TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU SẤY
Giới thiệu về nguyên liệu sấy
- Giới (Kingdom) - Plantae (Thực vật)
- Loài (Species) + Coffea arabica - cà phê chè
+ Coffea benghalensis - cà phê Bengal
+ Coffea canephora - cà phê vối (Robusta)
+ Coffea congensis - cà phê Congo + Coffea dewevrei - cà phê Excelsa + Coffea excelsa - cà phê Liberia/cà phê mít
+ Coffea gallienii - không chứa caffein
+ Coffea bonnieri - không chứa caffein
+ Coffea mogeneti - không chứa caffein
+ Coffea liberica - cà phê Liberia/cà phê mít
+ Coffea stenophylla - cà phê Sierra Leon
Bảng 1.1: Sơ lược về cà phê
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.
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.
+ Ngoài ra trong nhân còn chứa các chất thơm, các alkaloid.
Tổng quát thành phần hóa học
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của cà phê nhân (theo chất khô)
Thành phần chính Arabica Robusta Thành phần
Polymer của: galactose (55 – 65%), Mannose (10 – 20%), Arabinose (20 – 35%), Glucose (0 – 2%)
Axit khó bay hơi 2 – 2,9% 1,3 –2,2% Acid citric, acid malic
Acid amin 0,2 – 0,8% Chủ yếu là glutamic, asp, asp - NH 2
Trigonelline 0,6 – 1,2% 0,3– 0,9% Chủ yếu là glutamic, asp, asp - NH 2
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẤY
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.
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].
+ 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).
+ 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.
+ 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.
+ Tốn chi phí cho đầu tư trang thiết bị, cán bộ kỹ thuật, chi phí năng lượng.
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 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;
- 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 cú đường kớnh từ 1 – 150 àm.
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.
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.
+ Có thể làm việc với tất cả các loại huyển phù.
+ Tiêu tốn năng lượng lớn, năng suất không cao.
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.
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.
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.
+ 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 –
+ Sấy cùng chiều: Không khí và chất lỏng cùng được đưa vào từ trên đỉnh của buồng sấy Với cấu hỡnh này, kớch thước trung bỡnh của hạt đạt từ 25 - 100àm.
+ 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 buồng sấy. Ưu, nhược điểm của hệ thống sấy phun
Có thể điều chỉnh 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 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.
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.
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…
Xác định chế độ sấy và các thông số tính toán
2.5.1 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 = 25 o C
- Độ ẩm trung bình năm: φ 0=¿81%
Thông số không khí vào buồng sấy:
- Nhiệt độ không khí vào buồng sấy: t 1=¿300 o C
- Độ chứa ẩm của không khí vào buồng sấy: d 1=¿50 g ẩm/kg kk
Thông số không khí sau ra khỏi buồng sấy:
- Nhiệt độ không khí ra khỏi buồng sấy: t 2=¿ 100 o C
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.
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT
Tính toán các thông số của vật liệu
Ta có lượng ấm bốc hơi trên 1h là:
100−600(kg ẩmh ) Lưu lượng vật liệu sấy đi vào G 1 là:
Tính toán quá trình sấy lý thuyết
3.2.1 Xác định các thông số điểm nút
- Đồ thị của quá trình sấy được biểu diễn ở hình 3.1 (thuyết minh sơ đồ)
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 t0 = 25 0 C và φ0 = 81% Áp suất bão hòa của không khí tại t0 = 25 0 C: p h0 max =e 12−
4026,42 235,5+25=0,0315¿ Độ chứa hơi lý thuyết của không khí tại trạng thái ban đầu: d 0 =0,621 φ 0 p h0 max p−φ 0 p h 0max =0,621 0,81.0,0315
Khối lượng riêng của không khí tại trạng thái ban đầu: ρ 0 =p−φ 0 p h 0max
I 0 f,6(kJ/kg) b) Xác định thông số điểm 1 (trạng thái không khí vào buồng sấy)
Ta có t 100 o C ;d 1 = 50 g ẩm/kg kk Áp suất bão hòa của không khí tại t1 = 300 0 C: p h 1 max =e 12−
4026,42 235,5+300,323¿ Độ ẩm tương đối của không khí tại điểm 1: φ 1 = d 1
= 0,05 (0,621+0,05).88,323=0,084 % Enthalpy của không khí tại điểm 1:
Khối lượng riêng của không khí tại điểm 1: ρ 1 = p−φ 1 p h1max
C dx ( d 1)=1,004 +d 1.1,842=1,0961 c) Xác định thông số điểm 2 (trạng thái không khí sau buồng sấy )
Ta có I 2 =I 1 E3,83(kJ/kg) , t 20℃ Áp suất bão hòa của không khí tại t2 = 100 0 C: p h 2 max =e 12−
4026,42 235,5+t 2=e 12− 235,5+100 4026,42 =0,9987¿ Độ chứa hơi lý thuyết của không khí tại điểm 2: d 2 = I 2 −1,004.t 2
2500+1,842.100 =0,1316(kg/kg kk khô) Độ ẩm tương đối của không khí tại trạng thái 2: φ 2 = d 2
(0,621+0,1316).0,9987=0,175,5 % Khối lượng riêng của không khí tại điểm 2: ρ 2 = p−φ 2 p h2 max
287.(273+100) 10 5 =0,7708( kg/m 3 ) d) Xác định thông số điểm M (điểm hoà trộn)
Ta có d 1=d M =0,05(kg ẩm/ kg kk khô)
0,1316−0,05=0,4130 Nhiệt độ không khí sau hoà trộn: t M =t o +n.t 2 n+1 %+0,413 100
Enthalpy của không khí tại điểm M:
I M 6,43(kJ/kg) Áp suất bão hòa của không khí tại tM = 46,92 0 C: p h 2 max =e 12−
4026,42 235,5+ 46,92=0,1046¿ Độ ẩm tương đối của không khí tại trạng thái M: φ M = d M
(0,621+0,05).0,1046=0,712q,2 % Khối lượng riêng của không khí tại điểm M: ρ M =p−φ M p hMmax
Ta có bảng thông số trạng thái sau: Điểm 0 Điểm 1 Điểm 2 Điểm M
Nhiệt độ t ( o C) 25 300 100 46,92 Độ ẩm tương đối φ (%) 81 0,084 17,5 71,2 Độ chứa hơi d (kg ẩm/kgkk khô) 0,0163 0,05 0,1316 0,05 Enthanpy I (KJ/Kg) 66,6 453,83 453,83 176,43 Khối lượng riêng ρ (Kg/m 3 ) 1,139 0,563 0,7708 1,008
3.2.2 Tiêu hao không khí lý thuyết
Lượng tiêu hao không khí lí thuyết: l 0= 1 d 2 −d M = 1
0,1316−0,05,25( kgkk kgẩm) Lưu lượng không khí lí thuyết:
Lưu lượng thể tích không khí khô vào thiết bị sấy:
Lưu lượng thể tích không khí khô ra thiết bị sấy:
Lưu lượng không khí khô trung bình:
3.2.3 Tiêu hao nhiệt lý thuyết q o =l 0 ( I 1−I M ) ,25 (453,83−176,43)398,15(KJ/Kg)
Thiết kế sơ bộ hệ thống sấy
3.3.1 Tính toán vòi phun cơ khí
Theo tài liệu [3] đường kính cửa ra của vòi phun cơ khí được tính theo công thức: d vp √ 0,875 μ V √ dt 2 g ∆ p ρ dt
Trong đó: d vp : đường kính cửa ra vòi phun (m)
V dt : lưu lượng, năng suất của vòi phun (m 3 /s) μ : hệ số lưu lượng có thể lấy μ=0,6÷0,75 g : gia tốc trọng trường g=9,81 ( m/ s 2 )
∆ p : độ chênh áp trong vòi phun, chọn ∆ p` ( kG / m 2 ) ρ dt : khối lượng riêng dịch thể ρ dt 50kg/m 3
Lưu lượng thể tích dòng dịch thể (VLS): V dt = G 1
3600 1050=6,34.10 −5 (m 3 /s) Thay số liệu vào ta được: d vp √ 0,875.0,6 6,34.10 √ 2.9,81.60 −5 1050 =0,0106 ( m ) ,6 ( mm)
3.3.2 Tính thể tích buồng sấy
Theo tài liệu [3], buồng sấy là một hình trụ tròn với chiều cao H, đường kính D và có thể tích như sau:
Trong đó: Q : nhiệt lượng mà VLS nhận được từ TNS
∝ V : hệ số trao đổi nhiệt thể tích
∆ t tb : 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
- Lượng chứa ẩm của TNS sau gđ tốc độ sấy không đổi: d ' 2 =d 1 + w 1 −w k1 l(w 1 −w 2 )=0,05+ 0,6−0,4
- Nhiệt độ TNS tại gđ tốc độ sấy không đổi: t ' 2 =C dx ( d 1) t 1−2500(d ' 2 −d 1 )
- Nhiệt độ VLS ra khỏi hệ thống t v 2 =t ư +( t 2−t ư ) w w k1 −w 2 k 1−w cb 0+(100−30)0,4 0,4 −0,04 −0,04 ≈98,1℃
- Độ chênh nhiệt độ trung bình gđ tốc độ sấy giảm dần
- Độ chênh nhiệt độ cả quá trình sấy
∆ t=∆ t 1 (1−X)+∆ t 2 X"9,35.(1-0,807) + 41,35 0,807= 77,63 ℃ b) Nhiệt lượng trao đổi giữa TNS và VLS
Với Q: nhiệt lượng trao đổi (kJ)
W: lượng ẩm bốc hơi (kg/h)
C pv : nhiệt dung riêng của VLS tại độ ẩm w 2=4 % t 2 ,t v 2 ,t v 1 : thông số nhiệt độ của TNS và VLS
Có C pv =C k ( 1− w 2 ) +C nước w 2 ( kJ kgK) Với C k là nhiệt dung riêng vật liệu khô tuyệt đối C k =1,4(kJ/kgK)
C pv =1,4.(1−0,04)+4,18.0,04=1,5112( kJ kgK) Thay các thông số vào phương trình (2) ta được:
Q = 140.[2500 + 1,842.(100-98,1)] + 100 1,5112 (98,1 – 25) = 361536,8 (kJ/h) c) Hệ số TĐN thể tích
Hệ số TĐN thể tích được tính theo công thức [3] :
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) ρ dt = 1050 kg/m 3 ( khối lượng riêng của dịch cà phê)
F = πD 2 /4 = π.3,2 2 /4 = 8,042 m 2 ( tiết diện buồng sấy) d = 150 àm = 150.10 -6 m w là tốc độ trung bình của TNS (m/s) wl là tốc độ lơ lửng (m/s)
- Tốc độ trung bình của TNS: w=0,5( v k 1+v k 2 ) L
Tốc độ trung bình của TNS w Chúng ta chọn D = 3,2 Khi đó w=0,5( v k1+v k 2 ) L
Trong đó: d : là đường kính trung bình của hạt cà phê, chọn d = 150 μm ρ dt , ρ k : khối lượng riêng của cà phê và của không khí trước khi vào buồng sấy v k : độ nhớt động học của không khí trước khi vào buồng sấy
Tra bảng tính chất nhiệt vật lý của không khí khô tại t 100℃, ta được: ρ k =0,615( m kg 3 ) , v k = 48,33.10 −6 ( m s 2 ) ρ dt 50kg m 3
Tra biểu đồ 12.6 ta được lg (ℜ l )=0,1→ℜ l =1,2589
Suy ra tốc độ lơ lửng: w l =ℜ l v k d =1,2589 48,33.10 −6
150.10 −6 =0,4056(m s ) Thay thông số vào phương trình (3) ta được:
1050.8 042 ( 150.10 1 −6 ) 1.6 ( 0,4056 1 +0,1 ) 0,8 (kJ/m 3 hK) = 61,2 (W/m 3 K) Thay các số liệu vào công thức (1) ta được thể tích buồng sấy:
61,2.77,63v,09(m¿¿3)¿ d) Xác định kích thước buồng sấy
Kích thước buồng sấy được tính theo thể tích như sau[3]:
Trong đó đường kính buồng sấy chọn theo điều kiện: D ≥ D c Với D c 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 D c chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm.
Chọn đường kính buồng sấy D = 3,2 m
Như vậy, ta có bảng kết quả tính toán của quá trình sấy lý thuyết
Bảng 1 Tổng kết tính toán quá trình sấy lý thuyết Đại lượng Giá trị
G 1 : Lưu lượng vật liệu đi vào TBS (kg/h) 240
G 2 : Lưu lượng vật liệu ra khỏi TBS (kg/h) 100
W : Lượng ẩm bốc hơi (kg/h) 140 l 0 : Lượng tiêu hao không khí lý thuyết (kg kk/kg ẩm) 12,25
L 0 : Lượng kk khô cần để bốc hơi W kg ẩm (kgkk/h) 1715 q o : Nhiệt lượng tiêu hao riêng cho 1kg ẩm (kJ/kg) 3398,15
Q o : Lượng nhiệt cần cấp cho thiết bị (kW) 132,15 d vp : Đường kính vòi phun (mm) 10,6
H : Chiều cao buồng sấy (m) 9,5 τ : Thời gian sấy (s) 18,8
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC
Tính cân bằng nhiệt
Ta có mô hình cân bằng năng lượng trong thiết bị sấy:
Hình 4.1 Mô hình cân bằng năng lượng
Trong đó: phần bên phải là nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị bao gồm nguồn nhiệt của tác nhân sấy, vật liệu sấy, thiết bị sấy đi vào và nguồn nhiệt bổ sung; phần nhiệt lượng bên phải gồm có tác nhân sấy, vật liệu sấy, thiết bị truyền tải và nhiệt lượng tỏa ra môi trường qua kết cấu bao che Theo nguyên lý, nhiệt lượng đi vào phải cân bằng với phần nhiệt lượng đi ra khỏi thiết bị.
Theo [4], phương trình cân bằng nhiệt được viết như sau: q=l 0 ( I 1 −I 0 ) =l 0 ( I 2 −I 0 ) +q vl + q ct +q mt −q bs −C n t v 1 (3)
Trong đó: l 0( I 2−I 0 ) : nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm q vl : tổn thất nhiệt do VLS mang đi (kJ/kg) q mt : tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che (kJ/kg) q ct : tổn thất nhiệt do thiết bị chuyền tải mang theo (kJ/kg) q bs : nhiệt lượng bổ sung (kJ/kg)
C n t v 1 : nhiệt lượng của 1kg ẩm do VLS mang vào (kJ/kg) Đối với hệ thống sấy phun không có TB chuyền tải và không dùng nhiệt lượng bổ sung nên: q ct =q bs =0 Đặt ∆=C n t v1 −q vl −q mt là tổng tổn thất nhiệt trong quá trình sấy thực
4.1.1 Tổn thất nhiệt do VLS mang đi
Hệ thống sấy phun là hệ thống sấy làm việc liên tục, theo [9] ta có công thức:
Trong đó: t v 2 ,t v 1 : nhiệt độ của VLS ra, vào thiết bị, W t v 2,1℃;t v1 %℃
C p 2 = 1,5112 kJ/kgK, nhiệt dung riêng của vật liệu sấy tại độ ẩm w 2
W= 140 kg/h, lượng ẩm bốc hơi
Q vl ,q vl : tổn thất nhiệt do VLS mang đi Thay các thông số bào công thức ta được:
4.1.2 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che
Theo tài liệu [5], tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che được tính theo công thức:
Trong đó: F: diện tích bề mặt xung quanh buồng sấyW
∆ t: độ chênh nhiệt độ trung bình k: Hệ số truyền nhiệt a) Tính hệ số truyền nhiệt k
Vì bề dày thiết bị nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính (d/D