Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong các công nghệ sản xuất và đời sống thực tế. Đặc biệt trong các ngành công nghệ thực phẩm, chế biến, hóa chất, vật liệu xây dựng,… Kỹ thuật sấy đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất, trong những năm 70 trở lại đây người ta đã đưa các kỹ nghệ sấy để sấy các nông sản thành sản phẩm khô. Sản phẩm sau khi sấy có độ ẩm thích hợp thuận tiện cho việc bảo quản, vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng và làm phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm. Thực tế cho thấy nếu phơi khô hoặc sấy không kịp, nhiều nông sản có thể bị mất mát do ẩm mốc và biến chất (chiếm khoảng 1020%, đối với một vài loại có thể lên đến 4050%). Ngoài ra, sấy còn là quá trình công nghệ quan trọng trong chế biến nông sản thành thương phẩm. Do tính chất và thành phần của vật liệu sấy phải giữ được những tính chất về giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng nên có thể sử dụng một số thiết bị như sấy thùng quay, buồng sấy, hầm sấy, ... Tuy nhiên thông dụng nhất trong sấy hiện nay là kiểu sấy thùng quay với tác nhân sấy là không khí nóng. Trên cơ sở những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn của thầy Phạm Ngọc Hưng trong đồ án môn học này, em xin trình bày về “Tính toán và thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy cà phê với năng suất 800kgh”.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN QUÁ TRÌNH-THIẾT BỊ CNSH & CNTP ******* ĐỒ ÁN MƠN HỌC TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THÙNG QUAY SẤY CAFE VỚI NĂNG SUẤT 800KG/H SVTH : Trần Văn Chung MSSV : 20174485 Lớp : KTTP.03-K62 GVHD : TS Phạm Ngọc Hưng Hà Nội - 2021 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.2 Giới thiệu chung phương pháp sấy 1.3 Giới thiệu hệ thống sấy thùng quay 2.1 Tính tốn cân vật liệu: 11 2.2 Thời gian sấy: 11 2.3 Tính kích thước thông số thùng sấy: 12 2.4 Tính tốn q trình sấy lý thuyết: 13 2.5 Tính tốn q trình sấy thực: 16 2.5.1 Tổn thất nhiệt: 16 2.5.2 Tính tốn q trình sấy thực: 23 2.5.3 Tính tốn cân nhiệt: 24 PHẦN 3: TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 26 3.1 Tính tốn chọn calorifer 26 3.2 Tính trở lực chọn quạt 28 LỜI KẾT 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thành phần hóa học hạt (nhân) cà phê Bảng 2: Thơng số q trình sấy lý thuyết 15 Bảng 3: Cấu tạo thùng sấy 18 Bảng 4: Cân nhiệt trình sấy 25 Bảng 5: Thông số Calorifer 27 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Đồ thị I-d q trình sấy lý thuyết 13 Hình 2: Sơ đồ truyền nhiệt qua thành thùng sấy 18 Hình 3: Đồ thị I-d trình sấy thực tế 24 LỜI MỞ ĐẦU Sấy q trình cơng nghệ sử dụng nhiều công nghệ sản xuất đời sống thực tế Đặc biệt ngành công nghệ thực phẩm, chế biến, hóa chất, vật liệu xây dựng,… Kỹ thuật sấy đóng vai trị quan trọng dây chuyền sản xuất, năm 70 trở lại người ta đưa kỹ nghệ sấy để sấy nông sản thành sản phẩm khô Sản phẩm sau sấy có độ ẩm thích hợp thuận tiện cho việc bảo quản, vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng làm phong phú thêm mặt hàng sản phẩm Thực tế cho thấy phơi khô sấy khơng kịp, nhiều nơng sản bị mát ẩm mốc biến chất (chiếm khoảng 10-20%, vài loại lên đến 40-50%) Ngồi ra, sấy cịn q trình cơng nghệ quan trọng chế biến nông sản thành thương phẩm Do tính chất thành phần vật liệu sấy phải giữ tính chất giá trị cảm quan giá trị dinh dưỡng nên sử dụng số thiết bị sấy thùng quay, buồng sấy, hầm sấy, Tuy nhiên thông dụng sấy kiểu sấy thùng quay với tác nhân sấy khơng khí nóng Trên sở kiến thức học hướng dẫn thầy Phạm Ngọc Hưng đồ án môn học này, em xin trình bày “Tính tốn thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy cà phê với suất 800kg/h” Do trình độ, khả nghiên cứu tài liệu bị giới hạn, nên đồ án em khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sót q trình tính tốn, thiết kế Qua đồ án em kính mong thầy góp ý, bảo để em bổ sung củng cố kiến thức cho thân Em xin chân thành cảm ơn ! PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu sản phẩm sấy 1.1.1 Giới thiệu cà phê Cà phê chi thực vật thuộc họ Thiến thảo Chi cà phê bao gồm nhiều loài lâu năm khác Nhưng thường có hai lồi cà phê có ý nghĩa kinh tế, lồi thứ có tên thơng thường tiếng Việt cà phê chè (tên khoa học: Coffee arabica), đại diện cho khoảng 61% sản phẩm cà phê giới Loài thứ hai cà phê vối (tên khoa học: Coffee canephora hay Coffee robusta), chiếm gần 39% sản phẩm cà phê Ngoài cịn có Coffealiberica Coffeaexcelsa (ở nước ta gọi cà phê mít) với sản lượng khơng đáng kể Quả cà phê cấu tạo gồm có: lớp vỏ quả, vỏ thịt (vỏ nhớt), vỏ trấu (vỏ cứng), vỏ lụa, nhân (hạt) cà phê Hạt cà phê (tiếng Anh: Coffee bean) hạt giống cà phê Cấu tạo hạt cà phê gồm có phơi mơ dinh dưỡng Bảng 1: Thành phần hóa học hạt (nhân) cà phê Thành phần Tính Tính hóa học g/100g mg/100g Thành phần hóa Tính Tính học g/100g Nước 8-12 Tinh bột 5-23 Dầu (lipit) 4-18 Saccarozơ 5-10 Protein 9-16 Xenllulozơ 10-20 Cafein (arabica), Hemixenlullozơ 20 mg/100g (robusta) Clorogenicaxit Lignin Trigonelline Canxi 85-100 Tanin Photphat 130-165 Cafetanicaxit 8-9 Sắt 3-10 Cafeicaxit Natri Pentozan Mangan 1-45 Cà phê nhân bóc từ cà phê thóc Cà phê nhân có hình dáng bầu dục, chiều dài khoảng cm, chiều rộng khoảng 0,5 cm Khối lượng riêng xốp: 641 kg/m3 Nhiệt dung riêng cà phê khô: C = 0,37 kcal/kgđộ = 1,54912 kJ/kgđộ 1.1.2 Quy trình sản xuất cà phê Trong kĩ thuật sản xuất cà phê có phương pháp là: phương pháp sản xuất ướt phương pháp sản xuất khô Phương pháp sản xuất khơ: có ưu điểm đơn giản, tốn ngun liệu, nhân cơng có hạn chế phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Nó phù hợp với nơi có điều kiện khí hậu nắng nhiều mưa Phương pháp sản xuất ướt: phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị lượng hơn, đòi hỏi dây chuyền công nghệ thao tác kĩ thuật cao Nhưng phương pháp thích hợp với hồn cảnh điều kiện khí hậu Đồng thời giúp tăng suất nhà máy tăng chất lượng sản phẩm Quy trình sản xuất theo phương pháp ướt: Quả cà phê Thu cà phê nhân Thu nhận bảo quản Xát khô Làm Sàng phân loại, làm Rửa Sấy Bao gói Xát tươi Thành phẩm 1.2 Giới thiệu chung phương pháp sấy 1.2.1 Khái niệm chung sấy 1.2.1.1 Khái niệm: Sấy trình tách pha lỏng khỏi vật liệu phương pháp nhiệt, trình khuếch tán chênh lệch ẩm bề mặt bên vật liệu, hay nói cách khác chênh lệch áp suất riêng phần bề mặt vật liệu môi trường xung quanh 1.2.1.2 Phân loại: Quá trình sấy bao gồm hai phương thức: ➢ Sấy tự nhiên: phương pháp sử dụng trực tiếp lượng tự nhiên lượng mặt trời, lượng gió, … để làm bay nước Phương pháp đơn giản, không tốn lượng, rẻ tiền nhiên không điều chỉnh tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật nên suất thấp, phụ thuộc vào thời tiết, cần diện tích bề mặt lớn, điều kiện vệ sinh kém, … Do phương pháp áp dụng cho sản xuất quy mơ lẻ, hộ gia đình ➢ Sấy nhân tạo: phương pháp sử dụng nguồn lượng người tạo ra, thường tiến hành loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho vật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà kỹ thuật sấy chia nhiều dạng: - Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà tác nhân truyền nhiệt khơng khí nóng, khói lò, … (gọi tác nhân sấy) - Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua vách ngăn - Sấy tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng lượng tia hồng ngoại nguồn điện phát truyền cho vật liệu sấy - Sấy dòng điện cao tần: phương pháp dùng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng tồn chiều dày vât liệu sấy - Sấy thăng hoa: phương pháp sấy mơi trường có độ chân khơng cao, nhiệt độ thấp nên độ ẩm tự vật liệu đóng băng bay từ trạng thái rắn thành không qua trạng thái lỏng 1.2.1.3 Ngun lí q trình sấy: Q trình sấy q trình chuyển khối có tham gia pha rắn phức tạp bao gồm q trình khuếch tán bên bên ngồi vật liệu rắn đồng thời với trình truyền nhiệt Đây trình nối tiếp, nghĩa trình chuyển lượng nước vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau tách pha khỏi vật liệu ban đầu Động lực trình chênh lệch độ ẩm lòng vật liệu bên bề mặt vật liệu Quá trình khuyếch tán chuyển pha xảy áp suất bề mặt vật liệu lớn áp suất riêng phần nước môi trường không khí xung quanh Vận tốc tồn q trình quy định giai đoạn chậm Ngoài tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ yếu tố thúc đẩy cản trở trình di chuyển ẩm từ vật liệu sấy bề mặt vật liệu sấy Trong q trình sấy mơi trường khơng khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng lớn trực tiếp đến vận tốc sấy Do cần nghiên cứu tính chất, thơng số q trình sấy 1.2.2 Tác nhân sấy: Tác nhân sấy: chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách từ vật liệu sấy Trong q trình sấy, mơi trường buồng sấy ln ln bổ sung ẩm từ vật liệu sấy Nếu độ ẩm không mang độ ẩm tương đối buồng sấy tăng lên, đến lúc đạt cân vật sấy môi trường buồng sấy, q trình ẩm vật liệu sấy ngừng lại Vì nhiệm vụ tác nhân sấy : - Gia nhiệt cho vật liệu sấy - Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật vào môi trường - Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng nhiệt Các loại tác nhân sấy: • Khơng khí ẩm: loại tác nhân sấy thơng dụng dùng cho hầu hết loại sản phẩm Dùng khơng khí ẩm có nhiều ưu điểm: khơng khí có sẵn tự nhiên, khơng độc, khơng làm sản phẩm sau sấy bị ô nhiễm thay đổi mùi vị Tuy nhiên dùng khơng khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị thêm gia nhiệt khơng khí (calorifer khí hay khí - khói), nhiệt độ sấy khơng q cao, thường nhỏ 5000C nhiệt độ cao thiết bị trao đổi nhiêt phải chế tạo thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt • Khói lị: dùng làm tác nhân sấy nâng nhiệt độ sấy lên 10000C mà không cần thiết bị gia nhiệt nhiên làm vật liệu sấy bị ô nhiễm bụi chất có hại CO2, SO2,… • Hơi nhiệt: tác nhân sấy dùng cho loại sản phẩm dễ bị cháy nổ có khả chịu nhiệt độ cao • Hỗn hợp khơng khí nước: tác nhân sấy dùng độ ẩm tương đối cao 1.2.3 Thiết bị sấy: Do điều kiện sấy trường hợp sấy khác nên có nhiều kiểu thiết bị sấy khác để phù hợp với loại vật liệu sấy riêng biệt ❖ Có nhiều cách phân loại thiết bị sấy: - Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy khơng khí hay thiết bị sấy khói lị, ngồi cịn có thiết bị sấy phương pháp đặc biệt sấy thăng hoa, sấy tia hồng ngoại, sấy dòng điện cao tần… - Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không hay thiết bị sấy áp suất thường - Dựa vào phương thức chế độ làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn - Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu hay thiết bị sấy xạ… - Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải - Dựa vào chiều chuyển động tác nhân sấy: chiều hay ngược chiều ❖ Chọn thiết bị, tác nhân phương án sấy: - Chọn thiết bị sấy : Căn vào ưu, nhược điểm loại thiết bị sấy đặc điểm vật liệu sấy (cà phê), ta chọn thiết bị sấy hệ thống sấy thùng quay Đây hệ thống sấy chuyên dùng để sấy vật liệu dạng hạt, cục nhỏ Loại thiết bị sử dụng rộng rãi công nghệ sau thu hoạch để sấy vật liệu ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ - Chọn tác nhân sấy : Cà phê sản phẩm thực phẩm sử dụng trực tiếp dùng làm nguyên liệu chế biến sản xuất sản phẩm thực phẩm khác, yêu cầu q trình sấy phải sạch, khơng bị nhiễm, bám bụi Mặt khác, sấy cà phê không cần thiết bị sấy nhiệt độ cao, ta chọn tác nhân sấy khơng khí nóng - Chọn phương án sấy : Cà phê sấy liên tục với tác nhân khơng khí nóng Dựa vào tính chất vật liệu cà phê nên ta chọn phương thức sấy chiều tốc độ sấy ban đầu cao, bị co ngót, sản phẩm bị biến tính, giảm nguy hư hỏng vi sinh vật, tránh sấy khô tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấy sấy ngược chiều Mặt khác, với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao sấy chiều vật liệu sấy tác nhân sấy tiếp xúc tốt hơn, trình sấy diễn nhanh Sau sấy, cà phê tháo qua cửa tháo sản phẩm, tác nhân sấy qua ống thải khí thải khí ngồi mơi trường 1.3 Giới thiệu hệ thống sấy thùng quay Hệ thống sấy thùng quay hệ thống sấy đối lưu Cấu tạo thùng sấy hình trụ trịn đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang khoảng 1÷5 độ Có hai vành đai trượt lăn đỡ thùng quay Khoảng cách lăn điều chỉnh để thay đổi góc nghiêng thùng Thùng sấy quay với tốc độ 0,5÷8 vịng/phút nhờ động điện thông qua hộp giảm tốc Bên thùng sấy có lắp cánh đảo để xáo trộn vật liệu làm cho hiệu suất đạt cao hơn, phía cuối thùng có hộp tháo sản phẩm Hệ thống sấy thùng quay làm việc áp suất khí Tác nhân sấy khơng khí hay khói lị Tác nhân sấy vật liệu sấy chuyển động chiều ngược chiều Vận tốc tác nhân sấy thùng không m/s để tránh vật liệu bị nhanh khỏi thùng Ưu nhược điểm hệ thống sấy thùng quay: ▪ Ưu điểm: + Quá trình sấy đặn mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt vật liệu sấy tác nhân sấy + Cường độ làm việc tính theo lượng ẩm cao, lên tới 100 kg/𝑚3 h + Thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chiếm diện tích mặt nhỏ ▪ Nhược điểm: + Tiêu thụ lượng lớn, tổn thất nhiệt lớn + Vật liệu dễ bị vỡ vụn, làm giảm chất lượng sản phẩm + Cần có xyclon để lọc bụi vật liệu sấy tạo nhiều bụi + Tiếng ồn lớn quạt tạo 1.4 Quy trình cơng nghệ Vật liệu sấy cafe nhân, cho vào buồng chứa, sau nhập liệu vào thùng sấy hệ thống gầu tải Cafe vào thùng sấy có độ ẩm ban đầu 20%, chuyển động chiều với tác nhân sấy Tác nhân sấy sử dụng khơng khí quạt đẩy đưa vào hệ thống caloriphe khí – gia nhiệt để nâng nhiệt độ lên 80 oC Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng góc 2o so với mặt phẳng nằm ngang, đặt hệ thống lăn đỡ chặn Chuyển động quay thùng thực nhờ truyền động từ động sang hộp giảm tốc đến bánh gắn thùng Bên thùng có gắn cánh nâng, dùng để nâng đảo trộn vật liệu sấy, mục đích tăng diện tích tiếp xúc vật liệu sấy tác nhân sấy, tăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để trình sấy diễn triệt để Trong thùng sấy, cafe nâng lên đến độ cao định sau rơi xuống Trong q trình , vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy , thực trình truyền nhiệt truyền khối làm bay ẩm Nhờ độ nghiêng thùng mà vật liệu vận chuyển dọc theo chiều dài thùng Khi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy đạt độ ẩm cần thiết cho trình bảo quản 12% Sản phẩm cafe sau sấy đưa vào buồng tháo liệu, sau qua cửa tháo liệu băng tải đưa vào hệ thống bao gói, để bảo quản hay dùng vào mục đích chế biến khác 10 K= α1 δ 1, ∑ + γn + α n W/m2 độ (công thức 7.42 – trang 142 – [1]) Trong đó: 𝛼1 : hệ số trao đổi nhiệt tác nhân sấy với thành thiết bị sấy, (W/m2 độ) 𝛼2 : hệ số trao đổi nhiệt thành kết cấu bao che với môi trường, (W/m2 độ) γn : hệ số dẫn nhiệt lớp kết cấu bao che (W/m.độ) δn : chiều dày kết cấu bao che, (m) ❖ Quá trình trao đổi nhiệt từ tác nhân sấy đến thiết bị sấy: Mật độ dòng nhiệt trao đổi nhiệt tác nhân sấy thành thùng sấy xác định theo công thức: q1 =α1 ×(t f1 –t w1 ), W/m2 (công thức 5.37 – trang 214 – [4]) Trong đó: t w1 :là nhiệt độ thành thiết bị sấy α1 : hệ số cấp nhiệt từ vật liệu sấy đến thành thiết bị sấy đối lưu cưỡng bức, phụ thuộc vào chế độ chuyển động khí 𝑡𝑓1 : Nhiệt độ trung bình tác nhân sấy (57,5 độ C) Ta cần phải xác định 𝛂𝟏 : ➢ Re = Chuẩn số Reynolds(Re) xác định theo công thức: w ×D 𝜗 (công thức V.36 – trang 13 – [2]) Trong đó: w: vận tốc tác nhân sấy,w= 2,58 m/s D: kích thước hình học chủ yếu(đường kính thùng sấy), D= 0,9 m 𝜗: độ nhớt động học tác nhân sấy Tra phụ lục – trang 350 – [1], 57,5℃ có 𝜗 = 18,715 × 10−6 m2 /s Vậy Re = 0,9 × 2,07 18,715 × 10−6 = 9,95× 104 Vì Re >104 nên ta chọn dịng khí thiết bị chuyển động chảy xốy ➢ Chuẩn số Nusselt(Nu): Nu= 0,018 × Re0,8 × ε1 (cơng thức V.42 – trang 17 – [2]) Trong đó: 19 𝜀1 : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài đường kính thùng sấy Ta có L/D= 3,5 Tra bảng V.2 – trang 16 – [2] sử dụng phương pháp nội suy ta có : ε1 = 1,185 Suy ra: Nu = 0.018 × (9,95 × 104)0.8 × 1.185 ≈ 212,45 Ta lại có : Nu= α1 ×D λ (cơng thức V.33 – trang 12 – [2]) Trong đó: α1 : hệ số cấp nhiệt, W/m2K D: kích thước hình học chủ yếu (đường kính thùng sấy), D= 0,9 m λ: hệ số dẫn nhiệt tác nhân sấy, Tra phụ lục – trang 350 – [1], 57,5 ℃ có: λ = 2,8825 × 10−2 W/mK Vậy α1 = ❖ 2,8825 × 10−2 × 212,45 0,9 ≈ 6,8 (W/m2 K) Q trình trao đổi nhiệt từ thành thiết bị đến mơi trường khơng khí: Xác định 𝛼2 theo cơng thức: 𝛼2 = 𝛼2′ + 𝛼2′′ , W/𝑚2 K (công thức1.47 – trang 32 – [6]) Trong : 𝛼2′ : hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên(W/𝑚2 K) 𝛼2′′ : hệ số cấp nhiệt xạ (W/𝑚2 K) • Xác định 𝛂′𝟐 : ➢ Tính chuẩn số Gratkov : Gr = 𝑔 × 𝛽 × ∆𝑡 × 𝑙 𝜗2 (công thức V.39 – trang 13 – [2]) Trong đó: g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 𝑚2 /s 𝛽: hệ số dãn nở thể tích ∆𝑡: hiệu số nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt dịng 𝑙: kích thước hình học chủ yếu, m 𝜗: độ nhớt động học tác nhân sấy + Tính ∆𝑡: 20