ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẤY PHUN SỮA BỘT

 Sữa tươi nguyên kem: là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi không hiệuchỉnh hàm lượng chất béo, hàm lượng chất béo trên 3,2%  Sữa gầy là sữa đã qua quá trình tách béo, hàm lượng c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA: CƠ KHÍ-CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ

Họ và tên: Nguyễn Thị Ngọc Hới

Lớp : CNTP49B

Ngành : Công Nghệ Thực Phẩm

1 Tên đề tài

“Thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun sữa bột với năng suất 120kg/h”

2 Các số liệu ban đầu

- Năng suất sản phẩm 120kg/h

- Độ ẩm ban đầu: w1 =40%

- Độ ẩm cuối cùng: w2 =3%

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

- Nhiệm vụ thiết kế

- Lời mở đầu

- Phần 1 Tổng quan về sản phẩm và lựa chọn thiết bị

- Phần 2 Cân bằng vật chất và năng lượng

- Phần 3 Tính toán thiết bị chính

- Phần 4 Cân bằng nhiệt lượng

- Phần 5 Tính toán thiết bị phụ

5 Ngày giao nhiệm vụ: 01/03/2018

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ

7 Ngày bảo vệ

Thông qua bộ môn GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm 2018 (Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG BỘ MÔN

(Ký, ghi rõ họ tên)

TS Nguyễn Đức Chung

PHỤ LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 6

1.1.Tổng quan về nguyên liệu 6

1.1.1 Thành phần hóa học của sữa 7

1.1.2 Tính chất vật lý của sữa 11

1.1.3 Giá trị dinh dưỡng của sữa 12

1.1.4 Những biến đổi của sữa trong quá trình bảo quản 12

1.2 Lí thuyết sấy và chọn phương án thiết kế 13

1.2.1 Định nghĩa 13

1.2.2 Mục đích của quá trình sấy 13

1.2.3 Nguyên lý của quá trình sấy 14

1.2.4 Phân loại sấy 14

1.2.5 Tác nhân sấy, phương thức sấy và chế độ sấy 16

1.2.6 Chọn phương án thiết kế 18

1.3 Quy trình công nghệ 22

PHẦN 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 25

2.1 Các thông số ban đầu 25

2.2 Cân bằng vật chất 25

2.2.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời 25

2.2.2 Tính trạng thái không khí sau khi vào calorifer và đốt nóng đẳngẩm27 2.2.3 Trạng thái không khí sau khi ra khỏi máy sấy (Entanpi không đổi) 27

2.3 Cân bằng vật liệu cho không khí sấy 29

PHẦN 3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 31

3.1 Vòi phun 31

3.2 Buồng sấy 32

3.2.1 Đường kính buồng sấy 32

3.2.2.Xác định chiều cao của tháp sấy 33

3.2.3 Kiểm tra lại vận tốc của không khí đi trong tháp sấy 34

PHẦN 4 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 35

4.1 Tính cân bằng nhiệt lượng 35

4.1.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy 35

4.1.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy 35

4.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết 35

4.3 Tổn thất nhiệt ở tháp sấy 37

4.3.1 Tính hệ số truyền nhiệt 37

4.3.2 Tính bề dày của lớp cách nhiệt 41

4.3.3 Tính diện tích bề mặt xung quanh máy sấy 42

4.4 Tính toán quá trình sấy thực tế 42

4.4.1 Sự khác biệt giữa quá trình sấy lý thuyết và sấy thực tế 42

4.4.2 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 43

PHẦN 5 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 46

5.1 Tính chọn Calorifer 46

5.1.1 Tính bề mặt truyền nhiệt 46

5.1.2 Tính kích thước calorifer 47

5.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt 49

5.2 Tính và chọn xyclon 53

5.2.1 Giới thiệu về xyclon 53

5.2.2 Tính toán xyclon 53

5.3 Tính trở lực và chọn quạt 55

5.3.1 Tính trở lực của quá trình 55

5.3.2 Tính và chọn quạt 66

5.4 Tính và chọn bơm cao áp 69

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Các chỉ tiêu cảm quan 6

Bảng 1.2 - Các chỉ tiêu lý – hóa 6

Bảng 1.3 Hàm lượng các chất có trong sữa bò 7

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy 30

Bảng 2.2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy 30

Bảng 4.1 Tổng kết tính toán cân bằng nhiệt lượng 45

Bảng 5.1 Kích thước cơ bản của cyclone đơn loại LIH-24 54

Bảng 5.2 Kích thước của quạt II.4-70 N 0 10 69

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu cuộc sống củacon người ngày càng được nâng cao Vấn đề về chăm sóc sức khỏe ngày càngnhận được sự quan tâm nhiều hơn, đặc biệt là nhu cầu về thực phẩm giàu dinhdưỡng cho con người Trong đó sữa là một trong những sản phẩm được sử dụngnhiều nhất Bởi lẽ nó tiện dụng, chứa đầy đủ chất dinh dưỡng với hàm lượng cânđối Sữa đóng một vai trò hết sức quan trọng trong đời sống và đối với sức khoẻcon người

Công nghệ chế biến sữa đã ra đời từ rất lâu ở các nước phát triển các sảnphẩm sữa ngày nay rất đa dạng về chủng loại Ở nước ta công nghệ chế biến sữachỉ bắt đầu phát triển mạnh vào những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20 khiđất nước bước vào thời kỳ đổi mới, cho đến ngày nay đã có rất nhiều nhà máylớn nhỏ trên khắp cả nước Trong các sản phẩm từ sữa thì sữa bột giữ một vaitrò rất quan trọng và chiếm một số lượng lớn Việc chế biến và sản xuất sữa bột

có nhiều ưu điểm vượt trội, trong đó ưu điểm lớn nhất là tăng thời gian bảo quảnsữa và giảm chi phí vận chuyển, do vậy nó có ý nghĩa quan trọng đối với nềnkinh tế

Cuộc sống ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng sữa cũng ngày một tănglên, trong đó có sữa bột, do đó công nghệ chế biến và sản xuất sữa bột cũngngày một tăng lên Qua một số phân tích như trên, trong Đồ án thiết bị này, em

lựa chọn phương án : “Thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun sữa bột với năng

suất 120kg/h”

Em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy T.S Nguyễn Đức Chung, sựgiúp đỡ của thầy cô bộ môn công nghệ thực phẩm cùng các bạn sinh viên đãgiúp em hoàn thành đồ án môn học này

Trong khoảng thời gian ngắn và đây là lần đầu tiên bước vào tính toán hệthống thiết bị chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhậnđược sự chỉ bảo thêm của thầy cô giáo cũng như đóng góp ý kiến của các bạn đểbài làm được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ

1.1.Tổng quan về nguyên liệu

 Nguyên liệu chính để sản xuất sữa bột là tươi nguyên cream hoặc sữa gầy

 Sữa tươi nguyên kem: là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi không hiệuchỉnh hàm lượng chất béo, hàm lượng chất béo trên 3,2%

 Sữa gầy là sữa đã qua quá trình tách béo, hàm lượng chất béo còn lạikhông quá 1%

 Để sản phẩm có chất lượng tốt, ổn định, sữa nguyên liệu phải đáp ứng cácchỉ tiêu hóa lí, cảm quan và vi sinh theo TCVN7405_2009 do Ban kỹthuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC/F12 Sữa và sản phẩm sữa biên soạn,Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Côngnghệ công bố

 Chỉ tiêu cảm quan của sữa tươi nguyên liệu

Bảng 1.1 - Các chỉ tiêu cảm quan[3]

không có mùi, vị lạ

 Chỉ tiêu hóa lí của sữa tươi nguyên liệu

Bảng 1.2 - Các chỉ tiêu lý – hóa [7]

1 Hàm lượng chất khô, % khối lượng Không nhỏ hơn 11,5

2 Hàm lượng chất béo, % khối lượng Không nhỏ hơn 3,2

3 Hàm lượng protein, % khối lượng Không nhỏ hơn 2,8

4 Tỷ trọng của sữa ở 20 0C, g/ml Không nhỏ hơn 1,026

Ngoài nguyên liệu chính là sữa tươi còn có các nguyên liệu phụ khác như:đường, vitamin, các chất ổn định…

1.1.1 Thành phần hóa học của sữa

Sữa là một chất lỏng được tiết ra từ tuyến sữa của động vật hữu nhũ.Thành phần hóa học của các loại sữa không giống nhau, chúng luôn thay đổi vàphụ thuộc vào các yếu tố như thời kỳ tiết sữa, thành phần thức ăn cho gia súc,phương pháp vắt sữa và độ tuổi của con vật Thành phần của các chất có trongsữa người ta đo được như sau:

Bảng 1.3 Hàm lượng các chất có trong sữa bò [5]

 Nước tự do chiếm 96-97% tổng lượng nước Nó có thể được tách trongquá trình cô đặc, sấy vì không có liên kết hóa học với chất khô Khi bảoquản sữa bột, nước tự do xâm nhập vào làm cho sữa bột bị vón cục

 Nước liên kết chiếm tỷ lệ nhỏ, khoảng 3-4% Hàm lượng nước liên kếtphụ thuộc vào các thành phần nằm trong hệ keo: protein, các photphatide,polysaccharic Dạng đặc biệt của nước liên kết là nước kết tinh vớilactoza dưới dạng C12H22O11.H2O

Protein

 Protein trong sữa là protein hoàn hảo, trong thành phần của các loạiprotein này có chứa hầu hết loại acid amin khác nhau, trong đó có đầy đủcác acid amin không thay thế Trong sữa có hai nhóm protein chính là

 Casein là thành phần quan trọng nhất của protein trong sữa chiếm 75 – 80

% lượng protein, bao gồm nhiều loại protein khác nhau như: -casein, casein, - casein, -casein Các casein này tồn tại ở dạng keo bởi sự tươngtác giữa chúng và các thành phần khác

- Protein nước sữa (whey protein): chiếm khoảng 20% tổng lượng nitơ cótrong sữa và chủ yếu ở 2 dạng đó là: lactalbumin và lactoglobumin Cả 2phần này của protein nước sữa là không đồng nhất Lactalbumin là proteinđóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp đường lactose

Chất béo

 Chất béo sữa được coi là thành phần quan trọng Về mặt dinh dưỡng, chấtbéo có độ sinh năng lượng cao, có chứa các vitamin hòa tan trong chấtbéo(A, D, E) Chất béo chiếm khoảng 3,78%, tương đương 25-45g/lít sữa

 Chất béo của sữa không tạo vị nhưng có mùi êm dịu tạo sự ngon miệng chocác sản phẩm của sữa Ở trong sữa, chất béo tồn tại ở dạng nhũ tương làdạng phân tán của các giọt béo trong nước Hầu hết chất béo trong sữanằm chủ yếu ở dạng các hợp chất ester

Đường Lactose

 Đường lactose là thành phần đường chủ yếu có trong sữa, có hàm lượngkhoảng 3,6 – 5,5 % tùy theo loại sữa Đường lactose là một đường đôiđược hợp thành từ hai loại đường đơn là glucose và galactose Trong sữa,đường lactose tồn tại ở dạng hòa tan Ngoài đường lactose trong sữa còn

có một số loại đường khác với hàm lượng nhỏ

 Đường lactoza có ý nghĩa quan trọng vì nó dễ bị một số vi sinh vật gâylên men tạo acid lactic và các sản phẩm khác như acetine, metine,diacetine tạo nên mùi vị của sản phẩm sữa

 Trong sữa, đường lactose tồn tại ở 2 dạng:

sẽ xảy ra sự biến đổi do sự xuất hiện melanoit tạo thành khi các acid amintác dụng với lactoza Trên 150oC người ta nhận thấy màu vàng và ở 170oCthì có màu đậm hình thành bởi quá trình caramen hóa.

Các muối

 Do trong sữa có mặt của các cation K+, Na+, Mg+, Ca+, và các anion củaacid photphoric, limonic, clohydryt nên trong sữa có nhiều loại muối khácnhau

 Muối canxi có ý nghĩa quan trọng trong chế biến các sản phẩm sữa Khihàm lượng canxi thấp, sữa sẽ khó động tụ hoặc đông tụ rất chậm Ngượclại, nếu sữa có hàm lượng canxi cao thì sẽ đông tụ bởi renin nhanh hơnnhưng gel đông tụ không mịn Trong sữa, canxi nằm trong các hợp chấtcanxi caseinat, canxi photphat, canxi limonat,

 Muối kali và natri có tác dụng giữ trạng thái cân bằng muối trong sữa, giữ

áp suất thẩm thấu ở trạng thái bình thường

 Các muối của axit phophoric là những hợp chất đệm điển hình có tácdụng giữ cân bằng hệ muối và hệ keo của sữa

 Các muối của axit limonic có ý nghĩa đặc biệt đối với sự tạo thành cáchợp chất thơm trong các sản phẩm lên men, các loại bơ

Các thành phần khác

 Vitamin

 Thành phần vitamin trong sữa khá cân đối và có 2 loại vitamin tan trongnước (vitamin B, C) và vitamin tan trong chất béo( vitamin A, D, E)nhưng hàm lượng tương đối thấp

 Nếu xử lý nhiệt thời gian ngắn không làm giảm đáng kể lượng vitamin,trừ vitamin C rất nhạy cảm với nhiệt Khi thanh trùng đúng chế độ thìlượng vitamin C giảm đi 17% Nhiệt độ cao hơn 100oC làm phá hủy hầuhết các loại vitamin

 Để thành phần các vitamin cân đối và hoàn hảo, người ta bô sung thêmmột số loại vitamin cần thiết trong quá trình chế biến các sản phẩm sữa

 Enzym

 Trong sữa có chứa nhiều loại enzyme có trong tự nhiên, những enzymenày ảnh hưởng tới chất lượng sữa và các sản phẩm chế biến của sữa.Enzyme do tuyến vú tiết ra hoặc do vi sinh vật trong sữa tổng hợp nên Sự

có mặt của các enzyme là nguyên nhân gây biến đổi thành phần hoá họccủa sữa trong quá trình bảo quản, dẫn đến làm giảm chất lượng hoặc hưhỏng sữa Nhưng một số Enzyme trong sữa có vai trò kháng khuẩn nhưlactoperoxydase, lysozyme Hàm lượng vi sinh vật càng nhiều thì thànhphần enzyme càng đa dạng và hoạt tính càng cao, có hơn 60 enzyme trongsữa

 Lactoperoydese: Enzyme này xúc tác phản ứng chuyển hoá oxy từ H2O2

đến các chất oxy hoá khác, có pH tối thích là 6,8, hàm lượng trung bìnhtrong sữa là 30mg/l, bị vô hoạt hoá ở 80oC trong vài giây

 Catalase: Enzyme này luôn có trong sữa do tuyến vú tiết ra, nó xúc tácphản ứng phân huỷ H2O2 thành nước và oxy tự do Sữa nhiễm vi sinh vậtthường có hoạt tính catalase rất cao, có pH tối thích 6,8-7 Catalase bị vôhoạt ở 75oC trong thời gian một phút, 65 – 68oC sau 30 phút

 Lipase: Enzyme quan trọng nhất trong sữa được kí hiệu là mLPL, là mộtglycoprotein, pH tối thích là 8,9, hàm lượng trong sữa chỉ khoảng 1-2mg/

l, nó chỉ xúc tác thuỷ phân liên kết ester trong cơ chất triglycerid ở dạngnhũ tương tại bề mặt tiếp xúc pha giữa chất béo và nước, làm tích luỹ cácaxit béo tự do trong sữa, quá trình phân giải tiếp theo các axit béo này làmcho sữa và sản phẩm từ sữa có vị đắng, mùi ôi khét và mùi kim loại

 Phosphatase: Chúng xúc tác thuỷ phân liên kết ester giữa axit phosphoric

và glycerin, có hai dạng

+Phosphatase kiềm: có pH tối thích là 9,6 có khả năng tái hoạt hoá

Bị thuỷ phân ở 30oC trong 30 phút hoặc 80oC tức thì

+Phosphatase acid: Enzyme này có pH tối thích là 4,7 và là enzymebền nhiệt nhất trong sữa Để vô hoạt hoá hoàn toàn ta cần gia nhiệtsữa đến 96oC trong 5 phút, bị vô hoạt bởi NaF

Trong suốt chu kì tiết sữa bò, hoạt tính phosphatase axit trong sữa khá ổnđịnh, phosphatase kiềm tăng dần vào cuối chu kì tiết sữa

 Lysozyme: bền về nhiệt, xúc tác phản ứng thuỷ phân liên kết giữa acidmuramic và glusamine của mucopolysaccride trong màng tế bào vi khuẩn,

từ đó gây phân huỷ tế bào Lysozyme có pH tối thích là 7,9 hàm lượngtrung bình 130µg/l

 Proteaza: Enzyme này xúc tác phản ứng thuỷ phân protein Có hai loạiprotease: protease kiềm và protease acid Chúng thường liên kết vớicasein và cũng bị kết tủa ở pH = 4.6, protease axit có pH tối thích 4.0, cònprotease kiềm là 7,5 – 8,0 Chúng bị vô hoạt hoàn toàn ở 80oC sau 10phút

 Chất khoáng

 Chất khoáng trong sữa bao gồm các nguyên tố Ca, Mg, K, Na, Cu, Fe, Co,

Ni, I, Cl, P, Al, Pb, Ag, As trong đó các nguyên tố Ca, Mg, Na, K, P,S,

Cl chiếm tỷ lệ cao

 Các nguyên tố vi lượng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo thành sữacũng như tới chất lượng sản phẩm Việc sử dụng các nguyên tố vi lượngvào khẩu phần ăn làm tăng hàm lượng của chúng trong sữa

1.1.2 Tính chất vật lý của sữa

Ở điều kiện thường sữa là một chất lỏng màu trắng đục là hỗn hợp củanhiều chất khác nhau và được phân bố ở những trạng thái khác nhau như hòa tanhoàn toàn, dạng huyền phù, dạng nhũ tương… các thông số vật lý của sữa nhưsau:

 Khối lượng riêng: Là thông số quyết định trạng thái của các thành phần cótrong sữa, khối lượng riêng của sữa tươi có giá trị từ 1028 – 1035 kg/m3.Giá trị này thay đổi và phụ thuộc vào loài giống gia súc, chu kỳ tiết sữa vànhiệt độ của môi trường

 Độ chua của sữa: Độ chua của sữa là do có sự hiện diện của ion H+ Ở

20oC độ pH của sữa có giá trị khoảng 6,5 – 6,7 và cũng phụ thuộc vào loài

và chu kỳ tiết sữa

 Độ nhớt của sữa: Phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái phân tán của cácchất có trong sữa Thông thường độ nhớt của sữa có giá trị khoảng 20 cp

ở 20oC

 Áp suất thẩm thấu của sữa: Áp suất thẩm thấu của sữa (Ptt) được tạo bởinhững chất có khả năng phân tán cao như đường lactose, muối Thôngthường áp suất thẩm thấu của sữa có giá trị vào khoảng 6,6 atm ở 0oC

 Nhiệt độ đông đặc: Sữa có nhiệt độ đông đặc từ – 0,53 tới – 0,57oC tùytheo loại sữa Nhiệt độ đông đặc trung bình là – 0,54oC, thấp hơn nhiệt độđông đặc của nước là do trong sữa có một số chất hòa tan như đườnglactose, các chất khoáng…

Ngoài nguyên liệu chính là sữa tươi còn có một số nguyên liệu phụ trongquá trình sản xuất sữa bột như: đường, vitamin, chất ổn định… nhằm mục đíchtạo độ đặc cho sản phẩm sữa, tạo độ ngọt, và màu vàng đặc trưng cho sữa.Đường maltosedextrin còn có tác dụng làm cho sản phẩm sữa bột bền nhiệt,không bị biến tính khi sấy và sản phẩm sữa bột không bị vón cục

1.1.3 Giá trị dinh dưỡng của sữa

 Sữa là một trong những sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao Trong sữa cóđầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết và dễ được cơ thể hấp thụ Ngoài cácthành phần chính là protein, lactoza, lipit, muối khoáng còn có tất cả cácloại vitamin chủ yếu, các nguyên tố vi lượng không thể thay thế

 Protein của sữa rất đặc biệt, có chứa nhiều và hài hòa các acid amin cầnthiết Hằng ngày mỗi người chỉ cần dùng 100g protein sữa đã có thể thõamãn nhu cầu về acid amin Cơ thể người sử dụng protein sữa để tạo thànhhemoglobin dễ dàng hơn bất cứ protein của thực phẩm nào khác Độ tiêuhóa của protein sữa 96-98%

 Lipit của sữa có vai trò quan trọng trong dinh dưỡng Khác với các loại

mỡ động vật và thực vật khác, mỡ sữa có nhiều nhóm acid béo khác nhau,chứa nhiều vitamin và có độ tiêu hóa cao do nhiệt độ nóng chảy thấp vàchất béo ở dạng cầu mỡ có kích thước nhỏ

 Giá trị dinh dưỡng của đường sữa(lactoza) không thua kém saccaroza

 Hàm lượng muối canxi và photpho trong sữa cao, giúp cho quá trình tạothành xương, các hoạt động của não

 Sữa là nguồn cung cấp tất cả các vitamin

 Sữa không những bổ mà còn có tác dụng chữa bệnh, giải độc

1.1.4 Những biến đổi của sữa trong quá trình bảo quản

Sữa là chất lỏng có giá trị dinh dưỡng cao, thành phần dinh dưỡng trongsữa tươi rất cân đối, dễ hấp thụ nên sữa tươi là môi trường rất thích hợp cho sựphát triển của vi sinh vật Mặt khác trong sữa lại có chứa nhiều enzyme do vậy

mà sau khi vắt ở sữa xãy ra nhiều quá trình biến đổi làm giảm chất lượng củasữa mà ta cần chú ý để hạn chế Bao gồm các quá trình chủ yếu sau đây:

 Phản ứng lên men đường

Thông thường các vi sinh vật phân hủy đường tạo thành các rượu và cácaldehyd làm giảm chất lượng của sữa

 Phản ứng phân hủy chất béo

Chất béo trong sữa bị phân hủy có thể là do enzyme lipase của vi sinh vậthoặc có thể là do quá trình oxy hóa Các sản phẩm của quá trình oxy hóachất béo là CO2, H2O, aldehyd , cetone, peroxide và các hydroproxide làmsữa có mùi khó chịu

 Phản ứng phân hủy protein

Hiện tượng sữa tươi bị thối rữa là do nhiều loại vi sinh vật có trong sữaphát triển và phân hủy protein của sữa Những vi khuẩn gây thối rữa đãtiết các enzyme protease, enzyme này tác động làm phân hủy protein Sảnphẩm cuối cùng của quá trình phân hủy này là các acid béo ngắn mạch,

NH3, CO2, H2S… làm sữa có mùi ôi thối khó chịu và độc đối với cơ thể

1.2 Lí thuyết sấy và chọn phương án thiết kế

1.2.1 Định nghĩa

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu Quátrình này có thể tiến hành bay hơi tự nhiên bằng năng lượng tự nhiên như nănglượng mặt trời, năng lượng gió (gọi là quá trình phơi hay sấy tự nhiên)

Dùng các phương pháp này chỉ đỡ tốn nhiệt năng nhưng không chủ độngđiều chỉnh được vận tốc của quá trình theo yêu cầu kĩ thuật, năng suất thấp bởivậy trong các ngành công nghiệp người ta thường tiến hành quá trình sấy nhântạo (nguồn năng lượng do con người tạo ra)

1.2.2 Mục đích của quá trình sấy

 Làm giảm khối lượng của vật liệu (giảm công chuyên chở)

 Tăng độ liên kết bề mặt và bảo quản được tốt hơn

 Hạn chế được sự phát triển các vi sinh vật và các phản ứng sinh hóa

 Tạo hình và tăng độ bền cho sản phẩm

Trong quá trình sấy, nước được bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tánbởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt vật liệu Đồng thời bên trong vật liệu có sựchênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trườngxung quanh để bảo đảm các yêu cầu về bảo quản, chế biến và vận chuyển.

1.2.3 Nguyên lý của quá trình sấy

 Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rấtphức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuyếch tán bên trong và bên ngoàivật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là quá trình nối tiếp,nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang phahơi, sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu

 Tốc độ sấy chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, môi trường không khí ẩm xungquanh nên ta xét 2 mặt của quá trình sấy là mặt tĩnh lực học và mặt động lựchọc

 Mặt tĩnh lực học: Tức dựa vào cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng tasẽ tìm được độ ẩm đầu và độ ẩm cuối của vật liệu sấy và của tác nhân sấy

để từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và nhiệtlượng cần cho quá trình sấy

 Mặt động lực học: Tức là nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến thiên của độẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình sấy như: tính chấtcấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủy động lực học củatác nhân sấy để từ đó xác định được chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấythích hợp

1.2.4 Phân loại sấy

Có 2 loại: sấy tự nhiên (phơi khô) và sấy nhân tạo

1.2.4.1 Sấy tự nhiên

 Là sử dụng năng lượng mặt trời để thực hiện quá trình sấy

 Đây là phương pháp làm khô đơn giản nhất bao gồm hong gió tự nhiên vàphơi nắng

 Ưu điểm: Đơn giản, không tốn chi phí cho năng lượng

 Nhược điểm:

 Khó cơ giới hóa, không điều chỉnh được nhiệt độ cần thiết

 Cường độ sấy không cao, sản phẩm sấy không đều.

 Chiếm diện tích mặt bằng lớn

 Tốc độ bay hơi chậm

 Thời gian phải kéo dài và khó giảm độ ẩm tới mức cần thiết để bảoquản

 Phụ thuộc nhiều vào thời tiết (độ ẩm và tốc độ gió)

 Điều kiện vệ sinh kém, độ khô của sản phẩm không đều, phụ thuộc vàothời tiết và thời gian dài, cần diện tích bề mặt lớn Vì chất lượng sảnphẩm không cao nên chỉ phù hợp với những vùng mà khoa học kỹthuật chưa được ứng dụng nhiều để sấy các sản phẩm có giá trị kinh tếthấp và trung bình

1.2.4.2 Sấy nhân tạo

Là phương pháp sấy được thực hiện bằng các thiết bị sấy, trong đó tácnhân sấy tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với vật liệu sấy để tải ẩm ra bên ngoài.Tùy theo phương pháp truyền nhiệt trong kỹ thuật sấy cũng chia ra:

 Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu với không khí

nóng, khói lò (gọi là tác nhân sấy)

 Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực

tiếp với vật liệu sấy mà tác nhân truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếpqua một vách ngăn

 Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia

hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy

 Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượng nhiệt

trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dài của lớp vật liệu

 Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không rất

cao nhiệt độ rất thấp nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từtrạng thái rắn không qua trạng thái lỏng

 Ba phương pháp cuối được sử dụng trong công nghiệp nên gọi chung làphương pháp sấy đặc biệt

 Vật liệu ẩm đó là những vật liệu mà bên trong có chứa một khối lượngchất lỏng đáng kể Đối tượng đem sấy được gọi là vật liệu sấy

 Tác nhân sấy là vật chất thực hiện các nhiệm vụ: vận chuyển cung cấpnhiệt cho vật liệu sấy và vận chuyển lượng ẩm tách khỏi vật liệu sấy ra.

 Các loại tác nhân sấy như: không khí ẩm, hơi nước bão hoà, hơi quá nhiệt,khói lò và tia bức xạ nhiệt Tác nhân sấy cũng có thể là chất lỏng như dầu,muối nóng chảy,

 Ưu điểm

 Tốn ít mặt bằng, nhân công

 Năng suất cao

 Không phụ thuộc vào thời tiết

 Nhược điểm

 Chi phí năng lượng cao

 Thiết bị phức tạp

1.2.5 Tác nhân sấy, phương thức sấy và chế độ sấy

1.2.5.1 Tác nhân sấy

 Là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy

 Trong quá trình sấy, môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩmthoát ra từ vật sấy Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tươngđối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự cân bằnggiữa vật liệu sấy và môi trường trong buồng sấy và quá trình thoát ẩm củavật liệu sấy sẽ ngừng lại

 Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy:

 Gia nhiệt cho vật sấy

 Tải ẩm mang ẩm từ bề mặt vật vào môi trường

 Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt

 Tùy theo phương pháp sấy mà tác nhân sấy có thể thực hiện một trong cácnhiệm vụ trên

 Cơ chế của quá trình sấy gồm 2 giai đoạn: gia nhiệt cho vật liệu sấy để làmẩm hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật vào môi trường Nếu ẩm thoát rakhỏi vật liệu mà không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởng tới quá trình bốc ẩm

từ vật liệu sấy thậm chí còn làm ngừng trệ quá trình thoát ẩm Để tải ẩm đãbay hơi từ vật sấy vào môi trường có thể dùng các biện pháp:

 Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt

 Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật sấy thải ra ngoài (sấy chânkhông)

 Trong sấy đối lưu vai trò của tác nhân sấy đặc biệt quan trọng vì nó đóngvai trò vừa tải nhiệt vừa tải ẩm Các tác nhân sấy thường dùng là khôngkhí nóng và khói lò, hơi quá nhiệt, chất lỏng…

1.2.5.2 Các loại tác nhân sấy

 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 không làm sản phẩm sau khisấy bị ô nhiễm và thay đổi mùi vị Tuy nhiên dùng không khí ẩm làm tácnhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt không khí (calorifer khí, hơi haykhí hoặc khói), nhiệt độ sấy không quá cao, thường nhỏ hơn 5000C vì nếunhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phải được chế tạo bằng thép hợpkim hay gốm sứ với chi phí đắt

Đối với thiết bị sấy phun thì tác nhân sấy được sử dụng chủ yếu là khôngkhí ẩm với ba yếu tố: độ ẩm tương đối của không khí ẩm, nhiệt độ củakhông khí trước khi vào thùng sấy là t1 và nhiệt độ của khối không khí khi

ra khỏi thùng sấy là t2, nhiệt độ tác nhân sấy sau khi ra khỏi thùng sấy t2

được chọn sao cho tổn thất năng lượng là nhỏ nhất

 Khói lò: khói lò được dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lên

10000C mà không cần thiết bị gia nhiêt tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ônhiễm gây mùi khói

 Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm đễ bị

cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao

1.2.5.3 Phương thức sấy

Dựa vào điều kiện sấy trong mỗi trường hợp khác nhau nên có nhiều phươngpháp sấy như:

 Dựa vào tác nhân sấy: có thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy

bằng khói lò, các thiết bị sấy bằng như sấy thăng hoa, sấy bằng dòng điệncao tần

 Dựa vào áp suất làm việc: có thiết bị sấy chân không và thiết bị sấy ở áp

suất thường

 Dựa vào phương thức làm việc: có sấy liên tục và sấy gián đoạn.

 Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp

xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ

 Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục, sấy

thùng quay, sấy phun

 Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy: sấy cùng

chiều, ngược chiều, giao chiều

1.2.5.4 Chế độ sấy

 Chế độ sấy là cách thức tổ chức quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa tácnhân sấy và vật liệu sấy và các thông số của nó để đảm bảo năng suất, chấtlượng sản phẩm yêu cầu và chi phí vận hành cũng như chi phí năng lượng

là hợp lí

1.2.6 Chọn phương án thiết kế

1.2.6.1 Chọn thiết bị sấy

Sấy ở đây là quá trình làm mất nước của sữa Sữa tươi ban đầu được lọcgạn và tiêu chuẩn hóa bằng cách đun nóng ở 93 – 100 oC trong thời gian khoảng

25 phút nếu nhiệt độ là 115 -128oC thì chỉ đun từ 1 – 6 phút sau đó được cô đặcđạt độ ẩm là 45 - 55% Sữa thường được cô đặc ở nhiệt độ thấp bằng quá trìnhbốc hơi chân không để tránh biến tính của sữa do nhiệt độ cao Để quá trình sấyxảy ra tốt, các hạt sữa không bị keo lại người ta thêm vào một loại phụ gia làđường Mantodextrin Loại đường này ngoài việc giúp cho quá trình tạo bột khiphun được tốt hơn nó còn giúp sữa chịu được nhiệt độ cao hơn tránh được sựbiến tính của sữa khi nhiệt độ cao Sữa được sấy cho đến khi đạt độ ẩm là 2,5 –5% Trong điều kiện độ ẩm này thì các loài vi sinh vật không thể tồn tại và pháttriển được, trừ một số loại tạo bào tử Do vậy trong công nghệ sản xuất sữa bộtsấy vừa đóng vai trò chế biến vừa đóng vai trò bảo quản, tùy theo yêu cầu sảnphẩm và chế độ công nghệ mà người ta có thể sử dụng các loại phương pháp vàthiết bị sấy sau

 Sấy chân không (Freeze- Drying)

Dùng trong sản xuất sữa bột chất lượng cao, trong phương pháp này nướctrong sữa được bốc hơi ở điều kiện chân không nhiệt độ sấy thấp, vì vậy mà ưu

điểm của phương pháp này là các protein trong sữa không bị biến tính cũng nhưkhông kéo theo các phản ứng bất lợi khác Bên cạnh đó thì phương pháp nàycũng có nhược điểm là kết cấu thiết bị phức tạp, hao tốn nhiều năng lượng dovậy mà thiết bị này không được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

 Sấy trục (Roller or drum Drying)

Trong phương pháp này sữa được sấy bằng cách tiếp xúc trực tiếp bề mặttruyền nhiệt (hai trục được gia nhiệt bằng hơi nước) Thiết bị sử dụng trongphương pháp này tương đối đơn giản nhưng gặp khó khăn trong khi vận hành.Nếu quá trình xử lý nhiệt không tốt, không thích hợp sẽ kéo theo sự thay đổiđáng kể tính chất hóa lí của sữa, tạo màu do phản ứng caramel, protein bị biếntính, độ hòa tan của sữa giảm Vì vậy mà thiết bị này cũng không được sử dụngrộng rãi trong công nghệ sản suất sữa trừ một số loại sữa dùng trong côngnghiệp không yêu cầu độ hòa tan cao

 Sấy phun ( Spray – Drying)

Trong phương pháp này nguyên liệu được phân tán vào trong thiết bị sấydưới dạng các hạt sương và được làm khô bằng dòng khí có nhiệt độ cao Quátrình sấy diễn rất mãnh liệt trong lòng thể tích các giọt lỏng Sản phẩm của sấyphun dưới dạng bột mịn Ưu điểm của phương pháp này là thời gian sấy ngắn,sản phẩm thu được ở dạng mong muốn do vậy không cần phải xử lí thêm, bêncạnh đó nó cũng có một số nhược điểm như là kích thước thiết bị khá lớn, tiêutốn nhiều năng lượng Tuy nhiên, phương pháp sấy phun là phương pháp được

sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ sản xuất sữa bột hiện nay, chi tiết củacông nghệ này sẽ được trình bày cụ thể trong phần sau

1.2.6.2 Sấy phun

 Những biến đổi của sữa trong quá trình sấy phun

Khi được phân tán vào trong thiết bị sấy dưới dạng giọt, dưới tác dụng củadòng khí có nhiệt độ cao các giọt sữa sẽ giảm đường kính, khối lượng và thểtích Trong điều kiện sấy lý tưởng, khối lượng sẽ bị giảm khoảng 50%, thể tíchgiảm 40%, còn đường kính giảm khoảng 70% so với giọt lỏng ban đầu từ vòiphun Ngoài những biến đổi trên thì trong quá trìng sấy sữa còn có một số biếnđổi bất lợi khác như sau:

 Protein bị biến tính gây ra mùi khó chịu, giảm độ hòa tan của sữa làmgiảm giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm

 Trong điều kiện sấy ở nhiệt độ cao, có thể xảy ra phản ứng caramel hóađường lactose có trong thành phần của sữa, phản ứng Maillard… tạo mùi

và màu không tốt, bất lợi cho sản phẩm

 Sự oxy hóa của các lipid có trong sữa (do sự có mặt của emzyme lizase cótrong sữa trong trường hợp xử lí không triệt để) Vì vậy đối với nguyênliệu sữa tươi dùng để sản xuất sữa bột nguyên kem thì thường phải chú ýnâng cao nhiệt độ khi thanh trùng so với nguyên liệu dể làm sữa bộtkhông béo để đảm bảo vô hoạt hoàn toàn enzyme lizase

 Quá trình sấy phun

Sữa được phun thành những hạt bụi nhỏ và được làm khô trong phòngsấy Sữa tươi ban đầu được cô đặc đạt độ khô từ 45 – 55% trong điều kiện chânkhông sau đó được đưa vào thiết bị sấy phun Khi thiết bị làm việc, không khíqua bộ phận lọc được thổi vào bộ phận đốt nóng , tại đây không khí được đốtnóng tới 170oC và thổi vào buồng sấy Sữa đặc được bơm cao áp bơm từ bồnchứa tới vòi phun và được phun vào trong tháp dưới dạng những hạt bụi nhỏ.Trong phòng sấy các hạt bụi sữa được sấy khô ngay lập tức thành bột sữa rơixuống dưới Không khí trong tháp sấy được quạt hút ra ngoài qua xyclon để thulại những hạt sản phẩm nhỏ bị lôi cuốn theo dòng khí, nó được trộn với sảnphẩm từ trong tháp sấy nhờ ống vận chuyển khí động qua xyclon và được lấy rangoài liên tục

Ở phương pháp này mặc dù nhiệt độ của không khí khá cao (170oC) nhiệt

độ của những hạt sữa chỉ mới 85oC, và khô ngay thành bột trong một khoảngthời gian rất ngắn do vậy mà thành phần và tính chất của sữa hầu như không đổi,

độ hòa tan của sữa bột rất cao Sữa bột được sản xuất theo phương pháp này gọi

là sữa bột hòa tan

 Chọn phương thức sấy

Chọn phương thức sấy cùng chiều Bởi vì khi sấy cùng chiều thì tốc độban đầu cao nên sản phẩm ít bị co ngót, biến tính Mặt khác, khi sấy cùng chiềunhờ hệ thống sấy đối lưu tác nhân sấy và vật liệu sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quátrình sấy diễn ra nhanh hơn

 Chọn tác nhân sấy

Dựa vào cấu trúc nguyên liệu sữa và thiết bị sấy phun nên chọn tác nhânsấy là không khí nóng

 Chế độ sấy

Chế độ sấy trong thiết bị sấy phun bao gồm các yếu tố: Nhiệt độ tác nhânsấy (TNS) vào thùng sấy t1 và nhiệt độ TNS ra khỏi thùng sấy t2 Để đảm bảogiữ được các tính chất về hương vị, màu sắc và các thành phần có trong sữa nên

ta chọn chế độ sấy sữa như sau:

Nhiệt độ tác nhân sấy vào : t1 = 1700C

Nhiệt độ tác nhân sấy ra : t2 = 850C

Nhiệt độ môi trường : t0 = 25oC

+ Độ ẩm tương đối của môi trường : 0 = 85%

Sữa nguyên liệu

Chuẩn hoá

Thanh trùng

Cô đặc

SấyĐồng hóa

Bao gói

Xử lý

Bao bì

Sữa bột

1.3 Quy trình công nghệ

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa bột

Thuyết minh quy trình công nghệ

Sữa nguyên liệu phải đáp ứng các yêu cầu sau:

 Sữa lấy từ con bò khỏe mạnh, không chứa vi khuẩn gây bệnh

 Sữa có mùi vị tự nhiên, không có vị lạ, không chứa chất kháng sinh, chấttẩy rửa

 Sữa có thành phần tự nhiên

 Sữa phải tươi và được làm lạnh ngay đến 4-6oC sau khi vắt

 Quá trình này nhằm mục đích hiệu chỉnh hàm lượng chất béo có trongnguyên liệu Tùy vào chỉ tiêu chất béo trong sản phẩm để hiệu chỉnh hàmlượng chất béo thích hợp cho nguyên liệu và được thực hiện trên dâychuyền tự động

 Sữa nguyên liệu được bơm vào máy ly tâm hoạt động theo nguyên tắc liêntục Có 2 dòng sản phẩm thoát ra khỏi thiết bị là dòng sữa gầy và dòngnguyên cream Một phần cream sẽ được phối trộn trở lại với dòng sữa gầy

để hàm lượng chất béo trong hỗn hợp đạt giá trị yêu cầu được thiết kế vậnhành tự động

 Quá trình thanh trùng nhằm làm giảm số vi sinh vật trong sữa xuống mứcthấp nhất, đồng thời vô hoạt các enzyme đặc biệt là nhóm enzyme bềnnhiệt lypase

 Thông thường sữa được thanh trùng ở 80-85oC trong vài giây Để đảmbảo tiêu diệt vi sinh vật và hạn chế các biến đổi về chất lượng sữa do nhiệt

độ, hiện nay một số nhà máy sử dụng kết hợp phương pháp ly tâm hoặc vilọc để tách bớt vi sinh vật trước khi xử lý nhiệt

 Ngoài ra theo phương pháp mới người ta có thể cô đặc sữa bằngmembrane

 Sau quá trình cô đặc hàm lượng chất béo trong sữa khá cao Một số nhàsản xuất thực hiện quá trình đồng hóa để làm giảm kích thước hạt béo và

phân bố đều trong sữa Để quá trình đồng hóa hiệu quả, người ta thường

sử dụng thiết bị đồng hóa hai cấp

 Sữa bột sau khi sấy phun sẽ đưa qua hệ thống rây rồi vào thiết bị đóng gói

 Sữa bột nguyên cream có hàm lượng béo khá cao nên khó hòa tan trongnước Vì vậy trong giai đoạn xử lý sữa, người ta có thể thực hiện quá trìnhlecithine hóa để khắc phục nhược điểm đó

 Thông thường sản phẩm được đựng trong bao bì giấy hoặc bao bì kimloại Yêu cầu chung của bao bì là phải hạn chế tiếp xúc của ánh sáng,không khí và độ ẩm từ môi trường xung quanh đến sản phẩm

PHẦN 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 Các thông số ban đầu

Năng suất theo sản phẩm sấy : G2 = 120 kg/h

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: W1 = 40%

Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy : W2= 3%

Nhiệt độ môi trường: t0= 25oC

Độ ẩm môi trường: φ0 = 85%

Nhiệt độ tác nhân sấy vào: t1 = 1700C

Nhiệt độ tác nhân sấy ra: t2 = 850C

G1: Năng suất nhập liệu, kg/h

Ga: Năng suất bốc hơi ẩm, kg ẩm/h

Gk: Lượng không khí tiêu hao, kg kk/h

100−3 100−40×

100−3 100−40 = 194 (kg/h)

Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy

Ga = G1 –G2 = 194 – 120 = 74 (kg ẩm/h)

2.2.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời

Phân áp suất bão hòa hơi nước theo nhiệt độ

Chọn không khí vào calorifer có nhiệt độ to = 25oC, o = 0.85

Với to = 25o C thì Po = 0,0323 (at) (Bảng I.250/T312.[1])

Không khí vào thiết bị sấy có nhiệt độ là t1 = 170oC, ra khỏi thiết bị sấy có

o

2.2.1.1 Lượng chứa ẩm

do = 0,622B−o P o o P o (kg ẩm/kg kkk) (CT VII.11/T95.[2])

Trong đó:

- φ0: độ ẩm tương đối của không khí (độ ẩm môi trường)

- B: áp suất khí quyển, B = 1at

- P0: phân áp suất bão hòa của hơi nước

- Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô, Cpk = 1,004 (KJ/kg0K)

- Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước, Cpa = 1,842 (KJ/kg0K)

- r: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước, r = 2500 (KJ/kg)

2.2.2 Tính trạng thái không khí sau khi vào calorifer và đốt nóng đẳng ẩm (hàm ẩm không đổi)

Không khí vào calorifer được đốt nóng đến t1 = 170oC thì Pb1=8,08 (Bảng I.250/T312.[1])

b b

p d

P b 1 ×(0,622+d1)=

0,018 ×1 8,08 ×(0,622+0,018)=3,48.10

288 ×(170+273)

1 ×105−2,75.10−3× 8,08× 105=¿1,31(m3/kg)

2.2.3 Trạng thái không khí sau khi ra khỏi máy sấy (Entanpi không đổi)

t2= 85oC, I1=I2= 221,31 (kj/kg kkk)

Phân áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ

Với t2=85oC thì Pb2 = 0,59 (at)Nhiệt lượng riêng của không khí khi đưa vào caloriphe bằng nhiệt lượngriêng của không khí khi ra khỏi caloriphe:

Lượng không khí tiêu hao trong quá trình sấy

Gk= lGa =30,3 74 = 2242,1 (kg kkk/h)

Độ ẩm tương đối của không khí

I2 = 1,004.t2 + d2.(2500 + 1,842.t2), (CT VII.11/T95.[2])Suy ra

P b2 ×(0,622+d2)=

0,051 ×1 0,59 ×(0,622+0,051)=0,128=12,8 %

Thể tích riêng của không khí ẩm:

Vt = V + Ga/h = 2568,7 + 74/1,296 = 2625,79( m3/h)

Tính nhiệt độ điểm sương:=1

Tại nhiệt độ điểm sương ta có:

Pbh=0,622+d 2 d 2 P =0,051× 0.9810,622+0,051=0,074Tra bảng I.251 trang 314 Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1 ta có:

Tại Pbh= 0,074 là Ts= 40oC

Khoảng chênh lệch nhiệt độ t=t2ts=8540=45oC => các thông số đã chọn về tácnhân sấy là chấp nhận được.

2.3 Cân bằng vật liệu cho không khí sấy

Coi lượng không khí khô đi qua máy sấy không bị mất trong quá trình sấy

- d1: Lượng ẩm không khí khô mang theo vào phòng sấy

- d2: Lượng ẩm trong không khí khô còn lại sau khi sấy

- Phương trình cân bằng ẩm: L.d1 + Ga = L.d2

Lượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy

Gk = 2242,1(kgkk khô/h)

Ta có tại t0 = 250 thì ρ = 0,02304 kg/cm3 (Bảng I.250, T312,[1])

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào calorifer

V =G k

ρ0 =

2241,1 0,02304=¿97269,96(m3/h¿27(m3

/s)

Lượng không khí cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật liệu

0,051−0,018=30,3 (kg kk khô/kg ẩm) Lượng vật liệu khô tuyệt đối

G = G1× 100−w1

100 =194×100−40

100 =116,4 (kg/h)Nhiệt độ trung bình của dòng khí lưu chuyển trong thiết bị sấy

T tb= 170+85

0

C suy ra ρtb=1,395(kg/m3) Lưu lượng không khí lưu chuyển qua thiết bị sấy

V = G k

ρ tb =

2242,1 1,395 =1607,24(m

3 /h)= 0,45 (m3/s)

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

G1: Khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h ) 194 (kg/h)

G2: Khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h ) 120 (kg/h)G: Lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h ) 116,4 (kg/h)

1

2

l: Lượng không khí khô để bốc hơi 1 kg ẩm (kg kkk/kg

ẩm)

30,3(kg kkk/kg ẩm)

L : Lượng không khí khô bốc hơi W kg ẩm (kg kkk/h) 2242,1(kg kkk/h)

Bảng 2.2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy

PHẦN 3:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Trong thiết bị sấy phun thì buồng sấy và vòi phun là hai phần quan trọngnhất của thiết bị

- Buồng sấy

Buồng sấy trong hệ thống sấy phun thường là hình trụ tròn Nên khi tínhkích thước buồng sấy thì sẽ xác định thể tích V, đường kính D và chiều cao Hcủa hình trụ đó

- Vòi phun

Cấu tạo đặc thù của hệ thống sấy phun so với hệ thống sấy khác là bơmcao áp nén dịch thể và tạo sương trong buồng sấy Vòi phun là kết cấu để đưavật liệu sấy vào buồng sấy, vừa là kết cấu tạo sương mù Có 3 loại vòi phun:+ Vòi phun cơ khí

+ Vòi phun khí động

+ Đĩa ly tâm

Chọn vòi phun sương loại cơ khí gồm có đầu vòi có một chi tiết cạnh 3 cánh có thể tự do quay xung quanh một trục và nhờ đó dịch thể bị đánh tơi thànhnhững giọt nhỏ

- Ưu điểm

+ Năng suất cao

+ Tiêu tốc ít điện năng

+ Làm việc ổn định

Chọn đường kính lỗ phun là dc=10-3m, góc phân tán tia α=50º

Giả thiết vận tốc của không khí trong buồng sấy là w=0,38m/s

3.1.Vòi phun

Đường kính trung bình của giọt vật liệu được tính theo công thức

34 0

Re.11,0

b

d tb 

(T13, [6])

Trong đó:b hệ số phụ thuộc cấu tạo của vòi phun

3.2.1 Đường kính buồng sấy

- Bán kính tán phun được xác định theo công thức

Rp: bán kính tán phun, m

w: vận tốc dòng khí chuyển động trong thiết bị, m/s

r: ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, kj/kg ; r = 2150 kj/kg

C1, C2: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở nhiệt độ t1, t2, kj/kg độ

C1= 1500 (kj/kg độ) , C2 = 31 (kj/kg độ)

Ctb: nhiệt dung riêng trung bình, Ctb= 1013 (kj/kg độ)

: độ nhớt của không khí,  = 25,710-6(m2/s)(bảng I.255/T318, [1])

dtb: kích thước trung bình của sản phẩm dtb = 2,48 ×10−4 (m)

1 là khối lượng riêng của dịch sữa đưa vào sấy, 1=1232 kg/m3

k là khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc k=0,87 kg/m3

3.2.2.Xác định chiều cao của tháp sấy

Chiều cao hữu hiệu của tháp sấy được xác định theo công thức:

 ; hệ số dẫn nhiệt của không khí,  = 3,4*10-2 ( w/m2 độ)

Vận tốc khí được xác định theo công thức:

3600 F=

2625,79

3600 1,77=0,41 (m/s)Chênh lệch so với lựa chọn ban đầu: |0,41−0,380,38 |× 100 %=7 %nằm tronggiới hạn cho phép vậy lựa chọn ban đầu là hợp lý

Xác định thời gian sấy

t s=H T

ω h

wh: tốc độ của hạt sản phẩm rơi trong thiết bị, xem wh = w = 0,38 ( m/s)

Vậy thời gian sấy vật liệu

ts = 0,383,7 =9,73(s)

PHẦN 4 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 4.1 Tính cân bằng nhiệt lượng

Các ký hiệu

- tvl1: Nhiệt độ vật liệu trước khi vào sấy, tvl1 = tmt= 250C

- tvl2: Nhiệt độ vật liệu sau khi ra khỏi máy sấy,

4.1.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy

- Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: L.I0 (J/s) trong đó I0 là nhiệt hàmcủa không khí trước khi vào calorifer sưởi (J/kg kkk)

- Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được từ calorifer sưởi cung cấp: L(I1- I0)

- Nhiệt lượng do vật liêu sấy mang vào: ((G1 – W)× Cvl + W×Cn)× tvl1

4.1.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy

- Nhiệt lượng tổn thất do không khí thải mang đi: L×I2 (J/s) trong đó I2 là nhiệt hàm của không khí sau khi ra khỏi phòng sấy (J/kg kkk)

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2×Cvl×tvl2

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Qm

4.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gk×I0 + Gk× (I1 – I0) + ((G1 – W)× Cvl + W×Cn) ×tvl1 = Gk×I2 + G2×Cvl×tvl2+ Qm

Mà G1 – W = G2

Nhiệt lượng tiêu hao chung cho quá trình sấy thực:

Q = Gk× (I1 – I0) = Gk× (I2 – I0) + G2×Cvl× (tvl2 - tvl1) - W×Cn×tvl1 + Qm

Đặt: Qvl = G2×Cvl× (tvl2 - tvl1) gọi là nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy

Q = Gk×(I1 – I0) = Gk× (I2 – I0) + Qvl - W×Cn×tvl1 + Qm

Chia cả hai vế của phương trình cho W ta có:

Nhiệt lượng tiêu hao riêng (nhiệt lượng cần thiết để làm tiêu hao 1kg ẩm):

Ga là nhiệt lượng mất mát riêng ra môi trường chung quanh

Đặt △= Cn tvl1 -qm - qvl : gọi là nhiệt lượng bổ sung cho quá trình sấy thựcNhiệt lượng tiêu hao riêng

q = l× (I1 – I0) = l× (I2 – I0) -

 l×(I2 – I0) = l× (I1 – I0) + 

Với quá trình sấy lý thuyết:  = 0

Nhiệt lượng tiêu hao chung

- F: Diện tích bề mặt xung quanh máy sấy

- t: Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môitrường xung quanh

- W: Lượng ẩm bay hơi

- K: Hệ số truyền nhiệt

4.3.1 Tính hệ số truyền nhiệt

2

2 1

3 1 2 1

11

1 : Hệ số cấp nhiệt tổng quát từ trong đến thành thiết bị

2 : Hệ số cấp nhiệt của tường ra môi trường xung quanh

4.3.1.1 Tính hệ số cấp nhiệt tổng quát từ trong đến thành thiết bị α 1

1 = k  (α1'

−α1'')Trong đó:

- α1': Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu cưỡngbức (W/m2 độ)

- α1'' : Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên(W/m2 độ)

- K: Hệ số điều chỉnh tính đến độ nhám, k =1,25

a, Tính α ’