Đồ án thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa 3m3/24h - ĐH SPKT TP.HCM

Tiểu luận đồ án tính toán thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa năng suất 3m3/24h trong công nghệ thực phẩm. Tài liệu cung cấp quy trình và thông số chi tiết.

• Tác giả: Đặng Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa với năng suất 3m3/24h
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa năng suất 3m3 24h

Công nghệ sấy phun là phương pháp sấy khô nguyên liệu dạng lỏng phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm. Quá trình này chuyển hóa sữa tươi nguyên liệu thành dạng bột có độ ẩm tiêu chuẩn từ ba đến bốn phần trăm. Quy mô năng suất ba mét khối trên hai mươi bốn giờ tương đương khoảng một trăm hai mươi lăm lít sữa mỗi giờ. Đây là quy mô phù hợp cho các cơ sở chế biến sữa quy mô vừa và nhỏ hoặc các dây chuyền thực nghiệm. Quá trình sấy diễn ra trong thời gian rất ngắn từ vài giây đến vài chục giây. Nhờ đó, các chất dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt độ như protein, vitamin và chất béo không bị biến tính hay phân hủy. Cấu trúc micelle casein và trạng thái nhũ tương của chất béo được duy trì tốt. Sữa bột thu được có độ hòa tan cao, màu sắc tự nhiên và hương vị đặc trưng. Việc tính toán thiết kế hệ thống sấy phun đòi hỏi sự chính xác về cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và lựa chọn kích thước hình học buồng sấy phù hợp.

1.1. Bản chất công nghệ của sấy phun dịch sữa

Sấy phun là kỹ thuật phân tán dòng nguyên liệu lỏng thành vô số giọt sương mịn có kích thước micro mét. Diện tích tiếp xúc bề mặt giữa dịch sữa và tác nhân sấy tăng lên hàng ngàn lần. Quá trình truyền nhiệt và truyền khối diễn ra cực kỳ mãnh liệt. Nước bên trong hạt sương bay hơi tức thì trong môi trường không khí nóng. Hạt sữa khô rơi xuống đáy tháp sấy và giữ nguyên hình thái hạt xốp tròn. Quá trình này ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt cục bộ trên bề mặt sản phẩm. Nhờ đó, sản phẩm bột sữa hoàn thiện có khả năng hoàn nguyên vượt trội khi tiếp xúc với nước ấm.

1.2. Quy mô và ý nghĩa của năng suất 3m3 24h

Năng suất ba mét khối trên hai mươi bốn giờ tương ứng công suất xử lý khoảng một trăm hai mươi lăm lít dịch sữa mỗi giờ. Mức công suất này giải quyết bài toán tồn trữ cho các trang trại chăn nuôi bò sữa quy mô vừa. Hệ thống giúp chế biến sữa tươi thành sữa bột bảo quản lâu dài mà không cần trữ lạnh tốn kém. Chi phí đầu tư cho hệ thống quy mô này ở mức vừa phải, dễ thu hồi vốn. Thiết bị vận hành linh hoạt, thuận tiện cho việc kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng khí. Đây là giải pháp công nghệ kinh tế và hiệu quả cao cho ngành thực phẩm.

II. Phân tích đặc tính và các thách thức khi sấy phun dịch sữa

Sữa tươi là một hệ nhũ tương và hệ keo phức tạp chứa nước, protein, chất béo, đường lactose và khoáng chất. Hàm lượng ẩm ban đầu trong dịch sữa rất cao, chiếm khoảng tám mươi tám phần trăm khối lượng. Quá trình sấy đòi hỏi phải tách lượng ẩm lớn mà vẫn giữ nguyên đặc tính hóa lý của dịch thể. Độ nhớt và sức căng bề mặt của sữa thay đổi rõ rệt theo nhiệt độ cô đặc và hàm lượng chất khô. Thách thức kỹ thuật lớn nhất là hiện tượng bám dính thành buồng sấy do đường vô định hình và chất béo nóng chảy gây ra. Khi nhiệt độ không khí sấy quá cao, protein casein dễ bị biến tính không thuận nghịch, làm giảm chỉ số độ hòa tan. Ngược lại, nếu nhiệt độ sấy quá thấp, quá trình bay hơi ẩm không triệt để dẫn đến độ ẩm sản phẩm vượt mức cho phép. Do đó, việc tính toán thông số nhiệt độ đầu vào, đầu ra và tốc độ phun hạt sương đóng vai trò quyết định đến chất lượng bột sữa.

2.1. Đặc tính hóa lý nhạy cảm của dịch sữa

Hệ nhũ tương chất béo trong sữa rất dễ bị phá vỡ dưới tác dụng nhiệt cao và lực cắt cơ học. Các phân tử protein casein được bảo vệ bởi lớp vỏ hydrat hóa của phân tử kappa-casein. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng giới hạn, lớp vỏ này bị phá hủy làm protein đông tụ mất khả năng hòa tan. Thành phần đường lactose có xu hướng kết tinh dính dớp nếu độ ẩm không khí thoát ra không cân đối. Độ nhớt dịch sữa tăng nhanh khi cô đặc trước khi sấy. Sự thay đổi sức căng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước giọt sương hình thành từ đầu phun.

2.2. Vấn đề bám dính tháp và tổn thất nhiệt lượng

Hiện tượng bột sữa bám dính thành buồng sấy là nguyên nhân hàng đầu gây cháy khét và giảm hiệu suất thu hồi. Hạt sữa chưa kịp khô hoàn toàn khi va chạm vào thành kim loại sẽ tạo mảng bám. Lượng nhiệt thất thoát qua vỏ buồng sấy và đường ống dẫn khí thường chiếm từ mười lăm đến hai mươi phần trăm tổng năng lượng cấp. Tổn thất này làm tăng chi phí vận hành calorifer và tiêu hao điện năng quạt hút. Bụi sữa mịn thoát theo dòng khí xả đòi hỏi hệ thống cyclone tách bụi phải có hiệu suất khí động học cực cao để tránh lãng phí nguyên liệu.

III. Phương pháp tính toán thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa tối ưu

Phương pháp thiết kế hệ thống sấy phun dựa trên nguyên lý cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng nhiệt động lực học. Từ lưu lượng nhập liệu ba mét khối trên hai mươi bốn giờ, lượng ẩm cần bốc hơi được xác định chính xác theo tỉ lệ chất khô. Nhiệt độ không khí nóng đầu vào buồng sấy được chọn trong khoảng một trăm năm mươi đến một trăm tám mươi độ C. Nhiệt độ khí thải đầu ra duy trì từ bảy mươi lăm đến tám mươi lăm độ C nhằm bảo vệ các vi chất nhạy nhiệt. Thiết bị sử dụng cơ cấu phân tán dạng đĩa quay ly tâm hoặc vòi phun áp lực để tạo kích thước hạt sương đồng đều. Kích thước hình học của buồng sấy hình trụ đáy nón được tính toán dựa trên thời gian sấy và quỹ đạo bay của hạt sương. Hệ thống calorifer gia nhiệt không khí bằng hơi nước bão hòa cung cấp nhiệt lượng ổn định. Thiết bị lắng cyclone đơn hoặc chùm cyclone được bố trí phía sau để thu hồi triệt để lượng bột sữa thành phẩm.

3.1. Tính toán cân bằng vật chất và truyền nhiệt

Phương trình cân bằng vật chất xác định lưu lượng sữa nhập liệu, lượng bột sữa thu hồi và lượng nước bốc hơi mỗi giờ. Lượng không khí sấy khô cần thiết được tính thông qua đồ thị I-d của không khí ẩm. Phương trình cân bằng nhiệt cung cấp cơ sở tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của calorifer. Các hệ số tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh được tính toán chi tiết qua lớp vật liệu cách nhiệt bông thủy tinh. Các thông số vận hành này đảm bảo dòng khí nóng truyền nhiệt tối ưu cho giọt lỏng mà không lãng phí nhiên liệu đốt.

3.2. Thiết kế kết cấu buồng sấy và bộ thu hồi cyclone

Đường kính và chiều cao buồng sấy được thiết kế tương thích với bán kính phân tán hạt của đĩa quay ly tâm. Vận tốc dòng khí chuyển động dọc tháp được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh cuốn trôi hạt sữa quá sớm. Đáy nón buồng sấy có góc nghiêng sáu mươi độ giúp bột trượt tự do xuống đáy xả. Hệ thống thu hồi bụi bao gồm cyclone hiệu suất cao và van xả quay ngăn thất thoát áp suất. Toàn bộ bề mặt trong tiếp xúc trực tiếp với sữa được gia công bằng thép không gỉ SUS 304 đạt chuẩn vệ sinh thực phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống sấy phun dịch sữa năng suất 3m3 24h

Hệ thống sấy phun dịch sữa năng suất ba mét khối trên hai mươi bốn giờ mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật vượt trội. Bản thiết kế hoàn chỉnh đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt trong công nghệ chế biến thực phẩm. Sữa bột thành phẩm đạt chỉ tiêu cảm quan cao với hạt bột mịn, màu vàng kem sáng và độ tan hoàn hảo. Độ ẩm sản phẩm cuối cùng duy trì ổn định dưới mức bốn phần trăm giúp ức chế triệt để vi sinh vật phát triển. Thời hạn bảo quản của sữa bột kéo dài từ một đến hai năm ở điều kiện nhiệt độ phòng thông thường. Thiết bị có khả năng mở rộng ứng dụng sấy khô cho nhiều dịch thể thực phẩm khác như sữa chua, sữa đậu nành, nước ép trái cây và maltodextrin. Việc đầu tư chế tạo hệ thống sấy phun quy mô này giúp các đơn vị sản xuất chủ động công nghệ, giảm phụ thuộc vào nguồn sữa bột nhập khẩu và nâng cao giá trị chuỗi cung ứng sữa nội địa.

4.1. Đánh giá chất lượng bột sữa thành phẩm

Bột sữa sau khi sấy phun có độ ẩm dao động từ ba đến bốn phần trăm và hoạt độ nước rất thấp. Cấu trúc bột xốp mịn, tơi xốp và không vón cục khi bảo quản trong bao bì kín nhôm. Khả năng phân tán và hòa tan trong nước đạt trên chín mươi chín phần trăm mà không để lại cặn lắng. Hàm lượng chất béo tự do trên bề mặt hạt được khống chế ở mức tối thiểu để chống oxy hóa gây ôi dầu. Giá trị dinh dưỡng gồm canxi, khoáng vi lượng và protein trong sữa được giữ lại gần như nguyên vẹn.

4.2. Khả năng nhân rộng và hiệu quả kinh tế

Hệ thống sấy phun ba mét khối mỗi ngày đêm có mức vốn đầu tư ban đầu hợp lý cho doanh nghiệp chế biến vừa và nhỏ. Thiết kế module hóa cho phép lắp đặt nhanh chóng và dễ dàng bảo trì định kỳ. Thiết bị có thể linh hoạt chuyển đổi công năng để sấy các chế phẩm sinh học hoặc dịch chiết dược liệu khi cần. Mức tiêu hao năng lượng được tối ưu hóa nhờ lớp bảo ôn hiệu quả và cyclone thu hồi nhiệt. Việc ứng dụng hệ thống này giúp doanh nghiệp nội địa gia tăng năng lực cạnh tranh và giảm chi phí sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Sấy là một quá trình tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch là một quá trình kỹ thuật rất phổ biến và quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành hóa chất và công nghiệp. Với mục đích bảo quản tốt vật liệu hoặc giảm năng lượng tiêu tốn trong quá trình vận chuyển vật liệu hoặc đảm bảo các thông số kỹ thuật cho quá trình gia công vật liệu tiếp theo. Đối với vật liệu lỏng, sấy phun là một phương pháp hiện đại được sử dụng rộng rãi để tạo ra sản phẩm dạng bột. Hiện nay, sấy phun được sử dụng rộng rã để tạo ra các sản phẩm ở dạng bột như: trà hòa tan, cà phê hòa tan,… và đặc biệt là sữa bột, một loại thực phẩm rất phổ biến và được tiêu thụ rộng rãi không chỉ là sản phẩm tiêu dùng mà là nguyên liệu của các quá trình sản xuất các sản phẩm khác.

Do đó, đồ án này sẽ tính toán, thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa với năng suất 3m3/24 giờ để nâng cao hiệu suất và năng suất thu hồi sữa bột. Mục tiêu đồ án Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống sấy phun dịch sữa với năng suất 3m 3/24h. Góp phần hoàn thiện hệ thống sấy phun tiến tới sản xuất máy với công nghệ và trang thiết bị trong nước nhằm hạ giá thành máy so với nhập từ nước ngoài. Nội dung đồ án - Tổng quan về sấy phun.

- Tổng quan về sữa. - Tính cân bằng vật chất và năng lượng. - Tính toán hệ thống thiết bị. - Thiết kế hệ thống 4.

Giới hạn nghiên cứu đồ án - Thiết kế hệ thống sấy phun. - Nguyên liệu: dịch sữa - Năng suất 3m3/24h - Thiết kế hệ thống. Ý nghĩa khoa học 3 - Làm cơ sở trong việc tính toán hệ thống, thiết bị sấy phun sữa. Ý nghĩa thực tiễn - Ứng dụng trong ngành thực phẩm để sản xuất sữa bột cũng như các loại sản phẩm bột khác.1 Các khái niệm cơ bản của quá trình sấy Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để tách nước ra khỏi mẫu nguyên liệu.

Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi nguyên liệu theo nguyên tắc bốc hơi (evaporation) hoặc thăng hoa (sublimation). Trong quá trình sấy mẫu nguyên liệu thường ở dạng rắn, tuy nhiên mẫu nguyên liệu cần sấy cũng có thể ở dạng lỏng hoặc huyền phù. Sản phẩm thu được sau quá trình sấy luôn ở dạng rắn hoặc bột.1 Vật liệu ẩm Những vật đem đi sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể (chủ yếu là nước). Trong quá trình sấy ẩm chất lỏng trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm.

Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó. Độ ẩm của vật có thể biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm [3].  Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối là tỉ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Độ ẩm tuyệt đối được ký hiệu.

Ta có: (a) khối lượng ẩm chứa trong vật liệu (kg) khối lượng độ khô tuyệt đối (kg) 4 Độ ẩm tuyệt đối có giá trị từ 0% đến. Vật có độ ẩm tuyệt đối 0% là vật khô tuyệt đối và vật có độ ẩm là vật chứa toàn bộ nước [3].  Độ ẩm toàn phần Độ ẩm toàn phần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật ẩm, kí hiệu độ ẩm toàn phần là ta có: (b) Khối lượng vật ẩm , (kg) Độ ẩm toàn phần có giá trị từ 0 đến 100%. Vật có độ ẩm toàn phần là 0% là vật khô tuyệt đối và 100% là vật toàn nước.

Như vậy độ ẩm toàn phần luôn luôn nhỏ hơn 100% [3]. Từ (a) và (b) Ta có quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần ta có  Độ chứa ẩm Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Độ chứa ẩm kí hiệu là là u. Ta có: u= [kg ẩm/kg vật khô] (c) Độ chứa ẩm đặc trưng cho toàn bộ vật và từng vật vùng của vật thể.

Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì [3].  Nồng độ ẩm 5 Nồng độ ẩm là khối lượng ẩm chứa trong 1m 3 vật thể. Nồng độ ẩm kí hiệu N.2 Tác nhân sấy Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy.

Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt đến sự cân bằng giữa vật sấy và môi trường trong buồng sấy và quá trình thoát ẩm từ vật sấy sẽ ngừng lại, lúc này phần áp suất hơi nước thoát ra từ vật bằng với phần áp suất của hơi nước trong buồng sấy. Do vậy cùng với việc cung cấp nhiệt cho vật để hóa hơi ẩm lỏng đồng thời phải tải ẩm thoát ra khỏi vật trong buồng sấy. Người ta sử dụng tác nhân sấy làm nhiệm vụ này. Tác nhân sấy thường là các chất khí như: không khí, khói, hơi quá nhiệt.

Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số muối nóng chảy [3],… 1.3 Động lực quá trình sấy Tất cả các vật liệu sấy đều có khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh hoặc nhã ẩm ra môi trường xung quanh. Sự chuyển động của hơi nước theo chiều nào phụ thuộc vào trạng thái của môi trường xung quanh và tính chất của vật liệu.[2] Môi trường xung quanh vật liệu có thể là hơi nước hoặc hỗn hợp hơi nước – không khí. Nếu kí hiệu p A là áp suất riêng phần của hơi nước và P A là áp suất hơi của nước trên bề mặt vật liệu thì điều kiện để nước từ vật liệu bay hơi vào môi trường chung quanh là PA> p A[2]. 6 Áp suất hơi của nước trên bề mặt vật liệu PA phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu, nhiệt độ và dạng liên kết ẩm với vật liệu.

Khi nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu tăng thì PA tăng, lực liên kết ẩm với vật liệu càng lớn thì P A càng giảm.[2] Trạng thái ẩm vật liệu ứng với điều kiện P A = p A gọi là trạng thái cân bằng, quá trình bay hơi ngừng lại, độ ẩm vật liệu tại điều kiện này gọi là độ ẩm cân bằng. Khi PA = pA = Pbh (áp suất hơi bão hòa) được gọi là điểm hút nước. Lượng ẩm ứng với vật liệu có độ ẩm lớn hơn độ ẩm hút nước gọi là ẩm không liên kết và ngược lại là ẩm liên kết. Quá trình sấy thường chỉ bốc hơi lượng ẩm không liên kết và một phần lượng ẩm liên kết.

Lượng ẩm bốc hơi được gọi chung là lượng ẩm tự do. Quá trình ẩm bay hơi từ vật liệu có 2 giai đoạn[2]: - Ẩm trên bề mặt vật liệu bay hơi vào môi trường chung quanh, tốc độ của quá trình phụ thuộc vào áp suất PA, p A, nhiệt độ và tốc độ chuyển động của môi trường. - Khi độ ẩm trên bề mặt vật liệu nhỏ hơn độ ẩm bên trong vật liệu, nước sẽ khuếch tán từ bên trong ra bề mặt vật liệu nhờ chênh lệch độ ẩm. Khi nhiệt độ trong vật liệu khác nhau thì nước sẽ di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.[2] Tốc độ của hai giai đoạn này thường không bằng nhau và ảnh hưởng đến tốc độ sấy.4 Động học quá trình sấy Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi của các các thông số đặc trưng của vật sấy trong quá trình sấy.

Nghiên cứu động học quá trình sấy các thông số này thường lấy giá trị trung bình. Các thông số được nghiên cứu thường là độ chứa ẩm u, độ ẩm w, nhiệt độ vật sấy tv, tốc độ sấy (hay ). Trong quá trình sấy các thông số này thay đổi theo thời gian sấy. Các quy luật nghiên cứu được ở động lực quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình sấy, từ đó xác định thời gian sấy cũng như các chế độ sấy phù hợp nhất đối với các loại sản phẩm khác nhau [3].

7 Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ tại mỗi phần của vật phụ thuộc vào cường độ và quan hệ của các quá trình trao đổi nhiệt, chất trong lòng vật và trên bề mặt vật dưới tác dụng của môi trường xung quanh vật sấy. Trao đổi nhiệt và chất bên trong vật là quá trình rất phức tạp bị ảnh hưởng của dạng liên kết ẩm trong vật thể [3]. Các quy luật cơ bản của quá trình sấy  Đường cong sấy Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật sấy theo thời gian sấy gọi là đường cong sấy: u = f( ). Dạng đường cong sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dạng liên kết giữa nước và vật sấy, hình dáng, kích thước và đặc tính của vật sấy, phương pháp và chế độ sấy[5].

Ba giai đoạn của quá trình sấy được biểu diễn ở hình bên dưới Hình 1: Đường cong sấy - Giai đoạn 1: đun nóng vật liệu sấy và làm bay hơi nước bề mặt, giai đoạn này dường cong sấy ở dạng phi tuyến (Bài giảng). - Giai đoạn 2: quá trình bay hơi nước do quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại xảy ra đồng thời, giai đoạn này là sấy đẳng tốc, đường cong sấy ở dạng tuyến tính (Bài giảng). - Giai đoạn 3: quá trình bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt tới độ ẩm cân bằng, quá trình này đường cong sấy ở dạng phi tuyến rất phức tạp (Bài giảng). 8  Đường cong tốc độ sấy Đường cong tốc độ sấy biểu thị quan hệ giữa tốc độ sấy và thời gian sấy hoặc f( ).

Tốc độ sấy tại mỗi thời điểm được biểu thị bằng độ dốc của đường cong u = f( ) tại thời điểm đó. Trong quá trình sấy độ ẩm của vật giảm dần nên chiều diễn biến của đường cong tốc độ sấy là từ phải sang trái [3]. Hình 2: Đường cong tốc độ sấy 1.