TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
5.2 Tính chọn thiết bị chính: [1], [2], [3], [4], [18]
5.2.1 Thiết bị gia nhiệt
- Gia nhiệt sữa tươi nguyên liệu từ 40C lên 600C, thời gian gia nhiệt 15 giây, tổng thời gian gia nhiệt là 15 phút. Gia nhiệt 1 ngày 3 ca, mỗi ca 2 mẻ, mỗi mẻ 4 lần gia nhiệt.
- Lượng sữa vào thiết bị gia nhiệt trong 1 ngày: 47616 lít. - Năng suất sữa tươi cần gia nhiệt cho một lần trộn: 1 47616 7936 15 (3.2.4). 60 G = = lít/h
- Chọn thiết bị gia nhiệt dạng vĩ Tetra Plex CD6 của hãng Tetra Pak. Các thông số kỹ thuật:
Kích thước vĩ (mm): 1000 x 250 x 0,5 (dài x rộng x dày), vật liệu cấu tạo vĩ là thép không rỉ AISI316 hoặc 254 SMO.
Bề mặt truyền nhiệt: 0,18m2
Đường kính ống: 55mm
Năng suất tối đa cho nung nóng/ làm nguội: 15.000 lít/h
Áp suất làm việc: 6 bar
Kích thước thiết bị (mm): 1500 x 520 x 1420 (dài x rộng x cao)
Hình 5.2 Dòng chảy của lưu chất trong thiết bị gia nhiệt Bảng 5.3 Lịch làm việc của thiết bị gia nhiệt
Thời gian Gia nhiệt
6h30 – 6h45 ¼ mẻ 1 7h00 – 7h15 ¼ mẻ 1 7h30 – 7h45 ¼ mẻ 1 8h00 – 8h15 ¼ mẻ 1 8h30 – 8h50 Chạy CIP 8h55 – 9h10 ¼ mẻ 2 9h25 – 9h40 ¼ mẻ 2 9h55 – 10h10 ¼ mẻ 2 10h25 – 10h40 ¼ mẻ 2 10h55 – 11h20 Chạy CIP 11h30 – 11h45 ¼ mẻ 3 12h00 – 12h15 ¼ mẻ 3 12h30 – 12h45 ¼ mẻ 3 13h00 – 13h15 ¼ mẻ 3 13h30 – 13h50 Chạy CIP 13h55 – 14h10 ¼ mẻ 4 14h25 – 14h40 ¼ mẻ 4 14h55 – 15h10 ¼ mẻ 4 15h25 – 15h40 ¼ mẻ 4 15h55 – 16h20 Chạy CIP 16h25 – 16h40 ¼ mẻ 5 16h55 – 17h10 ¼ mẻ 5 17h25 – 17h40 ¼ mẻ 5
17h55 – 18h10 ¼ mẻ 5 18h25 – 18h45 Chạy CIP 18h50 – 19h05 ¼ mẻ 6 19h20 – 19h35 ¼ mẻ 6 19h50 – 20h05 ¼ mẻ 6 20h20 – 20h35 ¼ mẻ 6 20h50 – 21h10 Chạy CIP 5.2.2 Thiết bị phối trộn
- Trộn 2 mẻ/ca, mỗi mẻ 4 lần trộn. Thời gian trộn 30 phút/lần. - Năng suất trộn: 2 51779,87 =4315 30 (3.2.4). 60 G = lít/h.
Với năng suất phối trộn cần là 4.315lít/h, thiết bị phối trộn thích hợp là Tetra Almix Spark 10V của hãng Tetra Pak cung cấp, năng suất 12.000lít/h.
Các chi tiết chính của thiết bị gồm:
Bồn trộn chân không thể tích 3.000 lít, động cơ đặt dưới đáy bồn, có van an toàn, van đổi hướng dòng chảy và vỏ bọc ngoài kết nối CIP.
Ba bồn trung gian, mỗi bồn có thể tích 6.000 lít, gắn hệ thống đường ống nối giữa các bồn với nhau và với bồn trộn chân không qua một bơm để tuần hoàn hỗn hợp phối trộn.
Phễu nạp bột sữa gầy
Bảng điều khiển với các nút nhấn, công tắc chính và tắt khẩn cấp, khởi động động cơ, van điện từ, báo động.
Các thông số kỹ thuật:
Công suất tiêu thụ: 21kW
Công suất bơm: 3kW
Áp suất sữa vào bồn trộn: 0,5 bar
Áp suất sữa ra khỏi bồn trộn: 1,5 bar
Điện áp: 220-440 VAC, tần số 50-60Hz
Vật liệu chế tạo:
+ Các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm được làm bằng thép không rỉ AISI316. + Các bộ phận khác làm bằng thép không rỉ AISI304. Kích thước: + Chiều dài: 1600mm + Chiều rộng: 1200mm + Chiều cao: 1720mm. Thông số vận chuyển:
Khối lượng thiết bị: 550kg
Hình 5.3 Thiết bị phối trộn Tetra Almix Spark 10V
Hình 5.4 Sơ đồ thiết bị phối trộn Bảng 5.4 Lịch làm việc của thiết bị phối trộn
Thời gian Phối trộn
6h45 – 7h15 ¼ mẻ 1 7h15 – 7h45 ¼ mẻ 1 7h45 – 8h15 ¼ mẻ 1 8h15 – 8h45 ¼ mẻ 1 8h45 – 9h05 Chạy CIP 9h10 – 9h40 ¼ mẻ 2 9h40 – 10h10 ¼ mẻ 2 10h10 – 10h40 ¼ mẻ 2 10h40 – 11h20 ¼ mẻ 2
11h20 – 11h40 Chạy CIP 11h45 – 12h15 ¼ mẻ 3 12h15 – 12h45 ¼ mẻ 3 12h45 – 13h15 ¼ mẻ 3 13h15 – 13h45 ¼ mẻ 3 13h45 – 14h05 Chạy CIP 14h10 – 14h40 ¼ mẻ 4 14h40 – 15h10 ¼ mẻ 4 15h10 – 15h40 ¼ mẻ 4 15h40 – 16h10 ¼ mẻ 4 16h10 – 16h30 Chạy CIP 16h40 – 17h10 ¼ mẻ 5 17h10 – 17h40 ¼ mẻ 5 17h40 – 18h10 ¼ mẻ 5 18h10 – 18h40 ¼ mẻ 5 18h40 – 19h00 Chạy CIP 19h05 – 19h35 ¼ mẻ 6 19h35 – 20h05 ¼ mẻ 6 20h05 – 20h35 ¼ mẻ 6 20h35 – 21h05 ¼ mẻ 6 21h05 – 21h25 Chạy CIP 5.2.3 Hệ thống thanh trùng 5.2.3.1 Thiết bị thanh trùng
- Chế độ thanh trùng: nhiệt độ 820C trong thời gian 10 phút gồm 4 phút gia nhiệt, 2 phút giữ nhiệt và 4 phút làm nguội.
- Tổng thời gian thanh trùng là 45 phút. - Lượng sữa cần thanh trùng trong một mẻ: Gtt = 51002,64 8500, 44
(3.2) = lít = 8755,45kg - Năng suất thiết bị thanh trùng tối thiểu: 3
51002,64 11333,92 45 (3.2). 60 G = = lít/h
- Chọn thiết bị thanh trùng dạng bảng mỏng Tetra Plex MS6 của hãng Tetra Pak-Thụy Điển:
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị:
Bộ phận chính của thiết bị là những tấm bảng hình chữ nhật với độ dày rất mỏng, làm bằng thép không rỉ AISI 316L. Mỗi tấm bảng có 4 lỗ tại 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt. Các tấm bảng mỏng được ghép lại với nhau trên bộ khung của thiết bị làm bằng thép đặc không rỉ (solid stainless steel), hình thành nên những hệ thống đường vào và đường ra cho nguyên liệu và chất tải nhiệt.
Chất tải nhiệt là nước nóng. Nước nóng và sữa chuyển động ngược chiều nhau trong thiết bị.
Các thông số kỹ thuật:
Năng suất tối đa cho thanh trùng: 12.000 lít/h
Áp suất làm việc: 10-16 bar
Kích thước bảng (mm): 750 x 250 x 0,5 (dài x rộng x dày), vật liệu cấu tạo bảng là thép không rỉ AISI316L hoặc 254 SMO.
Bề mặt truyền nhiệt: 0,14m2
Đường kính ống: 60mm
Kích thước thiết bị (mm): 1500 x 320 x 960 (mm)
Hình 5.5 Thiết bị thanh trùng dạng bảng mỏng hãng Tetra Pak
Bảng 5.5 Lịch làm việc của thiết bị thanh trùng
Thời gian Thanh trùng
7h00 – 7h45 Chạy nước nóng 7h45 – 8h30 Thanh trùng ½ mẻ 1 8h45 – 9h30 Thanh trùng ½ mẻ 1 9h45 – 10h05 Chạy CIP 10h10 – 10h55 Thanh trùng ½ mẻ 2 11h20 – 12h05 Thanh trùng ½ mẻ 2 12h20 – 12h40 Chạy CIP 12h45 – 13h30 Thanh trùng ½ mẻ 3 13h45 – 14h30 Thanh trùng ½ mẻ 3 14h45 – 15h05 Chạy CIP 15h10 – 15h55 Thanh trùng ½ mẻ 4 16h10 – 16h55 Thanh trùng ½ mẻ 4 17h10 – 17h30 Chạy CIP 17h40 – 18h25 Thanh trùng ½ mẻ 5 18h40 – 19h25 Thanh trùng ½ mẻ 5 19h40 – 20h00 Chạy CIP 20h10 – 20h55 Thanh trùng ½ mẻ 6 21h10 – 21h55 Thanh trùng ½ mẻ 6 22h10 – 22h30 Chạy CIP 5.2.3.2 Bộ phận lưu nhiệt
Bộ phận lưu nhiệt là một đoạn ống có chiều dài thích hợp để giữ cho nhiệt độ của dòng sữa không đổi tương ứng với thời gian thanh trùng. Ống lưu nhiệt có cấu tạo hai vỏ, ở giữa hai vỏ là lớp cách nhiệt có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ thanh trùng cố định.
Chọn ống có cấu tạo từ thép không gỉ, đường kính ngoài φ = 60mm, dày S = 2mm.
- Vận tốc của sữa nguyên liệu đi trong ống tương ứng với năng suất thanh trùng: 2 2 4. 4.8755, 45 0,82 / 3600. . . 3600.1050.3,14.0,06 G v m s ρ π φ = = =
Trong đó: ρ =1050kg m/ 3 là khối lượng riêng của chất lỏng. - Thời gian lưu nhiệt τ =2 phút. Chiều dài ống lưu nhiệt cần thiết là: L v= .τ =0,82.120 98, 4= m
Để có thể thay đổi thời gian thanh trùng ứng với những trường hợp khác, cần bố trí ống lưu nhiệt gồm nhiều đoạn ống, mỗi đoạn ống có chiều dài 5m. Tùy theo thời gian thanh trùng dài hay ngắn mà sử dụng số lượng đoạn ống để làm việc cho phù hợp.
5.2.4 Thiết bị đồng hóa
- Thể tích nguyên liệu vào thiết bị đồng hóa trong một mẻ sản xuất: 50597,78 8432,96
3.2
dh
V = = lít
- Thời gian đồng hóa là 20 giây. Tổng thời gian đồng hóa là 25 phút. - Nhiệt độ dòng lỏng: 700C
- Chế độ áp suất cho 2 cấp đồng hóa:
+ Áp lực cấp đồng hóa thứ nhất: 160bar (P1) + Áp lực cấp đồng hóa thứ hai: 40bar (P2) - Năng suất yêu cầu tối thiểu của thiết bị: 4
8432,96 20239,11 25 60 G = = lít/h
- Chọn thiết bị đồng hóa Tetra Alex 30 của hãng Tetra Pak, áp lực đồng hóa 160bar cho năng suất tối đa 22.600 lít/h.
Thông số kỹ thuật của thiết bị:
Công suất động cơ N = năng suất * áp lực đồng hóa/30600 kW = 20239,11 * 160/ 30600 = 105,82 kW
Nước làm mát (áp lực > 300 kPa, nhiệt độ 250C, độ cứng <100dH):700 lít/h
Lượng hơi nước tiệt trùng thiết bị (áp lực >300kPa): 25kg/h
Kích thước thiết bị (mm): 2820 x 1720 x 1250
Kích thước không gian đặt thiết bị (mm): 4300 x 3300 x 1700 (mm) Thông số vận chuyển thiết bị:
Khối lượng thiết bị: 3775kg
Khối lượng bao bì vận chuyển: 500kg
Thể tích: 11,9 m2
Năng lượng tiêu tốn:
Năng lượng tiêu thụ/ 1000 lít sản phẩm: 8,2kWh
Lượng nước tiêu thụ/ 1000 lít sản phẩm: 671 lít/h
Hơi tiêu tốn/ 1000 lít sản phẩm: 3,4kg/h
Tiếng ồn: 80dB
Hình 5.7 Thiết bị đồng hóa 2 cấp Tetra Alex 30 hãng Tetra Pak Nguyên lý hoạt động:
Máy hoạt động theo nguyên tắc đồng hóa ở áp suất cao, hai cấp gồm một bơm piston để đưa nguyên liệu vào máy, hai khe hẹp và hai hệ thống thủy lực tạo đối áp dùng chung một bể dầu. Bộ phận đồng hóa gồm các bộ phận chính sau đây: chày đồng hóa (forcer), bộ phận tạo khe hẹp (seat), vòng đập (impact-ring). Chày đồng hóa và bộ phận tạo khe hẹp vừa tạo ra áp lực cao cho dòng lưu chất vừa tạo ra khe đồng hóa (gap), khe đồng hóa có kích thước rất nhỏ (0,1mm), vòng chặn có tác dụng tạo ra va đập cho các hạt làm cho chúng phân tán tốt hơn.
1- cấp đồng hóa thứ nhất; 2- cấp đồng hóa thứ hai
Dưới tác dụng của chày đồng hóa, dòng lưu chất có áp lực rất cao và chuyển động qua khe hẹp với vận tốc rất lớn, có thể lên tới 50÷200m/s, vì vậy toàn bộ năng lượng ở dạng thế năng của áp suất sẽ được chuyển thành động năng của các phân tử. Chính năng lượng này sẽ làm phá vỡ và giảm kích thước các hạt. Tác dụng đồng hóa được giải như sau:
- Nguyên lý chảy rối (turbulence theory): Khi hệ nhũ tương được bơm với tốc độ cao đến khe hẹp, nhiều dòng chảy rối với các vi lốc xoáy (micro – whirl) sẽ xuất hiện. Tốc độ bơm càng lớn thì số dòng chảy rối sẽ xuất hiện càng nhiều và kích thước các vi lốc xoáy sẽ càng nhỏ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho các hạt này bị vỡ ra.
- Nguyên lý xâm thực khí (cavitation theory): Hệ nhũ tương được bơm đến khe hẹp với tốc độ cao sẽ làm xuất hiện các bong bóng hơi trong hệ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm vỡ hạt. Theo nguyên lý này, sự đồng hóa chỉ diễn ra khi hệ nhũ tương rời khỏi khe hẹp, do đó đối áp giữ một vai trò quan trọng và sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa. Tuy nhiên, sự đồng hóa vẫn có thể diễn ra mà không cần có hiện tượng xuất hiện các bong bóng khí nhưng hiệu quả của quá trình sẽ thấp hơn.
- Thuyết va đập: Dịch sữa là một hỗn hợp chứa rất nhiều hạt pha phân tán. Khi các hạt này chuyển động với vận tốc cao chúng sẽ tự va đập vào nhau và do cấu tạo của thiết bị, khi thoát ra khỏi khe hẹp các hạt phân tán sẽ tiếp tục va đập vào một bề mặt cứng làm góp phần phá vỡ và giảm kích thước các hạt.
1- motor chính (main drive motor); 2- bộ truyền đai (V-belt transmission); 3- đồng hồ đo áp suất (pressure indication); 4- trục quay (crankcase);
5- piston; 6- hộp piston (piston seal cartridge); 7- bơm; 8- van; 9- bộ phận đồng hóa (homogenising device); 10- hệ thống tạo áp suất thủy
lực (hydraulic pressure setting system)
Theo hình 5.9, bơm piston cao áp được vận hành bởi động cơ điện (1) thông qua một trục quay (4) và bộ truyền động (2) để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của piston. Các piston (5) chuyển động trong xilanh ở áp suất cao. Trong thiết bị còn có hệ thống dẫn nước nhằm làm mát cho piston trong suốt quá trình làm việc.
1- chày đồng hóa (force); 2- vòng đập (impact ring); 3- bộ phận tạo khe hẹp (seat); 4- hệ thống thủy lực tạo đối áp (hydraulic actuator); 5- khe hẹp
Hình 5.10 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị đồng hóa áp lực cao
Theo hình 5.10, nguyên liệu sữa được đưa vào thiết bị đồng hóa bởi một bơm piston. Bơm sẽ tăng áp lực cho hệ nhũ tương từ 3bar lên đến 160bar tại đầu vào của khe hẹp (5). Người ta sẽ tạo một đối áp lên hệ nhũ tương bằng cách hiệu chỉnh khoảng cách khe hẹp trong thiết bị giữa bộ phận chày đồng hóa (1) và bộ phận tạo khe hẹp (3). Đối áp được duy trì bởi một bơm thủy lực sử dụng dầu. Khi đó, áp suất đồng hóa sẽ cân bằng với áp suất dầu tác dụng lên piston thủy lực. Vòng đập (2) được gắn với bộ phận tạo khe hẹp (3) sao cho mặt trong của vòng đập vuông góc với lối thoát ra của hệ nhũ tương khi rời khe hẹp. Một số hạt của pha phân tán tiếp tục va vào vòng đập (2) bị vỡ ra và giảm kích thước. Bộ phận tạo khe hẹp (3) được chế tạo nghiêng trung bình 50 trên bề mặt để gia tốc hệ nhũ tương theo hướng vào khe hẹp và tránh sự ăn mòn các chi tiết có liên quan. Đi ngang qua khe hẹp, vận tốc chuyển động của hệ nhũ tương có thể được tăng lên đến 100÷400m/s và quá trình đồng hóa chỉ diễn ra trong khoảng 10÷15 giây. Sau khi nguyên liệu sữa đi qua khe hẹp thứ nhất với áp lực P1= 160bar, các hạt pha phân tán bị phá vỡ và giảm kích thước nhưng vẫn còn hiện tượng các hạt bị kết dính và tạo thành chùm hạt với nhau. Dòng nguyên liệu này sẽ tiếp tục đi qua khe hẹp thứ hai với áp lực P2=40bar nhằm duy trì đối áp ổn định cho giai đoạn đồng hóa cấp một, đồng thời tạo điều kiện cho các chùm hạt của pha phân tán tách ra thành từng hạt phân tán riêng lẻ có kích thước <1µm tạo hệ đồng nhất cao.
Máy đồng hóa trong quy trình công nghệ:
Trong quy trình công nghệ, máy đồng hóa được đặt sau thiết bị thanh trùng sẽ có các ưu điểm sau:
- Sẽ phân tán được các khối cầu béo cũng như các khối đông tụ whey protein phát sinh không chỉ ở nguyên liệu đầu mà cả ở khâu xử lý nhiệt sau thanh trùng. Do đó hiệu quả đồng nhất cho sản phẩm sẽ cao.
- Tận dụng được nhiệt độ cao sẵn có của dòng sữa trong quá trình thanh trùng để đồng hóa nhằm tạo hiệu quả cao mà không cần tiêu tốn nhiệt để nâng nhiệt sơ bộ cho dòng sữa.
- Lợi dụng được áp suất cao của dòng ra trong máy đồng hóa để vận chuyển sữa đến thiết bị cô đặc mà không cần tốn bơm vận chuyển.
- Nhiệt độ của dòng sữa sau khi đồng hóa dao động 650C-700C, nhiệt độ này gần bằng với nhiệt độ sôi của sữa trong thiết bị cô đặc (≈670C) nên rất thuận lợi cho cô đặc.
Bảng 5.6 Lịch làm việc thiết bị đồng hóa
Thời gian Đồng hóa
8h00 –8h30 Chạy nước nóng 8h30 – 8h55 Đồng hóa ½ mẻ 1 9h30 – 9h55 Đồng hóa ½ mẻ 1 9h55 – 10h35 Chạy CIP 10h55 – 10h55 Đồng hóa ½ mẻ 2 12h05 – 12h30 Đồng hóa ½ mẻ 2 12h30 – 13h10 Chạy CIP 13h30 – 13h55 Đồng hóa ½ mẻ 3