TÓM TẮT:

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục đích đưa ra sản phẩm máy vê viên loại mini  dùng trong phòng thí nghiệm và sản xuất ở quy mô nhỏ, đưa ra công nghệ vê viên và nguyên lý hoạt động của quá trình vê viên. Nghiên cứu chạy thử nghiệm trên máy để đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình thực nghiệm vê viên, như: góc nghiêng, tốc độ quay, lưu lượng nước; đồng thời đưa ra các sản phẩm ứng dụng và các kích cỡ viên khác nhau trong suốt quá trình vận hành. Từ đó làm tiền đề trong các nghiên cứu và chế tạo các máy vê viên về sau để tối ưu hóa các thông số của máy áp dụng trong sản xuất qui mô công nghiệp.

Từ khóa: công nghệ vê viên, chế tạo máy, máy vê viên, thực nghiệm vê viên, sản phẩm dạng bột.

1. Đặt vấn đề

Ngày nay, nhu cầu thị trường ngày càng cao thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất càng phát triển, muốn nâng cao năng suất việc tất yếu là phải áp dụng máy móc vào trong sản xuất. Để hỗ trợ cho các ngành như: sản xuất phân bón, các sản phẩm dạng bột vê viên, trong các ngành dược liệu, thực phẩm; các sản phẩm trong chăn nuôi,... có dạng viên tròn. Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo ra máy vê viên đã trở thành một nhu cầu cần thiết, cấp bách phục vụ cho ngành nông nghiệp, công nghiệp và góp phần gián tiếp xây dựng môi trường trong sạch.

Mặt khác, đây cũng là thiết bị vê viên được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, dược phẩm,... Hiện nay, trên thị trường có không ít các loại máy vê viên khác nhau và hầu hết đều nằm trong dây chuyền nhà máy phục vụ cho ngành công nghiệp phân bón và ít xuất hiện trong các ngành khác. Máy vê viên tròn dạng mini được làm ra với quy mô nhỏ ở dạng tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật: độ tin cậy, độ cứng vững kết cấu, độ bền và thời hạn phục vụ của máy. Máy vê viên lại rất phù hợp với nhu cầu thị trường Việt Nam với đặc điểm: máy kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ sử dụng, năng suất cao mà giá thành lại rẻ.

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế, đưa ra các bản vẽ chi tiết và chế tạo ra một thiết bị máy vê viên phục vụ trực tiếp cho việc sản xuất, nghiên cứu và chạy thử nghiệm. Khảo nghiệm lại quá trình vê viên từ lí thuyết để áp dụng vào thực tế, đưa ra các thông số tối ưu nhất trong quá trình vận hành và đưa ra kết quả các loại hình sản phẩm [3].

2. Phương pháp nghiên cứu

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng

2.1.1. Độ ẩm vật liệu

Chìa khóa để tạo hạt thành công là lựa chọn một chất lỏng thích hợp để hình thành mối liên kết vững chắc và tỷ lệ của các vật liệu này trong thùng như thế nào để các chất rắn được làm ướt bởi chất lỏng. Nếu độ ẩm của vật liệu và lượng lỏng của chất kết dính không đủ tạo liên kết, những đầu phun hơi nước hoặc keo kết dính có thể được sử dụng. Để tránh hiện tượng vật liệu đầu ra của thùng quá ẩm ướt, dung dịch kết dính được phun ra giới hạn từ 1/4 đến 3/4 chiều dài thùng.

2.1.2. Góc nghiêng của thùng

Góc nghiêng của thùng cũng là yếu tố rất quan trọng trong việc hình thành phôi và trong quá trình tạo hạt. Để tạo góc nghiêng cho thùng trong máy, sử dụng cụm bộ phận điều chỉnh góc nghiêng của thùng từ 0o đến 90o hoặc hơn. Góc nghiêng của thùng cũng ảnh hưởng nhiều đến thời gian lưu vật liệu trong thùng. Ngoài ra, ở cùng 1 tốc độ quay của thùng thì thời gian lưu tỷ lệ nghịch với góc nghiêng của thùng.

2.1.3. Ảnh hưởng của tốc độ quay đến thùng

Hình 1: Chuyển động của vật liệu trong thùng

chuyen-dong-cua-vat-lieu-trong-thung

 Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Tốc độ quay của thùng là một trong những tham số được thao tác nhiều nhất trong quá trình vận hành và ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian lưu của vật liệu. Với tốc độ quay thấp, hạt sẽ trượt trên đáy của thùng, quá trình tạo hạt sẽ diễn ra với tỷ lệ thấp. Với tốc độ tăng nhanh của thùng, hạt bắt đầu quay, xáo trộn phân tầng xảy ra và xác suất tạo hạt gia tăng.

2.1.4. Ảnh hưởng của cơ chế tạo hạt và thời gian công nghệ

Cơ chế của quá trình tạo hạt là cực kỳ phức tạp bao gồm nhiều quá trình và nhiều yếu tố tác động (độ ẩm, hình dáng kích thước hạt, nhiệt độ, ma sát, lỏng liên kết, tiếp xúc pha,...). Tuy nhiên, tổng quát nhất việc phát triển kích thước hạt đã được chỉ ra chủ yếu qua 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn sinh trưởng nhân (Nucleation region): được hình thành từ các giọt lỏng, các hạt vật liệu rơi xuống từ thành thùng, các hạt vật liệu hồi lưu, giai đoạn này thường xảy ra nhanh chóng.

- Giai đoạn chuyển tiếp (Transition relion): các hạt nhân nhỏ có thể kết hợp với nhau thành các hạt lớn hơn, các nhân này sau đó được bao phủ bởi 1 lớp vật liệu dày xung quanh, lớp này đến lớp khác, giai đoạn này diễn ra chậm suốt thời gian tạo hạt.

- Giai đoạn phát triển dạng cầu (Balling region): cân bằng được thiết lập, những hạt có tính chất vật lí yếu bị vỡ vụn trải qua các giai đoạn trước, các hạt bền hơn giữ vững được kích thước hạt trong suốt quá trình về sau.

Hình 2: Các giai đoạn của quá trình tạo hạt

cac-giai-doan-cua-qua-trinh-tao-hat

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

 Thời gian công nghệ: Được hiểu là thời gian từ khi các hạt vật liệu bắt đầu chuyển động trải qua các giai đoạn của cơ chế tạo hạt cho đến khi hình thành được kích thước hạt bền vững, đạt yêu cầu mong muốn. Vì tính phức tạp của cơ chế tạo hạt nên không có một công thức cụ thể nào để tính toán chính xác được thời gian công nghệ cho mỗi quá trình, mà phải dựa vào thực nghiệm riêng lẻ để xác định và rút ra kinh nghiệm riêng cho mỗi công thức tạo hạt.

2.1.5. Ảnh hưởng của thời gian lưu của vật liệu

Khác với thời gian công nghệ, thời gian lưu là thời gian từ lúc vật liệu vào thiết bị tạo hạt thùng quay cho đến lúc ra khỏi thiết bị. Thời gian lưu phụ thuộc vào 3 thông số chính: tốc độ thùng, góc nghiêng thùng và chiều dài của thùng. Ngoài ra, còn có một số yếu tố khác như: phần trăm tải trọng thùng, hệ số nâng,... Như vậy, việc xác định thời gian công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thời gian lưu. Tuy nhiên, thời gian công nghệ cho mỗi công thức tạo hạt khác nhau là khác nhau, trong thực tế dựa vào thực nghiệm và quá trình vận hành thường chọn thời gian lưu của vật trong thiết bị thùng quay thông thường từ  2 - 5 phút. Vì vậy, thời gian lưu để quá trình tạo hạt trong thiết bị thùng quay được xem là đạt yêu cầu, khi tỷ lệ bán thành phẩm sau khi ra khỏi thiết bị thùng quay hồi lưu lại quá trình là nhỏ nhất [1].

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Mô hình đề xuất: 

Hình 3: Mô hình đề xuất

mo-hinh-de-xuat

 Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Chú thích: 1: Bánh xe; 2: Khung lớn; 3: Khung nhỏ; 4: Tay quay; 5: Bộ phận điều chỉnh góc nghiêng; 6: Motor; 7: Khớp nối; 8: Thùng quay; 9: Tủ điện; 10: Bạc đạn; 11: Trục quay.

Ưu điểm của mô hình: Mô hình máy bản vẽ đưa ra có kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều cao lần lượt là: 1m, 0.6m, 1.2m. Mô hình máy đơn giản, gồm có 5 bộ phận chính (chi tiết khung máy chính và khung máy phụ đỡ thùng, thùng quay, chi tiết điều khiển độ nghiêng của thùng, động cơ điện moto và tủ điện), các bộ phận và chi tiết dễ dàng gia công và lắp ráp, rút ngắn được quá trình gia công máy, tiết kiệm thời gian. Tối ưu hóa nhất số lượng vật liệu để thi công lắp đặt máy. Giá thành mua vật tư và thiết bị lắp đặt là đạt mức chi phí thấp nhất giúp tiết kiệm được chi phí.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Thiết bị 

Hình 4: Thiết bị máy vê viên

thiet-bi-may-ve-vien

 Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Thực hành chế tạo ra được một mô hình máy vê viên loại mini đúng với mô hình đề xuất và đáp ứng đúng với yêu cầu của bản vẽ.

Hình 5. Mô hình thiết bị mô phỏng 3D

mo-hinh-thiet-bi-mo-phong-3d

 Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Ưu điểm của máy vê viên: Chi phí đầu tư để mua nguyên vật liệu và chi phí sản xuất thấp nhất. Máy có kích thước gọn nhẹ, tiêu tốn nguyên vật liệu inox tối thiểu nhất. Năng suất máy, công suất máy cao hơn các máy cùng loại, mức tiêu thụ điện năng sẽ thấp hơn. Trong suốt quá trình hoạt động, máy vê viên sẽ không làm ô nhiễm môi trường. Thiết bị và quy trình hoạt động của máy vê viên tương đối đơn giản, có thể dễ dàng ngừng và bắt đầu sản xuất tùy theo nhu cầu sử dụng của mình. Máy còn có khả năng linh hoạt về sản phẩm và nguyên liệu. Sản phẩm được vê viên có thể cho chất lượng cao, độ đồng đều của viên cũng cao hơn. Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào chất lượng và tính tương thích của nguyên liệu được sử dụng. Điều quan trọng là nguyên liệu phải thật sự tương thích về hóa học, có cỡ hạt tương thích và đủ bền, để qua đó không bị biến chất trong quá trình thao tác.

3.2. Công nghệ vê viên

Hình 6: Quá trình hình thành hạt

qua-trinh-hinh-thanh-hat

 Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Công nghệ vê viên được ứng dụng trong những ngành công nghiệp, với cơ chế của sự tạo thành viên từ các cấu tử dạng bột chính là tạo sự chuyển động lăn cho những hạt, mà khi đó bề mặt đã được phủ chất kết dính ở dạng nước. Trong quá trình lăn, bề mặt của các hạt sẽ dính dần các phần tử đủ nhỏ, qua đó làm gia tăng kích thước. Kích thước của viên sẽ không tăng khi quá trình bám các phần tử nhỏ vào các hạt không xuất hiện. Có nghĩa là với khối lượng và kích thước đủ lớn, độ ma sát của thùng với viên không đủ sức đưa nó lên cao. Do quá trình chuyển động lăn mang tính ngẫu nhiên theo mọi phương, vì vậy mà hạt có hình cầu. Như vậy, sự tạo viên trải qua 3 giai đoạn bao gồm: cấp liệu, sinh trưởng phát triển và tháo liệu. Khi thùng quay, hỗn hợp tạo viên chuyển động cùng với thùng lên đến độ cao nhất định thì sẽ lăn xuống. Các phần tử vật liệu nhờ đã được phủ một lớp chất lỏng bề mặt, có khả năng liên kết với các phần tử khác, đa phần là với các phần tử ở dạng bột khi chuyển động lăn xuống. Do chuyển động lăn của những phần tử mang tính ngẫu nhiên theo mặt thùng đã định, dạng hình cầu. Việc gia tăng kích thước các phần tử cầu này chỉ được kết thúc khi đủ lớn, không còn phần tử bột, đồng thời chấm dứt phun chất lỏng tạo kết dính và hỗn hợp vê viên ở lòng trong của thùng và đưa ra ngoài [2].

3.3. Cách tiến hành vê viên

Đưa máy vào vị trí vận hành và cố định máy, cấp nguồn điện và bắt đầu khởi động máy. Đầu tiên điều chỉnh thùng quay với tốc độ vừa phải và phun một lớp dung dịch nhỏ (nước ở dạng hơi sương) để tạo độ ẩm bên trong thùng quay. Tiếp theo, cho bột vào bên trong thùng quay (một lượng vừa đủ) lúc này điều chỉnh góc nghiêng ở khoảng 300 đến 450 với vận tốc quay của thùng khoảng 30 - 35 vòng/phút. Thùng vừa quay đồng thời ta phun dung dịch kết dính lên trên phần bột bên trong thùng quay, lúc này bột sẽ bắt đầu hình thành hạt phôi nhỏ. Tiếp tục quy trình, thêm bột và thêm dung dịch kết dính để hạt tạo ra có kích thước như mong muốn. Muốn tạo ra hạt có kích thước lớn hơn, dùng những hạt phôi ban đầu để làm sản phẩm đầu vào và thực hiện quy trình thêm bột và thêm chất kết dính. Lúc này điều chỉnh lại góc nghiêng của thùng là 450 đến 600 và vận tốc quay của thùng là 40 ÷ 45 vòng/phút. Sau khi quá trình vê viên hạt đạt được kích thước mong muốn thì dừng lại qui trình và đưa sản phẩm ra ngoài[1].

3.4. Sản phẩm vê viên

 Hình 7: Kích cỡ các loại sản phẩm vê viên của máy

kich-co-cac-loai-san-pham-ve-vien-cua-may

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Ưu điểm: Trong quá trình vận hành chạy thử nghiệm cho thấy máy có thể tạo ra được 3 kích cỡ hạt khác nhau. Thời gian tạo hạt ngắn, các hạt tạo ra có tỉ lệ khá đồng đều với nhau.

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy đã đưa ra được bản vẽ mô hình máy vê viên (bản vẽ 2D) và mô phỏng trên máy trên phần mềm (3D Inventor). Chế tạo thành công mô hình máy vê viên thật và đưa vào chạy thực nghiệm. Mô hình sản phẩm sau khi vận hành đáp ứng được mục đích nhu cầu ban đầu đưa ra. Sản phẩm của máy vê viên cho ra được 3 loại hạt có kích cỡ khác nhau. Bên cạnh đó, máy vê viên có thể chuyển giao công nghệ và sản xuất hàng loạt để thương mại hóa. Ngoài ra, trong các nghiên cứu và chế tạo tiếp theo có thể tăng kích thước máy và thay đổi thông số máy để có thể đưa vào sản xuất ở quy mô công nghiệp.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

  1. Nguyễn Như Nam, Nguyễn Thanh Phong (2009). Khóa luận tốt nghiệp, Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm máy vo viên phân vi sinh một tầng chảo đường kính 2,5m. Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
  2. Nguyễn Như Nam (2014). Luận văn Đồ án đề tài tốt nghiệp, Tính toán thiết kế chế tạo và khảo nghiệm máy vo viên vi sinh hữu cơ hai tầng 3T/h. Khoa Cơ khí - Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
  3. Lâm Hoa Hùng (2020). Ứng dụng quá trình UV/H2O2 xử lí nước thải chứa RHODAMINE B. Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
  4. Hồ Lê Viên (1997). Cơ sở tính toán các máy hóa chất và thực phẩm. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

 

RESEARCHING, DESIGNING AND MAKING MINI

PELLETIZING MACHINE FOR POWDERED PRODUCTS

Master. DAO THANH KHE1

Master. LE THUY NHUNG1

NGUYEN VAN VINH1

Master. NGUYEN CAM HUONG1

1Ho Chi Minh city University of Food Industry

ABSTRACT:

This research is to make a mini pelletizing machine for laboratories and small-scale production. This research also presents the pelletization technology and the principles of pelletizing process. The pelletizing machine in this research was tested to find out the optimal settings including the tilt angle, the spin speed and the water flow. This research also presents some tested products which have different sizes. This research is expected to provide useful information for further researches on optimizing the settings of pelletizing machine and making industrial pelletizing machines.

Keywords: pelletization technology, mechanical engineering, pelletizing machine, pelletizing practice, powdered product.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, 

Số 20, tháng 8 năm 2021]