Nghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí

Nghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khíNghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫnkhoa học: PGS TS BÙI TRUNGTHÀNHPGS TS LÊ ANH ĐỨC

TP HCM – Năm 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan rằng công trình “Nghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RSbằng phương pháp tầng sôi xung khí” được trình bày trong luận án này là do chính tácgiả thực hiện Các số liệu và kết quả có trong luận án là trung thực.

Tp Hồ Chí Minh, năm 2024Tác giả

Phạm Quang Phú

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ ChíMinh, Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ Khí Công Nghệ đã tiếpnhận và tạo điều kiện cho tôi làm nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí khóa2016.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành chân thành nhất đến Thầy hướng dẫn khoa họcPGS.TS.BùiTrungThànhvàPGS.TS.LêAnhĐức,ngườiđãtậntìnhhướngdẫn,giúp đỡ và độngviên trong suốt quá trình thực hiện luậnán.

Xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể cán bộ khoa Cơ Khí Công Nghệ đã giúp đỡ vàtạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Xin chân thành cảm ơn đến Trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh đãtạo điều kiện về thời gian để tôi hoàn thành công việc nghiên cứu này Đồng thời, cũngxingửilờicảmơnchânthànhđếnQuýđồngnghiệptrongKhoaCôngnghệNhiệtLạnh, đặc biệt làCô Nguyễn Thị Tâm Thanh, Thầy Trần Việt Hùng đã động viên, hỗ trợ và góp ý cho tôi trongquá trình nghiêncứu.

Phạm Quang Phú

TÓM TẮT

Tênluận án: Nghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyệnRSbằng phương pháp tầng sôi xungkhí

Nghiêncứusinh: Phạm Quang Phú Chuyênngành:Kỹ thuật cơ khí

Kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí đang được các nhà khoa học trên thế giới tiếptụcnghiên cứu và phát triển nhằm khắc phục một số tồn tại của máy sấy tầng sôi thông thường khi sấy các loại vật liệu rời,có kích thước đa phân tán, có ẩm bề mặt cao, dễ bịkếtkhốivàđóngbánhkhisấy.Sấytầngsôixungkhíkhácvớisấytầngsôithôngthường

làkhisấyphảicấpdòngkhícóvậntốcđủlớnlàmkhốihạtgiảlỏngnhưngbiếnđổitheo thờigian.Nghiêncứuứngdụngkỹthuậtsấytầngsôixungkhíđốivớisảnphẩmđườngtinh

thủykhívàđộnghọccủaquátrìnhsấy.Nghiêncứuđãđượcthựchiệnbằngcácphương pháp baogồm: phương pháp chuyên gia, phương pháp kế thừa, phương pháp lý thuyết và phươngpháp thực nghiệm, trong đó phương pháp nghiên cứu lý thuyết được thựchiệnbằngmôphỏngsố.Nghiêncứuđãđượckiểmchứnglạithôngquathựcnghiệmtrên mô hình vậtlý Từ đó, nghiên cứu đã xây dựng được các thông số công nghệ của quá trình sấy và xác địnhđược chế độ sấy đường tinh luyện RS hợp lý.

Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, luận án đã xây dựng được bộ thông số hìnhhọc, nhiệt vật lý và thủy khí, bao gồm: đường kính tương đương, cầu tính, khối lượngriêng, khối lượng thể tích, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ ẩm cân bằng, hệ sốkhuếch tán ẩm hiệu dụng, độ rỗng khối hạt và vận tốc sôi tốithiểu.

Nghiên cứu lý thuyết đã xác định được mô hình toán và hệ phương trình mô tảquá trình sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xung khí, từ đó xác địnhđược cơ chế giả lỏng, truyền nhiệt – truyền ẩm, một số thông số thủy khí và động họccủaquátrìnhsấy.Kếtquảmôphỏngsốđãdựđoánđượcsựbiếnthiêncủađộrỗngkhối hạt sấy,nhiệt độ, vận tốc và tổn thất áp suất của dòng khí nóng qua lớp hạt sấy, từ đó xây dựngđược đường cong sấy lý thuyết Đồng thời, các kết quả nghiên cứu lý thuyếtcũnglàmcơsởđểlựachọnmiềnnghiêncứuthựcnghiệmphùhợp,gópphầngiảmthiểu số lượng thínghiệm liên quan trong nghiên cứu thựcnghiệm.

Kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng đã xác định được phạm vi vận tốc trung bìnhcủa dòng khí cấp qua ghi phân phối khí cần lớn hơn 0,94 m/s và tần số xung khí thayđổi trong phạm vi 0,5 – 1,5 Hz Khi đó, vận tốc khí qua bề mặt lớp hạt sấy đạt giá trịtrung bình 0,7 m/s, dao động từ 0,35 m/s đến 1,1 m/s, độ rỗng của khối hạt thay đổi từ0,3 đến 0,59 và tổn thất áp suất của dòng khí nóng qua lớp hạt biến thiên trong khoảng300 – 1100 Pa.

Kết quả nghiên cứu lý thuyết về động học quá trình sấy cũng đã thiết lập đượccác đường cong sấy ở các nhiệt độ tác nhân sấy khác nhau, đồng thời xác định đượcnhiệtđộtácnhânphùhợpđểsấyđườngtinhluyệnRSbằngphươngpháptầngsôixung khí là từ 70đến 80C, thời gian sấy từ 18,7 phút đến 13,8 phút, tốc độ giảm ẩm trung bình trongphạm vi từ 0,078 %/phút đến 0,105%/phút.

Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các thông số công nghệ ảnh hưởngđến chất lượng sản phẩm đường tinh luyệnRSvà chi phí sấy thông qua các hàm mụctiêu là màu sắc sản phẩm sấy, tiêu hao điện năng riêng và tiêu hao nhiệt năng riêng Từđóxâydựngđượccácphươngtrìnhhồiquytươngquangiữahàmmụctiêuvớicácthông số công nghệ,đồng thời tối ưu hóa được các thông số công nghệnày.

Ảnh hưởng của 03 thông số công nghệ chính đến quá trình sấy đã được nghiêncứuthôngquaphươngphápquyhoạchthựcnghiệmtrựcgiaocấp2.Kếtquảđãxácđịnh được phạm viphù hợp của các thông số nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân sấy và tần số xungkhílầnlượtlà65–

mụctiêucũngđãxácđịnhđượcchếđộsấytầngsôixungkhíđốivớiđườngRStốtnhất ở nhiệt độsấy 67,1C, vận tốc tác nhân sấy 1,73 m/s và tần số xung khí 0,51Hz.

Nghiên cứu cũng đã thực hiện kiểm chứng và so sánh tiêu hao năng lượng giữamáy sấy tầng sôi xung khí và máy sấy tầng sôi thông thường trong cùng điều kiện vềnăngsuất,nhiệtđộ,vậntốcvàcũngđãđốichiếuvớicácnghiêncứutrênthếgiớivềsấy đường Kếtquả cho thấy kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí cho phép giảm đến 30% tiêu hao nhiệtnăng.

ResearchontheapplicationofPFBdryingtechnologyforRefinedStandard(RS) sugar wascarried out to analyze and evaluate the hydrodynamic behaviors and kinetic parameters of thedrying process by combining theoretical simulation andexperimental verification the drying processon the physical model From there, the technological parameters of the drying process were established anda reasonable drying mode of RS sugar by a PFB dryer wasdetermined.

The thermophysical and hydrodynamic properties of RS refined sugar wereobtained through experiments, including: equivalent diameter, density, bulk density,sphericity, specific heat, thermal conductivity, equilibrium moisture content, effectivemoisture diffusivity, porosity and minimum fluidization velocity.

Theoretical research results have established the model and system of equationsto simulate the RS sugar drying process by the PFB method, thereby determining thefluidizingandheat-masstransferregimeandhydrodynamicbehaviorsaswellaskinetic parameters ofthe drying process The numerical simulation results have predicted the variation of the particleporosity, temperature, velocity, and pressure loss through the bed, thereby building the theoreticaldrying curve Simultaneously, the simulation results are also the basis for selecting the appropriateexperimental research domain, contributing to minimizing the number of relatedexperiments.

The numerical simulation results also determined that the appropriaterangeforthe average velocity of the inlet gas flow (through the gas distributor) shouldbegreater than 0.94 m/s and the pulsation frequency should vary from 0.5 Hz to 1.5 Hz issuitableforRSsugarinPFBdryer.Inthisrange,theparticlesurfacevelocityreachesanaverage

valueof0.7m/s,rangesfrom0.35m/sto1.1m/s,theporosityoftheparticlebulkvaries in the range of0.3 – 0.59 and the pressure loss through the bed fluctuates in the range of 300 – 1100Pa.

The results of the simulation of the drying kinetics have also established thetheoreticaldryingcurvesatdifferenttemperatures,andatthesametimedeterminedthe suitabletemperature for drying RS refined sugar by the PFB method is 70 to 80°C, drying timeranges from 18.7 minutes to 13.8 minutes, the average drying rate ranges from 0.078%/min to 0.105%/min.

Experimentalresearchhasdeterminedthetechnologicalparametersaffectingthe qualityand drying cost through the objective functions of the color of the product, the specificelectricity cost, and the specific heat consumption From there, the regression equations werebuilt correlating objective functions with technological parameters, ultimately optimizing therange of these technologicalparameters.

The influence of 03 main technological parameters on the drying process hadbeen studied through the 2ndlevel orthogonal experimental plan Theresultshaddetermined the appropriate range of the parameters of drying temperature,dryingagent velocity, and pulsation frequency as 65 – 75°C, 1.5 – 2 m/s, and 0.5 – 0.75 Hz, respectively.Optimization of three objective functions determined the optimal PFBdryingconditionsforRSsugar,whichweredryingtemperatureof67.1°C,dryingagent velocityof 1.73 m/s, and pulsation frequencyof0.51Hz.

To verify and compare the energy costs between the PFB dryer and theconventional fluidized bed dryer, experiments were also carried out under the sameconditions of drying temperature, velocity and compared with studies in the world onthe cost of sugar drying, the cost of fluidized bed dryers The results show that the PFBdryingtechnologyreducedthespecificheatconsumptionofthedryingprocessbyupto 30%.

2.9.1 Xác định các hàm mục tiêu (thông sốđầura) 50

2.9.2 Xác định các thông số nghiên cứuđầuvào 53

2.9.3 Miền nghiên cứuthựcnghiệm 55

3.1.1 Xác định đường kính tương đương của đường tinhluyệnRS 63

3.1.2 Xác định khốilượng riêng 65

3.1.3 Xác định khối lượng thể tích vàđộrỗng 65

3.1.4 Xác định cầu tínhcủahạt 67

3.1.5 Tính toán và thực nghiệm xác định vận tốc sôitốithiểu 68

3.1.6 Tính toán và thực nghiệm xác định tổn thất áp suất qualớphạt 71

3.1.7 Xác định nhiệt dung riêng của đường tinhluyện RS 72

3.1.8 Xác định hệ số dẫn nhiệt của đường tinhluyện RS 74

3.1.9 Xác định độ ẩm cân bằng của đường tinhluyện RS 75

3.1.10 Kết quả xây dựng động học quátrìnhsấy 78

3.2 Xâydựng môhình môphỏngtầng sôixungkhí 82

3.3 Xâydựng hệphương trìnhmôphỏng 83

3.3.1 Mô hình toán học về thủy động họctầngsôi 83

3.4.1 Kết quả mô phỏng vận tốc khí qua bề mặt lớphạt 100

3.4.2 Kết quả mô phỏng độ rỗng củalớp hạt 101

3.4.3 Kết quả mô phỏng tổn thất áp suất qualớp hạt 103

3.4.4 Kích thước bọt khí trong tầng sôixung khí 107

3.7.2 Tiêu hao điệnnăngriêng 126

3.7.3 Tiêu hao nhiệtnăngriêng 128

3.7.4 Xây dựng chế độ sấy đường tinhluyệnRS 131

3.8 Đánh giá kết quả nghiêncứuthựcnghiệm 133

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1Sản lượng đường sản xuất trên thế giớitừ2017–2023 5

Hình 1.2Tình hình sản xuất và nhập khẩu đường trong nướctừ2017–2021 6

Hình 1.3Quy trình sản xuất đường thô và đườngtinhluyện 7

Hình 1.4Tổn thất áp suất qua lớp hạt và các chế độ sôi của hạt theovậntốc 13

Hình 1.5Các chế độ của lớphạt sôi 14

Hình 1.6Mô tả các phương pháp tái cấu trúctầng sôi 14

Hình 1.7Nguyên lý sấy cấp xung khídạng mẻ 15

Hình 1.8Mô tả cách cấp khí theodạngxung 16

Hình 1.9Các dạng thiết kế khác nhau của tầng sôixung khí 17

Hình 1.10Máy sấy tầng sôi theo các cách cấp khíkhácnhau 19

Hình 2.1Đường tinh luyện RS trước và saukhi sấy 31

Hình 2.2Xác định vận tốc sôi tối thiểu bằngthực nghiệm 33

Hình 2.3Phân tích kích thước khối hạt bằng râytiêuchuẩn 35

Hình 2.4Thể tích thủy động củamột hạt 35

Hình 2.5Bộ thí nghiệm đo nhiệt dung riêng theo phương pháphỗn hợp 37

Hình 2.6Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dạngquethăm 38

Hình 2.7Mô hình thí nghiệm đo độ ẩmcânbằng 39

Hình 2.8Thiết lập các vị trí đo trong quátrìnhsấy 42

Hình 2.9Thiết lập các vị trí đo vận tốc không khí trongbuồng sấy 42

Hình 2.10Mô tả phương pháp lấy mẫu trong quátrìnhsấy 43

Hình 2.11Các bước mô phỏng CFD bằng phầnmềmMFiX 45

Hình 2.12Minh họa mô hìnhhộp đen 45

Hình 2.13Các vị trí đo màu sắc đường tinhluyện RS 51

Hình 2.14Nhiệt độ và độ ẩm trung bình trong thời gianthực nghiệm 53

Hình 2.15Ảnh hưởng của tần số xung khí đến chuyển động của hạt và tổn thất ápsuất 54

Hình 2.16Mô hình máy sấy tầng sôixung khí 56

Hình 2.17Bố trí thí nghiệm đo hệ sốdẫnnhiệt 59

Hình 2.18Bố trí thí nghiệm đo nhiệtdungriêng 59

Hình 3.5Tính toán và thực nghiệm tổn áp qua lớp hạt sôitối thiểu 72

Hình 3.6Thực nghiệm xác định nhiệt dung riêng của đường tinhluyện RS 73

Hình 3.7Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của đường tinhluyện RS 75

Hình 3.8Mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng theo mô hình toán vàthựcnghiệm 76

Hình 3.9Đường cong giảm ẩm theo mô hình HendersonvàPabis 79

Hình 3.10Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng theo nhiệtđộ sấy 81

Hình 3.11Mô hình tầng sôi sử dụng trong môphỏngsố 82

Hình 3.12Biểu diễn 2 chiều trong phương pháp thể tíchhữu hạn 92

Hình 3.13Lưu đồ thuật toán mô phỏng số quá trình sấy tầng sôixungkhí 95

Hình 3.14Mô tả ảnh hưởng của các thành phần vận tốc và tần sốxungkhí 96

Hình 3.15Đồ thị phân bố vận tốc trung bình trên bề mặtlớphạt 100

Hình 3.16Đồ thị phân bố độ rỗng của lớp hạt khimô phỏng 101

Hình 3.17Đồ thị phân bố độ rỗng của lớp hạt khi cùng vận tốc khítrung bình 103

Hình 3.18Đồ thị phân bố tổn thất áp suất qua lớp hạt khi môphỏng số 104

Hình 3.19Đồ thị phân bố tổn thất áp suất qua lớp hạt khi cùng vận tốc khí trung bình 106

Hình 3.20Đồ thị phân bố tổn thất áp suất qua lớp hạt khi cùng tần sốxung khí 106

Hình 3.21Kích thước bọt khí trong tầng sôi, mô phỏng 13, thờiđiểm 1,5s 107

Hình 3.22Sự sôi của lớp hạt đường theo mô phỏng tầng sôixung khí 108

Hình 3.23Kết quả mô phỏng đường cong sấy ở nhiệt độsấy50C 109

Hình 3.24Kết quả mô phỏng đường cong sấy ở nhiệt độsấy60C 110

Hình 3.25Kết quả mô phỏng đường cong sấy ở nhiệt độsấy70C 110

Hình 3.26Kết quả mô phỏng đường cong sấy ở nhiệt độsấy80C 111

Hình 3.27Đường cong sấy đường RS ở nhiệt độ sấy 50C, 60C,70C,80C 111

Hình 3.28Đồ thị biểu diễn vận tốc bề mặt giữa mô phỏng vàthựcnghiệm 113

Hình 3.29Mặt cắt xác định vận tốc khí qua bề mặt lớp hạt khimô phỏng 114

Hình 3.30Đồ thị biểu diễn tổn thất áp suất giữa mô phỏng vàthựcnghiệm 117

Hình 3.31Đồ thị biểu diễn nhiệt độ vật liệu sấy giữa mô phỏng vàthựcnghiệm 119

Hình 3.32Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy giữa mô phỏng và thực nghiệm 121

Hình 3.33Mô hình hộp đen củaluậnán 122

Hình 3.34Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tổng chênh lệchđộ màu 126

Hình 3.35Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tiêu hao điệnnăngriêng 128

Hình 3.36Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tiêu hao nhiệtnăngriêng 130

Hình 3.37Mặt đáp ứng khi tốiưuhóa 132

Hình 3.38Độ màu đường tinh luyện RS trước và saukhi sấy 133

Hình 3.39Tiêu hao năng lượng riêng giữa tầng sôi xung khí vàthôngthường 135

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1Tình hình trồng mía và sản xuất đường trong nướctừ2016–2022 6

Bảng 1.2Thông số vật lýcủasucrose 8

Bảng 1.3Các chỉ tiêu cảm quan của đường tinhluyện RS 9

Bảng 1.4Các chỉ tiêu lý – hóa của đường tinhluyện RS 10

Bảng 1.5Hệ số hình dạng hình học một số loại hạtbất kỳ 12

Bảng 1.6Cầu tính một số hạtthông dụng 12

Bảng 1.7Tổng hợp một số nghiên cứu về sấy tầng sôixungkhí 27

Bảng 2.1Vật liệu và thiết bị đo phục vụthí nghiệm 56

Bảng 3.1Kết quả phân tích khối lượng đường tinh luyện RStrên rây 64

Bảng 3.2Kết quả đo khối lượng riêng đường tinhluyện RS 65

Bảng 3.3Kết quả đo khối lượng thể tích đường tinhluyệnRS 66

Bảng 3.4Các phương trình xác định vận tốc sôitốithiểu 68

Bảng 3.5Thông số nhiệt vật lý hạt đường tinh luyện RS sử dụng trongtính toán 70

Bảng 3.6Kết quả đo nhiệt dung riêng của đường tinhluyệnRS 73

Bảng 3.7Kết quả đo hệ sốdẫnnhiệt 74

Bảng 3.8Kết quả đo độ ẩm cân bằng của đường tinhluyện RS 77

Bảng 3.9Kết quả phân tích độ ẩm cân bằng của đường tinh luyện RS theo các môhình toánkhácnhau 78

Bảng 3.10Phân tích động học sấy theo các môhình toán 80

Bảng 3.11Kết quả tính toán hệsốDeff 81

Bảng 3.12Thông số vận tốc và tần số xung khí mô phỏngtrong các trườnghợp 1–15 97

Bảng 3.13Thông số vận tốc và tần số xung khí thực trong môphỏngsố 98

Bảng 3.14Kết quả so sánh vận tốc qua bề mặt lớphạt sấy 115

Bảng 3.15Kết quả so sánh tổn thất áp suất qua bề mặt lớphạtsấy 118

Bảng 3.16Miền thực nghiệm đayếu tố 123

Bảng 3.17Kết quả thực nghiệm đayếutố 123

Bảng 3.18Kết quả phân tích thống kêhàm Y1 125

Bảng 3.19Kết quả phân tích thống kêhàm Y2 127

Bảng 3.20Kết quả phân tích thống kêhàm Y3 129

Bảng 3.21Kết quả phân tích màu sắc đường tinh luyện RS trước vàsausấy 134

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A Diện tích,m2

Ar Tiêu chuẩnArchimedes

Cp Nhiệt dung riêng,kJ/(kg.K)

D Hệ số khuếch tán của ẩm trong không khí,m2/s

Deff Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng,m2/s

di Trung bình cộng kích thước hai lỗ kề nhau của rây,m

dp Đường kính của hạt vật liệu,m

Dt Đường kính buồng sấy,m

Dv Hệ số khuếch tán ẩm từ hạt vào khí,m2/s

f Tần số xung khí,Hz

Ứng suất nhớt của pha khí, PaỨng suất nhớt của pha hạt, Pa

G Khối lượng (kg) hoặc lưu lượng khối lượng(kg/s)

g Gia tốc trọng trường,m/s2

h Enthalpy,kJ/kg

hfg Nhiệt ẩn hóa hơi của ẩm,kJ/kg

H Chiều cao,m

Hs Chiều cao lớp hạt ở trạng thái tĩnh,m

Hbf Chiều cao lớp hạt ở trạng thái sôi bọt khí,

mHmf Chiều cao lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu,

mK Hệ số truyền khối (truyền ẩm),m/s

k1 Hằng số thực nghiệm, không thứnguyên

Lp Lưu lượng dòng khí trên một đơn vị thể tích lớp hạt ở pha rắn,

m3/(m3.s)Lg Lưu lượng dòng khí trên một đơn vị thể tích lớp hạt ở phakhí, m3/(m3.s)mLượng ẩm bay hơi trong một đơn vị thể tích theo thời gian,kg/m3.s

MĐộ ẩm vật liệu, tính theo cơ sở ướt, %

Mdbe Độ ẩm cân bằng của vật liệu, tính theo cơ sở khô, %MR Độ ẩm không thứ nguyên (MoistureRatio)

P Áp suất khíquyển

Q Nguồn nhiệt phát ra khi gia nhiệt đầu dò,W

Uˆtỷ sốU/Umf, không thứnguyên

U0 Vận tốc ban đầu của dòng khí (giá trị vận tốc thấp nhất trong mô phỏng),m/s

Ua Vận tốc biên độ dao động của dòng xung khí,m/s

Uc Vận tốc tới hạn của lớp hạt (Vận tốc lôi cuốn hạt theo dòng khí),m/s

xi Tỷ số giữa lượng hạt còn lại trên rây và khối hạt mẫu lấy phântích

Y Độ chứa hơi của không khí, kg ẩm/kg không khíkhô KÍ TỰ HYLẠP

 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu,W/(m2.K)

 Chiều dày của vật liệu,m

bf Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôibọt

mf Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi tốithiểu

g Độ rỗng của phakhí

p Độ rỗng của pha rắn,p= 1 –g

s Độ rỗng lớp hạt ở trạng tháitĩnh

b Khối lượng thể tích,kg/m3

p Khối lượng riêng của hạt,kg/m3

g Khối lượng riêng của khí,kg/m3

 Độ nhớt động lực học,N.s/m2

 Độ nhớt động học,m2/s

P Trở lực qua lớp hạt,Pa

ΔPPs Trở lực của dòng khí qua lớp hạt ở trạng thái tĩnh,Pa

ΔPPmf Trở lực của dòng khí qua lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu, PaCÁC KÝ HIỆUCHÂN

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCS Commercial CaneSugarCFD Computational FluidDynamics DEM Discrete Element Method

ISO International Sugar OrganizationKTGF Kinetic Theory of GranularFlow

MFiX Multiphase Flow with InterphaseeXchanges RS RefinedStandard

TCVN Tiêu chuẩn Việt NamTFM Two-Fluid Model

VSSA Vietnam Sugarcane and SugarAssociation

Kếtdínhvàđóngbánhlàhiệntượngtrongđócáctinhthểđườnggiảmđộẩmliên kết, dẫn đếnsự quá bão hòa ở bề mặt tinh thểvàkéo theo sự kết tinh Tại các điểm tiếp xúc giữa cáctinh thể, sự kết tinh bề mặt này tạo ra liên kết bắc cầu giữa các tinh thể Khi đó, đườngkhông còn chảy tự do và được gọi là “đóngbánh”.

Các sản phẩm đường mía chủ yếu của các nhà máy đường gồm đường thô vàđườngtinhluyện,dovịtríđịalývàđiềukiệntựnhiêntạimỗivùngtrồngmíakhácnhau nên “chữđường” (CCS) và hàm lượng các tạp chất phi đường cũng khác nhau dẫn đến các đặc điểmhình học và tính chất nhiệt vậtlýcủa đường được sản xuất tại mỗi vùng cũng không đồngnhất Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN, độ ẩm yêu cầu của đường thôđểbảoquảnphảikhônglớnhơn0,2%(TCVN6961:2001)vàđốivớiđườngtinhluyện không lớnhơn 0,05% (TCVN 6958 : 2001) nên việc sấy đường và nghiên cứu các đặc tính của đườngđược sản xuất ở mỗi vùng miền cũng cần được làm sángtỏ.

Công việc sấy đường tinh luyện sau công đoạn ly tâm là cần thiết để bảo quảnđường lâu dài và đảm bảo độ ẩm đường theo tiêu chuẩn Máy sấy thùng quay được sửdụngrộngrãitrongkỹthuậtsấyđườngnhưngtừkhicôngnghệtầngsôipháttriểntrong lĩnh vực sấythì máy sấy tầng sôi dần được ứng dụng nhiều hơn.

Để giải quyết vấn đề tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy, phương pháp sấytầng sôi kiểu xung khí (pulsed fluidized bed) đã được đề xuất trong thời gian gần đây.Phươngphápsấytầngsôixungkhíchophépgiảmlưulượngtácnhânsấycấpvàotrong cùng mộtnăng suất sấy so với sấy tầng sôi thông thường Một số nghiên cứu đã công bố cho thấy kếtquả khả quan về mặt tiết kiệm năng lượng của phương pháp sấy này Mặtkhác,đểxửlýchocác trườnghợpkhisấyvật liệudạngtinhthể,giữa cáchạtcóxu hướng dính, kếtkhối và đóng bánh thì kiểu sấy tầng sôi xung khí sẽ dễ dàng tách liênkếtgiữacáchạtbằngcáchthayđổitrạngtháicấpkhíđộtngột.Nhờtácđộngbằngdòng tác nhân khínên va đập cơ học giữa vật liệu sấy và ghi phân phối tác nhân sấy được giảm thiểu nên cáchạt vật liệu ít bị bào mòn các cạnh, ít bị vỡ hạt dẫn đến tỷ lệ thu hồi sản phẩm và chấtlượng sấy sẽ tốthơn.

Các nghiên cứu về sấy tầng sôi xung khí trên thế giới cũng còn tồn tại nhiềuvấn đề chưa được giải quyết đặc biệt trong quá trình sấy đường RS bao gồm đặc tínhthủy khí và động học, quá trình truyền nhiệt – truyền ẩm và vấn đề tiết kiệm nănglượng.

Như vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật đường tinh luyện RS bằngphươngpháptầngsôixungkhílàcầnthiếtnhằmgiảiquyếtbàitoánsấythựctiễnđểđápứngmụctiêunângcaochấtlượngsảnphẩmvàtiếtkiệmnănglượngtrongbốicảnhhộinhậptoàncầu.Mục đích chính của luận án là nghiên cứu cơ chế giả lỏng, truyền nhiệt – truyềnẩm khi sấy đường tinh luyện RS bằng kỹ thuật mô phỏng số, từ đó xây dựng được chếđộ sấy và tối ưu hóa được các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến quá trình sấy.

 Xây dựng được chế độ sấy đường tinh luyện RS hợp lý nhằm giảm chi phí củaquá trình sấy, nâng cao chất lượng sản phẩmsấy.

 Xác định được các giá trị về tiết kiệm năng lượng trong quá trình sấy đườngtinhluyện RS bằng phương pháp tầng sôi xungkhí.

3 Phạmvi và đối tượng nghiêncứu

Độ ẩm và màu sắc sản phẩm sau khi sấy là các hàm mục tiêu khi đánh giá chấtlượng sản phẩm sấy, tiêu hao điện năng riêngvànhiệt năng riêng là các yếu tố đánhgiá chiphí năng lượng của quá trìnhsấy.

4 Phương pháp nghiêncứu

Đểđạtđượccácmụctiêuđềratrongnghiêncứu,luậnánđãsửdụngcácphương pháp nghiêncứu nhưsau:

 Phương pháp chuyên gia: sử dụng kiến thức thực tế cũng như lý thuyết của cácchuyên gia trong lĩnh vực sấy và bảo quản; các tác giả đã có các công trình côngbố về kỹ thuật và thiết bị sấy tầng sôi, đặc biệt là sấy tầng sôi xungkhí.

 Phương pháp kế thừa: kế thừa kiến thức lý thuyết và các công trình đã công bốtrongcáctàiliệukỹthuật,sách,tạpchíchuyênngànhtrênthếgiớivàtrongnước.

 Phươngphápgiảitíchtoánhọc:sửdụngđểgiảiquyếtcácbàitoántraođổinhiệt– ẩm, các thôngsố nhiệt vật lý, vận tốc sôi tối thiểu, tổn thất ápsuất.

 Phương pháp mô phỏng số: xác định các thông số thủy khí và động học của quátrình sấy tầng sôi xungkhí.

 Phương pháp thực nghiệm: thiết kế, chế tạomôhình vật lý sấy tầng sôi xungkhíđểthựcnghiệmxácđịnhcácyếutốảnhhưởngđếnquátrìnhsấyđườngtinhluyện RS, từ đó xâydựng được chế độ sấy hợplý.

5 Nội dung nghiêncứu

Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án phải thực hiện các nội dung chính như sau: Tìm hiểu về đường tinh luyện RS, công nghệ sấy đường trong nước và trên thế

giới, phân tích các công trình nghiên cứu đã được công bố, từ đó đánh giá và đềxuấtphươngphápsấyphùhợpvớiđườngtinhluyệnRStrongđiềukiệnsảnxuất tạiViệtNam.

 Nghiêncứuthựcnghiệmxácđịnhcácthôngsốhìnhhọcvànhiệtvậtlýcủađường tinh luyệnRS. Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số thủy khí trong sấy tầng sôi

xung khí.

 Xác định mô hình toán và hệ phương trình mô tả quá trình giả lỏng, truyền nhiệtvà truyền ẩm trong quá trình sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp sấytầng sôi xung khí dạngmẻ.

 Giải hệ phương trình bằng phương pháp sốđểxác định các thông số thủy khí,động học của quá trình sấy tầng sôi xungkhí.

6 Đóng góp mới của luậnán

Luận án “Nghiên cứu kỹ thuật sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầngsôi xung khí” bao gồm các đóng góp mới sauđây:

1 XâydựngđượcbộthôngsốhìnhhọcvànhiệtvậtlýcủađườngtinhluyệnRSbao gồm: đườngkính tương đương, cầu tính, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, nhiệt dung riêng, hệsố dẫn nhiệt, độ ẩm cân bằng và hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng.

2 Xác định được một số thông số thủy khí của quá trình sấy tầng sôi xung khí đốivới đường tinh luyện RS bao gồm: độ rỗng của lớp hạt tĩnh và lớp hạt sôi tốithiểu,vậntốcsôitốithiểu,tổnthấtápsuấtqualớphạttĩnhvàlớphạtsôitốithiểu.

3 Xácđịnhvàgiảiđượcmôhìnhtoánhọcmôtảquátrìnhgiảlỏngkhốihạtkhisấy đường tinhluyện RS bằng phương pháp cấp khí kiểuxung.

4 Xác định được cơ chế giả lỏng, truyền nhiệt – truyền ẩm, các thông số thủy khívà động học của quá trìnhsấy.

5 Xácđịnhđượccácthôngsốcôngnghệchínhvàthiếtlậpđượcmốiquanhệtương quan về sựảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm sấy và tiêu hao nănglượng trong quá trình sấy đường tinh luyện RS bằng phương pháp tầng sôi xungkhí.6 Xây dựng được 3 phương trình toán hồi quyđểxác định được tổng chênh lệch

màu sản phẩm đường khi sấy, tiêu hao điện năng riêng và tiêu hao nhiệt năng riêng của quá trình sấy đường RS bằng phương pháp sấy tầng sôi xung khí: Hàm tổng chênh lệch độmàu:

8 Đánh giá được tiêu hao nhiệt năng riêng của quá trình sấy đường tinh luyện RSbằng phương pháp tầng sôi xung khí thấp hơn 30% so với phương pháp sấytầngsôi thôngthường.

Chương1TỔNG QUAN

Trong chương này, luận án tập trung trình bày về đối tượng nghiên cứu bao gồm côngnghệ sản xuất, các đặc tính lý hóa, các loại máy sấy hiện đang sử dụng sấy đường tinhluyệnRS.Đặcbiệt,trongchươngtrìnhbàyvềnguyênlývàcáctínhchấtthủyđộnghọc của quátrình sấy tầng sôi, các tồn tại của sấy tầng sôi thông thường từ đó dẫn đến cầnphảităngcườngsựgiảlỏngkhốihạttrongkỹthuậtsấytầngsôithôngquagiảiphápsấy tầng sôi xungkhí Ngoài ra, các dạng máy sấy tầng sôi xung khí, những nghiên cứu về phương pháp sấy tầngsôi xung khí trong nước và trên thế giới cũng được đềcập.

1.1 Tổngquan vềđường

Đường là một trong những loại gia vị phổ biến trong bữa ăn hàng ngày và lànguyên liệu quan trọng trong lĩnh vực bánh kẹo Thông thường, đường là tên gọichungcủa sucrose, chất làm ngọt kết tinh rắn cho thực phẩm và đồ uống Sucrose được tìm thấy trong hầu hết các loại thực vật, nhưng ở

câymíavàcủcảiđường[1].Loạiđườngđangđượcsửdụngđasốtrongcuộcsốnghằng ngày hiện naylà đường tinhluyện.

Hình 1.1Sản lượng đường sản xuất trên thế giới từ 2017–2023 [2]

Theo tổ chức Đường Quốc tế (ISO) [2], sản lượng đường sản xuất trên thế giớitrongnăm2022–2023ướcđạt183triệutấn,vớicácnướccósảnlượngsảnxuấtcaonhất là Brazil, ẤnĐộ, Trung Quốc và Thái Lan (Hình 1.1) Tại Việt Nam, theo báo cáo của hiệp hội mía đườngViệt Nam (VSSA) [3], diện tích trồng mía trongnước giảm một

nửa, sản lượng đường sản xuất thấp nhất trong 20 năm và kể từ năm 2020 lượngđườngsản xuất chỉ đáp ứng khoảng hơn 1/3 nhu cầu trong nước từ 2019 đến nay, phần còn lại phải nhập khẩu (Bảng1.1).

Bảng 1.1Tình hình trồng mía và sản xuất đường trong nước từ 2016–2022 [3]

Niên độ 2016/17 2017/18 2018/19 2019/20 2020/21 2021/22Diện tích mía

Hình 1.2Tình hình sản xuất và nhập khẩu đường trong nước từ 2017–2021 [3]

(a) Phân loạiđường

 Theo chức năng:đường thông thường, đường ănkiêng

 Theo hình dạng – màu sắc:đường khối, đường trắng, đường vàng, đườngnâu

 Theo ứng dụng cụ thể:sản xuất nước giải khát, sữa và các chế phẩm từ sữa, cà

phê hoà tan, bánh kẹo, thức ăn côngnghiệp,…

 Theo nguyên liệu sản xuất:đường mía, đường củ cải, đường thốtnốt

Ly tâmKết tinhRỉ mật quay về quá trình sản xuất đường thô

Nước ép từ mía

Gia nhiệt (ở 70°C)

Đường thô

Đường thôLý tâm

Đường tinhluyện

(b) Các máy sấy đường[4]

 Máy sấy thùng quay (Rotary drumdryer)

 Máy sấy sàng rung (Vibrating fluidized beddryer)

 Máy sấy tầng sôi (Fluidized beddryer)(c) Quy trình sản xuất đường từmía

Míatừcácruộngmíađượcvậnchuyểnbằnggheđưavềnhàmáyđường.Saukhi cân xác địnhtrọng lượng, mía được đưa qua hệ thống dao chặt hoặc búa dập nhằm cắthoặcđánhtơimíaravàtiếptụcđivàomáyépđểtríchnướcmía,từđóđưavàosảnxuất đường thô theoquy trình ở Hình 1.3a và từ đường thô thông qua quy trình khác để sản xuất thành đường tinhluyện (Hình 1.3b) Phần bã mía sẽ được đưa sang phân xưởng lò hơi để dùng làm nguyên liệuđốt lò cung cấp hơi cho turbine phát điện và phục vụcông nghệ Quy trình cơ bản nhất để sản xuấtđường thô và đường tinh luyện được trình bày trên Hình1.3.

Hình 1.3Quy trình sản xuất đường thô và đường tinh luyện [5]

Nấu chảy

(d) Chất lượng đường sản xuất từmía

đườngsucrosetheolýthuyếtcóthểsảnxuấttừ100đơnvịkhốilượngmía.Dođiềukiện khí hậu có ảnhhưởng lớn đến độ chín và sự tích tụ đường trong cây mía nên quá trình sản xuất, thu hồi đườngvà chất lượng đường ở các vùng trên thế giới cũng khác nhau [6],[7].

TạiViệtNam,mặcdùnăngsuấtmíaởkhuvựcmiềnNamcaohơnnhiềuởmiền Bắc vàmiền Trung (82 tấn/ha so với 58–60 tấn/ha) Tuy nhiên, xét về chất lượng, chữđườngởmiềnBắc(CCS=10,3%)lạicaohơnsovớimiềnNamvàmiềnTrung(CCS= 9,2 – 9,3%)[8] Vì chữ đường liên quan đến quá trình sản xuất đường thành phẩm nên các đặc điểmcủa đường ở các vùng trong nước cũng khácnhau.

1.2 Tínhchất lý hóa củađường

Đường, hay thường gọi là đường ăn, có thành phần chủ yếu là Sucrose( g l u c o s e+ fructose) có công thức phân tử C12H22O11, tên gọi hóa học khác là α-D-glucopyranozyl-(1→2)-β-D-fructofuranoside (để phân biệt với đường khử), với cácthông số lý hóa cơ bản như trình bày trên Bảng 1.2.

Bảng 1.2Thông số vật lý của sucrose [1]

Khối lượng riêng 1,55 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy 186 – 188oCNhiệt dung riêng (ở 35oC) 1,39 kJ/kg.K

Độ hòa tan (ở 20oC) 211,5 g/100ml H2O

1.3 Đặc điểm của đường tinh luyệnRS

Đường tinh luyện RS (Refined standard) là các vật liệu được hình thành từ quátrìnhkếttinh,độẩmsaucôngđoạnsaulytâmthườngkhoảngtừ0,5–1,5%[4],[5],[9]

kếtdínhsẽgâykhókhăntrongviệcsấykhôtrongtầngsôi,trongkhiyêucầuchấtlượng sản phẩm sấyphải cao [10],[11].

Độ ẩm đường tinh luyện: Rodgers và Lewis [12] đã phân loại ẩm trong đườngtinh luyện gồm 03 dạng:

 Ẩmbềmặt(FreeMoisture):màngnướcmỏngtrênbềmặttinhthểđườngsaukhi ra khỏi máyly tâm Độ ẩm này tương đối dễ dàng tách ra trong quá trìnhsấy.

 Ẩm liên kết (Bound Moisture): còn được gọi là độ ẩm có thể dịch chuyển, mộtlượng nước trên bề mặt của các tinh thể được liên kết và giữ lại bởi đường vôđịnhhình(amorphous).Lớpvỏvôđịnhhìnhcóđộthấmthấpnàyđượchìnhthành trong quá trìnhlàm khô đường ban đầu, khi làm cho ẩm thoát ra nhanh chophép sucrose kết tinh trên bề mặt tinhthể Độ ẩm này là nguyên nhân lớn nhất gây ra hiện tượng đóng bánh và phải được loại bỏ bằng cáchsấy. Ẩm bên trong (Inherent Moisture): ẩm bị giữ lại trong các tinh thể và chỉ được

Trong thực tế, hiện tượng đóng bánh thường xảy ra do sự thay đổi độ ẩm tươngđốicủakhôngkhítiếpxúcvớiđường,thườnglàdochênhlệchnhiệtđộ.Khiđườngtiếp xúc vớikhông khí có độ ẩm tương đối lớn hơn độ ẩm cân bằng của đường thì đường sẽ hấp thụ ẩm từkhông khí Sự hấp thụ này làm giảm áp suất riêng phần của nước tại bềmặtvàhơiẩmdichuyểnvàobêntrongtinhthể.Trongquátrìnhnày,đườngởbềmặtbị

hòatanmộtphầnkhinótiếptụchấpthụẩmtừkhôngkhí.Dođó,đườngdầntrởnênẩm hơn nên khiđiều kiện môi trường xung quanh thay đổi, ẩm bề mặt bị bay hơi, đường bị kết tinh lại vàdo đó đóng bánh[11].

Cácsảnphẩmđườngmíacủayếuởnướctalàđườngthô(đườngvàng)vàđường tinh luyện,phụ thuộc vào thành phần đường sucrose có trong dung dịch tính theo phầntrămkhốilượngdungdịchđường(độPol).TheotiêuchuẩnViệtNam,độPolcủađường thô ≥ 98,5%,đường tinh luyện ≥ 99,8% Do nhu cầu tiêu thụ đường thô thấp nên các nhà máy mía đường thườngsử dụng đường thô để sản xuất đường tinhluyện.

Bảng 1.3Các chỉ tiêu cảm quan của đường tinh luyện RS [13]

Ngoại hình Tinh thể màu trắng, kích thước tương đối đồng đều, tơi khô không vóncục

Mùi, vị Tinh thể đường hoặc dung dịch đường trong nước có vị ngọt, không cómùi vị lạ.

Màu sắc Tinh thể trắng óng ánh Khi pha vào nước cất cho dung dịch trong suốt.Thông thường, độ ẩm của đường yêu cầu để bảo quản phải không lớn hơn0 , 2 %[14] đối với đường thô và không lớn hơn 0,05% [13] đối với đường tinh luyện nên cần thiết phải sấy đường trước khi bảo quản Ngoài ra, các chỉ tiêu cảm quan (Bảng 1.3)và

Bảng 1.4Các chỉ tiêu lý – hóa của đường tinh luyện RS [13]

2 Hàm lượng đường khử, % khối lượng (m/m), không lớn

3 Tro dẫn điện, % khối lượng (m/m), không lớn hơn 0,034 Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105

oC trong 3 giờ, % khối

Do yêu cầu của các ngành sản xuất khác nhau, yêu cầu sử dụng đường thànhphẩmcóđộẩmnhỏ(0,05–0,2%)nêncầnthiếtphảisấy[11],[10],[11],[15],[16].Việc sấy đường saukhi ly tâm là cần thiết để bảo quản lâu dài và đảm bảo độ ẩm theo tiêuchuẩn.Đểđảmbảoviệcxuấtkhẩuđườngracácnướctrênthếgiới,tiêuchuẩnvềđường

tinhluyệncủaViệtNamcũngphùhợpvớitiêuchuẩncủatổchứcĐườngQuốctế(ISO) về cácchỉtiêucảmquanvàlý–hóa[17].Tuynhiên,dosựkhácnhauvềvị tríđịalývà điều kiện khí hậu nhưđã phân tích ở mục 1.1 nên các thông số về hình học, thủy khí cũng như tính chất nhiệt vậtlý của đường tinh luyện RS cũng khác nhau Để đảm bảo mô hình mô phỏng quá trình sấyđường tinh luyện RS được chính xác thì các thông số này cần được phân tích và xácđịnh.

Có3dạngmáysấyđườngthườngđượcsửdụnglàmáysấythùngquay,máysấy sàng rungvà máy sấy tầng sôi [4], [18] Kỹ thuật sấy và máy sấy đường trên thế giới cho ra đời nhiềumẫu máy, tùy theo trình độvàkhả năng đầu tư mà lựa chọn loại máy sấy phùhợp.

Đối với việc sấy các hạt có kích thước trong phạm vi từ 50 – 2000m, máy sấytầngsôicónhiềuưuđiểmhơncácmáysấytruyềnthốngkhác(máysấythùngquay,máy sấy băng tải,máy sấy khay liên tục), cụ thể là[19]:

 Tốc độ sấy cao do sự tương tác tốt giữa khí và hạt dẫn đến hệ số truyền nhiệt vàtruyền khối rấtcao.

 Hiệu suất nhiệt cao hơn, đặc biệt nếu sử dụng các bộ trao đổi nhiệt bên trong buồng sấy để cung cấp nhiệt cho quá trìnhsấy.

 Vốn đầu tư và chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với máy sấy thùngquay. Dễ dàng vận hành và điều khiển tựđộng.

Tuy nhiên, chúng cũng có một số hạn chế như sau [19]:

 Tiêu thụ điện năng cao do hoạt động ở chế độ sôi dẫn đến tổn thất áp suất tác nhân sấylớn.

 Quạt cấp tác nhân sấy yêu cầu có cột áp caohơn.

 Tính cơ động thấp và khó giả lỏng đối với vật liệu quáướt.

1.4 Cáctính chất thủy động học của quá trình sấy tầngsôi

a Cầu tính

Xét một khối hạt rời ở trạng thái tĩnh (trạng thái tự nhiên) các hạt chịu lực dínhlẫn nhau và trọng lực của hạt Để khối hạt có thể giãn ra và chuyển qua trạng thái linhđộng cần phải tác động vào khối hạt một dòng khí có giá trị lớn hơn vận tốc cân

bằng.Với lớp hạt sôi ổn định, vận tốc dòng khí qua lớp hạtUg(m/s) được xác định quatiêuchuẩn Reynolds:

Nhưvậynếuhạtcódạngtrònhayhìnhcầuthìkíchthướccủahạtrấtdễdàngxác định và đượcmô tả bằng đường kính của nó Tuy nhiên trong tự nhiên cũng như trong thực tế sản xuất, quytrình công nghệ lại không thể tạo ra được hoặc hiếm khi gặp hạt cầu, hầu hết các hạt đều cóhình dạng bất kỳ Do vậy, khi tính toán bắt buộc kích thước các hạt phải được quy về kíchthước trung bình, và tính toán giá trị kích thước hạt dựa trên khái niệm hệ số cầu tính Mộthạt không có dạng hình cầu được xác định bằng định nghĩa “cầu tính”,là đại lượngkhông thứnguyên.

=𝐷𝑖ệ𝑛ệ𝑛𝑡í𝑐ℎ𝑘ℎố𝑖ệ𝑛𝑐ầ𝑢𝑐ó𝑐ù𝑛𝑔𝑡ℎể𝑡í𝑐ℎ𝑣ớ𝑖ệ𝑛ℎạ𝑡𝐷𝑖ệ𝑛ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑏ề 𝑚ặ𝑡 𝑐ủ𝑎 ℎạ𝑡 (1.2)Theo Nguyễn Văn Lụa [20], hệ số hình dạng của hạt làvà nghịch đảo của hệsố hình dạng được gọi là cầu tính của hạt:=1/ Hệ số hình dạng của các hạt bất kỳđược mô tả khái quát theo Bảng 1.5.

g

Bảng 1.6Cầu tính một số hạt thông dụng [21]

Hạt cát (tròn) Hạt cát có cạnhHạt than đá (nghiền)Hạt mica

0,920,660,6 – 0,750,28

Hạt nhôm oxytHạt đá vôiHạt muối tinhBột nghiền

0,3 – 0,80,5 – 0,90,840,89

b Vai trò của vận tốc sôi tốithiểu

Các giai đoạn của tầng sôi phần lớn dựa vào vận tốc khí thổi xuyên qua lớp hạt.Theo [22] các giai đoạn giả lỏng lớp hạt có thể tóm tắt lại như sau: a) Lớp hạt ở trạngtháitĩnh;b)Lớphạtbắtđầugiãnnở;c)Lớphạtsôi;d)Hìnhthànhbọttronglớp;e)Lớp hạt bị lôicuốn theo dòngkhí.

Một lượng vật liệu rắn mịn được biến đổi thành lớp hạt sôi nhờ tác động nângcủa dòng khí đi xuyên qua lớp vật liệu đó Do đó, ba giai đoạn có thể xác định đượctrong tầng sôi là dựa vào vận tốc khí thổi xuyên qua, bao gồm: (1) Lớp hạt tĩnh

(U<Umf), (2) Lớp hạt giãn nở hay tầng sôi (Umf≤U<Uc), (3) Lớp hạt bị lôi cuốn theo

dòng khí hay vận chuyển khí động (U≥Uc).

Khi dòng khí được thổi lên trên với vận tốc rất thấp thì nó sẽ thẩm thấu qua cáclỗ trống mà không làm xáo trộn lớp vật liệu Đó là giai đoạn lớp hạt ở trạng thái tĩnh(tầngtĩnh).Nếuvậntốcdòngkhíđủlớnthìnósẽđẩylớphạtchuyểnđộngchuyểnđộng xáo trộn nhưhiện tượng sôi của chất lỏng Giai đoạn đó được gọi là tầng sôi Sau giaiđoạngiảlỏngnếuvậntốckhítăngthêmnữathìlớphạtbịgiãnnởđángkểcùngvớiviệc gia tăng lỗtrống và giai đọan hình thành bọt xuất hiện Nếu vận tốc khí tăng thêm nữa thì lực nâng củakhí sẽ thổi vật liệu ra khỏi buồng chứa, gọi là giai đoạn vận chuyển bằng khíđộng.

Trong lớp hạt tĩnh thì các hạt vật liệu tiếp xúc trực tiếp với nhau nângđỡlẫnnhau Trong lớp hạt giãnnởthì các hạt có một khoảng cách tự do trung bình với nhauvàđượcnângbởilựcnângcủakhí.Giaiđoạngiãnnỡcótínhchấtcủachấtlưunêncũng

đượcgọilàtầngsôihaylớphạtsôi.Lớphạttĩnhđạtđượckhivậntốcbềmặtqualớp

hạt nhỏ hơn nhiều so với vận tốc sôi tối thiểu Tầng sôi đạt được khi vận tốc tới nằmgiữa (trung gian) giữa vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc tới hạn Lớp hạt bị lôi cuốn

theodòng khí khi vận tốc bề mặt lớn hơn rất nhiều so với vận tốc tới hạn của hạt (Uc).

Vấn đề đặt ra là xác định được giá trị vận tốc sôi tối thiểu (Umf) mà tại đó tầngsôi bắt đầu hình thành Vì vậy, vấn đề chính yếu là làm sao tối ưu được giá

trịUmfđểtăng hiệu suất tầng sôi.

c Vai trò của tổn thất áp suất qua lớp hạt (độ sụtáp)

Khi chất khí thổi xuyên qua lớp vật liệu, nó sẽ tác dụng lực nâng lên các hạt vàkết quả là gây ra tổn thất áp suất ngang qua lớp (Hình 1.4) Vận tốc của lưu chất tăng,thìtổnthấtápsuấtcũngtăng.Khivượtquatrạngtháisôitốithiểu,tổnthấtápsuấtngang qua lớp vẫnkhông đổi (thậm chí ngay khi vận tốc của lưu chất tăng thêm nữa) và bằng với trọng lực thực tếcủa lớp hạt trên đơn vị diệntích.

Hình 1.4Tổn thất áp suất qua lớp hạt và các chế độ sôi của hạt theo vận tốc [23]

Khivậntốckhítăngquámứccầnthiếtđểgiảlỏnglớphạt,nghĩalàtăngquávận tốc khí qualớp hạt sôi tối thiểu, thì lớp hạt bắt đầu hình thành bọt khí Trường hợp nàygọilàtầngsôibọt.Nếuvậntốckhítăngquámức(thừa)thìbọtkhísẽpháttriểnlớnđến nỗi các bọtnày gần như hay hoàn toàn lấp đầy mặt cắt ngang của ống thúc đẩy hình thành các hạt nútkín tạo nên tầng nút kín (Hình1.5).

Với các loại bột (vật liệu) mịn hơn, nhẹ hơn và dính kết thì rất khó giả lỏng toànbộ vật liệu bởi vì lực liên kết nội phân tử của vật liệu thì lớn hơn trọng lực Vật liệu cóxu hướng dính vào nhau và khí đi xuyên qua lớp thông qua các kênh.

Hình 1.5Các chế độ của lớp hạt sôi [22]1.5 Tăngcường làm giả lỏng khối hạt trong kỹ thuật tầngsôi

Kỹ thuật tầng sôi là một trong những phương pháp tăng cường sự tiếp xúc giữatácnhânvàkhốihạtvậtliệusấytừđótăngcườngsựtraođổinhiệtvàtraođổichất.Tuy nhiên, kỹthuật này vẫn tồn tại những hạn chế nhất định, chẳng hạn hầu hết các vật liệu sấy đều cókích thước đa phân tán nên sự giả lỏng trong dòng khí xảy ra không đồngđều,cáchạtcókíchthướclớnnhậnítnănglượnghơn.Cáchạtkíchthướcnhỏthìlạidễ kết dính, tạonên hiện tượng đóng cục trong lớp hạt, gây cản trở sự giả lỏng khốihạt.

Hình 1.6Mô tả các phương pháp tái cấu trúc tầng sôi [24]

Kỹ thuật tầng sôi hiện đại đang được nghiêncứukhắc phục những nhược điểmcủa tầng sôi truyền thống bằng cách thay đổi một số thiết kế cơ bản Chẳng hạn, triệttiêu sự hỗn loạn về mặt thủy động thay vì để chúng trở thành hỗn loạn không kiểmsoátđược Ở đây, phương pháp đặt ra là tìm cách điều chỉnh các điểm chính của thiết kế, sửdụngcácthiếtbịbổsungđểtạoramột"tầngsôicócấutrúcmới"trongđódòngchuyển động của hạtđồng nhất hơn (Hình 1.6)[24].

5

Như vậy, xét về các phương pháp động học, phương pháp tầng sôi xung khí cóthểđượcthựchiệndễdàngnhờđiềukhiểndòngkhícấpvàodướidạngxung(cấpkhông liên tục) màkhông tác động hoặc bố trí thêm các cơ cấu phân phối khí bên trong lớp hạt Trong khi đó,phương pháp sàng rung hay cánh khuấy trong buồng sấy cũng đã được ứng dụng trong thực tếnhưng chi phí bảo dưỡng cao, hiệu quả thấp đối với cácloạihạtnhưđườngmía[18].Cácphươngpháp hiệnđạikhácnhưhỗtrợtừtrường,điện trường,siêu âm chỉ phù hợp với một số loại vật liệu chuyên biệt nên chưa được nghiên cứurộngrãi.

1.6 Giớithiệu về tầng sôi xung khí và ứng dụng trong sấyhạt1.6.1 Nguyênlý hoạtđộng

Điểm khác biệt về mặt nguyên lý của sấy tầng sôi xung khí là thay cho việc cấpkhínóngliêntụcvàokhốihạtsấyđốivớimáysấytầngsôithôngthườngthìđốivớisấy tầng sôixung khí lại cấp khí nóng vào buồng sấy dưới hình thức gián đoạn theo thờigianthôngquacấutrúcđặcbiệtvàhoạtđộngcủamộtđĩaphânphốikhí.Kudravàcộng sự [25] đãcông bố sáng chế đĩa cấp khí vào buồng sấy dưới hình thức gián đoạn được biễu diễn trên Hình1.7 và đồ thị mô tả quá trình cấp khí gián đoạn tại Hình1.8.

6

Hình 1.7Nguyên lý sấy cấp xung khí dạng mẻ [26]

1- Buồng sấy; 2- lớp hạt sôi; 3- ghi đỡ hạt; 4- đĩa phân phối khí quay;5- cửa cấp khí; 6- buồng chứa tác nhân sấy

Bộ phân phối khí cho buồng sấy tầng sôi xung khí dạng mẻ là một đĩa kim loại(4) đượclắpngayphíadướighiphânphốikhí(3).Đĩakimloạiđượckhoétmộtkhoảng trống dạnghình quạt có góc mở 60(vị trí số 5, Hình 1.7) cho phép dòng khí nóng đi xuyên qua đĩaquay qua ghi phân phối khí (3) và định hướng dòng khí đi vào khối hạttrongquátrìnhsấy.Khiđĩa(4)quay,khínóngsẽđượcphânphốilầnlượtgiữacácphần

củabuồngsấy,gâynênhiệuứngxungđộng.Ghiphânphốikhí(3)đượcbốtríphíatrên

đĩaquay,có kết cấu dạng phẳng vừa có chức năng đỡ hạt, vừa có chức năng phân phốikhí nóng lên khối hạt sấy khi có dòng khí nóng cấp đến Đĩa phân phối khí quay nhờđược nối với trục của một động cơ Đĩa này quay cho phép phân phối khí nóng định kìlêntừngphầncủadiệntíchghiđỡhạtsấythôngquakhoảngtrốnghìnhquạtđượckhoét trên đĩa Khiđĩa quay sẽ định vị và hình thành một hoặc nhiều đầu phun khí vào khối hạt sấy (số đầu phunkhí nóng lên khối hạt sấy phụ thuộc vào số lượng phần khoét trênđĩacấpkhí.Hình1.7môtảđĩaphânphốikhíkhoétmộtkhoảngtrốngsẽhìnhthànhmột đầu phunkhí) Khi số vòng quay của đĩa phân phối khí thấp, vòi phun khí cũng dịchchuyểntrênghiphânphối khítheogóc quétvàlúcnày khốihạtsấy sẽcóphầnhạt tĩnh, có phầnhạt động Khi đĩa phân phối khí quay số ở vòng quay nhanh đạt đến giá trị nàođóthìlúcnàytoànbộlớphạtsấyđượcgiảlỏnghoàntoànvàsôilêngiốngnhưsấytầng sôi thôngthường [27] Vấn đề đặt ra với sấy tầng sôi xung khí là phải tìm ra được sốvòngquayhợplýcủađĩaquay(4)đểbảođảmchếđộsấytầngsôixungkhícólưulượng khí cấp vàokhối hạt sấy thấp nhất cho phép tiết kiệm nănglượng.

Hình 1.8Mô tả cách cấp khí theo dạngxung

Thiếtbịtạodòngxungkhí(bộtạoxung)cũngđãđượcthiếtkếvàđềxuấtbởicác nhà nghiêncứu khác nhau Bên cạnh van điện từ và van bướm tạo ra các luồng xung khí bằng cách bật vàtắt định kỳ [28]–[30] trong Hình 1.9a và kiểu đĩa xoay phân phối không khí vào các khoangkhác nhau trong Hình 1.9b [31], [32], các thiết kế khác bao gồm đĩa quay với phần rỗng để khíđi qua thể hiện trong Hình1.9c[33], [34], cũng như dạng hình trụ nằm ngang với các kherỗng ở hai bên đối diện trong Hình 1.9d [35] Tất cả những dạng này đều có khả năngđịnh vị lại pha khí theo định kỳ và tạo ra các xung khácnhau.

Tương tự như nhiều hệ thống cơ học, đặc tính của xung khí được đánh giá bởitần số xung khí Massimilla và cộng sự đã kiểm tra ba loại xung khí ở các tần số khácnhau, đó là tần số thấp (1,2 – 2,7 Hz), tần số trung bình (2,7 – 4,8 Hz) và tần số cao (>4,8 Hz) [36] Tuy nhiên, Wong và Baird đã thực hiện các thí nghiệm với tầngsôix u n g

khí ở tần số dao động trong khoảng 1 – 10 Hzvàcho thấy tầng sôi bọt đạt được ở tần số10 Hz [30] Sự hòa trộn giữa hạt và khí được cải thiện đáng kể nhờ cấp khí dạng xung.

(a) Van điện từ hoặc van bướm; (b) Bộ phân phối khíxoay;(c) Đĩa quay có lỗ mở; (d) Trụ xoay nằm ngang có rãnh

Hình 1.9Các dạng thiết kế khác nhau của tầng sôi xung khí

PencevàBeasley[37]đãchứngminhhiệuquảcủaxungkhítrongviệckiểmsoát sự hỗn loạncủa lớp hạt sôi Nghiên cứu đã được tiến hành với tần số dao động lên đến 15Hz.Kếtquảlàentropy Kolmogorovvớilưulượngkhícấpdạng xungnhỏhơnnhiềusovớilưulượngkhícấpliêntục,chothấykhảnănggiảmkíchthướcbọtkhísovớitầng sôi liêntục.

So với các tầng sôi thông thường với lưu lượng khí cấp liên tục, tầng sôi xungkhí có thể hoạt động với phạm vi kích thước hạt rộng hơn Sự tiếp xúc giữa hạt rắn vàkhíđượctăngcườngcũnggiúpcảithiệntốcđộtruyềnnhiệtvàtruyềnkhốigiữapharắn

vớinhauvàgiữapharắnvớiphakhí.TheoKobayashivàcộngsự[38],khicungcấpkhí

Reyes và cộng sự [33] đã tính toán các hệ số truyền nhiệt giữa khí nóng và cáchạt nền trong máy sấy tầng sôi xung khí với lớp hạt trơ trong các điều kiện khác nhauthông qua cân bằng năng lượng Các thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm bậc 2 đãchochứngminhrằngtăngvậntốcvànhiệtđộkhí,giảmtốcđộđĩaquay(tứclàgiảmtần

sốxungkhí)sẽgiúptăngtiêuchuẩnNusselt(Nu)trongtầngsôixung khí,nghĩalàtăng hiệu quảtruyền nhiệt Trong đó, quá trình cấp khí dạng xung có tầm quan trọng rất lớn trong việcphá vỡ tính cố kết của các hạt sinh khối Godoi và cộng sự [51] đã xác nhậnvaitròcủaxungkhítrongquátrìnhsấycácbiopolyme,trongđóviệccấpkhídạngxung

giúpcácvậtliệusaukhisấycóđộẩmđồngđềuhơn.Máysấytầngsôixungkhíđãđược thử nghiệm bởiNitz và Taranto [52] cho thấy vẫn đạt được hiệu suất sấy tương tự với một phần tư lượng khôngkhí so với máy sấy tầng sôi thông thường, ngoài ra tầng sôi xung khí còn cải thiện hiệu quả tiếpxúc khí–rắn và tiết kiệm nănglượng.

Akhavan và cộng sự [28] đã xem xét các mối quan hệ giữa tần số xung và độnghọcsấy.Nghiêncứuđãtiếnhànhsấycáchạtdượcphẩmtrênmáysấytầngsôixungkhí ở tần số 3 Hztrong 10 phút với vận tốc không khí trung bình khác nhau Kết quả cho thấy rằng sự giảlỏng kiểu xung không chỉ rút ngắn tổng thời gian sấy khô mà còn tăng cường tính đồng nhấtcủa sản phẩm Quan sát bằng hình ảnh cũng cho thấy mức độhòa trộn tốt hơn khi thực hiện ở chế độ cấp khídạngxung.

Wang và Rhodes [53] đã áp dụng phần tử rời rạc (DEM) để mô phỏng tầng sôixung khí bằng lý thuyết động lực học lưu chất tính toán (CFD) Phân tích tổn thất ápsuấtchothấykếtquảtươngtựnhư[30].Dảitầnsố3–10Hzvà 2,7–7Hzđãđượcxácnhậnthôngquathựcnghiệmlàcóhiệuquảnhấttrongviệcgiảmtươngtáckhí–rắnđối với cácxung hình sin và hình vuông Các đặc tính của bọt khí thường khó phát hiện được bằngthực nghiệm cũng đã được các tác giả mô phỏng và phân tích Trong quá trình cấp khídạng xung, các kênh khí vẫn hình thành nhưng nhanh chóng phát triểnthànhbọtkhívàdichuyểnlênbềmặtcủalớphạt.KaiqiaoWuvàcộngsự[54]đãmô

phỏng bằng CFD–DEM và quan sát bằng thực nghiệm trên mô hình tầng sôi xung khí,kết quả cho thấy kích thước bọt khí giảm dần khi tăng tần số xung khí.

1.6.2 Phânloại máy sấy tầng sôi xungkhí

Cónhiềucáchphânloạimáysấytầngsôixungkhí,nhưngphânloạitheophương pháp cấp khíđược sử dụng rộng rãi hơn cả Theo Kudra và cộng sự [55] thì có 03 loại máy sấy tầng sôi xungkhí bao gồm: Máy sấy cấp khí bằng van bướm đôi, máy sấy cấp khí bằng đĩa quay và máy sấycấp khí bằng cách thay đổi vị trí dòngkhí.

Phương pháp cấp khí gián đoạn bằng van bướm đôi được trình bày trên hình1.10a, tần số cấp xung khí thay đổi nhờ vào việc điều chỉnh tốc độ quay của van bướm.Ưu điểm của loại máy sấy này là các đặc tính thủy động trong quá trình sấy được cảithiện tốt hơn nhưng còn tồn tại nhiều hạn chế như tổn thất áp suất tăng cao khi van ởvịtrí đóng và đôi khi cần thêm cơ cấu rung đối với vật liệu dạng bột có độ ẩmcao.

Phương pháp cấp khí bằng đĩa quay được phát triển bởi Gawrzynski [56] giúptập trung không khí vào từng vị trí trên bề mặt ghi, do đó giảm được lượng không khícấp vào và nhờ đĩa quay giúp tạo quá trình sôi đồng đều trên bề mặt ghi (Hình 1.10b).Nhược điểm của phương pháp này là chỉ áp dụng đối với máy sấy có năng suất thấp,buồng sấy dạng hình trụ và còn nhiều vị trí không giả lỏng được bên trong buồng sấy.

a) cấp khí bằng vanbướmđôi b) cấp khí bằngđĩa quay c) thay đổi vị trí dòngkhí

Hình 1.10Máy sấy tầng sôi theo các cách cấp khí khác nhau [57]

Đối với máy sấy tầng sôi xung khí liên tục, có tiết diện buồng sấy hình chữ nhậtthì phương án cấp khí bằng đĩa quay không phù hợp nên Gawrzynski và cộng sự [57]đã đề xuất phương án cấp khí bằng cách thay đổi vị trí dòng khí Một buồng phân phốikhí gồm nhiều buồng nhỏ ngăn cách bởi các vách ngăn được lắp phía dưới ghiđỡvậtliệu, không khí vào bộ phân phối khí dạng xoay sẽ lần lượt được thay đổi sang từng vịtrí khác nhau theo thứ tự từ đầu cấp liệu đến đầu lấy sản phẩm (Hình 1.10c) Ưu điểmcủaphươngphápnày làápdụngđốivớimáysấy liêntụccónăng suấtsấy lớn,phạmvi điềuchỉnh tần số xung khí lớn và hoạt độngổnđịnh mà không cần đến cơ cấurung hỗ

trợ Hạn chế của phương pháp cấp khí này là ở công nghệ chế tạo bộ phân phối khí, hệthống đường ống phức tạp và chi phí đầu tư cao.

1.7 Phương pháp tiếp cận trong mô phỏng số tầng sôi xungkhí

Mô phỏng quá trình giả lỏng lớp hạt sấy trên ghi dưới tác động của dòng khíhướnglênthườngđượcápdụngdướidạngmô hìnhdòngchảyđapha,trongđópha khí là tác nhânsấy và các pha hạt còn lại là vật liệusấy.

Mô hình mô phỏng dòng hai pha khí – rắn bao gồm sự kết hợp chặt chẽ của cácphươngtrìnhbảotoànkhốilượng,độnglượng,nănglượngvàđôikhicóxétđếnsựtrao

(1) Cách tiếp cận Lagrange, xét pha rắn là một pha rời rạc và (2) Cách tiếp cận Euler,xét pha rắn là là một pha liên tục [58] Theo cách tiếp cận Lagrange, các hạt rắn đượcxemxétriênglẻ, cónghĩalàvịtrícủacáchạttheothờigianđượctheodõitrongmộthệ tọa độ cốđịnh và quỹ đạo của chúng được tính toán trong khi xem xét các tác động của ngoại lực[54], [59] Trong cách tiếp cận Euler, pha rắn được xem như có các đặc tính liên tục củadòng chảy, được rút ra từ lý thuyết động học của dòng hạt (Kinetic Theory of GranularFlow – KTGF) [60] Bằng cách xét pha rắn như một pha liên tục, ưu điểmcủaphươngphápEuler–Eulerlàchiphítínhtoánthấphơnđángkểsovớiphươngpháp Lagrange –Lagrange nhưng nhược điểm là vấn đề giải quyết phương trình độnglượng, trong đó mối quan hệ lực cảngiữa chất khí – chất rắn có ảnh hưởng lớn đến mô hình này Ngoài ra, khi kết hợp giữa hai cách tiếp cận này thì hình thành phương phápLagrange – Euler, trong đó pha hạt được xét theo Lagrange, nhưng tính toán các đặc tính và sự tương tác giữa các pha bằng các phương phápdựa trên Euler[61].

MFiX (Multiphase Flow with Interphase eXchanges) là một mã nguồn mở đượcviếtbằngngônngữFortranthuộcquảnlýcủaPhòngthínghiệmCôngnghệNănglượng

vàphảnứnghóahọctrongcácdòngchấtlỏng-rắn.ĐâylàmôhìnhCFDđaphadựatrên các phươngtrình cân bằng khối lượng, động lượng và năng lượng cho các pha khí và nhiều pha rắn MFiXđã được sử dụng để tạo mô hình tầng sôi bọt, tầng sôi tuần hoàn và tầng sôi có bố trí vòi phun[58],[62].

Trong luận án này, mô hình hai pha TFM (Two-Fluid Model) theo phương pháptiếp cận Euler – Euler được áp dụng để mô phỏng quá trình giả lỏng lớp hạt đường tinhluyện RS bằng dòng xung khí nhằm giảm thời gian tính toán và phù hợp với điều kiệnhiện có nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy Mô hình này cũng được nhiều tác giả sử dụngtrong mô phỏng tầng sôi và đã được chứng minh tương đối phù hợp với kết quả thực

nghiệm [54], [63]–[66] Các phương trình liên quan trong mô phỏng số quá trình giảlỏngtầngsôigồmphươngtrìnhliêntục,phươngtrìnhđộnglượngvàphươngtrìnhnăng lượng [58],[67].

1.8 Tìnhhình nghiên cứu trongnước

Đối với nguyên liệu khó sấy như đường tinh luyện RS thì hiện trong nước đangtồn tại cả máy sấy chất lượng thấp đến máy sấy chất lượng cao, cụ thể như sau:

 Kỹ thuật sấy thông dụng là ứng dụng sấy theo nguyên lý truyền nhiệt đối lưutrong máy sấy thùng quay Quá trình sấy diễn ra liên tục cho chất lượng tốt hơnso với phương pháp trước đây Nhược điểm là: tỷ lệ phế phẩm cao, màu sắc sảnphẩm chưa giống màu tự nhiên, hạt sau khi sấy bị bể vỡ, các góc cạnh của hạtkhông còn được giữ nguyênnhưkhi đưa vào máy sấy Thiết bị sấy thùng quayhiện nay vẫn còn được sử dụng ở nhiều nhà máy mía đường trong cảnước. Sấy rung theo nguyên lý băng tải: khắc phục được một số nhược điểm của máy

sấy thùng quay, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế như: tiêu hao điện năng và chiphí bảo trì cao, độ ẩm của đường sau sấy không đồng đều khi lớp vật liệu dày,kích thước máylớn.

 Sấy rung kết hợp tầng sôi được nhập khẩu vào Việt Nam và hiện đang được sửdụng trong ngành công nghiệp sản xuất đường và sản xuất mía đường cao cấp.Máysấyrungtầngsôigọnhơnmáysấythùngquaychochấtlượngsảnphẩmsấy

caohơnhẳn,tuyvậykếtcấucủamáycũngcònkháphứctạp.Côngtymíađường Quảng Ngãi,công ty mía đường Bình Định, công ty mía đường Trị An (Đồng Nai) là các đơn vị đãlắp đặt thiết bị sấy tầng sôi rung kết hợp Ngoài ra, có thể tìm thấy ứng dụng của máysấy tầng sôi rung ở các nhà máy sản xuất cơm dừa Thành Vinh (Bến Tre), nhà máy sữaTrường Thọ, nhà máy sữa Thống Nhất,nhà máy đường Vị Thanh (HậuGiang),…

Các nghiên cứu về kỹ thuật sấy tầng sôi của các tác giả trong nước tập trungvàoviệc xác định đặc tính thủy động lực học, quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm, thời gian sấy của qua trình sấy tầng sôi đối với cácloại vật liệu như cơm dừa, ngô hạt, thức ăn thủy sản dạng viên và muối tinh Theo Phạm Công Dũng [68], phương pháp sấytầng sôi với máy sấy dạng buồng trụ phù hợp để bảo quản hạt nông sản và thời gian sấy phụ thuộc vào nhiệt độ tác nhân và độẩm của hạt trong khi vận tốc tác nhân sấy nên gấp từ 2–2,5lầnvậntốchóasôitốithiểu.Trongkhiđó,vớisảnphẩmlàviênthứcănthủysản và muối tinh thìcác tác giả Lê Đức Trung [69] và Bùi Trung Thành [10] đã sử dụngmáysấytầngsôidòngtrộnvớitiếtdiệnmáyhìnhchữnhậtchokếtquảsấytốthơn.

ănviênvàthựcnghiệmxácđịnhđượcđặctínhthủyđộnglựchọccủaquátrìnhsấy.Tuy nhiên, cácnghiên cứu này chưa công bố về chi phí năng lượng của quá trình sấy.T h e o

[10] máy sấy tầng sôi liên tục thích hợp để sấy muối tinh với tiêu hao nhiệt năng riêngthấp hơn 20% so với máy sấy thùng quay và thấp hơn 25% so với máy sấy tĩnh nhưngtiêu hao điện năng cao hơn 20 – 25% so với các loại máy này Cụ thể, tiêu hao nhiệtlượng riêng và tiêu hao điện năng riêng của quá trình sấy tầng sôi đối với muối tinh lầnlượt là 4052,05 kJ/kg ẩm và 461 Wh/kg ẩm [10] Phương án sử dụng lớp đệm trợ sôitrong máy sấy tầng sôi liên tục đã được đề xuất bởi các tác giả [10], [70], [71] để sấysảnphẩmcóđặctínhkếtdínhlàmuốitinh,ngoàiracũngcầnápdụngcácbiệnpháptiết

kiệmnănglượnghoặctìmphươngánsấykhácđểgiảmtiêuhaonhiệtnăngchoquátrình sấy tầng sôi.Nhìn chung, các nghiên cứu đều sử dụng phương pháp sấy tầng sôi thông thường và đều chothấy nhược điểm của phương pháp sấy này là tiêu hao điện năng và tiêu hao nhiệt năng khácao.Đối với sản phẩm sấy là đường tinh luyện, theo [18], phân tích cho thấy các yếutố ảnh hưởng đến quá trình sấy gồm chiều dày lớp hạt, đường kính hạt, độ ẩm ban đầu,độẩmtươngđốicủakhôngkhívàloạimáysấy.Cácloạimáysấyphùhợpđểsấyđường

tinhluyệnlàmáysấythùngquay,máysấysàngrungvàmáysấytầngsôi.Vàothờiđiểm đó, máy sấythùng quay và sàng rung được sử dụng nhiều hơn trong khi máy sấy tầng sôi mới chỉ có ở nhàmáy đường Bình Định và Nghệ An ápdụng.

Hiện nay, các công trình nghiên cứu về kỹ thuật sấy tầng sôi áp dụng để sấyđường tinh luyện nhằm giảm chi phí năng lượng cho quá trình sấy còn rất hạn chế.Mặt khác, phương pháp sấy tầng sôi đã được chứng minh là phù hợp với sản phẩmđường tinh luyện nhưng vẫn còn tồn tại nhược điểm là tiêu hao điện năng và nhiệtnăng khá cao, do vậy cần tiến hành nghiên cứu kỹ thuật sấy tầng sôi kiểu khác có tiêuhao năng lượng thấp hơn mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu.

1.9 Tìnhhình nghiên cứu trên thếgiới

(1) Đăng kí các bằng sáng chế về máy sấy tầng sôi xungkhí.

(2) Nghiên cứu đặc tính thủy động và động học của quá trình sấy tầng sôi xungkhí.