TỔNG QUAN
Khái niệm chung về quá trình sấy
Sấy là quá trình tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch khi có sự thay đổi trạng thái bốc hơi hoặc thăng hoa Kết quả là làm cho hàm lượng chất khô của vật liệu tăng lên Đây là một quá trình kỹ thuật rất phổ biến và rất quan trọng trong công nghiệp và đời sống.
Mục đích của quá trình sấy:
- Kéo dài thời gian bảo quản
- Tăng tính cảm quan cho thực phẩm
- Làm chín một phần sản phẩm thực phẩm
- Tạo hình cho sản phẩm thực phẩm
- Giảm nhẹ khối lượng thuận tiện cho quá trình vận chuyển
1.1.2 Nguyên lí quá trình sấy
Sấy là quá trình làm khô vật liệu ẩm khi được cung cấp năng lượng theo trình tự: gia nhiệt vật liệu ẩm, cấp nhiệt để làm khuếch tán ẩm trong vật liệu, đưa hơi ẩm thoát khỏi vật liệu.
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là một quá trình nối tiếp, nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đố tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu, vận tốc của toàn bộ quá trình được quyết định bởi giai đoạn nào chậm nhất. Động lực của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí xung quanh.
Trong quá trình sấy thì nhiệt độ và môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy.
Hai mặt của quá trình sấy cần nghiên cứu:
+ Mặt tĩnh lực học: tức là dựa vào cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng ta sẽ tìm được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy, tác nhân sấy từ đố xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy, lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy.
+ Mặt động lực học: tức là nghiên cứu mối quan hệ của sự biến thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình như: tính chất, cấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy để từ đó xác định được chế độ, tốc độ và thời gian sấy phù hợp.
1.1.3 Phân loại phương pháp sấy
Tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… (gọi là quá trình bay hơi tự nhiên).
+ Ưu điểm của phương pháp này là:
- Tiến hành một cách đơn giản, dễ dàng, không đòi hỏi kĩ thuật cao.
- Chi phí đầu tư thấp.
+ Nhưng bên cạnh đó phương pháp này lại đem theo rất nhiều nhược điểm:
- Khó điều chỉnh các thông số kĩ thuật khi sấy, phụ thuộc vào khí hậu.
- Cần diện tích lớn để thực hiện quá trình sấy.
- Độ ẩm sau khi sấy không điều chỉnh được để đảm bảo yêu cầu.
- Sản phẩm sấy không đều, dễ bị nhiễm bẩn, nhiễm vi sinh vật.
- Đòi hỏi sứa lao động, nhân công lớn.
- Tốn thời gian, năng suất thấp.
Thường được tiến hành trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra thành nhiều dạng:
- Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà tác nhân truyền nhiệt là không khí nóng, khói lò,…
- Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn.
- Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.
- Sấy bằng dòng điện cao tần: phương pháp dùng dòng điện cao tần để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vât liệu sấy.
- Sấy thăng hoa: phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không cao, nhiệt độ rất thấp, nên độ ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng.
Ngoài ra còn có sấy lạnh, sấy phun,… Ưu điểm của sấy nhân tạo đó là khắc phục được những nhược điểm của phương pháp sấy tự nhiên Nhưng cũng kéo theo những nhược điểm không tránh khỏi đó là tốn chi phí đầu tư trang thiết bị và chi phí để vận hành, hoạt động thiết bị đó thực hiện quá trình sấy.
1.1.4 Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy và thiết bị sấy:
Tác nhân sấy là những chất dùng để tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy và đưa ẩm đi ra khỏi thiết bị sấy.
Trong quá trình sấy, cần có tác nhân sấy để thực hiện tách ẩm ra khỏi vật liệu để đảm bảo đưa vật liệu về độ ẩm an toàn Đồng thời, khi sấy môi trường bao quanh vật liệu sấy luôn luôn được bổ sung một lượng ẩm tách ra từ vật liệu Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối của buồng sấy sẽ tăng lên và quá trình thoát ẩm của vật liệu sẽ dừng lại,
Do đó có thể nhận tấy nhiệm vụ của tác nhân sấy:
+ Gia nhiệt cho vật liệu sấy
+ Tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy
+ Đưa ẩm ra khỏi thiết bị sấy
Cơ chế của quá trình sấy gồm 2 giai đoạn: Gia nhiệt cho vật liệu sấy để làm ẩm hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật vào môi trường Nếu ẩm thoát ra khỏi vật liệu mà không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởng tới quá trình bốc ẩm từ vật liệu sấy thậm chí làm ngừng trệ quá trình thoát ẩm Để tải ẩm đã bay hơi từ vật liệu sấy vào môi trường có thể dùng các biện pháp:
+ Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt.
+ Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật liệu sấy thải ra ngoài ( sấy chân không).
Trong sấy đối lưu vai trò của tác nhân sấy đặc biệt quan trọng vì nó đóng vai trò vừa tải nhiệt vừa tải ẩm Các tác nhân sấy thường dùng là không khí nóng và khói lò, hơi quá nhiệt, chất lỏng…
+ Không khí ẩm: là loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng cho hầu hết các loại sản phẩm Dùng không khí ẩm không làm sản phẩm sau khi sấy bị ô nhiễm cũng như làm thay đổi mùi vị của nó Tuy nhiên dùng không khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt không khí (calorifer khí, hơi hay khí hoặc khói), nhiệt độ sấy không quá cao, thường nhỏ hơn 180 0 C vì nếu nhiệt độ quá cao thiết bị trao đổi nhiệt phải được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí cao.
+ Khói lò: khói lò dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lên
1000 0 C mà không cần thiết bị gia nhiệt, tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ô nhiễm gây mùi khói Vì vậy khói chỉ dùng cho các vật liệu không sợ ô nhiễm như gỗ, đồ gốm, một số loại hạt có vỏ.
+ Hơi qua nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bị cháy nổ và thường có khả năng chịu được nhiệt độ cao Vì vậy sấy bằng hơi quá nhiệt nhiệt độ thường lớn hơn 100 0 C (sấy ở áp suất khí quyển).
Tổng quan về nguyên liệu-đường mía(Sacaroso)
1.2.1 Các tính chất hóa lý của đường sucrose
Trong thực tế, có nhiều loại đường khác nhau, trong đó, loại phổ biến và thông dụng nhất là đường sucrose, hay còn có tên thường gọi là đường trắng, đường cát… dùng trong thực phẩm, dược phẩm… Hình ảnh thực tế quen thuộc của đường cát được thể hiện ở Hình 1.15. Đường sucrose có công thức hóa học là C12H22O11 và cấu tạo của nó được thể hiện ở Hình 1.16 Đường sucrose là một disaccharide, được tạo thành từ hai monosaccharide là glucose và fructose Một số tính chất hóa lý của đường sucrose được trình bày ở Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Một số tính chất hóa lý của đường sucrose
Trạng thái vật lý Tinh thể màu trắng
Nhiệt độ nóng chảy Phân hủy ở 186℃ Độ tan trong nước 203.9 g⁄100mL ở 20℃
1.2.2 Tổng quan về quy trình sản xuất đường sucrose trong công nghiệp Đường sucrose là một carbohydrate tự nhiên có trong thành phần của nhiều loại thực vật, nhưng thông thường, chỉ có mía và củ cải đường là chứa một lượng đường sucrose đáng kể để sản xuất Đường thành phẩm có nhiều dạng khác nhau Trong đó, đường cát (granulated sugar) là dạng phổ biến nhất dùng trong sản xuất và gia đình; đường bột (icing sugar) là dạng bột của đường cát và thường được thêm vào một ít tinh bột ngô để chống vón cục; đường nâu là đường cát có chứa rỉ đường (molasses) Một cách tổng quát, quy trình sản xuất đường đối với hai loại nguyên liệu là mía và củ cải đường là rất giống nhau, điểm khác biệt lớn nhất là ở khâu ép và lọc dịch đường Đối với mía, đường chủ yếu nằm ở thân cây, trong khi ở củ cải đường thì được chứa trong rễ cây Thân cây mía được cắt nhỏ, sau đó đem đi ép dịch đường bằng máy ép. Dịch đường này sẽ được lọc để loại bỏ bùn đất và bã cây Còn đối với củ cải đường, rễ của chúng sẽ được cắt sợi và đem đi trích ly và lọc trong tháp phun. Các dịch đường thu được từ mía hoặc củ cải đường như trên sẽ được cô đặc thành dạng syrup đặc, sau đó đem đi kết tinh đường để tạo thành một hỗn hợp đường và rỉ đường Cuối cùng, hỗn hợp này được lọc ly tâm để tách đường và rỉ đường ra, trước khi đem đi sấy, làm mát và lưu trữ Đường thô cũng được sản xuất bằng quy trình tương tự nhưng bỏ bớt các công đoạn lọc và tinh chế, sau đó chúng được chuyển đến các nhà máy tinh chế đường thô, nơi mà chúng sẽ được nung chảy, lọc và tinh chế trước khi kết tinh lại một lần nữa.
1.3 Lựa chọn thiết bị sấy đường sucrose
Có rất nhiều cách và tiêu chí để lựa chọn một thiết bị sấy cho quy trình sấy một vật liệu ẩm cho trước Căn cứ vào các tính chất hóa lý của đường sucrose được trình bày ở mục 1.2.1, cũng như kích thước hạt của đường cát nằm trong khoảng từ 0.3 đến 0.55 mm, ta lựa chọn thiết bị sấy thùng quay do các đặc điểm như thích hợp cho sấy vật liệu rời dạng hạt có kích thước khoảng 0.5 mm trở lên, năng suất cao hơn so với thiết bị sấy tầng sôi, giá thành rẻ hơn so với phương pháp sấy bằng dòng điện cao tần Bên cạnh đó, thiết bị sấy thùng quay là loại thiết bị sấy truyền thống và là phương pháp sấy phổ biến nhất cho công nghệ sấy đường sucrose, có thể vận hành ở cả hai chế độ: liên tục hoặc gián đoạn.
Lựa chọn tác nhân sấy đường sucrose
Đường sucrose là thực phẩm cho con người, phải có độ an toàn và sạch tuyệt đối, do đó, tác nhân sấy được lựa chọn để sấy đường sucrose là không khí ẩm được gia nhiệt qua calorifier khí – khói
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Quy trình sản xuất đường mía được trình bày theo sơ đồ khối
Trong đó đường hoàn toàn có thể được sản xuất từ mía hoặc củ cải đường, sau công đoạn lọc ly tâm để tách tinh thể đường ra khỏi rỉ đường, tinh thể đường ẩm được đưa vào hệ thống sấy thùng quay với tác nhân sấy là không khí nóng được gia nhiệt bởi calorifier khí – hơi Đường sau khi hoàn thành công đoạn sấy sẽ được tháo ra qua hệ thống băng tải để tiếp tục các công đoạn tiếp theo là đóng gói và lưu trữ Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy sẽ được hút vào cyclone để loại bỏ bụi và đường bị lôi cuốn theo, sau đó theo quạt hút ra ngoài
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Cân bằng vật chất
Theo sơ đồ thiết bị sấy, ta có phương trình cân bằng vật chất
920,92 Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong suốt quá trình sấy
Trong quá trình sấy, xem như không có tổn thất vật liệu sấy, do đó lượng vật liệu khô tuyệt đối không đổi trong suốt quá trình sấy
Cân bằng năng lượng
Phương trình cân bằng năng lượng dựa trên sơ đồ thiết bị sấy Hình 3.2 như sau: Nhiệt lượng mang vào
-Do dòng không khí : GHA
-Do vật liệu sấy : L2Cvltvlđ + WCtvlđ
-Do dòng không khí : GHc
-Do vật liệu sấy : L2Cvltvlc
-Do tổn thất : Qm Ở trạng thái ổn định
Nhiệt lượng mang vào = Nhiệt lượng mang ra hay GH A + L 2 C vl t vlđ + WCt vlđ + Q c =GH C + L 2 C vl t vlc + Q m [2]
Từ đó rút ra nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị sấy:
Q Q G H H L C t t Q WCt Đặt nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy:
Q Q G H H Q Q WCt Đặt nhiệt lượng tổn thất chung ( vì nhiệt lượng này không làm bốc hơi nước trong vật liệu sấy): vl m
Chia phương trình trên cho W sẽ được nhiệt lượng để bốc hơi 1 kg ẩm cũng là nhiệt lượng cung cấp cho calorifier: q c C A vld
Với Δ là đại lượng đặc trưng cho sự khác biệt giữa quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế.
3.2.1 Quá trình sấy lý thuyết
Quá trình sấy lý thuyết có Δ = 0 Khi đó:
Mặt khác, khi qua calorifier, không khí được gia nhiệt từ nhiệt độ 𝑡𝐴 đến 𝑡𝐵, nên enthalpy của không khí tăng từ 𝐻A đến 𝐻C Do đó 𝑞𝑐 có thể tính theo phương trình cân bằng năng lượng cho calorifier:
Từ 2 phương trình trên, ta rút ra:
Vậy trong quá trình sấy lý thuyết, enthalpy của không khí không thay đổi. Hay nói cách khác, trong quá trình sấy lý thuyết, một phần nhiệt lượng của không khí có bị mất đi cũng chỉ để làm bốc hơi ẩm trong vật liệu, hơi ẩm mang nhiệt lượng đó sau đó nhập lại vào dòng không khí Ta có các thông số trạng thái của không khí trong quá trình sấy lý thuyết được trình bày ở Bảng 3.1 và Hình 3.2 Đồ án này chọn nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy (nhiệt độ bầu khô) của không khí là 37℃ do theo giản đồ Carrier, xác định được nhiệt độ đọng sương của quá trình sấy lý thuyết đẳng enthalpy 𝐻B = 𝐻C= 128,4 𝑘𝐽⁄𝑘𝑔 𝑘𝑘𝑘 là 𝑡S = 34,8 Cần chọn nhiệt độ℃ cuối quá trình sấy lớn hơn nhiệt độ đọng sương để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi nước trên bề mặt vật liệu.
Trong quá trình sấy, xem như không có tổn thất không khí khô, và lượng không khí này nhận thêm lượng ẩm bốc hơi là 𝑊 Ta có cân bằng ẩm cho dòng không khí:
𝐺dC = 𝐺dA + 𝑊 [2 ] Suy ra lưu lượng không khí khô cần thiết trong quá trình sấy lý thuyết:
Hay lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm trong quá trình sấy lý thuyết:’
Bảng 3.1 Các thông số trạng thái của không khí ẩm trong quá trình sấy lý thuyết[5],đồ thị không khí ẩm
Thông số Trạng thái kk trước khi qua calorifier
Trạng thái không khí sau khi qua calorifier
Trạng thái không khí ẩm sau khi ra khỏi thiết bị sấy C
H(kJ/kg kkk) 73,315 128,345 128,345 phmax(n/m 2 ) 2854,15 2853,59 5447,39 vh(m 3 / kg kkk) 0,8588 1,0105 0,8954
Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị sấy trong quá trình sấy lý thuyết:
3.2.2 Quá trình sấy thực tế
- 𝑡vlđ lấy bằng nhiệt độ môi trường là 27 ℃
- 𝑡vlc chọn nhỏ hơn nhiệt độ đầu ra của không khí 5 : ℃
- 𝐶vl lấy nhiệt dung riêng của đường mía:
- 𝐶 là nhiệt dung riêng của nước ở 𝑡vlđ = 27 = 300 ℃ 𝐾:
- 𝐶ph là nhiệt dung riêng của ẩm chứa trong không khí khô được lấy bằng 1,842 𝑘𝐽⁄ (𝑘𝑔 ∙ 𝐾) và xem như không đổi theo nhiệt độ [4]
- 𝐶pk là nhiệt dung riêng của không khí khô được lấy bằng 1,004 𝑘𝐽⁄(𝑘𝑔 ∙ 𝐾) và xem như không đổi theo nhiệt độ [4]
- 𝑟 là ẩn nhiệt hóa hơi của nước được lấy bằng 2500 𝑘𝐽⁄𝑘𝑔 và xem như không đổi theo nhiệt độ [4]
Nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy:
Trong quá trình sấy thực tế, Δ ≠ 0 Nhiệt lượng tổn thất thực tế thường lấy bằng 5% nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị sấy trong quá trình sấy lý thuyết:
TT m m vld TT vld vl m vld
Do đó trong quá trình sấy thực tế với 𝑄mTT = 1,5%𝑄cLT thì 𝐻C < 𝐻B Có thể giải thích rằng trong thiết bị sấy thùng quay mà đồ án này thiết kế không có thiết bị đốt nóng bổ sung nên không có nhiệt lượng bổ sung để bù đắp cho nhiệt lượng tổn thất chung Ta xác định lại các thông số của không khí trong quá trình sấy thực tế Thay enthalpy dưới dạng:
𝐻 = 𝐶pkt + 𝑑 ∙ ℎ ) ∙ 1,260 ( Độ chứa ẩm của không khí sau khi ra khỏi thiết bị sấy trong quá trình sấy thực tế:
Trong đó, enthalpy của 1 kg ẩm chứa trong không khí khô ở trạng thái (B) và (C):
Suy ra: 𝑑C = 0,0358 kg ẩm/kg kkk
Từ 𝑑C vừa tính được và 𝑡C, ta xác định được trạng thái của không khí sau khi ra khỏi thiết bị sấy trong quá trình sấy thực tế và được thể hiện ở Bảng 3.2 và Hình 3.3
Bảng 3.2 Các thông số trạng thái của không khí ẩm trong quá trình sấy thực tế
Thông số Trạng thái kk trước khi qua calorifier
Trạng thái không khí sau khi qua calorifier
Trạng thái không khí ẩm sau khi ra khỏi thiết bị sấy C
H(kJ/kg kkk) 73,315 128,345 126,285 phmax(n/m 2 ) 2854,15 2853,59 5326,8 vh(m 3 / kg kkk) 0,8588 1,0105 0,8950
Lưu lượng không khí khô cần thiết trong quá trình sấy thực tế:
Hay lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm trong quá trình sấy thực tế:
58,82 kg kkk/ kg ẩm Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị sấy trong quá trình sấy thực tế:
Q Q G H H Q WCt G H H WCt kJ/h = 68 kW q=qc122,8 kJ/kg ẩm
TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
Tính công nghệ cho thùng sấy
4.1.1 Đường kính, chiều dài và thể tích thùng sấy Đường kính của thùng sấy được xác định dựa trên hệ số chứa đầy, lưu lượng tác nhân sấy và tốc độ của dòng tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy Do đó, ta chọn tốc độ của dòng tác nhân sấy là 1,5 𝑚⁄𝑠 thông qua tham khảo chế độ sấy đường trong
Bảng 4.1 Chế độ sấy đường cát
X1(%) X2(%) tB( o C) tC( o C) w(m/s) A(kg/m 3 h) Dạng cánh 0,5 ÷ 1 0,03 ÷ 0,1 70 ÷ 100 30 ÷ 50 1 ÷ 2 8 ÷ 9 Cánh nâng
Lưu lượng tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy
Hệ số điền đầy phụ thuộc vào cấu tạo của thùng quay Đối với vật liệu sấy là đường cát, ta chọn dạng cánh đảo trong thùng sấy là cánh nâng như Hình 4.1 và tương ứng với cánh nâng thì hệ số điền đầy là 0,18 từ Bảng 4.2.
Hình 4.1 Cánh nâng trong thiết bị sấy thùng quay [6]
Bảng 4.2 Các thông số đặc trưng cho các dạng cánh đảo trong thùng sấy [6]
Thông số Cánh nâng Cánh chia ngăn
Cánh loại ngăn có vòng
𝐹C/𝐷t 2 0,122 0,067 0,085 0,029 Đường kính thùng sấy được tính từ tốc độ tác nhân sấy:
Chọn đường kính và chiều dài thùng sấy Dt=1,2 m Lt=7,0 m
Sau khi chọn đường kính và chiều dài thùng sấy, ta tính lại tốc độ của tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy theo công thức trên
4.1.2 Thời gian sấy lý thuyết và thực tế của vật liệu sấy và số vòng quay của thùng sấy
Thời gian sấy là thời gian cần thiết để sấy vật liệu từ độ ẩm đầu đến độ ẩm yêu cầu với năng suất cho trước và trạng thái của tác nhân sấy trước khi vào thùng sấy là xác định Để tính toán thời gian sấy, ta cần tiến hành làm thí nghiệm với các yêu cầu: điều kiện sấy thí nghiệm tương ứng với điều kiện sấy thực tế với cùng vật liệu sấy cũng như thiết bị sấy Do điều kiện làm thí nghiệm với thiết bị sấy thùng quay không sẵn có ở thời điểm hiện tại, đồ án này ước tính thời gian sấy lý thuyết đường với yêu cầu đã cho bằng công thức thực nghiệm dựa vào cường độ bốc hơi ẩm cần thiết: t
Thực tế, cường độ bốc hơi ẩm phụ thuộc vào loại vật liệu sấy, cấu tạo thiết bị sấy và tác nhân sấy Do đó, với vật liệu sấy là đường, ta thấy giá trị cường độ bốc hơi ẩm như trên so với giá trị tham khảo trong Bảng 4.1 không chênh lệch quá lớn, có thể chấp nhận được
Khối lượng riêng của vật liệu sấy xem như không đổi: vl
Khi đó, thời gian sấy lý thuyết:
Thời gian sấy lý thuyết trên dùng để so sánh với thời gian lưu (thời gian sấy thực tế) của vật liệu sấy tương ứng với thùng sấy có các kích thước đã thiết kế trước đó Thời gian sấy lưu phải lớn hơn thời gian sấy lý thuyết Do thời gian lưu của vật liệu sấy phụ thuộc vào độ nghiêng của thùng sấy và các cánh đảo bên trong, vì vậy, để xác định số vòng quay của thùng sấy, ta dùng các thông số của cánh nâng trong Bảng 4.3 và chọn góc nghiêng của thùng:
Bảng 4.3 Các hệ số dùng để tính số vòng quay của thùng sấy [6]
Sấy xuôi chiều Sấy ngược chiều Cánh nâng Cánh có ngăn 0,2 ÷ 0,7 0,5 ÷ 2,0 0,5 1,0
Hệ thống sấy đường thiết kế là hệ thống sấy xuôi chiều, đồ án này chọn 𝑘l 0,7, ta có thời gian lưu của vật liệu sấy
Số vòng quay của thùng sấy sao cho thời gian lưu (thời gian sấy thực tế) của vật liệu sấy bằng thời gian sấy lý thuyết:
D tan l t t l m k L n vòng/phút Chọn số vòng quay của thùng sấy: n=0,8 vòng/phút
Khi đó, thời gian lưu (thời gian sấy thực tế) của vật liệu sấy:
Khi so sánh 𝜏𝑙 với 𝜏, ta thấy thấy chênh lệch không quá lớn và 𝜏l = 2,44 >ℎ ) ∙ 1,260 (
𝜏 = 2,35 , do đó ta chấp nhận thời gian sấy thực tế là ℎ ) ∙ 1,260 ( 𝜏l = 2,44 = 146,2 ℎ ) ∙ 1,260 ( 𝑝ℎ ) ∙ 1,260 ( ú𝑡.
Như đã chọn ở mục 4.1.1, cánh đảo dùng trong thùng sấy là loại cánh nâng với các thông số được trình bày ở Bảng 4.2 và hình dạng của cánh nâng được thể hiện ở Hình 4.2, trong đó, đồ án này chọn cánh nâng có kích thước:
Với chiều cao và chiều rộng cánh nâng đã chọn, ta có thể tính số cánh cần lắp trong thùng sấy.
4.1.3 Kích thước và số cánh đảo (cánh nâng) trong thùng sấy
Như đã chọn ở mục 4.1.1, cánh đảo dung trong thùng sấy là loại cánh nâng với các thông số được trình bày ở Bảng 4.2 và hình dạng của cánh nâng được thể hiện ở hình 4.2, trong đó, đồ án này chon cánh nâng có kích thước:
Với chiều cao và chiều rộng cánh nâng đã chọn, ta có thể tính số cánh cần lắp trong thùng sấy
Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu
Diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh
Chọn số cánh lắp trên một mặt cắt là 16 cánh Khi đó, tổng số cánh nâng cần lắp trong thiết bị:
Vậy tổng số cánh cần lắp trong thùng sấy là z7 cánh
Do vật liệu sấy là đường, là thực phẩm cho con người, cần độ an toàn cao nên đồ án này chọn vật liệu chế tạo thùng sấy và cánh nâng là thép 304, có thông số được trình bày ở Bảng 4.4, được trích từ Bảng PL3.23 trong TLTK [8]
Bảng 4.4 Thông số thép chế tạo thùng sấy
Số hàng Thành phần danh nghĩa
Thiết kế hợp kim/số
Khối lượng riêng của thép 304 được tham khảo từ tài liệu của một số nhà cung cấp thép trên thế giới
Tổng khối lượng của cánh nâng trong thùng sấy
4.1.4 Lớp cách nhiệt cho thùng sấy
Thiết bị sấy thùng quay nên được bọc lớp cách nhiệt để tránh mất mát nhiệt và đảm bảo an toàn cho nhân viên vận hành thiết bị ở xung quanh Thông số lớp bề dày thùng sấy, lớp cách nhiệt và lớp bảo vệ được chọn và trình bày ở Bảng 4.6 và Hình 4.3 với Tw4 được chọn bằng 37 , nhiệt độ này đảm bảo an toàn cho nhân℃ viên vận hành gần thiết bị
Bảng 4.5 Thông số bề dày thùng sấy
STT Ký hiệu Đại lượng Giá trị Vật liệu Hệ số dẫn chọn (m) nhiệt
1 t1 Bề dày thùng sấy 0,008 Thép 304 16,2
2 t2 Bề dày lớp cách nhiệt
3 t3 Bề dày lớp bảo vệ 0,001 Thép 304 16,4
Hình 4.3 Sơ đồ truyền nhiệt qua vách thùng sấy.
4.1.4.1 Hệ số cấp nhiệt của tác nhân sấy trong thùng sấy
Tác nhân sấy trong thùng sấy là không khí nóng, đối lưu cưỡng bức, với các thông số vật lý được trình bày ở Bảng 4.6.
Bảng 4.6.Thông số vật lý của không khí nóng trong thùng sấy
T Đại lượng Ký hiệu Đơn vị TLTK Giá trị
2 Nhiệt độ trung bình tktb oC 58,5
Dựa vào Bảng 4.7, nội suy với
Không khí nóng trong thùng đối lưu cưỡng bức trong ống chảy rối, ta có chuẩn số Nusselt:
Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng trong thùng sấy
4.1.4.2 Hệ số cấp nhiệt của không khí ngoài thùng sấy
Không khí ngoài thùng sấy xem như đối lưu tự nhiên, với các thông số vật lý được trình bày ở Bảng 4.8
Bảng 4.8 Thông số vật lý của không khí ngoài thùng sấy
T Đại lượng Ký hiệu Đơn vị TLTK Giá trị
2 Nhiệt độ trung bình t0 oC 27
6 Độ nhớt động lực 0 m 2 /s [3] 1,879 × 10 -5 Đường kính ngoài thùng sấy
Hệ số cấp nhiệt của không khí ngoài thùng sấy
4.1.4.3 Tính lượng nhiệt tổn thất
Hệ số truyền nhiệt tổng quát với thiết bị hình trụ
Nhiệt độ trung bình log của không khí trong và ngoài thùng sấy: log 1
Lương nhiệt tổn thất do cơ cấu bao che
So sánh với Qm giả sử ở mục 3.2.2
Do sai số khá là nhỏ, ta chấp nhận bề dày thùng, lớp cách nhiệt và lớp bảo vệ: t1=8mm t2=5mm t3=1mm
4.1.5 Trở lực qua thùng sấy
Trong thiết bị sấy thùng quay, tác nhân sấy không những đi qua lớp hạt nằm trên cánh và trên mặt thùng sấy mà còn đi qua dòng hạt rơi từ đỉnh thùng và các cánh từ trên xuống Do đó, trở lực của tác nhân sấy trong thùng sấy có những đặc thù riêng Nghiên cứu vấn đề này người ta đã đưa ra các công thức kinh nghiệm. [4]
Chuẩn số Reynold của tác nhân sấy:
Khối lượng riêng dẫn xuất của khối hạt vật liệu sấy:
Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt
Trở lực của dòng tác nhân sấy đi qua lớp vật liệu trong thùng sấy: Δpvl 73,47 N/m 2
Tính cơ khí cho thùng sấy
4.2.1 Tính bề dày thùng sấy
Do vật liệu sấy là đường, là thực phẩm cho con người, cần độ an toàn cao nên đồ án này chọn vật liệu chế tạo thùng sấy là thép 304, có thông số được trình bày ở Bảng 4.4., trích từ Bảng PL3.23 trong TLTK [8].
Bề dày thùng sấy được tính theo tiêu chuẩn Mỹ (ASME) Khi hệ thống sấy mà đồ án đã thiết kế hoạt động ổn định và bình thường, thùng sấy sẽ làm việc ở áp suất thường Tuy nhiên, để tính toán bề dày thùng sấy, áp suất thiết kế phải là áp suất mà thùng sấy làm việc ở trạng thái nguy hiểm nhất Thiết bị sấy thùng quay mà đồ án thiết kế là một thiết bị thông thoáng với không khí bên ngoài, cụ thể là ở các vị trí phễu nhập liệu và đầu tháo liệu Do đó, khi có sự cố hỏng hoặc tắt nghẽn đường hút của quạt hút ở cyclone mà quạt đẩy không khí vào thùng sấy vẫn hoạt động bình thường, thì áp suất bên trong thùng sấy vẫn không lớn hơn áp suất khí quyển Ngược lại, nếu quạt hút ở cyclone vì một lý do nào đó mà hoạt động với công suất lớn, có thể làm cho thùng sấy làm việc ở điều kiện chân không Lúc này, thùng sấy là một thiết bị chịu áp suất ngoài với áp suất thiết kế là áp suất khí quyển:
Chọn bề dày sơ bộ của thùng sấy t1=8mm Đường kính ngoài của thùng sấy:
Từ 2 tỷ số trên, nội suy từ Bảng PL6.1 [8], ta có:
Từ A và D0/t, nội suy từ Bảng PL6.8 [8] ứng với thép Austenit 18Cr-8Ni, loại 304, ta có:
B=0,171 10 4 psi Áp suất làm việc ngoài tối đa cho phép:
Do đó, ta chấp nhận bề dày thùng sấy là t1 = 8mm
4.2.2 Tính chọn bộ phận truyền động cho thùng sấy
Công suất cần thiết để quay thùng
N D L a n kW Để quay được thùng, ta phải chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất cần thiết để quay thùng để thắng các lực ma sát trong quá trình thùng quay hay do hiệu suất của bộ truyền động không đạt 100% cũng như để thắng lực ma sát nghỉ ban đầu Từ giá trị công suất cần thiết để quay thùng đã tính, ta chọn động cơ dựa vào catalogue của các nhà sản xuất động cơ Đồ án này chọn động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc của hãng TECO, dòng sản phẩm AESV2E/AESU2E, với các thông số kỹ thuật được trình bày ở Bảng 4.9
Bảng 4.9 Thông số kỹ thuật của động cơ quay thùng sấy
Số vòng quay(vòng/phút)
Số hiệu khung Hiệu suất(%)
710 132S Đủ tải :79,4 ắ tải: 82,0 2/4 tải:79,5 ẳ tải : 69 Khi đông cơ làm việc đủ tải, tức là quay đủ 710 vòng/phút, ta có công suất động cơ làm việc:
Do đó khi làm việc, động cơ thỏa điều kiện có công suất làm việc lớn hơn công suất cần thiết để quay thùng
4.2.2.2 Chọn tỉ số truyền động
Tỉ số truyền động của hệ thống sấy thùng quay:
Do tỉ số truyền động chung quá lớn nên phải sử dụng hệ thống truyền động giảm tốc cho thùng Sử dụng bộ phận giảm tốc trục vít – bánh răng Hệ thống truyền động được thể hiện trên Hình 4.4 và được mô tả như sau: trục động cơ nối thẳng với trục vít, trục vít này truyền động qua bánh vít, bánh vít truyền động qua bánh răng nhỏ của hộp giảm tốc, rồi qua bánh răng lớn,sau đó ra khỏi bộ phận giảm tốc, truyền qua tang dẫn động và đến thùng sấy qua bánh răng lớn gắn trên thùng.
Hình 4.4 Sơ đồ hệ thống truyền động cho thiết bị sấy thùng quay. Chọn tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng ngoài hộp giảm tốc
Tỉ số truyền của hộp giảm tốc
i Đối với bộ phận giảm tốc trục vít – bánh răng , thường lấy tỉ số truyền giữa hai bành răng trụ
Tỉ số truyền từ động cơ sang bánh vít
Số vòng quay của các trục
Bảng 4.10 Các trị số hiệu suất của bộ truyền động [9]
Bộ truyền bánh răng trụ 0,96 ÷ 0,98 0,93 ÷ 0,95
Ta chọn hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ hở ngoài hộp giảm tốc
23 0,93 n Chọn hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ kín trong hộp giảm tốc
12 0,96 n Hiệu suất của bộ truyền trục vít
Bảng 4.11 Thông số truyền động
Thông số Động cơ Trục 1 Trục 2 Trục 3
Số vòng quay n(vòng/phút
Sau khi tính toán, ta được các thông số của bộ phận giảm tốc ở Bảng 4.11 và công suất ở trục 3 vẫn lớn hơn công suất cần thiết để quay thùng sấy
4.2.2.3 Tính bộ truyền bánh răng
Dựa vào các thông số truyền động trong Bảng 4.8 như công suất, số vòng quay trong một phút của trục dẫn và trục bị dẫn, ta sẽ thiết kế bộ truyền bánh răng bằng cách chọn vật liệu, xác định kích thước bánh răng, số răng, module, khoảng cách trục
Bộ truyền bánh răng truyền động từ tang dẫn đến thùng Đây là cơ chế truyền động giữa hai trục song song nên ta sử dụng bộ truyền động bánh răng trụ thẳng, truyền động hở, bánh răng ăn khớp ngoài Đối với các bộ truyền chịu tải trọng nhỏ hoặc trung bình có thể dùng thép tôi cải thiện (tôi rồi ram ở nhiệt độ cao); thép thường hóa hoặc thép đúc để chế tạo bánh răng Độ cứng bề mặt của răng 𝐻𝐵 ≤ 350.Để có thể chạy mòn tốt, nên lấy độ cứng của bánh răng nhỏ lớn hơn bánh răng lớn khoảng 25 ÷ 50 𝐻𝐵 [9]
Các thông số cơ tính của bánh răng lớn và nhỏ được trình bày ở Bảng 4.12
Bảng 4.12 Thông số cơ tính của các bánh răng
Nhãn hiệu thép Đường kính phôi
Giới hạn chảy Độ cứng (HB)
580 290 190 Ứng suất uốn cho phép khi răng làm việc một mặt
Với 𝜎-1 là giới hạn mỏi uốn trong chu kỳ đối xứng của thép
261 N/mm 2 Chọn hệ số an toàn n và hệ số tập trung ứng suất ở chân răng 𝐾đối với bánh răng thép thường hóa:
1,5; n K 1,8 Để đơn giản quy trình tính toán, ta xem kN ’’=1, khi đó, ứng suất uốn cho phép cửa bánh răng lớn và bánh răng nhỏ:
Khi thiết kế, module pháp của bánh răng trụ răng thẳng được tính theo công thức
Chọn hệ số tải trọng K=1,3
Chiều dài tương đối m của răng đối với bánh răng trụ răng thẳng m b
Với b là chiều rộng bánh răng Đối với bộ truyền chính xác cao, chịu tải lớn, trục, ổ và vỏ có độ cứng cao với HB 3,5 × 103 nên giá trị hệ số trở lực theo TLTK [12]:
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống đến calorifier:
5.4.2.2 Trở lực cục bộ do đột thu từ calorifier vào đường ống Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
Diện tích mặt cắt ngang calorifier:
F Đường kính tương đương của đường ống:
Do đó, không khí trong ống ở chế độ chảy rối
Do 𝑅𝑒 > 3,5 × 10 3 nên giá trị hệ số trở lực theo TLTK [12]:
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống đến calorifier:
5.4.2.3 Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống vào thùng nhập liệu
Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
Diện tích mặt cắt ngang calorifier:
F Đường kính tương đương của đường ống:
Do đó, không khí trong ống ở chế độ chảy rối
Do 𝑅𝑒 > 3,5 × 103 nên giá trị hệ số trở lực theo TLTK [12]:
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống đến calorifier:
5.4.2.4 Trở lực cục bộ do đột thu từ thùng chứa sản phẩm ra ống dẫn
Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
Diện tích mặt cắt ngang calorifier:
F Đường kính tương đương của đường ống:
Do đó, không khí trong ống ở chế độ chảy rối
Do 𝑅𝑒 > 3,5 × 103 nên giá trị hệ số trở lực theo TLTK [12]:
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống đến calorifier:
5.4.3 Tính tổn thất cột áp động của quạt
Tổn thất cột áp động của quạt đẩy:
Tổn thất cột áp động của quạt hút:
5.4.4 Tính tổn thất cột áp mà quạt cần khắc phục
Tổn thất cột áp mà quạt đẩy cần khắc phục:
1 2 3 4 8 1 2 6542,373 / dh vl C ms ms ms ms ms cb cb
Tổn thấp cột áp mà quạt hút cần khắc phục:
5 6 7 4 772,624 / qd x ms ms ms cb dh
5.4.5 Tính và chọn quạt đẩy
Năng suất quạt đẩy được lấy bằng lưu lượng thể tích không khí: d A
Q V 3930,91 Áp suất toàn phần của quạt đẩy:
Với áp suất làm việc tại nơi đặt quạt:
Và khối lượng riêng không khí ở điều kiện chuẩn:
Theo TLTK [12], chọn quạt ly tâm áp suất cao Ц8-18 No8 Khi đó, hiệu suất của quạt đẩy và hiệu suất truyền động của trục:
qd tr 0,98 Công suất trên trục động cơ điện của quạt đẩy:
5.4.6 Tính và chọn quạt hút
Năng suất quạt đẩy được lấy bằng lưu lượng thể tích không khí:
Q V m h Áp suất toàn phần của quạt đẩy:
Với áp suất làm việc tại nơi đặt quạt:
Và khối lượng riêng không khí ở điều kiện chuẩn:
H h Theo TLTK [12], chọn quạt ly tâm áp suất cao Ц8-18 No8 Khi đó, hiệu suất của quạt đẩy và hiệu suất truyền động của trục:
qh tr 0,98 Công suất trên trục động cơ điện của quạt đẩy: