2.3.2. Vật liệu và quá trình biến đổi

2.3 Quá trình lắng (Clarification)
2.3.1. Mục đích, yêu cầu






Vật liệu

Phân riêng một hỗn hợp khơng đồng nhất bằng trọng
lực hoặc lực ly tâm

Khí – rắn
Lỏng – rắn
Lỏng – lơ lửng (huyền phù; nhũ tương; bọt)
Lỏng - khí

Cho ví dụ
???

Q trình biến đổi
 Chỉ biến đổi vật lý (tách
pha)
 Khơng biến đổi hóa học, hóa
lý, sinh hóa
 Chất lượng tăng lên do loại
được tạp chất (cảm quan)
Kích thước pha phân tán

Các yếu tố ảnh hưởng

Mục đích:
Khai thác: Tách tinh bột khỏi dịch bào.
Chuẩn bị: Trước khi lọc, lọai bớt tạp chất

Khối lượng của phần
tử rơi trong chất lỏng

 r : Bán kính phần tử
 ρ1 : Khối lượng riêng phần tử rơi
 ρ2: Khối lượng riêng chất lỏng
 µ : Độ nhớt động lực học môi trường
(N.s/m2)
 η : Độ nhớt động học môi trường
(kg/m.s)
 g : Gia tốc trọng trường (m/s2)

Ví dụ : Tính khối lượng và vận
tốc lắng của hạt có đường kính
trung bình 5μm, ρs = 970,
1200kg/m3 , khối lượng riêng ρl
= 1020 kg/m3, η = 1,42.10-3 ,
1.89.10-3 kg/m.s. Từ CT trên
ta kết luận điều gì ?

ρ của 2 pha

Độ nhớt pha liên tục


Lắng ko ở trạng thái tĩnh phụ thuộc vào Re

Tốc độ lắng theo
định luật Stocks
(ở t.thái tĩnh)

Vr
V

Vg
 Hạt có kích thước > 0.1
μm. Khơng phải hệ keo
 Kích thước > 10-4 cm
Nhận xét
2 cơng
thức ???

W

Lắng dịng (Re<0.2): Đluật Stock
Lắng quá độ (Re:0.2-500)

H

L

Cr: Trở lực môi trường

Lắng rối (Re:500-150.000)

Thời gian lưu và thời gian lắng của hạt trong thiết bị

QT lắng hiệu quả cao

1


Bài toán: Huyền phù đi vào TB lắng (H=0.8m, W=2m,
L=5m) có Vr=0.1m/s, độ nhớt của MT là µ=1.5x10-3
N.s/m2 . Bán kính hạt là r=0.2mm, ρr=1210kg/m3 , ρl=
998kg/m3
Tính thời gian lưu và thời gian lắng của hạt huyền phù.

Các phương pháp tăng khả năng tốc độ lắng
 Xử lý NL trước lắng, hạt k/thước lớn, đồng đều
 Nâng nhiệt độ dung dịch đến nhiệt độ sôi
 Dùng chất trợ lắng: poliacrilamit, separan AP-30…

W

Vr

V

Vg

Chất trợ lắng -

-


-

H

Cầu nối

L

F: tiết diện bể (đường ống)
D: chu vi thấm ướt

Tốc độ lắng

A
B
C
D

Khối lượng phân tử chất
trợ lắng poliacrilamit
 A : 5.000.000 DVC
 B : 2.000.000 DVC
 C : 1.000.000 DVC
 D : 500.000 DVC

+
Cấu trúc chất polime trợ lắng

CaCO3


2.3.3. Phương pháp thực hiện
Lắng bằng trọng lực: Bể lắng, thùng lắng, thiết bị lắng Dorr
Lắng liên tục trong bể chứa

Tăng bề mặt lắng
Lắng liên tục trong
bể chứa có tấm ngăn
nằm ngang

Lượng chất trợ lắng cho vào

2.3.3. Sản phẩm sau lắng
I : Bọt
II : Lỏng
III : Rắn

Lắng liên tục trong
bể chứa có tấm ngăn
nằm nghiêng

Lỏng được tháo
bằng ống siphon

Lắng gián đoạn
trong bể chứa

2


Lắng bằng lực ly tâm: Cyclon


2.4 Quá trình lọc:
2.4.1. Mục đích, yêu cầu:
 Bản chất là phân riêng hỗn hợp không đồng nhất qua lớp lọc.
 Dùng để tách hỗn hợp khó lắng, là q trình trung gian giữa
lọc-lắng-ly tâm
Mục đích:
Khai thác: Sản xuất bột
Chuẩn bị: Lọc trong nước ép quả

F: Tiết diện lắng, m2
v: Tốc độ lắng, m/s
T: Thời gian lắng (h)
V: Lượng dung dịch thu được (m3)
Năng suất=

V

(m3/h)= 3600.F.v (m3/h)

T

2.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lọc

2.4.2. Vật liệu và q trình biến đổi
 Khơng tan lẫn vào nhau và có khả năng tách khỏi nhau
 Vật liệu gồm: khí, bụi, lỏng, rắn.
Biến đổi: Vật lý
Trong
Màu sắc

Có khả năng lọc được VSV (sinh học)

V=f(Δp,T,F,l,r,n,η)
Huyền phù
h1

Bã

h2

Lớp lọc
V

Dung dịch









Δp : Hiệu số p giữa 2 đầu lọc
T : Thời gian lọc
F : Diện tích bề mặt lọc
l : Chiều dài ống mao quản
r : Bán kính ống mao quản
n : Số ống mao quản
η : Độ nhớt dịch lọc


Mà C=dV/(F.dT) (m/s)
C : Tốc độ lọc
C=f(Δp,n,r,l,η)

Hay C=f(Δp,ρl,h1,h2)
T
 ρl : Trở lực lớp bã
 h1 : Chiều cao lớp bã
 h2 : Chiều cao lớp vật ngăn

3


2.4.3. Phương pháp thực hiện

Tính chất bã lọc
Bã nén được
bị biến dạng

Bã không nén được
không bị biến dạng,
ở dạng tinh thể

Các phương pháp
làm tăng tốc độ lọc
Bã nhỏ

Bã lớn


Lọc nóng (Làm giảm
được độ nhớt dung dịch)
Dùng chất trợ
lọc (diatomit)

 Lọc áp suất không đổi
 Lọc với tốc độ không đổi
 Lọc nhiệt độ cao, thấp, thường
Lọc nhiệt độ cao (độ nhớt cao)
Lọc nhiệt độ thấp (sp dễ biến đổi khi
nhiệt độ cao)
Lọc nhiệt độ thường (độ nhớt không cao)
 Lọc liên tục
 Lọc gián đoạn: Chuẩn bị lọc, lọc, rửa bã và
cạo bã
Nhận xét

Vải lọc

Diatomit
Mao quản

Thiết bị lọc khung bản (Filter press)

4


Độ dày nhỏ,
vài trăm μm


Thẩm thấu
Giới thiệu
về màng
membrane

Lỗ mao dẫn rất
nhỏ, 10-4-10μm
Cấu tạo
membrane

Lọc nano

Cấu trúc đẳng hướng

Cấu trúc bất đẳng hướng

Siêu lọc
10-4 μm

0.1-0.5 μm

10-4 μm

Vi lọc
0.05-0.2 μm

Trong công nghiệp sữa người ta
dùng màng từ cellulose acetate,
polyamide, polysulfone, ceramic
và một số loại polyme khác


Độ phân riêng (Rejection)

Cp nồng độ cấu tử dòng permeate
CR nồng độ cấu tử dòng retentate

Hiện tượng tập trung nồng độ
(Concentration polarization)

100-200 μm
Làm tăng độ bền cơ
học của membrane

Hiện tượng tắc nghẽn mao
dẫn (fouling)

R = [0,1]
Lưu lượng dòng qua membrane (dịng permeate)(mơ
hình Hagen-Poiseuille)
ɛ: độ xốp bề mặt membrane
dp : đường kính mao dẫn
Δx: chiều dài mao dẫn
µ: độ nhớt mẫu
N: số mao dẫn trong membrane
S: d.tích bề mặt hoạt động membrane
Pt: áp lực qua membrane

Khuấy đảo

Giải hấp phụ


5


Membrane bằng vật liệu ceramic
Ưu điểm

Khuyết điểm

Trơ về mặt hóa học

Dễ vỡ

Khoảng nhiệt độ rộng (Tmax<3500C)

Giá thành cao

Khoảng pH rộng (0.5-13)

Đường kính lỗ mao dẫn >10-2μm

Có thể dùng hơi để vơ trùng TB
Độ vơ trùng

Độ chiết

Đkính lỗ mao dẫn

Dạng xoắn cuộn (Spiral wound)


Kênh dẫn dạng xoắn ốc

Tốc độ qua
màng dòng
permeate

Độ tro của
membrance

Ống trụ lớn
Retentate

Độ xốp

Khả năng
chịu nhiệt

Membrane

ĐK/năng
phân riêng

Dễ vệ sinh, thay thế membrane

Permeate
Retentate

Tính ưa
nước/ky khí


Bền sinh học
Khả năng chịu
dung mơi

....

Ngun liệu

T/c đánh giá
membrane

Giá thành thấp

Ống trụ nhỏ

Mật độ mao dẫn

Độ dày

Dạng ống

Một số dạng membrane thường dùng trong công nghiệp sữa

Miếng đệm

Dạng sợi

Dễ bảo trì
Cồng kềnh
Tốn nhiều NL

Chiếm S nhà xưởng
Chiếm ít S nhà xưởng
Ít tốn năng lượng
12.5-75mm

Sợi dễ hỏng
Thay thế tốn
kém, phức tạp

6


2.5 Q trình ly tâm
2.5.1. Mục đích, u cầu

Dạng tấm

Tấm đỡ
Permeat

Là q trình phân riêng các cấu tử có ρ
khác nhau trong một hỗn hợp lỏng
không đồng nhất dưới tác dụng của lực
ly tâm. Mẫu có thể dạng nhũ tương
hoặc huyền phù

Membrane
Retentate

Tách béo


Tách chất

Tách vi sinh vật

Miếng đệm

Tbị đơn giản, dễ
tháo lắp vệ sinh,
dễ thay thế

Mục đích:
Chuẩn bị: tách tạp chất, trước lọc làm giảm áp lực lọc
Khai thác: Thu nhận sản phẩm, thu hồi sản phẩm
Cơng thức tính vận tốc lắng khi ly tâm

Lactose

2.5.2. Vật liệu và quá trình biến đổi
Vật liệu : Hỗn hợp khơng đồng nhất khí- lỏng- rắn
Rắn- lỏng:
Lỏng- lỏng:
Sản phẩm sau li tâm chỉ biến đổi vật lý → chất lượng sp tăng

d đường kính hạt rắn (m)
Không gian trống

Lỏng A

ρρ khối lượng riêng hạt rắn (kg/m3)

ρl khối lượng riêng pha lỏng (kg/m3)
g gia tốc trọng trường (9,81 m/s2)
r bán kính quay (m)
ω tốc độ vịng (m/s)

Lỏng B

ρA>ρB

Có thể tách được tạp
chất hịa tan khơng
phải dạng tinh thể

Sản phẩm được
rửa nhiều lần

Tránh VSV phát
triển do MT là
dung dịch bao
quanh

n số vịng quay trong 1 phút

Ví dụ : Tính vận tốc lắng khi ly tâm của hạt béo có đường kính
trung bình 5μm, ρρ = 970kg/m3 , khối lượng riêng ρl = 1020
kg/m3, η = 1,42.10-3 kg/m.s, r=0,2m, n=5500v/p ? Từ CT trên
ta kết luận điều gì ? Thời gian lưu và nhiệt độ thì sao?

7



Chu kì li tâm gồm 4 giai đoạn

2.5.3. Phương pháp thực hiện

T2=f(s,m,K,σ,v,D)

Phân li hỗn hợp

Ly tâm lọc: Hỗn hợp
có chênh lệch khối
lượng riêng lớn

Ly tâm lắng: Hỗn hợp có
chênh lệch khối lượng
riêng nhỏ

Ứng dụng

v

 s : chiều dày sản phẩm trên
thùng quay
 m : hệ số hổng sp
 K : hệ số lọc
 σ : hệ số phụ thuộc kích thước
thùng quay
 v : Vận tốc quay
 D: Đường kính thùng


Hoàn thiện (rửa)

Mở máy, nạp liệu

Phanh và xả sp

T1

T2 T3

v

T

T4

T3=f(s,m,K,β,D,v,q)

M1 M2 M3

Hệ thống 3
máy li tâm
chạy cùng 1 lúc

 β : hệ số phụ thuộc nồng độ
chất khô dung dịch và khối lượng
riêng
 q : Lượng nước rửa

T

Ti

Gián
đoạn

Thiết bị ly tâm

Bán liên
tục

Xả tự
động
Xả tay

Phương thức
làm việc

Năng suất

Ly tâm tách béo
Sữa sạch

Phương
pháp xả

Liên tục
Phân loại
TB li tâm

Thường


Ly tâm làm
sạch sữa

SP tỉ trọng thấp
SP tỉ trọng cao

Chất
rắn,VSV

3 chân

Tốc độ
Cấu tạo

Siêu
tốc
Cao
tốc

Treo

Ngang
Đứng

Sữa vào

8



Lỗ đĩa

2.6 Quá trình phối chế, đảo trộn (Mixing)
2.6.1. Mục đích, yêu cầu

Ly tâm tách béo và VSV
SP tỉ trọng thấp
SP tỉ trọng cao

Mặt cắt
ngang đĩa
máy ly tâm

 Phối chế:Pha trộn 2 hay nhiều cấu tử
 Đảo trộn:Cơ học nhằm phân bố đều các cấu tử
Tạo sản phẩm
mới (Hòan
thiện)
Tăng chất lượng
sản phẩm (Khai
thác)

Chất
rắn,VSV

Hỗ trợ các
q trình
(Chuẩn bị)
20-102cm


Mục đích:
Horrible: Thực
phẩm chức năng
từ xác trẻ em ???

Sữa vào

2.6.2. Vật liệu và quá trình biến đổi
 Vật liệu khác nhau về các tính chất (Vật lý, hóa học, cảm quan …)
 Có thể cùng pha hay khác pha nhau. Cho ví dụ ????
Lỏng - rắn

Lỏng – lỏng

Lỏng – khí

Khí – rắn

Rắn – rắn

Vật liệu và q trình biến đổi
- Vật lí : biến đổi về khối lượng, thể tích,
trạng thái, hệ số dẫn nhiệt
- Hóa lí : thay đổi về khối lượng riêng, nhiệt
dung riêng, độ hòa tan, tốc độ trao đổi nhiệt
- Hóa học : ít có phản ứng hóa học tạo ra
- Hóa sinh: thêm các chất bảo quản như vitamin
C, benzoat,... làm tăng thời gian bảo quản, tạo
pH thấp khi phối chế các chất có axit làm ức chế
sự phát triển của vi sinh vật như quá trình nhúng

nước giấm.

9


Biến đổi về mặt vật lý:
Thay đổi ρhh

ρ
ρ

hh=

hh=

Thay đổi Chh

G1.C1+G2.C2+…+Gn.Cn

Chh=

Ghh

Thay đổi chất khô n%

Ghh

Vhh

100

m1
m2 … + m n
+
ρ1
ρ2
ρn

Một dung dịch A có ρA=1100kg/m3 , GA=200kg,
nồng độ nA=60%, CA=4.86 kJ/kgoC trộn với chất
lỏng B có ρB=1050kg/m3 , GB=400kg , nồng độ
nB=40%, CB=5.16 kJ/kgoC và chất lỏng C có
ρC=1150kg/m3 , GC=600kg , nồng độ nC=55%,
CC=5.56 kJ/kgoC . Tính ρhh, nhiệt dung riêng
Chh và nồng độ nhh ? Nhận xét các kết quả

G1.n1+G2.n2+…+Gn.nn

nhh=

Ghh

ρhh=1106 kg/m3
Chh = 5.31 kJ/kgoC
nhh = 50.8 %

m: Tĩ lệ các cấu tử tính theo % khối lượng

Thường do cấu tử có nồng độ cao hơn quyết định
Độ nhớt


Độ đặc
Sự biến đổi trạng thái:

2.6.3. Phương pháp thực hiện
a. Phương pháp toán học

b. Phương pháp đường chéo (hình sao)
m-b

a

Cần phối chế 2 dung dịch có thành phần chất khơ là a%
và b% (% trọng lượng), để thu hồi 1 hỗn hợp có nồng độ
chất khơ m%. Tính tỉ lệ từng loại dung dịch ???.

m
b

a-m

a%.A + b%.B = m%.(A+B)
A
B

=

m-b
a-m

A

B

=

13 - 12
15 - 13

=

1
2

a-b

a>m>b

Ví dụ: Phối trộn 2 loại nước quả có độ khơ 15% và 12%
để thu được hỗn hợp có độ khơ 13%. Tỉ lệ 2 loại nước
quả là bao nhiêu ???

ĐK : a > m > b

+

Lượng dung dịch A =

m-b
a-b

Lượng dung dịch B =


a-m

m-b
A
=
B
a-m

a-b

Trộn có khác
khuấy khơng ???

10


c. Phương pháp đồ thị

Trong quá trình sản xuất đường, khi nấu đường non
có độ tinh khiết 70% người ta dùng mật chè có độ tinh
khiết 90% và mật B có độ tinh khiết 50%. Tính lượng
mật chè và lượng mật B để nấu 1T đường non.

Tính độ đồng nhất của hỗn hợp

Q




Q1  Q2  ...  Qn
|%|
m

C
là hàm lượng tương đối của các cấu tử nào
.100
C0
đó trong mẫu thử |%|;

% Độ tinh khiết

C là hàm lượng cấu tử trong mẫu thử (%)
C0 hàm lượng cấu tử đó trong toàn bộ hỗn hợp (%)
m - số mẫu thử cùng một thời điểm.

Ví dụ

Xét (kiểm tra) độ đồng nhất của hỗn hợp gồm
30kg đường và 70kg nước sau khi phối trộn.
Lấy 4 mẫu trong 4 vị trí khác nhau của hỗn hợp.
Đo độ khơ của 4 mẫu trên, ví dụ ta có C1 =
25%, C2 = 27%, C3 = 23%; C4 = 20%.
% hỗn hợp

2.6.4. Phân loại máy trộn
Máy trộn có cánh

Máy trộn thùng quay


Máy trộn vít tải

11