4. Các quá trình sấy sử dụng trong sản xuất sữa
4.3.2.1. Cơ cấu phun
Cơ cấu phun có chức năng đưa nguyên liệu dạng lỏng vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn (sương mù). Quá trình tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các dạng lỏng và sự phân bố của chúng trong buồng sấy, do đó ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy. Đây là quá trình quan trọng nhất của kĩ thuật sấy phun. Hiện nay có 3 dạng cơ cấu phun sương: đầu phun áp lực, đầu phun ly tâm và đầu phun khí động.
Cơ cấu phun một dòng
Nguyên tắc hoạt động:
Mẫu nghiên liệu sẽ được nén vào đầu phun bằng một bơm cao áp. Áp lực có thể lên đến 5÷7Mpa. Tiếp theo, mẫu sẽ thoát ra khỏi một lỗ phun có dạng hình nón với đường kính 0,4÷4mm. Góc phun có thể dao động từ 40÷140o.
Ưu điểm: chi phí năng lượng thấp.
Nhược điểm: đầu phun áp lực dễ bị tắt ngẽn và không thể sử dụng cho các mẫu huyền phù có nồng độ cao. Do đó để tăng năng suất hoạt động của thiết bị sấy phun, người ta thường bố trí hệ thống gồm nhiều đầu phun áp lực trong buồng sấy.
Buồng sấy với nhiều đầu phun áp lực
Cơ cấu phun ly tâm
Nguyên tắc hoạt động:
Đầu phun ly tâm có cấu tạo dạng đĩa. Mẫu nguyên liệu sẽ được bơm vào tâm của đĩa. Người ta sử dụng khí nén để làm quay đĩa. Do tác động quay của đĩa và sự thoát ra của khí nén, mẫu nguyên liệu sẽ di chuyển về phía thành đĩa, va đập vào các rãnh trên đĩa và được phân tán thành các hạt sương nhỏ li ti. Góc phun ra là 180o nên các hạt lỏng sẽ chuyển động ngang đập vào thành buồng sấy. Khi đó, chúng thay đổi phương đột ngột và tạo nên một hỗn hợp sương bụi xoáy rối di chuyển xuống phía đáy buồng sấy. Tốc độ quay của đĩa dao động trong khoảng 10.000÷30.000 vòng/phút.
Đĩa quay được thiết kế với nhiều rãnh nhỏ xung quanh. Các rãnh này thuờng có hình tròn, chữ nhật hoặc oval.
Ưu điểm:
Tạo được các hạt sản phẩm có độ đồng nhất cao. Ít bị tắc nghẽn khi mẫu sấy có dạng huyền phù mịn. Sử dụng cho mẫu có độ nhớt cao.
Năng suất hoạt động của đầu phun ly tâm có thể lên đến 200 tấn/giờ.
Nhược điểm: buồng sấy thường được thiết kế với đường kính khá lớn do góc phun là 180o.
Cơ cấu phun bằng khí động
Cơ cấu phun bằng khí động
Nguyên lí hoạt động:
Mẫu nguyên liệu được bơm vào đầu phun theo ống trung tâm. Tác nhân sấy sẽ theo ống ở phần biên đầu phun đi vào buồng sấy. Hỗn hợp sẽ được phân tán dưới dạng sương mù trong buồng sấy. Góc phun dao động từ 20÷60o và phụ thuộc vào cấu tạo của đầu phun.
Ưu điểm:
Sử dụng được cho các mẫu dạng huyền phù hoặc mẫu có độ nhớt cao.
Năng suất hoạt động của đầu phun bằng khí động có thể lên đến 1000kg nguyên liệu/giờ.
Nhược điểm:
Đầu phun khí động tiêu tốn nhiều năng lượng Ít được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Buồng sấy là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng). Buồng sấy phun có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng phổ biến nhất là buồng sấy hình trụ đứng, đáy côn. Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…) được thiết kế phụ thuộc vào kích thước các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của chúng, tức phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương sử dụng.
Dựa vào hướng chuyển động của dòng nguyên liệu và tác nhân sấy trong buồng sấy, ta có ba trường hợp sau đây:
a. Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều (co-current contact):
Đầu phun nguyên liệu và cửa vào cho tác nhân sấy cùng được bố trí trên đỉnh buồng sấy. Dòng nguyên liệu qua cơ cấu phun tạo sương mù cùng hòa trộn với tác nhân sấy và di chuyển xuống phía đáy buồng sấy. Cả ba loại cơ cấu phun (ly tâm, áp lực và khí động) đều có thể áp dụng trong trường hợp này. Nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào buồng sấy. Trường hợp này rất thích hợp cho những nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt độ. Đây cũng là trường hợp phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Đầu phun nguyên liệu được bố trí trên đỉnh buồng sấy và các giọt lỏng sẽ chuyển động theo chiều từ trên xuống. Ngược lại, cửa vào của tác nhân sấy được bố trí ở phần bên dưới thiết bị và không khí nóng sẽ chuyển động theo chiều từ dưới lên. Thông thường, cửa thoát chính cho bột sản phẩm được đặt phía dưới đáy buồng sấy, còn cửa thoát cho tác nhân sấy đặt ở phía trên đỉnh buồng. Trong trường hợp này, nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ cao hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa thoát. Điều này thích hợp cho những sản phẩm bột thô yêu cầu có tỷ trọng cao hoặc có độ xốp thích hợp. Loại cơ cấu phun thường sử dụng là đầu phun bằng khí động hoặc đầu phun áp lực.
c. Dạng hỗn hợp (mixed flow contact):
Cửa vào cho tác nhân sấy được bố trí trên đỉnh thiết bị, do đó không khí nóng sẽ chuyển động theo chiều từ trên xuống và thoát ra phía bên dưới thiết bị. Ngược lại, đầu phun nguyên liệu được bố trí gần vị trí trung tâm của thân buồng sấy. Đầu tiên, các hạt lỏng nguyên liệu sẽ chuyển động theo chiều từ dưới lên để hòa trộn với tác nhân sấy. Như vậy, nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động ngược chiều nhau. Sau quá trình bay hơi
ẩm, bột sản phẩm được hình thành, chúng chuyển động theo chiều từ trên xuống phía đáy thiết bị và được thu hồi chủ yếu tại cửa thoát ở đáy buồng sấy. Như vậy, ở giai đoạn sau, các hạt nguyên liệu dạng bột chuyển động cùng chiều với tác nhân sấy. Trong trường hợp này sử dụng cho các sản phẩm dạng bột thô và kích thước buồng sấy bị giới hạn.
4.3.2.3. Tác nhân sấy
Để gia nhiệt không khí, ta có thể sử dụng những tác nhân và phương pháp gia nhiệt khác nhau.
Bảng : Tác nhân và phương pháp gia nhiệt không khí
Việc chọn tác nhân gia nhiệt cho không khí phụ thuộc vào nguồn cung cấp nhiệt
sẵn có của nhà máy và nhiệt độ không khí nóng cần sử dụng. Trong công nghiệp thực phẩm, hơi là tác nhân gia nhiệt phổ biến nhất. Nhiệt độ hơi sử dụng thường dao động trong khoảng 150 đến 250oC. Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là 10oC.
4.3.2.4. Hệ thống thu hồi sản phẩm
Thông thường, bột sản phẩm sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy buồng sấy. Để tách sản phẩm ra khỏi khí thoát, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện…
Tác nhân gia nhiệt Phương pháp gia nhiệt Phạm vi sử dụng Hơi Dầu Gas Điện Gián tiếp
Gián tiếp hoặc trực tiếp Gián tiếp hoặc trực tiếp
Sản xuất công nghiệp Sản xuất công nghiệp Sản xuất công nghiệp Nghiên cứu(quy mô phòng thí nghiệm hoặc pilot)
Phổ biến nhất hiện nay là phương pháp lắng xoáy tâm, sử dụng cyclon. Khí thoát có chứa các hạt sản phẩm sẽ đi vào cyclon từ phần đỉnh theo phương tiếp tuyến với thiết bị. Bột sản phẩm sẽ di chuyển theo quỹ đạo hình xoắn ốc và rơi xuống đáy cyclon. Không khí sạch thoát ra ngoài theo cửa trên đỉnh cyclon.
Hình: Cyclon thu hồi bột sản phẩm từ khí thoát (cửa vào cyclone cho hỗn hợp không khí và sản phẩm có nhiều cách bố trí khác nhau).
4.3.2.5. Quạt
Để tăng lưu lượng những dòng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt li tâm. Trong công nghiệp, các thiết bị sấy phun được trang bị hệ thống hai quạt. Quạt chính được đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát ra. Các quạt phụ được đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy. Ưu điểm của việc sử dụng hai hệ thống quạt là người ta có thể kiểm soát dễ dàng áp lực trong buồng sấy.
Trong trường hợp chỉ sử dụng một quạt li tâm đặt sau cyclon thu hồi sản phẩm, buồng sấy sẽ hoạt động dưới áp lực chân không rất cao. Chính áp lực chân không này sẽ ảnh hưởng đến lượng bột sản phẩm bị cuốn theo dòng khí thoát, do đó sẽ ảnh hưởng đến năng suất hoạt động và hiệu quả thu hồi bột sản phẩm của cyclon.
Trong hệ thống sấy phun, người ta có thể sử dụng thêm một số quạt li tâm nhằm vào các mục đích như để vận chuyển bằng khí động bột sản phẩm sau khi sấy vào thiết bị bảo quản...