Tính toán và thiết kế hệ thống sấy thùng quay hạt cà phê với phương thức sấy xuôi chiều

LỜI MỞ ĐẦU 3 PHẦN I. TỔNG QUAN 5 I. GIỚI THIỆU CHUNG 5 1. Mở đầu 5 2. Giới thiệu chung về cà phê 5 II. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CAFE 8 3. Giới thiệu về mấy sấy thùng quay 9 PHẦN II. TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN NHIÊN LIỆU 12 1. Nhiệt dung riêng của than 12 2. Nhiệt trị than: 12

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

PHẦN I TỔNG QUAN 5

I GIỚI THIỆU CHUNG 5

1 Mở đầu 5

2 Giới thiệu chung về cà phê 5

II DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CAFE 8

3 Giới thiệu về mấy sấy thùng quay 9

PHẦN II TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN NHIÊN LIỆU 12

1 Nhiệt dung riêng của than 12

2 Nhiệt trị than: 12

3 Lượng không khí tiêu hao cần thiết để đốt chát 1Kg than Lượng không khí lý thuyết L0 để đốt cháy 1Kg than áp dụng công thức: 13

4 Etan phi của nước trong hỗn hợp khí là: 13

5 Cân bằng lò đốt than 13

5.1 Hệ số không khí dư lý thuyết 13

5.2 Hệ số không khí dư ở buồng đốt và buồng trộn tình theo cân bằng nhiệt trong lò đốt than 14

PHẦN III PHẦN TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 19

1 Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy 19

2 Lượng vật liệu khô tuyệt đối 19

3 Phương trình cân bằng nhiệt 19

4 Thể tích thùng sấy: 20

5 Chiều dài của thùng, đường kính của thùng xét tỷ lệ 20

7 Số vòng của thùng sấy là: 21

8 Công suất cần thiết để quay thiết bị 22

9 Nhiệt tổn thất ra môi trường qua lớp cách nhiệt 22

10 Cân bằng nhiệt lượng trang thiết bị sấy 25

10.1 Nhiệt lượng vào 25

10.2 Nhiệt lượng ra khỏi máy sấy 26

10.3 Cân bằng nhiệt 28

3.4 Trạng thái của khói là vào máy sấy khí đốt vào và đi ra khỏi máy sấy và lưu lượng khí 28

PHẦN V: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 32

1 Tính toán hệ thống bánh răng dần động 32

2 Xác định tải trọng 38

3.Trọng lượng vành đai 40

4 Kiểm tra độ bền cho thùng quay 40

5 Tính vành đai: 41

6 Tính con lăn chặn và con lăn đỡ 43

PHẦN VI: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 44

1 Tính toán lò đốt: 44

2 Quạt thổi vào máy sấy: 45

LỜI CẢM ƠN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, trong các ngành công nghiệp hoá chất thực phẩm, vật liệu xâydựng, đồ gốm Thì sấy là một quá trình quan trọng trong ngành công nghiệpthực phẩm còn đối với các ngành công nghiệp, hoá chất, sản xuất vật liệu xâydựng thì mỗi quy trình kỹ thuật đều phải yêu cầu phối liệu, nguyên liệu có

độ ảm nhất định vì vậy mà người ta sấy để điều chỉnh độ ẩm phù hợp với điềukiện công nghệ mặt khác sấy còn có nhiều lợi ích thiết thực trong cuộc sốngcũng như trong sinh hoạt ví dụ như giảm bớt các chi phi vận chuyển, bảo vệsản phẩm

Sấy có tác dụng tách nước ra khỏi nguyên vật liệu và sản phẩm Do đó

để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng các thiết bị sấy như: Buồng sấy,hầm sấy, thùng sấy

Hệ thống sấy thùng quay là hệ thống chuyên dùng để sấy vật liệu dạngcục nhớ, hoặc dạng hạt có độ ẩm ban đầu lớn và có thể làm việc liên tục, chonăng suất cao

Em được thầy giáo "Nguyễn Văn Mạnh" giao nhiệm vụ "Tính toán và

thiết kế hệ thống sấy thùng quay hạt cà phê với phương thức sấy xuôi chiều" với:

- Năng suất 10 tấn/giờ

- Độ ẩm đầu của vật liệu là 11%

- Độ ẩm đầu ra của vật liệu là 1,0%

- Nhiệt độ khói lò vào là 1500C

- Nhiệt độ khí thải là 400C

- Thiết bị sấy: Sấy thùng quay

Dựa trên những kiến thức đã học cùng với sự chỉ bảo của thầy giáo

Nguyễn Văn Mạnh và các thầy cô giáo trong khoa Hoá của trường Đại học

Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ chỉ bảo cho em Đến nay em đã hoàn thành

đồ án của mình với những nội dung như sau:

Phần I Phần tổng quan

Phần II Tính toán và lựa chọn nhiên liệu

Phần III Tính toán thiết bị chính

Phần IV Tính toán cơ khí

Phần V Tính toán thiết bị phụ

Phần VI Kết luận

Do trình độ hiểu biết và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án của emkhông thể tránh khỏi sự thiết sót, em rất mong nhận được sự góp ý và sự giúp

đỡ của thầy cô và các bạn để bài làm của em được hoàn thiện hơn

Em xin được chân thành cảm ơn thầy cô giáo trong khoa Hoá của trườngĐại học Công nghiệp Hà Nội

Chúc thầy, cô có sức khoẻ tốt để hoàn thành được các nhiệm vụ đượcgiao

Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2011

Sinh viên

Lê Anh Tuấn

Từ những năm 70 trở lại đây, con người đã phát triển công nghệ sấyngày một hiện đại hơn nhằm sấy các nông sản thành những sản phẩm khô,không những kéo dài thêm thời gian bảo quản mà còn làm phong phú thêmcác mặt hàng như các loại trái cây khô, cà phê bột, muối, cá khô, thịt khô, lúa,ngô, khoai, sắn

Nước ta là nước có khí hậu nhiệt đới không khí tương đối ẩm ướt chính

vì vậy công nghệ sấy ngày càng được chú trọng hơn Đặc biệt kết hợp phơisất để tiết kiểm năng lượng Nghiên cứu thiết bị sất và công nghệ sấy phù hợpvới từng loại nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất

Trong các nguyên liệu sấy thì cà phê đòi hỏi kỹ thuật sấy phải cao bởi càphê sau khi sấy phải gói giữ được mùi thơm và màu sắc đặc trưng nên ta phảilựa chọn phương thức sấy và thiết bị sấy sao cho phù hợp, đạt hiệu quả caonhất

Dựa vào đặc tính của cà phê ta có thể lựa chọn các thiết bị sấy, sấy tháp,sấy thùng quay, sấy hầm

2 Giới thiệu chung về cà phê

a Cấu tạo quả cà phê

Quả cà phê gồm có: lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp vỏ chấu, lớp vỏ lụa và lớpnhân

vỏ trấu của cà phê chè mỏng hơn và dễ đập vỡ hơn cà phê vối và cà phê mít.+ Xát cà phê thóc còn 1 lớp mỏng, mềm gọi là vỏ lụa, chúng có màu sắc

và đặc tính khác nhau tuỳ theo loại cà phê vỏ lụa cà phê chè có màu sắc vàđặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rấtmỏng và dễ long ra khỏi hạt trong quá trình chế biến vỏ cà phê vối có màunâu nhạt, vỏ lụa cà phê mít có màu vàng nhạt bám sát vào nhân của cà phê.+ Trong cùng là nhân cà phê, lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng cónhững tế bào nhỏ, trong có chứa những chất dầu, phía trong có những tế bàolớn và mềm hơn một quả cà phên thường có 1, 2 hoặc 3 nhân, thông thường

có 2 nhân

Bảng tỷ lệ các phần cấu tạo của cà phê (tính theo % quả tươi)Các loại vỏ và nhân Cà phê chè (%) Cà phê vối(%)

+ Mô dinh dưỡng

Thành phần hoá học của nhân cà phê

II DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CAFE

Thu được cà phê nhân

Sấy

Đóng bao đưa vào bảo quản

* Thuyết minh dây chuyền

Cà phê sau khi thu hoạch được đưa vào kho bảo quản từ đó đưa đo sàng

để phân loại hạt và làm sạch chúng trước khi tiếp tục chế biến quả cà phê saukhi phân loại vỏ làm sạch được đưa vào thiết bị trà xát tươi để loại bỏ các lớp

vỏ, thịch Các chất nhờn ra bên ngoài sau đó toàn bộ hạt cà phê đã được sáttươi cho vào hệ thống rửa sạch hạt, ráo hết nước thu được cà phê nhân Đưatoàn bộ cà phê nhân vào thiết bị sấy và tiến hành sấy làm khô, kết thúc quátrình sấy, tiến hành đóng bao sản phẩm

3 Giới thiệu về mấy sấy thùng quay

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Máy sấy thùng quay có cấu tạo gồm một hình trị đặt nghiêng góc khoảng

từ 3 ÷ 5o

- Hệ thống sấy thùng quay là hệ thống sấy làm việc liên tục chuyên dùng

để sấy vật liệu hạt, cực nhỏ như củi, than đá, cà phê, phân lân, các loại quặngmáy sấy thùng quay có cấu tạo là một hình trụ được làm bằng thép có chiềudày 10 ÷ 14 mm, đường kính của thùng 1,2 ÷ 2,8 (m), chiều dài của thùng từ

6 ÷ 15m Thân thùng được tựa trên các bệ đờ mỗi lệ bờ có 2 con lăn đỡ và có

một con lăn chặn thùng quay được là nhờ chuyển động bằng bánh răng và hợpgiảm tốc.

- Vật liệu được nạp liên tục vào đầu cao của thùng và được chuyển độngdọc theo thùng nhờ các đệm ngăn các đệm ngăn này vừa có tác dụng phân bốđều vật liệu theo tiết diện thùng, đảm bảo vật liệu, vừa làm tăng bề mặt tiếpxúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy cấu tạo của đệm ngăn phụ thuộc vàokích thước của vật liệu sấy Vận tốc của khói lò hay không khí nóng đi trongmáy sấy thường là 2 ÷ 3 (m/s)

- Vật liệu thô được tháo ra theo cơ cấu tháo sản phẩm nhờ may vậnchuyển như băng tải, vít tải rồi đưa vào hệ thống tách bụi như xylon, lọcbụi, để tránh những hạt bụi bị cuốn theo khí thải các hạt bụi được tách ra khỏikhí được dẫn về máy vận chuyển, còn khí sạch được thải ra ngoài

- Các loại đệm ngăn được dùng phổ biến trong máy sấy thùng quay gồm

6 giai đoạn

- Đệm ngăn loại mái chèo nâng và loại phối hợp được dùng khí sấynhững vật liệu cục to, ấm và có xu hướng đông vón cục

- Đệm ngăn hình quạt có những khoảng không thông với nhau

- Đệm ngăn phân phối hình chữ thập và kiểu vạt áo trên toàn bộ tiết diệncủa thùng được dùng để sấy các loại vật liệu cục, nhỏ, xốp

- Máy sấy thùng quay được quy chuẩn hoá theo đường kính thùng là1200; 1400; 1600; 1800; 2800 (mm) tỉ lệ chiều dài và đường kính thùng 4,0

÷ 3,5 ÷ 7

* Ưu điểm của máy sấy thùng quay:

- Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu và tácnhân sấy

- Cường độ sấy lớn, thiết bị sấy được thu gọn có thể cơ khí hoà và tựđộng hoà toàn bộ khâu sấy

- Cho năng suất lớn

* Nhược điểm

- Vật liệu bị đảo trộn nhiều lần nên dễ sinh lại do vỡ vụn trong nhiềutrường hợp sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm sấy

b Thuyết minh dây chuyền sản xuất

Vạt liệu sấy được đưa qua cửa nạp liệu và đi vào trong thùng quay nhờnhững đệm chẵn với hệ số đổ đầy β = 0,1 ÷ 0,2

Tác nhân sấy là sử dụng khói lò rạo ra từ nhiên liệu đốt than từ buồngđốt và được điều khiển tốc độ đi từ 2 ÷ 3 m/s để tránh tạo bụi

Tác nhân sất và vật liệu sất có thể đi cùng chiều hoặc ngược chiều,nhưng theo thiết kế đi chùng chiều trong thùng sấy nhờ những đệm ngăn, vậtliệu được nâng lên đến độ cao nhất định sau đó rơi xuống trong quá trình đóvật liệu trực tiếp tiếp xúc với tác nhân sấy thực hiện quá trình truyền nhiệt vàtruyền khói là bay hơi ẩm

Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theochiều dài của thùng

Vật liệu sau khi được sấy đạt tiêu chuẩn cho phép được lấy ra theo cửatháo liệu và đi vào các công đoạn tiếp theo khí thải được hệ thống quạt hút và

ở đó thường bố trí các xylon để lọc bụi

PHẦN II TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN NHIÊN LIỆU

Nhiên liệu được sử dụng để cung cấp cho quá trình sấy là than đá có cácthành phần như sau:

W H: Thành phần khối lượng nguyên tố trong than

[Các quá trình và thiết bị hoá chất và thực phẩm T4 = 273]

Trong đó: t: nhiệt dộ hỗn hợp khói vào lò: t = 1500C

Lo: Lượng không khí lý thuyết đốt 1kg than L0 = 10,157 (kg/kg than)

Qc: Nhiệt trị cao của than Qc = 30897,75 (kg/kg than)

η : hiệu suất buồng đốt: η = (0,85 ÷ 0,95) chọn η = 0,9

Ct: nhiệt dung riêng của than Ct = 0,947 (kg/kg)

t: Nhiệt dung riêng của than t = 250C

H; W; A phần trăm khối lượng của Hα, độ ẩm than và độ ẩm tro:

H= 0,0406; W= 0,03; A = 0,0787

Ckp: Nhiệt dung riêng của khói khô Ckp = 1,004 (ks/kg độ)

t1 : nhiệt độ vào của khói lò t1 = 1500C

t0 : Nhiệt độ vào của không khí t0 = 250C

x0: nhiệt độ của không khí ở trạng thái ban đầu ở trạng thái không khí t=

Q1: nhiệt lượng than mang vào (tính theo 1kg than)

Q2: Nhiệt lượng do không khí mang vào buồng đốt

Q3: Nhiệt độ đốt chát 1Kg than

* Áp dụng công thức tính Q1

Q1 = Ct Gt t0 (k5)

Trong đó:

Ct: Nhiệt dung riêng than đá: Ct = 0,947 (ks/kg độ)

Gt : Khối lượng của than Gt = 1kg

t0: nhiệt độ than đá vào lò t0 = 250C

L0: lượng khí lý thuyết mang vào để đốt hết 1kg than

I0: Hàm nhiệt không khí trước khi vào máy sấy

Thay số vào:

Q2 = 10,157 66,99 α = 680,4 ks

* Áp dụng công thức tính Q3

Q3 = Qc η

Trong đó: Qc: Nhiệt trị cao của than Qc = 30897,75 (ks/kg)

η: hiệu suất lò đốt lấy η = 0,9Thay số: Q3 = 30897,75 0,9 = 27807,975 (kg/than)

Vậy lượng nhiệt vào buồng đốt là:

Q4: Nhiệt do xỉ mang vào (ks)

Q5: Nhiệt do xỉ mang ra khỏi buồng đốt (ks)

Qm: Nhiệt mất do môi trường (ks)

Cxỉ: nhiệt dung riêng của xỉ Cxỉ = 0,754 kg/kg độ

Với Gx : Khối lượng của chất khí trong lò

Cx : nhiệt dung riêng của khói lò

t1: nhiệt độ khói lò ra khỏi buồng trộn

O

G  0,2311(α -1) L0 = 0,231(α-1) 10,157

= 2,346.α - 2,346 (kg/kg than)[Theo I - 60]

* Nhiệt dung riêng khí ở nhiệt độ t1= 1500C là:

2 0,17

SO

C  (Kcal/kg độ) = 10,17.4,1868 = 0,71176 (ks/kg độ )

(Hoá và thiết bị 2-313)2

CO

C = 0,222 + 43.10-6.t1 = 0,222+43.10-6.150

= 0,22845 (Kcal/kg độ) = 0,95647 (ks/kg)2

N

C = 0,246 + 1,898.10-7.t1 = 0,246+1,89.10-7.150

= 0,24883 (Kcal/kg độ) = 0,91477 (ks/kg)2

O

C 0,216 + 166.10-7.t1 = 0,216+166.10-7.150

= 0,21849 (kcal/kg độ) = 0,91477 (ks/kg)2

Thay số vào ta được Q5

Q5 = [0,0758.0,71176 + 2,79.0,95647+ (7,81.α + 0,016) 1,04182 +(2,346.α - 2,346).0,91477 + (0,3954 + 0,16252.α).1,90018] 150

=> Phương trình cân bằng nhiệt

Qvào = Qra

27831,65 + 680,4.α = 2158,78436 + 1636,34458.α955,94458.α = 257672,86564

=> αTT = 26,9

Nhận xét: Hệ số không khí thực tế

αTT = 26,9 > αLT = 20,3

PHẦN III PHẦN TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

1 Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy

G1: Lượng vật liệu vào máy sấy G1 = 10000 (kg/h)

W1: độ ẩm của vật liệu trước khi vào W1 = 11%

W2: Độ ẩm của vật liệu trước khi sấy W2 = 4,0%

[Theo công thức 10,2-254 Quá trình và thiết bị trong CNHH và TP tập 2]Thay số vào ta có:

100 W

W: lượng ẩm bay hơiThay số vào ta có

Vthùng = 1010,10

40 = 25,25 (m3)Chọn Vthùng = 25 (m3)

5 Chiều dài của thùng, đường kính của thùng xét tỷ lệ

D L V

D







Thay vào số: 314.1,8 102 3

.25, 434( ) 4

6 Thời gian sấy của vật liệu trong thùng

- Đối với máy sấy thùng quay thời gian sấy được xác định theo côngthức



  (phút)(Số tay tập 2 - 123)

Trong đó: fx: Khối lượng riêng xốp thay bình của vật liệu trong thùngquay với fx = 1100 kg/m3 fx 2350 (kg/m3

W1; W2 Độ ẩm đầu và độ ẩm cuối của vật l iệu tính bằng phần trăm khốilượng W1 =11%; W2 = 1,0%

: hệ số chứa vật liệu của thùng chọn = 0,15

A: Hệ số Cường độ bay hơi A= 39,7 (kg/m3h)

T: Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng say số vào:

0,75.0,7.10

2, 2 25.1,8 3

Dt; Lt Đường kính và chiều dài của thùng (m)

fx khối lượng riêng xốp trung bình fx = 1100kg/m3

5: chiều dài của thành thiết bị (m)

1: hệ số cấp nhiệt đối lưu của tác nhân sấyđến thành thiết bị (W/m2 0C)

2: Hệ số cấp nhiệt từ thành ngoài thiết bịsấy đến mt (W/m2 0C).

: hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị

145,510.2,76.10

2, 09 1,926

ng

Nu l O

Trong đó: o: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt vời

T1; T2: nhiệt độ tương đối của bề mặt ngoài thiết bị sấy và môi trườngxung quanh

T1: 35 + 273 = 3080 K

Trong đó: t1: Nhiệt độ vào của khí sấy t1 = 1500C

t2: Nhiệt độ ra của khí sấy t2 = 400C

t0: Nhiệt độ môi trường t0 = 250CThay số vào:

0

125 15

5,19 125

Vậy nhiệt độ lớn nhất ra ngoài môi trường là:

3, 6 3, 6.2, 74.66,30.51,9

33, 60( 5 / )

W 1010,10

tb mt

KF t

10 Cân bằng nhiệt lượng trang thiết bị sấy

10.1 Nhiệt lượng vào

Gọi n là số kg than cần đốt trong một giờ

Trong đó: G1: Nguyên liệu của màng sấy G1= 10000kg/h = 2,78 (kg/s)

C1: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy khi vào máy chọn C1 = 1,5(45/kg0C)

t0: Nhiệt độ của vật liệu sấy vào máy sấy t0 = 250C thay số:

Vậy tổng nhiệt lượng Qvào = 104,25 + 11,9 n (45/s)

10.2 Nhiệt lượng ra khỏi máy sấy

Qra = Q1  Q2  Q3  Q4 

Gi: khối lượng của các cầu tử trong hỗn hợp khí đốt

Ci: nhiệt dung riêng của các cầu tử tương ứng khối lượng của các khí đốt

1kg than đá tính ở cân bằng nhiệt lò đốt là:

[ Theo sổ tayQT và TB trong CNHC và TP Tập 2 - 314]

Trong đó: mkk lượng không khí khó tính theo 1 kg than:

Trong đó: qev: nhiệt tiêu hoá để nung nóng vật liệu

t0: Nhiệt độ ấm của vật liệu mang vào

q: Nhiệt độ đầu vào của nhiệt độ sấy

* Với qev được tính như sau:

nhiệt độ tiêu hao để nung nguyên vật liệu:

theo (thiết kế máy sấy - 219)

t : Nhiệt độ vật liệu ra khỏi máy sấy t2  =350C

C2: Nhiệt độ riêng của vật liệu sau sấy (C2 = 1,52682 (45/kg0C)

G2:Khối lượng vật liệu sau khi sấy G2 = 8989,9 (kg/h)

Vậy:

8989,9.1,56282(35 25)

135,89( 5 / ) 1010,10

* Lượng khí đưa vào máy sấy

được áp dụng theo công thức:

Giải thích: với m: khối lượng khí đi vào máy sấy

fkk: khối lượng riêng của không khí ở 250C

nội suy theo bảng I.255 - 318 - STT ở 250C => fkk = 1,185 (kg/m3)

* Lượng khí đi vào buồng đốt ở 1500C là