ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THÙNG SẤY , QUAY, XAY CÀ PHÊ

giúp em hiểu sâu hơn về kĩ thuật sấy, nguyên tắc hoạt động, tính toán thiết kế hệ thống sấy cũng như cách tra cứu sổ tay, tài liệu, mục đích và tầm quan trọng của thiết bị sấy thùng quay trong quy trình sản xuất.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẤY VÀ NGUYÊN LIỆU CÀ PHÊ 2

1.1 Khái niệm chung về quá trình sấy 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Nguyên lý quá trình sấy 2

1.1.3 Phân loại phương pháp sấy 3

1.1.4 Tác nhân sấy, chế độ sấy và thiết bị sấy 3

1.1.4.1 Tác nhân sấy 4

1.1.4.2 Chế độ sấy 4

1.1.4.3 Thiết bị sấy 4

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu 4

1.2.1 Cấu tạo quả cà phê 5

1.2.2 Thành phần hóa học của cà phê 5

1.2.3 Quá trình sấy cà phê 6

1.2.3.1 Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy 6

1.2.3.2 Hệ thống sấy thùng quay 7

1.2.3.3 Biến đổi của nguyên liệu sau quá trình sấy 8

1.3 Lý do đặt thiết bị ở địa điểm đã chọn: 9

CHƯƠNG 2: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH 10

2.1 Các thông số ban đầu 10

2.2 Lượng ẩm được tách ra 10

2.3 Khối lượng vật liệu sau khi ra thùng sấy 10

2.4 Lượng vật liệu khô tuyệt đối 10

2.5 Tính các thông số của không khí 10

2.5.2 Tính trạng thái không khí vào buồng sấy 11

2.6 Kích thước của thùng sấy: 11

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 12

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 13

4.1 Calorifer 19

4.2 Tính và chọn cyclon 15

4.3 Tính trở lực và chọn quạt 17

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẤY VÀ NGUYÊN LIỆU CÀ PHÊ

1.1 Khái niệm chung về quá trình sấy

1.1.1 Khái niệm

Sấy là quá trình tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch khi

có sự thay đổi trạng thái bốc hơi hoặc thăng hoa làm cho hàm lượng chất khô của vật liệu tăng lên

Đây là một quá trình kỹ thuật rất phổ biến và quan trọng trong công nghiệp và đời sống

Mục đích của quá trình sấy:

 Kéo dài thời gian bảo quản

 Tăng tính cảm quan cho thực phẩm

 Giảm nhẹ khối lượng thuận tiện cho quá trình vận chuyển

 Tạo hình cho sản phẩm thực phẩm

 Làm chín một phần sản phẩm thực phẩm

1.1.2 Nguyên lý quá trình sấy

Sấy là quá trình làm khô vật liệu ẩm khi được cung cấp năng lượng theo trình tự: gia nhiệt vật liệu ẩm, cấp nhiệt để làm khuếch tán ẩm trong vật liệu, đưa hơi ẩm thoát khỏi vật liệu

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là quá trình nối tiếp, tức là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu, vận tốc của toàn bộ quá trình được quyết định bởi giai đoạn nào chậm nhất

Động lực của quá trình này là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ

xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí xung quanh.

Trong quá trình sấy thì nhiệt độ và môi trường không khí ẩm xung quanh co ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy

Hai mặt của quá trình sấy cần nghiên cứu:

 Mặt tĩnh lực học: dựa vào cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng, ta sẽ tìm được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy, từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân

và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy

 Mặt động lực học: nghiên cứu mối quan hệ của sự biến thiên của

độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình như: tính chất, cấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy để từ đó xác định được chế độ, tốc độ

và thời gian sấy phù hợp

1.1.3 Phân loại phương pháp sấy

+ Cần diện tích lớn để thực hiện quá trình sấy

+ Sản phẩm sấy không đều, dễ bị nhiễm bẩn, nhiễm vi sinh vật+ Khó điều chỉnh các thông số kĩ thuật khi sấy, phụ thuộc vào khí hậu

+ Độ ẩm sau khi sấy không điều chỉnh được để đảm bảo yêu cầu+ Tốn thời gian, năng suất thấp

+ Đòi hỏi sức lao động và lượng nhân công lớn.

 Sấy nhân tạo

- Thường được tiến hành trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra thành nhiều dạng:

+ Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà tác nhân truyền nhiệt là khói lò, không khí nóng + Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn

+ Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy

+ Sấy bằng dòng điện cao tần: phương pháp dùng dòng điện caotần để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vật liệu sấy

+ Sấy thăng hoa: phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không cao, nhiệt độ rất thấp, độ ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi thông qua trạng thái lỏng

- Ưu điểm: khắc phục được những nhược điểm của phương pháp sấy tự nhiên

- Nhược điểm: tốn chi phí đầu tư trang thiết bị và chi phí để vận hành, hoạt động thiết bị để thực hiện quá trình sấy

1.1.4 Tác nhân sấy, chế độ sấy và thiết bị sấy

1.1.4.1 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy và đưa ẩm ra khỏi thiết bị sấy

Trong quá trình sấy, cần có tác nhân sấy để thực hiện tách ẩm ra khỏivật liệu để đảm bảo đưa vật liệu về độ ẩm an toàn Đồng thời, khi sấy môitrường bao quanh vật liệu sấy luôn được bổ sung một lượng ẩm tách ra từvật liệu Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối của buồng sấy sẽ tăng lên và quá trình thoát ẩm của vật liệu sẽ dừng lại.

Nhiệm vụ của tác nhân sấy:

- Tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy

- Đưa ẩm ra khỏi thiết bị sấy

- Gia nhiệt cho vật liệu sấy

Cơ chế của quá trình sấy gồm 2 giai đoạn: Gia nhiệt cho vật liệu sấy

để làm ẩm hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật vào môi trường Để thải

ẩm đã bay hơi từ vật liệu vào môi trường có thể dùng các biện pháp:

- Sấy chân không

- Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt

1.1.4.2 Chế độ sấy

Chế độ sấy: cách thức tổ chức quá trình truyền chất giữa tác nhân sấy

và vật liệu sấy với các thông số của nó để đảm bảo năng suất, chất lượng sản phẩm theo yêu cầu và chi phí vận hành cũng như chi phí năng lượng hợp lí

Một số chế độ sấy thường gặp:

- Chế độ sấy có đốt nóng trung gian

- Chế độ sấy hồi lưu toàn phần

- Chế độ sấy hồi lưu một phần

- Chế độ sấy hồi lưu và đốt nóng trung gian

1.1.4.3 Thiết bị sấy

Thiết bị sấy là thiết bị mà tại đó vật liệu được tách ẩm để sau khi ra khỏi thiết bị sấy vật liệu đạt độ ẩm an toàn Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp khác nhau nên có nhiều cách để phân loại thiết bị sấy:

- Dựa vào tác nhân sấy

- Dựa vào áp suất làm việc

- Dựa vào phương thức làm việc

- Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy thùng quay, sấy phun, sấy băng tải

- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy

- Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy:sấy cùng chiều, ngược chiều, giao chiều

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu

Cà phê là loại cây công nghiệp, có nguồn gốc từ êtiôphia và vùng bắcphi, là cây công nghiệp có thân lớn, màu xanh đậm, lá hình oval, quả hìnhbầu dục, hoa màu trắng, quả khi còn non có màu xanh, khi chín chuyển sang đỏ

Hạt cà phê khi chín chứa đầy đủ các loại chất dinh dưỡng như glucid,lipid, cafein, vitamin Đặc biệt cà phê còn chứa một số chất mùi đặc trưng, khi chế biến có mùi thơm riêng biệt và hấp dẫn

Do đó các sản phẩm chế biến từ cà phê rất nhiều Từ những sản phẩm

mà cà phê là nguyên liệu chính (như: cà phê rang xay, cà phê hòa tan) đến những sản phẩm mà cà phê được bổ sung vào tạo nên mùi vị cho sản phẩm như bánh kẹo, đồ uống, mĩ phẩm

1.2.1 Cấu tạo quả cà phê

Quả cà phê gồm: lớp vỏ quả, lớp vỏ thịt, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏlụa và nhân

Hình 1.1 Cấu tạo của quả cà phê

- Nhân cà phê: là phần nằm trong cùng của hạt

Bảng 1.1 Tỷ lệ các thành phần cấu tạo hạt cà phê (% theo quả tươi)

Thành phần Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)

1.2.2 Thành phần hóa học của cà phê

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê

1.2.3 Quá trình sấy cà phê

1.2.3.1 Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy

 Thiết bị sấy

Căn cứ vào dạng vật sấy, đặc điểm cấu tạo của vật liệu sấy mà người ta chọn hệ thống sấy cho phù hợp Thiết bị sấy thùng quay là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt

Quá trình sấy trong máy sấy thùng quay cũng là hệ thống sấy đối lưu Loại thiết bị này được dùng để sấy các vật ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ

Thiết bị gồm 1 hình trụ đặt dốc khoảng 3 - 6º so với mặt phẳng nằm ngang, có 2 vành đai khi thùng quay thì trượt trên các con lăn tựa Khoảng cách giữa các con lăn có thể điều chỉnh được để thay đổi góc nghiêng của thùng Thùng quay được nhờ lắp chặt trên thân thùng, các bánh răng ăn khớp với nhau nối với mô tơ thông qua hộp giảm tốc.Trong hệ thống này, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc với tác nhân sấy Do đó trao đổi nhiệt mạnh tốc độ sấy nhanh và độ đồng đều sản phẩm cao Ngoài ra thiết bị làm việc với năng suất cao và làm việc

ở áp suất khí quyển

Dây chuyền sấy cà phê bằng máy sấy thùng quay này rất phù hợp cho quy trình công nghệ chế biến sản xuất cà phê thóc, độ ổn định cao, chất lượng cà phê đạt các yêu cầu kĩ thuật.

 Chọn phương thức sấy

Để sấy cà phê người ta dùng phương pháp sấy nóng và đối với cà phê chỉ còn lớp vỏ trấu bên ngoài nên trong quá trình sấy đảm bảo không bị nhiễm bụi bẩn, nhiễm độc và yêu cầu nhiệt độ sấy không quá cao nên ta chọn tác nhân sấy là không khí nóng và tác nhân tải nhiệt là hơi nước để tiện cho việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khi cần thiết

Thông thường chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùng chiều, ngược chiều hay chéo dòng Dựa vào tính chất vật liệu của cà phê nên

ta chọn phương thức sấy cùng chiều vì tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, sản phẩm ít bị biến tính, giảm nguy cơ hư hỏng do vi sinh vật, tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khô mang theo vật liệu sấy như sấy ngược chiều Mặt khác với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao lắm thì khi sấy cùng chiều vật liệu sấy và tác nhân sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn

Chọn thiết bị làm gián đoạn vì sau một thời gian sấy sản phẩm đủ

độ ẩm theo yêu cầu thì bắt đầu dừng thiết bị và tháo lắp ra Như vậy,

có thể điều chỉnh được lượng sản phẩm ra nếu không đảm bảo chất lượng

1.2.3.2 Hệ thống sấy thùng quay

 Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay

Sơ đồ 1: Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay để sấy cà phê

 Thuyết minh sơ đồ:

Vật liệu sấy là cà phê đã qua phân loại, tách vỏ và qua hệ thống sấy tĩnh để nâng nhiệt độ lên gần nhiệt độ tác nhân sấy, để tránh hiện tượng chênh lệch nhiệt độ quá cao giữa tác nhân sấy cà phê gây ra hiệntượng cháy cà phê Độ ẩm của cà phê lúc này là 25%

Tác nhân sấy là không khí được quạt đẩy đưa vào calorifer gia nhiệt để nâng nhiệt độ lên 80ºC Tác nhân sấy vào cùng chiều với cà phê làm cho diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy lớn, lúc

Cà phê thóc ướt

Hơi

CyclonQuạt hút

Sản phẩm

này lượng nhiệt cung cấp cho tác nhân sấy và vật liệu sấy cao làm cho lượng ẩm trên bề mặt vật liệu thoát ra nhanh hơn nên tốc độ sấy nhanh hơn Nhiệt độ tác nhân sấy sẽ giảm dần và khi vật liệu ra khỏi thùng sấy thì nhiệt độ còn 38ºC.

Tại thùng sấy, cà phê sẽ đi sâu vào trong thùng sấy, được xáo trộn bởi các cánh đảo trộn để nâng và đảo trộn vật liệu sấy do đó, tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy

Trong thùng, cà phê thóc được nâng lên ở độ cao nhất định rồi rơi xuống Trong quá trình đó vật liệu sấy được trao đổi nhiệt với tác nhân sấy và làm bay hơi ẩm Khi đi hết chiều dài thùng sấy thì cà phê đảm bảo độ ẩm yêu cầu cần thiết cho quá trình bảo quản

Sản phẩm sau khi sấy xong đi qua cửa tháo liệu trên thùng sấy

và được tháo ra ngoài qua cửa nhờ cơ cấu băng tải vận chuyển đi đóng gói Cơ cấu băng tải còn có tác dụng làm nguội cà phê một cách tự nhiên trước khi đóng gói Còn tác nhân sấy đi qua cyclon thu hồi bụi

và được thải ra ngoài môi trường nhờ quạt hút

1.2.3.3 Biến đổi của nguyên liệu sau quá trình sấy

 Biến đổi vật lý

+ Khối lượng của vật liệu giảm

+ Nhiệt độ vật liệu tăng

+ Vật liệu chuyển từ trạng thái ẩm sang trạng thái khô

 Biến đổi hóa học

+ Ở nhiệt độ cao, vitamin bị tổn thất nhiều

+ Chất béo trong hạt bị phân giải ở nhiệt độ cao, do đó làm hàm lượng axit béo trong hạt tăng lên

+ Tinh bột trong hạt tạo thành dextrin dưới ảnh hưởng của nhiệt độ.+ Ở nhiệt độ cao, protein của hạt cà phê bị biến tính

 Biến đổi hóa lý

 Biến đổi cảm quan

 Biến đổi sinh học

1.3 Lý do đặt thiết bị ở địa điểm đã chọn:

* Nhược điểm: Vật liệu bị đảo trộn nhiều dễ tạo bụi do vỡ vụn Do

đó trong nhiều trường hợp sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm sấy

CHƯƠNG 2: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH

2.1 Các thông số ban đầu

Trong đồ án này, nhiệm vụ là tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay để sấy cà phê Chọn các thông số cho tính toán như sau:

 Năng suất sấy: 1800 kg/h

100 w

w w

100 w

w w





Trong đó:

w: lượng ẩm được tách ra (%)

G1, G2 : lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h)

w1: độ ẩm của vật liệu trước khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt

w2 : độ ẩm của vật liệu sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướtSuy ra:

w = 1800 0100,2600,13,13= 234,3(%)

2.3 Khối lượng vật liệu sau khi ra thùng sấy

2.5 Tính các thông số của không khí

2.5.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời

Ta có:

d0= 622

bh

bh p p

42 , 4026 12

5 , 235

42 , 4026

0 81 , 0

02768 , 0 81 , 0 996 , 0 ) 273

(

.

0

0 0

p p

K

bh k



Rk là hằng số chất khí, Rk= 287 J/kgkkk

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

G1: lượng vật liệu trước khi vào máy sấy (kg/h) 2034,3

G2: lượng vật liệu sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h) 1800

Gk : khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h) 1566

L: lượng không khí khô để bốc hơi w kg ẩm (kgkkk/h) 14524,3

2.5.2 Tính trạng thái không khí vào buồng sấy

 Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ:

W=G1

1

2 1

1 w

w w

5 , 23



) 100 ) 13 26 (

5 , 0 (

63 , 0 37 , 0

5 , 23

 Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy

Chúng ta chọn tỷ số: L/D = 3,5 hay L= 3,5D Khi đó đường kính thùng sấy được xác định bởi đẳng thức:

V=

4

5 , 3 4

14 , 3 5 , 3

225 , 4 4 5

, 3

Bảng 2.2 Chọn bề dày thùng sấy

hiệu

Giá trị chọn (m) Vật liệu

Hệ số dẫn nhiệt 

 Thời gian sấy: τ = 20 (phút)

 Thể tích thùng sấy: V = 4,225 (m3)

 Đường kính thùng sấy: D = 1,15 (m)

 Chiều dài thùng sấy: L = 4,2 (m)

 Tiết diện tự do của thùng: Ftd = 2,5 (m2)

 Tính số vòng quay của thùng: n = tDtg mkL =0,6577 (vòng/phút)Trong đó:

 m,k: hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh và chiều chuyển động của khí m = 0,5 ; k=2

 L,D: đường kính và chiều dài của thùng (m)

  : góc nghiêng của thùng so với mặt phẳng ngang

 Công suất cần thiết để quay thùng

N = 0,13.10 2.D3.L.a.n 

Trong đó:

n: số vòng quay của thùng sấy (vòng/phút)

a: hệ số phụ thuộc vào dạng cánh a= 0,063

 : khối lượng riêng xốp trung bình,  =650 (kg/m3)

D,L: đường kính và chiều dài của thùng (m)

 N = 2,521 (kW/h)

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ

4.1 Calorifer

Calorifer là thiết bị truyền nhiệt dùng để gia nhiệt gián tiếp cho

không khí sấy, vai trò của calorifer là đốt nóng không khí từ nhiệt độ t0

đến t1 để cung cấp nhiệt lượng cho vật liệu sấy, đồng thời giảm độ ẩm tương đối để tăng khả năng nhận ẩm của nó

Có 2 loại calorifer để đốt nóng không khí: calorifer khí hơi và

calorifer khí khói Ta chọn calorifer khí hơi, đây là loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn Trong ống là hơi nước bão hòa ngưng tụ và ngoài ống

là không khí chuyển động Hệ số trao đổi nhiệt của nước ngưng lớn hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ống với không khí.Nhiệt độ không khí vào calorifer bằng nhiệt độ môi trường: t

 Đường kính ngoài của ống: dng = 0,035 (m)

 Đường kính trong của ống: dtr= 0,025 (m)

 Đường kính của gân: dg = dng 1,4 = 0,035.1,4 = 0,049 (m)

 Khoảng cách giữa hai gân: bg= 0,01 (m)

 Chiều cao của gân: h = 0 , 007

2

035 , 0 049 , 0

(m)