Đồ án thiết bị dùng trong công nghệ sấy

SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI: Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt.. Kết quả củaquá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên.. Điều n

I SƠ LƯỢC 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 vàcận nhiệt đới Năng suất của lúa nước là cao nhất, nên lúa thường được trồng ở cácchâu thổ sông lớn Nước ta có khí hậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho việcphát 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 thànhphần kể trên như: đường, tro, chất béo, sinh tố Thành phần hoá học của hạt lúa phụthuộc 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

hoá học

Hàm lượng các chất ( % )

Hiện nay, Việt Nam đang đứng thứ hai thế giới về lượng gạo xuất khẩu trên thếgiới, và tiếp tục đẩy mạnh việc xuất khẩu gạo sang các nước trên thế giới Đây là mộttrong những nguồn thu ngoại tệ chính của đất nước

II SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI:

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt Kết quả củaquá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên Điều này có ý nghĩa quantrọng về nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nhằm tăng khả năng bảoquản; đối với gốm sứ làm tăng độ bền cơ học, đối với than củi làm tăng khả năng đốtcháy… Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thể tích nên giảm đượcgiá thành vận chuyển

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạngthái pha của lỏng trong vật liệu thành hơi Cơ chế của quá trình được diễn tả bởi 4 quátrình cơ bản sau :

+ cấp nhịêt 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 sựtrao 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 bị sấy ra ba nhómchính:

+ Sấy đối lưu+ Sấy tiếp xúc+ Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoaTheo kết cấu nhóm thiết bị sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bị sau:

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 bị sấy tương đối đơn giản+ Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy+ Có thể điều chỉnh thời gian sấy

* 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:

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 (thànhphẩm) Thiết bị được đặt ở thị xã Cao Lãnh – Đồng Tháp Với hệ thống thiết bị sấy

tầng sôi, chủ yếu dùng để sấy thóc đã qua phơi nắng để cho thóc đạt độ khô cần thiếtvà khô đều hơn, giúp cho việc bảo quản tốt hơn, phục vụ cho việc xuất khẩu Do đó tachọn độ ẩm của thóc trước khi sấy không cao lắm, và độ ẩm sau khi sấy thích hợp chosự bảo quản

Nhiên liệu sử dụng: ta có thể chọn dầu FO để đốt nóng tác nhân sấy (khôngkhí)

Phần II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT:

Các ký hiệu sử dụng:

G1: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy

G2: năng suất sản phẩm sau khi sấy

1: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy

2: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy

d1 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi vào sấy

d2 : 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:

Chọn nhiệt độ vào buồng sấy của không khí : t1 = 900C

I1 = 132 Kj/Kg KKKKhông khí ra khỏi thiết bị sấy:

Chọn nhiệt độ ra của không khí là t2 = 450C

Dựng chu trình sấy lý thuyết trên giản đồ I-d, từ đó ta có:

I2 = 139 Kj/Kg KKK

d2 = 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 cócác 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: hd = 1,68

- Các thông số khác:

nhiệt dung riêng: C = 1,5 KJ/Kg

hệ số dẫn nhiệt:  = 0,09 W/mK

khối lượng riêng rắn: r = 1150 Kg/m3

diện tích bề mặt riêng khối lượng: f = 1,31 m2/kg

khối lượng riêng xốp: v = 500 Kg/m3

- Vật liệu trước khi vào thiết bị sấy: ta chọn

2 = 13% , đây là độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc

2) Năng suất tách ẩm:

20 , 0 1

13 , 0 20 , 0 5000

2 1

Gk = G2(1-2) = 5000(1 - 0,13) = 4350 Kg/hLượng không khí khô cần thiết để tách 1 Kg ẩm:

am Kg kkk Kg d

d

018 , 0 036 , 0

1 1

1 2

l W

L   437 5 55 5  24305 /

II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG:

* Nhiệt lượng vào:

- nhiệt lượng do không khí mang vào: LI0

- nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G2Cvl1+CnW1

- nhiệt lượng do calorife cung cấp: Qc

Tổng nhiệt lượng vào: LI0+ G2Cvl1+ CnW1+ Qc

* Nhiệt lượng ra:

- Nhiệt lượng do không khí ra: LI2

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2Cvl2

- Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Qm

Tổng nhiệt lượng ra:

LI2+ G2Cvl2 +QmTừ phương trình cân bằng năng lượng, ta có:

Qc=L(I2-I0)+G2Cvl(2-1)+Qm-CnW1Viết cho 1 Kg ẩm bốc hơi:

1 n m vl 1 2

c (I I ) q q - C

q l   

1 n m vl 1 2 0

I2  I 

Đối với quá trình sấy lý thuyết: =0

qc=l(I2-I0)=55.5(132-72)= kj/kgẩmĐối với quá trình sấy thực tế: lúc này giá trị  sẽ khác 0

Nhiệt dung riêng của nước:

Cn = 4,18 KJ/Kg oKNhiệt dung riêng của vật liệu:

K Kg KJ

C vl  1 , 5 ( 1  0 , 13 )  4 , 18  0 , 13  1 , 85 / 0

Với 1,5 là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối

Qvl=G2Cvl(2-1)=50001,85(40-27)=120250 KJ/h

am Kg KJ W

Q

5 , 437

Tổn thất của tác nhân sấy:

qtn=lCk(t2-t0)=55,51,004(45-27)=993,17 Kj/Kg ẩmNhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: giả sử nhiệt tổn thất ra môi trườngxung quanh bằng 10% của tổng nhiệt lượng

* Cách xác đinh đường sấy thực tế:

Ta cho một giá trị d bất kỳ (d<d2), tính được I2” và xác định được điểm 2” trêngiản đồ Nối đường 1-2” cắt đường 45oC ở điểm 2 Đường 0-1-2 xác định như trênchính là đường sấy thực tế

Giả sử:

d = 30 g ẩm/Kg KKK

I1 = 139 Kj/Kg KKK ( bằng với giá trị I2 của quá trình sấy lý thuyết)

1000 18 30

0

đường sấy thực đường sấy lý thuyết

a) Lượng tác nhân cần thực tế:

h KKK Kg d

d W

0176 , 0 0312 , 0

1 878

, 4 1

1 2

L

878 , 4

67 , 358

Q

5 , 437

10 75 ,

Chọn thiết bị sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối có dạng tấm được đục lỗ chokhông khí đi lên

Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bị sấy tầng sôi:

Nhiệt độ tác nhân vào: t1 = 90oC

Nhiệt độ tác nhân ra: t2 = 45oC

Nhiệt độ tính toán trung bình: t = 67.5oC

Độ nhớt động học: k= 19.75.10-6 m2/s

Độ nhớt động lực học: k= 20,45.10-6 Ns/m2

Hệ số dẫn nhiệt: k= 2,95.10-2 W/m0K

= 10,62.10-2 Kj/mh0K

I-XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TỚI HẠN:

Chuẩn số Arsimet:

5 6

3 3 2

3

10.88,5037

,1)10.75,19(

81,9)037,11150()10.76,2()(

k

d Ar

, 1 1

150 Re

1

3 0

3 0

10 76 , 2

10 75 , 19 2 , 210 Re

II- TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI:

Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là:  = 0,7

Chuẩn số Arsimet:

Ar = 5,88.105

Chuẩn số Ly được tra từ đồ thị Ly = f(Ar), ta có:

Ly = 200Vận tốc của tác nhân trong tầng sôi được tính theo công thức:

s m g

Ly v

k

k r k

037 , 1

) 037 , 1 1150 ( 81 , 9 10 45 , 20 200 )

(

3

2

6 3

5 , 3

Vì nhiệt độ trong buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ trên bề mặt lưới phân phối, nênnhiệt độ của tác nhân ở trên bề mặt lưới phân phối là:

s m t

t v

5 , 67 273

90 273 5 , 3 273

v

7 , 0

5 , 3









III- TỐC ĐỘ CÂN BẰNG:

Khi vật liệu bắt đầu bị lôi cuốn:  = 1

Chuẩn số Reynold:

1210 10

88 , 5 61 , 0 18

10 88 , 5 61

, 0 18

Chuẩn số Liasenco:

4 , 3015 10

88 , 5

1210 Re

5

3 3







Ar Ly

Vận tốc cân bằng của lúa:

s m g

Ly v

k

k r k

037 , 1

) 037 , 1 1150 ( 81 , 9 10 45 , 20 4 , 3015 )

(

3

2

6 3

IV- THỜI GIAN SẤY:

Độ ẩm tới hạn của lúa là k = 13,5% (tính trên căn bản vật liệu khô tuyệt đối:

Wk=15,6%), nên quá trình sấy lúa từ 1 = 20% đến k = 13,5% là giai đoạn sấy đẳngtốc và từ k = 13,5% đến 2 = 13% là giai đoạn sấy giảm tốc

Chuẩn số Reynold:

699 10

75 , 19 7 , 0

10 76 , 2 5 , 3



Chuẩn số Fedorov:

1,92037,1)10.75,19.(

3

81,9)037,11150(410.76,2

3

).(

4

2 6

3

k k

k

d Fe

, 0 0 65 , 0 74 ,

0151 ,

Nu

Chọn chiều cao lớp hạt ban đầu ở trạng thái tĩnh h0 = 0,05 m

Khi đó:

326 , 11 )

05 , 0 (

09 ,

76 , 2

10 62 , 10 326 , 11 8 , 0

Tốc độ sấy dẳng tốc:

f J

N  m.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:

r

t r

r = 2417,7 kJ/kg

h m kg

/ 9 , 4 7

, 2417

) 5 , 33 5 , 67 ( 64 , 348

ph N

W

76 , 1 60 21

, 3

156 , 0 25 , 0

1

Thời gian sấy giảm tốc:

ph W

W N

14 , 0 149 , 0

156 , 0 lg 3 , 2 60 21 , 3

156 , 0 lg

3 , 2

2

Vậy thời gian sấy vật liệu là:

ph

9 , 1

2

3 , 2 3600 5

, 3 037 , 1

30172

m v

L F

k k

m

F

Đường kính lỗ lưới: dựa vào kích thước của hạt vật liệu, để hạt không lọt qua, tachọn lỗ có đường kính 2,5 mm

Tỷ số tiết diện chảy và lưới:

ak F

F v

k

ak d

p

v

v F F

Chọn lưới có cách đục lỗ như sau:

F

d p

mm

t  7



b- chiều cao buồng sấy:

Bao gồm chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồng phân ly

- Chiều cao lớp giả lỏng:

mm

m h

h

3 , 73

0733 , 0 7 , 0 1

56 , 0 1 05 , 0 1

h 4  0  200

- Chiều cao buồng phân ly:

Chiều cao này có thể xác định theo công thức kinh ngiệm:

35 , 0 25

, 0 65

, 0

08 ,

p pl

v

v F

Fr D

Trong đó:

10 76 , 2 81 , 9

5 , 3

3 ,

Tuy nhiên để đảm bảo cho quá trình hoạt động, ta chọn chiều cao buồng phân

ly bằng 2,5 lần chiều cao lớp tầng sôi:

mm

h p  2 , 5  200  500

Đường kính buồng phân ly: buồng phân ly phải có đường kính lớn hơn đườngkính vùng tầng sôi để đảm bảo việc phân ly được tốt Khả năng phân ly phụ thuộc khánhiều vào đường kính buồng phân ly

Chọn:

m

F D

m F

F

pl pl

p pl

2 4

99 , 2 3 , 2 3 , 1 3

h h

5 , 57

500 05 , 0 3 , 2

3 , 2

5 , 57 81 , 9

m N F

G g P

0

2 7

5 , 2 2 2 7 2

2 2

D

d n

C S

495 , 0 10 140

25 , 245 187 , 0 7 ,

Chọn: C=1 mm

mm mm

S  1 , 7  2



Vậy bề dày lưới là: 2 mm

b- buồng sấy:

Thân buồng sấy chịu tác dụng của lực nén chiều trục

Theo điều kiện bền khi l  5D ta có:

 n

D

P S

n:ứng suất cho phép khi nén của vật liệu chế tạo

  = 140 N/mm2 = 140.106 N/m2 (chọn vật liệu chế tạo là thép CT3)

mm C C

4 , 564

C: hệ số bổ sungChọn: S=2 mm

+ Điều kiện ổn định:

Ta có:

E K

P S

Khi:

250 425 2 2

118 , 0



c

k , thông số này phụ thuộc vào trị số D S

 2

Vậy:

mm E

K

P

c

0885 , 0 10 4 , 19 118 , 0

4 , 564

Ta thấy S=2mm thoả mãn điều kiện ổn định

+ Điều kiện bền:

9 , 26 1700

2 10 4 , 19 118 ,

K c



vì   26 , 9  n  140 nên thoả điều kiện bền

Vậy chiều dày thiết bị là S = 2 mm

VII BỘ PHẬN NHẬP LIỆU:

Chọn bộ phận nhập liệu dạng vít xoắn, vít xoắn đặt nằm ngang

Năng suất của vít tải được tính theo công thức:

C s

n D

 : khối lượng riêng của thóc, T/m3  1150.10-3 T/m3

 : hệ số chứa đầy, đối với thóc ta chọn bằng 0,4

C: hệ số tính tới việc giảm năng suất khi vít tải đặt ngiêng Trong trườnghợp này do vít tải đặt nằm ngang nên C=1

C A

Q D

47

2 / 5







 367

.

0

L Q C

Trong đó:

Q: năng suất của vít tải, T/h

C0: hệ số trở lực được xác định bằng thực nghiệm Đối với thóc ta chọnbằng 1,2

L: chiều dài vít tải, chọn L=2m

: hiệu suất truyền động của động cơ, chọn bằng 0,85



 N 42W

VIII BỘ PHẬN THÁO LIỆU:

Ở đây ta chọn bộ phận tháo liệu là một ống hình tròn, đường kính là 150mm.Thóc khi đạt đến độ khô cần thiết sẽ nổi lên trên và tự động được đưa ra ngoài theoống tháo liệu này Sở dĩ thóc có thể tự động ra ngoài là do tính chất đặc biệt của lớphạt ở trạng thái tầng sôi, lúc này lớp hạt giống như là một khối chất lỏng và có thể tựchảy ra ngoài

Như vậy calorife ở đây là thiết bị trao đổi nhiệt, ta chọn thiết bị trao đổi nhiệtống chùm, tác nhân đun nóng là hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 119,60C áp suất 2atm.Hơi nước bão hoà đi trong ống, còn không khí đi ngoài ống.

Sự biến đổi nhiệt độ của hơi nước và không khí:

min max

min max

log

ln

t t

t t

Chọn hiệu suất calorife là 0,85

Vậy nhiệt lượng cung cấp có thể kể đến hiệu suất calorife là

Q=2,13.106 Kj/hChọn ống có đường kính 38/36 mm

Chiều dài ống 3m

1 Hệ số cấp nhiệt phía không khí

Các thông số của không khí ở nhiệt độ trung bình 58,50C

 =18,97.10-6 m2/s

=2,9.10-2 W/m0KChọn vận tốc khí đi trong thiết bị là 15m/s

Chuẩn số Re:

900C

119,60C

270C

Chuẩn số Nu đối với chùm ống xếp xen hàng có tấm chắn:

65 , 0

Re 37

2 Hệ số cấp nhiệt của hơi nước:

Hơi ngưng tụ trên ống thẳng đứng được tính gần đúng theo công thức

25 , 0

13 ,

r A

n



r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước, r=2208 Kj/Kg

t: hiệu số nhiệt độ

w ngưng t t

t  

Chọn nhiệt độ tường tw = 1170C

25 , 0 2 3

3 Bề mặt truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt tổng quát:

thep caunc caukk

kk

r n r

Chọn vật liệu chế tạo là thép có hệ số dẫn nhiệt là 46 W/m.độ

K =128,3 W/m2độBề mặt truyền nhiệt:

log

t K

Q F

F n

tb





Xắp xếp ống theo hình sáu cạnh, tổng số ống: 241

- Số ống trên đường chéo xuyên tâm: 17

- Bước ống t=1,2d = 0,046 mĐường kính thiết bị:

D = t(b-1)+4d = 0,046(21-1) + 4.0,038 =0,89mChọn D=1 m

II CYCLON

Trong hệ thống sấy thường phải có thiết bị cyclon đi kèm để tách bụi ra khỏitác nhân sấy hoặc để thu hồi sản phẩm bị lôi cuốn theo Cyclon hoạt động theonguyên lý ly tâm Cấu tạo và kích thước cơ bản của nó được biểu diễn trên hình vẽsau:

Lưu lượng không khí đi qua cyclon:

036 , 1

30172





kk kk

L V

Dựa vào lưu lựng không khí và tra bảng 12-2, ta được cyclon có các kích thước

cơ bản như sau:

Các trở lực mà quạt phải khắc phục:

- Tổng trở lực ma sát P ms

- Tổng trở lực cục bộ   

- Trở lực qua Cyclon P x

- Trở lực qua buồng sấy

- Trở lực do áp lực động ở đầu ra của quạt

A Trở lực:

1 Trở lực từ quạt tới calorife:

Chọn ống dẫn có đường kính d = 0,5 m, chiều dài 5m

Lưu lượng không khí:

Qkk = 29052 m3/h = 8,07 m3/sVận tốc không khí:



 d

 Re

Hệ số nhớt động học của không khí ở 270C:  15,5.10-6 m2/s



 Re 1,326.106Dòng chảy ở chế độ rối

Reynol giới hạn trên:

7 / 8

d

Trong đó  là độ nhám tuyệt đối, chọn   0 , 08mm



 Regh 1,31.105Chuẩn số Reynol khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

8 / 9

d

=4,79.106

Ta thấy Regh<Re<Ren nên hệ số ma sát được xác định theo công thức:

25 , 0

Re

100 46

, 1 1 ,

d

L

2 Trở lực qua calorife

Bao gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ

L

3

1 1

2 m N

W d

l P

td

ms      

Trong đó:

m: số ống trên đường chéo lục giác đều của chùm ống, m=17

N +1: số khoảng cách giữa các tấm ngăn, bằng 3Vận tốc không khí trong calorife: W=15m/s

Chuẩn số Re:

W N

vậy tổng trở lực qua Calorife là:

cb ms

7 Trở lực đường ống từ calorife đến buồng sấy:

Chọn ống dẫn có chiều dài 3m

Chuẩn số Reynol:



 d

 Re

Hệ số nhớt động học của không khí ở 900C:  21,97.10-6 m2/s, và khối lượngriêng:  0,972 kg/m3



 Re 0,9354.106Dòng chảy ở chế độ rối

Reynol giới hạn trên:

7 / 8

d

Trong đó  là độ nhám tuyệt đối, chọn   0 , 08mm



 Regh 1,31.105Chuẩn số Reynol khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

8 / 9

d

=4,79.106

Ta thấy Regh<Re<Ren nên hệ số ma sát được xác định theo công thức:

25 , 0

Re

100 46

, 1 1 ,