đồ án thiết kế thiết bị Sấy tháp thóc (full cad)

Tuỳ theo tính chất và độ ẩm của vật liệu , tuỳ theo yêu cầu về mức độ làm khô vật liệu có thể sử dụng nhiều phương pháp tách nước khác nhau : phương pháp cơ học , phương pháp hoá lý , ph

Phần 1: MỞ ĐẦU

1.1/ Sơ lược về sấy:

Trong công nghiệp hoá chất , quá trình tách nước khỏi vật liệu ( làm khô vật liệu ) là rất cần thiết Tuỳ theo tính chất và độ ẩm của vật liệu , tuỳ theo yêu cầu về mức độ làm khô vật liệu có thể sử dụng nhiều phương pháp tách nước khác nhau : phương pháp cơ học , phương pháp hoá lý , phương pháp nhiệt…

Trong đó phương pháp nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất Quá trình làm bốc hơi nước khỏi vật liệu bằng nhiệt gọi là sấy Quá trình sấy được phân biệt gồm sấy tự nhiên và sấy nhân tạo

Sấy tự nhiên là lợi dụng năng lượng mặt trời để làm bay hơi ẩm trong vật liệu Biện pháp này khá đơn giản nhưng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu do tiến hành ở ngoài trời Vì vậy trong quá trình sản xuất phải tiến hành sấy nhân tạo

Mục đích của quá trình sấy là làm giảm hàm lượng ẩm trong vật liệu , hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng , nhằm làm tăng tính bền vững trong bảo quản ( nông sản và thực phẩm ) , tăng độ bền cơ học ( gốm sứ ) , nâng cao nhiệt lượng cháy ( củi , than ) Đồng thời làm giảm giá thành vận chuyển

Đối tượng của quá trình sấy , phương pháp cung cấp nhiệt cho vật liệu trong quá trình sấy rất đa dạng Do đó có thể lựa chọn phương án , thiết bị tối ưu để đạt hiệu quả sấy cao nhất

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng ( nhiệt năng ) để biến đổi trạng thái của pha lỏng ( nước ) trong vật liệu thành hơi Đây là quá trình không ổn định , độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian

1.2/ Nguồn gốc và đặc tính vật liệu :

1.2.1/ Nguồn gốc :

Lúa là nguồn lương thực chính của gần một nửa dân số trên trái đất Lúa được trồng nhiều ở khu vực Đông Nam châu Á Về diện tích canh tác lúa đứng hàng thứ hai sau lúa mỳ nhưng về năng suất của lúa là loại cao nhất

Theo nhiều nguồn tài liệu thì cây lúa xuất hiện từ hơn 3000 năm trước công nguyên ở vùng Đông Nam châu Á Tới nay rất nhiều nước trên khắp năm châu đều có trồng lúa Lúa nước là loại cây ưa nước và ẩm , do đó láu được trồng nhiều ở châu thổ các sông lớn thuộc các vùng khí hậu ôn đới và nhiệt đới

Cây lúa thuộc họ hào thảo và có trên 20 loại khác nhau Phổ biến nhất và có ý nghĩa kinh tế hơn là loại lúa nuớc ( crizasativa ) Lúa nuớc lại được chia làm hai loại là lúa ngắn hạt ( C.S brevis ) và lúa hạy bình thường ( O.S communis ) Lúa nước hạt bình thường là loại phổ biến hơn cả và đã tồn tại đến ngày nay

Ở nước ta còn có lúa nếp và lúa tẻ ( phân biệt theo sự khác nhau về thành phần và tính chất của nội nhũ )

1.2.2/ Cấu tạo và tính chất của hạt lúa:

Lúa là loại hạt lương thực có vỏ trấu bao bọc Đầu của vỏ trấu có râu Tuỳ theo giống và điều kiện sinh trưởng , râu lúa có thể dài hoặc ngắn Ở cuống của vỏ trấu có mày hạt

Màu sắc của vỏ trấu cũng khác nhau tuỳ theo giống lúa và điều kiện trồng trọt , thường có màu vàng nhạt , vàng nâu hoặc nâu đen Tỉ lệ của vỏ trấu so với toàn hạt dao độ trong một phạm vi khá lớn , khoảng từ 10 đến 30% , thông thường là 17 đến 23% Các lớp vỏ ngoài và vỏ trong của gạo lột chiến khỏang 4 đến 5% khối lượng hạt và chứa sắc tố vàng đục hoặc nâu hồng Lúa chỉ có 1 lớp tế bào ( riêng ở lưng hạt có thể có 2 đến 3 lớp ) Lớp tế bào alơrôn chiếm khoảng 2đến 3% Nội nhủ chiếm tỉ lệ 65 - 67%

Tuỳ thuộc vào giống và điều kiện sinh trưởng của cây mà nội nhủ hạt lúa có cấu tạo trong , đụa hoặc vừa trong vừa đục Khi cắt ngang hạt lúa đục sẽ thấy vết đục có màu trắng Vết đục có thể lớn hoặc nhỏ và nằm ở vị trí bất kỳ trong nội nhũ Nếu

vết đục nằm ở giữa hạt gọi là hạt bạc lõi , nếu vết đục nằm ở cạnh hạt thì gọi là hạt bạc bụng Vết đục ở lõi không bị mất trong quá trìng xay xát Hạt bạc lõi với vết đục lớn sẽ

bị gãy nát nhiều trong quá trình xay xát

Giống lúa có độ trong cao thì tỉ lệ thành phẩm thu được trong quá trình xay xát cũng cao , do đó người ta coi độ trong là 1 chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng lúa Trong nhiều tài liệu còn nêu lên một đặc điểm có tính qui luật của lúa là hàm lượng protein trong lúa phụ thuộc vào độ trong của lúa theo hàm số bậc nhất

Độ trong của lúa còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện chín của hạt Hạt chín trong điều kiện độ ẩm của không khí cao có độ trong thấp hơn so với hạt chín trong điều kiện không khí khô ráo

1.2.3/ Thành phần hóa học của hạt 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 chất kể trên như : đường , tro , chất béo , sinh tố Thành phần hoá học của hạt lúa phụ thuộc vào giống , đất đai trồng trọt , khí hậu và độ lớn bản thân hạt lúa Cùng chung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng , nhưng thành phần hoá học của gạo vỏ ngoài đỏ khác so với gạo trắng , thông thường hàm lượng chất béo và protein trong gạo vỏ ngoài đỏ hơn cao hơn đôi chút Cùng một giống thóc nhưng trồng ở địa phương khác nhau thì thành phần hoá học cũng khác nhau :

Thành phần hoá học của hạt lúa :

Thành phần

hoá học

Hàm lượng các chất ( % )

Tro 4.68 6.90 5.80

1.3/ Đặc điểm chế độ sấy thóc:

Thóc là một loại vật liệu yêu cầu sấy ở chế độ mềm vì tính bền chịu nhiệt của thóc rất kém , không cho phép nâng nhiệt độ đốt nóng hạt lên cao Khác với hạt mỳ tính bền chịu nhiệt được thể hiện bằng sự xuất hiện biến tính của protein thì của thóc là sự xuất hiện các vết nứt của nộ nhũ Nguyên nhân hình thành các vết nứt là do trong quá trình sấy tạo nên gradient ẩm từ ngoài vào trong trung tâm hạt , độ ẩm của lớp ngoài hạt giảm nhanh , tạo ra trạng thái căng thể tích của phần trung tâm , khi tăng nhiệt độ làm cho sức căng đó vượt quá độ bền trắc của hạt thì tạo nên các vết nứt Các vết nứt xuất hiện theo các vách protein nhăn cách giũa các hạt tinh bột

Loại lúa nội nhũ trong thường bền hơn nên ít nứt so với lúa nội nhũ đục Những hạt nội nhũ gồm cả phần trong và phần đục thì vết nứt bắt đầu từ ranh giới của phần trong sang phần đục

Gradient hàm ẩm không những phụ thuộc vào nhiệt độ sấy mà còn phụ thuộc độ ẩm ban đầu của vật liệu Nếu trườc khi sấy độ ẩm hạt càng cao thì gradient hàm ẩm càng cao hạt càng dễ bị nứt Khi hạt bị nứt thì đồng thời độ nảy mầm của hạt cũng giảm

Vì vậy trong quá trình sấy người ta thường sấy xong rồi ủ sau đó mới đem ra sấy tiếp Mục đích ủ là làm giảm gradient hàm ẩm giữa trung tâm và lớp ngoài của hạt , do sự chuyển ẩm dần từ trung tâm ra vòng ngoài Với phương pháp này thóc ít bị nứt nhưng thời gian sấy khô kéo dài

Phần 2 : THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NHGỆ

Lúa từ vựa tiếp liệu 13 được cho vào phểu Từ đó được gầu tải 11 đưa lên phểu nhập liệu, qua đĩa phân phối hạt, lúa sẽ được đổ đầy vào nắp tháp Củi được đưa vào lò đốt đặt trên ghi lò , được đốt để tạo ra khói lò trong lò đốt 1 Khói lò sau khi ra khỏi lò đốt 1 cho qua buồng lắng bụi rồi sau đó cho qua buồng hoà trộn Khói lò sau khi ra buồng hoà trộn được quạt thổi vào tháp sấy 6 Lúa di chuyển xuống dưới nhờ tác dụng của trọng lực qua các máng dẫn và máng thải TNS Khói lò được thổi lên trên thông qua các máng dẫn khí thải tiếp xúc ngược chiều với lúa Vật liệu chuyển động len lỏi qua khe hở giữa các máng tác nhân , từ từ điền đầy các chỗ trống trong tháp.Sau khi sấy vật liệu được đưa vào buồng làm nguội Vật liệu sau khi được làm nguội ra ngoài và được tải ra ngoài nhờ băng tải

Phần 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT3.1/ Tính toán về khói lò:

Các thông số tự chọn:

Chọn nhiên liệu đốt là củi với các thành phần ẩm : A = 10% ; Tr = 0.9 %

C = 45.5% ; H = 5.4% ; O = 37.8% [1]

Nhiệt độ của không khí là 300C

Độ ẩm của không khí là 70%

Tra được nhiệt dung riêng của nhiên liệu Cnl = 1.2 kJ/kgđộ

Nhiệt độ của nhiên liệu bằng nhiệt độ của môi trường 300C

Hiệu suất buồng đốt 75%

Nhiệt dung riêng của khói khô bằng nhiệt dung riêng của không khí

3.1.3/ Xác định các thông số trạng thái của không khí:

- Trước khi vào lò đốt:

 = 70% ; t = 300C

P0 = exp(12 -

0

5 235

42 4026

t

 ) (3.3)

= exp ( 12 -

305.235

42.4026

 ) = 0.0422 bar

Lượng chứa ẩm x0:

x0 = 0.612

0 0

0 0

P B

042 0 7 0

- Xác định trạng thái của khói lò sau buồng đốt

Khối lượng hới nước chứa trong khói lò:

G’a = ( 9H + A ) + bđ L0x0 (3.6)

= 9  0.054 + 0.1 + 1.2  5.53  0.019 = 0.712 kg ẩm/ kgnl Khối lượng khói khô:

'

L

H L t

C

Q C nl nl bđ (3.8) = 1988 kJ / kgkkk

t’1 =

) 842 1 ' 004 1 (

2500 ' '

1

1 1

x

x H



 (3.9) = 14580C

- Xác định trạng thái khói lò sau buồng hoà khí:

Lượng hơi nước chứa trong khói lò:

){

1(96.5

]004.1)1(43.0)1(451.01[)

1(19800

0

x A

t A i

A t

C A

a a

a nl

Trong đó : nhiệt độ khói lò sau khi trộn lấy bằng nhiệt độ sấy = 600C

ia , ia0 : entapi của hơi nước chúa trong khói lò tương ứng với sau buồng hoà trộn và không khí ngoài trời được tính như sau:

- Xác định trạng thái khói lò sau buồng hoà trộn :

Lượng khói khô sau buồng trộn:

B x

) 621 0

1

 (3.12)

Với Pb =exp {12 -

1

5.235

42.4026

t

 } (từ CT 3.3) = 0.2468 bar

M B

I 1I

1 u

u u



 (3.13b)

= 2 

13 0 1

13 0 4 0

3.3/ Sấy lý thuyết:

Nếu sấy lý thuyết thì H2 = H1 = 118.46 kJ/ kgkkk

Chọn nhiệt độ của khói lò ra dựa vào nhiệt độ đọng sương

Nhiệt độ đọng sương tra trên giản đồ không khí ẩm ta được ts = 340C

Suy ra nhiệt độ của khói lò ra khỏi buồng sấy:

i

t C

(3.14) Với i2 = 2500 + 1.842 t2

x P

Bx

b  (từ CT 3.12) Với B : áp suất khí quyển

Pb = exp (12 -

2

5.235

42.4026

t

 ) (từ CT 3.3)

= exp ( 12 -

40 5 235

42 4026

 ) = 0.07317 bar

Suy ra 2=

)0305.0621.0(07317.0

035.0750745

Phần 4: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ &KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH4.1/ Tính thời gian sấy:

Thời gian sấy được chia làm hai giai đoạn : giai đoạn sấy đẳng tốc 1 và giai đoạn sấy giảm tốc 2:

4.1.1/ Thời gian sấy giảm tốc 2:

Các độ ẩm tính trong các công thức dưới nay đều là độ ẩm tuyệt đối liên hệ với độ ẩm tương đối theo công thức sau:

w (4.2)

=

7 66

8

R : kích thước đặc trưng của lúa

 : khối lượng riêng của lúa

R và  tra được trong [5]

r : ẩn nhiệt hoá hơi của ẩm

Theo phụ lục tài liệu [2] ta có:

= 0.06108W /m2

= 0.22 kJ / m2h

Vậy N =

550 10

72

.

2

22 0 100

.

0

1

 ln{0.027(14.9 – 14.4 ) = 5.7 h

4.1.2/ Thời gian sấy đẳng tốc : 1

u u

u u

u u

u u

u u

u u

37 40 7

Chọn bề ngang 3 m

Chọn bề rộng 2 m

Chọn cấu tạo máng dẫn và máng thải như sau:

Suy ra số máng theo chiều ngang :

110 100

n: số máng theo mặt cắt ngang

b: chiều rộng thiết bị

S chopm cn= 140.1 2 = 2.8 m2

Vậy diện tích mặt cắt ngang còn trống:

Suy ra chiều cao tháp :

H =

S

V =

2 3

45

25 = 8.15 m Vì trong thực tế diện tích bề mặt còn trống nhỏ hơn trong

tính toán nên ta chọn chiều cao tháp là 8 m

Vậy số máng theo chiều cao là 8*103/ 370 = 21 máng

Chọn chiều cao buồng làm mát bằng một phần hai chiều cao buồng sấy Vậy số máng

theo chiều cao buồng làm mát là 10 máng Buồng làm mát cao 4 m

4.2.2/ Tính bề dày thiết bị :

Vì áp suất khói lò trước khi vào tháp sấy rất nhỏ ta có thể coi như tháp không

chịu áp lực mà chỉ chịu lực do khối vật liệu sấy tác động lên

Coi thành tháp là một thanh dầm Coi toàn bộ vật liệu có khối lượng m Ta

xét bài toán cơ :

Cân bằng lực theo phương thẳng đứng ta có:

Fms = P (1)

Cân bằng lực theo phương nằm ngang:

Q = N

Mà : Fms =  N

Với  là hệ số ma sát giữa bề mặt khối vật liệu và bề mặt thanh dầm ở trạng thái tĩnh Chọn vật liệu làm tháp là thép CT3 ta tra được trong tài liệu [5] bảng 60 được

= 0.6

Q = Fms/  Do (1) Q = P/ = mg/

Khối lượng toàn bộ vật liệu chứa trong tháp :

m1= G   = 20007 = 14000kg

Khối lượng của máng:

Tổng số máng trong tháp: 14*(21+10) = 434 máng

Chọn thép làm máng có bề dày 2 mm

Thể tích toàn bộ máng trong tháp:

V = 2*10-3*2*(155*2+2*86)*10-3*434 = 0.837m3

Vậy khối lượng thép sử dụng để làm máng là: m2 = 7.84*103*0.837 = 6562 kg

Suy ra khối lượng tổng cộng mà tháp phải chịu là m = m1 + m2 = 20562 kg

Đây là bài toán cơ học thuần tuý khi thanh dầm chịu tác dụng của tải trọng Q Trên thanh dầm đó điểm yếu nhất là ở giữa hai thanh vì 2 đầu đã được giữ cố định Ta chuyển sang bài toán sức bền vật liệu

Vẽ biểu đồ nội lực :

Ta phải có : td [] Với là ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo thiết bị ở nhiệt độ làm việc

Theo thuyết bền Tresca:

Với S: bề dày tháp

Như ở trên ta chọn vật liệu làm tháp là CT3 làm việc ở nhiệt độ 650C Tra trong đồ thị 1.1 trang 18 tài liệu [6] ta được : []= 135106N

3361883

td

2 2

Chiều dàu tối thiểu chọn S’max = { 1.87 , 3.24 }

Vậy chiều dày tối thiểu của tháp : S’= 3.24 mm

Với C0 : hệ số bổ sung chiều dày do ăn mòn

Ca : hệ số bổ sung chiều dày do qui tròn

C1 : hệ số bổ sung chiều dày do hao mòn

S = 3.24 + 0.76 + 1 = 5 mm

4.3/ Tính các tổn thất nhiệt:

4.3.1/ Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:

4.3.2/ Tổn thất nhiệt ra môi trường:

4.3.2.1/Tính sơ bộ hệ số cấp nhiệt từ khói lò đến thành thiết bị :

Hệ số cấp nhiệt từ khói lò đến thành trong thiết bị:

1= '1 ''1

Với '1 : hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức

1

 : hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên

Hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức :

Chọn vận tốc dòng khí đi trong tháp :v = 0.5 m/ s

v: vận tốc dòng khí đi trong tháp

Dtd : đường kính tương đương của tháp sấy:

Dtd =

P

F

4 =2.4 m Với P : chu vi của mặt cắt ngang

F : diện tích mặt cắt ngang

: độ nhớt của khói lò ở nhiệt độ 52.50C tra ở tài liệu [7] bảng 1.114 trang 118 ta được = 0.02 10-3 Pas

Hệ số dẫn nhiệt của không khí được tính theo công thức sau:

273

TCT

C273

T: nhiệt độ tuyệt đối của khí

C: hằng số phụ thuộc vào loại khí Tra đuợc trong bảng 1.122

trang 124 tài liệu [7] : C = 122

  =

5 / 1

273

5.522731225.52273

1222730201

 '1 =

4 2

0184 0 64

127 

= 0.9786 W / m2 độ

Chọn sơ bộ hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành thiết bị gấp 2*1.2 lần '1

1  2.5 W/ m2.độ

4.3.2.2/ Tính sơ bộ nhiệt độ bề mặt tường và bề dày lớp cách nhiệt :

Chọn vật liệu bên trong là thép CT3 : chiều dày = 0.005 m

hệ số dẫn nhiệt  = 54.4 W/ m.độ

Lớp ở giữa là bông thủy tinh :  = 0.035 W/ m.độ Ngoài cùng là lớp CT3 : :  = 0.005 m

tw2 = 45.5680C

tw3 =35.6670C

tw4 = 35.6650C

Bề dày lớp cách nhiệt : 20mm

4.3.2.3/ Tính các tổn thất nhiệt :

Q = 3.6Ftlog K (4.11)

a/ Hệ số truyền nhiệt K:

a.1/ Hệ số cấp nhiệt từ khói lò đến thành thiết bị :1

1 = k('1''1)

'1 : được tính ở phần trước = 0.9786 W / m2.độ

''1: hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên

Tính chuẩn số Grakov:

Gr =

T

T gD

2

t d

 (4.12) Với  T: chênh lệch nhiệt độ giữa khói lò và mặt trong thiết bị ;

a.2/ Hệ số cấp nhiệt từ thiết bị ra ngoài môi trường : 2

Hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên :'2

Hệ số dẫn nhiệt của không khí ở 300C  = 0.0191 W/ m.độ (từ CT 4.10)