Máy phun áp suất còn được gọi là máy phun thủy lực hoặc máy phun chất lỏng đơn áp suất cao. Áp suất cao buộc chất lỏng cấp qua một lỗ vòi phun nhỏ để thức ăn nổi lên thành dòng ở tốc độ cao. Ma sát cao giữa chất lỏng và khơng khí làm gián đoạn dịng chảy, phá vỡ nó thành các mảnh, sau đó thành các giọt nhỏ. Kích thước giọt trung bình (120–250µm) tỷ lệ thuận với tốc độ nạp liệu và độ nhớt, và tỷ lệ nghịch với áp suất nguyên tử hóa, có thể đạt tới vài trăm bar [17].
Nguyên tắc hoạt động: Dòng lỏng được nén đến áp suất thích hợp (5-7MPa) đi vào vịi phun với tốc độ lớn, đường kính các lỗ vịi phun phải từ 0.4-4mm. Cuối vịi phun phải có một chi tiết dạng 3 cánh quay tự do quanh trục tạo ra tốc độ xốy li tâm, dịng xốy bị phân tán thành các hạt nhỏ có kích thước từ 10-20mm. Để tăng áp suất của vịi phun người ta bố trí nhiều vịi phun.
Hình 18: Hệ thống sấy phun cơ cấu dạng vòi phun
Ưu điểm:
Máy phun áp suất tương đối rẻ, chúng tiết kiệm năng lượng, đơn giản và nhỏ gọn.
Cấu tạo đơn giản, khơng có phần chuyển động nên khơng gây ồn.
Thích hợp cho việc phun dung dịch keo, dung dịch có độ nhớt lớn. Nhược điểm:
Khó điều chỉnh năng suất.
Do lỗ vòi nhỏ nên đòi hỏi áp suất cao để tránh tắc nghẽn.
Không dùng để phun các loại huyền phù hay bột nhão.
Máy phun khí nén, cịn được gọi là máy phun chất lỏng kép, tạo ra chất lỏng phun mịn với sự hỗ trợ của khí nén, nói chung là khơng khí, hoạt động như nguồn năng lượng chính để tạo ra các giọt. Sự hình thành giọt xảy ra khi chất lỏng tác động với tia khí tốc độ cao. Các giọt thơ được hình thành đầu tiên và nhanh chóng được chuyển đổi thành các giọt nhỏ. Có các thiết kế khác nhau, cụ thể là vịi trộn bên ngồi và vịi trộn bên trong, tùy thuộc vào vị trí diễn ra q trình trộn hai chất lỏng. Kích thước giọt trung bình (30–150µm) tỷ lệ thuận với tốc độ nạp liệu và độ nhớt, và tỷ lệ nghịch với áp suất nguyên tử hóa. Dạng phun thay đổi từ tốt đến trung bình. Chất lượng thành phẩm có liên quan chặt chẽ đến các đặc tính lưu biến của khơng khí và nguồn cấp dữ liệu (ví dụ: độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng) [19].
Hình 19: Bộ phun khí nén (hoặc chất lỏng kép)
Những ưu điểm chính của vịi phun hai chất lỏng bao gồm khả năng xử lý nguồn cấp nhớt và sản xuất bột với kích thước hạt rất nhỏ. Chúng tương đối rẻ, đơn giản và nhỏ gọn, mặc dù khí nén làm tăng thêm chi phí vận hành. Hạn chế chính của chúng là tỷ lệ thức ăn tương đối thấp và có xu hướng bị tắc nghẽn và “phun quá mức”, điều này có thể làm tăng các u cầu bảo trì và chi phí vận hành. Overspray đề cập đến sự sản sinh không mong muốn của các giọt/hạt quá nhỏ dễ dàng bị luồng khơng khí cuốn vào bầu khí quyển thay vì lắng đọng ở đáy buồng sấy phun. Điều này ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của hệ thống tách hạt và có thể dẫn đến ơ nhiễm khí quyển [3, 19].
4.5.2.2. Buồng sấy
Buồng sấy là nơi hòa trộn mẫu (dạng sương mù) và tác nhân sấy (khơng khí nóng). Buồng sấy phun có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng phooe biến nhất là buồng sấy hình trụ đứng, đáy cơn. Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…) được thiết kế phụ thuộc vào vào kích thước các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của chúng, tức phụ thuộc vào loại cơ câu phun sương sử dụng. Buồng sấy sử dụng cơ cấu phun sương dạng vịi phun [17].
Hình 20: Buồng sấy
Phun thức ăn lỏng, tiếp xúc giữa các giọt và khơng khí nóng, làm khơ giọt và thu gom sơ bộ các hạt khô trộn với khơng khí đều diễn ra trong buồng sấy phun. Buồng này bao gồm một đỉnh hình trụ lớn với một đáy hình nón, thường được làm bằng thép khơng gỉ thơng dụng. Hầu hết các máy sấy phun công nghiệp sử dụng phương pháp sấy đối lưu với khơng khí làm mơi chất sấy. Trong hầu hết các cấu hình, mái của buồng sấy phun được lắp với bộ phun, trong khi phần đáy hình nón được nối với hệ thống tác. Đầu vào cho khơng khí nóng đi vào được đặt ở phía trên cùng của buồng, ngoại trừ trong các máy sấy phun ngược dịng trong đó khơng khí đi vào từ phần dưới của buồng. Kích thước phịng có thể thay đổi chiều cao từ 8-30m và đường kính từ 5-10m. Chúng liên quan đến công suất của máy sấy phun và thời gian làm khô giọt. Các giọt mịn hơn thường yêu cầu thời gian lưu trú ngắn hơn vì chúng khơ nhanh, và do đó kích thước buồng sấy có thể nhỏ hơn. Khả năng bay hơi của máy sấy phun tương đối lớn có thể vào khoảng 1.500 - 2.000kg nước mỗi giờ [19,24].
Sự bay hơi và làm khô giọt xảy ra khi khơng khí nóng tiếp xúc với các giọt phun. Q trình làm khơ đạt được với thời gian tiếp xúc rất ngắn (vài giây). Nhiệt độ trung tâm giọt tăng đột ngột, dẫn đến bay hơi ẩm nhanh chóng. Q trình truyền nhiệt và khối lượng diễn ra đồng thời, theo đó nhiệt được truyền từ khơng khí sang các giọt bằng đối lưu, trong khi hơi nước được vận chuyển từ các giọt sang khơng khí bằng đối lưu qua lớp ranh giới giọt. Ban đầu, tốc độ bay hơi trong chất phun gần như khơng đổi. Nhiệt độ khơng khí giảm nhanh chóng. Nhiệt độ bề mặt giọt, gần như khơng đổi, có thể được tính gần đúng như nhiệt độ bầu ướt, tức là nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được bằng cách làm mát bay hơi, khi khí sấy bão hịa với hơi. Phần lớn nước được loại bỏ trong thời gian tốc độ không đổi. Các giọt nhỏ lại do bay hơi [24].
Điều chỉnh nhiệt độ khơng khí đầu vào là rất quan trọng để các giọt được làm khơ hồn toàn trước khi chạm đến các thành của buồng sấy. Ngồi ra, q trình sấy phải có thể làm khơ những giọt lớn nhất mà không làm cháy những giọt nhỏ nhất. Nên tránh quá nhiệt để giảm sự cháy xém của các hạt nhỏ nhất. Kích thước hạt, sự phân bố kích thước và hình thái của các hạt sấy phun phụ thuộc vào nhiều thông số, bao gồm thành phần thức ăn, nồng độ rắn và độ nhớt, tốc
độ cấp liệu, thơng số ngun tử hóa và thơng số sấy. Kích thước và hình thái hạt mong muốn khác nhau giữa các sản phẩm. Hình thái thay đổi từ hình dạng bình thường (hình cầu hoặc hình bầu dục) với bề mặt nhẵn đến hình dạng bất thường và cấu trúc bị móp tùy thuộc vào điều kiện làm khơ. Kích thước hạt có thể có đường kính từ 10-500µm. Sự bay hơi nhanh chóng tạo ra các vi cấu trúc xốp. Các hạt lớn hơn có thể được tạo ra bằng cách tạo ra sự kết tụ giữa các hạt bên trong máy sấy phun. Một số mức độ kết tụ thường có lợi trong các sản phẩm thực phẩm ăn liền để cải thiện tính thấm ướt và khả năng phân tán trong nước [19].
4.5.2.3. Tác nhân sấy (khơng khí nóng)
Khơng khí nóng là tác nhân sấy thơng dụng nhất. Hơi là tác nhân nhiệt phổ biến nhất. Nhiệt độ hơi thường được sử dụng dao động trong khoảng 150-250oC. Nhiệt độ trung bình của khơng khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là 10oC [17].
Khơng khí nóng đi vào buồng sấy được tạo ra bởi máy sưởi khơng khí trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong máy sưởi khơng khí trực tiếp, khơng khí tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa, trong khi trong hệ thống gián tiếp, nó được đốt nóng bằng bộ trao đổi nhiệt. Máy sưởi khơng khí gián tiếp thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Các thông số vận hành chính liên quan đến khơng khí bao gồm nhiệt độ, tốc độ dịng khí và các đặc tính nhiệt lý của khơng khí. Cân bằng khối lượng và năng lượng thường được sử dụng để tính tốn tốc độ dịng khí cần thiết trong máy sấy phun [19].
4.5.2.4. Hệ thống thu hồi sản phẩm
Bột sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy buồng sấy. Để tách sản phẩm ra khỏi khí thốt, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện … Phổ biến nhất vẫn là phương pháp lắng xoáy tâm, sử dụng cyclone [2].
Hình 21: Thiết kế cyclone với đầu vào khác nhau
Ở dưới cùng của máy sấy phun, các hạt khơ được tách một phần ra khỏi khơng khí. Tuy nhiên, do khơng khí đi ra khỏi buồng sấy vẫn còn chứa một lượng lớn các hạt rắn lơ lửng nên cần
phải tách thêm. Hai loại hệ thống được sử dụng để tách hạt, cụ thể là bộ tách cyclone để tách sơ cấp và các bộ phận bổ sung như bộ lọc túi hoặc bộ lọc bụi tĩnh điện để tách thứ cấp [17].
Cyclones hoạt động dựa trên nguyên tắc phân tách xốy, nhờ đó lực ly tâm và trọng lực cho phép tách hỗn hợp hạt khơng khí. Hiệu quả của việc tách bột phụ thuộc vào kích thước, số lượng và cấu hình đầu vào của cyclone. Đầu vào quấn quanh và đầu vào tiếp tuyến là hai cấu hình thường được sử dụng. Với đầu vào quấn quanh, có thể xử lý lượng khơng khí tương đối lớn và tốc độ khơng khí cao, dẫn đến hiệu quả tách cao. Số lượng cyclone có thể từ một đến bốn tùy thuộc vào đặc tính của hỗn hợp bột khơng khí. Master (1991) đã báo cáo rằng có thể đạt được hiệu suất tách bột 95% khỏi khơng khí trong điều kiện tối ưu. Sự phân tách trong các thiết bị này được thực hiện tương ứng bằng các phương tiện vật lý hoặc tĩnh điện [2,19].
4.5.2.5. Quạt hút
Để tăng lưu lượng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly tâm. Ở quy mô 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 dịng khí thốt. Cịn quạt phụ đặt trước thiết bị gia nhiệt khơng khí trước khi vào buồng sấy. Ưu điểm của việc sử dụng hệ thống hai quạt là người ta có thể kiểm sốt dễ dàng áp lực trong buồng sấy.
Hình 22: Quạt hút ly tâm
Trong q trình sấy phun, tốc độ dịng khí sấy cao thường thu được bằng cách sử dụng quạt ly tâm. Thông thường sử dụng hệ thống hai quạt, quạt chính đặt sau thiết bị thu hồi bột và quạt cấp nằm trong ống dẫn vào buồng sấy. Hai quạt cho phép kiểm soát tốt hơn áp suất trong buồng. Với một quạt duy nhất sau cyclone, toàn bộ hệ thống sấy hoạt động dưới áp suất âm cao. Áp suất vận hành trong buồng sấy quyết định lượng bột trong khí thải và do đó cơng suất của các cyclone và hiệu quả thu gom của chúng. Trong các trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng nhiều quạt hơn trong q trình sấy, ví dụ quạt ly tâm để vận chuyển khí nén bột hoặc các quạt nhỏ để thổi khơng khí mát đến các điểm nóng tiềm ẩn trong buồng sấy và bộ phun. Một quạt ly tâm điển hình được minh họa trong hình dưới đây [5].
Hình 23: Cấu tạo quạt hút ly tâm
Nguyên lý hoạt động: Nguyên liệu từ thùng chứa sẽ được bơm vào vào buồng sấy, khi vào buồng sấy thì nguyên liệu được phân bố thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cơ cấu phun. Dung dịch được tạo bụi qua vòi phun vào phòng sấy. Ở đây tác nhân sấy đi cùng chiều. Các giọt chất lỏng tiếp xúc với khơng khí trong khoảng vài giây để bay hơi hết ẩm tạo thành những hạt bột mịn rơi xuống phễu hình nón. Hơi nước có lẫn bột cà phê được chuyển vào cyclon để tách khí cịn bột cà phê rơi xuống cùng với những hạt cà phê tạo thành ban đầu. Hạt cà phê được đưa qua túi lọc để tách quặng bụi. Những quặng bụi này được hồi lưu về cylone tách khí để triệt để thu hồi sản phẩm. Một phần bụi mịn theo khơng khí qua cyclone sau đó qua bộ lộc vải nhằm thu hồi lại các hạt bụi mịn cịn sót lại và thải ra ngồi [5, 19].
4.5.3.Các thông số kĩ thuật quan trọng đối với thiết bị sấy phun
Tùy thuộc vào năng suất tách ẩm và sản phẩm cụ thể ta có các thơng số kĩ thuật thích hợp. Tuy nhiên, có các thơng số chung như sau:
Điện thế 380V- 50Hz- 3Pha
Nhiệt độ sấy: Điều chỉnh tự động trong khoảng 30- 300oC.
Chế độ làm việc: Liên tục
Điều khiển: Bảo vệ chống quá nhiệt Ngồi ra cịn các thơng số khác như:
Nhiệt độ đầu vào của khơng khí: nhiệt độ của khơng khí đầu vào cao hơn, sự bay hơi ẩm nhanh hơn nhưng bột phải chịu nhiệt độ cao hơn, điều này có thể làm sai lệch các tính chất hóa học của sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.
Nhiệt độ đầu ra của khơng khí: nó chi phối kích thước của thiết bị thu hồi bột, cao hơn là nhiệt độ khơng khí đầu ra lớn hơn sẽ là kích thước của thiết bị thu hồi bột và các ống dẫn và các khoảng thơng tầng. Nhiệt độ khơng khí đầu ra kiểm sốt độ ẩm cuối cùng của bột.
Độ nhớt: độ nhớt cao cản trở sự hình thành giọt đúng. Khi độ nhớt giảm xuống, cần ít năng lượng hoặc áp suất hơn để tạo thành một kiểu phun cụ thể.
Hàm lượng chất rắn: phải cẩn thận với tải trọng chất rắn cao (trên 30%) để duy trì q trình ngun tử hóa thích hợp để đảm bảo sự hình thành giọt chính xác.
Sức căng bề mặt: bổ sung một lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt có thể làm giảm đáng kể sức căng bề mặt. Điều này có thể dẫn đến kiểu phun rộng hơn, kích thước giọt nhỏ hơn và tốc độ rơi cao hơn.
Nhiệt độ cấp liệu: khi nhiệt độ của dung dịch được phun tăng lên, dung dịch có thể dễ dàng bị khơ vì nó mang lại nhiều năng lượng hơn cho hệ thống.
Độ bay hơi của dung môi: độ bay hơi cao là điều mong muốn trong bất kỳ q trình làm khơ nào. Thật không may, sự lựa chọn ngày nay bị hạn chế. Trong nhiều trường hợp, những điều này hạn chế sự lựa chọn dung môi đối với nước.
Vật liệu đầu phun: hầu hết các ứng dụng dược phẩm sử dụng vật liệu chèn bằng thép không gỉ. Tuy nhiên, vịi phun cacbua vonfram thường có sẵn và có khả năng chống mài mịn tuyệt vời và chống ăn mòn tốt cho hầu hết các nguyên liệu. [2]
4.5.4.Một số thiết bị sấy phun sử dụng trong sản xuất cà phê sấy phun
4.5.4.1. Máy sấy phun sương
Hình 24: Máy sấy phun sương
Tổng quan về máy
Thân máy sấy, đường ống và những thiết bị tiếp xúc nguyên liệu được làm bằng thép không gỉ 0cr19(304), bảo đảm chắc chắn không bị hư hại. Loại máy sấy phun khuếch tán này nhìn chung được dùng cho sấy phun các loại sản phẩm dung dịch có đ ẩm cao khoảng 50 - 80%. Một số loại nguyên liệu đặc biệt, thậm chí khi độ ẩm lên đến 90%, thiết bị máy có thể sấy 1 lần mà khơng cần cơ đặc chúng [26].
Phạm vi ứng dụng: phù hợp cho sấy các loại nguyên liệu như: hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, … Những nguyên liệu phù hợp cho sấy như sau: polymer và nhựa thông, chất màu, gốm, thủy tinh, deruster, chất diệt nấm, thuốc diệt cỏ, tổng hợp cacbon, các sản phẩm bơ sữa, sản xuất bột ngọt, trà, cà phê hòa tan, tinh bột trái cây, các sản phẩm từ thịt, các sản phẩm từ cá, từ huyết, bột tẩy rửa, xử lý bề mặt, phân bón, các chất hữu cơ và vơ cơ …
Nguyên lý hoạt động:
Khơng khí đi qua bộ lọc và bộ gia nhiệt được đua vào bộ phân phối khơng khí ở trên đỉnh thiết bị, khí nóng được đưa vào buồng sấy đều theo hình xốy trịn dạng xoắn ốc.
Quy trình gia nhiệt: Lị tạo khí nóng, gia nhiệt bằng điện, gia nhiệt bằng hơi…Khi không