Đồ Án Sấy Cà Phê Nhân Bằng Thiết Bị Sấy Thùng Quay Năng Suất 2000 Kg Khô.H (Kèm Bản Vẽ)

Do đặc thù của cà phê nhân khi sấy phải giữ được mùi thơm và màu sắcđặc trưng nên ta có thể dùng các thiết bị sấy như: sấy tháp, thùng quay, sấyhầm.v.v… Trong đồ án này em có nhiệm vụ sấ

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

Nhiệm vụ: Sấy cà phê nhân 2000 kg khô/h

Thiết bị sấy thùng quay

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CƯÚ TÍNH CHẤT CỦA CÀ PHÊ NHÂN.

1.1.Đặc tính chung của cà phê:

1.1.1 Cấu tạo giải phẫu quả cà phê

1.1.2 Cấu tạo của nhân cà phê.

1.1.3 Thành phần hóa học của nhân cà phê

1.1.4 Tính chất vật lý của cà phê nhân

1.2 Quy trình sản xuất cà phê:

1.2.1 Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê

1.2.2 Dây chuyền sản suất cà phê nhân (phương pháp khô)

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY.

2.1 Chọn phương pháp sấy

2.1.1 Chọn thiết bị sấy

2.1.2 Giới thiệu phương pháp sấy đối lưu

2.1.3 Chọn tác nhân sấy chế độ sấy

2.1.4 Chọn thời gian sấy 

2.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết:

2.2.1 Tính toán trạng thái không khí bên ngoài

2.2.2 Tính toán trạng thái không khí vào thùng sấy

2.2.3 Xác định nhiệt độ TNS ra khỏi thùng sấy t2

2.2.4 Tính toán lượng tiêu hao TNS

2.2.5 Tính toán lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy lý thuyết.2.3.Xác định kích thước thùng sấy

2.3.1 Lượng ẩm bốc ra trong quá trình sấy

2.3.2 Tính kích thước của thùng sấy (V, D, L)

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY.

3.3.4 Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực

3.3.5 Kiểm tra lại giả thiết về tốc độ sấy

3.3.6 Lập bảng cân bằng nhiệt

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật sấy là một ngành khoa học phát triển mãi từ những năm 50 đến

60 ở các Viện và các trường đại học trên thế giới chủ yếu giải quyết nhữngvấn đề kỹ thuật sấy các vật liệu cho công nghiệp và nông nghiệp

Trong những năm 70 trở lại đây người ta đã đưa kỹ nghệ sấy các nông sảnthành những sản phẩm khô, không những kéo dài thời gian bảo quản mà cònlàm phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm như: trái cây, cà phê, sữa, bột,

cá khô, thịt khô Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc nghiên cứu côngnghệ sấy để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp phơi sấy đểtiết kiệm năng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy phù hợp vớitừng loại nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất Đặc biệt là sấy càphê nhân, đó là thành phẩm để chế biến cà phê bột, cà phê sữa, các loại bánhcao cấp.v…v

Do đặc thù của cà phê nhân khi sấy phải giữ được mùi thơm và màu sắcđặc trưng nên ta có thể dùng các thiết bị sấy như: sấy tháp, thùng quay, sấyhầm.v.v…

Trong đồ án này em có nhiệm vụ sấy cà phê nhân bằng thiết bị sấy thùngquay với năng suất 2000 kg khô/h

Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy mang tínhchất đào sâu chuyên ngành, do kiến thức và tài liệu tham khảo còn hạn chếnên em không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế Em xin chân

thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GVC.TS Trần Văn Vang

để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

Chương 1:

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SẤY

1.1.1 Cấu tạo giải phẫu của quả cà phê:

Quả cà phê gồm có những phần sau : lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp

vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là vỏ “trấu” tức là nội

bì Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ dập vỡ hơn là cà phê vối và cà phêmít

+ Xát cà phê thóc còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa, chúng cómàu sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè cómàu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ

cà phê vối có màu nâu nhạt Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vàonhân cà phê

+ Trong cùng là nhân cà phê Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng cónhững tế bào nhỏ, trong có chứa những chất dầu Phía trong có những tế bàolớn và mềm hơn Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân Thông thườngthì chỉ có 2 nhân

Bảng tỷ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê (tính theo % quả tươi):

Bao gồm: + Phôi

+ Mô dinh dưỡng

1.1.3 Thành phần hóa học của nhân cà phê:

Bảng thành phần hóa học của nhân cà phê:

1.1.4 Tính chất vật lý của cà phê nhân:

Cà phê nhân được bóc ra từ cà phê thóc Cà phê nhân có hinh dáng bầudục,có chiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng 0,5cm

- Khối lượng riêng: = 650 kg/m3

- Nhiệt dung riêng: c= 0,37 kcal/kg 0C

- w1 = 20 %, w2 = 12 %

- Nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép của cà phê nhân:

tb h

t

w



63 , 0 37 , 0

5 , 23 ln

343 , 4 218

5 , 23 3

1 ln 343 , 4 218 ,

1.2 QUY TRÌNH SẢN SUẤT CÀ PHÊ NHÂN:

1.2.1 Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê nhân:

Sản xuất cà phê nhân nhằm mục đích loại bỏ các lớp bao vỏ bọc quanhhạt nhân cà phê để thu được cà phê nhân Để cà phê nhân sống có một giá trịthương phẩm cao chúng ta phải sấy khô đến mức độ nhất định (độ ẩm mà nhàchế biến yêu cầu) Rồi sau đó tiếp tục các quá trình chế biến tinh khiết hơnnhư chế biến cà phê rang, cà phê bột thô, cà phê hòa tan Hoặc các sản phẩmkhác có phối chế như: cà phê sữa, các loại bánh kẹo cà phê

Trong kỹ thuật sản xuất cà phê nhân có 2 phương pháp chính :

- Phương pháp sản xuất ướt

- Phương pháp sản xuất khô

+ Phương pháp sản xuất ướt : gồm 2 giai đoạn chính:

- Giai đoạn xát tươi và phơi sấy loại bỏ các lớp vỏ, thịt và các chấtnhờn bên ngoài và phơi sấy khô đến mức độ nhất định

- Giai đoạn xay xát, loại bỏ các lớp vỏ trấu và một phần vỏ lụa, tạothành cà phê nhân

+ Phương pháp sản xuất khô: chỉ có một giai đoạn chính là sau khi phơiquả cà phê đến mức độ nhất định dùng máy xát khô loại bỏ các lớp vỏ baobọc nhân, không cần qua giai đoạn sản xuất cà phê thóc

So sánh 2 phương pháp ta thấy:

Phương pháp chế biến khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng, nhân côngnhưng phương pháp này có nhiều hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời

tiết Nó chỉ phù hợp với nơi có điều kiện khí hậu nắng nhiều mưa ít, khôngđáp ứng được những yêu cầu về mặt chất lượng

Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị và nănglượng hơn, đồng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kỹthuật cao hơn Nhưng phương pháp này thích hợp với mọi hoàn cảnh, mọiđiều kiện khí hậu thời tiết Đồng thời rút ngắn được thời gian sản xuất, tăngnăng suất của nhà máy và nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê nhân

Hiện nay ở nước ta, các nhà máy, xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủyếu sử dụng phương pháp khô (phương pháp cổ điển)

1.2.1 Dây chuyền sản suất cà phê nhân (phương pháp khô)

Thu nhận và bảo quản quả cà phêSàng phân loại và làm sạch

Xát tươiRửaLàm ráo

Sấy

Xát khôThu được cà phê nhân

Đóng bao đưa vào bảo quản

2.1.2 Giới thiệu phương pháp sấy nóng:

Để sấy cà phê nhân, dùng phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy nóngnên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất trong tác nhân sấy giảm.Mặt khác nhiệt độ vật liệu sấy tăng nên mật độ hơi trong các mao dẫn tănglên do đó phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật sấy cũng tăng theo Nghĩa là

ở đây có sự chênh lệch phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy và môi trườngnhờ đó mà có sự dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đivào môi trường

Có 2 cách để tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy vàmôi trường

+ Giảm phân áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng nó.+ Tăng phân áp suất hơi nước trong vất liệu sấy

Ở thiết bị sấy thùng quay các giai đoạn của quá trình sấy phân bố ổn địnhtheo chiều dài thùng Trong thùng sấy, hạt cà phê nhân được nâng lên đến độcao nhất định, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tácnhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm.Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiềudài thùng Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cầnthiết cho quá trình bảo quản là 12%

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị:

2.1.3 Chọn tác nhân sấy và sấy chế độ sấy:

+ Chọn tác nhân sấy:

Đối với cà phê nhân (chỉ còn có lớp lụa bên ngoài) nên trong quá trình sấyyêu cầu sạch không bị ô nhiễm, bám bụi và yêu cầu nhiệt độ sấy không caonên ta chọn tác nhân sấy là không khí nóng

+ Chọn chế độ sấy:

Thông thường, chế độ sấy trong hệ thống sấy thùng quay được hiểu là baogồm ba yếu tố: nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng sấy t1 và nhiệt độ ra khỏithùng sấy t2, không có hồi lưu, hạt cà phê nhân được nâng lên đến độ caonhất định, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhânsấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm.Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thùng t2 được chọn sao cho tổn thất do tác nhânsấy mang đi là nhỏ nhất Tốc độ tác nhân sấy đi trong thùng sẽ được quyếtđịnh sơ bộ sau tính toán lưu lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết,chọn tiết diện thùng sấy Tốc độ được chọn sơ bộ này sẽ được kiểm tra lạisau khi tính toán xong quá trình sấy thực

Chọn chế độ sấy căn cứ vào 2 tiêu chí, một là sự làm việc của thiết bị và hai

là căn cứ vào vật liệu sấy

Đối với vật liệu sấy là cà phê nhân cần có một chế độ sấy thích hợp để đảmbảo giữ được các tính chất về hương vị, màu sắc, và các thành phần có tronghạt nên ta chọn thông số của tác nhân sấy như sau:

Thông số tác nhân sấy:

+ Nhiệt độ vào: t1 = 80 0C+ Nhiệt độ ra: t2= th+(5÷10) 0C, với th là nhiệt độ đốt nóngcho phép của cà phê nhân

Thông số của vật liệu sấy:

+ Nhiệt độ vật liệu vào: tv1=t0= 23,30C, độ ẩm không khí0

 =82 % (t0 =23,3 0C và  0= 82%, áp suất khí quyển p= 757 mmHg là khíhậu ở Đak Lak)

+ Độ ẩm ban đầu của vật liệu: W1 = 20 %+ Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy: W2 = 12 %Gầu tải đưa vật liệu lên phễu chứa Thông qua đĩa phân phối, vật liệu sấyđược đưa vào thùng sấy có khối lượng bằng một mẻ sấy

0Quạt(23,3 C,82 %)

2.1.4 Chọn thời gian sấy:

Việc xác định thời gan sấy đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết

kế và vận hành thiết bị sấy Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy phụthuộc vào nhiều yếu tố: loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học củavật liệu, độ ẩm đầu và cuối của vật liệu, loại thiết bị sấy, phương pháp cungcấp nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối và tốc độ tác nhân sấy)

Phương pháp xác đinh thời gian sấy bằng giải tích khó thực hiện được

và có độ chính xác thấp - Thực tế thường chọn theo thực nghiệm đối với càphê nhân với thiết bị sấy thùng quay:

Ta chọn thời gian sấy là :  = 20 phút

2.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết:

Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thị I-d (hình vẽ)

d2

d0 = d1

t2

(g/kgkkk) (kJ/kgkkk)

+ Điểm O(t0, 0) là trạng thái không khí bên ngoài

+ Điểm 1(t1, 1) là trạng thái không khí vào buồng sấy

+ Điểm 2(t2, 2) là trạng thái không khí sau quá trình sấy lýthuyết

2.2.1 Tính toán trạng thái không khí bên ngoài:

Vì không khí bên ngoài lấy vào thiết bị sấy là không khí trong phân xưởngnên thường cao hơn và ổn định hơn so với trạng thái không khí bên ngoài ỞViệt Nam chưa có nghiên cứu sâu về vấn đề này vì vậy có thể chọn t0 =23,3

0C và  0= 82%, áp suất khí quyển p= 757 mmHg là khí hậu ở Đak Lak

Từ đó ta có: 0 0

0 0 0

622

bh

bh p p

p d

3,235,235

42,402612

()5,235

42,402612

757

0285 , 0 82 , 0

02850 ,

0 82 , 0 996 , 0 ) 273

2.2.2 Tính toán trạng thái không khí vào buồng sấy:

- Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ:

2002

,01

12,02,0.2000

2 1

t

w



63 , 0 37 , 0

5 , 23 ln

343 , 4 218

5 , 23 3

1 ln 343 , 4 218

2.2.3 Xác định nhiệt độ TNS ra khỏi thùng sấy t 2 :

Khi tính toán nhiệt độ t1 chúng ta đã chọn trước t"100C Như vậy, chúng

ta chọn nhiệt độ t2 với điều kiện t2 t h 10 hay t 0C

2 70 Để đảm bảotính kinh tế chúng ta sẽ chọn t2 sao cho độ ẩm tương đối không quá bé nhưngcũng không quá gần trạng thái bão hòa, chẳng hạn chọn 2 (705)% Tuy

nhiên, khi đó theo các công thức b

a b

p a



621,0

., phân

áp suất hơi nước pa trong TNS sẽ tăng, do đó cường độ sấy sẽ giảm Nếuchọn t2 bằng nhiệt độ cho phép, nghĩa là:

t2= tv2+ 10= th+ 10= 60+10= 70 oC

Khi đó ta có:

- Lượng chứa ẩm của tác nhân sau quá trình sấy lý thuyết d20:

Từ đặc điểm quá trình sấy lý thuyết là I= const ta có thể tính được d20 theocông thức:

Ở trên ta đã có: t1= 800C  pbh1=0,4667 bar

Do sấy lý thuyết nên d1=d0=0,01495 kg/kgkkk

%00,54667,0)

01495,

0621,0(

01495,

0.750

757)

d B



I1=t1+d1.(2500+1,97t1) =80+ 0,01495.(2500+1,97.80) =119,73 kJ/kgkkk

018746,

070.97,12500

70.004,173,119

2

2 1

70 5 , 235

42 , 4026 12

exp 5

, 235

42 , 4026 12

0621,0.(

30735,

0

018746,

0.750

757)

621,0

(

20 2

d B b



Như vậy, với nhiệt độ t2= 70 0C độ ẩm tương đối của TNS 20 ra khỏi thùng

sấy còn quá bé so với điều kiện kinh tế Ta chọn lại t2= 39 0C Với nhiệt độđược chọn lại chúng ta tính được:

ph= f(t,w) Chính độ chênh (ph- pa) quyết định cường độ sấy ở phần cuối củathùng sấy Do đó nhiệt độ t2 không những phải đảm bảo tính kinh tế về mặttiết kiệm nhiệt lượng như trên mà còn phải đảm bảo độ chênh (ph- pa) đủ lớn

2.2.4 Lượng TNS lý thuyết cần thiết:

275,6101495,

003127,

0

11

1 20

Dựa và phụ lục 5(Tr.349_Tính toán thiết kế hệ thống sấy), dùng phươngpháp nội suy hai chiều ta tính được thể tích khói ẩm chứa một kg khói khôtrước và sau quá trình sấy lý thuyết tương ứng, từ  t1, 1=(80oC;5%) ta có

2.2.5 Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy lý thuyết:

+ Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1 kg ẩm bão hoà

q=l0(I1-I0)=61,275.(119,73- 61,3612)=3576,55 kJ/kgẩm+ Lượng nhiệt tiêu tốn cho cả quá trình sấy:

Q=q.W=3576,55.200=715310 (kJ/h) =198,7 kW

Các dữ liệu ban đầu

+ Năng suất thiết bị G2=2000 kgkhô/h+ Độ ẩm ban đầu của vật sấy W1=20%

+ Độ ẩm cuối của vật sấy W2=12%

2.3.1 Lượng ẩm bốc ra trong quá trình sấy:

W=G2

1

2 1

100 w

w w

 = (0,20,3) : hệ số điền đầy, chọn  = 0,25

 : Khối lượng riêng của vật liệu sấy, [kg/m3]

Vậy : V 6502200.0,25.20.60= 4,513 m3

+ Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy:

Chúng ta chọn tỷ số: L/D = 3,5 hay L= 3,5D Khi đó đường kính thùng sấyđược xác định bởi đẳng thức:

4

14 , 3 5 , 3 4

5 , 3 4

513 , 4 4

5

,

3

4

3.2 Tính tổn thất nhiệt:

3.2.1 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra ngoài:

Nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy:

Cv2 = Cvk.(1-w2) + Ca.w2 , [kJ/kg.K]

Trong đó:

Cv2- Là nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy

Ca- Là nhiệt dung riêng của nước

Cvk- Là nhiệt dung riêng của cà phê khô

3.2.2.Tổn thất nhiệt ra môi trường:

Giả thiết tốc độ tác nhân sấy (TNS) trong thùng sấy.Cũng như hệ

thống sấy hầm, để tính tổn thất ra môi trường chúng ta phải giả thiết tốc độTNS w(m/s) Sau khi tính toán xong lượng TNS thực chúng ta sẽ kiểm tra lạigiả thiết này Cơ sở để giả thiết tốc độ TNS trong thiết bị sấy thực tế là tốc độ

lý thuyết wo, [m/s] Tốc độ này chính là tỉ số giữa lưu lượng thể tích trungbình Vtbo và tiết diện tự do của thùng sấy Chúng ta đã chọn hệ số điền đầy 

= 0,25, do đó tiết diện tự do của thùng sấy có thể tính gần đúng bằng:

Ftd=(1-  ).Fts=

4

).

25 , 0 1 (   D2

=

4

) 2 , 1 (

14 , 3 75 ,

69 , 3

Như vậy các dữ liệu để tính mật độ dòng nhiệt gồm:

- Nhiệt độ dịch thể nóng trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình củaTNS vào và ra khỏi thùng sấy:

tf1= 0,5.(t1+ t2)= 0,5.(80+ 39)= 59,5 oC

- Nhiệt độ dịch thể lạnh Nhiệt độ này chính là nhiệt độ môi trường:

tf2= to= 23,3 oC

- Thùng sấy làm bằng thép có chiều dày  = 3 mm và ta có hệ số dẫn nhiệt

= 71,58 W/mK Như vậy thùng sấy có đường kính D2/D1= 1,203/1,2 Do

đó, kết cấu thùng sấy thõa mãn quan hệ D2/D1< 2 nên có thể xem trao đổinhiệt đối lưu giữa TNS với môi trường qua vách phẳng

- Phía trong thùng sấy là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ tác nhângiả thiết bằng w= 4,5 m/s Khi đó hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bứcgiữa TNS với bề mặt trong của thùng sấy tính theo công thức (7.46) (Tr.144-TTTKHTS):

tw2 là nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy, nhiệt độ này chưa biết

- Như vậy mật độ dòng nhiệt sẽ phải thõa mãn đẵng thức q1= q2= q3

) (t f1 t f2

k

q 

Trong đó: k là hệ số truyền nhiệt và bằng:

2 1

1 1