Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số hình học của hạt đường RS ứng dụng trong thiết kế máy sấy tầng sôi xung khí

Bài viết Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số hình học của hạt đường RS ứng dụng trong thiết kế máy sấy tầng sôi xung khí trình bày cách xác định đường kính trung bình của hạt đường RS bằng phương pháp sử dụng rây tiêu chuẩn và đã xác định được kích thước trung bình của hạt (dm) có giá trị là 0,892mm.

Phạm Quang Phú, Bùi Trung Thành, Lê Anh Đức 44 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THƠNG SỐ HÌNH HỌC CỦA HẠT ĐƯỜNG RS ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ MÁY SẤY TẦNG SƠI XUNG KHÍ EXPERIMENTAL STUDY DETERMINES THE GEOMETRICAL PARAMETERS OF RS SUGAR CANE PARTICLES TO APPLY IN DESIGNING A PULSED FLUIDIZED BED DRYER Phạm Quang Phú1, Bùi Trung Thành1, Lê Anh Đức2* Trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Nơng lâm Tp Hồ Chí Minh *Tác giả liên hệ: leanhduc@hcmuaf.edu.vn (Nhận bài: 09/8/2022; Chấp nhận đăng: 26/9/2022) Tóm tắt - Trong tự nhiên hạt vật liệu rời thường có hình dạng bất kỳ, kích thước khơng đồng nhất, dẫn đến khó khăn việc tính tốn truyền nhiệt, truyền khối hay thiết kế sấy hạt lớp sôi Để giải vấn đề này, cần phải xem xét đưa hạt vật liệu rời dạng hạt tương đương hình cầu thơng qua xác định kích thước hạt kết hợp với việc xác định cầu tính chúng Nội dung báo trình bày cách xác định đường kính trung bình hạt đường RS phương pháp sử dụng rây tiêu chuẩn xác định kích thước trung bình hạt (dm) có giá trị 0,892mm Bài báo sử dụng kết giá trị cầu tính () hạt đường RS tác giả thực trước có giá trị 0,85, nên xác định đường kính trung bình hạt đường RS quy hạt có hình dạng tương đương hình cầu có đường kính (dp) 760m, diện tích trao đổi nhiệt, ẩm hạt (ap) 2,94.10-6 m2 Abstract - In nature the solid bulk of material are usually arbitrary, the particle size is often not uniform This property leads to calculation difficulty of heat and mass transfer as well as difficulty in calculation of drying these particles in a fluidized bed To solve this problem, one must consider and get these solid bulk of particles into the spherical equivalent by determining the mean diameter combined with the sphericality of there particles The article presents an standard sieve method to determine the mean diameter of the RS particles (dm) is 0.892mm The paper also uses the result of the sphericity of the RS sugar particles that is performed by the author himself who defined its value () is 0.85 to calculate the average diameter of the RS sugar particles which is equivalent to a spherical particle has diameter (dp) is 760m and its surface area (ap) is 2.94e-6 m2 Từ khóa - Vật liệu rời; đường kính hạt; hạt cầu; hạt tương đương cầu; diện tích hạt; sấy tầng sơi xung khí Key words - Solid particle; particle diameter; sphericity; spherical particle; surface area of a particle; pulsated fluidized bed drying Giới thiệu Ngày kỹ thuật sấy khối hạt vật liệu rời tự nhiên, sau sơ chế lớp hạt sôi xem số phương pháp sấy đại cho chất lượng sản phẩm sấy cao hẳn phương pháp sấy thông thường khác [1] Kỹ thuật sấy lớp hạt sơi nói chung ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất vật liệu dược, hóa chất, thực phẩm [2] Để sấy khối hạt vật liệu rời lớp hạt sơi trì q trình sơi ổn định suốt trình sấy, yêu cầu phải cấp dịng tác nhân khơng khí nóng vào lớp hạt theo hướng vng góc với bề mặt lớp hạt sấy từ lên thông qua ghi đỡ hạt máy sấy đạt giá trị vận tốc cân khối hạt (Vb) [4] hay gọi vận tốc lớp hạt sôi tối thiểu (minimum velocity) (Vmf) [5] Từ giá trị vận tốc lớp hạt sôi tối thiểu (Vmf), tiếp tục tăng thêm lưu lượng khí vào khối hạt, vận tốc khối hạt sôi ổn định giá trị vận tốc sôi hợp lý (Vhf) [3, 5] Việc sấy hạt lớp hạt sơi nói chung sấy lớp hạt sơi cấp khí kiểu xung phải bảo đảm tuân thủ theo nguyên tắc cấp khí nói sản phẩm sấy đạt chất lượng tốt nhất, thời gian sấy nhanh tiết kiệm lượng nhiệt lượng điện quạt cấp khí nóng cho q trình sấy [6] Để xác định vận tốc khí cấp cho khối hạt sấy dạng vật liệu rời sôi tối thiểu (Vmf), yêu cầu cần phải có bước thực xác định đường kích hạt sấy (dp), ngồi từ giá trị kích thước hạt xác định cho phép tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trao đổi ẩm hạt khối hạt lớp hạt sôi [5, 7] Trong phạm vi báo này, tác giả trình bày phương pháp xác định đường kính trung bình hạt đường RS, từ khối hạt đường RS trước thực tính tốn thiết kế mơ hình máy sấy tầng sơi xung khí dạng nghiên cứu dự kiến suất mơ hình 2kg/mẻ 2 Vật liệu phương pháp 2.1 Cơ sở lý thuyết Thực xét khối hạt vật liệu để trạng thái tự nhiên, hạt vật liệu chịu lực hấp dẫn, chúng ln dính lẫn chúng ln chịu giá trị trọng lực Để hạt khối hạt giãn chúng chuyển sang trạng thái linh động cần phải tác động vào khối hạt dịng khí có giá trị vận tốc tối thiểu Vmf (m/s) hay gọi vận tốc cân (Vb) [4]: Industrial University of Ho Chi Minh City (Pham Quang Phu, Bui Trung Thanh) Nong Lam University - Ho Chi Minh City (Le Anh Duc) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 10.2, 2022 g.d p (  p −  f ) 3.Cd f Vmf = Vb = (1) Trong đó: dp – đường kính hạt cầu, m; p – khối lượng riêng hạt có dạng cầu, kg/m3; f – khối lượng riêng không khí, kg/m3; Cd – hệ số trở lực Theo [3], trường hợp Re 103 dòng chảy rối (turbulent flow in voids) 10 < Re < 103 dòng chảy khí qua khối hạt theo chảy độ (Transition to turbulent flow in voids) Như hạt vật liệu rời có dạng hình cầu thơng số hình học hạt dễ dàng xác định biết đường kính hạt Thực tế tự nhiên sản xuất, quy trình cơng nghệ lại tạo hạt cầu, hầu hết hạt có hình dạng Do vậy, bắt buộc tính tốn phải quy kích thước khối hạt sấy kích thước trung bình tính tốn lại đường kính hạt dựa hệ số cầu tính () hạt [3,5,7] Theo [3] hạt dạng hình cầu, xem hạt tương đương cầu xác định “cầu tính ” Theo [3], tính cầu hạt định nghĩa xác định theo phương trình (5) f= Diện tích khối cầu có thể tích với hạt (5) Diện tích bề mặt hạt Theo [4], tác giả đưa khái niệm hệ số hình dạng hạt, ký hiệu K xác định theo phương trình (6)  dp  K =   = 0, 207a p v −p2/3  dV  (6) Trong đó; dp, dv – đường kính tương đương hạt cầu theo diện tích mặt theo thể tích, m; ap – diện tích bề mặt hạt, m2; vp – thể tích hạt, m3; đường kính hạt (dx) quy hạt cầu sử dụng phương trình (7): d x = 1, 24.K v p (7) vs = d s Trong đó: ds – đường kính hạt cầu Như diện tích bề mặt as hạt cầu tính theo phương trình (9):  d2  (9) as = 4  s    Trong theo [3], từ phương trình (6) tính diện tích bề mặt hạt đơn (ap) đưa tương đương hạt cầu tính theo phương trình (10) d2 (10) ap =  Trong đó: ap – diện tích hạt tương đương hạt cầu, m2; d – đường kính hạt có hình dạng bất kỳ, m;  – cầu tính hạt xét Bảng Hệ số hình dạng hạt tự nhiên công nghệ chế biến [4] Hình dạng hạt K Trịn Góc cạnh dài kim mỏng 1,3 1,52 1,72 2,33 Theo [3] tiêu chuẩn Anh BS 4359 cung cấp giá trị cầu tính số hạt điển hình tự nhiên chế biến Bảng Cầu tính số hạt tự nhiên công nghệ chế biến [3] Loại hạt Cát Than (nghiền) Bột mica (8) Cầu tính 0,92-0,98 0,8-0,9 0,28 Loại hạt Hạt nhơm Hạt xúc tác Đá vơi Cầu tính 0,3-0,8 0,4-0,9 0,5-0,9 Trên sở dữ liệu có cầu tính hạt theo Bảng tính  theo phương trình (4) phương pháp thực nghiệm kết hợp với việc xác định kích thước trung bình phương pháp sang rây ta xác định thơng số hình học loại hạt nào, dù chúng có hình dạng Việc xác định kích thước trung bình khối hạt thực sau: Cân lượng nhỏ khối hạt vật liệu rời tiến hành phân loại kích thước chúng qua loạt sàng rây tiêu chuẩn với kích thước lỗ sàng rây sàng rây biết Phần khối lượng mẫu hạt giữ lại lớn kích thước lỗ rây cân lên có giá trị (mi) sau đo lấy giá trị (mi) chia cho khối lượng mẫu ban đầu mang vào phân tích, giá trị tỷ số gọi (xi), sau sử dụng phương trình (11) để tính kích thước trung bình hạt [3]: d m = (  ( xi / di ) ) −1 (11) Trong đó: di giá trị trung bình cộng kích thước hai lỗ kề sàng rây m; xi tỷ số giữa khối lượng hạt lại rây tính theo khối lượng (gam), khối hạt mẫu lấy phân tích ban đầu tính theo gam Như vậy, đường kính hạt có hình dạng quy tương đương hạt cầu tính theo phương trình (12) [3], [5] d p = .dm Thể tích hạt hình cầu (vs) tính: 45 (12) Trong đó: dp – đường kính hạt tương đương cầu, mm; dm – đường kính trung bình hạt xác định Phạm Quang Phú, Bùi Trung Thành, Lê Anh Đức 46 phương pháp sàng rây, mm;  – cầu tính hạt Theo [3] diện tích khối hạt mà hạt có hình dạng quy hạt tương đương cầu tính theo phương trình (13): 6V p (13) As =  d m Trong đó: Vp –thể tích riêng khối hạt trạng thái tự nhiên, m3/kg; dm –đường kính trung bình khối hạt tính tốn theo phương trình (11) phương pháp sàng rây, m; d1 d2 kích thu?c l? h?ng d3 d4 d5 d6 m1 m2 m3 m4 m5 m6 d1 d2 d3 d4 d5 d6 Hình Phân tích kích thước khối hạt vật liệu rời sàng rây tiêu chuẩn [3] 2.2 Dụng cụ thí nghiệm s? rung d?ng s? có rung Ống nghiệm thangd?ng chia vạch; Cân tiểu ly kỹ thuật số hiệu Ohaus PA214 độ nhạy 0,0001g; Bộ sàng thí nghiệm tiêu chuẩn Haver & Boecker nhập từ cộng hòa liên bang Đức có kích thước lỗ 0,25mm – 1,5mm Hình m Các dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm xác định kích thước hạt đường RS m2 m3 Kết thảo luận m4 3.1 m 5Xác định kích thước hình học hạt đường RS ứng dụng sấy lớp sơi xung khí m6 Xét cho trường hợp xác định kích thước hạt đường RS sau cơng nghệ ly tâm nhà máy đường Casuco (Cần Thơ) có khối lượng thể tích b = 889 kg/m3 (giá trị nhóm tác giả thực thí nghiệm giai đoạn chờ công bố báo khoa học khác) Theo [8] cơng bố, loại hạt đường RS có đường kính hạt 0,2mm – 0,85mm có khối lượng thể tích hạt 833 – 880 kg/m3 khối lượng riêng 1579 kg/m3 Bảng Kết xác định đường kính trung bình hạt đường RS sử dụng sấy tầng sơi xung khí Cỡ rây (m) Kích thước lỗ rây trung bình hai sàng rây di (m) mẫu m1 (g) mẫu m2 (g) mẫu m3 (g) 1500 1200 1000 800 600 400 300 Tổng 1350 1100 900 700 500 350 2,1411 20,5723 63,944 11,6466 1,0352 99,3392 2,0987 21,2014 62,1994 11,511 2,4088 99,4193 1,9977 18,105 63,0042 13,9175 2,8361 99,8605 Tiến hành lấy ngẫu nhiên khối hạt đường RS bao đường đem cân lấy đủ khối lượng 100 gam Sử dụng rây có dãy kích thước lỗ rây thứ tự từ 0,3 mm – 1,5 mm thực sàng rây phân loại loại kích thước hạt, sau tiến hành cân khối hạt cịn nằm rây (hạt khơng cịn lọt xuống được) thực phép tính để tìm giá trị xi Mình họa cho cách xác định (di) (xi) trường hợp tính cho kích thước trung bình sàng rây thứ thứ Bảng sau: (1500 + 1200 ) = 1350 m x1 = 2,1411 / 100 = 0, 022 d1 = Tiến hành lỗ rây trung bình cuối ta kết trình bày Bảng Với lần đo mẫu ngẫu nhiên thiết lập giá xi1 xi2 xi3 xi1/di xi2/di xi3/di 0,022 0,207 0,644 0,117 0,010 0 0,021 0,213 0,626 0,116 0,024 0 0,020 0,181 0,631 0,139 0,028 0 1,597.10-5 1,883.10-4 7,152.10-4 1,675.10-4 2,084.10-5 1,108.10-3 1,564.10-5 1,939.10-4 6,951.10-4 1,654.10-4 4,846.10-5 1,119.10-3 1,482.10-5 1,648.10-4 7,010.10-4 1,991.10-4 5,680.10-5 1,137.10-3 trị lần đo Bảng 2, kết hợp sử dụng phương trình (11) để tính đường kính trung bình (dm) khối hạt đường RS lấy mẫu d m = (  ( xi / di ) ) = −1 = 892 m 1, 21.10−3 Trong đó: giá trị 1,21.10-3 giá trị trung bình cộng mẫu đo xi1/di (xem Bảng 2) Lấy mẫu đường RS nguyên liệu ngẫu nhiên bao đường nguyên liệu khác thực thí nghiệm xác định đường kính trung bình hạt nằm khoảng 892m, kết sai số giữa lần < 3%, chấp nhận Trên Bảng giá trị d1,d2,d3…d6 kích thước trung bình sàng rây kề nhau, xi1, xi2, xi3 tỷ số giữ khối lượng hạt nằm sàng rây khối lượng mẫu đưa vào sàng phân loại ban đầu [3] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 10.2, 2022 Khối lượng, g 47 Ta tính tổng diện tích bề mặt khối hạt sấy: Thể tích khối hạt xét có giá trị 80 60 Vp = 40 20 200 400 Thí nghiệm 600 800 1000 Cỡ rây, m Thí nghiệm 1200 1400 Thí nghiệm Hình Phân bố kích thước hạt đường RS 3.2 Tính tốn xác định đường kính hạt diện tích bề mặt hạt đường RS Ưu phương pháp sấy vật liệu rời lớp sôi so với loại phương pháp sấy khác hiệu suất truyền nhiệt, truyền ẩm cao tác nhân sấy tiếp xúc bao quanh tồn diện tích bề mặt hạt sấy, đặc biệt phần lượng nhiệt sấy dùng để làm gia nhiệt hạt sấy giai đoạn sấy [6, 7] Như vậy, vấn đề xác định diện tích bề mặt hạt sấy xác định diện tích trao đổi nhiệt trao đổi ẩm khối hạt lớp sơi có ý nghĩa việc xác định động học trình sấy Từ phương trình (12) ta xác định đường kính hạt đường RS quy hạt tương đương cầu giá trị kích thước hạt trung bình (dm) nhân thêm trị cầu tính () Trong báo thừa nhận giá trị cầu tính hạt đường RS tác giả báo xác định  = 0,85 (cách tính xác định giá trị cầu tính hạt đường RS trình bày báo khác) d p = .dm = 0,85.0,892 = 0,76mm Diện tích bề mặt hạt đường RS khơng phải hình cầu có đường kính trung bình dm xác định theo phương trình (10) với cầu tính hạt thừa nhận  = 0,85 Ta xác định diện tích hạt đường RS tương đương hạt cầu có giá trị là: aRS =  dm2 3,14.(892.10−6 )2 = = 2,94.10−6 m2  0,85 Khối hạt đường RS cấp vào buồng sấy tầng sơi cấp khí kiểu xung gồm hỗn hợp hạt có kích thước khác nhau, hình dạng giống nhau, tổng diện tích bề mặt hạt, As tính theo phương trình (13) [3] Giả sử tính cụ thể cho máy sấy tầng sơi xung khí sấy đường RS có suất 500kg/ mẻ Ta cơng nhận kết đường kính trung bình hạt đường RS có giá trị dm = 892 m thừa nhận kết thực nghiệm tác giả xác định cầu tính hạt đường RS  = 0,85, khối lượng thể tích khối hạt b = 889 kg/m3 m b = 500 = 0,562m3 889 Vậy diện tích bề mặt trao đổi nhiệt khối hạt đường RS sấy lớp sơi xung khí kiểu sấy mẻ xác định theo phương trình (13) As = 6Vp .d m = 6.0,562 = 4447m2 0,85.892.10−6 Diện tích trao đổi nhiệt thường xuyên khối lượng đường RS ghi phân phối khí tương đương với diện tích xung quanh nhà tầng lầu tiêu chuẩn TP Hồ Chí Minh có kích thước sàn xây dựng 4m x 17m cao 54 tầng (178m) Kết luận Thông qua lý thuyết sử dụng kết thực nghiệm xác định kích thước hạt đường ngun liệu RS đưa vào mơ hình sấy tầng sơi xung khí có đường kính biến thiên phạm vi từ 1,2 mm đến 0,4mm có kích thước trung bình hạt dm = 0,892mm hạt đường RS quy hạt tương đương cầu có đường kính hạt dp = 0,76mm (trong thừa nhận giá trị cầu tính hạt ( = 0,85) diện tích hạt 2,94.10-6 m2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Arun S Mujumdar, classification and selection of industrial dryers, the thrird edition of Hand book by Taylor & Francis Group, LLC 2006 page 20-29 [2] Kudra, T., & Mujumdar, A S., Advanced drying technologies CRC Press, 2009 [3] Howard.J.R Fluidized bed Technology, principles and application, Publisher Taylor & Francis Group Date, 1989 page 24,1982 [4] Nguyễn Văn Lụa, Khuấy, lắng lọc, Quá trình thiết bị học, Nhà xuất Đại học Quốc gia, TP Hồ Chí Minh, trang 76-78 trang 84, 2005 [5] Trung Thanh Bui, Le Anh Duc, Determination on fluidization velocity types of the continuous refined salt fluidized bed drying, Current drying processes, Israel, Pala-Rosas, ISBN: 978-1-83880109-0/978-1-83880-6, pp 85-107 InTechOpen, 2020 [6] Todor georgiev djurkov, rotating-pulsed fluidized bed, (hydrodynamics, heat and mass transfer when drying and roasting food, flavour and bio-products in rotating-pulsed fluidized bed, Monograph, Plovdiv published house, Bulgary in English, pages 2052, 2022 DOI: https://dx.doi.org/10.5772./intech0pen.92077 (tác giả xem lsố DOI tài liệu số [5]) [7] Bùi Trung Thành, Kỹ thuật sấy muối tinh tầng sôi, Luận án Tiến sỹ trường Đại học Nơng lâm TP Hồ Chí Minh, năm 2011 [8] William J Colonna Upasiri Samaraweera Margaret A Clarke Michael Cleary Mary An Godshall J S White, “Sugar, Properties of Sucrose”, Wiley Online Library, 2000, DOI:10.1002/0471238961.1618151603151215.a01.pub2  ... thảo luận m4 3.1 m 5Xác định kích thước hình học hạt đường RS ứng dụng sấy lớp sơi xung khí m6 Xét cho trường hợp xác định kích thước hạt đường RS sau công nghệ ly tâm nhà máy đường Casuco (Cần... Như hạt vật liệu rời có dạng hình cầu thơng số hình học hạt dễ dàng xác định biết đường kính hạt Thực tế tự nhiên sản xuất, quy trình cơng nghệ lại khơng thể tạo hạt cầu, hầu hết hạt có hình. .. trao đổi ẩm khối hạt lớp sôi có ý nghĩa việc xác định động học trình sấy Từ phương trình (12) ta xác định đường kính hạt đường RS quy hạt tương đương cầu giá trị kích thước hạt trung bình (dm)