Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
LỜI NÓI ĐẦU
Sấy là quá trình được sử dụng rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày
cũng như trong công nghiệp. Thực tế cho thấy các quá trình nhiệt nói chung
và quá trình sấy nói riêng là những quá trình công nghệ rất phức tạp. Chẳng
hạn, quá trình sấy là quá trình tách Èm(chñ yếu là nước và hơi nước) khỏi
vật liệu nhờ nhiệt lượng và sau đó sử dụng tác nhân để thải Èm vừa nhận
được từ vật liệu vào môi trường với điều kiện năng suất cao, chi phi nhiên
liệu cũng như vận hành và vốn đầu tư bé nhất nhưng sản phẩm phải có chất
lượng tốt nhất hoặc không nứt nẻ cong vênh hoặc giữ được màu sắc và
hương vị.
Như vậy nghành công nghiệp sấy ra đời đã đóng một phần rất quan trọng
trọng trong dây truyền sản xuất. Nhưng tuỳ thuộc vào từng loại sản phẩm
sấy khác nhau mà tính đa dạng của các thiết bị sấy cũng rất đa dạng và
phong phú như thiết bị sấy buồng, sấy hầm, sấy tháp, sấy phun. Trong đó
thiết bị sấy phun là một trong những thiết bị sấy được sử dụng rộng rãi nhất
là trong công nghiệp sữa. Với nghành công chế biến sữa ngày càng phát
triển ở Việt nam nên chúng em chọn đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY
PHUN TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT SỮA BỘT GẦY” cho đồ
án tốt nghiệp của mình.
Do thời gian có hạn nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót, rất
mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để sản phẩm của chúng
em được hoàn thiện hơn
Hà nội, ngày 24 tháng 2 năm 2005
Sinh viên
Lê Hữu Bằng
Lê Quý Dương
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 1 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
PHẦN I: TỔNG QUAN

Èm dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt khuyếch
tán vào môi trường. Trong hệ thống sấy bức xạ người ta tạo độ chênh phân
áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường chỉ bằng cách đốt nóng vật.
Ta thấy hệ thống sấy này vật liệu không đều, năng suất thấp do đó với vật
liệu sấy trong đề tài này thì thiết bị sấy này không phù hợp.
I.3. Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần:
Trong các hệ thống sấy loại này, khi vật liệu sấy đặt trong một trường
điện từ thì trong vật liệu xuất hiện dòng điện và chính dòng điện này đốt
nóng vật. Hệ thống sấy này rất tốn điện năng do đó với nguồn năng lượng
điện ở Việt Nam hệ thống sấy này không phù hợp.
I.4. Phương pháp sấy đối lưu:
Trong hệ thống sấy này, vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một
lưu thể nóng mà thông thường là khói lò hoặc không khí nóng. Đây là loại
hệ thống sấy phổ biến trong công nghiệp. Trong hệ thống sấy đối lưu có thể
chia ra các dạng sau:
I.4.1. Hệ thống sấy buồng:
Thiết bị sấy buồng thường dùng để sấy các loại vật liệu dạng cục, hạt,
đến các vật liệu dạng thanh, tấm. Cấu tạo chủ yếu trong hệ thống sấy buồng
là buồng sấy.Trong buồng sấy có bố trí các thiết bị đỡ vật liệu sấy mà ta gọi
chung là thiết bị chuyển tải. Do đó năng suất không lớn hệ thống sấy này
không phù hợp trong công nghiệp sản xuất sữa bột.
I.4.2 Hệ thống sấy hầm:
Hệ thống sấy hầm thiết bị sấy là một hầm dài, vật liệu sấy vào đầu
này ra đầu kia của hầm thiết bị vận tải trong hệ thống sấy hầm thường là xe
goòng hoặc là băng tải nên hệ thống sấy này không phù hợp.
I.4.3 Hệ thống sấy tháp:
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 3 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
Trong hệ thống này thiết bị sấy là một tháp trong đó người ta vật liệu

tư và chi phí vận hành. Dựa vào đặc tính làm việc và những ưu điểm của hệ
thống sấy thùng quay và những đặc tính của vật liệu đem sấy ta thấy thiết bị
sấy thùng quay không phù hợp với đề tài.
I.4.7 Hệ thống sấy phun:
Hệ thống sấy phun là hệ thống chuyên dùng để sấy các huyền phù
như dây chuyền sản xuất sữa bột, đậu nành thiết bị sấy trong hệ thống sấy
này thường là một hình chóp trụ phần chóp hướng xuống dưới. Dung dịch
huyền phù được bơm cao áp đưa vào các vòi phun hoặc trên đĩa quay ở đỉnh
tháp tạo thành những hạt dung dich bay lơ lửng trong thiết bị sấy với đặc
điểm nêu trên hệ thống sấy này phù hợp với đề tài.
I.5. Giới thiệu hệ thống sấy phun.
Hệ thống sấy phun gồm có buồng sấy phun, bộ phận nạp liệu là những vòi
hoặc cơ cấu phun, hệ thống quạt, caloriphe để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, bộ
phận thu hồi sản phẩm sấy.
Nhờ các bộ phận phun mà nguyên liệu sấy được phun thành những hạt rất
nhỏ vào dòng tác nhân sấy đi trong buồng sấy làm tăng sự tiếp xúc giữa hai
pha. Nhờ vậy mà cường độ sấy rất cao, thời gian sấy ngắn, sử dụng tác nhân
sấy có nhiệt độ cao. Sản phẩm sấy phun có chất lượng cao, xốp, dễ hoà tan,
tiện cho sử dụng và chế biến. Dễ dàng chọn lựa các thông số chế độ
sấy( năng suất, kích thước hạt phun, nhiệt độ sấy, thời gian sấy, kích thước
và dạng buồng sấy).
Hệ thống sấy phun có những nhược điểm sau: Lưu lượng tác nhân lớn, tốn
kém trong khâu chuẩn bị dung dịch(nguyên liệu sấy) và hệ thông phun có
giá thành cao, hệ thống có kích thước lớn, nhất là khi sử dụng tác nhân sấy
có nhiệt độ thấp.
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 5 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
Các bộ phận quan trọng của hệ thống sấy phun như cơ cấu phun, buồng
sấy phun. Tác nhân sấy phải tuyệt đối sạch, sản phẩm sấy phải được thu hồi

b. Vßi phun ly t©m: 1 - èng
dÉn; 2 - §ai èc; 3 - vá; 4 -
Vßi phun
a,
3
2
1
b,
1
2
3
4

Vòi phun cơ học ly tâm (hình b) có áp suất làm việc thấp(0,2 - 0,5)MPa. Do
cấu tạo của miệng vòi phun nên dung dịch chảy xoáy với vận tốc ly tâm lớn
làm tung thành các hạt nhỏ. Dòng hạt phun ra có dang hình nón với góc đỉnh
bằng từ 90 - 140
0
.
Các vòi phun thuỷ lực được ứng dụng rộng rãi hơn. Nguyên lý hoạt động
của chúng là dòng dung dịch phun ra gặp dòng không khí hoặc hơi quá
nhiệt(thế nào là hơi quá nhiệt) có mật độ lớn. Do chênh lệch tốc độ mà xuất
hiện lực ma sát làm cho dung dịch phân tán thành các hạt nhỏ có đường kính
từ (6 -7)µm. Vòi phun thuỷ lực chia làm hai loại: áp suất khí thấp P
K
≤ 0,01
MPa và áp suất khí cao P
K
= (0,15 - 0,7) MPa.
Loại thấp áp có hệ số lưu lượng là: 1kg dung dịch cần(4 - 10) kg không

cú vũng quay nhanh cho a vng ta dựng tuabin khớ, tuabin hi, hoc
ng c in hoc hp tng tc. Chi phớ nng lng cho a vng khụng ln
Lờ Hu Bng Lờ Quý Dng - 8 - TRng hbk h ni
LớP MTP k45
Thit k h thng sy phun trong cụng nghip sn xut sa bt gy
(5 - 10) kWh/t.
Các đĩa văng ly tâm
a. Đĩa văng nhẵn: 1 - ống nạo liệu; 2 - trục
quay; 3 - Đĩa
b. Đĩa văng có cánh: 1 - Cánh; 2 - Đĩa văng;
3 - Lỗ nắp trục quay; 4 - Lỗ nạp liệu; 5 - nắp
c. Đĩa văng có vòi: 1 - vòi phun; 2 - các ống
nạp liệu; 3 - trục quay; 4 - Đĩa
1
a,
1
2
c,
3
4
21 3
b,
2 3 54

a vng cú b mt nhn (hỡnh a) cú th lm cho nguyờn liu trt trờn
mt a dn ti tc ly tõm gim khụng to ra c cỏc ht nh v ng
u theo yờu cu sy. trỏnh hin tng trờn ta a cú cỏnh hoc a cú vũi
(hỡnh b,c). Theo yờu cu bi toỏn t ra ta dựng loi a vng hỡnh c.
I.5.2 Bung v c ch sy phun
Vic b trớ c cu phun, ca cp tỏc nhõn sy vo bung sy, hỡnh dng v

Vật liệu Èm là các vật có khả năng chứa nước hoặc hơi trong quá trình
hình thành hoặc gia công bản thân các vật liệu như các loại nông sản thực
phẩm (Lúa, Ngô, vải, gỗ, đường ).
Độ Èm của vật liệu:
Độ Èm tương đối :
Độ Èm tương đối là tỉ số giữa độ Èm tuyệt đối trên độ Èm tương đối lớn
nhất.
Nếu ký hiệu m, m
n
Và m
0
tương úng là khối lượng của vật liệu Èm khối
lượng của nước và khối lượng của vật liệu khô thì ta luôn có:
m = m
n
+ m
0
. (1)
Như vậy độ Èm tương đối bằng:
w =
%.100.
m
m
n
(2).
Ta thấy rằng m
n
< m
0
. Nên độ Èm tương đối w luôn nhỏ hơn 100%.

Từ các quan hệ (1) và (3) ta dễ dàng thu được các quan hệ sau:
k
k
w
w
w
+
=
100
hay w
k
=
100.
100 w
w
−
% . (4).
Độ chứa Èm và nồng độ Èm:
Trong khi nghiên cứu vật liệu Èm người ta còn đưa ra khái niêm độ chứa
Èm u. Độ chứa Èm u là giới hạn của tỷ số giữa khối lượng Èm g
a
và khối
lượng vật liệu khô g
k
của một khối hình hộp vô cùng nhỏ của vật liệu Èm có
các kích thước (Δx, Δy, Δz) khi các kích thước này dần tơi không:
u =
0
g
g

c = c(x,y,z,t). Do đó khi Èm phấn bố đều trong vật thì quạ hệ giữa nồng độ
Èm và độ Èm tương đối có dạng:
ς
.100
w
c =
. (8).
Để tìm mối liên hệ giữa độ chứa Èm u và nồng độ Èm c ta đưa vào khái
niệm khối lượng của vật liệu khô trong một đơn vị thể tích vật liệu Èm và gọi
là khối lượng riêng dẫn suất ký hiệu là
dx
ς
ở giới hạn ta có :
zyx
k
dx
ddd
g

=
ς
. (9)
Khi đó kết hợp (7) và (9) ta có quan hệ giữa u và c như sau:
c = u.ρ
dx
.
Nếu trong quá trình sấy, độ ngót về thể tích của vật liệu không đáng kể
thì khối lượng riêng dẫn xuất bằng khối lượng riêng của vật liệu khô.
Các đặc tính đặc trưng nhiệt vật lý của vật liệu Èm.
Nhiệt dung riêng của vật liệu Èm:

hay
100
)100( wCwC
C
ak
+−
=
(11)
Có thể viết lại (11) dưới dạng:
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 13 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
100
ka
k
CC
CC
−
+=
(12)
trong các công thức trên:
w =
n
n
mm
m
+
0
là độ Èm tương đối;
C

a
uCC
w
ak
k
.
100
+=
.
(13)
Như vậy (12) và (13), nhiệt dung riêng của vật liệu Èm phụ thuộc tuyến
tính với độ Èm.
II.2. Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu Èm nói chung phụ thuộc vào bản chất vật
khô, độ Èm của vật liệu mà còn phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc các hang xốp,
đường kính các mao quản. Hơn nữa hiện tượng dẫn Èm từ trong lòng vật liểu
ra bề mặt và thải vào môi trường cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình dẫn
nhiệt mà đặc trưng đó là hệ số dẫn nhiệt. Tuy nhiên để tính toán trong kỹ
thuật chúng ta chỉ quan tâm đến hệ số dẫn nhiệt tường đương khi đã tính ảnh
hưởng nói trên của một loại vật liệu cụ thể. Có rất nhiều phương pháp để xác
định hệ số dẫn nhiệt nhưng về nguyên tắc, để xác định độ dẫn nhiệt, phương
pháp nào cũng phải tìm cách xác định mật độ dòng nhiệt q và trường nhiệt độ
để tìm Gradient của nó.
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 14 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
Nếu biết hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô λ
k
và của nước hoặc hơi chứa
trong các hang sốp λ

+
=Ψ
2
3
(15)
Phân tử hình trụ:
)(3
5
ak
ak
λλ
λλ
+
+
=Ψ
(16)
Phân tử hình tấm mỏng:
a
ak
λ
λλ
3
2+
=Ψ
(17)
III. KHÔNG KHÍ ÈM.
Không khí Èm gồm có không khí khô và hơi nước. Trạng thái của
không khí Èm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sấy và bảo quản sản phẩm
sấy.
Theo định luật dalton, áp suất của không khí Èm bằng áp suất của hơi

không khí Èm).
Độ Èm tương đối của là tỷ số giữa độ Èm tuyệt đối ρ
h
trên độ Èm tuyệt
đối lớn nhất ρ
h.max
ứng với nhiệt độ nào đó của không khí Èm, ký hiệu là:
,%100.
max.h
h
p
p
=
ϕ
. (11).
TR
P
v
h
h
h
h
.
1
==
ρ
, kg/m
3
(12).
TR

ρ
- khối lượng riêng của hơi nước bão hoà, kg/m
3
;
v
,,
- thể tích riêng của hơi nước bão hoà, m
3
/kg;
P
b
- áp suất riêng của hơi nước bão hoà, N/m
2
.
Thay các giá trị tương ứng từ (13), (12) vào (11) ta thu được :
%100.
b
h
P
P
=
ϕ
(14)
Giá trị của ϕ thay đổi từ 0 đến 1 hoặc từ 0% đến 100%. Nếu ϕ = 0 thì
khi Êy ta có không khí khô tuyệt đối ( trong không khí không có hơi nước ).
Khi không khí Èm là tác nhân sấy thì ϕ càng nhỏ khả năng sấy của nó càng
tốt và ngược lại.
Độ chứa Èm của không khí :
Độ chứa Èm của không khí là tỷ số giữa khối lượng hơi nước và khối
lượng không khí khô:

= 461,5 J/kg.
0
K và R
k
= 287,1 J/kg.
0
K.
Do khối lượng hơi nước Ýt nên thứ nguyên của d là g/kg.kk.
Thể tích riêng của không khí Èm là v:
v =
kh
mm
V
+
; m
3
/kg (16)
Trong đó:
m
h
- khối lượng của hơi nước, kg;
m
k
- khối lượng của không khí , kg;
m = m
h
+ m
k
(kg)
Khối lượng riêng của không khí là âm là tỷ số giữa khối lượng m và

i
h
= r
h
+ C
h
.t = 2500 + 1,86.t (20)
C
k
và C
h
là nhiệt dung riêng của không khí khô và hơi nước kJ/kg.độ;
t - nhiệt độ không khí Èm ,
0
C;
r
h
- nhiệt hoá hơi của nước, kJ/kg.
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 17 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
thay các giá trị của các công thức (19), (20) vào công thức (18) ta được:
I = t + (2500 + 1,86.t)d (21)
Trong khoảng t = 0
0
C đến 100
0
C thì giá trị của I tính theo (21) có sai số
dưới 0,5 %.
Đồ thị I - d và trạng thái của không khí Èm.

t
A
t
s
d
A
d, g/kg kh.kh
P
h
, mmHg
I kcal/kg kh.kh
¸
p

s
u
Ê
t

h
¬
i

b
·
o

h
o
µ

Quan hệ giữa các đại lượng t, d, I của không khí Èm chưa bão hoà
(thuộc vùng trên đường ϕ = 1) thể hiện ở biểu thức sau :
I = ( 1+ 1,86.d )t + 2500d (22)
Khi d = 0 thì I = t; khi d tăng thì giá trị trước t cũng tăng.
Đường đẳng nhiệt ở vùng sương mù t
M
còn gọi là nhiệt độ bầu ướt . t
M
=
const đi qua điểm cắt nhau giữa đường I = const nào đó với đường ϕ = 1.
Đường t
M
bị gãy khúc với góc nghiêng thể hiện ở biểu thức sau:

tC
d
I
K
T
.=






∂
∂
(23)
I = C

. (25)
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 20 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
Đường ϕ = 1 (100 %) biểu diễn các trạng thái bão hoà của không khí
Èm ở những nhiệt đội khác nhau. Phía trên nó là vùng không khí Èm chưa
bão hoà phía dưới nó là vùng sương mù.
Đường quan hệ giữa áp suất riêng của hơi nước P
h
với d thể hiện ở
phương trình sau:
P
h
= P.
d
d
+
0622,0
(26)
Với d << 0,622 thì nó gần như là đường thẳng.
Từ đồ thị I - d ta có thể dễ dàng khoả sát sự thay đổi trạng thái của
không khí Èm khi nhiệt độ của nó thay đổi. Chẳng hạn ta có không khí Èm
với trạng thái điểm A có các thông số t
A
, ia, ϕ
A
, d
A
.
Khi ta hạn nhiệt độ của không khí Èm đó theo đường d = const. tại

= const đều làm cho không khí nhận thêm
nước. Như vậy các quá trình sấy vật Èm đều là các quá trình nằm bên phải
đường d
A
= const.
IV. HỆ CÂN BẰNG VẬT ÈM – KHÔNG KHÍ ÈM.
Như chóng ta đã biết, các vật Èm hay các sản phẩm sấy thường được
bảo quản trong môi trường không khí. Riêng các sản phẩm sấy đến độ Èm
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 21 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
thấp lại có tính háo nước thì cần phải bảo quản trong các bao kín hoặc trong
các môi trường khí trơ.
Quá trình tiếp xúc giữa không khí và vật Èm trong thời gian nhất định
giữa chúng sẽ sảy ra cân bằng.
Nếu không khí Èm có hơi nước áp suất riêng là P
h
lớn hơn áp suất hơi
nước P
m
ngay trên bề mặt vật Èm thì hơi nước từ không khí sẽ đọng và thấm
vào vật Èm. Trường hợp ngược lại với P
m
> P
h
thì vật Èm sẽ truyền Èm vào
không khí .
Thời gian truyền Èm để đến cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như :
nhiệt độ, độ Èm của không khí và vật Èm.
Khi cân bằng, áp suất hơi nước trong không khí bằng với áp suất hơi

Độ chứa Èm cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ và độ Èm tương đối của
không khí. Khi nhiệt độ của không khí là t = const thì quan hệ giữa u
c
và ϕ
thể hiện ở công thức sau:
u
c
= f(ϕ)
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 22 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
u
c
u
max
u
'
c
u
c
u
''
c
t = const
P
h
= P
b
P
h
> P

như vậy cùng một độ Èm
tương đối ϕ của không khí thì thì độ Èm cân bằng của vật ở quá trình hút bao
giờ cũng nhỏ hơn quá trình nhả.
Đường nhả Èm đối với quá trình sấy, đường hút Èm ứng với quá trình
bảo quản sản phẩm sấy. Nếu ta dùng không khí có ϕ = ϕ
1
để sấy vật Èm thì
độ Èm của nó giảm đến mức tối đa là u = u
c
trong quá trình bảo quản sản
phẩm tiếp súc với không khí có ϕ ≥ ϕ
2
và hút Èm trở lại. những vật háo nước
thì sau khi sấy phải được bảo quản trong bao gói hoặc trong khí trơ.
Lê Hữu Bằng – Lê Quý Dương - 23 - TRường đhbk hà nội
LíP MTP – k45
Thiết kế hệ thống sấy phun trong công nghiệp sản xuất sữa bột gầy
PHẦN II: THÀNH PHẦN HOÁ HỌC VÀ MỘT SỐ TÍNH
CHẤT ĐẶC TRƯNG CỦA SỮA NGUYÊN LIỆU
CHƯƠNG I: THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA SỮA
Hàm lượng các thành cơ bản của sữa có thể dao động trong một phậm vi
khá rộng, phụ thuộc vào sự khác biệt về giống, về điều kiện tự nhiên, điều
kiện chăn nuôi
Bảng các thành phần hính của 1 lít sữa bò
Các
thành
phần
Trọng
lượng
%

Ở dạng mixen 28g: ở dạng huyền
phù, là phức của phosphat canxi liên
kết với một liên hợp của các casein.
Ở dạng hoà tan 4,7g: là những cao
phân tử của albumin và
imunoglobulin.
Nitơ phi protein 0,3g: urê, axit uric,
creatin.
33 3,2
Chất
khoáng
(25÷40
g/l)
Ở trạng thái keo và hoà tan:
- ở dạng phân tử và ion: axit
xitric, K, Ca, P, Na, Cl, Mg.
- ở dạng các nguyên tố trung
lượng (oligoelement): Zn, Al,
Fe, Cu, I…
9 0,87
Chất
khô
tổng số
(MST)
Sữa đã được làm bốc hơi 130 12,6
Các
chất
khác
Các chất xúc tác sinh học: Các
vitamin(A,D,E,K,B