1.3.1.1. Một số bộ phận quan trọng của máy sấy phun
Các thành phần quan trọng của một hệ thống sấy phun bao gồm có vòi phun, dòng không khí, buồng sấy phun, cyclone thu mẫu, v.v... Cụ thể ở hình 1.13.
Vòi phun
Vòi phun là "trái tim" của bất kỳ một hệ thống sấy phun. Một trong những chức năng của phun là để phân tán vật liệu nạp vào thành những giọt nhỏ, làm tăng bề mặt tiếp xúc và cho phép phân phối tốt của vật liệu trong buồng sấy. Những giọt phun không phải là lớn mà chúng tạo ra một sản phẩm khô không đầy đủ, cũng không quá nhỏ để việc thu hồi sản phẩm là khó khăn [90].
Có nhiều cấu hình được thiết kế khác nhau ccho vòi phun. Tuy nhiên, các mẫu thiết kế phổ biến nhất là ở dạng đĩa quay tốc độ cao (hình 1.10), hai là vòi phun chất lỏng; Vòi phun không có không khí; vòi phun áp lực cao; vòi phun siêu âm [90, 94].
Theo dữ liệu thực nghiệm tham khảo cho thấy, mối tương quan đối với sự phân bố kích thước giọt ban đầu và vận tốc ban đầu cho cả tốc độ quay và áp lực vòi phun đã được tìm thấy [67].
Hình 1.10. Cấu tạo vòi phun sương dạng đĩa quay và vòi phun áp lực [67]
Buồng sấy
Buồng sấy phun có hình dáng cấu tạo dạng cyclone như hình 1.11. Buồng sấy là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) với tác nhân sấy (không khí nóng). Tại đây xảy ra sự tiếp xúc của dịch sấy phun ở dạng các giọt dịch với không khí nóng và bay hơi nước làm khô các giọt thành các hạt sản phẩm bột.
Sự chuyển động của các dòng giọt dịch cùng với dòng khí nóng (dạng sương mù) trong buồng sấy theo các hướng khác nhau tròng quá trình sấy có dạng như hình 1.11.
Hình 1.11 Cấu tạo buồng máy sấy phun
a) Cấu hình cùng chiều. b) Cấu hình ngược chiều c) Cấu hình kết hợp [90]
Kiểu dòng khí
Tùy theo các kiểu máy sấy phun khác nhau khi hoạt động sẽ tạo ra dòng khí bên trong buồng sấy. Thông thường có 3 kiểu:
- Thiết kế dòng chảy đồng thời hoặc thiết kế song song: trong cấu hình này, nguồn cấp vật liệu được phun vào không khí nóng vào máy sấy và cả hai đi qua buồng trong cùng một hướng. Điều này cho thấy sản phẩm khô nhạy cảm với không khí thoát ra mát hơn (hình 1.11a).
- Thiết kế dòng khí ngược dòng: trong cấu hình này, sự nạp liệu và không khí được đưa ở hai đầu của buồng sấy với vị trí vòi phun ở phía trên và không khí vào ở phía dưới cùng (hình 1.11b). Cấu hình này cho thấy sản phẩm tiếp xúc với không khí nóng nhiều, và làm bay hơi lượng nước bị ràng buộc còn lại trong sản phẩm hiệu quả hơn so với thiết kế dòng khí cùng chiều; nó không được khuyến cáo đối với nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt.
- Thiết kế dòng khí kết hợp: trong cấu hình này máy sấy phun với dòng nạp liệu và dòng khí nóng là ngược nhau nhưng dòng thoát ra của khí thải cùng với dòng thu hồi sản phẩm (hình 1.11c). Với cấu hình này sẽ khắc phục được các nhược điểm của 2 cấu hình trên. Khí vào Vòi phun Khí ra Sản phẩm ra Khí vào Khí vào Sản phẩm ra Sản phẩm ra Khí ra Vòi phun Dịch vào Dịch vào Dịch vào Vòi phun
1.3.1.2. Nguyên lý hoạt động
Cốt lõi của kỹ thuật sấy phun là nguyên liệu được phun trong một trạng thái lỏng vào môi trường khô nóng (nhiệt độ từ 100 đến 300°C) trong đó chất lỏng (thường là nước) bay hơi. Sản phẩm cuối cùng của quá trình sấy phun là dạng bột khô hoặc hạt, tùy thuộc vào tính chất vật lý và hóa học của nguyên liệu, kiểu dáng và hoạt động của máy sấy. Sự bay hơi nước từ các giọt được tạo điều kiện bởi nhiệt và chuyển trạng thái qua hơi / từ các giọt [67]. Người ta cho rằng nhiệt độ bầu ướt của các giọt nước nằm trong khoảng 30 - 50°C và tổng thời gian làm khô chỉ là một vài giây [83].
Quy trình sấy phun bao gồm các bước:
- Cô đặc nguyên liệu trước khi sấy: nguyên liệu trước khi sấy phải được cô đặc để làm tăng hàm lượng chất rắn, đồng thời làm giảm đáng kể lượng chất lỏng mà nó phải được bay hơi trong máy sấy phun. Thông thường đối với máy sấy quy mô công nghiệp, nồng độ dịch trước khi đưa vào máy sấy thường khoảng 50-60%. Tuy nhiên, đối với máy sấy thí nghiệm quy mô nhỏ sẽ có độ pha loãng hơn vì nó dễ dàng bị tắc vòi phun nếu dịch có độ nhớt cao.
- Phun nguyên liệu để tạo điều kiện tối ưu cho quá trình bay hơi nước đến một sản phẩm khô có các đặc tính mong muốn;
- Sự tiếp xúc giữa các giọt nhỏ với khí nóng trong buồng sấy, chất lỏng phun sương được đưa vào tiếp xúc với khí nóng, kết quả làm bay hơi đến 95% lượng nước chứa trong các hạt li ti trong vật liệu chỉ vài giây;
- Quá trình làm khô giọt, bay hơi ẩm diễn ra trong 2 giai đoạn (hình 1.12):
Trong giai đoạn đầu tiên, có đủ độ ẩm để thay thế cho chất lỏng bay hơi ở bề mặt và tỷ lệ bay hơi là tương đối ổn định. Và giai đoạn thứ hai bay hơi ẩm bắt đầu khi không còn độ ẩm để duy trì điều kiện bão hòa trên bề mặt giọt, gây ra một vỏ khô để tạo thành bề mặt. Tốc độ bay hơi phụ thuộc vào sự phân phối của độ ẩm thông qua vỏ, làm tăng tốc độ bay hơi phụ thuộc vào sự phổ biến của độ ẩm thông qua vỏ, làm tăng độ dày như tiền bốc hơi. Bước cuối cùng trong quá trình sấy phun thông thường là (V) tách, điều này liên quan đến việc sử dụng của các cyclone, các bộ lọc túi, và/hoặc tĩnh điện [90].
Hình 1.12. Quá trình làm khô một giọt dịch chứa chất rắn trong máy sấy phun [25, 42]
Hình 1.13. Nguyên lý cấu tạo hệ thống thiết bị sấy phun [42]
a: Độ ẩm của hạt b: Nhiệt độ của hạt
b a
Giai đoạn 1 Giai đoạn 2
Giai đoạn 1 Giai đoạn 2
Sự co lại của hạt Không có sự thay đổi kích thước của hạt Giọt dịch Kết tủa chất rắn Hình thành vỏ cứng Sự dày lên của vỏ cứng
Thời gian quá trình
Không khí Quạt khí vào Buồng sấy Quạt khí ra Bụi Khí ra Dịch sấy Bơm dịch Sản phẩm bột Nâng nhiệt
Hệ thống này hoạt động trên nguyên tắc làm khô một giai đoạn, có nghĩa là tất cả việc loại bỏ ẩm từ dịch cô đặc đến độ ẩm cuối cùng cần thiết diễn ra trong buồng sấy phun. Các hệ thống vận chuyển khí nén tiếp theo chỉ phục vụ để thu nhận các bột rời khỏi buồng hình nón cùng với phần bột tách ra từ khí thải trong cyclone chính, để làm mát bột và nạp liệu nó qua cyclone cuối cùng để đến phễu đóng bao tháo ra ngoài.
Hình 1.13 thể hiện các bộ phận cơ bản của một hệ thống máy sấy phun. Dịch sấy cô đặc được đưa vào buồng sấy bằng một máy bơm cao áp và sau đó tiếp tục đến bộ phận phun sương. Những giọt dịch rất nhỏ được phun vào buồng trộn, ở đó chúng được trộn với không khí nóng. Không khí được hút vào bởi một quạt thông qua một bộ lọc và cung cấp cho lò sưởi, nơi nó được đun nóng đến 100 - 300°C. Không khí nóng chảy qua một thiết bị phân phối cho một buồng phối trộn. Trong dịch phun sương buồng phối trộn được pha trộn đều với không khí nóng và nước trong dịch được bốc hơi. Hầu hết các quá trình sấy diễn ra như những giọt đang giảm tốc do ma sát không khí sau khi được thả từ vòi phun ở vận tốc cao. Nước tự do bay hơi ngay lập tức. Nước trong các mao mạch và lỗ mao quản đầu tiên phải khuếch tán vào các bề mặt của các hạt trước khi nó có thể được tan biến. Điều này diễn ra làm bột từ từ lắng trong tháp phun. Dịch chỉ được đun nóng đến 70 -80°C vì thành phần nhiệt của không khí liên tục được tiêu thụ bởi sự bốc hơi của nước.
Sự mất nước từ các giọt nước dẫn đến giảm đáng kể về trọng lượng, khối lượng và đường kính. Trong điều kiện sấy lý tưởng, trọng lượng sẽ giảm xuống còn khoảng 50%, khối lượng khoảng 40%, và đường kính khoảng 75% kích thước giọt tạo ra bởi phóng từ vòi phun. Trong quá trình sấy bột lắng trong buồng sấy và được thải ra ở phía dưới. Chúng được vận chuyển bằng khí nén đến bộ phận bao gói bằng không khí làm mát được hút vào ống hơi để thu bột bởi một quạt gió. Sau khi làm mát, hỗn hợp của không khí lạnh và bột chảy vào đơn vị xả, trong đó bột được tách ra từ không khí trước khi được đóng gói. Một số ít, các hạt trạng thái nhỏ có thể được trộn lẫn với không khí rời khỏi buồng sấy. Bột này được tách ra trong một hoặc nhiều cyclone. Không khí khô làm sạch được tách ra từ máy bằng một quạt [42].