thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy bắp hạt

Trong hệ thốngnày, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc nhiều với tác nhân sấy, do đó trao đổinhiệt mạnh, tốc độ sấy nhanh, và độ đồng đều của sản phẩm cao.. Tác nhân sấy sử dụng là

Phần I:

MỞ ĐẦU

Sấy là một trong các công đoạn quan trọng trong công nghệ sau thu hoạch đối với cácloại nông sản Thực tế cho thấy nếu phơi khô hoặc sấy không kịp, nhiều nông sản có thể

bị mất mát do ẩm mốc và biến chất (chiếm khoảng 10–20%, đối với một vài loại có thểlên đến 40–50%) Ngoài ra, sấy còn là quá trình công nghệ quan trọn trong chế biến nôngsản thành thương phẩm Trong Đồ án môn học này, em sẽ trình bày về quy trình côngnghệ và thiết kế thiết bị sấy thùng quay để sấy bắp hạt với năng suất 1,000 kg/h

I Giới thiệu về nguyên liệu bắp:

Bắp vừa là cây lương thực vừa là cây thức ăn gia súc rất quan trọng, đứng hàng thứ

ba trên thế giới Diện tích trồng bắp hàng năm của thế giới hiện nay khoảng 129 triệu

ha, năng usất bình quân khảong 3.8 triệu tấn/ha, tổng sản lượng bắp trên 525 triệu tấn.Hầu như 100% diện tích bắp của các nước tiên tiến đều được trồng bằng các giống bắplai nên đạt năng suất bình quân 7–9.4 tấn/ha

Diện tích bắp của Việt Nam tăng dần từ 119,000 ha (1939) lên 392,000 ha (1985) vàkhoảng 730,000 ha (1998)

Năng suất bắp của nước ta trong thời gian qua cũng tăng nhanh Đến năm 1998, đãđạt được 26.7 tạ/ha

Các cơ quan sinh dưỡng của bắp gồm: rễ, thân, lá làm nhiệm vụ duy trì đời sống củacây bắp 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 trêncùng 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 quảdĩnh 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 quanhhạt 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 và pha lê Đặc điểmvà 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 Phôi ngôchiếm gần 1/3 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận chuyểnnước vào phôi và ngược lại thuận lợi

Thành phần hóa học của hạt ngô được cho trong bảng sau:

Thành phần hóa học

II Phương pháp thực hiện quá trình sấy:

Để bảo quản được hoặc dùng để chế biến các sản phẩm có chất lượng cao, các loạihạt cần được sấy khô xuống độ ẩm bảo quản hoặc độ ẩm chế biến Để thực hiện quátrình sấy, có thể sử dụng nhiều hệ thống sấy khác nhau: hầm sấy, tháp sấy, … Mỗi chếđộ công nghệ sấy khác nhau sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến chất lượng của sảnphẩm

Để sấy bắp hạt, người ta có thể dùng thiết bị sấy tháp, sấy thùng quay Ở đây, tadùng thiết bị sấy thùng quay, là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt Loại thiết bị này đượcdùng rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các loại ngũ cốc Trong hệ thốngnày, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc nhiều với tác nhân sấy, do đó trao đổinhiệt mạnh, tốc độ sấy nhanh, và độ đồng đều của sản phẩm cao Ngoài ra, thiết bịcòn có thể làm việc với năng suất lớn

Tác nhân sấy sử dụng là khói lò, được tạo ra từ quá trình đốt than Do sản phẩm bắpsau khi sấy dùng để bảo quản để chế biến thực phẩm, nên khói lò trước khi ra khỏibuồng đốt được đi qua nhiều đoạn hình ziczac để tách bớt bụi, sau đó mới được đưavào thùng sấy

Nguyên liệu bắp là một nguyên liệu chứa rất nhiều tinh bột Chế độ công nghệ sấytinh bột lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ hồ hóa sản phẩm Nhiệt độ hồ hóa củatinh bột khoảng 65°C, do đó ta cần chọn nhiệt độ tác nhân sấy phù hợp, không caonhưng cũng không quá thấp, mục đích là đẩy nhanh quá trình sấy, và không làm chonhiệt độ của nguyên liệu vượt quá nhiệt độ hồ hóa

Phaàn II:

QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ

Thuyết minh quy trình công nghệ:

Vật liệu sấy là bắp hạt sau khi được rửa sạch, tuốt ra khỏi cùi, được cho vào buồngchứa, sau đó được nhập liệu vào thùng sấy bằng hệ thống gầu tải Bắp hạt khi vào thùngsấy có độ ẩm 35%, chuyển động cùng chiều với tác nhân sấy

Tác nhân sấy sử dụng là khói lò, tạo ra từ nhiên liệu đốt là than, sau khi qua buồng đốtđược hòa trộn với không khí bên ngoài để đạt nhiệt độ thích hợp cho quá trình sấy Dòngtác nhân sấy được gia tốc bằng quạt đẩy đặt ở trước thiết bị, và quạt hút đặt cuối thiết bị.Trên đường ống dẫn khói lò vào buồng hòa trộn và đường ống dẫn không khí từ môitrường vào buồng hòa trộn đều có các van, dùng để điều chỉnh lưu lượng các dòng Đặtnhiệt kế ở sau buồng hòa trộn để xác định nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào thùngsấy, nếu nhiệt độ quá cao ta sẽ mở van để tháo bớt khói lò ra ngoài, giảm lượng khói lòvào buồng hòa trộn để giảm bớt nhiệt độ, ngược lại nếu nhiệt độ chưa đủ, ta khóa bớt vandẫn không khí từ môi trường vào buồng hòa trộn

Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng một góc 1.5° so với mặt phẳng ngang,được đặt trên một hệ thống các con lăn đỡ và chặn Chuyển động quay của thùng đượcthực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng.Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộn vật liệu sấy, mục đích làtăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, do đó tăng bề mặt truyền nhiệt,tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấy diễn ra triệt để

Trong thùng sấy, bắp hạt được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống Trongquá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt vàtruyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đidọc theo chiều dài thùng Thời gian lưu của vật liệu trong thùng là 89 phút Khi đi hếtchiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quá trình bảo quản là11%

Sản phẩm bắp hạt sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệusẽ được bao gói, để bảo quản hay dùng vào các mục đích chế biến khác

Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy chứa nhiều bụi, do đó cần phải đưa qua mộthệ thống lọc bụi để tránh thải bụi bẩn vào không khí gây ô nhiễm Ở đây, ta sử dụng hệthống lọc bụi bằng nhóm bốn cyclon đơn Khói lò sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môitrường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclon và được xử lý riêng

Phần III:

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY

Vật liệu sấy là bắp hạt, có các thông số vật lý cơ bản như sau:

 Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt):

- Đường kính tương đương: dtđ = 7.5 mm

 Năng suất nhập liệu: G1 = 1,000 kg/h

 Cường độ bốc hơi ẩm: A = 32 kg/m3.h (Bảng 10.1/207–[1])

I Tính cân bằng vật chất:

Ta kí hiệu các đại lượng như sau:

G1, G2 (kg/h) : khối lượng vật liệu sấy đi vào, ra thiết bị sấy

ω1, ω2 : độ ẩm tương đối của vật liệu sấy ở đầu vào, ra củathiết bị sấy

W (kg/h) : lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ

Gk (kg/h) : khối lượng vật liệu khô tuyệt đối

Phương trình cân bằng vật chất:

II Tính cân bằng năng lượng:

1 Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy:

- Áp suất hơi bão hòa:

P P

ϕϕ

×

=

0.6211

0.6211

a b

a b

P P

d P

ik, ia (kJ/kg) : enthalpy của 1kg không khí khô và 1kg hơi nước

Cpk = 1.004 (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của không khí khô

C = 1.842 (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của hơi nước

r = 2,500 (kJ/kg) : ẩn nhiệt hóa hơi của nước.

Trong đó, Pa, Pb lấy đơn vị là N/m2

2 Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết:

a Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A):

Không khí ngoài trời có:

b Thông số trạng thái của khói lò sau buồng đốt (B’), buồng hòa trộn (B):

Tính toán quá trình cháy:

Thành phần nhiên liệu than sử dụng: chọn than Tuyên Quang

Nguyên tố Hàm lượng (%)

Nhiệt trị cao của nhiên liệu:

33,858 0.57 125,400 0.046 10,868 0.026 0.01624,958.78 ( / nhiên liệu)

24,958.78 2,500(9 0.046 0.15)23,548.78 ( / nhiên liệu)

bđ 0

L L

α = : hệ số không khí thừa của buồng đốt (CT 3.14/56–[1])

Ở đây ta sử dụng buồng đốt than đá thủ công, do đó:

Gọi α là hệ số không khí thừa của buồng hòa trộn, là tỉ số giữa lượngkhông khí khô cần cung cấp thực tế cho buồng đốt cộng với lượng khôngkhí khô đưa vào buồng hòa trộn chia cho lượng không khí khô lý thuyết cầnthiết cho quá trình cháy

- Chọn hiệu suất buồng đốt ηbđ = 0.6

- Chọn nhiệt độ của khói lò sau hòa trộn t1 = 70°C

- Cnl = 0.12 kJ/kg.K : nhiệt dung riêng của than

- tnl = 27°C

- Enthalpy của hơi nước: i=2,500 1.842+ ×t ( / )kJ kg (CT 3.16/57–[1])

o Trong không khí ngoài trời:

0 2,500 1.842 27 2,549.734 ( / )

a

i = + × = kJ kg

o Trong hơi nước chứa trong khói sau buồng hòa trộn:

α

 Các thông số của khói lò:

 Lượng hơi nước trong khói lò:

- Sau buồng đốt:

(9 0.046 0.15) 1.5 8.17 0.017070.773 (kg ẩm/kg nhiên liệu)

 Khối lượng khói khô:

- Sau buồng đốt:

1.5 8.17 1 0.19 9 0.046 0.1512.501 (kg khói khô/kg nhiên liệu)

 Độ chứa ẩm của khói lò:

- Sau buồng đốt:

1 0.773 0.06184 (kg ẩm/kg khói khô)

12.501

a k

G d L

G d L

[1])

 Enthalpy của khói lò: (kJ/kg không khí)

- Sau buồng đốt:

1

24,958.78 0.6 0.12 27 1.5 8.17 0.01707

12.5011,267.427 (kJ/kg khói khô)

k

Q C t L d I

k

Q C t L d I

 Nhiệt độ khói lò: (°C)

- Sau buồng đốt:

 Áp suất hơi bão hòa: (bar)

- Sau buồng đốt:

 Độ ẩm tương đối:

- Sau buồng đốt:

5 1

0.6216,180.454 1

c Thông số trạng thái của tác nhân sấy sau buồng sấy (C):

Trong thiết bị sấy dùng khói lò làm chất vừa cung cấp nhiệt lượng cho vật liệusấy vừa thải ẩm ra môi trường, quá trình sấy lý thuyết là quá trình không có tổnthất do vật liệu sấy, do thiết bị chuyền tải mang đi, không có tổn thất do tỏa ramôi trường qua các kết cấu bao che, … mà chỉ có tổn thất do tác nhân sấy mang

đi Do đó, bao nhiêu nhiệt lượng khói lò cung cấp cho vật liệu sấy hoàn toàndùng để tách ẩm khỏi vật liệu Khi ẩm tách khỏi vật liệu, lại bay vào trongkhói, do đó ẩm đã mang toàn bộ nhiệt lượng mà khói đã mất trả lại dưới dạngẩn nhiệt hóa hơi r và nhiệt vật lý của hơi nước Cpat Vì vậy, quá trình sấy lýthuyết bằng khói lò được xem là quá trình đẳng enthalpy

Ta có các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết được xác địnhnhư sau:

- Enthalpy: I20 = I1 = 120.014 kJ/kg khói khô

- Chọn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy là t20 = 36°C

- Áp suất hơi bão hòa:

- Độ chứa ẩm:

20 120.014 1.004 36 0.03268 (kg ẩm/kg khói khô)2,500 1.842 36

Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết

Đại lượng

Không khíngoài trời(A)

Tác nhân sấysau buồng đốt(B’)

Tác nhân sấy saubuồng hòa trộn(B)

Tác nhân sấy rakhỏi thiết bị sấy(C)

3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết:

Giả sử lượng khói vào, ra thiết bị sấy là không đổi, kí hiệu là L0′ (kg/h).

Theo phương trình cân bằng vật chất:

0 0

W

4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực:

Trong thiết bị sấy thực, ngoài tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi, trong thiết bịsấy thùng quay, còn có tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt, và tổn thất nhiệt do vật liệusấy mang đi QV

Trong thiết bị sấy thùng quay, không sử dụng nhiệt bổ sung và thiết bị không có thiết bị chuyển tải, do đó QBS = 0, QCT = 0

Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy:

- Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong buồng đốt, buồng hòa trộn:

( 1 0)

L I I′ −

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: (G W C1− ) V1+ ×W C t a V1

Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy:

- Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi : L I′( 2 −I0)

- Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang ra : G C2× V2×t V2

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường : Qmt

Cân bằng nhiệt lượng vào ra thiết bị sấy, ta có:

( 1 0) ( 1 ) V1 a V1 ( 2 0) 2 V2 V2 mt

L I I′ − + G W C− + ×W C t =L I′ −I +G C× × +t Q

Trong đó G2 =G W1− , ta xem C V2 =C V1 =C V.

Vậy nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:

CV (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với độ ẩm ω2

Ck = 1.7 (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của vật liệu khô

Ca = 4.1868 (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của ẩm

t = − =t − = °C : nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy của vật liệu sấy Ta

chọn nhỏ hơn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy 3–5°C

Vậy 730.34 1.974 33 27( )

32.078 (kJ/kg ẩm)269.66

5 Các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:

 Độ chứa ẩm của tác nhân sấy:

( 1 2) 1 1( )2

2

(kg ẩm/kg khói khô)

pk

C t t d i d

Tác nhân sấysau buồng đốt(B’)

Tác nhân sấy saubuồng hòa trộn(B)

Tác nhân sấy rakhỏi thiết bị sấy(C)

Nhiệt lượng tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

( 1 0) 73.86 120.014 70.632( ) 3,647.355 (kJ/kg ẩm)

q l I= ′ −I = − =

6 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực:

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái trước khi vào buồng sấy:

7 Lượng nhiên liệu tiêu hao:

Lượng nhiên liệu (than) tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

bđ

3,647.355 0.244 (kg than/kg ẩm)24,958.78 0.6

C

q b

q q

III Tính thời gian sấy:

Trong thiết bị, chọn cánh đảo trộn có dạng cánh nâng, có các thông số sau:

- Hệ số điền đầy: β = 0.18 (Bảng 6.1/177–[2])

- Góc gấp của cánh nâng: ∆ϕ = 140°

- Thông số đặc trưng cho cấu trúc cánh: 0.576; C2 0.122

F h

D = D =

- Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng: đối với cánh nâng, m = 0.5

Thời gian sấy được xác định theo:

β ρ ω ωτ

α : góc nghiêng của thùng (α = 1.5–1.7°), chọn α = 1.5°.

IV Tính toán thiết bị chính:

1 Xác định các kích thước cơ bản cho thùng sấy:

Thể tích của thùng quay:

3

269.66 8.427 ( )32

T

L D

⇒ = ; ∈ (thỏa tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng)Tiết diện của thùng sấy:

2 Kiểm tra bề dày thùng:

Thùng được chế tạo bằng thép không rỉ, mác thép X18H10T, có các thông số sau:

- Khối lượng riêng : ρ = 7,900 kg/m3 (Bảng XII.7/313–[7])

- Hệ số dẫn nhiệt : λ = 16.3 W/m.K (Bảng XII.7/313–[7])

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn : [σ]* = 140 N/mm2 (Hình 1–2/22–[9])

- Giới hạn bền kéo : σk = 540 x 106 N/mm2 (Bảng XII.7/313–[7])

- Giới hạn bền chảy : σch = 220 x 106 N/mm2 (Bảng XII.7/313–[7])Thùng sấy có dạng hình trụ nằm ngang, chế tạo bằng phương pháp hàn, thùnglàm việc ở áp suất khí quyển

o Hệ số bền mối hàn ϕh : chọn hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn giáp mối, 2 phía.Với đường kính D ≥ 700mm, chọn ϕh = 0.95 (Bảng 1–7/25–[9])

o Hệ số hiệu chỉnh η : đối với thiết bị có bọc cách nhiệt, chọn η = 0.95

Ứng suất cho phép:

Các hệ số bổ sung kích thước:

- Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường Đối với môi trườngchứa vật liệu là bắp, hầu như không có ăn mòn thiết bị, do đó Ca = 0

- Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường Do môi trường chứanhiều hạt rắn, chọn Cb = 1mm

- Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp Theo bảng XIII.9/364–[6],đối với thép X18H10T, chọn Cc = 0.8mm

- C0 : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, chọn C0 = 5.7mm

S C D

Vậy bề dày của thùng sấy: S = 8 mm

3 Tính tốc độ của tác nhân sấy trong thiết bị:

Tốc độ trung bình của tác nhân sấy trong buồng sấy:

5.51

0.927

tb tb

td

F

4 Tính trở lực qua thùng sấy:

Chuẩn số Reynolds:

Tính chất của khói lò cũng tương tự như tính chất của không khí khô, do đó cóthể sử dụng các số liệu của không khí khô cho khói lò

Ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy 1 70 36 53

2

f

t = + = °C, theo Phụ lục6/350–[1], các thông số của khói lò như sau:

- Độ nhớt động : νk = 18.256 x 10–6 m2/s

- Khối lượng riêng : ρk = 1.0831 kg/m3

3 tb

Hệ số thủy động a:

90 1005.85

5 Tính chọn cánh đảo trộn:

Một số thông số cơ bản của cánh nâng đã được chọn ở trên

Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu:

Theo các kí hiệu kích thước trên hình của cánh đảo trộn, ta có:

- Vật liệu chế tạo cánh là thép không rỉ X18H10T, ρ = 7900 kg/m3

- Số cánh trên một mặt cắt: 12 cánh

- Số cánh cần lắp: z 12 L T 12 8,000750 12 10 120 (cánh)

 Chiều cao của lớp vật liệu chứa trong thùng:

Phần tiết diện chứa vật liệu: