Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, sữa tươi sau khi thu nhận có hàm lượng nước cao (chiếm khoảng 87-88%), dễ bị biến chất và hư hỏng bởi vi sinh vật nếu không được bảo quản hoặc chế biến kịp thời. Việc chuyển hóa sữa tươi thành sữa bột giúp kéo dài thời gian bảo quản, giảm chi phí vận chuyển, lưu kho và duy trì ổn định giá trị dinh dưỡng. Để bảo toàn các thành phần mẫn cảm với nhiệt độ như protein, vitamin và enzyme trong sữa, công nghệ sấy phun được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm thời gian tiếp xúc nhiệt rất ngắn (tính bằng giây) và khả năng tạo hạt mịn, đồng đều, độ hòa tan cao. Đề tài "Thiết kế thiết bị sấy phun sữa bột năng suất 1000kg/h" được nhóm sinh viên Văn Kiều Thảo và Nguyễn Huỳnh Ái Trân thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Đình Khôi tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Tổng quan về tính chất nguyên liệu sữa, các chỉ tiêu chất lượng và quy trình công nghệ sản xuất sữa bột hoàn chỉnh.
  2. Đề xuất quy trình công nghệ sấy phun sữa bột và lựa chọn phương thức sấy, cơ cấu phun phù hợp.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống sấy.
  4. Tính toán kích thước hình học và kết cấu cơ khí của thiết bị sấy chính (tháp sấy phun).
  5. Tính toán nhiệt lượng thực tế, tổn thất nhiệt và lựa chọn các thiết bị phụ trợ (calorifer, cyclone, quạt hút/đẩy, bơm cao áp).
  6. Thể hiện bản vẽ kỹ thuật: 01 bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ khổ A1/A4 và 01 bản vẽ cấu tạo thiết bị chính khổ A1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền nhiệt, truyền khối và hệ thống thiết bị sấy phun sữa bột sử dụng cơ cấu đĩa phun ly tâm và tác nhân sấy là không khí nóng.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Năng suất sản phẩm $G_2 = 1000\text{ kg/h}$; độ ẩm nguyên liệu vào tháp sấy $W_1 = 70%$; độ ẩm sản phẩm bột sữa ra khỏi tháp $W_2 = 8%$; nhiệt độ không khí môi trường $t_0 = 30^\circ\text{C}$ (độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 80%$); nhiệt độ không khí nóng vào buồng sấy $t_1 = 150^\circ\text{C}$; nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị $t_2 = 80^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học không khí ẩm, lý thuyết truyền nhiệt - truyền khối trong quá trình sấy, động học phân tán chất lỏng bằng lực ly tâm và tiêu chuẩn chất lượng nguyên liệu sữa:

  • Tiêu chuẩn áp dụng: Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7405:2018 đối với sữa tươi nguyên liệu, quy định các chỉ tiêu cảm quan (màu trắng ngà đến kem nhạt, mùi vị tự nhiên, không tạp chất) và chỉ tiêu hóa lý (hàm lượng chất khô $\ge 11,5%$, chất béo $\ge 3,2%$, protein $\ge 2,8%$, tỷ trọng ở $20^\circ\text{C} \ge 1,026\text{ g/ml}$, độ axit chuẩn độ $16 - 21^\circ\text{T}$, điểm đóng băng $-0,50$ đến $-0,58^\circ\text{C}$).
  • Phương trình trạng thái không khí ẩm và áp suất hơi bão hòa: Sử dụng phương trình Antoine để tính phân áp suất bão hòa của hơi nước $P_b$ theo nhiệt độ; các công thức xác định dung ẩm $I$, enthalpy $H$, thể tích riêng $V$ và khối lượng riêng của không khí ẩm.
  • Phương pháp cân bằng vật chất: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho dòng vật liệu sấy khô tuyệt đối và lượng ẩm bay hơi $W$.
  • Phương pháp tính toán cơ cấu phun ly tâm và khí động học: Sử dụng các phương trình chuẩn số đồng dạng (Reynolds $Re$, Nusselt $Nu$, Grashof $Gr$) để xác định kích thước hạt phun, bán kính tán phun, vận tốc dòng khí và đường kính buồng sấy.
  • Phương pháp tính toán truyền nhiệt và cách nhiệt: Tính toán hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức và bức xạ nhiệt; phương trình truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp để xác định bề dày lớp cách nhiệt bông thủy tinh và kiểm tra bền cơ khí theo công thức tính thân thiết bị chịu áp lực.
  • Nguồn dữ liệu tra cứu: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2), Giáo trình Kỹ thuật Sấy, Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực và các tài liệu chuyên ngành máy - thiết bị hóa chất và thực phẩm.

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Hệ thống sấy phun sữa bột được thiết kế theo sơ đồ làm việc liên tục, dòng khí và dòng vật liệu chuyển động cùng chiều từ trên xuống dưới. Các cụm thiết bị và thông số kỹ thuật được xác lập bao gồm:

Cụm thiết bị Loại thiết bị và kết cấu lựa chọn Thông số kỹ thuật chính
Cơ cấu phân tán mẫu Đĩa quay ly tâm có rãnh Đường kính đĩa $D_c = 0,24\text{ m}$; tốc độ quay $n = 20.000\text{ vòng/phút}$; vận tốc dài đầu mép đĩa $v = 163,36\text{ m/s}$; bán kính tán phun $R = 0,896\text{ m}$.
Buồng sấy chính Tháp trụ đứng đáy nón, vỏ Inox 304 có lớp cách nhiệt bông thủy tinh Đường kính trong $D_T = 3,0\text{ m}$; chiều cao phần thân trụ $H_T = 3,5\text{ m}$; chiều cao đáy côn $H_n = 2,4\text{ m}$ (góc nghiêng đáy côn $60^\circ$); bề dày thân $5\text{ mm}$; bề dày lớp cách nhiệt $6\text{ mm}$.
Thiết bị gia nhiệt không khí (Calorifer) Ống chùm truyền nhiệt bằng đồng, bên ngoài bọc cánh gân Tác nhân gia nhiệt: Hơi nước bão hòa $P = 3\text{ bar}$ ($133^\circ\text{C}$); tổng số ống $n = 5300\text{ ống}$ (bố trí 106 hàng $\times$ 50 ống); kích thước dài $\times$ rộng $\times$ cao: $10,996\text{ m} \times 5,172\text{ m} \times 1,7\text{ m}$.
Hệ thống thu hồi sản phẩm Cyclone đơn Tác nhân vào ở $80^\circ\text{C}$, khối lượng riêng không khí $\rho = 1\text{ kg/m}^3$; trở lực cyclone $\Delta P = 700\text{ N/m}^2$; đường kính ống dẫn khí vào cyclone $D_c = 375\text{ mm}$.
Thiết bị vận chuyển Quạt đẩy, quạt hút, bơm cao áp Quạt đẩy đặt trước calorifer; quạt hút đặt sau cyclone; bơm cao áp cấp sữa nguyên liệu lỏng qua ống dẫn đường kính trong $D_y = 32\text{ mm}$ (vận tốc $1\text{ m/s}$).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tổng quan về nguyên liệu sữa bò, thành phần hóa học trung bình (protein tổng $3,4%$, casein $2,8%$, chất béo $3,9%$, carbohydrate $4,8%$, khoáng $0,8%$), tính chất vật lý của dịch sữa (tỷ trọng $1,028 - 1,038\text{ g/l}$, pH $6,5 - 6,8$, độ nhớt $2,0\text{ cP}$ ở $20^\circ\text{C}$). Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất sữa bột trải qua các công đoạn: Chuẩn hóa (ly tâm làm sạch ở $40-45^\circ\text{C}$, hiệu chỉnh tỷ lệ chất béo) $\rightarrow$ Thanh trùng (thiết bị bản mỏng ở $85^\circ\text{C}$ trong $20\text{ giây}$, vô hoạt enzyme lipase) $\rightarrow$ Cô đặc chân không (nâng nồng độ chất khô lên $45-55%$) $\rightarrow$ Đồng hóa (2 giai đoạn: cấp 1 ở $150\text{ bar}$, cấp 2 ở $50\text{ bar}$, nhiệt độ $60-70^\circ\text{C}$) $\rightarrow$ Sấy phun $\rightarrow$ Làm nguội ($25^\circ\text{C}$), rây phân loại $\rightarrow$ Bao gói chân không/thổi khí trơ. Chương này phân tích chi tiết nguyên lý sấy phun, so sánh 3 cơ cấu phun (đĩa quay ly tâm, vòi phun áp lực, vòi phun khí động) và đưa ra quyết định chọn cơ cấu đĩa quay ly tâm cùng phương thức sấy cùng chiều.

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Chương 2 thiết lập các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng lý thuyết. Kết quả tính toán chỉ ra:

  • Lượng nguyên liệu nhập liệu vào tháp sấy: $G_1 = 3066,67\text{ kg/h}$.
  • Lượng vật liệu khô tuyệt đối: $G_k = 920\text{ kg/h}$.
  • Lượng ẩm cần bốc hơi: $W = 2066,67\text{ kg/h}$.
  • Thông số tác nhân sấy lý thuyết: Điểm 0 (môi trường: $t_0 = 30^\circ\text{C}, \varphi_0 = 80%, I_0 = 0,0217\text{ kg ẩm/kg kkk}, H_0 = 85,65\text{ kJ/kg kkk}, V_0 = 0,88\text{ m}^3\text{/kg kkk}$); Điểm 1 (sau calorifer: $t_1 = 150^\circ\text{C}, I_1 = 0,0217\text{ kg ẩm/kg kkk}, H_1 = 210,93\text{ kJ/kg kkk}$); Điểm 2 (sau buồng sấy: $t_2 = 80^\circ\text{C}, H_2 = 210,93\text{ kJ/kg kkk}, I_2 = 0,0493\text{ kg ẩm/kg kkk}, \varphi_2 = 15,76%$).
  • Lượng không khí khô tiêu hao riêng lý thuyết: $l = 36,23\text{ kg kkk/kg ẩm}$.
  • Tổng lượng không khí khô cần thiết: $L = 74864,08\text{ kg kkk/h}$.
  • Tổng nhiệt lượng cần cung cấp lý thuyết: $Q = 9.379.218,29\text{ kJ/h}$.
  • Lưu lượng thể tích không khí thực tế trong tháp sấy: $V_t = 166.170,03\text{ m}^3\text{/h}$.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Chương 3 tập trung tính toán kích thước cơ học và thủy động lực học của tháp sấy phun:

  • Đĩa ly tâm: Với số vòng quay giả thiết $f = 20.000\text{ vòng/phút}$, đường kính đĩa $D_c = 0,24\text{ m}$, độ nhớt động học của sữa $\nu_{dt} = 1,59 \times 10^{-6}\text{ m}^2\text{/s}$, chuẩn số Reynolds đạt $Re = 24.639.137,26$. Kích thước đặc trưng phân tán hạt $l = 5,28\text{ }\mu\text{m}$, bán kính tán phun tính toán $R = 0,896\text{ m}$, đường kính tán phun $D = 1,792\text{ m}$.
  • Kích thước buồng sấy: Đường kính buồng sấy tính toán $D_T = 1,7 \times D = 3,046\text{ m}$, quy chuẩn chọn $D_T = 3,0\text{ m}$. Vận tốc khí trong buồng sấy $\omega = 6,467\text{ m/s}$. Chiều cao phần thân tháp tính toán $H_T = 3,54\text{ m}$, chọn $H_T = 3,5\text{ m}$ (thỏa mãn tỷ lệ $H_T / D_T = 1,17$). Chiều cao đáy côn $H_n = 2,37\text{ m}$, chọn $H_n = 2,4\text{ m}$ với góc nghiêng đáy $60^\circ$ và bán kính cửa tháo sản phẩm $r = 0,4\text{ m}$.
  • Kết cấu và tải trọng: Vật liệu thân tháp là Inox 304 ($\rho = 7846\text{ kg/m}^3$). Khối lượng nắp tháp $m_n = 353,28\text{ kg}$, khối lượng thân trụ và đáy nón $m_t = 1121,98\text{ kg}$, tổng khối lượng tháp sấy đạt $m_{tháp} = 1475,26\text{ kg}$. Tải trọng tác dụng lên mỗi chân đỡ (4 chân) là $3618,08\text{ N}$, chọn tải trọng thiết kế an toàn $F = 4000\text{ N}$.
  • Chi tiết phụ: Đường kính ống nhập liệu $D_y = 32\text{ mm}$ (lưu lượng $Q = 2,98\text{ m}^3\text{/h}$); đường kính ống dẫn khí sang cyclone $D_c = 375\text{ mm}$; bích nối thân trụ và côn bằng thép đường kính trong $3000\text{ mm}$, sử dụng 64 bu lông M27; bố trí kính quan sát đường kính trong $225\text{ mm}$, 8 bu lông M16.

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Chương 4 thực hiện cân bằng nhiệt lượng cho quá trình sấy thực tế, tính toán hệ số cấp nhiệt và tổn thất nhiệt:

  • Nhiệt độ vật liệu vào $t_{vl1} = 30^\circ\text{C}$, nhiệt độ ra $t_{vl2} = 75^\circ\text{C}$; nhiệt dung riêng sữa $C_{vl} = 3,96\text{ kJ/kg.K}$; nhiệt lượng đốt nóng vật liệu riêng $q_{vl} = 86,224\text{ kJ/kg ẩm}$.
  • Hệ số cấp nhiệt bên trong tháp: Đối lưu cưỡng bức $\alpha'_1 = 11,2\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$ ($Nu = 1069,71$), đối lưu tự nhiên $\alpha''_1 = 2,676\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$ ($Gr = 8,483 \times 10^{10}, Nu = 253,65$), suy ra hệ số cấp nhiệt tổng quát bên trong $\alpha_1 = 13,876\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$.
  • Hệ số cấp nhiệt mặt ngoài ra môi trường: Đối lưu tự nhiên $\alpha'_2 = 2,371\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$, bức xạ nhiệt $\alpha''_2 = 6,246\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$ ($\varepsilon_n = 0,85, C_0 = 5,7$), tổng hệ số cấp nhiệt ngoài $\alpha_2 = 8,617\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$.
  • Tính toán cách nhiệt và cơ khí: Thân tháp dày $b_1 = 5\text{ mm}$ (Inox 304, $\lambda_1 = 16,2\text{ W/m.K}$), kiểm tra bền ứng suất cho phép $[\sigma] = 88,881\text{ N/mm}^2$; lớp cách nhiệt bông thủy tinh ($\lambda_2 = 0,0372\text{ W/m.K}$) có chiều dày tính toán $b_2 = 4,23\text{ mm}$ (chọn $6\text{ mm}$); lớp vỏ bảo vệ Inox $b_3 = 1\text{ mm}$.
  • Tổn thất nhiệt và cân bằng thực tế: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $F = 40,433\text{ m}^2$, độ chênh nhiệt logarit $\Delta t_{ln} = 101,5^\circ\text{C}$, tổn thất nhiệt ra môi trường $q_m = 5,677\text{ kJ/kg ẩm}$. Giá trị nhiệt bổ sung $\Delta = -824,767\text{ kJ/kg ẩm} < 0$, dẫn đến $H_2 < H_1$.
  • Thông số sấy thực: Dung ẩm ra $I'_2 = 0,0421\text{ kg ẩm/kg kkk}$, enthalpy $H'_2 = 191,774\text{ kJ/kg kkk}$, suất tiêu hao không khí thực $l' = 49,09\text{ kg kkk/kg ẩm}$, nhiệt lượng tiêu hao thực tế $q = 6150\text{ kJ/kg ẩm}$. Sai số tương đối giữa nhiệt lượng tiêu hao và tổng nhiệt lượng có ích cộng tổn thất là $\varepsilon = 1,8% < 5%$, khẳng định các thông số tính toán có độ chính xác cao.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ

Chương 5 trình bày việc tính toán chi tiết thiết bị trao đổi nhiệt calorifer và lựa chọn cyclone:

  • Tính chọn Calorifer: Dạng khí - hơi ống chùm bọc cánh gân bằng đồng ($\lambda = 385\text{ W/m.K}$), hơi nước ngưng tụ trong ống ở $3\text{ bar}$ ($133^\circ\text{C}$), không khí chuyển động ngoài ống với vận tốc $5\text{ m/s}$, nâng nhiệt độ từ $30^\circ\text{C}$ lên $150^\circ\text{C}$ ($\Delta t_{tb} = 47,74^\circ\text{C}$, hiệu suất $\eta = 80%$). Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ hơi $\alpha_1 = 12450,38\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$, hệ số cấp nhiệt không khí ngoài ống $\alpha_2 = 38,53\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$ (hệ số dẫn xuất $\alpha_t = 27,47\text{ W/m}^2.^\circ\text{C}$). Diện tích bề mặt ngoài một ống có gân $F_n = 0,478\text{ m}^2$. Nhiệt lượng cần cấp $Q = 9.378.972\text{ kJ/h}$. Tổng số ống tính toán $5237\text{ ống}$, chọn $n = 5300\text{ ống}$ (chiều dài ống $1,4\text{ m}$, đường kính ngoài $40\text{ mm}$, đường kính gân $56\text{ mm}$, bước gân $10\text{ mm}$, xếp thẳng hàng $106\text{ hàng} \times 50\text{ ống}$). Kích thước phủ bì calorifer: rộng $5,172\text{ m}$, dài $10,996\text{ m}$, cao $1,7\text{ m}$.
  • Cyclone: Bố trí thu hồi sữa bột lôi cuốn theo dòng khí thải ở $80^\circ\text{C}$, khối lượng riêng khí $\rho = 1\text{ kg/m}^3$, trở lực dòng khí $\Delta P = 700\text{ N/m}^2$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán công nghệ và kết cấu cơ khí cho hệ thống sấy phun sữa bột năng suất $1000\text{ kg/h}$. Các kết quả định lượng cụ thể thu được từ văn bản gồm:

Hạng mục thông số Giá trị định lượng Đơn vị
Năng suất nhập liệu nguyên liệu ($G_1$) 3066,67 kg/h
Lượng ẩm bốc hơi ($W$) 2066,67 kg/h
Lượng không khí khô thực tế tiêu hao ($l'$) 49,09 kg kkk/kg ẩm
Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực tế ($q$) 6150 kJ/kg ẩm
Kích thước buồng sấy chính ($D_T \times H_T \times H_n$) $3,0 \times 3,5 \times 2,4$ m
Khối lượng kim loại tháp sấy ($m_{tháp}$) 1475,26 kg
Quy cách ống truyền nhiệt calorifer 5300 ống ($\varnothing 40\text{ mm}$, dài $1,4\text{ m}$) ống
Kích thước bao calorifer ($L_c \times R \times H$) $10,996 \times 5,172 \times 1,7$ m
Sai số cân bằng nhiệt thực tế ($\varepsilon$) 1,8 %

Các giải pháp kỹ thuật do nhóm tác giả đề xuất:

  • Lựa chọn cơ cấu đĩa phun ly tâm quay với tốc độ $20.000\text{ vòng/phút}$ giúp quá trình tạo hạt sương có kích thước đều ($25 - 150\text{ }\mu\text{m}$), hạn chế hiện tượng tắc nghẽn so với vòi phun áp lực khi làm việc với dịch sữa có nồng độ chất khô cao.
  • Áp dụng phương thức sấy cùng chiều giúp giọt sữa tiếp xúc với tác nhân nhiệt độ cao nhất ($150^\circ\text{C}$) khi còn nhiều ẩm, giữ nhiệt độ hạt sữa chỉ ở mức $70 - 80^\circ\text{C}$, hạn chế biến tính protein và thất thoát dưỡng chất.
  • Thiết kế lớp vỏ cách nhiệt bằng bông thủy tinh dày $6\text{ mm}$ kết hợp vỏ bọc ngoài Inox giúp giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xuống mức $5,677\text{ kJ/kg ẩm}$, đảm bảo an toàn nhiệt cho công nhân vận hành.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một chuỗi tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lý thuyết và thực tế đến thiết kế hình học chi tiết của tháp sấy và hệ thống calorifer ống gân, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của một đồ án môn học Máy và Thiết bị Hóa chất - Thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Do đặc thù đồ án môn học đầu tay và giới hạn thời gian nghiên cứu, một số thông số được lựa chọn dựa trên giả thiết lý thuyết (số vòng quay đĩa $20.000\text{ vòng/phút}$, các hệ số kinh nghiệm tra bảng).
  • Đĩa phun ly tâm có góc phun mở rộng ($180^\circ$) khiến đường kính tháp sấy phải thiết kế tương đối lớn ($3,0\text{ m}$), làm tăng diện tích lắp đặt và khối lượng vật liệu chế tạo.
  • Kích thước calorifer tính toán có quy mô rất lớn ($10,996\text{ m} \times 5,172\text{ m}$ với 5300 ống đồng), đòi hỏi diện tích mặt bằng nhà xưởng rộng.
  • Chưa đi sâu vào tính toán chi tiết tự động hóa điều khiển quá trình sấy và tính toán chi tiết cho hệ thống lọc bụi túi vải phía sau cyclone.

Hướng hoàn thiện tiếp theo:

  • Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ khí động học trong tháp sấy để giảm kích thước buồng sấy và hạn chế hiện tượng bám dính bột sữa lên thành thiết bị.
  • Khảo sát phương án phân chia cụm calorifer hoặc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm nâng cao để thu gọn kích thước thiết bị phụ.
  • Bổ sung tính toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ, lưu lượng cấp liệu và kiểm soát độ ẩm trực tuyến cho sản phẩm đầu ra.

Giá trị tham khảo

Đồ án môn học này là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất - Dược phẩm thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (phần chuyển khối - sấy) hoặc khóa luận tốt nghiệp kỹ sư.
  • Người làm đề tài thiết kế hệ thống sấy phun: Cung cấp phương pháp luận và các bước tính toán chi tiết từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng thực tế (tính đến tổn thất nhiệt và nhiệt bổ sung), tính toán kích thước tháp sấy theo phương trình chuẩn số đồng dạng đến quy trình tính chọn calorifer ống cánh gân và cyclone thu hồi bụi.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và chế độ ẩm đầu vào/đầu ra của hệ thống sấy phun này được xác định như thế nào?
Hệ thống được thiết kế với năng suất sản phẩm sau sấy $G_2 = 1000\text{ kg/h}$. Độ ẩm nguyên liệu sữa đưa vào buồng sấy là $W_1 = 70%$ và độ ẩm của bột sữa thành phẩm ra khỏi tháp là $W_2 = 8%$. Lượng nguyên liệu nhập liệu cần cung cấp là $3066,67\text{ kg/h}$ và lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy là $2066,67\text{ kg/h}$.

2. Cơ cấu phân tán dịch sữa vào buồng sấy sử dụng loại nào và có thông số vận hành ra sao?
Hệ thống sử dụng cơ cấu đĩa quay ly tâm có rãnh với đường kính đĩa $D_c = 0,24\text{ m}$, vận hành ở tốc độ quay giả thiết $f = 20.000\text{ vòng/phút}$ (tương ứng vận tốc dài mép đĩa $v = 163,36\text{ m/s}$). Bán kính tán phun tính toán đạt $R = 0,896\text{ m}$, tạo ra các hạt sương có đường kính trung bình khoảng $25 - 150\text{ }\mu\text{m}$.

3. Kích thước hình học và vật liệu chế tạo của tháp sấy chính được tính toán ra sao?
Tháp sấy có dạng hình trụ đứng đáy nón, được chế tạo bằng thép không gỉ Inox 304. Đường kính trong của tháp là $D_T = 3,0\text{ m}$, chiều cao thân trụ $H_T = 3,5\text{ m}$ (chiều dày thân $5\text{ mm}$), chiều cao phần đáy nón $H_n = 2,4\text{ m}$ với góc nghiêng $60^\circ$ và bán kính đáy tháo liệu $0,4\text{ m}$. Tổng khối lượng kim loại của tháp là $1475,26\text{ kg}$, được đỡ bởi 4 chân đỡ chịu tải trọng thiết kế $4000\text{ N/chân}$.

4. Thiết bị gia nhiệt calorifer có cấu tạo và số lượng ống truyền nhiệt là bao nhiêu?
Calorifer thuộc dạng ống chùm bằng đồng có cánh gân, sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $3\text{ bar}$ ($133^\circ\text{C}$) đi trong ống để gia nhiệt không khí chuyển động ngoài ống từ $30^\circ\text{C}$ lên $150^\circ\text{C}$. Thiết bị gồm $5300\text{ ống}$ truyền nhiệt (chiều cao ống $1,4\text{ m}$, đường kính ngoài ống $40\text{ mm}$, đường kính gân $56\text{ mm}$), bố trí thành 106 hàng ngang, mỗi hàng 50 ống. Kích thước bao phủ của khối calorifer là dài $10,996\text{ m}$, rộng $5,172\text{ m}$ và cao $1,7\text{ m}$.

5. Sai số giữa tính toán nhiệt lượng tiêu hao và tổng nhiệt lượng có ích cộng tổn thất trong quá trình sấy thực tế là bao nhiêu?
Nhiệt lượng tiêu hao tính toán cho quá trình sấy thực tế là $q = 6150\text{ kJ/kg ẩm}$, trong khi tổng nhiệt lượng có ích và các thành phần tổn thất nhiệt ($q_1 + q_2 + q_{vl} + q_m$) là $6034,7\text{ kJ/kg ẩm}$. Sai số tương đối giữa hai giá trị này là $\varepsilon = 1,8%$, nằm trong giới hạn cho phép ($< 5%$).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế thiết bị sấy phun sữa bột năng suất 1000kg/h" đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ tính toán công nghệ và thiết kế kết cấu cơ khí cho dây chuyền sấy sữa bột công nghiệp. Hệ thống được thiết lập đồng bộ với tháp sấy phun đĩa ly tâm đường kính $3,0\text{ m}$, thiết bị gia nhiệt calorifer ống gân $5300\text{ ống}$ và cyclone thu hồi sản phẩm. Các kết quả tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng thực tế đạt độ tin cậy cao với sai số chỉ $1,8%$, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Hóa học và Thực phẩm.