Sụt áp ngang qua lớp, ∆P, vẫn khơng đổi (thậm chí ngay khi vận tốc của lưu chất tăng thêm nữa) và bằng với trọng lượng thực tế của lớp trên đơn vị diện tích.
Khi thiết bị vận hành ở áp suất mà có thể so sánh được với áp suất khí quyển, thì việc so sánh rkvà rhcó thể bỏ qua. Khi vận tốc khí, vk, tăng quá mức cần thiết để hóa sơi lớp, nghĩa là tăng q vận tốc hóa sơi tối thiểu vtt, thì lớp bắt đầu hình thành bọt khí. Trường hợp này gọi là tầng sơi kết hợp. Nếu vận tốc khí tăng q mức (thừa) thì bọt khí sẽ phát triển lớn đến nỗi các bọt này gần như hay hoàn toàn lấp đầy mặt cắt ngang của ống thúc đẩy hình thành các hạt nút kín tạo nên tầng nút kín.
Nếu lưu chất nặng hơn (chẳng hạn khí ở áp suất tĩnh cao), hay là nếu vật liệu thì mịn hơn (20 – 100 µm) (1) và nhẹ hơn (< 1400 kg/m3) (2), thì lớp có thể duy trì một mức độ giãn nở ổn định được gọi là tầng sơi hạt. Lớp cịn duy trì trạng thái ổn định cho đến khi nào vttbị vượt qua bởi yếu tố 1 hay 2. Ngược lại khi sử dụng khí để hóa sơi thì lớp sẽ sụt hay tái hình thành bọt khi vận tốc khí tăng thêm nữa. Tầng sơi lỏng tiếp tục giãn nở ổn định khi vận tốc tăng, kết quả là chế độ khơng hình thành bọt khí được gọi là tầng dừng (tầng lặng).
Hình 1.22 Các chế độcủa tầng sôi
Với các loại bột (vật liệu) mịn hơn, nhẹ hơn và dính kết thì rất khó hóa sơi tồn bộ vật liệu bởi vì lực liên kết nội phân tử của vật liệu thì lớn hơn trọng lực. Vật liệu có xu hướng dính vào nhau và khí đi xun qua lớp thơng qua các kênh.
1.4.5.4. Các phương pháp xác định tổn áp của dịng khí qua lớp hạt a. Tổn áp qua lớp hạt tĩnh
Khi dòng khi đi xuyên qua lớp hạt trạng thái tĩnh dưới dạng chảy tầng (laminar flow) thì trở lực qua lớp hạt tĩnh có hình dạng bất kỳ được tính theo cơng thức của Blacke–Kozeny,
(1.33) Trong đó: DPt – Trở lực qua lớp hạt tĩnh, N/m2
45
k1 – Hằng số thực nghiệm, khơng thứ ngun vt – Vận tốc dịng khí qua lớp hạt tĩnh, m/s H0 – Chiều cao lớp hạt trạng thái tĩnh, m e0 – Độ rỗng lớp hạt ở trạng thái tĩnh
Trong nhiều thực nghiệm Blacke – Kozeny đã xác định k = 150. Phạm vi sử dụng của công thức Blake – Kozeny là khi Re < 10 và độ rỗng lớp hạt trạng thái tĩnhe0= 0,5 khi đó hệ số Reynolds (Ret) tương ứng được tính:
(1.34) Trường hợp tác nhân khí qua lớp hạt tĩnh có hình dạng bất kỳ chế độ chảy quá độ (Intermediater flow) Ergun đã đưa ra cơng thức tính trở lực qua lớp hạt tĩnh bằng tổng của trở lực dòng chảy lớp và dòng chảy rối.
(1.35)
b. Tổn áp qua lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu
Tiếp tục tăng vận tốc khí qua lớp hạt lên đến trạng thái mà lớp hạt bắt đầu giãn nở, lúc này độ rỗng của lớp hạt chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái bắt đầu giả lỏng (hóa sơi)ett= e0.n và lúc này tổn áp qua lớp hạt trạng thái sơi tối thiểu (tại vị trí A, hình 1.18) có thể biểu diễn bằng phương trình (1.36), tức là tổn áp của dịng tác nhân khí qua lớp hạt bằng với trọng lượng của lớp hạt trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang thì lớp hạt bắt đầu giãn nở,
(1.36) Trong đó: Htt – Chiều cao lớp hạt sơi tối thiểu, m
Hsb – Chiều cao lớp hạt sơi bọt khí, m
ett – Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu eb – Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi bọt
Áp suất không đổi suốt từ trạng thái lớp hạt sôi tối thiểu đến trạng thái sơi hợp lý (từ A –B hình 1.18). Trong cách tính tổn áp qua lớp hạt bằng phương trình trên chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng riêng của loại hạt và độ rỗng của hạt trạng thái sôi tối thiểu.
Trong khi đó Ergun lại đưa ra phương trình tính tổn áp của dịng khí đi qua lớp hạt có hình dạng bất kỳ ở trạng thái sơi tối thiểu bằng phương trình:
(1.37) Trong đó: ΔPtt – Trở lực của dịng khí qua lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu, N/m2
dh – Đường kính trung bình của hạt vật liệu, m Htt – Chiều cao lớp hạt, m
ett – Độ rỗng của lớp hạt trạng thái sơi tối thiểu
vtt – Vận tốc khí bề mặt đi qua lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu, m/s mk – Độ nhớt động học của dòng khí, N.s/m2
j – Cầu tính của hạt
Để có thể sử dụng phương trình trên, độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu,ettphải được xác định.
Theo [14]để lớp hạt chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái bắt đầu giả lỏng, áp suất dịng khí phải đủ lớn thắng được trọng lượng của lớp hạt và áp suất dịng khí được xác định theo:
(1.38) Trong đó: M – Khối lượng của hạt trên ghi, kg
rh – Khối lượng riêng của hạt, kg/m3 rk – Khối lượng riêng của khí, kg/m3
A – Diện tích mặt cắt ngang chứa lớp sơi, m2 g – Gia tốc trọng trường, m/s2
Trong phương trình này xem như khơng có lực tương tác giữa các hạt, lực tương tác giữa hạt và vách buồng sấy. Do khơng có sự suy giảm năng lượng nên khơng gây ra các va chạm, không gây hiệu ứng làm tăng tổn áp của dịng khí qua lớp hạt. Tổn áp sẽ khơng đổikhi vận tốc khí tăng lên từ vận tốc hóa sơi nhỏ nhất đến vận tốc mà tại đó bắt đầu có sự cuốn hạt xảy ra (từ vị trí A đến vị trí C hình 1.8). Khi tốc độ dịng khí càng lớn thì độ rỗng lớp hạt càng lớn và chiều cao lớp hạt sơi càng lớn. Tại thời điểm hạt hóasơi thì ett> e0 và Htt> H0và giá trị của chúng trong tính tốn giá trị lấy tăng thêm 10% [16].
c. Tổn áp qua ghi phân phối
Tổn áp trong buồng sấy là tổng áp của thành phần trở lực qua lớp hạtDPbvà trở lực qua ghi phân phối khíDPppk
DP = DPb + DPppk (1.39)
Thực tế là trước khi dịng khí đi vào được lớp hạt phải đi qua ghi phân phối khí và tổn áp khi dịng tác nhân khí đi qua ghi phân phối khí kiểu dạng đột lỗ (perforated plate) được tính theo phương trình:
DPppk = DPh (1,8 –0,035.X) (1.40) VớiXlà tỷ lệ lỗ lưới trên diện tích ghi phân phối tác nhân.
(1.41) Trong đó: f – Diện tích lỗ phân phối khí, m2
F – Tổng diện tích sàng, m2
Thường chuẩn lưới sử dụng phân phối tác nhân sấy tĩnh nằm trong khoảng 20% –40%[14]. Henderson, đưa ra cơng thức tính tổn áp qua ghi phân phối khí kiểu đột lỗ:
(1.42) Với: vk – Vận tốc khí bề mặt lớp hạt,m/s
e – Độ rỗng của khối hạt (lấy số thập phân)
OL – Tỷ lệ lỗ của ghi phân phối khí nằm trong phạm vi 25% –40%
Krishnaiah [14]đã làm thực nghiệm xác định trở lực qua ghi phân phối khí với máy sấy tầng sơi vàđã xác định giá trị tổn áp được lấy trong phạm vi từ20đến 40% áp suất qua lớp hạt.
DPppk= (0,2 0,4)DPb (1.43)
1.5. Thực nghiệm xác định các thông số cơ bản ứng dụng trong tính tốn thiết kế máy sấy tầng sơi
1.5.1. Phương tiện thí nghiệm
Trên cơ sở các vấn đề lý thuyết đã được đề cập ở trên, để tính tốn được các thơng số cơ bản ứng dụng trong thiết kế máy sấy muối tinh bằng phương pháp sấy tầng sôi liên tục, chúng ta phải xác định trên cơ sở thực nghiệm để so sánh với các số liệu tính tốn được trên cơ sở lý thuyết, từ đó đưa được các nhận xét và chọn lựa các thơng số thích hợp. Q trình thực nghiệm được tiến hành bằng các loại dụng cụ đo bao gồm:
- Máy cân mẫu và sấy kết hợp hiệu Axis – Ba Lan sử dụng để xác định độ ẩm của vật liệu.
- Ống nghiệm có thang chia vạch.
- Cân tiểu ly kỹ thuật số hiệu Ohaus PA214 độ nhạy 0,0001g. - Dung dịch axit HCl đủ để làm thí nghiệm.
- Đồng hồ đo vận tốc gió Extech.
Kết hợp với mơ hình máy sấy tầng sơi liên tục, năng suất 48kg/h được lắp đặt tại phòng thực hành X6.11, trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. Mơ hình có các thơng số kỹ thuật như sau:
47
- Kích thước (dài rộng cao): 1200mm 300mm 1000mm - Bộ gia nhiệt điện trở, công suất cực đại: 60kW
- Công suất quạt ly tâm cấp khí nóng: 5,5kW/3P/380V Sau đây là các kết quả đạt được từ lý thuyết và thực nghiệm.
1.5.2. Thực nghiệm xác định đường kính hạt muối tinh
Lấy ngẫu nhiên một khối hạt muối tinh trong bao thành phẩm muối tinh sau nghiền và đem cân lượng mẫu có khối lượng là 93,6 gam. Sử dụng bộ sàng rây có dãy kích thước lỗ rây thứ tự từ 2,5 mm – 0,2 mm và thực hiện rây phân loại các kích thước sau đó tiến hành cân từng khối hạt cịn nằm trên rây (khơng lọt xuống được) và thực hiện các phép tính để tìm ra kích thước lỗ sàng trung bình di và giá trị xicụ thể như sau:
x1= 1,25/ 93,6 = 0,013355 x2= 1,81/93,6 = 0,019338
Tiến hành tuần tự cho đến lỗ rây trung bình cuối cùng và kết quả được trình bày trong phụ lục 1 và 2.
Sử dụng phương trình (1.6) tính kích thước hạt trung bình dm= 1/104,935.10–5và tính được đường kính của hạt muối dm = 952,97mm. Với việc lấy 5 mẫu muối nguyên liệu ngẫu nhiên và thực hiện thí nghiệm tuần tự như trên và xác định đường kính hạt có mức giá trị trung bình nằm trong khoảng 953,1mm và đối chiếu kết quả sai số giữa các lần đều < 3%. Giá trị trên được chấp nhận.
1.5.3. Thực nghiệm xác định khối lượng riêng của hạt muối tinh
Để xác định được khối lượng riêng của hạt muối tinh ta sử dụng ống nghiệm có chứa dung dịch HCl (muối khơng tan trong dung dịch HCl) để xác định được thể tích của một mẫu muối nhất định đã được cân trước dựa vào chênh lệch thể tích trước và sau khi cho lượng muối vào ống nghiệm. Từ các số liệu về khối lượng và thể tích đo được, sẽ xác định được khối lượng riêng của hạt muối tinh dựa theo phương trình (1.8). Bảng kết quả thí nghiệm được trình bày trong phụ lục 3.
Kết quả đạt được là rh= 2138 kg/m3. Theo một số tài liệu, khối lượng riêng của hạt muối tinh là 2160 kg/m3nên kết quả này là hợp lý.
1.5.4. Thực nghiệm xác định khối lượng thể tích theo độ ẩm
Cũng sử dụng các dụng cụ thí nghiệm như trong thí nghiệm xác định khối lượng riêng, nhưng trong thí nghiệm này không sử dụng dung dịch HCl. Muối tinh nguyên liệu lấy ngẫu nhiên trong bao dựng được đưa thẳng vào ống nghiệm dưới trạng thái tĩnh tự nhiên. Trong thí nghiệm này xác định hai thông số ρb; egần với thực tiễn sấy muối tinh, các mẫu nguyên liệu được lấy có độ ẩm khác nhau, biến thiên từ 0,1% đến 5%. Thí nghiệm cũng được thực hiện 13 lần cùng với việc sử dụng công thức (1.9) và (1.10) cho kết quả trung bình như trong phụ lục 1.4.
1.5.5. Thực nghiệm xác định cầu tính của hạt
Như đã phân tích ở trên để tính tốn được vận tốc cân bằng, vận tốc sơi tối thiểu, vận tốc sôi ổn định và vận tốc tới hạn của bất kỳ hạt vật liệu nào cũng như tính tốn cụ thể cho trường hợp sấy muối tinh phải xác định được cầu tính của hạt. Kết quả xác định giá trị cầu tính của một số loại hạt cho trong bảng 1.21 chỉ mang tính tham khảo cho các vật liệu rời tương ứng. Như vậy trong trường hợp sấy muối tinh cụ thể phải có được số liệu cầu tính φthơng qua thực nghiệm.
Dụng cụ thí nghiệm xác định cầu tính φ cho trường hợp này được sử dụng như thí nghiệm trên, ngồi ra cịn có thêm dụng cụ đo vận tốc tác nhân khí trên bề lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu.
Thừa nhận kết quả từ thí nghiệm xác định khối lượng riêng của hạt muối tinh là ρh= 2138 kg/m3. Theo kết quả nghiên cứu [6] để sấy được muối tinh trong lớp sôi liên tục, phải sử dụng lớp muối tinh khô làm lớp đệm và tạo sôi ngay từ giai đoạn gia nhiệt đầu tiên cho máy
sấy, do vậy trong thí nghiệm xác định cầu tính của hạt muối tinh sử dụng lớp muối sơi có độ ẩm 0,2% (tại độ ẩm này muối tinh ở trạng thái rời rạc hồn tồn, khơng bị kết khối khi dịng tác nhân khí cấp vào ở nhiệt độ cao). Nhiệt độ của dịng tác nhân cung cấp cho thí nghiệm này được duy trì ổn định ở nhiệt độ ở 160 C và chiều dày lớp hạt sơi trong thí nghiệm này được để ở mức H0 = 30mm. Thí nghiệm nhằm xác định vận tốc khí bề mặt ở trạng thái sơi tối thiểu theo vật liệu muối tinh có kích thước hạt trung bình khác nhau. Kết quả tìm được ρb;evà vận tốc sơi tối thiểu cho từng trường hợp kích thước hạt trình bày trong phụ lục1.5. Sử dụng cơng thức (1.4) và (1.5) xác định được các tiêu chuẩn Reynolds (Rett) và Archimedes (Ar) và sau đó thế vào phương trình (1.3) để tìm ra kết quả cầu tínhjcủa hạt muối cho từng trường hợp cụ thể và sau đó lấy kết quả cầu tính trung bình để làm cơ sở tính tốn lý thuyết khi thiết kế sấy muối tinh bằng lớp hạt sơi liên tục.
1.5.6. Tính tốn xác định độrỗng của khối hạt ởtrạng thái sôi tối thiểu và sôi ổn định
Sau khi có được kết quả của các thơng số hình học của hạt muối trong các thí nghiệm trên, đặc biệt là cầu tính, ta có thể tiến hành tính tốn độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi tối thiểu và sơi ổn định để có được sự so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm đồng thời phục vụ cho việc tính tốn sau này nhờ các mơ hình đã được nêu ra trong phần lý thuyết.
a) Tính tốn độ rỗng ở trạng thái sôi tối thiểu:
Theo công thức thực nghiệm (1.11) ta sẽ xác định được độ rỗng ở trạng thái sơi tối thiểu như sau:
Vớie0lấy bằng 0,51.
b) Tính tốn độ rỗng ở trạng thái sơi ổn định:
Vì phương pháp tính độ rỗng ở trạng thái sơi ổn định có liên quan đến tiêu chuẩn Reynolds tức là liên quan đến vận tốc tác nhân nên ta phải sử dụng kết quả của thực nghiệm xác định vận tốc hóa sơi tối thiểu cho từng loại đường kính hạt. Ở đây chỉ sử dụng giá trị vận tốc để làm cơ sở tính tốn và so sánh. Kết quả tính tốn được trình bày trong phụ lục 7. Lưu ý: Chiều cao lớp đệm ban đầu là H0= 30 mm, vận tốc khơng khí ở trạng thái sơi ổn định lấy theo thực nghiệm, vs= (2 3) vtt[14]. Ở đây lấyvs= 2,5.vtt.
Ngồi ra, có thể tínhesbằng cơng thức thực nghiệm tương tự cơng thức (1.11) tức là: Nhận xét:
- Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu tính tốn theo các mơ hình có giá trị gần bằng nhau nhưng thấp hơn cách tính theo thực nghiệm. Vì hạt muối có đường kính trung bình gần bằng 1mm nên độ rỗng hợp lý ở trạng thái sôi tối thiểu là lớn hơn 0,5. Chọnett= 0,561 theo cách tính thực nghiệm cho các tính tốn sau này.
- Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sôi ổn định phải lớn hơn ở trạng thái sơi tối thiểu. Vì vậy cách tính theo thực nghiệm và theo Zabrodsky là hợp lý và chọn es = 0,617 cho các tính tốn sau này.
Kết luận:
Thơng qua các kết quả thực nghiệm cụ thể trên các mẫu muối tinh sau ly tâm ở các độ ẩm khác nhau của nguyên liệu đưa vào thực nghiệm cùng với việc áp dụng các mơ hình tính tốn đã xác định được các thơng số vật lý cơ bản của hạt muối tinh khi đưa vào sấy tầng sơi bao gồm:
- Đường kính trung bình của hạt muối, dhnằm trong phạm vi từ 0,3 đến 1,05mm, trung bình