Thiết kế máy sấy thùng quay sấy cát năng suất 2000 kgh

Sau đó cần sấy cát tới độ ẩm 2% để tạo sự đồng đều với các nguyên liệu còn lại trong quy trình sản xuất thủy tinhđạt yêu cầu trong khâu cấp phối liệu thủy tinh 2.3 Hệ thống sấy thùng qua

- Năng suất đầu ra: 2000 kg/h

Tác nhân sấy: khói lò

Thông số:

- Nhiệt độ vào: 800 OC

- Nhiệt độ ra : 160 OC

2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về sấy

Quá trình sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường

có tần số cao Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ bền

và bảo quản được tốt

Trong quá trình sấy, nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tán bởi

sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian

Tùy theo quá trình cấp nhiệt cho ẩm mà người ta phân ra các phương pháp sấy khác nhau: Cấp nhiệt bằng đối lưu gọi là sấy đối lưu, cấp nhiệt bằng dẫn nhiệt gọi là sấy tiếp xúc, cấp nhiệt bằng bức xạ gọi là sấy bức xạ Ngoài ra còn có các phương pháp sấy đặc biệt: Sấy trong trường siêu âm, sấy thăng hoa, …

Đối tượng của quá trình sấy đa dạng: bao gồm nguyên liệu bán thành phần và thành phẩm trong các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất và chế biến, thuộc nhiều lĩnh vực kinh tế khác nhau Nói một cách khác, kỹ thuật sấy được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và đời sống

2.2 Tổng quan về nguyên liệu sấy.

Cát là vật liệu dạng hạt nguồn gốc tự nhiên bao gồm các hạt đá và khoáng vật nhỏ và mịn Khi được dùng như là một thuật ngữ trong lĩnh vực địa chất học, kích thước cát hạt cát theo đường kính trung bình nằm trong khoảng từ 0,0625 mm tới 2 mm (thang

Wentworth sử dụng tại Hoa Kỳ) hay từ 0,05 mm tới 1 mm (thang Kachinskii sử dụng tại Nga và Việt Nam hiện nay) Một hạt vật liệu tự nhiên nếu có kích thước nằm trong các khoảng này được gọi là hạt cát

Cát thủy tinh là những loại cát chứa trên 95% SiO2, tạp chất nhuộm màu không lớn, Cátthạch anh được gọi chung là những loại cát chứa trên 98% SiO2 và đến 1,5 % Al2O3 Trong các loại vật liệu dùng để nấu thủy tinh, cát thạch anh chiếm tới 86%, cát cuội 12%, thạch anh 2%

Trong đồ án này, cát được chọn là cát thạch anh Cát thạch anh sau khi khai thác, được đưa qua quá trình tuyển rửa, sau đó li tâm tách nước đến độ ẩm 10% Sau đó cần sấy cát tới

độ ẩm 2% để tạo sự đồng đều với các nguyên liệu còn lại trong quy trình sản xuất thủy tinhđạt yêu cầu trong khâu cấp phối liệu thủy tinh

2.3 Hệ thống sấy thùng quay

Hệ thống sấy thùng quay là một trong các hệ thống sấy đối lưu chuyên dùng để sấy các vật liệu sấy dạng hạt hoặc mảnh nhỏ như hạt ngũ cốc, mì chính, v.v…

 Ưu điểm của hệ thống sấy thùng quay:

- Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy.Cường độ sấy lớn, có thể đạt 100 kg ẩm bay hơi/ mh

- Thiết bị gọn, có thể cơ khí hóa và tự động hóa toàn bộ khâu sấy

 Nhược điểm của hệ thống sấy thùng quay:

- Vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ tạo bụi do vỡ vụn Do đó trong nhiều trường hợp sẽ làmgiảm chất lượng sản phẩm

- Không sấy được các vật liệu dễ vỡ

Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng quay gồm 3 phần chính :

- Hệ thống thông gió thu hồi bụi cuối lò

Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng quay là thùng sấy Thùng sấy là một hình trụ tròn trong đó có đặt các cánh xáo trộn để phân cùng hoặc không Thùng sấy được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang theo tỷ lệ (1/15 - 1/50) trên hai ổ lăn với một cơ cấu chuyển động nhờ bánh răng

Bên trong thùng sấy người ta lắp các cánh để xáo trộn vật liệu làm quá trình trao đổi nhiệtgiữa vật liệu sấy và tác nhân sấy tốt hơn Các đệm ngăn trong thùng vừa có tác dụng phânphối đề các vật liệu đều theo tiết diện thùng vừa làm tăng bề mặt tiếp xúc Cấu tạo của các loại đệm ngăn phụ thuộc vào kích thước vật liệu sấy và độ ẩm của nó

và chặn Chuyển động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ

Không khí

Băng chuyền Than

Quạt

đẩy

Băng chuyền

sang hộp giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộn vật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy

và tác nhân sấy, do đó tăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấydiễn ra triệt để Trong thùng sấy, cát được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy

sẽ đạt được độ ẩm cần thiết Sản phẩm cát sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệu sẽ được băng tải đưa ra ngoài Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồngsấy được đưa vào cyclon lọc bụi Không khí sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môi trường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclon

4 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

4.1 Thông số ban đầu

4.1.1 Kiểu thiết bị sấy

Thùng quay, phương thức sấy xuôi chiều

4.1.2 Điều kiện môi trường

- Đặt thiết bị tại tp.HCM Trạng thái của không khí ngoài trời nơi đây là:

+ Nhiệt độ môi trường: 27.20C

+ Độ ẩm tương đối của không khí: 77%

(STT2-97)

- Hàm ẩm của không khí :

xo = 0,622

Vậy, trạng thái không khí trước khi vào lò đốt

- Nhiệt độ khói vào : 800 ( 168- CNTTXD)

- Nhiệt độ khói ra: 160

Các thông số của nguyên liệu:

Nhiên liệu: khí thiên nhiên có các thành phần sau:

• Hệ số không khí thừa sau quá trình hoà trộn

Do nhiệt độ khói sau buồng đốt rất lớn so với yêu cầu, vì thế trong thiết bị sấythùng quay dùng khói lò làm TNS người ta phải tổ chức hoà trộn với không khí ngoài trời

để cho một hỗn hợp có nhiệt độ thích hợp Vì vậy, trong hệ thống sấy thùng quay người taxem hệ số không khí thừa là tỷ số giữa không khí khô cần cung cấp thực tế cho buồng đốtcộng với lượng không khí khô đưa vào buồng hoà trộn với lượng không khí khô lý thuyếtcần cho quá trình cháy

Để tính hệ số không khí thừa không khí ở buồng đốt và trộn người ta sử dụng phươngpháp cân bằng nhiệt lò đốt than

• Nhiệt lượng vào buồng đốt khi đốt 1 kg khí thiên nhiên

Qv = Q1 + Q2 + Q3 ( kJ )

Trong đó :

Q1 : Nhiệt lượng ktn mang vào ( tính cho 1kg ktn )

Q2 : Nhiệt lượng do không khí mang vào

CCH4=2,483 kJ/kg.độ

CC2H6=1,617 kJ/kg.độ

CN2=1,163 kJ/kg.độ

Lo : Lượng không khí lý thuyết cho quá trình cháy; Lo = 16,66 kg/kg ktn

Io : Hàm nhiệt của không khí vào buồng đốt ; Io = 72,27 (kJ/kg kkk )

α : Hệ số thừa không khí

Q2 = 16,66.72,27α = 1204α (kJ)

c.Nhiệt lượng do đốt 1 kg ktn

Q3 = Q.ηTrong đó :

η : hiệu suất buồng đốt η = 0,9

Q : Nhiệt trị của ktn; Qc = 47395 kJ/kg

→Q3 = 47395.0,9 = 42655,5 (kJ)

→ Tổng nhiệt lượng vào buồng đốt là :

Qv = 42719,96 + 1204α ( kJ )

• Nhiệt lượng ra khỏi buồng đốt và buồng trộn

Qr = Q4 + Q5 + Q6

Trong đó :

Q4 : Nhiêt do xỉ mang ra

Q5 : Nhiệt do không khí mang ra khỏi buồng đốt

Q6 : Nhiệt mất mát ra môi trường

Gkhí : Khối lượng của chất khí trong lò

Ckhí : Nhiệt dung riêng của khói lò

Tk : Nhiệt độ của khói , Tk = 800°C

( Theo T112 – STT2 )

=(10,27 +19,28α) 800

= 8626,8 + 16193,5α

Nhiệt lượng mất mát :

Q6 = Qmm = 5%.Qvào

Qv = Qr

→ 42719,96 + 1204α = 10762,8 + 16235,7.α

→ α = 2.1

QV=45248,36 J

• Trạng thái của khói trước khi vào thùng sấy

Nhiệt độ của khói

42 , 4026 12

42,402612

= 3332.96( bar )

x = 0,622

− ( kg ẩm/kg kkk )

( CT 7.3 – 273 – QTTBT4 )

→ (0,622 0,0827).3332.96

0827 0 1

+

=ϕ

Hàm nhiệt : I1 = 1072.5 ( kJ/kg kkk )

• Trạng thái khói sau khi ra khỏi thùng sấy

I1=I2=1072,5 kJ/kg kkk

Chọn nhiệt độ đầu ra của thiết bị sấy là t2=160 OC

Áp suất hơi bảo hòa

) ( 17 6 160 5 , 235

42 , 4026 12

exp 5

, 235

42 , 4026 12

exp

2

bar t

17 , 6

1 325 , 0 )

622 , 0 (

=

x p

P xbh

4.2 Cân bằng vật chất và năng lượng

Lượng ẩm bay hơi

W=G1.=2000.=163.3 (kg/h)

(CT 2.1- 23- TKHTS, Hoàng Văn Chước)

Lượng vật liệu khô tuyệt đối

G G

G

k

k

/ 1800 )

1 , 0 1 ( 2000

) 1

( )

Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:

L0d1 + G1ω1 = L0d2 + G2ω2

Lượng không khí khô cần thiết

) / ( 96 , 673 0827

0 325 , 0

3 , 163

0 2

d d

Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm:

12,40827,0325,0

11

0 2

L l

(kgkkk/kg ẩm) (7.14-131-TTTKHTS)

Lượng nhiệt cần cho thiết bị sấy lý thuyết

Q0 = L0.(I1-I0) = L0.(I2-I0) =673.96.(1073.5-72,27)= 674788.97 (kJ)

( 7.15-131-TTTKHTS)Nhiệt lượng tiêu hao riêng

2 , 4132 3

, 163

(kJ/kh ẩm) (7.16-131-TTTKHTS)

Cân bằng năng lượng cho sấy thực:[3, p 135]

Nguyên tắc cân bằng nhiệt là nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy phải bằng nhiệt lượng đưa

ra khỏi thiết bị sấy

Trong thiết bị sấy thùng quay, không có sử dụng nhiệt bổ sung và không có thiết bịchuyền tải nên Qbs=0 và QCT=0

Nhiệt lượng đưa vào thiết bị bao gồm:

• Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong calorife: L(I1-I0)

• Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang vào: [(G1-W)CV1+WCa]tV1

 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị bao gồm:

• Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang lại: L(I2-I0)

• Nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu bao che: Qbc

• Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang ra: G2CV2t

Cân bằng nhiệt lượng vào ra thiết bị sấy:

 Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực:

Trong đó:

• QV là tổn thất nhiệt do vật liệu sấy :

 CV là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy: (CT 7.40/141-[3])

 tV1 là nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, ta lấy bằng nhiệt độ môi trường : tV1=t0= 27,2˚C

 tV2 là nhiệt độ cuối của vật liệu sấy khi ra khỏi thiết bị sấy (lấy 90OC):

tV2= 90˚C

→ kJ/kg ẩm

• Nhiệt do vật liệu ẩm mang vào:

kJ/h113,7 kJ/kg ẩm

• Tổn thất nhiệt do kết cấu bao che:

Tổn thất nhiệt do kết cấu bao che Qbc (hay còn gọi là tổn thất nhiệt do môi trường)

Trong đó :Qhi tương ứng là nhiệt lượng có ích để bay hơi ẩm [4]

Áp dụng các công thức đã tính ở phần sấy lý thuyết ta tính được thông số trạng thái của

tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:

Áp suất hơi bão hòa

Độ ẩm tưởng đối:

 Thể tích riêng

) /

( 54 , 1 10 17 6 049 , 0 10 981 , 0

) 273 90

( 288

.

5 5

2

2 2

2

kgkkk m

p B

T v

 Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực Q=918532,161 kJ/h

 Lượng nhiên liệu cần đốt: B=

Thể tích thùng sấy

Vt = , ( m3) (CT VII.50 – STT2-121)

Trong đó :

W : Lượng ẩm bay hơi; W = 163.3 ( kg/h )

A : Cường độ bay hơi ẩm của cát A = 80÷88 kg ẩm/m

.

3

h;

Chọn A = 80 ( kg/m3.h ) ( Bảng VII.3 – 122 – STT2 )

Vt = = 2.11 ( m3

)

5.3 Thời gian sấy

Ta có: .[ 200 ( )

) (

120

2 1

2 1

W W A

W W

=+

t t

m k L n

- m, k : Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh ( chọn cánh loại chia khoang có cánh

nâng) và chiều chuyển động của khí trong thùng; theo ( Bảng VIIA – 122 – STT2 ) ta

có k = 0,7 và m = 1

- τ : Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng quay

11.5.0.9. 5

2,4.7,0.1

tg

n=

→

=3,48 ( vg/ph ) => chọn n=3 (vg/ph)Thời gian lưu vật liệu trong thùng:

+V: lưu lượng của khí ẩm ra khỏi thùng sấy (m /3 h)

⇒V2 =L.v2 =673,96.1,54=1038,2(m3 /h)

⇒ 0.8.(1 0,2) 0.71( / ).

2 , 1038 0188 , 0 ) 1 (

0188 ,

0

2

2 2

2

s m D

V t

6. TÍNH TOÁN KẾTCẤU THIẾT BỊ CHÍNH

6.1. Tính bề dày thùng.

Chọn vật liệu làm thùng là thépCT3

Bảng 4: Các tính chất của vật liệu chế tạo thùng

1 Ứng suất tiêu chuẩn [σ]* N/mm2 Hình 1.1-p15-[12] 140

2 Giới hạn an toàn η Đơn vị p17-[12]-(Bọc cách

5 Khối lượng riêng ρs kg/m3 Bảng XII.7-p313-[8] 7850

 Khối lượng khối vật liệu trong thùng:

Đối với thùng sấy S = (0,005÷0,007)D mm tức là S = (4,5÷6,3) mm Ước lượng bề dày thùng là 6 mm => S = 6 mm, Dng = 0,901 mm

• Ứng suất của vật liệu:[σ] = η[σ]* = 0,901 140 = 133N/mm2(CT1.9-p17-[12])

• Momen uốn của thùng:

Bề dày tối thiểu của thân:

S’<S => thỏa điều kiện bền, chọn S=6mm

• Hệ số bổ sung kích thước: C = C = Ca + Cb + Cc + Co(CT 1.10-p20-[12])

Bảng 5: Các hệ số bổ sung kích thước cho bề dày thùng

thước hiệu

1 Hệ số bổ sung do ănmòn hóa học Ca 0

Đối với vật liệu bền trong môi trường cóđộăn mòn hóa học không lớn hơn 0,05

mm/năm

2 Hệ số bổ sung do bào

mòn cơ học Cb 1 động, va đập trong thiết bị =>Giá trị CDo nguyên liệu là các hạt rắn chuyểnb

chọn theo thực nghiệm

3 Hệ số bổ sung do sailệch khi chế tạo Cc 0,5

Phụ thuộc vào chiều dày của tấm thép

Với thùng bằng thép không gỉCT3 dày 5

• Bề dày thực của thân thùng: S = S + C = 6 + 2 = 8 mm (CT 5.9-p96-[12])

• Kiểm tra cácđiều kiện:(CT 5.41-p106-[12])

Với:

 Ku = 0,135 (Nội suy bảng trang 106-[12])

 Et – Hệ số bền mối hàn tại nhiệt độ làm việc: Et = 1,99.105 N/mm2 (Bảng PL5-p277-[14]

 Thỏa điều kiện

Bảng 6: Các thông số của tác nhân sấy trong thùng sấy.(318 STT2)

6.3. Tính chiều cao lớp vật liệu trong thùng.

 Tỉ lệ chứađầy vật liệu trong thùng:

Trong đó: F1 - Tiết diện ngang của thùng:

Fcđ - Tiết diện chứa đầy:

Do:

 α = 60,5

 Chiều cao chứađầy vật liệu trong thùng:

 Diện tích vật liệu tác dụng lên thùng:

 Khối lượng khối vật liệu trong thùng:

Fc - Bề mặt chứa vật liệu của cánh => Fc = 0,122 DT2 = 0,122 12 = 0,122 m2

Theo các kí hiệu kích thước trên hình của cánh đảo trộn, ta có:

Để giúp máy sấy không bị mất mát nhiệt lớn và đểđảm bảo nhiệt độ bên ngoài máy sấy không quá cao, có thể cho phép công nhân làm việc bên cạnhđược nên ta bọc lớp cách nhiệt cho máy sấy.

 Tính hệ số cấp nhiệt từ dòng tác nhân sấy đến thành trong của thùng (α 1 ).

Ta sử dụng lại Bảng 3 để tính toán.

Re=19614.2 > 104 Dòng tác nhân chảy rối trong thùng sấy Quá trình truyền nhiệt trong thùng xem như quá trình truyền nhiệt trong ống có dòng chảy xoáy rối, có thể bỏ qua sự truyền nhiệt do đối lưu tự nhiên Vậy quá trình truyền nhiệt giữa tác nhân sấy và thành thiết bị là truyền nhiệt do đối lưu cưỡng bức,

 Tính hệ số cấp nhiệt từ thành ngoài của thùng đến môi trường xung quanh (α 2 ).

Do thùng sấy đặt trong phân xưởng sản xuất, quá trình truyền nhiệt từ thành ngoài của thùng đến môi trường xung quanh là quá trình truyền nhiệt do đối lưu tự nhiên (bỏ qua quá trình truyền nhiệt do bức xạ nhiệt) Hệ số cấp nhiệt α2 được xácđịnh một cách

gầnđúng là hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên củaống nằm ngang (vì thùng sấy đặt nằm ngang với góc nghiêng nhỏ α = 40) Theo [8], trong những trường hợp này, các hằng số

vật lý khi tính chuẩn số Nu, Gr lấy theo nhiệt độ trung bình của lưu chấtở xa ống (tức là theo nhiệt độ trung bình của không khí trong môi trường xung quanh)

Bảng 7: Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy.

STT Đại lượng Kí hiệu Giá trị chọn

(m) Vật liệu

Hệ số dẫn nhiệt λ (N/m.K)

Nguồn

1 Bề dày lớpcách nhiệt δ2 0,015 thủy tinhBông 0,04 Bảng PV.1- p271-[6]

Bảng XII.7- p313-[8]

• Đường kính ngoài của thùng sấy:

Dng = DT + 2.(δ1 + δ2 + δ3) = 0.9 + 2.(0,008+ 0,015+ 0,001) = 0,948m

• Chuẩn số Grashof:(CT V.39-p13-[8])

• Chuẩn số Nusselt: (CT V.78-p25-[8])

• Hệ số cấp nhiệt α2: (CT V.135-p41-[8])

 Tính hệ số truyền nhiệt của thùng K.

Hệ số truyền nhiệt K đối với tường hìnhống có chiều dày không dày lắm so với đường kính, khi bỏ qua nhiệt rở của lớp cáu:

 Tính bề mặt truyền nhiệt của thùng F:

• Đường kính trung bình của máy sấy:

• Bề măt truyền nhiệt gồm diện tích xung quanh thùng và diện tích hai mặtđầu của thùng

 Tính nhiệt độ trung bình tác nhân sấy

O C

 Tính nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:

Ta xem quá trình truyền nhiệt từ bên trong thùng sấy qua lớp cách nhiệt, đến môi trường bên ngoài làổnđịnh Lượng nhiệt được truyền chính là lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh Qxq Và lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh khi bốc hơi 1 kg ẩm

qxq chính bằng nhiệt lượng tổn thất qua cơ cấu bao che qbc

• Theo phương trình truyền nhiệt: