Nội dung bài báo trình bày cách xác định đường kính trung bình của hạt đường cát RS bằng phương pháp sử dụng rây tiêu chuẩn và sử dụng kết quả cầu tính đã được công bố để xác định được đường kính trung bình của hạt đường RS có kích thước dh=820um và diện tích trao đổi nhiệt, ẩm ah = 2,715.10-6 m2 .
Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh HNKH-18 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THƠNG SỐ HÌNH HỌC CỦA HẠT ĐƯỜNG CÁT RS ỨNG DỤNG TRONG SẤY TẦNG SƠI XUNG KHÍ BÙI TRUNG THÀNH1, PHẠM QUANG PHÚ1 Khoa CN Nhiệt Lạnh, Trường ĐHCN Tp.HCM buitrungthanh@iuh.edu.vn; phamquangphu@iuh.edu.vn Tóm tắt Trong tư nhiên công nghệ chế biến, hạt vật liệu rời thường có hình dạng bất kỳ, kích thước hạt thường khơng đồng nhất, dẫn đến khó khăn việc tính tốn truyền nhiệt, truyền khối , khó khăn việc tính tốn sấy hạt vật liệu rời lớp hạt sôi Để giải vấn đề thực tiễn này, người ta phải xem xét đưa hạt vật liệu rời dạng tương đường hình cầu thơng qua xác định đường kính hạt kết hợp với xác định cầu tính hạt Nội dung báo trình bày cách xác định đường kính trung bình hạt đường cát RS phương pháp sử dụng rây tiêu chuẩn sử dụng kết cầu tính cơng bố để xác định đường kính trung bình hạt đường RS có kích thước dh =820m diện tích trao đổi nhiệt, ẩm ah = 2,715.10-6 m2 Từ khóa: vật liệu rời, đường kính trung bình hạt, cầu tính hạt, hạt tương đương cầu diện tích hạt EXPERIMENTAL STUDY DETERMINES THE GEOMETRICAL PARAMETERS OF RS SUGAR CANE PARTICLES TO APPLY IN PULSED FLUIDIZED BED DRYING BUI TRUNG THANH1, PHAM QUANG PHU1 Faculty of Heat and Refrigeration Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City buitrungthanh@iuh.edu.vn; phamquangphu@iuh.edu.vn Abstract In nature as well as in processing technology, the bulk solid material are usually arbitrary, the particle size is often not uniform These properties lead to calculated difficulty of heat transfer and mass transfer and difficulty in calculation of drying these particles in a fluidized bed To solve this practical problem, one must consider and get these bulk solid particles into the spherical equivalent by determining the mean diameter of the particle combined with the sphericality of there particles The article scope presents the experiment method to determine the average diameter of the RS grains by using a standard sieve set and used the published sphericity of particle to determine the average diameter of a RS sugar particle is 820m and the mean area of a particle is 2,715.10-6 m2 Keywords: bulk solid particle, particle diameter, spherical particle, surface area of a particle fluidized bed drying GIỚI THIỆU Ngày kỹ thuật sấy khối hạt vật liệu rời tự nhiên, sau sơ chế lớp hạt sôi xem số phương pháp sấy đại cho chất lượng sản phẩm sấy cao hẳn phương pháp sấy thông thường khác Kỹ thuật sấy lớp hạt sơi nói chung ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất vật liệu dược, hóa chất, thực phẩm Để sấy khối hạt lớp hạt sơi trì q trình sơi, u cầu phải cấp dịng tác -173- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh nhân khí vào lớp hạt đạt để hạt sấy phải đạt giá trị vận tốc cân (Vcb) hay cịn gọi vận tốc sơi tối thiểu (minimum velocity), từ vận tốc sôi tối thiểu này, tiếp tục xác định vận tốc sôi hợp lý để bảo đảm cho q trình sấy hạt lớp sơi đạt trạng thái, để hạt sấy đạt chất lượng tốt, tiết kiệm lượng cho quạt cấp khí lượng nhiệt Để xác định vận tốc khí cấp cho hạt sấy sơi tối thiểu, u cầu cần phải thực bước xác định xác kích thước hạt sấy (dh), từ kích hạt sấy (dh) xác định cho phép tính diện tích bề mặt truyền nhiệt, truyền ẩm hạt sấy lớp hạt sôi Từ suất yêu cầu sấy tính chiều dày lớp hạt sấy, từ cho phép tính tốn trở lực dịng khí qua lớp hạt sấy, tính tốn cơng suất quạt cấp khí cơng suất cấp nhiệt… Phạm vi báo, tác giả trình bày phương pháp xác định đường kính trung bình hạt đường RS sau ly tâm làm khơ, tính diện tích xung quanh hạt đường để ứng dụng cho sấy lớp hạt sơi cấp khí kiểu xung VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Cơ sở lý thuyết Thực xét khối hạt vật liệu để trạng thái tự nhiên, hạt vật liệu ln chịu lực hấp dẫn, chúng ln dính lẫn chúng chịu giá trị trọng lực Để hạt khối hạt giãn chúng chuyển sang trạng thái linh động cần phải tác động vào khối hạt dịng khí có giá trị vận tốc tối thiểu Vtt (m/s) hay gọi vận tốc cân [1] (Nguyễn văn Lụa 2005) Vtt = Vcb = g.d h ( h − kk 3.Cd kk (1) Trong đó: dh - đường kính hạt, m; h - khối lượng riêng hạt, kg/m3; kk – khối lượng riêng khơng khí,kg/m3; C d hệ số trở lực môi trường Theo JR Howard 1989 [2] Cd = Cd = 24 Re p 10 Re p cho trường hợp Rep 103 dòng chảy rối (turbulent flow in voids) 10 < Rep < 103 dòng chảy khí qua phần rỗng hạt theo dịng chảy độ (Transition to turbulent flow in voids) Như hạt vật liệu rời có dạng hình cầu thông số hạt dễ dàng xác định biết đường kính hạt Thực tế tự nhiên sản xuất, quy trình cơng nghệ lại tạo hạt cầu, hầu hết hạt có hình dạng Do bắt buộc tính tốn người ta phải quy kích thước hạt kích thước trung bình, tính tốn đường kính hạt dựa hệ số cầu tính [2] Theo [2] hạt khơng có dạng hình cầu, xem hạt tương đương cầu khí xác định “cầu tính “ theo [2], tính cầu hạt thể công thức (4) dientichkhoicaucungthetichvoihat (5) dientichbematcuahat Theo [1] lại đưa khái niệm hệ số hình dạng hạt ký hiệu K xác định theo công thức = -174- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh d k = h = 0, 207ah vh−2/3 dV Trong đó: dh, dv – đường kính tương đương hạt cầu theo diện tích mặt theo thể tích, m; ah diện tích xung quanh hạt, m2; vh thể tích hạt, m3; vh – thể tích hạt m3 đường kính hạt (di)khí quy hạt cầu sử dụng công thức di = 1, 24.K vh (6) (7) Trong đó: K hệ số hình dạng hạt, vh thể tích hạt m Bảng Hệ số hình dạng hạt tự nhiên công nghệ chế biến [1] Hình dạng hạt K Trịn 1,3 Góc cạnh 1,52 Dài kim 1,72 Bản mỏng 2,33 d h3 Theo [2] thể tích hạt khơng phải hình cầu cầu (vh) tính: vh = (8) dh định nghĩa đường kính hạt cầu có thể tích với hạt Như diện tích bề mặt ah hạt tính theo PT (9): ah = d h3 Sv (9) đó: Sv định nghĩa tỷ số diện tích bề mặt hạt thể tích hạt = Do tính cầu hạt tính theo phương trình (10): d h Sv (10) Theo [2] tiêu chuẩn Anh BS 4359 cung cấp giá trị đo diện tích bề mặt hạt thể tích hạt (Sv) cho số loại hạt Phần lớn hạt thơng thường có cầu tính nằm khoảng từ 0.6 – 0.95 Việc đo diện tích bề mặt hạt yêu cầu phải có thiết bị thực phịng thí nghiệm Bảng bên cầu tính số hạt điển hình tự nhiên chế biến Bảng Cầu tính số hạt tự nhiên công nghệ chế biến [1] Loại hạt Cát Than (nghiền) Bột micaMica flakes) Cầu tính 0,92-0,98 0,8-0,9 0,28 Loại hạt Hạt nhơm (Alumina) Hạt xúc tác (Catalysts) Đá vơi (Limestone) Cầu tính 0,3-0,8 0,4-0,9 0,5-0,9 Trên sở liệu có cầu tính hạt kết hợp với việc xác định đương kính hạt mà báo sử dụng phương pháp sàng (rây) ta thực xác định thơng số hình học hạt đường RS dù chúng có hình dạng Việc xác định thực sau: Lấy lượng nhỏ khối hạt vật liệu tiến hành thực phân loại kích thước qua hệ thống sàng rây, phần khối lượng mẫu giữ lại kích thước lỗ rây, xi, sau tiến hành cân đo mẫu, liệu xử lí theo phương trình xác định kích thước trung bình hạt [2]: d m = ( ( xi / di ) ) −1 (11) đó: di trung bình cộng kích thước hai lỗ kề rây, mm, xi tỷ số lượng hạt lại rây khối hạt mẫu lấy phân tích Đối với hỗn hợp hạt nhiều kích thước khác tính tốn thiết kế để sấy lớp sơi phải quy kích thước khối hạt kích thước trung bình dm sở xác định từ khối hạt mẫu cho trước giá trị Sv (diện tích bề mặt chia cho thể tích) tính từ kích thước trung bình hạt xem hỗn hợp hạt tạo từ hạt cầu ni số hạt có kích thước di hỗn hợp hạt -175- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh d3 d4 d5 d6 m1 m2 m3 m4 m5 m6 d1 d2 kích thu?c l? h?ng kích thu?c l? h?ng d1 d2 d3 d4 d5 d6 m1 m2 m3 m4 m5 m6 Hình Phân tích kích thước khối hạt vật liệu sàng tiêu chuẩn Vs = ni d i3 s? rung d?ng s? rung d?ng Và diện tích bề mặt khối hạt tính theo As = (nid i2 ) n Và khối lượng khối hạt có kích thước di tính: xi = i ( / ) di3 Vs Khi thể tích khối hạt tích Vs tính theo xi ni d i2 = di 6Vs Lúc ta lập tỷ số (12) (13) (14) (15) Nếu ta gọi nm số hạt có kích thước trung bình dm cần có để tạo lớp vật liệu tích Vs diện tích bề mặt khối hạt As, tỉ số diện tích bề mặt thể tích bề mặt, Sv tính: nmd m A = (16) Sv = s = N m ( / 6)d m d m Vs Nếu cộng vế phương trình (13) với tất số thứ i so sánh với phương trình (11) phương trình (14) ta có giá trị: x A −1 (17) di = n ni di2 ( 6Vs ) = 6Vs i s Trong bề mặt cho trước khối cầu ln chiếm thể tích lớn nhất, kích thước lỗ sàng hình cầu có kích thước di diện tích bề mặt di2 Đối với “hạt khơng cầu”có đường kính ước lượng di xác định rây tích gần với thể tích khối cầu có đường kính di Cụ thể vh= d i3 / Tuy nhiên, từ định nghĩa cầu tính hạt phương trình (5) diện tích bề mặt hạt theo [2] tính theo phương trình (18) di2 (18) ah = ( ( )) Với hỗn hợp hạt khơng phải hình cầu đường kính hạt tính theo phương trình (19) d h = ( ( xi / di ) ) −1 Hay dh = .dm Trong đó: dh- đường kính hạt, m; dm đường kính trung bình hạt, m; cầu tính hạt (19) (19)’ Dụng cụ thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành với dụng cụ sau: − Ống nghiệm có thang chia vạch − Cân tiểu ly kỹ thuật số hiệu Ohaus PA214 độ nhạy 0,0001g − Bộ sàng thí nghiệm tiêu chuẩn Haver & Boecker nhập từ Cộng hòa Liên bang Đức có kích thước lỗ 0,25 mm – 1,5 mm -176- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình Các dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm xác định kích thước hạt đường RS KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Xác định kích thước hình học hạt đường RS ứng dụng sấy lớp sơi xung khí Xét cho trường hợp xác định kích thước hạt đường cát RS sau công nghệ ly tâm đường từ nhà máy đường Casuco (Cần Thơ) có khối lượng thể tích b = 889 kg/m3 (giá trị nhóm tác giả thực thí nghiệm Theo [5] khối lượng thể tích hạt đường RS là 833-880 kg/m3 đường có đường kinh hạt 0,2mm- 0,85mm khối lượng riêng 1579kg/m3 Tiến hành lấy ngẫu nhiên khối hạt đường RS bao đem cân lượng mẫu có khối lượng 100 gam Sử dụng rây có dãy kích thước lỗ rây thứ tự từ 0,5 mm – 1,5 mm thực rây phân loại kích thước sau tiến hành cân từng khối hạt cịn nằm rây (hạt khơng cịn lọt xuống được) thực phép tính để tìm kích thước lỗ sàng rây trung bình di giá trị xi cách tính họa cho trường hợp kích thước trung bình sàng rây thứ thứ thể sau: x1 = 2,1411/ 100 = 0,022 (1500 + 1200) = 1350m Tiến hành lỗ rây trung bình cuối có kết trình bày Bảng d1 = Bảng Kết xác định đường kính trung bình hạt đường RS sử dụng sấy tầng sơi xung khí Cỡ rây (m) Kích thước lỗ rây trung bình di (mm) 1500 mẫu m1 (g) mẫu m2 (g) mẩu m3 (g) 0 xi1 xi2 xi3 xi1/di xi2/di xi3/di 0 0 1,564.10-5 1,482.10-5 1200 1350 2,1411 2,0987 1,9977 0,022 0,021 0,020 1,597.10-5 1000 1100 20,5723 21,2014 18,105 0,207 0,213 0,181 1,883.10-4 1,939.10-4 1,648.10-4 800 900 63,944 62,1994 63,0042 0,644 0,626 0,631 7,152.10-4 6,951.10-4 7,010.10-4 600 700 11,6466 11,511 13,9175 0,117 0,116 0,139 1,675.10-4 1,654.10-4 1,991.10-4 400 500 1,0352 2,4088 2,8361 0,010 0,024 0,028 2,084.10-5 4,846.10-5 5,680.10-5 300 350 0 0 0 0 1,108.10-3 1,119.10-3 1,137.10-3 Tổng 99,3392 99,4193 99,8605 -177- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Sử dụng phương trình (18) tính kích thước hạt trung bình dm sau lần thực nghiệm, xác định giá trị trung bình hạt đường Rs có giá trị dm= 1/1,121.10-3 hay dm = 892m Lấy mẫu đường RS nguyên liệu ngẫu nhiên bao đường nguyên liệu khác thực thí nghiệm xác định đường kính trung bình hạt nằm khoảng 892m với kết sai số lần < 3%, chấp nhận Trên Bảng giá trị d1, d2…di tính theo kích thước trung bình lỗ rây kề Cần lưu ý kích thước lỗ rây có giới hạn trường hợp hạt có hình dạng khơng vượt qua lỗ tới lỗ đường kính lớn thứ hai mặt phẳng lỗ; chẳng hạn xét hạt dài, mỏng so sánh với hạt cầu Đường kính lớn thứ hai khơng đường kính dh định nghĩa cơng thức (18) dh đường kính hạt khối cầu có thể tích với hạt [2] Tính tốn xác định đường kính hạt diện tích bề mặt hạt đường RS Ưu phương pháp sấy vật liệu rời lớp sôi so với loại phương pháp sấy khác hiệu suất truyền nhiệt, truyền ẩm cao tác nhân sấy tiếp xúc bao quanh tồn diện tích bề mặt hạt sấy, đặc biệt phần lượng nhiệt sấy dùng để làm gia nhiệt hạt sấy giai đoạn sấy [6] Như vấn đề xác định diện tích bề mặt hạt sấy xác định diện tích trao đổi nhiệt trao đổi ẩm khối hạt lớp sơi có ý nghĩa việc xác định động học trình sấy Từ phương trình (16) ta xác định đường kính hạt đường RS có thêm giá trị cầu tính thừa nhận giá trị cầu tính hạt nằm nhóm hạt cát bảng có giá trị d h = d m = 0,92.0,892 = 0,820mm Diện tích bề mặt hạt đường RS khơng phải hình cầu có đương kính di theo kích thước lỗ sàng di xác định theo phương trình (18) với cầu tính hạt thừa nhận theo [2] = 0,92 ta xác định diện tích hạt đường RS có giá trị là: 3,14.(820.10−6 )2 = = 2, 295.10−6 m 0,92 Khối hạt đường RS cấp vào buồng sấy tầng sơi cấp khí kiểu xung gồm hỗn hợp hạt có kích thước khác nhau, hình dạng giống nhau, tổng diện tích bề mặt hạt, As theo [2] tính theo phương trình As = (n d ) i i (20) So sánh phương trình (20) với phương trình (13), cho kết quả: As = 6Vh d m (21) Tính cụ thể cho máy sấy lớp sơi xung khí suất 500kg/ mẻ có lượng đường RS thường xuyên có ghi phân phối khí để thực trao đổi nhiệt trao đổi ẩm 500 kg Công nhận kết đường kính trung bình hạt đường RS cầu tính hạt đường RS = 0,92, khối lượng thể tích khối hạt đường RS b = 889 kg/m3 Ta tính tổng diện tích bề mặt khối hạt sấy.Thể tích khối hạt xét m 500 = 0,562 m3 v 889 Vậy diện tích bề mặt trao đổi nhiệt khối hạt đường RS sấy lớp sơi xung khí kiểu sấy mẻ xác định theo công thức 19: 0,562m3 As = = 4472, 4m 0,92 820.10−6 m Diện tích trao đổi nhiệt thường xuyên khối lượng đường RS ghi phân phối khí tương đương với diện tích xung quanh nhà tầng lầu tiêu chuẩn TP Hồ Chí Minh có kích thước sàn xây dựng m x 17 m cao 54 tầng (178m) Vh = = -178- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Lụa, Khuấy, lắng lọc, Quá trình thiết bị học, Nhà xuất Đại học Quốc gia, TP Hồ Chí Minh, trang 76-78 trang 84, 2005 [2] Howard.J.R Fluidized bed Technology, principles and application, Publisher Taylor & Francis Group Date, 1989 [3] British standar BS 4359-2, Determination of the specific surface area of powders Recommended air permeability methods, p 24,1982 [4] Allen Terence, Particles size measurement, Springer puplishing house, 1981 [5] William J Colonna Upasiri Samaraweera Margaret A Clarke Michael Cleary Mary An Godshall J S White, Sugar, Properties of Sucrose, Wiley Online Library, DOI: 10.1002/0471238961.1618151603151215.a01.pub2 [6] Kudra, T., & Mujumdar, A S., Advanced drying technologies CRC Press, 2009 -179- ... có cầu tính hạt kết hợp với việc xác định đương kính hạt mà báo sử dụng phương pháp sàng (rây) ta thực xác định thơng số hình học hạt đường RS dù chúng có hình dạng Việc xác định thực sau: Lấy... LUẬN Xác định kích thước hình học hạt đường RS ứng dụng sấy lớp sơi xung khí Xét cho trường hợp xác định kích thước hạt đường cát RS sau công nghệ ly tâm đường từ nhà máy đường Casuco (Cần Thơ)... xác định đường kính trung bình hạt đường RS sau ly tâm làm khơ, tính diện tích xung quanh hạt đường để ứng dụng cho sấy lớp hạt sơi cấp khí kiểu xung VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Cơ sở lý thuyết Thực