Thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun dùng để sấy cà phê từ dạng dung dịch nồng độ ban đầu 20% thành sản phẩm bột có độ ẩm là 8% khối lượng , năng suất 1200 kg/h

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 3CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀVẬT LIỆU, CÔNG NGHỆVÀ THIẾT BỊ............... 41.1. Nguyên liệu ........................................................................................................ 41.1.1. Nguyên liệu chính – Cà phê ..................................................................... 41.1.2. Nguyên liệu phụ....................................................................................... 71.2. Quy trình công nghệsản xuất cà phê hòa tan .................................................... 81.2.1. Quy trình công nghệ................................................................................ 81.2.2. Thuyết minh quy trình ................................................................................... 81.3. Tổng quan vềcông nghệsấy phun ................................................................... 101.3.1. Giới thiệu công nghệsấy phun .............................................................. 101.3.2. Cấu tạo thiết bịsấy phun ....................................................................... 111.3.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 141.4. Tổng quan vềtác nhân sấy ................................................................................. 151.4.1. Không khí ẩm .............................................................................................. 151.4.2. Khói lò ........................................................................................................ 151.4.3. Hơi quá nhiệt ............................................................................................... 151.5. Tổng quan vềchất tải nhiệt ................................................................................ 151.5.1. Hơi nước ...................................................................................................... 151.5.2. Nước nóng ................................................................................................... 161.5.3. Chất lỏng hữu cơ......................................................................................... 161.5.4. Khói lò ......................................................................................................... 161.5.5. Điện ............................................................................................................ 16CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾVÀ CÁC THÔNG SỐBAN ĐẦU ............................................................................................................................... 182.1. Lựa chọn phương án thiết kế.............................................................................. 182.2. Các thông sốban đầu .......................................................................................... 19CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY ............................................................ 203.1. Tính cân bằng vật chất ........................................................................................ 203.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết ........................................................................ 213.3. Tính toán quá trình sấy thực ............................................................................... 22 Đồán Quá trình thiết bị GVHD: TS. Lê Đức Trung SVTH: Nguyễn Thanh Tuấn Trang 2 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊCHÍNH ............................................................. 254.1. Chọn đĩa phun ..................................................................................................... 254.2. Đường kính thiết bịsấy ...................................................................................... 254.3. Thểtích thiết bịsấy ............................................................................................ 264.4. Xác định thời gian sấy ........................................................................................ 284.5. Tính bền cho thiết bịsấy .................................................................................... 294.5.1. Thân thiết bị................................................................................................. 294.5.2. Đáy và nắp thiết bị....................................................................................... 314.6. Tính tổn thất nhiệt và cách nhiệt cho thiết bị................................................. 31CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊPHỤ................................................................. 375.1. Tính calorifer ...................................................................................................... 375.2. Tính và chọn cyclon lắng .................................................................................. 425.3. Tính và chọn quạt hút ......................................................................................... 435.4. Tính và chọn bơm ............................................................................................... 475.5. Tính công suất động cơ đĩa phun........................................................................ 505.6. Chân đỡvà cửa quan sát, sửa chữa ..................................................................... 50KẾT LUẬN ................................................................................................................... 51TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52Trong hệthống dùng 2 quạt mắc nối tiếp nhưvậy công suất của mỗi quạt là 6,3 KW Một quạt đặt trước calorifer đẩy không khí vào calorifer còn một quạt đặt sau cycle hút không khí khỏi thiết bịsấy Công suất của động cơmỗi quạt: Nđc= β.N ; với N > 5 chọn hệsốdựtrữ β= 1,1 Vậy công suấy động cơ: Nđc= 1,1.6,3 ≈7 [KW] Với giá trịtính được1816,42 [N/m2] và Q = 6,2[m3/s] ≈22320 [m3/h] dựa vào đồthị đặc tuyến của quạt ly tâm ta chọn quạt II4- 70 N08.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU, CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ 4

1.1 Nguyên liệu 4

1.1.1 Nguyên liệu chính – Cà phê 4

1.1.2 Nguyên liệu phụ 7

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan 8

1.2.1 Quy trình công nghệ 8

1.2.2 Thuyết minh quy trình 8

1.3 Tổng quan về công nghệ sấy phun 10

1.3.1 Giới thiệu công nghệ sấy phun 10

1.3.2 Cấu tạo thiết bị sấy phun 11

1.3.3 Nguyên lý hoạt động 14

1.4 Tổng quan về tác nhân sấy 15

1.4.1 Không khí ẩm 15

1.4.2 Khói lò 15

1.4.3 Hơi quá nhiệt 15

1.5 Tổng quan về chất tải nhiệt 15

1.5.1 Hơi nước 15

1.5.2 Nước nóng 16

1.5.3 Chất lỏng hữu cơ 16

1.5.4 Khói lò 16

1.5.5 Điện 16

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 18

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế 18

2.2 Các thông số ban đầu 19

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY 20

3.1 Tính cân bằng vật chất 20

3.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết 21

3.3 Tính toán quá trình sấy thực 22

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 25

4.1 Chọn đĩa phun 25

4.2 Đường kính thiết bị sấy 25

4.3 Thể tích thiết bị sấy 26

4.4 Xác định thời gian sấy 28

4.5 Tính bền cho thiết bị sấy 29

4.5.1 Thân thiết bị 29

4.5.2 Đáy và nắp thiết bị 31

4.6 Tính tổn thất nhiệt và cách nhiệt cho thiết bị 31

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 37

5.1 Tính calorifer 37

5.2 Tính và chọn cyclon lắng 42

5.3 Tính và chọn quạt hút 43

5.4 Tính và chọn bơm 47

5.5 Tính công suất động cơ đĩa phun 50

5.6 Chân đỡ và cửa quan sát, sửa chữa 50

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, hòa nhịp cùng với sự phát triển của đất nước và sự tiến

bộ của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp nước ta có những chuyển biến rõ rệt đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến thực phẩm Bỡi lẽ, đời sống của con người ngày càng được nâng cao thì đòi hỏi các sản phẩm thực phẩm phải ngày càng phong phú và đa dạng

để đáp ứng tốt nhất nhu cầu của con người Tuy nhiên, đối với thực phẩm nhất là thực phẩm ở dạng lỏng như sữa, nước ép trái cây, cà phê, việc đa dạng của sản phẩm phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế biến do tính chất dễ bị hư hỏng dưới tác động của vi sinh vật, của môi trường xung quanh, nên kéo theo thời gian bảo quản và sử dụng rất hạn hẹp

Chính vì thế, các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng thành công các công nghệ chế biến mới cho những thực phẩm ở dạng lỏng, nổi trội hơn hết là công nghệ sấy như: sấy thăng hoa, sấy phun, nhằm tách bớt nước ra khỏi thực phẩm, biến thực phẩm ở dạng lỏng thành thực phẩm dạng bột mà không làm thay đổi tính chất của sản phẩm Công nghệ sấy ra đời tạo ra các sản phẩm khô, giúp cho thực phẩm bảo quản được lâu hơn, đồng thời làm phong phú thêm các sản phẩm thực phẩm Một trong các sản phẩm sấy quan trọng là cà phê hòa tan

Cà phê hòa tan xuất hiện trên thị trường vào những năm 1950 và đã phát triển nhanh chóng và trở thành một trong những loại cà phê phổ biến nhất Loại cà phê này rất tiện sử dụng, có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng Trước những năm 2000 thị trường cà phê hoà tan ở Việt Nam còn khá nghèo nàn về chủng loại sản phẩm và ít được nhà đầu tư quan tâm, nay thị trường này đã chiếm đến 1/3 tỷ trọng sản lượng cà phê được tiêu thụ Do nhu cầu tiêu thụ sản phẩm ngày càng tăng cao nên việc phát triển sản phẩm cà phê hoà tan là một việc làm cần thiết

Chính vì những lý do trên nên em đã chọn đề tài đồ án: “Thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun dùng để sấy cà phê từ dạng dung dịch nồng độ ban đầu 20% thành sản phẩm bột

có độ ẩm là 8% khối lượng Năng suất thiết bị là 1200 kg/h tính theo nguyên liệu vào” Với đề tài này, em hy vọng sẽ bổ sung được những kiến thức của mình về công nghệ sấy phun, qua đó vận dụng kiến thức để tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun ứng dụng trong công nghiệp sản xuất cà phê hoà tan

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU, CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ

1.1 Nguyên liệu

1.1.1 Nguyên liệu chính – Cà phê

Cấu tạo của quả cà phê [13]

Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài cùng, mềm mỏng, có màu xanh hoặc đỏ violet hay

đỏ đậm khi chín

Lớp vỏ thịt: nằm dưới lớp vỏ quả

Lớp vỏ thóc: cứng, nhiều xơ, bao bọc xung quanh nhân

Vỏ lụa: lớp vỏ nằm sát nhân cà phê, màu sắc và đặc tính khác nhau phụ thuộc vào loại cà phê

Nhân cà phê: nằm trong cùng Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng, tế bào nhỏ, trong chứa dầu Phía trong có những tế bào lớn, và mềm hơn

Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân, thông thường là 2 nhân

• Nhân cà phê

Trong nhân cà phê nước chiếm 10-12%,

protein chiếm 9-11%, lipit chiếm 10-13%, các

loại đường chiếm 5-10%, tinh bột chiếm 3-5%

Ngoài ra trong nhân còn chứa các chất thơm,

các alkaloid

Thành phần hoá học trong nhân cà phê

biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín,

điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và

bảo quản

Nước: Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn

lại 10-12% ở dạng liên kết Khi hàm lượng nước cao hơn, các loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt Mặt khác, hàm lượng nước cao sẽ làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang , tốn nhiều nhiên liệu và nhất là làm tổn thất hương cà phê Hàm lượng nước trong cà phê sau khi rang còn 2,7%

Chất khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng 3-5%, chủ yếu là

kali, nitơ magie, photpho, clo Ngoài ra còn thấy nhôm, sắt, đồng, iod, lưu huỳnh…Những chất này ảnh hưởng không tốt đến mùi cà phê Chất lượng cà phê cao khi hàm lượng chất khoáng càng thấp và ngược lại

Hình 1.1 Cấu tạo hạt cà phê

Glucid: Chiếm khoảng ½ tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào

thành phần nước uống mà chỉ cho màu và vị caramen Đường có trong cà phê do trong quá trình thuỷ phân dưới tác dụng của axit hữu cơ và enzim thuỷ phân Hàm lượng saccharose có trong cà phê phụ thuộc vào mức độ chín: quả càng chín thì hàm lượng saccharose càng cao Saccharose bị caramen hoá trong quá trình rang nên sẽ tạo hương

vị cho nước cà phê Hạt cà phê còn chứa nhiều polysaccarit nhưng phần lớn bị loại ra ngoài bã cà phê sau quá trình trích ly

Protein: Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng nó đóng vai trò quan

trọng trong việc hình thành hương vị của sản phẩm Bằng phương pháp thuỷ phân, người ta thấy trong thành phần protein của cà phê có những axit amin sau: Cysteine, Alanie, Phenylalanine, Histidine, Leucine, Lysine, Derine … Các acid amin này ít thấy ở trạng thái tự do, chúng thường ở dạng liên kết Khi gia nhiệt, các mạch polypeptide bị phân cắt, các axít amin được giải phóng ra tác dụng với nhau hoặc tác dụng với những chất tạo mùi và vị cho cà phê rang

Lipid: Hạt cà phê chứa lượng cà phê khá lớn (10-13%) Lipid trong cà phê gồm

chủ yếu dầu và sáp Trong đó sáp chiếm 7-8% tổng lượng lipid, còn dầu chiếm 90% Trong quá trình chế biến, lipid bị biến đổi, song một phần axit béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hoà tan các chất thơm Khi pha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã

Các alcaloid :Trong cà phê có các alcaloid như cafein, trigonulin, colin Trong

đó quan trọng và được nghiên cứu nhiều hơn cả là cafein và trigonulin

Cafein chiếm từ 1-3% phụ thuộc vào chủng loại, điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác Hàm lượng cafein thấp hơn trong chè nhưng nó kích thích hệ thần kinh với thời gian dài hơn vì khi uống cà phê tốc độ lưu thông của máu không tăng lên nên cafein thải ra ngoài chậm, mặt khác khi pha cà phê trong nước, cafein được giải phóng hoàn toàn ở trạng thái tự do, không hình thành những chất có khả năng kết tủa hoặc những chất không có hoạt tính của ancaloit

Trigonellin (acid metyl betanicotic: C7H7NO2) là ancanoit không có hoạt tính sinh lý, ít tan trong rượu etylic, không ta trong clorofoc và ete, tan nhiều trong nước nóng, nhiệt độ nóng chảy là 218oC Tính chất đáng quý của trigonellin là dưới tác dụng của nhiệt độ cao nó bị thủy phân tạo thành acid nicotic (tiền vitamin PP) Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy trong cà phê nhân không có acid nicotic nhưng nó được hình thành trong quá trình gia nhiệt trong đó sự nhiệt phân trigonellin giữ vị trí quan trọng

Chất thơm: Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích

lũy trong ht Sự tích lũy chịu nhiều yếu tố như đất đai , khí hậu và nhất là chủng loại cà phê Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quá trình rang Chất thơm bao gồm nhiều cấu tử khác nhau: acid, aldehid, ceton, rượu, phenol,

este Trong quá trình rang, các chất thơm thoát ra ban đầu có mùi hắc sau chuyển thành mùi thơm Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi, biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà phê bị mất mùi thơm

Bảng1.1: Thành phần hóa học của cà phê nhân (theo chất khô)

Raffinose (0 – 0.9%), stachyose

galactose (55 -65%), mannose (10-20%), arabinose (20-35%) Glucose (0 – 2%) Carbohydrate

không hòa tan

Acid khó bay hơi 2 – 2.9% 1.3 – 2.2% Acid citric, acid

malic, acid quinic Acid chlorogenic 6.7 – 9.2% 7.1 – 12.1% Monodicaffeoyl –

and feruloylquinic acid

Caffein 0.8 – 1.4% 1.7 – 4.0%

Trigonelline 0.6 – 1.2% 0.3 – 0.9% Chủ yếu glut, asp,

asp -NH2

Hiện nay người ta chia cà phê thành 2 giống lớn

• Cà phê chè Arabica (Coffea arabica):

• Cà phê vối Robusta (Coffea canophera):

Ngoài ra còn có các loại cà phê khác: Cà phê mít Excelsa (Coffea excelsa), …

Trong công nghiệp sản xuất cà phê hòa tan, cà phê nhân thường được sử dụng

là cà phê Robusta vì các lý do sau: [10]

- Hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê Robusta cao hơn cà phê Arabica,

do đó lượng sản phẩm thu hồi được nhiều hơn

- Hàm lượng caffeine trong cà phê nhân Robusta thường trong khoảng 2% (chất khô), cao hơn hàm lượng caffeine trong cà phê Arabica (khoảng 1,2% chất khô)

- Giá thành cà phê Robusta thấp hơn Arabica

Yêu cầu về chất lượng nguyên liệu cà phê nhân trong sản xuất cà phê hòa tan thấp hơn so với nguyên liệu để sản xuất cà phê rang xay

1.1.2 Nguyên liệu phụ [12]

Vai trò của các nguyên liệu phụ trong sản xuất cà phê hòa tan là nhằm để nâng cao giá trị cảm quan của sản phẩm, đa dạng hóa sản phẩm để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Nguyên liệu phụ được sử dụng nhiều nhất là đường, sữa bột và kem không

có nguồn gốc từ sữa non

- Vai trò chính của đường trong sản phẩm cà phê hòa tan là nhằm hạn chế vị đắng của cà phê, nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm

- Vai trò của sữa bột trong sản phẩm là nâng cao giá trị cảm quan của sản phẩm Trong cà phê hòa tan, vị đắng chiếm vai trò chủ đạo Do đó, chất béo từ sữa kết hợp với vị ngọt của đường sẽ làm cho sản phẩm cà phê hòa tan có vị hài hòa hơn Thường sử dụng sữa bột nguyên kem hoặc sữa bột ít béo

- Ngoài ra, nếu cà phê nguyên liệu sau khi rang mà cường độ hương vị đặc trưng của cà phê thấp, chưa đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, ta có thể bổ sung thêm các loại chế phẩm hương cà phê Tuy nhiên việc bổ sung hương không phổ biến trong sản xuất

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

1.2.1 Quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan theo [13]

1.2.2 Thuyết minh quy trình

 Trích ly

Quá trình trích ly nhằm thu các chất hoà tan có trong bột cà phê rang vào nước Dùng nước nóng ở 80- 900C để trích ly Không dùng nước có nhiệt độ cao hơn vì sẽ trích ly cả những chất không tốt cho sản phẩm

Bột cà phê sản xuất cà phê hoà tan cần có kích thước lớn và tiến hành trích ly nhiều lần để hạn chế lượng bột mịn tan sâu vào trong nước khi trích ly

 Cô đặc

Mục đích:

- Chuẩn bị: quá trình cô đặc nhằm chuẩn bị cho quá trình sấy, nó làm tăng nồng

độ chất khô trong dịch chiết giúp giảm chi phí về năng lượng, giảm thời gian sấy, tăng độ đậm đặc của sản phẩm

- Bảo quản: hạn chế sự xâm nhập và phát triển của vi sinh vật

Thu hồi chất thơm

Bổ sung chất thơm

Bột cà phê rang Trích ly

Cà phê

hoà tan

Cô đặc Sấy khô

Phương pháp cô đặc thường dùng là cô đặc chân không:

Dung dịch cà phê được bơm vào thiết bị gia nhiệt Tại đây nước nhận nhiệt và bay hơi Độ chân không được tạo ra nhờ baromet sẽ hút hơi nước và ngưng tụ tại bình ngưng Quá trình diễn ra cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì dừng

 Tách và hồi hương

Nếu để nguyên cà phê bột đem đi chế biến thì chất thơm của cà phê sẽ bị tổn thất rất nhiều, nhất là trong quá trình sấy phun Do vậy, người ta thu hồi chất thơm của cà phê bột trước khi trích ly rồi bổ sung trở lại cho bột cà phê hoà tan

- Khử hấp phụ:

Quá trình khử hấp phụ được tiến hành trong tháp đứng và tác nhân hấp phụ là khí trơ (N2) Cà phê bột được làm nóng trong tháp sẽ toát ra các chất thơm Sau đó bơm dòng khí trơ đã được đốt nóng đến nhiệt độ nhất định (95°C) vào từ đáy tháp

Trên đỉnh tháp có quạt hút có tác dụng hút hỗn hợp khí ra khỏi tháp, đồng thời tạo áp suất thấp để quá trình hấp phụ xảy ra dễ dàng Ta thu được hỗn hợp gồm khí N2 và các chất thơm

- Hấp phụ:

Bột cà phê hoà tan sau khi sấy có độ ẩm khoảng 8% và rất xốp nên rất dễ hấp phụ Quá trình hấp phụ cũng được tiến hành tại tháp đứng Hỗn hợp khí vào phải được làm lạnh (nhiệt độ thường là 8 - 9°C), khi đi qua bột cà phê hoà tan sẽ hấp phụ các chất thơm có trong hỗn hợp khí, ta thu được bột cà phê hòa tan thành phẩm

 Sấy khô

Sấy khô nhằm đưa dịch trích ly cà phê cô đặc thành dạng bột khô để tiện lợi cho quá trình bảo quản và sử dụng

Các biến đổi của nguyên liệu trong quá trình sấy:

- Trong quá trình sấy, tùy theo phương pháp sấy mà có những biến đổi khác nhau Tuy nhiên, các biến đổi diễn ra trong quá trình sấy dịch cà phê cô đặc thường không đáng kể, chủ yếu là sự bay hơi của ẩm Trong quá trình sấy phun, quá trình bay hơi nước diễn ra với tốc độ nhanh vì diện tích bề mặt bốc hơi lớn Tốc độ bay hơi nước của quá trình sấy thăng hoa sẽ chậm hơn

- Ngoài sự bay hơi ẩm, trong quá trình sấy phun còn có hiện tượng bay hơi của các cấu tử dễ bay hơi, đặc biệt là các cấu tử hương Đây là nguyên nhân làm giảm chất lượng cảm quan của cà phê trong quá trình sấy phun

Các phương pháp sấy dịch cà phê:

- Sấy phun: Dịch phun thành giọt lỏng vào môi trường được cấp nhiệt bằng không khí nóng Nhiệt độ khí nóng đi vào khoảng 200 – 260oC, và nhiệt độ của không khí ra là 107 - 1210 C để đạt yêu cầu chất lượng về vị Sản phẩm cà phê thu được ở đáy của thiết bị sấy phun Sấy theo phương pháp này thành phẩm có dạng hạt rất nhỏ , rỗng ruột gọi là bột nhẹ, tỷ trọng nhỏ nhưng cũng dễ hòa tan, hình dáng bột khá đều đặn

- Sấy chân không: Dịch đựơc cà phê đưa đến buồng bốc hơi chân không ở nhiệt

độ tháp Dung dịch được dàn mỏng trên các trục lớn có hơi nóng đi trong trục Bột khô thành những màng mỏng quanh ống Khi đó có bộ phận cơ giới cạo ra rồi tán nhỏ Bột sấy theo kiểu này hòa tan được nhanh, tốt

- Sấy bằng phương pháp thăng hoa và hồng ngoại: Đưa dung dịch đực cà phê làm lạnh, sau đó dùng tia hồng ngoại để sấy đột ngột Tinh thể thu được dễ tan, hương đảm bảo, chất lượng tốt Phương pháp này chủ yếu dùng ở quy mô phòng thí nghiệm

Trong sản xuất cà phê hoà tan thường dùng nhất là phương pháp sấy phun

1.3 Tổng quan về công nghệ sấy phun

1.3.1 Giới thiệu công nghệ sấy phun

- Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:

+ Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu

+ Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền và bảo

quản sản phẩm được lâu hơn

- Sấy phun là một công nghệ sấy đặc biệt do khả năng sấy trực tiếp nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột

Hệ thống sấy phun là hệ thống chuyên dùng để sấy các vật liệu sấy dạng dung dịch huyền phù, ví dụ trong trong công nghệ sản xuất sữa bột, bột trứng, cà phê hoà tan,… Cấu tạo chủ yếu của hệ thống sấy phun gồm một bơm dịch thể, một buồng sấy hình trụ, trong đó bố trí các vòi phun và cuối cùng là cyclon để thu hồi sản phẩm

Dung dịch được phun thành dạng sương vào trong buồng sấy, quá trình sấy diễn ra rất nhanh đến mức không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép do đó có thể sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao Sản phẩm thu được ở dạng bột mịn

Nhiệt độ dòng khí có thể lên đến 750oC và chỉ phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của vật liệu Dòng khí ra khỏi thiết bị sấy phải qua hệ thống cyclon để thu hồi bụi sản

phẩm bị lôi cuốn theo Việc tuần hoàn khí thải để tiết kiệm trong trường hợp này là không thực tế vì quá trình thu hồi bụi sẽ mất nhiệt rất nhiều

Ưu điểm: sấy nhanh, sản phẩm thu được ở dạng bột min, chi phí điều hành tương đối thấp, tháp sấy có năng suất lớn

Nhược điểm: Kích thước phòng sấy lớn mà vận tốc của tác nhân sấy nhỏ nên cường độ sấy nhỏ, tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị phức tạp nhất là cơ cấu phun và

hệ thống thu hồi sản phẩm

1.3.2 Cấu tạo thiết bị sấy phun

Tất cả các thiết bị sấy phun đều bao gồm:

 Cơ cấu phun (vòi phun): Có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng dưới dạng hạt 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 Cơ cấu phun có các dạng như : cơ cấu phun áp lực, cơ cấu phun bằng khí động, đầu phun ly tâm

Hình 1.2 Cơ cấu phun đĩa ly tâm Hình 1.3 Cơ cấu phun bằng khí

- Vòi phun cơ khí:

Ưu điểm:

Tiêu hao điện năng ít (4 – 10 KWh/ 1 tấn dung dịch)

Năng suất cao (đến 4500 kg/h)

Nhược điểm:

Không dùng được cho dung dịch quá nhớt

Rất nhạy bén vớ tạp chất vì vậy đường kính lỗ phun không nhỏ hơn 1 mm Không điều chỉnh được công suất vòi

- Vòi phun đĩa ly tâm:

Đĩa chuyển động với tốc độ 4000 – 20.000 vòng/phút, chất lỏng theo các rãnh trên đĩa văng ra ngoài thành hạt lỏng Tốc độ trên vành đĩa cao (130 – 200 m/s) Đĩa quay nhờ động cơ điện Chất lỏng được đưa tới đĩa nhờ bơm có độ chênh áp không đổi và điều chỉnh tự động

Ưu điểm: có thể làm việc với bât kỳ dịch thể nào kể cả bột nhão

Nhược điểm: giá thành cao, bố trí và vận hành phức tạp

- Vòi phun khí động:

Trong vòi phun khí động, dùng không khí để phun dung dịch.Trước hết không khí qua ống phun tăng tốc độ rồi phun ra miệng phun, dùng bơm đưa dung dịch đến miệng vòi Không khí có tốc độ cao sẽ thổi dung dịch văng ra thành hạt nhỏ Tốc độ khí ra khỏi ống phun phụ thuộc vào tỷ số áp suất trước và sau ống phun

Ưu điểm: Khả năng ứng dụng với tất cả các loại dung dịch, có khả năng điều chỉnh lưu lượng và cỡ hạt

Nhược điểm: Tiêu hao năng lượng lớn so với các vòi phun khác, thường là 50 – 60 kWh/ tấn dung dịch

 Buồng sấy: 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 sự 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 (cocurrent contact): đầu phun nguyên liệu và cửa vào cho tác nhân sấy cũng được bố trí trên đỉnh buồng sấy Dòng nguyên liệu qua cơ cấu phun tạo sương mù cùng hòa trộn với tác nhân sấy

và di chuyển xuống phía đáy 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 Trong trường hợp này rất thích hợp cho những nguyên liệu mẫn 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 (countercurrent contact): 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 được 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 bột thô yêu cầu có tỷ trọng cao hoặc có độ xốp thích hợp Loại cơ cấu phun thường sử dụng là đầu phun bằng khí động hoặc đầu phun

 Tác nhân sấy: Không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng nhất Hơi là tác nhân gia nhiệt phổ biến nhất Nhiệt độ hơi sử dụng thường dao động trong khoảng 100 –

150oC Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là 100C Nếu cần nhiệt độ sấy cao hơn thì sử dụng khói lò làm tác nhân gia nhiệt không khí

 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 thoát, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện…

Phổ biến nhất là phương pháp lắng xoáy tâm, sử dụng cyclon

 Hệ thống 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 dòng khí thoát Còn quạt phụ 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 cyclon 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 đến năng suất hoạt động và hiệu quả thu hồi bột sản phẩm của cyclon

1.3.3 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý làm việc của thiết bị sấy phun là quá trình sấy thực hiện bằng cách phun vật liệu (chất lỏng hoà tan, nhũ tương, huyền phù) thành hạt nhỏ và rơi tự do trong buồng sấy Môi chất sấy (không khí nóng, khói,…) được thổi vào và chuyển động cùng với vật liệu và sấy khô vật liệu Nhờ quá trình phun vật liệu thành hạt nhỏ nên bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu và môi chất sấy rất lớn nên cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn ( vài giây đến vài chục giây)

Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống sấy phun

1 Buồng sấy 5 Cơ cấu phun mẫu

2 Caloriphe 6 Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra

3 Thùng chứa nguyên liệu cần sấy 7 Cyclon vận chuyển sản phẩm

4 Bơm nguyên liệu 8 Hệ thống quạt hút và màng lọc

Nguyên liệu từ thùng chứa (3) được bơm số (4) bơm vào buồng sấy (1), khi vào buồng sấy được phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cơ cấu phun Không khí nóng thổi qua calorifer (2) đưa vào buồng sấy Không khí nóng và nguyên liệu ở dạng mù tiếp xúc với nhau trong vài giây tại cơ cấu phun mẫu (5) đặt trong buồng sấy, nước từ nguyên liệu bốc hơi sau đó thoát ra ngoài, sản phẩm khô được thu gom tại đáy cyclon (6), được làm nguội và thu hồi Một phần bụi mịn theo không khí qua cyclon (7), sau đó qua bộ lọc vải (8) nhằm thu hồi lại các hạt bụi mịn còn sót lại và thải ra ngoài

1.4 Tổng quan về tác nhân sấy

1.4.1 Không khí ẩm

Không khí ẩm là loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng cho hầu hết các loại sản phẩm Dùng không khí ẩm sản phẩm sấy sẽ không bị ô nhiễm Tuy vậy, dùng không khí ẩm cần trang bị thêm bộ phận gia nhiệt không khí (calorife); nhiệt độ không khí sấy không thể quá cao, thường nhỏ hơn 500oC vì nếu nhiệt độ cao thiết bị trao đổi nhiệt phải sử dụng thép hợp kim hay gốm sứ chi phí cao

1.4.2 Khói lò

Dùng khói lò làm tác nhân sấy có ưu điểm là phạm vi nhiệt độ rộng từ hàng chục

độ đến trên 1000oC, không cần calorifer Tuy nhiên dùng sấy có nhược điểm là khói có thể làm ô nhiễm sản phẩm sấy Vì vậy khói chỉ dùng cho một số vật liệu như gỗ, đồ gốm, một số loại hạt có vỏ,…

1.4.3 Hơi quá nhiệt

Dùng hơi quá nhiệt làm tác nhân sấy trong trong trường hợp sản phẩm dễ cháy

nổ và sản phẩm sấy chịu được nhiệt độ cao

1.5 Tổng quan về chất tải nhiệt

Chất tải nhiệt có nhiệm vụ cấp nhiệt cho môi chất sấy Chất tải nhiệt thường là hơi nước, nước nóng, chất lỏng hữu cơ, khói, điện

1.5.1 Hơi nước

Hơi nước là chất tải nhiệt thông dụng nhất Dùng hơi nước có ưu điểm là:

Dùng nước nóng làm chất tải nhiệt có ưu điểm:

- Áp suất sử dụng thấp hơn khi dùng hơi

- Lò nước nóng có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ

- Nhiệt dung riêng của nước lớn nên thiết bị gọn

Nhược điểm khi dùng nước nóng làm chất tải nhiệt là:

- Nhiệt độ bị hạn chế (thường < 100oC), nếu dùng nhiệt độ cao hơn phải dùng nước áp suất cao

- Cần xử lý nước để chống đóng cặn

1.5.3 Chất lỏng hữu cơ

Ưu điểm:

- Nhiệt độ có thể tăng lên vài trăm độ ở áp suất khí quyển

- Không có hiện tượng đóng cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt

- Lò gia nhiệt chất lỏng hữu cơ có cấu tạo đơn giản hơn so với lò hơi

- Calorifer khí – khói làm việc ở nhiệt độ cao cần dùng vật liệu chịu nhiệt

- Khói có hệ số truyền nhiệt thấp nên diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với dùng hơi nước hay chất lỏng

- Khói làm bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt

- Điều chỉnh nhiệt độ khó khăn so với dùng hơi hay chất lỏng

1.5.5 Điện

Dùng điện để cấp nhiệt có các ưu điểm sau:

- Thiết bị đơn giản, hiệu suất sử dụng cao

- Dễ điều chỉnh nhiệt độ

- Không gây ô nhiễm môi trường

Nhược điểm là giá thành năng lượng cao, chủ yếu dùng ở quy mô phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

VÀ CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế

+ Vật liệu sấy là dung dịch cà phê có nồng độ ban đầu là 20%

+ Sản phẩm là cà phê bột độ ẩm 8%

 Theo tính chất của nguyên liệu, có thể sử dụng các phương án sấy như sấy phun, sấy thăng hoa, sấy hồng ngoại Theo phân tích thì phương án thích hợp nhất là phương án sấy phun vì các ưu điểm sau:

- Quá trình sấy nhanh, sản phẩm thu được ở dạng bột mịn không cần nghiền

và có độ hòa tan lớn

- Do quá trình sấy nhanh nên nhiệt độ của nguyên liệu không tăng quá cao, các tính chất của sản phẩm được đảm bảo

- Chi phí nhân công thấp

- Vận hành và bảo dưỡng đơn giản

- Thiết kế đa dạng cho từng loại sản phẩm, từng loại qui mô nhà máy

- Chất lượng bột được bảo đảm trong suốt quá trình sấy

Mặt khác sấy phun dễ dàng ứng dụng trong công công nghiệp hơn các pháp sấy thăng hoa, sấy hồng ngoại

 Qua phân tích ở chương 2 ta tiến hành lựa chọn các phương án chi tiết cho hệ thống sấy như sau:

- Chọn buồng sấy phun hình trụ, đáy hình nón

- Chế chuyển động giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy: với chế độ sấy này nhiệt

độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào buồng sấy Trong trường hợp này rất thích hợp cho những nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt độ Đây cũng là trường hợp phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm

- Vòi phun kiểu đĩa ly tâm: có thể làm việc với bất kỳ dịch thể nào

- Chọn tác nhân sấy là không khí nóng: không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng, rẻ tiền, không làm ô nhiễm vật liệu sấy

- Tác nhân gia nhiệt là khói lò, calorifer khí – khói : vì nhiệt độ sấy chọn

200oC nên sử dụng khói làm tác nhân gia nhiệt không khí, không sử dụng điện làm tác nhân vì giá thành cao, tác nhân điện ít dùng trong công nghiệp

mà chủ yếu dùng cho quy mô phòng thí nghiệm

- Chọn hệ thống 2 quạt hút kiểu ly tâm: Quạt chính đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát, quạt phụ đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy

- Hệ thống tách bụi cyclon + lọc túi vải

- Vật liệu chế tạo buồng sấy dùng thép không ghỉ X18H10T

2.2 Các thông số ban đầu

Thông số Dung dịch cà phê hòa tan Cà phê

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY

3.1 Tính cân bằng vật chất

G 1 : Năng suất nhập liệu: G 1 = 1200 [kg/h]

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: W1 = 80%

Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy: W2 = 8%

G 2 : Năng suất sản phẩm thu được, [kg/h]

W : Năng suất bốc hơi ẩm, [kg ẩm/h]

L : Lượng không khí tiêu hao, [kg kk/h]

Trong quá trình sấy lượng chất khô không đổi nên ta có:

Các thông số trạng thái của không khí

Hình 2.1: Đồ thị log h-d cho quá trình sấy không có không khí hồi lưu

d2

d0 = d1

t2(kJ/kgkkk)

(kg/kgkkk)

3.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Thông số không khí ngoài trời - Trạng thái 0:

+ Chọn không khí ngoài trời có nhiệt độ t 0 = 30 0 C; ϕϕo = 0,75

+ Áp suất bão hòa của không khí ngoài trời:

305,235

42,402612

exp{

}5,235

42,402612

exp{

0

=+

−

=+

−

+ Độ chứa hơi của không khí ngoài trời:

02 0 0422 , 0 75 , 0 750 745

2 0,75.0,042

621 , 0 750

745 621

bho o o

P

P d

Thông số không khí sau khi qua calorifer- Trạng thái 1:

+ Nhiệt độ không khí sau khi qua calorifer: t1= 2000C

+ Độ chứa hơi của không khí ở trạng thái 1: d1= d0 =0,02 [kg/kgkkk]

+ Entanpy của không khí ở trạng thái 1:

42,402612

exp{

}5,235

42,402612

exp{

1

=+

−

=+

−

+ Độ ẩm tương đối φ1:

%2,0)02,0621,0.(

7,15

02,0.98,0)

621,0

.(

.1 1

1

+

=+

=

d p

d p

bh

ϕ

Thông số không khí sau khi sấy lý thuyết- Trạng thái 2:

+ Nhiệt độ sau khi sấy lý thuyết: t2= 550C

+ Entanpy của không khí sau sấy lý thuyết:

.

004 , 1

t C r

t h

55.004,12,258+

42,402612

exp{

}5,235

42,402612

exp{

2

=+

−

=+

−

+ Độ ẩm tương đối sau khi sấy lý thuyết:

%1,70)078,0621,0(156,0

078,0.98,0)

621,0.(

2 2

2

+

=+

=

d p

d p

Lượng không khí của quá trình sấy:

− Lượng không khí riêng cần cho quá trình sấy:

3.3 Tính toán quá trình sấy thực

− Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:

− Nhiệt lượng do vật liệu ẩm mang vào:

−2

2 1 ) (

).(

t C r

t t C ph

o dx

=0,02+

33,10955.842,12500

)55200.(

04,1

++

076,0.98,0)

621,0.(

2 2

2

+

=+

=

d p

d p

1 1

1 2

kg kgkkk d

+ Nhiệt lượng tiêu hao:

3 , 14

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

4.2 Đường kính thiết bị sấy

Đường kính hạt cà phê sau khi phun:

][10.7181,9.1050.10.100

069.0.216000

5,98

25,985

,

g d n R

n

d

d l

Bán kính tán phun:

4 , 0 1

13 , 1

) (

( Re 10 995 , 1

u k

k

g r d

Trong đó:

RΨ: bán kính tán phun [m]

r=2500: ẩn nhiệt hóa hơi [kJ/kg.độ]

µk=26 10-6 [N.s/m2]: độ nhớt tuyệt đối của TNS

λk= 0,03930 [W/m.độ]: hệ số dẫn nhiệt của TNS

t1=200: nhiệt độ TNS vào

tu= 45+5= 500C: nhiệt độ ướt của vật liệu

9,1510

.5,1

1050.10.71.32,0

6 0

υ d d d d

µ: độ nhớt tuyệt đối của dịch cà phê cần sấy (N.s/m2)

72,18670)

50200.(

0393,0

81,9.10.26.2500.9,15.10.995,

1

4 , 0 6

13 , 1

(Tr 161 [5])

→ D = 1,5 2 RΨ= 3.1,3 = 3,9[m]

Chọn D = 4m

Tiết diện buồng sấy:

][56,124

4.14,34

∆

=

∆ : Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình

Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ∆∆∆t:

+ Lượng ẩm cần bốc hơi trong giai đoạn sấy đẳng tốc:

] / [ 1 , 924 13

, 0 1

13 , 0 8 , 0 1200 1

1 1

'

W

W W G W

W W

86 , 17

13 , 0 8 , 0

d d t C

t

o dx

dx

7 , 63 04

, 1 ) 02 , 0 072 , 0 (

842 , 1

) 33 , 109 2500 ).(

02 , 0 072 , 0 ( 200

842

,

1

) 2500 ).(

(

) 1 ( 1

' 2 1

' 2 1 )

t

t t

t t

u u

57507,63

50200ln

7,63200

ln '

2

1

' 2 1