Chương III
MÁY PHÂN LOẠI - LÀM SẠCH VẬT LIỆU RỜI
I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ PHÂN LOẠI - LÀM SẠCH
Vật liệu rời là các vật liệu dạng hạt như đường, bột, hạt ngũ cốc, v.v.. Thông thường vật liệu rời bao gồm nhiều thành phần khác nhau và thường không hoàn toàn đồng nhất. Sự phân chia khối vật liệu rời theo một tính chất vật lý nào đó được gọi chung là quá trình phân loại-làm sạch vật liệu rời. Tuy nhiên tùy theo công việc cụ thể, các máy phân loại-làm sạch có thể được gọi là máy phân loại hay máy làm sạch. Máy phân loại và máy làm sạch có thể được phân biệt như sau:
− Máy làm sạch tách phần vật liệu được xem là tạp chất ra khỏi khối hạt nguyên liệu ban đầu
để thu được khối hạt có tính chất công nghệ như nhau. Thí dụ như tách các loại tạp chất rơm rạ
ra khỏi khối hạt thóc lúa.
− Máy phân loại chia khối vật liệu ban đầu thành nhiều loại khác nhau dựa trên một số đặc
điểm, tính chất nào đó, thí dụ như phân chia hạt thóc thành loại hạt dài và hạt ngắn. Trong công nghệ thực phẩm, các máy phân loại được chia thành hai nhóm:
− Nhóm đơn giản: Các máy phân loại thuộc nhóm nầy có nhiệm vụ phân loại hỗn hợp thành hai thành phần theo một dấu hiệu riêng, thí dụ mặt sàng với một loại lỗ (cùng kích thước và hình dạng lỗ), máy chọn theo cỡ hạt, ống phân loại,...
− Nhóm phức tạp: Các máy phân loại theo nhóm nầy có cấu tạo gồm hai hoặc nhiều máy đơn giản trong một hệ thống hoàn chỉnh và có thể tách một hỗn hợp thành ba hoặc bốn thành phần
trở lên theo những tính chất riêng. Thí dụ sàng quạt có thể phân loại hỗn hợp thành nhiều thành phần theo kích thước khối lượng riêng và tính chất khí dộng của các cấu tử (các loại tạp chất như rác, bụi, hạt lép được tách riêng ra khỏi khối hạt chính.
Hiện nay trong sản suất, quá trình phân lọai có thể thực hiện trên một số máy theo các nguyên lý sau:
− Phân loại theo kích thước hình học của hạt: dùng các loại máy sàng, máy rây và ống phân loại hạt kiểu ống trụ
− Phân loại theo trạng thái bề mặt của hạt: máy gằn thóc khỏi gạo lức (máy sàng Pakis, máy sàng kiểu khay)
− Phân lọai theo khối lượng riêng: dùng băng tải nghiêng, mặt xoắn ốc, các lọai máy gằn đá, sàng Pakis, sàng kiểu khay,
− Phân loại theo tính chất khí động của hạt: dùng quạt thổi hoặc hút
− Phân lọai theo từ tính: dùng nam châm vĩnh cửu và nam châm điện để tách các tạp chất sắt
− Phân loại theo màu sắc: dùng các máy phân loại bằng điện tử và quang điện
I.1 Phân loại theo khối lượng riêng
Các tạp chất như đất, đá, sỏi, mảnh thủy tinh v.v.. rất khó tách ra khi phân loại theo kích thước vì chúng rất gần với kích thước của hạt. Tuy nhiên do khối lượng riêng của chúng khác nhau nên có thể dựa vào sự khác nhau đó để phân loại. Nếu các cấu tử trong hỗn hợp cần phân loại có sự
khác nhau rõ rệt về khối lượng riêng thì càng dễ để phân chia riêng ra. Khối lượng riêng khác nhau có thể dẫn tới sự phân lớp của hạt hoặc có hướng chuyển động khác nhau do tác động của lực quán tính. Sự phân lớp xảy ra khi khối hạt có chuyển động thích hợp sẽ làm cho thành phần khối lượng riêng nhỏ nổi lên phía trên còn thành phần khối lượng riêng lớn nằm bên dưới.
I.2 Phân loại theo từ tính.
Tạp chất sắt có thể làm hư hỏng bộ phận làm việc của máy, đặc biệt là các máy có vận tốc làm việc lớn hoặc có khe hở làm việc nhỏ, và có thể bật tia lửa gây ra hỏa hoạn. Các loại tạp chất sắt, gang, niken, coban đều có thể dùng nam châm tách ra được, thường dùng nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện để tách các tạp chất sắt. Ðối với nam châm vĩnh cữu phải đảm bảo lực hút khoảng 12 kG. Lớp hạt chảy qua nam châm không được quá dày. Ðể đảm bảo vận tốc chảy của dòng hạt thì góc nghiêng của đường ống tự trượt nơi đặt nam châm chỉ được lớn hơn góc
nghiêng tự nhiên của hạt 3- 6O
I.3 Phân loại theo tính chất của bề mặt nguyên liệu
Các cấu tử khác nhau trong khối hạt có trạng thái bề mặt không giống nhau. Bề mặt của chúng có thể xù xì, rỗ, nhẵn bóng, có vỏ hoặc không vỏ v.v.. Những trạng thái bề mặt khác nhau ấy có
thể áp dụng để phân loại trên mặt phẳng nghiêng. Khi các phần tử có trạng thái bề mặt không giống nhau chuyển động trên mặt phẳng nghiêng sẽ chuyển động với những vận tốc khác nhau. Vì vậy nên có những phần tử rơi xa hơn, có những phần tử rơi gần hơn. Nếu đặt trên quỹ đạo rơi những tấm chắn thì có thể phân lọai hỗn hợp ra làm nhiều phần khác nhau theo tính chất bề mặt. Các thiết bị phân loại cố định đều dựa vào nguyên tắc trên để phân lọai, trong đó có cả thiết bị phân loại hạt dạng cầu và hạt dẹt. Phương pháp phân loại dựa vào sự khác nhau về hệ số ma sát có ý nghĩa rất lớn trong trường hợp phân lọai hỗn hợp gồm hai hoặc nhiều dạng hạt có kích thước gần nhau (hình III-1).
Hình III -1. Thiết bị phân loại hạt theo tính chất bề mặt
I.4 Phân loại theo những tính chất khí động học.
Phương pháp phân loại này dùng sức gió, dựa vào tính chất khí động học để phân chia khối hạt thành các phần khác nhau. Những tính chất khí động phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, khối lượng, trạng thái bề mặt và vị trí của phần tử trong dòng không khí cũng như trạng thái của không khí. Với đặc tính sức cản không giống nhau trong khi chuyển động trong dòng khí làm cho điểm rơi khác nhau, hạt có sức
cản lớn, khối lượng nhỏ sẽ rơi xa còn hạt có sức cản nhỏ sẽ rơi sớm hơn. Căn cứ vào vị trí rơi của hạt có thể phân chia thành nhiều loại khác nhau
Khả năng phân riêng của hỗn hợp theo một tính chất vật lý nào đó là cơ sở để chọn máy phân loại. Căn cứ vào các nghiên cứu thực nghiệm, có thể xác định được những tính chất nào cho phép phân riêng hỗn hợp một cách tốt nhất
Hình 2 biểu diễn đồ thị phân chia hỗn hợp hai cấu tử. Trục hoành biểu diễn tính chất cơ lý x của hạt được dùng làm phương pháp phân loại. Trục y biểu diễn tần suất. Khi phân loại hỗn hợp nầy có 3 trường hợp xảy ra:
- Hai cấu tử theo tính chất x khác nhau hoàn toàn. Hỗn hợp nầy dễ phân loại
- Hai cấu tử có chung một số phần tử cùng tính chất x. Hỗn hợp nầy khó phân loại
- Hai cấu tử theo tính chất cơ lý x hoàn toàn giống nhau. Hỗn hợp nầy không thể
phân loại được
Hình III - 2. Đồ thị phân chia hỗn hợp thành hai cấu tử
a- Hai cấu tử không có chung phần tử cùng tính chất b- Hai cấu tử có một phần phần tử cùng tính chất
c- Hai cấu tử chung nhau hoàn toàn các phần tử cùng tính chất
- CÁC MÁY-THIẾT BỊ PHÂN LOẠI
II.1 Sàng phẳng
Sàng phẳng là một loại thiết bị phân loại-làm sạch được sử dụng từ thời cổ. Sàng phẳng có thể là công cụ đơn giản làm bằng các loại vật liệu tre trúc hoặc có thể là một máy sàng hiện đại có khả năng phân loại chính xác các loại vật liệu rời theo các kích thước khác nhau.
Nguyên tắc làm việc của sàng phân loại là phân chia khối vật liệu theo kích thước nhờ một bề mặt kim loại có đục lỗ hoặc lưới. Vật liệu chuyển động trên mặt sàng và được phân chia thành hai loại:
- Phần lọt qua sàng là những hạt có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ sàng
- Phần không qua sàng có cỡ lớn hơn kích thước lỗ sàng, do đó sẽ nằm lại trên bề mặt của sàng
Tùy theo yêu cầu vật liệu rời cần phân loại, có thể bố trí các hệ thống sàng gồm nhiều lớp. Thí dụ, sàng 2 lớp sẽ phân chia nguyên liệu thành 3 loại kích thước khác nhau, sàng 3 lớp sẽ phân chia vật liệu thành 4 cỡ kích thước... Kích của lỗ sàng ở lớp trên lớn hơn ở lớp sàng dưới.
Quá trình chuyển động sàng giúp cho có quá trình phân loại-làm sạch xảy ra tốt hơn do tạo cơ hội để cho hạt tiếp xúc với lỗ sàng. Trong trường hợp làm việc liên tục, sàng được đặt nghiêng một góc từ 2 - 7o, hạt sẽ có khuynh hướng di chuyển xuống phía dưới. Quá trình di chuyển như vậy giúp cho hạt có kích thước nhỏ sẽ chui qua lỗ sàng. Phần hạt không qua sàng sẽ được hứng ở phía đầu thấp của sàng.
Tùy theo bố trí hệ thống truyền động, chuyển động của sàng có thể khác nhau làm cho chuyển động của hạt trên sàng cũng khác nhau. Thông thường sàng được thiết kế sao cho hạt có cả chuyển động xuống và lên nhưng với khoảng đi xuống dài hơn khoảng đi lên.
Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất của sàng có thể kể đến là:
• Diện tích bề mặt sàng, là thông số quan trọng nhất. Diện tích càng lớn, năng suất càng lớn.
Tổng diện tích lỗ sàng cũng ảng hưởng trực tiếp đến năng suất sàng.
• Tốc độ chuyển động của sàng. Tốc độ càng lớn, năng suất càng lớn
• Số vật liệu qua lỗ sàng. Lượng vật liệu nhỏ hơn lỗ sàng càng nhiều, năng suất sàng càng giảm do cần nhiều thời gian hơn để tách phần vật liệu nầy.
Ðối với một sàng đã có sẵn, diện tích mặt sàng và tốc độ chuyển động của sàng hầu như không điều chỉnh được, do đó để điều chỉnh khả năng làm việc của sàng, người ta thay đổi lượng nhập liệu.
Hình III - 3. Sơ đồ cấu tạo sàng phẳng
Hình III - 4. Hình dạng của một số loại sàng
II.2 Sàng ống quay
Sàng ống quay gồm có một ống bằng lưới được truyền động quay với số vòng quay khoảng 5-10 v/ph. Nguyên liệu cần làm sạch đi ngang qua ống quay hoặc đổ vào bên trong ống. Trường hợp đi bên ngoài, vật liệu di chuyển ngang qua ống, phần có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ chui qua lưới rơi xuống phía dưới, phần có kích thước lớn không qua lưới được đi ngang qua ống và được hứng phía sau. Trường hợp nguyên liệu đổ vào bên trong ống, khi ống quay, phần có kích thước nhỏ rới qua lỗ lưới, phần có kích thước lớn di chuyển dọc theo ống đến đầu kia. Vật liệu di chuyển từ đầu nầy đến đầu kia được là nhờ ống đựơc đặt nghiêng một góc 2-5o. Năng suất của sàng ống quay tuỳ thuộc vào kích thước của ống lưới quay, ống càng lớn năng suất càng cao. Ưu điểm của sàng ống quay là cầu tạo đơn giản, làm việc êm, không gây rung động mạnh như sàng
phẳng, không chiếm nhiều mặt bằng. Nhược điểm là không phân riêng được các hỗn hợp có kích thước gần bằng nhau, tỉ lệ sót còn lớn.
Sàng ống quay thường dùng để làm sạch các loại hạt nông sản, tách bụi, cát và các tạp chất lớn, rơm, rạ,…Thường sàng ống quay được kết hợp nhiều ống và cả quạt hút để làm sạch tốt hơn.
Hình III - 5. Máy làm sạch hạt sử dụng sàng ống quay
Hình III - 6. Sàng ống quay nhập liệu trong ống
II.3 Ống phân loại
Sử dụng rất hiệu quả trong công nghiệp xay xát, dùng phân loại hạt dài và ngắn, thí dụ như phân loại tấm ra khỏi gạo.
Ống phân loại là một ống hình trụ được truyền động quay, làm từ thép tấm mỏng cuộn tròn lại. Bề mặt bên trong của ống được tạo các hốc lõm có kích thước chính xác và bằng nhau bằng phương pháp dập Bên trong và đồng trục với ống có một vít tải và máng hứng có thể điều chỉnh vị trí hứng được bằng các quay máng. Ống và vít tải có thể quay cùng số vòng quay hoặc có thể khác nhau.
Nguyên liệu được đưa vào ở một đầu của ống. Khi quay, hạt sẽ chui vào hốc. Các hạt dài rơi ra ngay khi hốc vừa được quay lên. Trái lại, hạt ngắn nằm sâu trong hốc nên rơi ra sau khi ống đã quay lên cao. Phần hạt ngắn sẽ rơi vào máng hứng và được vít tải đẩy dọc theo máng ra ngoài và rơi theo một đường riêng. Sau một số lần quay, hấu hết hạt ngắn được chuyển lên máng hứng, phần còn lại trong ống chỉ là hạt dài. Do ống quay đặt hơi dốc nên hạt dài di chuyển dần về đầu
Hình III - 7. Ống phân loại hạt ngắn
thấp của ống và rơi ra. Tùy theo vị trí của máng hứng, kích thước của các hạt dài và ngắn được phân riêng sẽ thay đổi.
Năng suất và chất lượng làm việc của ống phân loại tăng khi ống dài hơn. Ngoài ra kích thước lỗ cần chính xác và đồng nhất, nếu không rất khó phân loại.Trong trường hợp quay nhanh, lực ly tâm quá lớn sẽ làm hạt bám chặt lên thành ống làm giảm khả năng phân riêng hoặc đôi khi không phân riêng được.
Ống phân loại thường được chế tạo thành cụm gồm 2 ống làm việc nối tiếp nhau, ống trên đổ xuống ống dưới. Như vậy cho phép điều chỉnh 2 ống khác nhau nhằm đạt hiệu suất phân riêng
cao nhất. Ống phân loại thường được dùng
phân riêng gạo-tấm sau khi xay xát, cho phép tách hầu hết các hạt gãy ra khỏi khối hạt từ đó có thể đấu trộn trở lại để có được hỗn hợp gạo tấm theo đúng tỉ lệ yêu cầu
II.4 Sàng phân loại thóc gạo
II.4.1 Sàng phân loại kiểu zig- zag (sàng Pakis)
Ðây là loại sàng công dụng đặc biệt dùng cho phân loại hỗn hợp thóc gạo sau khi xay. Thóc sau khi xay gồm có gạo lức (đã tách vỏ trấu), vỏ trấu và thóc chứa được xay. Vỏ trấu được lấy ra nhờ một hệ thống quạt hút hoặc thổi. Gạo lức và thóc được đưa sang sàng phân loại để phân riêng. Phần gạo lức tách ra được chuyển sang công đoạn xát tách vỏ lụa, phần thóc chưa tách vỏ sẽ được hồi lại công đoạn xay.
Ưu điểm của sàng zig- zag là tiết kiệm được số lần sàng. Thóc và gạo lức có kích thước gần nhau, nếu sử dụng sàng phân loại bình thường rất khó, phải qua hơn 10 lần sàng.
Hình III - 8. Nguyên lý làm việc của sàng zig-zag
Nguyên tắc phân loại của sàng zig- zag dựa theo khối lượng riêng và độ nhám bề mặt. Mặt sàng là một tấm kim loại phẳng và nhẵn bóng, được đặt hơi nghiêng, góc nghiêng có thể điều chỉnh được. Trên mặt sàng có các gờ hình zig- zag lắp song song nhau tạo thành một khe cũng
có dạng zig-zag. Sàng được truyền chuyển động theo phương vuông góc với các gờ với tần số
trong khoảng 90-120 lần/phút.
Hỗn hợp thóc gạo được đổ vào ở giữa sàng. Khi sàng chuyển động, hỗn hợp thóc gạo do lực quán tính bị va đập mạnh lên các gờ. Do sự khác biệt về khối lượng riêng và độ nhám, dẫn đến hiện tượng phân lớp, gạo có khuynh hướng di chuyển xuống phía dưới thấp, còn thóc được đưa lên phía đầu cao.
Hình III - 9. Sàng zig zag
Một tầng sàng có nhiều khe, thông thường từ 5 đến 20 khe và mỗi một máy sàng có thể có tới 5 tầng sàng song song nhau. Số khe và tầng sàng càng nhiều, năng suất sàng càng lớn. Ðiều chỉnh độ phân loại bằng cách điều chỉnh góc nghiêng của sàng. Góc nghiêng càng lớn, thóc càng có khuynh hướng di chuyển xuống dưới và ngược lại góc nghiêng nhỏ sẽ làm gạo đi lên phía trên cao cùng với thóc. Quá trình điều chỉnh nầy cần tiến hành thường xuyên, thông thường đòi hỏi người điều chỉnh có kinh nghiệm.
Trong thực tế, sàng Pakis thường được điều chỉnh sao cho hoàn toàn không còn thóc theo gạo, do đó sẽ có một số lượng khá lớn gạo theo thóc lên phía trên sàng quay lại. Vì vậy, một máy xay khác được bố trí để xay riêng cho lượng thóc-gạo hồi lưu. Sau khi xay lượng hồi lưu cũng được đưa qua cùng sàng Pakis, như vậy năng suất của sàng theo qui trình nầy phải lớn hơn, tuy vậy đây là qui trình có hiệu quả xay đạt cao nhất.
II.4.2 Sàng khay (sàng giật)
Sàng khay cũng là sàng dùng để phân riêng hỗn hợp thóc gạo sau khi xay. Nguyên lý làm việc của nó dựa lên sự khác biệt khối lượng riêng và hiện tượng phân lớp khi chuyển động giữa thóc và gạo.
Sàng giật được cấu tạo gồm tấm kim loại nhẵn láng có dập các hốc lõm xen kẽ. Kích thước và hình dạng của các hốc được thiết kế sao cho khi sàng chuyển động, hốc sẽ tác dụng lực lên khối hạt trên mặt sàng. Sàng được đặt nghiêng theo hai chiều sao cho có một góc cao nhất và
một góc thấp nhất.
Hỗn hợp thóc gạo được đưa vào ở góc cao nhất. Nhờ vào chuyển động của sàng, thóc bị phân lớp và nổi lên trên bề mặt lớp hạt. Do có các hốc nên khi sàng chuyển động lớp gạo sẽ được đưa lên phía cao của sàng và lấy ra ở một góc sàng. Lớp thóc nằm trên bề mặt lớp gạo sẽ trượt xuống dưới (trượt trên bề mặt lớp gạo), và sẽ di chuyển xuống góc thấp nhất. Giữa góc lấy thóc
và gạo là vùng hỗn hợp, trong đó gạo còn lẫn thóc và sẽ được đưa trở lại phía trước sàng. Tần số
chuyển động của sàng thường là 300 lần/phút. Năng suất của một tầng sàng có thể tới 1-1,5 tấn/h
Hình III - 10. Đường di chuyển của thóc, gạo trên mặt sàng
Hình III - 11. Nguyên lý hoạt động của sàng khay và đường đi của thóc, gạo trên mặt sàng
Bề mặt sàng cần phải thật phẳng để bảo đảm quá trình phân loại xảy ra chính xác. Trường hợp bề mặt sàng bị gồ, lớp gạo mỏng đi, khi sàng giật cả thóc cũng chạy lên theo gạo và ngược lại một phần gạo bị trượt xuống. Ở chỗ lõm, lớp gạo lên dày hơn nên một phần gạo không được đẩy lên và sẽ trượt xuống theo thóc.
* Ưu nhược điểm của sàng giật
− Do năng suất một lớp sàng nhỏ nên năng suất chung của cả máy sàng có thể từ rất nhỏ đến lớn.
− Cấu tạo nhỏ, gọn, dễ lắp đặt, điều chỉnh.
− Do có nhiều lớp sàng được bố trí chồng lên nhau nên khó đạt độ đồng nhất cho tất cả các lớp.
Hình III - 12. Sàng khay với 3 cửa lấy gạo, hỗn hợp và thóc
II.5 Máy phân cỡ kiểu cáp
Dùng để phân loại quả theo kích thước. Cấu tạo của máy gồm có 2 dây cáp mắc giữa 4 puli (2 puli cho mỗi sợi) được lắp sao cho khoảng cách giữa 2 dây cáp càng lúc càng xa hơn. Khi các puli quay, dây cáp sẽ chạy đồng thời và cùng tốc độ. Trái cây cần phân cỡ được đặt trên khoảng
hở giữa hai dây cáp, khi cáp chuyển động sẽ di chuyển cùng với cáp. Khi khoảng hở giữa 2 sợi cáp tăng dần, các trái có kích cỡ khác nhau sẽ rơi xuống các ngăn chứa được bố trí bên dưới.
Máy phân cỡ kiểu cáp chỉ sử dụng chủ yếu phân cỡ các loại quả lớn, không phân loại các loại quả hoặc hạt có kích thước nhỏ.
Máy phân cỡ nguyên liệu thủy sản (tôm) cũng làm việc theo nguyên lý tương tự: hai trục hình côn song song quay ngược chiều nhau với số vòng quay thấp tạo thành một khe hở có kích thước lớn dần. Nguyên liệu cho vào ở đầu khe hở nhỏ. Do có độ dốc nên khi trục quay, nguyên liệu sẽ trượt dần xuống phía dưới, đến khi khe
hở lớn hơn nguyên liệu rơi xuống bên dưới. Tuỳ vị trí hứng có thể phân làm nhiều cỡ khác nhau. Máy được thiết kế có máng dẫn phía trên với hệ thống phun nước làm sạch để bảo đảm
cây, thủy sản
II.6 Máy tách tạp chất sắt
Tạp chất sắt như bulông, đinh, thép, mạt sắt... thường lẫn trong các vật liệu rời, hạt ngũ cốc. Sắt thể làm hư hỏng máy móc sản xuất gia công chế biến, do đó cần chú ý tách sắt ra nhằm hạn chế hư hỏng.
Ðể tách tạp chất sắt thường sử dụng nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện. Nam chân được lắp trên đường đi của nguyên liệu, tạp chất sắt sẽ được giữ lại còn các vật liệu
khác đi qua. Phần tạp chất nầy được lấy ra định kỳ để bảo đảm khả năng làm việc của nam châm.
Hình III - 14. Máy tách tạp chất sắt
Hình III - 15. Trống quay tách tạp chất sắt từ
II.7 Máy tách hạt màu
Hạt ngũ cốc có màu khác không đặc trưng thường là các hạt không tốt hoặc hư hỏng. Để tách các hạt có màu khác thường ra khỏi khối hạt, có thể dùng máy tách hạt màu. Máy tách hạt màu làm việc dựa theo nguyên tắc phân biệt hạt màu bằng cảm biến màu của dòng hạt đang trượt trên
rãnh. Nếu phát hiện hạt có màu khác lạ, một ống thổi khí sẽ thổi hạt màu ra khỏi rãnh và rơi xuống máng hứng bên dưới. Máy có thể tách hầu hết các hạt có màu sẫm ra khỏi khối hạt có màu sáng.
Đối với gạo, năng suất máy có thể đạt tới 200 kg/h/rãnh. Thông thường mỗi máy có thể có từ 60-
80 rãnh làm việc đồng thời.
Hình III - 16. Nguyên lý tách hạt màu
