Động học của quá trình sấy tầng sôi

Động học của quá trình sấy tầng sôi

Mục lục

Trang

Lời nói đầu 3

Phần 1 Tổng quan 5

I.Thủy động lực học của quá trình sấy tầng sôi 5

1 Cơ chế tạo lớp lỏng giả 5

2 Các thông số lớp sôi và phơng pháp xác định 8

2.1 Vận tốc sôi tối thiểu 8

2.2 Vận tốc phụt 9

2.3 Trở lực của lớp sôi 10

2.4 Tốc độ và giới hạn làm việc 11

2.5 Trở lực của lớp lới phân phối khí 12

II Lý thuyết về sấy 14

1 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu ẩm 14

1.1 Liên kết hóa học 14

1.2 Liên kết hóa lý 15

1.3 Liên kết cơ lý 16

2 Phân loại vật liệu sấy 16

2.1 Vật xốp mao dẫn 16

2.2 Vật keo 17

2.3 Vật keo xốp mao dẫn 17

3 Cơ chế tách ẩm trong hạt 17

4 Các giai đoạn xảy ra trong quá trình sấy hạt 18

5 Các yếu tố ảnh hởng đến tốc độ sấy 19

6 Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong sấy tầng sôi 20

Phần 2 Phơng pháp nghiên cứu 23

I.Hệ thống thí nghiệm 23

1 Cấu tạo hệ thống thí nghiệm 23

2 Đặc tính kĩ thuật của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi 24

3 Nguyên tắc làm việc của hệ thống 25

4 Xác định vận tốc, lu lợng 25

5 Xác định nhiệt độ , độ ẩm của vật liệu 27

6 Xác định các thông số của hạt Xuyên Tiêu 27

II Tiến hành thực nghiệm và tính toán kết quả 28

1 Phơng pháp tiến hành thí nghiệm 28

2 Tính toán kết quả thu đợc 29

Phần 3 Kết quả thực nghiệm 33

I Kết quả thực nghiệm quá trình thủy lực 33

1 Sự ảnh hởng của chiều cao lớp hạt lên quá trình thủy lực 33

II Kết quả thực nghiệm đối với quá trình sấy 37

1 Kết quả thực nghiệm trên máy sấy tầng sôi 37

2 Tính toán nhiệt lợng 45

3 Phân tích và nhận xét một số kết quả thực nghiệm thu đợc.58

Kết luận 62

Tài liệu tham khảo 65

LờI NóI ĐầU

Trong công nghệ hóa chất cũng nh thực phẩm, luôn có những yêu cầu

về sấy các vật liệu ẩm Chính vì vậy mà sấy đã đóng một vai trò không thểthiếu trong ngành công nghệ hóa học Việt Nam là một nớc có “Rừng vàngbiển bạc” và có ngành nông nghiệp truyền thống lâu đời vì vậy đã tạo điềukiện manh mẽ cho ngành công nghệ hóa chất cũng nh thực phẩm phát triểnmạnh mẽ Hiện nay trên thế giới có rất nhiều kĩ thuật sấy đợc áp dụng choquá trình sấy và kĩ thuật sấy tầng sôi đã đợc áp dụng rộng rãi trong nhữngnăm gần đây

So với quá trình ở trạng thái tĩnh thì quá trình ở trạng thái lỏng giả córất nhiều u điểm, cụ thể là:

- Pha rắn đợc đảo trộn rất mãnh liệt, dẫn đến việc san bằng nhiệt

độ và trong toàn lớp hạt

- Hệ số dẫn nhiệt, cấp nhiệt từ bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị

đến lớp sôi ( hay ngợc lại ) rất lớn

- Do tính linh động của lớp sôi nên dễ dàng nạp nguyên liệu vàtháo sản phẩm, dễ thực hiện quá trình liên tục, cơ giới hóa và tự

động hóa, dễ điều chỉnh các thông số nh lu lợng và áp suất

- Trở lực tơng đối nhỏ và ổn định, không phụ thuộc vào tốc độ phakhí trong giới hạn tồn tại trạng thái lỏng giả

- Cấu tạo thiết bị tơng đối đơn giản, gọn nhẹ và dễ chế tạo

Do tất cả những u điểm trên mà kỹ thuật sấy tầng sôi đợc sử dụng ngàycàng rộng rãi trong công nghiệp nh một phơng pháp tăng cờng độ quá trình.Tuy nhiên, phơng pháp này cũng có một số nhợc điểm:

- Có hiện tợng tích điện và tĩnh điện dẫn đến khả năng dễ gây cháynổ

- Thời gian lu của các hạt trong lớp sôi không đều

- Các hạt rắn bị va đập, bào mòn, vỡ vụn tạo nhiều bụi, do đó thiết

bị phải có thiết bị thu hồi bụi, thành thiết bị tầng sôi phải chịu đợcmài mòn, nhất là khi gia công các hạt có cạnh sắc

- Vận tốc của pha khí bị giới hạn trong phạm vi cần thiết để duy trìtrạng thái tầng sôi mà nhiều khi không phải thích hợp đối với quátrình công nghệ

Việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi trong lĩnh vực sấy đã

đựoc nhiều nhà khoa học trên thế giới tiến hành từ những năm 60 , nhiều thiết

bị sấy tầng sôi có năng suất từ vài tấn đến hàng nghìn tấn giờ đã đợc đa vàosản xuất ( chủ yếu là Liên Xô cũ và Mỹ ) để sấy các vật liệu có dạng hạt cókích thớc từ 1-:-2mm đến 35-:-40 mm ở Việt Nam , cũng có một số côngtrình nghiên cứu về kỹ thuật tầng sôi Tuy nhiên việc ứng dụng kỹ thuật nàyvào sản xuất cũng cha đợc phổ biến rộng rãi

Hiện nay kĩ thuật sấy tầng sôi đang đợc nghiên cứu rất nhiều trongngành công nghiệp hóa chất Do đó việc nghiên cứu một cách đầy đủ kĩ thuậtnày để có công nghệ hoàn thiện đáp ứng cho quá trình sấy là một yêu cầu thựctế

Trong bản đồ án này do điều kiện nghiên cứu có nhiều hạn chế nên em

chỉ xin trình bày về “ Động học của quá trình sấy tầng sôi”

Phần 1

Tổng quan

I.Thủy động lực học của quá trình tầng sôi

1.Cơ chế tạo lớp lỏng giả (tầng sôi )

Khảo sát hiện tợng sau: Đổ một lớp vật liệu dạng hạt lên lới nằm ngangnằm bên trong ống đặt thẳng đứng , tiết diện ngang của ống có thể là hình trụ ,hình vuông , hình chữ nhật Hạt không lọt lới Thổi không khí qua lớp hạt từdới lên trên , trạng thái của các hạt và cả lớp hạt phụ thuộc vào vận tốc dòngkhí đi xuyên qua lớp hạt và có thể có các trạng thái sau:

Khi tốc độ khí nhỏ , thì lớp hạt ở trang thái bất động (hình I.1a) ,các đặctrng của nó nh bề mặt riêng , độ xốp không thay đổi khi thay đổi vận tốc dòngkhí Lúc này dòng khí đi qua lớp hạt tuân theo quá trình lọc , chiều cao lớphạt không thay đổi (đoạn AB trên hìnhI.1a) và trở lực của lớp hạt tĩnh tăng lêncùng với sự tăng vận tốc dòng khí tuân theo quy luật hàm số mũ :

Δ P = ( v n ) (I.1) Nếu lớp hạt gồm các hạt nhỏ , cùng kích thớc , không bị dính bết vàonhau có lực kết dính thì trở lực tăng theo đờng OA( hìnhI.1b) Nếu có kích th-

ớc lớn giữa các hạt có sự kết dính thì để thắng lực kết dính này cần phải tiêutốn thêm năng lợng, thì trở lực sẽ tăng theo đờng cong OA’ và có cực đại nh

độ xốp của hạt tăng lên theo sự tăng của vận tốc khí.Trạng thái này duy trìtrong giới hạn từ vận tốc bắt đầu sôi (còn gọi là vận tốc sôi tối thiểu) vs tới vậntốc phụt (còn gọi là vận tốc kéo theo) vf

Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí cho đến khi vợt quá giá trị vf thì trạngthái sôi chấm dứt, các hạt rắn bị dòng khí cuốn theo ra khỏi thiết bị Lúc nàyxảy ra quá trình vận chuyển hạt rắn bị dòng khí thổi, vf còn gọi là vận tốc treo

tự do vì tại đây độ xốp của lớp hạt rất lớn.Thực tế là các hạt bị treo lơ lửngtrong không khí, không trọng lợng của hạt (có tính đến lực đẩy Acsimet) và

sức cản của dòng khí chỉ cần tăng vận tốc khí vợt quá vf một chút là các hạtrắn bị kéo theo ( hình I.1c, đoạn BC hình I.2b )

Nếu tác nhân gây lỏng giả là chất khí thì thờng xảy ra hiện tợng sôikhông đều, một phần khí trong lớp sôi dới dạng bọt khí, túi khí ( chứ khôngphải là dạng pha liên tục ), các túi khí này khi lên bề mặt lớp sôi thì vỡ ra, làmcho chiều cao lớp sôi dao động ( đờng CE và CF trên hình I.2a) Khi số tầngsôi cha lớn thì hiện tợng này không gây ảnh hởng xấu đến quá trình mà chỉlàm tăng mức độ khuấy trộn cuả lớp mà thôi.Tuy nhiên, nếu tăng số tầng sôilên thi có bọt khí lớn xuất hiện nhiều trong lớp sôi và làm các hạt bắn tung lêncao Nếu tiếp tục tăng lên nữa thì các bọt khí lớn lên và hòa tan vào nhau tạo thành hiện tợng phân tầng trong thiết bị, làm tăng lợng hạt bị bắn tung lên

và bị kéo theo khỏi thiết bị

Hiện tợng này càng dễ xảy ra khi tăng kích thớc hạt, tăng vận tốc dòngkhí, giảm đờng kính thiết bị Chế độ sôi phân tầng có ảnh hởng xấu đến quátrình nh: Làm sự tiếp xúc của các hạt rắn và pha kém đi, trở lực của tầng sôi bịdao động Vì vậy,cần tránh không để hiện tợng này xảy ra

Trong thực tế sản xuất, thờng gặp các hạt có kích thớc khác nhau, nhnghình dạng thì nh nhau hoặc cùng kích thớc và hình dạng nhng khối lợng riêngkhác nhau thì sẽ tạo nên sự phân lớp Những hạt lớn hơn hoặc nặng hơn sẽ ởdới, còn những hạt nhỏ hơn, nhẹ hơn sẽ ở lớp trên Hạt càng nhỏ và càng nhẹ

sẽ ở xa lới phân khối khí

Trở lực lớp hạt

lớp sôi lớp tĩnh

a Sự phụ thuộc của chiều cao lơp sôi vào vận tốc khí

b Sự thay đội trở lực của lớp sôi vào vận tốc khí

Qua nghiên cứu cho thấy, vật liệu dạng hạt có kích thớc trong dải0,001ữ65 mm đều có thể tạo đợc lớp sôi Nhng để tạo đợc lớp sôi đồng đềuthì hạt có kích thớc 0,01ữ0,20 mm là dễ có khả năng nhất Những hạt lớn gây

ra sự dao động chiều cao lớp sôi rất lớn, còn những hạt nhỏ lại dễ dính vớinhau và tạo nên hiện tợng vòi rồng

Trạng thái lỏng giá còn có thể tạo ra nhờ tác động cơ học, ví dụ nhkhuấy trộn hoặc rung Khi đó có hiện tợng giả lỏng cơ học ( phân biệt với tr-ờng hợp lỏng giả khí động )

Do trong tầng sôi các hạt đợc khuấy trộn đều nên quá trình truyền nhiệtcũng nh truyền chất xảy ra rất mạnh mẽ

Để đặc trng cho cờng độ khuấy trộn của hạt trong lớp sôi, ngời ta đa ra

đại lợng Ks (số tầng sôi), là tỷ lệ giữa vận tốc làm việc ( Vlv) và vận tốc sôi tốithiểu:

Ks = V lv

2.Các thông số của lớp sôi và phơng pháp xác định

2.1.Vận tốc sôi tối thiểu

Để xác định vận tốc tối thiểu ( vận tốc tới hạn dới ), ngời ta cho rằng,tại thời điểm bắt đầu sôi, trở lực thủy lực của dòng khí bằng trọng lợng củalớp sôi Nếu tiết diện của thiết bị là không đổi theo chiều cao thì điều kiện trên

có thể viết nh sau:

(Độ chênh áp qua lớp sôi)x(tiết diện ngang của thiết bị)=(thể tích của lớp sôi)x(phần hạt trong lớp sôi)x(trọng lợng riêng của hạt)

Kết hợp với phơng trình mô tả sự chênh áp trên lớp hạt đơn phân tán ởtrạng thái tĩnh ergun rút ra đợc công thức tính vận tốc sôi nh sau:

e r

1 14 =

-e e

2 3 h

1

11 =

F (I.5)Khi đó, (I.2) và (I.3) có dạng:

d.( ).g

24, 5. với Re > 1000 (I.7)Trong đó :

+ d là đờng kính tơng đơng của hạt (m)

+ ρh , ρk là khối lợng riêng của hạt và khí (kg/m3)

+μ độ nhớt của khí (N.s/m2)

+ε độ xốp của lớp hạt ở trạng thái sôi

Trong giới hạn Re = 0,001ữ4000 các công thức và có sai số 3,4%

Để xác định vận tốc sôi tối thiểu ngời ta còn có thể dựa vào quan hệgiữa vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc treo Vs Vận tốc treo là vận tốc mà tại đó,hạt ở trạng thái lơ lửng do có sự cân bằng của ngoại lực ( ví dụ: trọng lực vàthủy lực ) tác dụng lên nó

Romancov và các cộng sự thì đa ra quan hệ sau:

0,1046 0,1175

h k k

4.g.d( ) 3.C.

g.d ( ) 18

h k k

đổi động lợng của dòng khí Ngoài ra, còn phải kể đến năng lợng để tăng thểtích lớp hạt, trong đó phần lớn năng lợng dùng để thắng lực ma sát giữa môitrờng và bề mặt hạt ( trở lực lớp hạt )

Từ điều kiện cân bằng lực giữa áp suất thủy động của hạt và lực cản củadòng khí, ta có:

S – Mặt cắt tiết diện sôi

M – Khối lợng lớp sôi

-

dM = ( )(1 ).S.dZ (I.14)Thay dM vào (I.13) ta có:

Nghĩa là:

ΔP =(rh-rk)(1 -e0).g.H0 (I.17)Khi áp dụng cho thiết bị có thành đứng hoặc hơi nghiêng, các công thức(I.16), (I.17) cho kết quả sơ với thực nghiệm thờng lớn hơn 10ữ15%

2.4.Tốc độ làm việc và giới hạn làm việc

Để đặc trng cho giới hạn tồn tại của lớp sôi, ngời ta đa ra đại lợng:

Kmax = Vf

Theo Kunni, khi :

Re < 0,4 thì Vf đợc tính theo phơng trình (I.10) và Vs đợc tính theo phơngtrình (I.6), thì Kmax = 91,6

Re > 1000 thì Vs đợc tính theo phơng trình (I.17), Vf đợc tính theo phơng trình(I.8) thì K = 8,72

Theo Todex với mọi chế độ chuyển động và Vf đợc tính theo phơngtrình (I.12), Vs tính theo phơng trình (I.7) thì:

Kmax = 1400 5, 22

18 0,61

Ar Ar

+

Trong vùng chảy dòng thì Kmax = 77,7

Trong vùng chảy xoáy thì Kmax = 8,56

Thờng Kmax nằm giữa 10 và 90

Đối với hệ số tầng sôi:

Ks = V lv

Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, mức độ khuấy trộn mãnhliệt nhất ứng với số tầng sôi bằng 2 ( Ks = 2) Giá trị tối u Ks của mỗi quá trìnhcông nghệ tiến hành ở trạng thái tầng sôi dao động rất lớn

Khi tính toán chế độ sấy tầng sôi có thể chọn tốc độ làm việc theo công thứcsau:

Re = 0,19Fe1,56ữ0,28Fe1,56 (I.21)

2 k

4.d ( ).g

2.5.Trở lực của lớp lới phân phối khí

Kết cấu của lớp phân phối gió có ảnh hởng rất lớn đến chế độ thủy độngcủa lớp sôi Trong thực tế, rất nhiều loại lới khác nhau, song chúng cần phảithỏa mãn các yêu cầu sau:

- Phân phối đều dòng khí qua lớp sôi

- Có trở lực thủy lực nhỏ

- Dễ chế tạo và lắp ráp, bền trong sử dụng

Groshe đã nghiên cứu ảnh hởng của ba dạng lới phân phối khí đến cấutrúc lớp sôi, đó là dạng tấm mỏng đột lỗ, lới đan và lới xốp Kết quả cho thấy:Lớp xốp cho lớp sôi có cấu trúc đều nhất ( độ xốp của lớp thực tế hầu nhkhông thay đổi trong toàn lớp), còn lới đan thì cho kết quả tồi nhất Dạng tấmmỏng đột lỗ cũng cho kết quả khá tốt Trừ lớp gần sát lới thì không có độ giãn

nở (độ xốp rất nhỏ ) khi vận tốc khí nhỏ

Lới xốp tuy đảm bảo phân phối đều dòng khí trong lớp hạt, nhng trongsản xuất công nghiệp nó lại rất ít đợc sử dụng vì nó đòi hỏi làm sạch khí ( tách

bụi ) hết sức nghiêm ngặt Khá phổ biến trong thực tế là lới phân phối dạng lỗ.Chúng có thể chia làm 3 loại:

(a) (b) (c)

(a)Lới lỗ hớng thẳng đứng; (b)Lới lỗ hớng nghiêng; (c)Lới kết hợp

Hình: I.4:Cấu tạo lới phân phối khí dạng dới lỗ

* Lới lỗ hứớng thẳng đứng:

Đờng tâm các lỗ vuông góc với mặt phẳng lới và trùng với hớng thẳng

đứng của dòng khí Lới dạng này khi tỷ số H0/D không lớn (H0 là chiều caolớp hạt ở trạng thái tĩnh, D là đờng kính thiết bị) Nhợc điểm cơ bản của loạinày là vùng chết giữa các lỗ ngay phía trên lới

* Lới lỗ nghiêng:

Các lỗ đợc bố trí nghiêng một góc so với mặt phẳng lới Do đó, dòngkhí không chỉ đi lên và chuyển động xoáy, làm cho lớp sôi đều hơn Lới nàythích hợp khi tỷ số H0/D khá lớn

ợc xác định bằng thực nghiệm

 : Tỷ số tiết diện của lới phân phối khí

Đối với lới hớng lỗ thẳng đứng có tỷ số tiết diện khoảng 7% thì vận tốckhí sau:

-Nớc liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nớc có áp suất nhỏ hơn áp bão hòavới nhiệt độ hiện tại của vật ẩm

Do khả năng phản ứng hóa học và hòa tan mạnh các chất nên trong khốivật liệu ẩm không có nớc nguyên chất mà ở dới dạng dung dịch Muốn táchnớc ra khỏi vật liệu ẩm thì cần có năng lợng bằng hay lớn hơn năng lợng liênkết nớc với vật liệu ẩm Do đó ta cần biết đợc các dạng liên kết của vật liệuẩm

1.1 Liên kết hóa học

Liên kết hóa học của vật chất với nớc rất bền vững , trong đó các phân

tử nớc đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của phân tử vật

ẩm Loại này chỉ có thể đợc tách ra khi có phản ứng hóa học vì chúng cónăng lợng rất cao Đôi khi phải nung vật liệu đến nhiệt độ cao Sau khi tách

ẩm thì tính chât hóa lý của vật thay đổi Xét sự tách nớc của một tinh thểngậm nớc :

CuSO4.5H2O > CuSO4 + 5H2OQuá trình này gọi là quá trình nung vì cần nhiệt độ rất cao

1.2 Liên kết hóa lý

Trong liên kết hóa lý ngòi ta chia làm hai loại liên kết : Liên kết hấpphụ và liên kết thẩm thấu

*Liên kết hấp phụ : Liên kết hấp phụ của nớc gắn liền với các hiên tợng xảy ra

trên bề mặt giới hạn pha Nhất là trong các vật keo có cấu tạo dạng hạt có bánkính tơng đơng nhỏ khoảng từ 0,001 ữ 0,1 μm Cấu tạo của dạng vật liệu ẩmnày có bề mặt riêng khá lớn nên năng lợng tự do mạnh Khi tiếp xúc với ẩm

có xu hớng hút nớc vào bề mặt tự do của hạt tạo ra liên kết hấp phụ giữa nớc

*Liên kết thẩm thấu : Liên kết thẩm thấu là liên kết mang tính cơ học của nớc

với vật liệu có tính keo – xốp mao dẫn Những vật liệu này có cấu trúckhung , nớc thấm vào và nằm trong không gian các khung Nớc trong vật thểnày không phải là nớc nguyên chất mà dới dạng dung dịch Việc nớc thấm từngoài vào trong vật hay ngợc lại từ trong vật thể ra ngoài giống nh nớc thấmqua màng ngăn cách từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độcao

Khi nớc ở lớp bề mặt bay hơi thì nồng độ dung dịch ở đó tăng lên và

ớc ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài Ngợc lại , khi ta đặt vật thể vào trong

n-ớc thì nn-ớc sẽ thấm vào bên trong

1.3 Liên kết cơ lý

Dạng liên kết này của nớc với vật thể bao gồm cả nớc trên bề mặt và

n-ớc trong mao quản

- Nớc đã có sẵn trong quá trình hình thành vật ẩm ví dụ nớc trongcác tế bào thực vật , động vật do vật đông đặc khi nó chứa sẵn n-

ớc Để tách các trờng hợp liên kết này cần làm cho nớc bay hơi ,nén ép vật hay phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách nớc vật bị biếndạng nhiều , có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cảtrạng thái pha

- Nhiều vật ẩm có cấu trúc mao quản nh gỗ , vải trong các vậtthể này có vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong n-

ớc , nớc sẽ theo mao quản thâm nhập vào vật thể Khi vật thể này

để trong không khí ẩm thì hơi nớc sẽ ngng tụ trên bề mặt maoquản và theo các mao quản thâm nhập vào vật thể Muốn táchcác hạt ẩm loại này thì ta cần làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm rabằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn

- Liên kết có thể do dính ớt lên bề mặt vật thể Liên kết dạng này

dễ tách bằng cách bay hơi đồng thời có thể tách băng cách lauchùi , thấm thổi , ly tâm

2 Phân loại vật liệu sấy

Có nhiều cách phân loại vật liệu sấy Cách phân loại đợc sử dụng nhiềutrong kĩ thuật là cách phân loại dựa vào tính chất vật lý của vật thể của A.V.L-cốp Theo cách này thì các vật liệu ẩm đợc chia làm 3 nhóm : vật xốp maodẫn , 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 liênkết mao dẫn đợc gọi là vật xốp mao dẫn Chúng có khả năng mọi chất lỏngdính ớt không phụ thuộc vào thành phần ẩm hoá học của chất lỏng Các vậtliệu xây dựng , than củi cát thạch anh là những thí dụ về vật liệu xốp maodẫn Những vật này lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lợng ẩm chứatrong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật Trong trờng hợptrọng lợng ẩm cân bằng với lực mao dẫn hay mao quản trơng lên , khi sấy khôthì co lại Phần lớn các vật xốp mao dẫn khi sấy khô thì dòn nh bánh mỳ , rauxanh v.v

2.2 Vật keo

Vật keo là những vật có tính dẻo do cấu trúc hạt Trong vật keo ẩm liênkết ở dạng hấp phụ và thẩm thấu Ví dụ keo động vật , vật liệu xenlulôzơ ,tinh bột , đất sét Các vật keo có điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều

và vẫn giữ đợc tính dẻo

Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kĩ thuật sấy ngời

ta khảo sát các vật keo nh các vật giả xốp mao dẫn Khi đó các vật keo đợcxem nh 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 xốpmao dẫn thì đợc gọi là vật keo xốp mao dẫn Các loại vật này nh gỗ, than,bùn các loại hạt và một số thực phẩm Về cấu trúc, các vật này thuộc loạixốp mao dẫn nhng về bản chất lại là các vật keo có nghĩa là thành mao dẫncủa chúng có tính deỏ, khi hút ẩm các mao quản trơng lên, khi sấy khô thì colại.Phần lớn, các vật xốp mao dẫn khi sấy kho thì co lại, trở nên dòn nh bánh

mỳ, rau xanh,

3 Cơ chế tách ẩm trong hạt

Trong quá trình sấy hạt, ẩm đợc chuyển từ trung tâm ra bề mặt ngoàicủa hạt, từ bề mặt hạt, ẩm dợc bốc hơi vào môi trờng sấy Quá trình trên chỉthực hiện đợc trong điều kiện áp suất hơi riêng phần của hạt lơn hơn áp suất

riêng phần của môi trờng Khi đó, bề mặt của hạt sẽ khô đi và sẽ xuất hiệngradien ẩm giữ lõi và bề mặt của hạt, và gây nên sự dịch chuyển ẩm từ phầntrung tâm của hạt ra bề mặt hạt Quá trình sấy có thể tăng cờng bằng cách:

- Tăng áp suất hơi riêng phần của hạt

- Giảm áp suất hơi riêng phần của môi trừơng

- Đồng thời cả hai biện pháp trên

Nhng đối với mỗi loại hạt tại một hàm ẩm nhất định nào đó ta chỉ có thể tăngnhiệt độ tới một nhiệt độ cho phép nhất định, gọi là nhiệt độ đốt nóng chophép của hạt Nếu vợt qúa giới hạn đó sẽ gây ảnh hơng xấu tới chất lợng làmgiống hoặc làm lơng thực của hạt, nh làm giảm độ nẩy mầm, tăng tỷ lệ bị rạngẫy do nớc bốc hơi trên bề mặt là quá mạnh

Giảm áp suất của môi trờng bằng cách tăng cờng đối lu, tăng tốc độ củatác nhân sấy nhng ta cũng chỉ tăng tốc độ của tác nhân sấy tới một trị số nhất

định, nếu vợt trị số đó lợng không khí nóng, hoặc khói lò đó sẽ không tậndụng hết để làm khô hạt, hiệu suất sấy sẽ thấp

Không khí nóng hoặc hỗn hợp không khí với khói lò làm nhiệm vụchuyển nhiệt để đốt nóng và bốc hơi ẩm của hạt, đồng thời làm nhiệm vụchuyển hơi ẩm ra bên ngoài và chúng đợc 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 nh không tồn tại Nó chỉ tơng ứng với việcnâng nhiệt độ của vật liệu đạt đợc nhiệt độ sấy ( khi đó năng lợng chỉ dùng đểbay hơi nớc

Nhiệt độ đó không thể đạt ngay lập tức vì rằng lúc đầu nhiệt độ còn kháthấp so với nhiệt độ của tác nhân sấy và bản thân nó lại thờng có độ dẫn nhiệtkém, 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 tơng ứng với việc bay hơi ẩm tự do trên bề mặt vậtliệu Trong giai đoạn này, tốc độ di chuyển ẩm từ trong bề mặt vật liệu lớnhơn tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt vào môi trờng ( không khí nóng ) Nhiệt độ

bề mặt vật liệu sấy không đổi và đúng bằng nhiệt độ bầu ớt không khí sấy.Trong giai đoạn này, tốc độ sấy không đổi khi các thông số của tác nhân sấykhông 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 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 trờng

Đôi khi ngời 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.Giai đoạn cuối: không còn ẩm tự do trong toàn bộ vật liệu

Nhiệt độ VL sấy

I II III Thời gian sấy Độ ẩm vật liệu sấy

I II III Thời gian sấy

Tốc độ sấy

Thời gian sấy

Hình I.5: Mô tả các giai đoạn sấy

Khi nớc 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 lợng liên kết của ẩm trong vật liệu càng mạnh hơn Mặt khác các chấthoà tan trong vật liệu ( ví dụ: đờng muối ) do nớc vận chuyển đến bề mặt vậtliệu đã bịt kín các lỗ mao quản làm cản trở quá trình khuếch tán ẩm của vậtliệu.

Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật liệu sấy dần dần tăng lên và cuốicùng bằng nhiệt độ tác nhân sấy Sở dĩ là do tốc độ bay hơi giảm xuống đãkéo theo hiệu ứng làm lạnh ( do bay hơi ) cũng giảm xuống Nếu ta tiếp tụcsấy cho đến khi không còn khả năng thoát ẩm trong vật liệu, có nghĩa là vậtliệu đạt đợc độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu sẽ bằng nhiệt độ của môitrờng xung quanh ( nhiệt độ của các tác nhân sấy ) và do đó có thể vợt quánhiệt độ cho phép của vật liệu

Thực tế trong giai đoạn này ngời ta thờng duy trì nhiệt độ tác nhân sấythấp hơn ( vài độ ) so với nhiệt độ cho phép của vật liệu để đảm bảo chất lợngsản phẩm

5 Các yếu tố ảnh hởng đến tốc độ sấy

Tốc độ sấy là tốc độ khuyếch tán của nớc từ trong hạt ra ngoài khôngkhí đợc quy ớc biểu thị bằng lợng hơi nớc bốc hơi từ một đơn vị bề mặt hạttrong một đơn vị thời gian (kgẩm / m2 giờ)

Ngoài ra trong thực tế sản xuất , tốc độ sấy còn đợc biểu diễn qua lợnghơi nớc bốc lên từ một đơn vị khối lợng hạt trong một đơn vị thời gian (kg ẩm/

m2.giờ) , hoặc phần trăm hạt giảm trong một đơn vị thời gian (%ẩm/giờ)

Tốc độ sấy chịu ảnh hởng của rất nhiều yếu tố và phức tạp Trong giai

đoạn đẳng tốc , tốc độ sấy đợc quyết định bởi tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt hạtvào không khí Theo Đanton tốc độ bay hơi từ bề mặt phụ thuộc vào độ chênhlệch áp suất hơi nớc trên bề mặt hạt và không khí đợc biểu diễn bằng phơngtrình sau :

m

dW K.F(P P)

Trong đó :

K: hệ số chuyển khối

F: bề mặt tự do (bề mặt bốc hơi ) của 1 kg hạt

Pm, P: áp suất hơi riêng phần trên bề mặt hạt và trong không khí

Nh vậy , muốn sấy nhanh phải tăng áp suất hơi trên bề mặt hạt , hoặcgiảm áp suất hơi trong không khí áp suất hơi trên bề mặt tăng và giảm theo

sự tăng giảm nhiệt độ và độ ẩm của nó Do đó , tốc độ sấy cũng tăng hoặcgiảm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của hạt Lúc đầu quá trình sấy , độ ẩmtrong hạt cao nên có tốc độ lớn , càng về sau độ ẩm của hạt càng giảm nên tốc

độ sấy giảm

Mặt khác , nớc trong hạt khi bốc hơi kèm theo sự thu nhiệt , nếu không

có sự đốt nóng , cung cấp từ ngoài vào nhiệt tơng ứng thì nhiệt độ của hạt bịgiảm dần , làm giảm tốc độ sấy Do vậy muốn tăng tốc độ sấy cần cung cápnhiệt cho hạt

Trong thực tế , thờng dùng không khí nóng hay hỗn hợp không khí với khói lò để làm chất đốt nóng đồng thời là chất mang ẩm ( từ hạt thoát ra ) gọi

là tác nhân sấy Tốc độ bay hơi nớc phụ thuộc vàp tốc độ cung cấp nhiệt của tác nhân sấy và nhiệt độ của tác nhân sấy Nh vậy , tăng nhiệt độ nhiệt độ củatác nhân sấy là biện pháp tăng tốc độ sấy

6 Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong tầng sôi

Quá trình trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa các vật sấy (các hạt) và tácnhân sấy trong tầng sôi xảy ra rất mạnh Đó là kết quả tiếp xúc bề mặt lớngiữa các hạt rời chuyển động hỗn loạn trong dòng tác nhân sấy chảy rối Cónhiều giả thuyết da ra các phơng trình chuẩn số Nusselt từ đó để hệ số tỏanhiệt α giữa tác nhân sấy và các hạt :

Phần 2

Phơng pháp nghiên cứu

Mục đích của đề tài nghiên cú này là “Nghiên cứu động học của quá

trình sấy tầng sôi “ ,tìm hiểu ảnh hởng của các nhân tố : chế độ thủy lực của

lớp hạt trong sấy tầng sôi , về trở lực lớp hạt ,chế độ sấy, nhiệt độ sấy, vận tốctác nhân sấy, truyền nhiệt trong sấy tầng sôi

Do những yêu câu nh vậy chúng tôi đã chọn vật liệu để nghiên cứu làhạt thực vật (cụ thể là hạt Xuyên Tiêu ) có đặc điểm sau:

1 Cấu tạo hệ thống thí nghiệm

Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi là hệ thống làm việc theochế độ liên tục Gồm các bộ phận chính:

- Quạt gió: là loại quạt ly tâm , chạy bằng điện 3 pha 220/380 Côngsuất động cơ là 4,5 kW , tốc độ vòng quay 1450 (vòng/phút)

- Caloriphe : Đốt nóng bởi các dây điện trở Cr – Ni , có khả năng đanhiệt độ của tác nhân sấy lên đến 1500C

- Thiết bị sấy : Làm bằng thép không rỉ Phần sấy có dạng hình trụphần trên nở rộng hình nón Phía dới có lới phân phối khí,phía trên có lắp mộtvít tải nạp liệu Chiều cao của thiết bị có thể thay đổi bằng cách lắp ghép các

đoạn có chiều cao khác nhau 50mm va 100mm Dọc trên thân thiết bị có cửa

để đo áp suất và nhiệt độ Trên đờng ống dẫn gió (trớc khi vào thiết bị sấy )

có lắp van điều chỉnh và dụng cụ đo lu lợng tác nhân sấy

Hình II.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi

1.Quạt gió 7 Thiết bị tầng sôi

4 Van điều chỉnh gió 10 Van tháo vật liệu rơi

5 Van tháo vật liệu

6 Vít nạp liệu

2 Đặc tính kĩ thuật của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi

- Đờng kính (chỗ lớn nhất) phần giảm tốc phân ly ,mm 400

- Chiều cao thiết bị(vùng sấy hình trụ), mm 200

Nhiệt độ của tác nhân sấy thay đổi bằng cách đóng mở 4 cầu dao cấp

điện cho các dây đốt Thực tế , nhiệt độ có thể duy trì ở mức 90oC đến 150oC

Nhiệt độ có thể đợc đo trên 6 vị trí (1 trớc buồng sấy và 5 trong buồngsấy)

Căn cứ vào điều kiện chế tạo và đặc điểm công nghệ sấy ( trên thực tếthờng sử dụng tác nhân là khói lò nên có độ tạo chất khá cao ) nên sử dụng lớiphân phối gió là loại tấm mỏng có đục lỗ Các thông số kĩ thuật của lới nhsau :

∆Pl(mmH2O) 1 2 5 11 25 27

3 Nguyên tắc làm việc của hệ thống

Trớc khi tiến hành thí nghiêm ta phải kiểm tra tất cả hệ thống sấy , xemxét cầu dao , công tắc , bịt kín hết các lỗ hở trong thiết bị sấy

Không khí đợc đa vào caloriphe nhờ quạt 1 và dợc caloriphe đốt nóng,nhiệt độ của khí đợc đốt bằng 1 trong 4 caloriphe , muốn tăng nhiệt độ thì ta

có thể đóng thêm caloirphe bằng các cầu dao trên bảng điều khiển 9 Khínóng đợc thổi từ phía dới lên buồng sấy qua lớp lới Vật liệu đợc nạp vàobuồng sấy từ vít tải liệu vào phần hình trụ của buồng sấy

Các thông số về trở lực đợc đo bằng các áp kế hình chữ U trên bảng 8

nó lam viêc thao nguyên lý của ông Pitô-Pran Chênh lệch áp suất giữa các

điểm I và II là trở lực của lới , giữa II và III là trở lực của lớp sôi , giữa I và IIIhoặc IV hoặc V , VI là tổng trở lực của hệ thống tùy vào chiều cao của lớp hạt

mà ta điều chỉnh các điểm III , IV ,V ,VI mà ta đo trở lực của hệ thống

ở phần thắt lại của caloriphe có van điều chỉnh để điều chỉnh lu lợnggió , và có một ống Pitô-Pran để đo tốc độ gió

4 Xác định vận tốc , lu lợng tác nhân sấy và trở lực lớp vật liệu

Để xác định vận tốc và lu lợng của tác nhân sấy và áp suất ta thờngdùng các dụng cụ nh áp kế , ống Pitô-pran , dụng cụ tiết lu ( ống Văngturi,màng chắn , ống loa ) Các dụng cụ này có cơ sở tính toán và cho kết quảchính xác

Trong cuộc thí nghiệm này chúng tôi dùng ống pran ống pran là dụng cụ làm việc theo nguyên tắc ống thu áp , có cấu tạo 2 ống đồngtâm , ống trong lỗ tâm và dùng để thu áp suất ( áp suất Pazomet) Hiệu sốhiệu số áp suất trong chất khí trong 2 ống đợc đo bằng áp kế vi sai Phần chữ

Pitô-U của áp kế chứa một chất lỏng có khối lợng riêng xác định

Vận tốc của chất khí trong ống dẫn tại điểm đặt đầu đo đợc xác định

r r

-r

1 k k

n i



+ Dùng quan hệ giữa vận tốc lớn nhất và vận tốc trung bình ở các chế

độ chảy khác nhau tính đợc lu lợng Các bớc tính cụ thể nh sau :

-Tính vận tốc lớn nhất (vmax ) tại tâm dòng chảy

Stổng : là diện tích tiết diện ngang của ống dẫn

5 Xác định độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu ẩm

+Có rất nhiều phơng pháp dùng để xác định độ ẩm của vật liệu nh:

ph-ơng pháp dùng nhiệt sấy khô , phph-ơng pháp chng cất , chiết , phong pháp đo độdẫn điện …

Trong trờng hợp này ta dùng phơng pháp sấy khô Trong quá trình sấy

ta lấy mẫu theo thời gian quy định và cho đem cân rồi cho vào tủ sấy , sấy cho

đến khi khối lợng không đổi do đó xác định đơc lợng nớc ẩm có trong vật liệu

từ đó xác định đợc độ ẩm của vật liệu Phơng pháp này có u điểm là dễ thaotác , độ chính xác cao Tuy nhiên thời gian xác định lâu không phù hợp cho

điều kiện sản xuất cần xác định nhanh

+Do nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm không cao, nên việc xác địnhnhiệt độ của vật liệu cũng nh tác nhân sấy ta dùng nhiệt kế thủy ngân , đồng

hồ đo nhiệt loại nhỏ…

6 Xác định thông số của hạt xuyên tiêu

+Đờng kính tơng đơng của hạt xuyên tiêu đợc xác đinh bằng công thứcsau:

p r

td

m d

n

trong đó

- m : khối lợng số hạt đem đo , m

- n : số hạt đem đo

- ρ khối lợng riêng của hạt , kg/m3

+ Khối lợng riêng của hạt đợc xác định nh sau:

Cân một khối lợng hạt xác định , sau đó xác định thể tích hạt bằng cách chokhối lợng đó vào ống đong co chứa nớc , phần thể tích dâng lên chính là thểtích hạt chiếm chỗ và khối lợng riêng đợc xác định bằng công thức:

V

+Độ xốp của hạt đợc xác định nh sau: cho lợng hạt xác định vào ống

đong không có nớc ta xác định đợc thể tích hạt rỗng Vo , rồi đo thể tích hạtchiếm thực tế bằng cách nh xác định khối lợng riêng ta đợc V , độ xốp của hạt

Về nguyên liệu : Vật liệu sấy đợc ngâm và lựa chọn (sàng , nhặt nhữnghạt không đạt yêu cầu và ủ vật liệu đến độ ẩm cần phân tích)

*Nghiên cứu chế độ thủy động của hạt :

Quan hệ ∆p-V là bức tranh thực nghiệm phản ánh diễn biến trạng thái

và chế độ thủy động lực học của lớp hạt Do vậy, để xác định các thông số củalớp hạt sôi, ta đi khảo sát qua quan hệ ∆p-V của lớp hạt Phơng pháp tiếnhành thí nghiệm nh sau:

-Nạp vật liệu khô với khối lợng xác định trớc ( tơng ứng với chiều cao

Ho )

-Cho quạt làm việc, đóng cửa van cấp gió

-Mở van cấp gió ở các vị trí khác nhau Theo dõi độ chênh lệch cột nớctrong các áp kế chữ U (đo lu lợng gió và trở lực của lớp hạt )

-Ghi số liệu

*Nghiên cứu chế độ sấy hạt :

Quá trình sấy tầng sôi có khả năng cấp nhiệt rất mạnh do lớp hạt đợckhuấy trộn mạnh Do đó trong khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức khẩn tr-

ơng và lu ý.Trớc khi tiến hành thí nghiệm phải kiểm tra thiết bị, dụng cụ đo ,

hệ thống cung cấp điện Các bớc tiến hành sấy hạt nh sau:

-Điều chỉnh nhiệt độ và vận tốc gió trong trờng hơp nghiên cứu cụ thể-Xác định khối lợng hạt cần nghiên cứu

-Lấy mẫu để xác định độ ẩm ban đầu

-Đo nhiêt độ vật liệu bằng nhiệt kế

-Trong mỗi khoảng thời gian xác đinh trong quá trình sấy ta phả lấymẫu để xác định độ ẩm , song song với việc đo độ ẩm của lớp hạt vànhiệt độ khí ra

- Cuối cùng tắt quạt , caloriphe, quét dọn và làm vệ sinh…

2.Tính toán kết quả thí nghiệm thu đợc

Sau khi tiến hành thí nghiêm xong ta thu đợc các số liệu ban đàu dới

đây và bằng những tính toán xử lý số liệu trên phần mềm Exell ta đu ra cáckết quả

- Khối lợng vật liệu ẩm ban đầu Gđ

- Khối lợng vật liệu ẩm sau khi sấy Gc

+v : vận tốc khí qua lớp hạt (m/s)+ν: độ nhớt động học (m2/s)+d: đờng kính tơng đơng (mm)

Đối với quá trình sấy trong khí tính nhiệt lợng ta có thể dựa vào cáccông thức sau:

*Nhiệt lợng cung cấp theo thực tế :

Qtt = L.C ∆T (kj/h) (II.9)Trong đó

+ L lu lợng tác nhân sấy (kgkk/h)+ C nhiệt dung riêng của tác nhân sấy , đối với không khí ta lấy

C = 103 (J/kg,độ)

Mặt khác nhiệt lợng cung cấp theo thực tế lại chính bằng nhiệt lợng cầnthiết để đốt nóng vật liệu và nhiệt lợng cung cấp để bốc hơi ẩm

Qtt = Qb + Qđn (II.10)Nhiệt lợng cần thiết dùng để bốc hơi đợc tính theo công thức

Do đó ta dễ dàng tính đợc nhiệt cung cấp dùng để đốt nóng dựa vào các côngthức trên :

Qđn = Qtt - Qb (II.12)+ rhh Nhiệt hóa hơi của nớc , tra tại bảng [I.212 (3-150)] sổ tayquá trình thiết bị , kcal/kg

*Nhiệt lợng cung cấp tính theo lý thuyết :

Đối với quá trình cung cấp nhiệt theo lý thuyết ta tính theo chuẩn sốNuxen

-0,34 0,6 0,65