THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY THÙNG QUAY ĐỂ SẤY BẮP HẠT NĂNG SUẤT 1000KG/H

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 8... Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộnvật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiệp xúc giữa vật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC

THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY THÙNG QUAY ĐỂ SẤY BẮP

Kỹ thuật sấy đóng vai trò vô cùng quan trọn trong công nghiệp và đời sống Đốivới các ngành công nghiệp chế biến nông – lâm – thủy hải sản, quá trình làm khô vậtliệu (hay tách nước khỏi vật liệu) là rất cần thiết Thực tế cho thấy nếu phơi khô hoặcsấy không kịp, nhiều nông sản có thể bị mất mát do ẩm mốc và biến chất (chiếmkhoảng 10 – 20%, đối với một vài loại có thể lên đến 40 – 50% Ngoài ra, sấy còn làquá trình công nghệ quan trọng trong chế biến nông sản thành thương phẩm

Trong công nghiệp thực phẩm, sấy thùng quay là một trong những phương phápphổ biến để sấy các loại nông sản như ngô, lúa, đậu…

Trong phạm vi đồ án này, em xin trình bày về đề tài “Thiết kế thiết bị sấy thùng

quay để sấy ngô hạt với năng suất 1000 kg/h”.

MỤC LỤC

2.2.2 Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý

2.2.5 Các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực: 72.2.6 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 8

4.3.2 Hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt ngoài với không khí α2 24

DANH MỤC BẢNG

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu ngô

Ngô vừa là cây lương thực vừa là cây thức ăn gia súc rất quan trọng, đứng thứ

ba trên thế giới Diện tích trồng ngô hàng năm của thế giới Diện tích trồng ngô hàngnăm của thế giới vào khoảng 129 triệu ha, năng suất bình quân khoảng 3,8 triệu tấn/ha,tổng sản lượng ngô trên 525 triệu tấn Hầu như 100% diện tích ngô của các nước tiêntiến đều được trồng bằng các giống ngô lai nên đạt năng suất bình quân 7 – 9,4 tấn/ha

Diện tích ngô của Việt Nam tăng dần từ 119 000 ha (1939) lên 392 000 ha(1985) và khoảng 730 000 ha (1998)

Năng suất ngô của nước ta cũng tăng nhanh theo thời gian Đến năm 1998, đãđạt được 26,7 tạ/ha

Các cơ quan sinh dưỡng của ngô gồm: rễ, thân, lá làm nhiệm vụ duy trì đờisống của cây ngô Phôi và hạt là khởi thủy của cây mầm

Các cơ quan sinh sản đực (bông cờ) và cái (mầm ngô) khác biệt nhau nhungnằm trên cùng một cây Ngô giao phấn chéo nhờ gió và côn trùng

Khi thu hoạch, con người chỉ sử dụng hạt ngô làm thực phẩm Hạt ngô thuộcquả dĩnh gồm 4 bộ phận chính: vỏ hạt, lớp aleron, phôi và nội nhũ

- Vỏ hạt (chiếm 6 – 9% khối lượng hạt ngô): là một màng nhẵn bao bọc xungquanh hạt có màu trắng, màu tím hoặc vàng tùy thuộc vào giống

- Lớp aleron (6 – 8%): nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ và phôi.

- Nội nhũ (70 – 85%): là một bộ phận chính chứa đầy các chất dinh dưỡng đểnuôi phôi Nội nhũ chứa tinh bột Tinh bột nội nhũ gồm 3 loại: bột, dừng và pha

lê Đặc điểm và màu sắc nội nhũ là căn cứ để phân loại ngô

- Phôi (8-15%): bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm và chồi mầm Phôi ngô chiếmgần 1/3 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận chuyểnnước vào phôi và ngược lại thuận lợi

Bảng 1.1 Bảng thành phần hóa học của hạt ngô

Để bảo quản được hoặc dùng để chế biến các sản phẩm có chất lượng cao, cácloại hạt cần được sấy khô xuống độ ẩm bảo quản hoặc độ ẩm chế biến Để thực quátrình sấy, có thể sử dụng nhiều hệ thống sấy khác nhau: hầm sấy, tháp sấy,…Mỗi chế

độ công nghệ sấy khác nhau sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến chất lượng của sảnphẩm

Để sấy bắp hạt, người ta có thể dùng thiết bi sấy tháp, sấy thùng quay Ở đây, tadùng thiết bị sấy thùng quay, là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt Loại thiết bị này đượcdùng rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các loại ngũ cốc Trong hệ thốngnày, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc nhiều với tác nhân sấy, do đó trao đổinhiệt mạnh, tốc độ sấy nhanh và độ đồng đều của sản phẩm cao Ngoài ta, thiết bị còn

có thể làm việc với năng suất lớn

Tác nhân sấy sử dụng là khói lò, được tạo ra từ quá trình đốt than Do sản phẩmngô sau khi sấy dùng để bảo quản để chế biến thực phẩm, nên khói lò trước khi ra khỏibuồng đốt được đi qua nhiều đoạn hình ziczac để tách bớt bụi, sau đó mới được đưavào thùng sấy

Nguyên liệu ngô là một nguyên liệu chưa rất nhiều tinh bột Chế độ công nghệsấy tinh bột lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ hồ hóa sản phẩm Nhiệt độ hồ hóa củatinh bột khoảng 65 - 700C, do đó ta cần chọn nhiệt đọ tác nhân sấy phù hợp, không caocũng không quá thấp, mục đích là đẩy nhanh quá trình sấy, và không làm cho nhiệt độcủa nguyên liệu vượt quá nhiệt độ hồ hóa

1.3 Quy trình công nghệ

Vật liệu sấy là bắp hạt sau khi được rửa sạch, tuốt ra khỏi cùi, được cho vàobuồng chứa, sau đó được nhập liệu vào thùng sấy bằng hệ thống gầu tải Bắp hạt khivào thùng sấy có độ ẩm 26%, chuyển động cùng chiều với tác nhân sấy

Tác nhân sấy sử dụng là không khí được gia nhiệt bằng khói lò trong calorifer.Dòng tác nhân được gia tốc bằng quạt đẩy đặt ở trước thiết bị và quạt hút đặt cuối thiếtbị

Trên đường dẫn khói lò từ buồng đốt và đường dẫn không khí từ môi trườngvào calorifer đều có các van, dùng để điều chỉnh lưu lượng các dòng Đặt nhiệt kế ởsau calorifer để xác định nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào thùng sấy, nếu nhiệt

độ quá cao ta sẽ mở van để tháo bớt khói lò ra ngoài, giảm lượng khói lò vào buồng

hòa trộn để giảm bớt nhiệt độ, ngược lại nếu nhiệt độ chưa đủ, ta khóa van dẫn khôngkhí từ môi trường vào buồng hòa trộn và vào calorifer.

Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng một góc 2,50 so với mặt phẳngngang, được đặt trên một hệ thống các con lăn đỡ và chặn Chuyển động quay củathùng được thực hiện nhờ bộ phận truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc đến bánhrăng gắn trên thùng Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộnvật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiệp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, do đótăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấy diễn ra triệt để

Trong thùng sấy, bắp hạt 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 truyềnnhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ đượcvận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng Thời gian lưu của vật liệu trong thùng là 56phút Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quátrình bảo quản là 12%

Sản phẩm bắp hạt sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửatháo liệu sẽ được bao gói, để bảo quản hay dùng tùy vào các mục đích chế biến khác

Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy chưa nhiều bụi, do đó cần phải đưaqua một hệ thống lọc bụi để tránh thải bụi bẩn vào không khí gây ô nhiễm Ở đây, ta sửdụng hệ thống lọc bụi bằng nhóm bốn cyclon đơn Khói lò sau khi lọc bụi sẽ được thảivào môi trường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclon và được xử

lý riêng

Vật liệu sấy là bắp hạt, có các thông số vật lý cơ bản như sau:

- Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): ω1= 26%

- Độ ẩm cuối của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): ω1= 12%

- Khối lượng riêng hạt vật liệu: ρo= 1253 kg/m3 (Bảng 2.4/43 – [2])

- Khối lượng riêng khối hạt: ρr= 850 kg/m3 (Phụ lục 4/230 – [3])

- Nhiệt dung riêng của vật liệu khô: Ck= 1,2 – 1,7 kJ/kg.K (Trang 20 – [1])Chọn Ck= 1,7 kJ/kg.K

● Dài: l = 4,2 – 8,6 mm.

● Rộng: b = 1,6 – 4,0 mm

● Dày: δ = 1,5 – 3,8 mm

- Đường kính tương đương: dtđ= 7,5 mm

- Năng suất nhập liệu: G1= 1000 kg/h

Ta kí hiệu các đại lượng như sau:

G1, G2: khối lượng vật liệu sấy đi vào, ra thiết bị sấy, kg/h;

ω1, ω2: độ ẩm tương đối của vật liệu sấy ở đầu vào, ra của thiết bị sấy;W: lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ, kg/h;

Gk: khối lượng vật liệu khô tuyệt đối, kg/h;

Phương trình cân bằng vật chất:

(CT 7.1 & 7.2/127 – [1])Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:

Lượng vật liệu khô tuyệt đối:

Năng suất của sản phẩm sấy:

2.2.1 Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy

Độ chứa ẩm: , kg ẩm/ kg không khí (CT 2.18/28 – [1])

Pa= 0,981 (bar): áp suất khí quyển

Trong đó:

ik, ia: enthalpy của 1kg không khí khô và 1kg hơi nước, kJ/kg;

Cpk= 1.004: nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kg.K;

Cpa= 1.842: nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg.K;

r = 2500: ẩn nhiệt hóa hơi của nước, kJ/kg;

Trong đó: Pa, Pblấy đơn vị là N/m2

2.2.2 Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết

2.2.2.1 Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A)

Không khí ngoài trời tại thành phố Hồ Chí Minh có: ( Trang 97 – [7])Nhiệt độ: t0= 27°C

Độ ẩm: ϕ = 77%

Áp suất hơi bão hòa:

Enthalpy:

2.2.2.2 Thông số trạng thái của không khí sau khi ra khỏi calorife (B)

Chọn tác nhân sấy sau khi ra khỏi calorife (t1 = 70oC): = 0,0178 (kgẩm/ kg kk)

Áp suất hơi bão hòa:

Độ ẩm tương đối:

Enthalpy:

2.2.2.3 Thông số trạng thái của tác nhân sấy sau thùng sấy (C):

Trong thiết bị sấy dùng không khí làm chất vừa cung cấp nhiệt lượng cho vậtliệu sấy vừa thải ẩm ra môi trường, quá trình sấy lý thuyết là quá trình không có tổnthất do vật liệu sấy, do thiết bị chuyền tải mang đi, không có tổn thất do tỏa ra môitrường qua các kết cấu bao che, … mà chỉ có tổn thất do tác nhân sấy mang đi Do đó,bao nhiêu nhiệt lượng không khí cung cấp cho vật liệu sấy hoàn toàn dùng để tách ẩmkhỏi vật liệu Khi ẩm tách khỏi vật liệu, lại bay vào trong không khí, do đó ẩm đãmang toàn bộ nhiệt lượng mà không khí đã mất trả lại dưới dạng ẩn nhiệt hóa hơi r và

nhiệt vật lý của hơi nước Cpat Vì vậy, quá trình sấy lý thuyết bằng không khí đượcxem là quá trình đẳng enthalpy.

Ta có các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết được xác địnhnhư sau:

Chọn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy là t20= t2= 45 °C

Áp suất hơi bão hòa:

Đại lượng Không khí

ngoài trời (A)

Tác nhân racalorifer(B)

Tác nhân sấy rakhỏi thiết bị sấy(C)

2.2.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết

Giả sử lượng không khí vào, ra thiết bị sấy không đổi, kí hiệu là Lo(kg/h).Theo phương trình cân bằng vật chất:

Lodo+ G1w1= Lod2+ G2w2 (CT 7.14/131 – [1])

(kgkk/h)Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm:

(kgkkk/h) (CT 7.14/131 – [1])

Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý thuyết:

(CT 7.15/131 – [1])Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết:

Nhiệt lượng tiêu hao riêng:

(kJ/kg ẩm)

2.2.4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực:

Trong thiết bị sấy thực, ngoài tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi, trong thiết

bị sấy thùng quay, còn có tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt, và tổn thất nhiệt do vật liệusấy mang đi Qv

Trong thiết bị sấy thùng quay, không sử dụng nhiệt bổ sung và thiết bị không cóthiết bị chuyển tải, do đó QBS = 0, QCT= 0

Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy:

Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào:

Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy:

Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi:

Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang ra:

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường: Qmt

Cân bằng nhiệt lượng vào ra thiết bị sấy, ta có:

Vậy nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:

Xét cho 1kg ẩm cần bốc hơi:

Trong đó:

Đặt

Xác định qv

(CT 7.40/141 – [1])Trong đó:

Cv: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với độ ẩm ω2, kJ/kg.K;

Ck= 1,7: nhiệt dung riêng của vật liệu khô, kJ/kg.K;

Ca= 4,1868: nhiệt dung riêng của ẩm, kJ/kg.K;

: nhiệt độ vật liệu sấy vào thiết bị, lấy bằng nhiệt độ môi trường.: nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy của vật liệu sấy

Xác định Ca.tv1:

(kJ/kg ẩm)Xác định qmt:

Tổn thất nhiệt ra môi trường qmt thường chiếm khoảng 3–5% nhiệt lượng tiêuhao hữu ích

Trong đó nhiệt tiêu hao hữu ích được xác định:

2.2.5 Các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:

Độ chứa ẩm của tác nhân sấy:

(CT 7.30/138 – [1])

(CT 7.31/138 – [1])Trong đó:

(kgẩm/kgkkk)

(kJ/kgkkk)

Độ ẩm tương đối:

Bảng 2.2 Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực

ngoài trời (A)

Tác nhân sấy sau

ra khỏi calorifer(B)

Tác nhân sấy rakhỏi thiết bị sấy(C)

Nhiệt lượng tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

(kJ/ kg ẩm)

2.2.6 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái trước khi vào calorifer

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái trước khi vào thùng sấy:

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái ra khỏi thùng sấy:

Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy:

2.2.7 Lượng nhiên liệu tiêu hao:

Lượng nhiên liệu tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

(kg/h)Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ:

(kg than/h)

2.2.8 Hiệu suất thiết bị sấy:

2.3 Tính thời gian sấy

Trong thiết bị, chọn cánh đảo trộn có dạng cánh nâng, có các thông số sau:

Góc gấp của cánh nâng: Δϕ = 140°

Thông số đặc trưng cho cấu trúc cánh:

Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng: đối với cánh nâng, m = 0,5

Thời gian sấy được xác định theo:

(CT 6.44/178 – [2])

(phút)Thời gian vật liệu lưu trú trong thùng (hay thời gian vật liệu đi hết chiều dàithùng):

(CT 6.39/174 – [2])

Chiều dài của thùng:

Chọn đường kính thùng theo tiêu chuẩn DT= 1,0 m

Ta có tỷ số L/DTnằm trong khoảng (3,5 – 7), vậy chọn chiều dài thùng là 7,0 m

Tiết diện của thùng sấy:

Thể tích thực của thùng:

Tiết diện tự do của thùng sấy:

Thùng được chế tạo bằng thép không rỉ, mác thép X18H10T, có các thông sốsau:

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: [σ]*= 140 N/mm2 (Hình 1–2/22 – [9])Giới hạn bền kéo: σk= 540 x 106N/mm2 (Bảng XII.7/313 – [7])Giới hạn bền chảy: σch= 220 x 106N/mm2 (Bảng XII.7/313 – [7])Thùng sấy có dạng hình trụ nằm ngang, chế tạo bằng phương pháp hàn, thùnglàm việc ở áp suất khí quyển.

Hệ số bền mối hàn ϕh: chọn hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn giáp mối, 2 phía.Với đường kính D ≥ 700mm, chọn ϕh= 0,95 (Bảng 1 – 7/25 – [9])

Hệ số hiệu chỉnh η: đối với thiết bị có bọc cách nhiệt, chọn η = 0,95

Ứng suất cho phép:

thùng được xác định theo công thức:

(CT 5 – 3/130–[9])

Các hệ số bổ sung kích thước:

Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường

Đối với môi trường chứa vật liệu là bắp, hầu như không có ăn mòn thiết bị, dođó

Bề dày thực của thùng:

Kiểm tra bề dày thùng:

(thoả)

Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:

Vậy bề dày của thùng sấy: S = 8 mm

3.3 Tính tốc độ của tác nhân sấy trong thiết bị:

Tốc độ trung bình của tác nhân sấy trong buồng sấy:

3.4 Tính trở lực qua thùng sấy:

Chuẩn số Reynolds:

6/350 – [1], các thông số của không khí như sau:

Độ nhớt động: νk= 18,715 x 10–6m2/s

Khối lượng riêng: ρk= 1,0683 kg/m3

Hệ số thủy động a:

(CT 10.20/213 –[1])

Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt C1:

Một số thông số cơ bản của cánh nâng đã được chọn ở trên.

Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu:

Diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh:

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

Số cánh trên một mặt cắt: 12 cánh

Khối lượng 1 cánh đảo trộn:

(kg)Khối lượng của cánh trong thùng:

(kg)

3.6 Chiều cao của lớp vật liệu chứa trong thùng:

Fcđ: tiết diện chứa đầy

Fcđ= b x Ft= 0,18 x 0,785 =0,1413 (m2)Do:

Chiều cao chứa đầy vật liệu trong thùng:

Cấu tạo của bồng đuốt ghi phẳng được trình bày ở hình bên dưới:

Hình 4.1 Sơ đồ buồng đốt ghi phẳng

Loại ghi thanh được dùng nhiều với các loại than có kích thước trung bình vàlớn Loại ghi này chế tạo đơn giản, thay thế dễ dàng nhưng không dùng được với loạithan vụn và khó khăn trong việc đánh xỉ Để bảo vệ khi không bị quá nhiệt khi làmviệc, ta trải lên mặt ghi một lớp xỉ mỏng, sau đó mới đến lớp than.

Bảng 4.1Thành phần nguyên liệu than sử dụng: Than Tuyên Quang

(CT3.2/53-[1])Nhiệt trị thấp của nhiên liệu:

(CT3.4/53-[1])Lượng không khí khô lý thuyết cho quá trình cháy:

Trong thực tế do tùy thuộc vào việc tổ chức quá trình cháy và độ hoàn thiện củabuồng đốt mà không khí khô thực tế L để cháy hết 1kg nhiên liệu lớn hơn lượng khôngkhí khô lý thuyết Do đó ta có:

: hệ số không khí thừa của buồng đốt (CT3.14/56-[1])

Ở đây ta sử dụng buồng đốt than đá thủ công, do đó:

(Bảng VII-2/190-[5])Chọn αbđ= 1,5

Lượng không khí khô thực tế cho quá trình cháy:

Các thông số của khói lò:

Lượng hơi nước trong khói lò sau buồng đốt:

(CT3.20/58-[1])Lượng khói khô sau buồng đốt:

(CT3.23/59-[1])

Độ ẩm chứa của khói lò sau buồng đốt:

(kg ẩm / kg khói khô) (CT3.26/59-[1])Enthalpy của khói lò sau buồng đốt:

(CT 3.31/61-[1])Trong đó:

Chọn hiệu suất buồng đốt bđ= 0,6

Cnl= 0,12: Nhiệt dung riêng của than, kJ/kg.K

tnl= 27oCNhiệt độ khói lò sau buồng đốt:

Áp suất hơi bão hòa sau buồng đốt:

Độ ẩm tương đối sau buồng đốt:

Thể tích riêng sau buồng đốt:

(m 3 /kg khói khô)

Diện tích bề mặt ghi lò:

(CT3-2/104-[10])Trong đó:

B = 64,449 kg/h: lượng than cần đốt trong một giờ

r = 465000 W/m2: cường độ nhiệt của ghi (Bảng 3-3/105-[10])

Qt= 23548,78 kJ/kg: nhiệt trị thấp của than

Đối với than antraxit, theo bảng 3-2/100-[10], chọn tỉ lệ mắt ghi

Vậy diện tích mắt ghi:

Mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt, khi sử dụng than antraxit: