Đồ án thiết kế thiết bị sấy tầng sôi (LINK tải bản vẽ ở TRANG CUỐI)

SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI: Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phươngpháp nhiệt.. Điều này có ý nghĩa quan trọngvề nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nh

Phần I MỞ ĐẦU

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

Lúa là nguồn lương thực chính của gần ½ sốdân trênthế giới Lúa là loại cây ưa nóng và ẩm, do đó lúa thườngđược trồng nhiều ở các vùng có khí hậu ôn đới và cậnnhiệt đới Năng suất của lúa nước là cao nhất, nên lúathường được trồng ở các châu thổ sông lớn Nước ta có khíhậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho việc pháttriển cây lúa

Thành phần hoá học của hạt lúa gồm chủ yếu là tinhbột, protein, xenlulose Ngoài ra trong hạt lúa còn chứa một sốchất khác với hàm lượng ít hơn so với 3 thành phần kể trênnhư: đường, tro, chất béo, sinh tố Thành phần hoá học củahạt lúa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, đất đai trồngtrọt, khí hậu và chế độ chăm sóc Cùng chung điều kiệntrồng trọt và sinh trưởng

Thành phần hoá học của hạt lúa :Thành

Ơû Việt Nam, lúa gạo là nguồn lương thực chính khôngthể thiếu trong đời sống con người Lúa còn là nguyên liệuđể sản suất tinh bột, sử dụng nhiều trong các ngành côngnghiệp thực phẩm Lúa cũng được dùng làm thức ăn chănnuôi gia súc, gia cầm.

Hiện nay, Việt Nam đang đứng thứ hai thế giới về lượnggạo xuất khẩu trên thế giới, và tiếp tục đẩy mạnh việcxuất 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 phươngpháp nhiệt Kết quả của quá trình sấy là hàm lượng chấtkhô trong vật liệu tăng lên Điều này có ý nghĩa quan trọngvề nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nhằmtăng khả năng bảo quản; đối với gốm sứ làm tăng độbền cơ học, đối với than củi làm tăng khả năng đốt cháy…Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thểtích nên giảm được giá thành vận chuyển

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượngnhiệt để biến đổi trạng thái pha của lỏng trong vật liệuthành hơi Cơ chế của quá trình được diễn tả bởi 4 quá trình

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 từvật liệu ra bề mặt

+ dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách vào môitrường xung quanh.

Bốn quá trình này được thể hiện bằng sự truyền vậnbên trong vật liệu và sự trao đổi nhiệt ẩm bên ngoài giữabề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

Dựa vào phương thức cung cấp nhiệt cho vật liệu người ta chiathiết bị sấy ra ba nhóm chính:

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

đi qua nhưng hạt không lọt xuống được Tác nhân sấy cónhiệt độ cao, độ ẩm thấp được thổi từ dưới lên để đi qualớp vật liệu Với tốc độ đủ lớn, tác nhân sấy nâng các

hạt vật liệu lên và làm cho lớp hạt xáo trộn Quá trình sôinày là quá trình trao đổi nhiệt ẩm mãnh liệt nhất giữa tácnhân sấy và vật liệu sấy Các hạt vật lịêu khô hơn nênnhẹ hơn sẽ nằm ở lớp trên của tầng hạt đang sôi; và ởmột độ cao nào đó hạt khô sẽ được đưa ra ngoài qua đườngtháo liệu.

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 buồngsấy

+ 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:

1: Quạt 4: Thiết bị say 7: Cyclon

2: Calorife 5: Bộ phận nhập liệu

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 năngsuất 5000 kg/h (thành phẩm) Thiết bị được đặt ở thị xã CaoLãnh – Đồng Tháp Với hệ thống thiết bị sấy tầng sôi, chủyếu dùng để sấy thóc đã qua phơi nắng để cho thóc đạt độkhô cần thiết và khô đều hơn, giúp cho việc bảo quản tốthơn, phục vụ cho việc xuất khẩu Do đó ta chọn độ ẩm củathóc trước khi sấy không cao lắm, và độ ẩm sau khi sấythích hợp cho sự bảo quản

Nhiên liệu sử dụng: ta có thể chọn dầu FO để đốtnóng tác nhân sấy (không khí).

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

ω1: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy

ω2: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy

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

d2 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khôsau 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 khỏivật 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 tacó:

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 có các thông số kích thước sau củathóc

- 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: ϕhd = 1,68

- Các thông số khác:

nhiệt dung riêng: C = 1,5 KJ/Kg

hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,09 W/mK

khối lượng riêng rắn: ρr = 1150 Kg/m3

độ xốp: ε = 0,56

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

khối lượng riêng xốp: ρv = 500 Kg/m3

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

W G x 437.5Kg am/h

20,01

13,020,05000

2 1

Năng suất nhập liệu:

G1 = G2 + W = 5000 + 437.5 = 5437.5 Kg/hLượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 giờ:

Gk = G2(1-ω2) = 5000(1 - 0,13) = 4350 Kg/hLượng không khí khô cần thiết để tách 1 Kg ẩm:

am Kg kkk Kg d

d

018,0036,0

11

1 2

h Kgkkk x

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: G2Cvlθ1+CnWθ1

- nhiệt lượng do calorife cung cấp: Qc

Tổng nhiệt lượng vào: LI0+ G2Cvlθ1+ CnWθ1+ Qc

* Nhiệt lượng ra:

- Nhiệt lượng do không khí ra: LI2

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2Cvlθ2

- Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Qm

Tổng nhiệt lượng ra:

2

1 n m vl 1 2 0

2

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 ∆ sẽkhác 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(θ2-θ1)=5000×1,85×(40-27)=120250 KJ/h

am Kg KJ W

Q

5,437

120250

=

=

=Nhiệt lượng hữu ích cần bốc hơi một kg ẩm:

q0 = 2500 + 1,842t2 + Cnθ1

= 2500 + 1,842.45 - 4,18.27 = 2470,03 Kj/Kg ẩm

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 nhiệttổn thất ra môi trường xung quanh bằng 10% của tổng nhiệtlượng

Do đó ta có:

qm=10%(q0 + qvl+ qtn + qm)=415,3 Kj/Kg ẩm

∆ = Cnθ1 - qvl - qm = - 577,06 Kj/Kg ẩm

Ta thấy ∆ < 0, quá trình sấy thực tế sẽ nằm dưới đườnglý thuyết Để xây dựng quá trình sấy thực tế ta dựa vàophương trình:

)

2 I d d

* Cách xác đinh đường sấy thực tế:

Ta cho một giá trị d bất kỳ (d<d2), tính được I2” và xácđịnh được điểm 2” trên giản đồ Nối đường 1-2” cắt đường

45oC ở điểm 2 Đường 0-1-2 xác định như trên chính là đườngsấy thực tế

0

đườ ng sấy thực đường sấy lý thuyết

a) Lượng tác nhân cần thực tế:

h KKK Kg d

d W

0176,00312,0

1878

,41

1 2

L

878,4

67,

Q

5,437

10.75,

Chọn thiết bị sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối códạng tấm được đục lỗ cho không khí đi lên.

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

Nhiệt độ tác nhân vào: t1 = 90oC

Nhiệt độ tác nhân ra: t2 = 45oC

Nhiệt độ tính toán trung bình: t = 67.5oC

Khối lượng riêng: ρk= 1,037 Kg/m3

Độ nhớt động học: νk= 19.75.10-6 m2/sĐộ nhớt động lực học: µk= 20,45.10-6 Ns/m2

Hệ số dẫn nhiệt: λk= 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 k

k

d Ar

ρν

ρρChuẩn số Reynold tới hạn:

2,21075

,11

150Re

1

3 0

3 0

th

εε

εTốc độ tới hạn:

s m d

10.76,2

10.75,19.2,210Re

II- TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI:

Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là: ε = 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 côngthức:

s m g

Ly v

k

k r k

037,1

)037,11150(81,9.10.45,20.200)

(

3

2

6 3

ρ

ρρµHệ số giả lỏng của lúa trong tầng sôi:

33,25,1

5,

Vì nhiệt độ trong buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ trên bềmặt lưới phân phối, nên nhiệt độ của tác nhân ở trên bềmặt lưới phân phối là:

s m t

t v

5,67273

902735,3273

+

+

=+

+

=Tốc độ thực của tác nhân qua lớp giả lỏng:

s m

v

7,0

5,3

=

=

=ε

III- TỐC ĐỘ CÂN BẰNG:

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

Chuẩn số Reynold:

121010

.88,561,018

10.88,561

,018

Re

5

5

=+

=+

=

Ar Ar

Chuẩn số Liasenco:

4,301510

.88,5

1210Re

5

3 3

=

=

=

Ar Ly

Vận tốc cân bằng của lúa:

s m g

Ly v

k

k r k

037,1

)037,11150(81,9.10.45,20.4,3015)

(

3

2

6 3

ρ

ρρµ

Vận tốc chủ đạo của dòng khí qua lưới: vak

Chọn: vak = 2vc = 2.8,65 = 17,3 m/s

IV- THỜI GIAN SẤY:

Độ ẩm tới hạn của lúa là ωk = 13,5% (tính trên cănbản vật liệu khô tuyệt đối: Wk=15,6%), nên quá trình sấylúa từ ω1 = 20% đến ωk = 13,5% là giai đoạn sấy đẳng tốc vàtừ ωk = 13,5% đến ω2 = 13% là giai đoạn sấy giảm tốc

Chuẩn số Reynold:

69910

.75,19.7,0

10.76,2.5,3

ενChuẩn 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

ρν

ρρChuẩn số Nusselt:

34 , 0 0 34

, 0 0 65 , 0 74 ,

0 Re ( ) 4,09

0151,

d

h Fe

05,0.(

09,

.76,2

10.62,10.326,118,0

Tốc độ sấy dẳng tốc:

f J

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

=θr: ẩn nhiệt hoá hơi của nước

r = 2417,7 kJ/kg

h m kg

7,2417

)5,335,67(64,

W

76,16021

,3

156,025,0

1

1 = − = − × =τ

Thời gian sấy giảm tốc:

ph W

W N

14,0149,0

156,0lg3,26021,3

156,0lg

3,2

2

τVậy thời gian sấy vật liệu là:

ph

9,1

2

1+ =

=τ ττ

V- KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ:

a- Lưới phân phối:

Diện tích:

2

3,236005

,3037,1

30172

m v

L F

k k

m

F

πĐường kính lỗ lưới: dựa vào kích thước của hạt vật liệu,để hạt không lọt qua, ta chọn lỗ có đường kính 2,5 mm

Tỷ số tiết diện chảy và lưới:

F

F v

k

ak d

p

v

v F F

Chọn lưới có cách đục lỗ như sau:

F

d p

Bao gồm chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồngphân ly

- Chiều cao lớp giả lỏng:

mm

m h

h

3,73

0733,07,01

56,0105,01

Để đảm bảo chế độ thuỷ động tốt, ta chọn chiều caolớp tầng sôi bằng bốn lần chiều cao vùng ổn định Tức là:

mm h

h=4× 0 =200

- Chiều cao buồng phân ly:

Chiều cao này có thể xác định theo công thức kinhngiệm:

35 , 0 25

, 0 65

, 0

08,0

p pl

v

v F

Fr D

Trong đó:

10.76,281,9

5,3

3,2

Đường kính buồng phân ly: buồng phân ly phải có đườngkính lớn hơn đường kính vùng tầng sôi để đảm bảo việcphân ly được tốt Khả năng phân ly phụ thuộc khá nhiềuvào đường kính buồng phân ly.

Chọn:

m

F D

m F

F

pl pl

p pl

24

99,23,23,13

h h

5,57

50005,03,2

3,2

5,5781,9

m N F

G g P

-ψ : hệ số hàm yếu do lưới có đục lỗ.

495,0

27

5,22272

22

D

d n

C S

495,010.140

25,245187,07,

Chọn: C=1 mm

mm mm

⇒Vậy bề dày lưới là: 2 mm

mm C C

4,564πC: hệ số bổ sungChọn: S=2 mm

+ Điều kiện ổn định:

Ta có:

E K

P S

c×

×

≥πTrong đó:

2

4 /10.6,

E= (môdun đàn hồi)Khi:

25042522

mm E

K

P

c

0885,010.4,19118,0

4,564

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

+ Điều kiện bền:

9,261700

210.4,19118,

K c

σ

vì σ =26,9<σn =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 đặtnằm ngang

Năng suất của vít tải được tính theo công thức:

C s n D

Q=47 2 .ρ.ϕ T/hTrong đó:

D: đường kính ngoài của cánh vít, mn: số vòng quay của trục vít, v/ph Số vòng quay lớnnhất của trục vít có thể xác định theo công thức thựcnghiệm:

D

A

n= v/phA: hệ số thực nghiệm, chọn A=50s: bước vít, s = (0,8 – 1)D chọn s=D, m

ρ: khối lượng riêng của thóc, T/m3 ρ =1150.10-3 T/m3

ϕ: hệ số chứa đầy, đối với thóc ta chọn bằng 0,4C: hệ số tính tới việc giảm năng suất khi vít tảiđặt ngiêng Trong trường hợp này do vít tải đặt nằm ngangnên C=1

C A

Q D

47

2 / 5

ϕρ

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 chọn bằng 1,2

L: chiều dài vít tải, chọn L=2m

η: hiệu suất truyền động của động cơ, chọn bằng0,85

=

⇒N 42W

VIII BỘ PHẬN THÁO LIỆU:

Ở đây ta chọn bộ phận tháo liệu là một ống hìnhtròn, đường kính là 150mm Thóc khi đạt đến độ khô cầnthiết sẽ nổi lên trên và tự động được đưa ra ngoài theo ốngtháo liệu này Sở dĩ thóc có thể tự động ra ngoài là dotính chất đặc biệt của lớp hạt ở trạng thái tầng sôi, lúcnày lớp hạt giống như là một khối chất lỏng và có thể tựchảy ra ngoài

Phần IV TÍNH THIẾT BỊ PHỤ

I CALORIFE

Nhiên liệu sử dụng ở đây là dầu FO Để cho nhiệt độcủa không khí được ổn định khi vào buồng sấy, ta có thểtiến hành gia nhiệt không khí một cách gián tiếp; tức là tadùng dầu để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hoà ở 2atm(1190C), sau đó đưa lượng hơi nước bão hoà này qua thiết bịtrao đổi nhiệt với không khí Ưu điểm của phương pháp nàylà không khí ra khỏi calorife không có bụi bẩn, bồ hóng,thóc sau khi sấy sẽ không bị đen, bẩn thuận lợi cho việcxuất khẩu Ngoài ra nhiệt độ của không khí ổn định sẽ giúpcho quá trình sấy hoạt động ổn định

Như vậy calorife ở đây là thiết bị trao đổi nhiệt, ta chọnthiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, tác nhân đun nóng là hơinước bão hoà ở nhiệt độ 119,60C áp suất 2atm Hơi nướcbão 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 suấtcalorife 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

ν =18,97.10-6 m2/s

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

Chuẩn số Re:

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

65 , 0

Re37

d

α = × =145,6 W/m2K

2 Hệ số cấp nhiệt của hơi nước:

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

25 , 0

13,

r A

n

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

∆t: hiệu số nhiệt độ

w ngưng t t

∆Chọn nhiệt độ tường tw = 1170C

25 , 0 2 3

ρλ

A , trị số A phụ thuộc vào nhiệt độ và trađược trong bảng

A=188 W/m2độ

=

⇒α 4900 W/m2độ

3 Bề mặt truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt tổng quát:

thep caunc caukk

kk

r n r

K

λ

δα

=

11

1

Nhiệt trở của cáu tra theo bảng

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 đikèm để tách bụi ra khỏi tác nhân sấy hoặc để thu hồi sảnphẩm bị lôi cuốn theo Cyclon hoạt động theo nguyên lý lytâm Cấu tạo và kích thước cơ bản của nó được biểu diễntrên hình vẽ sau: