Tài liệu Giáo trình kĩ thuật thực phẩm 1 (nghề công nghệ thực phẩm cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH (Ban hành kèm theo Quyết định số /QĐ-CĐCĐ ngày tháng năm 2017 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp) MÔN HỌC: KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1 NGÀNH, NGHỀ: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Đồng Tháp, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Giáo trìn này được biên soạn theo hướng tích hợp kiến thức và kỹ năng cần có của nghề công nghệ thực phẩm. Giáo trình đã cập nhật kiến thức tổng quát về cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng trong chế biến thực phẩm. Để hoàn thiện giáo trình này tôi đã nhận được ý kiến đóng góp của các cán bộ kỹ thuật, công ty và doanh nghiệp, quý thầy cô và Lãnh đạo Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp. Tôi xin gởi lời cảm ơn đến các cán bộ kỹ thuật, các công ty và doanh nghiệp, Lãnh đạo Trường và quý thầy cô đã tham gia đóng góp ý kiến để giúp tôi hoàn thành giáo trình này. Trong quá trình biên soạn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, hỗ trợ từ các cán bộ kỹ thuật, các công ty và doanh nghiệp, đồng nghiệp để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Đồng Tháp, ngày 15 tháng 8 năm 2017 Chủ biên Trần Hồng Tâm i MỤC LỤC  Trang LỜI GIỚI THIỆU ...........................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii GIÁO TRÌNH MÔN HỌC KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1 .........................................1 Chƣơng 1: ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN ....................................................................2 1. Định nghĩa một số thuật ngữ .......................................................................................2 2. Các hệ thống đo đạt: ....................................................................................................2 3. Hệ thống đơn vị quốc tế SI ..........................................................................................2 4. Chuyển đổi đơn vị .......................................................................................................3 CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ......................................................................7 1. Khái niệm cân bằng vật chất: ......................................................................................7 2. Các nguyên tắc cơ bản .................................................................................................7 CHƢƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG .............................................................18 1. Các nguyên tắc chung:...............................................................................................18 2. Các thuật ngữ năng lượng..........................................................................................18 3. Các đặc tính của hơi bão hoà và hơi quá nhiệt ..........................................................21 4. Cân bằng năng lượng .................................................................................................24 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................33 ii GIÁO TRÌNH MÔN HỌC KĨ THUẬT THỰC PHẨM 1 Tên môn học/mô đun: Kĩ thuật thực phẩm 1 Mã môn học, mô đun: CCN 202 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/ mô đun: - Vị trí: Môn cơ sở ngành. - Tính chất: Môn bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: Môn học trang bị kiến thức cơ bản về cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng dùng trong chế biến thực phẩm. Mục tiêu của môn học/ mô đun: - Về kiến thức: Giúp sinh viên + Biết được các khái niệm về đơn vị và thứ nguyên. + Hiểu được các nguyên lý cơ bản của cân bằng vật chất và năng lượng trong quá trình chế biến thực phẩm. + Trình bày được các khái niệm cơ sở của quá trình truyền khối (khuếch tán, trích lý, thẩm thấu) trong thực phẩm. - Về kỹ năng: + Tính toán được thành phần khối lượng, năng lượng trong chế biến thực phẩm. + Phân tích và đánh giá tác động của quá trình truyền khối (khuếch tán, trích ly, thẩm thấu) lên chất lượng sản phẩm và hiệu quả làm việc trong chế biến thực phẩm. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Khả năng giao tiếp, có thể làm việc độc lập và làm việc nhóm hiệu quả. + Trung thực, kỹ luật, tinh thần trách nhiệm, đạo đức nghề nghiệp và khả năng thích nghi. Nội dung của môn học/mô đun: Thời gian (giờ) Số TT Tên chƣơng, mục Thực hành, Tổng số Lý thuyết thínghiệm, thảo Kiểm tra luận, bài tập 1 Chương 1: Đơn vị và thứ nguyên 9 6 2 1 2 Chương 2: Cân bằng vật chất 13 10 2 1 3 Chương 3: Cân bằng năng lượng 38 11 26 1 60 27 30 3 Cộng 1 Chƣơng 1: ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN Mã Chƣơng: 1 Giới thiệu: Kiến thức cơ bản về các hệ thống đo lường đang sử dụng trên thế giới và các đơn vị đo lường thường dùng trong kỹ thuật. Mục tiêu: Trình bày các hệ thống đơn vị và biết chuyển đổi giữa các hệ thống đơn vị. 1. Định nghĩa một số thuật ngữ - Thứ nguyên (Dimension): được dùng để định rỏ một tính chất vật lý xét đến. Ví dụ: thời gian, khoảng cách, khối lượng. - Đơn vị (Unit): được dùng để định rõ độ lớn hoặc kích cỡ của thứ nguyên xét đến. Ví dụ: m cho chiều dài, kg cho khối lượng. - Đơn vị cơ bản (Base unit): là các đơn vị độc lập thứ nguyên. Nó được dùng để định rỏ chỉ một thứ nguyên. Ví dụ: các đơn vị của chiều dài, khối lượng và thời gian. - Đơn vị chuyển hoá (Derived units): là một hỗn hợp của các thứ nguyên khác nhau. Ví dụ: đơn vị của lực bao gồm thứ nguyên của khối lượng, chiều dài và thời gian. * Nhƣ vậy: + Thứ nguyên: là khái niệm cơ bản để đo lường như: công, diện tích, vận tốc, khối lượng... + Đơn vị: là khái niệm để diễn tả thứ nguyên như: kg, m... 2 Các hệ thống đo đạt: Có 3 hệ thống đo đạc sử dụng phổ biến trên thế giới là: - Hệ AES (American Engineering System): là hệ thống do lường Anh-Mỹ. - Hệ CGS (viết tắt của 3 đơn vị cơ bản là: cm, g, s). - Hệ SI (cải tiến của hệ CGS) (1960): hệ thống đo lường này được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay. 3 Hệ thống đơn vị quốc tế SI 3.1 Các đơn vị trong hệ SI và ký hiệu của chúng Hệ đo lường quốc tế SI: là hệ đo lường được sử dụng rộng rãi nhất. Nó được sử dụng trong hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các nước trên thế giới. * Một số đơn vị cơ bản trong hệ đo lường quốc tế SI: - Đơn vị đo chiều dài: mét (m) 2 - Đơn vị đo khối lượng: kilogam (kg) - Đơn vị đo thời gian: giây (s) - Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe (A) - Đơn vị đo nhiệt độ độ: Celsius (oC) hay Kelvin (K) 3.2 Một số điều cần chú ý khi sử dụng hệ thống đơn vị SI Điểm chủ yếu của hệ SI là biểu thức của bất kỳ thứ nguyên trong các thuật ngữ đều có đơn vị cơ bản là: mét, kilogam và giây. Nhiều đại lượng vật lý đã được qui ước tên, cũng có thể được biểu diễn trong các số hạn của các đơn vị cơ bản khi được sử dụng trong một phương trình thứ nguyên. Khi sử dụng đúng, tính liên kết của SI đảm bảo tính chắc chắn thứ nguyên, khi tất cả các đại lượng sử dụng cho sự thay đổi vào trong một phương trình là các đơn vị SI. 4. Chuyển đổi đơn vị 4.1 Phƣơng trình thứ nguyên (Dimensional Equation) Một phương trình mà chứa cả số và đơn vị của nó được gọi là một phương trình thứ nguyên. Các đơn vị trong một phương trình thứ nguyên được xử lý giống như các số hạng đại số. Tất cả các phương trình toán học thực hiện trên các chữ số cũng phải thực hiện trên các đơn vị tương ứng của nó. Ví dụ: 4m2  16m 2  J  kg  K  J   10kg 5K   5105   250J  kg  K   kg  K   và 5 4.2 Chuyển đổi đơn vị bằng cách dùng phƣơng trình thứ nguyên Xác định các hệ số chuyển đổi thích hợp, để sử dụng trong sự chuyển đổi các đơn vị được dễ dàng bởi phương trình thứ nguyên. Trình tự sau đây có thể được sử dụng để thành lập phương trình thứ nguyên cho sự chuyển đổi: (1) Đặt các đơn vị của đáp số phía bên trái của phương trình. (2) Số đang được biến đổi và đơn vị của nó là sự đưa vào đầu tiên phía bên phải của phương trình. (3) Thành lập các hệ số chuyển đổi như một tỷ lệ. 3 (4) Nhân liên tục các các hệ số chuyển đổi chẳn hạn như: các đơn vị ban đầu được rút gọn một cách có hệ thống bởi sự khử và thay thế vào chổ cũ với các đơn vị thích hợp. Ví dụ 1.1: Chuyển đổi BTU/(lb. oF) sang J/(g . K). Giải J BTU   hệ số chuyển đổi thích hợp g  K lb 0 F Tử số J bên trái tương ứng với BTU phía bên phải của phương trình. Hệ số chuyển đổi là 1055 J/BTU. Vì đơn vị thích hợp có J trong tử số nên hệ số chuyển đổi phải có J trong tử số. Hệ số 9,48 x 104 BTU/J có được từ tra bảng, nhưng sẽ được đưa vào là J/9,48 x 104 BTU trong phương trình thứ nguyên. Các hệ số khác cần là 2,2046 x 103 lb g hoặc lb/453,6 g và 1,8 0F/K. Phương trình thứ nguyên là: J BTU 1054,8 J 2,2046 103 lb 1,80 F  0 g  K lb  F BTU g K Hình thức nữa của phương trình thứ nguyên là: J BTU J lb 1,80 F  0 g  K lb F 9,4810-4 BTU 453,6 g K Khử các đơn vị và chuyển sang các phương trình số học: J BTU  0  4,185 g  K lb F Ví dụ 1.2: Nhiệt mất đi qua các thành của lò điện là 6500 BTU/h. Nếu lò hoạt động trong 2 h thì có bao nhiêu kW.h điện sẽ được sử dụng để duy trì nhiệt độ lò (nhiệt vào = nhiệt mất đi)? Giải Để giải bài tập này, cần diễn đạt lại câu hỏi. Chế độ cung cấp 6500 BTU/h cho 2 h thì cần bao nhiêu kW.h? Công suất là năng lượng/thời gian. vì vậy, tích của công suất và thời gian là lượng năng lượng. Năng lượng BTU thì được biến đổi thành J. 4 Phương trình thứ nguyên là: J 6500 BTU 2h 1054,8 J h BTU W  J / s; vì vậy, W  s  J, kW  h  kW  h  W  s 1 kW 1 h 1000 W 3600 s 6500 BTU 2 h 1054,8 J kW h h BTU 1000 W 3600 s kW.h  3,809 Một phương trình thứ nguyên nữa để lựa chọn là: kW  h  6500 BTU 2 h h 1,757 10 -2 kW  3,809 h 60 min BTU / min Ví dụ 1.3: Một bảng cho độ nhớt của nước ở các nhiệt độ khác nhau lập thành danh sách độ nhớt ở đơn vị lb/(ft  h). Xác định đơn vị SI thích hợp và tính hệ số chuyển đổi. Đơn vị gốc có đơn vị của khối lượng (lb), khoảng cách (ft), thời gian (h). Các đơn vị cơ bản SI tương đương sẽ là kg/(m  s). Giải Phương trình thứ nguyên cho sự chuyển đổi là: kg lb   hệ số chuyển đổi m  s ft  h = lb lb 1 kg 3,281 ft 1 h   4,13 104 m 3600 s ft  h ft  h 2,2046 lb Độ nhớt trong SI cũng được biểu diễn theo Pas. Thấy rằng, điều này có các đơn vị cơ bản tương tự như trong ví dụ trước. Pa  s  kg  m s kg N s 2  2 2 m s m s m Bài tập Chƣơng 1 Bài 1: Sữa chảy đầy trong đường ống d = 1,8 cm và làm đầy một tank chứa có đường kính 12,4 ft3 trong thời gian 1h. Tính vận tốc của dòng sữa trong đường ống theo đơn vị m/s. Bài 2: Hòa tan 20 kg NaCl và 100 kg H2O được dung dịch có khối lượng riêng 1323 kg /m3. Tính nồng độ của dung dịch theo các đơn vị: - Phần Trăm khối lượng. 5 - Phần trăm thể tích. - Phần mol. Nồng độ mol. 6 CHƢƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Mã Chƣơng: 2 Giới thiệu: Các kiến thức về cân bằng vật chất ứng dụng trong chế biến thực phẩm Mục tiêu: Trình bày kiến thức cơ bản về cân bằng vật chất dùng trong các quá trình chế biến thực phẩm. Tính toán được khối lượng của dòng đi vào và dòng đi ra trong quá trình sản xuất, tính được tỉ lệ và thành phần để có thể kiểm soát quá trình sản xuất. 1 Khái niệm cân bằng vật chất: - Giúp chúng ta tính được thành phần, khối lượng mà chúng ta không đo đạc trực tiếp được, cũng như đặc điểm của quá trình sản xuất. - Giúp chúng ta thiết kế, ấn định các kích thước của thiết bị cũng như khả năng hoạt động của thiết bị truyền nhiệt. 2 Các nguyên tắc cơ bản 2.1 Định luật bảo toàn vật chất Cân bằng vật chất dựa trên qui luật là vật chất không tự sinh ra và cũng không tự mất đi. Vì vậy, trong nhiều quá trình sản xuất, cân bằng vật chất có thể được thực hiện như sau: Vật chất vào hệ thống = Vật chất ra khỏi hệ thống + Vật chất tích lũy trong hệ thống Vật chất vào hệ thống có thể gồm sự tạo thành vật chất bằng phản ứng hoá học hoặc quá trình phát triển của vi sinh vật, và dòng ra có thể gồm sự tiêu hao vật chất bởi phản ứng hoá học hoặc phản ứng sinh học. Nếu hệ thống không tích lũy, dòng vào = dòng ra và quá trình sản xuất ở trình trạng ổn định. Nếu điều kiện tích lũy của hệ thống khác 0, khi đó lượng và nồng độ các cấu tử trong hệ thống sẽ thay đổi theo thời gian và quá trình sản xuất là ở tình trạng không ổn định. 2.2 Phƣơng pháp cân bằng vật chất - Liệt kê tấc cả các số liệu liên quan đến khối lượng, thành phần của từng dòng (Cho cái gì? Hỏi cái gì?). - Vẽ sơ đồ khối tượng trưng cho hệ thống và ghi đầy đủ các dữ liệu vào từng dòng. - Vẽ bao hình của hệ thống. - Chọn căn bản tính cho bài toán. 7 + Bản chất quá trình: * Liên tục (luôn cho thời gian kèm theo): chọn 1 đơn vị thời gian làm căn bản tính. * Gián đoạn (cho bằng khối lượng): chọn khối lượng của 1 dòng đã biết làm căn bản tính (chọn 1 hoặc 100 đơn vị khối lượng). - Viết phương trình cân bằng vật chất tổng quát và theo cấu tử. - Lập và giải các phương trình. 2.3 Giản đồ dòng quá trình và đƣờng bao hệ thống 2.3.1 Giản đồ dòng quá trình Trước khi tính toán một phương trình cân bằng vật chất phải hình dung được quá trình (vẽ sơ đồ dòng quá trình) và vẽ đường bao hệ thống thì sự cân bằng vật chất đó mới được thực hiện. Việc làm này là cần thiết cho mọi vấn đề của quá trình bởi nó ảnh hưởng đến sự phân bố của các cấu tử. Trong một số trường hợp, các nguyên tắc vật lý nào đó sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố các cấu tử trong hệ thống có thể không được đề cập trong bài toán. Do đó việc trình bày bài toán phải đầy đủ để khi đó việc giải bài toán dể dàng hơn. Việc giải các bài toán mà một số các nguyên tắc vậy lý không được đề cập trong bài toán sẽ giúp cho sinh viên nhớ các nguyên tắc vật lý để áp dụng trong các bài toán đơn giản tương tự. Sự hiểu biết các nguyên tắc này không chỉ cho phép sinh viên giải các bài toán cân bằng vật chất giống nhau mà còn cung cấp một nguồn thông tin rằng có thể sử dụng gần như một sự căn bản cho việc thiết kế một quá trình sản xuất mới hoặc để ước lượng các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình. Ví dụ 2.1: Xác định lượng đường (dựa trên căn bản ẩm) có thể sản xuất được từ 100 kg dung dịch đường chứa 20% khối lượng đường và 1% chất bẩn (hòa tan không kết tinh). Dung dịch được cô đặc đến 75% đường và được làm lạnh đến 20oC. Sau đó ly tâm và sấy khô tinh thể. Giải Sự trình bày bài toán này là đủ để vẽ sơ đồ dòng quá trình. Sơ đồ này được thấy trong Hình 2.1. Hình 2.1 Giản đồ dòng quá trình cho bài toán kết tinh 8 Tuy nhiên, sơ đồ này không hoàn chỉnh các dòng lưu lại và dòng ra của hệ thống. Hình 2.2 cho thấy một sơ đồ dòng quá trình tương tự, nhưng sau khi đem nghiên cứu các đặc tính của các công đoạn trong quá trình, các dòng bổ sung cho phép vẽ được hệ thống. Để cô đặc dung dịch 20% đến 75% cần loại bỏ nước. Do đó nước được loại ra khỏi hệ thống ở thiết bị bốc hơi. Quá trình làm lạnh không làm thay đổi khối lượng, vì thế dòng vào và dòng ra khỏi thiết bị kết tinh là như nhau. Quá trình ly tâm tách hầu hết pha lỏng ra khỏi pha rắn, và các tinh thể, pha rắn chứa một lượng nhỏ dung dịch bị giữ lại đi vào máy sấy. Pha lỏng được loại khỏi thiết bị ly tâm. Nước được loại ra khỏi hệ thống ở máy sấy. Hình 2.2 Giản đồ dòng quá trình đối với bài toán kết tinh cho thấy đƣờng vào, đƣờng ra và các đƣờng bao quanh hệ thống phụ để giải thích các công đoạn của quá trình. * Có 3 nguyên tắc vật lý trong bài toán này không được nói đến đó là:  Các tinh thể sẽ kết tinh khi nồng độ dung dịch đạt quá mức bão hoà. Nồng độ chất hoà tan trong pha lỏng được đạt tới nồng độ bão hoà khi tinh thể được tạo thành. Nếu thời gian đủ để đạt cân bằng, pha lỏng di chuyển khỏi hệ thống ở thiết bị ly tâm là một dung dịch bão hoà.  Các tinh thể bao gồm chất tan tinh khiết và duy nhất chất bẫn bám lên các tinh thể từ dung dịch.  Sự ly tâm không thể phân tách pha lỏng (mật đường) ra khỏi pha rắn (tinh thể đường) một cách hoàn toàn. Lượng chất bẫn bị giữ lại trên các tinh thể đường phụ thuộc trên hiệu suất của thiết bị ly tâm phân tách chất rắn từ pha lỏng. Nguyên tắc của sự tinh khiết các chất phụ thuộc trên mức độ của sự phân tách chất rắn từ pha lỏng ứng dụng không chỉ trong kết tinh mà còn trong trích ly bằng dung môi. 9 Trong trình tự giải bài toán này, nồng độ bão hoà của đường trong nước ở 20 C và hàm lượng nước của thành phần tinh thể sau sự ly tâm phải được biết. 0 2.3.2 Đường bao hệ thống Hình 2.2 cho thấy các đường bao của hệ thống có thể chuyển đổi để làm thuận tiện cho bài toán. Nếu đường bao quanh hệ thống hoàn chỉnh, thì 2 dòng sẽ đi vào và 4 dòng đi ra khỏi hệ thống. Đường bao cũng có thể đặt quanh thiết bị ly tâm hoặc quanh thiết bị sấy. Cân bằng vật chất có thể thực hiện quanh nhiều hệ thống phụ này hoặc quanh toàn bộ hệ thống. Phương trình cân bằng vất chất có thể là cân bằng tổng quát hoặc cân bằng cấu tử. 2.4 Cân bằng vật chất tổng quát Phương trình của “Định Luật Bảo Toàn Vật Chất”, khi được dùng trên khối lượng tổng của dòng vào và dòng ra một hệ thống thì biểu diễn cho một cân bằng tổng quát. Ví dụ 2.2: Trong thiết bị bốc hơi, dung dịch loãng đi vào, dịch cô đặc đi ra khỏi hệ thống. Nước bị bốc hơi trong quá trình. Nếu I là khối lượng dung dịch loãng đi vào hệ thống, W là khối lượng nước bốc hơi, C là khối lượng dịch cô đặc ra khỏi hệ thống. Viết phương trình biểu diễn cân bằng vật chất tổng quát cho hệ thống. Giả sử rằng hệ thống hoạt động ở tình trạng ổn định. Giải Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: Dòng vào = Dòng ra + Lượng tích lũy trong hệ thống I=W+C (Lượng tích lũy trong hệ thống là 0: do hệ thống hoạt động ổn định) Ví dụ 2.3: Xây dựng sơ đồ khối và thiết lập phương trình cân bằng vật chất tổng quát cho máy sấy: Không khí đi vào có lưu lượng A lb/phút và lưu lượng của vật liệu ẩm đi vào 10 là F lb/phút. Vật liệu khô ra khỏi hệ thống là D lb/phút. Giả sử hệ thống hoạt động ổn định. Giải Không khí khô A Không khí ẩm Không khí W Vật liệu ẩm F Vật liệu sấy D Vật liệu khô Chọn căn bản tính là 1 phút Cân bằng vật chất tổng quát quanh thiết bị sấy A + F = D + KK ẩm Cân bằng vật chất quanh hệ thống không khí A + W = Không khí ẩm Cân bằng vật chất quanh hệ thống vật liệu sấy F=W+D Ví dụ 2.4: Để sản xuất nước cam cô đặc có nồng độ 45% chất khô, người ta làm cô đặc nước cam ép từ nồng độ 10% chất khô đến 65% chất khô, sau đó pha loãng dung dịch đã cô đặc với nước cam ép ban đầu. Hãy vẽ sơ đồ khối và thiết lập phương trình cân bằng vật chất tổng quát cho cả hệ thống và cho các hệ thống con. Giải Giả sử lượng nước cam chuẩn bị ban đầu là S, lượng F cho vào thiết bị cô đặc và lượng A còn lại dùng để pha loãng với dịch đã cô đặc có nồng độ 65% (C65) để làm giảm nồng độ xuống còn 45% (C45). Cân bằng vật chất tổng quát quanh cả hệ thống S = W + C45 Cân bằng vật chất tổng quát quanh điểm phân phối 11 S=F+A Cân bằng vật chất tổng quát quanh thiết bị cô đặc F = W + C65 Cân bằng vật chất tổng quát quanh thiết bị pha loãng C65 + A = C45 2.5 Cân bằng vật chất theo cấu tử Tổng khối lƣợng cấu tử i vào hệ thống = Tổng khối lƣợng cấu tử i đi ra Các nguyên tắc áp dụng tương tự như cân bằng vật chất tổng quát, ngoại trừ các thành phần xem là riêng biệt. Nếu có n cấu tử thì có n phương trình độc lập được thành lập. Một phương trình cho cân bằng vật chất tổng quát và n – 1 phương trình cân bằng vật chất theo các cấu tử. Vì mục tiêu của một bài tập cân bằng vật chất là nhận ra khối lượng và thành phần của các dòng khác nhau đi vào và đi ra khỏi hệ thống, nó luôn cần thiết để thiết lập các phương trình riêng và đồng thời giải các phương trình đó để tính toán những điều chưa biết. Cân bằng vật chất theo cấu tử giúp ích kể cả các đại lượng đã biết của dòng quá trình và nồng độ của các cấu tử trong giản đồ quá trình của tất cả các dòng mà ở đó một cấu tử có thể hiện diện được xác định một cách dễ dàng. Trong cân bằng vật chất, dùng đơn vị khối lượng và nồng độ bằng phân khối lượng hoặc % khối lượng. Nếu các đại lượng được xác định bằng đơn vị thể tích thì đổi đơn vị thể tích sang đơn vị khối lượng bằng cách dùng khối lượng riêng (density). Ví dụ 2.6: Vẽ sơ đồ khối và thiết lập các phương trình cân bằng vật chất tổng quát và theo cấu tử cho hệ thống phối trộn gồm thịt lợn nạc (15% protein, 20% béo và 65% nước) và mỡ lợn (3% protein, 82% béo và 15% nước) để tạo ra 100 kg hỗn hợp chứa 25% béo. Giải Thịt lợn P 15% protein 65% nước 20% béo Mỡ lợn 3% protein B 15% nước 82% béo M = 100 kg Phối trộn 25% béo 12 Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: P + B = M = 100 Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử béo: 0,2P + 0,82B = 0,25M = 25 2.6 Căn bản tính và vật liệu nút 2.6.1 Căn bản tính Căn bản tính hữu ích trong các bài tập mà ở đó không có được đại lượng ban đầu và yêu cầu trả lời là tỷ lệ hoặc %. Nó thường có ích trong các hệ thống dòng liên tục. Cân bằng vật chất trong các hệ thống dòng liên tục đạt được bằng cách lấy một cản bản tính là thời gian cố định. Một bài toán cân bằng vật chất có thể được giải trên nhiều căn bản được chọn. Sau khi tất cả các đại lượng của dòng quá trình được xác định, đại lượng đặc trưng dòi hỏi cho bài toán có thể được tìm bằng tỷ lệ và tỷ lệ thức. Có thể thay đổi căn bản tính khi xét mỗi hệ thống phụ với một đường bao xác định bên trong toàn bộ hệ thống. 2.6.2 Vật liệu nút Vật liệu nút là cấu tử được dùng để liên kết đại lượng của dòng quá trình này với đại lượng của dòng quá trình khác. Nó thường là cấu tử không thay đổi trong suốt quá trình. Ví dụ: Vật liệu nút là chất rắn trong quá trình tách nước hay bốc hơi và nitrogen trong quá trình đốt cháy. Mặc dù vật liệu nút không phải là yếu tố cần thiết để nhận biết, nhưng bài toán sẽ được đơn giản hơn nếu vật liệu nút được nhận ra và nó được bao gồm trong hệ các phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử. Trong một số trường hợp, vật liệu nút không cần được nhận diện, như được mô tả trong ví dụ ở phần “Phối trộn các thành phần thực phẩm” * Các bài toán cân bằng vật chất ở dạng pha loãng, cô đặc và sấy Các bài tập dạng này được giải bằng cách thiết lập phương trình cân bằng vật chất tổng quát và các phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử, sau đó giải hệ phương trình. + Bài toán quá trình gián đoạn Ví dụ 2.7: 13 Tính khối lượng dd NaCl 10% thu được khi pha loãng 15 kg dd NaCl 25%? Giải 25% NaCl F = 15 kg Pha loãng 10% NaCl P = ? kg W = ? kg Nước Chọn căn bản tính là 15 kg dd 25% NaCl Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: F+W=P Phương trình cân bằng vật chất theo cất tử NaCl: 0,25F = 0,1P 0,25 x 15 = 0,1P P = 37,5 (kg) Ví dụ 2.8: Tính % giảm khối lượng khi sấy thực phẩm có độ ẩm 80% xuống độ ẩm 30%? Giải Chọn căn bản tính là 100 kg nguyên liệu ẩm Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô: 0,2 F = 0,7 P 0,2 x 100 = 0,7 P P = 28,57 (kg) Phần trăm giảm khối lượng khi sấy là: [(F - P) / F] x 100% = [(100 - 28,57) / 100] x 100% = 71,43% + Bài toán quá trình liên tục Ví dụ 2.9: Một thiết bị cô đặc có năng suất bốc hơi là 500 kg hơi nước/h. Tính năng suất nhập liệu và sản phẩm thu được khi sản xuất nước quả cô đặc chứa 45% chất khô từ nước quả thô chứa 12% chất khô. Bốc hơi = 500 kg/h Nhập liệu F = ? kg/h 12% chất khô Cô đặc Giải Chọn căn bản tính là 1h Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: 14 Dịch cô đặc C = ? kg/h 45 % chất khô F = C + 500 (1) Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô: 0,12 F = 0,45 C (2) 0,12 (C + 500) = 0,45 C 0,33 C = 60 C = 181,8 (kg/h) Thế C = 181,8 (kg/h) vào pt (1) F = 500 + 181,8 = 681,8 (kg/h) Ví dụ 2.10: Để tách bơ ra khỏi sữa, người ta tiến hành ly tâm 35000 kg sữa nguyên kem có chứa 4% lipid. Sau 6 giờ thu được sữa tách béo có hàm lượng lipid là 0,45% và bơ có hàm lượng là 45% lipid. Tính năng suất của từng sản phẩm. Giải F = 35000 kg/6h 4% lipid Ly Tâm P=? 0,45% lipid C = ? 45% lipid Chọn căn bản tính là 6h Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: F=C+P C + P = 35000 (1) Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử lipid: 0,04F = 0,45C + 0,0045P 1400 = 0,45C + 0,0045P (2) Giải hệ pt (1) và (2) C = 2789 (kg/6h) P = 32211 (kg/6h) Năng suất của từng sản phẩm là: C = 464,8 (kg/h) P = 5368,5 (kg/h) * Giải cái bài toán phối trộn các thành phần thực phẩm Các bài toán này ta tiến hành thiết lập các phương trình cân bằng vật chất tổng quát và phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử và giải hệ phương trình. 15 Ví dụ 2.11: Xác định lượng nước quả cô đặc chứa 65% chất khô và nước quả ép chứa 15% chất khô được phối trộn với nhau để tạo 100 kg nước quả cô đặc chứa 45% chất khô. Giải F = ? kg 65% chất khô Phối trộn P = 100 kg 45% chất khô B = ? kg 15% chất khô Chọn căn bản tính là 100 kg nước quả thành phẩm Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: F + B = P = 100 (1) Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử chất khô: 0,65F + 0,15B = 0,45P = 45 (2) Từ pt (1) và (2) ta được: F = 60 (kg) B = 40 (kg) Ví dụ 2.12: Xác định lượng thịt bò, mỡ lợn và nước dùng để sản xuất 100 kg xúc xích. Thành phần của nguyên liệu và xúc xích là: Thịt bò: 14% lipid, 67% nước, 19% protein. Mỡ lợn: 89% lipid, Xúc xích: 20% lipid, 65% nước, 15% protein. 8% nước, 3% protein. Giải W = ? kg nước B = ? kg thịt bò 14% lipid 67% nước 19% protein Phối trộn P = 100 kg xúc xích 20% lipid 65% nước 15% protein F=? kg mỡ lợn 89% lipid 8% nước 3% protein Chọn căn bản tính là 100 kg xúc xích Phương trình cân bằng vật chất tổng quát: B + F + W = P = 100 (1) 16