Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị sấy tầng sôi liên tục kiểu xung khí để sấy vật liệu thực phẩm có độ kết dính cao (muối, đường rs, cơm dừa) báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ

Để giải quyết được bài toán sấy các sản phẩm như đường RS, muối tinh, mục tiêu đề ra của đề tài là nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị sấy tầng sôi xung khí dạng liên tục theo hướng ti

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT NHIỆM VỤ CẤP BỘ

Tên nhiệm vụ:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SẤY VẬT LIỆU

RỜI C ĐỘ KẾT DÍNH CAO KIỂU TẦNG SÔI XUNG KHÍ LIÊN TỤC,

NĂNG SUẤT 20kg/h

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM

Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS Phạm Quang Phú

Thời gian thực hiện: 18 tháng (từ tháng 01/2017 đến hết tháng 06/2018)

TP.HCM – 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT NHIỆM VỤ CẤP BỘ

Tên nhiệm vụ:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SẤY VẬT LIỆU

RỜI C ĐỘ KẾT DÍNH CAO KIỂU TẦNG SÔI XUNG KHÍ LIÊN TỤC,

NĂNG SUẤT 20kg/h

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM

Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS Phạm Quang Phú

Thời gian thực hiện: 18 tháng (từ tháng 01/2017 đến hết tháng 06/2018)

TP.HCM – 2018

THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị sấy vật liệu rời c độ kết

d nh cao kiểu tầng sôi xung kh liên t c, năng suất 20kg/h

3 Danh sách những người tham gia thực hiện nhiệm v

4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học công nghiệp Tp.HCM

5 Thời gian thực hiện:

5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2017 đến tháng 12 năm 2017

5.2 Gia hạn (nếu có): 06 tháng (đến hết tháng 06 năm 2018)

5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 11 năm 2015 đến tháng 06 năm 2017

6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): không

7 Tổng kinh ph được phê duyệt của đề tài: 120 triệu đồng

8 Sản phẩm, công bố và kết quả đào tạo của đề tài

- Độ ẩm đầu ra: <0,3% (cho

cả muối tinh và đường RS)

- Màu sắc hạt: Sáng, trắng tựnhiên

- Chi phí tiêu hao điện năng:

thấp hơn máy sấy tầng sôi thông thường 20-30%

- Khí thải được tách lọc qua

hệ thống cyclone bảo đảm môi trường làm việc tốt

- Năng suất sấy đường RS (sản xuất từ mía đường): 20kg/h

- Độ ẩm đầu vào:

+ Đường RS: ≤4%

- Độ ẩm đầu ra: <0,1%

- Màu sắc hạt: Sáng, trắng tựnhiên

- Chi phí tiêu hao điện năng:

thấp hơn máy sấy tầng sôi thông thường 20-30%

- Khí thải được tách lọc qua

hệ thống cyclone bảo đảm môi trường làm việc tốt

- Bản vẽ chi tiết các thiết bịchính của mô hình

- Bộ tài liệu quy trình vận hành, bảo trì, sửa chữa các thiết bị mô hình

- 01 Bản vẽ tổng thể bố trí mô hình, thiết bị

- 09 Bản vẽ chi tiết các thiết

bị chính của mô hình

- 01 Bộ tài liệu quy trình vận hành, bảo trì, sửa chữa các thiết bị mô hình

3

Bài báo khoa học

Nghiên cứu xây dựng chế độ

sấy đường RS bằng phươngpháp sấy tầng sôi xung khí

Pham Quang Phu, Le Hong Long, Bui Trung Thanh, Drying refined sugar on the continuous pulsed fluidized bed dryer: experimental study

on the main technological parameters determination, EPH - International Journal of Agriculture and

Environmental Research, vol 4(5), 2018, ISSN: 2208-2158

RS bằng phương pháp tầngsôi xung khí” do thành viên

Kinh phí

thực hiện(triệuđồng)

Ghi chú

A Chi phí trực tiếp

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, chủ nhiệm đề tài và các thành viên thực hiện

đã nhận được sự hỗ trợ tích cực từ phía Nhà trường, Khoa, các đồng nghiệp và các emsinh viên Cảm ơn sự hỗ trợ về mặt kinh phí của Bộ Công Thương, sự hỗ trợ về cơ sởvật chất của trường đại học công nghiệp Tp.HCM và khoa công nghệ Nhiệt Lạnh, cảm

ơn sự giúp đỡ về mặt lý thuyết và thực tiễn của các Thầy, Cô đồng nghiệp và sự hỗ trợcác em sinh viên

T M TẮT KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ

Đường RS hay muối tinh là các dạng vật liệu rời, có ẩm tập trung nhiều ở bềmặt nên dễ hút ẩm khi không qua quá trình sấy, dễ kết dính thành từng khối khi có cấpnhiệt liên tục, đồng thời cũng tồn tại ẩm liên kết bên trong nên rất khó tách khỏi vậtliệu Để tách được ẩm liên kết cần cung cấp nhiệt lượng cao, khi đó sẽ ảnh hưởng đếnmàu sắc của sản phẩm, làm giảm chất lượng sản phẩm Với các đặc điểm như vậy,phương pháp sấy phù hợp với sản phẩm đường RS, muối tinh là phương pháp sấy tầngsôi cấp khí gián đoạn hay còn gọi là phương pháp sấy tầng sôi xung khí

Để giải quyết được bài toán sấy các sản phẩm như đường RS, muối tinh, mục

tiêu đề ra của đề tài là nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị sấy tầng sôi xung khí dạng liên tục theo hướng tiết kiệm năng lượng để ứng dụng sấy vật liệu có đặc tính kết dính trong môi trường nhiệt- ẩm, có năng suất 20 kg/h Đề tài đã tiến hành nghiên cứu ứng

dụng kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí đối với sản phẩm đường RS Từ kết quả nghiêncứu lý thuyết đã tiến hành thiết kế và chế tạo mô hình vật lý có quy mô thí nghiệm đểtiến hành nghiên cứu thực nghiệm

Phương án quy hoạch thực nghiệm bậc hai gồm 4 yếu tố ảnh hưởng đã được xây dựng cho quá trình sấy đường RS Kết quả là, các phương trình hồi quy bậc 2 đãđược thiết lập để đánh giá ảnh hưởng của bốn thông số công nghệ (nhiệt độ sấy, vận

tốc tác nhân sấy, tần số xung khí và đường kính hạt) đến các hàm mục tiêu đầu ra gồm

độ ẩm sản phẩm, tỷ lệ thu hồi chính phẩm, chi phí điện năng riêng, chi phí nhiệt năngriêng Qua đó xác định được các chế độ sấy hợp lý cho quá trình sấy đường RS nhưsau:

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã tạo ra một mô hình vật lý và xây dựng đượcchế độ sấy phù hợp cho quá trình sấy sản phẩm đường mía, đồng thời giúp cho cácnghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí đối với vật liệu rời, có độ ẩm cao

Các kết quả cho thấy kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí có khả năng tiết kiệm năng lượng

so với kỹ thuật sấy tầng sôi thông thường Mô hình vật lý từ kết quả nghiên cứu của đềtài sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa về kỹ thuật sấy tầng sôi xungkhí và làm nền tảng để phát triển công nghệ sấy tầng sôi xung khí ở quy mô côngnghiệp

Tóm lại, đề tài cũng đã góp phần làm đa dạng hóa các máy sấy vật liệu rời của nguyên lý sấy tầng sôi để phục vụ trong nghiên cứu trong công nghệ chế biến thực

phẩm ứng dụng trong thực tiễn có hướng đến nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết

kiệm năng lượng

MỤC LỤC

BẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU 13

TỔNG QUAN 17

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 17

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 18

1.3 Giới thiệu về kỹ thuật sấy đường 24

1.3.1 Các phương pháp sấy đường 24

1.3.2 Các loại máy sấy tầng sôi thông dụng 28

1.4 Tổng quát về máy sấy tầng sôi xung khí 31

1.4.1 Nguyên lý làm việc của tầng sôi xung khí 31

1.4.2 Phân loại máy sấy tầng sôi xung khí 32

1.4.3 Ưu và nhược điểm của máy sấy tầng sôi xung khí 33

1.5 Nhận xét 34

1.6 Mục tiêu nghiên cứu 35

1.7 Nội dung nghiên cứu 37

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 40

2.1 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy 40

2.2 Số liệu thiết kế 41

2.3 Tính toán, thiết kế 41

2.3.1 Tính toán quá trình sấy lý thuyết 41

2.3.2 Tính toán quá trình sấy thực 48

2.4 Thiết kế thiết bị phụ trợ 54

2.4.1 Cyclone thu bụi 54

2.4.2 Buồng gia nhiệt điện trở 56

2.4.3 Tính toán, thiết kế ghi phân phối khí 57

2.4.4 Thiết bị tạo xung khí 58

2.4.5 Tính chọn quạt cấp tác nhân sấy 60

2.4.6 Tính chọn trục đánh tơi vật liệu sấy 62

2.5 Kết luận 63

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 65

3.1 Tổng quát các nội dung thực hiện đề tài nghiên cứu 65

3.2 Phương pháp nghiên cứu 65

3.3 Quy hoạch thực nghiệm 66

3.4 Xác định các thông số nghiên cứu 69

3.4.1 Xác định các thông số nghiên cứu đầu vào 69

3.4.2 Xác định các hàm mục tiêu (thông số đầu ra) 71

3.4.3 Miền nghiên cứu thực nghiệm 73

3.5 Vật liệu 74

3.6 Phương tiện 74

3.6.1 Mô hình thí nghiệm 74

3.6.2 Dụng cụ đo khối lượng 75

3.6.3 Dụng cụ xác định kích thước hạt đường RS 75

3.6.4 Dụng cụ đo độ ẩm của hạt đường RS 75

3.6.5 Dụng cụ đo khối lượng của hạt mẫu phân tích 76

3.6.6 Dụng cụ đo và ghi dữ liệu nhiệt độ trong quá trình sấy 76

3.6.7 Dụng cụ đo vận tốc tác nhân khí qua bề mặt lớp hạt 77

3.6.8 Dụng cụ đo công suất tiêu thụ điện của thiết bị sử dụng điện 77

3.6.9 Dụng cụ đo tiêu thụ điện 77

3.7 Địa điểm nghiên cứu 80

3.8 Quy trình thí nghiệm 80

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 82

4.1 Kết quả thực nghiệm 82

4.1.1 Độ ẩm sản phẩm cuối quá trình sấy 83

4.1.2 Tỉ lệ thu hồi chính phẩm 85

4.1.3 Chi phí điện năng 87

4.1.4 Chi phí nhiệt năng 89

4.1.5 Xây dựng chế độ sấy đường RS 92

4.2 Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

5.1 Kết luận 96

5.2 Kiến nghị 96

PHỤ LỤC 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

B ẢNG KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH M ỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Máy sấy tầng sôi xung khí được đăng kí sáng chế tại Mỹ

của Gawrzynski Z và cộng sự (1999) 19

Hình 1.2 Hệ thống máy sấy đường kiểu thùng quay 25

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy sấy đường kiểu thùng quay 26

Hình 1.4 Sơ đồ và hình ảnh hệ thống máy sấy đường sàng rung 26

Hình 1.5 Sơ đồ và hình ảnh hệ thống máy sấy đường tầng sôi 27

Hình 1.6 Máy sấy tầng sôi liên tục dạng buồng trụ 29

Hình 1.7 Máy sấy tầng sôi liên tục kiểu ngang 30

Hình 1.8 Cấu tạo, nguyên lý máy sấy rung tầng sôi 30

Hình 1.9 Nguyên lý sấy cấp xung khí dạng mẻ của Todor Djurkov (1999) 31

Hình 1.10 Mô tả cách cấp khí theo dạng xung 31

Hình 1.11 Máy sấy tầng sôi cấp khí bằng van bướm đôi 32

Hình 1.12 Máy sấy tầng sôi cấp khí bằng đĩa quay 32

Hình 1.13 Máy sấy tầng sôi cấp khí bằng cách thay đổi vị trí dòng khí 33

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy đường RS tầng sôi xung khí liên tục 40

Hình 2.2 Đồ thị quá trình sấy lý thuyết 42

Hình 2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm không khí đến độ ẩm cân bằng của đường 48

Hình 2.4 Kích thước cơ bản của buồng sấy và buồng lắng 50

Hình 2.5 Truyền nhiệt qua vách phẳng 2 lớp 52

Hình 2.6 Đồ thị quá trình sấy thực tế 53

Hình 2.7 Các kích thước cơ bản của cyclone thu bụi 55

Hình 2.8 Cấu tạo của buồng gia nhiệt điện trở 56

Hình 2.9Sơ đồ bố trí các thanh điện trở 57

Hình 2.10Các kích thước của ghi phân phối khí 58

Hình 2.11 Các kích thước của đĩa quay và đĩa tĩnh trong bộ tạo xung khí 60

Hình 3.1 Tóm tắt quy trình thực hiện đề tài 65

Hình 3.2 Minh họa mô hình hộp đen 67

Hình 3.3 Mô hình hộp đen của đề tài 70

Hình 3.4Ảnh hưởng của TSXK đến chuyển động của hạt và tổn thất áp suất 70

Hình 3.5Đường RS trước và sau khi sấy 74

Hình 3.6 Mô hình máy sấy tầng sôi xung khí phục vụ thí nghiệm 74

Hình 3.7 Các loại cân được sử dụng 75

Hình 3.8 Bộ rây dùng phân loại nguyên liệu và sản phẩm sấy 75

Hình 3.9Máy phân tích độ ẩm Axis 66

Hình 3.10 Cân tiểu ly điện tử Ohaus 76

Hình 3.11 Bộ ghi nhiệt độ PNTECH DDC-C46 77

Hình 3.12 Dụng cụ đo vận tốc khí SDL350 68

Hình 3.13 Dụng cụ đo điện HIOKI 3286 77

Hình 3.14Điện kế đo tiêu thụ điện 78

Hình 4.1 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm độ ẩm sản phẩm 84

Hình 4.2Đồ thị so sánh giá trị Y1giữa thực nghiệm và hàm hồi quy 85

Hình 4.3Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tỉ lệ thu hồi chính phẩm 86

Hình 4.4Đồ thị so sánh giá trị Y2giữa thực nghiệm và hàm hồi quy 87

Hình 4.5Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm chi phí điện năng 89

Hình 4.6Đồ thị so sánh giá trị Y3giữa thực nghiệm và hàm hồi quy 89

Hình 4.7Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm chi phí nhiệt năng 91

Hình 4.8Đồ thị so sánh giá trị Y4giữa thực nghiệm và hàm hồi quy 92

Hình 4.9 Mặt đáp ứng khi tối ưu hóa 93

Hình 4.10 Hình ảnh đo độ màu đường RS 94

Hình 4.11Chi phí năng lượng trong sản xuất đường ở Iran 95

Hình 4.12 Chi phí năng lượng cho sấy lúa tầng sôi thông thường 95

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng hợp một số nghiên cứu về sấy tầng sôi xung khí 23

Bảng 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá đường tinh luyện và đường thô theo TCVN 25

Bảng 1.3 So sánh giữa sấy tầng sôi với sấy thùng quay (Wen Ching Yang, 2003) 27

Bảng 1.4 Phân loại máy sấy tầng sôi theo các chỉ tiêu (Wen Ching Yang, 2003) 28

Bảng 2.1 Các hệ số trong mô hình GAB (Largo-Avila và cộng sự, 2013) 47

Bảng 2.2 Kết quả tính nhiệt quá trình sấy thực 51

Bảng 2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình sấy 54

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của quạt cấp tác nhân 62

Bảng 2.5 Thông số cơ bản của các thiết bị trong hệ thống sấy 63

Bảng 3.1 Miền thực nghiệm đa yếu tố 73

Bảng 3.2 Tổng hợp các thiết bị, dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm 78

Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 82

Bảng 4.2 Kết quả phân tích thống kê hàm Y1 83

Bảng 4.4 Kết quả phân tích thống kê hàm Y2 85

Bảng 4.5 Kết quả phân tích thống kê hàm Y3 87

Bảng 4.6 Kết quả phân tích thống kê hàm Y4 90

Bảng 4.7 Kết quả phân tích độ màu của sản phẩm sấy 94

ĐẶT VẤN ĐỀ

Đường tinh luyện RS (Refined standard sugar) là các vật liệu được hình thành

từ quá trình kết tinh, độ ẩm sau công đoạn sau ly tâm thường khoảng từ 0,5%-1,5% (Bùi Trung Thành, 2004) và phải được sấy ngay nếu không chỉ sau một thời gian ngắnchúng cũng bị kết dính và vón cục, đặc biệt khi có tác động nhiệt thì chúng càng dễ bịkết dính Thực tế đặc tính kết dính sẽ gây khó khăn trong việc sấy khô trong lớp hạtsôi liên tục, trong khi yêu cầu chất lượng sản phẩm sấy phải cao

Đường là nguyên liệu quan trọng cho các ngành chế biến thực phẩm, là chấtđiều vị trong bữa ăn hàng ngày và là chất cung cấp năng lượng cho cơ thể Côngnghiệp đường tuy có từ lâu đời nhưng 200 năm gần đây mới được cơ khí hóa Trongnhững năm gần đây ngành mía đường đã phát triển một cách nhanh chóng

Các sản phẩm đường mía của yếu ở nước ta là đường thô (đường vàng) vàđường tinh luyện, phụ thuộc vào thành phần đường sucrose có trong dung dịch tínhtheo phần trăm khối lượng dung dịch đường (độ Pol) Theo tiêu chuẩn Việt Nam, độPol của đường thô ≥ 98,5%, đường tinh luyện ≥ 99,8% (TCVN 6961 : 2001 và TCVN

6958 : 2001) Do nhu cầu tiêu thụ đường thô thấp nên các nhà máy mía đường thường

sử dụng đường thô để sản xuất đường tinh luyện

Thông thường, độ ẩm của đường yêu cầu để bảo quản phải không lớn hơn 0,2%(TCVN 6961 : 2001) đối với đường thô và không lớn hơn 0,05% (TCVN 6958 : 2001)đối với đường tinh luyện nên cần thiết phải sấy đường trước khi bảo quản Ngoài ra, các chỉ tiêu cảm quan và các chỉ tiêu lý – hóa của đường tinh luyện, phải phù hợp với TCVN 6958:2001 và TCVN 6961:2001

Do đó, việc sấy đường sau khi ly tâm là cần thiết để bảo quản lâu dài và đảmbảo độ ẩm theo tiêu chuẩn Trước đây, sấy thùng quay được sử dụng rộng rãi trong kỹthuật sấy đường nhưng từ khi công nghệ tầng sôi phát triển trong lĩnh vực sấy thì máysấy tầng sôi dần được ứng dụng nhiều hơn Các ưu điểm của kỹ thuật tầng sôi đã đượcphân tích và kiểm chứng như sau (Kudra và Mujumdar, 2009):

(1) Tạo được trạng thái giả lỏng đối với vật liệu rắn tương tự như chất lỏng nên cho phép vận hành liên tục và điều khiển tự động dễ dàng

(2) Việc đảo trộn liên tục các hạt rắn giúp trường nhiệt độ trong buồng sấy phân bốđồng đều hơn trong suốt quá trình hoạt động, do đó quá trình hoạt động được

kiểm soát đơn giản và đáng tin cậy

(3) Các hạt rắn chuyển động và đảo trộn trong lớp hạt giúp chúng nhận được một lượng nhiệt lớn cần thiết để làm bay hơi ẩm trong quá trình sấy

(4) Tốc độ truyền nhiệt và truyển ẩm giữa các hạt với nhau, giữa hạt và tác nhân

sấy rất cao khi so sánh với các phương pháp sấy khác Do đó giúp giảm ẩm bề

mặt nhanh chóng, giảm thời gian sấy và giảm kích thước của thiết bị sấy

(5) Phù hợp với quy mô công nghiệp cần năng suất sấy lớn, thời gian sấy ngắn.Thiết bị sấy tầng sôi có nhiều ưu điểm nên chúng được xếp vào nhóm máy sấy caocấp, tuy vậy loại máy sấy này tồn tại một số nhược điểm như sau (Kudra vàMujumdar, 2009):

(1) Tổn thất áp suất qua lớp hạt và vận tốc tác nhân sấy phải đủ lớn để tạo được

chế độ sôi nên yêu cầu phải sử dụng quạt có cột áp cao, lưu lượng cao hơn do

đó làm tăng chi phí đầu tư và chi phí điện trong vận hành

(2) Yêu cầu kích thước hạt vật liệu sấy phải nằm trong phạm vi giới hạn và có độđồng đều cao, nếu không khả năng hóa sôi bị hạn chế Đối với vật liệu mịn thì khi sấy sẽ bị cuốn theo dòng khí đi ra ngoài hệ thống, còn đối với vật liệu có kích thước lớn sẽ rất khó hóa sôi được Ngoài ra, đối với các hạt vật liệu mịn,

dễ xuất hiện quá trình phân tầng trong khi hóa sôi làm tăng tổn thất áp suất qua

lớp hạt và làm giảm khả năng truyền nhiệt và truyền ẩm

(3) Việc đảo trộn nhanh các hạt vật liệu trong tầng sôi dẫn đến thời gian lưu trong

buồng sấy của các hạt không đều nhau, do đó khi sấy trong thời gian ngắn hoặc

tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng buồng sấy không đảm bảo sẽ làm cho độ ẩm

sản phẩm không đồng đều

(4) Quá trình bảo trì, vệ sinh thiết bị khó khăn hơn do các hạt mịn bám trong các

kẽ hở nhỏ và trên đường ống dẫn khí Ngoài ra, khi sấy các loại muối kim loại thường xảy ra hiện tượng ăn mòn thiết bị, đường ống

(5) Thiết bị sấy tầng sôi thường hoạt động ở nhiệt độ cao nên đối với các loại vật

liệu có nguồn gốc kết tinh dễ bị kết tụ lại làm giảm chất lượng sản phẩm

Theo Piers Bostock (2009), ẩm trong tinh thể đường tồn tại dưới hai dạng: ẩm

bề mặt và ẩm liên kết bên trong Do ẩm trong đường tập trung nhiều ở bề mặt nên dễhút ẩm khi không qua quá trình sấy nên cần thiết phải tiến hành sấy đường trước khibảo quản, đồng thời cũng tồn tại ẩm liên kết bên trong nên rất khó tách khỏi vật liệubằng các phương pháp sấy tĩnh Để tách được ẩm liên kết cần cung cấp nhiệt lượngcao, khi đó sẽ ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm, làm giảm chất lượng sản phẩm.Với các đặc điểm như vậy, phương pháp sấy phù hợp với sản phẩm đường RS, muốitinh là phương pháp sấy tầng sôi cấp khí gián đoạn hay còn gọi là phương pháp sấytầng sôi xung khí

Mặc khác, để giải quyết vấn đề chi phí năng lượng cho quạt sử dụng trong quátrình sấy, một số tác giả của thế giới đã nghiên cứu một phương pháp sấy tầng sôi mới

đó là phương pháp tầng sôi kiểu xung khí (pulsed fluidized bed dryer) Các công bốđược phân tích trong phần tổng quan cho thấy mô hình thí nghiệm cho kết quả khảquan về mặt tiết kiệm năng lượng

Để xử lý cho các trường hợp khi sấy vật liệu có độ ẩm nguyên liệu đầu vào cao,giữa các hạt có xu hướng dính với nhau và vón cục khi cấp nhiệt, người ta thườngdùng kiểu cấp liệu rung trước buồng sấy, tuy nhiên nếu dùng kiểu sấy tầng sôi xung

khí sẽ dễ dàng tách liên kết giữa các hạt dễ dàng bằng cách thay đổi trạng thái cấp khíđột ngột Nhờ tác động bằng dòng tác nhân khí nên va đập cơ học giữa vật liệu sấy vàghi phân phối tác nhân sấy không xảy ra, sản phẩm nên các hạt vật liệu không bị bàomòn các cạnh, các hạt vật liệu không bị vỡ nên tỷ lệ thu hồi sản phẩm và chất lượngsấy sẽ ổn định hơn.

Mặt khác, ở Việt Nam các nghiên cứu về máy sấy tầng sôi xung khí được công

bố rất hạn chế nên hướng đề tài nghiên cứu là hướng mới, tiếp cận với kỹ thuật sấy caohơn

Chương 1

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đối với nguyên liệu khó sấy như đường RS thì hiện trong nước đang tồn tại cả máysấy chất lượng thấp đến máy sấy chất lượng cao, cụ thể như sau:

- Kỹ thuật sấy thông dụng là ứng dụng sấy theo nguyên lý truyền nhiệt đối lưutrong máy sấy thùng quay Quá trình sấy diễn ra liên tục cho chất lượng tốt hơn

so với phương pháp trước đây Nhược điểm là: tỷ lệ phế phẩm cao, màu sắc sản

phẩm chưa giống màu tự nhiên, hạt sau khi sấy bị bể vỡ, các góc cạnh của hạt không còn được giữ nguyên như khi đưa vào máy sấy Thiết bị sấy thùng quay

hiện nay vẫn còn được sử dụng ở nhiều nhà máy mía đường trong cả nước

- Sấy rung theo nguyên lý băng tải: khắc phục được một số nhược điểm của máy

sấy thùng quay, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế như: chi phí điện năng và chiphí bảo trì cao, độ ẩm của đường sau sấy không đồng đều khi lớp vật liệu dày, kích thước máy lớn

- Sấy rung kết hợp tầng sôi được nhập khẩu vào Việt Nam và hiện đang được sử

dụng trong ngành công nghiệp sản xuất đường và sản xuất mía đường cao cấp Máy sấy rung tầng sôi gọn hơn máy sấy thùng quay cho chất lượng sản phẩm

sấy cao hơn hẳn, tuy vậy kết cấu của máy cũng còn khá phức tạp Công ty mía đường Quảng Ngãi, công ty mía đường Bình Định, công ty mía đường Trị An (Đồng Nai) là các đơn vị đã lắp đặt thiết bị sấy tầng sôi rung kết hợp Ngoài ra,

có thể tìm thấy ứng dụng của máy sấy tầng sôi rung ở các nhà máy sản xuất cơm dừa Thành Vinh (Bến Tre), nhà máy sữa Trường Thọ, nhà máy sữa Thống

Nhất, nhà máy đường Vị Thanh (Hậu Giang),…

Các nghiên cứu về kỹ thuật sấy tầng sôi của các tác giả trong nước tập trung vào việcxác định đặc tính thủy động lực học, quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm, thời gian sấycủa qua trình sấy tầng sôi đối với các loại vật liệu như cơm dừa, ngô hạt, thức ăn thủysản dạng viên và muối tinh Theo Phạm Công Dũng (2000), phương pháp sấy tầng sôivới máy sấy dạng buồng trụ phù hợp để bảo quản hạt nông sản và thời gian sấy phụthuộc vào nhiệt độ tác nhân và độ ẩm của hạt trong khi vận tốc tác nhân sấy nên gấp từ2-2,5 lần vận tốc hóa sôi tối thiểu Trong khi đó, với sản phẩm là viên thức ăn thủy sản

và muối tinh thì các tác giả Lê Đức Trung (2002) và Bùi Trung Thành (2011) đã sửdụng máy sấy tầng sôi dòng trộn với tiết diện máy hình chữ nhật cho kết quả sấy tốthơn Nghiên cứu của Lê Đức Trung (2002) đã mô hình hóa được quá trình sấy tầng sôicho thức ăn viên và thực nghiệm xác định được đặc tính thủy động lực học của quátrình sấy Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa công bố về chi phí năng lượng của quátrình sấy Theo Bùi Trung Thành (2009), máy sấy tầng sôi liên tục thích hợp để sấy

muối tinh với chi phí năng lượng thấp hơn 20% so với máy sấy thùng quay và thấphơn 25% so với máy sấy tĩnh nhưng chi phí điện năng cao hơn 20-25% so với các loạimáy này Cụ thể, chi phí nhiệt lượng riêng và chi phí điện năng riêng của quá trình sấytầng sôi đối với muối tinh lần lượt là 4052,05 kJ/kg ẩm và 461 Wh/kg ẩm (Bùi TrungThành, 2011) Phương án sử dụng lớp đệm trợ sôi trong máy sấy tầng sôi liên tục đãđược đề xuất bởi các tác giả (Nguyễn Hay và các cộng sự 2005, 2006; Bùi Trung Thành, 2011) để sấy sản phẩm có đặc tính kết dính là muối tinh, ngoài ra cũng cần ápdụng các biện pháp tiết kiệm năng lượng hoặc tìm phương án sấy khác để giảm chi phínhiệt năng cho quá trình sấy tầng sôi Nhìn chung, các nghiên cứu đều sử dụng phươngpháp sấy tầng sôi thông thường và đều cho thấy nhược điểm của phương pháp sấy này

là chi phí điện năng và chi phí nhiệt năng khá cao

Đối với sản phẩm sấy là đường tinh luyện, Bùi Trung Thành và Nguyễn HuyBích (2003) đã phân tích cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy gồm chiềudày lớp hạt, đường kính hạt, độ ẩm ban đầu, độ ẩm tương đối của không khí và loạimáy sấy Các loại máy sấy phù hợp để sấy đường tinh luyện là máy sấy thùng quay,máy sấy sàng rung và máy sấy tầng sôi Vào thời điểm đó, máy sấy thùng quay vàsàng rung được sử dụng nhiều hơn trong khi máy sấy tầng sôi mới chỉ có ở nhà máyđường Bình Định và Nghệ An áp dụng

Hiện nay, các công trình nghiên cứu về kỹ thuật sấy tầng sôi áp dụng để sấyđường tinh luyện nhằm giảm chi phí năng lượng cho quá trình sấy còn rất hạn chế.Mặt khác, phương pháp sấy tầng sôi đã được chứng minh là phù hợp với sản phẩmđường tinh luyện nhưng vẫn còn tồn tại nhược điểm là chi phí điện năng và nhiệt năngkhá cao, do vậy cần tiến hành nghiên cứu kỹ thuật sấy tầng sôi kiểu khác có tiêu haonăng lượng thấp hơn mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Kỹ thuật sấy tầng sôi ứng dụng trong sấy các loại vật liệu rời có đặc tính kếtdính đã được nghiên cứu và áp dụng trên thế giới từ tầng sôi có rung, tầng sôi dòngtrộn, tầng sôi dòng đẩy và hiện nay là kiểu tầng sôi xung khí

Các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới về phương pháp sấy tầng sôixung khí tập trung vào 6 vấn đề cơ bản như sau:

(1) Đăng kí các bằng sáng chế về máy sấy tầng sôi xung khí

(2) Nghiên cứu đặc tính thủy động và động học của quá trình sấy tầng sôi xung khí.(3) Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình sấy tầng sôi xung khí

(4) Chế tạo máy sấy tầng sôi xung khí ở quy mô công nghiệp

(5) So sánh chi phí năng lượng giữa máy sấy tầng sôi xung khí với máy sấy tầng sôi thông thường

(6) Mô phỏng quá trình sấy tầng sôi xung khí nhờ quan sát bằng máy quay tốc độcao kết hợp với phần mềm máy tính.

Gawrzynski Z và cộng sự (1979, 1999, 2003) là những tác giả đầu tiên ứng dụng kỹthuật xung khí vào mô hình sấy và lần lượt đăng kí các bằng sáng chế về máy sấy tầngsôi xung khí dạng mẻ ở Ba Lan (năm 1979 – số 103840, năm 1999 – số 331025), Mỹ(năm 1999 – số 5918569), Châu Âu (năm 2003 – số EP0979140) Các nghiên cứu saunày về máy sấy tầng sôi xung khí dạng mẻ cũng áp dụng theo sơ đồ nguyên lý của cácsáng chế này

Hình 1.1 Máy s ấy tầng sôi xung khí được đăng kí sáng chế tại Mỹ của Gawrzynski Z

là từ 5-15Hz nhưng theo Li và cộng sự (2004), Ali và Asif (2012) thì tần số xung khíthấp hơn 1Hz sẽ tạo được chế độ sôi tốt hơn Như vậy, đối với mỗi loại vật liệu khácnhau cần nghiên cứu xác định dải tần số xung khí hoạt động hợp lý

Kudra T và các cộng sự (2002) đã quan sát cho thấy sự xung động của khôngkhí nóng tạo ra lớp hạt sôi, tạo ra một sự hòa trộn mãnh liệt đối với vật liệu rắn và giatăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, điều này giúp cải thiện quá trình sấy Kết quảnghiên cứu cho thấy đối với bột giấy và bùn giấy, hiện tượng hóa sôi đồng nhất diễn ra

ở tần số xung khí 10 Hz Grzegorz Rogula (2009) cũng đã thiết lập được các mốitương quan giữa tổn thất áp suất và tiêu chuẩn Reynolds trên cơ sở thay đổi chiều caolớp hạt, đường kính hạt và tần số tạo xung Kết quả cho thấy nếu lớp hạt quá cao thìquá trình sôi không thể diễn ra dù tăng tốc độ xung khí Trong một nghiên cứu về độnghọc quá trình sấy tầng sôi xung khí, Sobrino và cộng sự (2007) đã chứng minh đượckích thước lỗ phân phối khí và vận tốc của đĩa tạo xung ảnh hưởng rất lớn đến tổn thất ápsuất qua lớp hạt

Gawrzynski Z và Bartosz Pieczaba (2006) đã nghiên cứu đặc tính thủy độngtrên máy sấy tầng sôi xung khí phân phối khí theo chiều dài – đây là dạng máy sấytầng sôi xung khí liên tục có bộ tạo xung khí cải tiến so với máy sấy tầng sôi xung khíthông thường cấp khí theo chiều ngang Nghiên cứu này ngoài việc xác định tổn thất

áp suất qua lớp hạt và vận tốc hóa sôi còn cho thấy so với máy sấy tầng sôi xung khíthông thường, mức độ hòa trộn giữa các hạt tốt hơn và độ ẩm sản phẩm đồng đều hơn.Ngoài ra, đối với dạng máy sấy này vận tốc khí làm việc chỉ gấp 2 lần so vận tốc hóasôi tối thiểu (so với các máy sấy tầng sôi thông thường là gấp 2-3 lần) nên chi phí sấy

và chi phí đầu tư sẽ thấp hơn khi so sánh với các máy sấy tầng sôi xung khí khác

Các nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệđến quá trình sấy tầng sôi xung khí đã được tiến hành trên quy mô thí nghiệm dựa theo

mô hình tầng sôi được công bố bởi Gawrzynski Z và cộng sự (2003) Các nghiên cứu

đã xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ, vận tốc khí và tần số xung khí đến tổn thất

áp suất, thời gian sấy (Gawrzynski Z và cộng sự, 1999; Marcello Nitz và Osvaldir P.Taranto, 2004; Alejandro Reyes và các cộng sự, 2007, 2010) Từ các nghiên cứu này,một số phương trình thực nghiệm xác định hệ số truyền nhiệt và hệ số khuếch tán ẩmtrong quá trình sấy đã được xác định (Gawrzynski Z và cộng sự, 1999; AlejandroReyes và các cộng sự, 2007, 2010)

Thông qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các tác giả đã chứng minh đượcquá trình sấy tầng sôi xung khí dạng mẻ phù hợp để sấy các vật liệu có độ ẩm cao và

có đặc tính kết dính do nhiệt (Ambrosio-Ugri M C B và cộng sự, 2007; Godoi F.C

và cộng sự, 2011, Todor Djurkov, 1999)

Gawrzynski Z và cộng sự (1999) đã thiết lập được các phương trình hồi quyxác định vận tốc hóa sôi tối thiểu, hệ số truyền nhiệt và hệ số truyền nhiệt thể tích đốivới bột polypropylene trên máy sấy tầng sôi xung khí với nhiệt độ sấy thay đổi ở các

mức 50, 70, 90 C, tần số xung khí 5, 10, 15 Hz và vận tốc tác nhân sấy từ 0,178 – 0,25 m/s Cũng nghiên cứu thực nghiệm theo dạng mô hình sấy của Gawrzynski, MarcelloNitz và Osvaldir P Taranto (2004) đã xây dựng được đường cong sấy theo nhiệt độ vàlưu lượng tác nhân, đồng thời đã đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, lưulượng dòng khí, tốc độ quay của động cơ tạo xung đến quá trình sấy Các tác giả cònnhận thấy rằng tổn thất áp suất qua lớp hạt tăng theo chiều cao lớp hạt, vận tốc khítrung bình và tần số tạo xung Nghiên cứu này cũng phù hợp với các kết quả đượccông bố bởi Alejandro Reyes và các cộng sự (2007, 2010), Godoi F.C và cộng sự(2011)

Ambrosio-Ugri M C B và cộng sự (2007) nghiên cứu thực nghiệm sấy vậtliệu axit 2-hydroxybenzoic thuộc nhóm A (theo phân loại của Geldart)-đây là loại vậtliệu khó hóa sôi khi độ ẩm cao nhưng đã được các tác giả sấy theo phương pháp tầngsôi xung khí Kết quả đã xây dựng được các đường cong động học sấy đã xác định ảnhhưởng của tần số xung khí đến quá trình sấy (tăng tần số cấp khí sẽ giảm thời gian sấy)

và nhờ vào các quan sát trong quá trình thí nghiệm, tác giả đã kết luận rằng máy sấytầng sôi xung khí dạng mẻ phù hợp với các dạng vật liệu rời có độ ẩm cao mà vẫn đảmbảo chất lượng sản phẩm sấy Cũng theo các tác giả, ưu điểm của máy sấy tầng sôikiểu xung khí là tiết kiệm lưu lượng khí cần thiết cho quá trình hoạt động sôi lớp hạt.Tuy nhiên, kết quả của bài báo chỉ dừng lại ở vài thí nghiệm đơn giản và chưa đánhgiá được ảnh hưởng của các yếu tố khác trong quá trình sấy tầng sôi xung khí.

Godoi F.C và cộng sự (2011) đã phân tích quá trình sấy polymer sinh học trongmáy sấy tầng sôi xung khí cấp khí dạng đĩa xoay và đã xác định được chế độ sấy tối ưucho loại sản phẩm này là tần số đĩa quay 7 Hz, nhiệt độ sấy 90 C và vận tốc tác nhânsấy 0,55 m/s Qua đó cũng cho thấy máy sấy tầng sôi xung khí phù hợp với các loạivật liệu dạng hạt, có đặc tính kết dính ở độ ẩm cao Tuy nhiên, theo Dening Jia vàcộng sự (2015) đối với quá trình sấy biomass thì tần số xung khí phù hợp là từ 0,75đến 1,5 Hz, ở tần số cao hơn 3 Hz quá trình sấy tương tự như sấy đối lưu thôngthường Đồng thời tác giả cũng đã chứng minh được ảnh hưởng của các thông số côngnghệ của quá trình sấy đến thời gian sấy và độ ẩm sản phẩm, trong đó hiệu quả củaquá trình sấy phụ thuộc nhiều vào tần số cấp xung khí (theo chiều hướng tăng tần số sẽgiúp tăng hiệu suất sấy) Nghiên cứu cũng chỉ ra được việc sử dụng bộ rung để hỗ trợcho quá trình sấy sẽ không cần thiết nữa nếu cấp khí ở tần số xung phù hợp thắng đượclực liên kết giữa các hạt mà vẫn đảm bảo quá trình hóa sôi diễn ra, điều này cho thấykhả năng ứng dụng phương pháp sấy tầng sôi xung khí thay thế cho kỹ thuật sấy tầngsôi rung có nhiều nhược điểm

Dening Jia và cộng sự (2016) bằng nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được

hệ số khuếch tán ẩm trong quá trình sấy Kết quả cho thấy hệ số khuếch tán ẩm tỷ lệthuận với nhiệt độ và vận tốc tác nhân sấy, phù hợp với công bố của Gawrzynski Z vàcộng sự (1999) Tuy nhiên, theo Dening Jia và cộng sự (2016) hệ số khuếch tán ẩm đạtgiá trị cao khi sấy ở phạm vi tần số xung khí 0,75 đến 1,5Hz trong khi Gawrzynski Z

và cộng sự (1999) lại cho thấy phạm vi tần số xung khí là từ 5 đến 15Hz

Ưu điểm của hướng nghiên cứu thực nghiệm này là xác định và đánh giá đượcảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình sấy tầng sôi xung khí, nhờ đó tìm

ra được các thông số hợp lý cho từng loại vật liệu khác nhau Tuy nhiên, hạn chế củacác công bố này là chưa đối chiếu được với nghiên cứu lý thuyết nên tính thuyết phụcchưa cao

Ở quy mô sản xuất công nghiệp, Todor Djurkov (2001) đã công bố máy sấymuối hạt phạm vi (dm = 2 0,5 mm ÷ 10–15 1mm) trên máy sấy tầng sôi kiểu xung khí.Năng suất sấy đạt 2500 – 3000 kg/giờ cùng với độ ẩm nguyên liệu vào M1= 3,9 % 0,2

độ ẩm thành phẩm 0,25% Đây là dạng máy sấy tầng sôi xung khí có năng suất lớnnhất được công bố tính đến thời điểm hiện tại Dạng máy sấy này có tiết diện nganghình chữ nhật, kết cấu như kiểu máy sấy liên tục nhưng bên trong lại được chia thành 3vùng cấp khí dạng mẻ, dòng khí cấp vào từng vùng được tạo xung bởi đĩa quay

Somkiat Prachayawarakorn và cộng sự (2004) đã tiến hành khảo sát quá trình sấy lúatrên máy sấy tầng sôi xung khí năng suất 20 tấn/giờ nhưng không công bố chi tiết kíchthước của máy.

Chi phí năng lượng trong quá trình sấy tầng sôi nói chung được xác định bởi hailoại chi phí là chi phí điện năng và chi phí nhiệt năng trên 1kg ẩm bay hơi (Kudra vàMujumdar, 2009) Theo Gawrzynski Z và Bartosz Pieczaba (2006) thì vận tốc sôi đốivới quá trình sấy tầng sôi xung khí thấp so với máy sấy tầng sôi thông thường nên chiphí điện năng sẽ thấp hơn khoảng 10-30% và Somkiat Prachayawarakorn và cộng sự(2004) cũng đã công bố rằng với máy sấy tầng sôi xung khí, công suất của quạt cấp tácnhân thấp hơn 25% so với máy sấy tầng sôi thông thường, chi phí điện năng giảm còn0,19 MJ/kg ẩm so với máy sấy tầng sôi thông thường là từ 0,27 – 0,65 MJ/kg ẩm, tức

là tối thiểu giảm được khoảng 30% Dening Jia và cộng sự (2015) đã tiến hành thựcnghiệm chứng minh vận tốc tác nhân sấy trong tầng sôi xung khí từ 0,8.Umf đến1,3.Umf (Umf -vận tốc sôi tối thiểu của vật liệu) thì quá trình sôi hoạt động ổn địnhtrong khi đối với tầng sôi thông thường, vận tốc tác nhân sấy phải đạt từ 2,0.Umf đến3,0.Umf (Kudra và Mujumdar, 2009) Kết quả này cho thấy với quá trình sấy cấp khídạng xung thì có thể sấy vật liệu dưới vận tốc sôi tối thiểu mà vẫn đảm bảo quá trìnhtrao đổi nhiệt-ẩm, do đó có thể giảm được chi phí điện năng (Dening Jia và cộng sự,

2015, 2016)

Về vấn đề so sánh chi phí nhiệt năng giữa máy sấy tầng sôi xung khí với máysấy tầng sôi thông thường, các nghiên cứu cho thấy khi sấy vật liệu bằng máy sấy tầngsôi xung khí cho phép tiết kiệm năng lượng được từ 40-50% so với sấy bằng máy sấytầng sôi thông thường (Luciane F G de Souza và cộng sự, 2010; SomkiatPrachayawarakorn và cộng sự, 2004) Các thực nghiệm của Luciane F G de Souza vàcộng sự (2010) tiến hành với muối natri axetat đã cho thấy việc cấp khí dạng xunggiúp phá vỡ liên kết giữa các hạt vật liệu ẩm và giúp tác nhân sấy tiếp xúc tốt hơn vớicác hạt vật liệu Tốc độ sấy khi sấy bằng xung khí cao hơn khi sấy tầng sôi thôngthường Chi phí năng lượng đối với tầng sôi thông thường cao hơn 2,5 lần so với tầngsôi xung khí ở nhiệt độ sấy là 80 C Với nghiên cứu được tiến hành trên quá trình sấylúa tầng sôi xung khí năng suất 20 tấn/giờ, Somkiat Prachayawarakorn và cộng sự(2004) cho thấy chi phí năng lượng giảm còn 6,3 – 7,8 MJ/kg ẩm so với máy sấy tầngsôi thông thường là 14 MJ/kg ẩm thì giảm được khoảng 50%

Nhờ vào các công bố này, có thể thấy phương pháp sấy tầng sôi xung khí cókhả năng tiết kiệm năng lượng mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm sấy đồng thời rútngắn được thời gian sấy (Ambrosio-Ugri và cộng sự, 2007; Gawrzynski Z và BartoszPieczaba, 2006)

Gần đây, nhờ quan sát bằng các máy quay tốc độ cao (>1000 fps) mà các tácgiả nghiên cứu đã cung cấp những hình ảnh về hiện tượng hóa sôi xảy ra khi cấp khídạng xung ở những khoảng thời gian rất ngắn, qua đó cho thấy ảnh hưởng của tần số

xung khí đến quá trình sấy Năm 2013, Hamed Khosravi Bizhaem và cộng sự cũng đãnghiên cứu đặc tính thủy động của quá trình sấy vật liệu dạng bột trên máy sấy tầngsôi xung khí nhưng nhờ kết hợp với máy quay tốc độ cao đã cung cấp được các hìnhảnh về sự thay đổi đặc tính lớp sôi trong quá trình sấy đồng thời xác định được kíchthước và vận tốc của bọt Nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng với việc cấp khí dạng xung

sẽ giúp giảm vận tốc hóa sôi tối thiểu và cải thiện chế độ sôi đối với hạt mịn có đặctính kết dính, tức là giảm được chi phí sấy Tương tự, Dong Liang và cộng sự (2012)nghiên cứu xác định vận tốc sôi bọt ở quá trình sấy tầng sôi xung khí đối với vật liệu

đa phân tán có kích thước trong khoảng 0,074-0,3mm, các mức vận tốc hóa sôi 0,15 và0,2m/s, tần số xung khí 2,0, 2,5 và 4 Hz Nhờ sự kết hợp với máy quay tốc độ cao và

mô phỏng bằng phần mềm máy tính, tác giả đã xây dựng được phương trình xác địnhvận tốc sôi bọt và xác định được kích thước bọt trong quá trình hóa sôi Kaiqiao Wu(2017) bằng nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng đã cho thấy các hiện tượngdiễn ra trong quá trình cấp khí dạng xung ở mỗi thời điểm khác nhau đồng thời chứngminh ảnh hưởng của vận tốc tác nhân và tần số xung khí đến quá trình hóa sôi bằngphương pháp xung khí

Ưu điểm của các nghiên cứu kết hợp giữa máy quay tốc độ cao và mô phỏngbằng phần mềm máy tính là đánh giá được hiện tượng hóa sôi do cấp khí gián đoạn ởcác tần số khác nhau diễn ra trong thời gian ngắn, giúp kiểm chứng được kết quảnghiên cứu lý thuyết Hạn chế của những nghiên cứu này là đòi hỏi các thiết bị kỹthuật cao và rất đắt tiền

B ảng 1.1 Tổng hợp một số nghiên cứu về sấy tầng sôi xung khí

Nghiên cứu của

tác giả

Đường

k nh lớpvật liệu,

xung khí

xung khí (Hz)

Hạt cát

1880723

Bộ phânphối dạngđĩa đôi

Zhang và Koksal

Hạt thủy tinhCát

(3) Chi phí tác nhân sấy thấp hơn 30 đến 50%

(4) Cải thiện được chế độ sôi đồng nhất hơn (giảm được các kênh tạo ra giữa cáclớp hạt)

(5) Giảm được tỷ lệ vỡ vụn hạt

Khi so sánh với các loại máy sấy đối lưu khác thì máy sấy tầng sôi xung khí cónhiều ưu điểm như:

(1) Tốc độ truyền nhiệt và truyền ẩm lớn hơn

(2) Kích thước máy sấy nhỏ hơn và thời gian sấy thấp hơn

(3) Nâng cao chất lượng sản phẩm sấy

(4) Khả năng hòa trộn giữa vật liệu và tác nhân sấy được cải thiện hơn

(5) Hiệu suất nhiệt lớn hơn

1.3 Giới thiệu về kỹ thuật sấy đường

1.3.1 Các phương pháp sấy đường

Do đặc tính kết dính và yêu cầu của các ngành sản xuất khác nhau, đường thànhphẩm cần có độ ẩm nhỏ (0,05 – 0,2 %) nên cần thiết phải sấy (TCVN 6961 : 2001 và TCVN 6958 : 2001)

Có 3 dạng máy sấy đường thường được sử dụng là máy sấy thùng quay, máysấy tầng sôi kiểu sàng rung và máy sấy tầng sôi (Bùi Trung Thành và Nguyễn HuyBích, 2003) Kỹ thuật sấy và máy sấy đường trên thế giới cho ra đời nhiều mẫu máy,tùy theo trình độ và khả năng đầu tư của mỗi nước mà người ta có thể quyết định lựachọn các loại máy sấy phù hợp

B ảng 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá đường tinh luyện và đường thô theo TCVN

Đườngtinh luyện

(TCVN 6958:2001)

Đường thô

(TCVN 6961:2001)

3 Tro dẫn điện, % khối lượng (m/m), không

4 Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105oC trong

a Sấy đường bằng máy sấy thùng quay

Máy sấy đường thùng quay có nguyên lý trao đổi nhiệt đối lưu là bước tiến bộmới hơn về máy và kỹ thuật sấy đường của thế giới và hiện nay rất thông dụng trênnhiều quốc gia có ngành sản xuất đường Công việc nạp vào, lấy sản phẩm và đảo trộnkhối hạt trong khi sấy được thực hiện hoàn toàn bằng cơ giới hoá, nên cường độ làmviệc của người vận hành sấy nhẹ nhàng hơn Các nhà máy sản xuất đường quy môtrung bình ở Việt Nam đều được trang bị loại máy sấy này Loại máy sấy thường đượcthiết kế chiều vật liệu sấy đi ngược chiều với chiều cấp tác nhân, vị trí cấp nhiệt vàođược bố trí ngay tại khu vực cửa ra sản phẩm

Hình 1.2 H ệ thống máy sấy đường kiểu thùng quay

Ưu điểm của máy sấy thùng quay là điều khiển dễ dàng thời gian lưu của đườngtrong thùng sấy qua đó đảm bảo được độ ẩm đường sau khi sấy Tuy nhiên, các hạtđường hầu hết đều bị mài mòn ở các cạnh nên không còn khả năng phản chiếu dưới

ánh sáng, màu sản phẩm không giữ được màu tự nhiên nên làm giảm cảm quan, tỷ lệhạt biến thành bụi đường cao, tỷ lệ sản phẩm bị vón cục cũng chiếm tỷ lệ cao, nhiệt độđường sấy ra khỏi thùng quay còn cao nên phải tiếp tục phải làm nguội bên ngoài.Máy sấy thùng quay được sử dụng ở các nhà máy đường: Kiên Giang, Thới Bình – Cà Mau, Quảng Ngãi, Phan Rang, Biên Hòa, Tây Ninh,

1- cyclone thu bụi đường khô; 2- quạt hút; 3-gàu tải cấp liệu; 4- van định lượng; 5- thùng sấy;

6- cánh đảo liệu; 7-boong ke ra sản phẩm; 8- không khí nóng cấp vào; 9- thùng quay làm

nguội; 10- quạt làm nguội; 11- băng tải; 12- động cơ quay thùng sấy;

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy sấy đường kiểu thùng quay

b Sấy đường bằng máy sấy sàng rung

Cấu trúc của máy sấy sàng rung dựa theo cấu trúc của băng tải rung Hệ thốngbao gồm buồng sấy và buồng làm nguội chứa băng tải rung gồm nhiều tầng Vật liệuđược cấp từ phía trên xuống băng tải và không khí được cấp từ dưới lên Dưới buồngsấy được chia thành hai buồng riêng biệt: một để cấp gió nóng và một để cấp gió tươilàm nguội Nguyên lý hoạt động của máy sấy sàng rung được trình bày ở hình 4

1- cửa cấp khí tươi; 2- khung đỡ; 3- động cơ rung; 4-cửa cấp gió tươi; 5-chân đỡ; 6- cửa lấy sản phẩm; 7- buồng làm nguội; 8- cửa thải gió; 9- buồng sấy; 10- phễu nạp liệu

Hình 1 4 Sơ đồ và hình ảnh hệ thống máy sấy đường sàng rung

Trong quá trình sấy, vật liệu tiếp xúc với bề mặt băng tải và trao đổi nhiệt-ẩmvới không khí nóng, sau đó được làm nguội trong buồng tiếp theo trước khi bảo quản.Máy sấy sàng rung có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp, tỷ lệ vỡ hạt thấp và màu sắc tốthơn so với máy sấy thùng quay Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại các hạn chế là chi phí điệnnăng và chi phí bảo trì cao, độ ẩm của đường sau sấy không đồng đều khi lớp vật liệudày, kích thước máy lớn

c Sấy đường bằng máy sấy tầng sôi

Công nghệ tầng sôi ra đời từ khá sớm, những nghiên cứu lý thuyết về tầng sôi

đã được xuất bản từ những năm 1878 Tuy nhiên công nghệ tầng sôi vẫn chưa đượcquan tâm nghiên cứu kỹ lưỡng Đến thập niên 1940, cùng với sự phát triển của ngànhhóa dầu, nhu cầu các sản phẩm từ dầu mỏ sử dụng trong công nghiệp tăng cao khi đócông nghệ tầng sôi mới phát triển trên quy mô công nghiệp Máy sấy tầng sôi (FBDs)được ứng dụng rất rộng rãi để sấy vật liệu rời trong hóa học, thực phẩm, y dược, nôngnghiệp, hóa dầu và công nghiệp xử lý rác

1 Cửa cấp liệu; 2.Thiết bị gia nhiệt; 3 Quạt cấp khí nóng; 4 Quạt cấp khí tươi; 5 Buồng sấy; 6 Cửa ra liệu; 7 Cyclone thu bụi khô; 8 Quạt hút khí thải; 9 Thiết bị lọc bụi ướt;

Hình 1 5 Sơ đồ và hình ảnh hệ thống máy sấy đường tầng sôi

Đối với việc sấy các hạt có kích thước trong phạm vi từ 50 – 2000mm, máy sấytầng sôi đặc biệt có nhiều ưu điểm hơn các máy sấy truyền thống khác, chẳng hạn nhưmáy sấy thùng quay, máy sấy hầm, băng tải, máy sấy khay liên tục, cụ thể là,

- Tốc độ sấy cao do sự tương tác tốt giữa khí và hạt dẫn đến hệ số truyền nhiệt vàtruyền khối rất cao

- Hiệu suất nhiệt cao hơn, đặc biệt nếu sử dụng các bộ trao đổi nhiệt bên trongbuồng sấy để cung cấp nhiệt cho quá trình sấy

- Vốn đầu tư và chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với máy sấy thùng quay

- Dễ dàng vận hành và điều khiển tự động

Tuy nhiên chúng cũng có một số hạn chế như sau:

- Tiêu thụ điện năng cao do hoạt động ở chế độ sôi dẫn đến tổn thất áp suất lớn

- Yêu cầu cao về các thiết bị vận chuyển khí vì phải tuần hoàn một lượng khí thảilớn ở nhiệt độ cao, đặc biệt là khi sấy các vật liệu có độ ẩm ban đầu cao

- Nguy cơ mài mòn hạt cao

- Tính cơ động thấp và khó hóa sôi đối với vật liệu quá ướt

B ảng 1.3 So sánh giữa sấy tầng sôi với sấy thùng quay (Wen Ching Yang, 2003)

100 – 2000μmGiới hạnTrên 60 phútNhỏ

Tỉ lệ không đạt

Độ mài mòn

Tiêu thụ điện năng

Chi phí bảo dưỡng

Hiệu suất nhiệt

Tính dễ điều khiển

Năng suất

LớnCaoCaoCaoTrung bìnhThấpCao

NhỏCaoVừaTrung bìnhCaoCaoVừa

1.3.2 Các lo ại máy sấy tầng sôi thông d ng

Trên thực tế có rất nhiều cách thức phân loại máy sấy tầng sôi, cụ thể theo các

chỉ tiêu được trình bày trong bảng 4 Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà ta chọn máy

sấy loại nào cho thích hợp nhất Tuy nhiên, đối với sấy đường thường sử dụng các kiểu máy sấy như: tầng sôi liên tục dạng buồng, tầng sôi liên tục kiểu ngang và máy sấy

tầng sôi có rung

B ảng 1.4 Phân loại máy sấy tầng sôi theo các chỉ tiêu (Wen Ching Yang, 2003)

Áp suất làm việc

Áp suất thấp (sấy các sản phẩm nhạy nhiệt )

Gần bằng áp suất khí quyển (thông thường nhất)

Áp suất cao (5 bar, máy sấy dùng hơi nước)

Cơ chế dòng hạt

Hòa trộn đềuHai pha

Hỗn hợp (hòa trộn đều sau dòng hai pha)

Liên tục

Xung độngNhiệt độ khí hóa sôi Không đổi

Phụ thuộc thời gian

Liên tục/xung động

Tác động hóa sôi

Chỉ bằng dòng khí (hơi)Dòng hướng xuống (vùng phun)

Có sự hỗ trợ cơ học như rung hoặc khuấy đối với các

hạt rắn dễ dính hoặc đa phân tán

Vật liệu được hóa sôi

Chất rắn dạng hạt

Bột nhão/sệt được phun vào trong lớp hạt trơ

Vật liệu sệt được phun vào trong chất hấp thụ (silica

gel, biomass,…)Môi trường hóa sôi Không khí/khói thải/sản phẩm cháy trực tiếp

Hơi quá nhiệt

Nhiều

a Máy sấy tầng sôi liên tục dạng buồng trụ

Đối với loại máy sấy này, nhiệt độ lớp hạt là đồng đều, bằng nhiệt độ sản phẩm

và nhiệt độ khí thải Tuy nhiên, do sản phẩm có thời gian lưu cố định nên độ ẩm đượcgiảm xuống Ưu điểm của loại máy sấy hòa trộn đều là vật liệu ẩm được cấp vào lớpvật liệu tương đối khô nên dễ hóa sôi

Hình 1.6 Máy s ấy tầng sôi liên tục dạng buồng trụ

b Máy sấy tầng sôi liên tục kiểu ngang

Loại máy này thường có tỷ lệ chiều dài so với chiều rộng trong khoảng từ 5:1đến 30:1; dòng vật liệu được hóa sôi liên tục bởi dòng khí thông qua các kênh dẫn từđầu vào đến đầu ra Điều này đảm bảo thời gian lưu ổn định đối với tất cả các hạt Đốivới các hạt đơn phân tán điều này đảm bảo độ ẩm sản phẩm đồng đều Vấn đề chính làlàm sao để vật liệu ẩm vừa vào máy sấy phải được hóa sôi trực tiếp với vật liệu khôhơn như trong máy tầng sôi liên tục dạng buồng Để xử lí vấn đề này, có thể sử dụngmột số phương án như:

- Sử dụng một thiết bị khuấy tại khu vực nạp liệu

- Tuần hoàn lại vật liệu khô để giảm bớt ẩm đầu vào

- Sử dụng một máy sấy để giảm ẩm bề mặt trước khi đưa vào sấy tầng sôi.Tại vị trí sắp kết thúc quá trình sấy, hiệu suất nhiệt có thể kém đi vì quá trìnhsấy diễn ra chậm trong khi dòng tác nhân để duy trì sự hóa sôi lớn Do vậy, có thể thổivào dòng khí tươi để làm mát vật liệu sấy, vừa tăng hiệu suất nhiệt vừa làm giảm nhiệt

độ của sản phẩm

Hình 1.7 Máy s ấy tầng sôi liên tục kiểu ngang

c Máy sấy tầng sôi có rung

Đối với lớp hạt đa phân tán hoặc lực liên kết giữa các hạt trong lớp chặt thì rấtkhó hóa sôi Trong trường hợp này có thể sử dụng một loại máy sấy có cơ chế rung

kiểu hình sin cho phép “sự hóa sôi giả” giữa lớp hạt với dòng khí có tốc độ thấp Tuynhiên, do có cơ chế rung tạo sôi nên nhược điểm của loại máy sấy này là tốn công cơhọc (để rung) và độ bền của máy không cao Hầu hết các máy sấy tầng sôi rung đều làloại liên tục Nhược điểm của máy sấy rung là sẽ có một lượng đường bán thành phẩmchui qua các lỗ phân phối khí rơi xuống buồng chứa tác nhân sấy phía dưới, nên haygây nghẹt hoặc giảm tỷ lệ phân phối khí trên các lỗ ghi, dẫn đến làm giảm hiệu suấtsấy và gây thất thoát sản phẩm sấy

1- quạt cấp khí; 2- bộ trao đổi nhiệt; 3- lò xo rung; 4- cửa cấp vật liệu; 5- đường khí thải;

6- quạt hút; 7- cyclone thu bụi khô; 8- cửa ra máy sấy; 9 - sản phẩm sấy

Hình 1.8 C ấu tạo, nguyên lý máy sấy rung tầng sôi

Trong công nghệ sấy đường bằng phương pháp tầng sôi, hai loại máy sấy tầngsôi thường được sử dụng là máy sấy tầng sôi liên tục kiểu ngang và kiểu có rung Đốivới máy sấy tầng sôi kiểu ngang khi ứng dụng để sấy đường thường có nhược điểm làkhó hóa sôi, vật liệu dễ bị vón cục, chế độ sôi không đồng đều Ngược lại, máy sấytầng sôi rung có thể cải thiện được vấn đề này và có khả năng tiết kiệm chi phí nănglượng nhờ giảm được vận tốc tác nhân sấy, tuy nhiên do có cơ cấu rung nên hoạt độngkém hiệu quả hơn khi vận hành trong thời gian dài

1.4 Tổng quát về máy sấy tầng sôi xung kh

1.4.1 Nguyên lý làm vi ệc của tầng sôi xung khí

Nguyên lý làm việc của máy sấy tầng sôi kiểu xung khí quay mô tả trong hìnhsau

1- Buồng sấy; 2- lớp hạt sôi; 3- ghi đỡ hạt; 4- đĩa phân phối khí quay;

5- cửa thoát khí; 6- buồng chứa tác nhân sấy Hình 1.9 Nguyên lý s ấy cấp xung khí dạng mẻ của Todor Djurkov (1999)

Nguyên lý sấy tầng sôi xung kh :

Sự khác nhau chính giữa máy sấy lớp hạt sôi xung khí kiểu quay với một máysấy lớp hạt sôi thông thường là hệ thống phân phối khí Bộ phân phối khí là một đĩađược lắp đặt dưới ghi phân phối khí (trong buồng chứa tác nhân) Đĩa này có một khe

hở hình tròn góc mở 600-cho phép định hướng dòng khí sẽ đi xuyên qua Khi đĩa nàyquay, khí sẽ lần lượt được phân phối giữa các phần của buồng sấy, gây nên hiệu ứngxung động Bộ phân phối khí dạng phẳng vừa có chức năng đỡ hạt và vừa có chứcnăng phân phối khí đều khắp ghi đỡ hạt Đĩa phân phối khí quay nhờ nối với trục củamotor để phân phối khí một cách định kì lên toàn bộ diện tích mặt cắt ngang của ghi

Hình 1.10 Mô t ả cách cấp khí theo dạng xung

Khi đĩa quay nó sẽ thì định vị một hoặc nhiều đầu phun hình thành – chúng thì phụ thuộc vào số lượng lỗ và hoạt động của quá trình được xem như là một lớp hạtphun Khi vận tốc quay của đĩa thấp, các vòi phun quay và giữa chúng có lớp hạt tĩnh.Khi vận tốc quay của đĩa cao, toàn bộ hệ thống được tạo lớp hạt sôi giống như lớp hạt

tạo lớp hạt sôi thông thường (Todor G Djurkov, 1998).

1.4.2 Phân lo ại máy sấy tầng sôi xung khí

Có nhiều cách phân loại máy sấy tầng sôi xung khí, nhưng phân loại theophương pháp cấp khí được sử dụng rộng rãi hơn cả Theo Kudra và Mujumdar (2009)thì có 03 loại máy sấy tầng sôi xung khí bao gồm: Máy sấy cấp khí bằng van bướmđôi, máy sấy cấp khí bằng đĩa quay và máy sấy cấp khí bằng cách thay đổi vị trí dòngkhí

Phương pháp cấp khí gián đoạn bằng van bướm đôi được trình bày trên hình 11,tần số cấp xung khí thay đổi nhờ vào việc điều chỉnh tốc độ quay của van bướm Ưuđiểm của loại máy sấy này là các đặc tính thủy động trong quá trình sấy được cải thiệntốt hơn nhưng còn tồn tại nhiều hạn chế như tổn thất áp suất tăng cao khi van ở vị tríđóng và đôi khi cần thêm cơ cấu rung đối với vật liệu dạng bột có độ ẩm cao

Hình 1.11 Máy s ấy tầng sôi cấp khí bằng van bướm đôi (Kudra & Mujumdar, 2009)

Phương pháp cấp khí bằng đĩa quay được phát triển bởi Gawrzynski, Z (1979)giúp tập trung không khí vào từng vị trí trên bề mặt ghi, do đó giảm được lượng khôngkhí cấp vào và nhờ đĩa quay giúp tạo quá trình sôi đồng đều trên bề mặt ghi Nhượcđiểm của phương pháp này là chỉ áp dụng đối với máy sấy có năng suất thấp, buồngsấy dạng hình trụ và còn tồn tại nhiều vị trí không hóa sôi được bên trong buồng sấy

Hình 1.12 Máy s ấy tầng sôi cấp khí bằng đĩa quay (Gawrzynski, Z., 1979)

Đối với máy sấy tầng sôi xung khí liên tục, có tiết diện buồng sấy hình chữ nhật

thì phương án cấp khí bằng đĩa quay không phù hợp nên Gawrzynski, Z và cộng sự(1999) đã đề xuất phương án cấp khí bằng cách thay đổi vị trí dòng khí Một buồngphân phối khí gồm nhiều buồng nhỏ ngăn cách bởi các vách ngăn được lắp phía dướighi đỡ vật liệu, không khí vào bộ phân phối khí dạng xoay sẽ lần lượt được thay đổisang từng vị trí khác nhau theo thứ tự từ đầu cấp liệu đến đầu lấy sản phẩm Ưu điểmcủa phương pháp này là áp dụng đối với máy sấy liên tục có năng suất sấy lớn, phạm

vi điều chỉnh tần số xung khí lớn và hoạt động ổn định mà không cần đến cơ cấu rung

hỗ trợ Hạn chế của phương pháp cấp khí này là ở công nghệ chế tạo bộ phân phối khí,

hệ thống đường ống phức tạp và chi phí đầu tư cao

Hình 1.13 Máy s ấy tầng sôi cấp khí bằng cách thay đổi vị trí dòng khí (Gawrzynski, Z

và c ộng sự, 1999)

1.4.3 Ưu và nhược điểm của máy sấy tầng sôi xung khí

Ưu điểm của công nghệ tầng sôi xung khí:

- Tổn thất áp suất qua khối hạt giảm so với máy sấy tầng sôi truyền thống làm

giảm tiêu hao năng lượng (điện, nhiệt)

- Diện tích mặt cắt ngang thoáng của ghi đỡ hạt lớn (khoảng 30%) so với tầng sôi truyền thống (vài %)

- Vận tốc làm việc thấp hơn, trung bình thấp hơn từ 8-25% do vận tốc hóa sôi tối thiểu và vận tốc tới hạn trên đều nhỏ hơn so với tầng sôi truyền thống

- Tầng sôi xung khí còn có khả năng hóa sôi vật liệu có kích thước phân bố rộng hơn, cụ thể là vật liệu có kích thước nhỏ đường kính 0,05 mm (polypropylene hoàn nguyên) tới vật liệu có kích thước lớn như (bột giấy, mùn giấy, rau củ) Nhược điểm của công nghệ tầng sôi xung khí:

- Thiết bị tạo xung khí đòi hỏi kỹ thuật chế tạo cao, khi bị hở sẽ không đảm bảo

đủ lưu lượng cho quá trình sấy tầng sôi

- Tạo ra một số vùng chết trên bề mặt ghi do sự chuyển tiếp giữa các vùng xung khí khác nhau

cà rốt, khoai tây, hạt đậu,… Các kết quả nghiên cứu này phần này chứng minh đượcảnh hưởng của kích thước lỗ phân phối khí trên đĩa quay, tốc độ đĩa quay và chiều caolớp hạt đến tổn thất áp suất qua lớp hạt, đồng thời chứng minh được khả năng tiết kiệmnăng lượng của quá trình sấy xung khí ở quy mô thí nghiệm dạng sấy mẻ và khả năng

áp dụng ở quy mô công nghiệp dạng liên tục Riêng tác giả Todor Djurkov (2005) đãchế tạo được hệ thống sấy muối liên tục nhưng kết cấu máy cũng ở dạng mẻ cho từngphần theo chiều dài máy và tồn tại nhiều hạn chế như kết cấu cồng kềnh, tốn nhiềuđộng cơ tạo xung,…

Các nghiên cứu trên thế giới cũng còn tồn tại rất nhiều vấn đề cần giải quyếtnhư quá trình sấy xung khí đối với các vật liệu có đặc tính kết dính do nhiệt (muối,đường,…), đặc tính thủy động, quá trình truyền nhiệt-truyền ẩm và vấn đề tiết kiệmnăng lượng đối với quá trình sấy xung khí liên tục, kết cấu của bộ phận tạo xung vàảnh hưởng của nó đến quá trình sấy,…

Qua tìm hiểu trên các tạp chí khoa học có uy tín trong nước và trên thế giới, cóthể thấy các nghiên cứu về sấy đường tinh luyện nói chung, đặc biệt là sấy tầng sôixung khí là rất ít Nguyên nhân như sau:

- Đường là loại vật liệu có đặc tính kết dính khi tác động nhiệt, rất khó sấy ở

dạng mẻ nên việc nghiên cứu về sấy đường trước tiên phải giải quyết được chế

độ sôi

- Thiết bị sấy đường chủ yếu được sử dụng ở quy mô công nghiệp và trong các nhà máy đường lớn ở các nước có nền nông nghiệp mía đường phát triển Quá trình sấy đường cũng là một khâu nhỏ trong quy trình sản xuất đường

- Các máy sấy đường truyền thống như máy sấy thùng quay, tầng sôi có rung đãđược chế tạo và sử dụng ở quy mô công nghiệp rất rộng rãi trên thế giới nên để

thay thế chúng cần nghiên cứu chứng minh được tính ưu việt hoặc khả năng tiết

kiệm năng lượng của hệ thống sấy mới

Do vậy, nhận thấy việc nghiên cứu về kỹ thuật sấy đường tầng sôi xung khí làhướng đi mới cần tiến hành sớm do yêu cầu về mặt chất lượng sản phẩm ngày càngcao và trong tình hình cả thế giới đang hướng đến vấn đề tiết kiệm năng lượng và pháttriển bền vững

1.6 M c tiêu nghiên cứu

Đường tinh luyện RS, muối tinh là các vật liệu được hình thành từ quá trình kếttinh, độ ẩm sau công đoạn sau ly tâm thường có độ ẩm khoảng từ 1%-2% (đối vớiđường RS) và 3%-5% (đối với muối tinh) nên phải thực hiện sấy ngay, nếu không chỉsau một thời gian ngắn vật liệu cũng bị kết dính và vón cục, đặc biệt khi có tác độngnhiệt thì càng dễ bị kết dính Thực tế đặc tính kết dính sẽ gây khó khăn trong việc sấykhô trong lớp hạt sôi liên tục, trong khi yêu cầu chất lượng sản phẩm sấy yêu cầu phảicao Với các loại vật liệu nói trên, việc sấy bằng máy sấy tầng sôi đã được các nhà khoa học của thế giới công bố và đưa vào ứng dụng thành công Một số loại máy đã đivào thương mại hóa ví dụ như máy sấy rung tầng sôi ứng dụng trong sấy muối tinh,sấy đường, máy sấy kiểu dòng hai pha dùng trong sấy men bánh mì…

Máy sấy tầng sôi cho nhiều ưu điểm nên nó được xếp vào nhóm máy sấy caocấp, tuy vậy loại máy sấy tồn tại nhược điểm lớn nhất là chi phí năng lượng của quạtcấp tác nhân sấy phải lớn hơn nhiều so với các loại máy sấy khác (Theo Bùi Trung Thành (2014) trong thiết kế nhiều loại loại máy sấy thì khi sấy vật liệu hạt có kíchthước <1mm-1,5mm đối với máy sấy tĩnh thì vận tốc tác nhân sấy có thể 0,1-0,2m/s, máy sấy thùng quay 1-1,2m/s thì máy sấy tầng sôi phải từ 1,5-2,5m/s)

Như vậy máy sấy tầng sôi có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các loại máy sấyvật liệu rời nhưng có 2 hạn chế chính như sau :

- Do cần phải làm giả lỏng khối hạt sấy nên tổn thất áp suất qua lớp hạt lớn, yêucầu phải sử dụng quạt có áp suất cao, lưu lượng cao hơn do đó làm tăng chi phíđầu tư và tăng chi phí điện trong vận hành Ngoài ra do quạt có áp cao và lưulượng cao nên khi vận hành quạt cũng gây ra tiếng ồn

- Yêu cầu kích thước hạt sấy nằm trong phạm vi giới hạn và có độ đồng đều cao,nếu không khả năng hóa sôi bị hạn chế Đối với vật liệu có kích thước đa phântán thì khi sấy sẽ bị cuốn theo dòng khí đi ra ngoài hệ thống, còn đối với vậtliệu mịn (kích thước nhỏ) hoặc thô (kích thước lớn) thì khó có thể hóa sôi được,ngoài ra với vật liệu mịn, nhỏ dễ xảy ra hiện tượng phân phần tầng, kết quả làtầng sôi không ổn định và làm giảm khả năng truyền nhiệt và truyền khối

Để giải quyết hai vần đề tồn tại của máy sấy tầng sôi thông thường này các nhàkhoa học trên thế giới đã nghiên cứu cải tiến máy sấy tầng sôi bằng cách:

(1) Kết hợp máy sấy tầng sôi với một máy sấy khác để sấy giảm ẩm sơ bộ và tạo

ra lớp hạt gần sôi để làm giảm trở lực của khối hạt trong máy sấy tầng sôi ví

dụ máy sấy tầng sôi liên hợp với máy sấy phun, máy sấy tầng sôi liên hợpvới máy sấy thùng quay;

(2) Sử dụng thêm cơ cấu cơ khí đặt bên trong máy sấy để làm xáo trộn vật liệutrong máy sấy từ đó làm giảm trở lực của khối hạt;

(3) Áp dụng nguyên lý tầng sôi phun cho các vật liệu có kích thước lớn (vật liệunhóm D- Geldart);

(4) Tuần hoàn vật liệu bên trong máy sấy;

(5) Sử dụng thêm các bề mặt truyền nhiệt bên trong để tăng cường truyền nhiệt,truyền khối

Vấn đề áp dụng cơ chế cấp khí gián đoạn (cấp khí dạng xung) đang được các tác giả nghiên cứu trên quy mô thí nghiệm áp dụng cho các loại vật liệu rời

dạng hạt như hạt củ cải, lúa, đậu Pinto,…trong khi các nghiên cứu và ứng dụng sấy đường RS và muối tinh bằng máy sấy tầng sôi xung khí còn hạn chế thì cần thiết

phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp và công nghệ mới áp dụng kỹ thuật tầng sôi xung khí trong việc sấy các loại vật liệu có đặc tính kết dính, đặc biệt là đường RS, đường RE, muối tinh là các loại hàng hóa có sản lượng lớn nhằm đáp ứng về mặt

chất lượng, nâng cao hiệu suất sấy, nhưng phải giảm chi phí về tiêu thụ điện trong

sấy nhằm vừa thỏa mãn về chất lượng sản phẩm sấy vừa bảo đảm chi phí sấy theo hướng tiết kiệm năng lượng

Dựa trên các phân tích trên, các vấn đề cần tập trung nghiên cứu:

(a) Đối tượng nghiên cứu: cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệmxác định các tính chất nhiệt vật lý của đường RS, bao gồm: phân bố cỡ hạt, đường kínhhạt, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ xốp, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ

số khuếch tán nhiệt

(b) Kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí áp dụng để sấy đường RS: kế thừa và tiếp tụcnghiên cứu cả lý thuyết lẫn thực nghiệm để lựa chọn phương án cấp xung khí hợp lý

và chứng minh khả năng áp dụng kỹ thuật tầng sôi xung khí cho sản phẩm đường RS

(c) Đặc tính thủy động của quá trình sấy tầng sôi xung khí: nếu xét ở một chu

kì cấp khí thì đặc tính thủy động của tầng sôi xung khí tương tự như tầng sôi thôngthường, tuy nhiên khi xét đến toàn bộ quá trình sấy và tại các vị trí khác nhau trongbuồng sấy thì đặc tính thủy động của tầng sôi xung khí sẽ khác biệt Kết quả nghiêncứu về đặc tính thủy động tầng sôi xung khí của nhiều tác giả (Gawrzynski, 1999, 2006; Hamed Khosravi Bizhaem và cộng sự, 2013; Kudra và cộng sự, 2002; Rogula,2009; Sobrino và cộng sự, 2007) cho thấy ảnh hưởng của vận tốc hóa sôi, tần số xungkhí và nhiệt độ sấy đến tổn thất áp suất qua lớp hạt nhưng chưa phân tích được ở máysấy tầng sôi liên tục và chưa công bố đường cong tổn thất áp suất trong nhiều chu kìcấp khí liên tục Do đó, luận án cần tập trung nghiên cứu đặc tính thủy động của máysấy tầng sôi xung khí dạng liên tục và dạng mẻ để đánh giá tổn thất áp suất qua lớp hạt

sôi – đây là thông số quan trong quyết định đến công suất quạt và chi phí điện năngcho quá trình sấy.

(d) Quá trình truyền nhiệt-truyền ẩm trong sấy tầng sôi xung khí: nghiên cứu lý

thuyết bằng cách xây dựng và giải quyết được các phương trình truyền nhiệt và truyền

ẩm trong quá trình sấy tầng sôi xung khí đối với sản phẩm đường RS, xác định hệ sốtruyền nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm, tốc độ sấy và thời gian sấy của quá trình Thông quathực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

(e) Thiết bị sấy tầng sôi xung khí: phân tích và lựa chọn dạng thiết bị sấy phùhợp để sấy đường ở quy mô công nghiệp Máy sấy dạng mẻ bị hạn chế bởi năng suất

và kích thước máy nên đối với sấy đường cần tiến hành sấy liên tục, tuy nhiên theo cáccông bố khoa học thì chỉ có Todor G Djurkov (2001) công bố kết quả chế tạo máy sấymuối tầng sôi xung khí quy mô công nghiệp nhưng dạng máy sấy này bao gồm 3 vùngcấp khí dạng mẻ và Somkiat Prachayawarakorn và cộng sự (2005) nghiên cứu máy sấylúa liên tục có năng suất lớn được áp dụng ở quy mô công nghiệp Các nghiên cứutrước đó và hiện này đa phần tập trung ở dạng máy sấy tầng sôi mẻ theo mẫu sáng chếcủa Gawrzynski Z và cộng sự (1999, 2003) và chưa có nghiên cứu áp dụng với sảnphẩm là đường RS

(f) Thông số công nghệ của quá trình sấy: căn cứ vào kết quả nghiên cứu lýthuyết thiết kế, chế tạo mô hình vật lý để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm xâydựng và xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ (nhiệt độ, vận tốc khí, tần sốxung khí, kích thước hạt,…) đến chất lượng sản phẩm đường RS và chi phí sấy

(g) Khả năng tiết kiệm năng lượng khi sấy tầng sôi xung khí: nghiên cứu lýthuyết và thực nghiệm xác định mối tương quan giữa chi phí năng lượng với các thông

số công nghệ của quá trình sấy đáp ứng chất lượng sản phẩm sấy, qua đó phân tích vàđánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của máy sấy tầng sôi xung khí để sấy đường

RS khi so sánh với các máy sấy đường hiện nay (máy sấy thùng quay, máy sấy tầngsôi rung)

Từ đó, mục tiêu nghiên cứu của đề tài đặt ra như sau:

- Áp dụng được kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí phù hợp với vật liệu là đường RS

- Thiết kế, chế tạo được 01 mô hình vật lý phục vụ nghiên cứu thực nghiệm

- Xây dựng được chế độ sấy đường RS đạt chất lượng theo tiêu chuẩn TCVN.Đối tượng nghiên cứu của đề tài là đường RS sau ly tâm có độ ẩm từ 1% – 2%, dảiphân bố kích thước hạt từ 0,4 – 1,2mm Phạm vi nghiên cứu của đề tài là sấy đường

RS trên máy sấy tầng sôi xung khí liên t c

1.7 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra của nhiệm vụ, đề tài tập trung vào 07 nội dung chính nhưsau:

Nội dung 1: Liệt kê các loại vật liệu sấy theo yêu cầu nghiên cứu đặt ra Xác định

được các thông số nhiệt vật lý của các vật liệu đã khảo sát.

Kết quả cần đạt:

- Trình bày lý thuyết kỹ thuật phương pháp sấy và kỹ thuật các máy sấy

- Trình bày ưu điểm và nhược điểm có trong từng phương pháp và máy sấy phântích ở trên

- Nêu ra được các tồn tại, nhược điểm trong các phương pháp và các loại máysấy ở trên

- Đề xuất hướng cải tiến, nghiên cứu và ứng dụng theo hướng mới của đề tài.Nội dung 3: Xây dựng được cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh về tính toán, thiết kế thiết bịsấy tầng sôi liên tục kiểu xung khí

Kết quả cần đạt:

- Lý thuyết tầng sôi để tính toán vận tốc sôi tối thiểu, vận tốc làm việc, vận tốctới hạn và tổn thất áp suất qua lớp hạt

- Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế máy sấy tầng sôi xung khí

Nội dung 4: Thiết kế được buồng chứa vật liệu sấy, buồng cung cấp tác nhân, buồnglắng bụi sấy

Kết quả cần đạt:

- Tính toán các thông số phục vụ tìm ra kích thước các phần đã nêu trong mụctiêu một cách chi tiết, cụ thể

- Bản vẽ thiết kế chi tiết các phần

- Các thông số, số liệu về thời gian sấy, độ ẩm vật liệu sấy, lưu lượng tác nhânsấy và công suất các loại động cơ sử dụng cho quá trình

Nội dung 5: Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ phận cấp khí tạo xung tác nhân khí vàobuồng sấy vật liệu