do an say caphe bot hc_ntt_09116067_spkt rdocx

Đồ án Quá trình thiết bị GVHD: TS. Lê Đức Trung

SVTH: Nguyễn Thanh Tuấn Trang 1

MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU, CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ............... 4

1.1. Nguyên liệu ........................................................................................................ 4

1.1.1. Nguyên liệu chính – Cà phê ..................................................................... 4

1.1.2. Nguyên liệu phụ ....................................................................................... 7

1.2. Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan .................................................... 8

1.2.1. Quy trình công nghệ ................................................................................ 8

1.2.2. Thuyết minh quy trình ................................................................................... 8

1.3. Tổng quan về công nghệ sấy phun ................................................................... 10

1.3.1. Giới thiệu công nghệ sấy phun .............................................................. 10

1.3.2. Cấu tạo thiết bị sấy phun ....................................................................... 11

1.3.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 14

1.4. Tổng quan về tác nhân sấy ................................................................................. 15

1.4.1. Không khí ẩm .............................................................................................. 15

1.4.2. Khói lò ........................................................................................................ 15

1.4.3. Hơi quá nhiệt ............................................................................................... 15

1.5. Tổng quan về chất tải nhiệt ................................................................................ 15

1.5.1. Hơi nước ...................................................................................................... 15

1.5.2. Nước nóng ................................................................................................... 16

1.5.3. Chất lỏng hữu cơ ......................................................................................... 16

1.5.4. Khói lò ......................................................................................................... 16

1.5.5. Điện ............................................................................................................ 16

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU ............................................................................................................................... 18

2.1. Lựa chọn phương án thiết kế .............................................................................. 18

2.2. Các thông số ban đầu .......................................................................................... 19

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY ............................................................ 20

3.1. Tính cân bằng vật chất ........................................................................................ 20

3.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết ........................................................................ 21

3.3. Tính toán quá trình sấy thực ............................................................................... 22



CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ............................................................. 25

4.1. Chọn đĩa phun ..................................................................................................... 25

4.2. Đường kính thiết bị sấy ...................................................................................... 25

4.3. Thể tích thiết bị sấy ............................................................................................ 26

4.4. Xác định thời gian sấy ........................................................................................ 28

4.5. Tính bền cho thiết bị sấy .................................................................................... 29

4.5.1. Thân thiết bị ................................................................................................. 29

4.5.2. Đáy và nắp thiết bị ....................................................................................... 31

4.6. Tính tổn thất nhiệt và cách nhiệt cho thiết bị ................................................. 31

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ................................................................. 37

5.1. Tính calorifer ...................................................................................................... 37

5.2. Tính và chọn cyclon lắng .................................................................................. 42

5.3. Tính và chọn quạt hút ......................................................................................... 43

5.4. Tính và chọn bơm ............................................................................................... 47

5.5. Tính công suất động cơ đĩa phun........................................................................ 50

5.6. Chân đỡ và cửa quan sát, sửa chữa ..................................................................... 50

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52



MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, hòa nhịp cùng với sự phát triển của đất nước và sự tiến

bộ của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp nước ta có những chuyển biến rõ rệt đặc

biệt là ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Bỡi lẽ, đời sống của con người ngày càng

được nâng cao thì đòi hỏi các sản phẩm thực phẩm phải ngày càng phong phú và đa dạng

để đáp ứng tốt nhất nhu cầu của con người. Tuy nhiên, đối với thực phẩm nhất là thực

phẩm ở dạng lỏng như sữa, nước ép trái cây, cà phê,... việc đa dạng của sản phẩm phụ

thuộc nhiều vào công nghệ chế biến do tính chất dễ bị hư hỏng dưới tác động của vi sinh

vật, của môi trường xung quanh,... nên kéo theo thời gian bảo quản và sử dụng rất hạn

hẹp.

Chính vì thế, các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng thành công các công

nghệ chế biến mới cho những thực phẩm ở dạng lỏng, nổi trội hơn hết là công nghệ sấy

như: sấy thăng hoa, sấy phun,... nhằm tách bớt nước ra khỏi thực phẩm, biến thực phẩm ở

dạng lỏng thành thực phẩm dạng bột mà không làm thay đổi tính chất của sản phẩm. Công

nghệ sấy ra đời tạo ra các sản phẩm khô, giúp cho thực phẩm bảo quản được lâu hơn,

đồng thời làm phong phú thêm các sản phẩm thực phẩm. Một trong các sản phẩm sấy

quan trọng là cà phê hòa tan.

Cà phê hòa tan xuất hiện trên thị trường vào những năm 1950 và đã phát triển nhanh

chóng và trở thành một trong những loại cà phê phổ biến nhất. Loại cà phê này rất tiện sử

dụng, có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng. Trước những năm 2000 thị trường cà phê

hoà tan ở Việt Nam còn khá nghèo nàn về chủng loại sản phẩm và ít được nhà đầu tư quan

tâm, nay thị trường này đã chiếm đến 1/3 tỷ trọng sản lượng cà phê được tiêu thụ. Do nhu

cầu tiêu thụ sản phẩm ngày càng tăng cao nên việc phát triển sản phẩm cà phê hoà tan là

một việc làm cần thiết.

Chính vì những lý do trên nên em đã chọn đề tài đồ án: “Thiết kế hệ thống thiết bị

sấy phun dùng để sấy cà phê từ dạng dung dịch nồng độ ban đầu 20% thành sản phẩm bột

có độ ẩm là 8% khối lượng. Năng suất thiết bị là 1200 kg/h tính theo nguyên liệu vào”.

Với đề tài này, em hy vọng sẽ bổ sung được những kiến thức của mình về công nghệ sấy

phun, qua đó vận dụng kiến thức để tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun ứng dụng trong

công nghiệp sản xuất cà phê hoà tan



CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU, CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ

1.1. Nguyên liệu

1.1.1. Nguyên liệu chính – Cà phê � Cấu tạo của quả cà phê [13] Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài cùng, mềm mỏng, có màu xanh hoặc đỏ violet hay

đỏ đậm khi chín.

Lớp vỏ thịt: nằm dưới lớp vỏ quả.

Lớp vỏ thóc: cứng, nhiều xơ, bao bọc xung quanh nhân.

Vỏ lụa: lớp vỏ nằm sát nhân cà phê, màu sắc và đặc tính khác nhau phụ thuộc vào loại cà phê

Nhân cà phê: nằm trong cùng. Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng, tế bào nhỏ, trong chứa dầu. Phía trong có những tế bào lớn, và mềm hơn.

Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân, thông thường là 2 nhân.

• Nhân cà phê Trong nhân cà phê nước chiếm 10-12%,

protein chiếm 9-11%, lipit chiếm 10-13%, các loại đường chiếm 5-10%, tinh bột chiếm 3-5%. Ngoài ra trong nhân còn chứa các chất thơm, các alkaloid.

Thành phần hoá học trong nhân cà phê biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản.

Nước: Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại 10-12% ở dạng liên kết. Khi hàm lượng nước cao hơn, các loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt. Mặt khác, hàm lượng nước cao sẽ làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang , tốn nhiều nhiên liệu và nhất là làm tổn thất hương cà phê. Hàm lượng nước trong cà phê sau khi rang còn 2,7%.

Chất khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng 3-5%, chủ yếu là kali, nitơ magie, photpho, clo. Ngoài ra còn thấy nhôm, sắt, đồng, iod, lưu huỳnh…Những chất này ảnh hưởng không tốt đến mùi cà phê. Chất lượng cà phê cao khi hàm lượng chất khoáng càng thấp và ngược lại.

Hình 1.1. Cấu tạo hạt cà phê



Glucid: Chiếm khoảng ½ tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào thành phần nước uống mà chỉ cho màu và vị caramen. Đường có trong cà phê do trong quá trình thuỷ phân dưới tác dụng của axit hữu cơ và enzim thuỷ phân Hàm lượng saccharose có trong cà phê phụ thuộc vào mức độ chín: quả càng chín thì hàm lượng saccharose càng cao. Saccharose bị caramen hoá trong quá trình rang nên sẽ tạo hương vị cho nước cà phê. Hạt cà phê còn chứa nhiều polysaccarit nhưng phần lớn bị loại ra ngoài bã cà phê sau quá trình trích ly.

Protein: Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hương vị của sản phẩm. Bằng phương pháp thuỷ phân, người ta thấy trong thành phần protein của cà phê có những axit amin sau: Cysteine, Alanie, Phenylalanine, Histidine, Leucine, Lysine, Derine …. Các acid amin này ít thấy ở trạng thái tự do, chúng thường ở dạng liên kết. Khi gia nhiệt, các mạch polypeptide bị phân cắt, các axít amin được giải phóng ra tác dụng với nhau hoặc tác dụng với những chất tạo mùi và vị cho cà phê rang.

Lipid: Hạt cà phê chứa lượng cà phê khá lớn (10-13%). Lipid trong cà phê gồm chủ yếu dầu và sáp. Trong đó sáp chiếm 7-8% tổng lượng lipid, còn dầu chiếm 90%. Trong quá trình chế biến, lipid bị biến đổi, song một phần axit béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hoà tan các chất thơm. Khi pha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã.

Các alcaloid :Trong cà phê có các alcaloid như cafein, trigonulin, colin. Trong đó quan trọng và được nghiên cứu nhiều hơn cả là cafein và trigonulin.

Cafein chiếm từ 1-3% phụ thuộc vào chủng loại, điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác. Hàm lượng cafein thấp hơn trong chè nhưng nó kích thích hệ thần kinh với thời gian dài hơn vì khi uống cà phê tốc độ lưu thông của máu không tăng lên nên cafein thải ra ngoài chậm, mặt khác khi pha cà phê trong nước, cafein được giải phóng hoàn toàn ở trạng thái tự do, không hình thành những chất có khả năng kết tủa hoặc những chất không có hoạt tính của ancaloit.

Trigonellin (acid metyl betanicotic: C7H7NO2) là ancanoit không có hoạt tính sinh lý, ít tan trong rượu etylic, không ta trong clorofoc và ete, tan nhiều trong nước nóng, nhiệt độ nóng chảy là 218oC. Tính chất đáng quý của trigonellin là dưới tác dụng của nhiệt độ cao nó bị thủy phân tạo thành acid nicotic (tiền vitamin PP). Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy trong cà phê nhân không có acid nicotic nhưng nó được hình thành trong quá trình gia nhiệt trong đó sự nhiệt phân trigonellin giữ vị trí quan trọng.

Chất thơm: Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũy trong ht. Sự tích lũy chịu nhiều yếu tố như đất đai , khí hậu và nhất là chủng loại cà phê. Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quá trình rang. Chất thơm bao gồm nhiều cấu tử khác nhau: acid, aldehid, ceton, rượu, phenol,



este. Trong quá trình rang, các chất thơm thoát ra ban đầu có mùi hắc sau chuyển thành mùi thơm. Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi, biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà phê bị mất mùi thơm.

Bảng1.1: Thành phần hóa học của cà phê nhân (theo chất khô)

Thành phần chính Arabica Robusta Thành phần Carbohydrate hòa tan

9 – 12.5% 6 – 11.5%

Monosaccharide 0.2-0.5% Glucose

Fructose Galactose Arabinose

Oligosaccharide 6 – 9% 3-7% Sucrose (>90%) Raffinose (0 – 0.9%), stachyose

Polysaccharide 3-4% polymer của: galactose (55 -65%), mannose (10-20%), arabinose (20-35%) Glucose (0 – 2%)

Carbohydrate không hòa tan

46 – 53% 34 – 44%

Hemicellulose Cellulose, β(1-4) mannan

5 – 10% 6 – 4%

Acid dễ bay hơi 0.1% Acid khó bay hơi 2 – 2.9% 1.3 – 2.2% Acid citric, acid

malic, acid quinic Acid chlorogenic 6.7 – 9.2% 7.1 – 12.1% Monodicaffeoyl –

and feruloylquinic acid

Lignin 1 – 3% Lipid 15 – 18% 8 – 12% Sáp 0.2 – 0.3% Dầu 7.7 – 17.7% Các hợp chất nitơ 11 – 15% Acid amin 0.2 – 0.8% Chủ yếu glut, asp,

asp -NH2 Protein 8.5 – 12%



Caffein 0.8 – 1.4% 1.7 – 4.0% Trigonelline 0.6 – 1.2% 0.3 – 0.9% Chủ yếu glut, asp,

asp -NH2 Khoáng 3 – 5.4%

Hiện nay người ta chia cà phê thành 2 giống lớn

• Cà phê chè Arabica (Coffea arabica):

• Cà phê vối Robusta (Coffea canophera): Ngoài ra còn có các loại cà phê khác: Cà phê mít Excelsa (Coffea excelsa), …

� Trong công nghiệp sản xuất cà phê hòa tan, cà phê nhân thường được sử dụng là cà phê Robusta vì các lý do sau: [10] - Hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê Robusta cao hơn cà phê Arabica,

do đó lượng sản phẩm thu hồi được nhiều hơn. - Hàm lượng caffeine trong cà phê nhân Robusta thường trong khoảng 2%

(chất khô), cao hơn hàm lượng caffeine trong cà phê Arabica (khoảng 1,2% chất khô).

- Giá thành cà phê Robusta thấp hơn Arabica.

Yêu cầu về chất lượng nguyên liệu cà phê nhân trong sản xuất cà phê hòa tan thấp hơn so với nguyên liệu để sản xuất cà phê rang xay.

1.1.2. Nguyên liệu phụ[12] Vai trò của các nguyên liệu phụ trong sản xuất cà phê hòa tan là nhằm để nâng

cao giá trị cảm quan của sản phẩm, đa dạng hóa sản phẩm để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng. Nguyên liệu phụ được sử dụng nhiều nhất là đường, sữa bột và kem không có nguồn gốc từ sữa non.

- Vai trò chính của đường trong sản phẩm cà phê hòa tan là nhằm hạn chế vị đắng của cà phê, nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm. - Vai trò của sữa bột trong sản phẩm là nâng cao giá trị cảm quan của sản phẩm. Trong cà phê hòa tan, vị đắng chiếm vai trò chủ đạo. Do đó, chất béo từ sữa kết hợp với vị ngọt của đường sẽ làm cho sản phẩm cà phê hòa tan có vị hài hòa hơn. Thường sử dụng sữa bột nguyên kem hoặc sữa bột ít béo. - Ngoài ra, nếu cà phê nguyên liệu sau khi rang mà cường độ hương vị đặc trưng của cà phê thấp, chưa đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, ta có thể bổ sung thêm các loại chế phẩm hương cà phê. Tuy nhiên việc bổ sung hương không phổ biến trong sản xuất.



1.2. Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan

1.2.1. Quy trình công nghệ Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan theo [13].

1.2.2. Thuyết minh quy trình � Trích ly

Quá trình trích ly nhằm thu các chất hoà tan có trong bột cà phê rang vào nước.

Dùng nước nóng ở 80- 900C để trích ly. Không dùng nước có nhiệt độ cao hơn vì sẽ

trích ly cả những chất không tốt cho sản phẩm.

Bột cà phê sản xuất cà phê hoà tan cần có kích thước lớn và tiến hành trích ly nhiều

lần để hạn chế lượng bột mịn tan sâu vào trong nước khi trích ly.

� Cô đặc

Mục đích:

- Chuẩn bị: quá trình cô đặc nhằm chuẩn bị cho quá trình sấy, nó làm tăng nồng

độ chất khô trong dịch chiết giúp giảm chi phí về năng lượng, giảm thời gian

sấy, tăng độ đậm đặc của sản phẩm.

- Bảo quản: hạn chế sự xâm nhập và phát triển của vi sinh vật.

Thu hồi chất thơm

Bổ sung chất thơm

Bột cà phê rang

Trích ly

Cà phê hoà tan

Cô đặc

Sấy khô



Phương pháp cô đặc thường dùng là cô đặc chân không:

Dung dịch cà phê được bơm vào thiết bị gia nhiệt. Tại đây nước nhận nhiệt và

bay hơi. Độ chân không được tạo ra nhờ baromet sẽ hút hơi nước và ngưng tụ tại bình

ngưng. Quá trình diễn ra cho đến khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu thì dừng.

� Tách và hồi hương

Nếu để nguyên cà phê bột đem đi chế biến thì chất thơm của cà phê sẽ bị tổn thất

rất nhiều, nhất là trong quá trình sấy phun. Do vậy, người ta thu hồi chất thơm của cà

phê bột trước khi trích ly rồi bổ sung trở lại cho bột cà phê hoà tan.

- Khử hấp phụ:

Quá trình khử hấp phụ được tiến hành trong tháp đứng và tác nhân hấp phụ là khí

trơ (N2). Cà phê bột được làm nóng trong tháp sẽ toát ra các chất thơm. Sau đó bơm

dòng khí trơ đã được đốt nóng đến nhiệt độ nhất định (95°C) vào từ đáy tháp.

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 gồm khí N2 và các

chất thơm.

- Hấp phụ:

Bột cà phê hoà tan sau khi sấy có độ ẩm khoảng 8% và rất xốp nên rất dễ hấp phụ.

Quá trình hấp phụ cũng được tiến hành tại tháp đứng. Hỗn hợp khí vào phải được làm

lạnh (nhiệt độ thường là 8 - 9°C), khi đi qua bột cà phê hoà tan sẽ hấp phụ các chất

thơm có trong hỗn hợp khí, ta thu được bột cà phê hòa tan thành phẩm.

� Sấy khô

Sấy khô nhằm đưa dịch trích ly cà phê cô đặc thành dạng bột khô để tiện lợi cho

quá trình bảo quản và sử dụng.

Các biến đổi của nguyên liệu trong quá trình sấy:

- Trong quá trình sấy, tùy theo phương pháp sấy mà có những biến đổi khác

nhau. Tuy nhiên, các biến đổi diễn ra trong quá trình sấy dịch cà phê cô đặc thường

không đáng kể, chủ yếu là sự bay hơi của ẩm. Trong quá trình sấy phun, quá trình

bay hơi nước diễn ra với tốc độ nhanh vì diện tích bề mặt bốc hơi lớn. Tốc độ bay

hơi nước của quá trình sấy thăng hoa sẽ chậm hơn.



- Ngoài sự bay hơi ẩm, trong quá trình sấy phun còn có hiện tượng bay hơi của

các cấu tử dễ bay hơi, đặc biệt là các cấu tử hương. Đây là nguyên nhân làm

giảm chất lượng cảm quan của cà phê trong quá trình sấy phun.

Các phương pháp sấy dịch cà phê:

- Sấy phun: Dịch phun thành giọt lỏng vào môi trường được cấp nhiệt bằng

không khí nóng. Nhiệt độ khí nóng đi vào khoảng 200 – 260oC, và nhiệt độ của không

khí ra là 107 - 1210 C để đạt yêu cầu chất lượng về vị. Sản phẩm cà phê thu được ở

đáy của thiết bị sấy phun. Sấy theo phương pháp này thành phẩm có dạng hạt rất nhỏ ,

rỗng ruột gọi là bột nhẹ, tỷ trọng nhỏ nhưng cũng dễ hòa tan, hình dáng bột khá đều

đặn.

- Sấy chân không: Dịch đựơc cà phê đưa đến buồng bốc hơi chân không ở nhiệt

độ tháp. Dung dịch được dàn mỏng trên các trục lớn có hơi nóng đi trong trục. Bột khô

thành những màng mỏng quanh ống . Khi đó có bộ phận cơ giới cạo ra rồi tán nhỏ. Bột

sấy theo kiểu này hòa tan được nhanh, tốt

- Sấy bằng phương pháp thăng hoa và hồng ngoại: Đưa dung dịch đực cà phê làm

lạnh, sau đó dùng tia hồng ngoại để sấy đột ngột. Tinh thể thu được dễ tan, hương đảm

bảo, chất lượng tốt. Phương pháp này chủ yếu dùng ở quy mô phòng thí nghiệm.

Trong sản xuất cà phê hoà tan thường dùng nhất là phương pháp sấy phun.

1.3. Tổng quan về công nghệ sấy phun 1.3.1. Giới thiệu công nghệ sấy phun

- Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt. Trong

quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:

+ Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu.

+ Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường

xung quanh.

Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền và bảo

quản sản phẩm được lâu hơn.

- Sấy phun là một công nghệ sấy đặc biệt do khả năng sấy trực tiếp nguyên liệu từ

dạng lỏng sang dạng bột.



Hệ thống sấy phun là hệ thống chuyên dùng để sấy các vật liệu sấy dạng dung

dịch huyền phù, ví dụ trong trong công nghệ sản xuất sữa bột, bột trứng, cà phê hoà

tan,… Cấu tạo chủ yếu của hệ thống sấy phun gồm một bơm dịch thể, một buồng sấy

hình trụ, trong đó bố trí các vòi phun và cuối cùng là cyclon để thu hồi sản phẩm.

Dung dịch được phun thành dạng sương vào trong buồng sấy, quá trình sấy diễn ra rất

nhanh đến mức không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép do đó có thể sử

dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao. Sản phẩm thu được ở dạng bột mịn.

Nhiệt độ dòng khí có thể lên đến 750oC và chỉ phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của

vật liệu. Dòng khí ra khỏi thiết bị sấy phải qua hệ thống cyclon để thu hồi bụi sản

phẩm bị lôi cuốn theo. Việc tuần hoàn khí thải để tiết kiệm trong trường hợp này là

không thực tế vì quá trình thu hồi bụi sẽ mất nhiệt rất nhiều.

Ưu điểm: sấy nhanh, sản phẩm thu được ở dạng bột min, chi phí điều hành tương

đối thấp, tháp sấy có năng suất lớn

Nhược điểm: Kích thước phòng sấy lớn mà vận tốc của tác nhân sấy nhỏ nên

cường độ sấy nhỏ, tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị phức tạp nhất là cơ cấu phun và

hệ thống thu hồi sản phẩm.

1.3.2. Cấu tạo thiết bị sấy phun

Tất cả các thiết bị sấy phun đều bao gồm:

� Cơ cấu phun (vòi phun): Có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng

dưới dạng hạt mịn (sương mù). Quá 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 bề

mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy. Cơ cấu phun có các dạng như : cơ cấu phun áp lực, cơ

cấu phun bằng khí động, đầu phun ly tâm.

Hình 1.2. Cơ cấu phun đĩa ly tâm Hình 1.3. Cơ cấu phun bằng khí



- Vòi phun cơ khí:

Ưu điểm:

Tiêu hao điện năng ít (4 – 10 KWh/ 1 tấn dung dịch)

Năng suất cao (đến 4500 kg/h)

Nhược điểm:

Không dùng được cho dung dịch quá nhớt

Rất nhạy bén vớ tạp chất vì vậy đường kính lỗ phun không nhỏ hơn 1 mm.

Không điều chỉnh được công suất vòi

- Vòi phun đĩa ly tâm:

Đĩa chuyển động với tốc độ 4000 – 20.000 vòng/phút, chất lỏng theo các rãnh trên đĩa

văng ra ngoài thành hạt lỏng. Tốc độ trên vành đĩa cao (130 – 200 m/s). Đĩa quay nhờ

động cơ điện. Chất lỏng được đưa tới đĩa nhờ bơm có độ chênh áp không đổi và điều

chỉnh tự động.

Ưu điểm: có thể làm việc với bât kỳ dịch thể nào kể cả bột nhão.

Nhược điểm: giá thành cao, bố trí và vận hành phức tạp.

- Vòi phun khí động:

Trong vòi phun khí động, dùng không khí để phun dung dịch.Trước hết không khí qua

ống phun tăng tốc độ rồi phun ra miệng phun, dùng bơm đưa dung dịch đến miệng vòi.

Không khí có tốc độ cao sẽ thổi dung dịch văng ra thành hạt nhỏ. Tốc độ khí ra khỏi

ống phun phụ thuộc vào tỷ số áp suất trước và sau ống phun

Ưu điểm: Khả năng ứng dụng với tất cả các loại dung dịch, có khả năng điều chỉnh

lưu lượng và cỡ hạt.

Nhược điểm: Tiêu hao năng lượng lớn so với các vòi phun khác, thường là 50 – 60

kWh/ tấn dung dịch.

� Buồng sấy: Là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không

khí nóng). Buồng sấy phun có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng phổ biến nhất

là buồng sấy hình trụ đứng, đáy côn. Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…)



được thiết kế phụ thuộc vào kích thước các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của

chúng, tức phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương sử dụng.

Dựa vào sự chuyển động của dòng nguyên liệu và tác nhân sấy trong buồng sấy, ta có ba trường hợp sau đây:

- Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều (cocurrent contact): đầu phun nguyên liệu và cửa vào cho tác nhân sấy cũng được bố trí trên đỉnh buồng sấy. Dòng nguyên liệu qua cơ cấu phun tạo sương mù cùng hòa trộn với tác nhân sấy và di chuyển xuống phía đáy buồng sấy. Cả ba loại cơ cấu phun (ly tâm, áp lực và khí động) đều có thể áp dụng trong trường hợp này. Nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào buồng sấy. Trong trường hợp này rất thích hợp cho những nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt độ. Đây cũng là trường hợp phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm. - Dòng nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động ngược chiều (countercurrent contact): đầu phun nguyên liệu được bố trí trên đỉnh buồng sấy và các giọt lỏng sẽ chuyển động theo chiều từ trên xuống. Ngược lại, cửa vào của tác nhân sấy được bố trí ở phần bên dưới thiết bị và không khí nóng sẽ chuyển động theo chiều từ dưới lên. Thông thường, cửa thoát chính cho bột sản phẩm được đặt phía dưới đáy buồng sấy, còn cửa thoát cho tác nhân sấy được đặt phía trên đỉnh buồng. Trong trường hợp này, nhiệt độ bột sản phẩm thu được sẽ cao hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa thoát. Điều này thích hợp cho những sản phẩm bột thô yêu cầu có tỷ trọng cao hoặc có độ xốp thích hợp. Loại cơ cấu phun thường sử dụng là đầu phun bằng khí động hoặc đầu phun áp lực. - Dạng hỗn hợp (mixed flow contact): cửa vào cho tác nhân sấy được bố trí trên đỉnh thiết bị, do đó không khí nóng sẽ chuyển động theo chiều từ trên xuống và thoát ra phía bên dưới thiết bị. Ngược lại, đầu phun nguyên liệu được bố trí gần vị trí trung tâm của thân buồng sấy. Đầu tiên, các hạt lỏng nguyên liệu sẽ chuyển động theo chiều từ dưới lên để hòa trộn với tác nhân sấy. Như vậy, nguyên liệu và tác nhân sấy chuyển động ngược chiều nhau. Sau quá trình bay hơi ẩm, một sản phẩm được hình thành chúng chuyển động theo chiều từ trên xuống phía đáy thiết bị và được thu hồi chủ yếu tại cửa thoát ở đáy buồng sấy. Như vậy, ở giai đoạn sau, các hạt nguyên liệu dạng bột chuyển động cùng chiều với tác nhân sấy.

� Tác nhân sấy: Không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng nhất. Hơi là tác nhân

gia nhiệt phổ biến nhất. Nhiệt độ hơi sử dụng thường dao động trong khoảng 100 –

150oC. Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử

dụng là 100C. Nếu cần nhiệt độ sấy cao hơn thì sử dụng khói lò làm tác nhân gia nhiệt

không khí.



� Hệ thống thu hồi sản phẩm: Bột sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy

buồng sấy. Để tách sản phẩm ra khỏi khí thoát, người ta có thể sử dụng nhiều phương

pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện…

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

� Hệ thống quạt hút: Để tăng lưu lượng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly

tâm. Ở quy mô công nghiệp, các thiết bị sấy phun được trang bị hệ thống hai quạt.

Quạt chính được đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát. Còn quạt phụ

đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy. Ưu điểm của việc sử

dụng hệ thống hai quạt là người ta có thể kiểm soát dễ dàng áp lực trong buồng sấy.

Trong trường hợp chỉ sử dụng một quạt ly tâm đặt sau cyclon thu hồi sản phẩm,

buồng sấy sẽ hoạt động dưới áp lực chân không rất cao. Chính áp lực chân không này

sẽ ảnh hưởng đến lượng bột sản phẩm bị cuốn theo dòng khí thoát, do đó sẽ ảnh hưởng

đến năng suất hoạt động và hiệu quả thu hồi bột sản phẩm của cyclon.

1.3.3. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý làm việc của thiết bị sấy phun là quá trình sấy thực hiện bằng cách phun vật liệu (chất lỏng hoà tan, nhũ tương, huyền phù) thành hạt nhỏ và rơi tự do trong buồng sấy. Môi chất sấy (không khí nóng, khói,…) được thổi vào và chuyển động cùng với vật liệu và sấy khô vật liệu. Nhờ quá trình phun vật liệu thành hạt nhỏ nên bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu và môi chất sấy rất lớn nên cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn ( vài giây đến vài chục giây).

Hình 2.3 : Sơ đồ hệ thống sấy phun



1. Buồng sấy. 5. Cơ cấu phun mẫu.

2. Caloriphe. 6. Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra.

3. Thùng chứa nguyên liệu cần sấy. 7. Cyclon vận chuyển sản phẩm.

4. Bơm nguyên liệu. 8. Hệ thống quạt hút và màng lọc.

Nguyên liệu từ thùng chứa (3) được bơm số (4) bơm vào buồng sấy (1), khi vào

buồng sấy được phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cơ cấu phun. Không

khí nóng thổi qua calorifer (2) đưa vào buồng sấy. Không khí nóng và nguyên liệu ở

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 khô được 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 lại các hạt bụi mịn còn sót lại và thải ra

ngoài.

1.4. Tổng quan về tác nhân sấy

1.4.1. Không khí ẩm 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 sản phẩm sấy sẽ không bị ô nhiễm. Tuy vậy, dùng không khí ẩm cần trang bị thêm bộ phận gia nhiệt không khí (calorife); nhiệt độ không khí sấy không thể quá cao, thường nhỏ hơn 500oC vì nếu nhiệt độ cao thiết bị trao đổi nhiệt phải sử dụng thép hợp kim hay gốm sứ chi phí cao.

1.4.2. Khói lò Dùng khói lò làm tác nhân sấy có ưu điểm là phạm vi nhiệt độ rộng từ hàng chục

độ đến trên 1000oC, không cần calorifer. Tuy nhiên dùng sấy có nhược điểm là khói có thể làm ô nhiễm sản phẩm sấy. Vì vậy khói chỉ dùng cho một số vật liệu như gỗ, đồ gốm, một số loại hạt có vỏ,…

1.4.3. Hơi quá nhiệt Dùng hơi quá nhiệt làm tác nhân sấy trong trong trường hợp sản phẩm dễ cháy

nổ và sản phẩm sấy chịu được nhiệt độ cao.

1.5. Tổng quan về chất tải nhiệt Chất tải nhiệt có nhiệm vụ cấp nhiệt cho môi chất sấy. Chất tải nhiệt thường là

hơi nước, nước nóng, chất lỏng hữu cơ, khói, điện.

1.5.1. Hơi nước Hơi nước là chất tải nhiệt thông dụng nhất. Dùng hơi nước có ưu điểm là:



- Nhiệt độ ổn định. - Dễ điều chỉnh nhiệt độ. - Hơi nước ngưng tụ tỏa nhiệt lớn (ẩn nhiệt hóa hơi lớn) nên hệ số tỏa nhiệt khi

ngưng tụ lớn nên bề mặt trao đổi nhiệt nhỏ.

Nhược điểm là khi dùng hơi nước phải trang bị lò hơi.

1.5.2. Nước nóng Dùng nước nóng làm chất tải nhiệt có ưu điểm:

- Áp suất sử dụng thấp hơn khi dùng hơi. - Lò nước nóng có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ. - Nhiệt dung riêng của nước lớn nên thiết bị gọn.

Nhược điểm khi dùng nước nóng làm chất tải nhiệt là:

- Nhiệt độ bị hạn chế (thường < 100oC), nếu dùng nhiệt độ cao hơn phải dùng nước áp suất cao.

- Cần xử lý nước để chống đóng cặn.

1.5.3. Chất lỏng hữu cơ Ưu điểm:

- Nhiệt độ có thể tăng lên vài trăm độ ở áp suất khí quyển. - Không có hiện tượng đóng cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt. - Lò gia nhiệt chất lỏng hữu cơ có cấu tạo đơn giản hơn so với lò hơi.

Nhược điểm:

- Nhiệt dung riêng bé hơn nước nên lưu lượng lớn hơn so với nước khi cùng công suất.

- Giá thành đắt hơn nước.

1.5.4. Khói lò Dùng khói lò làm chất tải nhiệt có ưu điểm: không phải trang bị lò hơi nên giá đầu tư ít hơn.

Nhược điểm:

- Calorifer khí – khói làm việc ở nhiệt độ cao cần dùng vật liệu chịu nhiệt. - Khói có hệ số truyền nhiệt thấp nên diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với

dùng hơi nước hay chất lỏng. - Khói làm bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt. - Điều chỉnh nhiệt độ khó khăn so với dùng hơi hay chất lỏng.

1.5.5. Điện Dùng điện để cấp nhiệt có các ưu điểm sau:



- Thiết bị đơn giản, hiệu suất sử dụng cao. - Dễ điều chỉnh nhiệt độ. - Không gây ô nhiễm môi trường.

Nhược điểm là giá thành năng lượng cao, chủ yếu dùng ở quy mô phòng thí nghiệm.



CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

2.1. Lựa chọn phương án thiết kế + Vật liệu sấy là dung dịch cà phê có nồng độ ban đầu là 20%.

+ Sản phẩm là cà phê bột độ ẩm 8%. � Theo tính chất của nguyên liệu, có thể sử dụng các phương án sấy như sấy phun,

sấy thăng hoa, sấy hồng ngoại. Theo phân tích thì phương án thích hợp nhất là phương án sấy phun vì các ưu điểm sau:

- Quá trình sấy nhanh, sản phẩm thu được ở dạng bột mịn không cần nghiền và có độ hòa tan lớn.

- Do quá trình sấy nhanh nên nhiệt độ của nguyên liệu không tăng quá cao, các tính chất của sản phẩm được đảm bảo.

- Chi phí nhân công thấp.

- Vận hành và bảo dưỡng đơn giản.

- Thiết kế đa dạng cho từng loại sản phẩm, từng loại qui mô nhà máy.

- Chất lượng bột được bảo đảm trong suốt quá trình sấy.

Mặt khác sấy phun dễ dàng ứng dụng trong công công nghiệp hơn các pháp sấy

thăng hoa, sấy hồng ngoại.

� Qua phân tích ở chương 2 ta tiến hành lựa chọn các phương án chi tiết cho hệ

thống sấy như sau:

- Chọn buồng sấy phun hình trụ, đáy hình nón.

- Chế chuyển động giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy: với chế độ sấy này nhiệt

độ bột sản phẩm thu được sẽ thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tại cửa vào

buồng sấy. Trong trường hợp này rất thích hợp cho những nguyên liệu mẫn

cảm với nhiệt độ. Đây cũng là trường hợp phổ biến nhất được sử dụng trong

công nghiệp thực phẩm.

- Vòi phun kiểu đĩa ly tâm: có thể làm việc với bất kỳ dịch thể nào.

- Chọn tác nhân sấy là không khí nóng: không khí nóng là tác nhân sấy thông

dụng, rẻ tiền, không làm ô nhiễm vật liệu sấy.

- Tác nhân gia nhiệt là khói lò, calorifer khí – khói : vì nhiệt độ sấy chọn

200oC nên sử dụng khói làm tác nhân gia nhiệt không khí, không sử dụng

điện làm tác nhân vì giá thành cao, tác nhân điện ít dùng trong công nghiệp

mà chủ yếu dùng cho quy mô phòng thí nghiệm



- Chọn hệ thống 2 quạt hút kiểu ly tâm: Quạt chính đặt sau thiết bị thu hồi bột

sản phẩm từ dòng khí thoát, quạt phụ đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí

trước khi vào buồng sấy.

- Hệ thống tách bụi cyclon + lọc túi vải

- Vật liệu chế tạo buồng sấy dùng thép không ghỉ X18H10T.

2.2. Các thông số ban đầu

Thông số Dung dịch

cà phê Cà phê hòa tan

Khối lượng riêng ρρρρ (kg/m3) 1050 920 Khối lượng riêng thể tích γ kg/m3 - 550 Nhiệt dung riêng CP (J/kgđộ) 4050 1500 Hệ số dẫn nhiệt λλλλ (W/mđộ) 0,6 1,6 Độ nhớt µµµµ (Ns/m2) 1,5.10-3 - Nhiệt độ đầu tv1 (oC) 45 - Độ ẩm ban đầu W1 % 80 - Độ ẩm cuối W2 % - 8 Độ ẩm tới hạn Wk % - 13 Cường độ bay hơi ẩm A kg/m3h - 0,03



CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY

3.1. Tính cân bằng vật chất

G1 : Năng suất nhập liệu: G1= 1200 [kg/h]

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: W1 = 80%

Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy: W2= 8%

G2 : Năng suất sản phẩm thu được, [kg/h]

W : Năng suất bốc hơi ẩm, [kg ẩm/h]

L : Lượng không khí tiêu hao, [kg kk/h]

Trong quá trình sấy lượng chất khô không đổi nên ta có:

G1(100-W1)= G2(100-W2)

�� G2=G1 =−

−

2

1

100

100

W

W1200. ]/[87,260

8100

80100hkg=

−

−

Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy:

W= G1- G2= 1200 – 260,87 = 939,13 [kg ẩm/h]

Các thông số trạng thái của không khí

Hình 2.1: Đồ thị log h-d cho quá trình sấy không có không khí hồi lưu

ϕ 1

ϕ2

t1

t0

0

h

d

I2 = I3

ϕ = 100 %

1

2

0

d2d0 = d1

t 2

(kJ/kgkkk)

(kg/kgkkk)



3.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết

� Thông số không khí ngoài trời - Trạng thái 0:

+ Chọn không khí ngoài trời có nhiệt độ t0= 300C; ϕϕϕϕo= 0,75

+ Áp suất bão hòa của không khí ngoài trời:

Pbh0= bart

0422,0}305,235

42,402612exp{}

5,235

42,402612exp{

0

=+

−=+

−

+ Độ chứa hơi của không khí ngoài trời:

02.00422,0.75,0

750

74520,75.0,042

.621,0

750

745.621,0 =

−−

=

bhoo

bhooo

P

Pd

ϕ

ϕ [kg/kgkkk]

+ Entanpy của không khí ngoài trời:

h0 = Cpk.t0 + d0(r + Cph.t0)

= 1,004.30 + 0,02(2500 + 1,842.30)= 81,23 [kJ/kgkkk]

+ Nhiệt dung riêng dẫn xuất của không khí:

Cdx(0)= 1,004 + 1,842.d0= 1,004 + 1,842.0,02=1,04 [kJ/kgkkk]

� Thông số không khí sau khi qua calorifer- Trạng thái 1:

+ Nhiệt độ không khí sau khi qua calorifer: t1= 2000C.

+ Độ chứa hơi của không khí ở trạng thái 1: d1= d0 =0,02 [kg/kgkkk]

+ Entanpy của không khí ở trạng thái 1:

h1= Cpk.t1 + d1(r + Cph.t1)

= 1,004.200 + 0,02(2500 + 1,842.200) = 258,2 [kJ/kgkkk]

+ Nhiệt dung riêng dẫn xuất của không khí ở trang thái 1:

Cdx(1)= 1,004 + 1,842.d1= 1,004 + 1,842.0,02=1,04 [kJ/kgkkk]

+ Áp suất bão hòa ở trạng thái 1:

Pbh1= bart

7,15}2005,235

42,402612exp{}

5,235

42,402612exp{

1

=+

−=+

−

+ Độ ẩm tương đối φ1 :

%2,0)02,0621,0.(7,15

02,0.98,0

)621,0.(

.

11

11 =

+=

+=

dp

dp

bh

ϕ

� Thông số không khí sau khi sấy lý thuyết- Trạng thái 2:

+ Nhiệt độ sau khi sấy lý thuyết: t2= 550C

(CT 2.31/31 [3])

(CT 2.18/28 [3])

(CT 2.25/29 [3])

(CT 2.25/29 [3])

(CT 2.31/31 [3])

(CT 2.19/28 [3])



+ Entanpy của không khí sau sấy lý thuyết:

h2= h1=258,2 [kJ/kgkkk]

+ Độ chứa hơi của không khí sau khi sấy lý thuyết:

d2= 2

22

.

.004,1

tCr

th

pa+

−=

55.842,12500

55.004,12,258

+

−= 0,078[kg/kgkkk]

+ Áp suất bão hòa sau khi sấy lý thuyết:

Pbh2= bart

156,0}555,235

42,402612exp{}

5,235

42,402612exp{

2

=+

−=+

−

+ Độ ẩm tương đối sau khi sấy lý thuyết:

%1,70)078,0621,0(156,0

078,0.98,0

)621,0.(

.

22

22 =

+=

+=

dp

dp

bh

ϕ

Bảng 3.1. Thông số trạng thái của không khí trong quá trình sấy

t(0C) d(kg ẩm/ kg kkk)

h(kJ/kgkkk)

0 30 0,02 81,23 1 200 0,02 258,2 2 55 0,078 258,2

� Lượng không khí của quá trình sấy:

− Lượng không khí riêng cần cho quá trình sấy:

lo = =−

=− 02,0078,0

11

2 odd17,24 [kg kkk/kg ẩm]

− Lượng không khí cần cho quá trình sấy:

Lo = lo.W= 17,24.939,13= 16190,6 [kg kkk/ h]

� Nhiệt lượng tiêu hao qo = lo (h1 – h0) = 17,24.(258,2 – 81,23) = 3050,96 [KJ/kg ẩm]

Qo = Lo(h1 – h0) = 16190,6.(258,2 – 81,23) = 2865250,5 [KJ/h]

3.3. Tính toán quá trình sấy thực

− Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:

Qvl = G2Cp(t2 – to) = 260,87 . 1,5.(55 – 30) = 9782,6 (KJ/h)

�� qvl = Qvl/W = 9782,6 / 939,13 = 10,4 (KJ/kg ẩm)

Thông số Trạng thái

(CT 2.26/26[3])

(CT 2.31/31 [3])

(CT 2.19/28 [3])

(CT 7.14/131 [3])

(CT 7.13/131 [3])

(CT 7.15/131 [3])



− Nhiệt lượng do vật liệu ẩm mang vào:

Qa = W.Cn.tvl = 939,13. 4,186. 45 = 176903,9 [KJ/h]

− Giả sử nhiệt tổn thất ra môi trường là 10% tổng lương nhiệt:

Qmt = (Qo + Qvl – Qa). 10%

= (2865250,5 + 9782,6 – 176903,9).0,1 = 269813,92 [Kg/h]

�� qmt = Qmt/W = 269813,92/939,13 = 287,3 [kJ/kg ẩm]

− Các tổn thất nhiệt :

∆ = Cn.tv1 - qmt – qvl

= 4,186.45 –287,3 – 10,4 = -109,33 [kJ/kg ẩm]

⇒ h2 < h1 : trạng thái của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực nằm dưới đường h = h1

� Tính lại các thông số quá trình sấy thực:

d2= d0+ ∆−+

−

2

21)(

.

).(

tCr

ttC

ph

odx=0,02+

33,10955.842,12500

)55200.(04,1

++

−= 0,076 [kg/kgkkk]

h2= 1,004 .t2 + d2(2500 + 1,842 .t2)

= 1,004 .55 + 0,076(2500 + 1,842.55)= 252,9 [kJ/kgkkk]

+ Độ ẩm tương đối sau sấy thực φ2:

%5,68)076,0621,0(156,0

076,0.98,0

)621,0.(

.

22

22 =

+=

+=

dp

dp

bh

ϕ

+ Lượng không khí tiêu hao thực tế:

]/[86,1702,0076,0

11

12

kgkgkkkdd

lo =−

=−

=

Lo= 939,13 .17,86= 16772,9 [kgkkk/h]

+ Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp:

Qo = Lo(h1 – h0) = 16772,9.(258,2 – 81,23) = 2,97.106 (KJ/h) ≈ 825KW

� Kiểm tra lại giả thiết tác nhân sấy: (Tr 105/[4])

(CT 5.14/61 [4])

(CT 5.15/61 [4])



+ Nhiệt lượng tiêu hao:

q = lo (h1- ho) = 17,86.(258,2 – 81,23) = 3160,7 [KJ/kgkk]

+ Nhiệt lượng có ích:

q1 = r + cph.t2 – catvl = 2500 + 1,842.55 – 4,186.45 = 2412,94 [kJ/kg ẩm]

+ Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:

q2 = lo.Cdx(o).(t2 – to) = 17,86.1,04.(55-30) = 464,36 [KJ/kg ẩm]

+ Tổng các nhiệt lượng có ích và các tổn thất q’ :

q’ = q1 + q2 + qv + qmt = 2412,94 + 464,36 + 10,4 + 287,3 = 3175 [kJ/kg ẩm]

∆q =|q –q’| = 3160,7 – 3175 = 14,3

+ Sai số tương đối :

%5,07,3160

3,14==

∆=

q

qε

Với sai số này thì các kết quả được chấp nhận.



CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

4.1. Chọn đĩa phun Chọn đĩa phun có đường kính dd = 100mm.

n= 16000 v/p: tốc độ đĩa quay.

υ0= 0,32 m/s: vận tốc của dịch chảy vào đĩa phun.

Sức căng bề mặt :

σ=0,0757. (1-0,002.tv1) = 0,0757.(1-0,002.45) = 0,069(kgf/m)

4.2. Đường kính thiết bị sấy

� Đường kính hạt cà phê sau khi phun:

][10.7181,9.1050.10.100

069.0.2

16000

5,98

..

25,985,98 63

mgdnRn

ddl

r−

−====

ρ

σ

γ

σ

� Bán kính tán phun:

4,0

1

13,13 )).(

..(Re.10.995,1

uk

k

r tt

gr

d

R

−=Ψ

λ

µ

Trong đó:

RΨ: bán kính tán phun [m]

r=2500: ẩn nhiệt hóa hơi [kJ/kg.độ]

µk=26. 10-6 [N.s/m2]: độ nhớt tuyệt đối của TNS

λk= 0,03930 [W/m.độ]: hệ số dẫn nhiệt của TNS

t1=200: nhiệt độ TNS vào

tu= 45+5= 500C: nhiệt độ ướt của vật liệu.

9,1510.5,1

1050.10.71.32,0...Re

3

600 ====

−

−

µ

ρυ

ν

υ dd dd

µ: độ nhớt tuyệt đối của dịch cà phê cần sấy (N.s/m2)

72,18670)50200.(0393,0

81,9.10.26.2500.9,15.10.995,1

4,0613,13 =

−=

−Ψ

rd

R

�� RΨ= 71.10-6. 18670,72= 1,3 [m]

� Đường kính thiết bị:

D ≥ (1,5 ÷ 1,7) DΨ

(Tr 218 [7])

(Tr 13/[5])

(Tr 161 [5])



→ D = 1,5 . 2 RΨ= 3.1,3 = 3,9[m]

Chọn D = 4m

� Tiết diện buồng sấy:

][56,124

4.14,3

4

. 222

mD

F ===π

4.3. Thể tích thiết bị sấy

tbv t

QV

∆=

.α

Trong đó:

Q : Nhiệt lượng mà vật liệu sấy nhận được từ tác nhân sấy.

vα : Hệ số trao đổi nhiệt thể tích (W/m3K)

tbt∆ : Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình.

� Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ∆∆∆∆t:

+ Lượng ẩm cần bốc hơi trong giai đoạn sấy đẳng tốc:

]/[1,92413,01

13,08,0.1200

11

1'

1 hkgW

WWGW

k

k =−

−=

−

−=

+ Lượng chứa ẩm của tác nhân sấy sau giai đoạn sấy đẳng tốc d’2:

d’2=d1+

)( 21

1

WWl

WW

o

k

−

− = 0,02+)08,08.0.(86,17

13,08,0

−

− = 0,072 [kg/kgkkk]

+ Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi giai đoạn sấy đẳng tốc t’2:

C

Cdd

ddtCt

o

dx

dx

7,6304,1)02,0072,0.(842,1

)33,1092500).(02,0072,0(200.04,1

).(842,1

)2500).((.

)1(1'2

1'21)1('

2

=+−

+−−=

+−

∆−−−=

+ Độ chênh lệch nhiệt độ ∆t1 trong giai đoạn sấy đẳng tốc. Để tính ∆t1 trước hết ta tính

nhiệt độ tư.

tư= tv1 +5= 45+ 5= 500C

C

tt

tttt

t o

u

u

57

507,63

50200ln

7,63200

ln'2

1

'21

1 =

−

−

−=

−

−

−=∆

(CT 13.16/273 [3])

(CT 13.22/274 [3])

(CT 13.25/275[3])

(CT 13.29/276[3])



+ Nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi quá trình sấy tv2:

CWW

WWtttt o

cbk

kuuv 3,52

02,013,0

08,013,0).5055(50).( 2

22 =−

−−+=

−

−−+=

+ Độ chênh lệch nhiệt độ trong giai đoạn sấy tốc độ giảm dần:

C

tt

tt

ttttt o

v

u

vu 8,6

3,5255

507,63ln

)3,5255()507,63(

ln

)()(

22

'2

22'2

2 =

−

−

−−−=

−

−

−−−=∆

+ Tính tỉ số X:

609,0

)02,008,0(

)02,013,0(ln).02,013,0)(7,63200(

)13,08,0).(557,63(1

1

)(

)(ln).)((

))((1

1

2

'21

12'2

=

−

−−−

−−+

=

−

−−−

−−+

=

cb

cbkcbk

k

WW

WWWWtt

WWttX

+ Độ chênh lệch nhiệt độ trong quá trình sấy:

∆t=∆t1(1-X) + ∆t2.X= 57.(1-0,609) + 6,8.0,609 = 26,40C

� Xác định nhiệt lượng VLS nhận được Q:

Q = W(2500+1,842.t2 -4,186.tv1) + Cp.G2(tv2-tv1)

= 939,13.(2500+ 1,842 .55 - 4,186 .45) +1,5 .260,87.(52,3-45)

= 2268920,9 [kJ/h]

� Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích ααααv:

2,0

8,11 ).()

1(

.

...160

−=

k

k

r

kkv

g

dF

G

ρ

ρρ

ρ

λµα

]..

[21868815,0

)8815,01050.(81,9)

10.71

1(

56,12.1050

1200.03396,0.10.14,23.160

3

2,0

8,16

6

Khm

kJv =

−=

−

−

α

Trong đó: các thông số lấy ở nhiệt độ trung bình ttb= (200+55)/2 = 127,5oC.

kλ = 0,03396 : hệ số dẫn nhiệt của không khí [W/mK]

(CT 13.30/276 [3])

(CT 13.18/273 [3])

(Tr 279 [3])

(CT 13.23/275 [3])

(CT 13.24/275 [3])

(Tr 220 [7])



ρk = 0,8815: khối lượng riêng của không khí [kg/m3]

µk = 23,14.10-6 : độ nhớt của không khí. [Nm/s2]

G1: năng suất nhập liệu [kg/h]

F : tiết diện buồng sấy [m2]

ρ: khối lượng riêng của vật liệu sấy [kg/m3]

dr : đường kính hạt sau khi phun [m]

→ Thể tích thiết bị:

][32,394,26.2186

2268920,9 3mV ==

4.4. Xác định thời gian sấy � Thời gian lưu:

kcbluu

H

υυτ

+=

• Xác định tốc độ tác nhân sấy:

]/[458,056,12.3600

9,16772).06,141,1(5,0

.3600

).(5,0 21 smF

Lvv

F

V kkkk =

+=

+==υ

Trong đó: vk1, vk2 : thể tích riêng ứng với 1kg không khí khô

]/[06,1)27355)(076,0621,0(10.64,4

)273)(621,0.(10.64,4

]/[41,1)273200)(02,0621,0(10.64,4

)273)(621,0.(10.64,4

33

223

1

33

113

1

kgkkkm

tdv

kgkkkm

tdv

k

k

=++=

++=

=++=

++=

−

−

−

−

• Tốc độ lơ lửng (tốc độ cân bằng) được tính theo công thức Stockes:

]/[127,08815,0.10.71,25

81,9).8815,01050()10.71(.

18

1

.

).(.

18

16

262

smgd

kk

kr

cb =−

=−

=−

−

ρν

ρρυ

(CT 13.34/277 [3])

(CT 4-180/169 [8])



Vậy:

][5,5127,0458,0

2,3s

H

kcbluu ≈

+=

+=

υυτ

� Thời gian sấy được tính theo công thức sau:

AV

W

.=τ

Trong đó:

W: lượng ẩm cần bốc hơi

V: thể tích buồng sấy

A: cường độ bốc hơi ẩm. Nhiệt độ sấy là 200oC, chọn A = 4,5

Vậy thời gian sấy khô vật liệu là:

][3,55,4.32,39

13,939

.s

AV

W===τ

4.5. Tính bền cho thiết bị sấy

4.5.1. Thân thiết bị Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương

pháp hàn giáp mối

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của các tác nhân nhiệt ẩm với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ X18H10T

Các thông số của thép X18H10T (tra bảng XII.4/310[2])

Khối lượng riêng : ρ = 7,900 kg/m3

Hệ số dẫn nhiệt : λ = 16.3 W/m.K

Giới hạn bền kéo : σk = 540 x 106 N/mm2

Giới hạn bền chảy : σc = 220 x 106 N/mm2

Hệ số bền mối hàn ϕh : chọn hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn giáp mối, 2 phía.

Với đường kính D ≥ 700mm, chọn ϕh = 0.95.

Hệ số hiệu chỉnh η : thiết bị thuộc nhóm 2, loại II, chọn η =1

(CT 13.19/273 [3])



� Ứng suất cho phép giới hạn bền:

�σ�� = ησ�

��= 1.

�� .� �

�,�= 208. 10��N/m��

� Ứng suất cho phép giới hạn chảy:

�σ�� = ησ�

n�

= 1.220. 10�

1,5= 147. 10��

N

m��

Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả vừa tính toán được của ứng suất để tính toán tiếp.

Vì:�σ"�

#φ% =

��&.� �

',(�.� )0,95 = 1424 > 50

Do đó bề dày tối thiểu của thùng được xác định theo công thức:

S =D.P

2�σ�φ%

+ C =4.9,81.10�

2.147. 10�.0,95+ C = 1,6. 1045�m� + C

Trong đó:

Dt : đường kính trong của thiết bị [m]

ϕh : hệ số bền mối hàn

C: Số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày [m]

P : áp suất trong thiết bị [N/m2]

� Các hệ số bổ sung kích thước:

C = C� + C� + C5

Trong đó:

C1 : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường. Chọn C1 = 2,5mm

C2 : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường. Do trong thiết bị không có các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn nên bỏ qua C2.

C3 : hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày. Đối với thép X18H10T, chọn Cc = 0.18mm.

⇒ C = 2,5 + 0 + 0,18 = 2,68�mm�

� Bề dày thực của tháp sấy:

S = 1,6 + C = 1,6 + 2,68 = 4,28�mm�

(VIII.1/355 [2])

(VIII.2/355 [2])

(VIII.8/360 [2])



�� Chọn S = 5 (mm)

� Kiểm tra bề dày tháp:

66

63

63

10.1832,1

10.22010.181

95,0.10).68,25.(2

10.2,0]10).68,25(4[

2,1)(2

)].([=<=

−

−+=≤

−

−+=

−

−cot

CS

pCSD σ

ϕσ

Trong đó: po : áp suất thử

po = pth + p1 = 0,2. 106 + 0 = 0,2 .106 [N/m2]

pth: áp suất thử thủy lực tra bảng XIII.5

p1 : áp suất thủy tĩnh của nước

�� Vậy bề dày tháp sấy là 5mm

4.5.2. Đáy và nắp thiết bị

Chọn nắp elip , đáy dạng nón góc ở đáy là 90o .

Đường kính ống tháo sản phẩm là 0,4m

4.6. Tính tổn thất nhiệt và cách nhiệt cho thiết bị Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:

Qvl= G2. Cp. (t2-to)= 260,87. 1,5. (55-30)= 9782,6[kJ/h]

�� )/(4,1013,939

6,9782kgkJ

W

Qq vl

vl ===

Tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường:

Qmt= K.F.∆t

� Xác định K:

21

111

αλ

δ

α++

=K

Trong đó:

α1: hệ số cấp nhiệt từ trong lòng tháp đến thành thiết bị

α2: hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị ra môi trường bên ngoài

δ: chiều dày vỏ thiết bị

λ: hệ số dẫn nhiệt

(VIII.26/365 [2])



� Xác định αααα1: gồm cấp nhiệt tự do và cưỡng bức.

Chế độ chuyển động của không khí trong thiết bị:

7126710.706,25

4.458,0.Re

6===

−k

k

v

Dυ> 104

=> Chế độ chảy rối.

Ctt

t otb 5,127

2

55200

221 =

+=

+=

• Hệ số cấp nhiệt trong lòng đến thành tháp do đối lưu cưỡng bức αααα’1:

Nu=0,018 .Re0,8 .ε1

Trong đó: ε1 - hệ số hiệu chỉnh tính đến tỉ số giữa chiều dài và đường kính.

Re >104

H/D= 3,2/4 = 0,8

�� Nu= 0,018 . 712670,8 .1,34 = 183,95

56,14

03396,0.95,183.'1 ===

D

Nu kλα

• Hệ số cấp nhiệt trong lòng đến thành tháp do đối lưu tự do:

7,302)2735,127.()10.706,25(

)555,127.(4.81,9.47,0

.

).(..47,0.47,0

25,0

26

3

25,0

22

325,0

=

+

−=

−==

−

tbk

tb

Tv

ttDgGrNu

�� α”1= 57,24

03396,0.7,302.==

D

Nu λ

Hệ số cấp nhiệt tổng quát từ lòng đến thành tháp là:

α1= k.(α’1 + α”1)= 1,25(1,56+2,57)= 5,16

k : hệ số tính đến độ nhám.

� Xác định αααα2: gồm cấp nhiệt tự do và bức xạ nhiệt

α2= α’2 + α”2

Tra bảng V.2/15[2] � ε1= 1,34

(V.36/13 [2])

(V.42/16 [2])

(CT 1.29/24 [9])

[W/m2.độ]

[W/m2.độ]



Nhiệt độ thành ngoài tháp sấy tn= 450C

Nhiệt độ ngoài trời tk=300C

Ctt

t knTB

05,372

3045

2=

+=

+=

Ở nhiệt độ này, ta có: λ=2,7375.10-2 (W/mk): hệ số dẫn nhiệt không khí.

ν= 16, 72 .10-6 (m2/s) : độ nhớt không khí.

• Hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên được tính α’2:

8,226)2735,37.()10.72,16(

)305,37.(4.81,9.47,0

.

).(..47,0.47,0

25,0

26

3

25,0

2

325,0

=

+

−=

−==

−

TBk

kTB

Tv

ttDgGrNu

�� 55,14

10.7375,2.8,226. 2'2 ===

−

D

Nu λα

• Hệ số cấp nhiệt do bức xạ α”2:

21

4

2

4

10

2"

100100..

TT

TTC

−

−

=

ε

α

Trong đó:

ε=0,8: độ đen của vỏ tháp bằng thép

C0= 5,7: hệ số cấp nhiệt của vật đen tuyệt đối

T1= tn + 273= 45+ 273= 318oC

T2= tk + 273= 30 + 273= 303oC

=> 46,5303318

100

303

100

318.7,5.8,0

44

2" =

−

−

=α [W/m2.độ]

(V.135/41 [2])

[W/m2.độ]



Hệ số cấp nhiệt tổng quát từ thành tháp đến không khí:

α2= α’2 + α”2= 1,55 + 5,46= 7,01

- Chọn vật liệu cách nhiệt cho tháp là bông thủy tinh, hệ số dẫn nhiệt là λ2 = 0,0372

(W/m độ).

- Bề dày thiết bị là δ1=5 (mm)

- Bề dày lớp vỏ bảo vệ là δ 3 =1(mm), làm bằng vật liệu là thép không ghỉ X18H10T

có λ1=λ3 = 16,3 (W/m .độ).

- Bề dày của lớp cách nhiệt là : δ 2

Lượng nhiệt truyền từ trong tháp do cấp nhiệt là:

q =π. Dt. α1(ttb –t2) = 3,14 . 4. 5,16 (127,5-55) = 4698,7 [W/m]

Mặt khác :

)( 322

2wwn ttDq −××= π

δ

λ

� )( 322

2

wwn tt

qD

−××

×=

λπ

δ

trong đó :

tW1, tW2 : nhiệt độ bên trong và bên ngoài thành thiết bị xem tW1 ~ tW2 = 127,5oC

tW3, tW4 ; nhiệt độ ở bề trong và bề ngoài của lớp vỏ bảo vệ xem tW3 ~ tW4 = 45oC

D n: đường kính trung bình của thiết bị khi kể cả lớp cách nhiệt và lớp vỏ bảo vệ

Dn = Dt + 2.( δ 1 + δ 2 + δ 3) = 4 + 2.(5 + δ 2 + 1).10-3 = 4,012 + 2 δ 2 [m]

Thay vào tính được δ2 = 8,3.10-3 [m] =8,3 [mm]

Chọn δ2 =10[mm]

[W/m2.độ]



- Hệ số truyền nhiệt tổng quát từ trong lòng thiết bị ra môi trường xung quanh là

2

2

1

31

21

111

λ

δ

λ

δδ

αα+

+++

=K

73,1

0372,0

01,0

3,16

001,0005,0

01,7

1

16,5

11

=

++

++

=K [W/m2 độ]

- Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa môi trường trong thiết bị và môi trường xung quanh:

∆t1 = t1 – tn = 200 – 45 = 155 oC

∆t2 = ttb - tk = 127,5 – 30 = 97,5

C

t

ttt

t o124

5,97

155ln

5,97155

ln2

1

21 =−

=

∆

∆

∆−∆=∆

Diện tích trao đổi nhiệt với bề mặt xung quanh:

][2,534

03,4.14,32,3.03,4.14,3

4.. 2

22

mD

HDFn

n =+=+=π

π

− Tổn thất nhiệt ra môi trường:

Qmt = K.F.∆t = 1,73. 53,2. 124 = 11412,5 [W] = 41085 [KJ/h] � qmt = Qmt/W

= 41085/939,13=43,7 [KJ/kg]

− Nhiệt lượng tiêu hao:

� q = lo (h1- ho) = 17,86.(258,2 – 81,23) = 3160,7 [KJ/kgkk]

− Nhiệt lượng có ích:

� q1 = r + cph.t2 – catvl = 2500 + 1,842.55 – 4,186.45 = 2412,94 [kJ/kg ẩm]

− Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:

� q2 = lo.Cdx(o).(t2 – to) = 17,86.1,04.(55-30) = 464,36 [ KJ/kg ẩm]

− Tổn thất do VLS :



]/[4,1013,939

6,9782kgkJ

W

Qq vl

vl ===

Bảng cân bằng nhiệt :

TT Đại lượng Ký hiệu KJ/Kg ẩm 1 Nhiệt lượng có ích q1 2412,94 2 Tổn thất do tác nhân sấy q2 464,36 3 Tổn thất do vật liệu sấy qv 10,4 4 Tổn thất ra môi trường qmt 43,7 5 Tổng nhiệt lượng tiêu hao q 3160,7



CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

5.1. Tính calorifer � Các thông số ban đầu:

- Các thông số của không khí :

Lượng không khí đi trong thiết bị G2’ = Lo = 16772,9 [kg/h] = 4,7 [kg/s]

Nhiệt độ không khí ban bầu là t’f 2=30o C vào calorifer được gia nhiệt đến t”f 2=

220o C (xem tổn thất nhiệt từ calorifer đến tháp là 20o C)

Chọn loại ống thép dùng làm ống truyền nhiệt có hệ số dẫn nhiệt λ = 50,2

đường kính ống d2/d1 =40/34 mm. Ống được đặt song song; bước ống: s1 = s2 = 1,5 d2 .

− Khói lò:

Khói lò cho đi trong ống thép với vận tốc là ω1 = 6 m/s; không khí đi ngoài ống

thép với vận tốc là: ω2 = 3 m/s

Lưu lượng : G’1= 8,6 [kg/s]

Nhiệt độ : t’f 1 = 500oC .

Nhiệt độ trung bình của không khí:

tf2 = 0,5.( t”f 2 + t’f 2) = 0,5.( 220 + 30) =125oC.

Từ nhiệt độ tf 2 tra bảng các thông số vật lí của không khí ta có:

Khối lượng riêng :ρf 2 = 0,887 [ kg/m3]

Độ nhớt động :υf 2 = 25,3.10-6 [m2/s]

Hệ số dẫn nhiệt : λf2 = 3,38.10-2

Nhiệt dung riêng : Cp 2 = 1,01 [kJ/kg]

Chuẩn số Prandl của không khí: Pr1 = 0,6855

� Nhiệt lượng mà không khí nhận được:

Q2 = G2’.Cp.(t”f 2 – t’f 2) = 6,5.1,01.( 220 – 30 ) = 1247,35 [kW].

(W/m.độ)

(W/m.độ)



Để xác định gần đúng nhiệt độ trung bình của khói lò sau khi trao đổi nhiệt với

không khí giả sử nhiệt độ của nó là tf 1 = 440 oC sau đó tính lặp kiểm tra lại.

Ở nhiệt độ tf 1 = 440 oC ta có :

Cp 1 = 1,1652 [KJ/Kg.độ]

Từ phương trình truyền nhiệt ta có nhiệt lượng mà khói lò truyền cho không khí là:

).(. ''1

'11

'11 ffp ttCGQ −=

Bỏ qua tổn thất nhiệt thì lượng nhiệt này đúng bằng nhiệt lượng mà không khí nhận

được Q2, do vậy ta có:

CCG

Qtt o

P

ff 5,3751652,1.6,8

1247,35500

. 1'

1

2'1

''1 =−=−=

Nhiệt độ trung bình của khói lò được tính lại như sau :

Ctt

t offf 438

2

5,375500

2

''1

'1

1 =+

=+

=

Vì vậy chọn nhiệt độ trung bình của khói lò là 440oC là hợp lý.

Vậy ta dùng tf 1 = 440 oC để chọn các thông số vật lý của khói lò tra bảng ta có

Khối lượng riêng của khói lò : ρ1 = 0,4978 [kg/m3]

Nhiệt dung riêng của khói lò : Cp 1 = 1,1652 [KJ/Kg.độ]

Hệ số dẫn nhiệt của khói lò : λf 1 = 6,044.10-2 [W/m.độ]

Độ nhớt động học của khói lò : υf 1 = 66,75.10-6 [m2/s]

Chuẩn số Prandl của khói lò : Pr1 = 0,636

Chuẩn số Reynolds của khói lò được tính theo công thức sau:

305610.75,66

034,0.6.Re 6

1

1 ===−

f

d

υ

ω

Với giá trị của chuẩn số Re trên tra bảng ta có :

8

Pr 43,01

=Nu



⇒ Nu = 8.0,6360,43 = 6,6

Từ đây ta tính được hệ số cấp nhiệt về phía khói lò :

===⇒

=

−

đôm

W

d

Nu

dNu

ff

f

f

.7,11

034,0

10.044,6.6,6.

.

2

2

1

11

1

11

λα

λ

α

- Về phía không khí ( bên ngoài ống):

474310.3,25

040,0.3.Re

62

222 ===

−f

f

d

υ

ω > 103

Không khí đi trong calorifer theo phương vuông góc vói chùm ống trong trường hợp

này thì chuẩn số Nu được tính theo công thức sau:

2,56636,0.4743.41,0Pr.Re.41,0 35,06,035,01

6,01 === fNu

Từ đây ta tính được hệ số cấp nhiệt phía không khí đi ngoài ống :

�===⇒=

−

đôm

W

d

NudNu f

ff

f

.5,47

040,0

10.38,3.2,56..2

2

2

22

2

22 λα

λ

α

- Hệ số truyền nhiệt tổng quát cho calorifer :

4,9

2,50

10.6

5,47

1

7,11

1

111

13

21

=

++

=

++

=−

λ

δ

αα ff

K

- Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit:

Trong calorifer dòng không khí và dòng khói lò trao đổi nhiệt giao dòng với nhau

một cách hỗn độn do trong calorifer có nhiều tấm ngăn làm đổi hướng của dòng không

khí phía ngoài ống . Lúc này chênh lệch nhiệt độ trung bình sẽ lớn hơn trường hợp

xuôi chiều nhưng nhỏ hơn trường hợp ngược chiều và được tính theo công thức sau:

∆t = ∆tng.ε

(W/m2.độ)



Trong đó :

∆tng = tf1 – tf2 = 440 – 125 = 315 oC

ε : hệ số hiệu chỉnh .

Để tính được ε ta cần tính :

66,030220

5,375500'

2''2

''1

'1

=−

−=

−

−=

ff

ff

tt

ttR

4,030500

30220'

2'

1

'2

''2

=−

−=

−

−=

ff

ff

tt

ttP

Từ hai thông số trên dựa vào đồ thị thực nghiệm V.7/8[2] ta tra được : ε = 0,97

Thay vào ta có :

∆t = 0,97.315 = 306 oC

Tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

][434306.4,9

10. 1247,35

.2

32 mtK

QF ==

∆=

Diện tích mặt ngoài của một ống là .

F1 ống = 2.π. dtb.L = 2.3,14. 0,5.(0,040 + 0,034 ).2 = 0,5 [m2]

Trong đó L là chiều dài của thiết bị, chọn sơ bộ L = 2 m

Tổng số ống cần cho thiết bị truyền nhiệt là:

8685,0

434

1

===ngô

F

Fn [ống]

Bố trí số ống trong 1 dãy bằng số dãy, nên số dãy là:

30868 === nm

Khoảng cách giữa ống ngoài cùng đến Calorifer là a = 0,01m

(V.12/5 [2])

(V.11/5 [2])



Bước ống : s = 1,5.dtb = 1,5.0,5.(0,040+0,034) =0,055 [m]

Chiều rộng thiết bị: B = m.(s -1) + 2a = 0,055.(30 - 1) + 2.0,01 = 1,62 ≈ 1,7[m]

Chiều cao thiết bị : A = B = 1,7[m]

� Lượng nhiên liệu tiêu tốn

Lưu lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy : G2’= 16772,9 [kg/h]

Nhiên liệu dùng để đốt là dầu FO có thành phần chủ yếu là các paraffin từ C14 – C17

Nguyên tố C H O N S A W

Phần trăm 82,98 12,38 0,74 1,12 2,77 0,00 0,01

Lượng không khí khô cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu là :

Lo = 0,115C + 0,346H + 0,043( S – O)

= 0,115. 82,98 + 0,346. 12,38 + 0,043.(2,77 – 0,74) = 13,9 [kg kkk/kg nhiên liệu].

Nhiệt trị cao của dầu FO

Theo công thức Mendeleep:

Qc = 339.C + 1256.H – 109.( O – S)

= 339.82,98 + 1256.12,38 - 109.( 0,74 – 2,77)

= 43900 [ KJ/Kg ]

Sau khi cháy với dầu trở thành khói lò nó được dẫn vào buồng hoà trộn với không

khí ban đầu để có nhiệt độ mong muốn. Quá trình này được đặc trưng bởi hệ số dư của

không khí:

))().(.(

.))..9(1()..9(..

okpkaoaoo

kpkanlnlbdc

ttChhdL

tCWAHhWHtCQ

−+−

++−−+−+=

ηα

(CT 2.5/83[9])

(CT 2.3/83[9])

(CT 2.6/85[9])



Trong đó :

ηbd : Hiệu suất của buồng đốt (ηbd = 0,9 )

Qc : Nhiệt trị cao của nhiên liệu

Cnl,tnl : Nhiệt dung riêng và nhiệt độ của nhiên liệu

Cpk,tk : Nhiệt dung riêng và nhiệt độ của khói lò (Cpk = 1,182 KJ/kgK)

ha, ha o : Enthanpi của hơi nước chứa trong khói lò sau buồng hoà trộn và

enthanpi của không khí ngoài trời (ha =3478/kg, hao = 2552kJ/kg).

do,to : Hàm ẩm và nhiệt độ ban đầu của không khí (do = 0.02 kg/kg kk khô)

W : Lượng hơi nước có trong nhiên liệu

A : Hàm lượng tro có trong nhiên liệu

Thay vào ta tính được:

6,14))30500.(182,1)25523478.(02,0.(9,13

500.182,1)).101238,0.9(1(3478).101238,0.9(29.27,19,0.43900 44

=−+−

+−−+−+=

−−

α

Lượng không khí khô sau buồng hoà trộn cần thiết là:

Lk = 1 + α .Lo - (9.H + W + A)

= 1 + 14,6.13,9 – (9.0,1238 +10-4) = 202,8 [kg kkk /kg nl]

Lượng nhiên liệu tiêu tốn :

B = G2’/ Lk = 16772,9 /202,8 = 82,7 [kg / h ]

Thể tích nhiên liệu tiêu tốn cho quá trình sấy là:

Vd = B/ρd = 82,7/0,92 = 90 [l/h ]

5.2. Tính và chọn cyclon lắng (188-189/[7])

Hệ bụi là dòng không khí có nhiệt độ khoảng 55oC chứa các hạt mịn của sản phẩm

sấy phun với kích thước bé nhất khoảng 71µm. Lưu lượng khí L = 16772,9 [kg/h].

− Khối lượng riêng của khí:

]/[076,1)55273(

273293,1 3mkg=

+=ρ

(CT 3.8/85[9])



− Lưu lượng khí vào cyclon:

]/[3,4076,1.3600

16772,9

3600.3 sm

LVs ===

ρ

Chọn cyclon của viện NIOGAS:

Cho trước ∆P/ρ = 740 và hệ số trở lực ξ = 100

− Tính tốc độ quy ước:

]/[8,3100

740.2

.

.2' smP

v q ==∆

=ρξ

− Đường kính cyclon:

][2,18,3.14,3

3,4.4

'.

.4m

v

VD

q

s ===π

− Trở lực của cyclon:

]/[9,7762

1,076.3,8100

2

. 222

mNv

Pq

===∆ρ

ξ

Chọn cyclon theo catalogue của hãng NIOGAS với đường kính D = 1,2m theo

bảng 4.1 /188[7]

− Các kích thước cơ bản của cyclon:

Đường kính Chiều rộng

cửa vào Chiều cao cửa vào

Đường kính ống tâm

Chiều cao vỏ trụ

Chiều cao nón

D (m) b = 0,21D h = 0,66D do = 0,58D H1 = 1,6D H2 = 2D

1,2 0,252 0,792 0,696 1,92 2,4

5.3. Tính và chọn quạt hút Chọn ống dẫn không khí có đường kính φ= 500mm

� Trở lực từ quạt đến calorifer: Chọn khoảng cách từ quạt đến calorifer là: 1m

Vận tốc dòng khí thổi trong ống:



]/[4,203600.5,0.14,3.165,1

9,16772.4

..

.422

smL

===φπρ

ω

46

10.75,6310.16

5,0.4,20.Re ===

−ν

φω

Vì Re> 104 => nên đây là chế độ chảy rối

16096

10.5,0

5,0.6.6Re

7/8

3

7/8

=

=

=

−ε

φgh

(chọn ống thép, ε=0,5mm: độ nhám tuyệt đối)

6

8/9

3

8/9

10.9,610.5,0

5,0.220.220Re =

=

=

−ε

φn

Ta thấy: Regh< Re < Ren nên hệ số ma sát được tính theo công thức:

02,0

10.75,63

100

500

5,0.46,1.1,0

Re

100.46,1.1,0

25,0

4

25,0

=

+=

+=

φ

ελ

Trở lực từ quạt đến calorifer là:

]/[7,9

2

4,20.165,1.

5,0

1.02,0

2... 2

22

1 mNL

P ===∆ω

ρφ

λ

� Trở lực trong calorifer:

Nhiệt độ trung bình của dòng khí trong calorifer:

Cttb0125

2

30220=

+=∆

Vận tốc không khí trong calorifer

]/[3,53600.1.887,0

9,16772

.sm

F

L===

ρω

Trong đó :

F = F1 – F2 = 1,7 . 2 – 30.(2 . 0,04) = 1 [m2]

F1 : Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F2 : Diện tích chiếm chỗ của các ống truyền nhiệt.

Chuẩn số Reynol:

4

610.9,41

10.29,25

2.3,5.Re ===

−ν

ω l

(CT II. 60/378/[1])

(CT II. 62/379/[1]).

(CT II. 64/380/[1]



Do ống sắp theo kiểu song song nên:

9,8)10.9,41()04,0

055,0)(30.96(Re))(96( 26,0423,026,023,0 =+=+= −−−−

d

smξ

Với s là khoảng cách các ống theo phương cắt ngang của ống dòng chuyển động (theo chiều rộng của dòng)

m là số dãy chùm theo phương chuyển động (m = 30)

d đường kính ngoài của ống : d = 0,040m

Vậy trở lực do calorifer:

]/[9,1102

3,5.887,0.9,8

2.. 2

22

2 mNP ===∆ω

ρξ

� Trở lực từ calorifer đến buồng sấy: ω: vận tốc không khí trong ống dẫn

]/[335,0.14,3.3600.717,0

9,16772.4

..

.422

smL

===φπρ

ω

46

10.4,4410.15,37

5,0.33.Re ===

−ν

φω

Ta thấy: Regh < Re < Ren, nên hệ số ma sát được tính theo công thức:

0202,0

410,44

100

500

5,0.46,1.1,0

Re

100.46,1.1,0

25,0

4

25,0

=

+=

+=

φ

ελ

Trở lực:

]/[6,236

2

33.717,0.

5,0

150202,0

2... 2

22

3 mNL

P ===∆ω

ρφ

λ

� Trở lực trong thiết bị sấy:

24,1)10.1,36(

16

Re

162,042,0

===λ

]/[15,0

2

585,0.8815,0.

4

2,3.24,1

2... 2

22

4 mNL

P ===∆ω

ρφ

λ

� Trở lực đột thu mở vào và ra thiết bị: Tiết diện của ống:

][196,04

5,0.14,3

4

. 222

mF ===φπ

Tiết diện của tháp sấy:

][56,124

4.14,3

4

. 222

1 mD

F ===π



Ta có: F/F1= 0,0156; từ đây tra bảng ta có ε = 1 Xem trở lực đột thu bằng trở lực đột mở; vậy tổng trở lực đột thu và đột mở được

tính theo biểu thức sau:

]/[8,780717,0.2

33.1.2.

2..2 2

22

5 mNP ===∆ ρω

ε

Vậy tổng trở lực là:

][2,195)/(1,1915 22

54321 OmmHmNPPPPPPPH p ≈=∆+∆+∆+∆+∆+∆=Σ∆=

Áp suất quạt trong điều kiện thực tế:

]/[4,198185,1

746,0.

293

200273.2,195.

760

293

273. 2mN

B

tHH k

p =+

=+

=ρ

ρ

Trong đó:

t : nhiệt độ làm việc của khí ρ : khối lượng riêng của khí ở điều kiện tiêu chuẩn ρk : khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc B: áp suất tại nơi đặt quạt ( B = 760mmHg)

Công suất của quạt được tính theo công thức:

][5,121000.95,0.76,0

4,198.2,6.746,0.81,9

1000..

..KW

QHgN

trq

p===

ηη

ρ

Trong đó:

Q = 16772,9 [kg/h] ≈ 6,2 [m3/s]

ηq:hiệu suất quạt

ηtr:hiệu suất truyền động

Trong hệ thống dùng 2 quạt mắc nối tiếp như vậy công suất của mỗi quạt là 6,3

KW

Một quạt đặt trước calorifer đẩy không khí vào calorifer còn một quạt đặt sau

cycle hút không khí khỏi thiết bị sấy

Công suất của động cơ mỗi quạt:

Nđc= β.N ;

với N > 5 chọn hệ số dự trữ β = 1,1

Vậy công suấy động cơ:

Nđc= 1,1.6,3 ≈ 7 [KW]

Với giá trị tính được1816,42 [N/m2] và Q = 6,2[m3/s] ≈ 22320 [m3/h] dựa vào

đồ thị đặc tuyến của quạt ly tâm ta chọn quạt II4- 70 N08.



Kích thước (mm)

A B B1 B2 G E N P K H

518 839 624 560 615 718 - 520 890 -

Kích thước (mm) Số lỗ

Khối

lượng

(kg)

Bánh đai thường

D D1 d1 d2 n1 n2 Do O số

rãnh

Loại

dây

đai

820 850 9 8,5 - 16 - 315 190 7 B

5.4. Tính và chọn bơm Áp suất toàn phần do bơm tạo ra :

mo hHg

PPH ++

−=

.12

ρ (II.185/438/[1])

Trong đó:

H: áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P1, P2: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian đẩy và hút (P1 =1at, P2

=1,5at)

Ho: chiều cao nâng chất lỏng

hm: áp suất tiêu tốn để thắng để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và

đẩy, Ho= 7,5m

g

Phm .ρ

∆=

Trong đó:

cmd PPPP ∆+∆+∆=∆

Áp suất động học để tạo vận tốc dòng chảy ra khỏi ống đẩy

2

. 2ωρ=∆ dP

ρ : khối lượng riêng dung dịch cà phê, ρ =1050 kg/m3

ω : vận tốc dòng chất lỏng đi trong ống, chọn ω = 1,5 m/s

- Lưu lượng thể tích dịch sữa là:



)/(10.32,03600.1050

1200

3600.33 sm

GQ −===

ρ

- Đường kính tương đương của đường ống:

)(017,05,1.785,0

10.32,0

.785,0

3

mV

d td ===−

ω

� )/(25,11812

5,1.1050

2

. 222

mNpd ===∆ωρ

Áp suất để khắc phục trở lực do ma sát trên đường ống dẫn

gd

lpm .2

...

2ωρλ=∆

Trong đó:

l: chiều dài ống dẫn, chọn l =15 m

d: đường kính ống dẫn, d=0,017 m

λ : hệ số ma sát

1785010.5,1

1050.017,0.5,1..Re

3===

−µ

ρω tdd > 4000 => chế độ chảy rối

Chọn ống thép là X18H10T

� Độ nhám tuyệt đối là ε = 0,2mm

Trị số Raynolds giới giới hạn được tính theo công thức sau:

1,96210.2.0

017,0.6.6Re

7

8

3

7

8

=

=

=

−ε

dgh (II. 60/378/[1])

Trị số Raynolds khi bắt đầu vùng nhám Ren

1,3258510.2.0

017,0.220.220Re

8

9

3

8

9

=

=

=

−ε

dn (II. 62/379/[1])

=> Regh < Re < Ren ( dòng chảy quá độ)

=> Hệ số ma sát được tính theo công thức II. 64/380/[6]



032,017850

100

017,0

10.2,046,11.0

Re

100.46.11.0

25.0325.0

=

+=

+=

−

d

ελ

)/(340081,9.2

5,1.1050.

017,0

15.032,0

.2

... 2

22

mNgd

lPm ===∆=>

ωρλ

Áp suất để thắng trở lực cục bộ

2

..

2 ρωξ=∆ cP

Trong đó:

ξ : hệ số trở lực cục bộ

Chọn 2 van tiêu chuẩn 1ξ =2.1,3=2,6

Chọn 2 khủy ghép 900 do 2 khủy 45 tạo thành, chọn 2ξ = 2.2.0,38=1,52

12,421 =+= ξξξ

]/[75,48662

1050.5,1.12,4

2

.. 2

22

mNPc ===∆ρω

ξ

Vậy: ]/[944875,4866340025,1181 2mNPPPp cmd =++=∆+∆+∆=∆

� 917,081,9.1050

9448

.==

∆=

g

Phm

ρ

Áp suất toàn phần của bơm:

)(7,13917,05,781,9.1050

10.81,9).15,1(

.

4

012 mhH

g

PPH m =++

−=++

−=

ρ

Công suất của bơm:

][05,098,0.92,0.95,0.1000

81,9.1050.7,13.10.312,0

.1000

... 3

KWgHQ

NckHv

===−

ηηη

ρ

Trong đó:

Hiệu suất thể tích ηv = (0,90 ÷ 0,98). Chọn ηv =0,95

Hiệu suất thủy lực ηH = (0,89 ÷ 0,95). Chọn ηv =0,92

Hiệu suất thể tích ηck = (0,92 ÷ 1,0). Chọn ηv =0,98



Công suất bơm N < 1KW, để bơm làm việc an toàn ta chọn hệ số an toàn β=2.

Vậy công suất động cơ:

N’=β.N= 0,05.2=0,1[KW]

5.5. Tính công suất động cơ đĩa phun

][05,084.3600

1200.10.91,1.10.91,1 3

1.3 KWGN === −− ω

Trong đó:

G1: lưu lượng dịch thể [kg/s]

ω: tốc độ quay của đĩa [m/s]

Tốc độ đĩa quay n= 16000 vòng/phút, đường kính đĩa d = 0,1m

� ω = 3,14.d.n/60 = 3,14.0,1.16000/60 = 84[m/s]

5.6. Chân đỡ và cửa quan sát, sửa chữa Cửa quan sát làm bằng kính thủy tinh chịu nhiệt có đường kính D = 300 [mm] Cửa sửa chữa có kích thước 600 x 500 [mm] Chân đỡ cao 5 m

(CT 13.15/272/[3]).



KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm tòi nghiên cứu về đề tài sấy vật liệu đặc biệt là sấy phun cà

phê bột hoà em có một vài nhận xét về ưu nhược điểm của công nghệ này như sau:

Về mặt ưu điểm

- Công nghệ này có thể sấy được các loại vật liệu dạng dung dịch, dạng huyền

phù với thời gian sấy rất nhanh.

- Sản phẩm thu được ở dạng bột mịn, không cần nghiền, và chất lượng hầu như

không bị biến đổi nhiều đổi sau với ban đầu.

- Thiết bị này có thể dễ dàng tự động hoá, điều khiển bằng máy tính

Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm đó thì nó cũng có một số đặc điểm như sau:

- Chi phí năng lượng cho quá trình sấy lớn.

- Thiết bị khó gia công, khó chế tạo đặc biệt là cơ cấu đĩa phun ly tâm. Quá trình

sấy diễn ra trong buồng sấy với chế độ phức tạp.

Hiện nay thiết bị sấy phun được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế như sấy sản

xuất bột cam, bột đậu nành, sản xuất sữa bột…và đặc biệt là trong công nghệ sản xuất

cà phê hoà tan vì nó cho chất lượng sản phẩm cao và thời gian sấy ngắn mà các thiết

bị khác không đáp ứng được.

Qua tính toán thiết kế tuy kết quả chỉ mang ý nghĩa lý thuyết nhưng giúp em biết

được các bước cơ bản, các nguyên tắc, cách áp dụng công thức, tra bảng để tìm thông

số, trong việc thiết kế một thống sản xuất thực phẩm. Đây là một tiền đề quan trọng

cho một kỹ sư sau khi ra trường.

Sau một thời gian cố gắng tìm đọc, tra cứu tài liệu tham khảo, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế được giao. Đồ án thiết kế quá trình thiết bị tuy đã hoàn thành, nhưng vẫn còn nhiều điểm thiếu soát, mong các thầy cô nhận xét và hướng dẫn để bài của em được hoàn thiện hơn.

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Đức

Trung đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuông - Hồ Lê Viên, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.

2. Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuông - Phạm Xuân Toản, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.

3. Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, Nhà XB Giáo dục, Hà Nội, 2001.

4. Trần Văn Phú, Kỹ thuật sấy, Nhà XB Giáo dục, Hà Nội, 2008.

5. Hoàng Văn Chước, Kỹ thuật sấy, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1999.

6. Hoàng Văn Chước, Thiết kế hệ thống thiết bị sấy, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.

7. Nguyễn Văn Lụa, Kỹ thuật sấy vật liệu, Nhà XB Đại học Quốc gia, TP. Hồ Chí Minh, 2006.

8. Nguyễn Văn May, Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.

9. Phạm Xuân Toản, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm - Tập 3: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2008.

10. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm – Tập 3 Truyền khối, Nhà XB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2004.

11. Phạm Văn Bôn -Vũ Bá Minh - Hoàng Minh Nam, Quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá học, Tập 10, Nhà XB Đại Học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, 2000.

12. Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ chế biến thực phẩm, Nhà XB Đại học Quốc Gia, TP. Hồ Chí Minh, 2009.

13. Lương Hồng Quang, Bài giảng Công nghệ chế biến và bảo quản trà, cà phê, ca cao, ĐH Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh, 2012.

14. Nguyễn Tấn Dũng, Bài giảng Kỹ Thuật thực phẩm, ĐH Sư phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.

do an say caphe bot hc_ntt_09116067_spkt rdocx

Documents