Bài giảng thiết kế hệ thống sấy các sản phẩm thực phẩm chương 10 thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa freeze drying là một kỹ thuật còn được gọi là “làm khô lạnh”lyophilisation hay còn gọi là kỹ thuật khử nước dehydration, thường được sử dụng để bảo quản các loại vật liệu n

CHƯƠNG X THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY

THĂNG HOA

X.1 Kết cấu hệ thống sấy thăng hoa.

X.2 Tính toán thiết kế hệ thống sấy thăng hoa.

Sấy thăng hoa (freeze drying) là một kỹ thuật

còn được gọi là “làm khô lạnh”(lyophilisation) hay còn gọi là kỹ thuật khử nước (dehydration), thường được sử dụng để bảo quản các loại vật liệu nói chung và thực phẩm nói riêng, giúp

thuận tiện hơn cho vận tải, cũng như giữ được các phẩm chất của sản phẩm ban đầu Freeze drying hoạt động bằng cách cấp đông

nhanh các nguyên liệu và sau đó giảm áp suất môi trường để cho phép các tinh thể đá đông (ẩm đóng băng) trong nguyên liệu có thể thăng hoa trực tiếp từ pha rắn sang pha khí

Khái niệm

Khái niệm

Sấy đông khô chân không là một kỹ thuật

sấy sản phẩm ưu việt Trước hết nguyên liệu được đông lạnh đột ngột tại điểm ngã

3 của các trạng thái (triple-point

temperature ), khiến nước trong sản phẩm đóng thành thể rắn, rồi qua xử lý chân

không thăng hoa thành dạng hơi rồi

ngưng tụ thành nước và thải ra ngoài, sản phẩm trở thành dạng khô.

Giản đồ pha của nước

A

F D E

K

Nguyên lý làm việc của HTS thăng hoa

Theo giản đồ pha của nước, tại điểm ba (Triple

Point) nước tồn tại đồng thời ở ba thể: thể rắn, thể lỏng và thể khí Nhiệt độ và áp suất của điểm ba thể

O tương ứng bằng:

t = 0,00980C, p = 4,6 mmHgTrên giản đồ pha của nước, đường BO biểu diễn

ranh giới giữa pha rắn và pha hơi Tương tự như

vậy đường OA là ranh giới giữa pha rắn và pha lỏng

và cuối cùng đường OK là ranh giới giữa pha lỏng

và pha khí Điểm K gọi là điểm tới hạn, ở đó ẩn

nhiệt hoá hơi có thể xem bằng 0

Nguyên lý làm việc của HTS thăng hoa (tiếp)

Nếu ẩm trong vật liệu sấy có trạng thái đóng

băng ở điểm F như trên giản đồ, được đốt nóng

đẳng áp đến nhiệt độ tD tương ứng với điểm D thì nước ở thể rắn sẽ thực hiện quá trình thăng hoa

DE Cũng trên giản đồ có thể thấy rằng áp suất

càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của nước càng bé

Do đó, khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất càng thấp thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và VLS càng tăng Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là

ưu điểm của sấy thăng hoa so với sấy chân không bình thường

Quá trình sấy thăng hoa chia làm ba giai đoạn:

Giai đoạn làm lạnh

Trong giai đoạn này vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 200C xuống đến nhiệt độ

- (10÷15)0C Đồng thời trong giai đoạn này không

gian của bình thăng hoa được hút chân không và áp suất trong bình giảm xuống Do áp suất giảm nên

phân áp suất hơi nước trong không gian bình thăng hoa cũng giảm so với phân áp suất hơi nước trong lòng vật liệu sấy Điều đó dẫn đến hiện tượng thoát

ẩm từ vật liệu sấy vào không gian bình thăng hoa

Như vậy kết thúc giai đoạn làm lạnh nhiệt độ của vật liệu sấy nhỏ hơn nhiệt độ điểm ba Áp suất trong

bình thăng hoa cũng nhỏ hơn áp suất điểm ba Theo

số liệu thực nghiệm có khoảng 10÷15% toàn bộ ẩm thoát ra khỏi vật trong giai đoạn này

Giai đoạn thăng hoa

Trong giai đoạn này, nhờ dòng nhiệt chủ

yếu là bức xạ từ các tấm bức xạ, nước trong

vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa mãnh liệt Độ ẩm của vật liệu sấy giảm rất nhanh và gần như

tuyến tính Như vậy giai đoạn thăng hoa có thể xem là giai đoạn có tốc độ sấy không đổi

Đương nhiên, phần lớn nhiệt lượng vật liệu sấy nhận được trong giai đoạn này dùng để biến

thành nhiệt ẩn thăng hoa Do đó, nhiệt độ VLS trong giai đoạn này hầu như không đổi Cuối

giai đoạn này, nhiệt độ VLS mới dần dần tăng

từ -(10÷15)0C lên 00C Đến đây quá trình thăng hoa kết thúc.

Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại

Sau giai đoạn thăng hoa, do trạng thái của nước trong vật liệu sấy nằm trên điểm ba nên

ẩm trong vật liệu sấy trở về dạng lỏng Vì khi đó

áp suất trong bình thăng hoa vẫn được duy trì

bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không

và vật liệu sấy vẫn tiếp tục được gia nhiệt nên

ẩm vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên

dạng hơi và đi vào không gian bình thăng hoa Như vậy giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không bình thường.

Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa

Quá trình sấy thăng hoa

Sản phẩm sấy thăng hoa

Sơ đồ HTS thăng hoa

Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa.

1-Buồng thăng hoa; 2- Van; 3-Xyfon; 4-Bể chứa nước nóng; 5-Bình ngưng; 6- Bình tách lỏng; 7-Giàn ngưng NH3; 8-Bình chứa NH3; 9-Máy nén; 10-Bơm chân không; 11,12,13-Động cơ điện;

14-Bơm nước; 15-Phin lọc; 16-Tấm gia nhiệt; 17-Chân không kế; 18-Van điều chỉnh;

19-Khay chứa vật liệu sấy; 20-Tấm gia nhiệt dưới; 21-Bộ điều chỉnh nhiệt.

Cấu tạo HTS thăng hoa

Đây là hệ thống sấy thăng hoa chu kỳ sử dụng trong công nghiệp thực phẩm Trong hệ thống này, VLS được làm lạnh

đến một nhiệt độ thích hợp trong các kho lạnh sâu, thường là

từ -(10 ÷ 15) 0 C, rồi được đưa vào buồng thăng hoa (1) Buồng thăng hoa một mặt được nối với bơm chân không (10) qua

bình ngưng- đóng băng (5) Bình ngưng -đóng băng (5) được làm lạnh bởi một máy lạnh amoniac gồm máy nén (9), giàn

ngưng (7), bình tách lỏng (6) và bình chứa amoniac (8) Nhờ bình ngưng- đóng băng (5) mà ẩm thoát ra từ vật liệu sấy được tách ra dưới dạng băng để máy hút chân không (10) làm việc với không khí khô Điều đó không những tạo cho bơm chân

không làm việc nhẹ nhàng mà theo tính toán trong thực tế thì chi phí điện năng cho cả hệ thống sẽ giảm Mặt khác buồng

thăng hoa (1) được nối với một hệ thống cung cấp nước nóng

từ bình chứa (4) làm nguồn gia nhiệt cho vật liệu sấy.

Như vậy, thiết bị chính của một hệ thống sấy gián đoạn

gồm buồng thăng hoa (1), bình ngưng- đóng băng (5), bơm

chân không (10) và máy lạnh với các thiết bị: bình tách lỏng (6), giàn ngưng (7), bình chứa tác nhân lạnh (8) và máy nén (9).

Máy sấy thăng hoa

Cấu tạo của buồng thăng hoa

Buồng thăng hoa

Buồng là một hình trụ tròn nằm ngang Một đáy được hàn liền với hình trụ còn đáy kia là một chỏm cầu được gắn kết với thân trụ bằng bulông để đưa vật liệu sấy vào Đỉnh buồng thăng hoa có một mặt bích để nối với bơm

chân không qua bình ngưng- đóng băng Phía trong

buồng thăng hoa người ta bố trí các hộp kim loại xen kẽ nhau Trên các hộp đó là các khay chứa vật liệu sấy

Trong các hộp là nước nóng chuyển động Do nhiệt độ trong bình thăng hoa rất thấp và có một độ chân không rất lớn nên truyền nhiệt giữa các thành hộp chứa nước nóng với vật liệu sấy chủ yếu xảy ra nhờ bức xạ nhiệt.

Khay sấy có diện tích (7.6 ÷ 140) m 2 , có thể đựng

2000 kg Khay sấy làm bằng thép không rỉ, có cơ cấu

thanh răng dễ dàng trong tháo nhập liệu Còn các bản

truyền nhiệt được làm bằng nhôm, có kích thước

500x400x30mm

Cấu tạo

bình ngưng - đóng băng

Hỗn hợp hơi nước và không khí được bơm chân không hút từ bình thăng hoa qua một lưới phân phối phía dưới đi vào trong các ống Amoniac được đưa vào đầy không gian của các ống Ơ đây hỗn hợp hơi nước- không khí được làm lạnh và hơi nước trong hỗn hợp đó ngưng tụ lại bám vào các thành trong của ống, còn không khí khô qua bơm chân

không (10) để thải vào khí quyển Ngược lại, amoniac lỏng nhận nhiệt của hỗn hợp hơi nước- không khí để bay hơi và qua bình tách lỏng (6) về máy nén (9) của máy lạnh.

Thiết bị ngưng tụ làm bằng thép không rỉ

Bơm chân không

Bơm chân không là một bộ phận quan trọng

để tạo độ chân không thích hợp trong bình

thăng hoa

➢ Công nghệ sấy thăng hoa đã tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt Thành phần dinh dưỡng (protein, lipit,

gluxit), vitamin, enzyme và hoạt chất sinh học, màu sắc, mùi, vị …v.v gần như được bảo toàn không bị phá hủy.

➢ Đặc biệt sản phẩm sau khi sấy có độ xốp mềm, khi

ngâm vào nước nó hoàn ẩm trương nở trở lại và gần

giống như nguyên liệu ban đầu.

➢ Sản phẩm sau khi sấy cho vào túi rồi ép chân không, quản bảo ở nhiệt độ phòng, thời gian sử dụng kéo dài, chi phí bảo quản thấp, chất lượng ít bị thay đổi.

➢ Các sản phẩm này còn có trọng lượng nhỏ, dễ dàng

vận chuyển nên giảm được công chuyên chở

Ưu điểm của PP sấy thăng hoa

Nhược điểm

✓ Chi phí sấy cho một kg sản phẩm rất cao.

✓ Hệ thống phức tạp, cồng kềnh, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh

✓ Vận hành phức tạp và đòi hỏi công nhân

có trình độ kỹ thuật cao.

Tính toán nhiệt các thiết bị cơ bản

của HTS thăng hoa

• Tính toán nhiệt bình thăng hoa

• Tính toán bình ngưng - đóng băng

• Thời gian xả băng và thời gian đuổi khí trong bình thăng hoa.