Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án sấy phun bột dinh dưỡng trẻ em cung cấp kiến thức lý thuyết về bột dinh dưỡng cũng như thiết kế hệ thống sấy phun ở quy mô công nghiệp.... Môn học này hổ trợ cho sinh viên ở lĩnh vực kỹ thuật hóa học, công nghệ thức phẩm
BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY PHUN BỘT DINH DƯỠNG TRẺ EM GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN: TS Ngô Trương Ngọc Mai Nguyễn Dương Tuấn Anh B1407570 Ngành: Kỹ thuật hóa học-K40 Tháng 3/2018 MỤC LỤC PHẦN I TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU .1 I.1 NGUYÊN LIỆU .1 I.1.1 Khoai tây I.1.2 Lúa – bột gạo I.1.3 Lúa mì – bột mì I.1.4 Trứng bột trứng I.1.4 Sữa bột sữa I.2 THÀNH PHẦN BỘT DINH DƯỠNG I.2.1 Nhóm chất dinh dưỡng đa lượng cung cấp lượng: I.2.2 Nhóm chất dinh dưỡng vi lượng: .4 I.2.3 Nhóm dinh dưỡng đa lượng không cung cấp lượng: I.3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT BỘT DINH DƯỠNG I.3.1 Thuyết minh quy trình PHẦN II TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SẤY VÀ SẤY PHUN 10 II.1 SẤY VÀ SẤY PHUN 10 II.2 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP SẤY PHUN 10 I.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động máy sấy phun .11 II.2.2 Phân loại thiết bị sấy phun 14 II.2.3 Ưu nhược điểm công nghệ sấy phun 14 PHẦN III TÍNH TOÁN 15 III.1 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT .15 III.2 TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH 16 III.3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG .20 III.3.1 Tổn thất nhiệt tháp sấy 20 III.3.2 Cân nhiệt lượng trình sấy 24 III.3.3 Quá trình sấy thực 24 IV TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 Trang i DANH MỤC BẢNG Bảng I-1 Thành phần dinh dưỡng khoai tây Bảng I-2 Thành phần dinh dưỡng lúa gạo .2 Bảng I-3 Thành phần dinh dưỡng số loại lúa mì Bảng I-4 Thành phần dinh dưỡng số loại trứng gia cầm Bảng I-5 Thành phần dinh dưỡng sữa số động vật người DANH MỤC HÌNH Hình II-1 Hình dạng máy sấy phun .11 Hình II-2 Cơ cấu phun áp lực (trái) cấu phun khí động (phải) 11 Hình II-3 Buồng sấy 12 Hình II-4 Sơ đồ hệ thống sấy phun 13 Hình II-5 Phân loại thiết bị theo chiều tác nhân sấy .14 Trang ii GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị PHẦN I TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU I.1 NGUYÊN LIỆU Bột dinh dưỡng sản phẩm hỗn hợp giàu dinh dưỡng dạng bột có thành phần protein, lipid, glucid với tỉ lệ cân đối Đồng thời bổ sung vi dinh dưỡng, khoáng phù hợp với loại sản phẩm cho đối tượng sử dụng Bột dinh dưỡng chủ yếu phục vụ cho đối tượng cần bổ sung nguồn dinh dưỡng cân đối đối tượng có khả tiêu hóa thực phẩm trẻ em, phụ nữ mang thai cho bú, người già, bệnh nhân giai đoạn phục hồi, thiếu niên… Bột dinh dưỡng chủ yếu sản xuất từ nguồn thực vật động vật I.1.1 Khoai tây Củ khoai tây có chứa hàm lượng tinh bột cao, lương thực người Thành phần hóa học củ khoai tây cho bảng sau: (%) Bảng I-1 Thành phần dinh dưỡng khoai tây STT Thành phần Hàm lượng(%) Nước 75 Chất béo 0.2 Tro 0.9 Cellulose 1.1 Hợp chất nitơ 2.1 Các chất khác 2.2 Hàm lượng tinh bột Từ 20% đến 30% I.1.2 Lúa – bột gạo Lúa gạo nguồn lương thực trồng nhiều Đơng Nam Á Thành phần hạt lúa nói chung bao gồm glucid, protein, cellulose, lipid, vitamin, khống vơ cơ, enzyme nước Sự phân bố chất dinh dưỡng thành phần hạt gạo không giống biểu diễn bảng sau Các thành phần hóa học thay đổi tùy theo giống, chế độ canh tác trồng trọt Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị Bảng I-2 Thành phần dinh dưỡng lúa gạo Thóc Gạo lật Gạo xát Cám Trấu 64 – 73 73 – 87 77 – 89 34 – 62 22 – 34 Cellulose (g) 7.2 – 10.4 0.6 – 1.0 0.2 – 0.5 – 11.4 34.5 – 45.9 Protid (g) 5.8 – 7.7 7.1 – 8.3 6.3 – 7.1 11.3 – 14.9 2.0 – 2.8 Lipid (g) 1.5 – 2.3 1.6 – 2.8 0.3 – 0.5 15.0 – 19.7 0.3 – 0.8 Tro (g) 2.9 – 5.2 1.0 – 1.5 0.3 – 0.8 6.6 – 9.9 13.2 – 21.0 Ca (mg) 10 – 80 10 – 50 10 – 30 30 – 120 60 – 130 1.1 – 2.5 0.03 – 0.07 Thành phần Glucid (g) P (g) 0.17 – 3.1 0.17 – 0.43 0.08 – 0.15 Fe (mg) 1.4 – 6.0 0.2 – 5.2 0.2 – 2.8 8.6 – 43.0 3.9 – 9.5 Zn (mg) 1.7 – 3.1 0.6 – 2.8 0.6 – 2.3 4.3 – 25.8 0.9 – 4.0 0.02 – 0.2 0.9 – 2.2 0.18 – 0.21 0.13 – 0.27 Phytin P (g) I.1.3 Lúa mì – bột mì Lúa mì hạt ngũ cốc có giá trị sử dụng cao đời sống người Từ lúa mì, làm sản phẩm khác bột mì tinh bột mì…Trong đó, bột mì sản phẩm có giá trị lúa mì Bột mì có lượng protein cao đầy đủ acid amin không thay Khơng có độ calo cao mà dễ tiêu hóa Bảng I-3 Thành phần dinh dưỡng số loại lúa mì Protein Lipid Glucid Cellulose Độ tro Thượng hạn 10.8 0.9 73.6 0.2 0.5 Loại 11.0 1.1 72.9 0.3 0.7 Loại 11.5 1.4 71.3 0.8 1.0 Loại 11.8 1.5 69.6 1.6 1.5 Loại bột I.1.4 Trứng bột trứng Trứng loại thực phẩm có nhiều chất béo, nhiều đạm, đồng thời giàu vitamin khống vi lượng Đây ăn tốt cho trẻ em tuổi lớn, bệnh nhân phục hồi sức khỏe Thành phần dinh dưỡng trứng phụ thuộc vào thức ăn, giống, môi trường sống trạng thái sức khỏe thời gian khai thác gia cầm Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị Bảng I-4 Thành phần dinh dưỡng số loại trứng gia cầm Nước Protein Lipid Glucid Khoáng Calo/100g Gà 74 12.8 11.5 0.7 171 Vịt 70 13 14.2 1.8 189 Ngỗng 70.4 13.9 13.3 1.3 1.1 189 Gà tây 70.4 11.3 11.8 1.7 0.8 189 Trứng I.1.4 Sữa bột sữa Sữa dung dịch sinh học, tạo thành từ tuyến sữa động vật có vú Sữa chứa đầy đủ chất dinh dưỡng, enzyme, hoormon, khoáng (đặc biệt Ca P), vitamin cần thiết cho phát triển thể, đặc biệt thể non Thành phần dinh dưỡng sữa thay đổi theo giống gia súc, tuổi, mùa vụ, chế độ dinh dưỡng, kỹ thuật vắt Bảng I-5 Thành phần dinh dưỡng sữa số động vật người Protein tổng Casein Chất béo Carbohydrate khoáng Bò 3.4 2.8 3.9 4.8 0.8 Dê 3.6 2.7 4.1 4.7 0.8 Cừu 5.8 4.9 7.9 4.5 0.8 Ngựa 2.2 1.3 1.7 6.2 0.5 Người 1.2 0.5 3.8 7.0 0.2 Động vật I.2 THÀNH PHẦN BỘT DINH DƯỠNG Bột dinh dưỡng sản xuất từ nguyên liệu cung cấp đầy đủ thành phần sau: I.2.1 Nhóm chất dinh dưỡng đa lượng cung cấp lượng: Gồm chất đường bột, chất béo, chất đạm Chất đường bột chất cung cấp lượng cho hoạt động tế bào thể, hoạt động thể lực bắp hoạt động trí tuệ tế bào não Mỗi gam chất đường bột cung cấp kcalo Mỗi người cần 60% chất đường bột cho nhu cầu lượng hàng ngày Chất đường bột chia thành hai loại đường phức tạp đường đơn giản Đường phức tạp: loại đường có từ phân tử đường đơn giản, bao gồm tinh bột, glycogen, chất xơ Chất xơ dạng polysaccharide khơng tiêu hóa, khơng hấp thu vào máu, khơng cung cấp lượng nên xếp vào nhóm thực phẩm đa lượng không cung cấp lượng Đường đơn giản: bao gồm loại monosaccharide glucose, fructose, galactose loại disaccharides maltose, sucrose, lactose Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị Chất béo: nguồn cung cấp lượng quan trọng, giúp thể hấp thu chuyển hoá vitamin tan chất béo Là nguyên liệu hình thành tế bào tế bào thần kinh, nguyên liệu tạo hormone steroide hormone sinh dục, Mỗi gam chất béo cung cấp kcalo Trẻ nhỏ nhu cầu chất béo cao Trẻ nhỏ cần 50% lượng phần Trẻ lứa tuổi nhà trẻ-mẫu giáo cần 20-30% lượng phần Người lớn tuỳ thể trạng, trung bình 15-25% lượng phần Người cao tuổi cần 12-15% lượng phần Có thành phần chất béo Triglyceride, phosphorlipid sterol Triglyceride thành phần mở dầu Mỗi phân tử triglyceride tạo thành glycerol acid béo Acid béo xem cấu trúc chất béo Có nhiều cách phân loại acide béo Theo số lượng cacbon chuỗi: acid béo chuỗi dài (12-24 cacbon), chuỗi trung bình (6-11 cacbon) chuỗi ngắn ( 0,7% bánh nướng có vị chua Bước 3: nhào trộn: phối trộn thành phần chuẩn bị bước để hình thành khối bột nhào Mục đích bột nhào để bột nhào có tính lưu biến thích hợp Trình tự phối trộn nguyên liệu ảnh hưởng lớn đến tính chất lưu biến bột nhào bột dinh dưỡng thành phẩm Tùy loại sản phẩm mà trình tự phối trộn khác nhằm đạt khối bột nhào có tính chất lưu biến mong muốn Trình tự khơng cố định mà biến đổi tùy theo chất lượng bột nhào Tạo hình Mục đích: chia nhỏ khối lượng bột thành miếng nhỏ có kích thước tương đối đồng cho trình nướng Trong trình tạo hình củ yếu tác dụng lý lên nguyên liệu biến đổi q trình tạo hình thường khơng nhiều, chủ yếu biến đổi vật lý Cấu trúc tính chất lý sản phẩm thay đổi Nướng Mục đích: chế biến bảo quản sản phẩm q trình nướng tạo cho bánh có màu sắc, mùi vị, cấu trúc đặc trưng, giảm độ ẩm giúp tiêu diệt vi sinh vật, giúp cho bột ngũ cốc có mùi vị đặc trưng bảo quản lâu Chế độ nướng bánh đặc trưng thơng số: • Độ ẩm tương đối hỗn hợp khơng khí buồng nướng • Nhiệt độ vùng vùng nướng • Thời gian nướng Nghiền Bản chất trình nghiền làm giảm kích thước vật liệu, thông thường vật liệu rời tác dụng lực học Trong q trình nghiền, có loại lực tác dụng lên vật liệu: lực nén, lực va đập lực ma sát Tuy nhiên tùy q trình có loại lực chiếm ưu Trong q trình nghiền thơ vật liệu cứng lực nén chiếm ưu Lực ma sát thường chiếm ưu trình nghiền loại vật liệu mềm Lực va đập thường ứng dụng q trình nghiền thơ, nghiền trung gian nghiền tinh Đối với loại bột ngũ cốc trình nghiền trình quan trọng để chuyển vật liệu từ kích thước lớn sang dạng bột có kích thước nhỏ Bánh sau nướng thường nghiền kích thước khoảng 150μm Khuấy trộn Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị I.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động máy sấy phun Hình II-1 Hình dạng máy sấy phun Cấu tạo chung Tất thiết bị sấy phun bao gồm: Cơ cấu phun: Có chức đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng dạng hạt mịn (sương mù) Q trình tạo sương mù định kích thước giọt lỏng phân bố chúng buồng sấy, ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt tốc độ sấy Cơ cấu phun có dạng như: cấu phun áp lực, cấu phun khí động, đầu phun ly tâm Hình II-2 Cơ cấu phun áp lực (trái) cấu phun khí động (phải) Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 11 GVHD: TS Ngơ Trương Ngọc Mai Đồ án q trình & thiết bị Buồng sấy: Là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) tác nhân sấy (khơng khí nóng) Buồng sấy phun có nhiều hình dạng khác phổ biến buồng sấy hình trụ đứng, đáy Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…) thiết kế phụ thuộc vào kích thước hạt lỏng quỹ đạo chuyển động chúng, tức phụ thuộc vào loại cấu phun sương sử dụng Hình II-3 Buồng sấy Tác nhân sấy: Khơng khí nóng tác nhân sấy thông dụng Hơi tác nhân gia nhiệt phổ biến Nhiệt độ sử dụng thường dao động khoảng 150-250oC Nhiệt độ trung bình khơng khí nóng thu thấp nhiệt độ sử dụng 10 C Hệ thống thu hồi sản phẩm: Bột sau sấy phun thu hồi cửa đáy buồng sấy Để tách sản phẩm khỏi khí thốt, người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện… Phổ biến phương pháp lắng xoáy tâm, sử dụng cyclon Quạt: Để tăng lưu lượng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly tâm Ở quy mô công nghiệp, thiết bị sấy phun trang bị hệ thống hai quạt Quạt đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí Còn quạt phụ đặt trước thiết bị gia nhiệt khơng khí trước vào buồng sấy Ưu điểm việc sử dụng hệ thống hai quạt người ta kiểm sốt dễ dàng áp lực buồng sấy Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 12 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị Trong trường hợp sử dụng quạt ly tâm đặt sau cyclon thu hồi sản phẩm, buồng sấy hoạt động áp lực chân khơng cao Chính áp lực chân khơng ảnh hưởng đến lượng bột sản phẩm bị theo dòng khí thốt, ảnh hưởng đến suất hoạt động hiệu thu hồi bột sản phẩm cyclon Hình II-4 Sơ đồ hệ thống sấy phun Trong đó: Buồng sấy Cơ cấu phun mẫu Caloriphe Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí Thùng chứa ngun liệu cần sấy Cyclon vận chuyển sản phẩm Bơm nguyên liệu Hệ thống quạt hút màng lọc Nguyên tắc hoạt động Nguyên liệu từ thùng chứa (3) bơm số (4) bơm vào buồng sấy (1), vào buồng sấy phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cấu phun lít dung dịch phun thành 1,5*1010 giọt với tổng diện tích bề mặt lên đến 120m2 Khơng khí nóng thổi qua caloriphe (2) đưa vào buồng sấy Khơng khí nóng ngun liệu dạng mù tiếp xúc với vài giây cấu phun mẫu (5) đặt buồng sấy, nước từ nguyên liệu bốc sau ngồi, sản phẩm khơ thu gom đáy cyclon (6), làm nguội thu hồi Một phần bụi mịn theo khơng khí qua cyclon (7), sau qua lọc vải (8) nhằm thu hồi lại hạt bụi mịn sót lại thải ngồi Khơng khí nhờ quạt thổi qua trao đổi nhiệt caloriphe nâng lên nhiệt độ cần thiết theo yêu cầu chế độ sấy Không khí trước qua trao đổi nhiệt lọc thiết bị lọc Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 13 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị II.2.2 Phân loại thiết bị sấy phun Phân loại theo chiều tác nhân sấy: chiều (trái), ngược chiều (phải), kết hợp (giữa) Hình II-5 Phân loại thiết bị theo chiều tác nhân sấy Phân loại theo cấp độ sấy: sấy cấp sấy hai cấp II.2.3 Ưu nhược điểm cơng nghệ sấy phun Ưu điểm • • • • • • • • Quá trình sấy nhanh Có thể điều khiển tỷ trọng sản phẩm Bột sau sấy có độ hòa tan cao (90- 100%), độ ẩm thấp (3- 4%) Vận hành liên rục tự động hóa hồn tồn Chi phí nhân công thấp Vận hành bảo dưỡng đơn giản Thiết kế đa dạng cho loại sản phẩm, loại qui mô nhà máy Áp dụng cho sản phẩm bền nhiệt không bền nhiệt, nguyên liệu dạng dung dịch, gel, paste, hồ vữa, huyền phù… • Chất lượng bột bảo đảm suốt trình sấy • Vật liệu khơng tiếp xúc với bề mặt kim loại thiết bị Nhược điểm • Chi phí đầu tư cao • Yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để đảm bảo nguyên liệu bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng • Chi phí lượng cao (để tách ẩm) • Thất thoát chất dễ bay cao Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 14 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai PHẦN III Đồ án trình & thiết bị TÍNH TỐN III.1 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT Các Thông Số Ban Đầu Năng suất theo sản phẩm sấy: G2 =100 kg.h-1 Độ ẩm ban đầu vật liệu sấy: W1 =50% Độ ẩm vật liệu sau sấy: W2 =4% Gọi: G1: Năng suất nhập liệu, kg.h-1 Ga: Năng suất bốc ẩm, kg ẩm.h-1 Gk: Lượng khơng khí tiêu hao, kg kk.h-1 Cân Bằng Vật Chất Trong trình sấy hàm lượng chất khơ ngun liệu khơng thay đổi Ta có: 𝐺0 = 𝐺1 ∗ 100 − 𝑊1 100 − 𝑊2 = 𝐺2 𝑊1 𝑊2 Suy ra: 𝐺1 = 𝐺2 ∗ 100 − 𝑊2 100 − = 100 ∗ = 192 (𝑘𝑔 ℎ−1 ) 100 − 𝑊1 100 − 50 Lượng ẩm bốc trình sấy 𝐺𝑎 = 𝐺1 − 𝐺2 = 192 − 100 = 92 (𝑘𝑔 ẩ𝑚 ℎ−1 ) Lượng khơng khí cần cho q trình sấy Chọn khơng khí vào calorifer có nhiệt độ t0=27oC, φ0= 0.83 Khơng khí vào thiết bị sấy có nhiệt độ t1= 200oC, khoải thiết bị sấy có nhiệt độ t2= 100oC 𝑑0 = 0.622 ∗ = 0.622 ∗ 𝜑0 ∗ 𝑃0ℎ𝑏ℎ 𝑃 − 𝑃0 ∗ 𝜑0 0.83 ∗ 3584 = 0.03(𝑘𝑔 ẩ𝑚 𝑘𝑔 𝑘𝑘𝑘ℎô−1 ) 1.01 ∗ 105 − 3584 ∗ 0.83 Trong đó: 𝑃0ℎ𝑏ℎ = 1.01 ∗ 105 ∗ exp (12 − 4260.4 4260.4 ) = 1.01 ∗ 105 ∗ exp (12 − ) 235.5+𝑡0 235.5 + 27 = 3584 N.m-2 Enthanpi khơng khí vào thiết bị Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 15 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị 𝐻0 = 1.006𝑡0 + (2500 + 1.84 ∗ 𝑡0 ) ∗ 𝑑0 = 1.006 * 27 + (2500 + 1.84 * 27) * 0.03=103.65 kj.kg kkk-1 Khơng khí vào calorifer đốt nóng đến t1=200oC Ta có: d1=d0=0.03 kg ẩm.kg kkk-1 𝐻1 = 1.006𝑡1 + (2500 + 1.84 ∗ 𝑡1 ) ∗ 𝑑1 =1.006 * 200 + (2500 + 1.84 * 200) * 0.03=287.2 (kj.kg kkk-1) Do trình sấy theo lý thuyết độ biến thiên Enthanpi khơng khí khỏi thiết bị sấy (∆H = H2 - H1 = 0) Độ chứa hơi: 𝑑2 = 𝐻2 − 1.006 ∗ 𝑡2 287.2 − 1.006 ∗ 100 = = 0.07 (𝑘𝑔 ẩ𝑚 𝑘𝑔 𝑘𝑘𝑘 −1 ) 2500 + 1.84 ∗ 𝑡2 2500 + 1.84 ∗ 100 Lượng khơng khí tiêu hao riêng trình sấy: 𝑙= 1 = = 25 (𝑘𝑔 𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘 ẩ𝑚−1 ) 𝑑2 − 𝑑1 0.07 − 0.03 Lượng khơng khí tiêu hao q trình sấy Gk = l * Ga = 25 * 92 = 2300 kg kkk.h-1 Thể tích khơng khí vào khỏi thiết bị sấy 𝑉1 = 𝐺𝑘 2300 = = 3083 (𝑚3 ℎ−1 ) 𝜌1 0.746 𝑉2 = 𝐺𝑘 2300 = = 2431 (𝑚3 ℎ−1 ) 𝜌2 0.946 Trong đó: ρ1 ρ2 khống lượng riêng khơng khí nhiệt độ t1 t2 (Tra sổ tay nhiệt động kỹ thuật truyền nhiệt, trang 114, ta có ρ1 = 0.746 kg.m-3 ρ2 = 0.946 kg.m-3) Lưu lượng khơng khí khơ chuyển động tháp sấy phun 𝑉1 + 𝑉2 3083 + 2431 = = 2757 (𝑚3 𝑙 −1 ) 2 Lưu lượng khơng khí thực chuyển động tháp sấy bao gồm lượng khơng khí khơ lượng ẩm bốc từ vật liệu sấy: 𝑉= 𝑉𝑘 = 𝑉 + 𝐺𝑎 92 = 2757 + = 2839.1 (𝑚3 ℎ−1 ) 𝜌ℎ 1.121 III.2 TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH Các thơng số ban đầu Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 16 GVHD: TS Ngơ Trương Ngọc Mai Đồ án q trình & thiết bị Chọn cấu phun sương loại khí có đường kính lỗ phun dc = 5.10-4 m Góc phân tán tia φ = 50o Vận tốc chuyển động khơng khí tháp đại lượng khó sát định xác, giả thiết vận tốc đo ѡ = 0.5 m.s-1 Khối lượng riêng dung dịch huyền phù (bột dinh dưỡng) đưa vào trình sấy phun ρl = 1300 kg.m-3 Như tìm hiểu lý thuyết nguyên liệu, bột dinh dưỡng hỗn hợp loại thực phẩm, khơng tìm khối lượng riêng định, nên ước lượng cách tương đối xác định cách xác thực nghiệm Xác đinh đường kính trung bình vật liệu sấy Đường kính trung bình giọt vật liệu tính theo cơng thức: 𝑏 0.11 ∗ 𝑅𝑒 0.34 Trong đó: Re chuẩn số Reynolds, b hệ số phụ thuộc cấu tạo vòi phun sác định qua biểu thức 𝑑𝑡𝑏 = 𝜑 ∗ 10−4 50 √ √1 (1 ) (1 ) 𝑏= ∗ − − 𝑐𝑜𝑠 = ∗ − − 𝑐𝑜𝑠 𝜑 50 2 ∗ 𝑐𝑜𝑠 ∗ 𝑐𝑜𝑠 2 −4 = 1.91 ∗ 10 (𝑚) 𝑑𝑐 𝑅𝑒 = 𝑣 ∗ 𝜌𝑙 ∗ 𝑑𝑐 ∗ 𝐺1 ∗ 192 = = 𝜇 𝜋 ∗ 𝑑𝑐 ∗ 𝜇𝑙 ∗ 3600 3.14 ∗ ∗ 10−4 ∗ 35 ∗ 10−3 ∗ 3600 = 3882 (μl độ nhớt động học dung dich bột dinh dưỡng, xác định xác qua thực nghiệm, khơng có số liệu lý thuyết cụ thể, xem cách gần μl = 35* 10-3 Pa.s) Thay kết vào biểu thức ta 1.91 ∗ 10−4 𝑑𝑡𝑏 = = 1.05 ∗ 10−4 𝑚 0.11 ∗ 38820.34 Xác định đường kính thiết bị Bán kính tán phun xác định theo công thức 𝑅𝑝 𝜌𝑙 = 0.33 ∗ ∗ 𝑅𝑒 0.35 ∗ 𝐺𝑢−0.4 ∗ 𝐾 0.2 2𝑑𝑡𝑏 𝜌𝑘 Trong đó: ѡ ∗ 𝑑𝑡𝑏 0.5 ∗ 1.05 ∗ 10−4 𝑅𝑒 = = = 1.95 𝑣 26.9 ∗ 10−6 Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 17 GVHD: TS Ngơ Trương Ngọc Mai Đồ án q trình & thiết bị 𝑇1 + 𝑇2 200 + 273 + 100 + 273 − 𝑇0 ) ( − (27 + 273)) 2 𝐺𝑢 = = = 0.26 𝑇1 200 + 273 ( 𝐾0 = 𝑟 ∗ (𝐶1 − 𝐶2 ) 2500 ∗ (1400 − 28) = = 11.32 0.5 ∗ (𝑇1 + 𝑇2 ) ∗ 𝐶𝑡𝑏 0.5 ∗ (200 + 273 + 100 + 273) ∗ 714 Rp: bán kính tán phun (m) ѡ: vận tốc dòng khí chuyển động thiết bị (m.s-1) r: ẩn nhiệt hóa ẩm (kj.kg-1); r = 2500 kj.kg -1 C1, C2: nhiệt dung riêng vật liệu sấy nhiệt độ T1, T2; C1 = 1300, C2 = 28 (kj (kg độ)-1) Ctb: nhiệt dung riêng trung bình, Ctb = 664 (kj (kg độ)-1) ν: độ nhớt khơng khí (m2 s-1); ν = 26.9*10-6 (m2 s-1) dtb: kích thước trung bình sản phẩm; dtb = 1.05*10-4 (m) Thay liệu vào biêu thức, ta có: 𝑅𝑝 1300 = 0.33 ∗ ∗ 1.950.35 ∗ 0.26−0.4 ∗ 11.320.2 = 2023.1 2𝑑𝑡𝑏 0.746 ⇒𝑅𝑝 = 2𝑑𝑡𝑏 ∗ 2023.1 = 0.425 (𝑚) Đường kính tháp phun tuân theo biểu thức 𝐷 ≥ (1.5 − 1.7) ∗ 2𝑅𝑝 ⇒ D ≥ 3.2 * 0.425 = 1.36 m Như chọn D = 1.4 m Xác định chiều cao tháp sấy Chiều cao tháp sấy xác định tuân theo công thức 𝐻𝑇 𝑟∗𝑣 = 1.37 ∗ 103 ∗ 𝑅𝑒 0.253 ∗ ( )0.426 𝑑𝑚𝑎𝑥 𝜆 ∗ (𝑇1 − 𝑇ư ) Trong đó: Tư: Nhiệt độ bầu ước, tra giản đồ kkhí ẩm đồ thị t-d ta Tư = 60oC v: độ nhớt khơng khí, v = 26.9*10-6 (m2 s-1) λ: Hệ số dẫn nhiệt khơng khí, λ = 2.4* 10-2 (W (m độ)-1) dmax: Kích thước lớn hạt sản phẩm, dmax =2.1*10-4 m 𝐻𝑇 2500 ∗ 103 ∗ 26.9 ∗ 10−6 ) = 1.37 ∗ 103 ∗ 1.950.253 ∗ ( 𝑑𝑚𝑎𝑥 2.4 ∗ 10−2 ∗ (200 − 60) 0.426 = 5814 ⇒𝐻𝑇 = 𝑑𝑚𝑎𝑥 ∗ 5814 = 2.44 𝑚 Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 18 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị Như chọn chiều cao tháp 2.6 m với phần thân 1.6 m phần đáy có chiều cao m Kiểm tra lại vận tốc khơng khí so với lựa chon ban đầu Tiết diện tháp sấy 𝜋 ∗ 1.42 3.14 ∗ 1.42 = = 1.54 (𝑚2 ) 4 Vân tốc khí xác định theo công thức: 𝐹= 𝑤= 𝑉𝑘 2839.1 = = 0.512 (𝑚 𝑠 −1 ) 𝐹 1.54 ∗ 3600 Chênh lệch so với lựa chọn ban đầu 0.512 − 0.5 ∗ 100% = 2.4% < 5% 0.5 Như lựa chọn vận tốc chuyển động khơng khí tháp tương đối hợp lý Xác định thời gian sấy 𝑡𝑠 = 𝐻𝑇 𝐻𝑇 2.6 2.6 = = = = 5.2 𝑠 ѡℎ ѡ 0.5 0.5 (Xem cách gần đúng, tốc độ hạt rơi thiết bị với vận tốc chuyển động khơng khí tháp, wh = w) Xác định bề dày thân, đáy, nắp kiểm tra tính bền cho thiết bị Thân thiết bị có phần trụ thân dài H = 1.6 m Đường kính thiết bị: D=1.4 m Vật liệu chế tạo thép rỉ X18H10T Chiều dài thân chọn sơ S=4 mm Tính kiểm tra độ ổn định thân: Thiết bị sấy phun chịu tác dụng lực nén chiều trục ổn định thỏa mãn điều kiện sau: 𝐾𝑐 ∗ 𝐸 𝑡 ∗ 𝑆 − 𝐶𝑎 𝑃 ≥ 𝐷 𝜋 ∗ 𝐷 ∗ (𝑆 − 𝐶𝑎 ) Hoặc 𝑆 − 𝐶𝑎 ≥ √ 𝑃 𝜋 ∗ 𝐸𝑡 ∗ 𝐾𝑐 Trong đó: S: bề dài thân thiết bị (m) Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 19 GVHD: TS Ngơ Trương Ngọc Mai Đồ án q trình & thiết bị Ρ: khối lượng riêng thép (kg.m-3) P: lực nén chiều trục (N) 𝑃 =𝑀∗𝑔 =𝑉∗𝜌∗𝑔 =𝜋∗𝐷∗𝐻∗𝑆∗𝜌∗𝑔 = 3.14 ∗ 1.4 ∗ 1.6 ∗ ∗ 10−3 ∗ 8.1 ∗ 103 ∗ 9.81 = 1676.7 Kc: phụ thuộc vào tỷ số 𝐷 1.4 = = 233 ⊂ (25; 250) ∗ (𝑆 − 𝐶𝑎 ) ∗ (3 ∗ 10−3 − 0) Ta nhận thấy rằng: tỷ số nằm khoảng (25;250) Tương ứng với Kc ≤ 0.155, Như vậy, chọn Kc = 0.155 Et: mô đun đàn hồi thép, tra tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí ⇒ Et = 2.1*105 N.mm-2 Thay giá trị vào biểu thức, Ta được: √ 𝑃 1676.7 =√ = 0.13 𝑡 𝜋 ∗ 𝐸 ∗ 𝐾𝑐 𝜋 ∗ 2.1 ∗ 105 ∗ 0.155 Như vậy: S-Ca=3 mm ≥ 0.13 mm ⇒ Thân thiết bị thỏa mãn điều kiện bền Đáy nắp thiết bị Chọn nắp phẳng, đáy dạng nón có góc đáy 70o Chon chiều dày đáy nắp chiều dài thân (3mm), kiểm tra lại theo tiêu chuẩn bền, ta thấy thõa mãn điều kiện III.3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG III.3.1 Tổn thất nhiệt tháp sấy Chế độ chuyển động khơng khí thiết bị Ta có: ѡ ∗ 𝐷𝑇 0.5 ∗ 1.4 = = 26002 𝑣 26.9 ∗ 10−6 𝑡1 + 𝑡2 200 + 100 𝑡𝑡𝑏 = = = 150𝑜 𝐶 2 Hệ số cấp nhiệt từ lòng đến thành thiết bị đối lưu cưỡng 𝑅𝑒 = 𝑁𝑢 = 0.018 ∗ 𝑅𝑒 0.8 ∗ 𝜀1 Nhận thấy rằng, số Re > 104 ⇒ Chọn ε1 = 1.4 Thay giá trị vào biểu thức ta được: Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 20 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị 𝑁𝑢 = 0.018 ∗ 𝑅𝑒 0.8 ∗ 𝜀1 = 0.018 ∗ 260020.8 ∗ 1.4 = 85.8 Mặc khác: 𝛼1 ∗ 𝐷𝑇 𝑁𝑢 ∗ 𝜆 85.8 ∗ 2.4 ∗ 10−2 ′ 𝑁𝑢 = ⇒ 𝛼1 = = = 1.47 𝑊 (𝑚2 độ)−1 𝜆 𝐷𝑇 1.4 Hệ số cấp nhiệt đối lưu tự do: 𝑁𝑢 = 0.47 ∗ 𝐺𝑟 0.25 Mặc khác 𝑔 ∗ 𝐷𝑇3 ∗ ∆𝑇 9.81 ∗ 1.43 ∗ (150 − 100) 𝐺𝑟 = = = 4.4 ∗ 109 𝑣2 ∗ 𝑇 (26.9 ∗ 10−6 )2 ∗ (150 + 273) ⇒ 𝑁𝑢 = 0.47 ∗ 𝐺𝑟 0.25 = 0.47 ∗ (4.4 ∗ 109 )0.25 = 121 ⇒ 𝛼1" 𝑁𝑢 ∗ 𝜆 121 ∗ 2.4 ∗ 10−2 = = = 2.1 𝑊 (𝑚2 độ)−1 𝐷𝑇 1.4 Như hệ só cấp nhiệt tổng quát đối lưu xác định theo biểu thức 𝛼1 = 𝑘 ∗ (𝛼1′ + 𝛼1" ) = 1.25 ∗ (1.47 + 2.1) = 4.46 𝑊 (𝑚2 độ)−1 (Với k hệ số tính đến độ nhám, chọn k=1.25) Hệ số cấp nhiệt từ thành đến môi trường xung quanh Giả sử nhiệt độ lớp khơng khí ngồi trời tk = 27oC Nhiệt độ lớp thép bảo vệ thành thiết bị tn = 60oC 𝑡𝑡𝑏 = 𝑡𝑘 + 𝑡𝑛 27 + 60 = = 43.5𝑜 𝐶 2 Ở nhiệt độ ta có: λ = 2.67* 10-2 W (m độ)-1 v = 16.7*10-6 (m2 s-1) 𝐺𝑟 = 𝑔 ∗ 𝐷𝑇3 ∗ ∆𝑇 9.81 ∗ 1.43 ∗ (60 − 27) = = 1.06 ∗ 1010 −6 𝑣 ∗𝑇 (16.7 ∗ 10 ) ∗ (28 + 273) 𝑁𝑢 = 0.47 ∗ 𝐺𝑟 0.25 = 0.47 ∗ (1.06 ∗ 1010 )0.25 = 150.1 𝛼2′ 𝑁𝑢 ∗ 𝜆 150.1 ∗ 2.67 ∗ 10−2 = = = 2.86 𝑊 (𝑚2 𝑠)−1 𝐷𝑇 1.4 Hệ số cấp nhiệt xạ Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 21 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai 𝛼2" = Đồ án trình & thiết bị 𝑇1 𝑇 ) −( ) 100 100 𝑇1 − 𝑇2 𝜀𝑛 ∗ 𝐶0 ∗ (( Trong đó: εn: Là mức đọ đen vật, với tháp làm thép, chọn εn = 0.85 C0: Là hệ số cấp nhiệt vật đen tuyệt đối, chọn C0 = 5.7 T1 = 60 + 273 = 333oC T2 = 28 + 273 = 301oC Thay giá trị vào biểu thức ta có: 𝛼2" = 333 301 ) −( ) ) 100 100 = 6.2 𝑊 (𝑚2 𝑠)−1 333 − 301 0.85 ∗ 5.7 ∗ (( Vậy hệ số cấp nhiệt từ bề ngồi thiết bị vào mơi trường khơng khí 𝛼2 = (𝛼2′ + 𝛼2" ) = 2.86 + 6.2 = 9.06 𝑊 (𝑚2 độ)−1 Chọn vật liệu cho tháp thủy tinh, hệ số dẫn nhiệt là: λ2 = 0.037 W (m độ)-1 Bề dày theo tính tốn S1 = mm, chọn bề dày lớp võ bảo vệ S3 = mm, làm vật liệu thép khơng rỉ X18H10T, có hệ số λ1 = λ3 = 21.2 W (m độ)-1 Bề dày lớp võ cách nhiệt S2 Lượng nhiệt truyền tháp cấp nhiệt 𝑞 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑇 ∗ 𝛼1 ∗ (𝑡𝑡𝑏 − 𝑡2 ) = 3.14 ∗ 1.4 ∗ 4.46 ∗ (150 − 100) = 980.3 (𝑊 𝑚−1 ) Mặc khác: 𝑞= 𝜆2 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷𝑡𝑏 ∗ (𝑡2 − 𝑡3 ) 𝑆2 Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 22 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị Trong đó: tw1, tw2: nhiệt độ bên bên ngồi thành thiết bị xem cách gần tw1 = tw2 = 100oC tw3, tw4: nhiệt độ bề bề lớp võ bảo vệ, xem cách gần tw3 = tw4 = 60oC Dtb: Đường kính trung bình thiết bị bao gồm lớp cách nhiệt 𝐷𝑡𝑏 = 𝐷𝑡 + ∗ (𝑆1 + 𝑆2 ) = 1.4 + ∗ (0.003 + 𝑆2 ) Thay giá trị vào biểu thức, ta tính bề dày lớp cách nhiệt S2 = 6.7 mm Hệ số truyền nhiệt tổng quát từ lòng thiết bị môi trường xung quanh 𝐾= 1 = 1 𝑆 + 𝑆3 𝑆2 1 0.003 + 0.001 0.0067 + + + + + + 𝛼1 𝛼2 𝜆1 𝜆2 4.46 9.06 21.2 0.037 −1 = 1.94 𝑊 (𝑚 độ) Chênh lệch nhiệt độ mơi trường thiết bị mơi trường ngồi ∆t1 = t1 – tn = 200 – 27 = 173oC ∆t2 = ttb – tn = 150 – 27 = 123oC ∆𝑡𝑙𝑛 = ∆𝑡1 − ∆𝑡2 173 − 123 = = 146.6𝑜 𝐶 ∆𝑡1 173 𝑙𝑛 𝑙𝑛 ∆𝑡2 123 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 23 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị 𝜋 ∗ 𝐷𝑛𝑔 𝐹 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑛𝑔 ∗ 𝐻𝑇 + Trong đó: 𝐷𝑛𝑔 = 𝐷𝑇 + ∗ (𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 ) = 1.4 + ∗ (0.003 + 0.0067 + 0.001) = 1.4214 𝑚 Nên: 3.14 ∗ 1.42142 𝐹 = 3.14 ∗ 1.4214 ∗ 2.6 + = 13.2 𝑚2 Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh tính theo kg ẩm 𝑞𝑚 = 𝐾 ∗ 𝐹 ∗ ∆𝑙𝑛 = 1.94 ∗ 13.2 ∗ 146.6 = 3754 𝑗 𝑘𝑔−1 III.3.2 Cân nhiệt lượng trình sấy III.3.3 Q trình sấy thực IV TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 24 GVHD: TS Ngô Trương Ngọc Mai Đồ án trình & thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Lê Viên, 2006 Tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [2] Nhóm tác giả, 2006 Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa hoc tập I&II Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nôi [3] Nguyễn Văn Lụa, 2000 Kỹ thuật sấy vật liệu Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [4] Trần Văn Phú, Tính tốn thiết kế hệ thống sấy Nhà xuất Khoa Học kỹ thuật Hà Nội [5] Vũ Bá Minh, 2004 Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm tập Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồi Chí Minh Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang 25 ... độ sấy Cơ cấu phun có dạng như: cấu phun áp lực, cấu phun khí động, đầu phun ly tâm Hình II-2 Cơ cấu phun áp lực (trái) cấu phun khí động (phải) Thiết kế hệ thống sấy phun bột dinh dưỡng Trang... XUẤT BỘT DINH DƯỠNG I.3.1 Thuyết minh quy trình PHẦN II TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SẤY VÀ SẤY PHUN 10 II.1 SẤY VÀ SẤY PHUN 10 II.2 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP SẤY PHUN ... BẢNG Bảng I-1 Thành phần dinh dưỡng khoai tây Bảng I-2 Thành phần dinh dưỡng lúa gạo .2 Bảng I-3 Thành phần dinh dưỡng số loại lúa mì Bảng I-4 Thành phần dinh dưỡng số loại trứng