V. THIẾT BỊ SẤY
2. Thiết bị sấy phun
Thiết bị này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất sữa bột, hoạt động theo nguyên tắc phun vật liệu lỏng thành những hạt nhỏ li ti trong buồng sấy. Thời gian tiếp xúc giữa sữa và không khí nóng rất ngắn nên nhiệt độ sữa không tăng quá cao, sản phẩm thu được ở dạng bột mịn.
Hãng sản xuất: Niro Inc, 9165 Rumsey Road, Columbia, MD 21045. Email: info@niroinc.com
Cấu tạo: Thiết bị sấy phun thường gồm những bộ phận sau:
Caloriphe dùng để gia nhiệt và hệ thống vận chuyển không khí sau khi gia nhiệt: tác nhân gia nhiệt dùng trong caloriphe thường là hơi nước. Quạt ly tâm được dùng để vận chuyển toàn bộ tác nhân sấy qua hệ thống. Người ta có thể bố trí một quạt hay hai quạt, ở đầu và cuối hệ thống có gắn bộ phận chắn gió để điều khiển vận tốc khí.
Thiết bị phun sương: phun nguyên liệu sữa thành các hạt nhỏ. Có ba dạng đầu phun:
- Đầu phun áp lực (pressure nozzle): chất lỏng được đẩy bằng bơm áp suất có thể lên tới 200 at. Để phun đều người ta cấu tạo những vòi phun có đường kính nhỏ hơn 0.5 mm với lưu lượng lớn nhất là 100l/h.
- Đầu phun khí động (two-fluid nozzle): dùng vòi phun trong đó chất lỏng được đẩy bằng khí nén với áp suất từ 2.5-3.5 at.
- Đầu phun ly tâm (centrifugal atomiser): cho chất lỏng rơi vào một đĩa có đường kính từ 2in (5.08 cm) đến 30in (76.2 cm) quay nhanh với tốc độ từ 50000-4000 vòng/phút, dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm do đĩa quay, chất lỏng bị văng ra thành những hạt sương.
Trục thiết bị Đầu phun ly tâm
Trong ba phương pháp trên thì ly tâm là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sản xuất sữa bột.
Buồng sấy: là nơi trộn tác nhân sấy với vật liệu sấy. Tác nhân sấy có thể đi cùng chiều, ngược chiều hay hỗn hợp so với vật liệu sấy.
Ngược chiều Hỗn hợp Cùng chiều
Bộ phận thu hồi sản phẩm: trong thiết bị sấy phun, phần lớn nguyên liệu sẽ rơi xuống dưới đáy thiết bị sau đó được vận chuyển đi, một phần nhỏ sẽ bị cuốn theo không khí ra khỏi thiết bị sấy. Vì vậy người ta luôn bố trí cyclon để thu hồi lượng sản phẩm bị cuốn theo không khí.
Trong sản xuất công nghiệp, người ta có thể bố trí thiết bị sấy phun một giai đoạn, hai giai đoạn hoặc ba giai đoạn:
Thiết bị sấy phun một giai đoạn
Quá trình tách ẩm từ nguyên liệu sữa ban đầu cho tới hàm ẩm cuối cùng đều được thực hiện trong buồng sấy của thiết bị.
Hình 3.44 Thiết bị sấy phun một giai đoạn.
Không khí được quạt thổi qua bộ phận lọc rồi vào caloriphe để gia nhiệt đến 150- 250oC, sau đó sẽ được phân phối đều vào trong buồng sấy. Sữa nguyên liệu cũng được phun sương vào buồng sâý trộn với tác nhân sấy làm bốc hơi nước. Do diện tích bề mặt tiếp xúc tăng nên ẩm sẽ được bốc hơi nhanh và liên tục, từ đó tạo ra gradient ẩm làm dịch chuyển ẩm bên trong mao quản hay lỗ xốp ra bề mặt ngoài rồi bay hơi.
Sữa bột thành phẩm có nhiệt độ khoảng 70-80oC bởi vì nhiệt thu được từ tác nhân sấy được dùng để làm bay hơi liên tục lượng ẩm có trong nguyên liệu. Sự giảm lượng nước trong các hạt sẽ làm giảm khối lượng sữa bột xuống khoảng 50%, thể tích sữa bột xuống 40% và đường kính giảm xuống 75% so với kích thước các hạt khi rời khỏi thiết bị phun sương.
Trong suốt quá trình, sữa bột sẽ được tháo ra liên tục ở đáy buồng sấy và được vận chuyển bằng khí động đến các bộ phận đóng gói. Sau khi được làm nguội, hỗn hợp không khí và sữa bột sẽ được đưa vào bộ phận 7 để tách khí ra khỏi sản phẩm chuẩn bị đóng gói. Những hạt có kích thước nhỏ, nhẹ bị cuốn theo tác nhân sấy sẽ được thu hồi ở cyclone 6,7. Sau khi thu hồi các hạt sẽ được trộn với dòng sữa bột đang trên đường vận chuyển đến bộ phận đóng gói.
Thiết bị sấy hai giai đoạn
Hoạt động cũng tương tự như thiết bị sấy một giai đoạn nhưng hệ thống vận chuyển khí động được thay thế bằng hệ thống sấy tầng sôi. Trong thiết bị sấy một giai đoạn, ở giai đoạn cuối khi lượng ẩm trong nguyên liệu còn thấp thì việc tách ẩm rất khó khăn đòi hỏi nhiệt độ tác nhân sấy ở đầu ra phải rất cao, điều này có thể gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sữa bột thành phẩm.
Hệ thống thiết bị sấy hai giai đoạn giúp khắc phục nhược điểm trên. Sữa bột sau khi ra khỏi thiết bị sấy phun sẽ có hàm ẩm cao hơn hàm ẩm yêu cầu là 2-3%. Sau đó thiết bị sấy tầng sôi sẽ tiếp tục tách phần ẩm còn lại và làm nguội sản phẩm. Từ đó sẽ hạn chế sự ảnh hưởng của nhiệt độ cao làm biến đổi chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả truyền nhiệt, giảm chi phí vận hành.
Thiết bị sấy sữa ba giai đoạn: cũng tương tự như thiết bị sấy hai giai đoạn nhưng trong thiết bị này thì giai đoạn thứ hai được tiến hành ở phía dưới thiết bị sấy phun còn giai đoạn thứ ba là làm nguội và tách toàn bộ lượng ẩm được tiến hành phía ngoài thiết bị sấy phun. Có hai dạng:
Thiết bị sấy phun kết hợp với tầng sôi
Hình 3.46 Thiết bị sấy ba giai đoạn kết hợp với thiết bị sấy tầng sôi
Thiết bị sấy phun kết hợp với băng tải Filtermal: dạng này được ứng dụng phổ biến trong sản xuất.
Hình 3.47 Thiết bị sấy Filtermat
Thiết bị gồm một buồng sấy chính (3) và ba buồng sấy phụ (8, 9, 10): buồng sấy (8) để kết dính các hạt tạo thành những khối hạt mới, buồng sấy (9) để tách ẩm, buồng sấy (10) để làm nguội.
Nguyên liệu đưa vào buồng sấy (3) qua cơ cấu phun sương (2) trộn với tác nhân sấy có nhiệt độ khoảng 280oC. Sự tách ẩm chủ yếu xảy ra trong giai đoạn các hạt nguyên liệu rời thiết bị phun sương rơi xuống băng tải phía dưới buồng sấy. Hàm ẩm của nguyên liệu sau giai đoạn này còn 8-10 % sẽ tiếp tục được vận chuyển trên băng tải với tốc độ khoảng 1m/ph đi qua các buồng sấy phụ. Tại các buồng sấy phụ, không khí nóng được gia nhiệt đến nhiệt độ 130oC sẽ được thổi qua lớp bột đang nằm trên băng tải để tách toàn bộ lượng ẩm còn lại rồi thoát ra ngoài ở phía dưới đáy buồng. Nhiệt độ khí thoát khoảng 74-76oC. Cuối cùng toàn bộ sản phẩm sẽ được đưa vào buồng làm nguội. Người ta sử dụng tác nhân làm nguội là không khí đã qua tách ẩm và có nhiệt độ 15-20oC.
Một khối lượng nhỏ sữa bột có kích thước bé sẽ bị cuốn theo dòng tác nhân sấy hay làm nguội qua bộ phận cyclone để thu hồi. Phần sữa bột sau khi thu hồi sẽ được tuần hoàn trở lại vào trong buồng sấy chính hay buồng sấy phụ để chúng kết dính với nhau tạo thành những khối hạt mới. Sau đó toàn bộ sản phẩm thu được từ bộ phận tháo liệu (11) sẽ được đi qua hệ thống sàng rồi bao gói.
Bảng 3.5 So sánh giữa ba hệ thống sấy phun
Đại lượng Đơn vị Một giai đoạn Hai giai
đoạn
Ba giai đoạn
Ẩm bay hơi kg/h 2000 2000 2000
Lượng sản phẩm kg/h 1980 1980 1980
thiết bị sấy phun
Nhiệt độ không khí đầu ra thiết bị sấy phun
0C 100 85 78
Hàm ẩm của nguyên liệu ra khỏi thiết bị sấy phun
% 3.5 6.5 9.0
Nhiệt làm nóng Mjoule/h 8811 7453 7114
Điện tiêu thụ kW 167 151 164
Nhiệt làm nguội Mjoule/h 205 90 63
Chí phí đầu tư Bảng Anh 666.700 766.700 833.400
Ưu nhược điểm của hệ thống sấy phun + Ưu điểm
Thời gian sấy nhanh; sản phẩm thu được dưới dạng bột mịn mà không cần nghiền. Nhờ sấy nhanh nên nhiệt độ của vật liệu không vượt quá nhiệt độ cho phép của nó mặc dù nhiệt độ của tác nhân sấy rất cao. Điều này rất thích hợp cho các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ.
+ Nhược điểm
Kích thước phòng sấy lớn, vận tốc của tác nhân sấy nhỏ do đó cường độ sấy (lượng ẩm bay hơi trong một 1m3 thiết bị trong một đơn vị thời gian) nhỏ (khoảng 2-25kg/m3h); tiêu tốn năng lượng lớn; cấu tạo phức tạp đặc biệt là cơ cấu phun sương và thu hồi bột trong khí thải.
3. Sự kết tụ (agglomeration) ứng dụng trong công nghệ sản xuất sữa tan nhanh:
Các hạt sữa thu được sau quá trình sấy phun sẽ được tiến hành làm ẩm trở lại để tạo
điều kiện kết dính các hạt lại với nhau tạo thành những khối hạt mới. Tiếp theo các khối hạt này sẽ được sấy tách ẩm và làm nguội. Có thể chia ra làm hai dạng kết tụ:
* Kết tụ hạt (droplet agglomeration): các hạt sữa sau quá trình sấy phun sẽ được làm ẩm trở lại bằng các giọt chất lỏng được phun sương thông qua đầu phun áp lực hay ly tâm. Sự kết tụ này diễn ra do sự va chạm giữa các hạt đã được làm ẩm vì thế nên chúng có bề mặt dính tạo điều kiện cho các hạt kết lại với nhau.
* Kết tụ bề mặt (surface agglomeration): các hạt sữa sau quá trình sấy phun sẽ được làm ẩm trở lại bằng không khí có độ ẩm cao hay hơi nước do sự ngưng tụ các tác nhân ấy trên bề mặt hạt, làm cho các hạt trở nên dính kết lại với nhau.
Tuy nhiên trong thực tế, người ta thường kết hợp cả hai quá trình này và tích hợp nó vào trong thiết bị sấy để làm tăng hiệu quả của quá trình kết tụ, giảm chi phí đầu tư và diện tích nhà xưởng. Các hạt sữa bột có kích thước nhỏ sẽ được hoàn lưu trở lại buồng sấy chính thông qua cơ cấu nhập liệu đặc biệt giúp cho các hạt đó tiếp xúc với dung dịch sữa từ đó nó sẽ bị ẩm trở lại và kết dính lại với nhau. Ngoài ra đối với các hệ thống sấy từ hai giai đoạn trở lên thì quá trình kết tụ có thể được tiến hành ở các buồng sấy phụ nằm ngoài buồng sấy chính.
Hình 3.48 Thiết bị sấy tầng sôi có kết hợp keo tụ
Thiết bị được chia làm ba vùng (giống với thiết bị Filtermat) trong đó vùng đầu tiên sẽ được phun hơi nước hay không khí có độ ẩm 100% để làm ẩm các hạt tạo điều kiện kết tụ. Sau đó các hạt sẽ được chuyển qua vùng thứ hai là vùng tách ẩm và vùng cuối cùng là vùng làm nguội.
Một số đầu phun được dùng để kết hợp với quá trình kết tụ có chức năng vừa phun sương vừa hồi lưu các hạt bột có kích thước nhỏ để làm ẩm trở lại và kết dính.
Hình Các đầu phun hồi lưu sản phẩm.
* Hãng sản xuất: Niro Inc.
* Quá trình kết tụ sữa bột đang được ứng dụng trong nhà máy Neslté:
Dung dịch sữa có nồng độ 10% được làm lạnh xuống 60C trong thùng chứa 1. Sữa trong thùng sẽ được vận chuyển bằng bơm 2 và được phun vào trong buồng sấy bằng đầu phun áp lực 3 có áp suất khoảng 20 bar để tạo thành tia nước có vận tốc lên tới 8 m/s. Sữa bột sau khi sấy phun sẽ được đưa lại vào trong buồng sấy thông qua cơ cấu nhập liệu vít tải hay sàng rung 4 tiếp xúc với dung dịch sữa được phun vào buồng làm cho các hạt sữa bị ẩm trở lại khoảng 10-15% và kết dính với nhau. Sữa bột thu được sau đó sẽ được đem đi sấy trở lại ở nhiệt độ 900C để đưa về hàm ẩm 3%, sau đó được đem đi đóng gói.
Ngoài ra ta còn có thể kết hợp phun sữa hoàn lưu cùng lúc với sữa nguyên liệu qua cùng một đầu phun như quy trình sau:
Hình 3.50 Quy trình kết tụ
Sữa hoàn lưu cùng với sữa nguyên liệu sẽ được nhập vào bộ phận nạp liệu qua hai đường khác nhau. Khi cơ cấu phun sương quay, nguyên liệu sữa lỏng ban đầu sẽ được tạo thành các hạt có độ ẩm cao còn các hạt sữa hoàn lưu dưới tác dụng của lực ly tâm cũng sẽ phân bố đều và tiếp xúc với các hạt sữa đó từ đó làm tăng hàm ẩm, làm bề mặt sản phẩm dính kết lại với nhau. Sau đó sữa thu được sẽ được sấy tiếp trong thiết bị sấy tầng sôi rồi qua bộ phận tháo liệu đến sàng rung. Sàng rung sẽ chia sản phẩm làm hai phân đoạn: phần sản phẩm nằm trên mặt sàng sẽ được qua bộ phận đóng gói thành sản phẩm; phần lọt qua lỗ sàng sẽ được vận chuyển vào bồn chứa cùng với các hạt sữa thu được từ cyclone để từ đó hoàn lưu trở lại vào trong thiết bị sấy phun.
Các hạt sữa bột thông thường có kích thước từ 30-80µm. Còn các hạt sữa sau quá trình kết tụ sẽ có kích thước lớn hơn 150-200µm.