Thiết kế hệ thống sấy phun cafe

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ - KHÍ CÔNG NGHỆ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ
Họ và tên: Nguyễn Thị Thanh Thùy
Lớp: CNTP48C
1. Tên để tài: Thiết kế hệ thống sấy phun để sấy cà phê hòa tan.
2. Số liệu ban đầu:
- Năng suất thiết bị: 1500kg/h.
- Độ ẩm ban đầu: 40%
- Độ ẩm cuối cùng: 3%
3. Nội dung cần thuyết minh và tính toán.
- Lời mở đầu.
- Tổng quan về nguyên liệu.
- Quá trình sấy – sấy phun.
- Cân bằng vật chất của quá trình.
- Tính thiết bị chính.
- Tính cân bằng nhiệt lượng.
- Tính thiết bị phụ trợ.
- Kết luận.
- Tài liệu tham khảo.
4. Bản vẽ: Bản vẽ chi tiết thiết bị: A1, A3.
5. Ngày giao nhiệm vụ: 21/02/2017
6. Ngày hoàn thành:
Huế, ngày
TRƯỞNG BỘ MÔN CNTP

tháng

năm 2017

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Th.S Nguyễn Quốc Sinh


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án này em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô
khoa Cơ khí – Công nghệ nói riêng và toàn thể quý thầy cô trường Đại học
Nông Lâm Huế nói chung đã truyền đạt những kiến thức quý báu và bổ ích cho
em trong thời gian qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Quốc
Sinh – người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện
đồ án này.
Do không được tiếp xúc với điều kiện thực tế và kiến thức kiến thức còn
hạn chế nên đồ án này còn nhiều thiếu sót. Kính mong quý thầy cô và mọi người
đánh giá, góp ý kiến để bài đồ án được hoàn thiện hơn. Qua đó, em có thể rút
kinh nghiệm, củng cố kiến thức cũ đồng thời bổ sung nhiều kiến thức mới để áp
dụng vào thực tiễn tốt hơn.


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Cấu tạo giải phẫu của hạt cà phê........................................................3

Hình 2. Một số sản phẩm cà phê hòa tan trên thị trường................................8
Hình 3. Hệ thống sấy phun.............................................................................11
Hình 4. Sấy ngược chiều................................................................................13
Hình 5. Sấy cùng chiều...................................................................................
13

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Bảng tổng kết cho vật liệu sấy...........................................................
.................................................................................................................
19
Bảng 2. Bảng tổng kết cho tác nhân sấy..........................................................19
Bảng 3. Tổng kết tính toán cân bằng nhiệt lượng...........................................34
Bảng 4. Các kích thước cơ bản của xyclon.....................................................41
.................................................................................................................


MỞ ĐẦU
Công nghệ thực phẩm là một trong những ngành công nghiệp có xu
hướng phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Bởi lẽ, khi cuộc sống bắt
đầu nâng cao thì nhu cầu về thực phẩm của con người cũng tăng theo. Vì vậy,
các sản phẩm thực phẩm ngày càng đa dạng và phong phú. Để có được những
sản phẩm này đòi hỏi có những công nghệ hiện đại và tiên tiến nhất, một trong
số đó là công nghệ sấy.
Việc ứng dụng công nghệ sấy vào lĩnh vực thực phẩm đã tạo ra nhiều sản
phẩm có giá trị cao như: hoa quả sấy, các loại hải sản sấy khô, sữa bột,… Một
trong những sản phẩm được ưa chuộng hiện nay đó là cà phê hòa tan - sản
phẩm của công nghệ sấy phun.
Cà phê là một loại thức uống có từ lâu đời và liên tục được phát triển cho
đến ngày nay. Đây là một trong những thức uống được ưa chuộng nhất trên thế
giới và có mức tiêu thụ cao. Với điều kiện thuận lợi của nước ta rất thích hợp để

trồng và phát triển loại cây công nghiệp này. Nó không chỉ đáp ứng nhu cầu
trong nước mà còn có thể xuất ra nước ngoài để đem lại lợi nhuận cao.
Trong cuộc sống hối hả của thời đại công nghiệp với những núi công việc
khiến con người cảm thấy mệt mỏi. Những lúc như thế thì một tách cà phê giúp
ta tỉnh táo hơn để giải quyết nó một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, việc pha cà
phê bằng phin tốn nhiều thời gian. Vì vậy, những nhà khoa học đã tạo ra một sản
phẩm mới gọi là cà phê hòa tan. Vào năm

1937, nhà khoa học Max

Morgenthaler của Nestle phát triển một kỹ thuật làm sản phẩm cà phê hòa tan
mới tại phòng thí nghiệm trung tâm nghiên cứu Nestle của Thụy Sĩ. Các sản
phẩm mới được đặt tên là Nescafe. Tên này xuất phát từ sự kết hợp 2 từ Nestle
và cafe. Với người tiêu dùng, cà phê hoà tan nhanh chóng được ưa chuộng vì sự
tiện lợi của nó. Đối với nhà sản xuất, cà phê hòa tan là mặt hàng có giá trị cao,
thuận lợi trong việc bảo quản và vận chuyển nên thu được nhiều lợi nhuận.
Chính vì thế nên em chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống sấy phun dùng để sấy
cà phê hòa tan với năng suất 1500kg sản phẩm/h.”
5


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

1.1. Khái quát về cà phê Robusta

- Cà Phê Robusta (Coffea canephora hoặc Coffea robusta) hay còn gọi là cà phê
Vối, hàm lượng cafein trong hạt 1,97 - 3,06% là loại có nhiều cafein nhất.
- Cây cao từ 3-8m, độc thân hay nhiều thân, cành thường rủ xuống. Lá hình

trứng hoặc hình lưỡi mác, kích thước lá lớn hơn lá cà phê chè: dài 10-40 cm,
rộng 8-10 cm. Quả hình trứng hoặc hình tròn, quả chín có màu đỏ nhạt hoặc
màu hồng, trên quả thường có đường gân dọc. Hạt hình bầu dục hoặc hình tròn,
vỏ lụa màu trắng dễ bong, hạt dài 5-8 mm, trọng lượng hạt 600 – 900 hạt/ 100g.
Hạt có màu xanh lục, xanh bạc hoặc xanh nâu tùy theo chủng và cách chế biến.
- Gần 90% diện tích cà phê ở Việt Nam được trồng là cà phê Robusta, đặc biệt là
vùng Tây nguyên, Buôn Ma Thuột. Việt Nam là nước xuất khẩu Robusta lớn
nhất thế giới.
- Cà phê Robusta được trồng ở những độ cao thấp hơn, dễ trồng hơn, cho sản
lượng cao hơn và có sức đề kháng mạnh hơn cà phê Arabica. Cà phê Robusta có
mùi vị hơi gắt của gỗ. Cà phê Robusta thường được dùng cho những loại cà phê
có giá tương đối và tỉ lệ cafein đòi hỏi cao.
- Vị của cà phê Robusta nằm trong khoảng từ trung tính cho đến rất gắt. Vị của
chúng thường được diễn tả là giống như bột yến mạch. Khi ngửi cà phê Robusta
chưa rang sẽ thấy mùi giống như đậu phộng tươi. Mùi cà phê Robusta rang chín
sẽ thoang thoảng mùi cao su bị đốt cháy. Thường được pha trộn với cà phê chè
dùng để chế biến cà phê hòa tan, cà phê sữa, bánh kẹo cà phê.
- Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cà phê là hạt giống, độ cao, vị trí
trồng, chất lượng đất, điều kiện khí hậu, phân bón, sự chăm sóc, cách thu hoạch
và phương pháp chế biến. Tất cả những yếu tố trên đều có những tác động rất
quan trọng đến chất lượng cà phê.

6


1.2. Cấu tạo giải phẫu của hạt cà phê

Hình 1. Cấu tạo giải phẫu của hạt cà phê
1.2.1. Vỏ quả
- Là lớp màng mỏng, dai, thành phần chủ yếu là xenlulo, chiếm khoảng 20-30%

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 ngoài vỏ quả được phủ
một lớp sáp mỏng có tác dụng chống thoát ẩm cho quả, lớp này mất dần khi quả
chín.
1.2.2. Thịt quả
- Thịt quả xếp tiếp theo lớp vỏ quả, là lớp khá dày (1,5-2mm) gồm những tế bào
mềm, không có cafein, tanin, nhiều đường và pectin, chiếm khoảng 43-45% 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.
1.2.3. Vỏ trấu
- Tiếp theo lớp thịt quả là lớp vỏ trấu hay còn gọi là vỏ thóc, vỏ cứng, chiếm
khoảng 6-7,5% 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.

7


1.2.4. 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 một màng rất mỏng, thực chất là màng bán thấm tinh. Nhũ chứa toàn
bộ chất dinh dưỡng của hạt, còn phôi chứa rễ và mầm.
- Các thành phần chính của nhân:
+ Gluxit: 15-17%
+ Chất béo: 15-18%, chủ yếu là chất béo không no.
+ Cafein: 2-4%
+ Protit: 3-5%, chủ yếu ở trạnh thái không tan.
+ Độ ẩm: 13-14% (cà phê thương phẩm).

8


1.3. Quy trình sản xuất cà phê hòa tan

Cà phê nhân

Làm sạch

Tạp chất

Rang

Xay

Tách bụi cà phê
Thu hồi chất thơm
Nước

Trích ly

Phụ gia

Khuấy trộn

Bã cà phê

Lắng trong

Cặn

Lọc

Cà phê
hòa tan
Cặn

Cô đặc

Sấy

Ướp hương
9

Đóng gói
bảo quản


1.3.1. Thuyết minh quy trình
Cà phê nhân sau khi được chọn lựa sẽ qua công đoạn làm sạch. Đây là giai
đoạn tách bỏ đất đá ra khỏi cà phê nhân sống. Thường sử dụng máy sàng rung,
sàng hút hoặc chổi quét, quạt gió…Sau đó có thể dùng thiết bị trộn để cho khối
hạt được đều trước khi đưa vào rang. Quá trình rang là quan trọng nhất vì rang
làm cho hương thơm hình thành. Tùy theo cỡ hạt và tùy loại thiết bị mà có chế
độ rang thích hợp khác nhau. Thường rang ở 1800C và tăng dần nhiệt độ lên
200-2400C. Trong quá trình rang màu sắc của cà phê sẽ có sự thay đổi, tuy nhiên
nếu rang ở nhiệt độ quá cao thì mùi thơm sẽ bị tổn thất nhiều. Sau đó cà phê sẽ
được chuyển qua công đoạn xay để tạo thành bột. Người ta thường dùng máy
sàng ray hoặc quạt gió để tách bụi cà phê. Bột cà phê được đưa từ trên xuống và

quạt thổi ngang qua, những hạt bụi nhỏ sẽ được thổi vào.Trước khi đi vào quá
trình trích ly thì phải tiến hành công đoạn thu hồi các chất thơm. Nếu để nguyên
bột cà phê rang đem đi trích ly thì các chất thơm sẽ bị tổn thất rất nhiều, nhất là
trong quá trình sấy. Do vậy người ta thu hồi chất thơm của bột cà phê rang trước
khi trích ly rồi bổ sung trở lại ở quá trình sau. Mục đích của quá trình trích ly là
để đạt hiệu suất cao và giữ được hương vị tốt, tối đa của cà phê rang. Trích ly để
làm giàu thêm các chất hòa tan khi cà phê đi qua các tháp, thường thì trích ly
trong 5-6 tháp nối tiếp nhau bằng ống dẫn. Sau đó để yên trong vài giờ để cho
các phần tử không tan lắng xuống đáy thiết bị chuẩn bị cho quá trình lọc. Trong
sản xuất cà phê người ta thường sử dụng máy ép lọc khung bản, dưới tác dụng
của áp suất dịch trong được đưa qua rãnh của bản rồi theo van ra ngoài còn các
hạt rắn bị giữ lại tạo thành lớp bã chứa trong khung. Dịch sau khi lọc sẽ được
đem đi cô đặc với mục đích tăng thêm nồng độ chất tan trong dịch, rút ngắn
thời gian sấy và giữ được mùi hương của cà phê. Nồng độ của dịch sau khi cô
đặc tăng từ 20-25% lên 33-40%. Dùng bơm để chuyển dịch đã cô đặc qua thiết
bị sấy, sau đó thực hiện các quá trình ướp hương, phối trộn để tạo thành sản
phẩm. Cà phê hòa tan có thể hút ẩm trở lại, vì vậy phải đóng gói ở điều kiện áp
suất thấp trong phòng chống ẩm để giữ sản phẩm khô cho đến khi bán và mở ra
10


bởi khách hàng. Ngoài ra để chống sự mất mùi thơm và hương vị của cà phê,
sản phẩm được đóng gói trong điều kiện hàm lượng oxy thấp (có thể sử dụng
CO2 hoặc N2).Bột cà phê hòa tan thường được đóng gói trong lọ thủy tinh màu,
hộp bằng kim loại không ghỉ chống ẩm tuyệt đối, túi nhựa ngoài có vỏ kim loại
mỏng.
1.3.2. Các phương pháp sấy để tạo thành cà phê hòa tan
a) Phương pháp sấy thăng hoa
Bắt đầu bằng làm lạnh sơ bộ. Dịch cà phê được làm lạnh đến nhiệt độ 20°F
(-6°C).

Tiếp tục làm lạnh đến -40-(-50)°F (-40-[-45]°C), giai đoạn này thực hiện
trên các thiết bị hình khay, tang trống. Quá trình làm lạnh nhanh khoảng 30 –
120 giây thì hạt nhỏ, có màu sáng. Còn nếu làm lạnh chậm khoảng 10 – 180
phút thì hạt lớn, màu tối hơn.
Những mảnh đá bị vỡ thành những viên nhỏ và được nghiền thành những
tinh thể với kích thước thích hợp. Những tinh thể đá được sàng để đảm bảo kích
thước thích hợp, những tinh thể quá nhỏ sẽ tan chảy và sẽ quay lại giai đoạn sấy
sơ bộ.
Những phần tử lạnh được chuyển vào khoang có điều kiện nhiệt độ và áp
suất chân không thích hợp thì đá sẽ thăng hoa và tách ra khỏi dung dịch.
Ưu điểm: Kích thước của sản phẩm khá đồng đều, chất lượng tốt.
Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng và thời gian, giá thành của sản phẩm
cao.
b) Phương pháp sấy chân không
Dịch đặc cà phê đưa đến buồng bốc hơi chân không ở nhiệt độ thấp. Dung
dịch được dàn mỏng trên các trục lớn có hơi nóng đi trong trục. Bột khô thành
những màng mỏng quanh ống có bộ phận cơ giới cạo ra rồi tán nhỏ, rây. Bột sấy
theo kiểu này hòa tan được nhanh, tốt.
c) Phương pháp hồng ngoại

11


Đưa dung dịch đặc cà phê làm lạnh, sau đó dùng tia hồng ngoại để sấy
đột ngột. Dung dịch từ rắn bốc hơi, cà phê còn lại ở dạng bột. Tinh thể thu được
dễ tan, chất lượng tốt. Với phương pháp này cho phép rút ngắn thời gian sấy, ít
tổn thất nhiệt và không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, cần phải tiêu tốn
nhiều năng lượng, đồng thời tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và lớp
sâu bên dưới do bề mặt bị đốt nóng nhanh dẫn đến hiện tượng sẫm màu của sản
phẩm.

d) Phương pháp sấy phun
Thường được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ sản xuất cà phê hòa
tan. Nguyên liệu được đưa vào cơ cấu phun sương trở thành những giọt nhỏ li ti
trong buồng sấy, đồng thời không khí nóng cũng được đưa vào thiết bị. Thời
gian thực hiện quá trình sấy diễn ra rất nhanh do đó những tính chất đặc trưng
của cà phê được giữ lại, bột thành phẩm sản xuất ra dưới dạng hạt rất nhỏ, tỷ
trọng nhỏ nhưng cũng dễ hòa tan, hình dáng bột khá đều đặn.

Hình
2.

Một

số

sản

phẩm

cà

phê hòa tan trên thị trường

12


CHƯƠNG 2

QUÁ TRÌNH SẤY – THIẾT BỊ SẤY PHUN

2.1. Quá trình sấy
2.1.1. Định nghĩa
Sấy là một hoạt động nhằm loại bỏ nước hoặc bất kì các chất dễ bay hơi
khác chứa trong cơ thể của vật liệu khi có sự thay đổi trạng thái bốc hơi hoặc
thăng hoa.
Sấy là quá trình dùng nhiệt để làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu, nó xảy ra
đồng thời giữa hai quá trình truyền nhiệt và ẩm trong vật liệu sấy.
Nhiệt dung trong quá trình sấy có thể được tạo ra từ hơi nước, khói lò,
những nguồn bức xạ,..
Trong quá trình sấy, nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự chênh
lệch độ ẩm tại bề mặt và bên trong vật liệu (khuếch tán ẩm) hoặc sự chênh lệch
áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
Quá trình chuyển pha chỉ xảy ra khi Pbm vật liệu > Ph trong không khí xung
quanh.
Ẩm trong vật liệu tồn tại ở hai dạng: ẩm tự do và ẩm liên kết. Khi thực
hiện quá trình sấy, toàn bộ ẩm tự do và một phần ẩm liên kết sẽ được tách ra
khỏi vật liệu.
Quá trình ẩm bay hơi từ vật liệu thường có hai giai đoạn:
- Ẩm trên bể mặt vật liệu bay hơi vào môi trường xung quanh, giai đoạn
này phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh như nhiệt độ, áp suất, tốc
độ chuyển động của môi trường.
- Khi độ ẩm trên bề mặt vật liệu nhỏ hơn độ ẩm bên trong vật liệu, nước
sẽ khuếch tán từ bên trong ra bề mặt vật liệu nhờ chênh lệch độ ẩm. Giai đoạn
này phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của vật liệu, dạng liên kết của nước với
vật liệu.
2.1.2. Mục đích
- Làm giảm khối lượng vật liệu (giảm công chuyên chở).
13

- Hạn chế sự phát triển của vi sinh vật và các phản ứng hóa sinh, tăng thời
gian bảo quản của sản phẩm.
- Tạo hình cho sản phẩm (trong sản xuất chè…), tăng độ bền cho sản
phẩm như gỗ, vật liệu là gớm sứ.
- Tăng tính cảm quan cho sản phẩm (tạo độ giòn, tạo màu, tạo mùi cho
sản phẩm).
2.1.3. Phân loại
a) Sấy tự nhiên
Dùng năng lượng có sẵn trong thiên nhiên (năng lượng mặt trời, năng
lượng gió,…) để thực hiện quá trình sấy nên phương pháp này không tốn năng
lượng, đơn giản và rẻ tiền. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp này thì thời gian
sấy dài, tốn nhân công và mặt bằng xây dựng, khó điều chỉnh các thông số trong
quá trình sấy. Ngoài ra, nó hoàn toàn phụ thuộc vào thời tiết và vật liệu sau khi
sấy vẫn còn độ ẩm khá cao, không đạt yêu cầu.
b) Sấy nhân tạo
Dùng các thiết bị để thực hiện quá trình sấy, phải cung cấp nhiệt lượng từ
bên ngoài cho vật liệu ẩm nên cần phải tiêu tốn năng lượng. Phương pháp cung
cấp nhiệt có thể bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện
trường có tần số cao. Thời gian sấy nhân tạo và độ ẩm của vật liệu sau khi sấy
nhỏ hơn rất nhiều so với sấy tự nhiên. Tác nhân sấy (khói lò, không khí nóng,
hơi…) được gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp sau đó được đưa vào thiết bị để
thực hiện quá trình sấy. Sau khi kết thúc quá trình sấy, các tác nhân này sẽ được
hút ra ngoài. Dựa vào phương pháp truyền nhiệt có thể chia ra:
- Sấy đối lưu: Là phương pháp sấy mà vật liệu sấy tiếp xúc trực tiếp với
tác nhân sấy như không khí nóng, khói lò,…
- Sấy tiếp xúc: Là phương pháp không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp
với vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một
vách ngăn.

14

- Sấy bằng tia hồng ngoại: Là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia
hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy.
- Sấy bằng dòng điện cao tần: Là phương pháp sấy dùng năng lượng điện
trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật lệu.
- Sấy thăng hoa: Là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không,
nhiệt độ rất thấp nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và thăng hoa.
2.2. Thiết bị sấy phun
2.2.1. Nguyên lí làm việc
Huyền phù
Tác nhân sấy
Khí thải

Xyclon
thu hồi

Buồng sấy

Không khí ẩm

Sản phẩm sấy
Hình 3. Hệ thống sấy phun
Quá trình sấy phun là quá trình chuyển đổi dòng nhập liệu dạng lỏng
thành sản phẩm dạng bột, ví dụ trong công nghệ sản xuất sữa bột, bột đậu nành,
bột trứng,...
Vật liệu sấy được nén qua cơ cấu phun sương vào buồng sấy dưới dạng
sương mù. Ở đây vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm với tác nhân sấy. Phần lớn sản
phẩm được sấy khô dưới dạng bột rơi xuống phía dưới, phần nhỏ còn lại sẽ bay
theo tác nhân sấy và được thu hồi ở bộ phận thu hồi. Quá trình sấy phun bao

gồm 4 quá trình chính:

15


- Phun dung dịch: Chuyển nguyên liệu cần sấy sang dạng sương mù nhờ
cơ cấu phun sương trong thiết bị sấy phun.
- Sự tiếp xúc giữa không khí và vật liệu: Nhờ cơ cấu phun sương tạo
thành những giọt chất lỏng nên diện tích tiếp xúc giữa không khí và vật liệu lớn.
- Quá trình sấy: Xảy ra rất mãnh liệt, sự trao đổi nhiệt - ẩm xảy ra ngay
trong lòng thể tích các giọt lỏng. Do đó ẩm trong nguyên liệu được bay hơi
nhanh chóng.
- Tách sản phẩm sấy: Người ta có thể sử dụng xyclon, túi lọc hoặc phương
pháp kết tủa trong trường tĩnh điện, phổ biến nhất là sử dụng xyclon. Hiệu suất
thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun dao động trong khoảng 90-98%.
2.2.2. Cấu tạo của hệ thống sấy phun
a) Cơ cấu phun sương
* Vòi phun cơ khí
- Huyền phù được bơm nén đến áp suất thích hợp đi vào vòi phun. Đầu vòi phun
có một chi tiết dạng ba cánh có thể tự do quay xung quanh một trục nhờ đó
huyền phù bị đánh tơi thành từng giọt nhỏ có đường kính từ 1 – 150 µm.
- Ưu điểm:
+ Làm việc không ồn.
+ Tiêu tốn điện năng không lớn lắm, khoảng 4 – 10 kW/ tấn dịch thể.
+ Vòi phun có năng suất cao và có thể đạt đến 4500kg/h.
- Nhược điểm:
+ Không dùng được cho những huyền phù chứa các hạt cứng.
+ Khó điều chỉnh năng suất.
+ Do lỗ vòi nhỏ nên đòi hỏi áp suất cao để tránh tắc nghẽn.
* Vòi phun khí động

- Dòng không khí hay dòng tác nhân sấy được nén đến áp suất 1,5 – 5 at qua ống
tăng tốc giảm áp hút huyền phù từ hai bên vào. Hỗn hợp huyền phù và tác nhân
đập vào một đĩa quay và biến thành sương mù đi vào buồng sấy.
- Ưu điểm: Có thể làm việc với tất cả các loại huền phù.
16


- Nhược điểm: Tiêu tốn năng lượng lớn, năng suất không cao.
* Đĩa ly tâm
- Cơ cấu tạo sương hoạt động theo nguyên lí ly tâm. Huyền phù chảy vào một
cái đĩa có tốc độ quay từ 400 – 20000 vòng/phút và biến thành sương mù nhờ
lực ly tâm.
- Ưu điểm
+ Có thể điều chỉnh tốc độ nhập liệu.
+ Thích hợp cho hầu hết các loại nguyên liệu.
+ Khuynh hướng tạo khối và tắc nghẽn là không đáng kể.
+ Kích thước hạt sương được thay đổi nhờ thay đổi tốc độ quay của đĩa.
- Nhược điểm
+ Năng lượng tiêu thụ cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực.
+ Vốn đầu tư cao hơn so với cơ cấu phun sương vòi áp lực.
+ Kích thước buồng sấy lớn.
b) Buồng sấy
- Là nơi quá trình sấy diễn ra, dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và
vật liệu sấy người ta chia ra làm hai loại:
+ Sấy ngược chiều: Không khí được đưa vào từ trên đỉnh của buồng sấy và chất
lỏng được phun vào bởi vào phun từ dưới lên. Kích thước trung bình của sản
phẩm lấy ra khoảng 75 – 150 µm.
+ Sấy cùng chiều: Không khí và chất lỏng cùng được đưa vào từ trên đỉnh của
buồng sấy. Với cấu hình này, kích thước trung bình của hạt đạt từ 25 - 100µm.

17


Hình 4. Sấy ngược chiều

Hình 5. Sấy cùng chiều

2.2.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống sấy phun
a) Ưu điểm
- Tính chất và chất lượng của sản phẩm đạt điểm tốt hơn. Sản phẩm sau khi sấy
có dạng bột mịn đồng nhất, xốp, dễ hòa tan, không cần phải qua giai đoạn
nghiền, chất lượng ít bị biến đổi so với nguyên liệu ban đầu, tiện lợi cho sử dụng
và chế biến.
- Có thể sấy được những nguyên liệu có tính nhạy cảm với nhiệt độ do nhiệt độ
sấy thấp, thời gian sấy nhanh .
- Hoạt động ở năng suất cao và liên tục.
b) Nhược điểm
- Vốn đầu tư cao hơn các loại thiết bị khác, thiết bị cồng kềnh, tiêu tốn năng
lượng nhiều.
- Lưu lượng tác nhân lớn, tốn kém trong khâu chuẩn bị dung dịch sấy.
- Giá thành sản phẩm cao, sản phẩm dễ hút ẩm trở lại.
- Khó áp dụng cho các sản phẩm có độ acid và nồng độ đường lớn do có thể tạo
phản ứng melanoidin. Ngoài ra độ nhớt cao sẽ gây khó khăn cho việc phân tán
giọt lỏng.

18


CHƯƠNG 3

CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH

3.1. Các thông số ban đầu
Trong đồ án này, mục tiêu đặt ra là tính toán thiết kế một máy sấy phun để sấy
cà phê hòa tan với năng suất là 1500 kg/h. Chọn các thông số như sau:
- Năng suất theo sản phẩm sấy

G2 = 1500kg/h

- Độ ẩm ban đầu của vật liệu

W1 = 40%

- Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy

W2 = 3%

- Nhiệt độ của tác nhân sấy vào calorife

t0 = 250C

- Độ ẩm tương đối của không khí

φ0 = 81%

(Bảng VII.1/100, [2])
- Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị sấy

t1 = 2000C

- Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy

t2 = 1000C

3.2 Cân bằng vật liệu
3.2.1. Lượng vật liệu ẩm trước khi vào mấy sấy
G1 = G2
(CT 7.18/203, [3])
= 1500 = 2425 (kg/h)
- Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
Gk = G2

(CT 7.17/203, [3])

= 1500 = 1455 (kg/h)
3.2.2. Lượng ẩm được tách ra trong quá trình sấy
W = G1 – G2
(CT 7.20/204, [3])
= 2425 – 1500 = 925 (kg ẩm/h)
3.2.3. Các thông số của không khí
a) Trạng thái không khí trước khi vào calorifer
19


Với t0 = 250C, φ0 = 81%
- Áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ:
Khi t0 = 250C, ta có p0 = 0,03166 bar

(Bảng phụ lục 8, [4])

- Độ chứa ẩm:
d0 = 0,622

(CT 6.11/61, [4])

= 0,622

= 0,017 (kg/kgkkk)

Với p là áp suất của khí quyển; p = 1 at = 0,981 bar.
- Entanpy của không khí ẩm:
I0 = Ck t0 + (r + Ch t0) d0

(CT VII.13/95, [2])

= 25 + (2493 + 1,97 25) 0,017 = 68,218 (kJ/kgkkk)
Trong đó: Ck : Nhiệt dung riêng của không khí khô, Ck = 1 (kJ/kg.độ)
r : Nhiệt hóa hơi của nước, r = 2493 (kJ/kg)
Ch : Nhiệt dung riêng của hơi nước, Ch = 1,97 (kJ/kg.độ)
- Thể tích riêng của không khí ẩm:
vo = =

(CT VIII.8/94,[2])

= = 0,898 (m3/kg)
Trong đó: R: Hằng số khí, R = 8314 (kJ/kmol.độ)
M: Khối lượng mol của không khí, M = 29 (kg/kmol)
p: Áp suất khí quyển, p = 1 at = 0,981 bar = 0,981.105 N/m2
b) Trạng thái không khí sau khi vào calorifer
Nhiệt độ của không khí : t1 = 2000C.

Hàm ẩm không đổi: d1 = d0 = 0,017(kg/kgkkk)
- Áp suất bão hòa của không khí theo nhiệt độ:
Khi t1 = 2000C, ta có : p1 = 15,551 (bar) (Phụ lục 8,[4])
- Độ ẩm tương đối của không khí:
d1 = 0,622

= 0,017

φ1 = = = 0,00168 = 0,168%
- Entanpy:
I1 = Ck t1 + d1 (r + Ch t1)
20


= 200 + 0,017 (2493 + 1,97 200) = 249,079 (kJ/kgkkk)
- Thể tích riêng:
v1 = = = 1,427 (m3/kg)
c) Trạng thái không khí sau khi thực hiện quá trình sấy
Nhiệt độ của không khí: t2 = 1000C
Entanpy không đổi: I1 = I2 = 249,079 (kJ/kgkkk)
- Phân áp suất bão hòa của hơi nước theo nhiệt độ:
Khi t2 = 1000C, ta có: p2 = 1,0132 (bar)

( Phụ lục 8, [4])

- Độ chứa ẩm:
I2 = Ck t2 + d2 (r + Ch t2)

= = 0,055 (kg/kgkk)

d2 =

- Độ ẩm tương đối của không khí:
φ2 =

= = 0,079 = 7,9%

- Thể tích riêng của không khí:
v2 = =

= 1,192 (m3/kg)

3.2.4. Lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm
l=
(CT VII.20/102, [2])
= = 26,316 (kgkkk/kg ẩm bay hơi)
3.2.5. Tổng lượng không khí khô cần thiết trong quá trình sấy
L = W l = 925 26,316 = 24342,3 (kgkkk/h)
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào calorifer:
Tại t0 = 250C, ta có ρ0 = 0,02304 (kg/m3)
V = = = 1056523,438 (m3/h)
- Lưu lượng thể tích tác nhân sấy vào máy sấy:
V1 = v1.L = 1,427 24342,3 = 34736,4621 (m3/h)
- Lưu lượng thể tích tác nhân sấy ra khỏi máy sấy:
V2 = v2.L = 1,192 24342,3 = 29016,0216 (m3/h)
21


- Lưu lượng thể tích trung bình:
Vtb =

= 31876,24185 (m3/h)

22


Bảng 1. Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

Đại lượng
Lượng vật liệu ẩm
Năng suất theo sản phẩm sấy
Lượng vật liệu khô tuyệt đối
Độ ẩm ban đầu của vật liệu
Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy
Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy
Lượng không khí khô để bốc hơi 1 kg ẩm
Lượng không khí khô cần thiết trong quá trình sấy

Kí
hiệu
G1
G2
Gk
W1
W2
W
L
L

Đơn vị

Giá trị

kg/h
kg/h
kg/h
%
%
kg/h
kgkkk/kg ẩm
kgkkk/kg ẩm

2425
1500
1455
40
3
925
26,316
24342,3

Bảng 2. Bảng tổng kết cho tác nhân sấy
Thông số
t0 (0C)
Trạng thái
Trước khi vào calorifer 250C
Sau khi ra khỏi calorifer 2000C
Sau khi ra khỏi máy sấy 1000C

d

(kg/kgkkk)
0,017
0,017
0,055

CHƯƠNG 4

φ (%)
81
0,168
7,9

I
(kJ/kgkkk)
68,218
249,079
249,079

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH

4.1. Các thông số ban đầu
- Chọn đĩa phun và các thông số ban đầu:
+ Đường kính đĩa phun dd = 0,1 (m)
23


+ Số vòng quay n = 16000 (vòng/phút)
+ Vận tốc dịch chảy vào đĩa v = 0,4 (m/s)
+ Sức căng bề mặt:
σ = 0,0757 (1 – 0,002.tvl1)

(T13, [6])

= 0,075 (1 – 0,002 60) = 0,067 (kgf/m)
Với tvl1 là nhiệt độ của vật liệu trước khi vào sấy, tvl1 = 600C
4.2. Kích thước thiết bị chính
4.2.1. Đường kính thiết bị sấy
* Đường kính trung bình của hạt cà phê sau khi phun:
dtb =

(CT6.126C/218, [5])

= = 7.022.10-5 (m)
Trong đó:
ρ: Khối lượng riêng của dịch cà phê (kg/m3), ρ = 1050 (kg/m3)
g: Gia tốc trọng trường (m/s2), g = 9,81 (m/s2)
* Bán kính tán phun
= 1,995 103 Re1,13
Trong đó:
Rp: Bán kính tán phun (m)
µk: Độ nhớt động lực của tác nhân sấy ở nhiệt độ t1 = 2000C (N.s/m2)
µk = 26.10-6 (N.s/m2)
λk: Hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy ở nhiệt độ t1 = 2000C (W/m.độ)
λk = 3,93.10-2 (W/m.độ)
tư : Nhiệt độ ướt của vật liệu, tư = 440C (tra từ đồ thị I – d)
r: Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg.độ), r = 2500 (kJ/kg.độ)
- Chuẩn số Reynolds:
Re = = = 19,6616
Với:
µdd: Độ nhớt của dịch cà phê (N.s/m2), µdd = 1,5.10-3 (N.s/m2)

Thay vào ta có:
24


= 1,995 103 19,66161,13 = 23364,6
Rp = dtb 23364,6 = 7,022 10-5 23364,6 = 1,641 (m)
* Đường kính thiết bị
DT = (1,5 – 1,7).Dp

(T161,[6])

Chọn DT = 1,7.Dp = 1,7.2.Rp = 1,7 2 1,641 = 5,5794 (m)
Vậy chọn DT = 5,6 (m)
- Tiết diện tháp sấy:
F=

=

= 24,6176 (m2)

4.2.2. Thể tích thiết bị sấy
Ta có tỉ số giữa chiều cao buồng sấy và đường kính bên trong:
Chọn = 1,25 => H = 1,255,6 = 7 (m)
Vậy chọn chiều cao của tháp là H = 7 (m), gồm hai phần: Phần thân hình
trụ cao 4,2 (m), phần đáy côn có chiều cao là 2,8 (m).
* Thể tích của thiết bị sấy:
V = 172,3232 (m3)
4.2.3. Xác định thời gian sấy

τ=

(CT13.24/277, [7])

* Thể tích riêng vk1, vk2 tương ứng tại nhiệt độ T1, T2 được tính theo công thức:
vki = 4,64 10-3 (0,622 + di) (273 + ti) (m3/kgkk)
Thay vào ta có:
vk1 = 4,64 10-3 (0,622 + 0,017) (273 + 200) = 1,402 (m3/kgkk)
vk2 = 4,64 10-3 (0,622 + 0,055) (273 + 100) = 1,172 (m3/kgkk)
* Tốc độ trung bình của tác nhân sấy khi DT = 5,6 (m)
0,354 (m/s)
- Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy:
ttb = = 1500C
Tại 1500C, ta có υ = 28,945.10-6(m2/s)

(Bảng I.255/T318, [1])
25