Đồ án thiết kế hệ thống sấy đề tài thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun cà phê hòa tan

TRƯỜNG CƠ KHÍ – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ NHIỆT – LẠNH

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẤY PHUNCÀ PHÊ HÒA TAN

Hà Nội, tháng 1/2024

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY

Lớp-Khóa: Nhiệt 03-K65

Nội dung đồ án môn học: Thiết kế hệ thống sấy phun cà phê hòa tan

Các yêu cầu thực hiện:

- Tìm hiểu về cà phê hòa tan và công nghệ sấy

- Tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng năng lượng trong quá trình sấy - Tính toán truyền nhiệt và kích thước của thiết bị sấy

- Tính toán cơ khí và bảo ôn thiết bị sấy

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm qua, ngành kỹ thuật Nhiệt đã phát triển rất mạnh mẽ, được ứng dụng và đóng góp nhiều lợi ích trong hầu hết các ngành công nghiệp, các mặt trong đời sống (nhiệt điện, luyện kim, công nghiệp chế biến, sản xuất và bảo quản, hóa dầu…) Một trong những lĩnh vực đang được quan tâm chính là công nghệ hóa học, công nghệ sinh học và thực phẩm sử dụng các thiết bị nhiệt như chưng cất, cô đặc, … và đặc biệt là công nghệ sấy Từ xa xưa, ông cha ta đã vẫn dụng các hình thức sấy như: phơi nắng, gác bếp… Về nguyên lý, quá trình sấy rất đơn giản là tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy Tuy nhiên, với những yêu cầu khác nhau về sản phẩm sấy, dạng vật liệu sấy mà công nghệ sấy đang ngày càng phát triển, đa dạng về hình thức để đáp ứng những yêu cầu khắt khe đó.

Chính vì vậy mà sinh viên ngành “Kỹ thuật Nhiệt” Khoa Năng Lượng Nhiệt, Trường Cơ Khí, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã được các thầy, cô trang bị kiến thức cơ bản về kỹ thuật nhiệt Đồ án môn học là một trong những cách trang bị kiến thức tốt nhất cho sinh viên và trong kì học này chúng em đã được làm đồ án về hệ thống và thiết bị nhiệt này.

Đề tài của em trong đồ án môn học này là “Thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun” với vật liệu là cà phê hòa tan.

Do kiến thức còn rất hạn chế nên đồ án này sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô giáo và các bạn để đồ án thêm hoàn thiện hơn.

Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thị Thu Hằng cùng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Nhiệt đã giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU SẤY 6

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu sấy 6

1.2 Nguồn gốc và phân loại 7

1.3 Cấu tạo, thành phần hóa học của hạt cà phê 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẤY 11

2.1 Khái niệm về sấy 11

2.2 Các phương pháp sấy 12

2.3 Thiết bị sấy phun 13

2.4 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình sấy phun 18

2.5 Xác định chế độ sấy và các thông số tính toán 18

2.5.1 Tác nhân sấy 18

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT 19

3.1 Tính toán các thông số của vật liệu 19

3.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết 19

3.2.1 Xác định các thông số điểm nút 19

3.2.2 Tiêu hao không khí lý thuyết 22

3.2.3 Tiêu hao nhiệt lý thuyết 23

3.3 Thiết kế sơ bộ hệ thống sấy 23

3.3.1 Tính toán vòi phun cơ khí 23

3.3.2 Tính thể tích buồng sấy 24

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC 28

4.1 Tính cân bằng nhiệt 28

4.1.1 Tổn thất nhiệt do VLS mang đi 28

4.1.2 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che 29

4.2 Tính toán quá trình sấy thực 31

4.3 Hiệu suất thiết bị sấy 32

CHƯƠNG V: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 33

5.1 Tính chọn thiết bị gia nhiệt cho không khí – calorifer 33

5.1.1 Tính hệ số truyền nhiệt K 34

5.1.2 Tính độ chênh nhiệt độ trung bình 35

5.1.3 Tính toán kích thước calorifer 36

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU SẤY

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu sấy

- Loài (Species) + Coffea arabica - cà phê chè

+ Coffea congensis - cà phê Congo + Coffea dewevrei - cà phê Excelsa + Coffea excelsa - cà phê Liberia/cà

Bảng 1.1: Sơ lược về cà phê

1.2 Nguồn gốc và phân loại

Cây cà phê được phát hiện cách đây hàng ngàn năm, chúng thường mọc dưới tán nhiều khu rừng thưa thuộc Châu Phi Tới năm 575 sau Công nguyên mới được đưa về trồng thuần hóa, đến ngày nay hiện có 3 loài cà phê thương mại và được đi thực nhập nội tới nhiều nước trên thế giới đó là:

- Loài Coffea arabica (cà phê chè):

Hình 1.1 Coffea arabica (cà phê chè)

Có nguồn gốc từ Ethiopya và hai vùng lân cận là cao nguyên Buma thuộc Sudan và phía bắc Kenya, gồm các chủng như: Typica, Bourbon, Moka, Catuai, Caturra, Catimor… [1]

Đây là cây cà phê được trồng lâu đời nhất và tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới vì thơm ngon, dịu Hàm lượng caffeine trong hạt trung bình 1,3%, cây thuộc dạng bụi, thân cao 3-4m, cành đối xứng, mềm rủ xuống, lá mọc đối xứng, hình trứng dài, đầu dài, đầu nhọn, rìa lá quăn màu xanh đậm, quả cà phê thuộc dạng quả thịt, hình trứng, khi chín có màu đỏ tươi (chủng Caturra amrello cho quản màu vàng), hạt cà phê hình tròn dẹt, có màu xanh xám hoặc xám xanh, xanh lục, xanh cốm, tùy theo giống và điều kiện bảo quản và chế biến, cây cà phê Arabica có đặc tính tự thụ phấn.

- Loài Coffea canephora Pierre (cà phê vối):

Hình 1.2 Coffea Robusta (cà phê vối)

Có nguồn gốc từ một số nước thuộc Tây và Trung Phi, cà phê vối có hàm lượng caffein trung bình trong hạt 2 - 4% (cao nhất trong 3 loại cà phê) [1].

Cây có một hoặc nhiều thân, thân cao khoảng 8-12m, lá có hình trứng hoặc hình lưỡi mác, mũi nhọn, phiến lá gợn sóng, quả hình tròn hoặc hình trứng, núm quả nhỏ Trên quả có nhiều gân dọc, quả chín có màu đỏ hoặc hồng, kích thước hạt nhỏ hơn hạt cà phê Arabica, hạt có dạng hình tròn, dày, màu xanh bạc, xanh lục hoặc xanh nâu tùy chuẩn loại hoặc cách chế biến, là cây không tự thụ phấn được.

- Loài Coffea liberica Bull (cà phê mít, dâu da):

Hình 1.3 So sánh ba loại cà phê phổ biến

Nguồn gốc: cà phê mít có nguồn gốc ở xứ Ubangui - Chải, xứ Biển Hồ Sát, sa mạc Sahara Hàm lượng caffeine trong hạt là 1,02 - 1,15%.

Cây cao từ 6 - 15m, lá to hình trứng hoặc hình lưỡi mác, quả có hình trứng, hơi dẹt, núm quả lồi, quả to, khi chín có màu đỏ sẫm, hạt có màu xanh ngã vàng, có lớp vỏ lụa bám chặt vào hạt, khó làm tróc hết ra, cà phê mít ít thơm, có vị chua.

- Trong công nghiệp sản xuất cà phê hòa tan, cà phê nhân thường được sử dụng là cà phê Robusta vì các lý do sau:

Hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê Robusta cao hơn cà phê Arabica, do đó lượng sản phẩm thu hồi được nhiều hơn

Hàm lượng caffeine trong cà phê nhân Robusta thường trong khoảng 2% (chất khô), cao hơn hàm lượng caffeine trong cà phê Arabica (khoảng 1,2% chất khô)

Giá thành cà phê Robusta thấp hơn Arabica

1.3 Cấu tạo, thành phần hóa học của hạt cà phê

Hình 1.4 Cấu tạo quả cà phê

- Vỏ quả: Là lớp ngoài cùng, mềm mỏng, có màu xanh là màu clorofit hoặc đỏ hay đỏ đậm khi chín là màu của antoxian, thành phần chủ yếu là xenlulo, chiếm khoảng 20-23% khối lượng quả.

- Thịt quả: là một lớp khá dày kích thước dao động từ 1,5 -2mm, gồm những tế bào mềm, không có cafein, tanin, nhiều đường và pectin, chiếm khoảng 43-45% khối lượng quả Khi quả xanh lớp thịt quả có tác dụng dự trữ chất dinh dưỡng và cung cấp chất dinh dưỡng cho hạt phát triển Khi quả chín lớp thịt quả chuyển sang giai đoạn phân giải.

- Vỏ trấu: Chiếm khoảng 6-7,5% khối lượng quả Thành phần chủ yếu là xenlulo, muối khoáng và một lượng chất béo Lớp này thực chất là một màng bán thấm thô giữ nhiệm vụ bảo vệ cho nhân.

- Nhân: Nằm trong cùng, chiếm khoảng 30% tổng khối lượng quả Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân thông thường là 2 nhân được bao bọc bên ngoài mỗi hạt là lớp vỏ lụa, bên trong là phôi và nhũ.

Thành phần hóa học của nhân: Thành phần hóa học trong nhân biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản Carbohydrat hòa tan 9 – 12,5% 6 – 11,5%

Monosaccharide 0,2 – 0,5% Glucose, Fructose, Galactose,Arabinose

Axit khó bay hơi 2 – 2,9% 1,3 –2,2% Acid citric, acid malic

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẤY

2.1 Khái niệm về sấy

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu Với mục đích:  Giảm bớt khối lượng vật liệu (ví dụ: giảm công chuyên chở, tồn kho, ),  Tăng độ bền vật liệu (ví dụ: gốm, sứ, gỗ)

 Bảo quản tốt trong một thời gian dài (giảm lượng nước tự do trong sản phẩm)  Hạn chế các quá trình sinh lý, sinh hóa

 Tăng tính cảm quan cho sản phẩm (tạo độ giòn, tạo màu, tạo mùi cho sản phẩm) Nhiệt dùng trong quá trình sấy có thể được tạo ra từ hơi nước, khói lò, những nguồn bức xạ, Ở đây nhiệt lượng đóng hai vai trò chính thứ nhất thực hiện quá trình truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và sau đó vận chuyển ẩm từ bên trong vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt bay hơi vào môi trường xung quanh, động lực học của quá trình sấy đó là dựa vào sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần giữa hơi nước bên trong lòng vật liệu sấy với hơi nước trên lớp bề mặt Cụ thể:

- Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật.

- Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể.

- Vận chuyển hơi ẩm đã thoát ra khỏi vật thể vào môi trường.

Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng

cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp Trong chế biến nông – hải sản, sản phẩm sấy phải đảm bảo duy trì màu sắc, hương vị, các giá trị dinh dưỡng cũng như cảm quan.

Để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều thiết bị như: thiết bị sấy (buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy, thùng sấy v.v…), thiết bị đốt nóng tác nhân sấy (calorifer) hoặc thiết bị lạnh để làm khô tác nhân, quạt, bơm và một số thiết bị phụ khác như buồng đốt, xyclon v.v… chúng ta gọi hệ thống các thiết bị thực hiện một quá trình sấy cụ thể nào đó là một hệ thống sấy

2.2 Các phương pháp sấy

- Sấy tự nhiên: là phương pháp sấy sử dụng nguồn năng lượng từ tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy triều, … điểm chung đều sử dụng nguồn nhiệt có sẵn làm bay hơi ẩm của vật liệu[2].

- Ưu điểm:

+ Đơn giản, đầu tư vốn ít, bề mặt trao đổi nhiệt lớn, dòng nhiệt bức xạ từ mặt trời tới vật có mật độ lớn (tới 1000 W/m2).

- Nhược điểm:

+ Phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên.

Khó thực hiện cơ giới hóa, chi phí lao động nhiều Nhiệt độ thấp nên cường độ sấy không cao.

Sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi, sinh vật và vi sinh vật Chiếm diện tích mặt bằng sản xuất lớn.

Nhiều sản phẩm nếu sấy tự nhiên chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu.

- Sấy nhân tạo: thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho vật liệu ẩm, phương pháp cung cấp nhiệt có thể bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao, thời gian lưu, độ ẩm vật liệu thấp hơn so với phương pháp sấy tự nhiên, tác nhân sấy thông dụng đó là khói lò và hơi nước bão hòa Dựa vào phương thức truyền nhiệt có thể chia ra các dạng sau:

+ Phương pháp sấy đối lưu: Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật liệu bằng cách truyền nhiệt đối lưu.

+ Phương pháp sấy bức xạ (sấy bằng tia hồng ngoại): Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy thực hiện bằng tia bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật sấy.

+ Phương pháp sấy tiếp xúc: Đây là phương pháp sấy gián tiếp qua vách ngăn, ở đây vật ngăn cách được gia nhiệt đến nhiệt độ sấy, tùy thuộc vào tính chất của vật liệu mà tiến hành nâng nhiệt độ theo yêu cầu, sau đó cung cấp nhiệt cho vật sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp vật với bề mặt nguồn nhiệt.

+ Phương pháp sấy bằng dòng điện cao tần: Nhiệt cung cấp cho vật sấy nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần trong vật làm vật nóng lên.

+ Phương pháp sấy thăng hoa: Phương pháp này được thực hiện trong môi trường có độ chân không cao, nhiệt độ rất thấp nên độ ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng.

- Ưu điểm

+ Khắc phục được những nhược điểm của sấy tự nhiên + Kiểm soát được độ ẩm sản phẩm ra vào, nhiệt độ cung cấp + Tốn ít mặt bằng, nhân công.

- Nhược điểm:

+ Tốn chi phí cho đầu tư trang thiết bị, cán bộ kỹ thuật, chi phí năng lượng.

2.3 Thiết bị sấy phun

- Sấy phun là một trong những công nghệ sấy công nghiệp chính do khả năng sấy một bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột khá đơn giản, dễ dàng kiểm soát được nhiệt độ và định dạng hạt sản phẩm một cách chính xác.

- Thiết bị sấy phun dùng để sấy dùng để sấy các dạng dung dịch là huyền phù trong trạng thái phân tán nhằm tách ẩm ra khỏi vật liệu giúp tăng độ bền và bảo quản sản phẩm được lâu hơn [3].

- Yêu cầu của sản phẩm là phải hòa tan được dễ dàng, nghĩa là khi pha nó thành chất lỏng với một khối lượng nước thích hợp thì chất lỏng này gần giống đặc tính của sản phẩm hơn là một dung dịch keo.

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sấy phun.

1 Buồng sấy; 2 Calorifer; 3 Thùng chứa nguyên liệu cần sấy;

4 Bơm nguyên liệu; 5 Cơ cấu phun mẫu; 6 Cyclon thu hồi các sản phẩm từ dòng khí; 7 Cyclon vận chuyển sản phẩm; 8 Hệ thống quạt hút và màng lọc.

- Nguyên tắc hoạt động:

Nguyên liệu từ thùng chứa số (3) được bơm cao áp số (4) vận chuyển đến cơ cấu phun mẫu (5) sau khi đi qua cơ cấu phun mẫu nguyên liệu được đánh tơi thành những hạt nhỏ có kích thước li ti dạng sương mù, không khí được quạt đẩy vào calorifer (2) nâng nhiệt độ tùy thuộc vào tính chất của vật liệu sấy, sau khi đã đạt nhiệt độ theo yêu cầu không khí nóng được đưa vào buồng sấy (1) Tại đây không khí nóng và nguyên liệu dưới dạng sương mù tiếp xúc với nhau xảy ra quá trình trao đổi nhiệt sau khi đạt được nồng độ chất khô theo yêu cầu sản phẩm tập trung dưới đáy hình côn, một phần sản phẩm bị tác nhân sấy cuốn theo tiếp tục đi qua hệ thống cyclon dưới tác dụng của lực ly tâm hạt được tách ra còn không khí được quạt hút qua đường ống phía trên vào màng lọc (8) và ra ngoài.

- Hệ thống các thiết bị sấy phun bao gồm:

- Cơ cấu phun: Có chức năng đưa nguyên liệu từ dạng lỏng vào buồng sấy dưới dạng sương mù Qúa trình tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các giọt lỏng và sự phân bố của nguyên liệu trong buồng sấy, do đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy Giai đoạn tạo sương mù rất là quan trọng trong quá trình sấy phun Nguyên liệu sấy được phun thành những hạt rất nhỏ và tiếp xúc với tác nhân sấy với cường độ sấy rất cao và thời gian sấy rất ngắn (được tính bằng giây), do đó chất lượng sản phẩm sấy tôt hơn Cơ cấu phun có các dạng như: Cơ cấu phun áp lực, cơ cấu phun khí động, đầu phun ly tâm.

Hình 2.2 Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay áp lực và cơ cấu phun

bằng khí động

Hình 2.3 Kết cấu của vòi phun cơ khí

1 Vòng đệm; 2 Thân vòi phun; 3 Êcu điều chỉnh; 4 Tiết diện vòi phun; 5 Cánh tạo sương; 6 Êcu.

- Nguyên tắc: Huyền phù được bơm nén đến áp suất thích hợp đi vào vòi phun Đầu vòi phun có một chi tiết dạng ba cánh có thể tự do quay xung quanh một trục nhờ đó huyền phù bị đánh tơi thành từng giọt nhỏ có đường kính từ 1 – 150 µm.

- Ưu điểm:  Làm việc không ồn.

 Tiêu tốn điện năng không lớn lắm, khoảng 4-10 kw/ trên một tấn dịch thể  Vòi phun có năng suất cao và có thể đạt đến 4500kg/h.

- Nhược điểm:

 Không dùng được cho huyền phù có chứa các hạt cứng [2]  Khó điều chỉnh được năng suất.

 Do lỗ vòi nhỏ nên đòi hỏi áp suất cao để tránh tắc nghẽn  Cơ cấu phun bằng khí động

Hình 2.4 Kết cấu vòi phun khí động

 Nguyên tắc: Dòng không khí hay dòng tác nhân sấy được nén đến áp suất 1,5 – 5 at qua ống tăng tốc giảm áp hút huyền phù từ hai bên vào Hỗn hợp huyền phù và tác nhân đập vào một đĩa quay và biến thành sương mù đi vào buồng sấy.

 Nguyên tắc: Cơ cấu tạo sương hoạt động theo nguyên lí ly tâm Huyền phù chảy vào một cái đĩa có tốc độ quay từ 400 – 20000 vòng/phút và biến thành sương mù nhờ lực ly tâm.

- Ưu điểm

 Có thể điều chỉnh tốc độ nhập liệu.

 Thích hợp cho hầu hết các loại nguyên liệu.

 Khuynh hướng tạo khối và tắc nghẽn là không đáng kể.

 Kích thước hạt sương được thay đổi nhờ thay đổi tốc độ quay của đĩa - Nhược điểm

 Năng lượng tiêu thụ cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực  Vốn đầu tư cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực.

 Kích thước buồng sấy lớn.

- Buồng sấy: Là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng) Buồng sấy có nhiều dạng khác nhau nhưng phổ biến nhất là buồng sấy dạng hình trụ đứng, đáy côn Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…) được thiết kế phụ thuộc vào kích thước các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của chúng tức phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương sử dụng.

Hình 2.5 Buồng sấy

+ Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy người ta chia ra làm hai loại:

+ Sấy ngược chiều: Không khí được đưa vào từ trên đỉnh của buồng sấy và chất lỏng được phun vào bởi vào phun từ dưới lên Kích thước trung bình của sản phẩm lấy ra khoảng 75 – 150 µm.

+ Sấy cùng chiều: Không khí và chất lỏng cùng được đưa vào từ trên đỉnh của buồng sấy Với cấu hình này, kích thước trung bình của hạt đạt từ 25 - 100µm.

+ Sấy kết hợp: kết hợp cả 2 phương pháp trên.

- Hệ thống thu hồi sản phẩm: Sản phẩm sau khi sấy phun được thu hồi ở đáy buồng sấy Để tách sản phẩm ra khỏi luồng khí thoát, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: Lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện…

Hình 2.6 Hệ thống thu hồi sản phẩm

- Quạt: Để tăng, điều chỉnh lưu lượng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly tâm Các thiết bị sấy phun thường được trang bị hai quạt, quạt chính được đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát, còn quạt phụ được đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào

 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 bào 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, huyền phù…

 Chất lượng bột được đảm bào trong suốt quá trình sấy.

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

- Nhược điểm:

 Sấy phun chỉ sấy được vật liệu ở dạng dung dịch, vòi phun dễ bị tắt nghẽn, vì vậy yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để đảm bảo nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng.

 Không được dùng đề sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn  Chi phí đầu tư cao.

 Lưu lượng tác nhân sấy lớn, tốn kém trong khâu chuẩn bị dung dịch sấy.

 Yêu cầu độ ẩm ban đầu cao (40 – 50%) để đảm bảo nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng.

 Chi phí năng lượng cao hơn (để thoát ẩm).

 Thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn, việc thu hồi sản phẩm và bụi làm tăng chi phí cho quá trình sấy.

2.4 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình sấy phun

- Nồng độ chất khô của nguyên liệu:

+ Nồng độ cao giảm được thời gian bốc hơi, nhưng lại làm tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn trong quá trình sấy phun do tắt nghẽn tại vòi phun làm thay đổi vận tốc dịch.

+ Nồng độ thấp: Tốn nhiều thời gian và năng lượng cho quá trình sấy + Thực tế nồng độ dao động trong khoảng 45 - 52%.

- Nhiệt độ tác nhân sấy: Đây là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của sản phẩm bột thu được sẽ giảm đi nếu tăng nhiệt độ tác nhân sấy Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ quá cao có thể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức tiêu hao năng lượng cho toàn bộ quá trình

- Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy - Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun là tốc độ bơm đưa dòng nguyên

liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo và kích thước của buồng sấy…

2.5 Xác định chế độ sấy và các thông số tính toán2.5.1 Tác nhân sấy

Đối với hệ thống sấy phun sấy cà phê hòa tan, trong đồ án này em xin được chọn tác nhân sấy là không khí nóng được gia nhiệt bởi calorifer với các thông số như sau:

Thông số không khí ngoài trời ,thông số nhiệt độ và độ ẩm trung bình năm của không khí ở Hà Nội :

- Nhiệt độ trung bình năm: to = 25oC

- Độ ẩm trung bình năm: φ0=¿81%

Thông số không khí vào buồng sấy:

- Nhiệt độ không khí vào buồng sấy:t1=¿300oC

- Độ chứa ẩm của không khí vào buồng sấy: d1=¿50 g ẩm/kg kk

- Tốc độ gió 5m/s

Thông số không khí sau ra khỏi buồng sấy:

- Nhiệt độ không khí ra khỏi buồng sấy: t2=¿ 100oC Quá trình sấy: Trong hệ thống sấy TNS đi cùng chiều VLS.

Chế độ sấy: Sấy hồi lưu một phần để tiết kiệm năng lượng, giảm tổn thất do TNS mang đi và điều chỉnh độ ẩm tương đối của không khí trước khi vào sấy.

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT

3.1 Tính toán các thông số của vật liệu

Ta có lượng ấm bốc hơi trên 1h là:

Hình 3.1 Đồ thị quá trình sấy lý thuyết, hồi lưu trước calorifer

a) Xác định thông số điểm 0 (trạng thái không khí ngoài trời)

Ta có bảng thông số trạng thái sau:

3.2.2 Tiêu hao không khí lý thuyết

Lượng tiêu hao không khí lí thuyết:

3.3 Thiết kế sơ bộ hệ thống sấy3.3.1 Tính toán vòi phun cơ khí

Theo tài liệu [3] đường kính cửa ra của vòi phun cơ khí được tính theo công thức:

0,875 μ √2.g ∆ p

Trong đó: dvp : đường kính cửa ra vòi phun (m)

Vdt : lưu lượng, năng suất của vòi phun (m3/s)

μ : hệ số lưu lượng có thể lấy μ=0,6÷ 0,75

g : gia tốc trọng trường g=9,81 (m/s2)

∆ p : độ chênh áp trong vòi phun, chọn ∆ p=60 (kG /m2)

ρdt : khối lượng riêng dịch thể ρdt=1050 kg/m3

Trong đó: Q : nhiệt lượng mà VLS nhận được từ TNS

∝V : hệ số trao đổi nhiệt thể tích ∆ ttb : độ chênh nhiệt độ trung bình

a) Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình

- Lượng ẩm cần bốc hơi trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi

W: lượng ẩm bốc hơi (kg/h)

G2: năng suất sấy (kg/h)

Cpv: nhiệt dung riêng của VLS tại độ ẩm w2=4 %

t2,tv 2,tv 1: thông số nhiệt độ của TNS và VLS

Với λ = 0,0399W/mK (hệ số dẫn nhiệt của không khí ở nhiệt độ trung bình ttb = 200℃ ) G1 = 240 kg/h ( lưu lượng vật liệu sấy đi vào)

ρdt = 1050 kg/m3 ( khối lượng riêng của dịch cà phê) F = πD2/4 = π.3,22/4 = 8,042 m2 ( tiết diện buồng sấy)

Fe=d.√3 3 g.(ρdt−ρk)

4 vk2ρk

Trong đó: d : là đường kính trung bình của hạt cà phê, chọn d = 150 μm

ρdt, ρk : khối lượng riêng của cà phê và của không khí trước khi vào buồng sấy vk : độ nhớt động học của không khí trước khi vào buồng sấy

Tra bảng tính chất nhiệt vật lý của không khí khô tại t1=300 ℃, ta được: d) Xác định kích thước buồng sấy

Kích thước buồng sấy được tính theo thể tích như sau[3]:

H= 4 Vπ D2

Trong đó đường kính buồng sấy chọn theo điều kiện: D ≥ Dc Với Dc là đường kính cực

đại của chum tia do vòi phun tạo ra và nó phụ thộc vào loại vòi phun và bản chất của dịch thể Dc

chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm Chọn đường kính buồng sấy D = 3,2 m