Thiết kế hệ thống sấy thùng quay và nghiên cứu cơ chế độ sấy tối ưu bằng quy hoạch thực nghiệm

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng I.1 : Chỉ tiêu hoá lý đường tinh luyện Bảng I.2 : Chỉ tiêu hoá lý đường trắng Bảng I.3 : Chỉ tiêu hoá lý đường thô Bảng I.4 : Chỉ tiêu hóa lý đường vàng tinh khiết

thiết kế hệ thống sấy thing quay

và nghiên cứu chế độ sấy tối -u bằng quy hoạch thực nghiệm

GV h-ớng dẫn : PGS TS Tôn thất minh

SV thực hiện : nguyễn khắc quân

Lớp : 48K - Công nghệ thực phẩm

MỤC LỤC

PHẦN I : TỔNG QUAN

I.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG

I.1.1 Ý nghĩa của nghành công nghiệp chế biến đường

I.1.2 Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới

I.1.3 Tình hình công nghiệp đường của nước ta

I.1.4 Tính chất của đường saccarose

I.1.5 Quy trình công nghệ sản xuất đường

I.1.6 Các loại sản phẩm đường

I.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY

I.2.1 Khái niệm

I.2.2 Phân loại vật liệu ẩm và các trạng thái của nước trong vật liệu I.2.3 Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu trong quá trình sấy

I.2.4 Các giai đoạn trong quá trình sấy

I.2.5 Các phương pháp sấy

I.2.6 Lựa chọn thiết bị sấy đường

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY SẤY THÙNG QUAY

II.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

II.1.1 Cấu tạo

II.1.2 Nguyên lý làm việc

II.1.3 Đặc tính nguyên liệu sấy(đường Saccharoza)

II.1.4 Yêu cầu công nghệ sản xuất sau khi sấy

II.2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC SƠ BỘ

II.2.1 Tính cân bằng vật chất

II.2.2 Xác định thời gian sấy

II.2.2 Xác định kích thước sơ bộ hệ thống sấy thùng quay

II.3 TÍNH TOÁN NHIỆT CHO THÙNG SẤY

II.3.1 Quá trình sấy lý thuyết

II.3.2 Quá trình sấy thực tế

II.4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CALORIPHE

II.5 XÁC ĐỊNH TRỞ LỰC SẤY VÀ CÔNG SUẤT QUẠT

II.5.1 Xác định cột áp toàn phần

II.5.2 Công suất của quạt

II.6 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

II.6.1 Tính công suất quay thùng

II.6.2 Tải trọng tác dụng lên thùng

II.6.3 Tính bền thân thùng

II.6.4 Kiểm tra mối hàn thân thùng

II.6.5 Tính con lăn đỡ

II.6.6 Tính điểm đặt bánh răng vòng

PHẦN III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY

III.1 TỔNG QUAN VỀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ TỐI ƯU HÓA III.2 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

III.2.1 Mô hình thí nghiệm và các thiết bị sử dụng

III.2.2 Phương pháp xử lý nguyên liệu

III.2.3 Phương pháp xác định độ ẩm

III.2.4 Phương pháp tiến hành thí nghiệm, điều chỉnh các thông số công nghệ

III.3.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH

III.3.1 Chuẩn bị thực nghiệm

III.3.2 Tiến hành thí nghiệm

III.3.3 kế hoạch thực nghiệm bậc một 2 mức tối ưu toàn phần ( kế hoạch 2 k

)

III.3.4 Kết quả thí nghiệm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng I.1 : Chỉ tiêu hoá lý đường tinh luyện

Bảng I.2 : Chỉ tiêu hoá lý đường trắng

Bảng I.3 : Chỉ tiêu hoá lý đường thô

Bảng I.4 : Chỉ tiêu hóa lý đường vàng tinh khiết

Bảng II.1: Thông số của tác nhân sấy và hơi đốt

Bảng II.2: Chọn kích thước của caloriphe

Bảng II.3: Kích thước cơ bản của xyclon

Bảng III.1 : Thí nghiệm theo nhiệt độ

Bảng III.2 : Thí nghiệm theo tốc độ tác nhân sấy

Bảng III.3 : Thí nghiệm theo tốc độ vòng quay của thùng

Bảng III.4: Điều kiện thí nghiệm

Bảng III.5: Ma trận thực nghiệm trực giao cấp 1

Bảng III.6: Xác định các hệ số hồi quy có nghĩa

Bảng III.7: Kiểm tra tính thích ứng của mô hình

Bảng III.8: Tính bước chuyển động δi của các yếu tố

Bảng III.9: Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ SƠ ĐỒ

Hình I.1 Hệ thống sấy tầng sôi

Hình I.2 : Hệ thống sấy rung nằm ngang

Hình II.1 : Hệ thống sấy thùng quay

Đồ thị III.5: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay thùng đến thời gian sấy khi

cố định, tốc độ tác nhân sấy V = 4 m/s , nhiệt độ sấy 80ºC

Đồ thị III.6: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay thùng đến độ ẩm vật liệu khi

cố định, tốc độ tác nhân sấy V = 4 m/s , nhiệt độ sấy 80ºC

LỜI MỞ ĐẦU



Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nông nghiệp Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai trò đặc biệt quan trọng Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới với gần 80% dân số làm nghề nông nên các loại nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú và có sản lượng rất lớn Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực phẩm có thể coi là nhiệm vụ chiến lược trong sự nghiệp phát triển kinh tế Trước đây, nông sản thực phẩm được phơi dưới ánh nắng mặt trời nên sản phẩm thu được thường có chất lượng thấp, thời gian phơi sấy lâu và bị phụ thuộc vào thời tiết Công nghệ sấy phát triển cho phép tạo ra các sản phẩm có giá trị và chất lượng cao Một hướng được khá nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu là ảnh hưởng của các thông số đến chế độ vận hành của máy sấy nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất Mục tiêu là giảm tiêu hao năng lượng và thời gian sấy nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm

Trong công nghệ sản xuất đường, công đoạn sấy đóng vai trò quan trọng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, công nghệ sấy đường hiện nay được thực hiện chủ yếu trên thiết bị sấy thùng quay Việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy thùng quay để sấy đường cho các cơ sở sản xuất quy

mô nhỏ nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế là việc cần thiết đối với những người làm công tác nghiên cứu và kỹ thuật Bên cạnh đó, máy sấy thùng quay có thể ứng dụng để sấy các loại sản phẩm khác như: sản phẩm dạng hạt, sản phẩm có kích thước nhỏ như đậu đỗ, cà phê, ngô hạt, muối ăn, quả và củ cắt nhỏ Máy sấy thùng quay có những ưu điểm lớn như làm việc ổn định, năng suất cao và rất kinh tế

Yêu cầu đặt ra là phải xác định được chế độ vận hành của máy sao cho kinh tế nhất nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm sấy Vì vậy, đồ

án này có hai nội dung chính là thiết kế chế tạo máy sấy thùng quay và nghiên cứu tìm chế độ công nghệ sấy tối ưu sản phẩm đường trên máy sấy thùng quay

Trong thời gian làm luận văn do thời gian không nhiều nên một số nội dung không tránh khỏi thiếu sót, còn đôi chỗ chưa thật hoàn chỉnh Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Tôn Thất Minh đã hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin chân thành cám ơn toàn thể bộ môn hóa thực phẩm cùng các thầy cô trong khoa hóa học đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong những năm học vừa qua

PHẦN I : TỔNG QUAN

I.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG

I.1.1 Ý nghĩa của nghành công nghiệp chế biến đường

Đường là một thức ăn rất quan trọng cho sự sống của con người: Cùng với protit, chất béo, muối vô cơ, đường là sản phẩm dinh dưỡng cần thiết chủ yếu cho con người Chúng ta đều biết năng lượng chủ yếu cần cho cơ thể con người là do gluxit cung cấp Đường là một loại gluxit Đường có khả năng chuyển hóa thành năng lượng dễ dàng và nhanh chóng Đường đóng góp lớn đối với ngành kinh tế quốc dân: Ngoài việc dùng làm thức ăn trực tiếp đường là một loại thực phẩm có nhiều công dụng như làm bánh kẹo các loại, nước giải khát, cà phê, …Làm tăng hương vị của các loại thực phẩm khác như trong kỹ nghệ sản xuất đồ hộp hoặc dùng trong y học để chữa bệnh

I.1.2 Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới

Ấn độ là nước đầu tiên trên thế giới biết sản xuất đường từ mía Vào khoảng năm 398 người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết chế biến mật đường thành tinh thể Từ đó, kỹ thuật sản xuất đường phát triển sang Ba Tư, Ý,

Bồ Đào Nha, đồng thời đưa việc tinh luyện đường thành một ngành công nghệ mới

Lúc đầu công nghiệp đường còn rất thô sơ, người ta ép mía bằng 2 trục gổ đứng, lấy sức kéo từ trâu bò, lắng trong bằng vôi, cô đặc ở chảo và kết tinh tự nhiên

Công nghiệp đường tuy có từ lâu đời, nhưng 200 năm gần đây mới được cơ khí hóa Nhiều thiết bị quan trọng được phát minh vào thế kỷ 19 Năm 1813 Howard phát minh nồi bốc hơi chân không nhưng mới chỉ dùng một nồi nên hiệu quả bốc hơi thấp, đến năm 1843 Rillieux cải tiến thành hệ bốc hơi nhiều nồi, nên có thể tiết kiệm được lượng hơi dùng Năm 1837 Pouzolat phát minh ra máy ly tâm, nhưng có hệ thống truyền động ở đáy lấy dịch đường ở trên nên thao tác không thuận tiện Sau đó, năm 1867 Weston cải tiến thành máy ly tâm có hệ thống truyền động ở trên và loại

máy này hiện nay đang được sử dụng phổ biến Đến năm 1878 máy sấy thùng quay xuất hiện, 1884 thiết bị kết tinh làm lạnh ra đời

Trong những năm gần đây ngành đường đã phát triển một cách nhanh chóng, vấn đề cơ khí hóa, liên tục hóa và tự động hóa trên toàn bộ dây chuyền sản xuất được áp dụng rông rãi trong các nhà máy đường

I.1.3 Tình hình công nghiệp đường của nước ta

Việt Nam là một quốc gia có truyền thống sản xuất đường mía từ lâu đời Cùng với sự phát triển của ngành đường trên thế giới, nghề làm đường thủ công ở nước ta cũng phát triển mạnh

Trong thời kỳ Pháp thuộc, ngành đường nước ta phát triển một cách chậm chạp, sản xuất thủ công là chủ yếu Lúc này ta chỉ có 2 nhà máy đường hiện đại: Hiệp Hòa (miền nam) và Tuy Hòa (miền trung) Theo thống kê năm 1939 toàn bộ lượng đường mật tiêu thụ là 100.000 tấn

Sau ngày hòa bình lập lại, dưới sự lãnh đạo của Đảng, lòng nhiệt tình lao động của nhân dân ta cộng với giúp đở của các nước XHCN ngành đường nước ta ngày càng bắt đầu phát triển Trong những năm 1958 –

1960, chúng ta xây dựng 2 nhà máy đường hiện đại Việt Trì và Sông Lam (350 tấn mía/ngày) và nhà máy đường Vạn Điểm (1.000 tấn mía/ngày) Khi đất nước thống nhất, chúng ta tiếp tục xây dựng thêm một số nhà máy đường hiện đại ở miền Nam như: nhà máy đường Quảng Ngãi (1.500 tấn mía/ngày), Hiệp Hòa (1.500 tấn mía/ngày), nhà máy đường Phan Rang (350 tấn mía/ngày), 2 nhà máy đường tinh luyện Khánh Hội (150 tấn mía/ngày) và Biên Hòa (200 tấn mía/ngày), gần đây ta xây dưng thêm 2 nhà máy đường mới: La Ngà (2.000 tấn mía/ngày), Lam Sơn (1.500 tấn mía/ngày)

Với các nhà máy đường hiện đại và các cơ sở sản xuất đường thủ công, kết hợp với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật sản xuất đường, chắc chắn trong thời gian tới nước ta sẽ có một nền công nghiệp đường tiên tiến nhằm đáp ứng nhu cầu về lượng đường sử dụng cho nhân dân và góp phần xây dựng cho sự phát triển kinh tế nước ta

I.1.4 Tính chất của đường saccarose

 Tính chất vật lý

Là chất rắn kết tinh, không màu, trong suốt, có vị ngọt

Khối lượng riêng: 1588 kg/m3

Nhiệt độ nóng chảy: 160 – 1800

C

Ở nhiệt độ lớn hơn 1050C đường bị caramel hóa một phần

Không tan trong dầu hỏa, Ancol, CS2, Benzen, Glyxeri khan, …

Dễ tan trong nước độ tan tỉ lệ thuận với nhiệt độ

 Tính chất hóa học

- Trong môi trường axit:

Đường saccarose bị thủy phân thành glucoza và fructoza

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6

Phản ứng trên là phản ứng nghịch đảo đường

- Trong môi trường kiềm:

Dung dịch đường có tính axit yếu nên tác dụng được với các chất kiềm tạo thành saccarate Phản ứng kiềm áp dụng trong sản xuất đường là phản ứng vôi:

Mono và Đi canxi saccarate dễ bị phân hủy, Tri saccarate khó bị phân hủy Đặc tính này của Tri saccarate được ứng dụng để lấy đường saccarose

Xử lý Mía

Thuyết minh quy trình:

a Thu hoạch mía:

Khi mía đã chín thì tiến hành thu hoạch, có thể thu hoạch bằng phương pháp thủ công hoăc cơ giói Mía được xem là chín khi hàm lượng đường trong thân mía đạt tối đa, và lượng đường khử còn lại ít nhất

b Xử lý và lấy nước mía:

Để lấy nước mía người ta thường dùng phương pháp ép Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến ở các nhà máy đường hiện nay

Nguyên lí của phương pháp này là dùng lực cơ học làm biến đổi thể tích cây mía, từ đó phá vở tổ chức tế bào để lấy nước mía

Nhằm tạo điều kiện cho quá trình ép dễ dàng hơn, nâng cao năng suất

và hiệu suất ép Hệ thống xử lí mía trước khi ép bao gồm các quá trình sau:

- San bằng mía: Do đưa xuống băng tải, mía ở trạng thái lộn xộn, không đồng đều, do dó cần phải san bằng lớp mía trên băng tải, đảm bảo

độ đồng đều của lớp mía, tăng mật độ mía

- Băm mía: Mía được băm thành từng mảnh nhỏ nhằm phá vỡ lớp vỏ cứng của cây mía làm tế bào mía lộ ra, đồng thời san mía thành lớp ổn định

trên băng tải và nâng cao mật độ mía trên băng tải Nhờ vậy nâng cao năng suất và hiệu suất ép mía

- Đánh tơi: Sau khi qua máy băm, lượng mía chưa được băm nhỏ còn nhiều nên chúng cần phải qua máy đánh tơi để phá vỡ hơn nữa tổ chức tế bào của cây mía, và làm tăng mật độ mía đưa vào máy ép Nếu dùng máy đánh tơi, hiệu suất ép có thể tăng khoảng 1%

c Làm sạch nước mía:

Nước mía hỗn hợp sau khi ép có một lượng lớn chất không đường, đa

số những chất này gây ảnh hưởng không tốt cho quá trình sản xuất Vì vậy mục đích chủ yếu của việc làm sạch nước mía là:

- Loại tối đa chất không đường ra khỏi hỗn hợp, đặc biệt là các chất

có hoạt tính bề mặt và các chất keo để nâng cao hiệu suất thu hồi đường

- Trung hoà acid trong nước mía hỗn hợp để hạn chế đường saccarose chuyển hóa

- Loại những chất rắn lơ lửng và các chất màu trong nước mía nhằm nâng cao phẩm chất đường thành phẩm

d Cô đặc nước mía:

Bốc hơi nước mía có nồng độ ban đầu (khoảng 13 – 15oBx) đến nồng

độ mật chè (khoảng 60 – 65o

Bx)

Tuy nhiên nếu cô đặc nước mía tới nồng độ quá cao (>70oBx) sẽ xuất hiện các tinh thể đọng lại (trong đường ống và bơm), tăng độ nhớt gây khó khăn cho quá trình lọc , còn nếu loãng quá thì sẽ tốn hơi và tăng thời gian nấu

Người ta thường dùng thiết bị cô đặc ống chùm thẳng đứng hoặc thiết

bị cô đặc tuần hoàn đơn

e Nấu đường – Trợ tinh:

Mục đích của quá trình nấu đường là tách nước ra khỏi mật chè, đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hoà để thực hiện quá trình kết tinh đường Sản phẩm sau khi nấu đường là đường non bao gồm tinh thể đường và mật cái

Đường non lấy ra từ nồi nấu chứa một thành phần đường nhất định

Do đường non nấu giai đoạn cuối ở thể tích lớn, nồng độ mẫu dịch cao, độ nhớt lớn cho nên sự đối lưu trong nồi không tốt Và nếu muốn hoàn thành quá trình kết tinh trong nồi nấu thì phải trải qua một thời gian dài mà hiệu quả lại không cao, mà còn tiêu tốn nhiều hơi đốt

Vì vậy sau khi nấu đến nồng độ chất khô 98 ÷ 99% cần cho đường non vào thiết bị trợ tinh để kết tinh thêm đồng thời làm cho đường non thích ứng với điều kiện ly tâm

Trong thiết bị trợ tinh ta hạ thấp nhiệt độ để độ hòa tan của đường giảm làm cho độ quá bão hòa tăng, quá trình kết tinh tiếp tục, các tinh thể lớn lên ta khống chế nhiệt độ và nồng độ thích hợp làm cho tinh thể tiếp tục hấp thụ thành phần đường dư của mẫu dịch, giảm bớt thành phần đường trong mẫu dịch, làm tăng hiệu suất thu hồi

f Ly tâm tách mật:

Đây là quá trình tách mật đường non ra khỏi tinh thể đường bằng lực

ly tâm trong thùng quay với tốc độ cao

Đầu tiên cho máy ly tâm quay từ từ đến khi tốc độ máy đạt 200 – 300 vòng/phút, sau đó mở van nạp liệu cho đường non vào

Thông thường cho đường vào đầy thùng quay để phát huy tối đa năng suất thiết bị, tuy nhiên trong thực tiễn lượng nạp liệu thay đổi tùy thuộc vào chất lượng đường non Nếu hạt đường cát lớn, độ dính nhỏ, dễ tách mật nên lớp đường có thể dày, tuy nhiên không được tràn mâm quay Ngược lại nếu đường cát không đồng đều, độ dính lớn nên khống chế chiều dày lớp đường mỏng hơn để dễ tách mật đường, giảm thời gian tách mật

g Sấy đường:

Độ ẩm ban đầu của đường tinh thể không những phụ thuộc vào phương pháp rửa bằng nước hay hơi nước trong quá trình ly tâm, nếu rửa bằng nước thì nó có độ ẩm đầu từ 1 - 1,7 %, nếu rửa bằng hơi nước thì từ 0,7 - 1,6%, mà nó còn phụ thuộc vào tốc độ quay của máy ly tâm Nếu vận tốc nhỏ hơn 1200 vòng/phút thì độ ẩm của đường có thể từ 2 - 3,5%

Sấy nhằm mục đích làm đường khô đạt độ ẩm cuối từ 0,05 - 0,07%

tùy thuộc vào từng loại đường, màu sắc của đường sau khi sấy phải trắng,

bóng không bị biến đổi chất lượng khi bảo quản

Quá trình sấy đường tương đối dễ dàng, vì tinh thể đường không

ngậm nước, chủ yếu tách ẩm trên bề mặt tinh thể đường Đường sấy với

nhiệt độ của tác nhân sấy từ 70 – 900C, nếu nhiệt độ vượt quá 1050

C, đường sẽ ngả vàng làm giảm giá trị thương phẩm

Trong quá trình sấy đường cần lưu ý:

Vì bụi đường có thể gây nổ khi nó quá nhỏ và lẫn lộn trong không khí

nên cần phải thông gió bằng quạt hút để để tránh bụi đường lan tỏa trong

phòng sấy qua các khe của máy

h Phân loại - Đóng gói – Bảo quản:

Sau khi sấy và làm nguội, đường được vận chuyển bằng hệ thống

băng tải sang các sàng phân loại rồi đến các phễu chứa đường để đóng gói

Sau đó dùng băng tải hoặc xe chở đường vào kho để bảo quản

I.1.6 Các loại sản phẩm đường

a Đường tinh luyện

Đường tinh luyện là đường Saccharose được tinh chế và kết tinh và

Bảng I.1: Chỉ tiêu hóa lý đường tinh luyện

(0UI)

luyện

- Bao bì nhãn, vân chuyển, bảo quản

+ Bao PP không có mùi không ảnh hưởng đến chất lượng của đường Ghi nhãn theo quy định 178/1999/QĐ – TT

+ Bảo quản nơi khô ráo, sạch sẽ, tránh mưa nắng Tránh xa nguồn ô nhiễm Không được vẩn chuyển chung với hóa chất

b Đường trắng (TCVN 6950: 2001)

- Đường trắng là đường Saccharose được tinh chế và kết tinh, được chia làm hai dạng A, B

- Chỉ tiêu về cảm quan

+ Về ngoại hình mùi vị yêu cầu giống đường tinh luyện

+ Về màu sắc đối với hạng đường A: Tinh thể màu trắng, khi pha vào nước cho dung dịch trong suốt Đối với hạng B: Tinh thể có màu trắng ngà tới trắng, khi pha vào nước cho dung dịch tương đối trong

Bảng I 2: Chỉ tiêu hóa lý đường trắng

- Bao gói, vận chuyển, bảo quản tương tự như đường tinh luyện

c Đường thô ( TCVN 6961: 2001)

- Là đường Saccharose được làm sạch, kết tinh có độ Pol từ 96 – 99

% Tinh thể có bám một lớp đường vàng, hoặc nâu vàng Được chia thành hai hạng 1 và hạng 2

Bảng I 3: Chỉ tiêu hóa lý đường thô

Độ tro (%)

Đường khử (%)

Độ màu (UI)

Tạp chất không tan

I.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY

I.2.1 Khái niệm

Sấy là quá trình tách ẩm (hơi nước và nước) ra khỏi vật liệu sấy (VLS), trong đó VLS nhận năng lượng để ẩm từ trong lòng VLS dịch chuyển ra bề mặt và đi vào môi trường tác nhân sấy (TNS) Quá trình sấy

là quá trình truyền nhiệt, truyền chất xẩy ra đồng thời Trong lòng VLS là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Quá trình bên trong VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của dạng liên kết

ẩm với cốt khô của vật liệu, quá trình ở bề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh

hưởng của cơ cấu trao đổi nhiệt ẩm và các thông số của TNS cũng như VLS

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái từ pha lỏng của vật liệu thành pha hơi Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng mà ta thường gọi là ẩm, như vậy trên thực tế có thể coi quá trình sấy là quá trình tách ẩm bằng phương pháp nhiệt

Sấy là quá trình công nghệ, trong đó các tính chất công nghệ luôn luôn thay đổi Tính chất công nghệ của vật liệu gồm: tính chất hóa lý, tính chất cơ kết cấu, tính chất sinh học…

Qúa trình sấy nhằm tăng cường một số đặc tính công nghệ để phục vụ nhiều mục đích khác nhau Sấy hạt giống thì phải làm tỷ lệ và khả năng nảy mầm cao lên; sấy nông sản thực phẩm thì giữ được hương vị, màu sắc, nguyên tố vi lượng và tăng được thời gian bảo quản, giảm được giá thành

vận chuyển, giảm được thể tích kho bảo quản…

I.2.2 Phân loại vật liệu ẩm và các trạng thái của nước trong vật liệu I.2.2.1 Phân loại vật liệu ẩm

Theo quan điểm hóa lý, vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng và khung không gian từ chất rắn phân tán đều trong môi trường phân tán (là một chất khác)

Dựa theo tính chất lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại:

Vật liệu keo đặc trưng: là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt Nước hoặc ẩm ở dạng liên kết hấp thụ và thẩm thấu Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co lại khá nhiều, nhưng vẫn giữ được tính dẻo Ví dụ: gelatin, các sản phẩm từ bột nhão, tinh bột…

Vật liệu mao dẫn xốp: Nước hoặc ẩm ở dạng liên kết cơ học do áp lực mao quản hay còn gọi là lực mao dẫn Vật liệu này thường dò hầu như không có lại và dễ dàng làm nhỏ (vỡ vụn) sau khi làm khô Ví dụ: đường tinh thể, muối ăn …

Vật liệu keo xốp mao dẫn: Bao gồm tính chất của hai nhóm trên Về cấu trúc tinh chất các vật này thuộc xốp mao dẫn, nhưng về bản chất là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẽo, khi hút ẩm các mao dẫn của chúng trương lên, khi sấy khô thì co lại Loại vật liệu này chiếm phần lớn các vật liệu sấy Ví du: ngũ cốc …

I.2.2.2 Các trạng thái của nước trong nguyên liệu

Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy Nó sẽ chi phối đến diễn biến của quá trình sấy

Vật ẩm thường tập hợp của ba pha:

Rắn, lỏng và khí hơi Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cùng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần lỏng có thể bỏ qua Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và chất lỏng

Dựa vào bản chất của liên kết người ta xếp thành ba nhóm liên kết chính: liên kết hóa học, liên kết hóa lý và liên kết cơ lý

a Liên kết hóa học

Liên kết hóa học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó các phân

tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của phân tử vật

ẩm

Loại ẩm này gọi là ẩm liên kết chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hóa học hoặc thường phải nung nóng đến nhiệt độ cao Sau khi tách ẩm tính chất hóa lý của vật sấy thay đổi Ẩm này có thể tồn tại ở dạng liên kết phân

tử như muối hydrat MgCl2.6H2O hoặc ở dạng liên kết ion như Ca(OH)2 Trong quá trình sấy (nhiệt độ 120 o

C – 150oC) không tách được ẩm liên kết hóa học

b Liên kết hóa lý

Liên kết này không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết

Có hai loại: Liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu Liên kết hấp phụ của nước có gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng ) Các vật ẩm thường là các vật keo, có cấu tạo hạt Bán

kính tương đương của hạt từ 10-9

– 10-7 m Do cấu tạo hạt nên vật keo có

bề mặt trong rất lớn Vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do không đáng kể Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập vào các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt

Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hóa lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào Khi nước ở bề mặt vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài Ngược lại thì khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào trong

c Liên kết cơ lý

Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng

bề mặt của ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật Liên kết

cơ học bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá trình hình thành trong quá trình hình thành vật Ví dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặc khi nó chứa sẵn nước Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta có thể làm ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá

vỡ cấu trúc vật… sau khi tách ẩm, vật bị biến đổi tính chất và thậm chí thay đổi trạng thái pha

Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản Trong các vật thể này có vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này để trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâm nhập vào trong vật thể

Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật Ẩm liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt

I.2.3 Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu trong quá trình sấy

Quá trình làm khô là một quá trình hết sức phức tạp Nếu quá trình cung cấp nhiệt ngừng lại thì quá trình làm khô sẽ dừng lại Do đó khi làm

khô vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt nhất định để nguyên liệu nhiệt độ cần thiết

Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: bức

xạ, truyền dẫn và đối lưu

Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:

Q: nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu

q1: nhiệt lượng làm cho các phân tử hơi và hơi nước tách ra trong nguyên liêu

q2: nhiệt lượng để cắt đứt các mối liên kết giữa nước và protit trong nguyên liệu

q3: nhiệt lượng dùng làm khô các tổ chức tế bào

Trong khi sấy khô còn phải tính đến nhiệt lương làm nóng dụng cụ, thiết bị q4 và nhiệt lượng tổn thất ra môi trường bên ngoài q5

Trong quá trình làm khô nước ở trong vật liệu chuyển dần ra ngoài và

đi vào trong không khí làm cho không khí xung quanh ẩm lên nếu không khí ẩm đó đứng yên thì chỉ đến một lúc nào đó quá trình làm khô sẽ dừng lại

Qúa trình chuyển ẩm trong vật liệu sấy bao gồm hai quá trình đó là quá trinh khuếch ngoại và quá trình khuếch tán nội

I.2.3.1 Quá trình khuếch tán ngoại

Trong quá trính làm khô sự chuyển động của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu chuyển dần ra ngoài và đi vào trong không khí gọi là quá trình khuếch tán ngoại Lượng nước bay hơi do khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện: áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu E lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí e, sự chênh lệch đó là:

∆P = E – e

Lượng nước bay hơi trong tỉ lệ thuận với ∆P với bề mặt bay hơi F và thời gian làm khô tức là:

dW = B(E-e)F.dT

Trong đó:

W- Lượng nước bay hơi (kg)

F- Diện tích bay hơi (m2)

T- Thời gian bay hơi (h)

E- Là áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu (mmHg) e- Áp suất hơi nước riêng phần của hơi nước trong không khí (mmHg)

B- Hệ số bay hơi

Ẩm chuyển dời từ bề mặt vật liệu sấy ra môi trường sấy xung quanh cần được đền bù bằng cách chuyển ẩm từ bên trong vật liệu sấy ra đến bề mặt của nó

I.2.3.2 Quá trình khuếch tán nội

Do sự chênh lệch độ ẩm giữa các lớp tạo nên sự chuyển động của hàm ẩm ở trong nguyên liệu từ lớp này đến lớp khác để tạo sự cân bằng gọi

là khuếch tán nội

Động lực của quá trình khuếch tán nội xảy ra do chênh lệch độ ẩm giữa các lớp trong và ngoài, nếu sự chênh lệch độ ẩm càng lớn, tức là gradien độ ẩm càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội càng nhanh Được thực hiện nhờ lực khuếch tán, thẩm thấu, lực mao quản, Ta có thể biểu thị tốc

độ khuếch tán nội bằng phương trình sau:

dx

dc F K dT

dW

.



Trong đó:

W – Lượng nước khuếch tán ra (kg)

T – Thời gian khuếch tán (h)

thấy ẩm dịch chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Sự dịch chuyển của nước do sự chênh lệch nhiệt độ gây nên gọi là: sự truyền dẫn nhiệt ẩm phần Vì vậy, tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy

mà dòng dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thoát ẩm, rút ngắn thời gian sấy Và ngược lại nếu hai dòng ẩm dịch chuyển ngược chiều dẽ kìm hãm sự thoát ẩm, kéo dài thời gian sấy

I.2.3.3 Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại

Khuếch tán nội và ngoại có mối quan hệ mật thiết, tức là khuếch tán ngoại có được tiến hành thì khuếch tán nội mới được tiếp tục và như thế độ

ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần

Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh, nhưng điều đó thì ít có Khuếch tán nội của nước trong nguyên liệu thường nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ bi gián đoạn

Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu nhiều, sự chênh lệch về độ ẩm lớn, vì vậy khuếch tán nội thường phù hợp với khuếch tán ngoại, do đó tốc tương đối nhanh Nhưng ở giai đoạn cuối thì lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi mặt ngoài nhanh mà tốc độ khuếch tán nội lại chậm, vì vậy tốc độ làm khô ở lớp ngoài nhanh sẽ tạo thành một màng cứng làm ảnh hưởng rất lớn cho quá trình khuếch tán nội Do đó ảnh hưởng đến quá trình làm khô của nguyên liệu

I.2.4 Các giai đoạn trong quá trình sấy

I.2.4.1 Giai đoạn làm nóng vật liệu sấy

Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi đạt đến nhiệt độ bầu ướt tương ứng với nhiệt

độ của không khí bao quanh tiếp xúc với vật liệu sấy Trong giai đoạn này toàn bộ vật liệu sấy được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật cứng cũng được gia

nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ sôi tương ứng với phân áp suất hơi nước trong một trường không khí trong buồng sấy

Quá trình tăng nhiệt độ diễn ra không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật Vùng trong vật đạt tới tư chậm hơn Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường cong, do năng lượng liên kết nước của nước liên kết cơ lý nhỏ vì vậy đường cong tốc độ sấy và đường cong sấy là một đường cong lồi

I.2.4.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc

Là giai đoạn ẩm bay hơi ở nhiệt độ không đổi, do sự chênh lệch giữa nhiệt độ của vật liệu sấy và nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh không đổi nên tốc độ sấy không đổi Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi

Ẩm thoát ra trong giai đoạn này là ẩm liên kết cơ lý và hóa lý Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính Từ đó đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường thẳng

I.2.4.3 Giai đoạn sấy giảm tốc

Ở giai đoạn cuối thì hàm lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít và chủ yếu là nước liên kết do đó năng lượng liên kết lớn Vì vậy việc tách ẩm cũng khó khăn hơn và cần năng lượng lớn hơn nên đường cong tốc độ sấy

và đường cong sấy thường có dạng cong Tuy nhiên, hình dạng của đường cong là phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm trong vật liệu và tùy thuộc vào dạng vật liệu sấy Độ ẩm của vật liệu cuối quá trình sấy phụ thuộc vào độ

ẩm của môi trường không khí xung quanh

I.2.5 Các phương pháp sấy

Phương pháp sấy được chia làm 2 loại:

 Phương pháp sấy tự nhiên

 Phương pháp sấy nhân tạo

I.2.5.1 Phương pháp sấy tự nhiên

Vật liệu sấy được đem ra phơi trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, hoặc gián tiếp qua thiết bị sấy mặt trời Nguồn bức xạ từ mặt trời sẽ đốt nóng vật

liệu sấy và làm bay hới ẩm Phương pháp sấy tự nhiên có ưu điểm là nguồn năng lượng dồi dào và rẻ tiền, thiết bị sấy đơn giản…do đó giảm giá thành sản xuất Mặt khác phương pháp sấy tự nhiên cũng có không ít nhược điểm như: Khó cơ giới hóa, chi phí lao động nhiều, nhiệt lượng sấy không liên tục và đồng đều, sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi, sinh vật và vi sinh vật Chiếm diện tích mặt bằng sản xuất lớn Nhiều sản phẩm nếu sấy tự nhiên thì chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu

I.2.5.2 Phương pháp sấy nhân tạo

Để có thể làm khô một khối lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn

và chủ động thực hiện quá trình sấy ở mọi điều kiện thời tiết, người ta sử dụng phương pháp sấy nhân tạo Phương pháp này đắt tiền hơn và phức tạp hơn phương pháp sấy tự nhiên, nhưng nó là điều kiện cần thiết để có được sản phẩm chất lượng tốt

Dựa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm chúng ta có 2 phương pháp sấy sau:

1 Phương pháp sấy nóng::

Nhờ đốt nóng tác nhân sấy lẫn Vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng Vật liệu sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy và phân

áp suất hơi nước trong tác nhân sấy tăng dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm

từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường

HTS nóng thường thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt

a HTS sấy đối lưu:

Đây là hệ thống sấy được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường

là không khí nóng hoặc khói lò Trong hệ thống sấy đối lưu được phân ra các loại: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy thùng quay,

hệ thống sấy tháp, hệ thống sấy khí động, hệ thống sấy tầng sôi, hệ thống sấy phun

b HTS tiếp xúc:

Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt vật nóng Trong các hệ thống sấy tiếp xúc người ta tạo ra độ chênh phân áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt tiếp xúc của vật liệu sấy và bề mặt gia nhiệt Thường gặp hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang

c HTS bức xạ:

Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào môi trường Như vậy, trong hệ thống sấy bức xạ người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường chỉ bằng cách đốt nóng vật

d Các HTS khác:

Ngoài các hệ thống sấy kể trên còn có hệ thống sấy dạng tia hồng ngoại, dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật Nói chung những hệ thống sấy kiểu này thường ít gặp

2 Phương pháp sấy lạnh:

Tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy nhờ giảm độ chứa hơi d Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Phương pháp sấy lạnh bao gồm các hệ thống sấy sau: hệ thống sấy thăng hoa, hệ thống sấy chân không, sấy bằng bơm nhiệt nhiệt

độ thấp

I.2.6 Lựa chọn thiết bị sấy đường

Mặc dù có rất nhiều phương pháp và hệ thống sấy khác nhau nhưng đường là thực phẩm dạng hạt nên các hệ thống sấy có thể được sử dụng đó là: Hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy tầng sôi, hệ thống sấy sàng rung

- Nhược điểm:

Do vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ tạo bụi do vỡ vụn

6

8 9

Hình I-1 Hệ thống sấy tầng sôi

1,9 Quạt; 2 –Caloriphe; 3 –Phễu nạp nguyên liệu ẩm; 4 –Buồng sấy; 5 Lưới; 6 –Cửa tháo sản phẩm khô; 7 –Xyclon; 8 –Băng tải

-Hình vẽ 1-1 thể hiện cấu tạo hệ thống sấy tâng sôi với buồng sấy có một tầng sôi Nguyên liệu ẩm được nạp vào thùng sấy nhờ vít tải Quạt đấy đẩy không khí qua caloriphe vào buồng sấy qua lớp sôi và đi ra ngoài theo quạt hút Sản phẩm chủ yếu được lấy ra ở cửa tháo liệu ở buồng sấy, sản phẩm

có kích thước nhỏ bị cuốn theo bụi được thu hồi bằng xyclon

c Hệ thống sấy rung:

7 8

910

12

34

56

Hình I-2 Hệ thống sấy rung nằm ngang

1- Bộ phận lệch tâm quay tròn tạo rung; 2- động cơ; 3- móng máy; 4- khung đỡ; 5- bề mặt rung đục lỗ; 6- cửa tháo sản phẩm; 7- các cửa tháo sản phẩm; 8- cửa nạp liệu; 9- của vào của tác nhân sấy; 10- buồng (hộp) sấy

Hình vẽ I-2 thể hiện cấu tạo của máy sấy rung nằm ngang với lớp sôi rung chuyển động ngang Nguyên liệu là các vật sấy dạng hạt được nạp vào cửa

8 vào bề mặt rung giống như sàng rung Tác nhân sấy được đưa vào buồng sấy 10 qua cửa 9, đi qua sàng xuyên qua lớp hạt sôi rồi đi qua các cửa 7 các hạt chuyển động sôi nhờ mặt rung (sàng rung) và tác động của dòng tác nhân sấy lớp hạt vừa sôi rung vừa chảy về phía cửa 6 thì khô bộ phận rung là khối lệch tâm 1 quay tròn nhờ đai truyền và động cơ 2 Hộp sấy 10

được treo trên khung 4 bằng các thanh lò xo

- Ưu điểm:

- Quá trình sôi rung và sôi rung khí động rất ổn định

- Không cần tốc độ dòng khí ( tác nhân sấy) cao cũng sôi được nên ít tốn năng lượng cho quạt

- Cường độ sấy cao

- Nhược điểm:

- Máy sấy lớp sôi rung nói chung có kết cấu phức tạp, giá thành cao, năng suất sấy không lớn

Qua phân tích những hệ thống sấy trên ta thấy ưu điểm của hệ thống thiết bị sấy thùng quay là quá trình sấy đều đặn và mạnh liệt nhờ tiếp xúc hầu hết giữa vật liệu sấy với tác nhân sấy, cường độ làm việc tính theo lượng ẩm đạt được cao.Làm việc ổn định, năng suất lớn Trong thiết bị sấy thùng quay thường không sử dụng tái tuần hoàn vì trong khí có chứa bụi và yêu cầu phải có thiết bị lọc bụi khí ra khỏi thùng sấy do đó làm tăng trở lực của hệ thống, tăng vốn đầu tư và chi phí vận hành dựa vào đặc tính làm việc và những ưu điểm của thiết bị sấy thùng quay và những đặc tính của vật liệu đem sấy ta thấy thiết bị sấy thùng quay có thể đáp ứng được, áp dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ

Vì vậy các tính chất yêu cầu của đường thì việc chọn máy sấy thùng quay để sấy đường là hợp lí nhất Chọn quá trình sấy xuôi chiều tác nhân sấy của máy sấy thùng quay là không khí nóng Không khí từ môi trường bên ngoài được gia nhiệt bằng calorifer sau đó được thổi vào thùng sấy Dùng tác nhân sây loại này vì các thiết bị dễ chế tạo ở Việt Nam và có nguyên liệu sẵn có không tốn tiền, thiết bị vận hành đơn giản, năng suất cao

PHẦN II:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY SẤY THÙNG QUAY

II.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

II.1.1 Cấu tạo:

Hình II-1 Hệ thống sấy thùng quay

1 Quạt đẩy; 2 Caloriphe; 3 Phễu cấp liệu; 4 Cánh hướng; 5 Cánh nâng; 6 Mô tơ; 7 Hộp giảm tốc; 8,9 Bánh răng dẫn động; 10 Con lăn;

11 vành đai; 12 Cửa tháo liệu; 13 Băng tải; 14 xyclon; 15 Quạt hút

II.1.2 Nguyên lý làm việc:

Hệ thống sấy thùng quay làm việc ở áp suất khí quyển với tác nhân sấy là không khí, vật liệu sấy và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều Trước khi cho nguyên liệu (đường) vào sấy, ta bật quạt (1) và caloriphe (2) cho máy chạy một lúc để toàn bộ hệ thống nóng lên, sau đó cấp nguyên liệu sấy vào phễu cấp liệu (3), nguyên liệu sẽ đi từ đầu thùng đến cuối thùng nhờ cách bố trí thùng nghiêng một góc 20 so với mặt phẳng ngang, Có 2 vành đai (11) trượt trên các con lăn (10) khoảng cách giữa các con lăn có thể điều chỉnh được để thay đổi góc nghiêng của thùng, thùng được đỡ trên 2 cặp con lăn đỡ Thùng quay được nhờ lắp chặt trên thân

thùng bánh răng (9) ăn khớp với bánh răng (8) nối với mô tơ (6) qua hộp giảm tốc (7) Thùng quay với vận tốc khoảng từ 0,5 ÷ 6 vòng/phút, vận tốc của không khí đi trong thùng khoảng 1 - 4 m/s Thời gian sấy chính là thời gian mà nguyên liệu đi từ đầu thùng đến cuối thùng Tác nhân sấy ở đây là không khí được quạt thổi qua caloriphe và nóng lên được đẩy vào thùng Ở đầu nhập liệu của thùng có các cánh hướng (4) có vai trò như cơ cấu hướng dòng cho nguyên liệu đi vào thùng, bên trong thùng có các cánh nâng (5) nằm dọc theo đường sinh của thùng để nâng và đảo nguyên liệu, làm tăng

bề mặt trao đổi nhiệt giúp đẩy nhanh quá trình sấy Khi thùng quay, nguyên liệu được các cánh nâng mang lên cao tới góc rơi rồi đổ xuống tiếp xúc với tác nhân sấy và xảy ra quá trình trao đổi nhiệt ẩm và làm khô nguyên liệu Nhờ độ nghiêng của thùng mà nguyên liệu khô được vận chuyển dần ra phía tháo liệu qua cửa (12) rồi được băng tải (13) chuyển đi không khí thải ra được cho qua xyclon (14) để giữ lại những hạt vật liệu bị kéo theo rồi được quạt hút (15) thải ra ngoài

II.1.3 Đặc tính nguyên liệu sấy(đường Saccharoza)

Do tính chất của vật liệu nên sự biến đổi của đường dưới điều kiện sấy có khác so với các loại thực phẩm khác Đối với các vật liệu sấy là chất rắn hòa tan trong nước, chẳng hạn như đường saccaroza, thì sự phân biệt giữa các giai đoạn sấy là ít rõ ràng Đối với đường lúc còn trạng thái ẩm luôn có một lớp màng mật bao quanh tinh thể Do trong quá trình sấy, nồng độ của lớp mật này thay đổi và phụ thuộc chính vào tốc độ bốc hơi nước từ lớp mật và khi lớp mật đạt đến trạng thái bão hòa thì có sự xuất hiện các tinh thể giả trên bề mặt tinh thể đường (dạng gương) Nguyên lý

di chuyển của nước trong giai đoạn sấy tốc độ giảm dần cũng khác so với VLS là các chất rắn không hòa tan

Mặc dùng tinh thể ẩm ướt ban đầu của đường không có cấu trúc mao dẫn, nhưng do sự hình thành các tinh thể giả trên bề mặt bao quanh tinh thể Đây là một trạng thái đặc biệt của tinh thể đường ẩm trong quá trình sấy Điều này được giải thích như sau: Khi nhiệt độ sấy tại bề mặt chung của màng vật và không khí cao, làm gia tăng rất lớn động lực chuyển khối

và kết quả là tốc độ bốc hơi rất cao Do vậy, làm giảm mạnh lượng nước ở trong lớp màng mật, làm tăng độ quá bảo hòa của mật Khi độ quá bão hòa đạt đến trị số nhất định, trên bề mặt tinh thể (ở trong lớp màng mật) xuất hiện hiện tượng kết tinh và hình thành các tinh thể giả bám vào bề mặt các tinh thể chính Dẫn đến quá trình chuyển ẩm từ bề mặt tinh thể - màng mật

ra bề mặt màng mật – không khí là rất khó khăn Do đó trong quá trình sấy đường có thể xem là giai đoạn bắt đầu hình thành lớp tinh thể giả trên bề mặt tinh thể chính là bắt đầu giai đoạn sấy tốc độ giảm dần và trước đó là giai đoạn sấy tốc độ không đổi Ẩm nằm trong lớp tinh thể giả được xem như là ẩm liên kết

II.1.4 Yêu cầu công nghệ sản xuất sau khi sấy

Đường cát lấy ra từ máy tách mật, vì chứa hàm lượng nước cao, không thể đóng gói thành sản phẩm xuất xưởng được mà còn phải trải qua

các nguyên công xử lý như làm khô, sàng tuyển, đóng gói và bảo quản

Đường cát của các nhà máy, để tránh trong quá trình bảo quản và vẩn chuyển đường bị kết vón, bị ẩm và bị biến chất, hàm lượng nước chứa trong đường cát theo tiêu chuẩn ban hành như sau:

- Đường tinh luyện nước thấp hơn 0,06%

- Đường cát trắng lọai I lượng nước thấp hơn 0,07%

- Đường cát trắng lọai II lượng nước thấp hơn 0,12%

- Đường cát vàng lượng nước thấp hơn 3.5%

Theo các tiêu chuẩn này thì đối với đường cát vàng có thể khống chế ngay trong quá trình tách mật không cần làm khô nữa Còn đối với đường cát trắng lấy ra từ máy ly tâm, còn chứa hàm lượng nước 0,5 ÷ 1,5% Do vậy cần phải qua xử lý làm khô để có thể bảo quản sản phẩm

Điều kiện để đánh giá sản phẩm đã đem đi bảo quản được hay chưa

có thể dựa vào hệ số an toàn được tính như sau:

Hàm lượng nước

100 - độ chiết quang của đường

Hệ số an toàn =

- Khi hệ số an toàn lớn hơn 0,333 đường cát đã biến chất

- Khi hệ số an toàn là 0,25 ÷ 0,333 dường cát dễ biến chất

- Khi hệ số an toàn nhỏ hơn 0,25 thì bảo quản bình thường

Đặc điểm của liên kết nước tinh thể đường chủ yếu là liên kết bề mặt Đây là thông tin công nghệ rất quan trọng cho tính thiết kế hệ thống sấy

sản phẩm

II.2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC SƠ BỘ

II.2.1 Tính cân bằng vật chất:

Theo đầu bài ta có:

* Năng suất thiết bị : G2 = 200kg/h

* Độ ẩm trước khi sấy : w1 = 2%

* Độ ẩm sau khi sấy : w2 = 0,05%

Gọi G1, w1 và G2, w2; Tương ứng là khối lượng và độ ẩm tương đối của vật liệu sấy đi vào và đi ra khỏi buồng sấy:

Theo công thức [127- II]:

G1 - G2 = W (2.1)

Hay G1.w1 - G2.w2 = W (2.2)

Trong đó:

W: là lượng ẩm cần mang đi khỏi vật liệu cần sấy

Do khối lượng vật liệu khô tuyệt đối trước và sau quá trình sấy không đổi nên ta có:

Gk = G1(1 - w1) = G2(1 - w2) (2.3)

Kết hợp công thức (2.2) và (2.3) ta tính được:

Lượng ẩm cần bay hơi trong một giờ:

4 02 , 0 1

0005 , 0 02 , 0 200

1 1

2 1

Theo công thức (137-I) ta có:

2 1

2 1

2

2

w w

w w

0005 , 0 02 , 0 9

1588 15 ,

II.2.3 Xác định kích thước sơ bộ hệ thống sấy thùng quay:

Theo công thức (208 - II) thể tích thùng sấy:

52 , 0 204

2 

t

4

n

L k m

. 1

1  (2.5)

Trong đó:

m và k là hệ số phụ thuộc vào cánh và chiều chuyển động của khí

Sấy xuôi chiều k = 0,2 ÷ 0,7 ta chọn k = 0,7

Thiết bị sử dụng cánh nâng m = 0,5

α góc nghiêng của thùng so với phương ngang, ta chọn α = 20

Thay vào (2.5) ta được:

II.3 TÍNH TOÁN NHIỆT CHO THÙNG SẤY

II.3.1 Quá trình sấy lý thuyết

 Các công thức tính thông số cơ bản của không khí ẩm:

- Áp suất hơi bão hòa theo dạng Antoine:

Bar C t

P x

.

621

.t x r C t C

I  k  o  h (kJ/kg) (29 - II)

Trong đó:

- Ck = 1,004 kJ/kg.K – Nhiệt dung riêng của không khí khô

- Ch = 1,842 kJ/kg.K – Nhiệt dung riêng của hơi nước

- ro = 2500 kJ/kg - Ẩn nhiệt hóa hơi của nước

- t – Nhiệt độ không khí (0C)

- Hàm ẩm (kg ẩm/kgkkk)

I = t + x(2500 + 1,842.t) (kJ/kgkkk)

a Thông số trạng thái không khí ngoài trời (A):

Do đặc điểm thời tiết ở Việt Nam, ở miền Bắc chia làm bốn mùa rõ rệt trong đó mùa đông thường lạnh giá và độ ẩm không khí xuống thấp có

khi nhiệt độ xuống tới 100C và độ ẩm không khí xuống dưới 60% còn mùa

hè khí hậu nóng ẩm mưa nhiều có khi nhiệt độ lên tới 400C và độ ẩm lên tới 95% Hai mùa còn lại nhiệt độ thường từ 25300C độ ẩm thường

7085% Trong khi đó ở miền Nam thì khí hậu lại nắng nóng quanh năm, nhiệt độ trung bình từ 28380C, độ ẩm trung bình 89% Căn cứ vào các điều kiện trên ta chọn điều kiện không khí ngoài trời là:

b Thông số trạng thái của tác nhân sấy vào thùng sấy (B):

Không khí ẩm ngoài trời được đưa vào caloriphe đốt nóng đẳng ẩm (x0 =

x1) đến nhiệt độ sấy t1 Nhiệt độ t1 là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy phụ thuộc vào tính chất của VLS và chế độ công nghệ Do đường sẽ bị ngả màu khi nhiệt độ trên 1050C nên cần chọn nhiệt độ TNS nhỏ hơn nhiệt độ này Ta chọn t1 = 1000C Từ đó ta tính được:

 Áp suất hơi bão hòa : Pb1 = 0,9987 bar

 Hàm ẩm: x1 = x0 = 0,023 kg ẩm/kgkkk

 Enthalpy: I1 = 161,87 kJ/kgkkk

 Độ ẩm tương đối: φ1= 3,6%

c Thông số trạng thái của tác nhân sấy sau thùng sấy (C):

Để xác định được điểm C là điểm trạng thái của tác nhân sau quá trình sấy ta phải biết một trong hai thông số t2 hoặc x2 Nhiệtđộ ra khỏi thùng sấy t2 ta chọn sao cho tổn thất nhiệt do TNS mang đi là bé nhất nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương Vì quá trình sấy lý thuyết là quá trình đẳng I nên ta có I2 = I1 =161,87 kJ/kgkkk Với φ = 100% dựa vào đồ thị (I – x) ta xác định được nhiệt độ điểm sương tđs = 390C ta chọn t2 = 450C Từ đó ta tính được:

 Áp suất hơi bão hòa: Pb2 = 0,095 bar

II.3.2 Quá trình sấy thực tế :

Trong quá trình sấy thực tế không phải chỉ có vật sấy và tác nhân sấy trao đổi ẩm và nhiệt cho nhau mà luôn tồn tại tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che QBC tổn thất do vật liệu mang ra ngoài Qv.

Theo nguyên tắc cân bằng nhiệt là nhiệt lượng đưa vào thiết bị phải bằng nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị:

 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị gồm:

- Nhiệt lượng do tác nhân nhận được từ caloriphe L(I1 – I0)

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: [(G1 - W)Cv1 + WCa].tv1

 Nhiệt lượng mang ra khỏi thiết bị gồm:

- Nhiệt lượng do khí thải mang đi L(I2 – I0)

- Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra G2.C2.tv2

- Nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu bao che QBC

Ca - Nhiệt dung riêng của ẩm (nước): Ca = Cn = 4,1858 kJ/kg.K

Ck - Nhiệt dung riêng của sản phẩm khô:

Cvk = 0,27 kcal/kg.0K = 1,07 kj/kg.0K

Cv1 = Cvk(1 – u1) + Ca.u1 = 1,07(1 – 0,02) + 4,1858.0,02 = 1,132 (kJ/kg.K)

Cv2 = Cvk(1 – u2) + Ca.u2 = 1,07(1 – 0,0005) + 4,1858.0,0005 = 1,072 (kJ/kg.K)

- Phương trình cân bằng nhiệt:

( 2 2 1 1

2

W

t C t

C G W

- q’BC là nhiệt lượng tổn thất do truyền nhiệt qua bao che:

- q”BC là nhiệt lượng tổn thất do cửa bị hở;

a Tính q’ BC

Theo công thức [69-I] nhiệt lượng tổn thất qua bao che được tính bởi:

F K

- Fi : là diện tích bề mặt truyền nhiệt thứ i;

-Δtbi : là hiệu nhiệt độ trung bình giữa bên trong và bề mặt truyền nhiệt thứ i;

- W: lượng ẩm cần bay hơi ở thùng sấy

 Tính F i :

Chọn vật liệu làm vỏ thiết bị và lớp bảo vệ là thép CT3, chiều dày của

vỏ thiết bị δ1 = 2 mm, chiều dày lớp bảo vệ là δ2 = 0,5 mm

Với thép CT3 hệ số dẫn nhiệt là  =1=2= 50 W/m oC [313 – X]

Vì nhiệt độ làm việc của thùng sấy là 100oC nên ta chọn vật liệu cách nhiệt là Mốp xốp polystirol giả sử dày δ3 = 5 mm, polystirol có những thông số :

Diện tích bề mặt truyền nhiệt bằng diện tích xung quanh thùng và diện tích hai đầu thùng:

4 /

tb t