Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc làm lạnh bằng phương pháp nitơ lỏng năng suất 100 200kg giờ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.65 MB, 35 trang )
1
BỘ CÔNG THƯƠNG
Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp
VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009
ĐỀ TÀI:
“Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc
làm lạnh bằng nitơ lỏng năng suất 100-200 kg/h.”
Mã Số: 172.09 RD/HĐ-KHCN
Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương
Đơn vị chủ trì: Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp
Chủ nhiệm đề tài: Ks. Nguyễn Quốc Vũ
7728
27/02/2010
Hà nội, tháng 12 năm 2009
2
BỘ CÔNG THƯƠNG
Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp
VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009
ĐỀ TÀI:
“Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc
làm lạnh bằng nitơ lỏng năng suất 100-200 kg/h.”
Mã Số: 172.09 RD/HĐ-KHCN
ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
VIỆN NC TK CT MÁY NÔNG NGHIỆP
Nguyễn Quốc Vũ
Hà nội, tháng 12 năm 2009
3
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH
TT Họ và Tên
Học hàm học vị
chuyên môn
Chức vụ Cơ quan
1 Nguyễn Quốc Vũ Kỹ sư Trưởng phòng
nghiên cứu 2
Viện
NCTKCT
máy NN
2 Vũ văn Dương Kỹ sư -nt-
3 Nguyễn Tường Vân Tiến Sĩ Viện Trưởng -nt-
4
MỤC LỤC BÁO CÁO
1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ
LỎNG LÀM LẠNH 5
1.1 Các phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt và những yếu tố ảnh hưởng 6
1.2 Máy nghiền mịn ngũ cốc 9
1.2.1 Rotor máy nghiền bằng phương pháp va đập 11
1.2.2 Stator máy nghiền bằng phương pháp va đập 12
1.2.3 Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động 13
2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM
LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 15
2.1 Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc 16
2.2 Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh 17
2.3 Thiết kế cụm chi tiết phân ly 20
3 CHẾ TẠO MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM
LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 22
4 KHẢO NGHIỆM MÁY NGHIỀN MỊN SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH
NĂNG SUẤT 100-200 KG/H 26
4.1 Mục đích khảo nghiệm: 26
4.2 Dụng cụ, thiết bị đo đạc dùng trong khảo nghiệm 26
4.3 Phương pháp tiến hành khảo nghiệm: 26
4.4 Kết quả khảo nghiệm: 28
5
KẾTLUẬNVÀKIẾNNGHỊ 34
5
1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ
DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH
Trong hầu hết các ngành công nghiệp chế biến, nguyên công nghiền nhỏ nguyên
liệu, vật liệu dạng hạt đến kích thước phù hợp được sử dụng nhằm đáp ứng yêu cầu công
nghệ, đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm. Bản chất của quá trình nghiền vật liệu này là
làm nhỏ kích thước vật liệu, nhờ đó làm thay đổi một số tính chất vật lý của vậ
t liệu để
phù hợp cho các công đoạn chế biến tiếp theo hoặc phù hợp với yêu cầu chất lượng của
sản phẩm. Những tính chất vật lý được thay đổi có thể kể đến như làm tăng diện tích tiếp
xúc của vật liệu; thay đổi khối lượng riêng của vật liệu; thay đổi khả năng hòa tan, khả
năng tạo huyền phù của vật liệu trong dung dịch; thay đổi các tính chất dẫn nhiệt, dẫn
điện của vật liệu…
Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, nghiền các nguyên liệu, sản phẩm ngũ cốc
(với thành phần chủ yếu từ tinh bột, đường, protein, chất béo/dầu,…) cũng được sử dụng
nhằm đạt được sự thay đổi về các tính chất vật lý kể trên để phù hợp với các nguyên công
chế biế
n như tạo được độ đồng đều trong phối trộn/ nhào trộn các nguyên liệu, tăng (thay
đổi) khả năng trương nở/ ngậm nước, khả năng tạo huyền phù trong hỗn dịch…
Việc nghiền mịn các hạt ngũ cốc có chứa protein và chất béo với hàm lượng cao
thường gặp một số trở ngại nhất định. Trong quá trình nghiền, đặc biệt với yêu cầu về độ
mịn sau nghiền cao, nhiệt độ của vật liệu nghiền tăng cao, dẫn đến vật liệu trở nên dẻo,
bết dính, điều này gây cản trở quá trình nghiền, thậm chí dẫn đến quá trình nghiền không
thể thực hiện được. Nhiệt độ của các hạt ngũ cốc trong quá trình nghiền cao cũng có thể
gây biến đổi các tính chất hóa học như xảy ra sự oxy hóa, biến đổi các tính chất củ
a thành
phần protein, chất béo… Giải pháp được đưa ra là lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị
nghiền phù hợp (ít làm tăng nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nghiền) kết hợp với việc
làm nguội/ làm làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền. Tác nhân làm lạnh vật liệu trong
quá trình nghiền thường được sử dụng là nitơ lỏng với ưu điểm có nhiệt độ hóa lỏng thấp
6
(- 196
0
C), khả năng dễ điều khiển nhiệt độ vật liệu, cũng như hạn chế được khả năng oxy
hóa vật liệu nghiền, khả năng cháy nổ trong quá trình nghiền.
Nhóm thực hiện đề tài sẽ tập trung nghiên cứu lựa chọn phương pháp nghiền, thiết
bị nghiền phù hợp có sử dụng nitơ lỏng làm lạnh vật liệu nghiền cho ứng dụng nghiề
n các
sản phẩm ngũ cốc có chứa hàm lượng protein, chất béo cao như đậu tương, ngô…
1.1 Các phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt và những yếu tố ảnh hưởng
Dưới tác dụng cơ học, vật liệu được tác động đến một lực vượt quá ngưỡng biến
dạng đàn hồi và bị phân tách để có kích thước nhỏ hơn. Việc nghiền nhỏ vật li
ệu dạng
hạt nhờ lực cơ học được phân loại theo các phương pháp (1):
a- Phương pháp ép, miết (hình 1-a, 1-c), dưới tác dụng của lực ép, miết hay kết
hợp cả hai, vật liệu ở hai mặt ép bị phân tách, vỡ ra thành các hạt có kích thước
nhỏ hơn;
b- Phương pháp cắt nhỏ vật liệu thông qua dao cắt (hình 1-b);
c- Phương pháp mài tách lớp (hình 1-f);
d- Phương pháp va đập (hình 1-d, 1-e), vật liệu được cung c
ấp động năng lớn va
đập với nhau hoặc với bề mặt cứng và vỡ thành những mảnh có kích thước nhỏ
hơn. Các thiết bị nghiền sử dụng các phương pháp nghiền kể trên một cách
Hình 1: Phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt dưới tác dụng cơ học
7
riêng biệt hoặc/ và thường được sử dụng kết hợp hai hoặc nhiều phương
phương pháp nghiền.
Việc lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị nghiền tương ứng dựa trên tính chất
của vật liệu được nghiền, yêu cầu năng suất nghiền mức độ nghiền nhỏ cũng như độ đồng
đều của vật liệu sau nghiền.
Tính ch
ất quan trọng của vật liệu nghiền cần được quan tâm trong quá trình lựa
chọn phương pháp, thiết bị nghiền có thể kể đến như khả năng nghiền nhỏ của vật liệu
ứng với mỗi phương pháp nghiền, độ cứng của vật liệu cần nghiền…
Khả năng nghiền nhỏ của vật liệu nghiền được xác định bởi khối lượ
ng vật liệu
được nghiền trong một đơn vị thời gian để đạt tới độ mịn qua sàng 200 mesh (1). Khả
năng nghiền nhỏ của vật liệu nghiền phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu được
nghiền. Những tính chất này thể hiện ở độ cứng, độ dẻo, đàn hồi… của vật liệu.
Độ cứng của vật liệu nghiền được phân loại theo thang đo độ cứng vật liệu Mohs
(Bảng 1). Theo Mohs, độ cứng của vật liệu được chia làm 10 mức. Cho tới mức 3, vật
liệu được coi là mềm, từ mức 4 đến mức 6 vật liệu có độ cứng trung bình, và từ mức 7 trở
lên ứng với vật liệu cứng. Độ cứng của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến lực cơ khí c
ần thiết
cho việc nghiền cũng như khả năng mài mòn của vật liệu lên các thiết bị nghiền. Như vậy
ứng với vật liệu nghiền cần có thiết bị nghiền được thiết kế có khả năng nghiền cũng như
khả năng chịu mài mòn trong quá trình nghiền. Nói chung, các nguyên liệu trong sản
xuất, chế biến các sản phẩm thực phẩm, các hạt ngũ cốc có
đội cứng nằm trong dải thang
độ cứng từ 1 đến 3, thuộc dạng vật liệu mềm.
Bên cạnh độ cứng của vật liệu nghiền, độ dẻo, đàn hồi của vật liệu cũng ảnh
hưởng đến khả năng, năng suất nghiền trên các phương pháp nghiền khác nhau. Vật liệu
có độ dẻo, đàn hồi cao thường gây khó khăn cho việc nghiền, nhất là khi có yêu cầu
nghiền vật liệu đến độ mịn cao. Việc xác định được độ dẻo, độ đàn hồi của vật liệu nhằm
đưa ra lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền phù hợp.
Bảng 1: Bảng phân loại độ cứng vật liệu theo Mohs
Phân loại độ cứng
của vật liệu
Thang đo độ cứng
theo Mohs
Ví dụ
8
Mềm 1 Đá tan
Mềm 2 Thạch cao
Mềm 3 Canxit
Cứng trung bình 4 Fluorit
Cứng trung bình 5 Apatit
Cứng trung bình 6 Fenspat
Cứng 7 Thạch anh
Cứng 8 Topaz
Cứng 9 Corundum
Cứng 10 Kim cương
Độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu sau nghiền cũng là yếu tố cần quan
tâm trong lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền. Độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật
liệu sau nghiền được đặt ra theo yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên với yêu cầu về độ mịn của
vật liệu sau nghiền càng cao, chi phí năng lượng cho nghiền cũng tăng lên nhiều, đồng
thời năng suất nghiền của thiết bị giảm đi nhiều lần (Đồ thị 1). Thực nghiệm cho thấy,
khi vật liệu được nghiền đến độ mịn nhất định thì khả năng liên kết tạo vón từ những hạt
mịn xảy ra, và khả năng này gặp nhiều hơn ở vật liệu mềm hơ
n ở vật liệu cứng (1). Khả
năng liên kết tạo vón này làm ảnh hưởng đến việc phân ly vật liệu trong và sau quá trình
nghiền. Như vậy, theo yêu cầu về độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu cần có
phương pháp phân ly vật liệu trong và sau quá trình nghiền cho phù hợp.
Một số yếu tố khác của như nhiệt độ, độ ẩm của vật liệu nghiền cũng có ảnh
hưởng đến quá trình nghiền. Trong quá trình nghiền, nhiệt độ của vật liệu nghiền tăng
lên, đặc biệt đối với yêu cầu về độ mịn cao sau nghiền.
Ở một số vật liệu trong đó có chứa hàm lượng protein, dầu, chất béo cao như đậu
tương, ngô, cùng với việc tăng nhiệt độ, tính chất vật lý của vật liệu như độ dẻo, độ đàn
hồi cũng thay đổi. Vật liệu trở nên dẻo và đàn hồi hơn cản trở quá trình nghiền, thậm chí
làm mất khả năng nghiền của thiết bị. Ngoài ra, việc gia tăng nhiệt độ trong quá trình
nghiền có thể làm giảm đáng kể chất lượng của sản phẩm. Để nghiền mịn những vật liệu
này cần thiết lựa chọn ph
ương pháp, thiết bị nghiền phù hợp nhằm giảm thiểu sự gia tăng
nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nghiền. Để có thể nghiền mịn được những vật liệu
9
này, việc làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền là cần thiết. Việc làm lạnh vật liệu
nghiền ở mức độ nhất định nào đó còn làm vật liệu trở nên giòn hơn, dễ bị phá vỡ hơn,
nhờ đó hiệu suất nghiền vật liệu sẽ tăng lên. Đối với nghiền khô các vật liệu dạng hạt, tác
nhân làm lạnh nitơ thường được sử dụ
ng bởi ưu điểm dễ điều khiển quá trình làm lạnh
vật liệu, và hơn nữa sự có mặt của nitơ cũng góp phần giảm thiểu quá oxy hóa sản phẩm
nghiền, khả năng gây cháy nổ, một vấn đề cần quan tâm trong quá trình nghiền.
1.2 Máy nghiền mịn ngũ cốc
Các thiết bị nghiền được thiết kế dựa trên các phương pháp nghiền kể trên. Tùy
thuộc vào vật liệu nghiền với những tính chất vật lý riêng biệt và theo yêu cầu về độ mịn
sau nghiền của vật liệu, năng suất nghiền,
người ta lựa chọn loại thiết bị nghiền cho
phù hợp (Bảng 2).
Các thiết bị nghiền theo phương pháp
sử dụng dao cắt (Hình 2) thường được sử
Đồ thị 1: Sự thay đổi năng suất, chi phí năng lượng, giá thành nghiền
theo yêu cầu độ mịn sau nghiền (1)
Hình 2: Thiết bị nghiền cắt
10
dụng trong việc làm nhỏ các vật liệu dạng xơ như thực vật, giấy hay vật liệu nhựa tổng
hợp để đạt đến kích thước 1-6 mm.
Các thiết bị nghiền dựa trên phương pháp ép thường được sử dụng đối với các loại
vật liệu cứng, giòn, dễ bị bẻ vỡ dưới lực ép như một số khoáng sản, than, thủy tinh để đạ
t
đến kích thước sau nghiền 1-100 mm.
Những thiết bị nghiền như nghiền bi, nghiền lô, nghiền trục ép dưới áp suất lớn
cho phép nghiền những vật liệu có độ cứng cao, ít dính bết và không bị ảnh hưởng của
nhiệt độ cao đến chất lượng trong quá trình nghiền ví dụ như nghiền xi măng, các loại bột
khoáng sản CaCO
3
… Độ mịn của vật liệu sau nghiền có thể đạt tới < 10 µm.
Đối với ứng dụng nghiền các hạt ngũ cốc, vật liệu thuộc dạng mềm, vật liệu nhạy
cảm với nhiệt độ trong quá trình nghiền, các kiểu thiết bị nghiền theo phương pháp va
đập thường được sử dụng. Đây là kiểu thiết
bị nghiền thường được sử d
ụng cho nghiền
các dạng vật liệu mềm cho đến có độ cứng
trung bình. Độ mịn của vật liệu sau nghiền
trên các thiết bị này có thể từ vài mm đến rất
mịn 10-50 µm tùy thuộc vào kết cấu, tốc độ
vòng quay của đĩa nghiền. Các thiết bị
nghiền kiểu này thường có kết cấu gồm stator
Bảng 2: Bảng lựa chọn kiểu thiết bị nghiền phù hợp theo độ mịn của vật liệu sau nghiền
Hình 3: Các dạng roto sử dụng trên thiết bị
nghiền theo phương pháp va đập
11
(vỏ nghiền, hàm nghiền) cùng rotor nghiền (Hình 3), trên đó được gá các cánh va đập
(búa nghiền) hay các răng (kim) nghiền. Roto nghiền quay va đập vào vật liệu nghiền
đồng thời truyền động năng cho vật liệu nghiền va đập với nhau và va đập vào stator.
Qua quá trình va đập, vật liệu nghiền bị vỡ nhỏ. Kết quả thu được là vật liệu nghiền có
kích thước nhỏ hơn.
Tùy thuộc vào tính chất của vật liệu và yêu c
ầu về độ mịn sau nghiền mà các thiết
bị nghiền có thiết kế phần rotor và stator cho phù hợp. Các cánh va đập trên rotor nghiền
có thể được thiết kế động (thường gặp ở những máy nghiền búa thông dụng - Hình 4),
hay được gắn chặt.
1.2.1 Rotor máy nghiền bằng phương pháp va đập
Rotor có cánh va đập được gắn chặt có khá nhiều kiểu, các cánh nghiền/ vấu
nghiền được thiết kế với hình dạng, s
ố lượng và kích
thước cho phù hợp với mục đích sử dụng:
a - Rotor nghiền với các cánh nghiền gắn cố
định (như Hình 5) được ứng dụng trong nghiền đa
dạng vật liệu từ có tính chất giòn, dễ vỡ, đến có độ đàn
hồi cao. Độ mịn sau nghiền có thể đạt tới < 500 µm.
Hình 4: Máy nghiền búa
Hình 5: Rotor nghiền với cánh cố định
12
Độ mịn sau nghiền được điều chỉnh thông qua thay đổi tốc độ vòng quay rotor nghiền;
b - Rotor nghiền trên có gắn răng/ kim nghiền
(Hình 6) thường được sử dụng trong nghiền các vật
liệu dạng tinh thể, giòn. Thiết bị nghiền kiểu này có
thể gồm hai đĩa, trên có gắn các dãy răng nghiền
đồng tâm. Trong đó một đĩa cố định và một đĩa quay
hay cả hai đĩa đều quay và quay ngược chiều nhau
để có thể đạt đến vận tốc vòng từ 150-250 m/s. Độ
mịn sau nghiền trên thiết bị kiểu này có thể đạt đến
<50 µm;
c - Rotor nghiền kết cấu dạng cánh quạt (Hình
7) sử dụng trong nghiền các vật liệu từ giòn cho đến
tương đối đàn hồi. Độ mịn trên thiết bị kiểu này có
thể đạt được dưới 100 µm, phụ thuộc vào tốc độ vòng
c
ủa cánh nghiền.
Ngoài 3 dạng cơ bản kể trên, rotor nghiền có
thể là sự kết hợp từ 3 kiểu này. Các thiết bị nghiền va
đập với rotor nghiền này có ưu điểm là tạo ra sự lưu thông khí tốt trong quá trình nghiền
giúp cho đồng thời làm mát được vật liệu nghiền. Vì vậy mà các thiết bị nghiền này phù
hợp với việc nghiền các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như các sả
n phẩm dùng trong lĩnh
vực thực phẩm, y tế. Kết cấu của thiết bị cũng có khả năng phù hợp với việc đưa thêm
các tác nhân làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền (như sử dụng nitơ lỏng làm lạnh).
1.2.2 Stator máy nghiền bằng phương pháp va đập
Phần Stator máy nghiền cũng được thiết kế theo mục đích nghiền. Theo yêu cầu
cần giới hạn kích thước củ
a vật liệu sau nghiền thiết bị nghiền có thể được kết cấu nghiền
có sàng hoặc nghiền không sàng. Theo đó, stator có thể chỉ gồm hàm nghiền hoặc là sự
kết hợp cả hàm nghiền cùng sàng nghiền (theo đó vật liệu nhỏ hơn kích thước lỗ sàng
Hình 6: Rotor nghiền với răng/ kim nghiền
Hình 7: Rotor nghiền kết cấu dạng cánh quạt
13
nghiền mới được ra khỏi thiết bị nghiền). Việc sử dụng sàng nghiền có sự hạn chế đối với
nghiền các vật liệu có độ chảy thấp và có khả năng gây bết dính như một số dạng ngũ
cốc: đậu tương, ngô… Kích thước lỗ sàng nghiền được sử dụng để kiểm soát độ mịn vật
liệu bị giới hạ
n ở 250-300 µm bởi tính chất của vật liệu gây bít lỗ lưới cũng như yếu tố
hiệu suất nghiền.
1.2.3 Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động
Nghiền khô các vật liệu dạng hạt, ngũ cốc là một trong những công đoạn của quá
trình chế biến. Theo yêu cầu về độ đồng đều của vật liệu sau nghiền, quy trình nghiền các
vật liệu này có thể thể hiện theo sơ đồ 1-a, hay 1-b.
Với yêu cầu về độ đồng đều của vật liệu sau nghiền không cao, quy trình nghiền
có thể theo sơ đồ 1-a. Theo quy trình này, độ mịn và độ đồng đều của vật liệu sau nghiền
hoàn toàn phụ thuộc vào thiết bị và chế độ công nghệ thực hiện trên máy nghiền. Để có
được độ đồng đề
u về độ mịn sau nghiền cao, vật liệu sau nghiền được phân ly/ phân loại,
phần vật liệu có kích thước lớn hơn yêu cầu được quay lại để nghiền (Sơ đồ 1-b). Quy
trình nghiền có hồi lưu như sơ đồ 1-b thường được sử dụng trong nghiền vật liệu đạt độ
mịn cao.Quy trình nghiền cũng có thể gồm nhiều bước ( với yêu cầu độ mịn giả
m dần)
Sơ Đồ 1: Sơ đồ nguyên lý quy trình nghiền
Nghiền
Vật liệu
V
ậ
t li
ệ
u đư
ợ
c n
g
hiền nhỏ
(a)
(b)
V
ậ
t li
ệ
u đ
ạ
t đ
ộ
m
ị
n
y
êu
V
ậ
t li
ệ
u lớn hơn KT
y
êu cầu
Nghiền
Vật liệu
Phân ly/
Phân lo
ạ
i
14
như quy trình nghiền (1-b) nối tiếp nhau để đạt được độ mịn của vật liệu theo yêu cầu.
Việc sử dụng quy trình này giúp tăng hiệu suất nghiền. Trong quy trình này việc phân ly/
phân loại độ mịn của vật liệu có thể được thực hiện trên thiết bị phân ly/ phân loại bên
ngoài máy nghiền hay ngay trực tiếp bên trong máy nghiền. Việc phân ly ngoài máy
nghiền có thể sử dụng các thiết bị phân ly tùy theo kích thước vật li
ệu cần phân ly, ví dụ
như có thể sử dụng cyclone, sàng phân ly, phân ly kiểu túi rũ. Đối với yêu cầu độ mịn cao
(dưới 250 µm) , thiết bị phân ly kiểu cánh quạt phân ly khí động (Vaned classifier rotor)
thường được sử dụng.
Trong lĩnh vực nghiền mịn, nhiều hãng đi đầu về thiết bị nghiền và phân ly như
Condux, Hosokawa Alpine đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng thiết bị nghiền kết hợp
phân ly khí độ
ng (Hình 8). Nguyên lý hoạt động của thiết bị có thể được mô tả như sau:
Vật liệu được đưa vào tại miệng tiếp liệu (1) hoặc (2). Vật liệu đi qua phần cánh
hướng/ chia liệu (3) qua bề ngoài của bộ phận phân ly kiểu cánh quạt phân ly khí động
(4), phần vật liệu đạt kích thước yêu cầu được đưa ra ngoài qua ống thu (9). Phần vật liệu
có kích thước lớn hơn quay trở về đĩa nghiền (5). Cánh nghiền (6) va đập vào vật liệu,
đồng thời kết hợp với sự va đập tại hàm nghiền (7), vật liệu bị làm nhỏ. Dòng khí động
Hình 8: Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động của Condux
15
vào thiết bị qua cửa (8) đẩy vật liệu qua phần cánh hướng/ chia liệu (3) tới bộ phận phân
ly kiểu cánh quạt (4). Sự phân ly lại diễn ra tại đây, phần thô, lớn hơn kích thước yêu cầu
lại quay trở lại đĩa nghiền. Cứ như vậy, quá trình nghiền diễn ra theo quy trình nghiền 1-b
cho đến khi thu được toàn bộ vật liệu nghiền có độ mịn nhất định.
Sau khi nghiên cứu nguyên lý hoạt
động của thiết bị nghiền kể trên, nhóm thực
hiện đề tài nhận thấy thiết bị nghiền không sàng kết hợp phân ly khí động kể trên có
nhiều yếu tố phù hợp cho việc nghiền mịn ngũ cốc có chứa hàm lượng protein và chất
béo cao như:
- Việc phân ly khí động được kết hợp trong quá trình nghiền giúp có thể thu được
sản phẩm sau nghiền có độ mịn và độ đồng đều cao;
- Thiế
t bị nghiền theo phương pháp va đập, với các cánh nghiền gắn cố định trên
đĩa nghiền, kết cấu máy cho phép một lượng khí lớn được đưa vào để làm mát vật liệu
trong quá trình nghiền. Với kết cấu như vậy phù hợp với khả năng phối trộn chất làm
lạnh (nitơ lỏng) với vật liệu hay dòng khí đưa vào buồng nghiền để làm lạnh vật liệu
trong quá trình nghiền, do vậy có khả năng nghiền mịn được các loại ngũ cốc có chứa
hàm lượng protein, chất béo cao;
- Kết cấu thiết bị cho phép dễ dàng vệ sinh khi cần thiết, một trong yếu tố quan
trọng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm.
Với nhận định như vậy, nhóm thực hiện đề tài sẽ tiến hành thiết kế, chế tạo máy
nghiền mịn ngũ cốc theo phươ
ng pháp va đập ( trong đó cánh nghiền được gắn cố định
trên đĩa nghiền), kết hợp với phân ly khí động. Chất làm lạnh (nitơ lỏng) ngũ cốc được
đưa vào trong quá trình nghiền được sử dụng để có thể nghiền được những loại ngũ cốc
có hàm lượng protein, dầu/chất béo cao như đậu tương, ngô…
2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG
LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H
Trên cơ sở nghiên cứu về nghiền mịn và thiết bị nghiền mịn như đã nêu ở trên,
nhóm thực hiện đề tài thiết kế thiết bị sử dụng cho nghiền mịn ngũ cốc có chứa hàm
16
lượng protein, chất béo/dầu cao năng suất 100-200 kg/h. Thiết bị sẽ được thiết kế theo
mẫu nguyên lý nghiền va đập có kết hợp phân ly vật liệu bằng khí động của một số hãng
như Hosokawa Alpine, Condux (Hình 9). Trong đó hệ thống làm lạnh vật liệu nghiền
được ghép nối với thiết bị để có thể nghiền được các loại ngũ cốc nhạy cảm với nhiệt, có
chứ
a hàm lượng protein, chất béo/dầu cao.
Với mục tiêu như vậy, nhiệm vụ thiết kế cụ thể
bao gồm:
a- Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc:
Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số của
thiết bị nghiền ngũ cốc có năng suất tương
ứng 100-200 kg/h;
b- Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử
d
ụng nitơ lỏng làm lạnh: Xác định các yêu
cầu kỹ thuật, thông số phù hợp với thiết bị
nghiền ngũ cốc năng suất 100-200 kg/h;
c- Thiết kế cụm chi tiết phân ly: Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số phù hợp
với năng suất tương ứng 100-200 kg/h.
2.1 Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc
Do thiết bị được sử
dụng trong nghiền mịn ngũ cốc, sản phẩm nằm trong lĩnh vực
chế biến thực phẩm, thiết bị phải đáp ứng những yêu cầu về an toàn thực phẩm. Cụ thể
thiết bị phải đáp ứng những yêu cầu sau:
a- Vật liệu được sử dụng trong chế tạo thiết bị, đặc biệt tại những nơi tiế
p xúc
trực tiếp với vật liệu nghiền phải là vật liệu không độc hại, không gỉ như thép
không gỉ hay được mạ phủ crôm;
b- Thiết bị phải được kết cấu thuận tiện cho việc vệ sinh thường xuyên và khi cần
thiết;
c- Thiết bị phải được thiết kế đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Hình 9: Nguyên lý làm việc của thiết
bị nghiền kết hợp phân ly
17
Thông số về năng suất của các thiết bị nghiền đòi hỏi được xác định bằng thực
nghiệm ứng với mỗi thiết kế máy và vật liệu được nghiền. Do vậy, nhóm thực hiện đề tài
đi theo hướng dựa trên thông số thiết bị của các nhà sản suất thiết bị như Hosokawa
Alpine, Condux để xác định các thông số thiết kế của thiết bị. Theo
đó, tương ứng với
năng suất nghiền 100-200 kg/h, đường kính ngoài của cánh nghiền phù hợp khoảng φ460
mm, công suất động cơ nghiền 11 KW ( Dựa theo thông số năng suất của máy nghiền
hãng Condux).
Trên cơ sở xác định đường kính ngoài của cánh nghiền φ460 mm, tốc độ vòng
quay của trục đĩa nghiền được tính toán. Theo các tài liệu nghiên cứu thực nghiệm, để có
thể nghiền mịn vật liệu đế
n kích thước nhỏ hơn 100 - 250 µm, vận tốc vòng của cánh
nghiền cần đạt 100-115 m/s. Từ đó có thể xác định được vận tốc vòng quay của trục
nghiền tương ứng là 4152-4775 vòng/phút.
Từ kết quả lựa chọn, phân tích, và tính toán như trên, nhóm thực hiện đề tài lựa
chọn một số thông số thiết kế chính của máy nghiền mịn ngũ cốc năng suất 100-200 kg/h,
độ mịn của v
ật liệu sau nghiền dưới 250 µm như sau:
- Công suất đông cơ nghiền 11 kw;
- Đĩa nghiền có kết cấu dạng đĩa, trên đó có gắn các vấu nghiền. Đường kính ngoài
của đĩa nghiền có kích thước φ460 mm;
- Tốc độ vòng quay trục đĩa nghiền: 4800 vòng/phút.
2.2 Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh
Để nghiền mịn vật liệu, v
ận tốc vòng của cánh nghiền phải cao, điều này dẫn đến
vật liệu sẽ bị nóng lên trong quá trình nghiền. Với kết cấu máy nghiền kết hợp phân ly
khí động, có sự hồi lưu trong quá trình nghiền, vật liệu được nghiền nhiều lần trong
buồng nghiền cho đến khi đạt được kích thước, độ mịn cần thiết, do vậy nhiệt độ của vật
liệu sẽ tă
ng cao trong quá trình nghiền.
Đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt ( các sản phẩm ngũ cốc có chứa hàm
lượng dầu, protein cao), khi nhiệt độ tăng đồng thời quá trình thay đổi tính chất của vật
liệu cũng xảy ra, vật liệu trở nên dính, đàn hồi và dễ dàng vón bết, cản trở quá trình
18
nghiền. Chất lượng của sản phẩm do sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình nghiền cũng có
thể bị ảnh hưởng. Đối với vật liệu nghiền là ngũ cốc có hàm lượng protein, chất béo cao,
sự gia tăng nhiệt độ này có thể dẫn đến sự oxy hóa, thay đổi, làm giảm chất lượng sản
phẩm sau nghiền.
Việc sử dụng chất làm lạnh như nitơ l
ỏng để làm lạnh vật liệu trong quá trình
nghiền do đó là cần thiết. Ở áp suất môi trường, nhiệt độ hóa hơi của Nitơ hóa lỏng rất
thấp (-196
0
C). Nitơ lỏng có dễ dàng được chứa và vận chuyển trong các bình chứa đặc
biệt trong điều kiện áp suất môi trường. Nitơ lỏng khi hóa hơi chiếm thể tích lớn có thể
chiếm chỗ của các thành phần khí khác có trong không khí như oxy, do vậy việc sử dụng
nitơ lỏng trong quá trình nghiền, ngoài việc làm mát vật liệu còn có tác dụng bảo quản
vật liệu nghiền khỏi quá trình oxy hóa không mong muốn. Thêm vào đó, nguyên liệu
(ngũ
cốc) được làm lạnh cũng được thay đổi tính chất vật lý, ngũ cốc như đậu tương sẽ
trở nên giòn và dễ nghiền hơn. Kết quả sẽ thu được ngũ cốc dưới dạng bột có độ mịn cao.
Do vậy, việc sử dụng nitơ lỏng trong quá trình nghiền ngũ cốc có hàm lượng protein, chất
béo cao đến độ mịn dưới 250 µm là cần thiết và phù hợp.
Trong hệ thống nghiền, sử dụng vít cấp vật liệu nghiền cho việc làm lạnh vật liệu
phù hợp hơn cả. Tại vít cấp liệu cho máy nghiền, vật liệu đồng thời vừa được vận chuyển
và đảo trộn, do vậy việc đưa các đầu phun tác nhân làm lạnh (nitơ lỏng) tại đây sẽ tạo
được khả năng làm lạnh sâu cũng như đạt được độ
đồng đều về nhiệt độ của vật liệu cấp
cho nghiền.
Để phù hợp cho việc cấp phối trộn nitơ
lỏng, vít cấp liệu được thiết kế đặc biệt (hình
10). Nitơ lỏng được cấp vào vít cấp liệu (5) qua
ống dẫn (4). Tại đây, nitơ lỏng được trộn đều
với vật liệu có trong vít, vật liệu được làm lạnh.
Phễu cấp liệu (1) được thiết kế có thêm vách
ngăn (2) tạo thành vách khí (3). Nhờ vách khí
này một phần nitơ lỏng được trộn với không khí
Hình 10: Vít cấp liệu
19
sẽ đi vào làm mát buồng nghiền, đồng thời cũng giúp chống tắc vật liệu tại miệng ra của
vít cấp liệu.
Vít cấp liệu được thiết kế phù hợp với năng suất cấp vật liệu cho máy nghiền 100-
200 kg/h. Một số thông số kỹ thuật chính của vít:
- Năng suất cấp vật liệu của vít: 100-200 kg/h;
- Đường kính cánh vít: φ80 (mm);
- Chiều dài vít: 400 (mm);
- Tố
c độ quay của vít cấp liệu max. 30 vòng/phút và được điều chỉnh vô cấp thông
qua biến tần cho phù hợp với mức độ nghiền;
- Công suất động cơ hộp số: 500 W, 3 pha 380V.
Hệ thống làm lạnh ngũ cốc trong quá trình nghiền được thiết kế theo sơ đồ 2.
Trong đó, tác nhân làm lạnh nitơ lỏng được chứa trong bình chứa (E-1) được bơm nitơ
(E-2) đưa tới tới vít cấp liệu (E-4) r
ồi vào buồng nghiền (E-5). Các van khí (V-1, V-2,
V-5) điều tiết lượng khí tới bơm nitơ (E-2), thông qua đó điều tiết lượng nitơ được bơm
vào vít cấp liệu. Các cảm biến nhiệt (T) kiểm tra nhiệt độ vật liệu trước khi cấp vào
nghiền cũng như nhiệt độ vật liệu sau nghiền đồng thời điều khiển các van từ V-5 cấp tác
nhân làm lạnh trong quá trình nghiền.
Sơ Đồ 2: Sơ đồ cấp phối nitơ lỏng làm lạnh vật liệu trên máy nghiền mịn kết hợp phân ly khí động
20
2.3 Thiết kế cụm chi tiết phân ly
Bộ phận phân ly/ phận loại kích thước vật liệu nghiền trên thiết bị nghiền mịn kết
hợp phân ly khí động được thiết kế nằm
trong buồng nghiền. Bộ phận này có kết
cấu lồng quay, trên có các cánh hướng vào
tâm như cánh quạt (hình 11). Nguyên lý
phân ly được thể hiện trên sơ đồ 3. Khi
lồng phân ly/ cánh phân ly quay sẽ tạo ra
động năng đẩy vậ
t liệu ra phía ngoài lồng
phân ly. Động năng này phụ thuộc vào khối
lượng hình dạng của hạt vật liệu và được phân ly. Phía bên ngoài lồng phân ly, dưới tác
dụng của dòng khí ép vật liệu vào trong lòng lồng. Sự phân ly được thực hiện thông qua
sự cân bằng của 2 động năng kể trên. Hạt vật liệu có kích thước/ khối lượng lớn nhận
động năng ly tâm lớn hơn động năng ép vào tâm nên đi ra khỏi lồng phân ly. Ng
ược lại,
hạt vật liệu có kích thước/ khối lượng nhỏ đến mức cần thiết sẽ chịu tác động đi vào trong
lòng lồng phân ly.
Như vậy, có thể thấy quá trình phân
ly hay độ mịn của mỗi vật liệu thu được
sau nghiền/phân ly phụ thuộc vào lưu
lượng khí được đưa vào buồng nghiền và
tốc độ vòng quay của lồng phân ly tương
ứng. Điều chỉnh hai thông s
ố kỹ thuật này
có thể đạt được độ mịn mong muốn của vật liệu sau nghiền.
Theo thông số thực nghiệm tỉ lệ về phối trộn vật liệu và khí trong phân ly theo
phương pháp kể trên trong khoảng 0,1 - 0,25 kg/m
3
(2), có thể xác định được lưu lượng
khí được đưa vào buồng nghiền với mục đích phân ly trên máy nghiền mịn năng suất
100-200 kg/h tương ứng: 500 - 2000 m
3
/h.
Hình 11: Bộ phận phân ly khí động
Sơ Đồ 3: Nguyên lý phân ly khí động
21
Tương ứng với năng suất nghiền 100-200 kg/h, lồng phân ly được lựa chọn có
đường kính φ290 mm, chiều cao H= 80 mm . Để đạt yêu cầu phân ly, vận tốc vòng của
điểm ngoài cánh phân ly cần đạt > 50 m/s. Do vậy, có thể tính được tốc độ vòng quay của
lồng phân ly phải lớn hơn 3292 vòng/phút.
Với phân tích trên đồng thời cùng với sự tham khảo tài liệu kỹ thuật của các hãng
Condux, Hosokawa Alpine, bộ phận phân ly của máy nghiền mị
n ngũ cốc năng suất 100-
200 kg/h sẽ có một số thông số kỹ thuật chính được lựa chọn như sau:
- Đường kính lồng phân ly: D1= φ290 mm;
- Chiều cao lồng phân ly: H= 80 mm;
- Công suất động cơ phân ly: 2,2 kw, 3pha 380V;
- Tốc độ vòng quay lồng phân ly: lớn hơn 3300 vòng/phút;
- Lưu lượng không khí cần cho phân ly: 500-2000 m
3
/h;
- Tốc độ vòng quay của lồng phân ly được điều khiển để có thể thay đổi tốc độ
ứng với yêu cầu về độ mịn của sản phẩm.
- Thông số Kích thước hình học của lồng phân ly (hình 12) được tính theo U.S.
Patent 5533629 - Vortex Pneumatic Classifier được xác định như sau:
+ Bán kính ngoài lồng phân ly:
R1= D1/2 =145 (mm)
+ Bán kính miệng ra lồng phân ly:
R0= 0,4 x R1= 58 (mm);
Chọn R0= 57,5 (mm)
+ Bán kính trong lồng phân ly:
R3= R1 x 1,65= 95 (mm) (2)
+ Bề rộng cánh phân ly:
Bw= R1-R3= 50 (mm)
+ Khoảng cách (bước) giữa các cánh phân ly:
Hình 12: Kích thước hình học lồng phân ly
22
Trong đó: D
p
(th)(m) là Đường kính (Kích thước) hạt theo yêu cầu/ lý thuyết. Với
kích thước hạt cần phân ly
= 100 (µm), thay vào (2.3.1) có thể xác định khoảng
cách giữa các cánh phân ly P < 36 (mm);
Từ đó, số cách phân ly: n > π.2.R3/P = 25,3 (cánh). Để đảm bảo độ đồng đều trên
lồng phân ly, số cánh phân ly sẽ được lựa chọn n= 36 (cánh).
+ Góc côn θ= 20˚ được tính theo công thức:
(3)
3 CHẾ TẠO MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG
LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H
Với đặc thù của máy nghiền mịn ngũ cốc, thiết bị làm việc với sản phẩm thực
phẩm, các chi tiết, bộ phận tiếp xúc với nguyên liệu/ sản phẩm ngũ cốc trong quá trình
làm việc phải được chế tạo từ các vật liệu đảm bảo được yêu cầu vệ sinh thực phẩm như
inox, hoặc được mạ crôm, niken.
Trên máy nghiền mịn ngũ cốc được thiết kế, đĩa nghiền và lồng phân ly có tốc độ
vòng quay cao. Do vậy các chi tiết, bộ phận của đĩa nghiền, lồng phân ly cần được thiết
kế và gia công để đảm bảo độ cân bằng cần thiết.
Cụ thể:
a) Cụm đĩa nghiền (hình 13) được thiết kế gồm đĩa nghiền (1) trên có gắn các
vấu nghiền/ cánh nghiền (2). Đĩa
nghiền có kết cấu dạ
ng đĩa, các lỗ
công nghệ trên đĩa được gia công
với yêu cầu chính xác, đồng đều và
đối xứng nhau qua tâm quay của
đĩa. Các vấu nghiền/ cánh nghiền
được lắp đặt trên đĩa nghiền đối
xứng theo từng cặp qua tâm quay
Hình 13: Cụm Đĩa nghiền
23
của đĩa nghiền. Các vấu nghiền này cần được gia công đảm bảo chính
xác, đồng đều về khối lượng, kích thước hình học. Toàn bộ cụm đĩa
nghiền cần thiết được cân bằng động.
b) Cũng như cụm đĩa nghiền, cụm lồng phân ly khí động (Hình 14) cũng cần
được thiết kế, chế tạo để đảm bảo
độ cân bằng động khi hoạ
t động với
vòng quay cao. Gia công hàn được
tránh không sử dụng khi chế tạo
cụm chi tiết này. Thay vào đó, các
cánh phân ly (3) được gắn đều trên
các vành chặn (1), (2) thông qua việc bắt vít với các thanh định vị (4).
Các vành chặn (1) và (2) được gia công với các lỗ công nghệ đảm bảo
chính xác, đối xứng theo từng cặp qua tâm quay. Các cánh phân ly,
thanh định vị được lắp ráp đều trên vành chặn, đối xứng theo cặp qua
tâm quay. Các cánh phân ly, thanh định vị được gia công chính xác, đảm
bảo độ
đồng đều về khối lượng và kích thước hình học.
Cụm lồng phân ly khí động sau lắp ráp cần thiết được cân bằng động.
Với các yêu cầu về kỹ thuật như đã được nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài đã tiến
hành chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc có sử nitơ lỏng làm lạnh năng suất 100-200 kg/h.
Thông số kỹ thuật chính của máy được chế t
ạo như sau:
• Công suất động cơ nghiền: 11 KW;
• Công suất động cơ phân ly: 2,2 KW;
• Đường kính đĩa nghiền: φ460 mm;
• Đường kính lồng phân ly: 290 mm;
• Tốc độ vòng quay đĩa nghiền: 4800 vg/phút;
Hình 14: Cụm lồng phân ly khí động
24
• Tốc độ vòng quay lồng phân ly: Max. 3700 vg/phút (có thể điều chỉnh tốc
độ vòng quay thông qua biến tần);
• Lưu lượng khí đưa vào máy nghiền: 500 - 2000 (m
3
/h);
• Lưu lượng cấp nitơ lỏng: max. 5 lít/phút.
Hệ thống nghiền được lắp ghép như trong hình 15. Vật liệu được đưa vào qua vít
cấp liệu (có thể điều chỉnh được tốc độ cấp liệu thông qua điều chỉnh vô cấp tốc độ của
vít). Nitơ lỏng được cấp vào làm lạnh nguyên liệu nghiền tại đây. Nguyên liệu được
nghiền và phân ly tại buồ
ng nghiền. Sản phẩm được lấy ra tại bộ phận thu sản phẩm.
Quy trình vận hành của hệ thống nghiền được thiết lập như sau:
a) Khởi động hệ thống nghiền được thiết lập theo thứ tự khởi động:
Động cơ phân ly - Động cơ quạt hút - Động cơ nghiền - Động cơ vít tiếp liệu.
b) Dừng hệ thống nghiề
n được thiết lập theo thứ tự:
Động cơ vít tiếp liệu - Động cơ nghiền - Động cơ quạt hút - Động cơ phân ly.
Hình 15: Sơ đồ lắp ghép hệ thống nghiền
25
Một số hình ảnh của thiết bị được chế tạo:
Hình 17: Buồng nghiền Hình 18: Lồng phân ly
Hình 16: Hệ thống nghiền ngũ cốc kết hợp phân ly 100-200 kg/h sử dụng nitơ lỏng làm lạnh
