PHẦN III: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
VII.3. Phương pháp thực hiện
VII.3.1.2 Thiết bị sấy phun
Hệ thống sấy phun gồm có các thiết bị chính là buồng sấy, cơ cấu phun, caloriphe để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, hệt thống quạt hút và hệ thống thu hồi sản phẩm.
1-Buồng sấy; 2- caloriphe; 3-thiết bị chứa nguyên liệu cần sấy; 4-bơm nhập liệu; 5-cơ cấu phun mẫu; 6-cylon thu hồi sản phẩm từ khí thoát; 7-cyclon vận chuyển sản phẩm; 8- hệ thống quạt hút và màng lọc.
Hình 32. Thiết bị sấy phun.
Trứng nguyênliêu Tác nhân sấy Bột trứng
mịn (sương mù). Quá trình tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các giọt lỏng và sự phân bố của chúng trong buồng sấy, do đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy. Đây là quá trình quan trọng nhất trong kĩ thuật sấy phun.
Hiện nay có ba dạng cơ cấu phun sương: đầu phun áp lực, đầu phun ly tâm và đầu phun khí động.
Cơ cấu phun áp lực (còn được gọi là cơ cấu phun một dòng)
Nguyên tắc hoạt động: Mẫu nguyên liệu sẽ được nén vào đầu phun bằng một bơm cao áp. Áp lực có thể lên đến 5-7 MPa. Tiếp theo mẫu sẽ thoát ra một lỗ phun có dạng hình nón với đường kính là 0.4-4 mm. Góc phun có thể dao động từ 40-140o.
Ưu điểm đáng chú ý nhất của đầu phun áp lực là chi phí năng lượng thấp. Tuy nhiên, đầu phun áp lực có thể bị tắc nghẽn và không thể sử dụng cho các mẫu dạng huyền phù có nồng độ cao. Theo Mujumdar A. S (1995), năng suất thiết kế các đầu phun áp lực thường không cao (không lớn hơn 100 lít/giờ), 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.
Cơ cấu phun ly tâm
Hình 33: 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
nhỏ li ti. Góc phun ra là 180o nên các hạt lỏng sẽ chuyển động ngang đập vào thành buồng sấy. Khi đó, chúng bị thay đổi phương đột ngột và tạo nên một hỗn hợp sương bụi xoáy rối di chuyển xuống phía đáy buồng sấy
Thông thường tốc độ của đĩa dao động trong khoảng 10000÷30000 vòng/phút Đĩa quay được thiết kế với nhiều rảnh nhỏ xung quanh. Các rãnh này có hình dạng và kích thước khác nhau phụ thuộc vào tính chất của sản phẩm và năng suất hoạt động của thiết bị. Thông thường, các rãnh có hình tròn, chữ nhật hoặc oval.
Ưu điểm chính của cơ cấu phun ly tâm là có thể tạo ra được các hạt sản phẩm với độ đồng nhất cao. Mặc khác, đầu phun ly tâm ít bị tắc nghẽn khi mẫu sấy có dạng huyền phù mịn. Chúng cũng có thể sử dụng cho những mẫu có độ nhớt cao. Năng suất hoạt động của đầu phun ly tâm có thể lên đấn 200 tấn/giờ. Tuy nhiên, do góc phun là 180o, các buồng sấy thường được thiết kế với buông sấy khá lớn.
Cơ cấu phun bằng khí động (còn được gọi là cơ cấu phun hai dòng)
Nguyên tắc 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. trong trường hợp này, góc phun dao động từ 20-60o phụ thuộc vào cấu tạo của đầu phun.
Ưu điểm của cơ cấu phun bằng khí động là có thể sử dụng 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 1000 kg nguyên liệu/giờ. Tuy nhiên, đầu phun khí động tiêu tốn nhiều năng lượng. Theo Mujumdar A. S (1995), để phun 1kg nguyên liệu trung bình cần 0.5 m3 khí nén. Dạng đầu phun này ít được sử dụng trong công nghệ thực phẩm.
Bảng 13: So sánh tiêu hao năng lượng của ba cơ cấu phun Cơ cấu phun Năng lượng tiêu hao cho quá trình
phun sương với công suất
250 (kg/h) 500 (kg/h) 1000 (kg/h) 2000 (kg/h) Áp lực (3-5 MPa)
Khí động (áp lực khí 0.4 10.0
1.6 20.0
2.5 40.0
4.0 80.0
Ly tâm 8.0 15.0 25.0 30.0 VII.3.1.2.2 Buồng sấy
Buồng trộn 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:
Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều: Đầu phun nguyên liệu và của vào cho tác nhân sấy được bố trí trên đỉnh 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 mẩn cảm với nhiệt độ. Đây cũng là trường hợp phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.
Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động ngược chiều: 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 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 dạng bột thô yêu cầu có tỷ trọng cao hoặc có độ xốp thích hợp. Loại cơ cấu phun thường được sử dụng là đầu phun khí động hoặc đầu phun áp lực.
Dạng hỗn hợp: 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
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 các tác nhân sấy sẽ 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.
Trường hợp này sử dụng cho các sản phẩm dạng bột thô và khi kích thước buồng sấy bị giới hạn.
VII.3.1.2.3 Tác nhân sấy
Không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng nhất. Để gia nhiệt không khí, ta có thể sử dụng những tác nhân và phương pháp gia nhiệt khác nhau.
Bảng 14: Tác nhân và phương pháp gia nhiệt không khí 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) 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 150-250oC. Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là 10oC
VII.3.1.2.4 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 sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện….
chuyên theo quỹ đạo hình xoắn ốc và rơi xuống đáy cyclon. Không khí sạch thoát ra ngoài theo cửa trên đỉnh cyclone.
VII.3.1.2.5 Quạt
Để tăng lưu lượng những dòng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly tâm > Ở qui mô công nghiệp các thiết bị sấy phun được trạng bị hệ thống hai quạt. Quạt chính được đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát. Còn quạt phụ được đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy. Ưu điểm của việc sử dụng hệ thống hai quạt là người ta có thể kiểm soát dễ dàng áp lực trong buồng sấy.
Trong trường hợp chỉ sử dụng một quạt ly tâm đặt sau cyclone 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 đế 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 ly tân nhằm vào các mục đích khác nhau để vận chuyển bằng khí động bột sản phẩm sau khi sấy vào thiết bị bảo quản…
VII.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sấy phun
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun. Dưới đây là những yếu tố quan trong nhất.
VIII.3.1.3.1 Nồng độ chất khô của nguyên lệu:
Trong quá trình sấy phun nếu nồng độ chất khô của nguyên liệu càng cao thì lượng nước bốc hơi đẩ sản phẩm đạt giá trị độ ẩm cho trước sẽ càng thấp. Như vậy, các nhà sản xuất sẽ tiết kiệm được thời gian sấy và năng lượng cần cung cấp cho quá trình.
Tuy nhiên, nếu nồng độ chất khô quá cao sẽ làm tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình tạo sương mù trong buồng sấy, cơ cấu phun dễ bị tắc nghẽn hoặc tạo hạt với hình dạng và kích thước không mong muốn.
Trong công nghệ sản xuất bột lòng đỏ, nồng độ chất khô của dòng nguyên liệu vào buồng sấy thường dao động trong khoảng 45-50%
Nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun. Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của bột sản phẩm thu được sẽ giảm đi nếu ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy.
Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tác nhân sấy tăng quá cao, độ ẩm cuối cùng của bột sản phẩm sẽ không giảm đi nhiều. Hơn nữa, việc gia tăng nhiệt độ có thể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức hao năng lượng của toàn bộ quá trình.
Trong công nghiệp sản xuất bột lòng đỏ trứng, nhiệt độ không khí nóng tại cửa vào buồng sấy phun thường nằm trong khoảng 121÷232oC, nhiệt độ không khí tại cửa ra là 50÷80oC.
VIII.3.1.3.3 Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy
Như chúng ta đã biết, quá trình tạo sương mù khong những ảnh hưởng quyết định đến tốc độ sấy, mức tiếu tốn năng lượng của quá trình mà còn ảnh hưởng đến hình dạng và cấu trúc hạt của sản phẩm sấy phun.
Ba cấu trúc phun là áp lực, khí động và ly tâm sẽ cho ra các hạt lỏng nhỏ li ti với kích thước khác nhau và có những mức tiêu hao năng lượng cũng khác nhau.
Bảng 15:Kích thước và hạt nguyên liệu sau quá trình phun sương Cơ cấu phun Đường kính hạt (micromet)
Ly tâm Áp lực Khí động
1-600 10 -800 5-300
Mội dầu phun có thể hoạt động với những chế độ tạo sương mù khác nhau. Ví dụ như trường hợp cơ cấu phun ly tâm: khi tắt hay đổi áp lực khí nén làm quay đĩa thì tốc độ biên của đĩa quay cũng sẽ thay đổi theo, từ đó làm thay đổi kích thước các hạt nguyên liệu cũng như quỹ đạo và sự phân bố của nó trong buồng sấy. Theo lý thuyế nếu đường kính hạt nguyên liệu càng nhỏ thì tổng diện tích bề mặt các hạt thu được từ một đơn vị thể tích
Bảng 16 : so sánh giá trị bề mặt truyền nhiệt Tổng thể
tích (m3)
Đường kính hạt
Số hạt Diện tích bề mặt một hạt
Tổng diện tích bề mặt các hạt (m2)
1 1 1 1 1
1.23 m 1 cm 1 mm 100 micromet 1 micromet
1
1.986x106 1.986x109 1.986x1012 1.986x1018
3,14 m2 3,14 cm2 3,14 mm2
31.400 micromet2 3,14 micromet2
3,14 623,6 6236 62.360 6.236.000
Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun là tốc độ bơm đưa dòng nguyên liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo và kích thước buồng sấy…
VII.3.1.3 Những hệ thống sấy phun thường gặp VIII.3.1.4.1 Hệ thống sấy phun một giai đoạn
Thực tế cho thấy trong quá trình tách phần ẩm cuối cùng cho bột trứng nhờ hệ thống sấy phun một giai đoạn là rất chậm và tốn kém nhiều năng lượng. Do đó, hệ thống sấy phun một giai đoạn thường chỉ sử dụng cho mục đích nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc pilot.
VIII.3.1.4.2 Hệ thống sấy phun hai giai đoạn
Với hệ thống này, độ ẩm bột sản phẩm từ buồng sấy phun được hiệu chỉnh cao hơn 2-5% so với giá trị độ ẩm cuối cùng. Phần ẩm còn lại cần tách sẽ được bốc hơi tiiếp trong thiết bị sấy tầng sôi. Như vậy nhiệt độ đầu ra của không khí nóng từ buông sấy phun sẽ thấp hơn 15-25oC khi ta so sánh với hệ thống sấy phun một giai đoạn.
1- bộ phận gia nhiệt không khí cho buồng sấy phun ;2- buồng sấy phun ; 3- buồng sấy tầng sôi ; 4-bộ phận gia nhiệt không khí cho buồng sấy tần sôi ; 5-quạt cung cấp không khí làm nguội ; 6-quạt cung cấp không khí có độ ẩm là nguội ; 7-rây bột sản phẩm.
Hình 34:Hệ thống sấy phun hai giai đoạn VIII.3.1.4.3 Thiết bị sấy tầng sôi
Tác nhân sấy Bột trứng
Hình 35: Thiết bị sấy tầng sôi
Đầu tiên bột trứng được đưa vào vùng 1 và rơi xuống trên mặt lưới. Mặt lưới này được kết nối với một motor để tạo ra những dao động rung theo một tần số xác định làm dịch chuyển phần bột trứng trên mặt lưới đi về hướng cưả thoát. Hơi được cung cấp vào vùng 1 từ bên dưới mặt lưới, mục đích làm ẩm các hạt lòng đỏ trứng và tạo khối hạt lớn hơn.
Tiếp theo, các hạt lòng đỏ trứng sẽ được đưa vào vùng 2. đây là vùng sấy nhằm hiệu chỉnh lại độ ẩm cho các khối hạt vưà được hình thành tại vùng 1. Tác nhân sấy là không khí nóng được cung cấp từ phiá bên dưới mặt lưới.
Sau cùng, các hạt lòng đỏ trứng sẽ di chuyển vào vùng 3- vùng làm nguội. Ở đây người ta sử dụng không khí lạnh được nạp vào thiết bị cũng từ phiá bên dưới mặt lưới.
Các hạt lòng đỏ trứng sau quá trình làm nguội sẽ di chuyển về cưả thoát.
Mặc dù giai oạn sấy tầng sôi cũng tiêu tốn một lượng năng lượng rất nhất định, tuy nhiên theo Mujumdar A. S cộng sự (1995), hệ thống sấy phun hai giai đoạn giúp các nhà
Bột trứng Hơi
Không khí nóng Không khí lạnh
phun một giai đoạn (các thông số hoạt động của hai hệ thống là tương đương nhau).
VIII.3.1.4.4 Hệ thống sấy phun có sử dụng băng tải
Đặc điểm cuả thiết bị này là sự bố trí nhiều đầu phun trong buồng sấy, nhờ đó năng suất hoạt động cuả thiết bị được cải thiện. Bột sản phẩm thu được trong quá trìng sấy phun sẽ theo băng tải (7) vào hai buồng sấy (8) và (9) để bột tiếp tục bốc hơi và độ ẩm sản phẩm đạt giá trị theo đúng yêu cầu. Cuối cùng, băng tải sẽ đưa sản phẩm vào buồng làm nguội (10) rồi qua bộ phận (11) để tháo sản phẩm. Thiết bị (15) có chức năng làm phá vỡ các chùm hạt trong khối sản phẩm. Chỉ có một lượng nhỏ bột sản phẩm bị cuốn theo dòng khí nóng và được thu hồi nhờ hai cyclon(12). Bộ phận thu hồi nhiệt (16) từ khí thoát giúp tiết kiệm năng lượng cho quá trình sấy.
1-bơm nguyên liệu: 2- các cơ cấu phun; 3- buồng sấy phun; 4-bộ phận lọc khí; 5- bộ phận gia nhiệt/ làm nguội không khí; 6- bộ phận phân phối tác nhân sấy; 7- băng tải; 8,8- buồng sấy kết thúc; 10- buồng sấy làm nguội sản phẩm; 11- bộ phận tháo sản phẩm; 12- cyclone thu hồi sản phẩm; 13- quạt; 14-hệ thống thu hồi bột sản phẩm từ cyclone; 15- Bộ phận xử lý sản phẩm; 16- bộ phận thu hồi nhiệt.
Hình 36: Hệ thống sấy phun có sử dụng băng tải
VII.3.1.4 Thiết bị sấy phun dành riêng cho trứng của SANOVO
Tác nhân sấy