Thiết kế hệ thống sấy thùng quay dùng để sấy cà phê thóc với năng suất 12 tấn ngày

Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
Trong ngành công nghệ thực phẩm, chất lượng sản phẩm là yếu tố quan
trọng. Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó độ ẩm là một
trong những yếu tố rất được quan tâm, nhất là đối với mặt hàng khô. Thời
gian bảo quản dài hay ngắn phụ thuộc vào độ ẩm của thực phẩm. Có nhiều
phương pháp tách ẩm khỏi vật liệu trong đó có phương pháp sấy.
Sấy là một quá trình công nghệ có vai trò quan trọng trong quá trình
chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch. Sản phẩm sau khi sấy có độ
ẩm thích hợp thuận tiện cho việc bảo quản, vận chuyển, chế biến, đồng thời
nâng cao chất lượng sản phẩm. Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc
nghiên cứu công nghệ sấy để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt:
ngoài việc kéo dài thời gian bảo quản, quá trình sấy còn góp phần đa dạng
các sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người mà đặc biệt là sấy cà phê. Cà
phê là nguyên liệu cho một số ngành phát triển như: bánh, kẹo, rượu, sữa cà
phê, và là thức uống rất được ưa thích.
Cà phê sau khi sấy phải đảm bảo mùi thơm, màu sắc đặt trưng nên có
nhiều phương pháp sấy khác nhau như sấy thùng quay, sấy tháp …
Trong đồ án này em có nhiệm vụ “Thiết kế hệ thống sấy thùng quay
dùng để sấy cà phê thóc với năng suất 12 tấn/ngày”.
Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy mang tính
chất đào sâu chuyên ngành. Do kiến thức còn hạn chế nên em không thể
tránh khỏi sai sót trong qúa trình thiết kế.
1
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
Chương 1: Tổng Quan
I.
I.
I. Khái niệm chung về quá trình sấy
1. Khái niệm:
Sấy là quá trình tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch khi
có sự thay đổi trạng thái bốc hơi hoặc thăng hoa. Kết quả là làm cho hàm

lượng chất khô của vật liệu tăng lên. Đây là một quá trình kỹ thuật rất phổ
biến và rất quan trọng trong công nghiệp và đời sống.
Mục đích:
- Làm giảm khối lượng vật liệu (giảm công chuyên chở).
- Tăng thời gian bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật và các
phản ứng sinh hóa.
- Tạo hình cho sản phẩm.
- Tăng độ bền cho sản phẩm như gỗ, vật liệu là gốm sứ.
- Tăng tính cảm quan cho sản phẩm…
2. Nguyên lý của quá trình sấy
Sấy là quá trình làm khô vật liệu ẩm khi được cung cấp năng lượng
theo trình tự: gia nhiệt vật liệu ẩm, cấp nhiệt để làm khuếch tán ẩm trong vật
liệu, đưa hơi ẩm thoát khỏi vật liệu.
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn
rất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuyếch tán bên trong và cả bên
ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt. Đây là một quá trình
nối tiếp, nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang
pha hơi, sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu, vận tốc của toàn bộ quá
trình được quy định bởi giai đoạn nào chậm nhất. Động lực của quá trình là
sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặt vật liệu. Quá
trình khuyếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật
liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí
xung quanh. Ngoài ra tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thức
đẩy hoặc cản trở quá trình di chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt
vật liệu sấy.
2
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
Trong quá trình sấy thì nhiệt độ và môi trường không khí ẩm xung
quanh có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy. Do vậy khi nghiên
cứu quá trình sấy thì phải nghiên cứu hai mặt của quá trình sấy :

- Mặt tĩnh lực học: tức dựa vào cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt
lượng ta sẽ tìm được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu
sấy và của các tác nhân sấy để từ đó xác định được thành phần vật liệu,
lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy.
- Mặt động lực học: nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến thiên của độ
ẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình như: tính chất, cấu
trúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủy động lực học của tác
nhân sấy để từ đó xác định được chế độ sấy và thời gian sấy thích hợp.
3. Phân loại: Quá trình sấy bao gồm hai phương thức:
a. Sấy tự nhiên:
Tiến hành ở ngoài trời dùng năng lượng mặt trời, năng lượng gió để
làm bay hơi nước trong bề mặt vật liệu.
* Ưu điểm :
- Thực hiện đơn giản, không cần kỹ thuật cao
- Chi phí đầu tư, vận hành thấp, ít tốn nhiệt năng
- Bề mặt trao đổi nhiệt lớn
* Nhược điểm :
- Khó thực hiện cơ giới hóa, không điều chỉnh được nhiệt độ cần thiết
- Cường độ sấy không cao, sản phẩm sấy không đồng đều
- Chiếm diện tích mặt bằng lớn
- Sản phẩm không đạt vệ sinh do nhiễm bụi, vi sinh vật
- Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết, thời gian sấy dài.
- Sử dụng nhiều nhân công, tốn thời gian, năng suất thấp
- Vật liệu sau khi sấy còn lượng ẩm khá cao.
b. Sấy nhân tạo:
Thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt
cho vật liệu ẩm. Sấy nhân tạo có nhiều dạng tùy theo phương pháp truyền
nhiệt mà trong kỹ thuât sấy có thể chia ra nhiều dạng:
- Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy,
mà tác nhân truyền nhiệt là không khí nóng, khói lò…

- Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp
vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một
vách ngăn.
3
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
- Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia
hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.
- Sấy bằng dòng điện cao tầng: phương pháp dùng dòng điện cao tầng
để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vât liệu sấy.
- Sấy thăng hoa: phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không
cao, nhiệt độ rất thấp, nên độ ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ
trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng.
* Ưu điểm :
- Khắc phục được những nhược điểm của sấy tự nhiên
- Kiểm soát được sản phẩm ra vào, nhiệt độ cung cấp
- Chất lượng sản phẩm theo yêu cầu
- Tốn ít mặt bằng, nhân công
* Nhược điểm :
- Tốn chi phí đầu tư trang thiết bị, cán bộ kỹ thuật, chi phí năng lượng.
4. Tác nhân sấy(TNS), chất tải nhiệt và chế độ sấy :
a) Tác nhân sấy: những chất dùng để đưa lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy
ra khỏi thiết bị sấy.
- Trong quá trình sấy, môi trường bao quanh vật liệu sấy luôn luôn được
bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy. Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ
ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự
cân bằng giữa vật sấy và môi trường trong buồng sấy và quá trình thoát ẩm
của vật liệu sấy sẽ ngừng lại.
- Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy :
☼ Gia nhiệt cho vật sấy
☼ Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật vào môi trường

☼ Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt
b) Các loại tác nhân sấy:
- Không khí ẩm : là loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng cho
hầu hêt các loại sản phẩm. Dùng không khí ẩm không làm sản phẩm sau khi
sấy bị ô nhiễm và thay đổi mùi vị. Tuy nhiên dùng không khí ẩm làm tác
nhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiêt không khí ( calorife khí, hơi hay khí
hoặc khói ), nhiệt độ sấy không quá cao, thường nhỏ hơn 500
0
C vì nếu nhiệt
4
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phải được chế tạo bằng thép hợp kim hay
gốm sứ với chi phí đắt.
- Khói lò: khói lò được dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy
lên 1000
0
C mà không cần thiết bị gia nhiệt, tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ô
nhiễm gây mùi khói. Vì vậy khói chỉ dung cho các vật liệu không sợ ô nhiễm
như gỗ, đồ gốm, một số loại hạt có vỏ.
- Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ
bị cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy sấy bằng hơi quá
nhiệt nhiệt độ thường lớn hơn 100
0
C (sấy ở áp suất khí quyển).
c) Chế độ sấy:
Chế độ sấy là cách thức tổ chức quá trình truyền nhiệt truyền chất giữa
tác nhân sấy và vật liệu sấy và các thông số của nó để đảm bảo năng suất,
chất lượng sản phẩm yêu cầu và chi phí vận hành cũng như chi phí năng
lượng là hợp lí.
d) Chọn thiết bị sấy:

Phân loại thiết bị sấy: Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp khác nhau
nên có nhiều cách để phân loại thiết bị sấy
- Dựa vào tác nhân sấy: có thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy
bằng khói lò, các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa,
sấy bằng dòng điện cao tần
- Dựa vào áp suất làm việc: có thiết bị sấy chân không và thiết bị sấy ở
áp suất thường
- Dựa vào phương thức làm việc: có sấy liên tục và sấy gián đoạn
- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy
tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ
- Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục,
sấy thùng quay, sấy phun.
- Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy: sấy cùng
chiều, ngược chiều, giao chiều.
5
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
5. Hệ thống sấy đối lưu
Sấy đối lưu là dùng không khí nóng hoặc khói lò làm tác nhân sấy,
tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, làm cho ẩm (nước) trong vật liệu sấy bay
hơi rồi đi theo tác nhân sấy. Không khí có thể chuyển động cùng chiều,
ngược chiều, hoặc cắt ngang dòng sản phẩm. Sau thời gian sấy nào đó ta thu
được sản phẩm theo yêu cầu. Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ hoặc liên
tục, sản phẩm sấy có thể lấy ra khỏi buồng sấy theo mẻ hoặc liên tục tương
ứng với nạp liệu vào.
II. Giới thiệu về nguyên liệu:
Cây cà phê có nguồn gốc từ Êtiôpia (cà phê chè) và vùng Bắc Phi (cà
phê vối), đây là một loại cây công nghiệp khi quả chín có màu đỏ, khi còn
non có màu xanh, hoa màu trắng. Hạt cà phê khi chín chứa đầy đủ các chất
dinh dưỡng như: glucid, lipid, vitamin… Đặc biệt hạt cà phê còn chứa một
số chất mùi đặc trưng, do đó khi chế biến nhiệt cà phê có mùi thơm riêng

biệt, hấp dẫn.
Cấu tạo và giải phẩu quả cà phê
Quả cà phê gồm có những thành phần sau: lớp vỏ quả, lớp vỏ thịt , lớp
vỏ trấu, lớp vỏ lụa, nhân.
1. vỏ quả
2. Thịt quả
3. Vỏ trấu
4. Vỏ lụa
5. Nhân
☼ Vỏ quả: là lớp màng mỏng, mềm, dai. Thành phần chủ yếu là xenlulo,
chiếm khoảng 20-23% khối lượng quả. Bên trong là lớp mang màu, khi quả
xanh lớp mang màu là clorofit, khi quả chín lớp mang màu là antoxian. Phía
4
3
2
1
6
5
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
ngoài vỏ quả được phủ một lớp sáp mỏng có tác dụng chống thoát ẩm cho
quả, lớp này mất dần khi quả chín.
☼ Thịt quả: thịt quả xếp tiếp theo lớp vỏ quả, là lớp khá dày (1,5-2mm)
gồm những tế bào mềm, không có cà phêin, tanin, nhiều đường và peptin,
chiếm khoảng 6-7,5% khối lượng quả.
☼ Khi quả xanh, lớp thịt quả có tác dụng dự trữ chất dinh dưỡng và cung
cấp chất dinh dưỡng cho hạt phát triển. khi quả chín, lớp thịt quả chuyển
sang giai đoạn phân giải.
☼ Vỏ trấu: là lớp tiếp theo của lớp thịt quả, vỏ trấu hay còn gọi là vỏ
thóc, vỏ cứng, chiếm khoảng 6-7% khối lượng quả.
Thành phần chủ yếu là xenlulo, muối khoáng và một lượng chất béo.

Lớp vỏ cứng thực chất là một màng bán thấm thô giữ nhiệm vụ bảo vệ cho
nhân.
☼ Nhân: nhân của một quả thường có hai hạt, bao bọc bên ngoài mỗi hạt
là lớp vỏ lụa, bên trong là phôi và nhũ. Nhân chiếm khoảng 30% khối lượng
quả.
Vỏ lụa là màng rất mỏng, thực chất là màng bán thấm tinh. Nhũ
chứa toàn bộ chất dinh dưỡng của hạt, còn phôi chứa rễ và mần.
Thành phần hóa học của nhân.
Thành
phần hóa học
Tính bằng g/100g Tính bằng mg/100g
- Nước 8 - 12
- Chất dầu 4 - 18
- Protein 9 - 16
- Đạm 1,8 - 2,5
- Cà phêin 1 (Arabica ), 2 (Robusta )
- Clorogenic axit 2
- Trigonelline 1
7
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
- Tanin 2
- Cà phêtanic axit 8 - 9
- Cà phêic axit 1
- Pentozan 5
- Tinh bột 5 - 23
- Saccaro 5 - 10
- Xenlulo 10 - 20
- Hemixenlulo 20
- Linhin 4
- Canxi 85 - 100

- Photphat 130 - 165
- Sắt 3 - 10
- Natri 4
- Mangan 1 - 45
Tính chất vật lý của cà phê:
- Khối lượng riêng: ρ=650 kg/m
3
- Nhiệt dung riêng: c=0,37 (kcal/kg
0
C
- ω
1
=24%, ω
2
=12%
III. Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy
1. Thiết bị sấy
Sấy thùng quay thuộc hệ thống sấy đối lưu, chuyên dùng sấy hạt đậu,
sấy ca cao, cục nhỏ, nguyên liệu có khuynh hướng bị rối hoặc dính vào nhau
trên băng chuyền hoặc khay. Cấu tạo chính hệ thống sấy thùng quay là một
thùng sấy hình trụ tròn, đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang, có 2 vành
đai trượt trên các con lăn tựa khi thùng quay. Khoảng cách giữa các con lăn
có thể điều chỉnh để thay đổi góc nghiêng của thùng. Thùng quay với vận tốc
1-8 vòng/phút, vận tốc của không khí đi trong thùng khoảng 2-3 m/s.
8
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
Bên trong thùng có các đệm chắn, các đệm chắn này vừa có tác dụng
phân bố vật liệu theo tiết diện thùng, đảo trộn vật liệu vừa tăng bề mặt tiếp
xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy.
Ngoài ra còn có hệ thống quạt là tạo ra dòng chảy của tác nhân sấy có

lưu lượng theo yêu cầu kỹ thuật. Bộ phận calorife để gia nhiệt cho tác nhân
sấy. Cyclon để thu hồi bụi trước khi thải ra môi trường.
Ưu điểm của máy sấy thùng quay là quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt
nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy. Cường độ sấy lớn, có thể
đạt 100kg ẩm/m
3
h. Thiết bị gọn, có thể cơ khí hóa và tự động hóa toàn bộ
khâu sấy. Tuy nhiên, máy sấy thùng quay có nhược điểm là vât liệu bị đảo
lộn nhiều nên dễ tạo bụi do vỡ vụn, nên trong nhiều trường hợp sẽ làm giảm
chất lượng sản phẩm.
2. Chế độ sấy:
Ta chọn chế độ sấy liên tục cho chất lượng sản phẩm tốt, thao tác nhẹ
nhàng.
3. Phương thức sấy
Ở đây ta lựa chọn phương thức sấy cùng chiều. Bởi vì khi sấy cùng
chiều tốc độ sấy ban đầu cao, sản phẩm ít bị co ngót, sản phẩm ít bị biến tính,
ít nguy cơ hỏng do vi sinh vật.
Mặt khác với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao lắm (82
0
C), thì
sấy cùng chiều vật liêụ sấy và tác nhân sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy
diễn ra nhanh hơn.
IV. Quy trình sản xuất Cà phê thóc:
1. Giới thiệu phương pháp sản xuất Cà phê thóc:
Trong kỹ thuật chế biến cà phê thóc có 2 phương pháp chính :
- Phương pháp sản xuất ướt .
- Phương pháp sản xuất khô.
 Phương pháp sản xuất ướt:
Quả cà phê tươi sau khi phân loại và làm sạch rồi chuyển sang xát tươi
(bóc vỏ quả) và loại bỏ các lớp vỏ, thịt và các chất nhờn bên ngoài và phơi

sấy khô đến mức độ nhất định.
9
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
 Phương pháp sản xuất khô : chỉ có một giai đoạn chính là phơi quả cà
phê tươiđến mức độ nhất định thì tạo thành quả cà phê thóc khô.
So sánh 2 phương pháp ta thấy :
Phương pháp chế biến khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng, nhân công
nhưng phương pháp này có nhiều hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời
tiết. Nó chỉ phù hợp với nơi có điều kiện khí hậu nắng nhiều mưa ít, không
đáp ứng được những yêu cầu về mặt chất lượng.
Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị và năng
lượng hơn, đồng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kỹ
thuật cao hơn. Nhưng phương pháp này thích hợp với mọi hoàn cảnh, mọi
điều kiện khí hậu thời tiết. Đồng thời rút ngắn được thời gian sản xuất, tăng
năng suất của nhà máy và nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê nhân
2. Dây chuyền sản xuất cà phê nhân ( phương pháp ướt)

10
Hệ thông sấy tĩnh
Quả cà phê tươi
Tiếp nhận
Tách tạp chất, phân loại
Bể xiphông
Tách vỏ quả
Đánh nhớt
Sấy thùng quay
Đóng bao - bảo quản
Cà phê thóc
Đóng bao - bảo quản
Cà phê thóc

Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
3. Thuyết minh quy trình công nghệ
Nguyên liệu là cà phê quả tươi, có độ
chín hơn 90%. Cà phê quả phải có độ chín đều, nguyên liệu phải được chế
biến ngay sau 24h thu hái. Cà phê sau khi thu hoạch về được đưa vào sàng
phân loại và tách tạp chất nhằm loại ra những tạp chất, đất đá lẩn trong
nguyên liệu đồng thời phân loại được quả to, nhỏ, làm tăng độ đồng đều cho
nguyên liệu. Sau khi ra khỏi sàng phân loại thì đi vào bể xiphông để phân
loại quả cà phê xanh, không đảm bảo chất lượng; làm mềm vỏ tạo điều kiện
thuận lợi cho bóc sau này được dễ dàng. Cà phê chính phẩm sau khi ra khỏi
bể xi phông thì đến máy bóc vỏ quả và vỏ thịt. Tại đây vỏ quả và vỏ thịt bị
xé nhờ dòng nước phun với áp lực cao. Cà phê chính phẩm sau khi tách vỏ
thì đưa vào thiết bị đánh nhớt, mục đích của công đoạn này là loại bỏ lớp
nhớt dính trên vỏ, sau đó được đưa qua hệ thông sấy tĩnh rồi đưa vào thiết bị
sấy thùng quay để đưa độ ẩm của cà phê về 10-12% thuận lợi cho quá trình
bảo quản chế biến sau này. Sau khi cà phê được sấy xong nếu chưa có đơn
đặt hàng thì được đóng bao, bảo quản.
11
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
4. Thyết minh sơ đồ hệ thống
Sơ đồ hệ thống
khí thải
bụi
Nước ngưng sản phẩm
Thuyết minh
Tác nhân sấy là không khí nóng, tác nhân tải nhiệt là hơi nước bão hòa.
Cà phê được đưa vào đầu cao của thùng sấy một cách liên tục. Tác nhân
sấy và vật liệu sấy đi cùng chiều.
Tại thùng sấy, Cà phê sẽ đi sâu vào thùng sấy, được xáo trộn bởi các
cánh đảo khi thùng quay, Cà phê đi từ đầu cao xuống đầu thấp của thùng sấy.

Đồng thời sẽ diễn ra quá trình trao đổi ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy.
Vật liệu khô được tháo qua cơ cấu tháo liệu rồi nhờ cơ cấu băng tải vận
chuyền đi đóng gói. Cơ cấu băng tải còn có tác dụng làm nguội Cà phê tự
nhiên trước khi thành phẩm.
Không khí ở điều kiện thường được quạt đẩy đưa vào calorife để tiến
hành gia nhiệt lên 82
0
C rồi sau đó đưa vào thùng sấy.Tại đây xảy ra quá trình
trao đổi ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy. Nhiệt độ sấy sễ giảm dần và
khi vật liệu ra khỏi thùng sấy thì nhiệt độ còn 46
0
C.
Không khí ra khỏi thùng sấy có lẫn bụi, hỗn hợp này được dẫn vào
cyclon giữ lại những hạt vật liệu bị kéo theo, không khí sạch được thải ra
ngoài môi trường nhờ quạt hút.
Chương2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
12
Nguyên liệu
3
1
6
2
5
4
Hơi nước
Không khí
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
I. Thành lập cân bằng của vật liệu sấy:
Thiết kế thiết bị sấy thùng quay để sấy đường với năng suất 12 tấn/ngày.
Số liệu ban đầu:

Năng suất sấy: 12 tấn/ngày=1000kg/h.
(Giả sử một ngày làm 12h)
Độ ẩm vật liệu vào: w
1
= 24%.
Độ ẩm vật liệu ra: w
2
= 12%.
Nhiệt độ môi trường: t
0
= 25
0
C.
Độ ẩm tương đối: ϕ
0
= 81%.
Tác nhân sấy ( TNS ) không khí nóng.
Nhiệt độ TNS vào: t
1
=82
0
C.
Nhiệt độ TNS ra: t
2
= 46
0
C.
Các ký hiệu:
G
1

,G
2
: Lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi mấy sấy, (Kg/h)
G
k
: Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua mấy sấy , (Kg/h)
W
1
, W
2
: Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy,tính theo % khối lượng
vật liệu ướt
W: Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy , (Kg/h)
L: Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua mấy sấy
, (Kg/h)
x
o
: Hàm ẩm của không khí trước khi vào caloripher sưởi , (Kg/Kgkkk)
x
1
,x
2
: Hàm ẩm của không khí trước khi vào mấy sấy (sau khi đi qua
caloripher sưởi) và sau khi ra khỏi mấy sấy ,(Kg/Kgkkk)
13
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
1.
Lượn
g ẩm
được

tách
ra :
1
21
2
100 W
WW
GW
−
−
=
( Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa
học Tập 2 - trang 165)
24 12
1000 157.89( / )
100 24
W kg h
−
= =
−

2.
Khối
lượng
vật
liệu
trước
khi
vào
thùng

sấy:
G
1
= G
2
+ W (Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa học
Tập 2 - trang 165)
G
1
= 1000 + 157.89 = 1157.89 ( kg/h )
Lấy G
1
= 1160 => W = 1160 – 1000 = 160(Kg/h)
14
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
3.
Lượn
g vật
liệu
khô
tuyệt
đối:
100
100
100
100
2
2
1
1

W
G
W
GG
k
−
=
−
=
( Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết
bị công nghệ hóa học Tập 2 - trang 165)
=
k
G
100 24
1000. 760( / )
100
kg h
−
=
II. Tính toán thiết bị chính
1. Tính thời gian sấy :
(w
1
-w
2
) = M (0.185
τ
+3) (CT 10.12 /210 - Tính toán và thiết kế hệ
thống sấy – Trần Văn Phú)

Hay (w
1
-w
2
) = M
’
(11,1
τ
+3)
Với M' = M.10
-2

: mà M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình
của hạt. Chon đường kính của cafe là d = 7 mm dựa vào bảng 10.3/210 -
Tính toán và thiết kế hệ thống sấy – Trần Văn Phú ta được:
M = 0,53 => M' = 0,53.10
-2
1 2
, 2
1 0,24 0,12 1
3 3 . 1,77( ) 106,2
11,1 0,53.10 11,1
w w
h
M
τ
−
− −
 
 

= − = − = =
 ÷
 ÷
 
 
phút
2. Tính thể tích thùng sấy
V =
1
.
.
G
τ
ρβ
( CT 10.3/208 - Tính toán và thiết kế hệ thống sấy – Trần Văn
Phú)
Trong đó : V : thể tích thùng sấy (m
3
)
G
1
:khối lượng vật liệu vào máy sấy (kg/h)
τ
: thời gian sấy (giờ)
15
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
β
: hệ số điền đầy ,
β
= 0,2-0,3 chọn

β
=0,2
ρ
: khối lượng riêng của vật liệu sấy (kg/m
3
)
 V =
3
1160.1,77
15,79( )
650.0,2
m=
3. Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy
Ta chọn tỉ lệ
5
L
D
=
hay L = 5D (10.1/207 - Tính toán và
thiết kế hệ thống sấy – Trần Văn Phú)
Khi đó đường kính thùng sấy được xác định :
V =
2 3
* * 3,14.5.
4 4
D L D
π
=
=> D =
3

4.
5.
V
π
=
3
4.15,79
1,59( )
5.3,14
m
=
Chọn D = 1,6 m . Nên chiều dài thùng sấy L = 5.1,6 = 8(m)
4. Số vòng quay của thùng sấy(n) :
n =
. .
. .
t
m k L
D tg
τ α
(CT VII.52/122 - Sổ tay QT&TB Tập 2)
Trong đó:
α: Góc nghiêng của thùng quay, độ. Thường góc nghiêng của thùng dài
là 2,5 ÷ 3
0
, còn thùng ngắn đến 6
0
, chọn α = 3
0
=> tgα = 0,0524.

m: Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh trong thùng, m = 1.
k: Hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của khí, k = 1,2.
τ : Thời gian sấy (phút).
 n =
1.1,2.8
1,08
106,2.1,6.0,0524
=
( vòng/phút ).
5. Công suất của thiết bị:
N = 0,13.10
-2
.D
3
.L .a.n.
ρ
(VII.54/123 - Sổ tay QT&TB Tập 2)
Trong đó: n : Số vòng quay của thùng sấy.
a : Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh, a = 0,063.
ρ : khối lượng riêng xốp trung bình, ρ = 650(kg/m
3
.)
D, L

: Đường kính và chiều dài của thùng, (m)
 N = 0,13.10
-2
.1,6
3
.8.0,063.1,08.650 = 1,88 (KW/h)

16
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
III. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng :
1. Trạng thái không khí bên ngoài :
Hàm ẩm ban đầu :
boo
boo
o
pp
p
x
.
.
622,0
ϕ
ϕ
−
=
(CT 2.73/273-Tính toán và thiết kế hệ thống sấy
- Trần Văn Phú)
Vơi P: áp suất hơi bão hòa của không khí ngoài trời,
lấy P =
1,0132 bar
P
bh0
: áp suất hơi bão hòa ở 25
0
C
0
4026,42

exp 12
235,5
bh
o
p
t
 
= −
 ÷
+
 
(CT 2.31/31-Tính toán và thiết kế hệ thống sấy -
Trần Văn Phú)
4026,42
exp 12 0,0315
235,5 25
 
= − =
 ÷
+
 
(bar)
x
o
=
0,81.0,0315
0,622. 0,01607
1,0132 0,0315.0,81
=
−

(kg/kgkkk)
Hàm nhiệt ẩm của không khí :
0 0 0 0
(2493 1,97. ).I t t x
= + +
(VII.14/96 - Sổ tay QT&TB Tập 2)
25 (2493 1,97.25).0,01607 65,854
= + + =
(kJ/kgkkk)
Thể tích riêng của không khí ẩm :
v
0
=
bh
pp
T
.
288
ϕ
−

5
288(25 273)
0,8689
(1,0132 0,81.0,0315).10
+
= =
−
(m
3

/kgkk)
(VII.8/94 - Sổ tay QT&TB Tập 2)
2. Tính toán không khí đưa vào calorife.
t
1
= 82
o
C
x
1
= x
o
= 0,01607 (kg/kgkk)
1
1
4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0,5058
235,5 235,5 82
bh
p
t
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
+ +
 
 
(bar)

17
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
1 1
1
1 1
0,622
bh
bh
P
x
P P
ϕ
ϕ
=
−

1
1
bh1 1
.
0,01607.1,0132
0,05045 5,045%
P .(0,622. ) 0,5058(0,622 0,01607)
x P
x
ϕ
= = = =
+ +
1 1 1 1
(2493 1,97. ).

82 (2493 1,97.82).0,01607 124,658
I t t x= + +
= + + =
1
1
1
5
1
288. 288(82 273)
1,035
. (1,0132 0,05045.0,5058).10
bh
T
v
P p
ϕ
+
= = =
− −
(m
3
/kgkkk)
3. Tính toán không khí ra khỏi máy sấy

t
2
= 46
0
C
I

1
=I
2
= 124,658
2
2
4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0,0999
235,5 235,5 46
bh
p
t
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
+ +
 
 
bar
Ta có I
2
= t
2
+ (2493+1,97.t
2
).x
2
 x

2
=
2 2
2
124,658 46
0,03044
2493 1,97. 2493 1,97.46
I t
t
−
−
= =
+ +
(kg/kgkkk)
=>
2
2
2 2
. 0,03044.1,0132
47,32%
(0,622 ) 0,0999(0,622 0,03044)
bh
x P
p x
ϕ
= = =
+ +
2
2
5

2 2
288.
288.(46 273)
0,951
. (1,0132 0,4732.0,0999).10
bh
T
v
P p
ϕ
+
= = =
− −
(m
3
/kgkkk)
Các thông số của không khí
t
o
(
o
C ) x(kg/kgkkk)
ω (%)
I (kJ/kgkkk)
Trước khi vào
calorife
25 0,01607 81 65,854
Sau khi ra khỏi
calorife
82 0,01607 5,045 124,658

Sau khi ra khỏi
buồng sấy
46 0,03044 47,32 124,658
18
(kJ/kgkk)
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
- Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm khỏi vật liệu (lượng
không khí khô tiêu tốn riêng) (l):
2 0
1
W x
L
l
x
= =
−
(kg kkk/kg ẩm bay hơi) (VII.20/102-Sổ tay QT&TB Tập 2)
Khi qua calorife sưởi không khí chỉ thay đổi nhiệt độ mà không thay
đổi hàm ẩm, nghĩa là x
1
= x
0
. Do vậy ta có:
0212
1
x
1
xxx
l
−

=
−
=
(kg kkk/kg ẩm bay hơi)
2 1
1 1
69,589
x 0,03044 0,01607
l
x
= = =
− −
(kg kkk/kg ẩm bay hơi)
- Lượng không khí khô tiêu tốn (L) để làm bốc hơi W kg ẩm trong vật
liệu:
2 0
W
x
L
x
=
−
(kg kkk/h) (VII.21/102-Sổ tay QT&TB Tập
2)

160
11134,307
0,03044 0,01607
L
= =

−
(kg kkk/h)
Bảng tổng kết cho vật liệu sấy
Đại lượng Giá trị Đơn vị
G1 1160 Kg/h
G2 1000 Kg/h
Gk 760 Kg/h
W1 24 %
W2 12 %
W 160 Kg/h
l 69,589 Kgkkk/Kg ẩm
L 11134,307 Kgkkk/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi vào máy sấy:
V
1
= v
1
.L = 1,035.11134,307 = 11524,008 (m
3
/h)
- Lưu lượng thể tích của tác nhân đi ra khỏi máy sấy:
19
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
V
2
= v
2
.L = 0,951.11134,307 = 10588,726 (m
3
/h)

- Lưu lượng thể tích trung bình là (V
tb
)
V
tb
=
2
)(
21
VV
+
=
(11524,008 10588,726)
11056,367
2
+
=
(m
3
/h)
= 3,071 (m
3
/s)
IV. Cân bằng nhiệt lượng:
Gọi :
o t
vl1
: nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ môi
trường: t
vl1

= t
o
= 25
o
C
o t
vl2
: nhiệt độ cuối của vật liệu sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy:
t
vl2
= t
2
– (5 410
o
C) = 46 – 5 =
41
o
C
o C
vl
: nhiệt dung riêng của vật liệu đi ra khỏi máy sấy:
C
vl
= C
n
.W
2
+ C
khô
(1-w

2
) kJ/kg
o
K
Với:
C
n
: nhiệt dung riêng của nước C
n
= 4,18 kJ/kg
o
K
C
khô
= 0,37 KJ/kgđộ: nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt
đối
⇒
C
vl
= 4,18.012 + 0,37.(1-0,12) = 1,8648 (kJ/kg
o
K)
1. Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy:
a) Nhiệt lượng mang vào do tác nhân sấy: (q
kkv
)
q
kkv
= l.I
0

= 69,589.65,854 = 4582,714(kJ/kg ẩm)
b) Nhiệt lượng do calorife cung cấp: (q
s
)
q
s
= l.(I
1
- I
0
) = 69,589.(124,658 - 65,854) = 4092,112(kJ/kg )
Q
s
= q
s.
W = 4092,112.160 = 654737,92 (kJ/h)
c) Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: (q
vls
)
q
vls
=
1. 1
1
.
.
vl vl
n vl
G C t
C t

W
+
(Nguyễn Bin - Sổ
tay QT & thiết bị công nghệ hóa học Tập 2 - trang 198).
20
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
q
vls
=

1160.1,8648.25
4,18.25 442,495
160
+ =

(kJ/kg ẩm)
* Vậy tổng lượng nhiệt mang vào:
v
q
∑
= q
kkv
+ q
s
+ q
vls
= 4582,714 + 4092,112 + 442,495
= 9117,321 (kJ/kg ẩm).
2.
Nhiệt

lượng
đưa
ra
khỏi
thiết
bị sấy
:
a) Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang ra: (q
kkr
)
q
kkr
= l.I
2
= 69,589.124,658 = 8674,825 (kJ/kg ẩm)
(Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa học Tập 2 - trang
198).
b) Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: (q
vlr
)
q
vlr
=
2 vl vl2
G .C .t
1000.1,8648.41
477,855
160W
= =

(kJ/kg ẩm)
(Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa học Tập 2 - trang
198).
c) Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung
quanh:
 Tổn thất qua vỏ máy:
. .
tb
tt
K F t
q
W
∆
=
Trong đó:
F: Bề mặt xung quanh của máy sấy.
21
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
tb
t
∆
: iệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xung
quanh
K: Hệ số truyền nhiệt.
1 2
1
1 1
K
δ
α λ α

=
+ +
∑
(W/m
2
.K)
Trong đó:

δ
λ
∑
: tổng nhiệt trở của thành máy sấy.

1
α
: Hệ số cấp nhiệt của tác nhân sấy đến bề mặt trong của tường phòng sấy.

1
α
= k.(
1
α
’
+
1
α
”
)
Với
1

α
’
là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối
lưu tự nhiên (W/m
2
độ)
1
α
“
: Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy
đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức ( W/m
2
độ )
k: Hiệu số điều chỉnh. k = 1,2÷1,3 chọn k = 1,2
 Tính
1
α
’
:
- Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy:
t
tb
= 0,5.(t
1
+t
2
) = 0,5.(82+46) = 64
0
C
- Tiết diện tự do của thùng sấy:

F
td
=
( )
4
1
2
D
πβ
−
=
( )
2
1 0,2 .3,14.1,6
1,608
4
−
=
(m
3
)
Với: β = 0,2 là hệ số chứa đầy.
- Tốc độ sấy lí thuyết: ω
lt
=
td
tb
F
V
=

3,071
1,91
1,608
=
(m/s)
- Chuẩn số Reynolds:
Re =
5
5
. . .
1,91.1,6
1,576.10
1,939.10
lt lt
l l
v
ω ρ ω
µ
−
= = =

(Công thức V.36/13- Sổ tay QT&TB Tập2)
Với ω là vận tốc trung bình trong máy sấy.
22
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
v = 1,939.10
-5
m
2
/s là độ nhớt động học của không khí.

L: kích thước hình học xác định theo đường kính tương dương.
Re = 1,576.10
5
> 10
4
nên tính theo chế độ chảy xoáy
- Chuẩn Nuxen đối với chất khí:
Nu = 0,018.ε
l
.Re
0,8
(Công thức V.42/16 - Sổ tay QT&TB Tập2)
Trong đó: ε
1
phụ thuộc vào tỷ số
L
D
và Re
Với: Re = 1,576.10
5

5
L
D
=
⇒
Nu = 0,018.1,1455.( 1,576.10
5
)
0,8

= 296,697
Mà
1
' .D
Nu
α
λ
=
(Nguyễn Bin - Sổ tay QT & thiết bị công nghệ hóa
học Tập 2 - trang 21).
Với: λ hệ số dẫn nhiệt ở 64
0
C.

1/5
0
273
273
c T
T c
λ λ
+
 
=
 ÷
+
 
( Công thức I.36/124 - Sổ tay QT&TB Tập1)
λ
0

: hệ số dẫn nhiệt 0
0
C.
c: hằng số phụ thuộc vào loại khí.
T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí.
Tra bảng I.122 STQT&TB T1 ta có: c = 122, λ
0
= 0,0201

1/5
273 122 64 273
0,0201
64 273 122 273
λ
+ +
 
=
 ÷
+ +
 
= 0,018 (W/m
2
.độ)
- Hệ số cấp nhiệt α
1
:

'
1
. 296,697.0,018

3,3378
1,6
Nu
D
λ
α
= = =
(W/m
2
.K)
 Tính α
1
”
:
- Chuẩn số Nuxen: Nu = 0,47.Gr
0,25
(CT V.78/24-Sổ tay
QT&TB Tập2)
23
 ε
l
= 1,1455 (sổ tay QTTB II / trang 15)
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
Mà
3 3 3
2 1
2 2 2
1
. . . . . . .( )
( 273)

ng ng ng
g D T g D T g D t t
Gr
T t
β
ν ν ν
∆ ∆ −
= = =
+
(CTV.39/13-Sổ tay
QT&TB Tập2)

3
10
5 2
9,81.1,6 .(82 46)
1,2061.10
(1,939.10 ) .(46 273)
−
−
= =
+
=> Nu = 0,47.(1,2061.10
10
)
0,25
=155,756
=>
1
.

155,756.0,018
" 1,7523
1,6
Nu
D
λ
α
= = =
Vậy α
1
= k (α
1
’
+α
1
”
) = 1,2.(3,3378+1,7523) = 6,108
 Tính α
2
:
α
2
: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt của tường ra môi trường
xung quanh.
α
2
= α’
2
+ α”
2

α’
2
: Hế số cấp nhiệt từ mặt ngoài của máy sấy do đối lưu
tự nhiên.
α”
2
: Hế số cấp nhiệt do bức xạ.
Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy:
STT Thông số
Kí
hiệu
Đơn vị Nguồn công thức Giá trị
1 Nhiệt độ t
o
o
C 25
2 Hệ sô dẫn nhiệt
λ
o
W/m.
o
K
Bảng I.255 Sổ tay
QT&TB T1/318
0,0264
3 Độ nhớt
µ
o
Ns/m

2
Bảng I.255 Sổ tay
QT&TB T1/318
1,84.10
-5
4 Áp suất bão hòa p
b
bar
Bảng I.250 Sổ tay
QT&TB T1/312
0,0323
5 Khối lượng riêng
ρ
o
kg/m
3
Bảng I.255 Sổ tay
QT&TB T1/318
1,185
6 Độ nhớt động
ν
o
m
2
/s
k
k
k
ρ
µ

ν
=
1,553.10
-5
24
Đồ án quá trình thiết bị sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 12 tấn/ngày
Chọn nhiệt độ thành ngoài của thùng ( phía tiếp xúc với không
khí)
t
3
= 35
0
C là nhiệt độ thích hợp để tác nhân sấy sau khi truyền
qua vách thùng và lớp cách nhiệt đến phía ngoài của thùng thì
không còn quá nóng , an toàn cho người làm việc.
Do hệ số dẫn nhiệt của thép lớn nên nên xem nhiệt độ không
đổi khi truyền qua bề dày thùng và lớp bảo vệ.
Chọn các thống số bề dày thùng như sau (Bảng I.235 và I.126
Sổ tay QT&TB Tập1/Trang 127 và 128). Chọn vật liệu làm
thùng sấy là thép C3 và vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh.
Chọn bề dày thùng và vật liệu:
STT Đại lượng Ký hiệu
Giá trị chọn
(m)
Vật liệu
Hệ số dẫn
nhiệt
λ
(W/mK)
1 Bề dày thùng

δ
1
0,01 CT3 50
2
Bề dày lớp cách
nhiệt
δ
2
0,1
Bông thủy
tinh
0,0372
3 Bề dày lớp bảo vệ
δ
3
0,1 CT3 50
- Đường kính ngoài của thúng sấy:
D
ng
= D
T
+ 2.( δ
1
+ δ
2
+ δ
3
)
= 1,6 + 2.(0,01 + 0,1 + 0,1) = 2,02 (m)
- Chuẩn số Grashof:

3 3 3
3
2 2 2
0 0
3
10
5 2
. . . . . . .( )
( 273)
9,81.2,02 .(35 25)
1,125.10
(1,553.10 ) .(25 273)
ng ng ng o
g D T g D T g D t t
Gr
T t
β
ν ν ν
−
∆ ∆ −
= = =
+
−
= =
+

- Chuẩn số Nusselt:
Nu = 0,47. Gr
0,25

= 0,47. (1,125.10
10
)
0,25
= 153,07
25