Tính toán thiết kế hệ thống sấy phun cà phê bột năng suất 100kgh

MỤC LỤC

1


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
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

Hình 1.1. Cấu tạo hạt cà
phê

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
2


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.
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.

3


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,
o
nhiệt độ nóng chảy là 218 C. 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

Carbohydratehòa tan

9 – 12.5%

6 – 11.5%

Monosaccharide

0.2-0.5%

Thành phần

Glucose
Fructose
Galactose
Arabinose

4

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

46 – 53%

34 – 44%

5 – 10%

6 – 4%

hòa tan
Hemicellulose

Cellulose,

β(1-4)

mannan
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
Lipid

1-3%
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%

Protein

8,5-12%

Chủ yếu glut, asp, asp -NH2

Caffein

0.8 – 1.4%

1.7 – 4.0%

Trigonelline

0.6 – 1.2%

0.3 – 0.9%

Khoáng

3-5.4%

5

Chủ yếu glut, asp, asp -NH2


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:
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
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.

6


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 hoà tan

Bột cà phê rang

Thu hồi chất thơm

Trích ly

Cô đặc

Sấy khô
Bổ sung chất thơm

Cà phê hoà tan

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.
0
Dùng nước nóng ở 80- 90 C 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
7


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.
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 thụ
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 thụ
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

8


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

0
không khí ra là 107 - 121 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.

9


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.
o
Nhiệt độ dòng khí có thể lên đến 750 C 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

10


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.
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.
11


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
12


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 –
o
150 C. Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng
0
là 10 C. 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.

13


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 1.4 : 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
14

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
o
khí sấy không thể quá cao, thường nhỏ hơn 500 C 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
o
độ đến trên 1000 C, 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.

15

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:
o
Nhiệt độ bị hạn chế (thường < 100 C), 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:

16

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

17


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

18


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.
o
Tác nhân gia nhiệt là khói lò, calorifer khí – khói : vì nhiệt độ sấy chọn 200 C 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

Bảng 2.1: Các thông số ban đầu
Thông số

Dung dịch cà phê Cà phê hòa tan

Khối lượng riêng

ρ

Khối lượng riêng thể tích

γ

Nhiệt dung riêng

CP

Hệ số dẫn nhiệt

3
(kg/m )

1050

920

-

550

(J/kgđộ)

4050

1500

λ

(W/mđộ)

0,6

1,6

Độ nhớt

µ

2
(Ns/m )

1,5.10

Nhiệt độ đầu

tv1

o
( C)

45

-

Độ ẩm ban đầu

W1

%

80

-

kg/m

19

3

-3

-


Độ ẩm cuối

W2

%

-

8

Độ ẩm tới hạn

Wk

%

-

13

Cường độ bay hơi ẩm

A

3
kg/m h

-

0,03

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY
3.1. Tính cân bằng vật chất
G1: Năng suất nhập liệu: G1= 100 [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 = 100. = 21,74 [kg / h]
Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy
W= G1- G2= 100 – 21,74 = 78,26 [ kg ẩm/h ]
Các thông số trạng thái của không khí
h (kJ/kgkkk)

20


Hình 2.1: Đồ thị log h-d cho quá trình sấy không có không khí hồi lưu
3.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết
Thông số không khí ngoài trời - Trạng thái 0:
0
+ Chọn không khí ngoài trời có nhiệt độ = 30 C; o= 0,75
+ Áp suất bão hòa của không khí ngoài trời:
Pbho= exp{ 12 ─ } = exp{ 12 } = 0,0422 bar
+ Độ chứa hơi của không khí ngoài trời:
do = 0,621. 0,621 . = 0,02 [kg/kgkkk]
+ Entanpy của không khí ngoài trời:
Ho = Cpk.to + do(r + Cph.t0)= 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:
0

+ Nhiệt độ không khí sau khi qua calorifer: t1= 200 C.
+ Độ chứa hơi của không khí ở trạng thái 1: d1= d0 =0,02 [kg/kgkkk]

21


+ 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:
= exp{ 12 ─ } = exp{ 12 } = 15,7 bar
+ Độ ẩm tương đối φ1 :
= = = 0,2%
Thông số không khí sau khi sấy lý thuyết- Trạng thái 2:
0
+ Nhiệt độ sau khi sấy lý thuyết: t2 = 55 C
+ 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 = = = 0,078[kg/kgkkk]
+ Áp suất bão hòa khi sấy lý thuyết:
= exp{ 12 ─ } = exp{ 12 } = 0,156 bar
+ Độ ẩm tương đối sau khi sấy lý thuyết:
= = = 70,1 %
Bảng 3.1: Thông số trạng thái của không khí trong quá trình sấy
Thông số

0

t( C)

d (kg ẩm/ kgkkkk)

h (kJ/kgkkk)

30

0,02

81,23

Trạng thái
0

22


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 = = = 17,24 [kg kkk/kg ẩm]
+ Lượng không khí cần cho quá trình sấy:
Lo = lo.W= 17,24 . 78,26 = 1349,2 [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) = 1349,2.(258,2 – 81,23) = 238768,35 [KJ/h]
3.3. Tính toán quá trình sấy thực
+ Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:
Qvl = G2Cp(t2 – to) = 21,74 . 1,5.(55 – 30) = 815,62 (KJ/h)
=> qvl = Qvl/W = 815,62/ 78,26 = 10,42 (KJ/kg ẩm)
+ Nhiệt lượng do vật liệu ẩm mang vào:
Qa = W.Cn.tvl =78,26. 4,186. 45 = 14741,84[KJ/h]
+ Giả sử nhiệt tổn thất ra môi trường là 10% tổng lương nhiệt:
Qmt = (Qo + Qvl – Qa). 10%
= (238768,35+815,62–14741,84).0,1 = 22484,21[Kg/h]
=> qmt = Qmt/W = 22484,21/78,26= 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]

23


⇒ 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 + = 0,02 + = 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:
= = = 68,5%
+ Lượng không khí tiêu hao thực tế:
lo = = = 17,86 [kg kkk/kg ẩm]
Lo= 78,26.17,86 = 1397,72 [kgkkk/h]
+ Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp:
Qo = Lo(h1 – h0) = 1397,72.(258,2 – 81,23) = 247355,14(KJ/h)
Kiểm tra lại giả thiết tác nhân sấy:
+ 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

24


+ Sai số tương đối :
� = = = 0,5%
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
dr =
Bán kính tán phun

Trong đó
RΨ: bán kính tán phun [m]
r = 2500: ẩn nhiệt hóa hơi [kJ/kg.độ]
µk=26. 10

-6

2
[N.s/m ]: độ nhớt tuyệt đối của TNS

λk= 0,03930 [W/m.độ]: hệ số dẫn nhiệt của TNS t1=200: nhiệt độ TNS vào

25