QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ SẤY SỮA BỘT NĂNG SUẤT 500KG SỮA NGUYÊN LIỆUH

• Sữa là một chất lỏng được tiết ra từ tuyến sữa của động vật hữu nhũ. Thành phần hóa học của các loại sữa không giống nhau, chúng luôn thay đổi và phụ thuộc vào những yếu tố như thời kì tiết sữa, thành phần thức ăn cho gia súc, phương pháp vắt sữa và độ tuổi của con vật. • Nguyên liệu chính để sản xuất sữa bột là tươi nguyên cream (whole milk) hoặc sữa gầy (skimmilk).( Nguồn: Wikipedia) • Sữa tươi nguyên kem là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi không hiệu chỉnh hàm lượng chất béo, hàm lượng chất béo trên 3,2%. • Sữa gầy là sữa đã qua quá trình tách béo, hàm lượng chất béo còn lại không quá 1%. • Ngoài nguyên liệu chính là sữa tươi còn có các nguyên liệu phụ khác như: đường, vitamin, các chất ổn định... nhằm mục đích tạo độ đặc cho sản phẩm sữa, tạo độ ngọt, và màu vàng đặc trưng cho sữa. Đường maltosedextrin còn có tác dụng làm cho sản phẩm sữa bột bền nhiệt, không bị biến tính khi sấy và sản phẩm sữa bột không bị vón.

Quy trình công nghệ sản xuất sữa bột

Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa bột

- Hiện nay, cuộc sống đang ngày càng phát triển và con người cũng càng ngày chú trọng hơn vào việc cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho cơ thể.

Và sữa bột là một trong những sản phẩm giúp cung cấp các chất dinh dưỡng và hấp thụ tốt nhất cho cơ thể Hiểu được sự phát triển và tầm quan trọng của sữa bột, con người đã tìm ra được rất nhiều phương pháp, các quy trình sản xuất sữa bột khác nhau với những ưu điểm khác nhau Cuối cùng, sau khi tham khảo và thảo luận thì nhóm em lựa chọn quy trình sản xuất sữa bột như sau:

Sữa Bột Nguyên Cream (Nguồn; QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA BỘT (hoakyhd.com))

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa bột

Thuyết minh quy trình sản xuất

Xét sữa có hàm lượng chất béo trong sữa tươi cao hơn sữa thành phẩm.

- Giúp cho sản phẩm có chất lượng tốt nhất.

- Có hạn sử dụng lâu mà vẫn đảm bảo được tiêu chuẩn về độ dinh dưỡng, mùi vị, màu sắc,

- Sữa được lấy từ con bò khỏe mạnh, không chứa các vi khuẩn gây bệnh:

 Sữa có được các thành phần tự nhiên.

 Sữa có mùi vị tự nhiên, không chứa chất kháng sinh và chất tẩy rửa.

- Sữa phải tươi và được làm lạnh ngay từ 4-6°C sau khi vắt Trong quá trình vắt, dụng cụ, thiết bị và người tiến hành cần sạch sẽ, hạn chế tối đa lượng vi khuẩn có thể xâm nhập.

- Chất tạo cấu trúc: để ổn định câu trúc của hạt sữa, người ta thường sử dụng các phụ gia như di-, tri-, hoặc polyphosphate Ngoài ra, các nhà sản xuất cũng có thể dùng muối sodium, potassium hoặc calcium orthophosphate.

- Chất chống oxy hóa: thông dụng nhất là gallat propyl, gallat lauryl.

- Chất nhũ hóa: phổ biến nhất là lecithin Việc sử dựng lecithin sẽ làm tăng độ hòa tan của sữa bột nguyên Trong công nghệ sản xuất sữa bột tan nhanh (instant milk power), việc sử dụng lecithin là bắt buộc.

 Mục đích: hiệu chỉnh hàm lượng chất béo có trong nguyên liệu.

 Đề xuất thiết bị: sử dụng hệ thống chuẩn hóa sữa gồm có thiết bị truyền nhiệt, thiết bị ly tâm , các dụng cụ đo tỉ trọng và lưu lượng dòng chảy, các van và hộp điều khiển.

 Cách tiến hành: Đầu tiên, sữa tươi sẽ được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt để nhiệt độ của sữa lên đến 55-65°C, sau đó sữa được đưa vào thiết bị ly tâm để phân riêng thành hai dòng sản phẩm: sữa gầy

(0 ,1 % béo) là dòng sản phẩm có tỉ trọng cao và cream (40% béo) là dòng sản phẩm có tỉ trọng thấp Cuối cùng, một phần cream sẽ được phối trộn lại với dòng sữa gầy để tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất béo đúng theo yêu cầu

 Yêu cầu: Tùy vào chỉ tiêu chất béo trong sản phẩm để hiểu chỉnh hàm lượng chất béo thích hợp cho nguyên liệu và được thực hiện trên dây chuyền tự động

Hình 2.2 Thiết bị ly tâm (https://ifoodvietnam.com/thiet-bi-li-tam- may-tach-khuan-tach-beo/ )

 Mục đích: nhằm làm giảm số vi sinh vật trong sữa xuống mức thấp nhất, đồng thời vô hoạt hóa các enzyme đặc biệt là nhóm enzyme bền nhiệt lipase.

 Đề xuất thiết bị:Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng.

Thông số kĩ thuật: Thông thường, quá trình thanh trùng được thực hiện ở 80 - 85°c trong thời gian vài giây để hạn chế tối đa sự biến tính bất thuận nghịch của các phân tử protein sữa Nếu tổng số vi sính vật tăng cao trong sữa nguyên liệu, quá trình thanh trùng có thể thực hiện ở 95°c trong thời gian tối đa là 1 phút.

 Yêu cầu: Loại bỏ được tối đa các vi sinh vật.

Hình 2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng.

(https://thanhhangmilk.com/cong-nghe-san-xuat-sua-bot.htm? fbclid=IwAR1vsbAROl5Gq8gGWwVI0veX2OPxBRBmGqBbUMT7- K3pU_-A8FQ9mKUqXGE )

 Mục đích: giảm tối đa lượng nước thừa ra khỏi sữa để tiết kiệm chi phí cho quá trình sấy tiếp theo.

 Phương pháp:Dùng phương pháp cô đặc chân không, đây là phương pháp khá nhanh và an toàn, đồng thời giúp cho sữa được đảm bảo giữ nguyên hàm lượng dinh dưỡng, không bị nhiễm vi khuẩn gây hại.

 Đề xuất thiết bị: Thiết bị cô đặc dạng mà rơi ( hoạt động trong điều kiện chân không).

 Cách tiến hành: Sữa chảy thành một lớp màng mỏng và được hơi nước gia nhiệt gián tiếp thông qua một bề m ặt truyền nhiệt Phần hơi thứ sẽ được dẫn vào một bộ phận ngưng tụ để tạo chân không trong quá trình cô đặc Các khí không ngưng tụ trong hơi thứ sẽ được bơm chân không hút ra ngoài (Hệ thống cô đặc chân không từ

 Yêu cầu:Giữ được màu sắc, mùi vị và tính chất của nguyên liệu.

Hình 2.3 Thiết bị cô đặc dạng màng rơi (https://dbk.vn/thiet-bi-co- dac-chan-khong.html )

 Mục đích: làm giảm kích thược hạt béo và phân bố đều trong sữa.

 Đề xuất thiết bị: Thiết bị đồng hóa hai cấp.

Sữa sẽ được một bơm piston đưa vào thiết bị đồng hóa Bơm sẽ tăng áp lực cho sữa lên đến 300-400atm tại đầu vào của khe hẹp thứ nhất. Sau khi rời khe hẹp thứ nhất, sữa sẽ tiếp tục đi vào khe hẹp thứ hai rồi thoát ra khỏi thiết bị đồng hóa Nhiệt độ của sữa trước khi vào thiết bị đồng hóa dao động trong khoảng 80-82°C.

 Thông số kĩ thuật: Áp suất: 300-400 atm.

 Yêu cầu:Quá trình đồng hóađể đạt được hiệu quả cần phải sử dụng thêm chất nhũ hóa.

Hình 2.4 Thiết bị đồng hóa hai cấp.

(https://shopcongnghethucpham.com/shop/day-chuyen-san-xuat-sua-dac-

 Mục đích: chuyển hóa sữa nguyên liệu dạng lỏng sang sữa bột thành phẩm, bảo quản sản phẩm vì làm giảm hoạt độ nước.

 Thiết bị: Thiết bị sấy phun.

Máy sấy phun có cấu tạo gôm một bình phun phía trên có bộ phận lọc và đốt nóng không khí Trong quá trình vận hành không khí qua bộ phận lọc vào bộ phận đốt nóng rồi lại qua bộ phận lọc khí, cuối cùng vào bình phun sữa Sữa đã được cô đặc cũng được phun vào bình sấy thành bụi và được làm khô ngay nhờ không khó nóng Sữa khô rơi xuống đáy bình phun và được vận chuyển ra ngoài nhờ thiết bị quạt gió.

- Nhiệt độ sấy : Điều chỉnh tự động trong khoảng 30-300°C.

- Chế độ làm việc: Liên tục.

- Điều khiển: Bảo vệ chống quá nhiệt.

 Yêu cầu: sữa thành phẩm thu được sẽ có độ khô 90 - 96%, độ ẩm 4

Hình 2.5 Thiết bị sấy phun (http://envitechcorp.vn/2018/08/09/may- say-phun/ )

- Giúp cho bột sữa đồng đều về mặt kích thước.

- Sữa bột nguyên cream có hàm lượng chất béo khá cao nên khó hòa tan trong nước Vì vậy trong giai đoạn xử lý sữa, người ta có thể thực hiện quá trình LECITHINE hóa để khắc phục nhược điểm đó.

 Đề xuất thiết bị:Máy sàng rung.

 Nguyên lý hoạt động: Máy sàng tròn hoạt động cơ bản dựa trên tác dụng của trọng lực, lực quán tính và ma sát Động cơ máy hoạt động làm rung lắc mặt sàng, mặt sàng chuyển động theo các chiều ngang, dọc, nghiêng một cách không cố định Nhờ vào đó mà bột phía trên mặt sàng sẽ rơi xuống phía dưới

 Yêu cầu: Bột sau sàng phải mịn đều, tơi, mùi vị thơm tự nhiên, không có mùi vị lạ, màu sắc đồng nhất.

Hình 2.6 Thiết bị sàng rây.(http://xuongchetaomay.vn/may-sang- rung-bot-tu-dong )

 Mục đích: Kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm, cung cấp thông tin sản phẩm và hoàn thành quy trình sản xuất, tạo thành phẩm.

 Thông số kĩ thuật: Đóng gói trong điều kiện chân không hoặc thổi hỗn hợp 90% nito và 10% hidro.

cân bằng vật chất

Cơ sở tính toán

 Định luật bảo toàn khối lượng :

“ Vật chất không được tạo ra hay mất đi Tuy nhiên thành phần của nó có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác” m v = m r + m hh

Trong đó : m v : khối lượng nguyên liệu vào m r : khối lượng sản phẩm ra m hh : khối lượng hao hụt

Gọi: m vi : khối lượng vào tại công đoạn i m ri : khối lượng ra taị công đoạn i

X i : phần trăm khối lượng hao hụt tại công đoạn i

Khối lượng vào tại công đoạn i là : m vi =m ri / ( 1− x i )

Tính hao hụt sản phẩm

Bảng 3.1 Tỷ lệ hao hụt sản phẩm trong mỗi công đoạn chế biến sữa bột

Kí Hiệu Nguyên nhân hao hụt

1 Chuẩn hóa 0,04 x1 + x2 Dính vào thiết bị

2 Thanh trùng 0,04 x3 Dính vào thiết bị

3 Cô đặc 0,04 x4 Lượng nước thoát ra và dính vào thiết bị

4 Đồng hóa 0,02 x5 Dình vào thiết bị

5 Sấy 0,05 x6 Lượng nước tách ra khỏi nguyên liệu

6 Xử lí 0,01 x7 Dính vào thiết bị

7 Bao gói 0,01 x8 Dính vào thiết bị

Tính cân bằng sản phẩm

 Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv6 P0kg mr6= ? kg xH20 = 60% xH20 = 4% x5= 0,05%

 Tính Cân bằng vật chất:

- Hàm lượng thành phần chất khô có trong nguyên liệu ban đầu ta có: mck/nl = mv5.(100 - 60)% = 500.40% = 200 (kg)

- Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho hàm lượng chất khô: mck/nl = mck.msp

- Hàm lượng chất khô sau khi bị hao hụt: mr5 = 208,33 – 208,33.x5 = 208.33 – 208,33.0,05% = 208,22 (kg)

- Lượng nước tách ra trong quá trình sấy là: mH2O = mban đầu – msản phẩm ra = 500 – 208,22 = 291,78 (kg)

 Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv5= ? kg mr5 = 500 kg x5 = 0.02%

 Tính Cân bằng vật chất:

 Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv4 = ? kg mr4 = 500.1 kg x4 = 0,04%

 Tính Cân bằng vật chất:

- Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv3 = ? kg mr3 = 500,3 kg x3 = 0,04%

- Tính Cân bằng vật chất:

 Quá trình chuẩn hóa trải qua 2 công đoạn Ly tâm và Phối trộn:

- Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv2 = ? kg mr2 = 500,5 kg x2 = 0,03%

- Tính Cân bằng vật chất:

- mvào phối trộn = mra ly tâm

- Với hàm lượng chất béo sau khi ly tâm F = 30%

- Trước khi ly tâm % chất béo là 3,6%

- Sau khi ly tâm % chất béo là 3,2%

mchất béo ban đầu = 150,195.3,6%=5,4 kg

- Sơ đồ cân bằng vật chất: mv1 = ? kg mr1 = 500,65 kg x1 = 0,01%

- Tính Cân bằng vật chất:

- Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv7 = 208,22 kg mr7 = ? kg

- Tính Cân bằng vật chất:

- Sơ đồ Cân bằng vật chất: mv8 = 208,19 kg mr8 = ? kg x8 = 0,01%

- Tính Cân bằng vật chất: mr8= mv8.(1-0,01%) = 208,19.99,99% = 208,16 (kg)

Bảng 3.2: Bảng tổng hợp cân bằng vật chất qua các công đoạn sản xuất

STT Công đoạn Hao Hụt

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Các thông số ban đầu

Lượng vật liệu ra : G2 = 500 kg/h Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: W1 = 60% Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy : W2= 4%

Nhiệt độ môi trường: t0= 25 o C Độ ẩm môi trường: φ0 = 85%

Nhiệt độ tác nhân sấy vào: t1 = 180 0 C

Nhiệt độ tác nhân sấy ra: t2 = 75 0 C

G1: Lượng vật liệu vào, kg/h.

G2 : Lượng vật liệu ra, kg/h

Gk: Lượng vật liệu khô tuyệt đối, kg/h

W : Lượng ẩm tách ra, kg/h

Cân bằng vật chất

- Trong quá trình sấy hàm lượng chất khô trong nguyên liệu không thay đổi do vậy ta có:

Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy

4.2.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời

Phân áp suất bão hòa hơi nước theo nhiệt độ

Chọn không khí vào calorifer có nhiệt độ to = 25 o C, o = 0.85

Với to = 25 o C thì Po = 0,0323 (at) (Bảng I.250/T312.

Không khí vào thiết bị sấy có nhiệt độ là t1 = 180 o C, ra khỏi thiết bị sấy có nhiệt độ là t2= 75 o C.

4.2.1.1 Lượng chứa ẩm do = 0,622 B−o P o o P o (kg ẩm/kg kkk) (CT VII.11/T95.[2])

- φ0: độ ẩm tương đối của không khí (độ ẩm môi trường)

- B: áp suất khí quyển, B = 1at

- P0: phân áp suất bão hòa của hơi nước.

Thay số vào ta có: do = 0,622 0,85 0,0323

4.2.1.2 Entanpy của không khí ẩm

Io = Cpkto + do( r + Cpato) (KJ/kg kkk) (CT 2.24/T29.[6]) Trong đó:

- Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô, Cpk = 1,004 (KJ/kg 0 K)

- Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước, Cpa = 1,842 (KJ/kg 0 K)

- r: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước, r = 2500 (KJ/kg)

Thay số vào ta có:

Io = 1,00425 + ( 2500 + 1,84225 )0,018 = 70,9 (kj/kg kk khô)

4.2.1.3 Thể tích riêng của không khí ẩm

- R: Hằng số khí, R = 8314 (J/kmol.độ)

- M: Khối lượng không khí, M = 29 (kg/kmol)

- Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí (N/m 2 ).

Thay số vào ta có:

4.2.2 Tính trạng thái không khí sau khi vào calorifer và đốt nóng đẳng ẩm (hàm ẩm không đổi)

Không khí vào calorifer được đốt nóng đến t1 = 180 o C thì Pb1,23 at (Bảng I.250/T312.[1]) d1 = do = 0,018 (kg ẩm/kg kk khô) Độ ẩm tương đối của không khí

Entanpy của không khí ẩm

Thể tích riêng của không khí ẩm v 1 = 288× T 1

4.2.3 Trạng thái không khí sau khi ra khỏi máy sấy (Entanpi không đổi) t2= 75 o C, I1=I2#1,69 (kj/kg kkk)

Phân áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ

Nhiệt lượng riêng của không khí khi đưa vào caloriphe bằng nhiệt lượng riêng của không khí khi ra khỏi caloriphe:

Do vậy độ chứa hơi d2 = I 2−1,004 t 2

2500+1,84275 =¿0,059 (kg ẩm/kg kkk) Lượng không khí tiêu hao riêng l = d 2 −d 1 1 = 0,059−0,018 1 =¿24,39 (kg kkk/kg ẩm) (CT 5.8/T58 [7])

Lượng không khí tiêu hao trong quá trình sấy q=l.(I1-I0 ) (CT 5.27/T209 [4]

= 24,39.( 231,69- 70,9)921,67(kJ/kg) Độ ẩm tương đối của không khí d 2 = 0,622 φ 2 P b2

Thể tích riêng của không khí ẩm: v 2 = 288 ×T 2

Thể tích không khí vào và ra khỏi thiết bị sấy

Ta có lượng vật liệu khô tuyệt đối Gk=G1.(1-W1)00.(1-60%)H0

Trong đó 1,2 là khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ t1, t2

Lưu lượng không khí khô chuyển động trong tháp sấy phun

Lưu lượng không khí thực chuyển động trong tháp sấy bao gồm lượng không khí khô và lượng hơi ẩm bốc hơi từ vật liệu sấy:

Tính nhiệt độ điểm sương:=1

Tại nhiệt độ điểm sương ta có:

Pbh= 0,622+ d 2 P d 2 = 0,622+ 0,059 × 0,059 0.98 =0,084 Tra bảng I.251 trang 314 Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1 ta có:

Khoảng chênh lệch nhiệt độ t=t2tsu423 o C => các thông số đã chọn về tác nhân sấy là chấp nhận được.

Cân bằng vật liệu cho không khí sấy

Coi lượng không khí khô đi qua máy sấy không bị mất trong quá trình sấy.

- d1: Lượng ẩm không khí khô mang theo vào phòng sấy

- d2: Lượng ẩm trong không khí khô còn lại sau khi sấy

- Phương trình cân bằng ẩm: L.d1 + W = L.d2

Lượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy

Ta có tại t0 = 25 0 thì ρ = 0,02304 kg/cm 3 (Bảng I.250, T312,[1])

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào calorifer

= 480 0,02304 =¿20833,34(m 3 /h ¿=5,79 (m 3 /s) Lượng không khí cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật liệu l = d 2−d 1 1 = 0,097−0,018 1 $,39 (kg kk khô/kg ẩm)

Lượng vật liệu khô tuyệt đối

Nhiệt độ trung bình của dòng khí lưu chuyển trong thiết bị sấy

2 7,5 0 C suy ra ρtb=1,395(kg/m 3 ) Lưu lượng không khí lưu chuyển qua thiết bị sấy

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy Đại lượng Giá trị

G1: Khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h ) 1200 (kg/h)

G2: Khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h ) 500 (kg/h)

Gk:Lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h ) 480 (kg/h) w 1:Độ ẩm vật liệu vào (%) 60% w 2: Độ ẩm vật liệu ra (%) 4%

W: Lượng ẩm được tách ra (%) 700 (kg/h) l: Lượng không khí khô để bốc hơi 1 kg ẩm (kg kkk/kg ẩm)

L: Lượng không khí khô bốc hơi W kg ẩm (kg kkk/h)

Bảng 2.2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy t o ( 0 C) d (kg/kgkkk ) Độ ẩm φ (%)

Sau khi ra khỏi calorife 180 0 C 0,018 27 231,69

Saukhi ra khỏi buồng sấy 75 0 C 0,059 22 231,69

Tính cân bằng nhiệt lượng

- tvl1: Nhiệt độ vật liệu trước khi vào sấy, tvl1 = tmt= 25 0 C

- tvl2: Nhiệt độ vật liệu sau khi ra khỏi máy sấy, tvl2 = t2 – (5÷10 0 C)= 75-8 = 67 0 C

- Cvl: Nhiệt dung riêng của vật liệu, (kJ/kg 0 K), coi như không đổi trước và sau khi sấy: Cvl1 = Cvl2 = Cvl

Cvl = Ck×(1 – w2) + Cn× w2 (kJ/kg 0 K)

- Ck: nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối, Ck = 3,95 KJ/kg 0 K

- Cn: Nhiệt dung riêng của nước, (kJ/kg 0 K), Cn = 4,18 (kJ/kg 0 K)

4.4.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy

- Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: L.I0 (J/s) trong đó I0 là nhiệt hàm của không khí trước khi vào calorifer sưởi (J/kg kkk)

- Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được từ calorifer sưởi cung cấp: L(I1-

- Nhiệt lượng do vật liêu sấy mang vào: ((G1 – W)× Cvl + W×Cn)× tvl1

4.4.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy

- Nhiệt lượng tổn thất do không khí thải mang đi: L×I2 (J/s) trong đó

I2 là nhiệt hàm của không khí sau khi ra khỏi phòng sấy (J/kg kkk)

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2×Cvl×tvl2

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Qm

Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gk×I0 + Gk× (I1 – I0) + ((G1 – W)× Cvl + W×Cn) ×tvl1 = Gk×I2 + G2×Cvl×tvl2+

 Gk× (I1 – I0) = Gk× (I2 – I0) + G2×Cvl×tvl2 – G2×Cvl×tvl1 – W×Cn×tvl1 + Qm

Q = Gk× (I1 – I0) = Gk× (I2 – I0) + G2×Cvl× (tvl2 - tvl1) - W×Cn×tvl1 + Qm Đặt: Qvl = G2×Cvl× (tvl2 - tvl1) gọi là nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy

Q = Gk×(I1 – I0) = Gk× (I2 – I0) + Qvl - W×Cn×tvl1 + Qm

Chia cả hai vế của phương trình cho W ta có:

Nhiệt lượng tiêu hao riêng (nhiệt lượng cần thiết để làm tiêu hao 1kg ẩm): q = l×(I1 – I0 ) = l×(I2 – I0 ) + qvl – Cn×tvl1 + qm

- l×(I2 – I0 ) là nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm.

W là nhiệt lượng tiêu tốn riêng để đốt nóng vật liệu sấy từ tvl1 đến tvl2 q vl = Q vl

- Cn × tvl1 là nhiệt lượng của một kg ẩm trên vật liệu mang vào

Cn × tvl1 = 4,18 × 25 = 104.5 (KJ/kg ẩm)

- qm = Q Ga m là nhiệt lượng mất mát riêng ra môi trường chung quanh Đặt △= Cn tvl1 -qm - qvl : gọi là nhiệt lượng bổ sung cho quá trình sấy thực

Nhiệt lượng tiêu hao riêng q = l× (I1 – I0) = l× (I2 – I0) - 

Với quá trình sấy lý thuyết:  = 0

Nhiệt lượng tiêu hao chung

Nhiệt lượng tiêu hao riêng q= Q

Tổn thất nhiệt ở tháp sấy

- F: Diện tích bề mặt xung quanh máy sấy

-  t : Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môitrường xung quanh

4.6.1 Tính hệ số truyền nhiệt

1 : Hệ số cấp nhiệt tổng quát từ trong đến thành thiết bị

2 : Hệ số cấp nhiệt của tường ra môi trường xung quanh

4.6.1.1 Tính hệ số cấp nhiệt tổng quát từ trong đến thành thiết bị α 1

- α 1 ' : Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức (W/m 2 độ)

- α 1 '' : Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên (W/m 2 độ)

- K: Hệ số điều chỉnh tính đến độ nhám, k =1,25 a, Tính α1’

Xác định hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành mấy sấy do đối lưu cưỡng bức theo công thức: α 1 '= Nu× λ D

Xác định chỉ số Nuyxen

Nu = 0,018 × Re 0,8 × ɛ1 (CT V.42/T16, [2]) Trong đó:

+ ɛ1 là hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số giữa chiều cao H và đường kính D của ống

+ Re là chuẩn số Reynolds

- D là đường kính tháp phun, D = 3 (m)

- : là độ nhớt không khí, υ = 26,5.10 -6 (m/s 2 ) (bảng I.255/T318, [1]) Với= 26,5× 10 -6 (m/s 2 ) , =0 ,4 m/s , D = 3 (m) ta có:

Tại 127,5 0 C thì λ= 0,032(W/m.đ ) (Bảng I.137/T149, [1])ộ) (Bảng I.137/T149, [1])

Hệ số cấp nhiệt α 1 ' = Nu× λ

Xác định hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên theo công thức : α 1 = {Nu ×λ} over {Dλ} over {D} over {D

Xác định chỉ số Nuyen

-  : Hệ số giãn nở thể tích.

-  t : Hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy vào và tác nhân sấy ra.

- t2 là nhiệt độ tác nhân sấy ra t2= 75 0 C

- D là đường kính của buồng sấy D= 3 (m)

Hệ số cấp nhiệt α 1 = {0,032 ×λ} over {D 273,1} over {3} =2,9 (W/m 2 độ)

4.6.1.2 Tính hệ số cấp nhiệt của tường môi trường xung quanh α 2

-  2 ' : Hệ số cấp nhiệt mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên.

-  2 '' : Hệ số cấp nhiệt do bức xạ. a, Tính α2’

Xác định hệ số cấp nhiệt mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên theo côngthức: α 2 ' = Nu× λ D

Hệ số cấp nhiệt từ ngoài thành thiết bị đến môi trường xung quanh Giả sử nhiệt độ của không khí trong phân xưởng là tk = 28 0 C Nhiệt độ của lớp thép bảo vệ ngoài thành thiết bị là tn = 60 o C ttb= t k + 2 t n = 60+ 2 28 =¿ 44 o C Ở nhiệt độ này ta có:  = 2,78*10 -2 (W/m.độ)

Xác định chỉ số Nuyxen:

Hệ số cấp nhiệt do bức xạ

-  n : là mức độ đen của vật, với hệ thống bằng thép chọn  n = 0,85

- Co : là hệ số cấp nhiệt của vật đen tuyệt đối, chọn Co = 5,7

- T1 : nhiệt độ tường ngoài tiếp xúc không khí

T2 = to + 273 = 25 + 273 = 298 0 C Thay vào ta có : α2”= 0,85 × 5,7 × (( 333 100 ) 4 – ( 298 100 ) 4 )/(333-298)) = 6,11 (W/m 2 độ )

Hệ số cấp nhiệt từ bề ngoài thiết bị vào không khí α2 = α2’+α2”= 2, 41+6,11= 8,52 (W/m 2 độ )

4.6.2 Tính bề dày của lớp cách nhiệt

Chọn vật liệu cách nhiệt cho tháp là bông thủy tinh, hệ số dẫn nhiệt là 2=0,037 (W/m độ) Bề dày của lớp cách nhiệt là b2

Bề dày thiết bị là b1 = 5 (mm), bề dày lớp vỏ bảo vệ là b3 = 1 (mm), làm bằng vật liệu là thép không rỉ có 1 = 3 = 21,2 (W/m độ).

D tb là đường kính trung bình của thiết bị khi kể cả lớp cách nhiệt

Lượng nhiệt truyền từ trong tháp do cấp nhiệt: q = p × D× 1× (ttb –t2) = 3,14 × 3× 5,26× (127,575)= 4831,05 (W/m)

Trong đó : tw1, tw2: nhiệt độ bên trong và bên ngoài thành thiết bị xem tw1 ~ tw2

= 75 o C tw3, tw4: nhiệt độ bề trong và bề ngoài lớp vỏ bảo vệ xem tw3 ~ tw4 60 o C

Ta tính được b2 = 1,086 × 10 -3 (m) xung quanh:

4.6.3 Tính diện tích bề mặt xung quanh máy sấy

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh

Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môitrường xung quanh

Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa môi trường trong thiết bị và môi trường xung quanh :

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh tính theo 1 kg ẩm

Qmt = K × F × tln = 2,97 × 42,45 × 126,95 = 16005,41(kJ/h) qmt = Q W mt = 16005,41 700 ",86 (kJ/kg)

Tính toán quá trình sấy thực tế

4.7.1 Sự khác biệt giữa quá trình sấy lý thuyết và sấy thực tế

Nhiệt lượng bổ sung thực tế

Ta thấy rằng < 0, như vậy quá trình sấy cần bù thêm nhiệt đun nóng và nhiệt mất do sản phẩm mang ra Do vậy mà quá trình sấy thực tế sẽ khác với quá trình sấy lý thuyết mà cụ thể là lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình sấy thực sẽ lớn hơn quá trình sấy lí thuyết.

4.7.2 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực

- Nhiệt dung riêng dẫn xuất của tác nhân sấy trước khi sấy

- Lượng ẩm chứa d2 của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực i2 = 2500 + 1,842  t2 (CT 7.32/T138, [6])

- Enthapi của không khí ẩm

- Lượng tác nhân sấy cần thiết cho quá trình sấy thực tế l’= d 2−d 1 1 = 0,05 −0,018 1 1,52 (kg kkk/kg ẩm)

- Lượng tác nhân sấy thực tế

- Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực tế q = l’× (I1- I0) = 31,52×(231,69 – 70,9) = 5068,1(kJ/kg ẩm)

- Nhiệt lượng có ích q1= i2 – Cn×tvl1 = 2638,15 - 4,18×25= 2533,65 (kj/kg ẩm)

- Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi q = l’×C (d )×(t -t ) = 31,52×1,0371×(7525)34,47 (kj/kg ẩm)

- Tổng nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng tổn thất m v q q q q q ;  1  2   = 2533,65 +1634,47 + 22,86 + 274,5168

Về nguyên tắc, nhiệt lượng tiêu hao q và tổng nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng tổn thất phải bằng nhau Nhưng do nhều lý do, có thể trong quá trình tính toán đã làm tròn số nên đã gây ra những sai số.

 Các thông số lựa chọn là chính xác.

Bảng 4.1 Tổng kết tính toán cân bằng nhiệt lượng

1 Lưu lượng tác nhân sấy thực tế L’ 22064 Kg kk/h

2 Nhiệt lượng tiêu hao riêng q 5068,1 kJ/ kg ẩm

3 Nhiệt lượng bổ sung thực tế  -192,68 kJ/ kg ẩm

4 Nhiệt lượng có ích q 1 2533,65 kJ/ kg ẩm

5 Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy q 2 1634,47 kJ/ kg ẩm

6 Tổn thất nhiệt do vật liệu q v 22,86 kJ/ kg ẩm

7 Tổn thất nhiệt ra môi trường q m 274,51 kJ/ kg ẩm

8 Tổng nhiêt lượng có ích và tổn thất q ' 4465,5 kJ/ kg ẩm

9 Sai số tính toán  q 602,6 kJ/ kg ẩm

Tính toán thiết kế thiết bị chính

Cấu tạo chung

Tất cả những thiết bị sấy phun bao gồm:

+ Cơ cấu phun: Có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng dưới dạng hạt mịn (sương mù)

+ Buồng sấy: Là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng) ͦ

+ Tác nhân sấy: Không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng nhất Hơi là tác nhân gia nhiệt phổ biến nhất Nhiệt độ hơi sử dụng thường dao động trong khoảng 150-250˚C Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ sôi sử dụng là 10˚C

+ Hệ thống thu hồi sản phẩm: Bột sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy buồng sấy Để tácg sản phẩm ra khỏi khí thoát, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện Phổ biến nhất là lắng xoáy tâm, sử dụng cyclon.

+ Quạt: Để tăng lưu lượng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly tâm.

Nguyên tắc hoạt động

 Nguyên liệu từ thùng chứa được bơm vào buồng sấy , khi vào buồng sấy được phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti nhờ cơ cấu phun.

1 lít dung dịch có thể được phun thành 1.5*10 10 giọt với tổng diện tích bề mặt lên đến 120m 2 Không khí nóng thổi qua caloriphe đưa vào buồng sấy Không khí nóng và nguyên liệu ở dạng mù tiếp xúc với nhau trong vài giây tại cơ cấu phun mẫu đặt trong buồng sấy, nước từ nguyên liệu bốc hơi sau đó thoát ra ngoài, sản phẩm khô được thu gom tại đáy cyclon, được làm nguội và thu hồi Một phần bụi mịn theo không khí qua cyclon, sau đó qua bộ lọc vải nhằm thu hồi những hạt bụi mịn còn sót lại và thải ra ngoài.

 Không khí nhờ quạt thổi qua bộ trao đổi nhiệt caloriphe và nâng lên nhiệt độ cần thiết theo yêu cầu của chế độ sấy Không khí trước khi

Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy phun

- Có thể điều khiển được tỷ trọng sản phẩm.

- Bột sau khi sấy có độ hòa tan cao (90-100%), độ ẩm thấp (3-4%).

- Vận hành liên tục và có thể tự động hóa hoàn toàn.

- Chi phí nhân công thấp.

- Vận hành và bảo dưỡng đơn giản.

- Thiết kế đa dạng cho từng loại sản phẩm, từng loại quy mô nhà máy.

- Áp dụng được cho các sản phẩm bền nhiệt và không bền nhiệt, nguyên liệu ở dạng dung dịch, gel, paste, hồ vữa, huyền phù,

- Chất lượng bột được đảm bảo trong suốt quá trình sấy.

- Vật liệu hầu như không tiếp xúc với bề mặt kim loại của thiết bị.

- Chi phí đầu tư cao.

- Yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để đảm bảo nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng.

- Chi phí năng lượng cao hơn (để tách ẩm).

- Thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn.

Trong thiết bị sấy phun thì buồng sấy và vòi phun là hai phần quan trọng nhất của thiết bị.

Buồng sấy trong hệ thống sấy phun thường là hình trụ tròn Nên khi tính kích thước buồng sấy thì sẽ xác định thể tích V, đường kính D và chiều cao H của hình trụ đó.

Cấu tạo đặc thù của hệ thống sấy phun so với hệ thống sấy khác là bơm cao áp nén dịch thể và tạo sương trong buồng sấy Vòi phun là kết cấu để đưa vật liệu sấy vào buồng sấy, vừa là kết cấu tạo sương mù Có 3 loại vòi phun:

Chọn vòi phun sương loại cơ khí gồm có đầu vòi có một chi tiết cạnh 3 cánh có thể tự do quay xung quanh một trục và nhờ đó dịch thể bị đánh tơi thành những giọt nhỏ.

+ Tiêu tốc ít điện năng

Chọn đường kính lỗ phun là dc=5.10 -3 m, góc phân tán tia αPº

Giả thiết vận tốc của không khí trong buồng sấy là =0,4m/s.

Trong đó:b hệ số phụ thuộc cấu tạo của vòi phun b= d c

- l độ nhớt của dịch sữa đưa vào sấy; l = 30  10 -3 (Pa.s) Thay số vào ta có :

- Bán kính tán phun được xác định theo công thức

Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy t tb = t 1 +t 2

2 7,5 0 C Suy ra độ nhớt υ = 26,5.10 -6 (m/s 2 ) (bảng I.255/T318, [1]) Trong đó:

Rp: bán kính tán phun, m

: vận tốc dòng khí chuyển động trong thiết bị, m/s r: ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, kj/kg ; r = 2150 kj/kg

C1,C2: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở nhiệt độ t1, t2, kj/kg độ

C1= 4417 (kj/kg độ) , C2 = 4191 (kj/kg độ)

Ctb: nhiệt dung riêng trung bình, Ctb= 4304 (kj/kg độ)

: độ nhớt của không khí,  = 26,510 -6 (m 2 /s)(bảng I.255/T318, [1]) dtb: kích thước trung bình của sản phẩm dtb = 7,25 × 10 −4 (m)

1 là khối lượng riêng của dịch sữa đưa vào sấy, 10-1200 kg/m 3 (Tr289/[3])

k là khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc k=0,4-0,9 kg/ m 3 (Tr289/ [3])

Thay số vào ta có:

Rp = dtb 1205,1 = 7,25 10 -4  1205,1 = 0,87 (m) Đường kính buồng sấy DT =(1,5-1,7) *Dp

5.3.2.2.Xác định chiều cao của tháp sấy

Tỉ số chiều cao buồng sấy và đường kính bên trong DT =1,1−1,25 H ( Tr290,[3])

 H=1,25*3= 3,75 Chọn chiều cao của tháp là HT = 3,75(m) ,gồm 2 phần; phần thân hình trụ cao 2,4(m) phần đáy côn có chiều cao là 1,35 (m)

Thể tích buồng sấy là: