TÍNH TOÁN THIẾT kế hệ THỐNG sấy NGÔ TẦNG sôi

NỘI DUNG BAO GỒM ĐẦY ĐỦ CÁC PHẦN SAU:MỞ ĐẦUGIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆUTỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SẤYLỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP SẤYTÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT,CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNGTÍNH TOAN CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ CHÍNH.KẾT LUẬN.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY TẦNG SÔI ĐỂ SẤY NGÔ,

NĂNG SUẤT 400KG/H

LỜI MỞ ĐẦU

Các quá trình và thiết bị là tập hợp các môn học cơ sở rất quan trọng cho sinh viên ngành sinh học thực phẩm, nhằm giúp cho sinh viên có khả năng tính toán, thiết kếthiết bị, khả năng vận hành, cải tiến hoặc đề xuất những thiết bị thích ứng cho một công nghệ cụ thể với năng suất và hiệu quả cao Đồ án 1 Qúa trình và thiết bị là cơ

hộ tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việctính toán , lựa chọn quy trình và các thiết bị với số liệu cụ thể Đây là cơ sở để sinhviên dễ dàng nắm bắt công nhệ và giải quyết các vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc sau này

Trong công nghệ hóa học và thực phẩm có rất nhiều yêu cầu sản xuất khác nhau, một trong những yêu cầu đó là sấy các nguyên liệu, mục đích của quá trình này là làm hạt đạt được độ ẩm an toàn trước khi đưa vào kho bảo quản và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tiếp theo.Có nhiều phương pháp được sử dụng khác nhau, nhưng đối với trường hợp sấy tầng sôi người ta thường sử dụng thiết bị sấy tầng sôi rung hoặc thiết bị sấy tầng sôi dạng hình hộp

Nhiện vụ của đồ án chuyên ngành là: tính toán thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấyngô, năng suất 400kg/h Ở đây em xin chọn thiết bị sấy tầng sôi 1 tầng

Em xin chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bị thực phẩm, cácbạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em kính mong quý thầy cô góp ý, chỉ dẫn

Phần 1 Mở đầu

1.1.SƠ LƯỢC VỀ NGÔ, TÍNH CHẤT, ỨNG DỤNG:

Ngô là một loại cây lương thực được thuần canh tại khu vực Trung Mỹ và sau đó lan tỏa ra khắp Châu Mỹ Ngô lan tỏa ra ra phần còn lại của thế giới sau khi có tiếpxúc của người Châu Âu với Châu Mỹ vào cuối thế kỷ 15, đầu thế kỷ 16

Ngô là cây lương thực được gieo trồng nhiều nhất tại Châu Mỹ (Chỉ riêng tại Hoa

Kỳ thì sản lượng đã là khoảng 270 triệu tấn mỗi năm) Nó vừa là lương thực vừa làthức ăn gia súc rất quan trọng, đứng hàng thứ ba trên thế giới Diện tích trồng ngô hằng năm của thế giới hiện nay khoảng 129 triệu ha, năng suất bình quân khoảng 3,8 triệu tấn/ha, tổng sản lượng ngô trên 525 triệu tấn Hầu như 100% diện tích ngôcủa các nước tiên tiến đều được trồng bằng các giống ngô lai nên đạt năng suất bình quân 7-9,4 tấn/ha

Ở Việt Nam, ngô là loại cây lương thực quan trọng thứ hai sau lúa.Ngô được trồng khắp nơi, từ đồng bằng đến trung du và khá nhiều ở miền núi Diên tích ngô của Việt Nam tang dần từ 119000 ha(1939) lên 392000 ha(1985) và khoảng 730000 ha(1998) Hiện nay, Việt Nam cũng đã bước đầu xuất khẩu được giống ngô lai cho các nước trong khu vực

Các cơ quan sinh dưỡng của ngô gồm: rễ, than, lá làm nhiệm vụ duy trì đời sống của cây ngô Phôi và hạt là khởi thủy của cây mầm

Các cơ quan sinh sản đực( bông cờ) và cái( mầm bắp) khác biệt nhau nhưng nằm trên cùng một cây Ngô giao phấn chéo nhờ gió và côn trùng

Khi thu hoạch, con người chỉ sử dụng hạt ngô làm thực phẩm Hạt ngô thuộc loại quả dĩnh gồm 4 bộ phận chính: vỏ hạt, lớp aleron, phôi, và nội nhũ

- Vỏ hạt( chiếm 6-9% khối lượng hạt ngô): là một màng nhẵn bao bọc xung quanh hạt có màu trắng, màu tím hoặc vàng tùy thuộc vào giống

- Lớp aleron(6-8%): nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ và phôi

- Nội nhũ(70-85%): là bộ phận chính chứa đầy các chất dinh dưỡng để nuôi phôi Nội nhũ chứa tinh bột Tinh bột nội nhũ gồm 3 loại: bột, sừng, pha lê Đặc điểm và màu sắc nội nhũ là căn cứ để phân loại ngô

- Phôi(8-15%): bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm, và chồi mầm Phôingô chiếm gần 1/3 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận chuyển nước vào phôi và ngược lại thuận lợi.

Thành phần hóa học của hạt ngô:

1.2.SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI:

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt Kết quả của quá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên Điều này có ý nghĩa quan trọng về nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nhằm tăng khả năng bảo quản; đối với gốm sứ làm tăng độ bền cơ học, đối với than củi làm tăng khả năng đốt cháy… Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thể tích nên giảm được giá thành vận chuyển

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của lỏng trong vật liệu thành hơi Cơ chế của quá trình được diễn tả bởi 4 quá trình cơ bản sau :

- Cấp nhịêt cho bề mặt vật liệu

- Dòng nhiệt dẫn từ bề mặt vào vật liệu

- Khi nhận được lượng nhiệt, dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt

- Dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách vào môi trường xung quanh

Bốn quá trình này được thể hiện bằng sự truyền vận bên trong vật liệu và sự trao đổi nhiệt ẩm bên ngoài giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Dựa vào phương thức cung cấp nhiệt cho vật liệu người ta chia thiết bị sấy ra ba nhóm chính:

+ Sấy đối lưu

+ Sấy tiếp xúc

+ Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoa

Theo kết cấu nhóm thiết bị sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bị sau:

độ ẩm thấp được thổi từ dưới lên để đi qua lớp vật liệu.Với tốc độ đử lớn, tác nhân sấy nâng các hạt vật liệu lên và làm cho lớp hạt xáo trộn.Qúa trình sôi này là quá trình trao đổi nhiệt ẩm mãnh nhiệt nhất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy.Các hạt vật liệu khô hơn nên nhẹ hơn sẽ nằm ở lớp trên của tầng hạt đang sôi; và ở một độ cao nào đó hạt khô sẽ được đưa ra ngoài đường tháo liệu

Sấy tầng sôi có những ưu điểm và nhược điểm như sau:

* Ưu điểm:

+ Năng suất sấy cao

+ Vật liệu sấy khô đều

+ Có thể tiến hành sấy liên tục

+ Hệ thống thiết bị sấy tương đối đơn giản

+ Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy

+ Có thể điều chỉnh thời gian sấy

* Nhược điểm:

+ Trở lực lớp sôi lớn

+ Tiêu hao nhiều điện năng để thổi khí tạo lớp sôi

+ Yêu cầu cỡ hạt nhỏ và tương đối đồng đều

1.3 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Phần 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1.CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Các ký hiệu sử dụng:

G1: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy

G2: năng suất sản phẩm sau khi sấy

w1: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy

w2 : độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy

d1: hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi sấy

d2: hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô sau khi sấy

W: năng suất tách ẩm

L: lượng không khí khô cần thiết

l: lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm ra khỏi vật liệu

2.1.1.Các thông số cơ bản:

2.1.1.1.Đối với không khí:

a.Trạng thái ban đầu của không khí:

) ( 0233 0 ] 20 5 235

42 4026 12

exp[

] 5 235

42 4026 12

0 0

621 , 0

bh

bh

P P

P d

745

0233 , 0 85 , 0 621

42 , 4026 12

2354026,4212

exp

P bh      

+ Độ ẩm tương đối:

) 621 0 (

1 1

1 1

d P

d B

20

)).(

(

t C r

t t d C d d

5 , 235

42 , 4026 12

exp

t

P bh

) ( 095 , 0 ) 45 5 , 235

42 , 4026 12

.

20 20

20 20

d P

d B





2.1.1.2.Đối với vật liệu sấy( ngô)

Theo tài liệu kỹ thuật sấy nông sản- Trần Văn Phú, Lê Nguyên Dương ta có các thông số kích thước sau của ngô

(%) 9 , 2 ) 0126 , 0 621

( kg

0305 ,

045.842,12500

)4590.(

027,10126

 Các kích thước của ngô:

- Diện tích bề mặt riêng khối lượng: f= 1,31m2/kg

- Khối lượng riêng xốp: ρv= 850kg/m3

 Vật liệu trước khi vào thiết bị sấy, ta chọn

2 , 0 1

13 , 0 20 , 0 400

2 1

Lượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 giờ là:

Gk=G2(1-w2)=400(1-0,13)=348kg/h

Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm:

0126 , 0 0326 , 0

1

1

2

kgam kgkk

Nhiệt lượng vào:

- Nhiệt lượng do không khí mang vào: LI0

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G2Cvlθ1+CnWθ1

- Nhiệt lượng do calorife cung cấp: Qc

Tổng nhiệt lượng vào: LI0+G2Cvl θ1+CnW θ1+Qc

Nhiệt lượng ra:

-Nhiệt lượng do không khí ra:LI2

-Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2Cvl θ2

-Nhiệt lượng tồn thất trong quá trình sấy: Qm

Đối với quá trình sấy lý thuyết:

qc =l( I2- I0) = 50.( 123,95-52,044)=3695,3 (kj/kgẩm)

Đối với quá trình sấy thực tế: lúc này giá trị sẽ khác 0

Nhiệt dung riêng của nước:

) 45 90 (

027 , 1 0126

, 0 ) (

2

2 1 0 0

d

Entanpi I2

I2=1,004.45+0,028.(2500+1,842.45)=117,5 kJ/kg kk

Độ ẩm tương đối

) 621

2 2

d P

1 1

46 , 4714

46 , 4714 58

, 4669 '

Chọn thiết bị sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối có dạng tấm được đục lỗ cho không khi đi lên.

Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bị sấy tầng sôi:

Nhiệt độ tác nhân vào: t 0C

1  90

Nhiệt độ tác nhân ra: t 0C

2  45

Nhiệt độ tính toán trung bình: t  67 , 5 0C

Khối lượng riêng:k  1 , 037kg/m3

3

10 81 , 12 037

, 1 ) 10 75 , 19 (

81 , 9 ).

037 , 1 1253 ( ) 10 5 , 7 ( ) (

k r

v

g d

(





) 75 , 1

3 0

10 75 , 19 6 , 636 Re

, 1 ) 10 75 , 19 ( 3

81 , 9 ) 037 , 1 1253 ( 4 10 5 7 3

) (

4

3

2 6

3

k k

k r

v

g d

Fe







Tốc độ làm việc tối ưu lấy theo tiêu chuẩn:

10 75 , 19 4 , 1291

3.3.TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI

Chọn độ xốp của ngô trong tầng sôi là:   0 , 65

Vì nhiệt độ trong buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ trên bề mặt lưới phân phối, nên nhiệt

độ của tác nhân trên bề mặt lưới phân phối là:

886 , 3 5 , 67 273

90 273 645 , 3 273

g Ly v

4 , 3

10 81 , 12 61

Chuẩn số Liasenco:

6 , 15384 10

81 , 12

41 , 5819

Re

6

3 3

Ly

v

k

k r k

037 , 1

) 037 , 1 1253 (

81 , 9 10 45 , 20 6 , 15384 )

3.6.Khối lượng vật liệu trên ghi

Chọn sơ bộ chiều cao lớp hạt nằm trên ghi: H=0,25m

Chuẩn số Nu:

3 , 25

Re 0283

,

0

34 , 0 65 , 0 6 , 0

Nu

) / ( 5 , 99 0075

, 0

10 95 , 2 3 , 25

t

t t

5

70 ln

) 40 45 ( ) 20 90 ( ln

) (

)

(

2 2

1 1

2 2 1

) ( 45 , 65 6

, 24 5 , 99 6

0075 , 0 1253 16 , 2922 35

.

6

'.

.

kg t

d q

73 , 2272

L

F

tu k

b.Khối lượng vật liệu trên ghi

Chọn sơ bộ chiều cao lớp hạt nằm trên ghi: H0=0,25m

Chuẩn số Nu:

3 , 25

Re 0283

,

0

34 , 0 65 , 0 6 , 0

Nu

) / ( 5 , 99 0075

, 0

10 95 , 2 3 , 25

t

t t

5

70 ln

) 40 45 ( ) 20 90 ( ln

) (

)

(

2 2

1 1

2 2 1

, 24 5 , 99 6

0075 , 0 1253 16 , 2922 35

.

6

'.

t

d q

kh G

27 , 0 65 , 0 1253 3 , 0

45 , 65

 ) ( 70 25 ,

0

27 ,

b.Chiều cao buồng sấy:

Bao gồm chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồng phân ly

-Chiều cao lớp giả lỏng:

m H

65 , 0 1

4 , 0 1 27 , 0 1

-Chiều cao buồng phân ly:

Để đảm bảo cho quá trình hoạt động, ta chọn chiều cao buồng phân ly bằng 3 lần chiều cao lớp tầng sôi:

Hpl=3.1,1=3,3m

-Vậy chiều cao chính của buồng sấy tính từ lưới phân phối là:

H = H + Hpl= 1,1+3,3= 4,4m

3.7.BỀ DÀY THIẾT BỊ:

Áp suất trên lưới:

) / ( 2289 3

, 0

70 81

,

9

m N F

5 , 2 2 2 7 2

2 2

c

15 , 0 10 6 , 19 0506 , 0

7 , 686

5 10 6 , 19 0506 ,

K c



Vìσ = 80< [σ] = 140 nên thỏa mãn điều kiện bền

Vậy chiều dày thiết bị là S= 5 mm

3.8 BỘ PHẬN NHẬP LIỆU:

Chọn bộ phân nhập liệu dạng vít xoắn, vít xoắn đặt nằm ngang

Năng suất của vít tải được tính theo công thức:

Q= 47.D 2 n.s.ρ.φ.C kg/h

Trong đó:

D: đường kính ngoài của cánh vít, m

n: số vòng quay của trục vít, v/ph Số vòng quay lớn nhất của trục vít có thể xác định theo công thức thực nghiệm:

ρ: khối lượng riêng của ngô, ρ=1253 kg/m3

φ: hệ số chứa đầy, đối với ngô ta chọn 0,4

C: hệ số tính tới việc giảm năng suất khi vít tải đặt nghiêng Trong trường hợp này

do vít tải nằm ngang nên C= 1

 D5/2 = 47.A Q...C => D = 0,042m

Chọn đường kính cuả cánh vít theo tiêu chuẩn là 0,05m, bước vít 0,05m

Công suất của động cơ truyền động cho vít tải: đối với vít tải nằm ngang ta sử dụng công thức sau

C

Trong đó:

Q: năng suất của vít tải, kg/h

C0: hệ số trở lực được xác định bằng thực nghiệm Đối với ngô ta chọn bằng 1,2L: chiều dài vít tải, chọn L=2m

ɳ: hiệu suất truyền động của động cơ, chọn bằng 0,85

Nhiên liệu sử dụng ở đây là dầu FO Để cho nhiệt độ của không khí được ổn định

khi vào buồng sấy, ta có thể tiến hành gia nhiệt không khí một cách gián tiếp; tức

là dùng dầu để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hòa ở 5 bar (1520 C), sau đó đưa

lượng hơi nước bão hòa này qua thiết bị trao đổi nhiệt với không khí Ưu điểm của

phương pháp này là không khí ra khỏi calorife không có bụi bẩn, bồ hóng, thóc sau

khi sấy sẽ không bị đen, bẩn thuận lợi cho việc xuất khẩu.Ngoài ra nhiệt độ của

không khí ổn định sẽ giúp cho quá trình sấy hoạt động ổn định

Như vậy calorife ở đây là thiết bị trao đổi nhiệt, ta chọn thiết bị calorife

khí-hơi, tác nhân đun nóng là hơi nước bão hòa ở nhiệt độ 1520C, áp suất 5 bar

Hơi nước bão hòa đi trong ống còn không khí đi ngoài ống

Nhiệt lượng cung cấp:

t t

c

d

c đ

62

132 ln

62 132 ln

53406

2

m t

4.2 CYCLON

Trong hệ thống sấy thường phải có thiết bị cyclone đi kèm để tách bụi ra khỏi tác nhân sấy hoặc để thu hồi sản phẩm bị lôi cuốn theo Cyclon hoạt động theo nguyên lý ly tâm.Cấu tạo và kích thước cơ bản của nó được biểu diễn trên hình vẽ sau:

Để tìm kích thước của cyclon ta dựa vào bảng quan hệ giữa lưu lượng thể tích tác nhân( m3/h) và kích thước cyclone cho dưới dạng bảng 12-2( Kỹ thuật sấy nông sản- Trần Văn Phú, Lê Nguyên Dương)

Lưu lượng không khí đi qua cyclon:

64 , 2191 037

, 1

73 , 2272

Dựa vào lưu lượng không khí và tra bảng 12-2, ta được cyclone có các kích thước

cơ bản như sau:

-Trở lực qua buồng sấy

-Trở lực do áp lực động ở đầu ra của quạt

4.3.1 Trở lực:

a.Trở lực từ quạt tới Calorife:

Chọn ống dẫn có đường kính d= 0,25m, chiều dai 5m

Lưu lượng không khí:

Vkk=2191,64m3/h

=0,61m3/s

Vận tốc không khí:

5 , 12 4

 Regh=59,2.103

Chuẩn số Reynol khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

6 8

9

10 88 , 1 220

d

Ta thấy Regh<Re<Ren nên hệ số ma sát xác định theo công thức:

0175 , 0 Re

100 46





O mmH m

N d

4 , 28

 



d.Trở lực đoạn uốn cong vào buồng sấy:

100 46

N d

1

1

∆PP1= 26,4 N/m2= 2,7mm H2O

g.Trở lực qua lớp sôi:

) (

9 , 68 ) / ( 676 2

, 0

70 ) 0075 , 0

1 , 1 4 , 1291 (

17 , 0

) Re

N F

G d

H P

026 , 0 Re

100

N d

2 , 42 2

.

a.Chọn quạt hút:

Trở lực quạt hút cần khắc phục là tổng trở lực từ đó đột thu ra khỏi buồng sấy đến Cyclon và trở lực do áp lực động quạt hút.Vậy trở lực mà quạt cần khắc phục là:Σ∆PP = 45,76mm H2O=450 N/m2

V= 0,61m3/s

Chọn loại quạt ly tâm 4- 70 N04 với hiệu suất 0,75số vòng quay 130rad/s

Công suất của quạt:

37 , 0 72

, 0

10 450 61 , 0 10

37 , 0 3

Chọn quạt ly tâm 4- 70N04 với hiệu suất 0,71, số vòng quay 185rad/s

Công suất của quạt:

8 , 0 71

, 0

10 930 61 , 0 10

8 , 0 3

Ở đây ta chọn nắp hình nón không có gờ, góc đáy bằng 900, đường kính D1=

800mm Chọn đường kính ống dẫn khí ra khỏi buồng sấy d= 250mm, khi đó chiều cao của nắp là H= 400mm

Chiều dày của nắp được xác định với điều kiện làm việc chịu áp suất trong và theo công thức:

C y

10 240 2 , 1

Chiều dày của đáy có thể lấy bằng chiều dày thân thiết bị, bằng 2mm

Dạng tai đỡ sử dụng và cách gắn tai đỡ vào thiết bị:

Tải trọng tác dụng lên một tai

q = P/n

P: tổng tải trọng, bao gồm tải trọng của thiết bị chính và khối lượng ngô thường xuyên nằm trên lưới.

là trong nông nghiệp

Hiện nay có nhiều phương pháp sấy khác nhau tùy theo tính chất của sản phẩm cầnsấy, trong đó phổ biến hơn cả là nhóm thiết bị sấy đối lưu Đối với vật liệu sấy là các khối hạt như ngô, thóc, đậu…người ta thường gặp các thiết bị sấy tháp, sấy thùng…Thiết bị sấy tầng sôi tương đối ít gặp và chưa được sử dụng rộng rãi Mặc

dù thiết bị sấy tầng sôi rất thuận tiện cho việc sấy các loại hạt, cho năng suất cao vàchất lượng sản phẩm tốt hơn ( vật liệu khô đều hơn)

Việc tính toán và thiết kế, lắp ráp thiết bị sấy tầng sôi dối với các vật liệu là các loại hạt nông sản nói chung và đối với ngô nói riêng tương dối đơn giản, dễ thực hiện Nguyên vật liệu dùng để chế tạo thiết bị thông dụng và rẻ tiền( bằng thép CT3 hoặc gang), không đòi hỏi cá các tính chất đặc biệt Do vậy vốn đầu tư không quá cao và thời gian hoàn vốn nhanh.

Hệ thống thiết bị tương đối đơn giản, dễ vận hành, thời gian sấy nhanh và có thể tiến hành theo phương thức sấy lien tục Mặc dù phải tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc khắc phục trở lực tạo lớp sôi, nhưng vấn đề này dễ dàng được thực hiện hơn khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển với các máy móc hỗ trợ ngày càng ưu việt

Do đó trong tương lai, các thiết bị sấy tầng sôi đối với các sản phẩm dạng hạt sẽ được sử dụng nhiều hơn và phổ biến hơn