Thiết kế hệ thống nhập liệu sấy phun bằng cơ cấu phun pneumatic pressure nozzie

- Dựa trên khung thiết bị hệ thống sấy phun có sẵn, tính toán, thiết kế và hoàn thiện hệ thống, tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm: +Tính toán, xác định các thông số cơ bản của quá trình s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHẬP LIỆU SẤY PHUN

BẰNG CƠ CẤU PHUN PNEUMATIC

PRESSURE NOZZIE

GVHD:LÊ TẤN HOÀNG SVTH: HỒ THANH PHƯƠNG MSSV:1411612

SKL 0 0 6 1 3 8

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 08/2019

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHẬP LIỆU SẤY PHUN

BẰNG CƠ CẤU PHUN PNEUMATIC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Hồ Thanh Phương

Ngành: Công nghệ Thực phẩm

Tên khóa luận: Thiết kế hệ thống nhập liệu sấy phun cơ cấu Pneumatic Pressure

Nozzle

1 Nhiệm vụ của khóa luận:

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết quá trình và thiết bị sấy phun

- Dựa trên khung thiết bị hệ thống sấy phun có sẵn, tính toán, thiết kế và hoàn thiện

hệ thống, tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm:

+Tính toán, xác định các thông số cơ bản của quá trình sấy phun: tính toán

độ chứa ẩm và enthanpy của không khí trong quá trình sấy lý thuyết, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán tổn thất nhiệt và đường cong sấy thực tế

+ Tìm hiểu, lựa chọn và khảo sát cơ cấu phun áp lực thích hợp

+ Tìm hiểu, sửa chữa, khắc phục các nguyên nhân làm giảm hiệu suất thu

hồi

+ Tính toán, gia công, lắp đặt các chi tiết thiết bị: nắp thùng sấy, cơ cấu phun, tank chứa nguyên liệu, tủ điện điều khiển tank chứa nguyên liệu, bơm nhu

động và tủ điều khiển bơm nhu động, máy nén khí

- Khảo sát thực nghiệm và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật như nhiệt độ đầu vào,

lưu lượng hút của quạt và tốc độ nhập liệu

- Đề ra các biện pháp an toàn và đảm bảo độ bền thiết bị

- Kết luận

2 Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 20/1/2019

3 Ngày hoàn thành khóa luận: 1/8/2019

4 Họ tên người hướng dẫn: ThS Lê Tấn Hoàng

Phần hướng dẫn: toàn bộ khóa luận

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi

Trưởng Bộ môn Công nghệ Thực phẩm

Tp.HCM, ngày 1 tháng 8 năm 2019

Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin cảm ơn quý thầy cô khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường

Đạ học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh đã tận tình dạy bảo, xây dựng những kiến thức cơ bản trong suốt quá trình học tập tại tường, tạo nền tản cho tôi có thể thực hiện thành

công đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống nhập liệu sấy phun cơ cấu Pneumatic Pressure Nozzle” Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Tấn Hoàng là giáo viên

hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình triển khai và hoàn thành đồ án

Để hoàn thành được hệ thống máy sấy phun, tôi xin chân thành cảm ơn đến các anh chị đi trước đã chỉ bảo những sai sót, chia sẽ những kiến thức và kinh nghiệm thực

tế để nhóm chúng tôi có thể hoàn thành được hệ thống máy sấy phun Đồng thời cảm

ơn các bạn bè trong khoa đã không ngừng giúp đỡ, động viên, tạo động lực lớn cho tôi hoàn thành khóa luận này

Một lần nữa, chúng tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng để hoàn thành khóa luận nhưng với thời gian, khả năng hạn chế và đây là lần đầu tiên chúng tôi bước vào tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là do chính chúng tôi thực hiện Chúng tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định

Ngày 1 tháng 8 năm 2019

Ký tên

xin chân thành cảm ơn!

2 Giới hạn nghiên cứu của đồ án

Trong giới hạn khóa luận, chúng tôi chỉ nghiên cứu tập trung vào những thông

số của thiết bị, lựa chọn các vật liệu, chọn được các bộ phận sao cho tối ưu (đầu phun,

…), tính toán cân bằng vật chất, từ cơ sở đó tiến hành thiết kế hệ thống sấy phun theo công suất yêu cầu, mà không đi quá sâu về đặc tính nguyên liệu cũng như các biến đổi của nguyên liệu trong quá trình sấy cũng như thiết kế hệ thống nhà xưởng

3 Ý nghĩa khoa học

• Làm cơ sở khoa học trong việc thực nghiệm khảo sát các tính chất nhiệt - vật lý của vật liệu sấy ảnh hưởng đến quá trình cấp nhiệt, tách ẩm trong điều kiện thời gian

tách ẩm ngắn

• Kiểm chứng lại các cơ sở khoa học lý thuyết nhiệt động học của quá trình phân tán

và tiếp xúc nhiệt của dòng nguyên liệu trong quá trình sấy phun

4 Ý nghĩa thực tiễn

• Ứng dụng công nghệ sấy phun vào sản xuất các sản phẩm hòa tan mang một ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng Ứng dụng trong ngành thực phẩm và dược phẩm để tạo

ra các mẫu sản phẩm dạng bột

• Hệ thống thiết bị sấy phun được thiết kế có năng suất nhập liệu là 10 lít/h có thể được sử dụng cho công tác nghiên cứu và giảng dạy ở các trường đại học và viện nghiên cứu

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN 24

Giới thiệu về công nghệ sấy 24

1.1.1 Khái niệm về sấy 24

1.1.2 Động lực quá trình sấy 24

1.1.3 Vật liệu ẩm 25

1.1.4 Không khí ẩm 28

1.1.5 Đồ thị I- d của không khí ẩm 30

Tổng quan về sấy phun 31

1.2.1 Khái niệm sấy phun 31

1.2.2 Các giai đoạn của quá trình sấy phun 32

1.2.3 Ưu, nhược điểm của quá trình sấy phun 33

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun 34

1.2.5 Ứng dụng 37

Tình hình nghiên cứu hệ thống sấy phun trong và ngoài nước 38

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 38

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 38

Hệ thống sấy phun 39

1.4.1 Sơ đồ nguyên lí làm việc của hệ thống sấy phun 39

1.4.2 Đầu phun sương 40

1.4.3 Calorifer 44

1.4.4 Buồng sấy 45

1.4.5 Bơm nhu động 481.4.6 Hệ thống thu hồi sản phẩm 49CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT 52 Đối tượng tính toán, thiết kế và khảo sát 52

Sơ đồ quá trình tính toán, thiết kế và khảo sát 53CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH SẤY PHUN VÀ THIẾT

KẾ, CẢI TIẾN CÁC CHI TIẾT, THIẾT BỊ DỰA HỆ THỐNG SẤY PHUN CÓ SẴN 56 Xác định các thông số của nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra 563.1.1 Xác định khối lượng riêng của vật liệu trước và sau khi đưa vào sấy 563.1.2 Xác định nhiệt dung riêng của sữa trước và sau khi sấy 60

Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng 613.2.1 Các thông số đầu vào 613.2.2 Tính toán cân bằng vật chất 62 Tính kích thước giọt lỏng 64 Tính toán cân bằng nhiệt 673.4.1 Tổn thất nhiệt ở tháp sấy 673.4.2 Cân bằng nhiệt quá trình sấy 70 Xác thời gian sấy 71 Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích 73 Tính toán thiết bị phụ 733.7.1 Tính công suất của máy nén khí : 733.7.2 Tính toán calorifer 743.7.3 Tính toán công suất máy bơm 75

3.7.4 Tính toán tank chứa nguyên liệu 75CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BẢN VẼ, GIA CÔNG VÀ BẢN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 79 Thiết kế tank chứa nguyên liệu 79 Thiết kế nắp buồng sấy 81 Thiết kế tủ đặt thiết bị 82 Thiết kế mạch điện 834.4.1 Mạch động lực 834.4.2 Mạch điều khiển 844.4.3 An toàn về điện 85CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH MÁY SẤY PHUN 86CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 88Tài liệu tham khảo 90

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đồ thị I-D của không khí ẩm ở Bo = 760 mm Hg 31Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống sấy phun 39Hình 1.3 Cơ cấu phun sương li tâm 41Hình 1.4 Cơ cấu phun áp lực (thủy lực) 42Hình 1.5 Cơ cấu phun sương khí động 43Hình 1.6 Nắp khí và nắp dịch 43Hình 1.7 Kết cấu bên trong của đầu phun 44Hình 1.8 Điện trở cánh tản nhiệt 45Hình 1.9 Dòng tác nhân sấy chuyển động cùng chiều 46Hình 1.10 Chuyển động ngược chiều 47Hình 1.11 Chuyển động hỗn hợp 47Hình 1.12 Bơm nhu động 49Hình 1.13 Các hệ thống thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun, (A) Cyclone, (B), tĩnh điện ,(C) túi lọc 50Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 53Hình 3.1 Sự thay đổi nhiệt độ của TNS và VLS 58Hình 3.2 Sơ đồ cân bằng vật chất 61Hình 3.3 Điện trở gia nhiệt 76Hình 4.1 Bản vẽ thể hiện kích thước tank chứa nguyên liệu 80Hình 4.2 Bản vẽ 2D của tank nhập liệu sau khi được cải tiến 80Hình 4.3 Bản vẽ 3D tank chứa nguyên liệu 80Hình 4.4 Bản vẽ thể hiện kích thước nắp buồng sấy 81Hình 4.5 Bản vẽ vị trí gắn đầu phun 82Hình 4.6 Bản vẽ 3D mặt trước và bên cạnh của tủ đặt thiết bị 82Hình 4.7 Solid State RelayG3PA-240B-VD 40A(Omron) 83Hình 4.8 Mạch động lực máy sấy phun 84

Hình 4.9 Mạch nguyên lý điều khiển heater 84Hình 4.10 Mạch nguyên lý điều khiển động cơ, quạt thông qua biến tần điều khiển bằng biến trở ngoài 85

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của sữa 56Bảng 3.2 Thành phần sữa nguyên liệu sau khi bổ sung thêm maltodextrin 57Bảng 3.3 Thành phần sữa bột sau sấy 57Bảng 3.4 Thông số trạng thái của quá trình sấy lý thuyết 63Bảng 5.1 Khảo sát thực nghiệm hiệu quả sấy 86

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY

PHUN

Giới thiệu về công nghệ sấy

1.1.1 Khái niệm về sấy

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt nhằm làm giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ bền và giúp bảo quản sản phẩm được lâu hơn Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu sấy nhờ sự khuất tán được tạo ra bởi

sự chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong của vật liệu, đồng thời là sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh (1)

1.1.2 Động lực quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình tách ẩm (chủ yếu là nước và hơi nước) khỏi vật liệu sấy

để thải vào môi trường Ẩm có mặt trong vật liệu được nhận năng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi vật liệu sấy và dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt, từ bề mặt vật vào môi trường xung quanh (2)

Nếu gọi pv và pbm tương ứng là phân áp suất của hơi nước trong lòng vật và trên bề mặt thì động lực dịch chuyển ẩm từ trong lòng ra bề mặt vật L1 tỷ lệ thuận với hiệu số (pv

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Gn – khối lượng ẩm chứa trong vật liệu (kg)

GK – khối lượng ẩm vật liệu khô tuyệt đối (kg)

Độ ẩm tuyệt đối có giá trị từ 0% đến ∞ Vật có độ ẩm tuyệt đối 0% là vật khô tuyệt đối và vật có độ ẩm ∞ là vật chứa toàn bộ nước (4)

Trong đó: G – khối lượng vật ẩm: G = Gn + GK (kg)

Độ ẩm toàn phần có giá trị từ 0 đến 100% Vật có độ ẩm toàn phẩn 0% là vật khô tuyệt đối và 100% là vật toàn nước Như vật độ ẩm toàn phẩn luôn luôn nhỏ hơn 100% (4)

Mối quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần: (1)

𝟏𝟎𝟎 − 𝝎 𝟏𝟎𝟎%

• Độ chứa ẩm (u)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Độ chứa ẩm là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối

𝑢 = 𝐺𝑛

𝐺𝐾 (kg ẩm/kg khô)

Độ chứa ẩm không những đặc trưng cho toàn bộ vật mà còn có thể đặc trưng cho từng vùng vật thể Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau: (2)

𝑢 = 𝜔𝑜100

Một vật ẩm để trong môi trường không khí ẩm sẽ xảy ra hai trường hợp:

- Vật sẽ bị sấy khô đến độ ẩm nhất định cân bằng với môi trường xung quanh,

- Vật hút ẩm cho đến khi đạt đến trị số nhất định cân bằng với môi trường không khí xung quanh

Như vật nếu độ ẩm của vật 𝝎 > 𝝎cb vật sẽ thải ẩm để đạt đến cân bằng, ngược lại nếu 𝝎 < 𝝎cb vật sẽ hút ẩm để đạt đến cân bằng[5]

Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí ẩm bao quanh vật và phụ thuộc vào bản chất của vật Tuy nhiên độ ẩm cân bằng thay đổi ít khi

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

nhiệt độ thay đổi Độ ẩm tương đối của không khí ẩm tăng thì độ ẩm cân bằng tăng và ngược lại Khi độ ẩm tương đối của không khí ẩm  = 100%, độ ẩm cân bằng của vật sẽ đạt đến trị số cực đại 𝝎cbmax Độ ẩm này gọi là độ ẩm tới hạn 𝝎k[5]Độ ẩm cân bằng cực đại 𝝎k muốn làgiới hạn của độ ẩm liên kết Khi vật đã đạt đến độ ẩm 𝝎k muốn hấp thụ thêm ẩm phải cho trực tiếp nước vào vật Ẩm mà vật tiếp nhận theo cách này gọi là ẩm tự

do Ẩm tự do chứa trong vật không hạn chế Ẩm tự do chứa trong các hang xốp lớn hoặc dính trên bề mặt vật Như vậy, dải ẩm chứa trong vật là 0 ÷ 𝝎 chia ra 2 phần (2)

- Phần ẩm từ 0 ÷ 𝝎k là ẩm liên kết

- Phần ẩm từ 𝝎k ÷ 𝝎 là ẩm tự do

• Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm (C)

Trong kỹ thuật sấy, nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm được xác định theo quan hệ tuyến tính khi biết nhiệt dung riêng của vật liệu khí (Ck) và nhiệt dung riêng của ẩm (Ca):

𝐶 =𝐶𝑘𝐺𝑘 + 𝐶𝑎𝐺𝑎

𝐺𝑘 + 𝐺𝑎 = 𝐶𝑘 + (𝐶𝑎 + 𝐶𝑘)𝜔 Trong đó, nhiệt dung riêng của ẩm Ca được lấy như sau: nếu ẩm ở dạng lỏng thì

Ca= 4,1816 kJ/kgK, nếu ẩm ở dạng hơi thì Ca = 1,842 kJ/kgK Nhiệt dung riêng của vật liệu khí Ck được xác định cụ thể cho từng vật liệu Nhiệt dung riêng của vật liệu khí trong sản phẩm thực phẩm nằm trong khoảng Ck = (1,2 ÷ 1,7) kJ/kgK

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Trong đó: Vk, Va tương ứng là thể tích của vật liệu khí và của các hang xốp; ψ là

hệ số hình dáng của các phân tử tạo nên vật liệu ẩm Hệ số này được xác định như sau:

• Phần tử hình cầu:

𝜓 = 3𝜆𝑘2𝜆𝑘 + 𝜆𝑎

Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là lượng hơi nước (tính bằng g) chứa trong 1m3

không khí ẩm theo công thức (2):

𝜌 =𝐺ℎ

𝑉 1000 (g/m3)

Trong đó: Gh là khối lượng hơi nước (kg)

V là thể tích (m3)

Do thể tích của không khí ẩm cũng là thể tích mà hơi nước trong đó chiếm chỗ nên

độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm cũng chính là khối lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm Nếu không khí ẩm chưa bão hòa nhận thêm hơi nước để đạt đến trạng thái bão hòa thì độ ẩm tuyệt đối của nó sẽ đạt cực đại và bằng (5):

𝜌ℎ = 𝜌𝑚𝑎𝑥 =𝐺𝑚𝑎𝑥

𝑉 (g/m3)

• Độ ẩm tương đối (φ)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng hơi nước

Gh và khối lượng hơi nước cực đại Gmax (1):

𝜑 = 𝐺ℎ

𝐺𝑚𝑎𝑥% =

𝜌

𝜌𝑚𝑎𝑥%

Độ ẩm tương đối đặc trưng cho mức độ gần tới trạng thái bãi hòa của không khí

ẩm Khi φ = 0 ta có không khí khô; khi φ tăng lên thì phân áp suất hơi của không khí ẩm tăng lên và khi φ = 100% thì không khí ẩm bão hòa và phân áp suất hơi nước bằng áp suất bão hòa của hời nước ứng với nhiệt độ của không khí ẩm (2)

• Nhiệt dung riêng của không khí ẩm (C)

Khi đã coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng thì có thể xác định nhiệt dung riêng của không khí ẩm theo công thức nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng (2):

𝐶 = 𝐶𝐾+0,001.𝑑.𝐶ℎ

1+0,001.𝑑 (kJ/kgK) Trong đó:

Ck là nhiệt dung riêng không khí khô

Ck ≈ 1 kJ/kgK

Ch là nhiệt dung riêng của hơi nước

Ch ≈ 1,97 kJ/kgK

• Entanpi của không khí ẩm (I)

Entanpi của không khí ẩm I bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của hơi nước (2):

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Hình 1.1 Đồ thị I-D của không khí ẩm ở B o = 760 mm Hg

Đặc điểm của đồ thị I- d:

- Trục tung I và trục hoành d làm thành với nhau một góc 135o Khi vẽ ta vẫn

vẽ đồ thị trong phạm vi góc vuông thứ nhất Do đó, các đường I = const trên đồ thị I- d là các đường song song với trục Od hay làm với trục OI một góc 45oC (1)

- Do công thức xác định độ chứa hơi d và độ ẩm tương đối φ phụ thuộc vào

áp suất khí quyển p nên mỗi đồ thị I- d được vẽ với một áp suất khí quyển nhất định (1)

Tổng quan về sấy phun

1.2.1 Khái niệm sấy phun

Sấy phun là quá trình biến đổi vật liệu sấy từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn ở dạng bột thông qua việc phân tán dòng vật liệu sấy thành những hạt nhỏ vào trong một buồng sấy chứa dòng không khí nóng và khô, sự tương tác của những hạt nhỏ với dòng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

khí nóng làm cho hơi ẩm trong nguyên liệu bốc hơi tạo ra những hạt khô thu được dưới buồng sấy Vật liệu sấy có thể là ở dạng dung dịch, nhũ tương hoặc bột nhão lỏng, ví dụ trong công nghệ sản xuất sữa bột, sữa đậu nành, bột trứng, cà phê hòa tan (6) (7) (8)

1.2.2 Các giai đoạn của quá trình sấy phun

Quá trình sấy phun diễn ra thông qua bốn giai đoạn chính: giai đoạn phun sương, tiếp xúc với không khí, trao đổi nhiệt hình thành hạt và giai đoạn thu hồi sản phẩm Trước tiên vật liệu sấy dưới áp lực của bơm nén qua vòi phun vào trong buồng sấy dưới dạng sương mù, trong buồng sấy sẽ diễn ra quá trình trao đổi nhiệt- ẩm giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy, quá trình này diễn ra rất nhanh đến mức không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép, do đó có thể sử dụng các tác nhân sấy ở nhiệt độ cao, một phần lớn vật liệu sấy sẽ được thu hồi ở dưới tháp sấy, phần còn lại bị cuốn theo tác nhân sấy sẽ được thu hồi lại bằng các phương pháp khác nhau như Cyclone, lọc hay tĩnh điện nhằm đảm bảo năng suất thu hồi sản phẩm cao nhất (9)

• Giai đoạn phun sương: Đây là giai đoạn đầu tiên và quan trọng trong quá trình sấy phun Sự vỡ ra của khối chất lỏng tạo thành hàng vạn những hạt nhỏ cung cấp cho quá trình tiếp theo trong quá trình sấy phun Quá trình phun sương ảnh hưởng đến hình dạng, cấu trúc, kích thước và sự phân bố của các hạt sương vào buồng sấy do đó cũng ảnh hưởng đến kích thước và tính chất của sản phẩm cuối cùng Một mét khối chất lỏng có kích thước khoảng 2 × 1012 giọt đồng nhất cỡ 100 micron, tạo ra tổng diện tích

bề mặt hơn 60.000 m2 Với diện tích trao đổi nhiệt lớn này quá trình sấy diễn ra nhanh hơn hạn chế những tác động của nhiệt độ đến với sản phẩm cuối cùng (10)

• Giai đoạn 2 tiếp xúc với không khí nóng: đây là giai đoạn tiếp theo của quá trình sấy phun, chuẩn bị cho quá trình hình thành những hạt khô, vô số hạt sương nhỏ sau khi được phun vào buồng sẽ tiếp xúc với không khí nóng Tại đây diễn ra sự bay hơi nhanh chóng của độ ẩm trên bề mặt của các hạt sương Để đảm bảo các hạt sương có sự tiếp xúc với không khí một cách đồng nhất cần đảm bảo lưu lượng không khí nóng phải đồng đều tại mọi vị trí trong buồng sấy (10)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

• Giai đoạn bốc hơi ẩm tạo hạt: đây là bước quan trọng nhất để hình thành hạt, có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của sản phẩm cuối cùng Sự bay hơi độ ẩm trong quá trình sấy phun có thể được hình dung thành hai giai đoạn, giai đoạn tốc độ bay hơi không thay đổi và giải đoạn tốc độ bay hơi giảm dần theo thời gian Kết quả cuối cùng là của quá trình này là tạo ra những hạt sản phẩm khô, có cấu trúc mịn và đồng đều (10)

• Giai đoạn tách hạt: được tiến hành qua hai quá trình tách sơ cấp và tách thứ cấp Trong quá trình tách sơ cấp bột khô sau khi qua tháp sấy sẽ được sẽ lắng xuống đáy tháp sấy và thu lại tại đây, do đó buồng sấy thường có dạng đáy phễu để dễ dàng trong việc tách bột khô Tuy nhiên, sau quá trình này một lượng lớn bột khô theo tác nhân sấy

bị đẩy ra ngoài thông qua một hệ thống quạt hút, làm cho hiệu sất của việc tách hạt sơ cấp

là rất thấp ảnh hưởng đến tính kinh tế của hệ thống, do đó cần phải lắp đặt thêm một hệ thống thu thứ cấp nhằm thu được tối đa lượng bụi hạt cuống theo tác nhân sấy Bộ thu sản phẩm thứ cấp có thể là các Cyclone, túi lọc hoặc bộ lọc bụi tĩnh điện tùy theo kích thước hạt cũng như các thông số khác của sản phẩm cuối cùng (10)

1.2.3 Ưu, nhược điểm của quá trình sấy phun

Ưu điểm của quá trình sấy phun: thu được sản phẩm là những hạt nhỏ, mịn có kích thước, hình dạng tương đối đồng đều, thành phần các chất không bay hơi có trong hạt sản phẩm không có sự khác biệt so với nguyên liệu lỏng ban đầu Việc phá vỡ vật liệu sấy thành hàng trăm hạt có kích thước nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc của vật liệu sấy, làm cho khả năng trao đổi nhiệt với tác nhân sấy tăng lên qua đó giảm đáng kể thời gian sấy

so với các phương pháp sấy khác, từ đó giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình sấy Do thời gian tiếp xúc với tác nhân sấy không cao nên có thể sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao do đó có thể sấy các vật liệu sấy có sự nhạy cảm với nhiệt đồng thời hạn chế những biến đổi của liên quan đến nhiệt độ lên vật liệu sấy trong quá trình sấy kết quả là sản phẩm không bị biến đổi nhiều về dinh dưỡng so với ban đầu Hệ thống sấy phun có thể làm việc liên tục thời gian sấy ngắn, tháp sấy thường có năng suất ngắn do đó có thể áp dụng hiện quả vào quy mô công nghiệp với chi phí thấp trong những mô hình sản xuất có quy mô lớn (10)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Bên cạnh những ưu điểm có được từ phương pháp sấy phun, hệ thống cũng còn lại nhưng hạn chế như: kích thước của buồng sấy tương đối lớn trong khi vận tốc của tác nhân sấy nhỏ dẫn đến cường độ sấy nhỏ do đó gây tiêu tốn nhiêu năng lượng Thiết bị chỉ

sử dụng cho những sản phẩm ở dạng lỏng như các dung dịch huyền phù có độ nhớt thấp, với những dạng bột nhão, độ nhớt cao năng suất sấy thấp hơn so với các phương pháp khác do cơ cấu phun sương không hiệu quả Ngoài ra do thiết kế đặc thù của thiết bị phù hợp với từng sản phẩm và tính chất khác nhau nên phạm vi sử dụng bị thu hẹp chẳng hạn máy sấy phun chỉ tạo ra sản phẩm có hạt nhỏ, mịn đối với những hạt cần có kích thước lớn và thô thì không thể sử dụng Bên cạnh đó quá trình thiết kế tương đối phức tạp nhất

là cơ cấu phun và hệ thống thu hồi sản phẩm do đó việc đầu tư thiết bị với công suất lớn đòi hỏi nhiều kỹ thuật cũng như chi phí đầu tư tương đối lớn so với các thiết bị sấy liên tục khác (10)

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy phun

Các tính chất của sản phẩm sau quá trình phun bị ảnh hưởng trực tiếp từ một số thông số của thiết bị như đầu phun sương, cấu tạo và kích thước buồng sấy và loại thiết bị thu hồi sản phẩm Ngoài ra, đặc tính nguyên liệu cũng như thông số quy trình sấy cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các đặc tính của hạt sau khi sấy Do đó, việc kiểm soát các yếu tố này là điều cẩn thiết tỏng việc tối ưu hóa quá trình sấy phun (10)

• Áp lực của đầu phun sương

Ở giai đoạn phun, dưới tác dụng của áp lực, dòng nhập liệu sẽ được đẩy từ đầu phun vào buồng sấy Kích thước của giọt nước bị ảnh hưởng trực tiếp đến áp lực đầu phun Đối với một thiết bị đầu phun nhất định, dung dịch nhập liệu xác định, kích thước giọt tỷ lệ nghịch với áp lực đầu phun Điều đó được thể hiện qua công thức sau (11) (9):

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Trong đó Di và Df lần lượt là kích thước giọt lúc trước và sau khi áp lực đầu phun thay đổi từ Pi thành Pf tương ứng Trong trường hợp đầu phun quay, kích thước giọt tỷ lệ nghịch với tốc độ và đường kính quay (9)

• Tốc độ dòng nhập liệu

Chúng ta có thể kiểm soát được tốc độ dòng nhập liệu được bơm vào đầu phun Nếu giữ áp lực đầu phun không đổi, kích thước giọt sẽ tăng nếu chúng ta tăng tốc độ của dòng nhập liệu Điều này có thể giải thích đơn giản rằng đầu phun sẽ có cùng một lượng năng lượng để sử dụng trong quá trình phun, do đó khi khối lượng nguyên liệu tăng thì kích thước hạt cũng tăng theo (9)

• Độ nhớt của nguyên liệu

Khi độ nhớt của nguyên liệu tăng lên thì đồng nghĩa với việc đầu phun phải sử dụng một lượng năng lượng cần thiết để kháng lại sức căng bề mặt của nguyên liệu Do

đó, nếu năng lượng cung cấp cho đầu phun là không đổi thì năng lượng sử dụng cho quá trình phun sẽ giảm xuống nếu độ nhớt nguyên liệu tăng, dẫn đến kích thước giọt sẽ tăng theo Cơ chế này tuân theo công thức:

𝐷𝑓

𝐷𝑖 = (

µ𝑓

µ𝑖)0.2

Trong đó, Di và Df lần lượt là kích thước giọt ban đầu và lúc sau khi độ nhớt của nguyên liệu tăng từ µi đến µf (9) (11)

Do đó trước khi sấy phun, nguyên liệu thường được nhũ hóa và đồng hóa để giảm sức căng bề mặt của chúng (9)

• Nhiệt độ đầu vào

Nhiệt độ đầu vào là nhiệt độ của tác nhân sấy, được đo ngay trước khi vào buồng sấy Khi các thông số của quá trình sấy được cố định, thời gian sấy sẽ giảm đi khi tăng nhiệt độ của tác nhân sấy (11)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tác nhân sấy tăng quá cao, độ ẩm cuối cùng của bột sản phẩm sẽ không giảm thêm nhiều Hơn nữa, việc gia tăng nhiệt độ có thể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức tiêu hao năng lượng cho toàn bộ quá trình (12)

• Lưu lượng tác nhân sấy

Lưu lượng tác nhân sấy là thể tích của khí nóng được đưa vào buồng sấy trên một đơn vị thời gian Lưu lượng của tác nhân sấy càng cao sẽ làm tăng khả năng chuyển động của các hạt bên trong buồng do đó thời gian tương tác giữa dòng khí nóng với các giọt sẽ giảm đi Bên cạnh đó, lưu lượng tác nhân sấy càng cao thì hiệu quả của quá trình tách lốc, thu hồi sản phẩm càng lớn Chính vì vậy, lưu lượng tác nhân sấy phải được điều chỉnh phù hợp sao cho đủ thấp để loại bỏ ẩm của các giọt diễn ra hoàn toàn, nhưng vẫn phải phù hợp cho việc thu hồi được dễ dàng hơn (11)

• Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian tương tác của một giọt nguyên liệu với tác nhân sấy bên trong buồng sấy, đây cũng là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm cuối cùng

Thời gian lưu phải đủ dài để đảm bảo rằng giai đoạn sấy được diễn ra hoàn thiện,

ẩm được tách ra khỏi hạt hoàn toàn, thu được các hạt khô Tuy nhiên, thời gian lưu quá

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: THS LÊ TẤN HOÀNG

lâu sẽ ảnh hưởng đến việc giữ lại các đặc tính cần thiết của sản phẩm, đặc biệt là với các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt Rất khó để xác định thời gian lưu tối thiểu bằng phương pháp thực nghiệm, ta có thể tính toán xấp xỉ bằng công thức (14):

𝐶𝑚 = 𝐶𝑂(1 − 𝑡

Ʈ𝐷)

−3 2

Trong đó:

Cm là nồng độ sản phẩm sau khi sấy

CO là nồng độ ban đầu của nguyên liệu

ƮD là thời gian lưu tối đa

t là thời gian lưu tối thiểu

Thời gian lưu tối đa có ƮD thể xác định bằng công thức:

Ʈ𝐷 =𝐷𝑑

2𝐾Trong đó:

Dd là đường kính của giọt ban đầu

K là tốc độ bay hơi

1.2.5 Ứng dụng

Sấy phun có ứng dụng trực tiếp hay gián tiếp đến quá trình sản xuất nhiều sản phẩm được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày như thực phẩm, dược phẩm, mĩ phẩm hay các mặt hàng gia dụng khác[13] Trong thực phẩm, công nghệ sấy phun được sử dụng để sản xuất các sản phẩm dạng bột như cà phê hòa tan, các loại sữa bột, phomai bột hay các chất tạo ngọt, tạo màu Ngoài ra, công nghệ sấy phun còn sản xuất các mặt hàng gia dụng hàng ngày, phổ biến nhất là bọt giặt Trong ngành công nghệ sản xuất mĩ phẩm, sấy phun là kĩ thuật được sử dụng phổ biến để sản xuất các sản phẩm như phấn trang điểm, phấn đánh mặt Trong ngành xây dựng, sấy phun được dùng để sản xuất các sản phẩm