ĐỒ ÁN I QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY CÀ PHÊ THÙNG QUAY NĂNG SUẤT 240KGH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 

ĐỒ ÁN I

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY CÀ PHÊ THÙNG

QUAY NĂNG SUẤT 240KG/H

Sinh viên thực hiện: Trịnh Hữu Trường MSSV: 20201248

Lớp: KTTP 02-K65

GVHD: TS Phạm Ngọc Hưng

Hà Nội – 7/2023

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SẤY 6

1.1 Tổng quan về nguyên liệu 6

1.1.1 Giới thiệu chung 6

1.1.2 Quy trình sản xuất cà phê nhân 9

1.1.3 Ứng dụng của cà phê 10

1.1.4 Bảo quản 10

1.1.5 Tình hình phân bố và sản xuất 11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY 12

2.1 Mục đích và yêu cầu quá trình sấy 12

2.2 Các biến đổi của vật liệu trong quá trình sấy 12

2.3 Phân loại phương pháp sấy 12

2.4 Sơ đồ nguyên lý của quá trình sấy đối lưu 13

2.6.4 Thiết bị sấy thùng quay 17

2.6.5 Thiết bị sấy tầng sôi 19

2.6.6 Thiết bị sấy khí động 20

2.7 Phương pháp thực hiện 21

2.8 Quy trình công nghệ 23

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 24

3.1 Các thông số tác nhân sấy và công thức sử dụng 24

3.2 Tính thông số của tác nhân sấy 25

3.2.1 Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A) 25

3.2.2 Thông số trạng thái không khí sau khi đi qua caloriphe (B) 25

3.2.3 Thông số trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy(C) 26

3.3 Tính cân bằng vật chất 27

3.4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết 27

3.5 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực 28

3.6 Tính toán thiết bị chính 32

3.6.1 Đường kính của thùng sấy 32

3.6.2 Chiều dài thùng sấy 33

3.6.3 Thể tích thùng sấy 33

3.6.4 Cường độ bay hơi ẩm 33

3.6.5 Thời gian sấy 33

3.6.6 Nhiệt độ đốt nóng cho phép 33

3.6.7 Số vòng quay của thùng 33

3.6.8 Tính bề dày cách nhiệt của thùng 34

3.6.8.1 Hệ số cấp nhiệt từ dòng tác nhân sấy đến bên trong của thùng sấy 34

3.6.8.2 Hệ số cấp nhiệt từ thành ngoài của thùng sấy đến môi trường xung quanh 35

3.6.8.3 Hệ số truyền nhiệt K 37

3.6.8.4 Tính bề mặt truyền nhiệt F 37

3.6.8.5 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhâ sấy và không khí bên ngoài .373.6.8.6 Tính nhiệt lượng mất mát ra xung quanh 38

3.6.9 Chọn kích thước cánh đảo trong thùng 38

3.6.10 Chọn kích thước của các chi trong thiết bị thùng quay 40CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 41

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1: Thành phần hóa học gần đúng các thành phần chính của hạt cà phê (%) 7

Bảng 2: Tình hình sản xuất cà phê của một số quốc gia trên thế giới năm 2007 8

Bảng 3: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết 17

Bảng 4: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 24

Bảng 5: Hệ số M 26

Bảng 6: Các hệ số của không khí bên trong thùng sấy 27

Bảng 7: Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy: 28

Bảng 8: Các bề dày thùng và vật liệu 29

Bảng 9: Thông số caloriphe 37

Bảng 10: Kích thước cơ bản của xyclon đơn loại ЦH-15H-15 38

DANH SÁCH HÌNH VẼHình 1: Các dạng cánh đảo 12

Hình 2: Đồ thị I – d quá trình sấy lý thuyết 20

Hình 3: Đồ thị I - d biểu diễn cho quá trình sấy thực 24

Hình 4: Dạng cánh đảo trộn 33

Hình 5: Diện tích phần chứa vật liệu trong thùng 34

Hình 6: Xyclon đơn 39

LỜI MỞ ĐẦU

Trong ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, vật liệu xây dựng,… thì sấy là vấn đềrất quan trọng trong dây chuyền sản xuất Trong ngành hóa chất vật liệu, quá trình sấy dùngđể tách nước và hơi nước ra khỏi nguyên liệu và sản phẩm Trong ngành nông nghiệp vàcông nghiệp thực phẩm, sấy là công đoạn quan trọng sau thu hoạch đối với các loại nôngsản Sản phẩm sau khi sấy có độ ẩm thích hợp thuận tiện cho việc bảo quản, vận chuyển, chếbiến, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm

Thực tế cho thấy nếu phơi khô hoặc sấy không kịp, nhiều nông sản có thể bị mất mátdo ẩm mốc và biến chất (chiếm khoảng 10-20%, đối với một vài loại có thể lên đến 40-50%) Ngoài ra, sấy còn là quá trình công nghệ quan trọng trong chế biến nông sản thànhthương phẩm Do tính chất và thành phần của vật liệu sấy phải giữ được những tính chất vềgiá 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 thùngquay với tác nhân sấy là không khí nóng.

Trên cơ sở những kiến thức đã học và sự hướng dẫn của TS Phạm Ngọc Hưng trong

đồ án môn học này em xin trình bày về “Tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy càphê với năng suất 240kg/h” Do trình độ, khả năng nghiên cứu và tài liệu còn bị giới hạn

nên đồ án của em không thể tránh nhiều những sai sót cũng như những thiếu sót trong quátrình tính toán, thiết kế Qua đồ án này em kính mong được thầy cô góp ý, chỉ bảo để em cóthể bổ sung và củng cố kiến thức cho bản thân.

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SẤY1.1 Tổng quan về nguyên liệu

1.1.1 Giới thiệu chung

Để có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý sơ chế cà phê cũng như chất lượng và các kiếnthức về sấy hầm cà phê thì trước hết cần tìm hiểu về quả cà phê

Hình 1.1 Cấu tạo quả cà phê

a Cấu tạo cơ bản của quả cà phê

Quả cà phê gồm những phần sau: Lớp vỏ quả bên ngoài, lớp thịt quả bên trong, lớp nhầy, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và nhân quả Trong đó có thể chia thành 2 phần chính:

 Phần vỏ quả (Skin): Gồm vỏ quả bên ngoài và thịt quả

 Phần hạt (Seed): Gồm lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và phần nhân hạt (có chứa nội nhũ và phôi hạt)

“Trong một số tài liệu khác cách phân chia cấu trúc có thể khác như: Lớp vỏ quả sẽ bao gồm ba thành phần Vỏ quả (Exocarp), thịt quả (Mesocarp), vỏ trấu (Endocarp), Trong khi đó phần nhân sẽ bao gồm: Vỏ lụa (Silver Skin) và Nhân (Seed) cà phê có chứa nội nhũ (Endosperm) và phôi”

b Tìm hiểu về phần vỏ quả cà phê (Skin)

Phần vỏ gồm 2 lớp chính là lớp vỏ quả và lớp thịt quả

Lớp vỏ quả (Outer Skin)

Phần vỏ quả được tạo thành bởi một lớp tế bào nhu mô nhỏ (đây là các tế bào sơ cấp

cà phê chín Màu sắc của quả cà phê khi chín sẽ phụ thuộc vào từng giống cà phê Tuy nhiênmàu quả cà phê phổ biến khi trưởng thành thường là màu đỏ hoặc màu vàng Màu đỏ (cà phêRobusta) là do các sắc tố anthocyanin có trong quả cà phê trong khi màu vàng đến từ luteolin(cà phê Bourbon).

Lớp vỏ thịt quả cà phê (Pulp or Mucilage)

Ở những quả cà phê chưa chín, lớp vỏ thịt chính là các mô cứng gắn liền với vỏ quả và khi quả cà phê chín, các enzym proteolytic sẽ phá vỡ các chuỗi pectin tạo nên các hợp chất đường Lúc này chuỗi pectin sẽ làm nên một cấu trúc mềm, mọng nước và có độ nhớt cao nên thường được gọi là chất nhầy (Mucilage)

Theo phương pháp chế biến ướt, lớp chất nhầy này sẽ được loại bỏ thông qua quá trình lên men có kiểm soát Trong khi đó, khi chế biến theo phương pháp khô thì chất nhầy sẽ được giữ lại cùng với bỏ bên ngoài trong quá trình sấy khô

c Tìm hiểu về phần hạt trong quả cà phê

Phần hạt quả cà phê cũng gồm 2 phần chính là lớp vỏ và lớp Nhân

Lớp vỏ trấu (Parchment)

Lớp vỏ trấu là lớp ngoài cùng của phần hạt, phần này tiếp xúc trực tiếp với vỏ quả Lớp vỏ trấu được hình thành từ ba đến bảy lớp tế bào xơ cứng (tế bào sợi đóng vai trò chính trong thực vật) Các tế bào cấu thành của vỏ trấu sẽ cứng dần trong quá trình quả cà phê chínvà gây ra sự hạn chế về kích thước cuối cùng của hạt nhân cà phê Với cà phê Arabica, trọnglượng trung bình của vỏ trấu có độ ẩm khoảng 11% và nằm trong khoảng 3,8% tổng trọng lượng cà phê (Theo Wilbaux, 1961, as cited in Bremen, 2008)

Lớp vỏ lụa (Silver Skin)

Lớp vỏ lụa của quả cà phê được hình thành từ nucleolus có màu trắng bạc khi phơi khô nên còn được gọi là lớp vỏ bạc Lớp vỏ này rất mỏng nên có thể được bóc tách ra khỏi nhân trong quá trình đánh bóng hạt Tuy nhiên, nhiều nhà chế biến cà phê thường để lại lớp vỏ lụa trên hạt cà phê giúp bảo vệ cà phê, sau cùng lớp vỏ lụa này cũng sẽ tự hủy khi rang xay cà phê Ở một số vùng, tùy thuộc vào các giống cà phê nên lớp vỏ lụa sẽ có màu sẫm hơn màu thông thường

Nhân cà phê

Phần trong cùng và quan trọng nhất của quả cà phê và chịu trách nhiệm trích lũy chất dinh dưỡng cho quá trình nảy mầm của phôi thai được gọi là nhân cà phê Một quả cà phê thông thường sẽ tồn tại 2 nhân (có thể có quả có 1 hoặc 3 nhân) Thành phần hóa học của nhân cà phê được xem là rất quan trọng bởi nó tác động trực tiếp đến hương vị và mùi thơm của cà phê trong quá trình rang Các hợp chất hóa học được tìm thấy trong nhân cà phê:

 Các hợp chất tan trong nước: caffeine, trigonelline, axit nicotinic (niacin), ít nhất

18 axit chlorogenic, các thành phần Carbohydrate (Mono-, di- và oligosaccarit) một số protein các khoáng chất và axit cacboxylic…

 Các thành phần không hòa tan trong nước như: cellulose, polisaccarit, lignin và

hemicellulose, cũng như một số protein, khoáng chất và lipid (Borem, 2008).

Trong lớp nhân cà phê còn có Phôi (Embryo) gồm một trục phôi (hypocotyl) và hai lámầm dài từ 3-4 mm (Wintgens, 2009) Các lá mầm này ban đầu ở dưới lòng đất sau đó các lámầm mới sẽ dần dần hình thành

Bảng 1: Thành phần hóa học của hạt (nhân) cà phê

Tính bằngg/100g

Tính bằngmg/100g

Thành phầnhóa học

Tính bằng g/100g

Tính bằngmg/100g

Cafein 1 (arabica),2 (robusta)

Nhiệt dung riêng của cà phê khô: C = 0,37 kcal/kgđộ = 1,54912 kJ/kgđộ

Đặc trưng các chất có trong nhân cà phê:

 Nước: Khi sấy khô, cà phê đạt chuẩn phải có từ 10 – 12% nước ở dạng liên kết Sau khi rang con số này khoảng 2 – 3% Khi lượng nước nhiều hơn, việc bảo quản sẽ vô cùng khó khăn Nhân cà phê sẽ bị ẩm mốc ảnh hưởng rất nặng đến chất lượng. Lipid: Trong 10 – 13% Lipid của nhân cà phê thì có đến 90% là chất dầu, còn lại là

sáp Đây là thành phần tạo nên độ thơm và sệt của cà phê, sau khi chế biến, lượng Lipid còn lại rất ít và bám trên bã cà phê Dùng bã này để dưỡng da rất tốt.

 Protein: Protein trong cà phê tuy thấp nhưng lại có rất nhiều các loại axit amin tốt Khi rang, lượng Protein này sẽ bị cháy và tạo ra mùi thơm đặc trưng và mùi vị của cafe có rất nhiều đóng góp của thành phần này.

 Các chất khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong nhân cà phê chiếm từ 3 – 5% chủ yếulà các loại như Magie, Kali, Nito, Photpho, Clo, Sắt, lưu huỳnh,… Những loại cà phê ngon thường có rất ít hàm lượng chất khoáng vì chúng ảnh hưởng không tốt cho mùi vị cả cà phê.

 Caffeine: Đây chính là đặc trưng khiến cà phê khác biệt với những loại quả và hạt khác Caffeine chính là nguồn gốc của những lợi ích từ việc uống cà phê, giúp tinh

nhau, trong đó Robusta có hàm lượng caffeine cao nhất.

1.1.2 Quy trình sản xuất cà phê nhân

Trong kĩ thuật sản xuất cà phê có 2 phương pháp chính là: phương pháp sản xuất ướtvà phương pháp sản xuất khô.

Phương pháp sản xuất khô: có ưu điểm là đơn giản, ít tốn nguyên liệu, nhân côngnhưng có hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Nó phù hợp với nơi có điều kiện khíhậu nắng nhiều mưa ít.

Phương pháp sản xuất ướt: phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị và năng lượng hơn, đòihỏi dây chuyền công nghệ và thao tác kĩ thuật cao Nhưng phương pháp này thích hợp vớimọi hoàn cảnh và mọi điều kiện khí hậu Đồng thời giúp tăng năng suất nhà máy và tăngchất lượng sản phẩm.

Quy trình sản xuất theo phương pháp ướt:

1.1.3 Ứng dụng của cà phê

Có thể nói hạt cà phê chính là bộ phận “hội tụ” nhiều chất dinh dưỡng quý giá nhất sovới các phần khác của quả cà phê Sử dụng các thức uống hay món ăn từ cà phê sẽ giúpchúng ta tiếp nạp thêm những nhóm vitamin thiết yếu như vitamin B5, vitamin B2, vitaminB3 cùng hoạt chất chống oxy hóa quinine, trigonelline và đặc biệt là caffeine.

Nhờ vậy mà cải thiện hiệu quả một số vấn đề sức khỏe nếu được sử dụng hợp lý vàđúng cách như: Giúp tinh thần tỉnh táo, kiểm soát đường huyết, hỗ trợ giảm cân, cải thiện trínhớ, phòng chống ung thư, duy trì men gan ổn định, giảm nhức mỏi cơ bắp…

Ngoài ra chúng ta có thể chế biến rất nhiều các sản phẩm khác có nguyên liệu từ càphê như các loại bánh, kem, mứt, kẹo, các loại đồ uống thơm ngon, hấp dẫn…

1.1.4 Bảo quản

Cà phê dù ở dạng bột hay hạt, cà phê nhân hay cà phê thóc đều cần phải được đo độẩm thường xuyên Độ ẩm tiêu chuẩn của cà phê nhân là 12,5% và đối với cà phê bột là5% Các cơ sở sản xuất cũng như buôn bán cà phê cần lưu ý đến độ ẩm này Vì nếu độẩm vượt mức tiêu chuẩn trong thời gian dài Thì cà phê sẽ không thể bán được do bị hưhỏng hoặc giảm chất lượng.

Có rất nhiều cách để bảo quản, ở đây ta dùng phương pháp sấy Với phương pháp nàysẽ bảo quản được cà phê lâu hơn, dễ dàng trong quá trình vận chuyển, ứng dụng nhiềutrong quá trình chế biến các sản phẩm khác.

Hiện nay ở Việt Nam có rất nhiều vùng trồng được cà phê, có thể kể đến như: ThanhHóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Tây Nguyên, Nam bộ Tuy nhiên, xét về điều kiện khí hậu thìcác tỉnh thuộc Tây Nguyên là thích hợp nhất cho cây cafe phát triển Vì vậy, loại câynày được trồng nhiều ở đây Các đồn điền cà phê với năng suất rất cao, chất lượng càphê hảo hạng được ra đời, đặc biệt là Đắk Lắk và Gia Lai, Đà Lạt.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY2.1 Mục đích và yêu cầu quá trình sấy

Tách nước ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch là một quá trình kĩ thuật rất phổ biếnvà rất quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là các ngành hóa chất vàcông nghiệp thực phẩm Mục đích của quá trình sấy là:

- Giảm trọng lượng.

- Giảm chi phí vận chuyển, đồng thời nó cũng làm tăng giá trị cảm quan cho sảnphẩm như: độ dẻo, giòn, dai, màu sắc, hương vị và độ bóng sáng của sản phẩm,không nứt nẻ, cong vênh

- Ngăn cản vi sinh vật như nấm mốc, nấm men, vi khuẩn phát triển, tăng thời gianbảo quản sản phẩm thực phẩm.

- Loại bỏ phần nước tự do trong sản phẩm, làm giảm hoạt độ của nước, chậm bớtcác quá trình sinh học giúp bảo quản thực phẩm được lâu hơn - Là công đoạn sơchế cho các bước chế biến tiếp theo.

2.2 Các biến đổi của vật liệu trong quá trình sấy

Tất cả các sản phẩm thực phẩm đều chịu sự biến đổi trong quá trình sấy và bảoquản sau Yêu cầu đặt ra đối với quá trình sấy là bảo vệ tới mức tốt nhất chất lượng vàhạn chế những hư hại trong quá trình sấy và bảo quản đồng thời nâng cao hiệu quả kinhtế.

Xét theo bản chất thì những thay đổi có thể chia ra:- Thay đổi về lý học: sứt mẻ, gãy vỡ…

- Thay đổi về hóa lý: trạng thái tính chất của các keo phân tử bị thay đổi.- Thay đổi về hóa sinh: do sự oxy hóa của chất béo, phản ứng enzyme… - Thay đổi do vi sinh vật.

2.3 Phân loại phương pháp sấy

Quá trình sấy bao gồm 2 phương thức:

- Sấy tự nhiên: là phương pháp sử dụng trực tiếp năng lượng tự nhiên như nănglượng mặt trời, năng lượng gió… để làm bay hơi nước Phương pháp này đơngiản, không tốn năng lượng, rẻ tiền tuy nhiên không điều chỉnh được tốc độ sấytheo yêu cầu kỹ thuật nên năng suất thấp, phụ thuộc vào thời tiết, cần diện tích bềmặt lớn, điều kiện vệ sinh kém… Do đó phương pháp này được áp dụng cho sảnxuất quy mô nhỏ lẻ, hộ gia đình.

- Sấy nhân tạo: là phương pháp sấy được sử dụng các nguồn năng lượng do cònngười tạo ra, thường được tiến hành trong các thiết bị sấy, cung cấp nhiệt cho cácvật liệu ẩm.

- Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuậtsấy có thể chia ra làm các dạng:

 Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy vớikhông khí nóng, khói lò… (gọi là tác nhân sấy).

 Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc vớinhiệt độ sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp quamột vách ngăn.

 Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương thức sấy dùng năng lượng của tiahồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.

QuạtCaloriferThiết bị sấy

 Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượng điệntrường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vậtliệu.

 Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân khôngrất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bayhơi trừ trạng thái rắn thành hơi mà không qua trạng thái lỏng.

2.4 Sơ đồ nguyên lý của quá trình sấy đối lưu

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạpvì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắn đồngthời với quá trình truyền nhiệt Đây là một quá trình nối tiếp nghĩa là quá trìnhchuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi sau đó tách pha hơi rakhỏi vật liệu ban đầu Động lực của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòngvật liệu và bên trên bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ xảy rakhi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nướctrong môi trường không khí xung quanh Vận tốc của toàn bộ quá trình được quyđịnh bởi giai đoạn nào là chậm nhất Ngoài ra tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độlà yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quá trình di chuyển ẩm từ trong vật liệu sấy ra ngoàibền mặt vật liệu sấy.

Trong quá trình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớnvà trực tiếp đến vận tốc sấy Do vậy cần nghiên cứu tính chất là thông số cơ bản củaquá trình sấy.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy

2.5 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy.Trong quá trình sấy, môi trường buồng sấy luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật liệusấy Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tănglên đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa vật liệu sấy và môi trườngtrong buồng sấy, quá trình thoát ẩm của vật liệu sấy sẽ ngừng lại.

Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy:- Gia nhiệt cho vật liệu sấy.

- Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường - Bảo vệ vật liệu sấykhỏi bị hỏng do quá nhiệt.

Tùy theo phương pháp sấy mà các tác nhân sấy có thể thực hiện một hay nhiều cácnhiệm vụ trên Các loại tác nhân sấy:

2.5.1 Không khí ẩm:

- Là loại tác nhân sấy thông dụng nhất, có thể dùng cho hầu hết các loại sảnphẩm.

- Ưu điểm:

+ Không khí có sẵn trong tự nhiên

+ Không độc, không làm sản phẩm sau khi sấy ô nhiễm và thay đổi mùi vị.Tuy nhiên, dùng không khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệtkhông khí (caloripher điện, khí –hơi hay khí – khói), nhiệt độ sấy không quá cao.Thường nhỏ hơn 5000 oC vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phải đượcchế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt.

2.5.2 Khói lò:

Khói lò này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bị cháy nổ và có khả năng chịuđược nhiệt độ cao Dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lên 1000 oC màkhông cần thiết bị gia nhiệt, tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ô nhiễm do bụi và các chấtcó hại như CO2, SO2 .

2.5.3 Hơi quá nhiệt:

Tác nhân sấy nhiệt độ cao, hỗn hợp không khí và hơi nước Tác nhân sấy này chỉdùng khi độ ẩm tương đối cao.

2.6 Thiết bị sấy2.6.1 Buồng sấy

Buồng sấy có hình dạng khối lập phương chữ nhật đứng hay nằm, hình trụ đứnghoặc nằm Thành buống sấy được bọc cách nhiệt và cách ẩm, có cửa để nạp và lấysản phẩm Vật sấy được rải đểu thành lớp trên các tầng khay đặt gác lên khung giátrong buồng sấy Bộ phận gia nhiệt cho tác nhân sấy có thể đặt trong hoặc ngoàibuồng sấy.

- Nó có thể sấy các vật liệu ở bất cứ dạng nào: hạt, miếng mảnh nhỏ xếp lớp,dạng bột nhão…

- Buồng sấy có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, dễ vận hành, vốn đầu tư ít.Do quá trình sấy là gián đoạn và có chu kì nên lượng nhiệt tiêu tốn để nung nóngthành và giá đỡ trong buồng sấy giữa các lần sấy rất đáng kể.

Vật liệu sấy được đặt cố định trong suốt quá trình sấy Do đó quá trình sấy khôngđược đồng đều Để khắc phục thì người ta bố trí cách đưa tác nhân sấy theo đườngdích dắc tạo nên sự đồng đều cho sản phẩm sấy Hệ thống sấy này chỉ phù hợp vớicác vật liệu sấy mà ta khó làm cho nó bị xáo chộn được trong quá trình sấy.

tiện vận chuyển đi vào đầu hầm và đi ra ở cuối hầm.

- Người công nhân đẩy các xe gông vào hầm sấy hoặc sử dụng các xích tải haylà tời kéo.

- Tác nhân sấy (TNS) chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệusấy Để tác nhân sấy không tràn ra ngoài, hay không khí ở ngoài không bị hútvào hầm thì ở đầu và cuối hầm sấy có khoang xép để nạp và lấy từng xe một.- Hệ thống quạt vận chuyển tác nhân và bộ phận gia nhiệt được lắp bên ngoài

hoăc ngay trên nóc hầm, calorife cũng có thể lắp trong hầm.a) Hầm sấy có xe goong

Chiều dài của hầm bằng tổng chiều dài của các xe goong xếp trong hầm, cộng vớichiều dài nơi nắp cửa hút, đấy tác nhân sấy, cộng với chiều dài khoang xép ở 2 đầunếu có để nạp và lấy xe ra.

Nếu hầm ngắn thì nạp và lấy xe ra có thể dùng sức người đẩy và kéo, khi hầm dàithì phải có hệ thống cơ giới như xích tải, cơ cấu thủy lực để nạp và lấy xe.

b) Hầm sấy có xe treo

Được dùng để sấy các loại vật liệu rời xếp lớp như hạt, mảnh cắt nhỏ Cấu tạo củaloại hầm sấy này gồm: hầm sấy có kết cấu ngắn và rộng, cao, bên trong chia thànhnhiều khoang phù hợp với hệ thống xích vận chuyển các xe và chuyển động của tácnhân sấy Chiều dài của xích nằm trong buồng sấy phụ thuộc vào thời gian sấy, tốcđộ của xích Chiều dài tổng cộng của xích bằng chiều dài phần nằm trong hầm sấycộng với phần để tháo sản phẩm sấy và nạp mới sản phẩm.

Nếu mỗi xe chỉ có 1 khay thì việc nạp và tháo sản phẩm sấy dễ tự động hóa, quátrình sấy là liên tục Nếu mỗi xe có nhiều khay thì theo nguyên tắc sấy lien tụcnhưng các xe được treo lên xích hay lấy ra lần lượt từng chiếc một Các móc treo xephải có bánh lăn trên ray treo.

c) Máy sấy băng tải

Nguyên tắc cấu tạo của máy sấy băng tải gồm có hầm hoặc buồng sấy, băng tảilien tục chuyển động trong buồng Vật sấy được rải đều trên băng tải nhờ cơ cấu nạpliệu Sản phẩm liên tục được lấy ra ở cuối băng tải Tác nhân sấy là không khí nónghay khói lò chuyển động cắt ngang qua chiều chuyển động của băng tải Chiều dàivà tốc độ của băng tải phụ thuộc vào thời gian sấy Chiều rộng băng, chiều dày lớpvật liệu và tốc độ băng phụ thuộc vào năng suất của máy.

Hình 2.3 Sấy băng tải

Băng tải có cấu tạo rất da dạng: có thể là băng được chế tạo từ hang dệt, lưới thép,băng thép đục lỗ, các khay đục lỗ hoặc không, lắp trên trục quay, hai đầu trục lắpvào xích tải Hai đầu khay về phía xích được kéo trượt trên lòng thanh thép góc Đếnvị trí thanh thép góc đỡ không còn, đó là lúc khay xoay và đổ vật sấy xuống cáckhay dưới Đây cũng là biện pháp đảo trộn vật sấy

Hệ thống sấy hầm có năng suất lớn hơn nhiều so với hệ thống sấy buồng Quátrình sấy không theo chu kì như hệ thống sấy buồng mà nó hoạt động liên tục Dovậy hệ thống này rất phù hợp để sấy hành với năng suất lớn.

2.6.3 Tháp sấy

Sấy tháp là quá trình sấy diễn ra trong buồng sấy có chiều cao lớn Quá trình sấydiễn ra trong tháp cũng là quá trình sấy đối lưu Vật sấy được gầu tải đưa lên và rótvào đỉnh tháp rồi chảy xuống đáy tháp dưới tác dụng của trọng lực, tác nhân sấyđược quạt thổi vào tháp từ dưới theo kênh dẫn đi lên Tác nhân sấy tiếp xúc với cácvật sấy và làm bay hơi ẩm từ vật sấy.

Quá trình sấy trong tháp có thể là sấy không hồi lưu khí thải, sấy có hồi lưu mộtphần hay toàn bộ khí thải, sấy có đốt nóng bổ sung cho tác nhân sấy Hệ thống sấytháp bao gồm các bộ phận: tháp sấy, hệ thống vận chuyển hạt (gàu tải, băng tải, víttải), hệ thống đốt nóng (calorife) và vận chuyển (hệ thống quạt) tác nhân sấy Vậtsấy chuyển động từ đỉnh xuống đáy tháp có thể đi qua các vùng sấy khác nhau, mỗivùng có hệ thống quạt và đốt nóng tác nhân sấy riêng phù hợp với chế độ sấy củamỗi vùng.

Vùng đáy tháp là vùng làm nguội.

Hệ thống sấy tháp có thể sấy liên tục với năng suất cao Vật liệu chảy liên tục từtrên xuống dưới tác dụng của trọng lực bản thân Vì vậy trong quá trình sấy vật liệusấy được xáo chộn đều cùng với tác nhân sấy nên sản phẩm được sấy đồng đều.Nhưngthiết bị này chỉ phù hợp sấy các loại vật liệu dạng hạt nên không dùng để sấy hành.

2.6.4 Thiết bị sấy thùng quay

Quá trình sấy trong máy sấy thùng quay cũng là sấy đối lưu Sấy thùng quay đượcáp dụng rộng rãi để sấy các vật ẩm dạng hạt,mảnh vụn có kích thước nhỏ như đậuđỗ, cà phê, ngô hạt, đường kính, muối ăn, củ cắt nhỏ, gỗ mảnh, cát Máy sấy thùngquay có những ưu điểm lớn như làm việc ổn định, năng suất cao, rất kinh tế.

Hình 2.4 Thiết bị sấy thùng quay

Bên trong thùng sấy có các cánh đảo trộn Vật ẩm được nạp vào đầu cao, sản phẩmlấy ra ở đầu thấp của thùng Tác nhân sấy có thể là không khí được đốt nóng nhờcalorife, khói lò Chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùng chiều, ngượcchiều hoặc cắt ngang dòng vật sấy.

- Các cánh đảo: đối với vật sấy có kích thước lớn, dễ bám dính vào thùng thìdùng cánh nâng vật sấy lên cao rồi đổ xuống tạo mưa hạt Đối với vật sấycókích thước nhỏ hơn, dễ chảy thì dùng dạng cánh phân phối Vật sấy có kíchthước lớn hơn và khối lượng riêng lớn thì dùng cánh hình quạt, cánh đảo trộndùng cho vật sấy có kích thước nhỏ như bột.

- Bộ phận bịt kín ở đầu và cuối thùng quay có nhiêm vụ bịt kín khe hở giữa thùngquay và bộ phận đứng yên ở 2 đầu thùng nhằm chống lại sự xâm nhập củakhông khí khi áp suất trong thùng nhỏ hơn áp suất khí quyển và không chotác nhân sấy xì ra ngoài khi áo suất trong thùng lớn hơn áp suất khí quyển.- Hệ thống quạt vận chuyển tác nhân có nhiệm vụ tạo ra dòng chảy của tác

nhân sấy có lưu lượng đúng như yêu cầu Thông thường chọn dòng chảy củatác nhân sấy có chiều ngược với dòng vật sấy vì như vậy các hạt vật sây nhỏvà bụi không bị cuôn theo nhiều.

- Hệ thống dẫn động quay cho thùng sấy Trong lượng thùng quay gồm trọnglượng thùng (vỏ + các cánh đảo), trọng lượng vật sấy Mômen cản quay gồmmômen do trọng lượng của khối vật sấy bị nâng lên, do lực ma sát của cáccon lăn đỡ, con lăn chặn ma sát giữa cặp bánh răng bị dẫn lắp bên ngoàithùng và bánh răng dẫn nhận truyền động từ hộp giảm tốc Công suất động cơphải thắng được các mômen cản quay của thùng sấy và mômen cản do ma sátcủa gối đỡ bánh răng dẫn, bù tổn thất do hộp giảm tốc và truyền động gâylên.

Hệ thống sấy thùng quay có ưu điểm là xáo chộn đồng đều hơn nhiều so với hệthống sấy tháp do có cánh đảo trộn được dẫn động nhờ một động cơ quay Nhưngcũng điều này mà nó chỉ hiệu quả khi sấy ới năng suất trung bình còn khi sấy vớinăng suất lớn thì việc dẫn động cho thùng quay cũng đòi hỏi tốn kém và phức tạp.

2.6.5 Thiết bị sấy tầng sôi

Hình 2.5 Thiết bị sấy tầng sôi

Máy sấy tầng sôi được áp dụng rất rộng rãi để sấy các vật sấy dạng hạt, bột nhão,dung dich…Các hệ thống máy sấy tầng sôi có cấu tạo đơn giản, làm việc lien tụchoặc gián đoạn, cường độ sấy cao hơn hẳn so với sấy tháp và sấy thùng quay, thờigian sấy ngắn, sản phẩm khô đều và chất lượng tốt.

- Nhược điểm của máy sấy tầng sôi là phải tạo ra tốc độ tác nhân sấy đủ lớn đểduy trì quá trình sôi làm tăng chi phí năng lượng cho quạt Tác nhân sấy phảiđược cấp đều trên toàn diện tích lưới (ghi ), nếu không thì chế độ sôi bị phávỡ.

- Nếu trong buồng sấy có nhiều tầng sôi gọi là buồng sấy nhiều tầng sôi Quátrình sôi ở các tầng là như nhau, nhưng nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấycho mỗi tầng thường khác nhau Nhờ các ống chảy truyền, độ dốc của ghi màvật sấy từ cửa nạp lần lượt chảy qua các tầng sôi, khi đã đạt độ khô thì chảyra ngoài Buồng sấy nhiều tầng sôi cho phép điều chỉnh chế độ sấy cho phùhợp với độ ẩm của vật sấy nên thường dùng để sấy các vật sấy có lượng ẩmliên kết cao, sản phẩm khô đồng đều Cường độ sấy trong buồng sấy nhiềutầng sôi cao hơn buồng có một tầng sôi.

- Bộ phận quan trọng của máy sấy tầng sôi là lưới(ghi)phân phối gió Để cóquá trình sôi đồng đều trên toàn diện tích ghi thì áp suất tác nhân sấy phía

Trong hệ thống sấy tầng sôi vật liệu sấy luôn được xáo chộn Quá trình sấy liên tụcdo vật liệu khô nhẹ sẽ ở phần trên của lớp sôi và được lấy ra khỏi thiết bị sấy Trong hệ thống sấy tầng sôi, truyền nhiệt và ẩm giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy rất tốt nêntrong các hệ thống sấy hiên có thì sấy tầng sôi có năng suất lớn, thời gian sấy nhanhvà vật liệu sấy được rất đều nhưng chi phí sử dụng cao.

2.6.2 Thiết bị sấy phun

Hệ thống sấy phun dùng để sấy các dung dịch, huyền phù, kem phân tán.

Hình 2.6 Thiết bị sấy phun

- Trong công nghiệp thực phẩm, hệ thống sấy phun dùng để sấy dung dịch sữađã tách bơ thành sữa bột, lòng đỏ trứng gà, cà phê hòa tan, nước quả ép, nấmmen, vitamin,…

- Hệ thống sấy phun gồm có buồng sấy phun, bộ phận nạp liệu là những vòihoặc cơ cấu phun, hệ thống quạt, calorife để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, bộphận thu hồi sản phẩm Nhờ các bộ phận phun mà nguyên liệu sấy được phunthành những hạt rất nhỏ vào dòng tác nhân sấy đi trong buồng sấy làm tăngsự tiếp xúc giữa 2 pha Nhờ vậy mà cường độ sấy rất cao, thời gian sấy ngắn,sử dụng tác nhân sấy có nhiệt độ cao Sản phẩm sấy phun có chất lượng cao.Hệ thống sấy phun có những nhược điểm: lưu lượng tác nhân lớn, tốn kém trongkhâu chuẩn bị dung dịch, hệ thống sấy phun có giá thành cao, hệ thống kích thướclớn.

2.6.6 Thiết bị sấy khí động

Thường dùng để sấy các vật liệu dạng hạt bé, nhẹ, xốp như than, cám, cỏ, hoặc raubăm nhỏ, các tinh thể…

- Tác nhân sấy chủ yếu là không khí nóng hoặc khói lò.

- Phần chính là một ống thẳng, vật liệu sấy được không khí nóng hoặc khói lòcuốn từ dưới lên trên và dọc theo ống.

- Tốc độ tác nhân phụ thuộc vào chủng loại vật liệu sấy, kích thước, khối lượng

riêng của hạt, có thể đạt tới 10 - 40 mm/seek.

Nhược điểm: tiêu tốn năng lượng lớn, nhất là điện dùng cho quạt, điều kiện vệsinh công nghiệp khó.

Hình 2.7 Máy sấy kiểu khí động

2.7 Phương pháp thực hiện

Để nâng cao giá trị sử dụng nhiều mặt của cà phê thì các công đoạn sau thuhoạch như làm khô, bảo quản và chế biến nhằm làm giảm tổn thất cũng như duy trìchất lượng tiêu là việc làm vô cùng quan trọng và cần thiết.

Mục tiêu của bảo quản: giữ được đến mức tối đa số lượng và chất lượng củađối tượng bảo quản trong suốt quá trình bảo quản Cà phê hạt trong điều kiện bảoquản không tốt (tiêu chưa chín già, phơi chưa thật khô, dụng cụ chứa đựng khôngkín )thì chim, chuột, mốc, mọt có thể phá hỏng hoàn toàn cả kho tiêu trong vòngvài ba tháng Vì vậy cần làm cà phê khô đến độ ẩm 9% - 12,5% để có thể bảo quảnan toàn, đảm bảo chất lượng.

Có thể làm khô tiêu bằng hai cách: Phơi nắng hoặc sấy Tuy nhiên, phơi nắnglàm khô dưới tác dụng nhiệt của mặt trời không đảm bảo khối nguyên liệu được làmkhô đồng đều đến độ ẩm theo yêu cầu, việc sử dụng phương pháp sấy sẽ giải quyếtđược vấn đề này, không những thế còn tiết kiệm thời gian và sức lao động Để thựchiện quá trình sấy có thể sử dụng nhiều hệ thống như buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy,thùng sấy…Mỗi hệ thống đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khácnhau Chế độ sấy có ảnh hưởng rất lớn chất lượng sản phẩm vì sấy là quá trình traođổi nhiệt và trao đổi chất phức tạp và không những làm thay đổi cấu trúc vật lý màcòn cả thành phần hóa học của nguyện liệu Để sấy cà phê là nông sản dạng hạt,người ta thường dùng thiết bị sấy tháp hoặc sấy thùng quay.

Hệ thống sấy thùng quay là một hệ thống sấy đối lưu Cấu tạo chính là mộtthùng sấy hình trụ tròn được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang một khoảng 1÷5độ Có hai vành đai trượt trên các con lăn đỡ khi thùng quay Khoảng cách giữa các

với tốc độ 0,5÷8 vòng/phút nhờ một động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc Bêntrong 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 ở áp suấtkhí quyển Tác nhân sấy có thể là không khí sạch hay khói lò Tác nhân sấy và vậtliệu sấy có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều Vận tốc của tác nhân sấyđi trong thùng không quá 3 m/s để tránh vật liệu bị cuốn nhanh ra khỏi thùng.

Tác nhân sấy sử dụng cho quá trình sấy có thể là không khí nóng hoặc khóilò Quá trình sấy cà phê đòi hỏi đảm bảo tính vệ sinh an toàn cho thực phẩm nên ởđây ta chọn tác nhân sấy là không khí, được đun nóng bởi caloriphe, nhiệt cung cấpcho không khí trong caloriphe là từ lò hơi Nhiệt độ tác nhân sấy phụ thuộc vào bảncủa hạt nhân Cà phê được sấy liên tục với tác nhân là không khí nóng Dựa vàotính chất vật liệu của cà phê nên ta chọn phương thức sấy cùng chiều vì tốc độ sấyban đầu cao, sản phẩm ít bị biến tính, giảm nguy cơ hư hỏng do vi sinh vật, tránh sấyquá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấy như sấy ngược chiều Mặt khác,với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao lắm thì khi sấy cùng chiều vật liệu sấyvà tác nhân sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn Sau khi sấy, càphê được tháo ra qua cửa tháo sản phẩm, còn tác nhân sấy sẽ đi qua ống thải khí vàthải khí ra ngoài môi trường.

Để giảm thời gian sấy ta phải tăng tốc độ tác nhân sấy bằng hệ thống quạt lytâm hay hướng trục Dựa vào nguyên liệu là cà phê ta chọn chế độ sấy cùng chiều vìphương pháp này có cường độ cao, thời gian sấy giảm, sản phẩm ra khỏi hầm đãnguội, kinh tế hơn, áp dụng cho các sản phẩm không cần để ý tới cong vênh, nứt nẻ,còn sấy ngược chiều thì thành phẩm phải có chất lương cao nhưng không đượckhông cong vênh và nứt nẻ.

Các cánh trộn trong thùng chứa có tác dụng phân phối đều cho vật liệu theotiết diện thùng, đảo trộn vật liệu để tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tácnhân sấy, cấu tạo của cánh trộn phụ thuộc vào kích thước vật liệu sấy và độ ẩm củanó.

Các loại cánh đảo phổ biến như:

- Cánh đảo nâng, đổ: dùng để sấy vật liệu có kích thước lớn, dễ bám dính vàothùng thì dùng cánh nâng vật sấy lên cao rồi đổ xuống tạo mưa hạt.

- Cánh đảo phân chia (phân phối): dùng với vật sấy có kích thước nhỏ hơn, dễchảy.

- Cánh đảo hình quạt: được dùng cho trường hợp vật sấy có kích thước lớn vàcó trọng lượng riêng lớn.

- Cánh đảo trộn: dùng cho vật sấy có kích thước nhỏ như bột.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Vật liệu sấy là cà phê, có các thông số vật lý cơ bản như sau: Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy : 1 =50%

 Độ ẩm cuối của vật liệu sấy: 2 =12,5%

 Khối lượng riêng của hạt vật liệu: r = 1000-1300 kg/m3 (phụ lục 4/330-[3]) Khối lượng riêng khối hạt: r = 560-748 kg/m3 (phụ lục 4/230-[3])

 Đường kính tương đương: dtđ =10mm

 Nhiệt độ của vật liệu trước khi vào thiết bị sấy: tv1 = 26oC Nhiệt độ của vật liệu sau khi ra khỏi thiết bị sấy: tv2 = 30oC Nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào thiết bị sấy: t1 = 80oC Nhiệt độ của tác nhân sấy sau khi ra thiết bị sấy: t2 = 35oC Năng suất của quá trình sấy: G2 = 240 kg/h

 Nhiệt dung riêng của vật kiêu khô: Ck = 1.2 – 1.7 kJ/kg (Trang 20- [2])Chọn Cvk=1,54912kJ/kg.K

3.1 Các thông số tác nhân sấy và công thức sử dụng

Ta kí hiệu các đại lượng như sau:

G1,G2:Lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi mấy sấy (kg/h).

1,2: Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy tính theo % khối lượng vật liệu ướt W:Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy (kg/h).

Gk:Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua mấy sấy (kg/h)d0:Hàm ẩm của không khí ngoài trời(kg ẩm/kg kkk)

d1:Hàm ẩm của không khí trước khi vào buồng sấy (kg ẩm/kg kkk)d2: Hàm ẩm của không khí sau khi sấy (kg ẩm/kg kkk)

Dùng tác nhân sấy là không khí

 Áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm theo nhiệt độ: pb=exp(12− 4026,42

235,5+toC) [bar] (CT 2.11/14-[1]) Độ chứa ẩm d

d=0,621ϕ pb

B−ϕ pb [kg/kgkkk] (CT 2.15/15-[1])Với B: áp suất khí trời B =745mmHg = 745750 bar

 Enthapy của không khí ẩm

I=Cpk t+d(r+Cpa t)=1,004 t+d (2500+1,842.t) [kj/kgkkk]

(CT 2.17/15-[1])