bể chứa chất lỏng. Nhờ bố trí như thế nên hơi nước được phun đều trong bể có tác dụng khuấy trộn. Loại thiết bị sủi bọt và loại sục làm việc có nhiều tiếng động. để tránh tiếng động, người ta dùng thiết bị đun nóng không tiếng động. Loại này có lắp thêm một cái loa ở đầu ống dẫn hơi (hình 3). Khi làm việc, hơi phun ra khỏi đầu ống dẫn hơi với tốc độ rất lớn, do đó áp suất tĩnh học trong loa giảm xuống chất lỏng bên ngoài loa ập vào các lỗ cạnh của loa, vừa pha trộn với luồng hơi phun ra vừa làm tắt tiếng động. Phương pháp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp nói chung lầ rất đơn giản nhưng có nhược điểm là đưa thêm một lượng lớn nước ngưng tụ vào trong chất lỏng cần đun nóng. Do đó phương pháp này chỉ dùng trong trường hợp cho phép pha loãng chất lỏng và không có phản ứng xẩy ra giữa chất lỏng và nước. Thường người ta chỉ dùng để đun nóng nước và các dung dịch nước. Để xác định lượng hơi tiêu hao trong quá trình đun nóng người ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt lượng: D l + G2 c2 t2đ = c2D t2c + G2 c2 t2c + t Qm( (các quá trình công nghệ và thiết bi trang 281) Từ đó rút ra lượng hơi cần thiết Trong đó : G2 - lượng chất lỏng cần đun nóng (kg) c2 - nhiệt dung riêng của chất lỏng(j/kgđộ) t2đ,t2c - nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng (0C) l - nhiệt lượng riêng của hơi nước (j/kg) Qm - tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (w) t - thời gian đun nóng (s) a.2./ Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp Nếu như chất lỏng cần đun nóng không được phép trộn lẫn với nước không được phép pha loãng ... thì không thể dùng phương pháp đun nóng trực tiếp mà phải dùng phương pháp đun nóng bằng hơi nước gián tiếp, tức là giữa hơi và chất lỏng có một tường ngăn cách nhiẹt từ hơi chuyển qua tường để cấp cho chất lỏng. Đun nóng bằng hơi nước giántiếp đượpc thực hiện trong nhiều loại thiết bị có cấu tạo khác nhau như: Thiết bị có vỏ bọc ngoài laọi ống xoắn, loại ống chùm v.v... Hơi nước sau khi cáp nhiệt cho chật lỏng qua tường thì ngưng tụ lại thành nước ngưng chảy ra khỏi thiêt bị qua một đường ống riêng. Thường người ta dùng hơi nước bão hoà để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn vàanr nhiệt ngưng tụ cao. Dùng hơi nước quá nhiệt không lợi vì hệ số cấp nhiệt thấp và lượng nhiệt quá nhiệt không lớn lắm. Trong trường hợp trao đổi nhiệt này chiều dày của lưu thể không ảnh hưởng tới quá trình trong khi làm việc, thường ngưòi ta cho hơi vào trong thiết bị từ phía trên để nước ngưng có thể chảy xuống dế dàn. Cũng giống như trường hợp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp, lượng hơi nước tiêu hao để đun nóng gián tiếp xác định dựa váo phương trình cân bằng nhiệt lượng. D = Trong đó: q : nhiệt độ của nước ngưng C : nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ b./ Đun nóng bằng khói lò Đun nóng bằng khói lò được dùng rất phổ biến nhất là trong hoàn cảnh nước ta hiện nay, phương pháp này có thể đạt được nhịêt độ trên 10000 C. Khói lò được tạo thành khi đốt cháy các nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí trong các lò đốt. Ưu điểm của phương pháp đun nóng bằng khói lò là có thể tạo nhiệt độ cao nhưng nó có nhiều nhược điểm: Hệ số cấp nhịêt rất nhỏ (không quá 100w/m2độ) do đó thiết bị cồng kềnh Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ nên đòi hỏi phải dùng một lượng khói lò rất lớn để làm việc Đun nóng không được đồng đều vì khói lò vừa cấp nhiệt vừa nguội đi Khó điều chỉnh nhiệt độ đun nóng nên dễ có hiện tượng quá nhiệt từng bộ phận và gây ra phản ứng phụ không cần thiết Khói lò thường có bụi và khí độc của nhiên liệu ( nhất là nhiên liệu rắn ) do đó khi đun nóng gián tiếp bề mặt tryền nhiệt sẽ bị bám cặn còn đun nóng trực tiếp thì cũng bị hạn chế Nếu đun nóng các chất dễ cháy, dễ bay hơi thì không an toàn Trong khói lò luôn có một lượng ôxi dư ( nhấtlà khi điều chỉnh nhiệt độ của khói lò bằng cách trộn thêm không khí ngoài trời ) ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với thiết bị sẽ ôxi hoá kim loại làm hỏng thiết bị Hiệu suất sử dụng nhiệt thấp lớn nhất là 30% b.1./ Nguyên tắc Khói lò được tạo ra bằng cách đốt nguyên liệu trong lò đốt 1 sau đó đi vào phòng hoà trộn. ở phòng này cho thêm không khí lạnh vào để điều chỉnh nhiệt độ của khói lò. Lượng không khí cho vào phụ thuộc vào nhiệt độ cần điều chỉnh để đun nóng. đẻ giảm lượng ôxi trong khói lò người ta có thể dùng khí thải (khói lò sau khi đã đun nóng) để trộn. b.2./ Tính toán quá trình đun nóng bằng khói lò Tính toán quá trình đun nóng bằng khói lò thường cần xác định các thông số sau; b.2.1./ Nhiệt sinh của nguyên liệu. Các nhiên liệu được đặc trưng bằng lượng nhiẹt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu (1kg hay 1m3) gọi là nhiệt trị cao QC, đại lượng này tính cả nhiệt tạo thành hơpi nước, khí hyđrô của nhiên liệu dược kết hợp với ôxi và nhiệt bốc hơi của nướcchứa trong nhiên liệu. Nhiệt trị cao xác định coi hơi nước của sản phẩm cháy biến thành trạng thái lỏng ở nhệt độ 00. Nhiệt trị của nhiên liệu có thể xác định bằng công thức thực nghiệm của D.I.Menđelêv QC = {339 + 1256.H - 109(O - S)}.103(J/kg) (1) Thực tế khi nhiên liệu cháy hơi nước đi vào với sản phẩm cháy vì vậy người ta đưa vào một đặc trưng giả định của nhiên liệu gọi là nhiệt trị thấp Qt. đại lượng này không tính nhiệt do hơi nước mang đi. Quan hệ Qt và Qc như sau: Qt = Qc - 25,1.103. Qt =[339+1256.H - 109(O - S) - 25,1.103. (J/kg) (2) Các ký hiệu ở trong 2 công thức trên H,O,S và W là các thành phần cacbon, hiđrô, ôxi, lưu huỳnh và lượng âm trong nhiên liệu,% khối lượng. = 9H + W Là lượng hơi nước tạo thành khi đốt cháy 100kg nhiên liệu. Công thức (2) tính cho các nhiên liệu rắn, lỏng. Đối với nhiên liệu khí nhiệt trị tính theo 1m3 nhiên liệu. Qt = (127 CO + 108 H2 + 360 CH4 + 598 C2H4 + 147 H2S).103 (J/kg) (2a) ở đây CO, H2,C2H4,CH4,H2S: phần trăm thể tích của các khí tương ứng % thể tích b.2.2./ Lượng không khí lý thuyết dùng để đốt cháy nhiên liệu. Lượng không khí khô lý thuyết dùng để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu xác định theo công thức sau: Đối với nhiên liệu rắn, lỏng: L0 = 0,115 C + 0,346 H + 0,043(S - O) kg/kg (3) Đối với nhiên liệu khí: LO 1,38 (0,0179 CO + 0,246 H2 + 0,446 H2S + CxHy - O2) (kg/kg) (4) Trong đó: x: là số nguyên tử cacbon y: số nguyên tử hiđrô các ký hiệu còn lại như trong công thức (2a) Thực tế khi đốt 1 kg nhiên liệu cần phải có 1 lượng không khí dư L = a.L0 (kg/kg) L : lượng không khí khô thực tế. b.2.3./ Thành phần của các khí trong lò. Thành phần của các khí trong khói lò khô đối với nhiên liệu tính bằng kilôgam trên 1kilôgam nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng. Đối với nhiên liệu khí: Trong đó lượng khí tương ứng kg/kg Hệ số dư không khí a xác định từ phương trình cân bằng nhiệt lượng: Đối với nhiên liệu rắn, lỏng: a = (5) Đối với nhiên liệu khí: (6) Các ký hiệu trong (5) và (6) là: Cn,CK - Nhiệt dung riêng của nhiên liệu và của khói lò khô J/kgđộ h - hiệu suất của lò đốt tn,tk - Nhiệt độ của nhiên liệu và khói lò (độ) Qc - Nhiệt trị cao của nhiên liệu (J/kg) i - Nhiệt lượng riêng của hơi nước ở nhiệt độ của khói lò (J/kg) io - Nhiệt lượng riêng cua không kí đưa vào đốt nhiên liệu (J/kg) x0 - Hàm ẩm của không khí đưa vào đốt nhiên liệu(kg/kg) W - Lượng hơi nước dùng để thổi nhiên liệu hay hơi ẩm trong nhiên liệu khí kg/kg nhiên liệu i’ - Nhiệt lượng riêng tương ứng với W’ (J/kg) Nhiệt dung riêng của khói lò xác định theo công thức: (7) Trong đó Nhiệt dung riêng của các khí tương ứng (J/kgđộ) GK - Khối lượng của khói lò khô (kg/kgnhiên liệu) Đối với nhiên liệu rắn, lỏng. GK = 1 + aL0 - (kg/kg nhiên liệu) (8) Gk = 1 + aL0 - ồ (9) c./Đun nóng bằng dòng điện Đun nóng bằngdòng điện là phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng để đun nóng vật liệu. Đun nóng bằng dòng điện có thể tạo được nhiệt độ rất cao (đến 32000C) mà các phường pháp khác không thực hiện được, điều chỉnh nhiệt độ dễ và chính xác, hiệu suất rất cao có thể đạt đến 95% điện tiêu hao. Nhưng đun nóng bằng dòng điện cũng có nhược điểm là thiết bị phức tạp giá thành cao cho nên nó chưa được sử dụng rộng rãi. Quá trình đun nóng được thực hiện trong các lò kiểu khác nhau: lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng... Trong lò hồ quang điện năng tạo thành tia lửa diện đốt nóng môi trường tia hồ quang có thể tập trung công suất lớn trong thể tích nhỏ, do đó đạt được nhiệt cao (từ 15000C á20000C và cao hơn nữa). ở lò hoò quang có độ giảm nhiẹt rất lớn, do đó đun nóng không được đồng đều và khó điều chỉnh nhiệt độ.lò hồ quang thường làm cháy cac kim loại, sản xuất canxi cacbua,phôtpho. Lò điện trở chia làm 2 loại: Lò điện trở trực tiếp: Trong đó vật liệu đun nóng được nối trực tiếp với mạch điện hay qua máy biến thế cho dòng điện vào để đốt nóng (lò thuỷ tinh, lò sứ...) Lò điện trở gián tiếp: Trong đó nhiệt được toả ra trong dòng điện đun nóng dòng điện trở rồi truyền nhiệt vào cho vật liệu bằng bức xạ dẫn nhiệt hay đối lưu. Trong lò điện cảm ứng vật liệu cần dun nóng được đặt trong từ trường xoay chiều, khi đó trong vật liẹu sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng (dóng xoay chiều) để đốt nóng vật liệu. Trong công nghệ hoá học thưòng ứng dụng lò điện trở gián tiếp, lò điện cảm ứng và một phần bằng dòng điện có tần số cao để đun nóng. Lò điện trở d./ Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt Khi cần đun nóng ở nhiệt độ lớn hơn 1800C người ta thường dùng các chất tải nhiệt đặc biệt như nước quá nhiệt, chất lỏng có nhiệt độ sôi cao và áp suất hơi bão hoà nhỏ, không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao. Các chất tải nhiệt hữu cơ thường dùng là điphênyl, ête điphênyl, hỗn hợp ơtecđi của điphênyl và ête điphênyl hỗn hợp các muối, các kim loại nóng chảy... Thoạt tiên dùng khói lò hoặc dòng điện để đun chất tải nhiệt,sau đó các chất tải nhiệt này ở trạng thái lỏng hoặc hơi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng e./ đun nóng bằng khí thải và chất lỏng thải đây là một phương pháp đun nóng tiết kiệm, tận dụng nhiệt trong khí thải hoặc chất lỏng thải ra từ các nhà máy, xí nghiệp mà nhiệt độ của nó còn cao. Phần iv: tổng quan về quá trình khuấy I./ Mục đích và phạm vi ứng dụng Những máy để khuấy trộn ỉan phẩm thực phẩm lỏng được dùng trong sản xuất bánh kẹo, bánh mì, mì ống, rượu vang,vitamin, làm bia rượu va những lĩnh vực sản xuất sản phẩm thực phẩm khác, để thực hiện các quá trình công nghệ sau đây: 1.Chuẩn bị dung dịch. 2.Chuẩn bị nhũ tương và huyền phù 3. Tăng nhanh các quá trình nhiệt và sinh hoá 4. Gia công sản phẩm với mục đích để cho chúng có một độ đặc quánh nhất định II./ Cơ sở của sự khuấy chất lỏng 1./ Công dụng của sự khuấy chất lỏng : Các cơ cấu khuấy trộn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học công nghiệp thực phẩm và nhiều ngành công nghịêp khác. Nhằm các mục đích sau Tạo ra một dung dịch đồng nhất khi hỗn hợp một chất lỏng dễ hoà tan trong một chất lỏng khác. Tạo ra nhũ tương khi hỗn hợp một chất lỏng không hoà tan trong một chất lỏng khác. Làm tăng nhanh phản ứng hoá học giữa hai pha lỏng, hoặc pha lỏng với pha khí thực chất là tăng bề mặt tiếp xúc pha. Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt từ thành vào sản phẩm hoặc ngược lại. Tăng nhanh quá trình hoà tan khi hòa tan vật thể rắn vào trong một chất lỏng. Tạo thành huyền phù khi hỗn hợp chất lỏng với một chất rắn không hoà tan. Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí,bằng khí nén, bằng tiết lưu hay bằng tuần hoàn chất lỏng. 2./ Cơ sở của quá trình khuấy chất lỏng a./ sự chuyển động của chất lỏng trong thiết bị khuấy Khi cơ cấu khuấy đặt trong thiết bị được chuyển động thì làm cho chất lỏng trong thiết bị cũng được chuuển động theo. Sự chuyển động của chất lỏng ở trong thiết bị sinh ra do cơ cấu khuấy thường có 3 dòng như sau: Dòng chảy tiếp tuyến: chất lỏng được chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục quay, dòng này thường sinh ra do các cơ cấu khuấy kiểu mái chèo, khung, mỏ neo. Dòng chảy hướng kính: chất lỏng được chảy thành dòng theo phương vuông góc với trục quay hướng từ tâm ra thành thiết bị, dòng này thường sinh ra do cơ cấu khuấy kiểu tuyếc bin. Dòng chảy hướng trục: Chất lỏng được chảy thành dòng hương song song với trục quay, dòng này thường được sinh ra dơ cơ cấu khuấy kiểu chong chóng, mái chèo cánh nghiêng ... b./Sự phân bố vận tốc của chất lỏng trong thiết bị. Khi cơ cấu khuấy chuyển động thì chất lỏng trong thiết bị chuyển động theo. Vận tốc chất lỏng thay đổi theo khoảng cách từ điểm xét tới trục quay. Qua khảo sát người ta thấy rằng nếu không kể tổn thất thì vận tốc của chât lỏng trong khoảng từ 0 -->Rk sẽ tăng dần và bằng Trong đó: w - là vận tốc góc r - bán kính của điểm khảo sát Còn trong khoảng RK--> RT thì vận tốc giảm dần theo đường hypecbol Vr = const = vRK Như vậy Trong đó RK - bán kính cánh khuấy RT - bán kính thành thiết bị Nhưng thực tế do chất lỏng nhớt nên vận tốc của nó giảm xuống nhanh hơn. Độ giảm này càng nhanh khi độ nhớt của chất lỏng gày càng cao. Q ua thực nghiệm người ta thấy rằng phạm vi tác dụng của cơ cấu khuấy được biểu diễn như sau m Trong đó R0 : Bán kính tác dụng của cơ cấu khuấy (m) N : Côngsuất tiêu hao của cơ cấu khuấy (kw) m : Độ nhớt động lực của môi trường được khuấy(cp) a : hệ số phụ thuộc vào kiểu cơ cấu khuấy c./Chế độ thuỷ động của chất lỏng khi khuấy Khi cơ cấu khuấy làm việc thì chất lỏng trong thiết bị cũng chuyển động theo, tốc độ chuyển động của chất lỏng thì phụ thuộc và tốc độ chuyển động của cơ cấu khuấy. Đặc trưng cho chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị là chuẩn số Rey-nôn khuấy Re K r Trong đó r : khối lượng riêng của chất lỏng được khuấy (Kg/ m3) n : số vòng quay của cơ cấu khuấy trong một giây (v/s) m : Độ nhớt động lực của chất lỏng được khuấy (Ns/m2) dK : Đường kính của cơ cấu khuấy (m) Chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị cũng được chia thành 3 miền và ứng với giá trị của ReK là : Chế độ chảy dòng : 0 Ê ReK Ê 10 10 Ê ReK Ê 103 103 Ê ReK Ê 107 d./Sự tạo thành huyền phù. Quá trình tạo ra huyền phù là sự phân tán các hạt rắn không hoà tan vào mọt chất lỏng như cơ cấu khuấy. Khi cơ cấu khuấy chuyển động sẽ làm cho chất lỏng trong thiết bị chuyển động theo và kéo theo các hạt rắn cùng chuyển động. Muốn cho các hạt rắn không lắng xuống được thì vận tốc của cơ cấu khuấy phải đạt tới một giá trị xác định. Vận tốc này gọi là tốc độ tới hạn nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và các thông số hình học của cơ cấu khuấy. Qua các công trình nghiên cứu bằng thực nghiệm và cách tính thứ nguyên. Người ta đưa ra phương trình đặc trưng cho trạng thái đồng đều của huyền phù như sau: Trong đó : n : số vòng quay trong một giây D : đường kính thiết bị (m ) DK : đường kính cơ cấu khuấy (m ) dh : đường kính hạt rắn (m ) c : nồng độ phắn trong trong huyền phù % ệ : độ nhớt động học của chất lỏng m2/s rl : khối lượng riêngchất lỏng Kg/m3 D = rr - rl : hiệu số khối lượng riêng Kg/m3 g : gia tốc rơi tự do g = 9,81 m/s2 Đại lượng I = K được xác định bằng đồ thị I = f g./ sự tạo thành nhũ tương Quá trình tạo thành nhũ tương là sự làm phân tán một chất lỏng không tan lẫn vào một chất lỏng khác nhờ cơ cấu khuấy. Khi cơ cấu khuấy chuyển động sẽ tạo thành các dòng chảy và chia cắt pha phân tán thành những dọt nhỏ phân bố đều trong toàn bộ nhũ tương làm cho bề mặt phân cha giưa hai pha tăng lên. Độ lớn của bề mặt phân chia này phụ thuộc vào tính chất của môi trường và các thông số hình học của cơ cấu khuấy. Qua các công trình nghiên cứu bằng phân tích thứ nguyên và thực nghiệm người ta đưa ra phương trình đặc trưng cho quan hệ giữa bề mặt phân chia và các thông số như sau: S.dK = C.ReK0,1 WeK0,5( Trong đó : S : bề mặt tiếp xúc pha riêng (m2 /m3) DK : đường kính cơ cấu khuấy (m) Vf : thể tích pha phân tán (m3) VC : thể tích pha liên tục (m3) C : hằng số phụ thuộc kiểu cơ cấu khuấy: Tuyếc bin 6 cánh thẳng C = 25,9 Chong chóng C = 13,85 Mái chèo 2 cánh đứng C = 18,65 Mái chèo 2 cánh nghiêng C = 13,65 WeK : chuẩn số vê be khuấy WeK = rc : khối lượng riêng của pha liên tục (kg/m3) : sức căng bề mặt giữa 2 pha (H/m) III./ Các phương pháp khuấy trộn 1./ Khuấy trộn bằng cơ khí. a./ Khái niệm: Khuấy trộn bằng cơ khí nghĩa là dùng cánh khuấy. Cánh khuấy có nhiều loại: Cánh khuấy mái chèo: Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ. Thường dùng để hoà tan chất rắn, có khối lượng riêng không lớn lắm. Cánh khuấy chân vịt (chong chóng): Dùng để điều chế dung dịch huyền phù, nhũ tương. Không thể dùng cánh khuấy chân vịt để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy chất lỏng trong đó có các hạt rắn có khối lượng riêng lớn. Cánh khuấy tuyếc bin: Dùng để khuấy chất llỏng có độ nhớt cao đến 5.105cp, để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan các chất rắn nhanh hoặc để khuấy động các hạt rắn đã lắng cặn có nòng độ pha rắn đến 60% Cánh khuấy đặc biệt: dùng trong trường hợp không thể dùngdùng được cánh khuấy mái chèo, chong chóng, tuyếc bin.Thường dùng để khuấy bùn nhão hoặc chất lỏng có độ nhớt rất cao. Đặc trưng của quá trình khuấy trộn là cường độ khuấy và năng lượng tiêu hao. Cường độ khuấy trộn là chất lượng của kết quả khuấy theo thời gian.Cường độ khuấy trộn phụ thuộc vào nhiều yếu tố và cho đến nay vẫn chưa có phương pháp tính toán nào có thể tin cậy để xác định cường độ khuấy trộn. Pờrăngnốpski và Nicôlaiep cường độ khuấy trộn có thể xác định bằng năng lượng tiêu hao của một đơn vị chất lỏng khuấy trộn trong một đơn vị thời gian. Cường độ khuấy trộn được đặc trưng bởi chế độ chuyển động của chất lỏng nghĩa là đặc trưng bởi chuẩn số Re. Nếu ứng dụng khuấy trộn để tạo thành huyền phù thì hiệu suất khuâý được đặc trưng bởi sự phân bố đồng đều của các pha. Hình mô tả cánh khuấy chưa làm việc,các hạt còn nằm ở dưới đáy thiết bị tạo thành một lớp có bề dày không đổi. Hình máy khuấy làm việc đều hoàn toàn, nghĩa là ở bất kỳ điểm nào trong chất lỏng nồng độ pha rắn xc đều như nhau, và bằng: khối lượng trong đó: Vr - thể tích pha rắn Vl - thể tích pha lỏng rr - khối lượng riêng pha rắn rl - khối lượng riêng pha lỏng Nếu quá trình khuấy trộn chưa đạt tới sự phân bố đồng đều, thì nồng độ x ở thời điểm bất kỳ nào đó có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn xc thì tỷ số của hiệu số Dx = x- xcb và 100 - xc đặc trưng cho sự phân bố đồng đều của pha rắn ở điểm mà ta xét. Thí dụ ta lấy m mẫu có trị số dương Dx1 = x1 - xc’ Dx2 = x2 - xc’ Dx3 = x3 - xc’ Dxm = xm - xc đồng thời có n mẫu có trị số âm Dx’1 = x’1 - xc’ Dx’2 = x’2 - xc’ Dx’3 = x’3 - xc’ Dx’n = x’n - xc độ phân bố đồng đều của quá trình khuấy có thể tính theo công thức: Theo phương trình thì độ phân bố đồng đều I có giá trị thay đổi từ 0 đến 1. Nếu khuấy trộn đạt tới sự đều hoàn toàn thì I = 1. b./ Công suất khuấy trộn. b.1./ Công suất làm việc. Khi máy làm việc thì năng lượng tiêu hao dùng để khắc phục ma sát của cánh khuấy với môi trường. Theo Niutơn một vật thể chuyển động tonh môi trường thì ma sát có thể tính theo công thức sau: (N) trong đó: x - hệ số cản (ma sát) phụ thuộc vào chế độ chuyển đồng của môi trường F - diện tích tiết diện hình chiếu của vật chuyển động lên mặt phẳng thẳng góc với phương của tốc dộ chuyển động(m2) W - tốc đọ chuyển động của vật thể trong môi trường (m/s) r1 - khối lượng riềng của môi trường (kg/m3) Nếu lấy một nguyên tố diện tích dF của cánh khuấy mà xét hình ta thấy dF = hdx. Công suất làm việc để khắc phục trở lực môi trường của nguyên tố thể tích cánh khuấy bằng: dNP = wdS (W) Cánh khuấy có 2 mái chèo thì: dS = xhr1w2dx và: w = 2Pnx (m/s) n - số vòng quay trong 1 giây (vng/s) Thay giá trị của dS và w vào phương trình ta có dNP = (2Pnx)3xr1dx lấy tích phân của x từ 0 đến r ta có: NP = x(2P)3n3hr1 (W) (*) Ta thay và h = a.d A - tỷ số của chiều cao và đường kính mái chèo. Phương trình (*) có dạng: NP = Kxr1n3d3 Trong đó: K = 3,87a đặt Kx = xM xM = Trong đó: n - số vòng quay của cánh khuấy (vng/ph) r1 - khối lượng riêng của môi trường(kg/m3) d - dường kính cánh khuấy (m) NP - công suất làm việc (W) xM - hằng số tim bằng thực nghiệm, nó phụ thuộc vào hình dạng cánh khuấy,thùng khuấy, chuẩn số ReM xM = f(ReM) Trong đó: ReM chuẩn số reynôn của trường hợp khuấy ReM = n - số vòng quay của cánh khuấy(vng/ph) d - đường kính cánh khuấy (m) m - độ nhớt của chất lỏng (Ns/m2) Do đó ta có ) Hay A và m là hằng số xác định bằng thực nghiệm Trên hình 6.4(sách cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập 1 trang 196) biểu diễn mối quan hệ xM và ReM về khuấy trộn của các loại cánh khuấy khác nhau. Các loại cánh khuấy này ở trong thiết bị có đường kính D, chiều cao mức chất lỏng H, chiều rộng cánh khuấy b, dường kính cánh khuấy d được xác định (). Nếu cánh khuấy chân vịt thì có tỷ lệ bước xoắn và đường kính cánh khuấy s/d. Theo hình 6.4 ta có thê xác định được hệ số xM rồi thay vào phương trình ta tính được công suất làm việc của máy khuấy. Những giá trị của xM xác định bằng đồ thị hình 6.4 chỉ đúng cho các loại cánh khuấy đồng dạng với các cánh khuấy đã tiến hành thực nghiệm biểu diễn ở hình Nếu cánh khuấy không đồng dạng với cánh khuấy đã tiến hành thí nghiệm thì năng lượng tiêu hao sẽ thay đổi. Trong trường hợp này ta phải nhân hệ số điều chỉnh: Trong đó: là tỷ lệ của mô mhình khuấy b,c - chièu rộng và chiều dài của cánh khuấy l - chiều rộng của tấm ngăn N - số tấm ngăn Trị số của các chỉ số có trong bảng sau LOạI CáNH KHUấY a h K m p r n Loại cánh khuấy mái chèo không tấm ngăn 1,1 0,6 0,3 -- -- -- -- Loại chân vịt và tuyếcbin không có tấm ngăn0,93 0,6 -- 1,5 -- -- -- Loại chân vịt có tấm ngăn 0 0 -- -- 1,7 0,3 0,4 Loại tuyếcbin có tấm ngăn 0 0 -- 1,5 -- 0,3 0,4 b.2/ Công suất mở máy. Khi mở máy năng lượng têu hao dùng để khắc phục lực ỳ của chất lỏng từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động và để khắc phục lực ma sát của chất lỏng với cánh khuấy. Nếu ta gọi NY - Công suất tiêu tốn để khắc phục lực ỳ NS - công suất tiêu tốn để khắc phục lực ma sát Thì công suất mở máy NM bằng NM = NY + NS Công suất dùng để thắng lực ma sát cũng là công suất làm việc của máy Ns = NP = Kxr1n3d5 (w) Công suất tiêu hao để khắc phục lực ỳ của chất lỏng có thể tính theo công thức NY = Krn3d5 Trong đó: K = 3,87a ; a = Vậy công suất mở máy: NM = NY + NS = Krn3d5 + xMrn3d5 NM = (K + xM)rn3d5 (W) Mặt khác công suất mở máy có thể biểu diễn qua công suất làm việc 2./ Khuấy trộn bằng khí nén. Khuấy bằng khí nén dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt thấp. Khí nén thường là không khí được nén qua 1 ống có các lỗ nhỏ. ống này đặt ở tận đáy thiết bị. Không khí chui qua lỗ tạo thành những bọt nhỏ, rồi qua lớp chất lỏng làm cho chất lỏng bị khuấy. để khuấy được đều người ta làm đường ống khí thành vòng, hoặc xoắn ốc, đôi khi làm một dãy ống thẳng đặt song song nhau Khi thiết bị khuấy bằng khí nén cần phải tính áp suất của khí, áp suất này cần để khắc phục trở lực cục bộ, trở lực do chất lỏng trong thiét bị và để tạo áp suất trong ống. áp suất này có thể tính theo công thức: P = Hr1g + rkk + (N/m2) Trong đó: H - chiều cao cột chất lỏng trong thiết bị (m) r1, rkk - khối lượng riêng của chất lỏg và của không khí (kg/m3) w - tốc độ không khí trong ống (thường là 20 á 40 m/s) Sx - tổng hệ số trở lực ma sát và và trởlực cục bộ Trong trường hợp chiều dài đường ống dẫn khí không biết thì có thể coi mất mát áp suất trên đường ống bằng20% trở lực của cột chất lỏng và áp suất có thể tính theo công thức : P = 1,2Hr1g + P0 Lượng không khí tiêu hao xác định theo công thức thực nghiệm V = K f p (m3 /h) Trong đó: f - bề mặt chất lỏng yên lặng trong thiết bị trước khi khuấy (m2) P0 - áp suất không khí (N/m2) K - hệ số thực nghiệm k = 2,4 á 6,0 IV./ Cấu tạo và phạm vi ứng dụng của các loại cơ cấu khuấy 1./ Cơ cấu khuấy kiểu mái chèo. Cơ cấu khuấy kiểu mái chèo đơn giản gồm 2 cánh gắn vào 2 trục quay trong thiết bị Cánh có thể nằm trong cùng một mặt phẳng với trục hoặc nghiêng so với phương ngang một góc a. Có tác dụng làm cho chất lỏng chuyển động dọc trục. Góc a thường có giá trị bằng 300, 450, 600. Kích thước của cánh thường được sử dụng trong giới hạn: dK = (0,5 - 0,7)D ; h = ( 0,08 - 0,12)dK D : dường kính thiết bị Tốc độ đầu mút cánh khuấy chọn phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng cần khuấy. Theo tài liệu của Viện nghiên cứu máy hoá chất Liên xô giới thiệu thì người ta sử dụng trong giới hạn sau: độ nhớt (kg s/m2) Tốc độ 0,0001 - 4 ---- 3 - 2,5 m/s 4 - 8 ---- 2,5 - 1,5 --- 8 - 15 ---- 1,5 - 1 --- Loại này thường được sử dụng để khuấy những hỗn hợp có độ nhớt trung bình, để hoà tan các vật thể rắn vào chất lỏng, để sáo trộn những hạt rắn nhỏ trong chất lỏng với nồng độ không lớn : (< 30%) Khi chiều cao thiết bị lớn> 1) hoặc những chất lỏng có độ nhớt cao thì trên trục phải đặt 2,3 hặc nhiều hơn những đôi cánh lệch nhau một góc 900. khi chất lỏng có độ nhớt cao người ta còn gắn vào thành thiết bị các cánh cố định để tăng cường sáo trộn. Thiết bị có đường kính lớn thì người ta có thể đặt nhiều trục khuấy song song. Lắp cánh khuấy vào trục quay thường có các kiểu sau 2./ Cơ cấu khuấy kiểu khung Loại này bao gồm một số cánh ngang, dọc và chéo kết cấu thành một khung cứng rắn vào trục quay trong thiết bị có kích thước lớn dK = (0,86 -0,94)D h = ( 0,6 - 0,8 ) H z = ( 0,04 - 0,06 )dK Tốc độ làm việc được chọn phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường làm việc như phần mái chèo Cơ cấu khuấy kiểu khung chủ yếu được sử dụng với những thiết bị có kích thước lớn chất lỏng ccó độ nhớt cao, đặc, có nhiều cặn bẩn (>30%) m = 0,1 =100 NS/m2 3./ Cơ cấu khuấy kiểu mỏ neo Loại này có hình dáng phù hợp với đáy thiết bị ngoài ra còn có các thanh ngang,đứng, chéo lắp thành một khung cứng quay trong thiết bị. Cơ cấu khuấy kiểu này có kích thước lớn, chọn như cơ cấu khuấy kiểu khung. Tốc độ làm việc của cơ cấu khuấy cũng phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường làm việc, chọn cũng giống như phần mái chèo. Loại nằy thường được dùng để khuấy những chất lỏng có độ nhớt cao, huyền phù đặc có nhiều cặn bẩn. 4./ Cơ cấu khuấy kiểu chong chóng Cơ cấu khuấy kiểu chong chóng thường có 2, 3 hoặc 4 cánh hình elíp hoặc chữ nhật gắn vào máy với góc nghiêng phù hợp thường là dạng cánh vít kích thước của chong chóng thường được sử dụng trong giới hạn: dK = (0,25 - 0,33) D. Loại này dùng để khuấy các chất lỏng có độ nhớt nhỏ (m < 0,4KGs/m2) ít cặn bẩn, tốc độ vòng của chong chóng lớn, chọn phù hợp với độ nhớt của môi trường. Theo tài liệu của viện nghiên cứu máy hoá chất liên xô thì M = 0,0001 - 0,2 KGs/m2 thì chọn tốc độ vòng của cánh khuấy từ 1,6 - 4,8 m/s Cơ cấu khuấy chong chóng làm việc hâytọ thành phễu trên bề mặt chất lỏng, để khắc phục người ta có thể đặt nghiêng đi một góc thường là 200 hoặc đặt lệch so với tâm một khoảng là D Tỷ số = 0,5 + 1 5./ Cơ cấu khuấy kiểu tuyếc bin a./ Loại guồng hở Loại này có số đôi cánh thường là 2,3 và lớn hơn gắn vào đĩa tròn hoặc vành khăn các kích thước thường được sử dụng theo giới hạn sau: S : d : d1 : 1 : h = 2: 20 : 15 : 54 : 2 Đường kính của guồng d = (0,25 á 0,33) D Cánh có thể là thẳng, cong hoăc hình mũi tên. Nói chung loại cơ cấu khuấy kiểu tuyếc bin cánh hở này được sử dụng cho những chất lỏng có độ nhớt nhỏ, sạch, ít rác bẩn. Tốc độ làm việc lớn từ 3 - 7 m/s b./ Loại guồng kín Loại này làm việc giốg như một bơm ly tâm.chất lỏng được hút vào tâm và văng ra theo phương bán kính. Guồng cấu tạo gồm có 2 đĩa. Khoảng giữa hai đĩa đựoc gắn bằng các cánh cong. Ngoài guồng động ra để tăng cường sự đối lưu người ta còn đặt thêm guồng kín để định hướng Tốc độ làm việc lớn thường từ 3 - 7 m/s Kích thước thường được sử dụng trong giới hạn dK = ( 0,25 - 0,33 ) D Loại này được sử dụng để khuấy trộn những chất lỏng có độ nhớt nhỏ, sạch, ít cặn rác. 6./ Các lại cơ cấu khuấy đặc biệt 7./ Các loại hộp giảm tốc thường sử dụng trong máy khuấy. Yêu cầu các hộp truyền động sử dụng trong máy khuấy phải gọn, nhẹ,dễ lắp ráp. Người ta thường sử dụng các loại sau: Phần v: tính toán Chương : I Tính toán truyền nhiệt 1. Phương trình cân bằng nhiệt : Qh= Qn + Qt + Qm Qn: lượng nhiệt để nâng nhiệt độ của dịch () Qm: Nhiệt nước ngưng ( ) Qt : Tổn thất nhiệt ra bề mặt xung quanh . () Trong đó : A* . Qn = G.Cm(t2- t1 ) ,() + t1: nhiệt độ của dịch khi đưa vào (t1= 250C ) + t2 : nhiệt độ cuối của dịch (t2 = 1000C ) + Cm : nhiệt dung riêng của dịch(). độ Cm= 1.8316 + 0.00031111t ().độ t = (t1 + t2) Cm = 1.87 + G là thể tích thực của dịch . Vthực = VT.( là hệ số chứa đầy = 0.6 0.7) VT = 2000.0,7 = 1400(kg) => G = VT . = 1,4. 1200= 1680 => Qn =1680. 1,87 (1000 – 250) = 235620(kj/kg.độ) B*. Qt = Kt . tt.Ft(kj/kg). Kt : hệ số truyền nhiệt từ trong thùng ra ngoài ( W/m2.0C ) tt : nhiệt độ trung bình (0C ) =( tt – tn ) = ( 1000 – 250 ) = 750 C Ft : diện tích bề mặt truyền nhiệt Qt = Qt1 + Qt2 . Qt1 : Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ở vùng không có lớp cách nhiệt . Qt2 : Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh có lớp cách nhiệt . + Qt1 = Kt1 . t1. Ft1 ( kj/kg) Kt1 = ( W/ m2.0C ) Trong đó : : hệ số cấp nhiệt của chất lỏng . = 3420 ( W/m2.0C ) . - : hệ số cấp nhiệt phía ngoài thiết bị . = 43,2 (W/m2.0C ). - : chiều dày thiết bị =4 (mm) . - : hệ số dẫn nhiệt = 46,5 (W/m2.0C ). => Kt1 = (W/m2.0C ) . Ft1 : diện tích phần thùng không bọc cách nhiệt Ft1 = Fnắp . Fnắp = .R2 = 3,14.0,72 = 1,54( m2 ) Qt1 = Kt1 .t1.Ft1 =43,25.75.1,54 = 4995,375 (kj/kg). + Qt2 = Kt2.t2.Ft2 - Kt2 = (W/m2.0C ) Trong đó : (W/m2.0C ) . : hệ số cấp nhiệt từ bộ phận cách nhiệt ra ngoài (W/m2.0C ) . : chiều dày thiết bị = 0,004 (m) : chiều dày lớp thiết bị bọc bộ phận cách nhiệt = 0,001(m). : chiều dày lớp cách nhiệt =4(m) : hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt = 0,12 (W/m2.0C ) = 46,5(W/m2.0C ). => Kt2 = (W/m2.0C ) - Ft2 : Phần diện tích bọc cách nhiệt . Ft2 = Ftrụ + Fđáy Ftrụ= .D.h = 3,14.1,4.1,2 =5,2 ( m2 ) Fđáy= .R.h1 ( h1=) Fđáy = 3,14. 0,7. 0,73 = 1,6 ( m2 ) Ft2= 5,2 + 1,6 = 6,8 ( m2 ) Qt2=Kt2.t2.Ft2 = 7,2.75.6.8 = 3672 (kj/kg) Vậy ta có : Qt = Qt1+ Qt2 = 4995,375 + 3672 = 8667,375 (kj/kg) C*. Nhiệt lượng nước ngưng : Qnn Qnn= D.Cm. (kj/kg) D: lượng hơi đốt vào thùng. Cm: nhiệt dung riêng của nước ngưng = 1000C. Theo phương trình cân bằng nhiệt ta có : D. + G2.C2.t2đ = G2.C2.t2c + Qt + Qn n => D => D : nhiệt lượng riêng của hơi nước ( j/kg) Chọn = 1467 ( kj/kg) D Qn n= 6,95.1,87.100 =1299,65 (kj/kg) Vậy tổng lượng nhiệt cần là : Q = Qn + Qt + Qm = 235620 + 8667,375 +1299,66 = 245587,035( kj/kg) . Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt : F = (m2) Với : K Trong đó : : hệ số cấp nhiệt của hơi nước. (w/m2.0C ) : hệ số cấp nhiệt của ống ruột gà . (w/m2.0C ) K( w/m2.0C ) t: là nhiệt độ trung bình . t2 = t2đ-t1đ tn= t2c-t1c t1d, , t2c : là nhiệt độ ban đầu và cuối của dịch t1đ =250C t2c =1000C => 0C Vậy diện tích truyền nhiệt của ống xoán ruột gà là . F = Tính số vòng ruột gà F =.dn.L Đường kính ống xoán ruột gà . dn = o,o6 Chiều dài ống xoán ruột gà . L = = 90 (m) Chọn đường kính trung bình của một vòng xoán ruột gà là 5(m) Chiều dài một vòng xoán l =.druột gà = 3,14.5 = 15,7( m ) => Số ống xoán ruột gà : Z = ( vòng) Vậy chọn Z = 6 vòng ruột gà Chương: II Tính toán cơ khí I.Các thông số kích thước của thiết bị : Tỉ lệ bột nước ở quá trình nấu là 1: 5 Khối lượng bột cho một mẻ chọn là : 200 ( kg ) Khối lượng nước là : 200.5 = 1000 (kg) =1m3 Khối lượng dịch là : 1000 + 200 = 1200 (kg) Khi hòa bột vào nướcthể tích tăng không đáng kể xem bằng 1m3 Khối lượng riêng của dịch => =1200 (kg/m3) 1. Kích thước trụ thùng : Thùng có thể tích 2m3 , nên chọn : Chọn : Vtrụ thùng =1,9 m3 Chọn : Htrụ thùng = 1,2 m Mà : Vtrụ thùng = Htrụ thùng . R2 R2 = => R = 0,7 ( m) 2. phần đáy thùng . Để tiện lợi cho quá trình tháo liệu ta phảI làm đáy thùng có hình chóp và chọn góc nghiêng đáy = 150 tg 150 = => h = 0,2 m Vđáy => Vdáy = 0,15 m3 Vthùng = Vtrụ + Vđáy = 1,9 + 0,15 = 2.05 m3 3. Khoảng cánh từ đỉnh thùng đến cánh khuấy đầu tiên : Khi đưa dịch vào . Vđịch = Vthùng. = 1,4 m3 : hệ số chứa đầy ( = 0,6 → 0,7 )Thể tích phần trụ thùng còn lại không chứa dịch là : V1 = 2,05- 1,4 = 0,65 m3 . Khoảng cách từ đỉnh thùng đến mực chất lỏng : h1 = Vậy ta chọn khoảng cách từ đỉnh thùng đến cánh khuấy đầu tiên là x = 0,45 m 4. Khoảng cách từ cánh khuấy cuối cùng đến đáy thùng là y: Ta có : y = ( 0,1→ 0,3) .Dthùng = ( 0,1→ 0.3). 1,4 =( 0,14→ 0,42) m Chọn y = 0,3 m 5. chiều dài trục ở trong thiết bị : Htrục Htrục = 1,2 - 0,3 = 0,9 m 6. Tính số vòng quay của trục : Số vòng quay thích hợp với cánh khuấy là n Trong đó : - dk đường kính cánh khuấy dk = ( 0,5→ 0,7) Dthùng = (0,7 → 0,9) m , Chon dk =0,9 m - Vlà tốc độ vòng quay của cánh khuấy nó phụ thuộc vào độ nhớt . Độ nhớt của dịch bột trong khoảng từ ( 4→ 8) => v nằm trong khoảng từ ( 1,0 → 2,0 ) m/s Vậy : n = ( vòng/ phút ) Chọn : n = 30 ( vòng / phút) II. Tính toán thông số cánh khuấy : → 1.Cánh khuấy mái chèo . Chọn góc nghiêng của cánh khuấy với phương ngang = 45 0 Đường kính cánh khuấy : dk = ( 0,5→ 0,7 ) .Dthùng = ( 0,7→ 0,98 ) m Chọn dk = 0,9 m Chiều cao cánh khuấy là : hk = ( 0,08→ 0,12) dk = ( 0,072→ 0,108 ) m Chọn hk = 0,1 m Chiều dày cánh khuấy là : a1 = ( 0,003 → 0,007 ) .dk =( 0,0027 → 0,0063) m Chọn : a1 = 0,005 m 2 .Cánh khuấy chân vịt . Chọn góc nghiêng của cánh khuấy so với phương ngang là = 300 Đường kính cánh khuấy chân vịt là : dKCV= ( 0,2→ 0,3 ).Dt = (0,28→ 0,42) m Chiều cao cánh khuấy chân vịt : Hcv2 hcv1 hcv1= ( 0,2→ 0,3) dkcv= ( 0,08→ 0,12) m Chọn : hcv1 = 0,12 m Hcv2 = ( 0,1→ 0,2 ) dkcv = ( 0,04→ 0,08) m Chọn : hcv2 = 0,06 m 3. Tính công suất cánh khuấy : a. Tính công suất cánh khuấy mái chèo . *Bề mặt chính diện của máI chèo ding để đẩy chất lỏng : Fch = b.hk.sin450 Với : b = Rk = 0,45 m ( chiều dài của mái chèo) hk = 0,1 m : ( chiều cao của mái chèo ) sin 450 : góc nghiêng của mái chèo Vậy Fch = 0,45.1.sin450 = 0,032( m2) * Tốc độ vòng của trọng tâm mái chèo W0 Trong đó r01 là bán kính trọng tâm mái chèo r01 = 0,45 (m) n = 30 số vòng của cánh khuấy trong 1 phút W01 = 3,14.0,45.30/30 = 1.42 * Khối lượng chất lỏng do máI chèo đẩy đI G ; G = Fch.W01. = 0,032.14,2.1200 = 54,5 kg Trong đó: = 1200 khối lượng riêng của chất lỏng * Mái chèo lúc đầu đứng yên rồi quay với số vòng đã định 30 (vòng/phút) làm cho chất lỏng chuyển động với tốc độ W01 là đã thực hiện được một cân bằng động năng của khối chất lỏng chuyển động hay là : T = (Nm/s) * Công tiêu hao thực tế trên máI chèo dùng để quạt được n vòng trong 1 phút : T1 = ( Nm/s ) Trong đó phụ thuộc tỷ lệ b/h hay chính là Rk/hk theo bảng sau Rk/hk ….. 1 2 4 10 18 > 18 …….1,1 1,15 1,19 1,29 1,4 2,0 Trong trường hợp này trị số Rk/hk trung gian nên tìm bằng cách nội suy Rk/hk = 0,45 / 0,1 = 4,5 1 = 1,2 Vậy : T1 = 1,2.0,032.1,423.1200/2 = 67,1 (Nm/s ) Công dùng cho cánh khuấy mái chèo trong giai đoạn mở máy : N1 = Trong đó : z - số máI chèo cánh khuấy - hiệu suất cơ học của cơ cấu truyền = 1. 2. 3 1 = 0,97 hiệu suất bộ truyền hộp giảm tốc 2= 0,97 hiệu suất của cặp ổ 3 =1 hiệu suất khớp nối = 1. 2. 3 = 0,97.0,97.1 = 0,94 Vậy : N1 = (kw) b. Tính công suất của cánh khuấy chân vít ; * Bề mặt của cánh khuấy chân vịt dùng để đẩy chất lỏng đI : Fcv = R.b.sin 300 Trong đó : R = dcv/ 2 = 0,2 bán kính cánh khuấy chân vịt b = (b1 + b2)/ 2 = (0,06 + 0,12 )/ 2 = 0,09 (m) Vậy : Fcv = 0,2.0,09.0,5 = 0,009 (m2) * Tốc độ vòng của trọng tâm cánh khuấy chân vịt W02 W 02 = Trong đó : r02 = 0,2 bán kính trọng tâm chân vịt Vậy : W02 = 0,2.3,14.30/30 = 0,63 * Khối lượng do chân vịt đẩy đI là G’ : G’ = Fcv.W02. = 0,009.0,63.1200 = 6,8 (kg) * Công tiêu hao trên cánh khuấy chân vịt để đẩy chất lỏng đi là T1’ = ( Nm/s ) Rcv/b = 0,2/0,09 = 2,2 2 = 1,16 T1’ = 1,16.0,009.0,633.1200/2 = 3,08 ( Nm/s ) Công mở máy cho chân vịt là N2 : N2 = = (kw) 4.Tính trục : * Mô men xoắn trên trục ; -Tại cánh khuấy mái chèo : N1 = 0,15 kw P1 = 973600. ( Ncm) Trong đó : + tính theo kw + n tính theo vòng/ phút + P tính theo Ncm P1 = 973600. = 4868 (Ncm) = 486800 (Nmm) -Tại cánh khuấy chân vịt : N2 = 0,01 kw P2= 973600. = 324,5 (Ncm) = 32450 (Nmm) * Tính chọn đường kính trục ; Thiết kế trục là loại trục rỗng có ; dtrong/ dngoài = 1/ 2 = k Chọn vật liệu chế tạo thép CT5 có = 600 Mpa ứng suất xoắn cho phép - 30Mpa * Xác định đường kính trục quay : Đường kính trục quay được xác định chỉ bằng Mômen xoắn theo công thức : dtrục > chọn [ ] = 15 Mpa Ta có ; dtrục > (mm ) Chọn đường kính ngoài của trục : dtrục = 60 (mm) Nên đường kính trong dtrong = 30 (mm) 5. Công suất khuấy theo thực nghiệm là N N = 0,01.A.dk4,56.n2,78. (kw) Trong đó : A – hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào kiểu cánh khuấy tra bảng 6.2 sách “ các quá trình ,thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm “ tập 2 của tác giả Nguyễn Bịn .chọn A = 4,05 dk - đường kính cánh khuấy (m) n – số vòng quay trong 1 s - độ nhớt dịch (N.s/m2) chọn = 6 (N.s/m2) - khối lượng riêng của dịch ( kg/m3 ) N = 0,01. 4,05.0,94,56.0,52,78 = 1,4 kw Tra bảng cho động cơ : Chọn động cơ cú kí hiệu : K100L4, có công suất 1,5kw, 50Hz Có số vòng quay : 1425 vòng/ phut. 220V/ 380V 6.ính chọn hộp giảm tốc : Do động cơ có số vòng quay là : n = 1425 vg/ph Trục quay có số vòng quay là 30 vg/ph Nên tỉ số truyền của hộp giảm tốc là : u = 1425 / 30 = 47,5 Chọn hộp giảm tốc bánh vít 1 cấp : Trục vít có mối ren : Z1 = 2 Bánh vít có số răng : Z2 = u.Z1 = 47,5.2 = 95 Như vậy ,chọn hộp giảm tốc bánh vít_trục vít có 2 mối ren .bánh vít có 95 răng đầu vào của động cơ vuông góc với đầu ra của trục . tài liệu tham khảo 1.Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy tập I và II. Nhà xuất bản giáo dục 2.Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập I và II. Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp. 3.Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập I và II. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 4.Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm. Thiết kế chi tiết máy. Nhà xuất bản giáo dục. 5.Các quá trình công nghệ cơ bản trong quá trình sản xuất thực phẩm. Khoa Hoá thực phẩm và công nghệ sinh học trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,1996. 6. Máy và thiết bị sản xuất hoá chất. 7. Máy khuấy trộn ép cán.