Tiểu luận - hệ thống sấy tầng sôi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA SAU ĐẠI HỌC  TIỂU LUẬN KỸ THUẬT THỰC PHẨM NÂNG CAO HỆ THỐNG SẤY TẦNG SÔI GVHD : TS. Nguyễn Anh Tuấn HV : Nguyễn Phương Hảo MSHV : 54CH003 Lớp : CNSTH 2012 1 9 5 9 Nha Trang, tháng 7 năm 2013 2 MỤC LỤC 3 MỞ ĐẦU Công nghiệp thực phẩm đang phát triển rất mạnh mẽ theo đó là quá trình bảo quản lương thực và thực phẩm. Một trong những phương pháp bảo quản đó là sấy. Có rất nhiều phương pháp sấy và mỗi một phương pháp đều có những đặc điểm nổi bật phù hợp với nguyên liệu. Và phương pháp sấy tầng sôi đã và đang được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Sấy tầng sôi là một trong những phương pháp sấy tiên tiến nhất. Quá tình sấy trong lớp sôi bề mặt tiếp xúc pha rất lớn, vật liệu được khuấy trộn rất mãnh liệt nên cường đọ sấy rất cao, sấy đồng đều. So với quá trình sấy khác thì sấy tầng sôi có rất nhiều ưu điểm, cụ thể là: - Cường độ sấy lớn, năng suất cao. - Cấu tạo đơn giản, sấy đồng đều. - Có thể cơ khí hóa và tự động hóa hoàn toàn. - Do tính linh động của lớp sôi nên dễ dàng nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm, dễ thực hiện quá trình liên tục, dễ điều chỉnh các thông số như lưu lượng và áp suất - Trở lực tương đối nhỏ và ổn định, không phụ thuộc vào tốc độ pha khí trong giới hạn tồn tại trạng thái lỏng giả. Do tất cả những ưu điểm trên mà kỹ thuật sấy tầng sôi được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp như một phương pháp tăng cường độ quá trình. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm: - Khó khống chế chế độ làm việc ổn định. - Do vật liệu đảo trộn mạnh nên dễ bị vỡ vụn, tạo bụi, bào mòn thiết bị và tốn năng lượng cho các thiết bị thu hồi. - Thời gian lưu của các hạt trong lớp sôi không đều. Do đó việc tìm hiểu về hệ thống sấy tầng sôi là cần thiết và là một yêu cầu thực tế. 4 TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VỀ SẤY 1. Các dạng liên kết ẩm trong hạt Nước trong vật liệu ẩm có thể chia làm hai nhóm: nước tự do và nước liên kết - Nước tự do nằm ở bề mặt vật liệu, có áp suất riêng bằng áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật liệu ẩm. Nước tự do nằm trong vật liệu ẩm là lượng nước tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nước có áp suất riêng đạt giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm. - Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất nhỏ hơn áp bão hòa với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm. Do khả năng phản ứng hóa học và hòa tan mạnh các chất nên trong khối vật liệu ẩm không có nước nguyên chất mà ở dưới dạng dung dịch. Muốn tách nước ra khỏi vật liệu ẩm thì cần có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng liên kết nước với vật liệu ẩm. Do đó ta cần biết được các dạng liên kết của vật liệu ẩm. 1.1. Liên kết hóa học Liên kết hóa học của vật chất với nước rất bền vững, trong đó các phân tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của phân tử vật ẩm. Loại này chỉ có thể được tách ra khi có phản ứng hóa học vì chúng có năng lượng rất cao. Đôi khi phải nung vật liệu đến nhiệt độ cao. Sau khi tách ẩm thì tính chất hóa lý của vật thay đổi. Xét sự tách nước của một tinh thể ngậm nước: Quá trình này gọi là quá trình nung vì cần nhiệt độ rất cao. 1.2. Liên kết hóa lý Trong liên kết hóa lý người ta chia làm hai loại liên kết: Liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu 5 CuSO 4 .5H 2 O CuSO 4 + 5H 2 O *Liên kết hấp phụ: Liên kết hấp phụ của nước gắn liền với các hiên tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn pha. Nhất là trong các vật keo có cấu tạo dạng hạt có bán kính tương đương nhỏ khoảng từ 0,001 ÷ 0,1 μm . Cấu tạo của dạng vật liệu ẩm này có bề mặt riêng khá lớn nên năng lượng tự do mạnh. Khi tiếp xúc với ẩm có xu hướng hút nước vào bề mặt tự do của hạt tạo ra liên kết hấp phụ giữa nước và bề mặt. F = U – T.S Trong đó: F - năng lượng tự do của phân tử U - nội năng S - entropi T - nhiệt độ tuyệt đối Năng lượng tự do trên một đơn vị bề mặt giới hạn thì chính bằng sức căng bề mặt hạt σ *Liên kết thẩm thấu: Liên kết thẩm thấu là liên kết mang tính cơ học của nước với vật liệu có tính keo – xốp mao dẫn. Những vật liệu này có cấu trúc khung, nước thấm vào và nằm trong không gian các khung. Nước trong vật thể này không phải là nước nguyên chất mà dưới dạng dung dịch. Việc nước thấm từ ngoài vào trong vật hay ngược lại từ trong vật thể ra ngoài giống như nước thấm qua màng ngăn cách từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao. Khi nước ở lớp bề mặt bay hơi thì nồng độ dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài. Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào bên trong. 1.3. Liên kết cơ lý Dạng liên kết này của nước với vật thể bao gồm cả nước trên bề mặt và nước trong mao quản - Nước đã có sẵn trong quá trình hình thành vật ẩm ví dụ nước trong các tế bào thực vật, động vật do vật đông đặc khi nó chứa sẵn nước. Để tách 6 các trường hợp liên kết này cần làm cho nước bay hơi, nén ép vật hay phá vỡ cấu trúc vật. Sau khi tách nước vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả trạng thái pha . - Nhiều vật ẩm có cấu trúc mao quản như gỗ, vải trong các vật thể này có vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo mao quản thâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này để trong không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản thâm nhập vào vật thể. Muốn tách các hạt ẩm loại này thì ta cần làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. - Liên kết có thể do dính ướt lên bề mặt vật thể. Liên kết dạng này dễ tách bằng cách bay hơi đồng thời có thể tách băng cách lau chùi, thấm thổi, ly tâm 2. Phân loại vật liệu sấy Có nhiều cách phân loại vật liệu sấy. Cách phân loại được sử dụng nhiều trong kỹ thuật là cách phân loại dựa vào tính chất vật lý của vật thể. Theo cách này thì các vật liệu ẩm được chia làm 3 nhóm: vật xốp mao dẫn, vật keo và vật keo xốp mao dẫn. 2.1. Vật xốp mao dẫn Những vật mà trong đó ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu bằng mối liên kết mao dẫn được gọi là vật xốp mao dẫn. Chúng có khả năng mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần ẩm hoá học của chất lỏng. Các vật liệu xây dựng, than củi cát thạch anh là những thí dụ về vật liệu xốp mao dẫn. Những vật này lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm chứa trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật. Trong trường hợp trọng lượng ẩm cân bằng với lực mao dẫn hay mao quản trương lên, khi sấy khô thì co lại. Phần lớn các vật xốp mao dẫn khi sấy khô thì dòn như bánh mỳ, rau xanh v.v 7 2.2. Vật keo Vật keo là những vật có tính dẻo do cấu trúc hạt. Trong vật keo ẩm liên kết ở dạng hấp phụ và thẩm thấu. Ví dụ keo động vật, vật liệu cenlulose, tinh bột, đất sét Các vật keo có điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều và vẫn giữ được tính dẻo. Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kỹ thuật sấy người ta khảo sát các vật keo như các vật giả xốp mao dẫn. Khi đó các vật keo được xem như vật xốp mao dẫn có cấu trúc mao quản nhỏ. 2.3. Vật keo xốp mao dẫn Những vật thể mà trong đó tồn tại ẩm liên kết có trong cả keo là vật xốp mao dẫn thì được gọi là vật keo xốp mao dẫn. Các loại vật này như gỗ, than, bùn các loại hạt và một số thực phẩm. Về cấu trúc, các vật này thuộc loại xốp mao dẫn nhưng về bản chất lại là các vật keo có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao quản trương lên, khi sấy khô thì co lại. Phần lớn, các vật xốp mao dẫn khi sấy kho thì co lại, trở nên dòn như bánh mỳ, rau xanh, 3. Cơ chế tách ẩm trong hạt Trong quá trình sấy hạt, ẩm được chuyển từ trung tâm ra bề mặt ngoài của hạt, từ bề mặt hạt, ẩm dược bốc hơi vào môi trường sấy. Quá trình trên chỉ thực hiện được trong điều kiện áp suất hơi riêng phần của hạt lớn hơn áp suất riêng phần của môi trường. Khi đó, bề mặt của hạt sẽ khô đi và sẽ xuất hiện gradient ẩm giữ lõi và bề mặt của hạt và gây nên sự dịch chuyển ẩm từ phần trung tâm của hạt ra bề mặt hạt. Quá trình sấy có thể tăng cường bằng cách: - Tăng áp suất hơi riêng phần của hạt. - Giảm áp suất hơi riêng phần của môi trường. - Đồng thời cả hai biện pháp trên. Nhưng đối với mỗi loại hạt tại một hàm ẩm nhất định nào đó ta chỉ có thể tăng nhiệt độ tới một nhiệt độ cho phép nhất định, gọi là nhiệt độ đốt nóng 8 cho phép của hạt. Nếu vượt qúa giới hạn đó sẽ gây ảnh hương xấu tới chất lượng làm giống hoặc làm lương thực của hạt, như làm giảm độ nẩy mầm, tăng tỷ lệ bị rạn gẫy do nước bốc hơi trên bề mặt là quá mạnh. Giảm áp suất của môi trường bằng cách tăng cường đối lưu, tăng tốc độ của tác nhân sấy nhưng ta cũng chỉ tăng tốc độ của tác nhân sấy tới một trị số nhất định, nếu vượt trị số đó lượng không khí nóng hoặc khói lò đó sẽ không tận dụng hết để làm khô hạt, hiệu suất sấy sẽ thấp. Không khí nóng hoặc hỗn hợp không khí với khói lò làm nhiệm vụ chuyển nhiệt để đốt nóng và bốc hơi ẩm của hạt, đồng thời làm nhiệm vụ chuyển hơi ẩm ra bên ngoài và chúng được gọi là tác nhân sấy. 4. Các giai đoạn xảy ra trong qúa trình sấy hạt Quá trình sấy hạt xảy ra theo 3 giai đoạn: * Giai đoạn nâng nhiệt độ vật liệu (Giai đoạn I): Nâng nhiệt của vật liệu khi tác nhân sấy bắt đầu tiếp xúc với vật liệu. Giai đoạn này rất ngắn có thể xem như không tồn tại. Nó chỉ tương ứng với việc nâng nhiệt độ của vật liệu đạt được nhiệt độ sấy (khi đó năng lượng chỉ dùng để bay hơi nước). Nhiệt độ đó không thể đạt ngay lập tức vì rằng lúc đầu nhiệt độ còn khá thấp so với nhiệt độ của tác nhân sấy và bản thân nó lại thường có độ dẫn nhiệt kém, khi tốc độ sấy tăng nhanh. * Giai đoạn tốc độ sấy không đổi hay giai đoạn đẳng tốc (Giai đoạn II): Giai đoạn đẳng tốc tương ứng với việc bay hơi ẩm tự do trên bề mặt vật liệu. Trong giai đoạn này, tốc độ di chuyển ẩm từ trong bề mặt vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường (không khí nóng). Nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy không đổi và đúng bằng nhiệt độ bầu ướt không khí sấy. Trong giai đoạn này, tốc độ sấy không đổi khi các thông số của tác nhân sấy không đổi. * Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần hay giai đoạn giảm tốc (Giai đoạn III): Khi trên bề mặt vật liệu không còn ẩm tự do nữa thì áp suất hơi riêng phần ở 9 đó giảm xuống rõ rệt và do vậy tốc độ sấy các lớp trong bề mặt vật liệu nhỏ hơn tốc độ bay hơi từ bề mặt vào môi trường. Đôi khi người ta còn chia giai đoạn này thành 2 giai đoạn khác nhau: Giai đoạn đầu (trên bề mặt không còn ẩm tự do song ở lớp sâu phía trong thì vẫn còn) và giai đoạn cuối (không còn ẩm tự do trong toàn bộ vật liệu). Khi nước tự do đã hoàn toàn biến mất thì trong vật liệu chỉ còn ẩm liên kết. Việc tách ẩm liên kết càng về sau càng khó khăn do ở những lớp sau, năng lượng liên kết của ẩm trong vật liệu càng mạnh hơn. Mặt khác các chất hoà tan trong vật liệu (ví dụ: đường muối ) do nước vận chuyển đến bề mặt vật liệu đã bịt kín các lỗ mao quản làm cản trở quá trình khuếch tán ẩm của vật liệu. Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật liệu sấy dần dần tăng lên và cuối cùng bằng nhiệt độ tác nhân sấy. Sở dĩ là do tốc độ bay hơi giảm xuống đã kéo theo hiệu ứng làm lạnh (do bay hơi) cũng giảm xuống. Nếu ta tiếp tục sấy cho đến khi không còn khả năng thoát ẩm trong vật liệu, có nghĩa là vật liệu đạt được độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu sẽ bằng nhiệt độ của môi trường xung quanh (nhiệt độ của các tác nhân sấy) và do đó có thể vượt quá nhiệt độ cho phép của vật liệu. Thực tế trong giai đoạn này người ta thường duy trì nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn (vài độ) so với nhiệt độ cho phép của vật liệu để đảm bảo chất lượng sản phẩm. 10 [...]... trợ và tự động hóa Theo yêu cầu của công nghệ, khi thiết kế một hệ thống sấy tầng sôi chúng ta cần bố trí thiết bị kiểm tra và thiết bị tự động điều chỉnh các thông số chủ yếu Các thông số cần kiểm tra và điều chỉnh trong một hệ thống sấy tầng sôi có thể là: - Lưu lượng, nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm tương đối của hệ thống sấy; - Độ ẩm và nhiệt độ vật liệu sấy; - Lượng nhiên liệu tiêu hao Vấn đề đo lường,... độ sấy (điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm của tác nhân) cho phù hợp với độ ẩm của vật sấy Nó rất phù hợp cho quá trình sấy các vật sấy có lượng ẩm kiên kết cao, sản phẩm khô đồng đều Buồng sấy nhiều tầng sôi có kết cấu phức tạp hơn Hình 5 thể hiện cấu tạo của buồng sấy nhiều tầng sôi nằm ngang Nó gồm có 4 tầng sôi đặt theo phương nằm ngang 22 Hình 5: Buồng sấy có nhiều tầng sôi nằm ngang 1,2,3,4 Các tầng sôi. .. Buồng sấy 8 Khí thải 9 Nguyên liệu ẩm 10 Nhiên liệu lỏng 11 Không khí 12,13 Buồng đốt Hình 6 thể hiện cấu tạo của buồng sấy nhiều tầng sôi thẳng đứng Vật sấy ẩm dạng hạt được nạp vào tầng sôi trên cùng, sản phẩm lấy ra ở tầng dưới cùng 23 Hình 6: Buồng sấy nhiều tầng sôi thẳng đứng 1,2,3 Tác nhân sấy cấp cho ba tầng sôi 4 Vật sấy ẩm dạng hạt 5 Khí thải 6 Sản phẩm Các hạt chảy truyền từ tầng trên xuống tầng. .. vào của tác nhân sấy Lưới (ghi) khuyết Nếu trong buồng sấy có nhiều tầng sôi thì ta gọi là buồng sấy nhiều tầng sôi Quá trình sôi ở các tầng là như nhau, nhưng nhiệt đội và độ ẩm của tác nhân sấy cho mỗi tầng thường là khác nhau Nhờ các ống chảy truyền, độ dốc của ghi mà vật sấy dạng hạt từ cửa nạp lần lượt chảy qua các tầng sôi, khi đã đạt độ khô thì chảy ra ngoài Buồng sấy nhiều tầng sôi cho phép điều... H - chiều cao lớp hạt khi sôi, m Đối với hạt ngũ cốc ta có thể chọn H = (0,18 ÷ 0,25) m, sau đó tính kiểm tra: Fe = d t đ 3 4.g.( ρ l − ρ K ) 2 3.v K ρ K g - gia tốc trọng trường, m/s2; ρ l , ρ K - khối lượng riêng của hạt, tác nhân sấy, kg/m3; v K - độ nhớt động của tác nhân sấy, m2/s; ρ K , v K - tra theo nhiệt độ trung bình 16 3 Các hệ thống và thiết bị sấy tầng sôi Dựa trên nguyên lý sấy tầng sôi, ... trình sấy tầng sôi diễn ra đối với các hạt có dính vật sấy dạng nhão Sản phẩm sấy thu được ở dạng bột, được thu hồi nhờ các xyclon và lọc túi Các vật mang lại được trộn với bột nhão để sấy tiếp Các hệ thống máy sấy tầng sôi có cấu tạo đơn giản, làm việc liên tục hoặc gián đoạn, cường độ sấy cao hơn hẳn so với sấy tháp và sấy thùng quay Hệ số tỏa nhiệt theo dung tích là α v = 5800 − 12000 (W/m3.độ), hệ. .. (Hình 7) Tác nhân sấy được cấp riêng cho mỗi tầng sau khi đi qua lưới và lớp hạt chúng theo khoảng riêng rồi cùng đi ra cửa trên đỉnh buồng sấy Cường độ sấy trong buồng sấy nhiều tầng sôi cao hơn buồ sôi đồng đềung có một tầng sôi Có thể sấy đến hàm ẩm rất thấp đối với vật sấy có lượng ẩm liên kết lớn Bộ phận quan trọng trong máy sấy tầng sôi là lưới (ghi) phân phối gió Để có quá trình sôi đồng đều trên... tượng phụt cộng với sôi, tuần hoàn nên ta gọi là sôi tuần hoàn Quá trình sôi tuần hoàn Áp dụng hiện tượng trên để sấy ta gọi là sấy tầng sôi và sấy tầng sôi tuần hoàn Các quá trình này có trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa tác nhân sấy và vật sấy với cường độ cao, thời gian sấy giảm xuống, năng suất tăng lên Động lực học và sức cản trong tầng sôi và tầng sôi tuần hoàn: Khi dòng khí đi qua lớp hạt thì nó... buồng sấy Sau khi sấy khô sẽ lấy xe vật liệu ra Để tạo ra lớp sôi, tốc đọ khí thổi phải có trị số thích hợp 18 Click vào đây để xem hoạt động của hệ thống sấy tầng sôi (Ctrl + Click) 8 7 5 6 9 4 2 1 10 3 11 13 12 Hình 1: Cấu tạo của hệ thống sấy tầng sôi: Quạt 7 Xyclon Caloriphe 8 Khí thải sạch Lưới (ghi) 9 Lọc túi Vít tải nạp liệu 10, 11, 12 Sản phẩm khô Nguyên liệu ẩm (các hạt ẩm) 13 Không khí Buồng sấy. .. khí Thiết bị sấy tầng sôi làm việc trong giai đoạn bắt đầu sôi xoáy, lúc này các hạt nhỏ bay theo khí thoát không đáng kể thì: v” = 0,15 ÷ 0,2 vcbmax Tốc độ khí thổi trong thiết bị sấy tầng sôi cần chọn là v k > v”s và cần được xác định thích hợp 2 Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong tầng sôi 15 Quá trình trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa các vật sấy (các hạt) và tác nhân sấy trong tầng sôi xảy ra rất . quá trình sấy khác thì sấy tầng sôi có rất nhiều ưu điểm, cụ thể là: - Cường độ sấy lớn, năng suất cao. - Cấu tạo đơn giản, sấy đồng đều. - Có thể cơ khí hóa và tự động hóa hoàn toàn. - Do tính. sôi, tuần hoàn nên ta gọi là sôi tuần hoàn. Áp dụng hiện tượng trên để sấy ta gọi là sấy tầng sôi và sấy tầng sôi tuần hoàn. Các quá trình này có trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa tác nhân sấy. m/s 2 ; Kl ρρ , - khối lượng riêng của hạt, tác nhân sấy, kg/m 3 ; K v - độ nhớt động của tác nhân sấy, m 2 /s; KK v, ρ - tra theo nhiệt độ trung bình. 16 3. Các hệ thống và thiết bị sấy tầng sôi Dựa