Diện tích riêng bề mặt

Một phần của tài liệu Nghiên cứu, đề xuất và cải tiến công nghệ, thiết bị nghiền tinh bột từ ngũ cốc (Trang 28)

Diện tích riêng bề mặt là chỉ tiêu được dùng để đánh giá một cách định lượng về sự phân tán của các vật liệu rời. Là tỉ số của tổng diện tích bề mặt của các phần tử được chứa trong một đơn vị thể tích (m2/m3) hay một đơn vị khối lượng (m2/kg).

Diện tích riêng bề mặt thể tích: Srv =

d

6 (m2/m3) (2.4)

Diện tích riêng bề mặt khối lượng: s =

d

. 6

 (m2/kg) (2.5)

Trong đó: d – đường kính trung bình của các phần tử, (m).  – khối lượng riêng, (kg/m3)

Từ công thức trên cho ta thấy để xác định thể tích riêng bề mặt vật liệu cần thiết phải biết kích thước dài của phần tử vật liệu đó.

2.2.2.2.Mức độ nghiền

Mức độ nghiền còn được gọi là tỷ số nghiền, là tỷ số giữa kích thước của kích thước của hạt đem nghiền với hạt sản phẩm. Các kích thước tuyệt đối, độ hạt của các phần tử có được khi nghiền. Người ta thường sử dụng tỷ số nghiền để đánh giá chất lượng sản phẩm và đánh giá năng lượng.

Vậy theo chỉ tiêu này, nó đã phản ánh chiều sâu quá trình phân tán. Trong trường hợp chung, dung tích năng lượng của quá trình công nghệ nghiền phụ thuộc vào sự gia tăng diện tích riêng bề mặt ∆S của vật liệu. Nghĩa là:

∆S= Sc – Sd (2.6) Trong đó:

11 Sc - diện tích riêng bề mặt của các phần tử vật liệu kết thúc quá trình nghiền;

Sd - diện tích riêng bề mặt của các phần tử vật liệu bắt đầu quá trình nghiền.

Cùng với sự giảm kích thước của các phần tử diện tích riêng bề mặt tăng lên vì vậy mức độ nghiền S là tỷ số diện tích riêng bề mặt củâ các phần tử vật liệu cuối quá trình nghiền và diện tích riêng bề mặt của các phần tử ban đầu.

D C s S S   (2.7)

Theo lý thuyết mức độ nghiền của vật liệu thường được đánh giá qua tỷ số giữa kích thước trung bình D của vật liệu trước khi nghiền và kích thước trung bình của phần tử sản phẩm nghiền:

d D

 (2.8) Mức độ nghiền  là đặc tính cơ bản để đánh giá quá trình nghiền.

Khi nghiền nguyên liệu bằng máy nghiền kiểu búa thông thường thì độ nhỏ của bột nghiền được điều chỉnh bằng sàng đặt trong buồng nghiền.

2.2.3. Các thuyết nghiền

Năng lượng cần để nghiền vỡ hạt ngũ cốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích thước, hình dạng hạt, sự phân bố sắp xếp của hạt, độ bền, độ giòn, sự đồng nhất của hạt, độ ẩm, hình dạng và trạng thái làm việc của máy nghiền. v. v…. cho nên để xác lập mối quan hệ giữa năng lượng nghiền và các tính chất cơ lý của vật liệu nghiền rất quan trọng. Theo thuyết thứ nhất thì vật liệu sẽ bị phá vỡ nếu ứng suất sinh ra trong nó vượt qua sức bền cắt phần tử xuất phát từ lực liên kết giữa các phân tử.

Lý thuyết thứ hai cho rằng để làm nứt vết nứt ban đầu đã có sẵn trong vật liệu thì năng lượng truyền đến vật thể ít nhất cần phải bằng năng lượng tự do trên bề mặt. Năng lượng tự do bề mặt tăng lên cùng với sự tăng tỷ số truyền. Do ứng suất bề mặt làm xuất hiện hiện tượng bám dính mà biểu hiện của nó là đối với quá trình nghiền tinh các hạt vật liệu nhỏ được nghiền đã không nhỏ mịn mà ngày càng thô hơn, dồn cục và dính vào máy nghiền.

2.2.3.1.Thuyết bề mặt

Thuyết bề mặt do nhà bác học người Đức P.Rv. Ritingon đề xuầt vào năm 1867 với nội dung: "Công dùng cho quá trịnh nghiền với bề mặt mới tạo thành của vật liệu đem nghiền".

12  S

f

As   (J) (2.9)

Trong đó: As – Công chi phí để nghiền vỡ vật thể, tạo bề mặt mới, J;

S

 – Diện tích bề mặt mới được tạo thành (sự gia tăng diện tích riêng bề mặt), m2.

2.2.3.2.Thuyết thể tích

Thuyết thể tích được nhà bác học người Nga V.L. Kirpitrev đề xuất vào năm 1874 và được giáo sư người Đức Ph. Kik kiểm tra bằng thực nghiệm trên máy nghiền kiểu búa vào năm 1885. Nội dung cơ bản của thuyết thể tích là: "Công cần thiết để nghiền vật liệu tỉ lệ thuận với mức biến đổi thể tích của vật liệu".

 V f

Av   ; (J) (2.10)

Trong đó: Av – Công chi phí để nghiền vỡ vật thể, J;

V

 – Phần thể tích vật thể bị biến dạng, m3.

Nhưng phần thể tích bị biến dạng V lại tỉ lệ thuận với thể tích ban đầu V của tất cả các cục vật liệu, nghĩa là Vk1.V. Cho nên:

Av = k. k1. V = k2. V = Kv. D3

Hay Av = k2.V = k2m = kv.m (2.11) Trong đó: k1, k2 - Các hệ số tỉ lệ trong các công thức theo thuyết thể tích;

m - Khối lượng cục vật liệu nghiền.

2.2.3.3.Thuyết dung hòa

Hai thuyết diện tích và thể tích như đã nêu cho nên Ph.C. Bon đã đề xuất một thuyết nghiền thứ ba để dung hoà hai thuyết trên vào năm 1952. Nội dung của thuyết dung hoà cho rằng:" Công nghiền tỉ lệ với trung bình nhân giữ thể tích (V) và bề mặt (S) của vật liệu đem nghiền".

Adh = k S.V = k 3 2

. k D

D

kv s (2.12)

Sau khi biến đổi ta nhận được: Adh = kdh   D d 1 1 (2.13)

Sau này còn có công trình nghiên cứu của nhà bác học Nga A.K. Rungbixt (1956) và nhà bác học người Mỹ R. Trarlz (1958). Các nhà bác học này đã giới thiệu phương trình:

dA = -cd z d   (2.14)

13

 – Kích thước đặc trưng (đối với cục vật liệu là D và các phần tử bột nghiền là d), mm;

c và z – các hệ số.

Lấy tích phân phương trình (2.14) và khi cho các giá trị rời rạc z = 1; 2; 3/2 bằng sự tính toán đến giá trị cuối cùng của các kích thước chúng ta sẽ nhận được giá trị gần đúng tích phân có dạng:

A = k. Dq (2.15)

Khi đó chỉ số mũ q có các giá trị 3; 2 và 2,5. Tương ứng với các biểu thức sau: Av = kv. D3 – Thuyết thể tích của Kirpitrev - Kik

As = ks. D2 – Thuyết diện tích của Ritigo Adh =kdh. D2,5 – Thuyết dung hoà của Bon

2.2.3.4.Thuyết tổng hợp

Do ở chỗ thiếu sót của hai thuyết diện tích và thể tích khi dựa vào các tích chất cơ lý của vật liệu nghiền trong biến dạng, viện sỹ người Nga P.A. Rebinder lần đầu tiên vào năm 1928 đã đưa ra thuyết nghiền tổng hợp còn gọi là thuyết ngiền cơ bản với nội dung như sau."Công nghiền vật liệu bao gồm tiêu hao để tạo ra bề mặt mới và công để làm biến dạng vật liệu", và được thể hiện dưới dạng biểu thức sau:

Ath = f(V ) + f(s) (2.16) Trong đó: V – phần thể tích bị biến dạng của vật nghiền;

S – diện tích riêng bề mặt được gia tăng.

Ath = Av + As = k.V + S (2.17) Trong đó: Av – công chi phí cho sự biến dạng của vật liệu;

As – công chi phí cho sự hình thành các bề mặt mới; k – hệ số tỉ lệ;

 – hệ số tỉ lệ có tính đến năng lượng sức căng bề mặt của vật thể cứng.

Từ phương trình (2.17) cho thấy công đầy đủ để nghiền vỡ vật thể bằng tổng công chi phí cho biến dạng lẫn tạo ra bề mặt mới.

2.2.4. Nguyên tắc làm việc của các máy nghiền

Tuỳ thuộc vào nguyên tắc nghiền mà ta có các loại máy nghiền tương ứng.

2.2.4.1.Nguyên tắc phá vỡ tự do

Cấu tạo của máy được trình bày như hình 2.2. Bộ phận làm việc chủ yếu của máy nghiền làm việc theo nguyên tắc này là rô to quay với vận tốc cao tới 35-70 m/s. Do đó

14 động năng E = mv2/2 rất lớn và khi gặp các phần tử hạt đang rơi vào máy tự do thì búa đập vỡ rồi văng các hạt vỡ đó vào thành máy và các tấm sàng. Ngoài ra các hạt khi va đập vào vỏ máy và chà xát vào các tấm sàng cũng vỡ thêm. Loại máy nghiền này có năng suất cao, vạn năng nghiền được nhiều loại nguyên liệu nhưng thích hợp với các nguyên liệu khô dòn hơn. Cấu tạo đơn giản và dễ sử dụng. Máy nghiền hạt chủ yếu dùng nguyên lý làm việc này.

Hình 2.2. Nguyên tắc va đập vỡ tự do

1. Phễu cấp liệu; 2. Rôto; 3. Buồng nghiền; 4. Lưới sàng; 5. Búa nghiền; 6. Chốt treo búa; 7. Má đập phụ.

2.2.4.2.Nguyên tắc cắt nghiền vỡ

Hình 2.3. Nguyên tắc nghiền vỡ

1. Cửa cấp liệu; 2. Trục nghiền.

Áp dụng ở các máy xay kiểu trục cuốn và các máy nghiền khô dầu. Các trục cuốn có rãnh răng khía trên mặt quay với vận tốc khác nhau. Các răng khía kẹp hạt rồi lại nghiến vỡ đồng thời làm chà xát hạt ít nhiều. Các loại máy này có thể nghiền nhỏ hạt ít sinh ra bụi bột. Trong công nghệ nghiền sản xuất bột mỳ người ta hay sử dụng loại nguyên tắc này.

15 Nguyên tắc làm việc này chỉ dùng cho nghiền thô, nguyên liệu nghiền không có dầu. Máy làm việc theo nguyên tắc này còn gọi là máy xay kiểu thớt. Trong đó một thớt quay với vận tốc dài 10-12 m/s, hạt sẽ bị chà xát ở hai khe giữa hai thớt. Loại máy này cũng tương đối vạn năng xay theo nhiều độ nghiền khác nhau nhưng dễ làm nóng vật liệu nghiền và có khi nghiền nhỏ thành bụi bột. Trong công nghệ sản xuất bột siêu mịn bằng phương pháp ướt có thể dùng nguyên tắc làm việc này.

Hình 2.4. Nguyên tắc chà xát vỡ

1. Cửa vật liệu vào; 2. Đĩa quay; 3. Đĩa cố định.

2.2.4.4.Nguyên tắc ép dập vỡ

Áp dụng ở các máy xay có hai trục cuốn nhẵn, quay với vận tốc bằng nhau. Hạt đi vào được kéo vào khe giữa hai trục cuốn rồi được ép dập vỡ ra. Loại này ít dùng.

2.3.Lý thuyết máy nghiền búa

Quá trình nghiền trong máy nghiền kiểu búa là do sự va đập của búa vào phần tử nghiền, va đập giữa các phần tử nghiền vào vỏ máy và do sự chà xát của các phần từ nghiền với búa hoặc thành trong của vỏ máy. Bộ phận gây ra sự va đập là các búa nghiền. Có hai loại máy nghiền búa thường được sử dụng là: Máy nghiên búa kiểu trục ngang và máy nghiền búa kiểu trục đứng. Máy nghiền búa được sử dụng rộng rãi do các ưu điểm của nó như: Máy nghiền búa là kiểu máy nghiền vạn năng có khả năng điều chỉnh bột nghiền một cách dễ dàng; máy có cấu tạo đơn giản, gọn gàng; khối lượng riêng của máy nhỏ; giá thành rẻ; dễ thay thế các bộ phận hư hỏng. So với các loại máy nghiền khác thì nó rẻ hơn từ 1,5- 5,5 lần. Khối lượng máy nhẹ hơn 4,5 lần và chi phí điện năng riêng thấp hơn 1,5-2 lần.

2.3.1. Mô hình toán học mô tả quá trình nghiền

Quá trình nghiền hạt ở máy nghiền kiểu búa được thể hiện qua chỉ số nghiền 

lượng vật liệu được nghiền G và được mô tả bởi mô hình toán học:

nln(t1)

e

(2.18)

16 t – thời gian hạt nằm trong buồng nghiền. (s)

Mô hình toán học đặc trưng cho quá trình động học này có thể viết dưới dạng: G = Go. t t s n e . ) 1 ln(     (2.19)

Trong đó: G0 – số mảnh nguyên liệu có trong buồng khi t = 0, tức thời điểm đầu của quá trình;

G – số mảnh hiện có sau thời gian nghiền;

s – thông số của quá trình sàng.

Bằng thực nghiệm V.R.Aleskin đã tìm được =0,11÷0,12; n= 0,37÷0,06 với xác suất tin cậy 0,95.

2.3.2. Sự tuần hoàn của nguyên liệu trong buồng nghiền

Số vòng tuần hoàn của nguyên liệu trong buồng nghiền đặc trưng cho nguyên liệu đã thực hiện được bao nhiêu vòng tuần hoàn trong buồng nghiền sau thời gian t để có kích thước nghiền theo yêu cầu:

Số vòng tuần hoàn được tính theo công thức

b cl t b cl D q V M D V t K * * . * .     (2.20)

Trong đó: t – Thời gian nghiền, thời gian hạt tồn tại trong buồng nghiền, (s); Vcl – Vận tốc của nguyên liệu trong buồng nghiền, (m/s);

Db – Đường kính buồng nghiền, (m);

Mt – Khối lượng lớp nguyên liệu tuần hoàn, (kg); Q – Lượng cung cấp (kg/s).

Bằng thực nghiện, V.R. Aleskin đã tìm được Vcl = (0.4÷0.5).Vb. Vb – Vận tốc cánh búa.

2.3.3. Khí động của máy nghiền búa

Sự tuần hoàn của nguyên liệu cùng với sự chuyển động va đập của búa gây ra luồng không khí có chuyển động vòng và trượt trên bề mặt sàng, cản trở ngay chính khả năng đi qua lỗ sàng của chính bản thân nó. Luồng không khí thứ hai cùng với lực ly tâm, có tác dụng làm tăng nhanh việc đưa nguyên liệu từ vùng nghiền đi ra khoảng không gian đi qua lưới sàng.

Gọi Fs: thiết diện sống – đặc trưng cho tổng thiết diện của lỗ, m2 Vs = (2÷3): vận tốc luồng không khí qua lỗ sàng, m/s. Thì năng suất máy tương quan đến sự tiêu thụ không khí:

17 Qs = Vs. Fs. Ktd. m3/s (2.21)

Trong đó: Ktd: hệ số thắt dòng ở miệng lỗ.

Bộ phận tạo luồng không khí chuyển động tuần hoàn là trống nghiền, hoạt động đóng vai trò như chiếc quạt ly tâm mà chính những chiếc bú treo trên chốt.

Đặc tính khí động của máy nghiền búa có thể lấy theo đặc tính khí động của quạt ly tâm. Dòng khí qua roto nghiền có thể coi là một trường thế năng lốc xoáy giới hạn bởi vòng tròn có đường kính tính đến đầu của các búa. Khi có lốc xoáy phẳng, dòng xoáy giữa đĩa nghiền sẽ chuyển động theo các vòng tròn đồng tâm O trên trục xoáy lốc. Khi đó, khu vực nào mà các thành phần vr hướng vào trong tâm trống nghiền sẽ là vùng bố trí cửa cấp liệu vào, còn khu vực nào mà vr hướng ra xa tâm trống thì bố trí của thoát liệu.

2.3.4. Các yếu tố cơ học của quá trình làm việc của máy nghiền búa

2.3.4.1.Công biến dạng của một lần va đập

Giả định sự qua đập thẳng tâm không đàn hồi của búa vào hạt, viện sĩ V.P.GORIASKIN đã xác định công cần thiết để phá vỡ vật thể sau một lần va đập.

Nếu gọi:

- m: khối lượng hạt, kg - M: khố lượng búa, kg

- Vb: vận tốc búa trước khi va đập, m/s - A0: động năng của búa trước khi va đập, J - A1: động năng của hạt sau va đập, J - A2: công nghiền vỡ, J

- A3: động năng của búa sau va đập, J Ta có công thức: M m V Vk b   1 , m/s (2.22) Công toàn phần: AA1 A2 (2.23) 2 . 2 0 b V M A  (2.24) 2 . 2 1 k V m A  (2.25) 2 . 2 3 k V M A  (2.26) 3 3 2 1 0 A A A A A A      (2.27)

18 2 ) .(Vb2 Vk2 M A   (2.28)

2.3.4.2.Công biến dạng theo lớp

Công biến dạng của một lần va đập đã được trình bày thông qua các biểu thức biểu diễn động năng của búa và hạt trước và sau khi va đập. Thực tế va đập của búa vào hạt trong máy nghiền là va đập nhiều lần, vì vậy cần phải tính công biến dạng theo lớp.

Để đánh giá các yếu tố cơ học và kết cấu nghiền, chúng ta xác định công biến dạng A01 do búa tác động vào khối lượng nguyên liệu Mt tuần hoàn theo thời gian t:

2 . . 60 . . 2 01 bl tV M n t z A  (2.29)

Trong đó: z – số búa lắp trên roto;

t – thời gian hạt tồn tại trong buồng nghiền, s; n – số vòng quay của trống, v/ph;

Vbl – vận tốc cánh búa đối với nguyên liệu, m/s;

Nếu thể hiện công thức trên với Mt qua các thông số của vật liệu và buồng nghiền, ta có: 120 . . . . . . . . . 2 01 bl cl V h B D n t z A    (2.30)

Trong đó: D, B – đường kính và chiều dài trống, m; hcl – chiều dày lớp nguyên liệu, m; ρ – khối lượng riêng của hạt, kg/m3;

Một phần của tài liệu Nghiên cứu, đề xuất và cải tiến công nghệ, thiết bị nghiền tinh bột từ ngũ cốc (Trang 28)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(135 trang)