Báo cáo Kỹ thuật đo lường và điều khiển các quá trình thiết bị trong CNSH-CNTP

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn máy và tự động hóa các thiết bị trong CNSH-CNTP
bña
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
MÔN HỌC: Kỹ thuật đo lường và điều khiển các quá trình thiết bị trong CNSH-CNTP
 GVHD:TS. Nguyễn Đức Trung
 SVTH : Đặng Thu Quỳnh 
 MSSV : 20123453
 Lớp : Kỹ Thuật Sinh Học- K57
 Mở Đầu 
 Ngày nay, từ một nguyên liệu thực phẩm người ta đã chế biến được hàng trăm các sản phẩm khác nhau,  những sản phẩm chế biến này không còn trạng thái của nguyên liệu ban đầu. Mỗi quá trình chế biến đều nhằm tạo cho thực phẩm có giá trị sử dụng cao hơn: hoặc về hình thức, hoặc về giá trị khẩu vị, hoặc về giá trị dinh dưỡng. Hóa học và sinh học đã được áp dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm.
 Ở Việt Nam, các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, mặc dù mới hình thành được khoảng vài chục năm nay nhưng đang nhận được sự đầu tư rất lớn cả về mặt trí tuệ cũng như tài chính từ các nguồn trong nước cũng như nước ngoài. Các sản phẩm được sản xuất ra ngày càng nhiều, đa dạng về chủng loại, phong phú về chất lượng. Do vậy, các quy trình chế biến sản xuất cũng như các máy móc thiết bị ngày càng được cơ giới hóa, tự động hóa,nhằm tạo ra những sản phẩm tốt nhất đến người tiêu dùng và phục vụ xuất khẩu.
 Trong quá trình thực hành môn học kỹ thuật đo lường và điều khiển quá trình công nghệ, em đã được làm quen với các máy móc chuyên dùng, được tìm hiểu về các thiết bị chuyên dụng trong ngành chế biến thực phẩm như thùng lên men fomat, máy thanh trùng sữa, nước ép hoa quả, thiết bị cô đặc chân không, máy mài... Trong bài báo cáo này, em xin được trình bày kết quả tìm hiểu các máy thiết bị và hệ thống đo- điều khiển tại trung tâm thực hành B4 theo mục tóm tắt sau :
1.Mục đích thí nghiệm
2.Cấu tạo
3.Nguyên lý hoạt động
Thiết bị 1: Thiết bị cô đặc chân không.
Vai trò của thiết bị
Làm giảm lượng nước trong sản phẩm mà nhiệt độ không quá cao, giữ nguyên chất lượng thành phẩm.
Dùng cho những sản phẩm yêu cầu nhiệt độ chế biến không quá cao (60-70oC) .
Cấu tạo
 Gồm khoang đun nóng nguyên liệu, khoang nước ngưng, bơm chân không vòng nước, động cơ cánh khuấy. Ngoài ra còn có phễu chất thơm, bảng điều khiển, hệ thống van và đường dẫn hơi, dẫn nước, đồng hồ đo áp suất, nhiệt độ
 Dưới đây là hình ảnh thiết bị cô đặc chân không.
Biến đổi thực phẩm trong quá trình cô đặc:
+ Biến đổi vật lý: Thực phẩm cô đặc là một hệ của nhiều chất hòa tan như đường, acid, muối, còn chứa cả các chất không tan như tinh bột, cellulose ở trạng thái huyền phù. Khi cô đặc, dung môi bay hơi, nồng độ chất hòa tan tăng dần, nhiệt độ sôi, độ nhớt, khối lượng riêng tăng, nhưng hệ số truyền nhiệt giảm, hàm lượng không khí còn lại trong gian bào và hòa tan trong sản phẩm cũng giảm.
+ Biến đổi hóa học: Các loại đường trong rau quả, do chịu tác dụng của nhiệt độ cao ở bề mặt truyền nhiệt của thiết bị cô đặc, nên bị caramel hóa. Hiện tượng caramel hóa tạo ra các sản phẩm có màu đen và vị đắng làm sản phẩm có chất lượng kém. Ở nhiệt độ 95oC, đường khử có thể bị caramel hóa. Ở nhiệt độ 160oC, quá trình caramel hóa xảy ra mạnh. Ở 160oC, saccharose loại 1 phân tử nước tạo ra glucosan và fructosan. Ở 185 – 190oC, glucosan kết hợp với fructosan tạo thành isosaccharosan. Tiếp tục, 2 phân tử isosaccharosan kết với nhau, loại 2 phân tử nước tạo thành caramelan. Caramelan lại kết hợp với isosaccharosan, loại 3 phân tử nước tạo thành caramelen. Khi nhiệt độ tăng cao trên 200oC tạo thành caramelin (mất tính hòa tan) Sơ đồ phản ứng caramel hóa như sau:
Chuỗi phản ứng : Quá trình carmel hóa của đường saccharose
Nguyên lý hoạt động.
 Nguyên liệu được đưa vào trong khoang đun nóng nhờ sự chênh áp giữa áp suất chân không trong khoang và áp suất khí quyển bên ngoài, và được đảo trộn nhờ động cơ cánh khuấy. Hơi được cấp vào khoang đun nóng, làm sôi nguyên liệu dẫn tới hiện tượng bốc hơi. Phần hơi nước sẽ được hút sang khoang ngưng, sau đó được làm mát và ngưng tụ. Để tăng hiệu suất bốc hơi ta dùng bơm hút chân không để bơm hút hơi, khí và tạo độ chân không. Để đảm bảo quá trình cô đặc thì nhiệt độ nên giữ ở khoảng 60 – 70ºC (ở -0,5 đến -0,6 at), tránh nhiệt độ quá cao khiến sản phẩm bị hút theo đường hơi. Quá trình bốc hơi sẽ làm nguyên liệu dần được cô đặc. Lấy mẫu sản phẩm qua cửa thử và kiểm tra độ cô đặc bằng thiết bị chuyên dùng. Có thể bổ sung các chất phụ gia qua phễu chất thơm. Nước ngưng ở bình có thước đo để ta dễ dàng kiểm tra và tháo nước để tránh tình trạng nước tràn.
	Khi lấy sản phẩm ra phải tiến hành ngừng cấp hơi, mở van xả áp tăng áp suất bên trong thiết bị cho cân bằng với áp suất bên ngoài, mở van ở đáy thiết bị, sản phẩm sẽ tự động chảy xuống.
Các thiết bị đo lường và điều khiển tự động.
 Thiết bị đo và hiển thị nhiệt độ tại chỗ: nhiệt kế giãn nở nhiệt được cố định ở vỏ thiết bị, phần chân cắm vào dung dịch để ( có vỏ bảo vệ ) xác định nhiệt độ của dung dịch. Dải đo của thiêt bị từ 00 C – 1200C, thang đo là 20C.
	Thiết bị đo áp suất: 
+ Áp kế chân không: đo áp suất không bên trong buồng cô đặc, được cố định ở phía bên trên của buồng bốc. Dải đo từ -1 – 1,5bar. Thang đo 0,05 bar.
+ Áp kế đo áp suất của khí đốt, được lắp ở đầu tiếp giữa ống dẫn hơi và thiết bị cô đặc.
 Thiết bị đo thể tích: là ống thủy tinh nối thông hai đầu với bình chứa nước ngưng, chỉ thị thể tích nước ngưng. Thang đo 5l;7.5; 10; 12.5; 15l.
Thiết bị 2: Thanh trùng ống lồng ống.
Vai trò của thiết bị
 Làm nóng sản phẩm nhờ hiện tượng trao đổi nhiệt, thanh trùng sản phẩm, tăng thời gian bảo quản sản phẩm.
Cấu tạo
 Hệ thống ống lồng ống gốm 2 lớp: lớp ngoài là nhiệt, lớp trong là nguyên liệu. Hệ thống bơm trục vít, bơm nước, thùng chứa nguyên liệu, thiết bị đảo trộn hơi và nước. Ngoài ra còn có bảng điều khiển, đồng hồ đo nhiệt độ, áp suất, các van an toàn và van tự động
Nguyên lý hoạt động 
 Dung dịch chạy trong ống nhỏ, bên ngoài khoảng không gian giữa 2 ống là tác nhân nhiệt. Nhiệt này do ta đặt. Quá trình này gồm 2 giai đoạn: Thanh trùng và làm nguội.
	 Nguyên liệu được đưa vào thùng chứa rồi được bơm vào hệ thống ống lồng ống. Bao gồm 3 quá trình: trao đổi nhiệt với nước nóng ở 8 ống, lưu nhiệt, trao đổi nhiệt với nước thường ở 2 ống. Quá trình nguyên liệu chuyển động trong hệ thống này, mở van hơi cung cấp nhiệt. Sự thay đổi nhiệt giữa 2 khoang thông qua bề mặt lớp vỏ ống sẽ xảy ra. Sản phẩm thu nhiệt cho tới khi đạt độ nóng cần thiết sẽ được lấy ra ở cuối đường ống. Nếu sản phẩm chưa đạt yêu cầu sẽ được hồi lưu vào thùng chứa để tiến hành làm nóng lại. Nhờ quá trình thay đổi nhiệt độ đột ngột và quá trình lưu sản phẩm trong thời gian dài ở nhiệt độ nóng nên nhiều vi sinh vật có hại, vi sinh vật gây bệnh sẽ bị tiêu diệt.
 Sơ đồ nguyên lý
Thiết bị điều khiển gồm:
 Bảng điều khiển, 2 bộ điều khiển tự động, bộ chuyển đổi điện khí, cảm biến, đồng hồ đo nhiệt độ tại chỗ, đồng hồ đo áp suất, các van an toàn và 2 van tự động ổn định 2 nhiệt độ Thiết bị này có 1 bộ điều chỉnh tự động để ổn định nhiệt độ thanh trùng, nhiệt độ nóng
	 A: Nơi để bơm nguyên liệu vào
B: Cảm biến mức
D: Đồng hồ đo nhiệt độ nóng, nhiệt độ đầu ra của thanh trùng.
G:Đồng hồ đo nhiệt độ nguội
E: Bộ điều khiển nhiệt độ thanh trùng
F: Bộ thanh trùng nhiệt độ ra của sản phẩm
H: Bộ điều chỉnh nhiệt độ
Cảm biến mức để: khi nào cạn thì không bơm nữa.
	Các van sử dụng là van màng, nếu không dùng van màng thì phải sử dụng van nào đó mà có thể dễ dàng điều chỉnh độ mở.
	Áp suất điều khiển để tác động vào van màng này để cho nó hoạt động là 0,2- 1 bar
Độ mở của van là 0-100% tuyến tính phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển.
	Cảm biến đo nhiệt điện trở, đưa về bộ điều khiển cũng là tín hiệu điện nhưng có bộ chuyển đổi điện- khí chuyển 4-20 mA thành 0.2- 1 bar.
	Bộ điều khiển tự động biến đổi ra tín hiệu điện, tín hiệu điện biến đổi ra tín hiệu khí nén, tín hiệu khi nén đó đưa áp suất về van bắt van đó dừng ở vị trí mà theo tín hiệu điều khiển.
Thiết bị 3: Thiết bị thanh trùng tấm bản.
Vai trò của thiết bị
 Nhờ quá trình biến đổi nhiệt liên tục để tiêu diệt bớt các VSV gây hại cho sản phẩm hoặc làm hỏng sản phẩm.
Cấu tạo
Thùng chứa sữa.
Bơm hút sữa, đồng hồ đo áp suất, đo lưu lượng sữa.
Tấm bản được xếp khít, gần nhau tạo thành rãnh dẫn sữa.
Các khoang trao đổi nhiệt.
Van điều chỉnh sữa ra vào. 
Thiết bị đồng hóa sữa.
Van điều chỉnh cấp hơi.
Khu vực I: làm nóng nguyên liệu cho vào.
Khu vực II: làm nóng lại.
Khu vực III: làm mát nguyên liệu.
Khu vực IV: làm lạnh.
TI: đồng hồ đo nhiệt độ
Nguyên tắc hoạt động.
 Sữa sau khi được bảo quản sẽ được chuyển vào thùng chứa sữa của thiết bị thanh trùng. Máy bơm hút sữa sẽ điều chỉnh tốc độ sữa đi vào. Sữa đi vào vào (4oC) trao đổi nhiệt với sữa nóng đi ra (78oC) ở khoang 3. Sau khi trao đổi nhiệt xong sữa có nhiệt độ khoảng 35-40oC. Sau đó sữa sẽ được đi đồng hóa rồi quay trở lại trao đổi nhiệt với nước nóng ở khoang 4 nhiệt độ sữa là 78-80oC, sữa sẽ được cho đi qua một đoạn đường dài để tăng thời gian thanh trùng (lưu nhiệt), rồi trao đổi nhiệt với sữa đi vào ở khoang 3 nhiệt độ giảm còn 35-40oC, sau đó trao đổi nhiệt với nước thường ở khoang 2 và nhiệt độ giảm xuống 20oC, tiếp tục trao đổi nhiệt với nước lạnh và nhiệt độ cuối cùng sau khi thanh trùng là 4oC.
-Cảm biến điện cực
 Hai thanh điện cực có độ dài khác nhau(chênh lệch khoảng 20cm), đặt cách nhau 3cm.Mục đích để giới hạn mức dung dịch trong thùng chứa,nếu dung dịch chạm đến thanh ngắn thì sẽ dòng đi qua 2 thanh, kết quả là đóng van, mức dung dịch không tăng thêm nữa.
Thiết bị 4: Máy thanh trùng liên tục
Vai trò của thiết bị.
 Thanh trùng sản phẩm sau khi đóng chai,chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật có hai và bảo quản sản phẩm được lâu.
Cấu tạo
 Gồm 2 khoang chứa nước: khoang chứa nước nóng thanh trùng và khoang chứa nước ấm để giảm nhiệt, động cơ của băng tải sản phẩm, hệ thống vòi phun, bơm, đồng hồ chỉ nhiệt độ, áp suất. Ngoài ra còn có hệ thống đường dây dẫn, ống xả, bảng điều khiển, van xả tự động và van cấp hơi, rơle tự ngắt.
Dưới đây là hình ảnh máy thanh trùng liên tục
Nguyên lý hoạt động
 Sản phẩm sau khi đóng chai được đặt trên bề mặt băng tải. Khoang nước bên trái được đun nóng và đưa đến hệ thống vòi phun nhờ bơm. Nước nóng được phun trực tiếp vào sản phẩm trong chai. Hệ thống băng tải chạy, đưa phần sản phẩm này tiếp tục đến khoang nước làm nguội. Nước nguội được đưa lên vòi phun nhờ bơm và làm nguội sản phẩm. Kết thúc quá trình thanh trùng, phần hơi được chuyển ra ngoài qua ống xả.
Thiết bị đo lường
 + Cảm biến đóng mở điện từ: được dùng để ngắt mở van hơi vào khoang nước nóng theo nhiệt độ đặt trước
 + Đồng hồ đo nhiệt độ: Đo nhiệt độ của đường nước nóng và nước ấm vào các khoang thanh trùng.
 + Đồng hồ đo áp suất: Đo áp suất của đường nước nóng và nước ấm vào các khoang thanh trùng.
Thiết bị 5: Máy chà
Vai trò của thiết bị
 Làm cho khối nguyên liệu đồng nhất. Có tác dụng loại bỏ những phần không có giá trị dinh dưỡng, không mong muốn như vỏ củ, quả
Cấu tạo
 Gồm 1 động cơ gắn liền với trục có 3 cánh chà làm bằng thép không rỉ. Lưới chà có đục các lỗ nhỏ, kích thước các lỗ nhỏ, với kích thước :0,5;0,75;1;1,5mm để tạo độ mịn mong muốn.
+ Để sản xuất nước quả đục, người ta dung lỗ lưới có đường kính:0.50-0,75mm
+ Để sản xuất cà chua cô đặc, người ta dùng lỗ lưới có đường kính :1,0-1,5mm
 Ngoài ra còn có các bộ phận khác như phễu dưới dẫn bột chà, phễu trên dẫn vỏ bỏ đi, bảng điều khiển, đường dẫn nước vệ sinh thiết bị 
Dưới đây là hình ảnh máy chà
Nguyên lý hoạt động
 Nguyên liệu đã qua đun được đưa qua phễu vào khoang chà. Khi động cơ hoạt động, nguyên liệu được quay đều, các cánh chà có tác dụng xiết, ép nguyên liệu vào lưới chà. Phần vỏ, xơ, hạt nằm trong lưới theo phễu trên ra ngoài. Phần bột chà qua các lỗ nhỏ trên lưới chảy ra theo phễu dưới ra ngoài.
 Thiết bị 5: Hệ thống CIP
Vai trò của thiết bị
 Là hệ thống vệ sinh tẩy rửa cho các thiết bị mà không cần tháo lắp thiết bị. Ngoài ra hệ thống còn có thể thanh tiệt trùng cho các thiết bị khác nhờ việc sử dụng hóa chất.
Cấu tạo
 Hệ thống CIP (Clean in place) có cấu tạo gồm 3 thùng chứa dung dịch: axit, kiềm và nước. Các thùng này đều có hệ thống ống dẫn nối với máy bơm để có thể vận chuyển 3 loại dung dịch trên vào cùng 1 đường ống tới các thiết bị khác. Cùng với hệ thống gia nhiệt cho dung dịch làm sạch và đầu phun dung dịch trong các thiết bị.
Dưới đây là mô hình của hệ thống CIP
Nguyên lý hoạt động
 Tùy theo hệ thống CIP, yêu cầu và loại thiết bị mà hệ thống CIP được vận hành khác nhau. Tuy nhiên nguyên lý chung là: khi cần vệ sinh cho một thiết bị nào đó, trước hết, hệ thống bơm nước nóng vào để rửa sơ bộ cho thiết bị. Sau đó hệ thống CIP sẽ lần lượt cho chạy các máy bơm để chuyển dung dịch kiềm vào đường ống đến thiết bị cần làm sạch trong khoảng 30’. Sau đó hệ thống sẽ chuyển sang bơm nước vào để tráng rửa lượng kiềm, tiếp theo là bơm dung dịch axit vào để tảy rửa, thanh trùng và trung bòa bớt lượng kiềm dư. Cuối cùng là tráng rửa nhiều lần bằng nước sạch, ban đầu là nước nóng sau đó là nước lạnh. Ngoại trừ nước, các dung dịch tẩy rửa đều được hồi lưu để sử dụng lại.
 Hệ thống CIP được dùng để vệ sinh cho các thiết bị không thể tháo ra để vệ sinh hoặc tháo lắp phức tạp, các thiết bị nhiều đường ống, nhiêu tấm, bản như thiết bị thanh trùng bản mỏng.
 Do các dung dịch tẩy rửa đều được đun nóng trước khi đưa đến các thiết bị cần làm sạch nên hệ thống có một bộ cảm biến nhiệt độ có chức năng điều khiển độ mở của van cấp hơi gia nhiệt. Bộ cảm biến chuyển tín hiệu điện sang áp suất để điều chỉnh áp suất của van màng, thay đổi độ mở van.