Đồ án sấy Hệ thống sấy tầng sôi Sấy lúa

đồ án sấy lúa sử dụng hệ thống sấy tầng sôi. Có hồi lưu Tổng quan về hệ thống sấy 1.1.1. Khái niệm chung Trong công nghệ hóa chất, thực phẩm, quá trình tách nước ra khỏi vật liệu (làm khô vật liệu) là rất quan trọng. Tùy theo tinhcs chất và độ ẩm của vật liệu, mức độ làm khô của vật liệu mà thực hiện một trong các phương pháp tách nước ra khỏi vật liệu sau đây: Phương pháp cơ học (sử dụng máy ép, lọc, ly tâm…). Phương pháp hóa lý ( sử dụng canxi clorua, acid sunfulric để tách nước). Phương pháp nhiệt (sử dụng hơi nóng để bốc hơi ẩm trong vật liệu). Sấy là một quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước khỏi bề mặt vật liệu rắn hay lỏng. Với mục đích tăng độ bền vật liệu, bảo quản tốt trong khoảng thời gian dài nhất là đối với lương thực, thực phẩm. Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ. Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Để thực hiện được quá trình này, người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều thiết bị như: Calorifer: Thiết bị đốt nóng tác nhân sấy. Thiết bị sấy: buồng sấy, hầm sấy, thùng sấy, tháp sấy là thiết bị trong đó chứa vật liệu sấy để thực hiện quá trình sấy. Quạt : Thiết bị dùng để vận chuyển đưa không khí qua calorifer và thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy mang ẩm thải ra môi trường. Một số thiết bị phụ khác như buồng đốt, xyclon

SƠ LƯỢC VỀ THÓC (LÚA ) , TÍNH CHẤT , ỨNG DỤNG

Lúa là nguồn lương thực chính của gần 12 dân số thế giới Lúa là loại cây ưa nóng và ẩm do đó lúa được trồng nhiều ở các vùng có khí hậu ôn đới và cận nhiệt đới Năng suất của lúa nước là rất cao , nên lúa thường được trồng ở các châu thổ song lớn Nước ta có khí hậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho phát triển cây lúa nước

Thành phần hóa học của hạt lúa bao 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 thành phần kể trên như : đường , tro , chất béo , sinh tố Thành phần hóa học của hạt lúa phụ thộc 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

Ở Việt Nam , lúa gạo là nguồn lương thực chính không thể thiếu trong cuộc sốnghằng ngày Lúa còn là nguyên liệu để sản suất tinh bột , sử dụng cho nhiều ngành công nghiệp thực phẩm khác Lúa còn là thức ăn chăn nuôi gia súc gia cầm

Hiện nay Việt Nam là nước suất khẩu gạo nhiều thứ hai trên thế giới , và tiếp tụcđẩy mạnh việc suất khẩu gạo sang các trên thế giới Đây là một trong những nguồn thu nhập ngoại tệ chính của đất nước

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG SẤY, PHƯƠNG PHÁP SẤY TẦNG SÔI.

Tổng quan về hệ thống sấy

1.1.1 Khái niệm chung

Trong công nghệ hóa chất, thực phẩm, quá trình tách nước ra khỏi vật liệu (làm khô vật liệu) là rất quan trọng Tùy theo tinhcs chất và độ ẩm của vật liệu, mức độ làm khô của vật liệu mà thực hiện một trong các phương pháp tách nước

ra khỏi vật liệu sau đây:

- Phương pháp cơ học (sử dụng máy ép, lọc, ly tâm…)

- Phương pháp hóa lý ( sử dụng canxi clorua, acid sunfulric để tách nước)

- Phương pháp nhiệt (sử dụng hơi nóng để bốc hơi ẩm trong vật liệu)

Sấy là một quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước khỏi

bề mặt vật liệu rắn hay lỏng Với mục đích tăng độ bền vật liệu, bảo quản tốt trong khoảng thời gian dài nhất là đối với lương thực, thực phẩm

Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp

Để thực hiện được quá trình này, người ta sử dụng một hệ thốnggồm nhiều thiết bị như:

- Calorifer: Thiết bị đốt nóng tác nhân sấy

- Thiết bị sấy: buồng sấy, hầm sấy, thùng sấy, tháp sấy là thiết bị trong đó chứa vật liệu sấy để thực hiện quá trình sấy

- Quạt : Thiết bị dùng để vận chuyển đưa không khí qua calorifer và thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy mang ẩm thải ra môi trường

- Một số thiết bị phụ khác như buồng đốt, xyclon

Tác nhân sấy

Nhiệm vụ của TNS:

- Gia nhiệt của VLS

- Tải ẩm mang ẩm từ bề mặt VLS vào trong môi trường

Các loại TNS:

- Không khí: Là loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng cho hầu hết các loại sản phẩm Dùng không khí ẩm không sợ ô nhiễm sản phẩm sấy Tuy vậy dung không khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt cho không khí (calorifer khí – hơi hay khí – khói); nhiệt độ không khí để sấy không thể quá cao, thường nhỏ hơn 500 °C vì nếu nhiệt độ cao hơn thiết bị trao đổi nhiệtphải sử dụng thép hợp kim hay gốm sứ chi phí giá thành sẽ tăng cao

- Khói lò: Ưu điểm là phạm vi nhiệt độ rộng từ 1000 °C, không cần calorife Tuy vậy dùng khói lò có nhược điểm là khói có thể làm ô nhiễm sản có thể làm ô nhiễm sản phẩm sấy Vì vậy khói chỉ dùng cho các vật liệu không sợ ô nhiễm như gỗ, đồ gốm

1.1.2 Phân loại HTS

Dựa và trạng thái TNS hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm mà chúng ta có hai loại phương pháp sấy: phương pháp sấynóng vào phương pháp sấy lạnh

HTS nóng thường được phân loại theo phương pháp cũng cấp nhiệt:

- HTS đối lưu: VLS nhân nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò Đây là HTS phổ biến nhất Gồm: HTS buồng, hầm, tháp , thùng quay, khí động, tầng sôi, phun

- HTS tiếp xúc: VLS nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Gồm: HTS lò và HTS tang

- HTS bức xạ: VLS nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng VLS ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào môi trường

- Ngoài ra, còn có các HTS dùng dòng điện các tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật

HTS lạnh:

- HTS lạnh ở t > 0: nhiệt độ VLS cũng như nhiệt độ TNS xấp xỉ nhiệt độ môi trường TNS thường là không khí được khử ẩm sau đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi cho đi qua VLS

- HTS thăng hoa: Ẩm trong VLS ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào TNS Người ta tạo ra môi trường trong đó nước trong VLS ở dưới điểm 3 thể Khi đó, nếu VLS nhận được nhiệt lượng thì nước trong VLS ở dạng rắn sẽ

chuyển trực tiếp thành hơi đi vào TNS

- HTS chân không: Nếu nhiệt độ VLS vẫn nhỏ hơn 273K và áp suất TNS bao quanh vật p > 610 Pa thì khi VLS nhận được nhiệt lượng, các thành phần nước ở thể rắn không chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào TNS mà trước khi biến thành hơi đi vào môi tường nước ở thể rắn cần chuyển qua thể lỏng

Do phức tạp và không kinh tế, HTS thăng hoa cũng như HTL nói chung chỉ dùng để sấy những VLS quý hiếm không chịu được nhiệt độ cao.Nên HTS lạnh là HTS chuyên dùng, không được phổ biến

II SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH SẤY , SẤY TẦNG SÔI

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt Kết quả của quá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên Điều này có ý nghĩa quan trọng về nhiều mặt : đối với nông sản và thực phẩm tăng khả năng bảo quản , đối với gốm sứ làm tăng độ bền cơ học , đối với than củi làm tăng khả năng đốt cháy … Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thể tích làm giảm chi phí vận chuyển

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

- Cấp nhiệt cho bề mặt vật liệu

- Dòng nhiêt 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 sự trao 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 thành

ba nhóm chính :

- Sấy đối lưu

- Sấy tiếp xúc

- Sấy bức xạ , chân không hoặc thăng hoa

Theo kết cấu nhóm thiết bị sấy đối lưu có thể gặp các thiết bị sấy sau :

- Thiết bị sấy hầm

- Thiết bị sấy buồng

- Thiết bị sấy thùng quay

- Thiết bị sấy tháp

- Thiết bị sấy tầng sôi

- Thiết bị sấy phun

- Thiết bị sấy khia động học

Sấy tầng sôi là một trong các phương thức sấy thuộc nhóm sấy đối lưu , thích hợp cho việc sấy các hạt nông sản

Bộ phận chính của thiết bị sấy tầng sôi là một buồng sấy , phía dưới buồng sấy đặt ghi lò Ghi buồng sấy là một tấm thép có thể đục nhiều lỗ thích hợp hoặc lưới thép để tác nhân sấy đi qua nhưng hạt không lọt xuống được Tác nhân sấy

có nhiệt độ cao , độ ẩm thấp được thổi từ dưới lên để đi qua lớp vật liệu Với tốc

độ đủ lớn , tác nhân sấy nâng các hạt vật liệu lên và làm cho các lớp hạt xáo trộn Quá trình sôi này là quá trình trao đổi nhiệt ẩm mãnh liệt nhất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy Các hạt vật liệu khô hơn nên nhẹ hơn sẽ nằm ở lớp trên

của tầng hạt đang sôi , và ở một độ cao nào đó hạt khô sẽ được đưa ra ngoài qua đường tháo vật liệu

Sấy tầng sôi có ưu nhược điểm sau :

Ưu điểm :

- Năng suất cao

- Vật liệu sấy khô đều

- Có thể tiến hành sấy lien 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 vào lớp sôi

- Yêu cầu cỡ hạt nhỏ tương đối đồng đều

1.4 Chọn nguồn năng lượng

Với hệ thống sấy nóng, nguồn năng lượng ngoài điện năng còn

có thể là hơi nước, khí đốt dầu mỏ, than đá, củi và các phế liệu công nông nghiệp khác như trấu,bã mía ta chọn dạng năng lượng trên cơ sở điều kiện cụ thể nơi xây dựng hệ thống sấy và tính toán kinh tế Ở các vùng sẳn suất lúa gạo, trấu là nguồn năng lượng dồi dào, chi phí rất rẻ

Do đó, hệ thống sấy này dùng trấu làm nguồn năng lượng đốt trực tiếp

để lấy khói từ buồng đốt gia nhiệt cho không khí cấp vào không gian sấy Vì vậy, ta cần thiết kế thêm buồng đốt cho hệ thống sấy.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT

* Yêu cầu thiết kế

- Thiết kế máy sấy lúa năng suất 850 kg/mẻ

- Hệ thống đặt ở Hà Nội

1.1 Chọn chế độ sấy

Chọn chế độ sấy cho hệ thống sấy là ta phải đi xác định nhiệt độ vào t1 và

ra t2 HTS của TNS, thời gian sấy τ

Đối với VLS là thóc, chúng ta cần có một chế độ sấy thích hợp để đảm bảo độ ẩm thích hợp để ta có thể bảo quản lâu tránh tình trạng thóc bị hư hỏng vàgiảm phẩm chất Nên ta chọn thông số cho TNS và VLS như sau :

Đối với TNS (không khí) :

- Nhiệt độ không khí ban đầu: t0=25℃

- Độ ẩm không khí : φ0 = 80%

- Nhiệt độ không khí vào buồng sấy: t1=70℃

- Nhiệt độ không khí ra buồng sấy : t2=40℃

- Áp suất khí quyển : B = 745 mmHg

Đối với VLS thóc

- Nhiệt độ thóc trước khi vào TBS : t v 1=27℃

- Nhiệt độ thóc ra khỏi TBS : Ta chọn nhiệt độ của thóc nhỏ hơn nhiệt độ

ra của không khí khoảng 5 độ C t v 2=35℃

- Độ ẩm ban đầu của thóc : ω1 = 20%

- Độ ẩm của thóc sau khi sấy : ω2 = 13%

* Xác định thời gian sấy τ

Thóc để trong không khí có độ ẩm tương đối φ0 = 80%

Ta đoán định ωcb = 8 ÷ 15,5 %

Theo công thức (4.2/ trang 75-TKHTS) của Egorov ta có K1 = 2,7 và

K1 = 19,5 Do đó :

ω1: độ ẩm của thóc trước khi sấy, Chọn ω1=20 %

ω2: độ ẩm của thóc sau khi sấy, Chọn ω1=13 %

¿ >W =283 0,2−0,13

1−0,2 =24,8 kg /h

- Khối lượng thóc đưa vào HTS:

G1=G2+W =283+24,8=307,8 kg/h

1.3 Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Ở đây, chúng ta chọn quá trình sấy hồi lưu một phần TNS Do VLS là thóc, khi sấy thóc hồi lưu không những tiết kiệm nhiệt lượng

mà chủ yếu đã tạo ra chế độ sấy dịu làm tăng chất lượng sản phẩm

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của TBS hồi lưu

Trong đó :

+ Ðiểm A (t0, φ0 ) là trạng thái không khí bên ngoài

+ Ðiểm M (tM, φM ) là trạng thái không khí nhận hồi lưu từ TNSsau buồng sấy

+ Điểm B (tM, φ1 ) là trạng thái không khí trước khi vào TBS

+ Ðiểm C (t2, φ2 ) là trạng thái không khí ra khỏi TBS

1.1.1 Thông số trạng thái của không khí

a, Trạng thái ban đầu của không khí bên ngoài

b, Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy

Nhiệt độ không khí vào buồng sấy: t1=70℃

Nhiệt độ không khí ra buồng sấy : t2=40℃

0,016.2638,15 2573,68 (1+1) 1− 2638,15

Như vậy chọn t2 = 400C thì độ ẩm sau quá trình sấy lý thuyết thỏa mãnđiều kiện φ2 =(80 ± 5) %

c, Trạng thái không khí ở điểm hồi lưu M

- Lượng chứa ẩm dM:

d M=d0+n d2

1+ n =

0,016+ 0,041 1+1 =0,0285 kg ẩm/kg kk

- Entanpy IM:

I M=I0+n I2

1+n =

65,84+145,68 1+1 =105,76 kJ /kg kk

- Áp suất bão hòa P b ứng với t M=33° C:

- Áp suất bão hòa P b ứng với t0 =70° C:

1.4 Tính toán kích thước thiết bị sấy

1.4.1 Xác định tốc độ làm việc tối ưu wt

Trước hết chúng ta tính toán tiêu chuẩn Fe:

1.4.1 Xác định sơ bộ diện tích ghi và chiều cao VLS

Diện tích ghi FG và chiều cao VLS H sẽ được xác định chính xáckhi tính được lượng TNS thực tế Tính đến diện tích chiếm chỗ của lưỡi thép, theo kinh nghiệm ta lấy sơ bộ diện tích ghi bằng (1,2 ÷ 1,5)

diện tích ghi tính theo lượng TNS lý thuyết Như vậy theo công thức tacó:

F G= 1,3 L

3600 w t ρ k=

1,3.2449,6 3600.1,184 1,0765=0,7 m

2

Do đó, đường kính ghi sơ bộ bằng:

D=√4 F G

π =√4.0,7π =0,944 m

Chiều cao lớp hạt trên ghi chúng ta chọn sơ bộ H = 0,25m Để

bố trí phễu đưa VLS vào và ra buồng sấy ta chọn chiều cao buồng sấy

H b=4 H =1m Cũng như diện tích ghi lò, chiều cao H sẽ được tính toán lại khi tính xong quá trình sấy thực

Như vậy, diện tích bao quanh buồng sấy bằng:

F=F G+π D H b=0,7+3,14.0,944 1=3,664 m 21.5 Tính toán nhiệt ẩm HTS

1.5.1 Tổn thất do vật liệu sấy mang đi

Nhiệt dung riêng thóc ra khỏi thùng sấy:

và phía kia là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ w t=1,184 m/s và nhiệt

độ bằng nhiệt độ trung bình của TNS

Vậy tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường là :

q mt=3,6 Q mt

3,6.232,155 24,8 =33,7 kJ /kg ẩm

Như vậy trong hệ thống sấy tầng sôi, tổng tổn thất nhiệt bằng tổng tổn thất nhiệt do VLS mang đi và tổn thất nhiệt do tỏa ra môi trường Tổng tổn thất này bằng :

q T=q v+q mt

q T=177,21+33,7=210,91 kJ /kg ẩm

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC TẾ

3.1 Tính quá trình sấy thực

3.1.1 Xác định Δ:

Δ=q BS+C a .t v 1−q CT−q T

Do ở đây chúng ta dùng HTS tầng sôi, nên tổn thất nhiệt

do TBCT q CT và nhiệt lượng bổ sung q BS là không có q CT=q CT=0

¿ >∆=C a t v 1−q T=4,18.27−210,91=−98,05 kJ /kg ẩm

3.1.2 Xác định các thông số TNS sau quá trình sấy thực

Đầu tiên chúng ta phải xác định được trạng thái TNS sau quá trình sấy thực Vì nhiệt độ t2 đã biết nên trạng thái TNS sau quá trình sấy thực hoàn toàn được xác định nếu lượng chứa ẩm d2 được xác định

¿ >d2=

1,004 (70−40) (2573,68+98,05 )+

0,016.(2638,15+98,05) (1+1) (2573,68+98,05) 1− 2638,15+98,05

- Entanpy IM:

I M=I0+n I2

1+n =

65,84+140,53 1+1 =103,186 kJ /kg kk

3.2 Xác định lượng TNS cần thiết cho quá trình sấy thực3.1.3 Lượng không khí khô mới thực tế

l0= 1

d2−d0=

1 0,039−0,016=43,48 kg kk /kg ẩm

2

* Đường kính ghi thực tế:

D=√4 F G

π =√4.0,61π =0,88 m

3.3 Khối lượng VLS nằm trên ghi

* Tiêu chuẩn Nu khi Fe=72,049

* Khối lượng hạt thực tế nằm trên ghi Trước đó chúng ta chọn H = 0,25m Thực tế H = 0,122m Do đó khối lượng hạt thường xuyên nằm trên ghi bằng:

4.1 Tính toán Calorifer

Nhiên liệu được sử dụng là trấu Để cho nhiệt độ của không khí được ổn định khi vào buồng sấy, ta có thể tiến hành gia nhiệt không khí một cách gián tiếp tức là ta dùng trấu để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hòa ở 2 atm(119 ℃ ) Sau đó đưa lượng hơi bão hòa này vào thiết bị trao đổi nhiệt với không khí

Ưu điểm của phương pháp này là không khí ra khỏi calorifer không có bụi bẩn, bồ hóng, thóc sau khi sấy không bị đen, bẩn thuận lợi cho việc xuất khẩu, đưa ra thị trường Ngoài ra nhiệt độ không khí

ổn định sẽ giúp cho quá trình sấy hoạt động ổn định

4.1.1 Chọn kết cấu calorifer như hình 3 với các đặc trưng :

- Ống làm bằng thép có d2/d1=24 /22 mm

- Cánh làm bằng đồng có đường kínhd c=40 mm, chiều dàyδ c=0.5 mm và bước cánh t c=3 mm , λc=110W /mK

- Chiều dài ống l = 1,2 m

- Hơi nước bão hòa ngưng tụ trong ống với nhiệt độ t n=119℃

- Nhiệt độ không khí trước calorifer: t0=25℃

- Nhiệt độ không khí sau calorifer : t1=70℃

3 Chiều cao của cánh

d xđ=

0,065.0,024+0,54√2.2860,54

0,065+0,54 =0,03 m

5 Tốc độ cực đại khi không khí chuyển động qua khe hẹp nhất :

Giả sử tốc độ không khí vào calorife ω=2,5 m/s Khi đó

2.8 0,5 80(3+0,5)]=3,6 m/s

Nu=0,251 ℜ0,67(s1 −d2

d2 )−0,2(s1 −d2

t c +1)−0,2

Nu=0,251 5418,970,67(80−2424 )−0,2(80−243 +1)−0,2=37,07

7 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía không khí :

- Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của cánh :

9 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu khi hơi ngưng trong ống

Chọn (t n−t w)=0,7℃ Tá sẽ kiểm tra lại độ chênh lệch nhiệt độ

này sau khi tính hệ số truyền nhiệt k Khi đó :

=216,4 W /m2K

11 Kiểm tra lại đô chênh lệch nhiệt độ

- Mật độ dòng nhiệt truyền qua calorifer q c

Như vậy, giả thiết (t n−t w)=0,7℃ là chính xác

12 Diện tích bề mặt bên trong các ống

Lấy hiệu suất calorifer η=0,75 Khi đó :

Ở đây, ta sử dụng buồng đốt với mục đích thứ nhất