Đồ án: Thiết kế máy sấy tầng sôi

Đồ án: Thiết kế máy sấy tầng sôi

Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Phần I MỞ ĐẦU I . SƠ LƯC VỀ THÓC (LÚA) ,TÍNH CHẤT ,ỨNG DỤNG: Lúa là nguồn lương thực chính của gần ½ sốdân trên thế giới. Lúa là loại cây ưa nóng và ẩm, do đó lúa thường được trồng nhiều ở các vùng có khí hậu ôn đới và cận nhiệt đới. Năng suất của lúa nước là cao nhất, nên lúa thường được trồng ở các châu thổ sông lớn. Nước ta có khí hậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho việc phát triển cây lúa. Thành phần hoá học của hạt lúa gồm chủ yếu là tinh bột, protein, xenlulose. Ngoài ra trong hạt lúa còn chứa một số chất khác với hàm lượng ít hơn so với 3 thành phần kể trên như: đường, tro, chất béo, sinh tố. Thành phần hoá học của hạt lúa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, đất đai trồng trọt, khí hậu và chế độ chăm sóc. Cùng chung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng. Thành phần hoá học của hạt lúa : Thành phần Hàm lượng các chất ( % ) Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình Protein 6.66 10.43 8.74 Tinh bột 47.70 68.00 56.20 Xenluloze 8.74 12.22 9.41 Tro 4.68 6.90 5.80 Đường 0.10 4.50 3.20 Chất béo 1.60 2.50 1.90 Đectrin 0.80 3.20 1.30 Việt Nam, lúa gạo là nguồn lương thực chính không thể thiếu trong đời sống con người. Lúa còn là nguyên liệu để sản suất tinh bột, sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp thực phẩm. Lúa cũng được dùng làm thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm. SVTH: Lương Thành Đồng Trang 1 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Hiện nay, Việt Nam đang đứng thứ hai thế giới về lượng gạo xuất khẩu trên thế giới, và tiếp tục đẩy mạnh việc xuất khẩu gạo sang các nước trên thế giới. Đây là một trong những nguồn thu ngoại tệ chính của đất nước. II . SƠ LƯC 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 nghóa 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 nhòêt 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 bò sấy ra ba nhóm chính: + Sấy đối lưu + Sấy tiếp xúc + Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoa Theo kết cấu nhóm thiết bò sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bò sau: SVTH: Lương Thành Đồng Trang 2 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn + TBS buồng + TBS hầm + TBS thùng quay + TBS tháp + TBS phun + TBS tầng sôi + TBS khí động Sấy tầng sôi là một trong các phương thức sấy thuộc nhóm sấy đối lưu, thích hợp cho việc sấy các hạt nông sản. Bộ phận chính của TBS tầng sôi là một buồng sấy, phía dưới buồng sấy đặt ghi lò. Ghi buồng sấy là một tấm thép có đục nhiều lỗ thích hợp hoặc lưới thép để tác nhân sấy đi qua nhưng hạt không lọt xuống được. Tác nhân sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp được thổi từ dưới lên để đi qua lớp vật liệu. Với tốc độ đủ lớn, tác nhân sấy nâng các hạt vật liệu lên và làm cho lớp hạt xáo trộn. Quá trình sôi này là quá trình trao đổi nhiệt ẩm mãnh liệt nhất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy. Các hạt vật lòêu 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 qua 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 bò sấy tương đối đơn giản + Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy + Có thể điều chỉnh thời gian sấy SVTH: Lương Thành Đồng Trang 3 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn * 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 III. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ: 1: Quạt 4: Thiết bò say 7: Cyclon 2: Calorife 5: Bộ phận nhập liệu 3: Lưới phân phối khí 6: Cửa tháo liệu * Yêu cầu của bài toán thiết kế: Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy thóc với năng suất 5000 kg/h (thành phẩm). Thiết bò được đặt ở thò xã Cao Lãnh – Đồng Tháp. Với hệ thống thiết bò sấy SVTH: Lương Thành Đồng Trang 4 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn tầng sôi, chủ yếu dùng để sấy thóc đã qua phơi nắng để cho thóc đạt độ khô cần thiết và khô đều hơn, giúp cho việc bảo quản tốt hơn, phục vụ cho việc xuất khẩu. Do đó ta chọn độ ẩm của thóc trước khi sấy không cao lắm, và độ ẩm sau khi sấy thích hợp cho sự bảo quản. Nhiên liệu sử dụng: ta có thể chọn dầu FO để đốt nóng tác nhân sấy (không khí). Phần II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG SVTH: Lương Thành Đồng Trang 5 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT: Các ký hiệu sử dụng: G 1 : năng suất nhập liệu của vật liệu sấy G 2 : năng suất sản phẩm sau khi sấy ω 1 : độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy ω 2 : độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy d 1 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi vào sấy d 2 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô sau khi vào 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 Các thông số cơ bản: a) Đối với không khí: Trạng thái ban đầu của không khí: t 0 = 27 0 C ϕ 0 = 80% Tra đồ thò I-d ta có: I 0 = 72 KJ/Kg KKK d 0 = 18 g ẩm/Kg KKK Không khí vào thiết bò sấy: Chọn nhiệt độ vào buồng sấy của không khí : t 1 = 90 0 C I 1 = 132 Kj/Kg KKK Không khí ra khỏi thiết bò sấy: Chọn nhiệt độ ra của không khí là t 2 = 45 0 C SVTH: Lương Thành Đồng Trang 6 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Dựng chu trình sấy lý thuyết trên giản đồ I-d, từ đó ta có: I 2 = 139 Kj/Kg KKK d 2 = 36 g ẩm/Kg KKK b) Đối với vật liệu sấy (thóc): Theo tài liệu Kỹ Thuật Sấy Nông Sản-Trần Văn Phú, Lê Nguyên Dương ta có các thông số kích thước sau của thóc - Các kích thước của thóc: dài: l = 8,5 mm rộng: a= 3,4 mm dày: b = 2 mm đường kính tương đương: d = 2,76 mm hệ số hình dạng: ϕ hd = 1,68 - Các thông số khác: nhiệt dung riêng: C = 1,5 KJ/Kg hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,09 W/mK khối lượng riêng rắn: ρ r = 1150 Kg/m 3 độ xốp: ε = 0,56 diện tích bề mặt riêng khối lượng: f = 1,31 m 2 /kg khối lượng riêng xốp: ρ v = 500 Kg/m 3 - Vật liệu trước khi vào thiết bò sấy: ta chọn θ 1 = 27 0 C ω 1 = 20% - Vật liệu sau khi ra thiết bò sấy: chọn nhiệt độ ra của thóc nhỏ hơn nhiệt độ của không khí khoảng 5 0 C θ 2 = 40 0 C SVTH: Lương Thành Đồng Trang 7 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn ω 2 = 13% , đây là độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc. 2) Năng suất tách ẩm: hamKgxGW /5.437 20,01 13,020,0 5000 1 1 21 2 = − − = − − = ω ωω Năng suất nhập liệu: G 1 = G 2 + W = 5000 + 437.5 = 5437.5 Kg/h Lượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 giờ: G k = G 2 (1-ω 2 ) = 5000(1 - 0,13) = 4350 Kg/h Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 Kg ẩm: amKgkkkKg dd l /5.55 018,0036,0 11 12 = − = − = Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình: hKgkkkxlWL /243055.555.437 ==×= II. CÂN BẰNG NĂNG LƯNG: * Nhiệt lượng vào: - nhiệt lượng do không khí mang vào: LI 0 - nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G 2 C vl θ 1 +C n Wθ 1 - nhiệt lượng do calorife cung cấp: Q c Tổng nhiệt lượng vào: LI 0 + G 2 C vl θ 1 + C n Wθ 1 + Q c * Nhiệt lượng ra: - Nhiệt lượng do không khí ra: LI 2 - Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G 2 C vl θ 2 - Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Q m Tổng nhiệt lượng ra: LI 2 + G 2 C vl θ 2 +Q m Từ phương trình cân bằng năng lượng, ta có: SVTH: Lương Thành Đồng Trang 8 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Q c =L(I 2 -I 0 )+G 2 C vl (θ 2 -θ 1 )+Q m -C n Wθ 1 Viết cho 1 Kg ẩm bốc hơi: 1nmvl12c C-qq)I-(Iq θ ++= l 1nmvl1201 C-qq)I-(I)( θ ++=−= lIIlq c Với: ∆=C n θ 1 - q vl -q m l II I ∆ += 2 Đối với quá trình sấy lý thuyết: ∆=0 q c =l(I 2 -I 0 )=55.5(132-72)= kj/kgẩm Đối với quá trình sấy thực tế: lúc này giá trò ∆ sẽ khác 0 Nhiệt dung riêng của nước: C n = 4,18 KJ/Kg o K Nhiệt dung riêng của vật liệu: KKgKJC vl 0 /85,113,018,4)13,01(5,1 =×+−= Với 1,5 là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối Q vl =G 2 C vl (θ 2 -θ 1 )=5000 × 1,85 × (40-27)=120250 KJ/h amKgKJ W Q q v vl /62,274 5,437 120250 === Nhiệt lượng hữu ích cần bốc hơi một kg ẩm: q 0 = 2500 + 1,842t 2 + C n θ 1 = 2500 + 1,842.45 - 4,18.27 = 2470,03 Kj/Kg ẩm Tổn thất của tác nhân sấy: q tn =l × C k × (t 2 -t 0 )=55,5 × 1,004 × (45-27)=993,17 Kj/Kg ẩm Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: giả sử nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh bằng 10% của tổng nhiệt lượng SVTH: Lương Thành Đồng Trang 9 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Do đó ta có: q m =10%(q 0 + q vl + q tn + q m )=415,3 Kj/Kg ẩm ∆ = C n θ 1 - q vl - q m = - 577,06 Kj/Kg ẩm Ta thấy ∆ < 0, quá trình sấy thực tế sẽ nằm dưới đường lý thuyết. Để xây dựng quá trình sấy thực tế ta dựa vào phương trình: )( 022 ddII Í −∆+= * Cách xác đinh đường sấy thực tế: Ta cho một giá trò d bất kỳ (d<d 2 ), tính được I 2 ” và xác đònh được điểm 2” trên giản đồ. Nối đường 1-2” cắt đường 45 o C ở điểm 2. Đường 0-1-2 xác đònh như trên chính là đường sấy thực tế. Giả sử: d = 30 g ẩm/Kg KKK I 1 = 139 Kj/Kg KKK ( bằng với giá trò I 2 của quá trình sấy lý thuyết) 1000 1830 139 " 2 − −=⇒ I = 132,1 Kj/Kg KKK Điểm 2 của quá trình sấy thực tế có các thông số: d 2 = 0,0325 Kg ẩm/Kg KKK I 2 = 130 KJ/Kg kkk ϕ 2 = 53% Ta có thể biểu diễn chu trình sấy lý thuyết và thực tế trên giản đồ I-d, hình biểu diễn có dạng như sau: SVTH: Lương Thành Đồng Trang 10 [...]... 210,2.19,75.10 −6 = = 1,5 m / s d 2,76.10 −3 II- TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI: Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là: ε = 0,7 SVTH: Lương Thành Đồng Trang 12 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Chuẩn số Arsimet: Ar = 5,88.105 Chuẩn số Ly được tra từ đồ thò Ly = f(Ar), ta có: Ly = 200 Vận tốc của tác nhân trong tầng sôi được tính theo công thức: vk = 3 Ly.µ k g ( ρ r − ρ k ) 200.20,45.10 −6.9,81(1150... q= Phần III Q 1,75.10 6 = = 4000 Kj / Kg am W 437,5 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH SVTH: Lương Thành Đồng Trang 11 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Chọn thiết bò sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối có dạng tấm được đục lỗ cho không khí đi lên Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bò sấy tầng sôi: Nhiệt độ tác nhân vào: t1 = 90oC Nhiệt độ tác nhân ra: t2 = 45oC Nhiệt độ tính toán trung bình: t... 50 ÷ 60%, nên tốc độ sấy đẳng tốc thực tế là: N = 6,42.0,5 = 3,21 h-1 Thời gian sấy đẳng tốc: τ1 = W1 − Wk 0,25 − 0,156 = × 60 = 1,76 ph N 3,21 Thời gian sấy giảm tốc: τ2 = Wk W 0,156 0,156 2,3 lg k = × 60 × 2,3 lg = 0,14 ph N W2 3,21 0,149 Vậy thời gian sấy vật liệu là: τ = τ 1 + τ 2 = 1,9 ph SVTH: Lương Thành Đồng Trang 15 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn V- KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ: a- Lưới phân... tầng sôi: h p = 2,5 × 200 = 500 mm SVTH: Lương Thành Đồng Trang 17 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Đường kính buồng phân ly: buồng phân ly phải có đường kính lớn hơn đường kính vùng tầng sôi để đảm bảo việc phân ly được tốt Khả năng phân ly phụ thuộc khá nhiều vào đường kính buồng phân ly Chọn: F pl = 1,3 × F p = 1,3 × 2,3 = 2,99 m 2 ⇒ D pl = 4 × F pl π =2 m - Vậy chiều cao chính của buồng sấy. . .Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn I 1 đường sấy thực đường sấy lý thuyết 2 40 27 100% 0 0 d a) Lượng tác nhân cần thực tế: L =W l= 1 1 = 4,878 = 30172 Kg KKK / h d 2 − d1 0,0312 − 0,0176 L 358,67 = = 69 Kg KKK / Kg am W 4,878 b) Nhiệt lượng cần thiết: Q=L(I2-I1)=30172 × (130 – 72)=1,75.106 KJ/h q= Phần III Q 1,75.10 6 = = 4000 Kj / Kg am W 437,5 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH SVTH: Lương Thành Đồng... là 150mm Thóc khi đạt đến độ khô cần thiết sẽ nổi lên trên và tự động được đưa ra ngoài theo ống tháo liệu này Sở dó thóc có thể tự động ra ngoài là do tính chất đặc biệt của lớp SVTH: Lương Thành Đồng Trang 21 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn hạt ở trạng thái tầng sôi, lúc này lớp hạt giống như là một khối chất lỏng và có thể tự chảy ra ngoài Phần IV TÍNH THIẾT BỊ PHỤ I CALORIFE Nhiên liệu sử... trên đường chéo xuyên tâm: 17 - Bước ống t=1,2d = 0,046 m Đường kính thiết bò: D = t(b-1)+4d = 0,046(21-1) + 4.0,038 =0,89m Chọn D=1 m II CYCLON Trong hệ thống sấy thường phải có thiết bò cyclon đi kèm để tách bụi ra khỏi tác nhân sấy hoặc để thu hồi sản phẩm bò lôi cuốn theo Cyclon hoạt động theo SVTH: Lương Thành Đồng Trang 25 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn nguyên lý ly tâm Cấu tạo và kích... lưới Fp t2 = = 4,94 Fd 1,57 d 2 SVTH: Lương Thành Đồng Trang 16 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn ⇒ t = 7 mm b- chiều cao buồng sấy: Bao gồm chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồng phân ly - Chiều cao lớp giả lỏng: 1 − ε0 1 − 0,56 = 0,05 × = 0,0733 m 1 −ε 1 − 0,7 = 73,3 mm h = h0 × Để đảm bảo chế độ thuỷ động tốt, ta chọn chiều cao lớp tầng sôi bằng bốn lần chiều cao vùng ổn đònh Tức là: h =... ổn đònh khi vào buồng sấy, ta có thể tiến hành gia nhiệt không khí một cách gián tiếp; tức là ta dùng dầu để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hoà ở 2atm (119 0C), sau đó đưa lượng hơi nước bão hoà này qua thiết bò 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 SVTH: Lương Thành Đồng Trang 22 Đồ án môn học QT&TB GVHD:... số hiệu chỉnh, lấy K=0,8 Tốc độ sấy dẳng tốc: N = Jm f SVTH: Lương Thành Đồng Trang 14 Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn Trong đó: Jm: cường độ bay hơi của dòng ẩm (kg/m2h) f: diện tích bề mặt riêng khối lượng của vật liệu (m2/kg) Ta có: Jm = q m α (t − θ m ) = r r t: nhiệt độ trung bình của tác nhân trong buồng sấy t = 67,50C θm:nhiệt độ của vật liệu trong buồng sấy θm = 33,5 0 C r: ẩn nhiệt hoá . của bài toán thiết kế: Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy thóc với năng suất 5000 kg/h (thành phẩm). Thiết bò được đặt ở thò xã Cao Lãnh – Đồng Tháp.. + TBS tầng sôi + TBS khí động Sấy tầng sôi là một trong các phương thức sấy thuộc nhóm sấy đối lưu, thích hợp cho việc sấy các hạt