Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm: Phần 2 - NXB Đà Nẵng

PHẦN II. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ, CHẾ BIẾN THỰC PHẨM<br /> Chương 3. PHÂN RIÊNG HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT<br /> 1. KHÁI NIỆM HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT<br /> 1.1. Đặc trưng của hệ không đồng nhất<br /> Hệ không đồng nhất là hệ có ít nhất 2 pha:<br /> - Pha phân tán, còn gọi là pha trong (pha nội) gồm những hạt rắn hoặc lỏng phân tán<br /> trong môi trường khí hoặc lỏng.<br /> - Pha liên tục còn gọi là pha ngoài (pha ngoại), chính là môi trường lỏng hoặc khí trong<br /> đó chứa những hạt của pha phân tán.<br /> 1.2. Phân loại hệ không đồng nhất<br /> <br /> 1.2.1. Hệ khí không đồng nhất<br /> Hệ khí không đồng nhất là hệ gồm các hạt rắn hoặc lỏng phân tán trong môi trường khí.<br /> Trong công nghiệp người ta chia hệ khí không đồng nhất thành 2 nhóm:<br /> - Hệ khí không đồng nhất cơ học: Các hạt phân tán hình thành do sự va đập và vỡ vụn<br /> của các hạt rắn hoặc lỏng. Hệ này thường gọi là hệ bụi. Kích thước hạt bụi thường vào khoảng<br /> 5-50 μm.<br /> - Hệ khí không đồng nhất ngưng tụ: Các hạt phân tán tạo thành do khí hoặc hơi ngưng<br /> tụ hoặc do tác dụng hóa học. Nếu hạt hình thành là hạt rắn thì hệ khí không đồng nhất này gọi<br /> là hệ khói. Nếu hạt hình thành là hạt lỏng thì hệ khí không đồng nhất đó gọi là hệ mù. Kích<br /> thước hạt của hệ khói và hệ mù khoảng 0,3- 0,001μm.<br /> Tuy nhiên trong hệ khí không đồng nhất ngưng tụ vẫn có các hạt có kích thước lớn hơn<br /> kích thước các hạt trong hệ khí không đồng nhất cơ học và ngược lại.<br /> <br /> 1.2.2. Hệ lỏng không đồng nhất<br /> Hệ lỏng không đồng nhất là hệ gồm có các hạt rắn, lỏng hoặc khí phân tán trong môi<br /> trường lỏng.<br /> Căn cứ vào thành phần pha phân tán mà người ta phân hệ lỏng không đồng nhất làm 3<br /> loại là: huyền phù, nhũ tương và hệ bọt.<br /> - Hệ huyền phù là hệ gồm các hạt rắn phân tán trong môi trường lỏng.<br /> Đối với hệ huyền phù, tùy theo kích thước của hạt rắn mà người ta chia thành các hệ<br /> sau:<br /> +Huyền phù thô là huyền phù mà trong đó các hạt rắn có kích thước lớn hơn 100μm.<br /> +Huyền phù mịn là huyền phù mà trong đó các hạt rắn có kích thước từ 100 - 0,5μm.<br /> +Chất lỏng đục là huyền phù mà trong đó các hạt rắn có kích thước từ 0,5 – 0,1μm.<br /> +Dung dịch keo cũng là huyền phù mà các hạt rắn có kích thước nhỏ hơn 0,1 μm.<br /> - Nhũ tương là hệ gồm các hạt lỏng phân tán trong môi trường lỏng. Hệ nhũ tương<br /> không bền vững, dễ bị phân lớp, chất lỏng nào có khối lượng riêng nhỏ thì nổi lên trên, chất<br /> lỏng nào có khối lượng riêng lớn thì ở lớp dưới. Muốn cho nhũ tương bền vững ta phải cho<br /> vào nhũ tương một chất trợ nhũ tương. Chất này sẽ tạo thành một lớp vỏ bảo vệ xung quanh<br /> các hạt chất lỏng không cho chúng liên kết lại với nhau. Đặc điểm của hệ nhũ tương là pha<br /> phân tán có thể chuyển thành pha liên tục và ngược lại tùy thuộc vào nồng độ các hạt phân<br /> tán.<br /> <br /> 90<br /> <br /> - Hệ bọt là hệ gồm các hạt khí hoặc hơi phân tán trong mội trường lỏng. Hệ bọt không<br /> bền, muốn hệ bọt bền phải thêm vào đó chất ổn định bọt.<br /> 2. LẮNG<br /> 2.1. Khái niệm về lắng<br /> Lắng là một quá trình tách các hạt rắn ra khỏi hệ khí không đồng nhất (hệ bụi) hoặc hệ<br /> lỏng không đồng nhất (hệ huyền phù), nhờ tác dụng của trọng lực hoặc của lực ly tâm.<br /> - Lắng bằng trọng lực: Dưới tác dụng của trọng lực, hạt rắn trong huyền phù hoặc hệ bụi<br /> sẽ lắng xuống đáy thiết bị tạo thành lớp bã (cặn), còn chất lỏng trong hoặc khí sạch ở phía<br /> trên.<br /> - Lắng bằng lực ly tâm: Dưới tác dụng của lực ly tâm sinh ra khi dòng chất lỏng (hoặc<br /> khí) chứa các phần tử rắn chuyển động quay tròn trong thiết bị có đáy hình nón, các hạt rắn<br /> sẽ văng ra phía thành thiết bị và chuyển động men theo thành thiết bị rồi tập trung ở đáy, chất<br /> lỏng trong (hoặc khí sạch) thoát ra ngoài ở cửa phía trên thiết bị ở phía trên chẳng hạn như<br /> cyclon lỏng, bể lắng xoáy hình côn.<br /> Lắng được áp dụng trong các nhà máy sản xuất đường (làm trong nước mía), nhà máy<br /> sản xuất tinh bột (tách dịch bào ra khỏi tinh bột), nhà máy sữa (tinh chế sữa bột), xử lý và làm<br /> sạch nước, v.v…<br /> 2.2. Lắng dưới tác dụng trọng lực<br /> <br /> 2.2.1. Vận tốc lắng<br /> <br /> Vận tốc không đổi của vật rơi trong môi trường khí hay lỏng gọi là vận tốc lắng, ký hiệu<br /> ω0, đơn vị đo là [m/s].<br /> Công thức tính vận tốc lắng:<br /> <br /> ω0 =<br /> <br /> 4 gd h ( ρ − ρ 0 )<br /> 3ξρ 0<br /> <br /> (3.1)<br /> <br /> Trong đó ξ là hệ số trở lực, là một hàm của Re<br /> Trong trường hợp lắng dưới tác dụng trọng lực, ở chế độ chảy dòng thì vận tốc lắng<br /> được tính theo công thức:<br /> <br /> ω0 =<br /> <br /> d h2 g ( ρ h − ρ 0 )<br /> 18µ 0<br /> <br /> (3.2)<br /> <br /> Trong đó: dh - đường kính hạt, m<br /> ρh, ρ0 - khối lượng riêng của hạt, khối lượng riêng của môi trường, kg/m3.<br /> μ0 - độ nhớt động lực của môi trường, Ns/m2.<br /> Tốc độ lắng của hạt rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, khối lượng riêng,<br /> hình dáng và mức độ phân tán của các hạt rắn.<br /> <br /> 2.2.2. Năng suất lắng<br /> Năng suất lắng là lượng chất lỏng trong thu được trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là<br /> V, đơn vị đo là m3/h<br /> Công thức tính năng suất lắng:<br /> V = 3600F0ω0<br /> (3.3)<br /> 3<br /> Trong đó: V - Năng suất lắng, m /h<br /> F0 - Diện tích bề mặt thiết bị lắng, m2<br /> ω0 - Tốc độ lắng của hạt rắn, m/s<br /> <br /> 91<br /> <br /> Theo phương trình (3.3), năng suất thiết bị lắng chỉ phụ thuộc vào tốc độ lắng và diện<br /> tích tiết diện ngang của thiết bị lắng mà không phụ thuộc vào chiều cao thiết bị. Vì vậy, người<br /> ta thường chế tạo thiết bị lắng có tiết diện ngang lớn hoặc thiết bị lắng có nhiều tầng.<br /> Nếu ta gọi:<br /> V1 - thể tích chất lỏng có trong huyền phù đi vào thiết bị lắng, m3/h<br /> V2 - thể tích chất lỏng có trong lớp cặn, m3/h<br /> x1 - nồng độ chất rắn trong huyền phù đi vào thiết bị lắng, kg cặn khô/m3 chất lỏng<br /> x2 - nồng độ chất rắn trong lớp cặn sau khi lắng, kg cặn khô/m3 chất lỏng<br /> Nếu lắng hoàn toàn và không có mất mát thì lượng cặn khô trước khi lắng và sau khi<br /> lắng bằng nhau, ta có:<br /> V1.x1 = V2.x2<br /> (3.4)<br /> V2 = V1.x1/x2<br /> Ta có: V1 = V + V2<br /> hay V = V1 - V2<br /> (3.5)<br /> Thay (3.4) vào (3.5), ta được:<br /> <br /> x1<br /> x <br /> = V1 1 − 1 <br /> x2<br /> x2 <br /> <br /> Thay (3.3) vào (3.6), ta được:<br /> V = V1 − V1<br /> <br /> (3.6)<br /> <br /> <br /> x <br /> (3.7)<br /> 3600F0 ω0 = V1 1 − 1 <br /> x2 <br /> <br /> Dựa vào công thức (3.7) ta có thể kiểm định tốc độ lắng (ω0) của hạt rắn trong thiết bị<br /> lắng trong quá trình sản xuất hoặc để tính năng suất lắng sau khi có được các số liệu ω0, x1,<br /> x2, F0.<br /> Ví dụ: Một thiết bị lắng nước mía hỗn hợp có 3 tầng, diện tích lắng mỗi tầng là 28,8 m2,<br /> lưu lượng nước mía hỗn hợp đi vào thiết bị lắng là 90 m3/h. Nồng độ chất rắn trong nước mía<br /> hỗn hợp là 10 gam/lít, nồng độ chất rắn trong lớp cặn sau khi lắng (nước bùn) là 40 gam/lít.<br /> Cho biết khối lượng riêng của nước mía hỗn hợp là 1,05 gam/lít. Hãy tính tốc độ lắng của hạt<br /> rắn ở trong thiết bị.<br /> Giải:<br /> Theo đề bài, ta có:<br /> Thể tích chất lỏng trong nước mía hỗn hợp: V1 = 90 m3/h<br /> Diện tích của thiết bị lắng: F0 = 28,8 m2 x 3 = 86,4 m2<br /> x1 = 10 gam/lít = 10 kg/m3 ; x2 = 40 gam/lít = 40 kg/m3<br /> <br /> x <br /> 1 − 1 <br /> x2 <br /> <br /> Thay số liệu vào công thức trên ta có được vận tốc lắng<br /> 90<br />  10 <br /> ω0 =<br /> 1 −  = 0,000217 m/s = 0,78 m/h<br /> 3600.86,4  40 <br /> Để đơn giản cho việc nghiên cứu, ta xem rằng hạt rắn có dạng hình cầu, kích thước và<br /> khối lượng không đổi trong quá trình lắng.<br /> <br /> Từ công thức (3.7), ta được: ω0 =<br /> <br /> V1<br /> 3600F0<br /> <br /> 2.2.3. Thiết bị lắng trọng lực<br /> <br /> - Thiết bị lắng huyền phù dưới tác dụng của trọng lực<br /> Trong sản xuất thực phẩm, quá trình lắng huyền phù bằng trọng lực thường được tiến<br /> hành trong các bể lắng, thùng lắng, máng lắng. Thùng lắng được dùng phổ biến trong công<br /> 92<br /> <br /> nghiệp sản xuất đường saccharose như thùng lắng, máng lắng (dùng để lắng tinh bột - hiện<br /> nay ít dùng)<br /> Thùng lắng là một thùng hình trụ đứng, có đáy hình nón. Bên trong thùng có một trục,<br /> trên đó có gắn cánh khuấy, trên cánh khuấy có gắn các răng dùng để cào bã. Trục quay với tốc<br /> độ chậm, khoảng ½ vòng/phút. Huyền phù liên tục cho vào thùng lắng, chất lỏng trong tràn<br /> vào một máng ở phía trên bên trong thùng rồi theo ống dẫn ra ngoài. Bã lắng xuống đáy hình<br /> nón, được các răng cào đưa vào hộc chứa bùn ở giữa thùng rồi theo ống tự chảy hoặc được<br /> bơm hút bùn tháo ra ngoài. Thiết bị lắng răng cào có thể là loại một tầng hoặc nhiều tầng, mỗi<br /> tầng xem như một thùng lắng một tầng (hình 3.1).<br /> - Thiết bị lắng bụi dưới tác dụng của trọng lực<br /> Buồng lắng bụi có cấu tạo dạng hộp, không khí vào một đầu và ra đầu kia (hình 3.3).<br /> Nguyên tắc tách bụi của buồng lắng bụi chủ yếu là:<br /> - Giảm tốc độ hỗn hợp không khí và bụi một cách đột ngột khi vào buồng. Các hại bụi<br /> mất động năng và rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực.<br /> - Dùng các vách chắn, vách ngăn để làm rẽ ngoặt dòng không khí lẫn bụi khi chuyển<br /> động trong buồng đồng thời khi va đập vào các vách, hạt bụi bị mất động năng và rơi xuống<br /> đáy buồng.<br /> 1. Đỉnh thiết bị<br /> 2. Thân thiết bị<br /> 3. Đĩa nghiêng<br /> 4. Cơ cấu tay gạt<br /> 5. Ống vòng<br /> 6. Đáy thiết bị<br /> 7.Cửa tháo bùn<br /> 8. Bàn đáy<br /> 9. Ống quan sát<br /> nước bùn nhỏ<br /> 10.Bể đựng nước<br /> mía trong<br /> 11. Hệ thống lấy<br /> nước trong<br /> 12.Ống thoát khí<br /> nhỏ ở các tầng<br /> 13.Trục ống<br /> trung tâm<br /> 14.Ống thoát khí<br /> lớn<br /> 15. Bộ truyền<br /> động<br /> <br /> Hình 3.1. Thiết bị lắng huyền phù nhiều tầng<br /> Để lắng được bụi thì yêu cầu chiều dài của phòng lắng phải bảo đảm sao cho thời gian<br /> dòng khí đi qua phòng ít nhất phải bằng thời gian lắng của hạt bụi kích thước nhỏ nhất và vận<br /> tốc dòng khí không quá lớn nhằm tránh lôi kéo hạt bụi đã lắng.<br /> Ký hiệu:<br /> 93<br /> <br /> L, H, B – lần lượt là chiều dài, chiều cao và chiều rộng của phòng, m<br /> u – tốc độ dòng khí, m/s<br /> v – tốc độ lắng của hạt, m/s<br /> F0 = L.B – diện tích tiết diện đáy phòng lắng, m2<br /> F = H.B – diện tích tiết diện ngang phòng lắng, m2<br /> Năng suất phòng lắng là:<br /> Vs = u.F = u. B.L<br /> Để bảo đảm yêu cầu lắng được bụi thì phòng lắng thỏa mãn:<br /> hay<br /> <br /> (3.8)<br /> <br /> Thay vào công thức tính năng suất, ta được: Vs = F0 v0<br /> (3.9)<br /> Dựa vào phương trình (3.8) và (3.9) ta tính được kích thước phòng lắng khi biết năng<br /> suất và vận tốc lắng.<br /> Các loại thiết bị lắng nhờ trọng lực, có nhược điểm là cồng kềnh, hiệu suất thấp<br /> <br /> Hình<br /> 3.33.4.<br /> Buồng<br /> lắnglắng<br /> Hình<br /> Đường<br /> 2.3. Lắng dưới tác dụng lực ly tâm<br /> <br /> 2.3.1. Lắng bụi nhờ lực ly tâm (cyclon)<br /> Thiết bị lắng bụi cyclon là thiết bị được sử dụng tương đối phổ biến để tách hạt rắng ra<br /> khỏi khí. Cấu tạo của cyclon (hình 3.4) gồm có thân hình trụ 2, cửa dẫn khí bụi 1 đặt tiếp<br /> tuyến với thân 2, trên thân hình trụ có nắp đậy. Ở giữa nắp có lỗ để bố trí đoạn ống hình trụ<br /> nhỏ 4 để đẫn khí ra. Phía dưới phần hình nón 3 có ống tháo bụi 5a và bên trong có van chắn<br /> 5b để giữ bụi trong khi cyclon làm việc.<br /> - Nguyên lý làm việc<br /> Nguyên lý làm việc của thiết bị lắng bụi kiểu cyclon là lợi dụng lực ly tâm sinh ra khi<br /> dòng không khí chuyển động quay tròn trong thân thiết bị để tách bụi ra khỏi không khí.<br /> Cho khí có lẫn bụi chuyển động với tốc độ lớn (20 – 25m/s) theo cửa 1 vào cyclon<br /> theo phương tiếp tuyến. Khi vào trong cyclon, dòng khí chuyển động quay tròn và sinh ra lực<br /> ly tâm. Dưới tác dụng của lực ly tâm, các hạt bụi văng ra phía thành của cyclon và chuyển<br /> động men theo thành của cyclon và rơi xuống đáy hình nón, tích tụ ở đó rồi thỉnh thoảng được<br /> lấy ra ngoài. Một phần khí đi vào đoạn ống 4 và tiếp tục chuyển động quay đi ra ngoài, phần<br /> khí còn lại chuyển động quay tròn xuống thân hình nón nhưng bán kính quay càng nhỏ dần<br /> nên tạo thành dòng xoáy lốc đi ngược lên theo đường tâm hình trụ rồi qua ống hình trụ nhỏ 5<br /> ra ngoài.<br /> - Yếu tố phân ly ly tâm<br /> 94<br /> <br />