Tính toán thiết bị sấy phun

Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 1 Tính toán thiết bị sấy phun (Dựa trên phương pháp của Paul Singh và Helman) 1. Cân bằng vật chất và năng lượng cho thiết bị sấy 1.1. Cân bằng vật chất Nước bay hơi W Sản phẩm P,xP Nhập liệu F,xF Thiết bị sấy phun Cân bằng vật chất cho tiến trình Cân bằng vật chất cho tiến trình được thể hiện ở sơ đồ 1. Từ sơ đồ nầy ta có: F.x = P.x F P Từ (1) ta suy được F.xF P = xP Ta cũng tính được lượng nước bay hơi W = F - P 1.2. Cân bằng năng lượng Cân bằng năng lượng cho hệ thống được thể hiện ở hình vẽ sau Enthalpy sản phẩm, EP Enthalpy nhập  Enthalpy bay hơi, Eevp  Tổn thất năng lượng, Eloss Enthalpy không liệu, EF Thiết bị sấy phun Enthalpy không khí vào, in aE Cân bằng năng lượng cho tiến trình  khí ra, out aE Phương trình cân bằng năng lượng cho hệ thống in + out + + E + E = E E E E Với: F a P a evp loss Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Enthalpy của nhập liệu E = F.C .T Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 2 F F F CF: Nhiệt dung riêng của nhập liệu tại nhiệt độ TF (j/kgoC) TF: Nhiệt độ nhập liệu (oC) Enthalpy của sản phẩm E = P.C .T P P P CP: Nhiệt dung riêng của sản phẩm liệu tại nhiệt độ TP (j/kgoC) (tra bảng hoặc tính toán) TP: Nhiệt độ sản phẩm ra khỏi thiết bị (oC) bằng nhiệt độ bầu ướt tại nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị T và aout độ ẩm tuyệt đối của không khí ra khỏi thiết bị(Ho) (chú ý Ho phải giả thiết sau đó tính lại)(tra dãn đồ không khí ẩm) Enthalpy không khí vào in in in  in E = C .M .T a a a a Cin= 1,005 +  1,88.H a i Hi: Độ ẩm tuyệt đối của không khí vào máy sấy được xác định bằng cách tra dãn đồ với nhiệt độ không khí ngoài trời và độ ẩm không khí tương ứng (kgH20/kg Không khí khô). in M Khaối lượng khí vào máy sấy (kg/min) o in T Nhiaệt độ không khí vào máy sấy ( Enthalpy không khí ra khỏi máy sấy C) out out out out E = C .M .T a a a a Cout= 1,005 + 1,88.H a o Ho: Độ ẩm tuyệt đối của không khí ra khỏi thiết bị sấy (kgH2O/kg không khí khô). Chưa có cần phải giả thiết (bất kỳ) sau đó kiểm tra lại bằng cân bằng vật chất. out M Khaối lượng khí ra khỏi máy sấy máy sấy (kg/min) o out T Nhiaệt độ không khí ra khỏi máy sấy ( C) Trong tính toán giả sử  in  out Enthalpy của bốc hơi Eevp= l.W l: Ma= Ma ẩn nhiệt bốc hơi của ẩm (kj/kg) Tra bảng tại nhiệt độ trung bình không khí vào và ra W: ẩm thoát ra khỏi vật liệu (kg/min) Tổn thất do mất mát năng lượng có thể giả sử (20% → 50%) Viết chi tiết phương trình cân bằng năng lượng với giả thiết Ho ta sẽ tính được lượng không khí khô cần thiết M .(ina åV ao = å ra) Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 3 Kiểm tra lại giả thiết Ho. (đã sử dụng ban đầu) Dựa trên nguyên tắc cân bằng vật chất Ho.Mout= + (do in out Mina.H W Ma= M ) Ta có a  in  + i a M .H W H o = a i in Ma Nếu Ho kiểm tra chênh lệch so với Ho giả thiết >5% phải tính toán lại cho đến khi thõa mãn Ho giả sử ~ Ho tính kiểm tra (sai lệch <5%) . (Chú ý Ho có liên quan đến nhiệt độ sản phẩm (Tp)ra khỏi thiết bị cần thế số vào tính toán lại cho đúng) Từ tính toán trên cuối cùng ta sẽ có được Lượng không khí vào máy sấy: M = in + in ain M .H M a i a Lượng không khí khô ra khỏi máy sấy M = in + in aout M .H M a o a Với thể tích riêng tại các điều kiện tương ứng (tra dãn đồ tại nhiệt độ và độ ẩm tuyệt đối của không khí) ta cũng suy được Thể tích không khí vào (Dùng tính toán caloriphere) Qin (m3/min) Thể tích không khí ra khỏi máy sấy Qout(m3/min) (Dùng tính toán Cyclon) 2. Tính toán thời gian sấy Các dữ liệu cần thiết cho tính toán - Khối lượng riêng dung dịch trước khi sấy: (tra bảng) rF - Khối lượng riêng dung dịch sau khi sấy: (tra bảng) rP - Nhiệt độ không khí vào máy sấy  (kg/m3) (kg/m3) - Nhiệt độ bề mặt giọt chất lỏng TS (tính theo nhiệt độ bầu ướt của không khí tại nhiệt độ trung bình của không khí vào và ra khỏi máy sấy) in + T T out - Ẩn nhiệt bốc hơi tại nhiệt độ trung bình T avg = a 2 a : l (kj/kg) - Hệ số dẫn nhiệt của không khí tính theo nhiệt độ trung bình (tra bảng) Kg - Độ ẩm tới hạn (tính theo căn bản khô) Xe  (0,___)  (W/moC) - Độ ẩm cuối (tính theo căn bản khô) - Đường kính ban đầu (giọt chất lỏng) XP(0,___) dF (m) (chú ý nếu tính thời gian sấy qua nhỏ có thể nâng đường kính vật liệu sao cho thời gian sấy từ 2-3 giây) Tính toán đường kính hạt sau khi sấy - Lượng chất rắn trong một giọt chất lỏng được tính bằng (Thể tích giọt chất lỏng) x (khối lượng riêng của giọt chất lỏng) x (nồng độ chất rắn nguyên liệu) (VF) x (rF) x (xF) Chú ý xF tính theo căn bản ướt Chất rắn trong 1 giọt chất lỏng nguyên liệu = Chất rắn trong 1 hạt sản phẩm Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 4 V  4 = p(  d  F 3 Với thể tích giọt chất lỏng ban đầu F 3 4 2 d ) V = p( P 3 Thể tích hạt sản phẩm P 3 2 ) - Lượng chất rắn trong hạt sản phẩm được tính (Thể tích hạt sản phẩm) x (khối lượng riêng sản phẩm) x (nồng độ chất rắn sản phẩm) (VP) x (rP) x (xP) Chú ý xP tính theo căn bản ướt Cân bằng lượng chất rắn ta sẽ tính được đường kính hạt sau khi sấy dp Tính toán thời gian sấy Thời gian sấy được tính toán theo công thức r .l.d2 r .d .l.(X - X ) t = F F in 8.K (T - T ) + P P 6.h.T p e g a S avg Chú ý Xp và Xe tính trên căn bản khô (0,___) 2.Kg Với h = dP Thay các số liệu vào ta tính được thời gian sấy (chú ý nên thay đổi kích thước của giọt chất lỏng để thời gian sấy trong khoảng 2-3 giây) 3. Tính toán kích thước căn bản của tháp sấy Gọi L là chiều cao tháp sấy D là đường kính tháp sấy R là bán kính tháp sấy Chọn tỉ lệ L =3 D 2 Ta được R = 1 3 L Vận tốc khí đi trong tháp sấy được tính Qin = Qin U = p R2 p( 1 3 L)2 Mà vận tốc hạt rơi từ trên xuống (quảng đường L) sã là U = L t t : thời gian sấy (m/s) Thay vào phương trình trên ta tính được L (chiều cao tháp sấy) Và ta cũng dễ dàng tính được đường kính tháp sấy R Tính toán chiều cao đáy nón Chọn góc nghiêng phải lớn hơn góc nghiêng tự nhiên của sản phẩm (để sản phẩm có thể chảy tư nhiên xuống) Có góc nghiêng ta tính được chiều cao đáy nón Ln Cuối cùng ta sẽ có kích thước máy sấy Đường kính Chiều cao (L) + cao đáy nón (Ln) R Lthiết bị Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 5 Các công thức có thể áp dụng trong tính toán (Chú ý các số liệu lựa chọn chỉ thích hợp cho sinh viên tính toán đồ án nầy) 1. Khối lượng riêng của chất rắn (kg/m3) Quan hệ với nhiệt độ Carbohydrat Tro Chất xơ Chất béo r = r = 2, r = r = 1,5991.103- 4238.103- 1,3115.103- 9,2559.102- 0,31046T 0,28063T 0,36589T 0,41757T Protein r = Nước r =  997,18 1,3299.103- + 0,51840T -3 - 3,1439.10 T  -3 2 3,7574.10 .T Chú ý: nhiệt độ tính theo oC Công thức để khối lượng riêng theo thành phần hoá học của thực phẩm 1 r = wi S ri ri wi  Khối lượng riêng của các thành phần Phần khối lượng của các thành phần Cho nước quả có thể tính bằng công thức r = 0,82780 + 0,34708. T tínhoK 2. Nhiệt dung riêng (kJ/kgoK) a. Với sản phẩm có độ ẩm cao exp(0,01.Brix) - 5,479.10-4.T Cp= 0,837 + 3,349.Xw (Siebel, 1982) Xw: Thành phần ẩm (0,___) b. Nhiệt dung riêng tính theo thành phần Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Cp=  2,093XF+ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 6 1,256XS+ 4,187XW XF, XS, XW: phần khối lượng của chất béo, chất rắn, nước (0,___) c.Theo thành phần thực phẩm Protein Chất béo Carbohydrat C C C C p p p = = = = 2,0082 + 1, + 1,9842 1,5488 + 1, 1,8459 + -3 - 2089.10 .T -3 - 1,4733.10 .T -3 - 9625.10 .T -3 -6 2 1,3129.10 .T -6 2 4,8008.10 .T -6 2 5,9399.10 .T -6 2 Chất xơ Tro C p p = 1,0926 + 1,8306.10 .T - 4, -3 - 1,8896.10 .T 6509.10 .T -6 2 3,6817.10 .T Chú ý: T tính theooC Cp= å C .X pi i Xi:  Phần khối lượng các thành phần 0,___ Cpi: Nhiệt dung riên các thành phần tương ứng Với nước quả có thể tính Cp = 0,80380 - T tính bằngoK 3.Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)  -3 4,3416.10 Brix  +  -4 5,6063.10 T a. Theo thành phần thực phẩm Protein K = 1,788.10 -1 + Chất béo K = 1,8071.10 -1 +  -3 1,1958.10 T - 3  -  -6 2 2,7178.10 .T -7 2 2,7064.10 T -1,774910 .T Carbohydrat Chất xơ K = K = K = 2,0141.10 -1 + 1,8331.10-1 + 3,2962.10-1 + -3 1,3874.10 T -3 1,2497.10 T -3 - - - -6 2 4,3312.10 .T -6 2 3,1683.10 .T -6 2 Tro Chú ý: T tính theooC Hệ số dẫn nhiệt được tính toán 1,4011.10 T 2,9069.10 .T K  =  1 å Fi fi: Ki Phần thể tích của các cấu tử Phần thể tích các cấu tử có thể tính wi r F = i i w å ri wi: i phần khối lượng của cấu tử i Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 7 Với nước quả có thể tính K = 0,27928 - T tính bằngoK  -3 3,5722.10 Brix  +  -3 1,1357.10 T Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Sửa  Vật liệu Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 8 Các bảng số liệu tham khảo Bảng 1 Các tham số hoạt động của hệ thống sấy phun Ẩm vào Ẩm ra Loại đầu Chiều Nhiệt độ Nhiệt độ (%) (%) phun vào (oF) ra (oF) 50-60 2,5 - Ly tâm Cùng chiều 170-200 90-100 - Vòi phun Trứng 74-76 2,4 - Ly tâm - Vòi phun Cùng chiều 140-200 50-80 Cà phê hoà tan Nước trái cây 75-85 3-3,5 - Vòi phun Cùng chiều 270 110 Trà hòa tan 60 2 - Vòi phun Cùng chiều 190-250 90-100 (Martin R. Okos, Handbook of Food Engineering) Bảng 2 thay đổi kích thước của giọt chất lỏng (mm) Sấy sữa Loại ly tâm Loại phun (áp lực) Sữa Cà phê 1-600 10-800 30-250 80-100 (Filkova và Mujumdar, 1987) Sữa bột có 4% ầm được sấy từ dung dịch sữa cô đặc có nồng độ 45-55% nhiệt độ không khí vào từ 150-170oC Qui trình sản xuất bột sữa Sữa tươi – Gia nhiệt – Cô đặc – Đồng hoá – sấy phun – bổ sung leucithin, các chất khác..- bao gói Sấy cà phê hoà tan Cà phê sau khi trích ly có nồng độ từ 15% đến 30% chất khô được cô đặc đến 60% chất khô bằng thiết bị cô đặc chân không màng. Sản phẩm sấy khô có đường kính 300mm có khối lượng riêng biểu kiến 0,22g/cm3. Thông thường không khí vào thiết bị sấy 2500C và ra khỏi thiết bị là 110oC (Upadhyaya and Kilara, 1986). Qui trình sản xuất cà phê hoà tan Cà phê nghiền – Trích ly – Cô đặc – sấy phun Sấy phun Làm sạch Rang  Trích ly  Cô đặc Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Sấy trà hoà tan Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 9 Trà trích ly có nồng độ chất khô 5-20% được cô đặc trong thiết bị cô đặc màng chân không đến nồng độ 40% trước khi sấy phun. Nhiệt độ không khí vào máy sấy từ 200- 250oC. Khí Gia nhiệt Quạt Cyclon Bơm nhập Sấy trứng liệu Sản phẩm l Hàm ất khô trong lòng trắng trứng từ 20-27%, lòng đỏ 45-48% trước khi sấy trứng được thanh trùng tại 60-64oC trong vòng 2-4 phút để tiêu diệt vi sinh vật. Dung dịch trứng được sấy với nhiệt độ không khí vào là 145-200oC Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 10 Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 11 Khối lượng riêng của một số vật liệu Khối lượng riêng biểu kiến theo độ ẩm của một số vật liệu Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 12 Thành phần hóa học của sữa Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 13 Tính chất nhiệt của một số trái cây và nước trái cây Khối lượng riêng và khối lượng riêng biểu kiến của 1 số bột thực phẩm Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 14 Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 15 Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 16 Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 17 Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ Sinh viên chú ý: Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học kỹ thuật thực phẩm 1 Trang 18 Thông thường qui trình sấy như sau Với nguyên liệu Nguyên liệu ® Cô đặc đến nồng độ cần thiết ® Sấy phun ® Sản phẩm (ta chỉ tính từ khâu sấy) Với không khí Không khí ® Gia nhiệt nhờ hệ thống Caloriphere ® vào thiết bị sấy phun Các số liệu sinh viên tra không có mới tính theo thành phần hoá học Các số liệu tự chọn phải hợp lý Có thể sử dụng chương trình Matcad để tính toán Viết báo cáo: - Mở đầu 1. Sơ đồ công nghệ, thuyết minh sơ đồ công nghệ 2. Tính toán thiết bị chính 3. Tính toán thiết bị phụ (Cyclon, tổn thất áp lực, tính quạt) - Tài liệu tham khảo Yêu cầu - 1 quyển thuyết minh tính toán - 1 bản vẽ sơ đồ công nghệ (trong quyển báo cáo) - 1 bản vẽ A1 vẽ chi tiết thiết bị chính, thiết bị phụ Sinh viên liên hệ theo địa chỉ E-mail: Điện thoại:  votanthanh@yahoo.com 0913 185 177 Ts. Võ Tấn Thành - Bộ môn Công Nghệ Thực phẩm - Đại Học Cần Thơ