đề tài thiết kế hệ thống sấy phun để sản xuất cà phê hòa tan với năng suất thiết bị 445kg h

 Vật liệu sau khi sấy còn lượng ẩm khá cao- Sấy nhân tạo: thường được tiến hành trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm..  Tác nhân sấy: Không khí nóng là tác nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

HUẾ KHOA CƠ KHÍ VÀ CÔNG NGHỆ



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Huế, ngày tháng năm

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

Bảng 2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy

Bảng 3 Tổng kết tính toán cân bằng nhiệt lượng

Bảng 4 Các kích thước cơ bản của Xyclon

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cà phê là một loại thức uống được ủ từ hạt cà phê rang, lấy từ quả của cây cà phê.Các giống cây cà phê được bắt nguồn từ vùng nhiệt đới châu Phi và cácvùng Madagascar, Comoros, Mauritius và Réunion trên các khu vực thuộc đườngxích đạo

Sau khi chín, quả cà phê sẽ được hái, chế biến và phơi khô Hạt cà phê khô sẽ đượcrang trong nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu thị hiếu Hạt

cà phê sau khi rang sẽ được đem đi xay và ủ với nước sôi để tạo ra cà phê dướidạng thức uống.

Cà phê là một mặt hàng xuất khẩu lớn: đứng đầu trong số các mặt hàng xuất khẩunông nghiệp tại nhiều quốc gia và là một trong những mặt hàng xuất khẩu nôngnghiệp hợp pháp lớn nhất trên thế giới Đây cũng là loại hàng hóa có giá trị xuấtkhẩu nhất của các quốc gia đang phát triển Cà phê xanh (không rang) cũng là mộttrong những mặt hàng nông nghiệp được buôn bán nhiều nhất trên thế giới

Cùng với sự phát triển của đất nước cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật,các ngành công nghiệp nước ta có sự chuyển biến rõ rệt đặc biệt là ngành côngnghệ chế biến thực phẩm.Bởi lẽ,đời sống con người ngày càng được nâng cao thìđòi hỏi các sản phẩm thực phẩm ngày càng đa dạng,phong phú để đáp ứng tốt nhucầu của con người Nhờ đó mà thị trường càng có nhiều sản phẩm thực phẩm đadạng, được sản xuất, chế biến theo nhiều phương pháp khác nhau

Để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người, kéo dài thời gian bảo quản

và tạo được nhiều loại sản phẩm phong phú hơn người ta đã nghiên cứu ra phươngpháp sấy Nhằm loại bỏ nước và tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy

Đối với sấy thì có nhiều thiết bị sấy khác nhau như thiết bị sấy hầm, sấy thùngquay, sấy băng tải, sấy tháp, sấy phun Trong đó thiết bị sấy phun là một trongnhững thiết bị sấy được sử dụng rộng rãi nhất là trong sấy bột hoa quả

Một trong những sản phẩm sấy đang được sử dụng rộng rãi là cà phê hòa tan Làmột sản phẩm tiện lợi và đang được ưa chuộng trên thị trường Việt Nam và cả thị

3

Qua quá trình tìm hiểu về cà phê, em đã chọn đề tài: Thiết kế hệ thống thiết bị

sấy phun để sản xuất cà phê hòa tan với năng suất là 445kg/h

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

PHẦN 1.NỘI DUNG1.1 Tổng quan về sấy

 Khái niệm

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu rắn haylỏng Với mục đích giảm bớt khối lượng vật liệu, tăng độ bền vật liệu (như vật liệugốm, sứ, gỗ, ), bảo quản tốt trong một thời gian dài, hạn chế sự phát triển của visinh vật và các phản ứng sinh hoá nhất là đối với lương thực, thực phẩm

1.2 Nguyên tắc

Sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vì nóbao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắn đồng thờivới quá trình truyền nhiệt Đây là qúa trình nối tiếp, tức là quá trình chuyển lượngnước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệuban đầu

1.3 Phân loại sấy

Gồm hai phương thức:

- Sấy tự nhiên: Dùng năng lượng sẵn có trong tự nhiên để thực hiện quá trình sấy

như năng lượng mặt trời,năng lượng gió,…( gọi là quá trình phơi hay sấy tựnhiên)

 Ưu điểm:

 Ít tốn năng lượng, đơn giản,rẻ tiền

 Nhược điểm:

 Năng suất thấp

 Phương pháp này thời gian sấy dài

 Tốn nhân công,mặt bằng xây dựng

 Khó điều chỉnh các thông số trong quá trình sấy

 Phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết

5

 Vật liệu sau khi sấy còn lượng ẩm khá cao

- 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 màtrong kỹ thuật sấy có thể chia làm nhiều dạng khác nhau:

 Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc vật liệu sấy với tác nhân sấy là

không khí nóng, khói lò,…

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

vật liệu sấy,mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua mộtvách ngăn

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

ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho nguyên liệu sấy

 Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dung năng lượng điện

trường có tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày 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 thành hơi không qua trạng thái lỏng

- Việc dịch chuyển ẩm phụ thuộc vào độ chênh phân áp suất của hơi nước ở cácvùng khác nhau Ẩm sẽ dịch chuyển từ khu vực có phân áp suất cao đến khu vực

có phân áp suất thấp

1.5 Sấy phun

 Khái niệm:

Là phương pháp sản xuất bột khô từ chất lỏng hoặc bùn bằng cách làm khônhanh bằng khí nóng Đây là phương pháp sấy ưa thích của nhiều vật liệu nhạycảm với nhiệt như thực phẩm và dược phẩm Sự phân bố kích thước hạt phùhợp là một lý do để sấy phun một số sản phẩm công nghiệp như chất xúc tác.Không khí là môi trường sấy nóng; tuy nhiên, nếu chất lỏng là dung môi dễcháy như ethanol hoặc sản phẩm nhạy cảm với oxy thì nitơ được sử dụng

 Ưu điểm,nhược điểm:

 Ưu điểm

- Tính chất và chất lượng của sản phẩm đạt điểm tốt hơn Sản phẩm sau khi sấy

có dạng bột mịn đồng nhất, xốp, độ hòa tan cao (90-100%), độ ẩm thấp 4%), không cần phải qua giai đoạn nghiền, chất lượng ít bị biến đổi so với nguyên liệu ban đầu, tiện lợi cho sử dụng và chế biến

(3 Có thể sấy được những nguyên liệu có tính nhạy cảm với nhiệt độ do nhiệt độsấy thấp, thời gian sấy nhanh và khí nén thường dùng là không khí hoặc khí trơ

- Thiết bị đơn giản, cho phép hoạt động ở năng suất cao và liên tục

Sản phẩm tiếp xúc với bề mặt thiết bị trong điều kiện khô vì thế việc chọn vật liệu chống ăn mòn cho thiết bị đơn giản hơn

- Khoảng nhiệt độ tác nhân sấy khá rộng từ 150 – 600°C nhưng hiệu quả tương tự các loại thiết bị khác

 Nhược điểm

- Sấy phun không thuận lợi cho những sản phẩm có tỷ trọng lớn

- Không linh động, một thiết bị được thiết kế cho sản xuất sản phẩm có kích thước nhỏ thì không thể được dùng sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn

- Vốn đầu tư cao

1.5.1 Nguyên lý của quá trình sấy:

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phứctạp vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắnđồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là quá trình nối tiếp, nghĩa là quá trìnhchuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đó tách pha hơi rakhỏi vật liệu ban đầu Động lực của quá trình là sự chệnh lệch độ ẩm ở trong lòng

7

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 riêng phần của hơi nướctrong môi trường không khí xung quanh

1.5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy phun:

 Cấu tạo:

 Cơ cấu phun:

có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng ) vào buồng dưới dạng hạt mịn(sương mù).Qúa 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 truyềnnhiệt và tốc độ sấy.Cơ cấu phun có các dạng như:cơ cấu phun áp lực,cơ cấuphun bằng khí động đầu phun li tâm

 Buồng sấy:

Là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy ( không khínóng).Buồng sấy có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng phổ biến nhất làbuồng sấy hình trụ đứng,đáy côn.Kích thức buồng sấy (chiều cao,đường kính…)được thiết kế phụ thuộc vào kích thước các hạt lỏng và quỷ đạo chuyển động củachúng,tức là phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương sử dụng

 Tác nhân sấy:

Không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng nhất,hơi là tác nhân gia nhiệt phổbiến nhất.Nhiệt độ hơi sử dụng thường giao động trong khoảng 150-250 độC.Nhiệtđộ trung bình của không khí thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là 10 độ C

 Hệ thông thu hồi sản phẩm:

Bột sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy buồng sấy,để tách sản phẩm rakhỏi khí thoát,người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau:lắng xoáytâm,lọc,lắng tĩnh điện…

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

 Quạt:

Để tăng lưu lượng tác nhân sấy,người ta sử dụng quạt ly tâm.Ở quay mô côngnghiệp,các hệ thống sấy phun người ta trang bị hệ thống hai quạt.Quạt chính

được đặt sau bộ phận thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát.Còn quạt phụ đượcđặt ở thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy.

Hình 1.5: Cấu tạo máy sấy phun

1 Buồng sấy 2 Caloriphe 3 Thùng chứa nguyên liệu cần sấy 4 Bơm nguyênliệu 5 Cơ cấu phun mẫu 6 Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra 7.Cyclon vận chuyển sản phẩm.8 Hệ thống quạt hút và màng lọc

 Nguyên lý hoạt động:

Nguyên liệu từ thùng chứa (3) được bơm vào số (4) bơm vào buồng sấy (1),khi vào buồng sấy được phân bố mẫu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cơ cấu phun.không khí nóng thổi qua clorifer (2) đưa vào buồng sấy.không khí nóng vànguyên liệu 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 đươc 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 các hạt bụi mịn còn sót lại và thải ra ngoài

Không khí nhờ quạt thổi qua bộ trao đổi nhiệt caloriphe và nâng lên nhiệt độ

9

cần thiết theo yêu cầu của chế độ sấy.không khí trước khi qua bộ trao đổi nhiệt được lọc sạch bởi thiết bị lọc.

1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

 Nhiệt độ tác nhân sấy: đây là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến độ ẩm củasản phẩm sau khi sấy phun, độ ẩm bột của sản phẩm thu được sẽ giảm đi nếu

ta tăng nhiệt độ của tác nhân sấy Tuy nhiên, việc gia tăng nhiệt độ cao cóthể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làmtăng mức tiêu hao năng lượng của quá trình

 Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trongbuồng sấy

 Nồng độ chất khô của nguyên liệu: nồng độ cao giảm được thời gian bốc hơinhưng lại tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình sấyphun, nồng độ thấp tốn nhiều thời gian và năng lượng cho quá trình

1.6 Chọn tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy

1.6.1 Tác nhân sấy

 Tác nhân sấy là một chất mang ẩm từ bề mặt vật liệu sấy vào môi trường, tácnhân sấy có thể là không khí, khói lò hoặc một số chất lỏng như dầu mỏ,…

 Nhiệm vụ của tác nhân sấy:

 Gia nhiệt cho vật sấy

 Mang ẩm từ bề mặt ra môi trường

 Tránh hiện tượng vật liệu sấy bị hỏng do quá trình nhiệt

 Cơ chế quá trình sấy gồm hai giai đoạn: giai đoạn gia nhiệt cho vật liệu sấy

để làm ẩm hóa hơi và giai đoạn mang ẩm từ bề mặt vào môi trường

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

 Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt

 Dùng bơm để hút ẩm từ vật sấy tải ra ngoài

1.6.2 Các loại tác nhân sấy

 Không khí ẩm: loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng hầu hết chocác loại sản phẩm Dùng không khí ẩm không làm sản phẩm sau khi sấy bị ônhiễm và thay đổi mùi vị Tuy nhiên, dùng không khí ẩm làm tác nhân sấycần trang bị thêm bộ gia nhiệt không khí, nhiệt độ sấy không quá cao,thường nhỏ hơn 500oC vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phảiđược chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt

 Khói lò: khói lò được dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lênđến 1000oC mà không cần thiết bị gia nhiệt, tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ônhiễm, gây mùi khói Vì vậy khói chỉ dùng cho vật liệu không sợ ô nhiễmnhư: gỗ, đồ gốm,…

 Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các sản phẩm dễ bị cháy nổ

và có khả năng chịu được nhiệt độ cao Vì vậy sấy bằng hơi quá nhiệt, nhiệt

độ thường lớn hơn 100oC

1.6.3 Chế độ sấy

Chế độ sấy là quy mô tổ chức quá trình trao đổi nhiệt-ẩm giữa tác nhân sấy và vậtliệu sấy

Bao gồm các chế độ sấy sau:

 Chế độ sấy có đốt nóng trung gian: được sử dụng khi vật liệu sấy không chịuđược nhiệt độ cao, chế độ này đảm bảo yêu cầu không chịu được nhiệt độcao của vật liệu sấy, quá trình bay hơi ẩm từ liệu vào tác nhân sấy từ từ, tạo

ra chế độ sấy dịu hơn, tránh cho vật liệu sấy không nứt nẻ, cong vênh

 Chế độ sấy hồi lưu một phần tác nhân sấy: để giảm tổn thất nhiệt do tác nhânsấy mang đi người ta cho một phần tác nhân sấy quay trở lại trước hoặc saucalorife để tận dụng nhiệt vật lý của tác nhân sấy, tiết kiệm nhiệt lượng

 Chế độ sấy hồi lưu toàn phần: ẩm trong vật liệu sấy được tác nhân sấy mang

đi và thải vào môi trường dưới dạng lỏng trong bình ngưng

1.7 Chọn phương án và thiết bị sấy

1.7.1 Chọn phương án sấy

11

Dung dịch cà phê sau khi cô đặc được sấy liên tục với tác nhân là không khí nóng.Vật liệu và tác nhân sấy đi vào cùng chiều và không khí sau khi sấy sẽ đi quaxyclon thu hồi bột cà phê và sản phẩm được tháo ra qua cửa tháo liệu.

1.7.2 Chọn thiết bị sấy

 Sấy gián đoạn: phương thức này cho năng suất thấp, thao tác nặng nhọc,cồng kềnh Thường sử dụng khi năng suất nhỏ, sấy các loại sản phẩm cóhình dạng khác nhau

 Sấy liên tục: phương thức này cho chất lượng sản phẩm được tốt hơn, thaotác nhẹ nhàng Thường dùng sấy các loại sản phẩm có kích thước gần bằngnhau Yếu tố quan trọng để chọn thiết bị sấy liên tục là tính chất của vật liệusấy

 Yếu tố quyết định để chọn cơ cấu thiết bị sấy và tác nhân sấy phụ thuộc vàonhiệt độ sấy cho phép và thời gian lưu lại cho phép của vật liệu sấy trongthiết bị sấy

 Thiết bị sấy chân không và sấy thăng hoa phức tạp và chi phí cao nên chỉdùng khi không thể thực hiện sấy ở nhiệt độ áp suất thường như sấy các sảnphẩm dễ nổ, nhả hơi độc hại, sản phẩm dược phẩm hay sản phẩm có chấtlượng cao

 Ưu điểm của phương pháp sấy phun:

 Thời gian sấy ngắn

 Sản phẩm thu được ở dạng mong muốn nên không phải xử lí thêm

 Sản phẩm có độ hòa tan cao, độ ẩm thấp

 Vận hành liên tục và tự động hóa hoàn toàn

 Chi phí công nhân thấp

 Chất lượng bột đảm bảo trong quá trình sấy

 Áp dụng cho các sản phẩm bền nhiệt và không bền nhiệt,nguyên liệu ởdạng dung dịch,gel,paste,hồ vữa,huyền phù

 Nhược điểm của sấy phun:

 Tốn nhiều năng lượng.

 Chi phí đầu tư thiết bị cao

 Vì vậy, ta sẽ thiết kế thiết bị sấy phun để sấy cà phê hòa tan với:

 Chọn tác nhân sấy là không khí

 Chọn calorife khí-hơi

 Thiết bị làm việc liên tục

Vật liệu sấy và tác nhân sấy đi cùng chiều

1.8 Phương pháp và thiết bị sấy phun

 Cơ cấu và phương pháp phun sương

Cơ cấu phun vừa có chức năng đưa vật liệu vào buồng sấy , vừa là kết cấu tạosương mù Giai đoạn tạo sương mù đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trìnhsấy phun.Nguyên liệu sấy được phun thành nhưng hạt rất nhỏ vào dòng tácnhân sấy trong buồng sấy làm tăng sự tiếp xúc giữa 2 pha,cường độ sấy rất cao,thời gian sấy ngăn,do đó chất lượng sản phẩm đạt được tốt hơn

Có nhiều phương pháp và cơ cấu phun sương khác nhau nhưng thường gặpnhất đó là 3 loại cơ cấu sau:

 Cơ cấu phun dạng đĩa quay hoạt động theo nguyên tắc li tâm

 Cơ cấu phun dạng vòi hoạt động nhờ áp lực khí nén

 Cơ cấu phun dạng vòi hoạt động theo nguyên tắc khí động

Nhiệm vụ của cơ cấu phun sương là phải phun dung dịch thành các hạt phântán có kích thước đều như yêu cầu,năng xuất cơ cấu phun phải cao, lâu mòn, dễthay thế và giá thành phù hợp Loại cơ cấu phun sương không chỉ quyết định đếnnăng lượng cần thiết cho quá trình sấy mà còn quyết định đến sự phân bố kíchthước, mức độ phân tán, quỹ đạo và tốc độ của hạt sương, tốc độ sấy và kích thướchạt sản phẩm khi sấy

 Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay

Nguyên tắc hoạt động: Dịch lỏng được bơm vào tâm đĩa Dưới tác dụng củađộng cơ hoặc khí nén, đĩa quay quanh trục đối xứng, dưới tác dụng quay củađĩa cùng với sự thoát ra của khí nén, dòng lỏng va đập vào các rãnh và bịphân tán thành các hạt sương có đường kính trung bình khoảng 8 ÷ 18 μm đi

13

vào buồng sấy Góc phun là 180°, quỹ đạo ban đầu của hạt là chuyển độngngang, khi va chạm vào thành buồng sấy, hạt thay đổi phương đột ngột tạo

ra bụi sương sấy rồi di chuyển xuống phía đáy và được hút vào cyclon thuhồi sản phẩm nhờ quạt hút

Tốc độ quay đĩa 10000÷30000 vòng/phút nếu sử dụng khí nén Khi sử dụngđộng cơ,tốc độ quay của đĩa khoảng 400÷2000 vòng/phút

Ưu điểm:

 Có thể điều chỉnh tốc độ nhập liệu

 Thích hợp cho hầu hết các loại nguyên liệu

 Khuynh hướng tạo khối và tắc nghẽn là không đáng kể

 Kích thước hạt sương được thay đổi nhờ thay đổi tốc độ quay của đĩa Nhược điểm:

 Năng lượng tiêu thụ cao so với cơ cấu phun sương vòi áp lực

 Vốn đầu tư cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực

 Kích thước buồng sấy lớn

 Cơ cấu phun sương dạng vòi phun áp

Nguyên tắc hoạt động: Dòng lỏng được nén đến áp suất thích hợp (5-7 Mpa)

Đi vào vòi phun với tốc độ lớn, đường kính các lỗ vòi phun phải từ 0,4 đến4mm Cuối vòi phun phỉa có một chi tiết dạng ba cánh quay tự do quanh trụctạo ra tốc độ xoay li tâm, dòng xoay bị phân tán thành các hạt nhỏ có kíchthước từ 20 ÷ 100 μm Để tăng năng suất vòi phun, người ta bố trí nhiều vòiphun

Ưu điểm:

 Công cụ và chi phí năng lượng thấp

 Thích hợp cho việc phun các dung dịch keo,dung dịch có độ nhớt cao

 Cấu tạo đơn giản, không phần chuyển động nên không gây ồn ào

Nhược điểm:

 Khó điều chỉnh năng suất.

 Do lỗ vòi nhỏ nên đòi hỏi áp suất cao để tránh tắc nghẽn

 Không dùng để phun các loại huyền phù hoặc bột nhão

 Cơ cấu phun sương dạng vòi khí động

Nguyên tắc hoạt động: Dòng dung dịch phun ra gặp dòng không khí hoặchơi quá nhiệt có mật độ lớn.Hỗn hợp dịch thể và tác nhân sấy sẽ đập vàomột đĩa quay hình nón.Do sự xuất hiện của lực ma sát mà dòng dung dịch bịphân tán thành các hạt sương mù có đường kính từ 6-7 μm Có thể chia vòiphun dạng này thành hai loại :loại áp suất khí thấp P s ≤ 0,001 MPa và loại ápsuất khí P s=(0,15 ÷ 0,7) MPa



15

PHẦN 2: NGUYÊN LIỆU2.1 Giới thiệu về nguyên liệu sấy

2.1.2 Nguyên liệu chính: cà phê

2.1.3 Nguồn gốc của cây cà phê

Cây cà phê có nguồn gốc từ Êtiopia(cây cà phê chè) và vùng Bắc Phi (cà phê vối)sau đó được mang đi trồng ở Mỹlatinh và Châu Á Hiện nay, nghề trồng và sảnxuất cà phê chủ yếu tập trung ở các nước đang phát triển như Braxin, Việt Nam,

Ấn Độ, Trung Quốc,… Trong khi đó, các quốc gia tiêu thụ cà phê lại là nhữngnước có điều kiện kinh tế phát triển như các nước Châu Âu, Mỹ, Canada,…

2.1.4 Phân loại

*Robusta:

Loại cây trồng này rất thích hợp với khí hậu, thổ nhưỡng tại vùng TâyNguyên Việt Nam, hằng năm đạt 90-95% tổng sản lượng cà phê Việt Nam, mùithơm nồng, không chua, độ cafein cao, thích hợp với khẩu vị người Việt nhưng quáđậm so với người nước ngoài Trồng cà phê robusta phải thâm canh mới đạt năngsuất cao vì trái đậu trên cành một lần, phải tạo cành mới, để đạt yếu tố này ngườicông dân phải có vốn và kiến thức cơ bản

Hình 1.1: Cà phê robusta

Loại này có hai loại đang trồng tại Việt Nam:

- Moka: mùi thơm quyến rũ, ngào ngạt, vị nhẹ, sản lượng thấp, giá trong nướckhông cao vì không xuất khẩu được, trong khi giá xuất rất cao gấp 2-3 lầnRobusta, vì trồng không đủ chi phí nên người nông dân ít trồng loại này

- Catimor: mùi thơm nồng nàn, hơi có vị chua, giá xuất gấp 2 lần Robusta,không thích hợp với khí hậu Tây Nguyên vì trái chín trong mùa mưa vàkhông tập trung nên chi phí hái rất cao Hiện nay, trại Quảng Trị đang trồngthí nghiệm đại trà loại này có triển vọng rất tốt

Hình 1.2: Cà phê arabica

*Cherry (cà phê mít):

Không phổ biến lắm vì vị rất chua, chịu hạn tốt, công chăm sóc đơn giản, chiphí rất thấp nhưng thị trường xuất khẩu không chuộng, kể cả trong nước nên ítngười trồng loại này Một cây cà phê mít 15-20 tuổi, nếu tốt có thể thu hoạch 100-200kg cà phê tươi nếu gần chuồng bò hoặc nơi sinh hoạt gia đình

17

Hình 1.3:Cà phê cherry

2.1.5 Đặc điểm

Cà phê chè là loại được trồng lâu đời nhất trong số các loại cà phê và được tiêu thụnhiều nhất vì hương vị ngon dịu (chiếm khoảng 70% sản lượng cà phê thế giới)

 Là cây có giá trị kinh tế nhất trong tất cả các loại cà phê

 Là dạng cây có tán lớn, màu xanh đậm, lá hình oval Lượng cafein có trong càphê nhân khoảng 1-3% tùy theo giống Khi chín có màu đỏ, khi còn non cómàu xanh, hoa màu trắng Hạt cà phê khi chín có đầy đủ các dưỡng chất như:glucid, vitamin,

2.1.6 Cấu tạo giải phẫu của hạt cà phê

Hình 1.4: Cấu tạo của cà phê

- Phía ngoài vỏ quả được phủ mộtlớp sáp mỏng có tác dụng chốngthoát ẩm cho quả, lớp này mấtdần khi quả chín.

là lớp khá dày (1,5-2mm) gồmnhững tế bào mềm, không cócafein, tanin, nhiều đường vàpeptin, chiếm khoảng 43-45%khối lượng quả

- Khi quả xanh, lớp thịt quả có tác dụng dự trữ chất dinh dưỡng và cung cấp chất dinh dưỡng cho hạtphát triển Khi quả chín, lớp thịt quả sang giai đoạn phân giải

trấu hay còn gọi là vỏ thóc, vỏcứng, chiếm khoảng 6-7,5% khốilượng quả

- Thành phần chủ yếu là xenlulo,muối khoáng và một lượng chấtbéo

- Lớp vỏ cứng thực chất là một

màng bán thấm thô giữ nhiệm vụbảo vệ cho nhân.

hạt, bao bọc bên ngoài mỗi hạt làlớp vỏ lụa, bên trong là phôi vànhũ Nhân chiếm khoảng 30%khối lượng quả

- Vỏ lụa là một màng rất mỏng,thực chất là màng bán thấm tinh.Nhũ chứa toàn bộ chất dinhdưỡng của hạt, còn phôi chứa rễ

và mầm

- Các thành phần chính của nhân:

 Gluxid: 15-17%

 Chất béo 15-18%, chủ yếu là chấtbéo không no

 Cafein: 2-4%

 Protit: 3-5%, chủ yếu ở trạng tháikhông tan

 Độ ẩm: 13-14% (cà phê thươngphẩm)

Bảng 1: Cấu tạo của hạt cà phê

2.2 Quy trình sản xuất cà phê hòa tan

2.2.1 Sơ đồ quy trình

21

Hình1.4: Sơ đồ quy trình sản xuất cà phê hòa tan

Tạp chất

Nước

Cặn Nước

Thu hồi hương

Hồi hương

2.2.2 Thuyết minh quy trình

2.2.1 Làm sạch

Cà phê được sử dụng trong quy trình sản xuất là cà phê nhân sau khi được nôngdân phơi khô Nhà máy mua về sản xuất nhưng do cách làm thủ công nên cà phênày phải được làm sạch vì có nhiều tạp chất như vỏ, đất, đá, lá khô Quá trình này

sử dụng nhiều phương pháp làm sạch khác nhau để làm sạch cà phê

2.2.5 Trích ly

Quá trình trích ly nhằm thu các chất hòa tan có trong bột cà phê rang vào nước.Dùng nước nóng 80-90oC để trích ly, không dùng nước ở nhiệt độ cao hơn vì sẽtrích ly tất cả những chất không tốt cho sản phẩm

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

Thiết bị trích ly gián đoạn là một tháp được bảo ôn nhiệt độ Nước nóng được bơm

từ đáy tháp lên, qua cột bột cà phê trong tháp, tại đây xảy ra các hiện tượng trích lycác chất tan, dung dịch cà phê được thu tại đỉnh tháp

Phải lần lượt thay thế bột cà phê ở các tháp sao cho dịch trích ly đi qua các thápchứa bột cà phê có lượng chất tan lớn dần Để tránh hiện tượng bột cà phê khôngđược thấm ướt, người ta làm ẩm bột cà phê trích ly có thể đạt tới 20-22%

2.2.6 Cô đặc

Mục đích: chuẩn bị cho quá trình sấy, nó làm tăng nồng độ chất khô trong dịchchiết giúp giảm chi phí về năng lượng, giảm thời gian sấy, tăng độ đậm đặc của sảnphẩm Đồng thời, hạn chế sự xâm nhập và phát triển của vi sinh vật

Nồng độ dịch cà phê sau khi trích ly là 20-22%, chưa thể sấy khô được Do đó phảitiến hành cô đặc dịch trích ly đến nồng độ 30-33% nhằm tạo điều kiện thuận lợicho quá trình sấy

Phương pháp cô đặc thường dùng là phương pháp cô đặc chân không: Dung dịch

cà phê được bơm vào thiết bị gia nhiệt, tại đây nước nhận nhiệt và bay hơi Độchân không tạo ra nhờ bơm baromet sẽ hút hơi nước và ngưng tụ tại bình ngưng.Quá trình xảy ra cho đến khi đạt nồng độ yêu cầu thì dừng

xyclon, sấy khô cà phê dạng sương mù thành dạng bột và thu bột cà phê hòa tan ởđáy xyclon.

Sau sấy khô ta thu được bột cà phê hòa tan có độ ẩm 1-2%, có màu đen đậm

2.2.8 Công nghệ hồi hương

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

2.2.9 Khử hấp phụ

Quá trình khử hấp phụ được tiến hành trong tháp đứng và tác nhân hấp phụ là khítrơ Bột cà phê rang được làm nóng trong tháp, sau đó bơm dòng khí trơ đã lọc đốtnóng đến nhiệt độ nhất định từ đáy tháp lên

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 khí trơ vàcác chất thơm

2.2.10 Hấp phụ

Bột cà phê hòa tan sau khi sấy có độ ẩm 1-2% và rất xốp nên dễ dàng hấp phụ Quátrình hấp phụ cũng được tiến hành tại tháp đứng Hỗn hợp khí vào phải được làmlạnh, khi đi qua bột cà phê hòa tan sẽ hấp phụ các chất thơm có trong hỗn hợp khí,

ta thu được bột cà phê hòa tan và dòng khí trơ thoát ra

CHƯƠNG 2: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH

2.1 Các kí hiệu và thông số ban đầu

 Năng suất theo sản phẩm sấy: G2= 445 kg/h

 Năng suất nhập liệu: G1 kg/h

 Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: W1=45 %

 Độ ẩm vật liệu sau khi sấy: W2=3%

 Nhiệt độ môi trường: to=25oC

25

 Độ ẩm môi trường:0=81%

 Nhiệt độ tác nhân sấy vào: t1=180oC

 Nhiệt độ tác nhân sấy ra: t2=85oC

 Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy: Gk, kg/h

 Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy: L(kg/h)

Năng suất bốc hơi ẩm: W(kg/h)

Nhiệt độ vật liệu vào:tvl1 =30°C

Nhiệt độ vật liệu ra: tvl2 =80°C

2.2 Các thông số của không khí

 Trạng thái không khí ngoài trời, t0=25°C, φ 0 = 0,81 Không khí vào thiết bịsấy ở nhiệt độ t1 = 180°C, ra khỏi thiết bị sấy ở nhiệt độ t2 = 85°C

Phân áp suất bão hòa hơi nước theo nhiệt độ

Với t0 = 25°C, tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vàonhiệt độpbh0= 0,0323 (at)(Bảng I.250/T312,[2])

Trong đó

 φ0: độ ẩm tương đối của không khí

 p: áp suất khí quyển, p = 1 (at) = 0,981 (bar) = 735,6 (mmHg)

 pbh0: Phân áp suất bão hòa của hơi nước

Entanpy của không khí ẩm

 M: khối lượng của không khí, M = 29 ( kg/kmol )

 p: Áp suất khí quyển ( N/ m2 ), B = 1at = 0,981 (bar) = 735,6 (mmHg)

 Pbh0: Phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ( N/ m2)

V0 =

288 ×(273+25) 1× 1

d1 = d0 = 0,017( kg/kgkkk ) ( vì sau khi đi vào caloriphe hàm ẩm không đổi

so với hàm ẩm ban đầu )

Phân áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ

Với t1 = 180°C thì pbh1= 10,23 at( Bảng I.250/T313,[2])

Độ ẩm tương đối của không khí

Entanpy của không khí

I1 = I2 = 228,409 ( kJ/kgkkk ) ( vì entanpy không đổi )

Phân áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ

Với t= 85°C thì pbh2= 0,59 at(Bảng I.250/T312, [2])

Thể tích riêng của không khí ẩm

V2= 288 ×T2

p−φ2× p bh2=

288 ×(273+85) 1× 1

Lượng không khí tiêu hao trong quá trình sấy

L = l × W = 27,77 × 339,81= 9436,523(kgkkk/h)

 Tính nhiệt độ điểm sương

Nếu có một hỗn hợp không khí ẩm ở trạng thái bất kì, đặc trưng bằng giá trịhàm ẩm d và áp suất P chung của hỗn hợp ở trạng thái đó, thì ta có thể xácđịnh được điểm sương với =1 của hỗn hợp bằng cách tính toán dựa vàophương trình:

Tra bảng (I.250/312,[2]), kết hợp nội suynhiệt độ điểm sương tại

pbh=0,078 at là ts=40,59 Suy ra: tvl2-ts=80-40,59=39,41°C nên các thông số

đã chọn là phù hợp

29

Bảng 2.1: Tổng kết cho vật liệu sấy

G1: Khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h) 784,81

G2: Khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h) 445

l: Lượng không khí khô để bốc hơi 1kg ẩm (kgkkk/kg ẩm) 27,77

L: lượng không khí khô bốc hơi Wkg ẩm (kgkkk/h) 9436,523

Bảng 2.2: Tổng kết cho tác nhân sấy

t (°C) d (kg/kgkkk) (%) I (kJ/kgkkk)

Sau khi ra khỏi calorifer 180 0,017 0,177 228,409

CHƯƠNG 3: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 3.1.Các thông số ban đầu.

Chọn vòi phun sương dạng cơ khí có đường kính lỗ phun là dc = 5.10-3 m,góc phân tán tia α=50º

Giả thiết vận tốc của không khí trong tháp là w =0,4m/s

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

4 3600

Trong đó:

Rp: bán kính tán phun (m)

ρ1: tỉ trọng của dung dịch (kg/m3) (800-1200)(T291 [5])

ρk: tỉ trọng của khí, ρk = (0,4 - 0,9) (kg/m3)(T291, [5])

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

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

C1, C2: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở nhiệt độ T1, T2 (J/kg.độ)