Tìm hiểu về công nghệ sấy phun

Sấy là quá trình bay hơi nước bằng nhiệt ở nhiệt độ bất kì, là quá trình khuếch tándo chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu hay do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



-THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ SẤY PHUN

GVHD : Nguyễn Thanh Hải

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kinh tế thì ngành công nghiệp,đặc biệt là ngành công nghệ thực phẩm cũng có những bước chuyển biến rõ rệt Thực phẩm giờ đây không chỉ để đáp ứng nhu cầu ăn uống để tồn tại hằng ngày mà nó còn thõamãn nhu cầu cảm quan và dinh dưỡng Một sản phẩm muốn có thể bảo quản lâu, đồng thời tăng giá trị của nó lên thì cần phải áp dụng nhiều biện pháp công nghệ Trong số đó, sấy là một giải pháp hữu hiệu khi làm giảm độ ẩm sản phẩm về mức thấp để hạn chế sự phất triển của vi sinh vật, đồng thời tạo nên hương vị sản phẩm mới kích thích người tiêu dùng Sấy phun là một dạng đặc biệt của khi nó đưa những nguyên liệu từ dạng lỏng về dạng bột, đánh dấu bước chuyển mình giúp các thực phẩm lỏng bảo quản được lâu hơn vàtrở nên phong phú, đa dạng.

Là một sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, nhận thấy những ưu việt của công nghệ sấy, đặc biệt là sấy phun, nhóm chúng em xin được tìm hiểu về đề tài thiết bị sấy phun để biết bổ sung thêm nhiều kiến thức còn thiếu của mình trong ngành học

MỤC LỤC

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẤY

1.1 Khái niệm

Sấy là quá trình bay hơi nước bằng nhiệt ở nhiệt độ bất kì, là quá trình khuếch tán

do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu hay do chênh lệch áp suất hơi riêng phần

ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Trong quá trình sấy, nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự chênh lệch độ ẩm tại

bề mặt và bên trong vật liệu (khuếch tán ẩm) hoặc sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần

của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu sấy thay đổi theo cả không gian và thời gian.

Vật liệu ẩm

Tác nhân sấy Không khí ẩm

Thành phẩm khô

1.2 Mục đích

Mục đích của quá trình sấy là loại bỏ nước liên kết lý học (còn gọi là nước tự

do, nằm ở các lỗ trống giữa các hạt vật liệu) hay nước liên kết hoá lý (bao gồm nướchấp phụ, nước hydrat hoá và ở các loại khoáng sét ba lớp silicat là nước trương nở) Giảm khối lượng của vật liệu , tăng độ bền và bảo quản được tốt

Khi sấy hơi ẩm sẽ thoát ra, nếu chúng thoát ra đột ngột, phần nước ở trên bề mặt hay sát bề mặt thoát ra dễ dàng nhưng hơi ẩm bên trong lòng sản phẩm thoát ra rất khó khăn do đó áp suất riêng phần của nó ở những vị trí nước tập trung sẽ tăng đột ngột, nếu áp suất ấy vượt quá lực liên kết của các hạt sét (tức cường độ phá vỡ của mộc) sẽ gây nên hiện tượng nổ sản phẩm ngay lúc sấy (hay lúc nung)

1.3 Các giai đoạn của quá trình sấy

 Giai đoạn đun nóng vật liệu: làm tăng nhiệt độ để ẩm có thể bốc hơi được Giai đoạn này xảy ra nhanh với thời gian không đáng kể

 Giai đoạn sấy đẳng tốc: tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt lớn hơn tốc

độ bốc hơi ẩm trên bề mặt vật liệu nên bề mặt vật liệu luôn bão hòa ẩm Tốc độ sấy trong

Thiết bị sấy

giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bốc hơi ẩm trên bể mặt và phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm của không khí sấy

 Giai đoạn sấy giảm tốc: do vật liệu đã tương đối khô, chỉ còn dạng ẩm liên kết nên bề mặtbốc hơi bị co hẹp lại dần và đi sâu vào lòng vât liệu, tốc độ khuếch tán ẩm sẽ chậm dần Tốc độ sấy trong giai đoạn này cũng giảm theo và phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ khuếch tán ẩm và các yếu tố bên trong vật liệu Nhiệt độ của tác nhân sấy trong giai đoạn này phải nhỏ hơn nhiệt độ

cho phép của vật liệu

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

- Bản chất của vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm…

- Hình dạng vật liệu sấy: kích thước mẫu sấy, bề dày lớp vật liệu… Diện tích bề mặt riêngcủa vật liệu càng lớn thì tốc dộ sấy càng nhanh

- Độ ẩm đẩu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của vật liệu

- Độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ của tác nhân sấy

- Cấu tạo thiết bị sấy, phương thức và chế độ sấy

- Chênh lệch giữa nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của tác nhân sấy Nhiệt độ cuối cao thì nhiệt độ trung bình của không khí càng cao, do đó tốc độ sấy cũng tăng

 Ưu điểm: Không tốn kém về nhiên liệu, diệt trừ một số nấm mốc, côn trùng

 Nhược điểm: Không chủ động, phụ thuộc vào thời tiết Tốn nhiều công laođộng và không cơ giới hóa được NS dễ bị nhiễm bẩn, bị ẩm khi gặp mưa

1.5.2 Sấy nhân tạo

- Sử dụng khi cần làm khô một lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn bất kểđiều kiện thời tiết

- Sấy nhân tạo là phương pháp sấy nhờ có tác nhân sấy đốt nóng-khói lò hoặckhông khí nóng tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm đốt nóng lên và hút nước củasản phẩm Quá trình này tốn nhiều nhiệt năng

- Phương pháp này đắt tiền và phức tạp hơn phương pháp sấy tự nhiên Tuynhiên lại đạt được năng suất và chất lượng sản phẩm tốt

Tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra nhiều dạng:

 Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp 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 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 điện trường cótần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu

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

độ rất thấp, nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng

PHẦN 2 THIẾT BỊ SẤY

2.1 Cơ sở cho việc chọn lựa thiết bị sấy

Muốn chọn máy sấy thích hợp nhất cho một nguyên liệu nhất định từ nhiều loại máy sấy, cần phải xem xét tất cả các thông số quan trọng đối với quá trình làm việc của máy sấy

 Tính chất vật liệu sấy :

- Rất ít máy sấy thích hợp cho nhiều loại sản phẩm sấy có hình dạng khác nhau Việc chọn lựa máy sấy phụ thuộc vào: hình dáng, kích thước và thành phần hoá học của vật liệu sấy, dạng vật liệu (dạng lát, dạng cục, dạng bột, dạng đặc, dạng lỏng…) Ngoài ra cần biết sự thay đổi hình dạng và trạng thái của vật liệu trong quá trình sấy như sự co dúm, sự rạn nứt, sự phân lớp…tính chất nào bị thay đổi mạnh nhất

 Hình dạng, kích thước

- Đối với nguyên liệu giàu tinh bột, lớp sấy dày (thường sấy chậm): sử dụng phòng

sấy, hầm sấy, tháp sấy…

- Đối với vật liệu rời, nhỏ và lớp sấy mỏng: sử dụng máy sấy nhanh, như máy sấy

phun, máy sấy khí động, hoặc máy sấy trục lăn Để sấy nhanh người ta có thể làm nhỏ, làm mỏng vật liệu trước khi sấy Đối với lớp sấy mỏng: có thể sử dụng máy sấy bức xạ Có thể sử dụng những máy sấy có kết cấu cơ học đặc biệt để phân bố đều vật liệu sấy, ví dụ: máy sấy cánh đảo, máy sấy thùng quay, máy sấy đĩa quay…Có thể kết hợp máy sấy với máy nghiền trục vít

 Tính chất ẩm

- Để bốc ẩm tự do: dùng những máy sấy tuần hoàn để tiết kiệm năng lượng (có thể tách ẩm

tự do và ẩm dính ướt nhanh nhất bằng ly tâm và ép) Đối với vật liệu keo: có thể sử dụng những máy sấy nhanh, sau khi nguyên liệu được xử lý thành dạng bột hoặc lớp sấy mỏng

- Để tách nước liên kết người ta thường sử dụng máy sấy, mà ở đó sản phẩm sấy chịu được

nhiệt độ cao hơn.

- Người ta cũng cần chú ý đến độ ẩm ban đầu và ban cuối của sản phẩm Nếu độ ẩm cuối của sản phẩm sấy được phép còn lại tương đối cao: có thể sử dụng máy sấy nhanh

Nếu độ ẩm cuối của sản phẩm bé: thời gian sấy lâu nên máy sấy cần cho phép kéo dài thời gian sấy của nó Có thể phối hợp 2 máy sấy, ví dụ: đối với sản phẩm dạng rời có thể kết hợpmáy sấy khí động tác dụng nhanh với máy sấy thùng quay tác dụng chậm Đối với sản phẩm dạng pasta có thể kết hợp máy sấy trục lăn với máy sấy băng tải

 Sự nhạy cảm với nhiệt độ của sản phẩm sấy

Những vật liệu cho phép sử dụng nhiệt độ cao: có thể dùng loại máy sấy có tác nhân sấy là khói lò Tiết gia súc, các chất chiết từ động thực vật cần phải sấy ở trạng thái ôn hoà,

để giữ lại những tính chất có giá trị của nó Trong máy sấy phun và sấy khí động, sản phẩm chỉ lưu lại thời gian rất ngắn nên được phép sử dụng nhiệt độ cao hơn so với sấy hầm Trong tất cả những máy sấy phổ biến thì những máy sấy đối lưu kiểm soát nhiệt độ của sản phẩm sấy tốt nhất, vì có thể dễ dàng điều chỉnh trạng thái không khí thích hợp.Trong máy sấy tiếp xúc, sản phẩm sấy nhận nhiệt độ của bề mặt bị đun nóng ở những chỗ tiếp xúc, bởi vậy chỉ sử dụng đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, quá trình sấy xảy ra rất nhanh Không sử dụng máy sấy bức xạ đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, vì sản phẩm dễ bị đun nóng cục bộ gây nguy hiểm cho sản phẩm

Đối với một số sản phẩm cần chú ý đến sự nhạy cảm về sức căng, dễ bị co ngót, nứt

nẻ trong quá trình sấy dưới tác dụng sức căng cơ học mạnh: có thể sử dụng máy sấy đối lưu cho phép điều chỉnh được các thông số sấy thích hợp với từng loại sản phẩm sấy Trong một số trường hợp có thể sử dụng những phương pháp sấy đặc biệt: sấy bằng dòng điện cao tần, sấy chân không và sấy thăng hoa Đối với một số sản phẩm không được phép sử dụng tác nhân sấy là khói lò, những sản phẩm dễ bị oxy hoá, bị cháy: sử dụng máy sấy chân không hoặc máy sấy dùng khí trơ tuần hoàn Đối với những sản phẩm có tác dụng ăn mòn máy sấy: cần sấy trong những máy sấy có

cấu tạo chống ăn mòn

 Năng suất sản phẩm

Đối với năng suất nhỏ và loại sản phẩm thay đổi hình dạng: thường sử dụng loại máy sấy

làm việc gián đoạn

Đối với năng suất lớn, nguyên vật liệu đồng nhất thường dùng máy sấy làm việc liên tục

2.2 Mốt số thiết bị sấy thường gặp

2.2.1 Thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời được thu nhận để làm nóng không khí Sau đó không khí nóng được sử dụng để sấy thực phẩm

 Ưu điểm:

- Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp

- Không đòi hỏi cung cấp năng lượng lớn và nhân công lành nghề • Có thể sấy lượng lớn với chi phí thấp

 Nhược điểm:

- Kiểm soát điều kiện sấy rất kém

- Tốc độ sấy chậm hơn so với vớisấy bằng thiết bị, do đó chất lượng sản phẩm cũng kém

và dao động hơn

- Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày • Đòi hỏi nhiều nhân công

 Ứng dụng: Để sấy các loại nông sản như: thóc, cà phê, cacao, lạc, ngũ cốc: đậu tương, đậu đỗ.

2.2.2 Thiết bị sấy đối lưu

 Nhược điểm: thời gian sấy dài và sấy không đều (do vật liệu không được đảo trộn), bị mất

nhiệt qua cửa khi nạp liệu và tháo liệu, khó kiểm tra được quá trình sấy

 Ứng dụng: Dùng để sấy các mặt hàng nông sản sau: hành tây, bí ngô, hành củ, ớt, tỏi,

khoai lang, khoai tây

2.2.2.2 Hầm sấy

Khác phòng sấy ở chỗ chiều dài hầm sấy lớn gấp nhiều lần chiều rộng và chiều cao, vật

sấy cùng với phương tiện vận chuyển (xe goòng, xe treo hay băng tải) đi vào đầu và đi ra

ở cuối hầm, có thể sấy cùng chiều hoặc ngược chiều

 Nhược điểm: do sự phân lớp không khí nóng và lạnh theo chiều cao của hầm nên quá trính sấy không đều Hiệu suất năng lượng thấp hơn, chi phí lao động cao.

 Ứng dụng: Để sấy các loại dược liệu như: Cỏ ngọt, nghệ, thục, giảo cổ nam, cam thảo, la

hán, táo, ý dĩ, mộc nhĩ, quế, hồi, quế

+ Các mặt hàng nông sản sau chế biến: hành tây, lá hành, bí ngô, hành củ, ớt, tỏi,

+ Các loại hoa, thảo quả có giá trị như: mít, vải, nhãn

Do khả năng sấy một lượng lớn nguyên liệu trong một thời gian tương đối ngắn nênchúng được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, ngày nay thiết bị này đã được thay thế bằng thiết

bị sấy băng chuyền và sấy tầng sôi

2.2.2.3 Thiết bị sấy băng tải:

Tác nhân sấy sẽ chuyển động cắt ngang qua chiều chuyển động liên tục của băng tải trong

buồng sấy Sản phẩm khô được lấy ra liên tục ở cuối băng tải

Ứng dụng: Thường dùng cho vật liệu dạng kem

2.2.2.4 Thiết bị sấy phun

Thường dùng để sấy các vật liệu lỏng như sữa, trứng, nước trái cây…

 Ưu điểm: Dung dịch lỏng được phun thành dạng sương vào buồng sấy, quá trình diễn ra rất nhanh đến mức không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép nên có thể sấy được ở nhiệt độ rất cao trong thời gian ngắn, thu được sản phẩm dạng bột mịn

 Nhược điểm: tốn nhiều năng lượng, thiết bị phức tạp, nhất là ở cơ cấu phun sương và hệ

thống thu hồi sản phẩm

Ngoài ra còn có các dạng thiết bị sấy đối lưu khác như tháp sấy, sấy tầng sôi, sấy vít tải…

2.2.3 Sấy tiếp xúc (sấy rang)

Nguyên lý: nhiệt lượng được truyền đến vật liệu bằng cách cho vật liệu tiếp xúc trực tiếp

với bề mặt được đốt nóng, có thể có đảo trộn vật liệu hoặc không.

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để sấy các loại vật liệu dạng rắn dạng rời (rau,

củ, hạt, quả,…), các loại dung dịch (sữa, nước hoa quả…) dạng thiết bị sấy tiếp xúc đơn giản nhất là tủ sấy chân không hoạt động gián đoạn, thiết bị có ưu điểm là cấu tạo đơn giản có thể sấy được nhiều vật liệu khác nhau nhưng năng suất thấp, vật liệu sấy ở trạng thái tĩnh, truyền nhiệt kém

Ngoài ra còn có dạng thiệt bị sấy trục làm việc liên tục

2.2.4 Sấy bức xạ

Nguyên lý: sử dụng năng lượng của các tia bức xạ phát ra từ vật bức xạ để làm nóng

vật sấy đến nhiệt độ bốc hơi ẩm của nó

Trong dân gian, người ta thường dùng bức xạ mặt trời để sấy nông hải sản (phơi nắng)

nhưng thời gian dài và tốn nhiều công sức Vì vậy, trong công nghiệp chế biến, người ta thường dùng các tia bức xạ nhân tạo để sấy Máy sấy bức xạ có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, rất hiệu quả với vật liệu mỏng, ít tổn thất nhiệt, thời gian sấy giảm nhiều lần so với sấy đối lưu Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tốn nhiều năng lượng, vật liệu được đốt nóng không đều ở bề mặt và bên trong, do đó không thích hợp để sấy các vật liệu dày

2.2.5 Sấy thăng hoa

Nguyên lý: ẩm được tách khỏi vật liệu bằng cách thăng hoa, nghĩa là chuyển thẳng ẩm

từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, không qua trạng thái lỏng, vật liệu được sấy ở nhiệt

độ thấp trong trạng thái đóng rắn tại độ chân không cao (0.1 ÷ 1 mmHg)

Ưu điểm của phương pháp sấy thăng hoa là sản phẩm có chất lượng cao, vật liệu ít bịbiến chất, bảo tồn được các vitamin và dễ hấp phụ nước để trở lại trạng thái ban đầu Hiệnnay, phương pháp này còn phức tạp và đắt nên mới chỉ được ứng dụng cho sản phẩm dược phẩm và các loại thực phẩm chất lượng cao.

PHẦN 3 HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ SẤY PHUN

3.1 Cấu tạo chung

Hệ thống sấy phun bao gồm cơ cấu phun sương, hệ thống quạt hút, caroliphere cấp nhiệt cho tác nhân sấy, buồng sấy, bộ phận để thu hồi sản phẩm và hệ thống xử lý khí thải (tùy theo yêu cầu) Trong đó cơ cấu phun sương và buồng sấy phun là bộ phận quan trọng

và đặc trưng nhất cho hệ thống sấy phun, những bộ phận còn lại cũng tương tự như hệ thống sấy khác

I) Đường ống thu hồi sản phẩm

K) Bộ phận tách khí/hạt mịn

L) Quạt đưa không khí ra

M) Bộ phận thu hồi bột mịn

N) Đường ống hồi hạt mịn

3.1.1 Cơ cấu và phương pháp phun sương

Cơ cấu phun vừa có chức năng đưa vật liệu vào buồng sấy, vừa là kết cấu tạo sương

mù Giai đoạn tạo sương mù đống vai trò quan trọng nhất trong quá trình sấy phun Nguyên liệu sấy được phun thành những hạt rất nhỏ vào dòng tác nhân trong buồng sấy làm tăng sự tiếp xúc giữa 2 pha, cường độ sấy rất cao, thời gian sấy rất ngắn, do đó chất lượng sản phẩm đạt được tốt hơn

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

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

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

 Cơ cấu phun sương dạng vòi hoạt động theo nguyên tắc khí động

Nhiệm vụ của cơ cấu phun sương là phải phun dung dịch thành các hạt phân tán cókích thước đều như yêu cầu, năng suất cơ cấu phun phải cao, lâu mòn, dễ thay thế và giáthành phù hợp Loại cơ cấu phun sương không chỉ quyết định đến năng lượng cần thiếtcho quá trình sấy mà còn quyết định đến sự phân bố kích thước, mức độ phân tán, quỹđạo và tốc độ của hạt sương, tốc độ sấy và kích thước hạt sản phẩm sau khi sấy

Năng lượng tiêu thụ ứng với các cơ cấu sấy phun khác nhau

Cơ cấu phun

sương

Năng lượng tiêu thụ ứng với năng suất khác nhau (kWh)

250 kg/h 500kg/h 1000kg/h 2000kg/hDạng đĩa quay 8,0 15,0 25,0 30,0

Vòi phun áp

Vòi phun khí