đồ án sấy cà phê với dung tích 2350 kg mẻ

Do đặc thù của cà phê nhân khi sấy phải giữ được mùi thơm và màu sắc đặctrưng 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 Tài

Nhóm 3: Thiết kế hệ thống sấy cà phê nhân năng suất (750+n*50) kg/mẻ

với n=32.=> G2=2350 kg/mẻ

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

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

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật sấy là một ngành khoa học phát triển mãi từ những năm 50 đến 60 ởcác Viện và các trường đại học trên thế giới chủ yếu giải quyết những vấn đề kỹthuật 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 còn làmphong 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 công nghệ sấy

để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp phơi sấy để tiết kiệmnăng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy phù hợp với từng loạinguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất Đặc biệt là sấy cà phê nhân, đó

là thành phẩm để chế biến cà phê bột, cà phê sữa, các loại bánh cao cấp.v…v

Do đặc thù của cà phê nhân khi sấy phải giữ được mùi thơm và màu sắc đặctrưng 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 2350 kg khô/mẻ

Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy mang tính chấtđào sâu chuyên ngành, do kiến thức và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên emkhông 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 GV.Th.S Nguyễn Đức Nam 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 vỏlụa, nhân

+ Lớp vỏ quả : là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ của cà phêchè (arabica) mềm hơn cà phê vối (canephora) và cà phê mít (excelsa)

+ Dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt, gọi là trung bì, vỏ thịt cà phê chè mềm,chứa nhiều chất ngọt, dễ xay xát hơn Vỏ cà phê mít cứng và dày hơn

+ Hạt cà phê sau khi loại các chất nhờn và phôi khô gọi là cà phê thóc, vìbao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là vỏ “trấu” tức là nội bì Vỏtrấu của cà phê chè mỏng và dễ dập vỡ hơn là cà phê vối và cà phê mít

+ Xát cà phê thóc còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa, chúng có màusắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè có màu trắngbạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ cà phê vối cómàu nâu nhạt Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân 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 bào lớn

và mềm hơn Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân Thông thường thì chỉ

có 2 nhân

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

Các loại vỏ và nhân Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)

- Nhân và vỏ lụa 26 - 30 26 - 29

1.1.2 Cấu tạo của nhân cà phê:

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:

- Mangan 1 - 45

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 bầu dục,cóchiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng 0,5cm

- Khối lượng riêng: = 650 kg/m3

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

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 hơn nhưchế biến cà phê rang, cà phê bột thô, cà phê hòa tan Hoặc các sản phẩm khác cóphối 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 chất nhờnbên 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, tạo thành

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 bao bọcnhân, không cần qua giai đoạn sản xuất cà phê thóc

Hiện nay ở nước ta, các nhà máy, xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủ yếu

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 phê

Sàng phân loại và làm sạch

Xát tươi

Rửa

Làm ráo

2.1.2 Giới thiệu phương pháp sấy nóng:

Để sấy cà phê nhân, dùng phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy nóng nên

độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất trong tác nhân sấy giảm Mặt khácnhiệt độ vật liệu sấy tăng nên mật độ hơi trong các mao dẫn tăng lên do đó phân

áp suất hơi nước trên bề mặt vật sấy cũng tăng theo Nghĩa là ở đây có sự chênhlệch phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy và môi trường nhờ đó mà có sự dịchchuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường

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

+ 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 định theochiều dài thùng Trong thùng sấy, hạt cà phê nhân được nâng lên đến độ cao nhấtđịnh, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy,thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độnghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng.Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quátrình bảo quản là 12%

Thùng sấy

Lò hơi

t 2

1

t

Thải21

0Quạt(23,3 C,82 %)

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 sấy yêucầu sạch không bị ô nhiễm, bám bụi và yêu cầu nhiệt độ sấy không cao nên tachọn 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 bao gồm

ba yếu tố: nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng sấy t1 và nhiệt độ ra khỏi thùng sấy t2,không có hồi lưu, hạt cà phê nhân được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đórơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện cácquá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhiệt độ tác nhân sấy rakhỏi thùng t2 được chọn sao cho tổn thất do tác nhân sấy mang đi là nhỏ nhất.Tốc độ tác nhân sấy đi trong thùng sẽ được quyết định sơ bộ sau tính toán lưulượng tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết, chọn tiết diện thùng sấy Tốc độđược chọn sơ bộ này sẽ được kiểm tra lại sau khi tính toán xong quá trình sấythực

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

Đối với vật liệu sấy là cà phê nhân cần có một chế độ sấy thích hợp để đảm bảogiữ được các tính chất về hương vị, màu sắc, và các thành phần có trong hạt 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 khí =82

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

+ 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 sấy đượcđưa vào thùng sấy có khối lượng bằng một mẻ sấy

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 phụ thuộc vàonhiều yếu tố: loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học của vật liệu, độ

ẩm đầu và cuối của vật liệu, loại thiết bị sấy, phương pháp cung cấp 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 cà phênhân với thiết bị sấy thùng quay:

Ta chọn thời gian sấy là :  = 5h thì xong 1 mẻ

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)

d0 = d

t

(g/kgkkk) (kJ/kgkkk)

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

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

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

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 xưởng nênthường cao hơn và ổn định hơn so với trạng thái không khí bên ngoài Ở ViệtNam 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

0 0 0

622

bh

bh

p p

p d

3,235,235

42,402612

()5,235

42,402612

- Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ:

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 tachọn nhiệt độ t2 với điều kiện t2 t h 10 hay t

2 0C Để đảm bảo tính kinh tếchúng ta sẽ chọn t2 sao cho độ ẩm tương đối không quá bé nhưng cũng khôngquá gần trạng thái bão hòa, chẳng hạn chọn 2 (705)% Tuy nhiên, khi đó

theo các công thức b

a b



621,0

, phân áp suất hơi nước

pa trong TNS sẽ tăng, do đó cường độ sấy sẽ giảm Nếu chọn t2 bằng nhiệt độcho phép, nghĩa là:

t2= tv2+ 10= th+ 10= 45+10= 55 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 theo côngthức:

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



= 0,02473 kg ẩm/kg kk

- Phân áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t2= 55 0C Ta có:

0,15562 bar

- Độ ẩm tương đối 20:

Như vậy, với nhiệt độ t2= 55 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 độ đượcchọn lại chúng ta tính được:

đó nhiệt độ t2 không những phải đảm bảo tính kinh tế về mặt tiết kiệm nhiệtlượng như trên mà còn phải đảm bảo độ chênh (ph- pa) đủ lớn

2.2.4 Lượng TNS lý thuyết cần thiết:

- Lưu lượng không khí khô lí thuyết đi qua HTS trong 1h là:

275,6101495,

003127,

0

11

1 20

sau quá trình sấy lý thuyết tương ứng, từ  t1, 1=(80oC;5%) ta có v1= 1,045

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=3576,55.47=168097,85 (kJ/h) =46,7 kW

2.3 Xác định kích thước thiết bị sấy thùng quay:

Các dữ liệu ban đầu

+ Năng suất thiết bị G2=470 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:

Thể tích thùng quay được tính theo công thức:

Vậy : = 15,91 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 sấy đượcxác định bởi đẳng thức:

4

14 , 3 5 , 3 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.(1-2) + Ca.2 , [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 độ TNSw(m/s) Sau khi tính toán xong lượng TNS thực chúng ta sẽ kiểm tra lại giả thiếtnày 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 trung bình Vtbo và tiếtdiện 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=== 2 m2

Khi đó tốc độ TNS lý thuyết wo bằng:

wo= m/s

Chúng ta giả thiết tốc độ TNS trong quá trình sấy thực w= 0,55 m/s

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 của TNSvào và ra khỏi thùng sấy:

- Phía trong thùng sấy là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ tác nhân giảthiết bằng w= 0,5 m/s Khi đó hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa TNSvới bề mặt trong của thùng sấy tính theo công thức (7.46) (Tr.144- TTTKHTS):

= 6,15+4,17.w= 6,15+4,17.0,55= 8,4435 W/m2h.K

- Trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài giữa mặt thùng sấy với không khí xung quanhtheo kinh nghiệm là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên chảy rối Do đó, hệ số traođổi nhiệt đối lưu sẽ được tính theo công thức (7.50) (Tr.145- TTTKHTS):

= 1,715.(tw2- tf2)0,333

Trong đó:

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

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

F bằng và diện tích ống dẫn và ống thải hai đầu thùng sấy, trong đó:

Dtb= 0,5.(D1+D2)= 0,5.(1,8+ 1,803)= 1,8015 m

Theo kinh nghiệm ta lấy:

Do đó tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt bằng:

Với là tổng đại số của tổn thất nhiệt và gia nhiệt bổ sung, [kJ/kg ẩm]

3.3.2 Xác định các thông số của TNS sau quá trình sấy thực:

Nếu tính bằng đồ thị I-d chúng ta đặt đoạn CoEo= Nối BEo cắt đường t2= 39 oC

ta sẽ được điểm C biểu diễn trạng thái của TNS sau quá trình sấy thực Từ C taxác định được entanpi I2, lượng chứa ẩm d2 và lượng ẩm tương đối sau quá trìnhsấy thực Tất nhiên chúng ta có thể tính bằng các công thức giải tích

Để tính các thông số TNS sau quá trình sấy thực, trước hết ta tính nhiệt dungriêng dẫn xuất của TNS trước quá trình sấy Cdx(d1) Ta có:

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

+ Lưu lượng thể tích ở trạng thái trước quá trình sấy V1 Trên kia chúng ta đã có thể tích của 1kg khói khô ở trạng thái t1= 80 oC và = 5,00 %, v1= 1,045 m3/kg kk

Do đó:

V1= v1.L= 1,045.0,96= 1,0024 m3/s

+ Lưu lượng thể tích ở trạng thái trước quá trình sấy V2 Trên kia chúng ta đã có thể tích của 1kg khói khô ở trạng thái t2= 39 oC và = 70 %, v2= 1,126 m3/kg kk Như vậy:

V2= v2.L= 1,126.0,96= 1,081 m3/s

+ Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực Vtb:

Vtb= 0,5.(V1+ V2)= 0,5.(1,0024+ 1,081)= 1,04168 m3/s

Đây là một trong hai căn cứ để chọn quạt

3.3.5 Kiểm tra lại giả thiết về tốc độ TNS: