V.1. Sấy phun
V.1.1.Giới thiệu
Sấy phun là một phương pháp dùng sấy khô các dung dịch vô cơ, hữu cơ, dịch nhũ tương, … được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất và công nghiệp thực phẩm. Sấy phun có thể được dùng để bảo quản thực phẩm hay chỉ đơn giản là một phương pháp làm khô nhanh sản phẩm; với lợi điểm là làm giảm kích thước cũng như khối lượng sản phẩm.
Sấy phun là quá trình chuyển nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng hạt khô bằng cách phun nguyên liệu vào một môi trường sấy nhiệt độ cao. Cùng với nhiều nghiên cứu và phát triển, sấy phun đã trở thành một phương pháp phổ biến trong việc sấy khô đa dạng, nhiều loại sản phẩm khác nhau.
V.1.2.Nguyên tắc sấy phun
Sấy phun liên quan đến quá trình làm bay hơi lượng ẩm từ nguyên liệu được phun vào thiết bị bằng cách cho tiếp xúc nguyên liệu với tác nhân sấy. Tác nhân sấy thường dùng là không khí. Quá trình sấy được tiến hành đến khi hạt nguyên liệu đạt độ ẩm mong muốn và sản phẩm sau đó được tách ra khỏi không khí. Hỗn hợp phun có thể là dung dịch, nhũ tương, huyền phù hay hệ phân tán.
Sự phân tán nguyên liệu lỏng thành các giọt nhỏ
Sự phân tán có thể được thực hiện bằng áp suất, đĩa quay hay sóng siêu âm. Việc lựa chọn thiết bị phân tán phụ thuộc vào bản chất, lượng nguyên liệu và tính chất mong muốn của sản phẩm. Phân tán với năng lượng càng lớn thì các giọt thu được có kích thước càng nhỏ.
Tiếp xúc giữa nguyên liệu với tác nhân sấy
Cùng chiều:
Nguyên liệu được phun vào cùng chiều với dòng không khí nóng. Hạt nguyên liệu tiếp xúc với không khí nóng khi chúng có độ ẩm lớn nhất. Sản phẩm được sấy nhẹ nhàng, cẩn thận, giữ được phần lớn tính chất ban đầu.
Ngược chiều:
Nguyên liệu được phun vào ngược chiều với dòng không khí nóng từ dưới lên. Nguyên liệu tiếp xúc với dòng không khí nóng có nhiệt độ tăng dần, lượng ẩm dư bị loại trừ và sản phẩm có nhiệt độ rất cao. Phương pháp này thích hợp chỉ với những sản phẩm có khả năng chịu nhiệt độ cao.
Kết hợp ưu điểm của cà hai phương pháp trên. Nghuyên liệu được phun lên và chỉ lưu lại trong vùng không khí nóng trong một thời gian ngắn để loại trừ lượng ẩm còn sót. Trọng lực sau đó sẽ kéo sản phẩm vào vùng mát hơn. Do chỉ lưu lại trong vùng khí nóng một thời gian ngắn, sản phẩm giữ được phần lớn tính chất ban đầu.
Đĩa quay phân phối
Nguyên liệu được chảy vào một đĩa phân phối quay và phun ở dạng sương mù. Nguyên liệu và tác nhân sấy cùng chiều. Sản phẩm giữ được phần lớn tính chất như phương pháp phun cùng chiều.
V.1.3. Quá trình sấy
Sấy phun là một phương pháp mà kết quả phụ thuộc nhiều vào tính chất nguyên liệu. Nhiệt độ khí vào, lượng nhập liệu, lượng khí vào, lượng khí hút ra ảnh hưởng đến các thông số của sản phẩm: nhiệt độ sản phẩm ra, độ ẩm cuối, kích thước hạt, sản lượng.
Sự tác động giữa các thông số:
- Sự sai biệt lớn về nhiệt độ khí vào và sản phẩm ra dẫn đến một lượng lớn ẩm còn lại. - Tốc độ hút khí ra cao có nghĩa là thời gian lưu trong thiết bị ngắn và dẫn đến lượng ẩm sót
lại cao.
- Tốc độ hút khí ra cao dẫn đến sự phân tách trong cyclon cao. - Tốc độ phun nguyên liệu cao dẫn đến hạt kích thước nhỏ. - Nồng độ nguyên liệu phun cao dẫn đến hạt kích thước lớn. - Tốc độ bơm cao dẫn đến nhiệt độ ra thấp.
Để sản phẩm cuối có lượng ẩm rất thấp, nhiệt độ khí vào phải cao nhất có thể và sự sai khác nhiệt độ phải thấp nhất có thể. Tăng sự sai biệt nhiệt độ trong khi giữ nguyên nhiệt độ khí vào làm tăng lượng ẩm trong sản phẩm cuối. Tốc độ khí cao cho sự phân tách trong cyclone cao. Tốc độ khí thấp cho lượng ẩm còn trong sản phẩm thấp. Tăng tốc độ bơm dòng nhập liệu làm giảm nhiệt độ ra dẫn đến tăng sai biệt nhiệt độ giữa nhiệt độ khí vào và sản phẩm ra. Giảm tốc độ bơm khi giữ nguyên nhiệt độ vào và tốc độ khí làm tăng độ khô sản phẩm.
V.1.4.Thiết bị sấy phun
Thiết bị có cấu tạo thành phía trên hình trụ (1) và dưới hình nón cụt (2). Nguyên liệu lỏng qua ống dẫn (3) vào thiết bị phun (4), được phun thành hạt nhỏ vào khoang sấy.
Thiết bị phun (4) có thể là đĩa quay, vòi phun hai dòng hay vòi phun áp suất. Thích hợp nhất là vòi phun áp suất, phun nguyên liệu tạo thành dạng hình nón rỗng lớn. Khí nóng vào thiết bị qua ống (5) và thiết bị phân tán (6).
Phía dưới khoang sấy là một lớp màng bọt (7). Dưới (7) là một đĩa lỗ (8) được cung cấp khí nóng qua ống dẫn (9) và khoang (10).
Hình 5.1. Thiết bị sấy phun
Phía trên khoang sấy, thiết bị lọc (11) được sắp xếp thành vòng tròn, có tác dụng lọc hỗn hợp khí nóng - hạt nguyên liệu. Khí nóng từ (6) và (10) và hơi ẩm từ nguyên liệu sau sấy qua thiết bị lọc và thoát ra ngoài qua khoang (12) và ống (13).
Thiết bị lọc phải làm bằng vật liệu sao cho có khả năng tách bột khô ra khỏi bề mặt lọc dễ dàng. Bột khô sau đó sẽ rơi thẳng xuống dưới thiết bị sấy.
nóng với các hạt nhỏ hơn di chuyển lên trên đến thiết bị lọc (11) do ảnh hưởng của dòng khí nóng từ lớp màng bọt (7). Khi dòng khí qua lớp vải lọc, các hạt bột bị giữ lại và tạo một lớp bột trên bề mặt ngoài vài lọc.
Khi các hạt bột di chuyển dần xuống phần hình nón (2), chúng sẽ tiếp xúc với một lượng ẩm do khí nóng mang xuống. Điều này giúp cho sự kết dính giữa các hạt bột tạo nên các hạt lớn hơn. Đồng thời, một lượng lớn bột khô từ trên trượt xuống dọc thành (2) cũng giúp bảo vệ thành thiết bị khỏi sự dính của bột ẩm.
Tại lớp (7) cũng diễn ra một phần quá trình phân loại hạt bột do dòng khí nóng thổi lên. Sản phẩm thoát ra ngoài qua cửa tháo (14). Sản phẩm sau đó có thể được cho qua thiết bị sấy màng bọt để tiếp tục sấy và làm nguội sản phẩm.
V.2. Sấy màng bọt
Hình 5.2. Thiết bị sấy màng bọt
Thiết bị sấy màng bọt có thể sử dụng để sấy khô, làm nguội, kết tụ, tạo hột hay tạo màng bao sản phẩm. Nó có thể phù hợp với một phạm vi lớn nguyên liệu: nhạy cảm với nhiệt lẫn bền với nhiệt. Quá trình diễn ra bằng cách cho khí di chuyển qua một lớp nguyên liệu với sự kiểm soát vận tốc nhằm tạo ra tình trạng màng bọt. Ở thiết bị sấy màng bọt, nhiệt được cung cấp bởi khí nóng. Nhiệt còn có thể được cung cấp một cách có hiệu quả bằng bể mặt truyền nhiệt (tấm hay ống) kết hợp trong lớp màng bọt.
Trong quá trình làm nguội, khí lạnh (thường là không khí thường hay khí từ máy điều hòa) được sử dụng. Cũng có thể sử dụng các bề mặt lạnh kết hợp trong lớp màng bọt để tải
nhiệt. Quá trình kết tụ hay tạo hột phụ có thể được tiến hành bằng nhiều cách tùy thuộc vào nguyên liệu và yêu cầu của sản phẩm. Quá trình tạo màng bọc cho sản phẩm bột, hột hay viên liên quan đến việc phun chất lỏng lên lớp màng bọt dưới các điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt.
Phương pháp sấy màng bọt thì thích hợp cho bột, hột, kết tụ hay viên với kích thước trung bình từ 50 đến 5000 micron. Với các loại bột nhẹ hơn hay dài hơn có thể phải cần đến quá trình rung lắc nhằm sấy có hiệu quả.
Có hai loại cơ bản của sấy màng bọt được thiết kế theo kiểu di chuyển của dòng rắn trong thiết bị:
- Continuous back-mix flow: dành cho nguyên liệu mà yêu cầu một độ khô nhất định trước khi quá trình tạo màng bọt diễn ra.
- Plug flow: dành cho nguyên liệu có thể trực tiếp tạo màng bọt khi đi vào thiết bị.
Sự vận chuyển của pha rắn qua thiết bị có thể chỉ do sự tạo màng bọt hay kết hợp sự tạo màng bọt với sự rung lắc.
Back-mix flow fluid bed
Dành cho những nguyên liệu không thể tạo màng bọt khi ở dạng ban đầu của chúng, nhưng trở thành có khả năng tạo màng bọt sau một thời gian ngắn được sấy (sau khi lấy đi một lượng ẩm).
Tình trạng của nguyên liệu được giữ dưới điểm tạo màng bọt. Quá trình tạo màng bọt đạt được bằng cách phân bổ nguyên liệu trên khắp bề mặt thiết bị. Nhiệt độ và độ ẩm sản phẩm là đồng đều trong khắp lớp màng bọt. Bề mặt truyền nhiệt kết hợp với lớp màng bọt giúp cải thiện sự truyền nhiệt. Thiết bị có thể ở dạng chữ nhật hay dạng tròn.
Plug flow fluid bed
Dành cho nguyên liệu có khả năng tạo màng bọt trực tiếp. Dòng rắn được tạo ra bằng cách thiết kế thiết bị với vách ngăn nhằm giới hạn sự pha trộn pha rắn theo chiều ngang. Dẫn đến thời gian phân phối của pha rắn thu hẹp lại. Thiết bị dạng chữ nhật hay tròn được thiết kế đặc biệt cho sự tách ẩm hay gia nhiệt và làm nguội. Độ ẩm và nhiệt độ thay đổi đều nhau khi ph rắn di chuyển qua thiết bị, và dòng chày đứt quãng cho phép pha rắn đạt gần cân bằng với khí đi vào.
Dòng chảy đứt quãng có thể đạt được bằng nhiều cách phụ thuộc hình dạng và kích thước của thiết bị:
- Thiết bị hình chữ nhật, vách ngăn được sắp xếp để tạo dòng chảy qua lại của pha rắn. - Thiết bị hình tròn, vách ngăn dạng xoắn ốc.
- Trong thiết bị tròn nhỏ với lớp bột cao, vách ngăn xuyên tâm.
Fluid bed có hệ thống rung lắc
Tên thương mại của thiết bị là Vibro-Fluidizer, cơ bản là dạng plug flow. Thiết bị được ứng dụng cho quá trình sấy và làm nguội sản phẩm có khả năng tạo màng bọt yếu do kích thước lớn,
hình dáng bất thường hay yêu cầu tạo màng bọt với tốc độ di chuyển thấp nhằm ngăn ngừa sự cọ mòn. Thiết bị vận hành với lớp màng bọt thấp hơn 200mm. Điều này cho phép thời gian lưu trong một ngăn thiết bị thấp hơn so với thiết bị không có hệ thống rung lắc, có thể tạo lớp màng đến 1500mm.
Với quy trình sạch, thiết bị cần kết hợp với thiết bị chống sốc áp suất và các hệ thống vệ sinh thiết bị khác.
Contact Fluidizers
Thiết bị hình chữ nhật kết hợp với bộ phận back-mix và plug flow. Một thiết bị phân phối quay nhằm phun nguyên liệu ướt vào bộ phận back-mix có trang bị thêm bề mặt truyền nhiệt kết hợp trong lớp màng bọt.
Bề mặt truyền nhiệt cung cấp hiệu quả một phần năng lượng yêu cầu, do đó làm giảm cả nhiệt độ và lượng khí cần cung cấp cho thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ.
Bộ phận pug flow được dùng cho việc sấy nhanh và làm nguội. Ưu điểm thiết bị: khi so sánh với fluid bed không có bề mặt truyền nhiệt, fluid bed sấy hai giai đoạn hay thiết bị sấy lồng quay, thiết bị có hiệu quả hiệu quả truyền nhiệt cao với lượng
khí nóng cần cung cấp thấp hơn.
Multi-tier fluid beds
Thiết bị chứa hai hay nhiều cụm fluid bed. Tầng trên (back-mix hay plug flow) để tiền sấy khô và tầng dưới (plug flow) để sấy nhanh. Khí nóng di chuyển ngược chiều với pha rắn. Khí rời tầng dưới mang theo nhiệt chuyển lên tầng trên. Thêm nữa, mỗi fluid bed có thể được kết hợp với bề mặt truyền nhiệt. Thiết kế này dẫn đến kết quả là lượng khí nóng cung cấp thấp và hiệu quả truyền nhiệt cao, là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống sấy tuần hoàn kín.