1. Bài tập lớnTính toán các thông số kỹ thuật của hệ thống làm sạch bụi bằng xyclon đơn. Khói lò từ trongPhòng sấy được quạt đẩy tới xyclon để lắng bụi trước khi ra ngoài.Các số liệu cho trước:- Lưu lượng khói là 6.000 m3/h với hàm lượng bụi trong khói là 0,2% khối lượng, nhiệt độKhói là 900C.- Sử dụng quạt ly tâm hút khói từ phòng đưa vào xyclon qua 5 đoạn: đoạn nằm ngang từPhòng tới quạt dài 8 m, từ quạt không khí theo đoạn thẳng đứng 6 m rồi tới đoạn nằm ngang 5 m trước khi tới xyclon; từ xyclon không khí sạch được dẫn đi lên thẳng đứng 5m sau đó điTheo ống ngang 3 m rồi thải ra ngoài trời.- Kích thước hạt bụi là 50 μm với hệ số hình dạng 0,6; Khối lượng riêng hạt bụi 1000 kg/m3.- Độ chân không ở trong phòng sấy là 20 mmH2O, hiệu suất xyclon 0,95.Các thông số tự chọn (kèm theo lý do lựa chọn):- Loại và kích thước ống dẫn; van và các điểm cục bộ (nếu có) trên đường ống;Các số liệu cần tự tra cứu (kèm theo ghi chú nguồn tài liệu tham khảo):- Đặc tính lý hóa của khói lò; hiệu suất của quạt; độ nhám thành ống, hệ số trở lực cục bộTrên đường ống . . .Yêu cầu:1) Tính kích thước cơ bản của xyclon; chọn xyclon tiêu chuẩn tương đương, từ đó xác định Hệ số trở lực của xyclon;2) Xác định công suất làm việc của quạt [Kw], từ đó chọn quạt tiêu chuẩn;3) Xác định lượng bụi thu được [kg/h];4) Vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị.
Trang 1LỜI GIỚI THIỆU
Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm được xây dựng trên cơ sở khoa học tự nhiên và kỹ thuật Đặc điểm của lĩnh vực này là nghiên cứu những qui luật hoạt động của các quá trình để định ra cơ cấu thiết bị, nhằm thích ứng với thực tế sản xuất Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho kỹ sư có khả năng tính toán, thiết kế thiết
bị, khả năng vận hành, cải tiến kĩ thuật hoặc đề suất cao Do đó, đối tượng nghiên cứu môn học này rất rộng, bao gồm các ngành công nghệ hóa chất, thực phẩm, như công nghệ hóa dầu, phân bón, chế biến lương thực, thực phẩm, dược liệu, xử lý môi trường, vv
Các quá trình và thiết bị (hóa công) được coi là một môn học cơ sở rất quan trọng cho sinh viên ngành hóa chất, thực phẩm và luyện kim Mục đích trang bị cho sinh viên các ngành này những kiến thức về quá trình thủy lực, truyền nhiệt, truyền khối và các quá trình hóa học; hiểu biết về các phương pháp phân riêng hệ không đồng nhất dưới tác dụng của cơ học (lắng, lọc, ly tâm) hoặc dưới tác dụng của nhiệt ( chưng luyện, hấp phụ, hấp thụ, trích ly, kết tinh) Ngoài ra còn trang bị thêm những kiến thức về truyền nhiệt, cô đặc, sấy, lạnh đông và đập nghiền sàng
Nội dung của chương trình được trình bày gồm những phần sau:
Phần 1: các quá trình thủy lực ( thủy tĩnh, thủy động, vận chuyển chất lỏng và nén khí) Phần 2: phân riêng hệ không đồng nhất (lắng, lọc, ly tâm); khuấy trộn chất lỏng và đập, nghiền, sàng
Phần 3: truyền nhiệt và các quá trình nhiệt (dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu và bức xạ nhiệt; đun nóng, làm nguội, ngưng tụ và cô đặc); lạnh đông
Phần 4: các quá trình truyền khối (chưng luyện, hấp phụ, hấp thụ, trích ly, kết tinh và
sấy…)
Phần 5: các quá trình hóa học (nhiệt động, động hóa học và cân bằng hóa học, thời gian lưu, động lực học…)
Trong từng phần có trình bày cơ sở lý thuyết và tính toán; mô tả nguyên lý cấu tạo của thiết
bị điển hình, cùng một số bài tập và các ví dụ giúp sinh viên đại học thuộc ngành công nghệ hóa học, thực phẩm và các ngành liên quan nghiên cứu tham khảo, nhằm bổ trợ cho những kiến thức thuộc các ngành trên
Ngoài ra, trong công nghệ hóa học và thực phẩm bao gồm nhiều phương pháp sản xuất rất khác nhau, song nhìn chung các quá trình chế biến đều được thực hiện bởi các quá trình vật lý, hóa lý giống nhau như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, trích ly, sấy khô, đông lạnh, v.v.
Các quá trình đều được tiến hành trong thiết bị Vì vậy, các thiết bị trong nhà máy hóa chất, thực phẩm cũng có nhiều loại, nhiều kiểu, song khi đảm nhận cùng nhiệm vụ thì cũng
có cùng nguyên tắc cấu tạo.
Nắm vững kiến thức môn học “Quá trình, thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm” có nghĩa là các nhà kỹ thuật đã có kiến thức sâu sắc về vật lý, hóa lý của các quá trình, và hiểu biết về quá trình và thiết bị trong dây chuyền sản xuất của một công nghệ Đồng thời cũng nắm vững các nguyên tắc cấu tạo và phương pháp tính toán thiết kế các thiết bị để tiến hành các quá trình đó.
Trang 2Để hiểu hơn về các quá trình, thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm Tôi xin được giới thiệu đến các bạn sinh viên một phương pháp kĩ thuật trong việc phân riêng hệ chất không đồng nhất(phần khí-bụi) Thông qua bài tập lớn làm sạch bụi bằng xyclon đơn, khói lò từ phòng sấy được quạt đẩy tới xyclon để lắng bụi trước khi ra ngoài
Cuối cùng !
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Đức Trung đã hướng dẫn em, để em hoàn thành được bài viết này Tuy nhiên do người viết chưa có kinh nghiệm trong việc phân tính cũng như
xử lí các thông số liên quan, do đó bài viết không tránh khỏi những sai sót, người viết luôn mong muốn nhận được những đóng góp chân thành từ bạn đọc, quý thầy cô để lần sau hoàn thiện hơn
Mọi thông tin đóng góp xin giử về địa chỉ: kysunghiencuukhoahocungdung@gmail.com
Page 2
Trang 3I BÀI TẬP LỚN VÀ Ý NGHĨA.
1 Bài tập lớn
Tính toán các thông số kỹ thuật của hệ thống làm sạch bụi bằng xyclon đơn Khói lò
từ trong
Phòng sấy được quạt đẩy tới xyclon để lắng bụi trước khi ra ngoài
Các số liệu cho trước:
- Lưu lượng khói là 6.000 m3/h với hàm lượng bụi trong khói là 0,2% khối lượng, nhiệt độ
Khói là 900C
- Sử dụng quạt ly tâm hút khói từ phòng đưa vào xyclon qua 5 đoạn: đoạn nằm ngang từ
Phòng tới quạt dài 8 m, từ quạt không khí theo đoạn thẳng đứng 6 m rồi tới đoạn nằm ngang 5 m trước khi tới xyclon; từ xyclon không khí sạch được dẫn đi lên thẳng đứng 5m sau đó đi
Theo ống ngang 3 m rồi thải ra ngoài trời
- Kích thước hạt bụi là 50 μm với hệ số hình dạng 0,6; Khối lượng riêng hạt bụi 1000m với hệ số hình dạng 0,6; Khối lượng riêng hạt bụi 1000 kg/m3
- Độ chân không ở trong phòng sấy là 20 mmH2O, hiệu suất xyclon 0,95
Các thông số tự chọn (kèm theo lý do lựa chọn):
- Loại và kích thước ống dẫn; van và các điểm cục bộ (nếu có) trên đường ống;
Các số liệu cần tự tra cứu (kèm theo ghi chú nguồn tài liệu tham khảo):
- Đặc tính lý hóa của khói lò; hiệu suất của quạt; độ nhám thành ống, hệ số trở lực cục bộ
Trên đường ống
Yêu cầu:
1) Tính kích thước cơ bản của xyclon; chọn xyclon tiêu chuẩn tương đương, từ đó xác định Hệ số trở lực của xyclon;
2) Xác định công suất làm việc của quạt [Kw], từ đó chọn quạt tiêu chuẩn;
3) Xác định lượng bụi thu được [kg/h];
4) Vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị
2 Ý nghĩa của bài tập lớn
Vận dụng những kiến thức đã học về nguyên tắc cấu tạo thiết bị và các đặc tính vật lý của quá trình lắng vào tính toán thiết kế sơ đồ hệ thống thiết bị để tiến hành quá trình lắng theo yêu cầu đề bài Tính toán và thiết đặt những thông số phù hợp nhằm tối ưu hóa quá trình làm việc của thiết bị.Để hiểu hơn về hệ thống thiết bị của quá trình lắng bụi của xyclon đơn, cũng như hệ thống quạt hút bụi khi làm việc Ta sẽ đi tìm hiểu về “cơ sở lí thuyết” của hệ thống lọc bụi bằng xyclon đơn và hệ thống làm việc của quạt hút
Trang 4II CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1 Hệ khí không đồng nhất
A Hệ khí không đồng nhất là một hệ dị thể gồm nhiều pha liên tục là thể khí và
pha phân tán là các hạt rắn hay giọt lỏng lơ lửng
Căn cứ vào sự tạo thành của hệ không đồng nhất và kích thước các hạt ta có thể phân chia
hệ không đồng nhất thành hai loại là: hệ cơ học và hệ ngưng tụ
- Hệ cơ học, thường được gọi là bụi, hệ được tạo thành từ các quá trình nghiền chất rắn hay phun chất lỏng Kích thước của hạt bụi khoảng 5 đến 50μmm.
- Hệ ngưng tụ là hệ hình thành do có sự ngưng tụ khí hay hơi hoặc do hai khí (hay hơi) phản ứng hóa học với nhau tạo thành Hạt ngưng tụ có thể ở trạng thái rắn hay lỏng Nếu hạt là hạt rắn thì ta có hệ khí không đồng nhất gọi là hệ khói, nếu hạt là lỏng thì ta có hệ mù Kích thước các hạt của khói hay mù khoảng 0,3 đến 3
μmm.
Bảng A.1 Kích thước các hạt lơ lửng trong một số hệ khí thường gặp
μmm
B Để thực hiện quá trình làm sạch, nhìn chung yêu cầu về chọn thiết bị phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng chủ yếu là phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
- Thành phần hạt bụi trong hệ và kích thước của nó
- Độ làm sạch cần thiết của khí
- Trạng thái và thành phần của khí
Bảng B.2 Cho phép ta chọn sơ bộ kiểu thiết bị
Tên thiết bị Đường kính của hạt bụi được tách,
Page 4
Trang 5C Tính toán công nghệ.
Ký hiệu một số thông số: Gv- năng suất thiết bị tính theo hệ khí đi vào,kg/h; Gr- năng suất thiết bị tính theo hệ khí đi ra,kg/h; Gs-năng suất thiết bị tính theo lượng khí sạch hoàn
toàn,kg/h; pk-khối lượng riêng của môi trường,kg/m3;pb-khối lượng riêng của hạt bụi kg/
m3;yv- nồng độ bụi trong hệ khí đi vào thiết bị, % khối lượng; yr- nồng độ bụi trong hệ khí đi
ra khỏi thiết bị, % khối lượng
Ta có một số công thức tính toán chung như sau:
1) Lượng khí đi vào thiết bị làm sạch G v=G r 100− y r
100− y v,kg/h 2) Lượng khí đi ra thiết bị làm sạch.G r=G v 100− y v
100− y r,kg/h 3) Lượng khí làm sạch hoàn toàn.G s=G r 100− y r
100 ,kg/h 4) Lượng bụi thu được.G b=G r y v−y r
100− y v,kg/h
Kí hiệu một số thông số: VV- thể tích của hệ khí đi vào thiết bị,m3/h; Vr- thể tích của hệ khí
đi ra khỏi thiết bị, m3/h; ρ V−¿ khối lượng riêng của hệ khí đi vào thiết bị,kg/m3;pv- khối lượng riêng của hệ đi ra khỏi thiết bị,kg/m3
Ta có một số công thức tính toán:
5) Thể tích của hệ khí đi vào thiết bị.V v=G v
ρ v , m
3
/h
6) Thể tích của hệ khí đi ra khỏi thiết bị.V r=G r
ρ r , m
3
/h
7) Năng suất thiết bị tính theo khí sạch hoàn toàn.V s=G s
ρ k , m
3
/h
8) Độ làm sạch n=(1− y r
y v).100 %
2.CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN XYCLON
Mô tả cấu tạo, nguyên lí làm việc và phạm vi sử dụng của xyclon đơn
Cấu tạo xyclon đơn bao gồm : thân trụ, thân phểu, cửa vào, nắp, cửa khí ra, cửa tháo bụi
Nguyên lí làm việc của xyclon đơn: hỗn hợp khí chứa bụi được đưa vào xilon
ở cửa tiếp tuyến với thân trụ, khi vào thân trụ dòng khí chuyển động tròn dọc theo thân trụ Nhờ lực li tâm các hạt bụi chuyển động tách khỏi dòng khí theo hướng bán kính và sau đó tập hợp lại ở bên ngoài lớp khí trên thành thiết bị Khi đến cửa thoát bên dưới của ống tâm, một phần khí đi ra ngoài, phầm còn lại tiếp tục chuyển động tròn quanh tâm, ở đoạn phểu tạo thành dòng đi lên để vào ống tâm Trong xylon dòng khí chuyển động theo hai hướng ngược nhau song song với trục của thiết bị Cùng với dòng khí, bụi cũng chuyển động dọc theo thành của đoạn phễu đến cửa tháo bụi để ra ngoài
Phạm vi sử dụng: khi yêu cầu thiết bị đơn giản, có tốc độ lắng cao so với lắng trọng lực và trọng trường, phân li không hoàn toàn, chỉ nằm ở 80-95%, các bụi phân li kém…
Trang 6a) Bán kính kích thước ống dẫn ra khỏi xyclon: r1=√π W V r ,m; Trong đó:Wr : tốc độ khí đi
ra khỏi xyclon m/s ;thường Wr=4…8m/s; V: năng suất của xyclon (lượng khí đi vào xyclon m3/s)
b) Kích thước của ống vào trong xyclon: ống dẫn khí bụi vào xyclon, ống đặt tiếp tuyến với thành thiết bị và mặt cắt của nó có dạng hình chữ nhật, chiều cao h, chiều rộng b và tỉ số k
K = h b; do đó h =√k W V r,m
Trong đó Wv: tốc độ của khí vào xyclon m/s
c) Bán kính phần hình trụ của xyclon:
R2 = r1+ δ1+∆ r , m
Trong đó: ∆ r : khoảng cách theo đường kính giữa ống ra và thành thiết bị; δ1: bề dày ống dẫn khí ra khỏi xyclon,m
d) Tốc độ góc của dòng khí xyclon:
W = W tb
r tb ,1/s
Trong đó: Wtb: tốc độ khí trung bình trong xyclon,m/s
Rtb: bán kính quay trung bình của dòng trong xyclon và được tính theo công thức nếu:
r2
r1+δ1≥ 2 thì r tb= r2−(r1+δ1)
2,3 log r2
r1+δ1 , m
Nếu: r r2
1+δ1≤ 2 thì r tb=1
2(r1+r2+δ1), m
e) Thời gian lưu lại của khí trong xyclon
- khi lắng dòng: τ1= 4,06.102 μm
d2 ω2 ρ k φ b log
r2
r1+δ1, s
- khi lắng quá độ và xoáy: τ1=∫
r1 +s
r2 dr
W1=
∆ r
W1, s
f) Thể tích làm việc của xyclon
VLV = V.τ1, m3
g) Chiều cao phần hình trụ của xyclon
H t=k V LV
π (r22−(r1+δ1)¿ ¿2)¿, m; trong đó k-là hệ số dự trữ, thường lấy k =1,25
Hay: H t= V h
(r2−r1) w tb ,m
h) Chiều cao phần hình chóp nón
H n=(r2−r0) tan∝0 ,m
trong đó: r0: là bán kính lỗ tháo bụi,m
Page 6
Trang 7∝0: là góc nghiêng giữa bán kính vỏ và đường sinh, ∝0Phải lớn hơn góc nghiêng
so rơi tự do của vật liệu
i) Số vòng quay của khí bụi trong xyclon
N =τ1 w
2 π , vòng; w- tốc độ góc,1/s
j) Tính toán thông số
1 Đường kính bé nhất của hạt được lắng trong xyclon ở chế độ chảy dòng
n ρ b ω φ b .
r2−(r1−δ1)
r tb ,m
2 Năng suất của xyclon
V = F0.W1 , m3/s ; trong đó: F0: là diện tích xung quanh của hình trụ có bán kính rtb.;F0 = 2π r tb H1, m2 ; w1¿r2−(r1−δ1)
τ1 ,
m
s Tốc độ lắng
3 Chiều cao thành phần hình trụ của xyclon
H t=k H0,m ; với H0: là chiều dày lớp dòng chảy chuyển động trong 1 vòng
H0 =C r bh
2−(r1−δ1) ,m ; với C = w w r
tb
=1,4
4 Xuất phát từ thời gian lắng bằng thời gian lưu lại của khí, ta có:
r2= r1+δ1 l−2 π n ( W1
W tb)
,m
; trong đó: n là số vòng chuyển động của khí đi trong
xyclon.; W1,Wtb: là tốc độ lắng và tốc độ khí trung bình trong xyclon, m/s, 1/s.;μm :
độ nhớt của khí, N.s/m2; ρ b:là khối lượng riêng của bụi, Kg/m3
5 Lắng dưới tác dụng của lực li tâm (xyclon)
i Nguyên tắc phân li li tâm
Để tăng vận tốc lắng của bụi trong khí và làm sạch khí hoàn toàn người ta thường dùng lực li tâm Lực li tâm được tao ra do dòng khí
Lực ly tâm được biểu thị: C=m w2
r , N, với w2 /r – là gia tốc ly tâm
yếu tố phân ly được tính bằng tỷ số giữa gia tốc ly tâm và gia tốc trọng trường Kp=C
G=
m w2
m g r=
w2
r g
ii Vận tốc lắng ly tâm tổng quát: w=√4 d g (p1−p2) K P
3 p2 ε , m/s đối với chất khí khi chuyển động thì: w=√4 d g p K p
3 p ε , m/s
trong đó ε là trở lực: ε=φ(ℜ)=φ(wdρ μm ), tức là phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường
Trang 85m
Xyclon đơn
5m 3m
3.CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ MỘT SỐ THÔNG SỐ TINH TOÁN QUẠT
3.1 Những đặc trưng của quạt
3.1 1.Trong công nghiệp hóa chất,
quạt ly tâm thường được sử dụng
rất rộng rãi Trong các hệ thống
thông gió, lò sưởi không khí, quạt
được sử dụng để vận chuyển không
khí và các khí không ăn mòn ở
nhiệt độ cao hơn 1800C và không
chứa những chất nhờn, bụi và các
tạp chất rắn khác với hàm lượng
lớn hơn 150 mg/m3 Áp suất toàn
phần không lớn hơn 15000N/m2
3.1.2 Hệ số quay nhanh np của quạt là số vòng quay của quạt lúc đạt được hiệu suất cực đại ứng với lưu lượng khí là 1m3/s khi tạo ra áp suất bằng 30 mmH2O Xác định hệ số quay nhanh của quạt nhằm xác định chế độ làm việc thích hợp của quạt
n q= n√Q
4
√(ρ0
g )
3=53Q
0.5
w
4
√ρ03
3.1.3 Tỉ lệ giữa tốc độ tiếp tuyến tuyệt đối với tốc độ vòng ở đầu ra là hệ số xoắn đầu ra μm2
μm2=C 2u
u2
3.2 Một số thông số kỹ thuật đặc trưng của quạt
3.2.1 Công thức tính áp suất toàn phần do quạt tạo ra như sau:
p=(p2−p1)+∆ p h+∆ p đ+w2 ρ
2 +(ρ k−ρ) g H,N/m2
3.2.2 Công suất làm việc của quạt(kW) N= Q ∆ p
1000 n , kW
Trong đó: Q – Năng suất của quạt gió,m3/s; ∆ p−¿ áp suất do quạt gió tạo nên, Pa
n=n B n n n g - hệ số hữu ích tổng cộng của quạt gió
khi vận chuyển không khí có lẫn hạt rắn: N= 1,2 Q H g ρ
3.2.3 Đường đặc tuyến của quạt li tâm cũng thay đổi khi thay đổi số vòng quay của
quạt li tâm
- Khi thay đổi số vòng quay của quạt thì năng suất Q, áp suất H và công suất
N cần thiết cũng được thay đổi xác định bằng tỷ lệ sau:
Q1
Q2=
n1
n2; H H1 2
=(n1
n2)2; N1
N2=(n1
n2)3
Page 8
Trang 9Quạt Ly Tâm Phòng sấy
ống dẫn:8m
6m
Xyclon đơn
III TÍNH TOÁN BÀI TOÁN
1 Sơ đồ hệ thống thiết bị
2 Tính toán thông số kĩ thuật
a) Tính kích thước cơ bản của xyclon; chọn xyclon tiêu chuẩn tương đương, từ
đó xác định hệ số trở lực của xyclon
Q = 6000m3/h Chọn vận tốc dòng khí vào xyclon là : Vv = 15m/s khối lượng riêng của hạt bụi là: ρb=1000 kg/m3
khối lượng riêng của không khí là: ρk=1,01 kg/m3
độ nhớt dòng khí ở 900C:
μm=μm0. 387
387+t .(273+t273 )32=17,3.10−6. 387
387+90.(273+90273 )1,5=21,52 10−6
Đường kính thành phần hình trụ:
Thường lấy vận tốc quy ước Wq=2,2-2,5 m/s Chọn Wq= 2,3 m/s
Công thức tính đường kính xyclon: D=√ Q , m
Trang 10Trong đó: Q là lưu lượng của dòng khí,m3/s; Wq: là vận tốc tối ưu trong thiết
bị, Wq= 2,3 m/s
Từ đó ta có đường kính của xyclon : D=√0,785.2,31,67 =0,96 m
Khi có đường kính của xyclon ta sẽ tính được các thông số trong xyclon
Đường kính ống dẫn khí ra De/D 0.5 0.48 Chiều cao ống dẫn khí ra S/D 0.625 0.6
Đường kính ống thu bụi Dd/D 0.25 0.24
Số vòng xoáy xyclon:
N e= 1
H .(L b+L c
2 )= 1 0,48.(1,92+1,92
2 )=6 vòng
Vận tốc khí vào xyclon:
V v= Q
W H=
1,67 0,24.0,48=14,50 m/ s
Thời gian lưu lại của hạt bụi:
∆ t=π D N e
V v=3,14.0,96
6 14,50=1,24 s
Đường kính bé nhất của hạt bụi bị thu giữ 50%:
d=[2 π N 9 μm W e V v (ρ b−ρ k) ]12
=[ 9.21,52 10−6.0,24
3,14.6 14,50 (1000−1,01)]0,5=0,13.10− 6=0,13 μmm
- các thông số kích thước điển hình của cyclone (theo tỷ lệ với đường kính thân D)
Page 10
