Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc làm lạnh bằng nitơ lỏng năng suất 100-200 kg h

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 7728 27/02/2010 Hà nội, tháng 12 năm 2009 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 ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ VIỆN NC TK CT MÁY NÔNG NGHIỆP CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Nguyễn Quốc Vũ Hà nội, tháng 12 năm 2009 2 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH TT 1 2 3 Họ và Tên Nguyễn Quốc Vũ Vũ văn Dương Nguyễn Tường Vân Học hàm học vị chuyên môn Kỹ sư Kỹ sư Tiến Sĩ Chức vụ Cơ quan Trưởng phòng nghiên cứu 2 Viện NCTKCT Viện Trưởng máy NN -nt-nt- 3 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 1.2 Máy nghiền mịn ngũ cốc........................................................................................... 9 1.2.1 Rotor máy nghiền bằng phương pháp va đập................................................. 11 1.2.2 Stator máy nghiền bằng phương pháp va đập ................................................ 12 1.2.3 Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động ............................................... 13 2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H .......................................................................................... 15 2.1 Thiết kế cụm chi tiết nghiền mịn ngũ cốc ............................................................... 16 2.2 Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh ......................... 17 2.3 Thiết kế cụm chi tiết phân ly................................................................................... 20 3 CHẾ TẠO MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H .......................................................................................... 22 4 KHẢO NGHIỆM MÁY NGHIỀN MỊN SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H ...................................................................................................... 26 4.1 Mục đích khảo nghiệm:........................................................................................... 26 4.2 Dụng cụ, thiết bị đo đạc dùng trong khảo nghiệm .................................................. 26 4.3 Phương pháp tiến hành khảo nghiệm: ..................................................................... 26 4.4 Kết quả khảo nghiệm: ............................................................................................. 28 5  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................................... 34  4 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH Trong hầu hết các ngành công nghiệp chế biến, nguyên công nghiền nhỏ nguyên liệu, vật liệu dạng hạt đến kích thước phù hợp được sử dụng nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ, đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm. Bản chất của quá trình nghiền vật liệu này là làm nhỏ kích thước vật liệu, nhờ đó làm thay đổi một số tính chất vật lý của vật liệu để 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 biến 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 của 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 5 (- 196 0C), 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 nghiền các sản phẩm ngũ cốc có chứa hàm lượng protein, chất béo cao như đậu tương, ngô… 1.1 Các phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt và những yếu tố ảnh hưởng Dưới tác dụng cơ học, vật liệu được tác động đến một lực vượt quá ngưỡng biến dạng đàn hồi và bị phân tách để có kích thước nhỏ hơn. Việc nghiền nhỏ vật liệu dạng hạt nhờ lực cơ học được phân loại theo các phương pháp (1): a- Phương pháp ép, miết (hình 1-a, 1-c), dưới tác dụng của lực ép, miết hay kết hợp cả hai, vật liệu ở hai mặt ép bị phân tách, vỡ ra thành các hạt có kích thước nhỏ hơn; b- Phương pháp cắt nhỏ vật liệu thông qua dao cắt (hình 1-b); c- Phương pháp mài tách lớp (hình 1-f); Hình 1: Phương pháp nghiền vật liệu dạng hạt dưới tác dụng cơ học d- Phương pháp va đập (hình 1-d, 1-e), vật liệu được cung cấp động năng lớn va đập với nhau hoặc với bề mặt cứng và vỡ thành những mảnh có kích thước nhỏ hơn. Các thiết bị nghiền sử dụng các phương pháp nghiền kể trên một cách 6 riêng biệt hoặc/ và thường được sử dụng kết hợp hai hoặc nhiều phương phương pháp nghiền. Việc lựa chọn phương pháp nghiền, thiết bị nghiền tương ứng dựa trên tính chất của vật liệu được nghiền, yêu cầu năng suất nghiền mức độ nghiền nhỏ cũng như độ đồng đều của vật liệu sau nghiền. Tính chất quan trọng của vật liệu nghiền cần được quan tâm trong quá trình lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền có thể kể đến như khả năng nghiền nhỏ của vật liệu ứng với mỗi phương pháp nghiền, độ cứng của vật liệu cần nghiền… Khả năng nghiền nhỏ của vật liệu nghiền được xác định bởi khối lượng vật liệu 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 cần 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 7 Mềm Mềm Mềm Cứng trung bình Cứng trung bình Cứng trung bình Cứng Cứng Cứng Cứng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Đá tan Thạch cao Canxit Fluorit Apatit Fenspat Thạch anh Topaz Corundum Kim cương Độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu sau nghiền cũng là yếu tố cần quan tâm trong lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền. Độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu sau nghiền được đặt ra theo yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên với yêu cầu về độ mịn của vật liệu sau nghiền càng cao, chi phí năng lượng cho nghiền cũng tăng lên nhiều, đồng thời năng suất nghiền của thiết bị giảm đi nhiều lần (Đồ thị 1). Thực nghiệm cho thấy, khi vật liệu được nghiền đến độ mịn nhất định thì khả năng liên kết tạo vón từ những hạt mịn xảy ra, và khả năng này gặp nhiều hơn ở vật liệu mềm hơn ở vật liệu cứng (1). Khả năng liên kết tạo vón này làm ảnh hưởng đến việc phân ly vật liệu trong và sau quá trình nghiền. Như vậy, theo yêu cầu về độ mịn, độ đồng đều về độ mịn của vật liệu cần có phương pháp phân ly vật liệu trong và sau quá trình nghiền cho phù hợp. Một số yếu tố khác của như nhiệt độ, độ ẩm của vật liệu nghiền cũng có ảnh hưởng đến quá trình nghiền. Trong quá trình nghiền, nhiệt độ của vật liệu nghiền tăng lên, đặc biệt đối với yêu cầu về độ mịn cao sau nghiền. Ở một số vật liệu trong đó có chứa hàm lượng protein, dầu, chất béo cao như đậu tương, ngô, cùng với việc tăng nhiệt độ, tính chất vật lý của vật liệu như độ dẻo, độ đàn hồi cũng thay đổi. Vật liệu trở nên dẻo và đàn hồi hơn cản trở quá trình nghiền, thậm chí làm mất khả năng nghiền của thiết bị. Ngoài ra, việc gia tăng nhiệt độ trong quá trình nghiền có thể làm giảm đáng kể chất lượng của sản phẩm. Để nghiền mịn những vật liệu này cần thiết lựa chọn phương pháp, thiết bị nghiền phù hợp nhằm giảm thiểu sự gia tăng nhiệt độ của vật liệu trong quá trình nghiền. Để có thể nghiền mịn được những vật liệu 8 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 dụng 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. Đồ thị 1: Sự thay đổi năng suất, chi phí năng lượng, giá thành nghiền theo yêu cầu độ mịn sau nghiền (1) 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 9 Hình 2: Thiết bị nghiền cắt 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. Bảng 2: Bảng lựa chọn kiểu thiết bị nghiền phù hợp theo độ mịn của vật liệu sau nghiền 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 đạt đến kích thước sau nghiền 1-100 mm. Những thiết bị nghiền như nghiền bi, nghiền lô, nghiền trục ép dưới áp suất lớn cho phép nghiền những vật liệu có độ cứng cao, ít dính bết và không bị ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến chất lượng trong quá trình nghiền ví dụ như nghiền xi măng, các loại bột khoáng sản CaCO3… Độ mịn của vật liệu sau nghiền có thể đạt tới < 10 µm. Đối với ứng dụng nghiền các hạt ngũ cốc, vật liệu thuộc dạng mềm, vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ trong quá trình nghiền, các kiểu thiết bị nghiền theo phương pháp va đập thường được sử dụng. Đây là kiểu thiết bị nghiền thường được sử dụng cho nghiền Hình 3: Các dạng roto sử dụng trên thiết bị nghiền theo phương pháp va đập các dạng vật liệu mềm cho đến có độ cứng trung bình. Độ mịn của vật liệu sau nghiền trên các thiết bị này có thể từ vài mm đến rất mịn 10-50 µm tùy thuộc vào kết cấu, tốc độ vòng quay của đĩa nghiền. Các thiết bị nghiền kiểu này thường có kết cấu gồm stator 10 (vỏ nghiền, hàm nghiền) cùng rotor nghiền (Hình 3), trên đó được gá các cánh va đập (búa nghiền) hay các răng (kim) nghiền. Roto nghiền quay va đập vào vật liệu nghiền đồng thời truyền động năng cho vật liệu nghiền va đập với nhau và va đập vào stator. Qua quá trình va đập, vật liệu nghiền bị vỡ nhỏ. Kết quả thu được là vật liệu nghiền có kích thước nhỏ hơn. Tùy thuộc vào tính chất của vật liệu và yêu cầu về độ mịn sau nghiền mà các thiết 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. Hình 4: Máy nghiền búa 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, số 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 5: Rotor nghiền với cánh cố định 11 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 Hình 6: Rotor nghiền với răng/ kim nghiền 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 thể đạt được dưới 100 µm, phụ thuộc vào tốc độ vòng của cánh nghiền. Ngoài 3 dạng cơ bản kể trên, rotor nghiền có thể là sự kết hợp từ 3 kiểu này. Các thiết bị nghiền va Hình 7: Rotor nghiền kết cấu dạng cánh quạt đập với rotor nghiền này có ưu điểm là tạo ra sự lưu thông khí tốt trong quá trình nghiền giúp cho đồng thời làm mát được vật liệu nghiền. Vì vậy mà các thiết bị nghiền này phù hợp với việc nghiền các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như các sản phẩm dùng trong lĩnh vực thực phẩm, y tế. Kết cấu của thiết bị cũng có khả năng phù hợp với việc đưa thêm các tác nhân làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền (như sử dụng nitơ lỏng làm lạnh). 1.2.2 Stator máy nghiền bằng phương pháp va đập Phần Stator máy nghiền cũng được thiết kế theo mục đích nghiền. Theo yêu cầu cần giới hạn kích thước của vật liệu sau nghiền thiết bị nghiền có thể được kết cấu nghiền có sàng hoặc nghiền không sàng. Theo đó, stator có thể chỉ gồm hàm nghiền hoặc là sự kết hợp cả hàm nghiền cùng sàng nghiền (theo đó vật liệu nhỏ hơn kích thước lỗ sàng 12 nghiền mới được ra khỏi thiết bị nghiền). Việc sử dụng sàng nghiền có sự hạn chế đối với nghiền các vật liệu có độ chảy thấp và có khả năng gây bết dính như một số dạng ngũ cốc: đậu tương, ngô… Kích thước lỗ sàng nghiền được sử dụng để kiểm soát độ mịn vật liệu bị giới hạn ở 250-300 µm bởi tính chất của vật liệu gây bít lỗ lưới cũng như yếu tố hiệu suất nghiền. 1.2.3 Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động Nghiền khô các vật liệu dạng hạt, ngũ cốc là một trong những công đoạn của quá trình chế biến. Theo yêu cầu về độ đồng đều của vật liệu sau nghiền, quy trình nghiền các vật liệu này có thể thể hiện theo sơ đồ 1-a, hay 1-b. Vật liệu (a) (b) Vật liệu được nghiền nhỏ Nghiền Vật liệu đạt độ mịn yêu Vật liệu Nghiền Phân ly/ Phân loại Vật liệu lớn hơn KT yêu cầu Sơ Đồ 1: Sơ đồ nguyên lý quy trình nghiền 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 đều 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 giảm dần) 13 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 liệu 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 Hình 8: Thiết bị nghiền mịn kết hợp phân ly khí động của Condux phân ly khí động (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 14 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 động của thiết bị nghiền kể trên, nhóm thực hiện đề tài nhận thấy thiết bị nghiền không sàng kết hợp phân ly khí động kể trên có nhiều yếu tố phù hợp cho việc nghiền mịn ngũ cốc có chứa hàm lượng protein và chất béo cao như: - Việc phân ly khí động được kết hợp trong quá trình nghiền giúp có thể thu được sản phẩm sau nghiền có độ mịn và độ đồng đều cao; - Thiết bị nghiền theo phương pháp va đập, với các cánh nghiền gắn cố định trên đĩa nghiền, kết cấu máy cho phép một lượng khí lớn được đưa vào để làm mát vật liệu trong quá trình nghiền. Với kết cấu như vậy phù hợp với khả năng phối trộn chất làm lạnh (nitơ lỏng) với vật liệu hay dòng khí đưa vào buồng nghiền để làm lạnh vật liệu trong quá trình nghiền, do vậy có khả năng nghiền mịn được các loại ngũ cốc có chứa hàm lượng protein, chất béo cao; - Kết cấu thiết bị cho phép dễ dàng vệ sinh khi cần thiết, một trong yếu tố quan trọng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm. Với nhận định như vậy, nhóm thực hiện đề tài sẽ tiến hành thiết kế, chế tạo máy nghiền mịn ngũ cốc theo phương pháp va đập ( trong đó cánh nghiền được gắn cố định trên đĩa nghiền), kết hợp với phân ly khí động. Chất làm lạnh (nitơ lỏng) ngũ cốc được đưa vào trong quá trình nghiền được sử dụng để có thể nghiền được những loại ngũ cốc có hàm lượng protein, dầu/chất béo cao như đậu tương, ngô… 2 THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN MỊN NGŨ CỐC SỬ DỤNG NITƠ LỎNG LÀM LẠNH NĂNG SUẤT 100-200 KG/H Trên cơ sở nghiên cứu về nghiền mịn và thiết bị nghiền mịn như đã nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài thiết kế thiết bị sử dụng cho nghiền mịn ngũ cốc có chứa hàm 15 lượng protein, chất béo/dầu cao năng suất 100-200 kg/h. Thiết bị sẽ được thiết kế theo mẫu nguyên lý nghiền va đập có kết hợp phân ly vật liệu bằng khí động của một số hãng 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 chứa 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 dụng 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; Hình 9: Nguyên lý làm việc của thiết bị nghiền kết hợp phân ly 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 tiếp 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. 16 Thông số về năng suất của các thiết bị nghiền đòi hỏi được xác định bằng thực nghiệm ứng với mỗi thiết kế máy và vật liệu được nghiền. Do vậy, nhóm thực hiện đề tài đi theo hướng dựa trên thông số thiết bị của các nhà sản suất thiết bị như Hosokawa Alpine, Condux để xác định các thông số thiết kế của thiết bị. Theo đó, tương ứng với năng suất nghiền 100-200 kg/h, đường kính ngoài của cánh nghiền phù hợp khoảng φ460 mm, công suất động cơ nghiền 11 KW ( Dựa theo thông số năng suất của máy nghiền hãng Condux). Trên cơ sở xác định đường kính ngoài của cánh nghiền φ460 mm, tốc độ vòng quay của trục đĩa nghiền được tính toán. Theo các tài liệu nghiên cứu thực nghiệm, để có thể nghiền mịn vật liệu đến kích thước nhỏ hơn 100 - 250 µm, vận tốc vòng của cánh nghiền cần đạt 100-115 m/s. Từ đó có thể xác định được vận tốc vòng quay của trục nghiền tương ứng là 4152-4775 vòng/phút. Từ kết quả lựa chọn, phân tích, và tính toán như trên, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn một số thông số thiết kế chính của máy nghiền mịn ngũ cốc năng suất 100-200 kg/h, độ mịn của vật liệu sau nghiền dưới 250 µm như sau: - Công suất đông cơ nghiền 11 kw; - Đĩa nghiền có kết cấu dạng đĩa, trên đó có gắn các vấu nghiền. Đường kính ngoài của đĩa nghiền có kích thước φ460 mm; - Tốc độ vòng quay trục đĩa nghiền: 4800 vòng/phút. 2.2 Thiết kế cụm chi tiết cấp nguyên liệu sử dụng nitơ lỏng làm lạnh Để nghiền mịn vật liệu, vận tốc vòng của cánh nghiền phải cao, điều này dẫn đến vật liệu sẽ bị nóng lên trong quá trình nghiền. Với kết cấu máy nghiền kết hợp phân ly 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 tăng 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 17 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 lỏng 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 0C). 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 và đảo trộn, do vậy việc đưa các đầu phun tác nhân làm lạnh (nitơ lỏng) tại đây sẽ tạo được khả năng làm lạnh sâu cũng như đạt được độ đồng đều về nhiệt độ của vật liệu cấp cho nghiền. Để phù hợp cho việc cấp phối trộn nitơ lỏng, vít cấp liệu được thiết kế đặc biệt (hình 10). Nitơ lỏng được cấp vào vít cấp liệu (5) qua ống dẫn (4). Tại đây, nitơ lỏng được trộn đều với vật liệu có trong vít, vật liệu được làm lạnh. Phễu cấp liệu (1) được thiết kế có thêm vách ngăn (2) tạo thành vách khí (3). Nhờ vách khí này một phần nitơ lỏng được trộn với không khí Hình 10: Vít cấp liệu 18 sẽ đi vào làm mát buồng nghiền, đồng thời cũng giúp chống tắc vật liệu tại miệng ra của vít cấp liệu. Vít cấp liệu được thiết kế phù hợp với năng suất cấp vật liệu cho máy nghiền 100200 kg/h. Một số thông số kỹ thuật chính của vít: - Năng suất cấp vật liệu của vít: 100-200 kg/h; - Đường kính cánh vít: φ80 (mm); - Chiều dài vít: 400 (mm); - Tốc độ quay của vít cấp liệu max. 30 vòng/phút và được điều chỉnh vô cấp thông qua biến tần cho phù hợp với mức độ nghiền; - Công suất động cơ hộp số: 500 W, 3 pha 380V. Hệ thống làm lạnh ngũ cốc trong quá trình nghiền được thiết kế theo sơ đồ 2. Trong đó, tác nhân làm lạnh nitơ lỏng được chứa trong bình chứa (E-1) được bơm nitơ (E-2) đưa tới tới vít cấp liệu (E-4) rồi 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  19 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 vật liệu ra phía ngoài lồng Hình 11: Bộ phận phân ly khí động 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. Ngược 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 lượng khí được đưa vào buồng nghiền và tốc độ vòng quay của lồng phân ly tương ứng. Điều chỉnh hai thông số kỹ thuật này Sơ Đồ 3: Nguyên lý phân ly khí động có thể đạt được độ mịn mong muốn của vật liệu sau nghiền. Theo thông số thực nghiệm tỉ lệ về phối trộn vật liệu và khí trong phân ly theo phương pháp kể trên trong khoảng 0,1 - 0,25 kg/m3 (2), có thể xác định được lưu lượng khí được đưa vào buồng nghiền với mục đích phân ly trên máy nghiền mịn năng suất 100-200 kg/h tương ứng: 500 - 2000 m3/h. 20