Khái niệm: Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt (hay quá trình tách lỏng ra khỏi chất rắn bằng phương pháp bay hơi). Có 2 phương pháp sấy là: sấy tự nhiên và sấy nhân tạo. Nguyên tắc của quá trình sấy: Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm (bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao) để biến đổi trạng thái pha của lỏng trong vật liệu thành hơi. Trong quá trình sấy, nước được cho bay hơi ở nhiệt độ cao bất kì do sự chênh lệch độ ẩm tại bề mặt và bên trong vật liệu (khuếch tán ẩm) hoặc sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh. Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu sấy thay đổi theo cả không gian và thời gian. Phạm vi ứng dụng của quá trình sấy: Quá trình sấy khô đã được sử dụng trong hàng ngàn năm phục vụ cho đời sống con người như để giảm trọng lượng vận chuyển, tăng thời gian bảo quản thực phẩm hoặc vật liệu,... hay ứng dụng trong công – nông nghiệp như hóa chất, dược phẩm, chế biến nông – hải sản, vật liệu xây dựng. Sấy không chỉ là quá trình tách ẩm đơn giản mà phải đòi hỏi về công nghệ. Vật liệu sau khi sấy phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn ít năng lượng vì chi phí vận hành thấp. Do đó, cần phải dựa vào tính chất vật liệu, lượng sản phẩm để chọn ra chế độ và phương pháp sấy tối ưu cũng như tùy vào năng suất, hiệu quả kinh tế mà chọn hệ thống sấy cho phù hợp. Để chất lượng sản phẩm ngày càng nâng cao, công nghệ sấy cũng dần được cải tiến và phát triển.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO MÔN: KỸ THUẬT SẤY VÀ CHƯNG CẤT ĐỀ TÀI: SẤY PHUN MÃ MÔN HỌC: GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Tp Hồ Chí Minh, 03 tháng 12 năm 2022 HỌC KÌ I , NĂM HỌC 2022-2023 BẢNG XÁC NHẬN CÔNG VIỆC Tên Mã số sinh viên Công việc Mức độ hoàn thành Nhận xét giáo viên: CHỮ KÝ GIẢNG VIÊN MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Lý chọn đề .6 Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu .6 Phương pháp nghiên cứu .6 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG Phần 1: Tổng quan trình sấy sấy phun 1.1 Quá trình sấy 1.1.1 Khái niệm phạm vi ứng dụng trình sấy .7 1.1.2 Một số phương pháp sấy 1.2 Hệ thống sấy phun 1.2.1 Lịch sử phát triển công nghệ sấy phun 1.2.2 Định nghĩa trình sấy phun 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy 1.3 Phân loại hệ thống sấy phun 1.3.1 Máy sấy lưu lượng đồng dòng (cùng chiều) 1.3.2 Máy sấy lưu lượng ngược dòng (ngược chiều) 10 1.3.3 Máy sấy lưu lượng dòng hỗn hợp 11 1.3.4 Máy sấy chu kỳ mở .12 1.3.5 Máy sấy chu kỳ bán khép kín 12 1.3.6 Máy sấy chu kỳ khép kín 12 1.3.7 Máy sấy phun giai đoạn 12 1.3.8 Máy sấy phun hai giai đoạn 13 1.3.9 Máy sấy phun đáy hình nón 14 1.3.10 Máy sấy phun đáy phẳng 14 Phần 2: Hệ thống thiết bị sấy phun 15 2.1 Cấu tạo thiết bị sấy phun 15 2.1.1 Thiết bị phun sương .15 2.1.2 Buồng sấy 19 2.2 Nguyên lý làm việc 20 2.3 Ưu nhược điểm thiết bị sấy phun 21 2.4 Ứng dụng .22 Phần 3: Giới thiệu số thiết bị sấy phun .23 3.1 Thiết bị sấy phun dùng cho nghiên cứu 23 3.2 Thiết bị sấy sữa bột giai đoạn 23 3.3 Thiết bị sấy phun áp lực cao YPG .24 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Máy sấy lưu lượng đồng dòng(cùng chiều) 10 Hình 1.2 Máy sấy lưu lượng ngược chiều (ngược dòng) 11 Hình 1.3 Máy sấy lưu lượng dịng hỗn hợp .11 Hình 1.4 Máy sấy chu kỳ khép kín 12 Hình 1.5 Máy sấy phun giai đoạn 13 Hình 1.6 Máy sấy phun giai đoạn 13 Hình 1.7 Cấu tạo bên sấy phun đáy hình nón 14 Hình 1.8 Cấu tạo bên máy sấy phun đáy phẳng 14 Hình 2.1 Vịi phun khí 15 Hình 2.2 Vịi phun đĩa quay ly tâm 15 Hình 2.3 Cấu tạo vịi phun đĩa ly tâm 17 Hình 2.4 Các kiểu buồng sấy .19 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị sấy phun 21 Hình 2.6 Thiết bị sấy sữa giai đoạn 24 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Lý chọn đề Trong công nghiệp đời sống, cơng nghệ sấy q trình quan trọng Sấy không đơn tách nước khỏi nguyên liệu mà phải đảm bảo cho sản phẩm đầu đạt tiêu đề Việc để đạt mục tiêu đề nhằm giúp sản phẩm trở nên chất lượng ( không mốc meo, không thẩm mĩ, không ảnh hưởng đến hạn sử dụng,…) trình bảo quản sản phẩm Và trình sấy trình sấy phun q trình khơng thể thiếu sản phẩm nhạy cảm với nhiệt Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu thu thập thơng tin trình sấy phun, ứng dụng sấy phun va số thiết bị sấy phun sử dụng thực tế Đối tượng nghiên cứu Một số phận thiết bị sấy phun, thơng số tính tốn thiết kế phận nguyên lý hoạt động khái niệm sấy phun Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu Phương pháp thống kê Phương pháp phân tích tổng hợp CHƯƠNG 2: NỘI DUNG Phần 1: Tổng quan trình sấy sấy phun 1.1 Quá trình sấy 1.1.1 Khái niệm phạm vi ứng dụng trình sấy Khái niệm: Sấy trình tách ẩm khỏi vật liệu phương pháp nhiệt (hay trình tách lỏng khỏi chất rắn phương pháp bay hơi) Có phương pháp sấy là: sấy tự nhiên sấy nhân tạo Nguyên tắc trình sấy: Nhiệt cung cấp cho vật liệu ẩm (bằng xạ, đối lưu, dẫn nhiệt lượng điện trường có tần số cao) để biến đổi trạng thái pha lỏng vật liệu thành Trong trình sấy, nước cho bay nhiệt độ cao chênh lệch độ ẩm bề mặt bên vật liệu (khuếch tán ẩm) chênh lệch áp suất riêng phần nước bề mặt vật liệu môi trường xung quanh Sấy q trình khơng ổn định, độ ẩm vật liệu sấy thay đổi theo không gian thời gian Phạm vi ứng dụng trình sấy: Quá trình sấy khô sử dụng hàng ngàn năm phục vụ cho đời sống người để giảm trọng lượng vận chuyển, tăng thời gian bảo quản thực phẩm vật liệu, hay ứng dụng công – nơng nghiệp hóa chất, dược phẩm, chế biến nông – hải sản, vật liệu xây dựng Sấy không trình tách ẩm đơn giản mà phải địi hỏi cơng nghệ Vật liệu sau sấy phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn lượng chi phí vận hành thấp Do đó, cần phải dựa vào tính chất vật liệu, lượng sản phẩm để chọn chế độ phương pháp sấy tối ưu tùy vào suất, hiệu kinh tế mà chọn hệ thống sấy cho phù hợp Để chất lượng sản phẩm ngày nâng cao, công nghệ sấy dần cải tiến phát triển 1.1.2 Một số phương pháp sấy - Sấy đối lưu - Sấy tiếp xúc - Sấy xạ - Sấy thăng hoa 1.2 Hệ thống sấy phun Sấy phun hệ thống sử dụng phương pháp sấy đối lưu Sấy phun công nghệ sử dụng rộng rãi cơng nghệ tạo hình chất lỏng cơng nghiệp sấy Cơng nghệ sấy thích hợp để sản xuất bột rắn sản phẩm hạt từ vật liệu lỏng, như: dung dịch, nhũ tương, huyền phù Khi kích thước hạt phân phối sản phẩm cuối cùng, hàm lượng nước dư, mật độ khối lượng hình dạng hạt phải đáp ứng tiêu chuẩn xác, sấy phun cơng nghệ mong muốn 1.2.1 Lịch sử phát triển công nghệ sấy phun Sự phát triển thiết bị kỹ thuật sấy phun diễn khoảng thời gian vài thập kỷ từ năm 1870 đến đầu năm 1900 Bằng sáng chế sấy phun đăng ký vào năm 1872 Hoa Kỳ Percy mô tả nguyên lý sấy phun ông coi người phát minh công nghệ sấy phun Hệ thống sấy phun công nghiệp lắp đặt vào năm 1905 cho công ty Hoa Kỳ mang tên Merril Soul Máy sấy phun biết đến sử dụng máy phun dạng vòi, máy phun dạng quay giới thiệu vài thập kỷ sau Sự phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp sữa, sản lượng sữa tăng lên sau Thế chiến thứ hai nhu cầu đột ngột giảm trọng lượng vận chuyển thực phẩm vật liệu, mang lại cải tiến đáng kể cho máy sấy phun Sấy sữa ứng dụng thương mại công nghệ 1.2.2 Định nghĩa trình sấy phun Định nghĩa sấy phun: Sấy phun công nghệ sấy công nghiệp khả sấy bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột đơn giản, dễ dàng kiểm soát nhiệt độ định dạng hạt sản phẩm cách xác Phương pháp sấy phun xem green Technology (công nghệ xanh: giữ giá trị cảm quan dinh dưỡng tốt cho sản phẩm thời gian sấy ngắn, bốc nhanh) Sự kết hợp với khơng khí nhỏ giọt: Phần tử trung tâm máy sấy phun buồng sấy phun, nơi chất lỏng phun dạng sương đưa vào tiếp xúc với khí nóng (thường khơng khí, chân khơng) Dẫn đến bay 95% nước Cách thức phun tiếp xúc với khơng khí máy sấy ảnh hưởng đến hoạt động giọt giai đoạn sấy có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính sản phẩm sấy 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình sấy: Nồng độ nhiệt độ - Nồng độ chất khô nguyên liệu: +Nồng độ cao: giảm thời gian bốc tăng độ nhớt nguyên liệu, gây khó khăn cho quấ trình sấy phun +Nồng độ thấp: tiêu hao nhiều thời gian lượng cho trình +Nồng độ thực tế: khoảng 45% - 52% - Nhiệt độ tác nhân sấy: yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm sản phẩm sau sấy phun Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm bột sản phẩm thu gỉam ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ cao gây phân hủy số cấu tử nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt làm tăng mức tiêu hao lượng cho toàn trình sấy - Ngồi ra, cịn có yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến toàn trình như: kích thước, số lượng quỹ đạo chuyển động hạt buồng sấy; tốc độ đưa dòng nguyên liệu vào cấu phun sương, lưu lượng khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo kích thước buồng sấy 1.3 Phân loại hệ thống sấy phun Phân loại theo dạng lưu lượng sấy Phân loại theo chu kỳ sấy Phân loại theo cấu hình dáng 1.3.1 Máy sấy lưu lượng đồng dòng (cùng chiều) Thiết kế phù hợp với sản phẩm nhạy cảm với nhiệt Quá trình phun bay diễn nhanh, kéo theo nhiệt độ khơng khí sấy giảm nhanh hóa nước Sản phẩm khơng bị nóng suy thối nhiệt độ giọt thấp hầu hết trình bay Khi độ ẩm đạt đến độ u cầu, nhiệt độ hạt khơng tăng lên q cao khơng khí xung quanh lúc mát nhiều Các sản phẩm sữa thực phẩm nhạy cảm với nhiệt khác thường sấy hệ thống Hình 1.1 Máy sấy lưu lượng đồng dòng(cùng chiều) 1.3.2 Máy sấy lưu lượng ngược dịng (ngược chiều) Đầu phun khơng khí đưa vào phía phía máy sấy, với phun đặt phía khơng khí vào phía Khả bốc nhanh hiệu lượng cao so với thiết kế lưu lượng đồng dịng Khơng thích hợp cho sản phẩm nhạy cảm với nhiệt Xà phòng chất tẩy rửa thường sấy hệ thống sấy lưu lượng khơng đồng thời 10 Hình 1.5 Máy sấy phun giai đoạn 1.3.8 Máy sấy phun hai giai đoạn Độ ẩm sản phẩm khỏi buồng cao (thường từ 5% - 10%) so với sản phẩm cuối Sau khỏi buồng, lượng độ ẩm tiếp tục giảm giai đoạn thứ hai (trong máy sấy tầng sôi máy sấy tầng rung) Cho phép sử dụng nhiệt độ thấp máy sấy Lựa chọn tốt cho sản phẩm đặc biệt nhạy cảm với nhiệt Hình 1.6 Máy sấy phun hai giai đoạn 13 1.3.9 Máy sấy phun đáy hình nón Dạng hình trụ cao có buồng với đáy hình nón Các vịi phun: Có thể đặt đỉnh (máy sấy đồng dòng) Hoặc đặt đáy (máy sấy ngược dòng máy sấy dòng hỗn hợp) buồng Cửa cấp khơng khí vào để làm khơ (đặt phía trên, phía bên cạnh buồng) Hình 1.7 Cấu tạo bên sấy phun đáy hình nón 1.3.10 Máy sấy phun đáy phẳng Buồng hình hộp chữ nhật có đáy phẳng hình chữ "V" Đầu phun máy sấy hộp thường phun theo chiều ngang (vòi phun dòng chảy thấp), sử dụng băng tải quét băng tải vít Hình 1.8 Cấu tạo bên máy sấy phun đáy phẳng 14 Phần 2: Hệ thống thiết bị sấy phun 2.1 Cấu tạo thiết bị sấy phun Cấu tạo hệ thống sấy phun bao gồm: Quạt cấp gió, trao đổi nhiệt calorifer, phận để thu hồi sản phầm, hệ thống xử lý khí thải (tùy hệ thống tùy chủ sở hữu có khơng), buồng sấy thiết bị phun sương, buồng sấy thiết bị phun sương thiết bị đặc trưng cho hệ thống sấy phun, phận lại tương tự thiết bị sấy phun khác 2.1.1 Thiết bị phun sương Có nhiệm vụ đưa vật liệu sấy dạng lỏng vào buồng sấy hạt phân tán có kích thước theo yêu cầu Loại cấu phun sương không định kích thước,phân bố,mức độ quỹ đạo hạt sương mà định đến lượng cần thiết cho trình sấy Các dạng cấu phun sương như: Vịi phun khí, vịi phun dạng đĩa quay li tâm, vịi phun dạng khí động Hình 2,1 Vịi phun khí Hình 2.2 Vịi phun đĩa quay ly tâm a Vịi phun khí Nguyên lý hoạt động: Dòng vật liệu sấy lỏng nén đến áp suất thích hợp (30200 at) vào vịi phun với tốc độ cao sau qua lỗ nhỏ đầu vòi phun phóng vào buồng sấy dạng hạt nhỏ, cỡ hạt thay đổi từ 1-150 μ Tùy thuộc vào áp suất tính chất vật liệu sấy, sản lượng vịi phun khí xác định công thức: V =μF √ 2g ∆ p (m3/s) γl Trong đó: μ :hệ số lưu lượng (0,6 – 0,75) 15 F: Diện tích lỗ vịi phun ∆ p: Độ chênh áp suất vòi phun (kG/m 2) γl: Khối lượng riêng vật liệu sấy (kG/m3) Kích thước hạt phun xác định gần cơng thức: dM=K× σgg (m) v2 γ K Trong đó: dM: Đường kính hạt lỏng (m) σg : Sức căng bề mặt dung dịch (kG/m) γ K : Khối lượng riêng tác nhân sấy (kG/m3) v: Tốc độ tia dung dịch (m/s) K: Hệ số phụ thuộc vào tính chất dung dịch Ví dụ nước 10oC: K= 2,5 σg =¿ 0,00745 kG/m Cơng suất cuả vịi phun có cơng thức: N= V ∆ pγ l (kW) 102 ƞ b Trong đó: ∆ p: Độ chênh áp tồn phần tạo mH2O (kG/m2) V: Lưu lượng dung dịch (m3/s) γ l: Khối lượng riêng dung dịch (kG/m3) ƞ b: Hiệu suất bơm Lưu ý: Để phun hạt nhỏ vòi phun cần đục nhiều lỗ nhỏ với đường kính khoảng 0,5 mm Ưu điểm: -Tiêu hao điện -Sản lượng cao Khuyết điểm: Khơng dùng cho dung dịch nhớt dung dịch huyền phù b Vòi phun đĩa ly tâm 16 Một vòi phun đia quay ly tâm bao gồm số phận như: Đĩa, đỡ trục, ổ đỡ, ống đứng dung dịch, động điện, trục đứng, bánh răng, vỏ thiết bị, ống dẫn dầu 1.Đĩa 2.Đỡ trục 3,4.Ổ đỡ 5.Ống đựng dung dịch 6.Động điện 7.Trục đứng 8.Ổ đỡ hình cầu 9,10.Bánh 11 Vỏ thiết bị 12,13,14,15 Ống dẫn dầu Hình 2.3 Cấu tạo vịi phun đĩa ly tâm Nguyên lý hoạt động: Chất lỏng vào đĩa quay với tốc độ từ 4000 – 20000 vòng/phút, chất lỏng theo rãnh đĩa văng dạng hạt nhỏ Tốc độ vành đĩa cao khoảng từ 130 – 200 m/s Đĩa quay nhờ động điện tuabin Chất lỏng đưa tới đĩa nhờ bơm điều chỉnh Đường kính trung bình hạt lỏng phun xác định theo công thức: dtb=98,5 σg (m) n Rγγ l √ 17 Trong đó: R: Bán kính đĩa (m) n: Tốc độ vòng quay (vòng/phút) σg : Sức căng bề mặt chất lỏng (kG/m) Công suất tiêu hao động (tuabin): N=1,91.10-3.G.W (kW) Trong G: lưu lượng chất lỏng (kG/s) W: Tốc độ vành đĩa (m/s) Ưu điểm: -Thích hợp nhiều lợi vật liệu -Kích thước hạt đổi nhờ thay đổi tốc độ quay đĩa Khuyết điểm: -Năng lượng tiêu thụ cao -Yêu cầu kích thước buồng sấy phải lớn -Tiêu tốn nhiều lượng c Vịi phun khí động Khơng khí qua ống phun tăng tốc độ phun miệng phun, dùng bơm đưa dung dịch đên miệng phun Khơng khí có tốc độ cao thổi văng dung dịch thành hạt nhỏ Tốc độ khỏi ống phun phụ thuộc vào tỷ số áp suất trước sau ống phun, sử dụng vòi phun có tiết diện nhỏ dần tỷ số áp suất khí (Ɛ) là: p2 Ɛ = ≥ Ɛ kp= p1 k +1 ( ) k k−1 Ta có tốc độ khí khỏi ống phun : √ p W = k p v 1 − k −1 ( k −1 ) k [ () ] p1 (m/s) Lưu lượng dịng khí : √ p p2 p2 L = fμμ k [ ¿ ¿ 2/k − k −1 v p1 p1 ( ) (k+1)/k ( ) ]¿(kg/s) Trong công thức trên: 18 -k số đoản nhiệt - μ hệ số tính đến ma sát ống ( 0,85 – 0,95 ) -p1, p2 áp suất trc sau ống phun (N/m2) -v1 thể tích riêng khí trước ống phun (m3/kg) -f diện tích tiết diện ống phun (m2) Ưu điểm: -Có khả ứng dụng với hầu hết loại dung dịch -Có thể điều chỉnh lưu lượng kích cỡ hạt Khuyết điểm: -Tiêu hao lượng lớn so với loại vòi phun khác -Độ đồng cuả hạt không cao 2.1.2 Buồng sấy Buồng sấy nơi hòa trộn vật liệu sấy dạng sương tác nhân sấy (khơng khí nóng, ) Tác nhân sấy vật liệu chuyển động chiều, ngược chiều hỗn hợp Được sử dụng phổ biến buồng sấy chiều, buồng sấy chiều có ưu điểm sử dụng tác nhân sấy có nhiệt độ cao mà khơng sợ sản phẩm bị nhiệt tốc độ bay cao, thời gian sấy ngắn Lưu ý: Việc chọn kiểu buồng sấy kiểu vòi phun cần dựa vào dạng dung dịch, tính chất nguyên liệu sấy, cần tính tốn để chọn phương án tối ưu 19 Hình 2.4 Các kiểu buồng sấy Đường kính buồng sấy: Đường kính đường sấy D cần chọn lớn đường kính chùm tia phun D∅ Khi sấy vật liệu không chịu nhiệt độ cao cần chọn đường kính buồng sấy lơn: D = (1,3 đến 1,7) D∅ Đường kính D∅ đường kính chỗ mở lớn chùm tia hạt vật liệu sấy phun ra, phụ thuộc vào loại vịi phun chế độ làm việc Chiều cao buồng sấy: Được xác định theo công thức: Hs= Vs (m) πDD Trong Vs:Thể tích phần sấy buồng (m3) D: Đường kính buồng sấy (m) Vs xác định phương pháp thực nghiệm: Vs = W (m3) A Trong W khối lượng ẩm bay A cường độ bay ẩm xác định thực nghiệm (kg/m3h) Chú ý Khi xác định kích thươc buồng sấy cần phải thõa mãn quan hệ giữ chiều cao đường kính: Hs/D ≈ 1,5 – 2,5 Độ ẩm vật liệu sấy nhỏ công suất sấy lơn Hs/D bé, cần nhận sản phẩm dạng bột khơ Hs/D ≥ 2.2 Ngun lý làm việc Vật liệu sấy ban đầu sau cô đặc chứa thùng chứa chứa liệu đưa vào buồng sấy bơm Khơng khí ngồi mơi trường sau lọc loại bỏ bụi bẩn gia gia nhiệt khơng khí calorifer trước đưa vào buồng sấy Trong buồng sấy dòng nguyên liệu dạng lỏng thết bị phun sương phun thành hạt nhỏ li ti sau tiếp xúc với khơng khí nóng bốc nhanh chóng rớt đáy buồng sấy.Sản phẩm sấy khơng khí nóng sau thu hồi qua cyclone , chênh lệch tỷ trọng sản phẩm sấy xuống phần không khí nóng quạt hút ngồi Sau rơi xuống đáy cyclone sản phẩm sấy thu hồi chuyển sang khâu đóng gói bảo tùy với mục đích sử dụng 20