Tìm hiểu về một quy trình công nghệ sấy

LỜI NÓI ĐẦU Từ lâu, con người đã biết sấy khô vật liệu ẩm bằng nhiều cách khác nhau. Ngày nay, kỹ thuật sản xuất phát triển và vai trò của ngành sấy càng trở nên quan trọng trong việc sấy khô để đảm bảo thực phẩm. Nên nó được ứng dụng rông rãi trong công nghiệp và đời sống. Trong quy trình công nghệ sản xuất của nhiều nhà máy đều phải có công đoạn sấy khô để bảo đảm dài ngày. Công nghệ này ngày càng phát triển trong ngành hải sản, rau quả và các ngành thực phẩm khác. Các sản phẩm thực phẩm dạng hạt như đường, cà phê …. Đường là loại thực phẩm có ý nghĩa rất quan trọng đối với dinh dưỡng của cơ thể con người. Nó là hợp phần chính không thể thiếu trong thức ăn hàng ngày của chúng ta. Đường còn là nguyên liệu quan trọng của nhiều ngành công nghệ khác như: đồ hộp, bánh kẹo,…. Vì vậy cần phải sấy khô và bảo quản lâu dài. Nhưng các nhu cầu sấy đường ngày còn rất đa dạng có nhiều phương thức sấy và thiết bị sấy. Với mục đích tìm hiểu về một quy trình công nghệ sấy, tiểu luận này nêu lên nét đại cương về kỹ thuật và trình bày tính toán cơ bản thiết bị sấy đường. I. Đại cương về kỹ thuật sấy: Trong sản xuất và đời sống có rất nhiều trường hợp nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn. Sau khi tách nước, nhiều sản phẩm có độ bền tăng, hoặc trở nên giòn, dễ nghiền vụn. Đối với sản phẩm là nông sản sau khi tách nước sẽ giảm chi phí vận chuyển, đảm bảo điều kiện bảo quản lâu dài và đạt độ nẩy mầm cao. Do vậy trong rất nhiều quy trình công nghệ sản trong kỹ thuật bảo quản cũng như để bảo đảm những yêu cầu về mặt chất lượng cần phải tách nước để sản phẩm đạt độ khô cần thiết. Người ta có thể tách nước ra khỏi nông sản theo nhiều phương pháp khác nhau: - Phương pháp cơ học: nén ép, ly tâm, gạn,… - Phương pháp nhiệt hay còn gọi là sấy: đây là quá trình giải phóng nước ra khỏi vật rắn bằng cách cung cấp nhiệt cho nước bay hơi khỏi mặt thoáng hay trong lòng sản phẩm. Phương pháp này được tiến hành theo hai biện pháp: + Sấy tự nhiên: phương pháp này được tiến hành ở ngoài trời bằng cách sấy vật liệu ẩm dưới ánh sáng mặt trời, năng lượng gió… Sấy tự nhiên chỉ dùng cho sản phẩm rẻ tiền không đòi hỏi khắt khe về kỹ thuật hoặc trong trường hợp riêng biệt cần thiết. + Ngày nay, khi khoa học đã đạt tới trình độ phát triển cao thì sấy đường nói riêng và sấy các vật phẩm khác nói chung, thì sấy nhân tạo đóng vai trò chủ yếu, vì nó có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu sản xuất một cách chủ động, khoa học và kinh tế. Nguyên tắc chung của sấy nhân tạo là phải cung cấp nhiệt để nước bay hơi khỏi nông sản và dùng tác nhân thích hợp để di chuyển lượng hơi ẩm đó ra khỏi môi trường xung quanh. Vì thế mà người ta căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt chia ra các phương pháp sấy nhân tạo sau: Phương pháp sấy đối lưu. Phương pháp sấy bức xạ. Phương pháp sấy tiếp xúc. Phương pháp sấy thăng hoa. Phương pháp sấy bằng điện trường cao tần. Trong các phương pháp nhân tạo kể trên thì phương pháp sấy đối lưu, bức xạ và tiếp xúc được dùng rộng rãi hơn cả, nhất là phương pháp sấy đối lưu. Mỗi phương pháp sấy kể trên được thực hiện trong nhiều kiểu thiết bị khác nhau. Ví dụ như sấy đối lưu được thực hiện trong nhiều thiết bị sấy như: thiết bị sấy buồng, sấy hầm, sấy băng tải, sấy thùng quay… Phương pháp sấy bức xạ có thể thực hiện trong thiết bị sấy bức xạ đèn hồng ngoại, thiết bị sấy bức xạ dùng nhiên liệu khí, dùng dây điện trở. Phương pháp sấy có thể thực hiện trong thiết bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng, thiết bị sấy tiếp xúc kiểu tang quay, tủ sấy chân không, máy sấy chân không có cánh khuấy, máy sấy hai trục lăn và một số thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng. Công nghệ sấy nông sản là một quá trình công nghệ phức tạp, có thể sấy trong các thiết bị sấy khô khác nhau.Tuy nhiên, ứng với mỗi loại nông sản mà người ta chọn thiết bị sấy và chế độ sấy thích hợp, nhằm đạt được năng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt, tiết kiệm được nhiên liệu. * Cơ sở chọn thiết bị: Như ta đã biết, mỗi loại vật liệu sấy sẽ thích hợp với mỗi số phương pháp sấy và một số kiểu thiết bị sấy nhất định, đồng thời đối với một số vật liệu nó còn ảnh hưởng đến chế độ sấy thích hợp, như sấy gỗ cần phải sấy ở chế độ sấy có tuần hoàn khí thải… Chính vì vậy mà việc chọn thiết bị sấy tiến hành hai giai đoạn: Chọn sơ độ phương pháp sấy và chế độ sấy thích hợp ở một thiết bị sấy có thể dùng cho vật liệu đó. Trên cơ sở một số thiết bị đã chọn, tính toán kinh tế kỹ thuật để chọn kiểu thiết bị thích hợp nhất. * Chọn chế độ sấy: Căn cứ vào mỗi yêu cầu nhiệt độ, độ ẩm của vật liệu sấy có thể chịu được mà chúng ta chọn chế độ sấy thích hợp. Trong sấy đường đòi hỏi nhiệt độ sấy không cao, độ ẩm tương đối bé. Vì vậy ta có thể chọn chế độ sấy thông thường. * Chọn nguyên tắc chuyển động của tác nhân sấy và nhiệt độ sấy: Có 2 nguyên tắc làm việc: Phương pháp xuôi chiều: khi vật liệu ở trạng thái ẩm chịu được sấy với nhiệt độ cao tốt hơn ở trạng thái khô. Khi nhiệt độ cao vật liệu bị hỏng. Khi độ hút ẩm của vật liệu nhỏ. Phương pháp sấy ngược chiều: khi vật liệu có độ ẩm lớn nhưng không được bốc hơi nhanh, khi vật liệu chịu được nhiệt độ cao hoặc khi nhiệt độ hút ẩm và độ hút ẩm của vật liêu lớn. * Chọn tác nhân sấy: Khi sấy bằng phương pháp đối lưu, tác nhân sấy vừa là chất mang nhiệt độ đốt nóng vật liệu sấy, vừa làm nhiệm vụ tải ẩm ra môi trường. Tác nhân sấy thường dùng là khói lò và không khí. Nhưng ở đây, đường là sản phẩm thực phẩm nên việc đòi hỏi sản phẩm phải hợp vệ sinh là yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn tác nhân sấy. Vì vậy ta chọn tác nhân sấy là không khí nóng. II. Tính toán cho thiết bị sấy: 1. Thông số đầu vào và đầu ra của quá trình sấy: Các thông số ban đầu: Năng suất: Gk =12000kg/h. Độ ẩm ban đầu của đường: W1 = 1.5% Độ ẩm cuối của đường: W2 = 0.05% Nhiệt độ đường vào máy sấy: tv1 = 40oC. Nhiệt độ đường ra khỏi máy sấy: tv2 = 80oC. Nhịêt độ của tác nhân sấy vào máy sấy: t1 = 100oC. Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi máy sấy: t2 = 40oC. Lượng vật liệu ẩm vào thùng sấy: G1 = Gk= 12182.741 kg/h. Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy: G2 = Gk = 12006.003 kg/h. Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy: W = G1 = 176.738 kg/h. 2. Tính các kích thước cơ bản của thùng sấy: Tính thể tích của thùng sấy: Thể tích của thùng sấy có thể được xác định theo những phương pháp sau: + Phương pháp xác định thể tích thùng sấy theo độ điền đầy, khối lượng của vật liệu sấy đi vào thùng sấy và thời gian sấy: Vt = (m3) Trong đó: Gt: là lượng vật liệu vào thùng sấy, kg/h. : là thời gian sấy,giờ. : là độ điền đầy của vật liệu sấy trong vật liệu sấy.  : là mật độ của khối hạt trong thùng sấy, kg/m3. + Theo Mykhaiev đề nghị, tính thể tích của thùng sấy qua nhiệt lượng, hệ số trao đổi nhiệt thể tích và độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với vật liệu sấy dưới dạng: Vt = 1,2. (m3) Trong đó: Q: là lượng nhiệt truyền từ tác nhân sấy cho vật liệu sấy, kJ/m3.độ. Lượng nhiệt này phụ thuộc vào cấu trúc cánh của thùng sấy. αv: là hệ số trao đổi thể tích. Δt: là chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và nhiệt độ sấy. + Thông thường, để đơn giản người ta xác định thể tích thùng sấy theo cường độ bốc hơi ẩm và lượng ẩm bốc hơi trong một giờ được xác định theo kinh nghiệm: Vt = (m3) Trong đó: W: là lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ, kg/h. A: là cường độ bốc hơi ẩm, kg/m3. h. Cường độ bốc hơi ẩm phụ thuộc vào kiểu thùng sấy, mức độ điền đầy của vật liệu, số vòng quay của thùng, kích thước độ ẩm của hạt… Cường độ bốc hơi ẩm của đường nằm trong khoảng: A=8 ÷ 9 kg/m3.h Chọn A = 9 kg/m3.h Vậy thể tích thùng sấy được tính: Vt = = = 19,638 m3 Tính đường kính thùng sấy: Đường kính thùng sấy được xác định theo công thức: Vt = (m3) Suy ra: Lt = (m) Trong đó: Lt: chiều dài của thùng sấy, m. Dt: đường kính của thùng sấy, m. Vt: thể tích của thùng sấy, m3. Mặt khác, theo quan điểm đặc trưng hình học của thiết bị sấy thùng quay, người ta thường lấy tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng sấy là: = ( 3,5 ÷ 7 ) Chọn = 4,5. Thay vào ta được đường kính thùng sấy: Dt = = 1,772 m. Tính chiều dài của thùng sấy: Ta có: = 4,5. Suy ra: Lt = 4,5.Dt = 4,5 . 1,772 = 7,974 m. Theo quy chuẩn, ta chọn: đường kính của thùng sấy: Dt = 1,8 m. chiều dài của thùng sấy: Lt= 8 m. Tính toán thời gian sấy: Thời gian sấy được tính từ công thức: n = , vòng/phút. Suy ra: , phút. Trong đó: n - số vòng quay của thùng sấy, vòng/phút. m - hệ số phụ thuộc vào dạng bố trí trong thùng. k - hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của tác nhân sấy với vật liệu sấy. α - góc nghiên của thùng sấy. Chon: n = 6 vòng/phút. α = 2,5o. m và k tra trong bảng tài liệu: m = 0,5. k = 1,2. Thay số ta có thời gian sấy: = 10,180 phút. Tính nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy: Nhiệt độ cho phép sấy của đường có thể tính theo công thức thực nghiệm: th= 20 – 10lg + , oC Trong đó: th: nhiệt độ cho phép của hạt, oC τ: thời gian sấy, phút. C: nhiệt dung riêng của đường khô, kcal/kg. độ. với: C=0,3019kcal/kg. độ. Wtb: độ ẩm trung bình của vật liệu ra và máy sấy, %. Độ ẩm được tính: wtb = 0,5.(1,5 + 0,05) = 0.775% Vậy: th = 20 - 10.lg10,180 + = 86,393 oC. KẾT LUẬN Với nhiệm vụ tính toán thiết bị thùng quay với năng suất 12000kg/h, Ta tính được: Dùng nhiên liệu là hơi nước bão hoà và tác nhân sấy là không khí. - thể tích thùng sấy được tính: 20 m3 - đường kính thùng sấy: 1,8 m. - chiều dài của thùng sấy: 8 m. - thời gian sấy: 10,180 phút. - nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy 86,393 oC. Với thời gian hạn hẹp, tiểu luận này chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu và tính toán cơ bản cho thiết bị thùng sấy.