Đề tài Tính toán, thiết kế hệ thống sấy tinh bột sắn sử dụng hệ thống sấy khí động

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TINH BỘT SẮN VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TINH BỘT SẮN

Nguồn gốc của tinh bột sắn

Cây sắn (Manihot esculenta Crantz) được du nhập vào Việt Nam từ đầu thế kỷ 19 và trở thành cây lương thực chính cho nhiều cư dân, đặc biệt là ở các vùng đồi núi Sự thay đổi trong quan niệm về sản xuất sắn phản ánh lợi ích tiềm năng của nó trong tương lai, với ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến tinh bột, thức ăn gia súc và sản xuất các sản phẩm như cồn, đường, bột ngọt và tinh bột.

Năm 2013, diện tích trồng sắn toàn quốc đạt 551,30 ngàn ha, năng suất củ tươi bình quân 18,55 tấn/ ha, sản lượng 10,2 triệu tấn (Tổng cục Thống kê Việt Nam,

Từ năm 2000 đến 2013, sản lượng sắn tại Việt Nam đã tăng hơn 3,93 lần và năng suất sắn cũng đã tăng gấp đôi Tuy nhiên, năng suất sắn của Việt Nam vẫn thấp hơn so với một số quốc gia Đông Nam Á như Lào (25,17 tấn/ha), Indonesia (22,86 tấn/ha) và Thái Lan (21,82 tấn/ha).

Hiện nay, sắn được trồng tại khoảng 100 quốc gia với quy mô canh tác đa dạng, và sản lượng toàn cầu duy trì ổn định ở mức 250 triệu tấn trong nhiều năm qua Sản xuất sắn tăng nhanh tại Đông Nam Á và nhu cầu lương thực tại Châu Phi ngày càng cao Nigeria dẫn đầu thế giới về sản xuất sắn, với sản lượng đạt 57,56 triệu tấn củ tươi vào năm 2012 Theo FAO, xuất khẩu sắn toàn cầu năm 2012 tăng khoảng 30%, chủ yếu do nhu cầu sắn làm nhiên liệu sinh học.

Thái Lan là nước xuất khẩu sắn hàng đầu thế giới với 11,65 triệu tấn, trong khi Việt Nam đứng thứ hai với 2,4 triệu tấn Tổng sản lượng xuất khẩu năm 2012 của hai quốc gia này chiếm 85% thị phần sắn xuất khẩu toàn cầu Cây sắn có rễ ngang phát triển thành củ và tích lũy tinh bột, trong đó thành phần quan trọng nhất là tinh bột được tách ra khỏi khối liên kết với xơ và thịt của củ sắn.

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 3 hình 1.1 hình minh họa về củ sắn

Bảng1: thành phần cấu tạo của củ sắn tính theo vật chất khô [17]

5.Tro toàn phần không lớn hơn 0.85%

6 Sợi xơ (cenlyloza) không lớn hơn 4%

7 Kali không lớn hơn 0,26 mg/Kg

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 4

Cấu tạo của tinh bột

Tinh bột chủ yếu có trong củ, chiếm từ 95-95%, tồn tại dưới dạng liên kết vật lý bền vững với xơ, hình thành các mạch xoắn theo cấu trúc hình học của xơ củ Khoảng 4-5% tinh bột được tìm thấy ở phần vỏ lụa của củ.

Cấu trúc hóa học của tinh bột sắn thuộc lớp đường tổng hợp với công thức (C6H10O5)n Tinh bột thuần khiết có kích thước từ 5 đến 80μm và không hòa tan trong nước nếu không làm thay đổi tính chất hóa lý của nó.

Nhiệt hồ hóa của nó khoảng từ 55÷ 60°C [14] Đây là một tính chất quan trọng cần phải chú ý trong quá trinh sấy

Tinh bột sắn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, sản xuất bột ngọt, cồn, maltodextrin, lysine, acid citric, siro glucose, đường glucose tinh thể, và các sản phẩm như mạch nha giàu maltose, bánh kẹo, mì ăn liền, và miến.

Liên kết ẩm trong tinh bột sắn

Tinh bột chứa các liên kết ẩm hấp phụ và liên kết hóa học, với khoảng 10% liên quan đến việc tách ẩm, dẫn đến sự biến đổi phức tạp của sản phẩm Trong quá trình chế biến tinh bột, ẩm cần tách chủ yếu là ẩm bề mặt, đặc biệt là ẩm dính ướt vào bề mặt vật liệu, có đặc điểm dễ tách.

Bảng 2: chỉ tiêu chất lượng của tinh bột sắn

Chỉ tiêu chất lượng Tiêu chuẩn việt nam TCVN

4.Hàm lượng trong tổng số (%) ≤0,2

5.Hàm lương protein cao nhất ≤0,5

Quy trình sản xuất tinh bột sắn

Hình 1.2 sơ đồ quy trình sản xuất tinh bột sắn [14]

1 Bóc vỏ nguyên liệu từ kho chứa được xe xúc đưa vào phễu phân phối từ đây sắn được chuyển lên thiết bị tách vỏ nhờ vào băng tải cao su

Thiết bị tách vỏ được cấu tạo từ các thanh sắt song song, tạo thành một rọ tròn rỗng với các khe hở cho phép bụi đất, tạp chất và vỏ gỗ rơi ra ngoài Bên trong, thiết bị được trang bị các gờ xoắn tròn và một động cơ, do công nhân điều khiển, giúp điều chỉnh lượng sắn thích hợp vào thiết bị rửa Khi động cơ hoạt động, thiết bị quay, tạo ra lực ma sát giữa sắn với thành thiết bị và giữa các củ với nhau, giúp loại bỏ vỏ gỗ, đất đá, trong khi sắn tiếp tục được rửa sạch.

Hình1.3 hệ thống máy bóc và làm sạch vỏ

Thiết bị rửa được cấu tạo gồm hai thùng chứa hình máng với các cánh khuấy bên trong, giúp đánh khuấy và vận chuyển sắn đến băng tải Hệ thống vòi phun nước được lắp đặt phía trên để rửa nguyên liệu, trong khi các lỗ thoát ở phía dưới cho phép đất đá, vỏ và nước thoát ra ngoài.

2 vỏ máy 4 Trục khuấy Nguyên liệu sau khi xả xuống thùng, tại đây củ mì được đảo trộn nhờ các cánh khuấy gắn trên 2 trục quay nối với động cơ Nhờ lực va đập của cánh khuấy và nguyên liệu với nhau, phía trên có các vòi phun nước rửa xuống, nhờ đó củ sắn dc rửa sạch Rửa xong củ sắn được cánh khuấy đẩy đến băng tải cao su để vận chuyển đến thiết bị băm mài

3.1 Băm: sau khi sắn được rửa xong sẽ được băng tải chuyển đến máy băm Qúa trình chặt khúc nguyên liệu được tiến hành trong máy chặt khúc Bộ phận chính của máy là các dao gắn chặt vào trục quay nhờ động cơ, đáy thiết bị được gắn các tấm thép đặt song song với nhau tạo nên những khe hở có kích thước đúng bằng bề dày của lát cắt và đảm bảo không cho nguyên liệu rơi xuống dưới trước khi được chặt thành các khúc nhỏ

Nguyên liệu sau khi được chặt thành nhiều khúc nhỏ sẽ lọt qua các khe hở ở đáy thiết bị và rơi vào máy mài

Quá trình mài xát diễn ra trong máy mài, có cấu tạo chính là khối kim loại hình trụ tròn Mặt ngoài của hình trụ được trang bị các răng cưa nhỏ, trong khi phía ngoài trục được bảo vệ bằng lớp vỏ thép cứng, giúp chịu lực khi máy hoạt động Bề mặt tang quay của máy đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Máy mài SVTH của Trần Văn Tướng, mã số sinh viên 20154295, có thiết kế dạng răng cưa, giúp tạo ra các lực nghiền và mài xát hiệu quả để làm nhỏ nguyên liệu.

Nguyên liệu sau khi qua máy mài rồi rơi vào hầm chứa chờ bơm qua bộ phận tách xác

1 đế máy 4 Moto 7 Khe lắp dao

2 roto 5 Hộp che giây đai 8 Tấm kê

3 vỏ máy 6 Trục máy 9 Tấm sàng

Dịch sữa tinh bột từ máy mài được bơm qua thiết bị tách xác thô, nơi sơ bã và phân tử lớn bị giữ lại trên lưới lọc Sơ bã này sau đó được hòa với nước sạch để lọc và chiết xuất triệt để lượng tinh bột còn lại Dịch sữa tinh bột chảy qua lưới lọc sẽ được chứa trong thùng để chuẩn bị cho quá trình tách dịch bào lần 1, với nồng độ chất khô được điều chỉnh trong khoảng 3 - 5 Be.

Quá trình phân ly tách dịch bào diễn ra trong máy ly tâm, dựa vào sự chênh lệch tỉ trọng giữa dịch bào và tinh bột Lực ly tâm được sử dụng để tách dịch bào khỏi dịch sữa tinh bột Dịch sữa tinh bột được bơm từ thùng chứa vào hai decanter với lưu lượng điều tiết khoảng 20 – 25 m3/h, giúp quá trình tách diễn ra hiệu quả.

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 Trong quá trình hoạt động của thiết bị, tinh bột bị văng ra xung quanh bên trong và được vít tải vận chuyển ngược để cào tinh bột ra ngoài Đồng thời, nước được bổ sung để duy trì chỉ số khống chế từ 5 đến 15 Be.

Sau khi tách dịch bào lần 1, dịch sữa tinh bột được bơm qua thiết bị tách xác tinh Phần xác không qua lưới sẽ được chiết và lọc lần cuối cùng cùng với bã thô để thu hồi tối đa lượng tinh bột Dịch sữa tinh bột sau đó sẽ được lọt qua vải lọc để tiếp tục tách dịch bào lần 2.

Trong quá trình này người ta vẫn cho nước vào lien tục để hiệu chỉnh nồng độ từ

Sau khi tách bã từ thùng chứa, dịch sữa bột được bơm qua hai máy phân ly để thực hiện quá trình tách dịch bào lần hai Trước khi vào máy, dịch sữa bột phải đi qua hai cyclone nhằm loại bỏ cặn bã và bụi đất, với tốc độ quay của máy đạt 4500 vòng/phút Kết quả là tinh bột sẽ lắng xuống phía dưới, trong khi nước thải sẽ được đẩy ra ngoài từ phía trên.

Trong công đoạn này ta tiếp tục cho nước vào để điều chỉnh nồng độ 8 – 14 Be, pH= 6,0-6,5, lưu lượng nước vào 5m3/h

Sau khi hoàn thành quá trình tách dịch bào lần 2, dịch sữa bột sẽ chảy xuống thùng chứa và được bơm đến thiết bị tách bã mịn Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như thiết bị tách xác thô và xác tinh, nhưng với lớp vải lọc có kích thước lỗ nhỏ hơn, chỉ cho phép tinh bột đi qua Phần bã mịn sẽ được giữ lại và thoát ra ngoài cùng với bã thô qua khu chiết ép kiệt.

Bã thô, tinh và mịn được vận chuyển đến thiết bị tách xác, nơi tận dụng dịch sữa có nồng độ tinh bột thấp, sau đó được bơm về máy mài Phần bã còn lại được thu hoạch dưới dạng bã ướt từ thiết bị ống kép hoặc bã thô từ thiết bị ép băng.

Sữa tinh bột thuần khiết sau khi chiết xuất đạt nồng độ 18-22 Be sẽ được bơm qua máy ly tâm để tách bớt nước và thu tinh bột Nước dịch lọt qua vải và lưới lọc có hàm lượng tinh bột thấp nhưng vẫn chứa một lượng tinh bột nhất định, do đó sẽ được đưa vào máy mài để thu hồi và tiết kiệm nguồn nước Tinh bột thu được sau quá trình ly tâm có độ ẩm từ 31-34%.

Chọn phương pháp sấy tinh bột

Phương sấy gồm có: phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh

Phương pháp sấy lạnh là kỹ thuật sấy mà nhiệt độ của sản phẩm và môi trường sấy thấp hơn nhiệt độ xung quanh Phương pháp này thường được áp dụng để sấy hải sản và các vật liệu có giá trị cao, giúp bảo toàn tính chất vật lý và hóa học mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao.

Hệ thống sấy lạnh thường phức tạp giá thành cao, chi phí vận hành tốn kém

Phương pháp sấy nóng dây là một trong những phương pháp sấy phổ biến, trong đó nhiệt độ của tác nhân sấy và vật liệu sấy cao hơn nhiệt độ môi trường Phương pháp này thích hợp cho việc sấy các loại vật liệu có tính chất vật lý ổn định hoặc không yêu cầu cao về chất lượng Hệ thống sấy sử dụng phương pháp này có cấu tạo đơn giản, giúp giảm giá thành và chi phí vận hành.

Căn cứ vào tính chất của tinh bột, và yêu cầu về chất lượng của tinh bột ta chọn phương pháp sấy nóng

1.6 Lựa chọn hệ thống sấy

Trong phương pháp sấy nóng, các hệ thống sấy được phân loại dựa trên cách cấp nhiệt, bao gồm sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy tiếp xúc và các hệ thống khác Để lựa chọn hệ thống sấy phù hợp, cần xem xét đặc điểm cấu tạo và liên kết ẩm của tinh bột, trong đó sấy đối lưu và sấy khí động thường được ưu tiên.

Hệ thống sấy khí động mang lại lợi ích với đầu tư và chi phí bảo dưỡng thấp, đồng thời có tốc độ sấy nhanh chóng Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các loại vật liệu sấy có kích thước nhỏ.

TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ SẤY KHÍ ĐỘNG SẤY TINH BỘT SẮN

Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế hệ thống sấy tinh bột sắn bằng hệ thống sấy khí động công suất thiết bị 120 tấn/ngày, đêm.

Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy khí động

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy khí động [3]

Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy bắt đầu khi tác nhân sấy được hút vào từ phía dưới và di chuyển dọc theo chiều dài ống sấy Vật liệu sấy được đưa vào qua phễu 1 và cơ cấu 2, sau đó vào ống sấy, nơi có cơ cấu venturi giúp phân phối vật liệu Trong quá trình này, vật liệu bị cuốn theo khí sấy lên ống, diễn ra quá trình tách ẩm Sau khi ra khỏi ống sấy 3, khí sẽ đi vào bộ phận tách bụi 4, nơi bụi lắng xuống phễu 6 Một phần bụi có thể được hồi lưu và một phần sản phẩm được lấy ra Để đảm bảo sạch sẽ, bụi sau khi ra khỏi cyclone còn được xử lý qua thiết bị lọc bụi tay áo trước khi thải ra môi trường.

Chọn môi chất sấy và chất tải nhiệt

2.3.1Tính chất vật lý của tinh bột liên quan đến quá trình sấy

• Khối lượng riêng: ρ = 775,86 kg/m 3 khi đã sấy khô, ρ 20,8 kg/m 3 khi đưa vào sấy

• Nhiệt dung riêng: Cp = 1,5 kJ/kgK

• Nhiệt độ sấy cho phép không quá ( 55÷65) 0 C

• Hệ số dẫn nhiệt λ = 0,09 W/mK

2.3.2 Chọn môi chất sấy và chất tải nhiệt:

Để đảm bảo sản phẩm sau khi sấy đạt tiêu chuẩn sạch và có độ trắng nhất định, việc lựa chọn tác nhân sấy phù hợp là rất quan trọng.

Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa của tinh bột từ 55÷ 65°C nên khi chọn nhiệt độ tác nhân sấy phải chú ý điều kiện này

 Chọn tác nhân sấy là không khí nóng :

• Ra khỏi thiết bị sấy t2 = 70°C

Chọn chất tải nhiệt là khói nóng để gia nhiệt cho không khí thông qua calorife.

Chọn chế độ sấy

Chọn chế độ sấy đối lưu giúp không khí nóng di chuyển nhanh, mang theo tinh bột và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm hiệu quả Cần lưu ý rằng trong quá trình sấy, nhiệt độ hồ hóa của tinh bột không được vượt quá 70°C để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

+Thời gian sấy τs, +Tốc độ của không khí trong quá trình sấy là ω m/s, sau đó ta sẽ tính kiểm tra lại khi tính nhiệt quá trình sấy τ w1 w2 t1 t2 ω

Tốc độ đốt nóng hạt tinh bột trong quá trình sấy 200 o C/phút

Tính toán các kích thước cơ bản của hệ thống

Dựa vào tiêu chuẩn Re và tiêu chuẩn Phêđôrov để tính tốc độ ω1

Tiêu chuẩn Phêđôrov (dtd) đề cập đến đường kính tương đương của tinh bột khi đưa vào ống sấy, với giá trị dtd = 0,009mm do tinh bột ở dạng nhão, khiến các hạt tinh bột kết dính lại thành cục lớn hơn Khối lượng riêng của tinh bột (ρv) là 20 kg/m³ khi được sấy Ngoài ra, khối lượng riêng của không khí (ρk) và độ nhớt động học của không khí (νk) cũng là những yếu tố quan trọng, cùng với gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s².

Nhiệt độ trung bình của không khí t = 0,5.( t1 + t2 ) = 115 o C tra bảng thông số vật lý của không khí khô ta được: ρk = 0,897 kg/m 3 νk = 24,7 10 -6 m 2 /s

Ta có theo tài liệu [2/259]khi Re > 100 thì ta tính ω1 theo công thức: w1=2,76.√ d td ρ ρ v k

Chọn tốc độ làm việc w theo tốc độ tới hạn[2/261]: w = (1,3÷1,6) w1 nên ta chọn w = 15 m/s là thoải mãn

2.5.2 Chiều dài cơ bản của ống sấy

Chiều dài cơ bản của ống sấy[2/261]:

TÍNH TOÁN NHIỆT THIẾT BỊ SẤY KHÍ ĐỘNG

Lượng ẩm cần bốc hơi: W

Là lượng ẩm cần bốc hơi trong một đơn vị thời gian

G2: khối lượng sản phẩm ra khỏi thiết bị sấy

G2 = 120 tấn/ngày, đêm.G2 = 5000kg/h Độ ẩm ban đầu ω1 = 38% Độ ẩm cuối ω2 %

Khối lượng tinh bột đưa vào hệ thống sấy

Tính toán quá trình sấy lý thuyết

3.3.1 Tính toán thông số vật lý của không khí tại các điểm hình 3.1 đồ thị I-d [3]

Theo điều kiện khí hậu ta chọn:

• φ 0 = 85% Điểm O = t 0 ∩ φ 0 Ở nhiệt độ 20 o C ta có:

 Pobh= 0,023 bar Độ chứa ẩm của không khí:

1−0,85.0,023= 0,0124 kg/kgkkk Entanpi của không khí:

 I0= 51,4 kJ/kgkkk Điểm 1= t1 (d1=d0=constand) do quá trình (0-1) là quá trình gia nhiệt nên có độ chứa ẩm không đổi ta có:

6,117(0,0124+0,622)= 0,0032 Điểm 2=t2∩(I2=I1= cons’t) do quá trình bay hơi đoạn nhiệt tacó:

• I2=I1= 194,82 kJ/kgkkk Độ chứa ẩm:

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 19 φ2= d 2 P

3.3.2 Lượng không khí khô lý thuyết

• Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm l0 = 1 d 2 −d 1 = 1

• Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi W kg ẩm/s

3.3.3 Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết

Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm q0= l0(I1-I0) = 28,57.( 194,82– 51,4) = 4097,51 kJ/kg ẩm

Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi W kg ẩm/s

3.3.4 Tính toán sơ bộ các kích thước cơ bản của ống sấy

3.3.4.1Đường kính của ống sấy

Vk: Lưu lượng thể tích khí trong ống sấy

L0: lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy L0,64 kg/s vk: thể tích riêng của khí trong ống sấy vk= 1 ρ k = 1

Vk= 16,64.1,115= 18,55 m 3 /s wk: tốc độ không khí trong ống sấy wk = 15 m/s

3.3.4.2 Tính chiều dài ống sấy

• Chiều dài phần bổ sung của ống sấy (để tính đến phần hai đầu của ống sấy) [2/261]

• Chiều dài của ống sấy:

3.4 Tính toán quá trình sấy thực

3.4.1 Xây dựng quá trình sấy thực và xác định lượng không khí khô cần thiết

Hình 3.2 mô tả dòng nhiệt trong quá trình sấy

Từ phương trình cân bằng nhiệt thiết bị sấy[3]:

Q + Qbs + LI0 + G2Cmtm1 + WCntm1 + GvtCvttm1 = G2Cmtm2 + GvtCvttm2 + Q5 + LI2

 Q + Qbs = L( I2 - I0 ) -WCntm1 + G2Cm (tm2-tm1) + GvtCvt (tm2- tm1) + Q5

+ Q2 = L( I2 - I0 ) - Tổn thất nhiệt theo tác nhân sấy

+ Qm = G2Cm (tm2-tm1) - Tổn thất nhiệt theo vật liệu sấy

+ Qvt = GvtCvt (tm2- tm1) - Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển

+ WCntm1 : Nhiệt hữu ích mang vào theo ẩm

Chia 2 vế phương trình (*) cho W ta có: q +qbs = q2 - Cntm1 + qm + qvt + q5 (3)

Theo quá trình sấy lý thuyết: q = l (I1-I0)

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 21 qbs + l (I1-I0) = l (I2-I0) - Cntm1 + qm + qvt + q5

 l (I2-I1) = qbs + Cntm1 – qm - qvt - q5 Đặt  = qbs + Cntm1 – qm - qvt - q5: tổn thất nhiệt phụ để làm bay hơi 1 kg ẩm l (I2-I1) = 

⇒ I 2 = I 1 + Δ l : entanpi cuối quá trình sấy thực (3.6) Xây dựng quá trình sấy thực trên đồ thị I-d :

Hình 3.3 đồ thị I-d quá trình sấy thực

Từ một điểm C0  I = I1 = const, vẽ đường thẳng song song trục I Trên đường thẳng này ta đặt doạn C0E0 thoả mãn đẳng thức:

Điểm B biểu diễn trạng thái của tác nhân sấy trước khi bắt đầu quá trình sấy, trong khi điểm C thể hiện trạng thái của tác nhân sấy sau khi đã hoàn thành quá trình sấy thực tế Đường cắt E0 tại t=t2 const giúp xác định mối quan hệ giữa hai trạng thái này.

+   0 thì E0 nằm dưới C0 Đối với tác nhân sấy trong thiết bị khí động này ta có:

 = Cn1i - qm - q5 (nhiệt có ích- tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi- tổn thất nhiệt ra môi trường)

3.4.2 Tính tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra

Tổn thất này là do khi vật liệu sấy đưa vào với nhiệt độ thấp khi ra có nhiệt độ cao

Nhiệt độ vật liệu sấy lấy theo điều kiện: tv2 = t2 – (7÷12) 0 C, ở đây ta lấy : tv2 70-10 = 60 0 C , qm= ( )

Cv: nhiệt dung riêng của tinh bột sắn[2/21], C = 1,381+0,0218ω (3.8) C= 1,381+0,0281.0,12=1,384 kJ/kgđộ t0: nhiệt độ vật liệu sấy đưa vào t0 = 20℃

W: lượng ẩm cần bốc hơi W 96,774kg/h

3.4.3 Tổn thất nhiệt ra môi trường q 5

Công thức tính nhiệt lượng tỏa ra từ ống sấy được biểu diễn như sau: Qmt=α2 (tw3-tf).πd3L kJ/kg, trong đó nhiệt độ bề mặt ngoài của ống được chọn là tw3 = 40°C để đảm bảo điều kiện vệ sinh và tránh bỏng Nhiệt độ môi trường tf2 được xác định là 20°C Hệ số tỏa nhiệt từ mặt ống ra ngoài không khí α2 được tính theo công thức α2 = 1,715.(tw3 - tf2)^(0,333) W/m²K Với các giá trị đã cho, ta có α2 = 1,715.(40 - 20)^(0,333) = 4,65 W/m²K Đường kính ngoài cùng của ống sấy được ký hiệu là d3.

2 lớp cách nhiệt bông thủy tinh

3 lớp thép làm ống sấy hình 3.4 cấu tạo của ống sấy

Theo phương trình cân bằng nhiệt, dòng nhiệt qua 1m chiều dài ống trụ được xác định bởi qmt=q1=q2=q3 Trong đó, qmt là mật độ dòng nhiệt từ bề mặt ống ra môi trường, tính cho 1m chiều dài ống, được tính bằng công thức: qmt=α2(tw3-tf2)π.d3 (W/m).

Mật độ dòng nhiệt do dòng không khí chuyển động tỏa ra cho bề mặt trong của ống được tính cho 1m chiều dài theo công thức q1= α1(tf1-tw1)π.d1 (W/m) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức của tác nhân sấy với bề mặt trong của ống được xác định là α1= 62W/m²K, khi vận tốc của tác nhân sấy là 15m/s, lớn hơn 5m/s Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong ống được tính là tf1 = 0,5.(t1 + t2), với t1 và t2 là nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dòng khí.

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 24 d1: đường kính trong của ống

+ q2 : mật độ dòng nhiệt truyền qua 1m chiều dài vách ống theo [1], w/m q 2 = (t w1 1 −t w2 )

Hệ số dẫn nhiệt λ của vật liệu làm ống thép là 46 W/mK Nhiệt độ bề mặt ngoài giữa lớp thép và lớp cách nhiệt được ký hiệu là tW2, trong khi d2 là đường kính ngoài của ống thép.

+q3: mật độ dòng nhiệt truyền qua 1m chiều dài lớp cách nhiệt theo [1] q 3 = (t w2 1 −t w3 )

(3.15) λ2 hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh, λ2= 0,04

Lớp tôn bọc bên ngoài rất mỏng, do đó có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó trong tính toán Công thức tính d3 được sử dụng như sau: d3 = d1 + 2δ1 + 2δ2, trong đó δ1 là chiều dày của ống sấy và δ2 là chiều dày của lớp cách nhiệt.

Lấy δ 1 = 6mm sẽ kiểm tra lại trong phần tính toán cơ khí

Và lấy δ 2 theo chiều dầy lớp cách nhiệt tiêu chẩn

Bảng 3 Số liệu tính toán δ 2

100 1,512 441,75 113,26 113,232 129,72 70,63% Theo từ bảng số liệu tính toán ta được:

Vậy tổn thất nhiệt ra môi trường:

Tổng tổn thất nhiệt Δ: Δ= Catv1- qm- q5 (3.19)

Ca: nhiệt dung của nước

3.4.5 Xác định thông số trong quá trình sấy thực

Hình 3.5 đồ thị I-d của quá trình sấy thực[3]

Tính toán entanpi và độ chứa ẩm: d 2 d o =d 1 f = 100% f 2 f 1 f 0 t 1 t 2 t 0 d(g/kg k.k)

{I 2 ′ = 191,97 kJ/kgkk d 2 ′ = 46,36 g/kgkk Độ ẩm tương đối φ2 ’ : φ2 ’= 2 ( 2 ' )

3.4.6 Lượng không khí tiêu hao trong quá trình sấy thực

Lượng không khí thực tế để làm bay hơi 1kg ẩm l = 1000 d 2 ′ −d 1 = 1000

46,36−12,4),4 kg kk/kgẩm (3.21) Lượng không khí thực tế để làm bay hơi W kg ẩm/h

3.4.7 Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực tế

Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm: q=l.(I1-I0) = 29,4.(194,82-51,4) = 4216,55 kJ/kgẩm (3.23) Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi W kgẩm/h

3.4.8 Hiệu suất của thiết bị η = q q 1

(3.24) q1: nhiệt lượng có ích: q1= i2 - Catv1= (2493+1,97t2) - Catv1 (3.25) i2: entanpi của hơi ẩm ra khỏi ống sấy, i2=(2493+1,97t2) kJ/kg ẩm q1= (2493 +1,97.70) – 4,186.20 = 2547,18 kJ/kgẩm η= 2547,18

3.4.9 Tính sai số kiểm tra quá trình tính toán

Tính theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: q’ = q1 + q2 + qmt (3.26) q1: nhiệt lượng có ích: q1 = i2 – Catv1 = ( 2493 + 1,97tv2) - Catv1 q1 = ( 2493 + 1,97 60) – 4,186.20 = 2527,48 kJ/kgẩm q2: tổn thất do tác nhân sấy mang đi; q2 = l.C.(t2 – t0) = 29,4.(70 - 20) = 1470 kJ/kgẩm

Vậy sai số tương đối trong quá trình tính toán: ε = q q q − '

Với sai số như trên thì kết quả tính toán được xem là đúng

3.4.10 Tính lại kích thước của ống sấy

Q’: tổng nhiệt lượng đốt nóng vật liệu sấy Qv và nhiệt lượng có ích Q1:

Q’ = 276801 + 5340861 = 5617662 kW α: hệ số trao đổi nhiệt giữa dòng tác nhân sấy và dòng vật liệu sấy xác định theo thực nghiệm theo giới hạn Fe: α = Nu.λ k d td (3.29)

Nu = 0,83Fe 0,74 = 0,83.269,157 0,74 = 52,15 λk: hệ số dẫn nhiệt của không khí ta có ttb = 115 o C nên ta tra được λk =0,0326 W/mK

0,009 = 188,89 W/m 2 K F: Tổng bề mặt của n hạt:

9.10 −5 1120= 297619,05 m 2 /h (3.30) Δt: độ chênh nhiệt độ trung bình giữa dòng tác nhân sấy và dòng vật liệu sấy: Δt = ( ) ( ) ( )

188,89.297619,05.49,26= 6,94 s ≈ τ chọn nên không cần tính lại các kích thước của ống sấy

3.4.11 Tính tổn thất áp suất theo chiều dài ống

∆P: tổng tổn thất áp suất của thiết bị sấy, Pa

∆P L : trở lực ma sát của đường ống sấy và đường ống dẫn tác nhân sấy, Pa

∆P V : tổn thất trong ống sấy theo chiều cao của ống

∆P z ∗ : tổn thất áp suất do ma sát của hạt vật liệu tác động, Pa

∆P G : tổn thất do chiều cao đẩy chất rắn, Pa

∆P c : tổn thất do trở lực cục bộ, Pa

L: chiều dài ống sấy, m d: đường kính trong của ống sấy , m ρ: khối lượng riêng của không khí, kg/m 3 w: tốc độ của không khí f: hệ số trở lực ma sát

• Độ nhỏm của ống sấy R= 20 àm vậy ta cú hệ số ma sỏt

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 29 f = 0,0055(1 + 20000R+ (10 6

• ρ ∗ : khối lượng riêng tương đối Chỉ số Froude liên quan tới vận tốc khí

10 a Fr b (3.38) a,b phụ thuộc vào kích thước hạt a = 1,44d + 1,96 = 1,44.9 10 −3 + 1,96 = 1,97 b = 1,1d + 2,5 = 1,1.9 10 −3 + 2,5 = 2,51 μ = 1

• λ z ∗ : hệ số ma sát của vật liệu Theo Konno và Saito hệ số ma sát của vật liệu λ z ∗ = 4.0,0285c gD = 4 0,0285.9

2 (3.40) ξ: hệ số trở lực cục bộ ξ = 0,9

2 = 105 Pa Suy ra tổng tổn thất thiết bị:

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị

Chọn vật liệu chế tạo là Thép 201 với các thông số đi kèm như sau:

Mô đun đàn hồi, E 197000 N/mm²

Giới hạn bền kéo, σ k 685 N/mm²

Giới hạn bền chảy, σ c 292 N/mm²

Tính chiều dày của ống sấy

P: áp suất làm việc của quá trình, P=1 (at) = 101325 (N/m²)

D: đường kính ống, m φ: hệ số bền của mối hàn

[σ]: ứng suất cho phép của vật liệu, N/m²

Giới hạn bền kéo: σ k = 685 (MPa)

Giới hạn bền chảy: σ c = 292 (MPa) Ứng suất kéo và chảy cho phép của vật liệu:

[σ c ] = σ c n c η (4.3) Trong đó theo n k = 2,6; n c = 1,5; η = 1 Suy ra:

1,5 1 = 194,67 (MPa) Ứng suất cho phép của vật liệu là: 194,47 10 6 (Pa)

Suy ra: bỏ qua thành phần áp suất dưới mẫu trong công thức tính bề dầy của ống sấy

Để xác định độ dư ăn mòn cho thiết bị, thường chọn tuổi thọ từ 15-20 năm và tốc độ ăn mòn của vật liệu Độ dư cho phép tối thiểu để bù vào dung sai âm và độ không chính xác khi gia công tấm vật liệu được chọn là c1 = 1mm Ngoài ra, độ dư do bào mòn thiết bị được xác định là c3 = 1mm, trong khi đó c2 được chọn là 2mm.

Kiểm tra bền theo áp suất thử: σ = [D t +(S−C)].P O

P th : áp suất thử thủy lực

Tra bảng suy ra: P th = 1,25P

Vậy chiều dầy ống là S=6mm

SVTH: Trần Văn Tướng MSSV: 20154295 33 m = π(D n 2 − D tr 2 ) L ρ

chọn bích nối ống sấy

Hình 4.1 bích thiết bị Bulong và bích đều được làm từ thép SUS 201 Với các thông số như sau:

D D b D 1 D o Bulông h δ đệm d b z mm cái mm

tính chọn tai treo

• Khối lượng ống sấy m = 10008 kg Tải trọng tác dụng lên tai treo:

Số lượng tai treo 4 cái tải trọng tác dụng lên 1 tai treo 2,5.10 4 N

Chọn tai treo với thông số trong bảng sau:

Hình 4.2 tai treo Bảng 4 Thông số tai treo

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ

Thiết bị Cyclone thu hồi tinh bột

Các thông số đầu vào

• Ta có lưu lượng khí cần xử lý

63433 = 78,82 g/m 3 Cách tính các kích thước cơ bản của xyclon và ống trung tâm:

Nếu kênh dẫn có tiết diện hình chữ nhật với kích thước b/a = (1,5÷2) thì bán kính trung tâm R1 nên lấy theo quan hệ:

Tính đường kính của xyclon D xác định theo công thức thực nghiệm sau[2/320]:

Trong nghiên cứu này, các tham số quan trọng được xác định bao gồm đường kính hạt tinh bột (m), khối lượng riêng của một hạt (ρv), và khối lượng của tác nhân sấy (ρk) Chiều rộng của tiết diện kênh dẫn (a) cũng được xem xét, cùng với hệ số hình dáng (φ), trong đó nếu hạt có hình tròn thì φ = 2,75, còn nếu hạt có hình dáng mảnh thì φ = 3,94 Hình 5.1 minh họa cấu trúc của cyclone.

Kích thước cơ bản của xyclon

Đường kính ống trung tâm (D1) và đường kính phần nhỏ nhất của phễu (d) là hai yếu tố quan trọng trong thiết kế xyclon Chiều dài phần ống trung tâm cắm vào xyclon (h1) và chiều cao phần trụ của xyclon (h2) cũng đóng vai trò quyết định trong hiệu suất hoạt động Bên cạnh đó, chiều cao phễu (h3) và chiều dài tiết diện kênh dẫn vào xyclon (b) cần được tính toán chính xác để đảm bảo quá trình tách biệt hiệu quả.

Xác định chiều dài ống trung tâm cắm vào xyclon h1 h1 a D a

Tính chiều cao phần hình trụ của xyclon h2: h2 = h1 + 2a , m (5.3)

Tính chiều cao phần côn của xyclon: h3 = D dtgm

Với tgm hệ số ma sát

Do lưu lượng khí cần xử lý lớn nên ta sử dụng hệ thống Xyclone tổ hợp với 4 Cyclone

Lưu lượng 1 Cyclone cần xử lý: V858,25 m³/h

Thông số kích thước của Xyclone như sau[2/321]:

Trờ lực do cyclone gây ra là:

Theo ct tr.229 thiết kế hệ thống thiết bị sấy -TS Hoàng Văn Chước

D c = 1,632√ V 2 ρ.ξ ΔP c (5.5) với ξ = 110 hệ số trở lực ΔP c = 1,632 2 V 2 ρ ξ

3600 2 1,2 2 = 65000 Pa Chọn vật liệu chế tạo Cyclne thép 201, có khối lượng riêng ρ = 7860 kg/m 3 Chọn chiều dày cyclone tc=4 mm vậy Dn = 1,208 m Khối lượng cyclone : mc = ρ V

Thiết bị lọc bụi tay áo

Các thông số đầu vào :

- Nồng độ bụi khí vào : Cb2 = 12 g/m 3

- Chọn khí nén để rũ bụi có áp suất : P = 3 atm

Tổng bề mặt lọc bụi :

S = V v.η (5.7) v: cường độ lọc m 3 m 2 , lấy v = 150 m 3 m 2 h η: Hiệu suất làm việc của bề mặt , η = 85%

S = 63433 200.0,85= 375 m 2 Chọn ống vải lọc bụi hình tròn có : đường kính d= 0,4 m

Chiều dài ống tay áo l= 3 m

Số tay áo cần là : n = S π.d.l = 375

3,14.0,4.3 = 100 tay áo (5.8) Trờ lực qua thiết bị lọc bụi : ΔPlb = A.ν n ( Pa) (5.9)

A : hệ số thực nghiệm với từng loại vải kể đến độ hao mòn và bẩn A%…0,25 chọn A n: hệ số thực nghiệm , n=1,25 1,3 chọn n =1,25

Tính chọn quạt hút

Sơ bộ tổng tổn thất áp suất trong lá trình sấy gồm :

- Tổn thất qua thiết bị sấy

- Tổn thất qua lọc bụi tay áo ΣΔP = 683 + 65000 + 7521 = 73204 Pa = 0,72 at Công suất của quạt

Chọn kiểu cấp liệu

Hình 5.2 Các kiểu cấp liệu vật liệu sấy a- van trượt; b- van quay; c- Khay nạp bảng; d- vít tải; e- van côn; f- van chữ L

Chọn kiểu cấp liệu vít tải

Hình 5.4 Kiểu cấp vật liệu sấy vít tải

Venturi kết nối

Tham khảo tài liệu [10] đưa ra các kích thước của Venturi kết nối như sau hình 5.5 Venturi kết nối

Tiêu đề	Tính Toán, Thiết Kế Hệ Thống Sấy Tinh Bột Sắn Sử Dụng Hệ Thống Sấy Khí Động
Tác giả	Trần Văn Tướng
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Máy Hóa
Thể loại	đồ án
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	49
Dung lượng	1,05 MB