Thiết kế thiết bị sấy đường kiểu thùng quay năng suất nhập liệu 4000 kg/h

MỤC LỤC


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

DANH MỤC BẢNG

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

2


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

DANH MỤC HÌNH ẢNH

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

3


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

LỜI MỞ ĐẦU
Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp.
Trong nông nghiệp, sấy là một trong những công đoạn quan trọng của công nghệ sau
thu hoạch. Trong công nghiệp như công nghiệp chế biến nông – hải sản, công nghiệp
chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng,… Kỹ thuật sấy cũng đóng một
vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất.
Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một
cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ. Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải

đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Chẳng hạn,
trong chế biến gỗ, sản xuất vật liệu xây dựng, sản phẩm sau khi sấy phải đảm bảo duy
trì màu sắc, hương vị các vi lượng. Trong sấy thóc phải đảm bảo thóc sau khi sấy có tỉ
lệ nứt gãy khi xay xát là thấp nhất,…
Để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều thiết bị
như: thiết bị sấy (buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy, thùng sấy,…), thiết bị đốt nóng tác
nhân (caloriphe) hoặc thiết bị lạnh để làm khô tác nhân, quạt, bơm và một số thiết bị
phụ khác như buồng đốt, xyclon,… Chúng ta gọi hệ thống các thiết bị thực hiện một
quá trình sấy cụ thể nào đó là một hệ thống sấy.

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

4


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.Giới thiệu đầu đề đồ án
Từ lâu, con người đã biết sấy khô vật liệu bằng nhiều cách khác nhau. Ngày nay,
kỹ thuật sản xuất phát triển và vai trò của ngành sấy ngày càng quan trọng trong việc
sấy khô để đảm bảo thực phẩm. Vì vậy, sấy được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
và đời sống. Trong quy trình công nghệ sản xuất của nhiều nhà máy đều phải có công
đoạn sấy khô để bảo quản được lâu hơn. Công nghệ này ngày càng phát triển trong
ngành hải sản, rau quả và các ngành thực phẩm khác. Các sản phẩm thực phẩm dạng
hạt như đường, cà phê,…
Đường là loại thực phẩm có ý nghĩa rất quan trọng đói với dinh dưỡng của cơ thể
con người. Nó là hợp phần chính không thể thiếu trong thức ăn hằng ngày của chúng
ta. Đường còn là nguyên liệu quan trọng của nhiều ngành công nghệ khác như: đồ hộp,
bánh kẹo,… Vì vậy cần phải sấy khô và bảo quản lâu dài. Tuy nhiên, các nhu cầu sấy
đường này còn rất đa dạng và có nhiều phương thức sấy và thiết bị sấy khác nhau.

Trong đồ án môn học này, chúng em sẽ trình bày về quy trình công nghệ và thiết
kế thiết bị sấy thùng quay để sấy đường với năng suất nhập liệu 4000 kg/h.
1.2.Giới thiệu về nguyên liệu
Đường saccharose là chất có vị ngọt tự
nhiên, là loại thực phẩm bổ dưỡng cung cấp
nhiều năng lượng cho cơ thể con người.
Đường có thể dùng trực tiếp hay dùng làm
nguyên liệu trong công nghệ sản xuất thực
phẩm như: công nghệ sản xuất đồ hộp, làm
bánh kẹo, làm mứt, nước giải khát…
Một trong những công đoạn quan trọng
hỗ trợ đắc lực trong công nghệ sản sản xuất

Hình 1.1. Đường saccharose

đường là giai đoạn sấy đường sau khi tinh thể
đường được tạo ra. Việc sấy đường đã giúp cho việc bảo quản và vận chuyển đường
được thuận lợi nên công đoạn sấy đường là công đoạn không thể thiếu trong công
nghệ sản xuất đường cát.
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

5


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Tính chất nguyên liệu: Đường saccharose là thành phần chính quan trọng nhất
của cây mía, là sản phẩm của công nghệ sản xuất đường.
1.2.1.Tính chất vật lý
+
+

Là chất rắn kết tinh, không màu, trong suốt, vị ngọt.
Khối lượng riêng: 1587,9 kg/m3.

+ Nhiệt độ nóng chảy: 186-188oC
+
+

Không tan trong dầu hỏa, alcohol, CS2, benzene,…
Dễ tan trong nước, độ tan tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
Bảng 1.1. Độ hòa tan của đường saccharose trong nước
Nhiệt độ

Độ hòa tan g

C

Saccharose/100g
nước

0

Nhiệt độ

Độ hòa tan g

C

Saccharose/100g
nước

179,20

60

287,30

10

195,50

70

320,50

20

203,90

80

362,20

30

219,50

90

415,70

40

238,10

100

487,20

50

260,10

o

o

1.2.2.Tính chất hóa học
a) Trong môi trường acid
Trong môi trường có tính acid (pH < 7) đường saccharose bị thủy phân thành
glucose và fructose.
C12H22O11 + H2O
C6H12O6 + C6H12O6
+
Phản ứng trên là phản ứng nghịch đảo
H đường.
b) Trong môi trường kiềm
Dung dịch đường có tính acid yếu nên tác dụng được với các chất kiềm tạo thành
saccharose. Phản ứng kiềm áp dụng trong sản xuất đường là phản ứng với mono và
dicanxi saccharate dễ bị phân hủy, trisaccharate khó bị phân hủy. Đặc tính này của

trisaccharate được ứng dụng để lấy đường saccharose ra khỏi mật củ cải.
Điều kiện pH > 8 - 9 và bị nung nóng trong thời gian dài, đường saccharose bị
phân hủy tạo thành các hợp chất có màu vàng và vàng nâu.
1.3.Phương pháp sấy và các loại thiết bị sấy
1.3.1.Quá trình sấy
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

6


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Sấy là quá trình tách pha lỏng ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt. Như phơi
nắng là biện pháp sấy tự nhiên rất đơn giản được áp dụng lâu đời trong nhân gian. Tuy
nhiên phơi nắng cũng bị hạn chế do diện tích sân phơi phải lớn, phụ thuộc vào thời
tiết, đặc biệt bất lợi trong mùa mưa. Vì vậy, trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế
xã hội người ta phải áp dụng biện pháp sấy nhân tạo.
Kết quả của quá trình sấy: hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên, có ý nghĩa
quan trọng trên từng phương diện khác nhau. Đối với nông sản và thực phẩm nhằm
tăng cường tính bền vững trong bảo quản, đối với các nhiên liệu (than , củi) được nâng
cao lượng nhiệt cháy, gốm sứ được tăng độ bền cơ học,… Nói chung các vật liệu sấy
đều được giảm giá thành trong vận chuyển.
Nguyên tắc quá trình sấy là cung cấp năng lượng để biến đổi trạng thái pha lỏng
trong vật liệu thành hơi. Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha
lỏng là nước và người ta thường gọi là ẩm. Như vậy trong thực tế, có thể xem sấy là
quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng nhiệt.
Việc cung cấp năng lượng nhiệt cho vật liệu trong quá trình sấy đực tiến hành
theo các phương pháp truyền nhiệt đã biết. Như vậy có các tên gọi tương ứng: cấp
nhiệt bằng đối lưu gọi là sấy đối lưu, cung cấp nhiệt bằng nhiệt gọi là sấy tiếp xúc, còn
cấp nhiệt bằng bức xạ gọi là sấy bức xạ.
Phương pháp sấy được chia thành 2 loại:

• Sấy tự nhiên: phơi trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời, nhờ tác nhân sấy là nắng và
gió.
− Ưu điểm: đơn giản, đầu tư ít vốn, bề mặt trao đổi nhiệt lớn, dòng nhiệt bức xạ
từ mặt trời tới vật có mật độ lớn (1000 w/M).
− Nhược điểm:
+ Khó thực hiện cơ giới hóa, chi phí lao động nhiều.
+ Nhiệt độ thấp nên cường độ sấy không cao.
+ Sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi, vi sinh vật.
+ Chiếm diện tích bề mặt sản xuất lớn.
+ Nhiều sản phẩm sấy tự nhiên chất lượng không đạt yêu cầu.
• Sấy bằng cấp nhiệt: là quá trình cần cung cấp nhiệt, nghĩa là phải dùng đến tác nhân
sấy như khói lò, không khí nóng, hơi quá nhiệt,… và nó được hút ra khỏi thiết bị sau
khi sấy xong. Quá trình sấy nhanh và triệt để hơn so với sấy tự nhiên.
1.3.2.Tác nhân sấy và chất tải nhiệt
Cơ chế của quá trình sấy gồm 2 giai đoạn: gia nhiệt cho vật liệu sấy để làm ẩm
hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường. Nếu ẩm thoát ra khỏi vật

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

7


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
liệu mà không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởng tới quá trình bốc hơi ẩm từ vật liệu sấy,
để tải ẩm đã bay ra từ vật liệu sấy vào môi trường có thể dùng các biện pháp sau:
− Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt.
− Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật liệu sấy ra ngoài ( sấy chân không).
Trong sấy đối lưu, vai trò của tác nhân sấy đặc biệt quan trọng vì nó đóng vai trò
vừa giải nhiệt vừa tải ẩm. Các tác nhân sấy thường dùng là không khí nóng, khói nóng,
hỗn hợp không khí nóng và khói, hơi quá nhiệt, chất lỏng. Chất tải nhiệt có thể dùng là

hơi nước hay khói để gia nhiệt cho tác nhân sấy và các bề mặt truyền nhiệt cho vật
liệu.
Dùng khói làm chất tải nhiệt thì hệ thống thiết bị sẽ đơn giản hơn, giá thành thiết
bị thấp hơn so với dùng hơi nước vì không cần dùng lò hơi.
Dùng hơi nước làm chất tải nhiệt có ưu điểm là caloriphe khí – hơi cấu tạo gọn
nhẹ, vì có hệ số truyền nhiệt lớn và thường có thể làm cánh ở phía không khí, việc điều
chỉnh nhiệt độ môi chất sấy dễ dàng. Thiết bị không bị bám bẩn do khói, lại làm việc ở
nhiệt độ thấp nên tuổi thọ cao hơn so với caloriphe khí – khói.
1.3.3.Các loại thiết bị sấy
Vì sản phẩm đem sấy có rất nhiều loại và điều kiện sấy trong mỗi trường hợp sấy
rất khác nhau, vì vậy có nhiều cách phân loại thiết bị sấy:
−

Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy không khí hoặc thiết bị sấy khói lò, ngoài ra còn có
các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại

hay bằng dòng điện cao tần.
− Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường.
− Dựa vào phương thức làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn.
− Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, hoặc
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, sấy tầng sôi,…
− Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: cùng chiều, ngược chiều
và giao chiều.
Một số thiết bị sấy:
a) Hầm sấy

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

8


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Hầm sấy làm việc ở áp suất khí quyển và dùng tác nhân sấy là không khí hoặc
khói lò. Vật liệu được xếp trên các khay đặt trên xe goòng di chuyển dọc theo chiều
dài hầm. Có thể cho tác nhân sấy tuần hoàn để tăng tốc độ và độ ẩm của tác nhân sấy.
•

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, sử dụng các phương thức sấy khác nhau, dễ vệ

sinh và sửa chữa.
• Nhược điểm: sấy không đồng đều giữa các lóp vật liệu, cường độ sấy thấp.
b) Thiết bị sấy băng tải
Không khí đước hút qua cửa vào và được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết nhờ
buồng đốt. Vật liệu sấy được cung cấp liên tục ở phễu nạp liệu. Trong thiết bị, vật liệu
di chuyển từ băng tải trên xuống các băng tải dưới, đến băng tải cuối cùng thì vật liệu
khô được đổ vào ngăn chứa sản phẩm. Còn khí nóng đi ngược chiều từ dưới lên.
•

Ưu điểm: cường độ sấy cao, có sự đảo trộn trong quá trình sấy, thường dùng

trong công nghiệp thực phẩm.
• Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, không sấy được vật liệu giòn dễ vỡ.
c) Thiết bị sấy khí thổi
Vật liệu được cấp vào phễu, nhờ cơ cấu nhập liệu được cấp vào buồng sấy. Tác
nhân sấy được quạt thổi qua cloriphe được đun nóng đến nhiệt độ cần thiết và đưa vào
buồng sấy.
Vật liệu sấy bị cuốn theo dòng tác nhân sấy chuyển động từ dưới lên, rồi rơi vào
xyclon để tách vật liệu sấy khỏi khí thải.

•

Ưu điểm: bề mặt tiếp xúc pha lớn, cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn nên

•

có thể sấy ở nhiệt độ cao.
Nhược điểm: khó điều chỉnh quá trình sấy, dễ gây cháy nổ khi sấy các vật liệu

dễ cháy.
d) Thiết bị sấy phun
Vật liệu sấy từ bồn được bơm phun vào buồng sấy thông qua cơ cấu phun, khí
nóng từ bộ phận lọc khí đi vào caloriphe thổi ngược chiều vào dòng vật liệu phun. Vật
liệu sau khi khô được tách ra ngoài thông qua thiết bị thu hồi xyclon. Tác nhân sấy từ
ngoài qua lưới lọc bụi, vào buồng đốt 4 để đun tác nhân sấy lên nhiệt độ yêu cầu và
thổi vào buồng sấy. Sau khi thực hiện xong tác nhân được đưa qua thiết bị xyclon và
thải ra ngoài.
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

9


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Ưu điểm: cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn, năng suất lớn.
Nhược điểm: kích thước phòng sấy tương đối lớn, cấu tạo phức tạp, chỉ ứng

•
•

dụng sấy các nguyên liệu dạng lỏng.

1.4.Phương án thiết kế
1.4.1.Chọn thiết bị sấy
Mỗi loại vật liệu sấy sẽ thích hợp với một số phương pháp sấy và một số kiểu
thiết bị sấy nhất định, đồng thời đối với một số vật liệu nó còn ảnh hưởng đến chế độ
sấy thích hợp. Chính vì vậy mà việc chọn thiết bị sấy tiến hành qua 2 giai đoạn:
+ Chọn sơ bộ phương pháp sấy và chế độ sấy thích hợp ở một thiết bị sấy có thể
dùng cho vật liệu đó.
+ Trên cơ sở một số thiết bị đã chọn, tính toán kinh tế kỹ thuật để chọn kiểu
thiết bị thích hợp nhất.
Để tạo ra hiệu suất cao, trước khi thiết kế một thiết bị sấy cần tìm hiểu quá trình
công nghệ khác có liên quan, đặc biệt là công đoạn trước và sau sấy.
Vì đường là vật liệu dạng hạt nên ta chọn thiết bị sấy thùng quay, hệ thống sấy
thùng quay cũng là hệ thống sấy đối lưu.
Đây là loại thiết bị quan trọng được dùng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất,
thực phẩm để sấy một số loại hóa chất phân đạm, ngũ cốc, bột đường,… nói chung là
các loại vật liệu rời có khả năng kết dính. Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển, tác
nhân sấy có thể là không khí hoặc khói lò. Trong bài này nhóm em sử dụng không khí
làm tác nhân sấy. Vật liệu sấy và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều.
− Chọn chế độ sấy: căn cứ vào mỗi yêu cầu nhiêt độ, độ ẩm của vật liệu sấy có thể chịu
được mà chúng ta chọn chế độ sấy thích hợp. Trong sấy đường đòi hỏi nhiệt độ sấy
không cao, độ ẩm tương đối bé. Vì vậy, ta có thể chọn chế độ sấy thông thường.
− Chọn nguyên tắc chuyển động của tác nhân sấy và nhiệt độ sấy: có 2 nguyên tắc làm
việc:
+

Phương pháp xuôi chiều: khi vật liệu ở trạng thái ẩm chịu được sấy với nhiệt
độ cao tốt hơn ở trạng thái khô, khi nhiệt độ cao vật liệu bị hỏng, khi độ hút

ẩm của vật liệu nhỏ.
+ Phương pháp ngược chiều: khi vật liệu có độ ẩm lớn nhưng không bốc hơi

nhanh, khi vật liệu chịu được nhiệt độ cao hoặc khi nhiệt độ hút ẩm và độ
hút ẩm của vật liệu lớn.
1.4.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy thùng quay
− Cấu tạo gồm: thùng sấy hình trụ, bánh răng lớn, bánh răng nhỏ con lăn đỡ, quạt hút,
vít tải, xyclon thu hồi bụi, buổng đốt, phễu nhập liệu, cánh đảo, cửa tháo sản phẩm.
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

10


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
−

Nguyên lý hoạt động: vật liệu sấy được nhập qua phễu rồi vào thùng ở đầu cao được
chuyển động trong thùng nhờ cánh đảo. Cánh đảo vừa phân bố, vừa xáo trộn đều vật
liệu làm vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy tốt hơn. Vật liệu chuyển động đến cuối
thùng thì khô và được đưa ra ngoài qua cửa thảo sản phẩm và vít tải.
Tác nhân sấy (không khí nóng, khói lò,…) từ ngoài vào buồng đốt được gia nhiệt
đến nhiệt độ cần thiết rồi vào thùng sấy theo chiều song song cùng chiều hoặc ngược
chiều với vật liệu. Vận tốc của tác nhân sấy trong thùng khoảng 2 – 3 m/s. Sau khi sấy
xong, tác nhân được cho qua xyclon để giữ lại những hạt vật liệu bị kéo theo rồi thải ra

ngoài.
1.4.3.Ưu, nhược điểm của thiết bị
• Ưu điểm: quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ có sự tiếp xúc tốt giữa vật liệu và tác
nhân sấy, cường độ sấy tính theo lượng ẩm đạt được cao.
• Nhược điểm: do vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ bị gãy vụn, tạo ra bụi, do đó trong
một số trường hợp làm giảm phẩm chất của sản phẩm. Có cấu tạo khá phức tạp do
thiết bị sấy và vật liệu sấy đều chuyển động.
1.4.4.Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy

Tốc độ sấy phụ thuộc vào một số yếu tố chủ yếu sau:
− Bản chất của vật liệu sấy như câu trúc, thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm,…
− Hình dạng vật liệu sấy: kích thước mẫu sấy, bề dày lớp vật liệu,… Diện tích bề mặt
riêng của vật liệu càng lớn thì tốc độ sấy càng nhanh.
− Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của vật liệu.
− Độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ không khí.
− Chênh lệch giữa nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của không khí sấy, nhiệt độ cuối cao thì
nhiệt độ trung bình của không khí càng cao, do đó tốc độ sấy tăng. Tuy nhiên, nhiệt độ
cuối không nên quá cao vì sẽ không sử dụng nhiệt triệt để.
− Cấu tạo thiết bị sấy, phương thức và chế độ sấy.

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

11


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

Chương 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1.Sơ đồ quy trình công nghệ

Không khí

Đường

Quạt đẩy

Gầu tải

Hơi nước

Cơ cấu nhập liệu

Caloriphe

Thùng sấy

Nước ngưng

Quạt hút

Xyclon

Đường sau sấy
Bụi đường
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ sấy đường thùng quay

2.2.Thuyết minh quy trình công nghệ
Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng quay là một thùng sấy hình trụ tròn. Trong
đó có đặt cánh xáo trộn. Thùng đặt nghiêng với mặt phẳng ngang một góc alpha với
tốc độ quay 1-10 vòng/phút.
Vật liệu (đường) sau khi ly tâm sẽ được đưa đến gầu tải để vận chuyển lên cao
cho vào phểu nhập liệu rồi nhờ cơ cấu nhập liệu đưa vào thùng sấy. Vật liệu sấy đi vào
thùng sấy cùng chiều với tác nhân sấy (không khí nóng). Thùng sấy quay tròn, vật liệu
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

12


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

sấy vừa xáo trộn vừa đi dần từ đầu cao của thùng xuống đầu thấp. Trong quá trình sấy,
tác nhân và vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm cho nhau.
Không khí ở điều kiện bình thường (27,20C; 77%) từ ngoài được quạt đẩy đưa
vào caloriphe và được gia nhiệt tới nhiệt độ sấy rồi vào thùng theo chiều song song
cùng chiều với vật liệu sấy.
Vật liệu đi hết chiều dài thùng sấy được lấy ra và vận chuyển đến công đoạn tiếp
theo nhờ băng tải, còn tác nhân sấy được quạt hút đưa qua xyclon để lọc và thu hồi bụi
đường, không khí sạch được thải ra ngoài môi trường.
Để tăng quá trình xáo trộn và sự tiếp xúc của vật liệu với tác nhân sấy, ta bố trí
trong thùng sấy có các cánh đảo.
Nhiệt độ đầu ra của đường khá cao nên cần phải được làm nguội. Có hai cách
thực hiện quá trình làm nguội đường như sau:
+ Dùng luồng không khí lạnh, khô thổi cưỡng bức để làm nguội.
+ Làm nguội tự nhiên bằng cách tận dụng độ dài thích hợp của hệ thống băng
tải.

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

13


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

Chương 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG
LƯỢNG
3.1.Các thông số
Năng suất nhập liệu đầu vào G1=4000 kg/h.
Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: ω 1 = 1,2% = 0,012
Độ ẩm lúc sau của vật liệu sấy: ω2= 0,8% = 0,008
Khối lượng riêng của đường : ρv = 1587,9 kg/m3

Nhiệt dung riêng của đường: Cd = 996 + 1,26T (J/kg.K).
Đường kính tương đương hạt đường: d = 0,8 mm.
Chọn quá trình sấy xuôi chiều.
Chọn cường độ sấy A = 9 (kg/m3h)

(Bảng 6.2/179,[2])

Địa điểm đặt thiết bị sấy: Tp.HCM.
3.1.1.Công thức dùng xác định các thông số của tác nhân sấy
 Áp suất hơi bão hòa


4026,42 
pb = exp12 −

235,5 + t o C 

 Hàm ẩm:

Trong đó:
Pa – áp suất khí quyển:
Pa = 1,103 bar (760 mmHg).
 Enthalpy:

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

14

(bar).

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Trong đó:
•
•
•
•
•

Ck = 1,004 kJ.K – nhiệt dung riêng của không khí khô.
Ch = 1,842 kJ/kg.K – nhiệt dung riêng của hơi nước.
r0 = 2500 kJ/kg - ẩn nhiệt hóa của hơi nước
t – nhiệt độ không khí (0C)
d – hàm ẩm (kg ẩm/kgkkk).

 Thể tích riêng của không khí ẩm:

Trong đó:
•
•
•

R – hằng số khí: R = 8314 J/kmol.độ.
M – khối lượng không khí: M = 29 kg/kmol.
P, Pb – áp suất khí trời và phần áp suất bão hòa của hơi nước trong không

khí (N/m).
 Lưu lượng không khí ẩm:
V = v.L (m3/kg).
Với:

L: lưu lượng không khí khô (kg/h).
v: thể tích riêng của không khí ẩm (m3/h).
 Khối lượng riêng của không khí ẩm:
•
•

Trong đó:
•
•

ρo = 1,293 (kg/m3): khối lượng riêng không khí khô ở điều kiện chuẩn.
To = 273oK: nhiệt độ không khí ở điều kiện chuẩn.

3.1.2.Xác định các thông số trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết
Trạng thái không khí ngoài trời được biểu diễn bằng trạng thái A, xác định bằng
thông số (to, φo).
a)

Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A)
Do địa điểm đặt thiết bị là Thành phố Hồ Chí Minh nên chọn trạng thái A theo

giá trị trung bình cả năm tại Tp.HCM: A (to = 27,2oC; φo = 77%)
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

15


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
 Áp suất hơi bão hòa:
 Hàm ẩm:

 Enthalpy:
 Thể tích riêng của không khí ẩm:
 Khối lượng riêng:

b)

Thông số trạng thái của tác nhân sấy vào thùng sấy (B)
Không khí ngoài trời từ trạng thái (A) được đưa vào caloriphe nhờ quạt đẩy và

được đốt nóng đẳng ẩm đến trạng thái B(d1, t1) để đưa vào thùng sấy.
Nhiệt độ t1 tại điểm B là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy, được quy định bởi
tính chất của vật liệu sấy và chế độ công nghệ và được chọn ở phần trên. Do đường bị
biến màu khi nhiệt độ trên 105oC nên ta cần nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn nhiệt độ
này. Chọn:
Tại điểm B: t1 = 900C; d1 = d0 = 0,0174 kg ẩm/kgkk.
Khi đó áp dụng các công thức đã nêu ở phần 3.1.1, các thông số khác của
tác nhân sấy ở trạng thái B được xác định như sau:


Áp suất hơi bão hòa:



Độ ẩm tương đối:



Enthalpy:



Thể tích riêng của không khí ẩm:



Khối lượng riêng:

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

16


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
c)

Thông số trạng thái của tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy (C)
Không khí ở trạng thái B được đẩy vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy.
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy t 2 tùy chọn sao cho tổn thất nhiệt do tác

nhân sấy mang đi là bé nhất nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương (nghĩa là tránh
trạng thái C nằm trên đường bão hòa). Đồng thời, hàm ẩm của tác nhân sấy tại C phải
nhỏ hơn độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở
lại.
Với quá trình sấy lý thuyết ta có: I2 = I1 = 136,74 (kJ/kgkkk); = 100 %.
⇒ tbư = 370C => chọn t2 = 400C.
Khi đó áp dụng các công thức đã nêu ở mục 3.1.1, các thông số khác của tác
nhân sấy ở trạng thái C được xác định như sau:


Áp suất hơi bảo hòa:



Hàm ẩm:



Độ ẩm tương đối:



Thể tích riêng của không khí ẩm:



Khối lượng riêng:

Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết tóm tắt như ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết

Đại lượng

Trạng thái
không khí ban
đầu (A)

Trạng thái không
khí vào thiết bị
sấy (B)

Trạng thái không
khí ra khỏi thiết bị
sấy (C)

t(0C)

27,2

90

40

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

17


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Φ

0,77

0,04

0,79

d (kg/kgkk)

0,0174

0,0174

0,0375

I (kJ/kgkk)

71,68

136,74

136,74

Pb (bar)

0,0359

0,69

0,073

v (m3/kgkk)

0,889

1,075

0,957

(kg/m3)

1,1637

0,9623

1,1032

3.2.Tính cân bằng vật chất


Phương trình cân bằng vật chất:
G1 = G 2 + W
G1ω1 = G2ω2 + W

 Lượng vật liệu khô tuyệt đối:

 Lượng vật liệu sau sấy:



Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:

 Lượng tác nhân khô cần thiết:

 Lượng tác nhân tiêu hao riêng:

3.3.Tính cân bằng năng lượng cho quá trình sấy
Vì quá trình sấy không có bổ sung nhiệt lượng và thiết bị sấy thùng quay không
có thiết bị chuyền tải => Qbs = Qvc = 0. Như vậy:
Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy gồm:
− Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong caloriphe: L(I1 – I0).

− Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: [(G1 – W)Cv1 + WCa].tv1.
• Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
− Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi: L(I2 – I0)
− Nhiệt lượng tổn thất qua cơ cấu bao che: Qbc.
•

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

18


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
−

Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2.Cv2.tv2.

Trong đó:
tv1 – nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thương lấy bằng nhiệt độ môi trường:
tv1 = t0 = 27,20C.
tv2 – nhiệt độ cuối của vật liệu sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy:
tv2 = t2 – (50C) = 40 – 5 = 350C.
Cv – nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với độ ẩm ω:
Cv = Cvk(1 – ω) + Ca.ω (kJ/kg.K).
Với:
Ca – nhiệt dung riêng của ẩm (nước): Ca = Cn = 4180 J/kg.K.
Ck – nhiệt dung riêng của vật liệu khô: Cvk = 996 + 1,26T (J/kg.độ).
Cvk = 996 + 1,26Tv2 = 996 + 1,26(273 + 35) = 1384,08 J/kg.
=> Cv2 = Cvk(1 – ω2) + Ca.ω2 = 1384,08.(1 – 0,008) + 4180.0,008
= 1406,4 (J/kg.K) = 1,4064 (kJ/kg.K).
 Cân bằng nhiệt lượng vào và ra hệ thống sấy:

L(I1 – I0) + [(G1 – W)Cv1 + W.Ca]tv1 = L(I2 –I0) + Qbc + G2.Cv2.tv2
Đặt Qv – tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi: Qv =G2Cv2(tv2 – tv1)
Mặt khác: G2 = G1 – W
 Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực:

Q = L(I1 – I0) = L(I2 – I0) + Qbc + Qv – W.Ca.tv1 (kJ/h)
 Nhiệt lượng tiêu hao riêng (nhiệt lượng cần để bốc hơi 1kg ẩm):

q = L(I1 – I0) = L(I2 – I0) +qbc + qv – Ca.tv1
Trong đó:

 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy: coi Cv1 = Cv2

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

19


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Qv = = 3983,87.1,4064.(35 – 27,2) = 43702,74 (kJ/h).

 Nhiệt ẩm do vật liệu đưa vào:

W.Ca.tv1 = 16,13.4,18.27,2 = 1833,92 (kJ/h).
Ca.tv1 = 4,18.27,2 = 113,696 kJ/kg ẩm.
 Tổn thất nhiệt qua cơ cấu bao che:

Chọn: Qbc = 0,035.Qhi
Với Qhi = W.qhi : nhiệt hữu ích (tức là nhiệt cần thiết để làm bay hơi ẩm trong vật

liệu và nâng nhiệt độ ẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ cuối thùng sấy).
Trong đó:
Qhi = W[rv1 + Ch(t2 – tv1)] (kJ/h).
Với: rv1 = 2441,32 (kJ/kg) - ẩn nhiệt hóa hơi của nước trong vật liệu sấy ở nhiệt
độ vào.
Qhi = 16,13.[2441,32 + 1,842(40 – 27,2)] = 39758,8 (kJ/h).
=> Qbc = 0,035.Qhi = 0,035.39758,8 = 1391,558 (kJ/h).

Đặt = Catv1 – qbc – qv : nhiệt lượng riêng cần bổ sung cho quá trình sấy thực (là
đại lượng đặc trưng cho sự sai khác giữa quá trình sấy thực tế và sấy lý thuyết)
−
−

Với quá trình sấy lý thuyết: = 0
Với quá trình sấy thực tế: 0 và được tính như sau:
⇒ ∆ = Catv1 – qbc – qv = 113,696 – 86,27 – 2709,41 = -2681,984 (kJ/kg ẩm).
Vì < 0 => Catv1 < qbc + qv => I2 < I1 => trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy

thực nằm dưới đường I1 (đường sấy thực tế nằm dưới đường sấy lý thuyết).
Từ đó xác định lại các tính chất của tác nhân sấy khi ra khỏi thùng sấy:

Vì chưa biết l nên xác định độ chứa ẩm thông qua t2.
GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

20


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
i1 = 2500 + 1,842.90 = 2665,78 (kJ/kg)
i2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,68 (kJ/kg)

Xác định hàm ẩm ứng với quá trình sấy thực thông qua t2 đã biết:

Áp dụng các công thức tương ứng đã nêu ở mục 3.1.1, các thông số khác của tác
nhân sấy ở đầu ra của thùng sấy trong quá trình sấy thực (C’) được xác định như sau:
 Enthalpy:

I’2 = 1,004.t2 +d’2.(2500 +1,842.t2)
= 1,004.40 + 0,027.(2500 + 1,842.40) = 109,65 (kJ/kgkk).
 Áp suất hơi bão hòa:
 Độ ẩm tương đối:
 Thể tích riêng của không khí ẩm:
 Khối lượng riêng:
 Lượng tác nhân khô cần thiết

 Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình sấy thực:

Q’ = L’.(

I 2'

– Io) + Qbc + Qv – W.Ca.tv1

= 1680,21.(109,65 – 71,68 ) + 1391,558 + 43702,74 – 1833,92
= 107057,95 (kJ/h).
 Lượng nhiệt cung cấp riêng:

 Hiệu suất sấy:

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

21


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy thực tế được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 3.2. Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực tế

Đại lượng

Trạng thái
không khí ban
đầu (A)

Trạng thái
không khí vào
thiết bị sấy (B)

Trạng thái
không khí ra
khỏi thiết bị sấy
(C’)

t (0C)

27,2

90

40

(đơn vị)

0.77

0,04

0.59

d (kg/kgkk)

0.0174

0,0174

0,027

I (kJ/kgkk)

71,68

136,74

109,65

pb (bar)

0,0359

0,69

0,073

v (m3/kgkk)

0,889

1,075

0,929

(kg/m3)

1,1637

0,9623

1,1096

3.4.Tính thời gian sấy

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

22


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1.Tính toán các thông số kích thước
4.1.1.Tính đường kính - chiều dài của thiết bị

Với thiết bị sấy đường sử dụng cánh nâng:
Chọn hệ số chứa đầy = 0.18
Chọn tốc độ sấy của thùng: n = 1 vòng/phút.
Chọn góc nghiêng của thùng = 50.
 Thể tích của thùng sấy tính theo lý thuyết
−
−
−

Thời gian lưu của vật liệu trong thùng:

Trong đó:
•

kl – hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu. Trường hợp sấy xuôi

chiều: kl = 0.2 – 0.7 => chọn kl = 0.3
• m – hệ số lưu ý đến dạng cánh trọng thùng. Đối với cánh nâng: m = 0.5.
Để quá trình sấy đạt yêu cầu về các thông số đầu ra của vật liệu thì
Chọn

 Đường kính thùng:

 Chiều dài thùng:

⇒ Chọn DT = 0,8 m; LT = 3,8 m.

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

23

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
 Khi đó thể tích thực của thùng sấy

 Thời gian lưu của vật liệu theo thông số thùng đã chọn

So sánh giữa thời gian lưu vật liệu và thời gian sấy:
Thời gian lưu vật liệu trong thùng sấy bằng thời gian sấy.
=> Các thông số chọn trên là hợp lý.
4.1.2.Tính tốc độ tác nhân sấy
 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy sau caloriphe:

V’1 = v1.L’=1,075.1680,21= 1806,23 (m3/h).
 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy sau thùng sấy:

V’2=v2.L = 0,929.1680,21 = 1560,91 (m3/h).
 Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy trong thùng:

 Tiết diện tự do của thùng sấy:

 Tốc độ tác nhân sấy đi trong thùng:

Chọn tốc độ sấy trong thùng: 1,2 m/s
4.2.Tính bề dày của thùng
Chọn nhiệt độ tính toán: 90oC
Áp suất làm việc của hệ thống: thùng sấy làm việc ở áp suất thường, chiều dày
thành thiết bị tính theo thiết bị làm việc với áp suất trong nhưng lấy p không bé hơn
0,1.106 N/m2. Chọn áp suất làm việc của hệ thống, lấy P = 0,1.106 N/m2 = 0,1 N/mm2.
Chọn vật liệu thùng làm là thép OX18H10T.

Bảng 4.1. Các tính chất của vật liệu chế tạo thùng
STT

Thông số

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

Kí hiệu
24

Giá trị

Nguồn


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm
140 N/mm2

Hình 1.2/16,[8]

Giới hạn an toàn

0,95

(p17,[8]) (có bọc
cách nhiệt)

3

Hệ số bền mối hàn

0,95

Bảng 1.8/19,[8]

4

Ứng suất cho thép

133 N/mm2

[] = []*
(CT 1.9/17,[8])

5

Khối lượng riêng

7900 Kg/m3

Bảng XII.7/313,[3]

1

Ứng suất tiêu chuẩn

2

[]*

[]

Ứng suất của vật liệu: [] = * = 140.0,95 = 133 N/mm2
Kiểm tra điều kiện:
Chiều dày tối thiểu của thùng:

Hệ số bổ sung kích thước: C = Ca + Cb + Cc + Co (CT 1.10/20,[8])
=> C = 0 + 1 + 0,5 + 3,18 = 4,68 mm
 Bề dày của thân thùng:

S = S’ + C = 0,32 + 4,68 = 5 mm

(CT 5.9/96,[8])

Bảng 4.2. Các hệ số bổ sung kích thước cho bề dày thùng

STT

Hệ số bổ
sung kích
thước

1

Hệ số bổ
sung do ăn
mòn hóa học

2

Hệ số bổ
sung do bào
mòm cơ học

3

Hệ số bổ
sung do sai
lệch khi chế
tạo

4

Hệ số quy
tròn kích
thước

Kí Giá trị
hiệu (mm)

Ghi chú

0

Đối với vật liệu bền trong môi trường có
độ ăn mòn hóa học không lớn hơn 0.05
mm/năm

1

Do nguyên liệu là các hạt rắn chuyển
động, va đập trong thiết bị => giá trị Cb
chọn theo thực nghiệm.

Cc

0,5

Phụ thuộc vào chiều dày của tấm thép
làm thùng. Với thùng bằng thép không gỉ
0X18H10T dày 5mm thì C3 = 0.5mm
(Bảng XIII.9/364,[3])

C0

3,18

Ca

Cb

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

25