Tính toán và thiết kế hệ thống sấy tháp cà phê nhân với năng suất 1000 kgmẻ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ VÀ SINH HỌC THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Họ và tên

: Nguyễn Thùy Linh

MSSV

: 20152214

Lớp

: KTTP3-K60

Hà Nội, tháng 5/2018


MỤC LỤC
Table of Contents
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................... 3
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG & KĨ THUẬT SẤY...................................4
1.1. Giới thiệu về đối tượng sấy...................................................................................4
1.2. Tổng quan kĩ thuật sấy..........................................................................................8
1.2.1.Khái niệm chung về độ ẩm................................................................................8
1.2.2. Khái niệm chung về sấy....................................................................................8
1.2.3. Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy........................................................9
1.3. Chọn tác nhân sấy và thiết bị sấy...........................................................................11

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ SẤY CÀ PHÊ NHÂN....................................14
2.1. Xác định sơ bộ kết cấu..........................................................................................14
2.2. Chọn chế độ sấy...................................................................................................15
2.3. Tính toán tác nhân sấy...........................................................................................16
2.4. Tính toán cân bằng ẩm cho từng vùng:..................................................................18
2.5. Tính toán tổn thất nhiệt.........................................................................................19
2.6. Xây dựng quá trình sấy thực.................................................................................22
2.7. Tính toán cân bằng nhiệt.......................................................................................23
2.8. Tính toán vùng làm mát.........................................................................................25
2.9. Chọn dạng, bố trí kênh dẫn và kênh thải...............................................................26
2.10. Tính toán và chọn Calorifer.................................................................................27
2.11. Chọn quạt............................................................................................................29
PHẦN 3: LỜI KẾT........................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................32

2


LỜI MỞ ĐẦU
Cà phê là một trong những ngành sản xuất mũi nhọn tại Việt Nam. Hiện nay, chúng ta
là quốc gia xuất khẩu cà phê đứng thứ hai thế giới chỉ sau Brazil. Sản lượng cà phê không
ngừng tăng lên theo từng năm đang đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn trong các công
đoạn chế biến, dự trữ và bảo quản, nhằm nâng cao chất lượng để có thể cạnh tranh được
trên thị trường nội địa và thế giới.
Các sản phẩm cà phê đa dạng có mặt trên thị trường như hiện nay đều được sản xuất từ
nguồn nguyên liệu chính là cà phê nhân. Trước khi được chế biến thành các dạng cà phê
khác, cà phê nhân cũng đòi hỏi một quá trình sản xuất nghiêm ngặt, để có thể đáp ứng
yêu cầu bảo quản và lưu kho trong thời gian dài. Trong quá trình sản xuất trên, sấy là một
trong những công đoạn không thể thiếu.
Sấy là quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều phổ biến trong sản xuất và đời sống

thực tế. Đặc biệt, trong các ngành công nghiệp thực phẩm, chế biến, hóa chất, sản xuất
vật liệu xây dựng…công đoạn sấy đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyền sản
xuất. 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.
Do tính chất và thành phần của hạt cà phê, cũng như ảnh hưởng của những giai đoạn
chế biến trước, người ta thường sử dụng một số thiết bị sấy như sấy thùng quay, sấy tháp,
sấy sàn rung,…
Trên cơ sở những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn của thầy Phạm Ngọc
Hưng, trong đồ án môn học này, em xin được trình bày về “ Tính toán và thiết kế hệ
thống sấy tháp cà phê nhân với năng suất 1000 kg/mẻ ” . Nội dung bao gồm các phần:
Phần I: Tổng quan về đối tượng và kĩ thuật sấy.
Phần II: Tính toán công nghệ sấy cà phê nhân.
Phần III: Tính toán và chọn thiết bị phụ trợ.
Do trình độ, kinh ngiệm nghiên cứu và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên không
thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án này, rất mong được
thầy cô và các bạn góp ý, chỉ bảo để em có thể bổ sung, củng cố kiến thức cho bản thân.
Em xin chân thành cảm ơn!
3


PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG &
KĨ THUẬT SẤY
1.1.

Giới thiệu về đối tượng sấy.

Hạt cà phê lấy từ hạt của cây cà phê. Các giống cây cà phê được bắt nguồn từ vùng
nhiệt đới châu Phi và các vùng Madagascar, Comoros, Mauritius và Réunion trên Ấn Độ
Dương. Giống cây này được xuất khẩu từ châu Phi tới các nước trên thế giới và hiện nay
đã được trồng tại tổng cộng hơn 70 quốc gia, chủ yếu là các khu vực nằm gần đường xích

đạo thuộc châu Mỹ, Đông Nam Á, Ấn Độ và châu Phi.
Hạt cà phê chủ yếu được sử dụng để tạo ra loại thức uống cùng tên. Đến nay, đây là 1
trong những thức uống phổ biến nhất trên thế giới. Không những vậy, cà phê còn là
nguyên, phụ liệu của nhiều quá trình sản xuất thực phẩm khác. Hạt cà phê khi chín chứa
nhiều chất dinh dưỡng như gluxit, lipit, protein,… Đặc biệt, hạt cà phê còn chứa 1 số chất
mùi đặc trưng, tạo nên mùi thơm riêng biệt và hấp dẫn cho các sản phẩm thực phẩm.
 Phân loại:
Trên thế giới, vì có khả năng thích nghi tốt với môi trường nên cà phê có rất
nhiều loại. Nhưng hiện nay, chỉ có 2 loại cà phê được trồng và sản xuất chủ yếu
là: Cà phê chè (Arabica) & Cà phê vối (Robusta)

 Cấu tạo giải phẫu quả cà phê
Quả cà phê gồm 2 phần chính:
⁃ Phần vỏ gồm: Vỏ quả, thịt quả.
 Vỏ quả:
Là lớp vỏ ngoài cùng, mềm, có hàm lượng chất khô từ 21-30%. Khi
quả cà phê chín, vỏ có màu đỏ do antoxian tạo thành. Ngoài ra,
trong vỏ còn chứa alkaloid, tanin, caffeine và các loại enzim,…
nhưng hàm lượng không đáng kể.
4




 Thịt quả:
Nằm dưới lớp vỏ ngoài mỏng. Thịt quả gồm những tế bào mềm
chứa nhiều đường và pectin, không chứa caffeine, tanin. Độ pH của
lớp thịt phụ thuộc vào độ chín của quả, thường là 5,6-6,4.
⁃ Phần hạt gồm: Lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và nhân quả.
 Lớp vỏ trấu:

Là lớp vỏ cứng tiếp theo sau thịt quả. Thành phần chủ yếu là
xenlulo, muối khoáng và 1 lượng chất béo. Lớp vỏ có nhiệm vụ bảo
vệ nhân
 Lớp vỏ lụa:
Là lớp vỏ mềm trong cùng bao bọc quanh nhân. Tùy từng loại cà
phê mà chúng có màu sắc khác nhau.
Nhân quả:
Nhân quả thường có 2 hạt, bên trong là phôi và nhũ. Nhân chiếm
khoảng 30% khối lượng của quả.
Hình 1: Cấu tạo quả cà phê

 Thành phần hóa học của cà phê
Quả cà phê khi chín chứa nhiều chất dinh dưỡnh như gluxit, lipit, protein,…
Đặc biệt, quả cà phê còn chứa 1 số chất mùi đặc trưng, tạo nên mùi thơm riêng
biệt và hấp dẫn cho các sản phẩm thực phẩm.
Bảng 1:
lượng các
phần hóa
trong cà

Thành phần

Hàm lượng (%)

Nước

8 - 12

Chất béo

4-8

Đạm

1,8 - 2,5

Protein

9 – 16

Caffein

0,8 – 2

Tanin

2

Đường

5 - 10

Tinh bột

5

5 - 23

Dextrin

0,85

Xenlulo

10 - 20

Hàm
thành
học
phê


Quả cà phê tươi sau khi được thu hoạch từ vườn, trải qua 1 số quá trình chế biến
như phơi, sấy, xay tách vỏ,… sẽ cho ta cà phê nhân (raw coffee). Nói đơn giản hơn,
cà phê nhân là cà phê hạt sống, chưa rang xay và đang ở cuối giai đoạn sơ chế, không
còn vỏ thóc. Đây là nguyên liệu chính để sản xuất ra các sản phẩm cà phê đa dạng có
mặt trên thị trường hiện nay như cà phê rang xay, cà phê hòa tan,…

 Quy trình sản xuất cà phê nhân
Để sản xuất cà phê nhân, người ta chủ yếu sử dụng 2 phương pháp:
⁃ Phương pháp sản xuất ướt:
Quả cà phê tươi sau khi phân loại và làm sạch sẽ được đem đi xát tươi (bóc
vỏ quả) và loại bỏ các lớp vỏ, thịt, các chất nhờn bên ngoài và phơi sấy
khô đến mức độ nhất định.
 Phương pháp này phức tạp và đòi hỏi trang bị máy móc chuyên dụng,
tiêu hao tài nguyên nước và năng lượng. Đổi lại, khi được tiến hành
đúng, phương pháp chế biến giúp rút ngắn thời gian sản xuất nhưng vẫn
bảo đảm phẩm chất nội tại của hạt cà phê, cho ra sản phẩm cà phê nhân
có màu sắc và chất lượng đồng nhất.
⁃ Phương pháp sản xuất khô:

Quả cà phê tươi sau khi được phân loại và làm sạch sẽ không đem đi xát
tươi mà đưa ra phơi khô cho đến khi đạt được độ ẩm theo yêu cầu. Các
thiết bị sấy cũng được áp dụng để tăng tốc độ thoát ẩm khi cà phê đã được
phơi khô dưới ánh năng mặt trời sau 1 vài ngày. Cà phê sau đó sẽ được đưa
vào máy xát khô, loại bỏ vỏ quả, vỏ trấi khô ta sẽ được cà phê nhân thành
phẩm
6


 Phương pháp có điều kiện chế biến đơn giản nhưng lại phụ thuộc vào
thời tiết nên dễ phát sinh sự không đồng đều về độ ẩm của khối hạt. Vì
thế tạo điều kiện cho các vi sinh vật phát triển, làm giảm chất lượng của
cà phê. Mặt khác, thời gian chế biến cũng bị kéo dài ra.

1.2.

Tổng quan kĩ thuật sấy

1.2.1. Khái niệm chung về độ ẩm
7


Trong kỹ thuật người ta sử dụng 2 khái niệm độ ẩm: độ ẩm tương đối và độ ẩm
tuyệt đối.
⁃ Độ ẩm tuyệt đối (kg/): Là khối lượng hơi nước chứa trong 1 thể tích hỗn
hợp khí chứa nó.
⁃ Độ ẩm tương đối φ (%): Là tỷ số giữa lượng hơi nước trong 1 thể tích hỗn
hợp khí chứa nó, với lượng hơi nước trong 1 thể tích không khí đã bão hòa
ở cùng nhiệt độ và áp suất.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, độ ẩm là 1 trong những yếu tố quan trọng

ảnh hưởng đến thực phẩm, đặc biệt là trong quá trình lưu trữ và bảo quản. Lưu trữ
và bảo quản thực phẩm ở độ ẩm quá cao có thể thúc đẩy các quá trình sinh hóa
cũng như hệ vi sinh vật trong thực phẩm diễn ra và phát triển. Tuy nhiên, không
phải độ ẩm của thực phẩm càng thấp là càng có lợi. Trong môi trường có độ ẩm
không khí cao, ẩm sẽ bị hút ngược lại vào trong thực phẩm. Cả 2 trường hợp đều
gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng, từ đó làm giảm giá trị của thực phẩm. Vậy nên
khi được lưu trữ ở độ ẩm thích hợp, thời gian bảo quản của thực phẩm sẽ tăng lên
mà chất lượng thực phẩm ít bị ảnh hưởng.
Mỗi một loại thực phẩm lại có 1 độ ẩm thích hợp cho bảo quản khác nhau. Đối với
cà phê nhân, người ta thường làm khô tới độ ẩm từ 9 - 12,5%. Đây là điều kiện
tiêu chuẩn để lưu trữ và bảo quản cà phê. Khi đảm bảo đáp ứng được tiêu chuẩn
này, thời gian lưu trữ của cà phê nhân có thể kéo dài lên đến 1 năm. Tuy nhiên,
nếu làm khô cà phê nhân tới độ ẩm thấp hơn 9%, hạt sẽ bị khô và biến dạng, làm
xuất hiện những hương vị không mong muốn khi pha chế.

1.2.2. Khái niệm chung về sấy.
a) Khái niệm :
Sấy là một quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu lỏng
hoặc rắn. Với mục đích giảm bớt khối lượng , giảm công chuyên chở, kho tồn..), tăng độ
bền vật liệu ( như gốm ,sứ , gỗ…), bảo quản tốt trong một thời gian dài, nhất là đối với
lương thực, thực phẩm.
b) Phân loại :
Quá trình sấy bao gồm hai phương thức :
- Sấy tự nhiên: tiến hành ở ngoài trời dùng năng lượng mặt trời để làm bay hơi nước
trong bề mặt vật liệu.Phương pháp này đơn giản, không tốn năng lượng … tuy nhiên
không chủ động được thời gian, điều chỉnh được tốc độ sấy của quá trình theo yêu cầu
kỹ thuật nên năng suất thấp.
- Sấy nhân tạo: thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt
cho các vật liệu ẩm. Sấy nhân tạo có nhiều dạng tùy theo phương pháp truyền nhiệt
mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra nhiều dạng:

1/ 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…
8


2/ 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/ Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại
do nguồn điên phát ra truyền cho vật liệu sấy.
4/ Sấy bằng dòng điện cao tầng: phương pháp dùng dòng điện cao tầng để đốt
nóng toàn bộ chiều dày của vât liệu sây.
5/ Sấy thăng hoa: phương pháp sấy trong môi trường cố 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.
c) Nguyên lí của quá trình sấy:
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. 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. Vận tốc của toàn bộ quá trình được qui định được giai đoạn nào là chậm
nhất. Ngoài ra tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quá
trình duy chuyển ẩm từ trong vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy.
Trong quá trình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớn
và trực tiếp đến vận tốc sấy. Do vậy cần nghiên cứu tính chất và thông số cơ bản của quá
trình sấy.
Tóm lại 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: tức là 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.
1.2.3. Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy:
a) Tác nhân sấy:
Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy.
Trong quá trình sấy, môi trường buồng 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 đố 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 :
9


- 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.
Tùy theo phương pháp sấy mà tác nhân sấy có thể thực hiện một trong các nhiệm
vụ trên.
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 vào môi trường. Nếu ẩm thoát ra khỏi vật liệu mà
không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởng tới quá trình bốc ẩm từ vật liệu sấy thậm chí còn
làm ngừng trệ quá trình thoát ẩm. Để tải ẩm đã bay hơi từ vật sấy vào môi trường có thể
dùng các biện pháp:
- Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt.
- Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật sấy thải 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 tải nhiệt vừa tải ẩm. Các tác nhân sấy thường dùng là không khí nóng và khói lò, hơi
quá nhiệt, chất lỏng…
b) Các loại tác nhân sấy:
- 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 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 nhiệt
không khí ( calorife khí, hơi hay khí hoặc khói ), nhiệt độ sấy không quá cao, thường nhỏ
hơn 5000C vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiêt phải được chế tạo bằng thếp hợp
kim hay gốm sứ với chi phí đắt.
Đối với thiết bị sấy tháp, tác nhân sấy được sử dụng chủ yếu là không khí ẩm với
các yếu tố : độ ẩm tương đối của không khí ẩm, nhiệt độ của không khí trước và sau khi
vào các vùng sấy,… được chọn sao cho tổn thất năng lượng là nhỏ nhất.
- Khói lò: khói lò được dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lên 1000 0C
mà không cần thiết bị gia nhiệt tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ô nhiễm gây mùi khói.
- Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm đễ bị cháy nổ
và có khả năng chịu được nhiệt độ cao.
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.
Một số chế độ sấy thường gặp:
1.Chế độ sấy có đốt nóng trung gian: Chế độ sấy này dùng để sấy những vât liệu
không chịu được nhiệt độ cao .
2. Chế độ sấy hồi lưu một phần: Chế độ này khá tiết kiệm năng lượng nhưng lại
tồn nhiều chi phí đầu tư thiết bị.

10

3. Chế độ sấy hồi lưu toàn phần: Là chế độ sấy kín tác nhân sấy được hồi lưu hoàn
toàn.Chế độ này dùng để sấy các sản phẩm không chứa nước mà còn là các loại chứa tinh
dầu cần được thu hồi …
d) Thiết bị sấy:
Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp sấy rất khác nhau nên có nhiều kiểu thiết
bị sấy khác nhau vì vậy có nhiều cách phân loại thiết bị sấy:
- Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy bằng không khí hay thiết bị sấy bằng khói lò,
ngoài ra còn có thiết bị sấy bằng phương pháp đặt biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia
hồng ngoại, sấy bằng dòng điện cao tần…
- Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không hay thiết bị sấy ở áp suất
thường.
- Dựa vào phương thức và chế độ làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn.
- Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị
sấy đối lưu hay thiết bị sấy bức xạ…
- Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải…
- Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy: cùng chiều hay ngược chiều.

1.3. Chọn tác nhân sấy và thiết bị sấy:
a) Chọn tác nhân sấy:
Cà phê hạt là một loại sản phẩm thực phẩm dùng làm nguyên liệu chế biến sản
xuất các sản phẩm thực phẩm khác vì vậy yêu cầu quá trình sấy phải sạch, không bị ô
nhiễm, bám bụi. Mặt khác, sấy hạt cà phê không sấy ở nhiệt độ cao. Do đó, ta chọn tác
nhân sấy là không khí nóng.
Hạt cà phê được sấy liên tục với tác nhân sấy là không khí nóng .Vật liệu và tác
nhân đi vào cùng một chiều và không khí sau khi sấy sẽ đi qua xiclon thu hồi bụi đường
và đường thành phẩm được tháo ra qua cửa tháo nguyên liệu.
b) Chọn thiết bị sấy:
Thiết bị sấy được chọn ở đây là hệ thống sấy tháp là một hệ thống sấy đối lưu.
Được dùng rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các loại hạt ngũ cốc. Hế thống
sấy tháp có năng suất lớn nên thường dùng để sấy và bảo quản ở các nhà kho, các nhà

máy xay hoặc ở những nơi sản xuất lớn, tập trung.
Cấu tạo chính hệ thống sấy tháp gồm tháp sấy, trong đó đặt các kênh dẫn và kênh
thải TNS, caloriphe, quạt và có thể có 1 số thiết bị phụ khác như buồng đốt, cyclon. Tháp
sấy là 1 khối hình hộp hoặc là 1 khối hình hộp được chia nhỏ thành các khối con. Trong
tháp sấy người ta bố trí hệ thống các kênh dẫn và kênh thải xen kẽ nhau. Do các loại VLS
sấy bằng tháp thường là các hạt ngũ cốc, chỉ chịu được một giới hạn nhất định về nhiệt
độ và độ ẩm nên hệ thống sấy tháp thường được phân chia thành từng vùng sấy. Sau vùng
sấy cuối cùng là 1 buồng làm mát có nhiệm vụ hạ nhiệt độ VLS xuống đến gần nhiệt độ
môi trường.

11


Hệ thống sấy tháp có thể hoạt động liên tục hoặc chu kỳ tùy thuộc dạng VLS và
trạng thái ẩm của nó. Có thể bố trí cho VLS di chuyển từ trên xuống duối theo 3 hình
thức:
⁃ Liên tục: VLS rơi tự do trong tháp 1 cách liên tục nhờ trọng lực. Với các
vật liệu có cấu trục ẩm bề mặt, VLS chỉ di chuyển 1 lần. Với các VLS có
độ ẩm lớn dưới dạng mao dẫn và hấp phụ, 1 khối lượng VLS sẽ di chuyển
qua tháp nhiều lần. Khi đó có thể xem hệ thống sấy hoạt động theo chu kỳ.
⁃ Bán liên tục: VLS được đưa vào tháp hoặc tùng phần của tháp và tốc độ
dịch chuyển của hạt được khống chế nhờ định kỳ và số lượng hạt lấy ra và
đưa vào.
 Ưu và nhược điểm của hệ thống sấy tháp
 Ưu điểm:
+ Sản phẩm trong máy sấy tháp có thể lấy ra liên tục hoặc định kì
+ Chi phí sấy thấp
+ Năng suất lớn và rất lớn
+ Chất lượng tốt và ổn định
+ Tiêu thụ năng lượng thấp

+ Cho độ đồng nhất ẩm tốt
 Nhược điểm:
+ Thiết bị cồng kềnh.
+ Chỉ dùng cho vật liệu sấy kích thước nhỏ, có độ ẩm trung bình thấp.
+ Vật liệu dễ bị vỡ vụn, làm giảm chất lượng sản phẩm.
+ Tiếng ồn lớn do quạt tạo ra.
 Quy trình công nghệ sấy hạt cà phê:
Vật liệu sấy là hạt cà phê sau khi đã được sơ chế, ủ chín, rửa sạch, để cho ráo
nước, sẽ được đưa vào trong tháp để tiến hành sấy. Hạt cà phê khi vào tháp sấy có độ ẩm
ban đầu là 50%. VLS được gầu hoặc băng tải vận chuyển lên đỉnh tháp và di chuyển từ
trên xuống dưới nhờ trọng lượng. Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy,
thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm. Tác nhân sấy sử dụng
là không khí được gia nhiêt bằng hơi qua hệ thống caloriphe. TNS từ kênh dẫn gió nóng
luồn lách qua lớp VLS rồi đi vào các kênh thải rồi thải ra môi trường. Nhiệt lượng cung
cấp cho quá trình sấy gồm 2 thành phần: từ sự trao đổi nhiệt đối lưu giữa dòng TNS VLS và từ sự dẫn nhiệt giữa từ bề mặt kênh dẫn và kênh thải với lớp vật liệu nằm trên
các bề mặt đó. Sau khi đi hết chiều cao tháp sấy, hạt cà phê sẽ gần đạt được độ ẩm cần
thiết cho quá trình bảo quản là 14%. Sản phẩm sau khi sấy được đưa vào buồng làm mát.
Tại đây, nhiệt độ của VLS được hạ xuống gần bằng nhiệt độ môi trường, cùng lúc đó độ
ẩm của VLS vẫn tiếp tục giảm còn 13%. Sau đó, sản phẩm được đưa tới cửa tháo liệu và
được băng tải vận chuyển tới hệ thống bao gói, để bảo quản hay dùng vào các mục đích
chế biến khác.
12


c) Yêu cầu đặc trưng của hạt cà phê sau sấy:
Cà phê nhân sau sấy cần đảm bảo được các yêu cầu sau:
 Hạt cà phê còn nguyên vẹn hình dạng, kích thước, không bị rạn nứt, gãy
vỡ trong quá trình sấy.
 Hạt cà phê còn giữ được mùi vị đặc trưng, không bị nhiễm mùi lạ.
 Sau khi sấy, hạt cà phê phải đạt độ ẩm tiêu chuẩn trong lưu trữ và bảo

quản.

13


PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ SẤY CÀ PHÊ NHÂN
Thông số đề bài:
Thiết kế thiết bị sấy tháp để sấy hạt cà phê








Vật liệu sấy : Hạt cà phê
Độ ẩm vật liệu trước khi sấy: = 50%.
Độ ẩm vật liệu sau khi sấy : = 13%.
Năng suất đầu vào của quá trình sấy: = 1000 kg/h.
Thời gian sấy: τ = 4h
Tác nhân sấy : Không khí nóng.
Thông số môi trường:
 Nhiệt độ môi trường : to = 20oC
 Độ ẩm tương đối : φo = 85%
 Áp suất khí trời: B = 745 mmHg

2.1. Xác định sơ bộ kết cấu
 Thể tích cà phê chứa trong tháp:
= = = 7,13 m3

Với khối lượng riêng của thóc ướt : = 561 kg/m3
 Thể tích tháp :

V = Vth + Vtrống
V=B.L.H
Với B, L, H - là chiều rộng, chiều dài, chiều cao của thiết bị sấy.
Chọn :
 L = 2 m ( Chiều dài của tháp sấy hay chiều dài của máng dẫn )
 Số lượng máng dẫn ( kênh dẫn hoặc kênh thải ) trong mỗi dãy : k = 3
Chiều rộng tháp sấy :
B = 2k . tn + 0,1 = 2.3.0,1 + 0,1 = 0,7 m
Trong đó: tn = 0,1 m – Chiều rộng máng dẫn
Mặt khác cà phê khi di chuyển từ trên xuống qua các kênh dẫn ( kênh thải )
sẽ không điền đầy các khoảng trống xung quanh các kênh dẫn ( kênh thải ) .
Thực tế với xu hướng di chuyển từ trên xuống chúng sẽ tạo ra các vết lõm
phía bên dưới các kênh dẫn ( kênh thải ) . Do đó :

Vtrống = 1,25(n . L . FK)
Với: n - Số kênh dẫn và kênh thải.
14


L - Chiều dài của máng dẫn = chiều dài của thiết bị sấy.
FK - Tiết diện kênh.
 Ta có :

B . L . H = Vth + 1,25(n . L . FK)
0,7.2.H = 7,13 + 1,25.2 . ( 0,085 . 0,1 - 2 . )
1,4 H = 7,13 + 0,276H
Suy ra : H = 6,34 m

Vậy ta chọn chiều cao tháp sấy H t = 7 m bao gồm các vùng sấy và vùng làm
mát đồng thời đảm bảo an toàn từ khâu cung cấp vật liệu và tháo vật liệu .
Vậy kích thước sơ bộ của tháp sấy:
Chiều dài

L=2m

Chiều rộng B = 0,7 m
Chiều cao

Ht = 7 m

2.2. Chọn chế độ sấy.
 Thông số của vật liệu
 Nhiệt độ:
 Nhiệt độ của vật liệu vào vùng 1: = 20.
 Nhiệt độ của vật liệu ra khỏi vùng 1: = 35.
 Nhiệt độ của vật liệu vào vùng 2: = =35.
 Nhiệt độ của vật liệu ra khỏi vùng 2: = 45.
 Nhiệt độ của vật liệu ra khỏi buồng làm mát: = 35.
 Độ ẩm:
 Khi vào vùng 1: = 50%.
 Khi ra khỏi vùng 1: = 20%.
 Khi vào vùng 2: = = 20%.
 Khi ra khỏi vùng 2: = 14%.
 Khi vào buồng làm mát: : = = 14%.
 Khi ra khỏi buồng làm mát : = 13%.
 Thông số của tác nhân sấy
 Nhiệt độ của tác nhân sấy tại vùng sấy 1: = 55.
 Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi vùng 1 : = + (510) =40.

 Nhiệt độ của tác nhân sấy tại vùng sấy 2: = 85.
 Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi vùng 2 : = + (510) = 45.
 Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi buồng làm mát : = 25oC
 Thiết bị làm việc theo liên tục.
 Tác nhân sấy và vật liệu sấy đi ngược chiều.
15


2.3. Tính toán tác nhân sấy
a) Tính toán trạng thái không khí bên ngoài.
 Áp suất bão hòa:
= exp}= exp}= 0,0233 bar
 Lượng chứa ẩm:
= 0,621

= 0,621= 0,013 kg ẩm/kg kk

 Entapy:
= 1,004 + (2500 + 1,842)
= 1,004.20 + 0,013(2500 + 1,842.20)
= 53,059 kJ/kg kk
b) Tính toán trạng thái không khí vào các vùng của tháp sấy :
Vì đây là quá trình sấy lý thuyết nên quá trình gia nhiệt không khí trong calorife
được tiến hành trong điều kiện = = 0,013 kg ẩm/kg kk
 Áp suất bão hòa:
= exp}
Đối với vùng 1: =55

= exp}= 0,1556 bar

Đối với vùng 2: =85.

= exp}= 0,5695 bar

 Độ ẩm tương đối:
=
Đối với vùng 1:

= 5,26%

Đối với vùng 2:

= 1,43%

 Entapy:
= 1,004 + (2500 + 1,842)
Đối với vùng 1:
Đối với vùng 2:

= 1,004.55 + 0,013(2500 + 1,842.55)
= 89,037 kJ/kg kk
= 1,004.85 + 0,013(2500 + 1,842.85)
= 119,875kJ/kg kk

c) Tính toán trạng thái không khí ra khỏi các vùng của tháp sấy :
Trạng thái của tác nhân sấy sau quá trình sấy được xác định trong điều kiện
16


 Lượng chứa ẩm:

=
Đối với vùng 1: =40

= = = 0,019 kg ẩm/kg kk
Đối với vùng 2: =45

= = = 0,029 kg ẩm/kg kk
 Áp suất hơi bão hòa:
= exp}
Đối với vùng 1: =40

= exp}= 0,073 bar

= exp}= 0,095 bar

Đối với vùng 2: =45
 Độ ẩm tương đối:

=
Đối với vùng 1:
Đối với vùng 2:

=
=

= 40,4%
= 46,5%

 Ta có bảng thông số của không khí trong quá trình sấy lý thuyết:

Nhiệt độ
Độ ẩm
Entanpy
(kJ/kg kk)
Lượng
chứa ẩm
(kg ẩm/ kg
kk)

Trước khi
Tại vùng 1
đi vào
Đi vào
Đi ra
calorifer
= 20
= 55
= 40
= 85%
= 5,26%
= 40,4%
= 53,059 = 89,037
= 89,037

= 85
= 1,43%
= 119,875

= 45

= 46,5%
= 119,875

= 0,013

= 0,013

= 0,029

= 0,013

= 0,019

2.4. Tính toán cân bằng ẩm cho từng vùng:
 Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ của tùng vùng

W=
Đối với vùng 1, ta có:
=

= 1000 = 375 kg/h
17

Tại vùng 2
Đi vào
Đi ra


Khối lượng vật liệu vào vùng 2 (bằng khối lượng thóc sau khi ra khỏi vùng 1):
1000 – 375 = 625 kg/h

Đối với vùng 2, ta có:
=

= 625 = 43,6 kg/h

Khối lượng vật liệu ra khỏi vùng sấy 2 (bằng khối lượng vật liệu vào vùng làm
mát ):

= 625 – 43,6 = 581,4 kg/h
Đối với vùng làm mát:

= = 581,4 = 6,68 kg/h
Khối lượng VLS ra khỏi buồng làm mát:
= 581,4 – 6,68 = 574,72 kg/h
 Lượng TNS lý thuyết cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm của từng vùng:
Đối với vùng 1:

= = 166,67 kg/kg ẩm

Đối với vùng 2:

= = 62,5 kg/kg ẩm

 Lượng TNS lý thuyết cần thiết để bốc hơi ẩm trong 1 giờ của từng vùng:

Đối với vùng 1:

= 375.166,67 = 62501,25 kg/h

Đối với vùng 2:

= 43,6.62,5 = 2725 kg/h

2.5. Tính toán tổn thất nhiệt:
a) Nhiệt dung riêng của VLS ra khỏi các vùng sấy:

Ta có: Nhiệt dung của vật liệu khô (hạt cà phê): C = 1,55 kJ/kg.°K
Nhiệt dung riêng của ẩm: = 4,19 kJ/kg.°K
Ứng với = 20% ta tìm được: = 2,02 kJ/kg.°K
= 14%

= 1,92 kJ/kg.°K

b) Tổn thất do vật liệu mang đi bằng:

18


Đối với vùng 1: = 2,02 = 50,5 kJ/kg ẩm
Đối với vùng 2: = 1,92 = 256 kJ/kg ẩm
c) Tổn thất ra môi trường xung quanh:
 Diện tích bao quanh toàn bộ:
F = 2(L+B)H = 2(2+0,7)8 = 43,2 m2
Khi tính tổn thất ra môi trường ta có thể phân sơ bộ diện tích bề mặt của vùng sấy
thứ nhất, thứ hai và buồng làm mát theo tỷ lệ 1,5/1/1. Do đó ở đây diện bao quanh
các vùng tương ứng:
F1 = 18,5 m2
F2 = F3 = 12,35 m2
Tường thiết bị sấy xây inox có:
Độ dày = 0,25m

Hệ số dẫn nhiệt inox λ = 0,77W/m°K
 Nhiệt độ trung bình TNS trong các vùng sấy:
Đối với vùng 1: tfv1 = = = 47,5 ºC
Đối với vùng 2: tfv2 = = = 65ºC
Nhiệt độ phía ngoài tường tháp sấy lấy bằng nhiệt độ môi trường.Ta xác định sơ
bộ tốc độ tác nhân đi trong thiết bị sấy và tốc độ không khí ngoài thiết bị sấy
(trong gian máy). Thông thường tốc độ tác nhân trong thiết bị sấy qua các lớp hạt
khoảng 0,2 - 0,5 m/s. Ở đây ta chọn v = 0,3 m/s
Như vậy tính tổn thất nhiệt ra môi trường chính là việc tìm mật độ dòng nhiệt giữa
TNS và môi trường qua một vách có hệ số dẫn nhiệt λ và chiều dày δ . Một phía
trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ v = 0,3 m/s với nhiệt độ dịch thể nóng
tf1 = ttbi . Phía bên kia là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên chảy rối có nhiệt độ tf2 = to

19


 Nhiệt độ mặt trong và mặt ngoài của tường các vùng tương ứng

⁃ Đối với vùng 1: tf1 = tfv1 = 47,5 oC và q1 = q2 = q3
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa TNS và mặt trong của
tường:
q1 = 1,715 ( tf1 - tw11 )1,333 = 1,715(47,5 - tw11)1,333
(1)
Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt:

q2 =)= 3,08)

(2)

Mật độ dòng nhiệt do đối lưu tự nhiên từ mặt ngoài của tường với không

khí xung quanh:
q3 = 1,715 ( tw21 - tf2 )1,333 = 1,715(tw21 - 20)1,333 (3)
Ta có: Từ (1)(3), ta có:

47,5 - tw11 = tw21 - 20

tw21 = 67,5 - tw11
Từ q1 = q2
1,715(47,5 - tw11)1,333 = 3,08) = 3,08(2tw11 – 67,5)
1,715(47,5 - tw11)1,333 - 6,16tw11 + 207,9 = 0
 tw11 = 38,75 0C

tw21 = 28,75 0C

⁃ Đối với vùng 2: tf1 = tfv2 = 65 oC và q1 = q2 = q3
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa TNS và mặt trong của
tường:
q1 = 1,715 ( tf1 - tw12 )1,333 = 1,715(65 - tw11)1,333
(4)
Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt:

q2 =)= 3,08)

(5)

Mật độ dòng nhiệt do đối lưu tự nhiên từ mặt ngoài của tường với không
khí xung quanh:
q3 = 1,715 ( tw22 - tf2 )1,333 = 1,715(tw22 - 20)1,333 (6)
Ta có: Từ (4)(6), ta có:

65 - tw11 = tw21 - 20

tw21 = 85 - tw11
Từ q1 = q2
1,715(65 - tw12)1,333 = 3,08) = 3,08(2tw11 – 85)
1,715(65 - tw12)1,333 - 6,16tw12 + 261,8 = 0
 tw12 = 51,47 oC

tw22 = 33,53 oC

 Mật độ dòng nhiệt qua tường các vùng:

20


 Đối với vùng 1:

q1 = 3,08) 30,8 W/m2 = 3,6.30,8 = 110,88 kJ/hm2
Q1 = q1.F1 = 110,88.18,5 = 2051,28 kJ/h
 Đối với vùng 2:

q2 = 3,08) = 55,25 W/m2 = 3,6.55,25 = 198,92 kJ/hm2
Q2 = q2.F2 = 198,92.12,35 = 2456,65 kJ/h
 Tổn thất nhiệt ra môi trường tính cho 1 kg ẩm của từng vùng sấy:
Đối với vùng 1:

qmt1 = = = 5,47 kg/kg ẩm

Đối với vùng 2:

qmt2 = = = 56,36 kg/kg ẩm

2.6. Xây dựng quá trình sấy thực:
a) Xác định giá trị ∆ của các vùng sấy:

∆=
Đối với vùng 1:

∆1 = = 4,19.20 – (50,5 + 5,47) = 27,83 kJ/kg ẩm
Đối với vùng 2:

∆2 = = 4,19.20 – (256 + 56,36) = -228,56 kJ/kg ẩm
b) Xác định thông số sau quá trình sấy thực:

 Lượng chứa ẩm của TNS ra khỏi các vùng sấy thực d2i:

⁃ Tính toán Cdxi:

Cdxi = 1,004 +1,842d1i

Vì d11 = d12 = 0,013 nên:

Cdx1 = Cdx2 =1,004 + 1,842.0,013 = 1,028 kJ/kgK

⁃ Tính toán i2i :
Ta có

i2i = 2500 + 1,842.t2i

i21 = 2500 + 1,842.t21 = 2500 + 1,842.40 = 2573,68 kJ/kg

i22 = 2500 + 1,842.t22 = 2500 + 1,842.45 = 2582,89 kJ/kg
21


⁃

Từ đó suy ra:

d2i = d1i +
Đối với vùng 1:

d21 = d11 + = 0,013 + = 0,019 kg ẩm/kg kk

Đối với vùng 2:

d22 = d12+ = 0,013+ = 0,028 kg ẩm/kg kk
 Độ ẩm tương đối của TNS ra khỏi các vùng sấy:
=
Đối với vùng 1:

= 40,4%

Đối với vùng 2:

= 46,65%

Độ ẩm tương đối của TNS ra khỏi các vùng còn tương đối bé, nên ta chọn lại cho
phù hợp về mặt kinh tế.
t21 = 30oC
t22 = 35oC

d21 = 0,023 kg/kg kk
d22 = 0,035 kg/kg kk

Khi đó:
Đối với vùng 1:

= 48,6%

Đối với vùng 2:

= 55,8%

 Lượng TNS thực tế:

l1 = = = 100 kg kk/ kg ẩm
L1 = l1.W1 = 100.375 = 37500 kg kk/h

l2 = = = 45,45 kg kk/ kg ẩm
L2 = l2.W2 = 45,45.43,6 = 1981,81 kg kk/h

22


 Thể tích TNS của 1 kg không khí ẩm ở các vùng sấy ( PL5 – T349 ) với độ

ẩm tương đối và nhiệt độ đã biết ta tìm được:
⁃ Vùng sấy 1 :
Với t11 = 55 0C và φ11 = 5,26 % ta được v11 = 0,51 m3 /kg kk
Với t21 = 30 0C và φ21 = 48,6 % ta được v21 = 0,87 m3 /kg kk

⁃ Vùng sấy 2 :
Với t12 = 85 0C và φ12 = 1,43 % ta được v12 = 0,16 m3 /kg kk
Với t22 = 35 0C và φ22 = 55,8 % ta được v22 = 1,024 m3 /kg kk
 Thế tích trung bình của TNS trong các vùng:

V1 = L1 = 37500

= 25875 m3/h

V2 = L2 = 1981,81

= 1173,23 m3/h

2.7. Tính toán cân bằng nhiệt:
 Vùng sấy 1:
⁃ Tổng nhiệt lượng cần thiết:

q1 = l1.(I11 – Io) = 100(89,037 – 53,059) = 3597,8 kJ/kg ẩm
⁃ Nhiệt lượng có ích:

q11 = i21 – Cn11 = 2573,68 – 4,19.20 = 2360,94 kJ/kg ẩm
⁃ Tổn thất nhiệt do TNS mang đi

q21 = l1Cdx1(t21 – to) = 100.1,028(30 – 20) = 1028 kJ/kg ẩm
⁃ Tổng nhiệt lượng các tổn thất và nhiệt lượng có ích:
= q11 + q21 + qv1 + qmt1
= 2360,94 + 1028 + 50,5 +5,47 = 3444,91 kJ/ kg ẩm
Về nguyên tắc, = q1. Tuy nhiên do trong quá trình tính toán chúng ra đã làm
tròn và do nhiều nguyên nhân khác. Do đó chúng ta đã phạm phải sai số
tuyệt đối

23


⁃ Sai số tuyệt đối:
= q1 - = 3597,8 – 3444,91 = 152,89 kJ/kg ẩm
⁃ Sai số tương đối:
= 4,25%
Như vậy mọi tính toán có thể chấp nhận được.

 Bảng cân bằng nhiệt vùng sấy 1:

Đại lượng

Ký hiệu

Giá trị (kJ/kg ẩm)

%

q11

2360,94

69,2

q21

1028

28,6

qv1

50,5

1,4

qmt1

5,47

0,2

3444,91

95,75

152,89

4,25

3597,8

100

Nhiệt lượng
có ich
Tổn thất do
TNS
Tổn thất do

VLS
Tổn thất ra
môi trường
Tổng nhiệt
lượng tính toán
Sai số

Tổng nhiệt
lượng cần thiết

q1

 Vùng sấy 2:
Tiến hành tính toán tương tự ta thiết lập được bảng cân bằng nhiệt cho vùng
sấy 2.

 Bảng cân bằng nhiệt vùng sấy 2:
24


Đại lượng

Ký hiệu

Giá trị (kJ/kg ẩm)

%

q12

2288,8

72,97

q22

500,84

15,97

qv2

256

8,16

qmt2

56,36

1,8

3102

98,9

34,79

1,1

3136,79

100

Nhiệt lượng
có ich
Tổn thất do
TNS
Tổn thất do
VLS
Tổn thất ra
môi trường
Tổng nhiệt
lượng tính toán
Sai số

Tổng nhiệt
lượng cần thiết

q2

2.8. Tính toán vùng làm mát
 Nhiệt dung riêng trung bình:

kJ/kg.°K
 Nhiệt lượng VLS nhả ra cho không khí trong vùng làm mát

Q3 = G23C3( = 574,72.1,91(45 – 35) = 10977,15 kJ/h
q3 = = = 1643,29 kJ/kg ẩm
Nếu bỏ qua nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh kết cấu bao che của

buồng làm mát ta có:

25