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 của nhiều vùng, đặc biệt là khu vực đồi núi Quan niệm về sản xuất sắn đã thay đổi đáng kể nhờ vào lợi ích mà nó mang lại, hứa hẹn tiềm năng trong ngành công nghiệp tinh bột, thức ăn gia súc, cũng như chế biến 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 ở Việt Nam đã tăng hơn 3,93 lần, trong khi năng suất sắn cũng 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).
Sắn hiện được trồng ở khoảng 100 quốc gia với sản lượng toàn cầu duy trì ổn định ở mức 250 triệu tấn Sản xuất sắn tăng mạnh ở Đông Nam Á và nhu cầu lương thực tại Châu Phi Nigeria dẫn đầu thế giới về sản xuất sắn với 57,56 triệu tấn vào năm 2012, trong khi xuất khẩu sắn toàn cầu tăng 30% do nhu cầu nhiên liệu sinh học từ Trung Quốc Thái Lan là nước xuất khẩu sắn hàng đầu với 11,65 triệu tấn, và Việt Nam đứng thứ hai với 2,4 triệu tấn, tổng sản lượng xuất khẩu của cả hai nước chiếm 85% thị phần toàn cầu Cây sắn phát triển thành củ, tích lũy tinh bột, với tinh bột là thành phần chính của 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
Cấu tạo của tinh bột
Tinh bột chủ yếu tập trung trong thịt củ, chiếm khoảng 95-95%, tồn tại dưới dạng liên kết vật lý bền chắc với xơ, tạo thành các mạch xoắn theo hình dạng của xơ thịt củ Khoảng 4-5% tinh bột được tìm thấy trong phần vỏ lụa của củ.
Cấu trúc hóa học của tinh bột sắn thuộc lớp đường tổng hợp được biểu diễn bằng công thức (C6H10O5)n Tinh bột thuần khiết có kích thước từ 5 đến 80μm và không hòa tan trong nước nếu không có sự thay đổi về tính chất hóa lý.
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, bao gồm chăn nuôi, sản xuất bột ngọt, cồn, maltodextrin, lysine, acid citric, xiro glucozơ, đường glucozơ tinh thể, và các sản phẩm thực phẩm như mạch nha, bánh kẹo, mì ăn liền và miến.
Liên kết ẩm trong tinh bột sắn
Tinh bột chứa liên kết ẩm hấp phụ và liên kết hóa học, chiếm khoảng 10% trong 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, với đặc điểm là 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 rọ tròn rỗng với khe hở cho phép bụi đất, tạp chất và vỏ gỗ rơi ra ngoài Bên trong, thiết bị có các gờ xoắn tròn và một động cơ được điều khiển bởi công nhân, giúp điều chỉnh lượng sắn vào thiết bị rửa Khi động cơ quay, thiết bị cũng quay theo, tạo ra lực ma sát giữa sắn và thành thiết bị cũng như giữa các củ với nhau, giúp má vỏ gỗ và đất đá rơi ra ngoài, trong khi sắn tiếp tục được rửa sạch.
Hình1.3 hệ thống máy bóc và làm sạch vỏ
2 Rửa Cấu tạo của thiết bị rửa gồm 2 thùng chứa hình máng, bên trong có các cánh khuấy có tác dụng đánh khuấy và vận chuyển sắn đến băng tải Phía trên thiết bị có lắp đặt hệ thống vòi phun nước để rửa nguyên liệu, phía dưới có các lỗ để 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 Băm và 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 gồm một khối kim loại hình trụ tròn với mặt ngoài được lắp các răng cưa nhỏ Phía ngoài trục máy được bao bọc bởi lớp vỏ thép cứng, giúp chịu lực trong quá trình hoạt động Với bề mặt tang quay và cấu trúc răng cưa, máy mài tạo ra lực nghiền mài xát, giúp làm nhỏ nguyên liệu hiệu quả.
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 tinh bột còn lại Dịch sữa tinh bột lọt qua lưới lọc sẽ chảy vào thùng chứa, chờ bơm đi 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 Dịch sữa tinh bột được bơm qua hai decanter với lưu lượng khoảng 20 – 25 m3/h Khi dịch sữa tinh bột vào thiết bị với tốc độ ly tâm lớn, tinh bột bị văng ra xung quanh và được vít tải cào ra ngoài Trong quá trình này, nước được bổ sung để duy trì mức độ 5 - 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 với bã thô để thu hồi tối đa lượng tinh bột trong bã 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, 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 đi qua hai cyclone nhằm loại bỏ cặn bã và bụi đất Với tốc độ quay 4500 vòng/phút, tinh bột sẽ được tách xuống phía dưới, trong khi nước thải sẽ được đẩy lên phía trên và thoát ra ngoài.
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 tất 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 tương tự như trong quá trình tách xác thô và xác tinh, nhưng có điểm khác biệt là lớp vải lọc bên trong có kích thước lỗ nhỏ hơn, chỉ cho phép tinh bột đi qua, trong khi phần bã mịn sẽ được giữ lại và thoát ra ngoài cùng với bã thô qua khu chiết ép kiệt.
Lượng bã thô, tinh và mịn được đưa đến thiết bị tách xác, nơi tận dụng dịch sữa với nồng độ tinh bột thấp, được bơm về máy mài Phần bã thu được sẽ là bã ướt nếu sử dụng thiết bị ống kép, hoặc bã thô nếu qua 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 nước và thu tinh bột Phần nước lọt qua vải và lưới lọc có hàm lượng tinh bột thấp, nhưng vẫn chứa một lượng tinh bột nhất định, do đó 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%.
10 Sấy và làm nguội 10.1 Quá trình sấy:
Quá trình sấy tinh bột sắn có nhiều phương pháp, nhưng hệ thống sấy khí động là hiệu quả nhất và được sử dụng phổ biến Tinh bột sắn ở dạng nhão và ẩm, với độ ẩm chủ yếu là ẩm bề mặt, nên có thể áp dụng các hệ thống như sấy thùng quay hay sấy phun Hệ thống sấy khí động cho phép vật liệu sấy di chuyển cùng với tác nhân sấy, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm nhanh chóng, giúp rút ngắn thời gian sấy và nâng cao hiệu quả so với các phương pháp khác.
Tinh bột ướt được thu nhận từ máy ly tâm và chuyển sang vít tải, nơi vừa chuyển tinh bột vừa làm tơi sản phẩm để dễ dàng trong quá trình làm khô Khi vào ống làm khô nhanh, tinh bột ướt sẽ được cuốn theo luồng khí nóng, di chuyển dọc theo ống cho đến khi đến cyclone tách tinh bột Trong quá trình này, độ ẩm của tinh bột được giảm bớt nhờ vào việc tách ẩm, do đó cần kéo dài đường chuyển động của hỗn hợp bột và khí để đạt hiệu quả tối ưu.
Chọn phương pháp sấy tinh bột
Phương pháp sấy được chia thành hai loại: sấy nóng và sấy lạnh Sấy lạnh là phương pháp mà nhiệt độ của vật và môi trường sấy thấp hơn nhiệt độ xung quanh, thường được sử dụng để sấy hải sản và các vật liệu có giá trị cao, vì chúng dễ thay đổi tính chất vật lý và hóa học khi tiếp xúc với 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 các loại vật liệu có tính chất vật lý ổn định và không yêu cầu chất lượng cao Hệ thống sấy nóng có cấu trúc đơn giản, giúp giảm chi phí đầu tư và 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 tối ưu hóa quá trình sấy, việc lựa chọn hệ thống sấy đối lưu khí động là cần thiết, dựa vào cấu trúc và liên kết ẩm của tinh bột.
Hệ thống sấy khí động có chi phí đầu tư và bảo dưỡng thấp, đồng thời cho tốc độ sấy nhanh, rất thích hợp cho các loại vật liệu sấy có kích thước nhỏ.
Lựa chọn hệ thống sấy
TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ SẤY KHÍ ĐỘNG SẤY TINH BỘT SẮN
Nhiệm vụ thiết kế
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 dưới và di chuyển dọc theo ống Vật liệu cần sấy được đưa vào qua phễu và cơ cấu, sau đó vào ống sấy, nơi có cấu trúc venturi giúp phân phối vật liệu Trong quá trình này, vật liệu bị cuốn theo khí sấy, dẫn đến việc tách ẩm Sau khi ra khỏi ống sấy, khí sẽ đi vào bộ phận tách bụi, nơi bụi lắng xuống phễu Một phần bụi có thể được hồi lưu, trong khi phần còn lại được lấy ra Để đảm bảo môi trường sạch, bụi còn lại sau cyclone sẽ được xử lý qua thiết bị lọc bụi tay áo trước khi thải ra ngoài.
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 về độ sạch và độ trắng, 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
Chế độ sấy đối lưu là lựa chọn tối ưu, khi không khí nóng di chuyển nhanh, giúp tinh bột và không khí nóng thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm hiệu quả Cần lưu ý rằng nhiệt độ hồ hóa của tinh bột trong quá trình sấy không được vượt quá 70 độ 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) cho tinh bột là đường kính tương đương khi đưa vào ống sấy, với dtd = 0,009 mm do tinh bột ở dạng nhão dẫn đến các hạt kết dính thành cục lớn hơn Khối lượng riêng của tinh bột là ρv = 20 kg/m³ khi sấy, trong khi khối lượng riêng của không khí là ρk = 0,897 kg/m³ Độ nhớt động học của không khí được xác định là νk = 24,7 x 10⁻⁶ m²/s, với gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s² Nhiệt độ trung bình của không khí được tính bằng t = 0,5 x (t1 + t2) = 115 °C.
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
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:
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:
Tính toán quá trình sấy thực
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
Q + Qbs = Q2 - WCntm1 +Qm +Qvt + Q5 (2) Với:
+ 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) Thay vào phương trình (3): 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:
Nối B (điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy trước khi sấy) với E0 tại t=t2 const tại điểm C, cho thấy C là điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy thực tế.
+ 0 thì E0 nằm dưới C0 Đối với tác nhân sấy trong thiết bị khí động này ta có:
= Cn1i - 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 toán nhiệt lượng tỏa ra từ ống sấy được thể hiện qua Qmt=α2.(tw3-tf).πd3L kJ/kg, trong đó nhiệt độ bề mặt ngoài của ống (tw3) được chọn là 40°C để đảm bảo an toàn vệ sinh, trong khi nhiệt độ môi trường (tf2) là 20°C Hệ số tỏa nhiệt (α2) được tính theo công thức α2= 1,715.(tw3- tf2) 0,333 W/m²K, với giá trị α2= 4,65 W/m²K khi thay thế các giá trị nhiệt độ Đường kính ngoài cùng của ống sấy (d3) cũng cần được xác định để hoàn thiện các tính toán liên quan.
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 cho dòng nhiệt đi qua 1m chiều dài ống trụ ta có: qmt=q1=q2=q3 qmt: mật độ dòng nhiệt tỏa ra từ bề mặt ống ra môi trường tính cho 1m chiều dài ống : qmt=α2(tw3-tf2)π.d3 (W/m) (3.11) +q1: mật độ dòng nhiệt do dòng không khí chuyển động tỏa ra cho bề mặt trong của ống tính cho 1m chiều dài: q1= α1(tf1-tw1)π.d1 (W/m) (3.12) α1: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức của tác nhân sấy với bề mặt trong của ống w= 15m/s > 5m/s theo tài liệu [2/144] ta có : α1= 7,5w 0,78 = 7,5.15 0,78 = 62W/m 2 K (3.13) tf1: ta lấy nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong ống tf1 = 0,5.( t1 + t2 ) 115 0 C tw1: nhiệt độ của bề mặt trong của vách ống d1 d 2 d3 t f2 t f1 t w3 t w2 t w1
123 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 của vật liệu làm ống thép là λ1 = 46 W/mK Nhiệt độ bề mặt ngoài vách giữa lớp thép và lớp cách nhiệt được ký hiệu là tW2, trong khi d2 là đường kính ngoài của ống thép Mật độ dòng nhiệt truyền qua 1m chiều dài lớp cách nhiệt được tính theo công thức q3 = (tW2 - tW3).
(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 việc tính toán Công thức tính d 3 được xác định như sau: d 3 = d 1 + 2δ 1 + 2δ 2, trong đó δ 1 là chiều dày ống sấy và δ 2 là chiều dày lớp cách nhiệt Với δ 1 = 6mm, chúng ta 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 (mm) d 3 (mm) q mt (w/m) t w1
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) = 4,186.20-132,013-35,61 = -83,903 kJ/kg ẩm;
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
q’ = 2527,48 +1470 +34,07 = 4031,55 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
Tổng nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng vật liệu sấy được tính bằng Q’ = Qv + Q1, với Q’ = 276801 + 5340861 = 5617662 kW Hệ số trao đổi nhiệt giữa dòng tác nhân sấy và dòng vật liệu sấy, ký hiệu là α, được xác định theo thực nghiệm và được tính theo công thức α = Nu.λ k d td.
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 = ( ) ( ) ( )
τ = 3600.5617662 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
Tổn thất áp suất trong ống sấy theo chiều cao được biểu diễn bằng công thức ∆P V = ΔP z ∗ + ∆P G Trong đó, ∆P z ∗ là tổn thất áp suất do ma sát của hạt vật liệu tác động, tính bằng Pascal (Pa), còn ∆P G là tổn thất áp suất do chiều cao đẩy chất rắn, cũng tính bằng Pascal (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 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
D = 1,3m 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
C = c1 + c2 + c3 (4.4) trong đó c1 là độ dư ăn mòn, xác định theo tuổi thọ thiết bị (thường từ 15-20 năm) và tốc độ ăn mòn của vật liệu, được chọn là 1mm c2 là độ dư cho phép tối thiểu để bù vào dung sai âm và độ không chính xác khi gia công, được chọn là 2mm c3 là độ dư do bào mòn thiết bị, được chọn là 1mm Suy ra, tổng độ dư C = 1 + 2 + 1 = 4mm.
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 Suy ra:
Vậy chiều dầy ống là S=6mm Khối lượng ống sấy: 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:
R – R1 = a Tính đường kính của xyclon D xác định theo công thức thực nghiệm sau[2/320]:
Trong bài viết này, các thông số quan trọng được đề cập bao gồm đường kính hạt tinh bột (m), khối lượng riêng của một hạt (ρv), và khối lượng của tác nhân sấy (ρk) Ngoài ra, chiều rộng của tiết diện kênh dẫn (a) cũng được nhấn mạnh Hệ số hình dáng (φ) được xác định là 2,75 cho hạt hình tròn và 3,94 cho hạt có hình dáng mảnh, như minh họa trong Hình 5.1 về Cyclone.
Kích thước cơ bản của xyclon
Đường kính ống trung tâm (D1) và đường kính phần bé nhất của phiểu (d) là các yếu tố quan trọng trong thiết kế xyclon Chiều dài phần ống trung tâm cắm vào xyclon (h1) cùng với chiều cao phần trụ của xyclon (h2) và chiều cao phiễu (h3) ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Bên cạnh đó, chiều dài tiết diện kênh dẫn vào xyclon (b) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình xử lý.
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 Vậy ΔPlb = 10.200 1,25 = 7521 Pa
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