Thí nghiệm quá trình thiết bị chương 7

NGHIỀN – RÂY - TRỘN 1) Mục đích thí nghiệm nghiền. - Nghiền là quá trình trong đó vật liệu rắn được cắt ra hoặc làm vỡ ra thành những hạt nhỏ. Trong công nghiệp vật liệu được đập nghiền bằng nhiều phương pháp khác nhau nhằm các mục đích khác nhau: thuận tiện cho quá trình xử lý quặng; hóa chất, ngũ cốc được nghiền thành bột; tăng hoạt tính phản ứng của chất rắn; giúp phân tách các tạp chất bằng các phương pháp cơ học; giảm khối lượng riêng xốp để vận chuyển dễ dàng hơn. - Trong bài thí nghiệm này, nghiềm một loại vật liệu, dựa vào kết quả rây xác đònh sự phân phối kích thước vật liệu sau khi nghiền, công suất tiêu thụ & hiệu suất của máy nghiền. 2) Nguyên tắc hoạt động của máy nghiền búa. - Vật liệu trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào vật liệu và chà xát vật liệu giữa búa và thành máy. Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ lọt ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn lỗ lưới sẽ được tiếp tục nghiền. 3) Phân loại máy nghiền, máy nghiền búa. • Phân loại máy nghiền: + Máy nghiền thô và trung bình: - Máy nghiền má đập - Máy nghiền nón - Máy nghiền trục - Máy nghiền búa - Máy nghiền răng + Máy nghiền mòn: - Máy nghiền chậu con lăn - Máy nghiền bi • Phân loại máy nghiền búa: - Máy nghiền búa nghiền thô và trung bình có má nghiền phụ - Máy nghiền búa nghiền thô và trung bình có lưới thay đổi được - Máy nghiền mòn loại búa đúc nạp liệu chiều trục - Máy nghiền búa chữ nhật có lưới sàng lắp phía đầu búa - Máy nghiền búa chữ nhật có lưới sàng lắp hai bên búa 4) Tiến trình thí nghiệm. - Cân mẫu vật liệu gạo đem nghiền: • Mẫu 1: 100g • Mẫu 2: 200g - Bật công tắc máy nghiền cho chạy không tải -> đo cường độ dòng điện lúc không tải. - Cho gạo vào máy, bật công tắc vít tải nhập liệu, bấm thì kế -> đo cường độ dòng điện có tải cực đại. Khi cường độ dòng điện trở lại giá trò không tải -> bấm thì kế để xác đònh thời gian nghiền. - Tháo sản phẩm ra khỏi máy nghiền. 1 5) Các thông số cần đo trong thí nghiệm nghiền. - Khối lượng mẫu vật liệu (gạo). - Thời gian nghiền. - Cường độ dòng điện lúc có tải và lúc không tải. 6) Cách tính công suất nghiền. - Xác đònh kích thước trung bình của vật liệu trước khi nghiền D p1 , mm. - Xây dựng giản đồ log∆Φ n theo logD pn , từ đó xác đònh kích thước hạt vật liệu sau khi nghiền D p2 , mm. - Xác đònh khối lượng vật liệu đem nghiền, tấn. - Đo thời gian nghiền, phút. Từ đó tính công suất nghiền theo công thức: P = 19W i ( 2 1 p D - 1 1 p D )T Trong đó: W i: là chỉ số công tức là năng lượng cần thiết nghiền từ kích thước rất lớn đến 100µm, kWh/ tấn nguyên liệu. W i đề bài cho hoặc tra bảng 3.2 sách “Cơ học vật liệu rời” trang 90. D p1 , D p2 : kích thước của nguyên liệu và sản phẩm, mm. T: năng suất nghiền, tấn/phút. 7) Ý nghóa của hiệu suất nghiền. - Công thức: H = 'P P x100% Trong đó: P : Công suất nghiền, kW P ’ : Công suất tiêu thụ cho động cơ của máy nghiền, kW Vậy: hiệu suất nghiền cho biết tỷ lệ phần năng lượng sử dụng để nghiền ( hữu ích ) so với năng lượng tiêu thụ cho động cơ của máy nghiền. 8) Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và hiệu suất nghiền. a/ Công suất: - Kích thước vật liệu trước và sau khi nghiền D p1 , D p2 ( hay nói cách khác là yêu cầu của quá trình nghiền). - Chỉ số công W i , mà W i phụ thuộc vào loại máy nghiền và loại vật liệu nghiền. - Năng suất của máy nghiền T. b/ Hiệu suất: - Công suất P (tức là phụ thuộc các yếu tố như trên). - Công suất tiêu thụ cho động cơ của máy nghiền P ’ = UIcosϕ (tức phụ thuộc vào hiệu điện thế máy nghiền, cường độ dòng điện và hệ số công suất). 9) Ý nghóa của chỉ số công. Chỉ số công phụ thuộc điều kiện gì. - Chỉ số công W i là lượng năng lượng cần thiết, kW.h/tấn vật liệu nghiền, để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu rất lớn đến sản phẩm có 80% lọt qua rây 100 micron. - Ý nghóa: chỉ số công giúp chúng ta xác đònh công suất để nghiền vật liệu từ kích thước D đến d. - Chỉ số công phụ thuộc vào loại máy nghiền (các máy khác nhau nhưng cùng loại có W i xấp xỉ nhau) và vật liệu nghiền (các vật liệu khác nhau có W i khác nhau) 2 10) Phát biểu đònh luật Bond, Rittinger và Kick.  ĐỊNH LUẬT BOND : Công cần thiết để tạo nên hạt có đường kính D từ cục vật liệu ban đầu rất lớn tỉ lệ với căn bậc hai tỉ số diện tích bề mặt – thể tích của sản phẩm, S/V = D 6λ . Như vậy: D K E b = ⇒ Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu D thành sản phẩm có kích thước d là:         −= D 1 d 1 KE b Với: E = G N N: công suất tiêu thụ, kW G: năng suất, tấn/h K b = 18,97W i - Dùng cho nghiền trung bình và mòn.  ĐỊNH LUẬT RITTINGER : Công dùng cho quá trình nghiền tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt mới tạo thành của sản phẩm nghiền:       −= D 1 d 1 KE r - Thích hợp nhất cho nghiền mòn đặc biệt là máy nghiền bi.  ĐỊNH LUẬT KICK :Công cần thiết để nghiền một lượng vật liệu cho trước là không đổi ứng với cùng một mức độ nghiền, bất chấp kích thước ban đầu của vật liệu. ilgKE k = Trong đó i là mức độ nghiền và K k là hằng số. ⇒ Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền tỉ lệ nghòch với sự giảm thể tích của bề mặt vật liệu. d D lnKE k = - Dùng trong trường hợp đập nghiền thô và nghiền mòn bằng va đập. 11) Cách tính đường kính tương đương. - Hình dạng của một hạt vật liệu rời được biểu diễn bằng đại lượng gọi là thừa số hình dạng λ độc lập với kích thước hạt. Thừa số λ liên hệ đến kích thước đònh nghóa chính của hạt như sau: Đặt chiều dài của một kích thước được chọn tương đối là D, gọi là đường kính hạt. Như vậy với hình khối D là cạnh và hình cầu D là đường kính, do đó thể tích và diện tích bề mặt của hình khối là D 3 và 6D 2 , của hình cầu là (π/6) D 3 và πD 2 . Với hai hình này tỉ số diện tích bề mặt và thể tích đều bằng 6/D. - Thể tích của một hạt có hình dạng bất kì là: V = aD 3 Và diện tích bề mặt là: S = 6bD 2 Với a và b là hằng số hình học chỉ tùy thuộc vào hình dạng hạt. ⇒ Tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt là: λ == 6 D )a/b(6 D S V Thừa số hình dạng: λ = b/a. - Đường kính tương đương là đường kính của hạt hình cầu có cùng tỉ số V/S. 3 ⇒ Đường kính tương đương: λ = D D tđ 12) Nêu tiến trình thí nghiệm rây.  Thí nghiệm xác đònh hiệu suất rây: - Lấy ½ sản phẩm sau khi nghiền đem rây để xác đònh hiệu suất rây có kích thước 0,25mm. - Rây 5 lần, mỗi lần 5 phút, cân lượng vật liệu lọt qua rây.  Thí nghiệm xác đònh sự phân bố kích thước vật liệu sau khi nghiền: - Lấy ½ sản phẩm còn lại đem rây 20 phút, cân lượng vật liệu tích lũy ở mỗi rây. 13) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất rây.  Độ ẩm của vật liệu rây: - Độ ẩm của vật liệu rây ảnh hưởng lớn đến quá trình rây. Khi các vật liệu chuyển động trên bề mặt rây, các hạt vật liệu sẽ va chạm vào nhau, do đó nếu chúng có độ ẩm cao chúng sẽ dễ dính vào nhau làm tăng kích thước hạt và sẽ không lọt được qua rây. Mặt khác, vật liệu ẩm dễ kết dính vào lỗ lưới, gây bít lỗ lưới rây. Độ ẩm lý tưởng của vật liệu để hiệu suất rây đạt cao nhất là 5%.  Bề dày lớp vật liệu trên bề mặt rây: - Chiều dày lớp vật liệu trên bề mặt rây cũng ảnh hưởng đến hiệu suất rây. Nếu lớp vật liệu quá dày thì lớp vật liệu nằm ở trên bề mặt sẽ khó đi xuống phía dưới để tiếp xúc với bề mặt lưới rây và lọt qua rây. Có thể chọn chiều dày lớp vật liệu trên rây phụ thuộc vào kích thước vật liệu. Khi d < 5mm thì bề dày lớp vật liệu h = (10 ÷ 15)d. Khi d = (5 ÷ 50)mm thì h = (5 ÷ 10)d. Khi d > 50mm thì h = (3 ÷ 5)d.  Kích thước của vật liệu trên rây: - Khi vật liệu chuyển động trên bề mặt lưới rây, sẽ có một số hạt vật liệu nằm lọt trong lỗ lưới rây. Để chúng không bít lỗ rây và chuyển động ra ngoài thì cần phải tác dụng vào hạt vật liệu một lực nào đó có giá trò thích hợp.  Bề mặt tự do của rây: là tổng diện tích lỗ rây trên bề mặt rây  Kích thước mặt rây. 14) Nêu phương pháp phân tích rây để xác đònh kích thước hạt. - Đem rây vật liệu trong 20 phút, cân lượng vật liệu tích lũy ở mỗi rây. - Xây dựng giản đồ: log∆φ n = (b+1)logD pn + logK’. Từ đó xác đònh K’ và b. 15) Cách tính hiệu suất rây. 100 Fa J E ×= F: khối lượng vật liệu ban đầu cho vào rây, g. J: khối lượng vật liệu dưới rây, g. a: tỉ số hạt có thể lọt qua rây, %.  Tích số F.a trong thí nghiệm được xác đònh như sau: - Đem rây một khối lượng F của vật liệu, khảo sát xác đònh được J 1 . Lấy vật liệu còn lại trên rây (F – J 1 ) và rây lại xác đònh được J 2 , tiếp tục lấy vật liệu trên rây F – (J 1 + J 2 ) và rây lại lần nữa. - Tổng số J 1 + J 2 + J 3 + … sẽ tiệm cận đến F.a 4 - Hiệu suất rây là 100% nếu J 1 = F.a 16) Mục đích thí nghiệm rây và quá trình rây.  Mục đích thí nghiệm rây: để xác đònh hiệu suất rây, xây dựng giản đồ phân phối và tích lũy của vật liệu sau khi nghiền, từ đó xác đònh kích thước vật liệu sau khi nghiền.  Mục đích quá trình rây: tạo ra những phần hạt có kích thước đồng đều để dễ gia công, dễ chế biến. 17) Ứng dụng của quá trình trộn vật liệu. - Tạo hỗn hợp đồng nhất từ các thành phần rắn (hay lỏng) khác nhau dưới tác dụng của lực cơ học. VD : sản xuất thức ăn gia súc, xi măng, phân bón, mỹ phẩm, thực phẩm đóng hộp …. - Giúp tăng cường quá trình truyền nhiệt hay phản ứng giữa một chất rắn và một chất khí. VD : quá trình sấy, đốt quặng, polymer hoá chất dẻo, sản xuất chất xúc tác… - Tạo một lớp áo quanh vật liệu rời VD : sản xuất phẩm màu, thuốc nhuộm, dược phẩm, kẹo. 18) Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình trộn. - Sự phân phối cỡ hạt : Sự phân phối quá rộng cỡ hạt sẽ ạnh hưởng xấu đến quá tình trộn . - Khối lượng riêng xốp : Khối lượng riêng xốp thay đổi trong quá trình trộn, có thể thay giảm do bọng khí trong khối hạt hoặc tăng do rung động hoặcnén cơ học. - Khối lượng riêng của vật liệu: Vật liệu đem trộn có khối lượng riêng khác nhau sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình trộn. - Hình dạng hạt: có thể có dạng phiến, hình trứng, khối lập phương, cầu, dóa, thanh, sợi, tinh thể hoặc dạng bất kỳ. -Đặc trưng bề mặt: bao gồm diện tích bề mặt và khuynh hướng tích điện. Lực tónh điện có ảnh hưởng xấu tới quá trình trộn. - Đặc tính lưu chuyển: đó là góc nghiêng tự nhiên và khả năng lưu chuyển. Góc nghiêng tự nhiên càng lớn cho thấy khả năng lưu chuyển càng thấp. - Tính dễ vỡ: đây là tính dễ vỡ vụn của vật liệu trong quá trình sử dụng. Nếu vật liệu chỉ cần trộn mà không nghiền thì tính chất này ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm trộn. Ngoài ra tính chất mài mòn cùa vật liệu này trên vật liệu khác cũng có ảnh hưởng tương tự. - Tính kết dính: Các hạt cùng loại có khuynh hướng kết dính lại với nhau sẽ cản trở quá trình trộn. - Độ ẩm của vật liệu: thường một lượng nhỏ chất lỏng được thêm vào để giảm bụi hoặc đáp ứng một nhu cầu đặc biệt. Hỗn hợp vẫn ở dạng ở trạng thái khô chứ không phải dạng nhão. - Khối lượng riêng: độ nhớt và sức căng bề mặt của chất lỏng thêm vào tại nhiệt độ làm việc. - Nhiệt độ giới hạn của vật liệu: phải chú ý đến sự biến đổi nhiệt độ có thể xảy ra. -> Trước khi chọn lựa máy trộn cần xem xét kỹ tính chất trên của vật liệu đem trộn 19) Các quá trình xảy ra trong máy trộn (cơ chế của quá trình trộn). - Tạo ra các lớp trượt với nhau theo mặt phẳng trộn cắt. - Chuyển dòch một nhóm hạt từ vò trí này đến vò trí khác - trộn đối lưu - Thay đổi vò trí từng hạt riêng rẽ – trộn khuếch tán - Phân tán từng phân tử do va dập vào thành thiết bò – trộn va đập - Biến dạng và nghiền nhỏ từng bộ phận - trộn nghiền. Những cơ chế trộn trên xảy ra riêng rẽ hay đồng thời với những mức dộ khác nhau tuỳ thuộc vào loại máy trộn và vật liệu trộn. 5 20) Giải thích sự đồng đều giảm dần khi trộn quá lâu. Trong quá trình trộn có các lực chống lại quá trình trộn, thường là lực tónh điện, luôn luôn hiện diện trong quá trình trộn bột khô và có ảnh hưởng rất đáng kể. Các quá trình này có khuynh hướng chống lại quá trình trộn hoàn toàn, khi thời gian trộn quá lâu → qúa trình trộn sẽ ngược lại, vật liệu có khuynh hướng tách rời và các vật liệu cùng loại sẽ kết dính lại → sự đồng đều giảm 21) Ý nghóa cách lấy mẫu khi trộn. Ta phải lấy mẫu tại những vò trí khác nhau tại những thời điểm khác nhau để có thể đảm bảo khảo sát hết khối vật liệu tại những vò trí khác nhau trong máy và đảm bảo cho mẫu lấy có tính đặc trưng. 22) Phân loại máy trộn. - Loại máy trộn thùng quay - Loại máy trộn cánh - Loại máy trộn vít tải 23) Tiến trình thí nghiệm trộn. Cân 1,5 kg đậu xanh và 3 kg đậu nành. Cho vật liệu vào máy trộn, khởi động máy trộn, bấm thì kế xác đònh thời gian trộn. Dừng máy tại mỗi thời điểm 5” , 15”, 30”, 60”, 120”, 300” và lấy mẫu. Lấy mẫu (8 mẫu) tại các điểm theo sơ đồ, đếm số hạt đậu xanh và hạt đậu nành có trong mỗi mẫu. Sơ đồ lấy mẫu : 24) Cách tính chỉ số trộn. Chỉ số trộn: I s = s e σ Với e σ : độ lệch chuẩn lý thuyết n CC BA e = σ ∑ − − =⇒ 2 )(. )1( iAA BA s CCn NCC I n : là số hạt trong trường hợp trộn vật liệu rời. 25) Đánh giá sai số trong bài thí nghiệm trộn. Giá trò sai biệt bình phương trung bình của hỗn hợp thực sẽ là: 1 )( 1 2 − − = ∑ = N CC s N i iAA A 1 )( 1 2 − − = ∑ = N CC s N i iBB B Với C A , C B là thành phần của chất A, B trong hỗn hợp, ta thấy s A , s B càng nhỏ khi hỗn hợp đó càng gần với hỗn hợp lý tưởng; s A và s B phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng quyết đònh nhất là thời gian trộn. 6 7 . - TRỘN 1) Mục đích thí nghiệm nghiền. - Nghiền là quá trình trong đó vật liệu rắn được cắt ra hoặc làm vỡ ra thành những hạt nhỏ. Trong công nghiệp vật liệu được đập nghiền bằng nhiều phương. liệu. ilgKE k = Trong đó i là mức độ nghiền và K k là hằng số. ⇒ Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền tỉ lệ nghòch với sự giảm thể tích của bề mặt vật liệu. d D lnKE k = - Dùng trong trường. quá tình trộn . - Khối lượng riêng xốp : Khối lượng riêng xốp thay đổi trong quá trình trộn, có thể thay giảm do bọng khí trong khối hạt hoặc tăng do rung động hoặcnén cơ học. - Khối lượng riêng