Nghiên cứu thiết kế mô hình sấy tầng sôi xung khí kiểu mẻ dùng sấy vật liệu rời có độ ẩm cao :Báo cáo tổng kết đề tài Khoa học cấp trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO KHOA HỌC TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN

CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mô hình sấy tầng sôi xung khí kiểu

mẻ dùng sấy vật liệu rời có độ ẩm cao

Mã số đề tài: IUH.KNL 10/15

Chủ nhiệm đề tài: Phạm Quang Phú

Đơn vị thực hiện: Khoa công nghệ Nhiệt Lạnh

TP Hồ Chí Minh, năm 2018

1

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế mô hình sấy tầng sôi xung khí kiểu mẻ dùng sấy vật

liệu rời có độ ẩm cao

1.2. Mã số: IUH.KNL 10/15

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 ThS. Phạm Quang Phú Khoa CN Nhiệt Lạnh -

BM Kỹ thuật nhiệt Chủ nhiệm đề tài

2 ThS. Lê Đình Nhật Hoài Khoa CN Nhiệt Lạnh -

BM Kỹ thuật nhiệt Thành viên chính

3 ThS. Dương Tiến Đoàn Trung tâm R&D Tech Thành viên chính

4 ThS. Nguyễn Hoàng Khôi Khoa CN Nhiệt Lạnh -

BM Kỹ thuật nhiệt Thành viên chính

1.4. Đơn vị chủ trì:

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 11 năm 2015 đến tháng 11 năm 2016

1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2017

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 11 năm 2015 đến tháng 06 năm 2017

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): không

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 20 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Đối với nguyên liệu khó sấy như muối tinh và đường cát RS hay đường tinh luyện RE thì hiện

trong nước đang tồn tại cả máy sấy chất lượng thấp thấp đến máy sấy chất lượng cao có thể liệt

kê dưới đây:

Đầu tiên là máy sấy rang (sấy tiếp xúc); muối sau khi ly tâm được đưa vào chảo lớn,

sau đó dùng củi, than đốt bên dưới chảo, lao động thủ công đưa nguyên liệu liệu vào rồi cào

đảo qua lại để làm khô.

Kỹ thuật sấy cao hơn kế tiếp là ứng dụng sấy theo nguyên lý truyền nhiệt đối lưu trong

máy sấy trống quay (Rotary drum dryer). Quá trình sấy diễn ra liên tục cho chất lượng tốt hơn

so với phương pháp trước đây. Khi nhu cầu tiêu thụ của con người cao hơn thì phương pháp

sấy này không còn phụ hợp nữa, cụ thể như: tỷ lệ phế phẩm cao, màu sắc sản phẩm chưa giống

màu tự nhiên, hạt sau khi sấy bị bể vỡ, các góc cạnh của hạt không còn được giữ nguyên như

khi đưa vào máy sấy.

Sau máy sấy thùng quay, kỹ thuật sấy tiếp tục chuyển thêm một bước tiến mới là sấy

rung kết hợp tầng sôi được nhập khẩu vào Việt Nam và hiện đang được sử dụng trong ngành

công nghiệp sản xuất muối tinh và sản xuất mía đường cao cấp. Việc sử dụng máy sấy rung

tầng sôi (fluidized and vibration dryer) đã khắc phục các nhược điểm còn lại của máy sấy thùng

quay. Máy sấy rung tầng sôi gọn hơn máy sấy thùng quay cho chất lượng sản phẩm sấy cao hơn

hẳn, tuy vậy kết cấu của máy cũng còn khá phức tạp. Có thể tìm thấy ứng dụng của máy sấy

rung tầng sôi nhập khẩu ở các Công ty đường Bình Định, Công ty mía đường Trị An, nhà máy

sản xuất cơm dừa Thành Vinh – Bến Tre, nhà máy sữa Trường Thọ, nhà máy sữa Thống nhất

(Công ty Vinamilk).

Về nghiên cứu máy sấy tầng sôi đã có các tác giả trong nước nghiên cứu dưới dạng học thuật

lẫn thiết bị đi vào sản xuất.

2

Tác giả: Bành Xuân Phổ, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh năm 1999 công

bố “Nghiên cứu phương pháp sấy tầng sôi để sấy cơm dừa trong luận án tiến sĩ.

Tác giả: Lê Đức Trung, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh năm 2003 công

bố kết quả “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp sấy tầng sôi trong sản xuất thức ăn thủy sản ở

Việt Nam trong luận án tiến sĩ.

Năm 2009, hai tác giả Bùi Trung Thành (Đại học Công nghiêp TP Hồ Chí Minh) và

Nguyễn Hay (Đại học Nông lâm Tp HCM) đã công bố kết quả nghiên cứu về máy sấy muối

tinh bằng phương pháp sấy tầng sôi thông thường kiểu dòng trộn và năm 2011, tác giả Bùi

Trung Thành Công bố kết quả “Nghiên cứu kỹ thuật sấy muối tinh bằng phương pháp sấy tầng

sôi trong luận án tiến sĩ của trường Đại học nông lâm TPHCM. Kết quả nghiên cứu được công

bố trong 18 bài báo khoa học đăng trên các tạp chí chuyên ngành cho nhiều kết quả vượt trội

về chất lượng và hiệu suất sấy so với sấy bằng máy sấy thùng quay và máy sấy rung tầng sôi,

tuy nhiên nếu xét riêng về mặt tiệu thu năng lượng điện riêng sử dụng cho việc cấp tác nhân

sấy thì còn cao.

Ngoài ra trong nước đã có một số công ty Cơ khí đã tham khảo thiết kế, chế tạo máy

sấy rung tầng sôi ứng dụng sấy cơm dừa của tỉnh Bến Tre có thể xem là một tiến bộ của ngành

cơ khí phục vụ sấy vật liệu rời có đặc tính kết dính.

Thông qua các bài báo khoa học của một số nhà khoa học hàng đầu công bố kết quả

nghiên cứu và thử nghiệm mà tác giả đã tham khảo cho thấy phương pháp sấy tầng sôi xung

khí bước đầu đã sấy thử cho một số loại vật liệu có đặc tính kết dính thành công.

Máy sấy và phương pháp sấy tầng sôi xung khí cho đến này chưa được nghiên cứu và

ứng dụng ở Việt Nam. Vấn đề cấp bách của thực tiễn là cần phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp

mới, công nghệ mới trong việc sấy các loại vật liệu có đặc tính kết dính, đặc biệt công nghệ

mới trong sấy muối tinh, sấy đường RS, đường RE là các loại hàng hóa có sản lượng lớn nhằm

đáp ứng về mặt chất lượng, nâng cao hiệu suất sấy, nhưng phải giảm chi phí về tiêu thụ điện

trong sấy nhằm vừa thỏa mãn về chất lượng sản phẩm sấy vừa bảo đảm chi phí sấy theo hướng

tiết kiệm năng lượng.

Để giải quyết vấn đề chi phí năng lượng cho quạt sử dụng trong quá trình sấy, một số tác

giả của thế giới đã nghiên cứu một phương pháp sấy tầng sôi mới đó là phương pháp tầng

sôi kiểu xung khí (pulsed fluidized bed dryer). Các công bố cho thấy mô hình thí nghiệm

cho kết quả khả quan về mặt tiết kiệm năng lượng.

Tác giả M.C.B Ambrosio và O.P.Taranto [22] công bố rằng phương pháp sấy bằng

xung khí cho ưu điểm về mặt tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm lưu lượng khí cấp vào buồng

sấy trong quá trình sấy.

Theo Jezowska (1993) [20] nghiên cứu cho thấy khi sấy vật liệu bằng máy sấy lớp hạt

sôi kiểu xung khí cho phép tiết kiệm năng lượng được hơn 50% so với sấy bằng máy sấy tầng

sôi thông thường.

Gawrzynski và các cộng sự (1996) [30] cũng nghiên cứu sấy đường bằng phương

pháp sấy tầng sôi xung khí trên mô hình nhỏ trong phòng thí nghiệm cho kết quả tốt. Các

tác giả đã quan sát được sự xung động của không khí nóng đã tạo ra lớp hạt sôi, tạo ra một

sự hòa trộn mãnh liệt đối với vật liệu rắn và gia tăng diện tích giữa bề mặt, điều này cải

thiện quá trình sấy.

Năm 1998, các tác giả Gawrzynski, Kudra, Glaser [26] đã công bố patent máy sấy tầng

sôi xung khí để áp dụng trong quy mô công nghiệp.

Cũng theo tác giả Todor Djurkov [27, 28], máy sấy tầng sôi kiểu xung khí có khả

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, hóa chất, sản phẩm công nghệ

sinh học như bột trộn trứng, bột mì, các loại hạt…mang lại kết quả khả quan. Tuy nhiên

loại máy sấy này lại được khuyến cáo về công nghệ chế tạo máy yêu cầu cao hơn máy sấy

tầng sôi thông thường.

Để xử lý cho các trường hợp khi sấy vật liệu có độ ẩm của nguyên liệu đầu vào cao, giữa

các hạt có xu hướng dính với nhau và vón cục, người ta thường dùng kiểu cấp liệu rung trước

buồng sấy, tuy nhiên nếu dùng kiểu sấy tầng sôi xung khí sẽ dễ dàng tách liên kết giữa các hạt

3

bằng cách thay đổi trạng thái cấp khí đột ngột. So với các kiểu phá liên kết dính thì kiểu này tỏ

ra có ưu điểm rõ rệt. Nhờ tác động bằng dòng tác nhân khí nên va đập cơ học giữa vật liệu sấy

và ghi phân phối tác nhân sấy không xảy ra, sản phẩm nên các hạt vật liệu không bị bào mòn

các cạnh, các hạt vật liệu không bị vỡ nên tỷ lệ thu hồi sản phẩm và chất lượng sấy sẽ ổn định

hơn.

Cũng theo các kết quả nghiên cứu của các tác giả công bố cho thấy máy sấy tầng sôi

kiểu xung khí có cấu trúc tương đối đơn giản, độ hoạt động tin cậy cao, tiêu thụ năng lượng của

loại máy sấy này thấp hơn so với các loại máy sấy tầng sôi thông thường.

Hiện nay, trong nước chưa có nghiên cứu về máy sấy tầng sôi xung khí nào được công

bố vì vậy đề tài mang tính mới và cần thiết. Việc chế tạo được mô hình thực nghiệm về tầng

sôi xung khí sẽ giúp làm cơ sở nền tảng nghiên cứu thực nghiệm về công nghệ sấy mới này.

2. Mục tiêu của đề tài

a. Mục tiêu tổng quát

Làm đa dạng hóa các máy sấy vật liệu rời của nguyên lý sấy tầng sôi để phục vụ trong

nghiên cứu trong công nghệ chế biến thực phẩm ứng dụng trong thực tiễn có hướng đến tiết

kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng.

b. Mục tiêu cụ thể

- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình sấy tầng sôi xung khí ứng dụng sấy muối tinh và

đường RS dạng mẻ có năng suất 5 kg/mẻ.

- Xây dựng và tối ưu hóa các thông số công nghệ đối với từng loại vật liệu (muối, đường

RS) để có được sản phẩm sấy đạt chuẩn chất lượng, hiệu suất thu hồi cao và chi phí sấy

hợp lý.

3. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu kế thừa: kế thừa kiến thức lý thuyết và các công trình đã công

bố trong các tài liệu kỹ thuật, sách, tạp chí chuyên ngành trên thế giới và trong nước.

- Phương pháp giải tích toán học: sử dụng các mối quan hệ toán học, hình học để giải

quyết bài toán xác định kích thước của thiết bị sấy.

- Phương pháp chuyên gia: Sử dụng kiến thức thực tế cũng như lý thuyết của các chuyên

gia trong lĩnh vực sấy nông sản, thực phẩm; các tác giả đã có các công trình công bố về

kỹ thuật sấy tầng sôi.

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: sử dụng phương án quy hoạch trực giao bậc 2 để

xác định phương trình hồi quy tương quan giữa các hàm mục tiêu và các thông số công

nghệ, từ đó tối ưu hóa các hàm mục tiêu để xác định các thông số công nghệ hợp lý của

quá trình sấy.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Đề tài đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí đối với vật liệu

rời có độ ẩm cao. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết đã tiến hành thiết kế và chế tạo mô hình vật

lý có quy mô thí nghiệm để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm.

Đề tài đã tiến hành xây dựng quy hoạch thực nghiệm cấp 2 dưới 02 dạng đó là: (1) Quy

hoạch trực giao cấp 2 cho quá trình sấy mè; (2) Quy hoạch cấp 2 dạng 3k cho quá trình sấy

đường RS. Kết quả là, các phương trình hồi quy bậc 2 đã được xây dựng để đánh giá ảnh hưởng

của các thông số công nghệ đến các hàm mục tiêu đầu ra gồm độ ẩm sản phẩm, chi phí điện

năng riêng, chi phí nhiệt năng riêng. Qua đó xác định được các thông số tối ưu như sau:

Đối với quá trình sấy mè:

+ Nhiệt độ sấy: 63,13￾C

+ Vận tốc tác nhân sấy: 1,21 m/s

+ Tốc độ xung khí: 12 vòng/phút

Ở phạm vi này, độ ẩm sản phẩm đạt 6,26%, chi phí điện năng đạt 408 Wh/kg ẩm và chi phí

nhiệt năng đạt 4989 kJ/kg ẩm.

Đối với quá trình sấy đường RS:

+ Nhiệt độ sấy: 76,5￾C

4

+ Vận tốc tác nhân sấy: 2,0 m/s

+ Tốc độ xung khí: 14 vòng/phút

Ở phạm vi này, độ ẩm sản phẩm đạt 0,05%, chi phí điện năng đạt 3932,46 Wh/kg ẩm và chi

phí nhiệt năng đạt 8085 kJ/kg ẩm.

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy máy sấy tầng sôi xung khí dạng

mẻ phù hợp để sấy các loại vật liệu rời, có kích thước nhỏ, phân tán hoặc đồng đều. Các yếu tố

ảnh hưởng đến quá trình sấy vật liệu trên máy sấy tầng sôi xung khí là nhiệt độ sấy, vận tốc tác

nhân sấy và tốc độ xung khí.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã tạo ra nền tảng lý thuyết và thực nghiệm trong việc nghiên

cứu ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí đối với vật liệu rời, có độ ẩm cao. Các kết quả cho

thấy kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí có khả năng tiết kiệm năng lượng so với kỹ thuật sấy tầng

sôi thông thường. Mô hình vật lý từ kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên

cứu chuyên sâu hơn nữa về kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí và làm nền tảng để phát triển công

nghệ sấy tầng sôi xung khí ở quy mô công nghiệp.

Tóm lại, đề tài cũng đã góp phần làm đa dạng hóa các máy sấy vật liệu rời của nguyên lý

sấy tầng sôi để phục vụ trong nghiên cứu trong công nghệ chế biến thực phẩm ứng dụng trong

thực tiễn có hướng đến tiết kiệm và sử dụng hiệu quả năng lượng

6. Tóm tắt kết quả

The application of pulsed fluidized bed drying technique for cohesive materials was

studied in this research topic. From the results of theoretical research, the physical model was

designed and manufactured to carry out the experimental research.

The experimental design level 2 was conducted in two forms: (1) 2-level orthogonal

experimental planning for sesame drying process; (2) 3k experimental planning for the refined

standard sugar drying process. As a result, the second order regression equations have been

developed to evaluate the effect of technological parameters on the output function, including

the final moisture content, the specific electrical energy, the specific heat value consumption.

The optimal parameters for each process was definited as follows:

For the sesame drying process: the optimal parameters were determined such as: gas

temperature was 63,13￾C, gas velocity was 1,21 m/s, pulsed speed was 12 RPM. Corresponding

to these optimal parameters, the objective functions reached the minimum value, including the

final moisture content 6,26%, the specific electrical energy 408 Wh/kg vapor and the specific

heat value consumption 4989 kJ/kg vapor.

For the RS sugar drying process: the optimal parameters were determined such as: gas

temperature was 76,5￾C, gas velocity was 2,0 m/s, pulsed speed was 14 RPM. Corresponding

to these optimal parameters, the objective functions reached the minimum value, including the

final moisture content 0,05%, the specific electrical energy 3932,46 Wh/kg vapor and the

specific heat value consumption 8085 kJ/kg vapor.

The theoretical and empirical results show that batch pulsed fluidized bed dryer is

suitable for drying cohesive, small size, dispersed or uniform materials. The technological

parameters influencing the material drying on the fluidized bed dryer are drying temperature,

drying agent velocity and pulsed speed.

5

III. Sản phẩm, công bố và kết quả đào tạo của đề tài

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt được

1

Mô hình máy

sấy tầng sôi

xung khí dạng

mẻ

- Năng suất sấy muối tinh hoặc

đường RS (sản xuất từ mía

đường): 5kg/mẻ.

- Độ ẩm đầu vào:

+ Muối tinh: ≤5%

+ Đường RS: ≤4%

- Độ ẩm đầu ra: <0,3% (cho cả

muối tinh và đường RS)

- Màu sắc hạt: Sáng, trắng tự

nhiên

- Chi phí tiêu hao năng lượng

điện cho quạt cấp tác nhân

sấy: Ít hơn máy sấy thông

thường 25-40%

- Năng suất sấy muối tinh hoặc

đường RS (sản xuất từ mía

đường): 2-5kg/mẻ.

- Độ ẩm đầu vào:

+ Muối tinh: 4-5%

+ Đường RS: 2-4%

- Độ ẩm đầu ra: <0,3% (cho cả

muối tinh và đường RS)

+ Muối tinh: <0,3%

+ Đường RS: <0,05%

- Màu sắc hạt: Sáng, trắng tự nhiên

- Chi phí tiêu hao năng lượng điện

cho quạt cấp tác nhân sấy: Ít hơn

máy sấy thông thường 30%

2 Bộ bản vẽ thiết

kế chế tạo và

quy trình vận

hành, bảo trì,

sửa chữa các

thiết bị mô

hình máy sấy

tầng sôi xung

khí dạng mẻ,

năng suất 5

kg/mẻ.

- Bản vẽ tổng thể bố trí mô

hình, thiết bị.

- Bản vẽ chi tiết các thiết bị

chính của mô hình.

- Bộ tài liệu quy trình vận

hành, bảo trì, sửa chữa các

thiết bị mô hình.

- 01 Bản vẽ tổng thể bố trí mô hình,

thiết bị.

- 03 Bản vẽ chi tiết các thiết bị

chính của mô hình.

- 01 Bộ tài liệu quy trình vận hành,

bảo trì, sửa chữa các thiết bị mô

hình.

3

Bài báo khoa

học

Nghiên cứu thực nghiệm đánh

giá các yếu tố ảnh hưởng đến

quá trình sấy tầng sôi xung khí

dạng mẻ sấy vật liệu kết tinh

có đặc tính kết dính trong môi

trường nhiệt

Phạm Quang Phú, Bùi Trung

Thành, Nghiên cứu thực nghiệm

xác định các thông số công nghệ

sấy hạt mè (vừng) trên máy sấy

tầng sôi xung khí dạng mẻ, Tạp chí

Đại học công nghiệp Tp.HCM, số

01/2017. Mã bài báo: 2017072001