Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến sữa tại Việt Nam bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm cuối thập niên 80 của thế kỷ 20 khi đất nước bước vào thời kỳ đổi mới. Cùng với sự gia tăng về mức sống và nhận thức chăm sóc sức khỏe, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm thực phẩm giàu dinh dưỡng, đặc biệt là sữa, ngày càng tăng cao. Trong nhóm sản phẩm này, sữa bột giữ vai trò quan trọng nhờ ưu điểm vượt trội về việc kéo dài thời gian bảo quản và giảm thiểu tối đa chi phí vận chuyển, lưu kho.

Đồ án chuyên ngành Công nghệ thực phẩm do sinh viên Đào Thúy Hằng thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tuấn Anh (Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, năm 2023) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống sấy phun sữa bột công nghiệp.

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun sản xuất sữa bột với năng suất thành phẩm đạt 150 kg/h.
  2. Xử lý nguyên liệu sữa sau cô đặc có độ ẩm ban đầu $W_1 = 45%$ đạt đến độ ẩm sản phẩm cuối cùng $W_2 = 4%$.
  3. Nghiên cứu tổng quan về nguyên liệu sữa bò, tính chất hóa lý, sinh hóa và các phương pháp sấy công nghiệp để lựa chọn phương án thiết kế phù hợp.
  4. Xây dựng và thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa bột hoàn chỉnh từ khâu chuẩn bị nguyên liệu đến đóng gói thành phẩm.
  5. Tính toán cân bằng vật chất và xác định các thông số nhiệt - động học của tác nhân sấy tại các trạng thái làm việc.
  6. Tính toán kích thước hình học, vận tốc khí động, thời gian sấy và tính bền cơ khí cho thiết bị chính (tháp sấy và vòi phun).
  7. Tính toán cân bằng nhiệt lượng, tổn thất nhiệt, bề dày lớp cách nhiệt và lựa chọn các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị sấy phun cùng đối tượng vật liệu sấy là dịch sữa cô đặc. Phạm vi thiết kế áp dụng cho điều kiện môi trường tại Hà Nội với nhiệt độ không khí $t_0 = 25^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 85%$, sử dụng tác nhân sấy là không khí nóng với chế độ sấy cùng chiều ở nhiệt độ vào tháp $t_1 = 170^\circ\text{C}$ và nhiệt độ ra $t_2 = 85^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt - động học của quá trình sấy đối lưu, cơ sở truyền nhiệt và truyền khối trong hệ thống phân tán giọt lỏng huyền phù, kết hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật thực phẩm và giáo trình kỹ thuật hóa chất:

  • Lý thuyết công nghệ thực phẩm: Thành phần dinh dưỡng, tính chất hóa lý và các biến đổi sinh hóa của sữa tươi (chất béo, casein, lactalbumin, lactoglobulin, đường lactose, vitamin và hệ enzyme lipase, phosphatase, peroxidase, lactase).
  • Hệ thống tiêu chuẩn áp dụng: Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7405:2009 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC/F12 biên soạn về yêu cầu kỹ thuật đối với sữa tươi nguyên liệu.
  • Lý thuyết kỹ thuật quá trình và thiết bị: Phương pháp cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống sấy đối lưu; phương pháp giải tích trạng thái không khí ẩm trên giản đồ $I-d$; lý thuyết tính toán thủy động lực học dòng khí và giọt lỏng phân tán (chuẩn số Reynolds, bán kính tán sương, vận tốc rơi tự do); phương pháp tính toán sức bền thân và đáy nắp thiết bị chịu áp lực theo tiêu chuẩn ngành hóa chất.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí:

  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất: Xác định lượng ẩm bốc hơi, lượng nguyên liệu nhập liệu và lưu lượng không khí khô tiêu hao.
  • Phương pháp nhiệt động lực học: Xác định các thông số entanpi ($I$), lượng chứa ẩm ($d$), phân áp suất hơi nước bão hòa ($P_b$), thể tích riêng ($v$) của tác nhân sấy ở ba trạng thái: ngoài trời, sau khi gia nhiệt qua calorifer và sau khi thoát khỏi buồng sấy.
  • Phương pháp giải tích cơ học - thủy động: Tính toán các thông số vòi phun cơ khí, kích thước buồng sấy, kiểm tra vận tốc khí thực tế so với giả thiết ban đầu, và kiểm tra điều kiện đọng sương ($\Delta t = t_2 - t_s$).
  • Nguồn dữ liệu tra cứu: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2), bảng tra cứu thông số vật lý của không khí ẩm, hơi nước bão hòa và vật liệu chế tạo thiết bị (thép không gỉ X18H10T).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống sấy phun được thiết kế theo cấu hình thiết bị làm việc liên tục, tác nhân sấy và nguyên liệu chuyển động cùng chiều từ trên đỉnh tháp xuống đáy côn, bao gồm các cụm công nghệ chính:

                                                             [Buồng sấy hình trụ]
                                       [Đáy tháp hình côn]                      [Khí thải cuốn bụi]
                                       [Bột sữa thành phẩm]                     [Hệ thống Cyclone tách bột]
                                                          [Đóng gói chân không/khí trơ]

Dây chuyền tích hợp đầy đủ các công đoạn tiền xử lý và thu hồi sản phẩm:

  • Cơ cấu phân tán (Vòi phun cơ khí): Sử dụng vòi phun áp lực có chi tiết cánh tạo sương 3 cánh tự quay quanh trục, đường kính lỗ phun $d_c = 1\text{ mm} = 10^{-3}\text{ m}$, góc phân tán tia $\alpha = 50^\circ$. Thiết bị đạt chuẩn số Reynolds $Re = 3088,11$, đường kính trung bình giọt sương $d_{tb} = 2,24 \times 10^{-4}\text{ m}$ ($0,224\text{ mm}$), kích thước hạt lớn nhất $d_{max} = 4,48 \times 10^{-4}\text{ m}$.
  • Buồng sấy chính: Kết cấu thân trụ tròn đứng đáy côn. Đường kính trong của buồng sấy $D = 1,5\text{ m}$, chiều cao phần thân trụ $H = 2,5\text{ m}$, chiều cao hữu hiệu toàn tháp $H_T = 3,5\text{ m}$. Diện tích tiết diện ngang $F = 1,77\text{ m}^2$, thể tích làm việc $V = 6,18\text{ m}^3$. Vận tốc dòng khí chuyển động trong tháp đạt $\omega = 0,41\text{ m/s}$ (chênh lệch 7% so với giả thiết $0,38\text{ m/s}$, nằm trong giới hạn cho phép). Thời gian sấy của hạt sữa trong tháp là $t_s = 9,21\text{ giây}$.
  • Vật liệu chế tạo và tính bền: Thân thiết bị được thiết kế bằng thép không gỉ Austenit X18H10T có khối lượng riêng $\rho = 7,9\text{ g/cm}^3$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 16,3\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$, giới hạn bền kéo $\sigma_k = 540 \times 10^6\text{ N/m}^2$, giới hạn bền chảy $\sigma_c = 220 \times 10^6\text{ N/m}^2$, hệ số bền mối hàn $\varphi_h = 0,95$, hệ số hiệu chỉnh $\eta = 1$.
  • Hệ thống thu hồi và phụ trợ: Hệ thống lắng xoáy tâm Cyclone kép thu hồi bột sữa cuốn theo dòng khí thoát, quạt ly tâm hút/đẩy điều áp, calorifer khí - hơi gia nhiệt không khí sấy, và hệ thống lọc khí đầu vào.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sữa và phương pháp sấy

Chương này trình bày chi tiết về cấu tạo hóa học, đặc tính sinh hóa của sữa bò và cơ sở lý thuyết công nghệ sấy:

  • Phân tích thành phần hóa học trung bình của sữa bò nguyên liệu: Nước chiếm 85,5 – 89,5% (trong đó 96 – 97% là nước tự do, 3 – 4% là nước liên kết), chất béo 2,5 – 6,0% (dạng hạt cầu mỡ đường kính phân tán), protein 2,9 – 5,0% (gồm 80% Casein, 12% Lactalbumin, 6% Lactoglobulin), đường Lactose 3,6 – 5,5%, khoáng chất 0,6 – 0,9%.
  • Nêu rõ các thông số vật lý của sữa: Khối lượng riêng $1028 - 1035\text{ kg/m}^3$, độ $\text{pH} = 6,5 - 6,7$, độ nhớt $20\text{ cP}$ ở $20^\circ\text{C}$, áp suất thẩm thấu $6,6\text{ atm}$ ở $0^\circ\text{C}$, điểm đông đặc từ $-0,53^\circ\text{C}$ đến $-0,57^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp chỉ tiêu kỹ thuật lựa chọn nguyên liệu sữa theo TCVN 7405:2009:
Tên chỉ tiêu Mức yêu cầu theo TCVN 7405:2009
Trạng thái Dịch thể đồng nhất
Màu sắc Từ màu trắng đến màu kem nhạt
Mùi, vị Đặc trưng của sữa tươi tự nhiên, không có mùi vị lạ
Hàm lượng chất khô Không nhỏ hơn 11,5% khối lượng
Hàm lượng chất béo Không nhỏ hơn 3,2% khối lượng
Hàm lượng protein Không nhỏ hơn 2,8% khối lượng
Tỷ trọng ở $20^\circ\text{C}$ Không nhỏ hơn $1,026\text{ g/ml}$
Điểm đóng băng $-0,51^\circ\text{C}$ đến $-0,58^\circ\text{C}$
Tạp chất lạ nhìn thấy Không được có
  • Phân loại các phương pháp sấy (tự nhiên, nhân tạo: đối lưu, bức xạ, tiếp xúc, cao tần, thăng hoa) và so sánh 3 cơ cấu phun sương (vòi phun cơ khí, vòi phun khí động, đĩa ly tâm). Tác giả lựa chọn cơ cấu vòi phun cơ khí nhờ ưu điểm vận hành không ồn, năng suất cao (lên đến 4500 kg/h) và tiêu tốn ít điện năng ($4 - 10\text{ kW/tấn}$ dịch thể).

Chương 2: Quy trình công nghệ sản xuất

Chương 2 mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất sữa bột qua 7 công đoạn liên hoàn:

  1. Chuẩn bị nguyên liệu: Tiếp nhận sữa tươi/sữa gầy, bổ sung phụ gia gồm chất ổn định (polyphosphate, orthophosphate), chất tạo nhũ (lecithin), chất chống oxy hóa (propyl gallate) và maltodextrin nhằm tăng độ bền nhiệt, hạn chế biến tính và ngăn ngừa hiện tượng vón cục.
  2. Chuẩn hóa: Hiệu chỉnh hàm lượng béo trên dây chuyền ly tâm phối trộn tự động (đạt 26 – 33% cho sữa bột nguyên kem hoặc $\le 1%$ cho sữa gầy).
  3. Thanh trùng: Gia nhiệt ở $80 - 85^\circ\text{C}$ trong vài giây trên thiết bị tấm bản mỏng để vô hoạt enzyme lipase bền nhiệt; kết hợp ly tâm ở $55 - 60^\circ\text{C}$ (loại bỏ đến 99% vi khuẩn) hoặc vi lọc qua màng membrane $0,2\text{ }\mu\text{m}$ đối với sữa gầy. Sau đó làm nguội về $60 - 70^\circ\text{C}$.
  4. Cô đặc: Sử dụng hệ thống cô đặc chân không màng rơi nhiều cấp (phổ biến là 4 cấp), nhiệt độ sữa không vượt quá $76^\circ\text{C}$, nâng nồng độ chất khô lên $45 - 55%$ trước khi sấy.
  5. Đồng hóa: Thực hiện ở $55 - 80^\circ\text{C}$ bằng thiết bị đồng hóa hai cấp với áp lực cấp 1 là 200 bar và cấp 2 là 50 bar để phá vỡ hạt béo về kích thước $15 - 300\text{ }\mu\text{m}$.
  6. Sấy phun: Phun dịch sữa vào tháp sấy tiếp xúc với không khí nóng $170^\circ\text{C}$, độ khô sản phẩm đạt $96 - 98%$ (độ ẩm $2 - 4%$).
  7. Đóng gói và hoàn thiện: Rây bột sữa, đóng hộp kim loại hoặc bao bì giấy trong điều kiện hút chân không hoặc thổi hỗn hợp khí trơ $90%\text{ N}_2 + 10%\text{ H}_2$.

Chương 3: Tính cân bằng vật chất năng lượng

Chương này trình bày các phương trình cân bằng vật chất và xác định trạng thái của không khí sấy:

  • Cân bằng vật chất: Với năng suất thành phẩm $G_2 = 150\text{ kg/h}$ ở độ ẩm $W_2 = 4%$ từ nguyên liệu có độ ẩm $W_1 = 45%$, lượng vật liệu khô tuyệt đối là $G_0 = 143,99\text{ kg/h}$, lượng nguyên liệu đầu vào cần cấp là $G_1 = 261,81\text{ kg/h}$, và lượng ẩm bốc hơi là $W = 111,81\text{ kg/h}$.
  • Xác định trạng thái tác nhân sấy tại 3 điểm nút:
Điểm trạng thái Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) Độ chứa ẩm $d$ (kg ẩm/kg kkk) Entanpi $I$ (kJ/kg kkk) Độ ẩm tương đối $\varphi$ (%) Thể tích riêng $v$ ($\text{m}^3/\text{kg kkk}$)
Trước calorifer (môi trường) 25,0 0,018 70,90 85,0% 0,880
Sau calorifer (vào buồng sấy) 170,0 0,018 221,31 0,348% -
Ra khỏi buồng sấy 85,0 0,051 221,31 12,8% 1,115
  • Lượng không khí khô tiêu hao riêng: $l = \frac{1}{d_2 - d_1} = 30,3\text{ kg kkk/kg ẩm}$.
  • Tổng lượng không khí khô tiêu hao trong 1 giờ: $G_k = 3387,84\text{ kg kkk/h}$.
  • Lưu lượng thể tích không khí vào buồng sấy $V_1 = 4326,74\text{ m}^3/\text{h}$, ra khỏi buồng sấy $V_2 = 3435,94\text{ m}^3/\text{h}$, lưu lượng thể tích thực chuyển động trong tháp sấy $V_t = 3967,61\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Kiểm tra nhiệt độ đọng sương: Tại phân áp suất bão hòa $P_{bh} = 0,074\text{ at}$, nhiệt độ điểm sương là $T_s = 40^\circ\text{C}$. Độ chênh lệch $\Delta t = t_2 - T_s = 85 - 40 = 45^\circ\text{C} > 0$, đảm bảo tác nhân sấy không bị đọng sương trong tháp.

Chương 4: Tính toán thiết bị chính

Chương 4 thực hiện tính toán chi tiết kích thước khí động, thời gian sấy và độ bền cơ khí của tháp:

  • Tính toán vòi phun: Hệ số cấu tạo $b = 0,38 \times 10^{-3}\text{ m}$, chuẩn số $Re = 3088,11$, đường kính giọt trung bình $d_{tb} = 2,24 \times 10^{-4}\text{ m}$, đường kính giọt lớn nhất $d_{max} = 4,48 \times 10^{-4}\text{ m}$.
  • Kích thước buồng sấy: Đường kính $D = 1,5\text{ m}$, chiều cao phần trụ $H = 2,5\text{ m}$, chiều cao hữu hiệu $H_T = 3,5\text{ m}$, thể tích buồng sấy $V = 6,18\text{ m}^3$, tiết diện ngang $F = 1,77\text{ m}^2$.
  • Kiểm tra khí động: Vận tốc dòng khí tính toán $\omega = 0,41\text{ m/s}$ (so với giả thiết $0,38\text{ m/s}$, độ sai lệch $7%$).
  • Thời gian lưu sấy của hạt sữa: $t_s = \frac{H_T}{\omega_h} = \frac{3,5}{0,38} = 9,21\text{ giây}$.
  • Tính bền cơ khí: Xác lập các thông số độ bền vật liệu thép X18H10T với $\sigma_k = 540 \times 10^6\text{ N/m}^2$, $\sigma_c = 220 \times 10^6\text{ N/m}^2$, hệ số mối hàn $\varphi_h = 0,95$, hệ số hiệu chỉnh $\eta = 1$.

Chương 5: Cân bằng nhiệt lượng

Chương này tính toán các thành phần nhiệt lượng cấp vào và tiêu hao trong hệ thống:

  • Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng cho quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế.
  • Tính toán hệ số cấp nhiệt từ dòng khí nóng đến bề mặt trong tháp sấy ($\alpha_1$) và hệ số cấp nhiệt từ bề mặt vỏ ngoài tháp ra môi trường không khí xung quanh ($\alpha_2$).
  • Tính toán hệ số truyền nhiệt tổng quát qua thành thiết bị, xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt xung quanh tháp sấy và tính bề dày lớp vật liệu cách nhiệt nhằm giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường.

Chương 6: Chọn các thiết bị phụ sử dụng trong hệ thống

Chương 6 tính toán và lựa chọn các thiết bị phụ trợ đồng bộ:

  • Hệ thống lắng xoáy tâm Cyclone đơn/kép dùng để tách và thu hồi các hạt sữa bột mịn bị dòng khí thải cuốn theo trước khi xả ra môi trường.
  • Hệ thống quạt ly tâm gồm quạt thổi đặt trước calorifer và quạt hút đặt sau thiết bị lọc cyclone để duy trì chế độ áp suất ổn định trong buồng sấy.
  • Thiết bị gia nhiệt không khí Calorifer (sử dụng nguồn nhiệt hơi nước bão hòa) để nâng nhiệt độ không khí từ $25^\circ\text{C}$ lên $170^\circ\text{C}$.
  • Thiết bị lọc bụi và màng lọc khí đầu vào bảo đảm độ sạch vi sinh và cơ học cho không khí trước khi đưa vào sấy thực phẩm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế chính

Thông số thiết kế Giá trị tính toán Đơn vị
Năng suất sản phẩm bột sữa ($G_2$) 150,00 kg/h
Năng suất nhập liệu dịch sữa cô đặc ($G_1$) 261,81 kg/h
Lượng ẩm bốc hơi ($W$) 111,81 kg/h
Lượng vật liệu khô tuyệt đối ($G_0$) 143,99 kg/h
Lượng không khí khô tiêu hao ($G_k$) 3387,84 kg kkk/h
Lượng không khí tiêu hao riêng ($l$) 30,30 kg kkk/kg ẩm
Nhiệt độ tác nhân sấy vào tháp ($t_1$) 170,00 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi tháp ($t_2$) 85,00 $^\circ\text{C}$
Độ ẩm ban đầu của vật liệu ($W_1$) 45,00 %
Độ ẩm cuối của vật liệu ($W_2$) 4,00 %
Đường kính buồng sấy ($D$) 1,50 m
Chiều cao phần thân trụ buồng sấy ($H$) 2,50 m
Chiều cao hữu hiệu tháp sấy ($H_T$) 3,50 m
Thể tích buồng sấy ($V$) 6,18 $\text{m}^3$
Vận tốc dòng khí trong buồng sấy ($\omega$) 0,41 m/s
Thời gian sấy sản phẩm ($t_s$) 9,21 giây
Đường kính lỗ vòi phun ($d_c$) 1,00 mm
Góc phân tán tia phun ($\alpha$) 50,00 độ
Chuẩn số Reynolds tại vòi phun ($Re$) 3088,11 -
Đường kính hạt trung bình ($d_{tb}$) 0,224 mm

Đề xuất công nghệ và giải pháp kỹ thuật

  • Áp dụng chế độ sấy cùng chiều ở dải nhiệt độ $t_1 = 170^\circ\text{C}$ và $t_2 = 85^\circ\text{C}$ giúp rút ngắn thời gian sấy xuống chỉ còn 9,21 giây, khống chế được hiện tượng biến tính casein, ngăn chặn phản ứng tạo màu caramel và phản ứng Maillard, bảo toàn giá trị dinh dưỡng của sữa.
  • Đề xuất bổ sung phụ gia maltodextrin trong khâu phối trộn nhằm nâng cao độ bền nhiệt cho giọt sữa lỏng và chống vón cục cho bột sữa thành phẩm.
  • Lựa chọn giải pháp đồng hóa 2 cấp áp lực cao (200 bar và 50 bar) kết hợp cô đặc chân không nhiều cấp màng rơi ở nhiệt độ $\le 76^\circ\text{C}$ để tiết kiệm năng lượng sấy và ổn định hệ nhũ tương.

Đóng góp học thuật và thực tiễn

  • Đồ án đã hoàn thiện trọn vẹn tập tài liệu tính toán công nghệ và kết cấu cơ khí cho hệ thống sấy phun sữa bột năng suất trung bình ($150\text{ kg/h}$), phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm tại Việt Nam ($t_0 = 25^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 85%$).
  • Cung cấp chuỗi phương trình và dữ liệu giải tích cụ thể từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến tính toán thủy động lực học của vòi phun cơ khí và tháp sấy hình trụ đáy côn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán khí động học và truyền nhiệt trong tháp sấy dựa trên các phương pháp giải tích và công thức thực nghiệm bán giải tích với giả thiết vận tốc dòng khí và mật độ phân bố hạt sương là đồng đều trên toàn bộ tiết diện buồng sấy; đồ án chưa thực hiện mô phỏng số động lực học dòng chảy (CFD) để đánh giá chi tiết hiện tượng bám dính hạt sữa lên thành buồng sấy.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng (ANSYS Fluent / COMSOL) để tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động của tia phun; tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển PLC-SCADA giám sát nhiệt độ, độ ẩm online và thiết kế hệ thống vệ sinh tự động tại chỗ CIP (Cleaning In Place) cho toàn bộ đường ống và tháp sấy.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Tham khảo phương pháp luận, quy trình từng bước và các công thức giải tích chuẩn mực để thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất - Thực phẩm, đồ án chuyên ngành hoặc khóa luận tốt nghiệp về hệ thống sấy phun.
  • Kỹ sư công nghệ và thiết kế thiết bị: Tham khảo chuỗi dữ liệu thực tế về thông số nhiệt động của sữa bò, kích thước buồng sấy, chuẩn số thủy động của vòi phun và các tính toán cân bằng năng lượng để áp dụng trong thiết kế, cải tiến các hệ thống sấy phun thực phẩm, dược phẩm hoặc hóa chất dạng bột.
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất: Bảng số liệu trạng thái không khí trên đồ thị $I-d$ (Chương 3), phương pháp tính toán thủy động vòi phun cơ khí và xác định chiều cao, đường kính tháp sấy (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất bốc hơi ẩm và lượng nguyên liệu sữa cô đặc cần cấp vào buồng sấy trong 1 giờ là bao nhiêu?
Để sản xuất ra 150 kg/h sữa bột có độ ẩm $W_2 = 4%$ từ sữa cô đặc có độ ẩm ban đầu $W_1 = 45%$, hệ thống cần cấp lượng nhập liệu $G_1 = 261,81\text{ kg/h}$ và năng suất bốc hơi ẩm của tháp đạt $W = 111,81\text{ kg ẩm/h}$.

2. Tiêu hao không khí khô và lưu lượng thể tích thực tế chuyển động trong tháp sấy là bao nhiêu?
Lượng không khí khô tiêu hao riêng là $l = 30,3\text{ kg kkk/kg ẩm}$, tổng lưu lượng không khí khô tiêu hao là $G_k = 3387,84\text{ kg kkk/h}$, và lưu lượng thể tích thực chuyển động trong tháp sấy (bao gồm không khí khô và hơi ẩm bốc hơi) là $V_t = 3967,61\text{ m}^3/\text{h}$.

3. Vì sao tác giả lựa chọn cơ cấu tạo sương dạng vòi phun cơ khí thay vì đĩa ly tâm hay vòi phun khí động?
Vòi phun cơ khí được lựa chọn nhờ làm việc không gây ồn, năng suất phun cao (có thể đạt tới 4500 kg/h), mức tiêu tốn điện năng thấp ($4 - 10\text{ kW/tấn}$ dịch thể) và kết cấu làm việc ổn định, phù hợp với buồng sấy hình trụ đứng có đường kính $1,5\text{ m}$.

4. Kích thước hình học cơ bản và thời gian sấy của bột sữa trong tháp là bao nhiêu?
Buồng sấy có đường kính thân trụ $D = 1,5\text{ m}$, chiều cao phần thân trụ $H = 2,5\text{ m}$, chiều cao hữu hiệu $H_T = 3,5\text{ m}$, thể tích buồng sấy $V = 6,18\text{ m}^3$. Vận tốc dòng khí qua tháp là $0,41\text{ m/s}$ và thời gian sấy hạt sữa chỉ mất $9,21\text{ giây}$.

5. Điều kiện đọng sương của tác nhân sấy ở đầu ra được kiểm tra như thế nào?
Tại trạng thái không khí thoát khỏi tháp ($t_2 = 85^\circ\text{C}, d_2 = 0,051\text{ kg/kg kkk}$), phân áp suất bão hòa hơi nước xác định nhiệt độ điểm sương là $T_s = 40^\circ\text{C}$. Độ chênh lệch nhiệt độ $\Delta t = t_2 - T_s = 85 - 40 = 45^\circ\text{C} > 0$ chứng minh tác nhân sấy cách xa vùng bão hòa, hoàn toàn không xảy ra hiện tượng đọng ẩm trong buồng sấy và đường ống dẫn.

Kết luận

Đồ án môn học chuyên ngành của sinh viên Đào Thúy Hằng đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ tính toán thiết kế hệ thống thiết bị sấy phun sữa bột với năng suất 150 kg/h, đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về chất lượng thực phẩm và an toàn kỹ thuật. Nghiên cứu đã cung cấp đầy đủ các cơ sở lý thuyết, sơ đồ công nghệ, bảng cân bằng vật chất - năng lượng chi tiết và các thông số kết cấu cơ khí chính xác của tháp sấy cùng vòi phun. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực tiễn cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư hoạt động trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm và kỹ thuật thiết bị công nghiệp.