Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế độ sấy đường RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp sấy đường RS bằng công nghệ tầng sôi xung khí, tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất.

• Tác giả: Lê Hồng Long
• Người hướng dẫn: Pgs. Bùi Trung Thành
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng chế độ sấy đường bằng phương pháp tầng sôi xung khí
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về nguyên liệu đường
• 1.2. Quy trình công nghệ sản xuất mía đường
• 1.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng đường RS
• 1.4. Các phương pháp và thiết bị sấy đường chủ yếu hiện nay
• 1.5. Sấy đường bằng máy sấy thùng quay
• 1.6. Sấy đường bằng máy sấy sàng rung
• 1.7. Sấy đường bằng máy sấy tầng sôi
• 1.8. Kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí ứng dụng sấy đường
• 1.9. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.10. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.11. Tính cấp thiết đề tài và mục tiêu nghiên cứu
• 1.11.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.11.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.12. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguyên lý hoạt động của máy sấy tầng sôi xung khí liên tục
• 2.2. Các phương trình tính toán thiết kế sấy tầng sôi xung khí liên quan
• 2.3. Đường kính trung bình
• 2.4. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích
• 2.5. Vận tốc hóa sôi tối thiểu
• 2.6. Tổn thất áp suất qua lớp hạt
• 2.7. Tính chất thủy động của tầng sôi xung khí
• 2.8. Kết quả nghiên cứu lý thuyết
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Tổng quát các nội dung thực hiện đề tài nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.1. Phương pháp chuyên gia
• 3.2.2. Phương pháp kế thừa
• 3.2.3. Phương pháp giải tích toán học
• 3.2.4. Phương pháp mô hình vật lý
• 3.2.5. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3.3. Vật liệu và phương tiện
• 3.3.1. Vật liệu nghiên cứu
• 3.3.2. Mô hình và thiết bị dụng cụ nghiên cứu
• 3.4. Xác định các thông số nghiên cứu
• 3.4.1. Xác định các thông số nghiên cứu đầu vào
• 3.4.2. Xác định các hàm mục tiêu (thông số đầu ra)
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Quy trình thí nghiệm
• 4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy
• 4.4. Ảnh hưởng của vận tốc tác nhân sấy
• 4.5. Ảnh hưởng của tần số xung khí
• 4.6. Ảnh hưởng của đường kính hạt trung bình
• 4.7. Đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm
• 4.8. Xác định chế độ sấy đường RS
• 4.9. Nhận xét, đánh giá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Các kết quả đạt được
• 5.2. Các mặt tồn tại và hạn chế
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG RIÊNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG THỂ TÍCH CỦA ĐƯỜNG RS
• PHỤ LỤC 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY SẤY TẦNG SÔI XUNG KHÍ
• PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐƠN YẾU TỐ

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế độ sấy đường RS bằng tầng sôi xung khí

Chế độ sấy đường RS là một trong những yếu tố quan trọng trong quy trình sản xuất đường tinh luyện. Đường RS, với độ ẩm sau ly tâm từ 1% đến 2%, cần được sấy khô để đảm bảo chất lượng và thời gian bảo quản. Phương pháp sấy tầng sôi xung khí (PFB) đã được nghiên cứu và áp dụng để cải thiện hiệu suất sấy, giảm thiểu chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy đường RS.

1.1. Đặc điểm và vai trò của đường RS trong ngành thực phẩm

Đường RS là thành phần chính trong nhiều sản phẩm thực phẩm, cung cấp năng lượng cho cơ thể. Đặc tính của đường RS, bao gồm độ ẩm và khả năng kết dính, ảnh hưởng lớn đến quy trình sản xuất và bảo quản. Việc hiểu rõ về đặc điểm này giúp tối ưu hóa quy trình sấy.

1.2. Tình hình nghiên cứu chế độ sấy đường hiện nay

Nghiên cứu về chế độ sấy đường đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các phương pháp truyền thống như sấy thùng quay đang dần được thay thế bởi công nghệ sấy tầng sôi xung khí, nhờ vào những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

II. Vấn đề và thách thức trong chế độ sấy đường RS

Mặc dù công nghệ sấy tầng sôi xung khí mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Chi phí năng lượng cao và yêu cầu về kích thước hạt đồng đều là những vấn đề chính. Việc nghiên cứu và cải tiến các thông số công nghệ là cần thiết để tối ưu hóa quy trình sấy.

2.1. Chi phí năng lượng trong quá trình sấy

Chi phí năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của quy trình sấy. Việc sử dụng công nghệ sấy tầng sôi xung khí có thể giúp giảm thiểu chi phí này, nhưng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng để đạt được hiệu suất tối ưu.

2.2. Yêu cầu về kích thước hạt và độ đồng đều

Kích thước hạt và độ đồng đều của vật liệu sấy ảnh hưởng lớn đến khả năng hóa sôi và hiệu suất sấy. Các hạt quá nhỏ có thể bị cuốn theo dòng khí, trong khi các hạt lớn khó có thể đạt được chế độ sôi cần thiết.

III. Phương pháp nghiên cứu chế độ sấy đường RS hiệu quả

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp thực nghiệm để xác định các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình sấy đường RS. Các yếu tố như nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân sấy, và tần số xung khí sẽ được phân tích để tìm ra chế độ sấy hợp lý nhất.

3.1. Nhiệt độ sấy và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Nhiệt độ sấy là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ẩm và chất lượng của đường RS. Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ sấy từ 60 đến 80°C là phù hợp để đảm bảo chất lượng sản phẩm mà vẫn tiết kiệm năng lượng.

3.2. Vận tốc tác nhân sấy và hiệu suất sấy

Vận tốc tác nhân sấy cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vận tốc từ 1,5 đến 2,5 m/s là tối ưu để đạt được hiệu suất sấy cao mà không làm giảm chất lượng sản phẩm.

3.3. Tần số xung khí và ảnh hưởng đến quá trình sấy

Tần số xung khí là yếu tố quyết định đến sự chuyển động của hạt trong tầng sôi. Nghiên cứu cho thấy tần số từ 0,3 đến 0,7 Hz là phù hợp để tối ưu hóa quá trình sấy đường RS.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy chế độ sấy đường RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí có khả năng tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các thông số công nghệ đã được xác định rõ ràng, tạo cơ sở cho việc áp dụng vào quy trình sản xuất thực tế.

4.1. Đánh giá hiệu suất sấy và chất lượng sản phẩm

Kết quả thực nghiệm cho thấy chế độ sấy đã đạt được độ ẩm sản phẩm dưới 0,05%, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp sấy tầng sôi xung khí là một giải pháp hiệu quả cho ngành công nghiệp đường.

4.2. Ứng dụng công nghệ sấy tầng sôi xung khí trong sản xuất

Công nghệ sấy tầng sôi xung khí có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, không chỉ cho đường mà còn cho nhiều loại vật liệu khác có độ ẩm cao. Điều này mở ra cơ hội mới cho việc cải tiến quy trình sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về chế độ sấy đường RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện quy trình sản xuất. Các kết quả đạt được sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo và phát triển công nghệ sấy trong quy mô công nghiệp.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình sấy đường RS, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Điều này khẳng định tính khả thi của phương pháp sấy tầng sôi xung khí.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực sấy

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa các thông số công nghệ, cũng như mở rộng ứng dụng của công nghệ sấy tầng sôi xung khí cho các loại vật liệu khác trong ngành thực phẩm và công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong quy trình chế biến mía đường công nghiệp, đường tinh luyện RS (Refined Standard) sau công đoạn ly tâm luôn mang độ ẩm dao động từ 1% đến 2%. Đây là lượng ẩm bề mặt kết hợp ẩm liên kết khiến tinh thể đường rất dễ bị vón cục, kết dính và biến tính màu sắc nếu không được xử lý làm khô kịp thời. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN 6958:2001, đường tinh luyện đạt chuẩn thương phẩm và bảo quản lâu dài bắt buộc phải có độ Pol tối thiểu 99,80%, đồng thời mức giảm khối lượng khi sấy ở 105°C trong 3 giờ không được vượt quá 0,05%. Đối với đường thô, tiêu chuẩn TCVN 6961:2001 cũng giới hạn độ ẩm bảo quản ở mức dưới 0,2%.

Trước thực trạng các công nghệ sấy truyền thống như máy sấy thùng quay hay máy sấy sàng rung thường gây vỡ vụn 10% đến 15% hạt đường, làm giảm độ màu sáng bóng và tiêu hao nhiều năng lượng làm nguội, công nghệ sấy tầng sôi xung khí (Pulsed Fluidized Bed - PFB) nổi lên như một giải pháp đột phá. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh tập trung nghiên cứu, thiết kế và xác lập chế độ sấy tối ưu cho đường RS trên hệ thống tầng sôi xung khí liên tục.

Mục tiêu trọng tâm của công trình là xác định chính xác miền ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ đầu vào gồm nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân khí, tần số xung khí và kích thước hạt trung bình đến chất lượng đường sấy. Đề tài mở ra hướng đi mới giúp các nhà máy đường nâng cao tỷ lệ thu hồi chính phẩm lên trên 92%, kiểm soát độ màu dưới 30 đơn vị ICUMSA và giảm từ 30% đến 50% chi phí năng lượng so với hệ thống tầng sôi thông thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học tầng sôi và lý thuyết truyền nhiệt, truyền ẩm đối lưu trong lớp vật liệu rời. Để mô tả trạng thái chuyển động của khối tinh thể đường trong buồng sấy, luận văn áp dụng phương trình Ergun mở rộng kết hợp mối tương quan giữa các tiêu chuẩn không thứ nguyên như tiêu chuẩn Reynolds (Re), Archimedes (Ar), Euler (Eu) và Prandtl (Pr).

Ba khái niệm then chốt chi phối trực tiếp đến động học sấy bao gồm:

• Cầu tính của hạt đường RS: Đại lượng đặc trưng cho độ sai lệch hình học so với hình cầu lý tưởng, được xác định ở mức 0,84 theo tiêu chuẩn Anh BS 4359.
• Vận tốc hóa sôi tối thiểu: Ngưỡng vận tốc tác nhân khí mà tại đó lực nâng khí động cân bằng với trọng lượng thực của khối hạt, đưa lớp hạt từ trạng thái tĩnh sang trạng thái giả lỏng linh động.
• Độ sụt áp qua lớp hạt và ghi phân phối khí: Thông số xác định tổn thất áp suất động lực học, quyết định trực tiếp đến cột áp và công suất tiêu thụ của quạt cấp khí.

Bên cạnh đó, mô hình đẳng nhiệt hấp phụ GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer) cùng các phương trình truyền nhiệt đối lưu qua vách buồng sấy 2 lớp được sử dụng để tính toán cân bằng nhiệt - ẩm, bảo đảm kiểm soát chính xác độ ẩm cân bằng của đường trong môi trường không khí nóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ mô hình máy sấy tầng sôi xung khí liên tục quy mô phòng thí nghiệm, bao gồm buồng sấy 6 khoang, buồng gia nhiệt điện trở công suất 12 kW, bộ tạo xung khí đĩa quay tích hợp biến tần và cyclone thu bụi hiệu suất cao.

Quy trình khảo nghiệm sử dụng cỡ mẫu gồm 48 mẻ thực nghiệm độc lập với khối lượng 5 kg đường RS mỗi mẻ, độ ẩm đầu vào đồng nhất từ 1,2% đến 1,8%. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng dựa trên việc phân loại kích thước hạt qua bộ rây tiêu chuẩn từ 300 µm đến 1200 µm. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố kết hợp phân tích hồi quy phi tuyến bậc hai (Second-order Regression) nhằm mô hình hóa riêng biệt từng yếu tố ảnh hưởng, từ đó thiết lập 16 phương trình hồi quy tương quan phục vụ đánh giá 4 hàm mục tiêu: độ ẩm sản phẩm, tỷ lệ thu hồi, chi phí điện năng riêng và chi phí nhiệt năng riêng. Toàn bộ quá trình chế tạo mô hình, lắp đặt cảm biến nhiệt độ PNTECH DDC-C46, đo vận tốc khí bằng thiết bị SDL350 và phân tích độ ẩm trên máy Axis được thực hiện xuyên suốt trong 12 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu thực nghiệm đã làm sáng tỏ mối quan hệ định lượng giữa các thông số công nghệ và hiệu quả sấy, ghi nhận 4 phát hiện quan trọng:

1. Nhiệt độ sấy tối ưu nằm trong khoảng 60°C đến 80°C: Trong dải nhiệt này, độ ẩm cuối của đường RS giảm mạnh từ 1,5% xuống còn 0,035% - 0,045%, hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 6958:2001 (yêu cầu không quá 0,05%). Nếu nâng nhiệt độ vượt quá 85°C, bề mặt đường bị mềm hóa, tăng nguy cơ caramen hóa làm độ màu vượt ngưỡng 30 ICUMSA.
2. Vận tốc tác nhân sấy hợp lý đạt từ 1,5 m/s đến 2,5 m/s: Mức vận tốc này tạo ra lực nâng vừa đủ để duy trì tầng sôi giãn nở ổn định, giúp tổn thất áp suất qua lớp hạt giảm từ 20% đến 35% so với vận tốc 3,0 - 4,5 m/s của máy sấy tầng sôi cổ điển.
3. Tần số xung khí hiệu quả nhất dao động từ 0,3 Hz đến 0,7 Hz: Cơ chế cấp khí ngắt quãng tại tần số 0,5 Hz giúp phá vỡ liên kết ẩm dính giữa các hạt ở đầu cấp liệu, nâng tỷ lệ thu hồi chính phẩm đạt mức 92,5% đến 96,8%, hạn chế tối đa lượng hạt mịn bị cuốn theo dòng khí vào cyclone.
4. Đường kính hạt trung bình thích hợp từ 400 µm đến 1000 µm: Khối hạt có kích thước này phân bố đều trong buồng sấy, giúp mức tiêu hao điện năng riêng giảm xuống mức 0,19 - 0,25 MJ/kg ẩm, tương đương mức tiết kiệm điện năng từ 17% đến 54% so với hệ thống sấy tầng sôi không có bộ tạo xung.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo xung luân phiên qua đĩa quay 6 khoang giúp thay đổi vị trí dòng khí liên tục dọc theo chiều dài buồng sấy. Điều này tạo ra các sóng áp suất ngắt quãng, giúp các tinh thể đường tự do tách rời nhau mà không cần tăng lưu lượng gió tổng thể. Nhờ đó, hiện tượng va đập cơ học giữa hạt đường với thành thiết bị và ghi phân phối khí bị triệt tiêu, giữ nguyên vẹn các cạnh tinh thể và hạn chế sinh bụi đường.

Khi so sánh với các công bố quốc tế, kết quả này hoàn toàn tương đồng với nghiên cứu của Somkiat Prachayawarakorn (2005) khi chứng minh công suất quạt sấy xung khí giảm hơn 25% so với tầng sôi liên tục. Đồng thời, nghiên cứu cũng củng cố nhận định của Dening Jia (2015) khi vận tốc làm việc của tầng sôi xung khí chỉ cần đạt 0,8 đến 1,3 lần vận tốc sôi tối thiểu. Toàn bộ 16 phương trình hồi quy bậc hai thu được đều có hệ số tương quan R² đạt trên 0,92, chứng minh độ tin cậy toán học cao của mô hình thực nghiệm. Trên đồ thị biểu diễn 4 hàm mục tiêu, đường cong chi phí năng lượng và tỷ lệ thu hồi đều thể hiện điểm cực trị rõ nét trong vùng tần số 0,4 - 0,6 Hz và nhiệt độ 70°C, mang lại cơ sở định lượng vững chắc cho việc thiết kế thiết bị ở quy mô công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 giải pháp cụ thể nhằm ứng dụng và hoàn thiện công nghệ sấy tầng sôi xung khí:

• Chuẩn hóa dải thông số công nghệ sấy đường RS: Thiết lập chế độ vận hành cố định tại nhiệt độ tác nhân 65°C - 75°C, vận tốc khí 1,8 - 2,2 m/s, tần số đĩa quay 0,5 Hz cho hạt đường kích thước 500 - 800 µm, hướng đến mục tiêu duy trì độ ẩm sản phẩm ổn định dưới 0,04% trong thời gian 3 tháng chuyển giao kỹ thuật do đội ngũ kỹ sư công nghệ đảm trách.
• Cải tiến cơ cấu phân phối khí vùng cấp liệu: Gia công đĩa quay và buồng tạo xung bằng thép không gỉ SUS 304 có độ chính xác cao, duy trì cấp khí liên tục tại khoang số 1 và cấp xung tại 5 khoang tiếp theo nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng vón cục đầu vào, hoàn thành trong 6 tháng do xưởng cơ khí chế tạo thực hiện.
• Tích hợp hệ thống giám sát tự động: Lắp đặt cảm biến đo ẩm trực tuyến và rơ-le điều khiển biến tần tự động điều chỉnh tần số xung từ 0,1 đến 1,0 Hz theo độ ẩm nguyên liệu đầu vào, giảm tỷ lệ tiêu hao nhiệt năng riêng xuống dưới 4500 kJ/kg sản phẩm trong quý 2 năm vận hành do bộ phận tự động hóa phụ trách.
• Mở rộng thử nghiệm nâng công suất: Xây dựng dự án chuyển đổi mô hình từ 5 kg/mẻ lên dây chuyền công nghiệp liên tục công suất 1000 - 3000 kg/h tại các nhà máy mía đường trong lộ trình 12 đến 18 tháng do Ban Quản lý Kỹ thuật phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư vận hành và quản lý kỹ thuật tại các nhà máy đường: Nắm vững các thông số 60°C - 80°C và 0,3 - 0,7 Hz để trực tiếp cải tạo hệ thống sấy thùng quay cũ, nâng cao chất lượng đường thương phẩm và giảm tỷ lệ phế phẩm vón cục.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt: Kế thừa 16 phương trình hồi quy, phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố và cơ sở lý thuyết thủy động lực học tầng sôi xung khí cho các đề tài mở rộng.
• Doanh nghiệp chế tạo máy và thiết bị chế biến thực phẩm: Sử dụng trọn bộ bản vẽ tính toán kích thước buồng sấy, đĩa chia khí 6 vùng và cyclone thu hồi hạt mịn để thương mại hóa các dòng máy sấy tầng sôi tiết kiệm năng lượng.
• Chuyên gia tư vấn năng lượng và kiểm toán công nghiệp: Sử dụng các số liệu đối chứng về suất tiêu hao điện năng 0,19 MJ/kg ẩm để xây dựng giải pháp tiết kiệm điện và giảm phát thải carbon cho ngành mía đường.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao công nghệ sấy tầng sôi xung khí lại tiết kiệm từ 30% đến 50% năng lượng so với sấy tầng sôi thông thường? Công nghệ tầng sôi xung khí sử dụng cơ cấu đĩa quay cấp khí ngắt quãng luân phiên qua các khoang, giúp hạt đường chuyển động giả lỏng ở vận tốc khí thấp hơn (1,5 - 2,5 m/s so với 3,0 - 4,5 m/s). Nhờ đó, tổn thất áp suất qua lớp hạt giảm đáng kể, giúp quạt thổi giảm hơn 25% công suất điện tiêu thụ mà vẫn đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt đối lưu cao.

Đường RS sau khi sấy bằng phương pháp tầng sôi xung khí có đạt chuẩn TCVN 6958:2001 không? Hoàn toàn đạt chuẩn. Kết quả thực nghiệm ở nhiệt độ 60°C - 80°C cho thấy độ ẩm đường RS giảm từ 1,5% xuống dưới 0,045% (tiêu chuẩn yêu cầu ≤ 0,05%), độ Pol duy trì trên 99,80%, hàm lượng đường khử dưới 0,03% và độ màu luôn được kiểm soát dưới 30 đơn vị ICUMSA, không xảy ra hiện tượng biến màu hay cháy đường.

Tần số xung khí từ 0,3 Hz đến 0,7 Hz đóng vai trò gì trong việc chống kết dính tinh thể đường? Tần số 0,3 - 0,7 Hz tương ứng với chu kỳ đổi dòng khí khoảng 1,4 đến 3,3 giây mỗi lần. Sóng áp suất đột ngột này tác động lực cơ học nhẹ làm tách rời các hạt đường ẩm dính vào nhau sau ly tâm, phá vỡ liên kết ẩm màng bề mặt mà không làm vỡ các góc cạnh tinh thể như các thiết bị rung cơ học thông thường.

Tại sao khoang sấy đầu tiên trong mô hình lại được cấp khí liên tục thay vì cấp xung khí? Đường ẩm ngay sau khi ly tâm có độ ẩm cao nhất (1% - 2%) và độ kết dính bề mặt lớn nhất. Việc cấp khí nóng liên tục tại khoang số 1 kết hợp cùng trục đánh tơi giúp làm khô nhanh lớp ẩm tự do bề mặt ngay khi nạp liệu, ngăn chặn hiện tượng đóng tảng trước khi nguyên liệu đi vào 5 khoang sấy xung khí tiếp theo.

Phương pháp sấy tầng sôi xung khí có thể ứng dụng cho các loại vật liệu rời khác ngoài đường không? Hoàn toàn có thể ứng dụng rất tốt. Cơ chế thủy động của tầng sôi xung khí đặc biệt phù hợp cho các loại vật liệu dạng hạt rời có độ ẩm bề mặt cao, dễ vón cục và nhạy cảm với nhiệt độ như muối tinh tinh luyện (năng suất 3000 kg/h), bột gia vị, hạt polymer sinh học, nông sản hạt và dược phẩm dạng hạt.

Kết luận

• Xác lập thành công bộ thông số công nghệ tối ưu cho sấy đường RS: Nhiệt độ 60°C - 80°C, vận tốc khí 1,5 - 2,5 m/s, tần số xung 0,3 - 0,7 Hz trên dải hạt 400 - 1000 µm.
• Nâng cao chất lượng sản phẩm toàn diện với độ ẩm dưới 0,045%, đáp ứng nghiêm ngặt quy chuẩn TCVN 6958:2001 và đạt tỷ lệ thu hồi chính phẩm trên 92%.
• Giảm thiểu từ 30% đến 50% chi phí năng lượng tổng thể và hạ suất tiêu hao điện riêng xuống mức 0,19 MJ/kg ẩm nhờ cơ chế cấp khí luân phiên 6 khoang.
• Đóng góp hệ thống 16 phương trình hồi quy thực nghiệm làm nền tảng lý thuyết và cơ sở kỹ thuật vững chắc để tính toán thiết kế máy sấy PFB quy mô công nghiệp.
• Lộ trình tiếp theo hướng đến việc chế tạo thử nghiệm module máy sấy liên tục công suất 1000 kg/h và tích hợp điều khiển tự động hóa hoàn toàn trong 12 tháng tới.

Các đơn vị sản xuất mía đường và doanh nghiệp chế tạo máy có thể liên hệ hợp tác nghiên cứu, chuyển giao công nghệ để đưa giải pháp sấy tầng sôi xung khí vào thực tiễn sản xuất nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Chương này nghiên cứu tổng quan về tính chất của đường thô, đường tinh luyện, kỹ thuật sấy đường được áp dụng trong thực tiễn. Nghiên cứu về các phương pháp và thiết bị sấy nói chung đã và đang được sử dụng trong công nghệ sấy đường và kỹ thuật sấy tầng sôi nói riêng. Giới thiệu về nguyên liệu đường 1. Đường RS Đường RS là đường tinh luyện là một trong những loại gia vị phổ biến trong gia đình, đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp bánh kẹo,… Đường tinh luyện RS có thành phần chủ yếu là đường Sacaroza (Saccharose) có trong thân cây mía tập trung ở phần gốc cây mía.

Đường được sản xuất từ đường thô qua xử lý tinh luyện hoặc trực tiếp từ mía cây. Có thể nói là loại đường thông dụng nhất hiện nay được sử dụng rộng rãi ở mọi nơi, được dùng cho nhiều mục đích khác nhau. + Đường thô cũng là đường Sacaroza (Saccharose) nhưng chưa qua xử lý, có 2 loại đường chủ yếu hiện nay  Đường vàng là một sản phẩm đường Sacaroza (Saccharose) thực chất nó là đường thô chưa qua xử lý. Màu vàng là do tái chế từ mật mía mà ra.

Thông thường loại đường này thường được trộn với đường loại chuẩn với một tỉ lệ khoảng 5-10 % để kiểm soát màu sắc, kích thước và tăng hiệu quả về kinh tế.  Đường nâu là một sản phẩm đường Sacaroza (saccharose) với một màu nâu đặc biệt do sự hiện diện của mật rỉ đường còn lại trong đường kết tinh. 1 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp.1: Đường nâu, đường vàng và đường tinh luyện RS Hình 1.2: Đường làm từ cây mía Ở nước ta, đường mía là loại đường chủ yếu, là nguồn cung cấp chính, đáp ứng hầu như mọi nhu cầu chính yếu trong các vấn đề tạo ngọt. Trên cây mía, thông thường phần ngọn sẽ nhạt hơn phần gốc.

Đó là đặc điểm chung của thực vật chất dinh dưỡng (ở đây là hàm lượng đường) được tập trung nhiều ở phần gốc (vừa để nuôi dưỡng cây vừa để dự trữ). Đây là loại nguyên liệu chính dùng để sản xuất đường ở nước ta, vì điều kiện thổ nhưỡng và đất đai phù hợp cho việc chuyên canh cho nên ở nước ta có rất nhiều nhà máy đường trải khắp đất nước đóng góp sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp mía đường mà sản phẩm chính yếu là đường tinh luyện RS được dùng nhiều trong nước và xuất khẩu nên để đảm bảo chất lượng sản phẩm, vận chuyển, bảo quản và sử dụng thì công nghệ sấy đường đóng vai trò hết sức quan trọng đòi hỏi phải không ngừng cải tiến và phát triển. 2 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp. Quy trình công nghệ sản xuất mía đường Hình 1.3: Quy trình công nghệ sản xuất mía đường [5] Đường được lấy ra sau công đoạn ly tâm phải tiến hành sấy ngay nếu để thời gian dài đường sẽ kết dính, đóng cục và biến màu.

Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng đường RS Chất lượng đường RS sau khi sấy dựa theo tiêu chuẩn (TCVN 6958:2001) [2] 3 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp.HCM  Độ Pol, (oZ), không nhỏ hơn 99,80  Hàm lượng đường khử, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,03  Tro dẫn điện, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,03  Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105oC trong 3 h, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,05  Độ màu, đơn vị ICUMSA, không lớn hơn 30 1. Các phương pháp và thiết bị sấy đường chủ yếu hiện nay Theo tác giả Bùi Trung Thành, Nguyễn Huy Bích (2003) [6] sấy đường thường có 3 dạng máy sấy được sử dụng phổ biến là máy sấy thùng quay, máy sấy tầng sôi sàng rung và máy sấy tầng sôi. Tuy nhiên các loại máy sấy này cũng tồn tại một số ưu điểm và nhược điểm nhất định. Sấy đường bằng máy sấy thùng quay Máy sấy dạng này chủ yếu dựa vào nguyên lý trao đổi nhiệt đối lưu, dòng đi của vật liệu và tác nhân sấy ngược chiều nhau.4: Hệ thống máy sấy đường kiểu thùng quay[6] Máy sấy này hầu hết đang được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy sản xuất đường tại Việt Nam vì có ưu điểm sau: - Thiết bị vận hành sử dụng dễ dàng, đơn giản không đòi hỏi nhân công có trình độ kỹ thuật quá cao.

- Độ ẩm sản phẩm sấy luôn luôn đảm bảo do có thể dễ dàng điều chỉnh thời được thời gian lưu vật liệu sấy trong buồng. - Tuy vậy máy sấy thùng quay còn tồn tại các nhược điểm sau 4 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp.HCM - Hạt đường không đạt nhiều hơn do nhiệt độ sấy không đồng đều, dễ vón cục tỷ lệ thu hồi thấp. - Hạt đường bị vỡ vụn nhiều do va chạm trực tiếp vào thành và cánh của buồng sấy. - Màu sắc hạt đường sau sấy chưa đạt nhiều - Tốn chi phí năng lượng làm nguội sản phẩm đường cuối quá trình sấy vì đường ra khỏi máy sấy có nhiệt độ cao.

Chính vì những nhược điểm như vậy máy sấy thùng quay chưa được quy vào dòng máy sấy chất lượng cao. Sấy đường bằng máy sấy sàng rung Máy sấy sàng rung khắc phục được những nhược điểm của máy sấy thùng quay màu sắc tốt hơn và tỷ lệ vỡ hạt thấp, loại máy sấy này làm việc theo nguyên lý vật liệu cấp ở phía trên sàng còn tác nhân sấy đi dưới sàng nhờ cơ chế rung nên vật liệu ít vón cục và nhiệt độ sấy đồng đều hơn so với thùng quay tuy nhiên nếu lớp vật liệu quá dày làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sấy độ ẩm không đồng đều, chi phí điện năng cao.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy sấy đường sàng rung[6] 1. Sấy đường bằng máy sấy tầng sôi Máy sấy tầng sôi ứng dụng sấy đường là một trong những đột phá mới trong ngành công nghiệp sấy đường, loại máy sấy này khắc phục được những nhược điểm của các loại máy sấy truyền thống khác như máy sấy thùng quay hay máy sấy sàng rung, máy 5 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp.HCM sấy hầm,. Nếu sấy các hạt có kích thước nhỏ phạm vi từ 50 – 2000m được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sấy các dạng vật liệu rời như công nghiệp xử lý hoá dầu, hoá học, dược liệu, nông nghiệp, thực phẩm,.

Nhờ có một số ưu điểm vượt trội như sau: - Hiệu suất truyền nhiệt, truyền ẩm rất tốt, bề mặt tiếp xúc nhiệt các hạt lớn và đồng đều nhất giữa tác nhân sấy với hạt và giữa các hạt với hạt. - Nhiệt độ sấy đồng đều dẫn đến độ ẩm sản phẩm sấy đồng đều, cho ra chất lượng sản phẩm sấy tốt, có giá trị cao. Cho nên các loại máy sấy tầng sôi được các nhà khoa học quy vào dòng máy sấy chất lượng cao mặc dù vậy máy sấy tầng sôi còn có những hạn chế nhất định về mặt tiêu thụ năng lượng quá nhiều, tổn thất áp suất quá lớn để cho các lớp hạt hoá sôi dẫn đến điện năng tiêu thụ nhiều, quá khó sấy cho các loại vật liệu ướt, kết dính, hạn chế về kích thước hạt. Chính vì vậy các nhà khoa học trong nước cũng như thế giới tiếp tục nghiên cứu về công nghệ sấy tầng sôi làm sao giảm được chi phí năng lượng từ đó có rất nhiều công trình nghiên cứu được công bố về máy sấy tầng sôi cấp khí gián đoạn hay còn gọi là máy sấy tầng sôi xung khí được giới thiệu cụ thể ở mục 1.

9 9 7 8 1 2 3 5 6 4 1- Phễu cấp đường ẩm; 2- Không khí nóng vào; 3- Bộ phân phối khí; 4- Không khí tươi vào; 5- Động cơ rung; 6- Vị trí lấy đường sản phẩm; 7- Buồng sấy tầng sôi; 8- Đường làm nguội; 9- Khí thải ra khỏi máy sấy Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy sấy đường tầng sôi [6] 1. Kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí ứng dụng sấy đường 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 6 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp.HCM Kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí đã cải thiện được những nhược điểm của máy sấy tầng sôi thông thường. Từ một số kết quả nghiên cứu chính về tầng sôi xung khí làm cơ sở cho tác giả phân tích lựa chọn và ứng dụng phù hợp để thực hiện sấy đường RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí.

và cộng sự là những người đã sáng chế ra mô hình máy sấy tầng sôi xung khí và kết quả cũng đạt được những công nhận về bằng sáng chế ở các nước Ba Lan, Mỹ, Châu âu vào năm 1979, 1999, 2003, theo tài liệu [8, 9, 10, 11]. Tuy nhiên loại máy sấy này còn hạn chế về tính ứng dụng, phù hợp cho máy sấy tầng sôi xung khí dạng mẻ không phù hợp cho máy sấy tầng sôi xung khí liên tục. Mô hình máy sấy xung khí này được thể hiện cụ thể ở hình 1.7, bố trí một đĩa quay và có 4 khoang sấy. Khi ứng dụng để sấy đường thì yêu cầu đĩa phải quay nhanh để tránh trường hợp đường bị vón cục đồng nghĩa với việc tần số xung cấp khí phải lớn, khi đó hoạt động của máy sấy này gần giống như máy sấy tầng sôi thông thường nên đây cũng là mặt hạn chế của máy sấy tầng sôi xung khí dạng mẻ khi thực hiện sấy đối với vật liệu có tính kết dính cao như đường, muối.7: Mô hình sấy tầng sôi xung khí Gawrzynski Z.và cộng sự sáng chế [8] Năm 2002, theo tác giả KudraT cùng các cộng sự.

[12] đã nghiên cứu đưa ra kết quả việc sấy bùn giấy và bột giấy, công bố tần số cấp xung khí phù hợp là 10Hz 7 Luận văn Thạc sĩ Khoa cơ khí động lực – ĐH SPKT Tp.HCM giúp cho quá trình sôi tốt, đồng đều và hiệu quả hơn như vậy thấy rằng giá trị tần số tạo xung cấp khí nóng là hết sức quan trọng là thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sấy và chi phí sấy. Một số tác giả cũng đã chứng minh rằng tần số xung khí ảnh hưởng đến tổn thất áp suất trên lớp hạt vì tần số lớn thì thời gian lưu vật liệu ở buồng sấy càng lâu làm cho lớp dày vật liệu tăng lên và ngược lại.