ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Thiết kế hệ thống thiết bị sấy lúa dạng tầng sôi với năng suất 1000kg/h

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Thiết kế hệ thống thiết bị sấy lúa dạng tầng sôi với năng suất 1000kg/h

Bà Rịa-Vũng Tàu, tháng 10 năm 2023

Phan Đình Thịnh Nguyễn Thiên Tân

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Quốc Hải

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Quốc Hải vì đã tận tìnhhướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cho em trong quá trìnhtìm hiểu, nghiên cứu cũng như hoàn thành đồ àn này.

Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô ngành công nghệ-kỹ thuật hóa học đã giúpđỡ, hướng dẫn và giảng dạy những kiến thức ngành để em có thể hiểu và áp dụng vào bàiđồ án chuyên ngành này.

Lời cuối, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô.

Nhóm thực hiện

Nhóm 5

1.1.1 Cấu tạo của hạt lúa 6

1.2.Khái niệm chung về quá trình sấy 8

1.2.1.Khái niệm 8

1.2.2.Nguyên lí quá trình sấy 8

1.2.3.Phân loại phương pháp sấy 9

1.2.4.Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy và thiết bị sấy: 10

1.2.5.Chọn phương pháp sấy 12

Chương 2 Quy trình công nghệ 15

2.1.Sơ đồ quy trình công nghệ 15

2.2.Thuyết minh quy trình 16

Chương 3 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng 17

4.1.1 Hệ số cấp nhiệt của không khí 29

4.1.2.Hệ số cấp nhiệt của hơi nước 30

4.1.3 Bề mặt truyền nhiệt 30

4.3.Chọn quạt 31

MỞ ĐẦU

Hiện nay lương thực đang là một vấn đề nhức nhói Các cây lương thực có thể kể đến là lúa gạo, lúa mì, ngô, khoai,… Đặc biệt là lúa gạo là nguồn lương thực chính cho hơn 1/3 dân số thế giới Đặc biệt đối với các nước Châu Á, nó xuất hiện hầu hết trên tất cả các bứa ăn.

Việt Nam là một nước có gốc từ nông nghiệp và có bề dày lịch sử trồng lúa nước từ xưa đến nay lúa gạo đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của người Việt Ngoài dùng là lương thực chính, lúa gạo còn là nguyên liệu cho các nghành thực phẩm, hóa chất, mĩ phẩm, xuất khẩu…

Ngày nay năng suất lúa và thời gian thu hoạch đã được cải thiện đáng kể từ 5-6 thánh một vụ mỗi năm chỉ trồng được 2 vụ, giờ các giống lúa chỉ mất 3-4 tháng để trồng và thu hoạch Đi đôi với vấn đề năng suất chính là vấn đề bảo quản Vì lúa là loài cây ưa nước, chỉ cần bảo quản không phù hợp sẽ rất dễ nảy mầm và mốc Vì vậy cần sử dụng các phương pháp vật lý để loại bớt độ ẩm trong lúa, nhằm tăng thời gian bảo quản.

Qua bài đồ án này chúng em xin đưa ra giải pháp sấy lúa bằng thiết bị tầng sối với công suất 1000kg/h nhằm sấy lúa từ độ ẩm 20% xuống 13% để phù hợp với điều kiện bảo quản.

Chương 1 Tổng quan về nguyên vật iệu và lý thuyết quá trình sấy.

1.1 Nguyên vật liệu

Lúa là một trong những loại cây lương thực chủ đạo của con người ở khắp nơi trên thế giới, đặc biệt trong đó có Việt Nam Lúa gạo là một phần không thể thiếu trong những bữa cơm hằng ngày Lúa có nguồn gốc từ các khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, khu vực Đông Nam Á như Việt Nam, Thái Lan , Ấn Độ, … Và các nước Châu Phi.

Lúa gạo là một loại thực phẩm chứa hàm lượng dinh dưỡng cao Trong lúa gạo chứa khoảng 80% tinh bột là thành phần chủ yếu cung cấp năng lượng cho cơ thể số qua quý trình đường phân Khoảng 7.5% protein, 12% nước và 0.5% các vitamin và chất khoáng khác.

Do đó các sản phẩm của lúa gạo được chế biến rất nhiều Ngoài các loại gạo thông thường người ta còn dùng lúa gạo để sản xuất các sản phẩm thực phẩm như bún, bánh phở, các loại bánh, sữa,…

Do lúa là một sản phẩm ngủ cốc ưa nước rất dễ nảy mầm, nếu không được bảo quản đúng cách, hoặc độ ẩm quá cao rất dễ khiến lúa bị ẩm mốc hoặc nảy mầm mà không thể bảo quản được lâu Từ xưa người ta đã biết phơi lúa giúp làm giảm độ ẩm của lúa xuống thấp để tăng khả năng bảo quản được lâu hơn Và trong quy mô công nghiệp, người ta thường sử dụng các thiết bị sấy để thực hiện điều đó.

Lúa sau khi thu hoạch tùy thuộc vào từng vùng mà độ ẩm của lúa sẽ có thể khác nhau theo các vùng đó Độ ẩm trung bình của lúa mới thu hoạch rơi vào khoảng từ 20-27% Với lượng ẩm cao như vậy rất khó để bảo quản lúa thóc được lâu dài Thời gian bảo quản của lúa thóc phụ thuộc vào độ ẩm của của lúa Với độ ẩm khoảng 13-14% lúa có thể bảo quản từ 2-3 tháng và từ 3 tháng trở lên đối với độ ẩm từ 12,5%.

1.1.1 Cấu tạo của hạt lúa

Hạt lúa gồm 4 phần : lớp vỏ trấu, mầm, cám và hạt gạo

Lớp vỏ trấu là lớp vỏ cứng sần bên ngoài có tác dụng bảo vệ hạt gạo bên trong Vỏ trấu chứa 26-35% Xenlulo, 18-22% Hemi-Xenlulo , 25-30% Lignin và 20% SiO2.

Cám gạo: là phần còn sót lại của vỏ Là lớp phấn mỏng màu thẫm ở giữa vỏ trấu và hạt gạo trắng Nó còn có thể có màu đỏ hoặc đen tùy thuộc vào sắc tố ở từng loại gạo Trong cám gạo chứa 12 – 22% dầu, 11 – 17% protein, 6 – 14% chất xơ, vitamin như vitamin E, thiamin, niacin và các khoáng chất như nhôm, canxi, clo, sắt, magie, mangan, phốt pho, kali, natri và kẽm.

Mầm : là chứa mầm nảy, mỗi hạt chứa một mầm Mầm chứa nhiều các ezin gamma amino butyric acid (GABA), vitamin E, niacin, vitamin B1, B6, các chất chống ôxy hóa.

Hạt gạo : phần chiếm % trọng lượng của hạt lúa, là phần hạt trắng, thoi dài, chứa chủ yếu là tinh bột

Bảng các thông số kĩ thuật của lúa

1.1.2 Thành phần hóa học của hạt lúa

Thành phần hóa học của hạt lúa

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 1.2.2 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.

1.2.3 Phân loại phương pháp sấy - Sấy tự nhiên

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 - Sấy nhân tạo

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.

1.2.4 Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy và thiết bị sấy: 1.2.4.1 Tác nhân 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

thiết bị trao đổi nhiệt phải được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí cao.

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

1.2.4.2 Chế độ sấy

Chế độ sấy là cách thức tổ chức quá trình truyền chất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy và các thông số của nó để đảm bảo năng suất, chất lượng sản phẩm theo yêu cầu và chi phí vận hành cũng như chi phí năng lượng hợp lý.

Một số chế độ sấy thường gặp:

- Chế độ sấy có đốt nóng trung gian: Chế độ sấy này dùng để sấy những vât liệu không chịu được nhiệt độ cao.

- Chế độ sấy hồi lưu một phần: Chế độ này khá tiết kiệm năng lượng nhưng lại tốn nhiều chi phí đầu tư thiết bị.

- Chế độ sấy hồi lưu toàn phần: Là chế độ sấy kín, tác nhân sấy được hồi lưu hoàn toàn.

- Chế độ sấy hồi lưu và đốt nóng trung gian 1.2.4.3 Thiết bị sấy

Thiết bị sấy là thiết bị mà tại đó vật liệu được tách ẩm để sau khi ra khỏi thiết bị sấy vật liệu đạt độ ẩm an toàn Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp khác nhau nên có nhiều cách để phân loại thiết bị sấy:

- Dựa vào tác nhân sấy: có thiết bị sấy bằng không khí hoặc bằng khói lò, các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng dòng điện cao tần.

- Dựa vào áp suất làm việc: có thiết bị sấy chân không và thiết bị sấy ở áp suất thường.

- Dựa vào phương thức làm việc: có sấy liên tục và sấy gián đoạn.

- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ,…

- Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy thùng quay, sấy phun,…

- Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy: sấy cùng chiều, ngược chiều giao

1.2.5 Chọn phương pháp sấy

Lúa là một loại ngũ cốc thô dạng rời, do đó không thể sử dụng sấy thăng hoa vì làm khi sấy lúa sẽ bị biến đổi về mặt vật lý cũng như làm thay đổi các chất trong hạt lúa, đồng thời phương pháp này vận hành ở áp suất chân không nên không phù hợp về kinh tế.

Sấy bằng phương tiếp xúc Phương pháp này tác nhân sấy phải truyền nhiệt qua vách ngăn để giúp sấy vật liệu Việc truyền nhiệt gián tiếp này sẽ làm tiêu tốn nhiều năng lượng và nhiệt hơn so việc sử dụng sấy đối lưu Sấy đối lưu là lựa chọn phù hợp nhất để sấy các loại vật liệu thô như lúa Việc sấy trực tiếp với tác nhân sấy giúp loại bỏ ẩm ra khỏi lúa thóc nhanh hơn và phù hợp với kinh tế Ngoài ra lúa còn có một lớp vở trấu bên ngoài giúp bảo vệ hạt lúa cũng như bị loại bỏ sau khi xay xác lúa để thành sản phẩm gạo.

Bảng so sánh ưu nhược điểm của các dạng sấy đối lưu

Thời gian ngắn.

Khả năng sấy đồng đều Kiểm soát nhiệt độ tốt.

Tiết kiệm được diện tích Kiểm soát nhiệt độ tốt.

Thời gian lưu lâu.

Khó kiểm soát được độ ẩm trong suốt quá trình.

Do vật liệu sấy là lúa, là dạng vật liệu nhỏ, rời nhạy cảm với nhiệt và có lớp trấu bên ngoài bảo vệ Vì vậy chọn phương pháp sấy đối lựu dạng tầng sôi là lựa chọn phù hợp với vật liệu và kinh tế nhất.

Chương 2 Quy trình công nghệ

2.2 Thuyết minh quy trình

Sau đó tác nhân sấy được đưa vào lò sấy tầng sôi từ đáy tháp sấy tầng sôi (4) Luồng khí được phân bố đều vào lò nhờ lưới phân phối khí (3) Vật liệu ( lúa thóc ) được đưa vào thiết bị sấy (4) nhờ bộ phận nhập liệu (5) ở thân tháp và băng chuyền (7) Vật liệu sau khi được loại nước có độ ẩm thích hợp để bảo quản sẽ được thoát ra ngoài nhờ cửa tháo liệu (6) Lúa sau khi ra khỏi lò sấy được đổ ra băng chuyền (7) và đi qua thiết bị làm mát (9) để giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ môi trường là đóng gói Luồng khí sau khi sấy cùng hơi nước, bụi và hạt lúa bị cuốn theo sẽ đi ra ngoài từ đỉnh tháp Sau khi ra khỏi đỉnh tháp sẽ được đưa vào cylon (8) ở đây nhờ chuyển động tròn, các hạt lúa theo quán tính sẽ bị hất ra ngoài, đập vào thành bình và rơi xuống đáy cylon (8) và ra ngoài như một sản phẩm phụ Luồng khí sẽ ra ngoài từ đỉnh cylon.

Chương 3 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

3.1.Cân bằng vật chất Các kí hiệu sử dụng:

G1: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy G2: năng suất sản phẩm sau khi sấy

ω1: đổ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy ω2: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy

W: năng suất tách ẩm

L: lượng không khí khô cần thiết

l: lượng không khí khô cần thiết để tách 1kg ẩm ra khỏi vật liệu 3.1.1 Các thông số cơ bản

3.1.1.1.Đối với không khí

Trạng thái ban đầu của không khí:

Không khí vào thiết bị sấy:

Chọn nhiệt độ vào buồng sấy của không khí : t1 = 90oC

Không khí ra khỏi thiết bị:

Chọn nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy là t2 = 45oC

Dựng chu kì sấy lý thuyết trên giản đồ I-d, từ đó ta có:

3.1.1.2 Đối với vật liệu sấy (thóc)