1

BỘ CÔNG THƯƠNG
Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp
VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2009

ĐỀ TÀI:
“Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc
làm lạnh bằng nitơ lỏng năng suất 100-200 kg/h.” Mã Số: 172.09 RD/HĐ-KHCN

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương
Đơn vị chủ trì: Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp
Chủ nhiệm đề tài: Ks. Nguyễn Quốc Vũ


Nguyễn Quốc Vũ

Hà nội, tháng 12 năm 2009
3

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH TT Họ và Tên
Học hàm học vị
chuyên môn
Chức vụ Cơ quan
1 Nguyễn Quốc Vũ Kỹ sư Trưởng phòng
nghiên cứu 2
Viện
NCTKCT
máy NN
2 Vũ văn Dương Kỹ sư -nt-
3 Nguyễn Tường Vân Tiến Sĩ Viện Trưởng -nt-
4

MỤC LỤC BÁO CÁO

1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ
LỎNG LÀM LẠNH 5
1.1 Các phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt và những yếu tố ảnh hưởng 6

phù hợp cho các công đoạn chế biến tiếp theo hoặc phù hợp với yêu cầu chất lượng của
sản phẩm. Những tính chất vật lý được thay đổi có thể kể đến như làm tăng diện tích tiếp
xúc của vật liệu; thay đổi khối lượng riêng của vật liệu; thay đổi khả năng hòa tan, khả
năng tạo huyền phù của vật liệu trong dung dịch; thay đổi các tính chất dẫn nhiệt, dẫn
điện của vật liệu…
Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, nghiền các nguyên liệu, sản phẩm ngũ cốc
(với thành phần chủ yếu từ tinh bột, đường, protein, chất béo/dầu,…) cũng được sử dụng
nhằm đạt được sự thay đổi về các tính chất vật lý kể trên để phù hợp với các nguyên công
chế biế
n như tạo được độ đồng đều trong phối trộn/ nhào trộn các nguyên liệu, tăng (thay
đổi) khả năng trương nở/ ngậm nước, khả năng tạo huyền phù trong hỗn dịch…
Việc nghiền mịn các hạt ngũ cốc có chứa protein và chất béo với hàm lượng cao
thường gặp một số trở ngại nhất định. Trong quá trình nghiền, đặc biệt với yêu cầu về độ
mịn sau nghiền cao, nhiệt độ của vật liệu nghiền tăng cao, dẫn đến vật liệu trở nên dẻo,
bết dính, điều này gây cản trở quá trình nghiền, thậm chí dẫn đến quá trình nghiền không
thể thực hiện được. Nhiệt độ của các hạt ngũ cốc trong quá trình nghiền cao cũng có thể
gây biến đổi các tính chất hóa học như xảy ra sự oxy hóa, biến đổi các tính chất củ
a thành
phần protein, chất béo… Giải pháp được đưa ra là lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị
nghiền phù hợp (ít làm tăng nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nghiền) kết hợp với việc
làm nguội/ làm làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền. Tác nhân làm lạnh vật liệu trong
quá trình nghiền thường được sử dụng là nitơ lỏng với ưu điểm có nhiệt độ hóa lỏng thấp
6

(- 196
0
C), khả năng dễ điều khiển nhiệt độ vật liệu, cũng như hạn chế được khả năng oxy
hóa vật liệu nghiền, khả năng cháy nổ trong quá trình nghiền.
Nhóm thực hiện đề tài sẽ tập trung nghiên cứu lựa chọn phương pháp nghiền, thiết
bị nghiền phù hợp có sử dụng nitơ lỏng làm lạnh vật liệu nghiền cho ứng dụng nghiề

được nghiền trong một đơn vị thời gian để đạt tới độ mịn qua sàng 200 mesh (1). Khả
năng nghiền nhỏ của vật liệu nghiền phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu được
nghiền. Những tính chất này thể hiện ở độ cứng, độ dẻo, đàn hồi… của vật liệu.
Độ cứng của vật liệu nghiền được phân loại theo thang đo độ cứng vật liệu Mohs
(Bảng 1). Theo Mohs, độ cứng của vật liệu được chia làm 10 mức. Cho tới mức 3, vật
liệu được coi là mềm, từ mức 4 đến mức 6 vật liệu có độ cứng trung bình, và từ mức 7 trở
lên ứng với vật liệu cứng. Độ cứng của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến lực cơ khí c
ần thiết
cho việc nghiền cũng như khả năng mài mòn của vật liệu lên các thiết bị nghiền. Như vậy
ứng với vật liệu nghiền cần có thiết bị nghiền được thiết kế có khả năng nghiền cũng như
khả năng chịu mài mòn trong quá trình nghiền. Nói chung, các nguyên liệu trong sản
xuất, chế biến các sản phẩm thực phẩm, các hạt ngũ cốc có
đội cứng nằm trong dải thang
độ cứng từ 1 đến 3, thuộc dạng vật liệu mềm.
Bên cạnh độ cứng của vật liệu nghiền, độ dẻo, đàn hồi của vật liệu cũng ảnh
hưởng đến khả năng, năng suất nghiền trên các phương pháp nghiền khác nhau. Vật liệu
có độ dẻo, đàn hồi cao thường gây khó khăn cho việc nghiền, nhất là khi có yêu cầu
nghiền vật liệu đến độ mịn cao. Việc xác định được độ dẻo, độ đàn hồi của vật liệu nhằm
đưa ra lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền phù hợp.
Bảng 1: Bảng phân loại độ cứng vật liệu theo Mohs
Phân loại độ cứng
của vật liệu
Thang đo độ cứng
theo Mohs
Ví dụ
8

Mềm 1 Đá tan
Mềm 2 Thạch cao
Mềm 3 Canxit

9

này, việc làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền là cần thiết. Việc làm lạnh vật liệu
nghiền ở mức độ nhất định nào đó còn làm vật liệu trở nên giòn hơn, dễ bị phá vỡ hơn,
nhờ đó hiệu suất nghiền vật liệu sẽ tăng lên. Đối với nghiền khô các vật liệu dạng hạt, tác
nhân làm lạnh nitơ thường được sử dụ
ng bởi ưu điểm dễ điều khiển quá trình làm lạnh
vật liệu, và hơn nữa sự có mặt của nitơ cũng góp phần giảm thiểu quá oxy hóa sản phẩm
nghiền, khả năng gây cháy nổ, một vấn đề cần quan tâm trong quá trình nghiền. 1.2 Máy nghiền mịn ngũ cốc
Các thiết bị nghiền được thiết kế dựa trên các phương pháp nghiền kể trên. Tùy
thuộc vào vật liệu nghiền với những tính chất vật lý riêng biệt và theo yêu cầu về độ mịn
sau nghiền của vật liệu, năng suất nghiền,
người ta lựa chọn loại thiết bị nghiền cho
phù hợp (Bảng 2).
Các thiết bị nghiền theo phương pháp
sử dụng dao cắt (Hình 2) thường được sử
Đồ thị 1: Sự thay đổi năng suất, chi phí năng lượng, giá thành nghiền
theo yêu cầu độ mịn sau nghiền (1)
Hình 2: Thiết bị nghiền cắt
10

dụng trong việc làm nhỏ các vật liệu dạng xơ như thực vật, giấy hay vật liệu nhựa tổng
hợp để đạt đến kích thước 1-6 mm.
Các thiết bị nghiền dựa trên phương pháp ép thường được sử dụng đối với các loại
vật liệu cứng, giòn, dễ bị bẻ vỡ dưới lực ép như một số khoáng sản, than, thủy tinh để đạ
t
đến kích thước sau nghiền 1-100 mm.

bị nghiền có thiết kế phần rotor và stator cho phù hợp. Các cánh va đập trên rotor nghiền
có thể được thiết kế động (thường gặp ở những máy nghiền búa thông dụng - Hình 4),
hay được gắn chặt.

1.2.1 Rotor máy nghiền bằng phương pháp va đập
Rotor có cánh va đập được gắn chặt có khá nhiều kiểu, các cánh nghiền/ vấu
nghiền được thiết kế với hình dạng, s
ố lượng và kích
thước cho phù hợp với mục đích sử dụng:
a - Rotor nghiền với các cánh nghiền gắn cố
định (như Hình 5) được ứng dụng trong nghiền đa
dạng vật liệu từ có tính chất giòn, dễ vỡ, đến có độ đàn
hồi cao. Độ mịn sau nghiền có thể đạt tới < 500 µm.
Hình 4: Máy nghiền búa
Hình 5: Rotor nghiền với cánh cố định
12

Độ mịn sau nghiền được điều chỉnh thông qua thay đổi tốc độ vòng quay rotor nghiền;
b - Rotor nghiền trên có gắn răng/ kim nghiền
(Hình 6) thường được sử dụng trong nghiền các vật
liệu dạng tinh thể, giòn. Thiết bị nghiền kiểu này có
thể gồm hai đĩa, trên có gắn các dãy răng nghiền
đồng tâm. Trong đó một đĩa cố định và một đĩa quay
hay cả hai đĩa đều quay và quay ngược chiều nhau
để có thể đạt đến vận tốc vòng từ 150-250 m/s. Độ
mịn sau nghiền trên thiết bị kiểu này có thể đạt đến
<50 µm;
c - Rotor nghiền kết cấu dạng cánh quạt (Hình
7) sử dụng trong nghiền các vật liệu từ giòn cho đến
tương đối đàn hồi. Độ mịn trên thiết bị kiểu này có

vật liệu này có thể thể hiện theo sơ đồ 1-a, hay 1-b.
Với yêu cầu về độ đồng đều của vật liệu sau nghiền không cao, quy trình nghiền
có thể theo sơ đồ 1-a. Theo quy trình này, độ mịn và độ đồng đều của vật liệu sau nghiền
hoàn toàn phụ thuộc vào thiết bị và chế độ công nghệ thực hiện trên máy nghiền. Để có
được độ đồng đề
u về độ mịn sau nghiền cao, vật liệu sau nghiền được phân ly/ phân loại,
phần vật liệu có kích thước lớn hơn yêu cầu được quay lại để nghiền (Sơ đồ 1-b). Quy
trình nghiền có hồi lưu như sơ đồ 1-b thường được sử dụng trong nghiền vật liệu đạt độ
mịn cao.Quy trình nghiền cũng có thể gồm nhiều bước ( với yêu cầu độ mịn giả
m dần)
Sơ Đồ 1: Sơ đồ nguyên lý quy trình nghiền
Nghiền
Vật liệu
V
ậ
t li
ệ
u đư

ạ
i
14

như quy trình nghiền (1-b) nối tiếp nhau để đạt được độ mịn của vật liệu theo yêu cầu.
Việc sử dụng quy trình này giúp tăng hiệu suất nghiền. Trong quy trình này việc phân ly/
phân loại độ mịn của vật liệu có thể được thực hiện trên thiết bị phân ly/ phân loại bên
ngoài máy nghiền hay ngay trực tiếp bên trong máy nghiền. Việc phân ly ngoài máy
nghiền có thể sử dụng các thiết bị phân ly tùy theo kích thước vật li
ệu cần phân ly, ví dụ
như có thể sử dụng cyclone, sàng phân ly, phân ly kiểu túi rũ. Đối với yêu cầu độ mịn cao
(dưới 250 µm) , thiết bị phân ly kiểu cánh quạt phân ly khí động (Vaned classifier rotor)
thường được sử dụng.
Trong lĩnh vực nghiền mịn, nhiều hãng đi đầu về thiết bị nghiền và phân ly như
Condux, Hosokawa Alpine đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng thiết bị nghiền kết hợp
phân ly khí độ
ng (Hình 8). Nguyên lý hoạt động của thiết bị có thể được mô tả như sau:
Vật liệu được đưa vào tại miệng tiếp liệu (1) hoặc (2). Vật liệu đi qua phần cánh
hướng/ chia liệu (3) qua bề ngoài của bộ phận phân ly kiểu cánh quạt phân ly khí động
(4), phần vật liệu đạt kích thước yêu cầu được đưa ra ngoài qua ống thu (9). Phần vật liệu
có kích thước lớn hơn quay trở về đĩa nghiền (5). Cánh nghiền (6) va đập vào vật liệu,
đồng thời kết hợp với sự va đập tại hàm nghiền (7), vật liệu bị làm nhỏ. Dòng khí động
Hình 8: Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động của Condux
15

vào thiết bị qua cửa (8) đẩy vật liệu qua phần cánh hướng/ chia liệu (3) tới bộ phận phân
ly kiểu cánh quạt (4). Sự phân ly lại diễn ra tại đây, phần thô, lớn hơn kích thước yêu cầu
lại quay trở lại đĩa nghiền. Cứ như vậy, quá trình nghiền diễn ra theo quy trình nghiền 1-b
cho đến khi thu được toàn bộ vật liệu nghiền có độ mịn nhất định.
Sau khi nghiên cứu nguyên lý hoạt

như Hosokawa Alpine, Condux (Hình 9). Trong đó hệ thống làm lạnh vật liệu nghiền
được ghép nối với thiết bị để có thể nghiền được các loại ngũ cốc nhạy cảm với nhiệt, có
chứ
a hàm lượng protein, chất béo/dầu cao.
Với mục tiêu như vậy, nhiệm vụ thiết kế cụ thể
bao gồm:
a- Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc:
Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số của
thiết bị nghiền ngũ cốc có năng suất tương
ứng 100-200 kg/h;
b- Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử
d
ụng nitơ lỏng làm lạnh: Xác định các yêu
cầu kỹ thuật, thông số phù hợp với thiết bị
nghiền ngũ cốc năng suất 100-200 kg/h;
c- Thiết kế cụm chi tiết phân ly: Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số phù hợp
với năng suất tương ứng 100-200 kg/h.
2.1 Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc
Do thiết bị được sử
dụng trong nghiền mịn ngũ cốc, sản phẩm nằm trong lĩnh vực
chế biến thực phẩm, thiết bị phải đáp ứng những yêu cầu về an toàn thực phẩm. Cụ thể
thiết bị phải đáp ứng những yêu cầu sau:
a- Vật liệu được sử dụng trong chế tạo thiết bị, đặc biệt tại những nơi tiế
p xúc
trực tiếp với vật liệu nghiền phải là vật liệu không độc hại, không gỉ như thép
không gỉ hay được mạ phủ crôm;
b- Thiết bị phải được kết cấu thuận tiện cho việc vệ sinh thường xuyên và khi cần
thiết;
c- Thiết bị phải được thiết kế đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Hình 9: Nguyên lý làm việc của thiết

khí động, có sự hồi lưu trong quá trình nghiền, vật liệu được nghiền nhiều lần trong
buồng nghiền cho đến khi đạt được kích thước, độ mịn cần thiết, do vậy nhiệt độ của vật
liệu sẽ tă
ng cao trong quá trình nghiền.
Đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt ( các sản phẩm ngũ cốc có chứa hàm
lượng dầu, protein cao), khi nhiệt độ tăng đồng thời quá trình thay đổi tính chất của vật
liệu cũng xảy ra, vật liệu trở nên dính, đàn hồi và dễ dàng vón bết, cản trở quá trình
18

nghiền. Chất lượng của sản phẩm do sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình nghiền cũng có
thể bị ảnh hưởng. Đối với vật liệu nghiền là ngũ cốc có hàm lượng protein, chất béo cao,
sự gia tăng nhiệt độ này có thể dẫn đến sự oxy hóa, thay đổi, làm giảm chất lượng sản
phẩm sau nghiền.
Việc sử dụng chất làm lạnh như nitơ l
ỏng để làm lạnh vật liệu trong quá trình
nghiền do đó là cần thiết. Ở áp suất môi trường, nhiệt độ hóa hơi của Nitơ hóa lỏng rất
thấp (-196
0
C). Nitơ lỏng có dễ dàng được chứa và vận chuyển trong các bình chứa đặc
biệt trong điều kiện áp suất môi trường. Nitơ lỏng khi hóa hơi chiếm thể tích lớn có thể
chiếm chỗ của các thành phần khí khác có trong không khí như oxy, do vậy việc sử dụng
nitơ lỏng trong quá trình nghiền, ngoài việc làm mát vật liệu còn có tác dụng bảo quản
vật liệu nghiền khỏi quá trình oxy hóa không mong muốn. Thêm vào đó, nguyên liệu
(ngũ
cốc) được làm lạnh cũng được thay đổi tính chất vật lý, ngũ cốc như đậu tương sẽ
trở nên giòn và dễ nghiền hơn. Kết quả sẽ thu được ngũ cốc dưới dạng bột có độ mịn cao.
Do vậy, việc sử dụng nitơ lỏng trong quá trình nghiền ngũ cốc có hàm lượng protein, chất
béo cao đến độ mịn dưới 250 µm là cần thiết và phù hợp.
Trong hệ thống nghiền, sử dụng vít cấp vật liệu nghiền cho việc làm lạnh vật liệu
phù hợp hơn cả. Tại vít cấp liệu cho máy nghiền, vật liệu đồng thời vừa được vận chuyển

ồi vào buồng nghiền (E-5). Các van khí (V-1, V-2,
V-5) điều tiết lượng khí tới bơm nitơ (E-2), thông qua đó điều tiết lượng nitơ được bơm
vào vít cấp liệu. Các cảm biến nhiệt (T) kiểm tra nhiệt độ vật liệu trước khi cấp vào
nghiền cũng như nhiệt độ vật liệu sau nghiền đồng thời điều khiển các van từ V-5 cấp tác
nhân làm lạnh trong quá trình nghiền.

Sơ Đồ 2: Sơ đồ cấp phối nitơ lỏng làm lạnh vật liệu trên máy nghiền mịn kết hợp phân ly khí động
20

2.3 Thiết kế cụm chi tiết phân ly
Bộ phận phân ly/ phận loại kích thước vật liệu nghiền trên thiết bị nghiền mịn kết
hợp phân ly khí động được thiết kế nằm
trong buồng nghiền. Bộ phận này có kết
cấu lồng quay, trên có các cánh hướng vào
tâm như cánh quạt (hình 11). Nguyên lý
phân ly được thể hiện trên sơ đồ 3. Khi
lồng phân ly/ cánh phân ly quay sẽ tạo ra
động năng đẩy vậ
t liệu ra phía ngoài lồng
phân ly. Động năng này phụ thuộc vào khối
lượng hình dạng của hạt vật liệu và được phân ly. Phía bên ngoài lồng phân ly, dưới tác
dụng của dòng khí ép vật liệu vào trong lòng lồng. Sự phân ly được thực hiện thông qua
sự cân bằng của 2 động năng kể trên. Hạt vật liệu có kích thước/ khối lượng lớn nhận
động năng ly tâm lớn hơn động năng ép vào tâm nên đi ra khỏi lồng phân ly. Ng
ược lại,
hạt vật liệu có kích thước/ khối lượng nhỏ đến mức cần thiết sẽ chịu tác động đi vào trong
lòng lồng phân ly.
Như vậy, có thể thấy quá trình phân
ly hay độ mịn của mỗi vật liệu thu được
sau nghiền/phân ly phụ thuộc vào lưu

3
/h;
- Tốc độ vòng quay của lồng phân ly được điều khiển để có thể thay đổi tốc độ
ứng với yêu cầu về độ mịn của sản phẩm.
- Thông số Kích thước hình học của lồng phân ly (hình 12) được tính theo U.S.
Patent 5533629 - Vortex Pneumatic Classifier được xác định như sau:
+ Bán kính ngoài lồng phân ly:
R1= D1/2 =145 (mm)
+ Bán kính miệng ra lồng phân ly:
R0= 0,4 x R1= 58 (mm);
Chọn R0= 57,5 (mm)
+ Bán kính trong lồng phân ly:
R3= R1 x 1,65= 95 (mm) (2)
+ Bề rộng cánh phân ly:
Bw= R1-R3= 50 (mm)
+ Khoảng cách (bước) giữa các cánh phân ly:

Hình 12: Kích thước hình học lồng phân ly
22

Trong đó: D
p
(th)(m) là Đường kính (Kích thước) hạt theo yêu cầu/ lý thuyết. Với
kích thước hạt cần phân ly
= 100 (µm), thay vào (2.3.1) có thể xác định khoảng
cách giữa các cánh phân ly P < 36 (mm);
Từ đó, số cách phân ly: n > π.2.R3/P = 25,3 (cánh). Để đảm bảo độ đồng đều trên
lồng phân ly, số cánh phân ly sẽ được lựa chọn n= 36 (cánh).
+ Góc côn θ= 20˚ được tính theo công thức:


độ cân bằng động khi hoạ
t động với
vòng quay cao. Gia công hàn được
tránh không sử dụng khi chế tạo
cụm chi tiết này. Thay vào đó, các
cánh phân ly (3) được gắn đều trên
các vành chặn (1), (2) thông qua việc bắt vít với các thanh định vị (4).
Các vành chặn (1) và (2) được gia công với các lỗ công nghệ đảm bảo
chính xác, đối xứng theo từng cặp qua tâm quay. Các cánh phân ly,
thanh định vị được lắp ráp đều trên vành chặn, đối xứng theo cặp qua
tâm quay. Các cánh phân ly, thanh định vị được gia công chính xác, đảm
bảo độ
đồng đều về khối lượng và kích thước hình học.
Cụm lồng phân ly khí động sau lắp ráp cần thiết được cân bằng động.

Với các yêu cầu về kỹ thuật như đã được nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài đã tiến
hành chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc có sử nitơ lỏng làm lạnh năng suất 100-200 kg/h.
Thông số kỹ thuật chính của máy được chế t
ạo như sau:
• Công suất động cơ nghiền: 11 KW;
• Công suất động cơ phân ly: 2,2 KW;
• Đường kính đĩa nghiền: φ460 mm;
• Đường kính lồng phân ly: 290 mm;
• Tốc độ vòng quay đĩa nghiền: 4800 vg/phút;
Hình 14: Cụm lồng phân ly khí động
24

• Tốc độ vòng quay lồng phân ly: Max. 3700 vg/phút (có thể điều chỉnh tốc
độ vòng quay thông qua biến tần);
• Lưu lượng khí đưa vào máy nghiền: 500 - 2000 (m