Thủy động học trong quá trình sấy khối hạt đường RS trong máy sấy tầng sôi xung khí

Bài viết trình bày về cơ chế giả lỏng lớp hạt, sự hình thành ra các loại lớp hạt sôi khác nhau khi cung cấp cho lớp hạt sấy một dòng không khí theo hướng vuông góc với lớp hạt ở các giá trị vận tốc khác nhau. Kết quả của nghiên cứu được ứng dụng trong tính toán đối với sấy đường RS bằng máy sấy tầng sôi xung khí.

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh HNKH-16 THỦY ĐỘNG HỌC TRONG QUÁ TRÌNH SẤY KHỐI HẠT ĐƯỜNG RS TRONG MÁY SẤY TẦNG SƠI XUNG KHÍ BÙI TRUNG THÀNH1, PHẠM QUANG PHÚ1 Khoa CN Nhiệt Lạnh, Trường ĐHCN Tp HCM buitrungthanh@iuh.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày chế giả lỏng lớp hạt, hình thành loại lớp hạt sôi khác cung cấp cho lớp hạt sấy dịng khơng khí theo hướng vng góc với lớp hạt giá trị vận tốc khác Kết nghiên cứu ứng dụng tính tốn sấy đường RS máy sấy tầng sơi xung khí Nghiên cứu xác định số thông số liên quan đến thủy động lực học lớp hạt khác Cụ thể trạng thái lớp hạt tĩnh xác định độ xốp khối hạt 0 = 0,44, trạng thái lớp hạt giả lỏng tối thiểu xác định độ xốp khối hạt mf = 0,484, vận tốc khí Vmf = 0,65 m/s Đối với khối hạt sôi xác định độ xốp hf = 0,67, vận tốc khí Vhf = 1,65m/s trạng thái lớp hạt luân chuyển xác định Vcf = 2,1m/s cf = 0,73 Từ khóa: thủy động học, độ xốp khối hạt, vận tốc giả lỏng tối thiểu, Vận tốc giả lỏng hoàn toàn, vận tốc tới hạn HYDRODYNAMICS OF RS SUGAR CANE DRYING IN THE PULSATED FLUIDIZED BED BUI TRUNG THANH1 , PHAM QUANG PHU1 Faculty of Heat and Refrigeration Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City buitrungthanh@iuh.edu.vn Abstract The paper presented the regimes of solid particle fluidization and formation of different fluidized when providing an air stream in the perpendicular direction of a solid particle bed with different air velocity values The results of the study were applied in the calculation for RS sugar cane drying with a modern of pulsed fluidized bed drying The study has defined some of parameters which related to hydrodynamics for different fluidized beds For the the static particle layer, the porosity of the particle bulk (0) was 0.44 At the state of the minimum fluidized bed, the porosity of the particle bulk (mf) was 0.484 and minimum fluidized bed velocity (Vmf) was 0.65 m/s For the homogeneous fluidization bed, the porosity of the particle bulk (hf) was 0.67, the homogeneous fluidization velocity (Vhf) of 1.65m/s has been determined At the circulating particle bed, the terminal velocity (Vcf ) was 2.1m/s and the porosity (cf) of 0.73 were determined Keyword: hydrodynamics, porosity, minimum fluidized velocity, homogeneous fluidization velocity, critical velocity -154- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Bảng ký hiệu A:diện tích ghi phân phối khí,m2; Hcf:chiều cao lớp hạt sơi trâng thái tới hạn,m; Ar: Chuẩn số Archimedes, H0:chiều cao lớp hạt ban đầu,m; 0: Độ xốp khối hạt trạng thái tĩnh Hmf: chiều cao lớp hạt sôi tối thiểu,m; mf: Độ xốp khối hạt trạng thái sôi tối thiểu P:Tổn thất áp suất qua khối hạt N/m2 hf: Độ xốp khối hạt trạng thái sôi Re: Chuẩn số Reynolds cf:Độ xốp khối hạt trạng thái tới hạn, Remf:Reynolds trạng thái lớp hạt sôi tối thiểu dp:hạt vật liệu dạng cầu,m; Rhf: Reynolds trạng thái hạt sơi dm; đường kính trunh bình khối hạt,m dm: hạt tương đương cầu, m; Recf : Reynolds trạng thái sôi tới hạn :cấu tính hạt; V: vận tốc khí qua lớp hạt g: gia tốc trọng trường,m/s ; Vmf: vận tốc khí qua lớp hạt sôi tối thiểu,m/s p:Khối lượng riêng hạt,kg/m ; Vhf: vận tốc qua lớp hạt sơi đều,m/s; b: khối lượng thể tích hạt,kg/m ; f: khối lượng riêng khơng khí,kg/m3; Vcf: vận tốc khí tới hạn m/s; :Đọ nhớt động lực học khơng, Pa.s Qmf -lưu lượng dịng khí qua khối lớp hạt làm lớp hạt hóa lỏng tối thiểu, m3/s mb:khối lượng riêng khối hạt,kg; Qf* -lưu lượng dịng khí lớp sơi trạng thái sơi bất kỳ,m3/s Umf: thể tích khối hạt trạng thái sơi tối W:trọng lực thực khối hạt,N; thiểu, m3 Sh- diện tích bề mặt khối hạt, m2 mp:khối lượng riêng hạt:kg GIỚI THIỆU Kỹ thuật sấy tầng sôi nói chung kỹ thuật sấy tầng sơi xung khí nói riêng xếp vào nhóm cơng nghệ thiết bi sấy đại, số nước có ngành công nghiệp chế biến tiên tiến giới áp dụng dâychuyền chế biến thực phẩm, sản xuất nguyên liệu dược phẩm, sản xuất hóa chất… [1] Bài báo trình bày chế tượng khối hạt rắn giả lỏng dịng khí, ngồi báo cịn đề cập đến tính tốn xác định số thông số liên quan đến thủy động học cho trường hợp sấy hạt đường RS lớp hạt sơi mơ hình máy sấy tầng sơi xung khí có suất 20kg/mẻ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Sự hình thành lớp hạt sơi Dịng tác nhân khí thổi từ đáy lớp hạt vật liệu rời, xuyên qua lớp hạt vật liệu thông qua khoảng trống hạt vật liệu Khi vận tốc dịng khí nhỏ, áp lực tác dụng lên hạt nhỏ, lớp hạt rắn trì nguyên trạng thái tĩnh (packed bed), mô tả đoạn 0A Hình trạng thái lớp hạt biểu diễn Hình 2a, lúc vận tốc dịng khí Vf nhỏ vận tốc khí làm lớp hạt giả lỏng tối thiểu (Vf < Vmf) Tăng vận tốc dòng khí (Vf) lớn dần thêm, lực kéo dịng khí động xuất hiện, ngược chiều với trọng lực hạt làm cho lớp hạt bắt đầu giãn nở thể tích, hạt bắt đầu di chuyển tách rời xa hay cịn gọi lớp hạt chớm sơi (thể hình 2b) Tại thời điểm này, lực ma sát hạt lực dịng khí cân với trọng lượng hạt, thành phần lực nén theo phương thẳng đứng hạt gần kề biến mất, tổn thất áp suất qua mặt cắt lớp hạt xấp xỉ với trọng lượng khơng khí khối hạt buồng sấy hình thành lớp hạt giãn nở (expanded bed) hay cịn gọi lớp hạt giả lỏng tối thiểu (minimum fluidization bed).Vận tốc dịng khí qua khối hạt buồng sấy lúc gọi vận tốc khí làm khối hạt giả lỏng tối thiểu Vf = Vmf (Thời điểm mơ tả điểm A Hình 1) -155- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Tăng vận tốc dịng tác nhân khí (Vf) lên đến trạng thái làm cho tồn khối hạt sấy bùng sơi mãnh liệt, lúc Vf = Vhf, vận tốc dịng khí qua khối hạt phải nhỏ vận tốc tới hạn (Vcf) nghĩa Vf < Vcf Tại thời điểm lực kéo dịng khí hướng lên với trọng lực hạt vật liệu hướng xuống làm cho toàn khối vật liệu hạt lơ lửng dịng tác nhân khí, lớp hạt vật liệu chuyển qua trạng thái sôi (homogeneous fluidization bed) Trạng trạng thái sơi thể Hình 2c Hình giá trị vận tốc khí qua lớp hạt xác định phạm vi từ A-B Hình Đồ thị biểu diễn trạng thái khối hạt giả lỏng sấy tầng sôi truyền thống [2] Ở trạng thái lớp hạt sơi, hạt có khối lượng riêng nhỏ khối lượng riêng lớp hạt bề mặt lớp hạt chúng trồi lên, sụt xuống, hạt có khối lượng riêng lớn chìm xuống đáy lớp[2] Khi tăng vận tốc dịng khí (Vf ) lớn vận tốc tới hạn Vcf (Vf  Vcf), mật độ lớp hạt (hay gọi khối lượng thể tích) tiếp tục giảm, hóa sơi xảy mạnh mẽ, hạt vật liệu tách rời xa Khi vận tốc bề mặt lớp hạt vượt mức, liên kết bề mặt phía lớp hạt biến mất, hạt bị lên khỏi lớp hạt sôi theo dịng lưu chất để ngồi buồng sấy (trạng thái lớp hạt lúc thể Hình 2g) Tại trạng thái lớp hạt bị dịng khí (vị trí C Hình1), trở lực lớp hạt giảm xuống ΔPc < ΔPA (Hình1) Ngay trước thời điểm hạt bị đi, tổn áp qua lớp hạt không ổn định, trồi lên xụt xuống không ổn định (fluctuation)[2] Theo [3] hạt sấy có kích thước hạt lớn, nhỏ khác nên tăng vận tốc dịng khí qua lớp hạt mức giả lỏng tối thiểu (từ A-B-C Hình 1) gây việc hình thành lớp hạt sơi khác gồm: bao gồm: (i)Lớp hạt sơi bọt khí (bubbling bed) hình thành lớp hạt sơi mãnh liệt, Hình 2c;(ii)Lớp hạt sơi hình thành kênh khí nằm ngang lớp hạt (channeling bed), Hình 2d;(iii)lớp hạt sơi hình thành kênh khí dạng nút nằm dọc theo lớp hạt (axial slugging bed), Hình 2e;(iv)lớp hạt sơi theo dịng khí động,Hình 2f a) lớp hạt tĩnh; b-Lớp hạt sôi tối thiểu; c-Lớp hạt sôi bọt, d- Lớp hạt sơi bọt khí kiểu nút nằm ngang e- Lớp hạt hóa lỏng kiểu rối; g Lớp hạt vận chuyển kiểu khí động Hình Các dạng lớp hạt sơi có thay đổi vận tốc dịng khí thổi qua lớp hạt [3] Đặc tính mơ tả trạng thái lớp hạt sấy giả lỏng gọi lớp hạt sôi thể đồ thị đường cong giả lỏng (fluidization curve) Đường cong vật liệu rắn giả lỏng xây dựng theo mối quan hệ tương quan áp suất dịng khí qua lớp hạt vận tốc khí qua bề mặt lớp hạt sơi Theo [2] xây dựng đường cong lớp vật liệu rắn giả lỏng theo kỹ thuât tầng sôi truyền thống thể Hình1 Trong khí -156- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Theo tác trình bày [4] mô tả đường cong giả lỏng máy sấy tầng sơi cấp khí kiểu xung khí dạng đĩa quay trình thể (Hình 3) cho thầy chúng tương tự đường cong tầng sôi truyền thống [2] tại Hình Các đường cong đặc trưng giá trị đỉnh áp suất dịng khí qua lớp hạt sơi làm lớp hạt bắt đầu giãn nở Hình Đường cong tầng sơi với tải khác vật liệu ghi phân phối khí với tần số f = 6,28/s, mật độ hạt A:222 kg/m2; B:159 kg/m2; C:96 kg/m2; D :64 kg/m2[tdo] Hình Đồ thị đường cong cấp khí qua lớp hạt dạng tầng sơi xung khí cấp khí kiểu đĩa quay với tần số 6,28/s với mật độ hạt phân bố khác nhau.[4][5] 2.2 Các thông số thủy động lớp hạt sôi 2.1 Vận tốc áp suất dịng khí làm khối lớp hạt giả lỏng tối thiểu Lớp hạt vật liệu rời sơi (hóa lỏng) nhờ dịng tác nhân khí có độ lớn khác thổi xun qua Khi dịng khí tăng lên mức tối thiểu, khối hạt giãn Hình thành lớp sơi tối thiểu,vận tốc dịng khí gọi “vận tốc giả lỏng tối thiểu hay gọi vận tốc sôi tối thiểu” Vmf, xác định qua PT (1)[2] Vmf = Qmf (1) A Qf * V* = A (2) Trong đó: Qmf -lưu lượng dịng khí qua khối lớp hạt làm lớp hạt hóa lỏng tối thiểu, m 3/s; A- diện tích mặt cắt ngang buồng chứa lớp hạt sấy, m2; V- vận tốc khí điều kiện khác Qf* -lưu lượng dịng khí lớp sơi trạng thái sơi bất kỳ, m3/s Trong điều kiện khác, vận tốc khí qua lớp hạt hay cịn gọi vận tốc bề mặt lớp hạt (superficial velocity) xác định theo PT(2)[2].Thực tế cho thấy vận tốc dịng khí xuyên qua khe hở hạt phải lớn vận tốc tính tốn hạt thành phần cản diện tích mặt cắt ngang buồng chứa hạt khó xác định xác vùng không bị nghẽn tắc biến đổi rộng khắp lớp hạt, xác định vận tốc theo PT(1) PT(2) cách xác định đơn giản Theo [2], hạt cầu có kích thước dp  0,1mm, với điều kiện dịng khí trạng thái có chuẩn số Reynol Re  10 sử dụng cơng thức Kozeny- Carman (PT3) ứng dụng cho dịng khí có tính đền độ nhớt động lực học Vmf = (  p −  f ) gd p2 mf 150 f (1 −  mf ) (3) Theo McCabe, Smith Harriott trình bày [2] hạt hình cầu mf = 0,4-0,45 với hạt có kích thước lớn độ rỗng lấy giá trị lớn chút Trường hợp hạt loại D [6], đường kính hạt dp > 1mm, chịu ảnh hưởng lực quán tính, vận tốc khí làm khối lớp hạt giả lỏng phải tính từ phương trình Ergun (PT4)[7] -157- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Theo [7] Đối với hạt dạng cầu tính theo PT(4) 2 P 150  f (1 −  mf ) Vmf 1, 75(1 −  mf )  f Vmf = + H mf  mf 3d p2  mf3 d p (4) Đối với trường hợp hạt vật liệu rời có hình dạng kích thước phân tán (1 −  mf )  f Vmf + 1,75 (1 −  mf )  f Vmf p = 150 H mf  mf3  mf3  dm ( d m ) (5) Phương trình (4) PT(5) cho thấy tổn áp dịng khí qua lớp hạt sơi phụ thuộc vào kích thước hạt, chiều cao lớp hạt sôi, độ nhớt động lực học khối lượng riêng khícấp vào lớp hạt sấy Về mặt lý thuyết để hạt hóa sơi trọng lượng thực lớp hạt phải cân với lực tác động hướng lên lớp hạt có giá trị trở lực qua lớp hạt ΔP (pressure drop across the bed) nhân với diện tích mặt cắt ngang buồng chứa hạt (ΔP.A) Với lớp hạt giả lỏng tối thiểu, chiều dày lớp Hmf, độ xốp khối (mf), thể tích khối hạt (U) trạng thái sơi tối thiểu có giá trị là: U = (1-mf)A.Hmf (6) trọng lực thực (W) khối hạt có giá trị là: W= (1-mf)(p - f)A.Hmf.g (7) Trong : Hmf -độ xốp khối hạt trạng thái tĩnh trạng thái sôi tối thiểu; mf –độ rỗng khối hạt trạng thái tĩnh trạng thái giả lỏng tối thiểu.A- diện tích ghi phân phối khí đỡ khối hạt sấy Cân hai thành phần trọng lực thực khối hạt lực hướng lên tác động lên khối hạt dịng khí ta có PT(8) ΔP = ( 1-mf)(p - f) Hmf.g (8) Từ PT (4), (5) (8) cho phép ta xác định vận tốc tối thiểu (Vmf) qua lớp hạt sôi tối thiểu có hình dạng khơng cầu qua PT(9) g ( p −  f (1 −  ) ) = 150  f Vmf mf  mf ( d m ) + 1,75  mf3  f Vmf  dm (9) Theo [2] tổn áp qua lớp hạt sơi tính P = m(  p S p )(  p −  f ) g (10) Hay theo [2] tổn áp suất dịng khí ngang lớp hạt sơi xác định PT(11) p = m ( −  f )g p A p (11) Ngoài theo [8], tổn áp qua lớp hạt sơi tính qua PT(12)  f P = g 1 −  p    H mf  p  ( 12) Theo McCabe, Smith Harriott trình bày [8] vận tốc khí làm khối vật liêu hóa lỏng tối thiểu tính theo PT(9) sở tính độ xốp lớp hạt theo thực nghiệm mf = 0,5 Theo Lewis Orchard trình bày [8] vận tốc lớp hạt sơi tối thiểu cịn đưa cơng thức xác định vận tốc tối thiểu dịng khí tạo lớp hạt giả lỏng tối thiểu hạt có hình dạng theo PT(11) Vmf  g (  p −  f )  mf 150 f −  mf  d m2 (11) 2.2 Vận tốc khí làm lớp hạt giả lỏng trạng thái bọt khí Khi tăng vận tốc bề mặt dịng khí (superficial velocity) lớn vận tốc hóa sơi tối thiểu (V mf) hình thành bọt khí chúng dâng lên qua lớp hạt Đầu tiên hình thành bọt khí nhỏ ghi phân phối -158- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh khí Các bọt khí nhỏ có khuynh hướng kết tụ lại với nhau, lớn dần lên lên qua lớp hạt Các bọt khí hình thành có khuynh hướng chiếm chỗ lớp hạt làm lớp hạt giản nở Theo [9] chế độ sơi sủi bọt khí, phạm vi khối hạt sơi khơng tồn gradient nhiệt độ, hình thành đẳng nhiệt lớp hạt sôi bọt Nếu ta gọi (fb) phần thể tích bị chiếm chỗ sinh từ vận tốc trung bình bọt khí Thiết lập cân phương trình thể tích dịng khí qua lớp hạt Vb = fb vb + (1-fb)Vhf (12) Trong vế phải phương trình (12), thành phân thứ (fb vb) lưu lượng khí đơn vị diện tích dịng qua pha bọt thành phần thứ (1-fb)vtt lưu lượng khí đơn vị diện tích qua pha sơi ( hóa lỏng) Lúc ta thiết lập phương trình cân thể tích pha hạt vật liệu Hhf = H0(1-fb) (13) Do có tham gia phần thể tích bọt khí fb, ta thiết lập PT(14) H hf H mf = vb − Vmf (14) vb − Vhf Trong đó: vb- vận tốc bọt khí,m/s; Theo [9] thiết lập cơng thức thực nghiệm xác định vận tốc bọt khí vb = 0,71 g.Db m/s (15) Db- đường kính bọt khí lấy giá trị đường kính hạt cầu có thể tích bọt khí Mặt khác theo Davidson Harrition trình bay [2] thực nghiệm đề xuất phương trình vb = 0,35 g.Dc (15)’ với Dc đường kính ghi chứa lớp hạt sơi ( buồng sấy có dạng hình trịn, sấy tầng sơi mẻ) 2.3 Vận tốc tới hạn khơng khí qua lớp hạt lớp hạt sơi hồn tồn Khi vận tốc dịng khí qua lớp hạt tăng thêm lớn vận tốc sôi bọt đạt giá trị đủ lớn để nâng hạt vật liệu rời đưa ngồi lớp sơi, vận tốc khí lúc gọi vận tốc tới hạn (Vcf) Có giá trị cao Khi sấy vật liệu rời lớp sôi, kỹ thuật sấy phải bảo đảm điều chỉnh vận tốc khí hóa sơi Vf nhỏ vận tốc Vcf Vf < Vcf Tại Hình [2] mơ tả tính chất thủy động lớp hạt sơi theo vận tốc dịng khí, vận tốc điểm C gọi vận tốc tới hạn (Vcf )[2].Đối với hạt có hình dạng kích thước khơng đơng tính thơng qua chuẩn số Re, tính theo đường kính hạt trung bình (dm) đưa dạng hạt tương đương cầu thông qua cầu tính  Re f =  f V f d m  f (16) Theo [2], vị trí (B Hình 1) vận tốc dịng khí qua lớp hạt không cầu chế độ chảy tầng (laminar) Re< Vcf = g ( p −  f ) 18 f −  cf  d m2 (17) Với dịng khí qua lớp hạt chế độ q độ (Transition) 1