Ở quá trình sấy ta phải chọn hệ thống sấy và phương pháp sấy nào đảm bảo đượcchất lượng của tinh bột, giá thành sấy một kg sản phẩm là thấp nhất, hệ thống vậnhành đơn giản dễ lắp đặt....
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TINH BỘT SẮN VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TINH BỘT SẮN
Nguồn gốc của tinh bột sắn
Tinh bột sắn là sản phẩm được chế biến từ củ của cây sắn ( khoai mì ).
Hiện tại, sắn được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới và là nguồn thực phẩm của hơn 500 triệu người Năm 2006 và 2007, sản lượng sắn thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với 2005/06 là
211,26 triệu tấn và 1961 là 71,26 triệu tấn Nước có sản lượng sắn nhiều nhất là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn) Nước có năng suất sắn cao nhất là Ấn Độ (31,43 tấn/ha), kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ha), so với năng suất sắn bình quân của thế giới là 12,16 tấn/ha (FAO,
2008) Việt Nam đứng thứ mười về sản lượng sắn (7,71 triệu tấn) trên thế giới. Tại Việt Nam, sắn được canh tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh của tám vùng sinh thái Diện tích sắn trồng nhiều nhất ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên.
Rễ ngang cây sắn phát triển thành củ và tích lũy tinh bột
Thành phần vật chất có ý nghĩa của cây sắn là tinh bột được tách ra khỏi khối liên kêt với xơ và thịt của củ sắn.
Bảng1.1: Thành phần cấu tạo của củ sắn tính theo vật chất khô.
5.Tro toàn phần không lớn hơn 0.85%
6 Sợi xơ (cenlyloza) không lớn hơn 4%
7 Kali không lớn hơn 0,26 mg/Kg
Tỷ trọng các thành phần phụ thuộc vùng canh tác, điều kiện canh tác…
Cấu tạo của tinh bột
Tinh bột phần lớn có trong thịt củ (95-95)% dưới dạng liên kết vật lý bền chắc với xơ dưới dạng các mạch xoắn theo biên dạng hình học của xơ thịt củ. Khoảng (4-5)% tinh bột nằm ở phần vỏ lụa của củ
Cấu trúc trúc hóa học của tinh bột sắn thuộc lớp đường tổng hợp : (C6H10O5)n
Tinh bột thuần khiết có kích thước từ 5÷80μm không hòa tan vào nước khi chưa làm thay đổi tính chât hóa lý của nó.
Nhiệt hồ hóa của nó khoảng từ 55÷ 60°C Đây là một tính chất quan trọng cần phải chú ý trong quá trinh sấy.
Tinh bột sắn có vai trò rất quan trọng: được sử dụng làm thức ăn trong chăn nuôi, bột ngọt, cồn, maltodextrin, lysine, acid citric, xiro glucozơ đường glucozơ tinh thể, mạch nha giàu malto, bánh kẹo, mì ăn liền, miến…
Liên kết ẩm trong tinh bột sắn
Tinh bột có chứa liên kết ẩm hấp phụ và liên kết hóa học chiếm (10%) việc tách ẩm này dẫn đến sự biến đổi phức tạp của sản phẩm Đối với quá trình chế biến tinh bột thì ẩm cần tách chủ yếu là ẩm bề mặt Chủ yếu là ẩm dính ướt vào bề mặt vật, đặc điểm của liên kết này dễ tách.
Bảng 2: Chỉ tiêu chất lượng của tinh bột sắn
Chỉ tiêu chất lượng Tiêu chuẩn việt nam TCVN1985
4.Hàm lượng trong tổng số (%) ≤0,2
5.Hàm lương protein cao nhất ≤0,5
Quy trình sản xuất tinh bột sắn
Nguyên liệu từ bãi chứa được xe xúc đưa vào phễu phân phối từ đây sắn được chuyển lên thiết bị tách vỏ nhờ vào băng tải cao su.
Cấu tạo của thiết bị tách vỏ gồm những thanh sắt song song với nhau thành trọ tròn rỗng có chứa các khe hở để bụi đất, tạp chất và vỏ gỗ rơi ra ngoài Bên trong thiết bị có lắp các gờ theo hình xoắn tròn với 1 động cơ dưới sự điều khiển của công nhân để điều chỉnh lượng sắn thích hợp vào thiết bị rửa Khi động cơ quay thiết bị quay theo do đó nhờ lực ma sát giữa sắn với thành thiết bị và giữa các củ với nhau má vỏ gỗ, đất đá rơi ra ngoài, còn sắn tiếp tục đi qua thiết bị rửa.
Hình1.1: hệ thống máy bóc và làm sạch vỏ.
Cấu tạo của thiết bị rửa gồm 2 thùng chứa hình máng, bên trong có các cánh khuấy có tác dụng đánh khuấy và vận chuyển sắn đến băng tải Phía trên thiết bị có lắp đặt hệ thống vòi phun nước để rửa nguyên liệu, phía dưới có các lỗ để đất đá, vỏ và nước thoát ra ngoài.
Nguyên liệu sau khi xả xuống thùng, tại đây củ mì được đảo trộn nhờ các cánh khuấy gắn trên 2 trục quay nối với động cơ Nhờ lực va đập của cánh khuấy và nguyên liệu với nhau, phía trên có các vòi phun nước rửa xuống, nhờ đó củ sắn dc rửa sạch Rửa xong củ sắn được cánh khuấy đẩy đến băng tải cao su để vận chuyển đến thiết bị băm mài
Sau khi sắn được rửa xong sẽ được băng tải chuyển đến máy băm Qúa trình chặt khúc nguyên liệu được tiến hành trong máy chặt khúc Bộ phận chính của máy là các dao gắn chặt vào trục quay nhờ động cơ, đáy thiết bị được gắn các tấm thép đặt song song với nhau tạo nên những khe hở có kích thước đúng bằng bề dày của lát cắt và đảm bảo không cho nguyên liệu rơi xuống dưới trước khi được chặt thành các khúc nhỏ.
Nguyên liệu sau khi được chặt thành nhiều khúc nhỏ sẽ lọt qua các khe hở ở đáy thiết bị và rơi vào máy mài.
Hình1.2 : Máy nghiền củ sắn
Quá trình mài xát được thực hiện trong máy mài Cấu tạo của máy mài gồm
1 khối kim loại hình trụ tròn, mặt ngoài của hình trụ láp các răng cưa nhỏ,phía ngoài trục có bao lớp vỏ thép cứng chịu lực khi máy hoạt động do bề mặt tang quay của máy mài có dạng răng cưa và bản thân máy mài cũng có dạng răng cưa, do vậy tạo ra các lực nghiền mài xát làm nhỏ nguyên liệu.
Nguyên liệu sau khi qua máy mài rồi rơi vào hầm chứa chờ bơm qua bộ phận tách xác.
Dịch sữa tinh bột thu được từ máy mài sẽ được bơm qua thiết bị tách xác thô Tại đây sơ bã và các phân tử lớn sẽ bị giữ lại trên lưới lọc để đưa sang máng rồi hòa với nước sạch đem đi lọc rồi chiết lần cuối nhằm thu hồi triệt để lượng tinh bột còn lại trong bã Còn dịch sữa tinh bột lọt qua lưới lọc chảy vào thùng chứa chờ bơm đi tách dịch bào lần 1 Dịch sữa bột trong giai đoạn này người ta hiệu chỉnh nồng độ chất khô trong khoảng 3 -5 Be
Quá trình phân ly tách dịch bào được thực hiện trong máy ly tâm Nguyên tắc làm việc của máy là nhờ vào sự chênh lệch về tỉ trọng giữa dịch bào và tinh bột mà người ta dung lực li tâm để tách dịch bào ra khỏi dịch sữa tinh bột Dịch sữa tinh bột từ thùng chứa được bơm qua 2 decanter, lưu lượng điều tiết cho vào
2 thiết bị này khoảng 20 – 25 m3/h Khi dịch sữa tinh bột vào bên trong thiết bị với tốc độ ly tâm lớn, tinh bột bị văng ra xung quanh thành bên trong của thiết bị và được vít tải chạy ngược với thiết bị cào tinh bột ra ngoài Trong quá trình này người ta vẫn cho nước vào để khống chế 5 -15 Be
Hình 1.3: Hệ thống tách bã và mũ
Dịch sữa tinh bột sau khi tách dịch bào lần 1 được bơm qua thiết bị tách xác tinh Phần xác không lọt qua lưới ở đây cũng được đi chiết và lọc lần cuối cùng với bã thô nhằm thu hồi triệt để lượng tinh bột trong bã Còn dịch sữa tinh bột lọt qua vải lọc để đưa đi tách dịch bào lần 2.
Trong quá trình này người ta vẫn cho nước vào liên tục để hiệu chỉnh nồng độ từ
Hình 1.4: Hệ thống ly tâm tách nước
Hình 1.5: Sơ đồ quy trình sản xất tinh bột sắn.
Từ thùng chứa sau khi tách bã tinh, dịch sữa bột được bơm qua 2 máy phân ly 1 và 2 để tách dịch bào lần 2 Trước khi vào máy, dịch sữa bột đi qua 2 cyclone để tách cặn bã và bụi đất với tốc độ quay của máy là 4500 vòng/phút, tinh bột sẽ đi xuống phía dưới và nước thải đi phía trên ra ngoài.
Trong công đoạn này ta tiếp tục cho nước vào để điều chỉnh nồng độ 8 – 14 Be, pH= 6,0-6,5, lưu lượng nước vào 5m3/h
Sau khi tách dịch bào lần 2 xong, dịch sữa bột chảy xuống thùng chứa và được bơm đến thiết bị tách bã mịn để tách phần bã còn lại Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị phân ly giống ở phần tách xác thô và xác tinh nhưng chỉ khác là lớp vải lọc bên trong có kích thước lỗ vải nhỏ hơn, chỉ cho tinh bột đi qua còn phần bã mịn được giữ lại thoát ra ngoài cùng với bã thô qua khu chiết ép kiệt. Lượng bã thô, tinh và mịn được đưa đến thiết bị tách xác tận dụng dịch sữa thu được ở đây có nồng độ tinh bột thấp được bơm về phục vụ cho máy mài.Còn phần bã đi ra phía ngoài ta thu được bã ướt nếu ở thiết bị ống kép hoặc đến thiết bị ép băng thu dc bã thô.
Sữa tinh bột thuần khiết sau khi chiết đạt nồng độ khoảng 18-22 Be sẽ được bơm qua máy ly tâm vắt tách bớt nước để thu tinh bột Phần nước dịch lọt qua vải và lưới lọc của máy ly tâm có hàm lượng tinh bột thấp, nhưng chứa 1 hàm lượng tinh bột nên được đưa vào máy mài để thu hồi lượng tinh bột và tiết kiệm được nguồn nước Tinh bột thu được sau ky tâm có độ ẩm 31-34%
Quá trình sấy tinh bột sắn có nhiều cách để sấy Do tinh bột ở dạng nhão và ẩm liên kết trong tinh bột chủ yếu là ẩm bề mặt nên có thể dùng hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy phun … để sấy Nhưng hệ thống sấy hiệu quả nhất và sử dụng nhiều trên thực tế là hệ thống sấy khí động, vật liệu sấy vừa chuyển động cùng tác nhân sấy vừa thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm Thời gian sấy ngắn và hiệu quả hơn so với các hệ thống khác.
Tinh bột ướt thu được từ máy ly tâm được băng tải đưa sang vít tải Vít tải vừa có tác dụng chuyển tinh bột vừa có tác dụng làm tơi tinh bột ướt, nhằm tạo điều kiện cho quá trình làm khô dễ dàng Khi vào ống làm khô nhanh, tinh bột ướt sẽ được cuốn theo luồng khí nóng và chuyển động dọc theo chiều dài của ống làm khô nhanh để đến cyclone tách tinh bột Trong quá trình chuyển động đó, một lượng ẩm của tinh bột sẽ được tách ra làm giảm độ ẩm tinh bột xuống. Để đạt được điều này thì cần phải kéo dài đường chuyển động của hỗn hợp bột và khí.
Sau khi qua các cyclone để tách tinh bột, tinh bột sẽ rơi vào máng góp bên dưới các cyclone được vít tải và định hướng đưa sang làm nguội.
Chọn phương pháp sấy tinh bột
Phương sấy gồm có: phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh
Phương pháp sấy lạnh là phương pháp sấy mà nhiệt độ của vật và môi trường sấy nhỏ hơn nhiệt độ môi trường xung quanh Dùng để sấy hải sản, các vật liệu sấy có giá trị cao, và dễ thay đổi tính chất vật lý hóa học khi tiếp xúc với nhiệt độ cao Hệ thống sấy lạnh thường phức tạp giá thành cao, chi phí vận hành tốn kém.
Phương pháp sấy nóng dây là phương pháp sấy phổ biến Là phương pháp sấy mà nhiệt độ tác nhân sấy và vật liệu sấy cao hơn nhiệt độ môi trường Dùng để sấy các loại vật liệu có tính chất vật lý ít thay đổi, hoặc không đòi hỏi yêu cầu cao về chất lượng Các hệ thống sấy dùng phương pháp sấy nóng có cấu tạo đơn giản, giá thành và chi phí vận hành thấp.
Căn cứ vào tính chất của tinh bột, và yêu cầu về chất lượng của tinh bột ta chọn phương pháp sấy nóng.
Lựa chọn hệ thống sấy
Trong phương pháp sấy nóng người ta căn cứ vào phương pháp cấp nhiệt người ta phân ra thành các hệ thống sấy khác nhau: hệ thống sấy đối lưu, hệ thống sấy bức xạ hệ thống sấy tiếp xúc và hệ thống sấy khác nhau Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo của tinh bột, và liên kết ẩm trong tinh bột ta chọn hệ thống sấy khí động.
Hệ thống sấy khí động có đầu tư và chi phí bảo dưỡng thấp, tốc độ sấy cao, phù hợp với những loại vật liệu sấy có kích thước nhỏ.
TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ SẤY KHÍ ĐỘNG SẤY TINH BỘT SẮN
Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế hệ thống sấy tinh bột sắn bằng hệ thống sấy khí động công suất thiết bị
Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy khí động
2.2.1 Đặc điểm của hệ thống sấy khí động:
Tốc độ tác nhân sấy lớn phụ thuộc vào kích cỡ và khối lượng riêng của vật liệu. Vật liệu sấy thuộc loại hạt nhỏ kích thước không quá 8 – 10 mm
Môi chất sấy có thể là không khí nóng hay tùy thuộc vào loại vật liệu
Thời gian sấy ngắn, vì chỉ để sấy ẩm tự do.
2.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy khí động:
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy khí động
Các hạt tinh bột sau khi qua quá trình phân ly có độ ẩm từ (32÷38 )% được hút vào đường ống sấy nhờ quạt Môi chất sấy được đưa vào ống sấy bằng quạt, môi chất là không khí nóng có nhiệt độ 160 0 C được lấy từ calorife Dòng không khí nóng chưyển động với vận tốc lớn cuốn theo tinh bột Tinh bột trao đổi nhiệt với không khí nóng đến độ ẩm 12%, được đưa vào xyclon để tách tinh bột ra khỏi dòng không khí nóng.
Chọn môi chất sấy và chất tải nhiệt
2.3.1Tính chất vật lý của tinh bột liên quan đến quá trình sấy.
Khối lượng riêng: ρ = 775,86 kg/m 3 khi đã sấy khô, ρ 20,8 kg/m 3 khi đưa vào sấy.
Nhiệt dung riêng: Cp = 1,5 kJ/kgK
Nhiệt độ sấy cho phép không quá ( 55÷65) 0 C
Hệ số dẫn nhiệt λ = 0,09 W/mK.
2.3.2 Chọn môi chất sấy và chất tải nhiệt:
Do sản phẩm sau khi sấy yêu cầu phải sạch, đảm bảo một độ trắng nhất định nên ta chọn tác nhân sấy phải đảm bảo yêu cầu này
Ngoài ra chúng ta phải chú ý đến nhiệt độ hồ hóa của tinh bột từ 55÷ 65°C nên khi chọn nhiệt độ tác nhân sấy phải chú ý điều kiện này.
Chọn tác nhân sấy là không khí nóng :
Ra khỏi thiết bị sấy t2 = 70°C.
Chọn chất tải nhiệt là khói nóng để gia nhiệt cho không khí thông qua calorife Bởi vì không khí có độ gia nhiệt cao.
Chọn chế độ sấy
Chọn chế độ sấy đối lưu, không khí nóng chuyển động với vận tốc lớn cuốn theo tinh bột, không khí nóng và tinh bột thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm Trong quá trình này cần phải chú ý đến nhiệt độ hồ hóa của tinh bột trong quá trình sấy phải đảm bảo nhiệt độ của tinh bột không được quá 70 o C.
+Độ ẩm ban đầu w1 %, +Độ ẩm cuối w2 %.
+Thời gian sấy τs, +Tốc độ của không khí trong quá trình sấy là ω m/s, sau đó ta sẽ tính kiểm tra lại khi tính nhiệt quá trình sấy. τ w1 w2 t1 t2 ω
Tốc độ đốt nóng hạt tinh bột trong quá trình sấy 200 o C/phút
Tính toán các kích thước cơ bản của hệ thống
Dựa vào tiêu chuẩn Re và tiêu chuẩn Phêđôrov để tính tốc độ ω 1 :
Fe: tiêu chuẩn Phêđôrov dtd: đường kính tương đương tinh bột khi đưa vào ống sấy, ở đây do tinh bột ở dạng nhão nên khi các hạt tinh bột kết dính lại thành những cục tinh bột có đường kính lớn hơn nên dtd= 0,009mm ρv: khối lượng riêng của tinh bột, ρv 20 kg/m 3 khi đưa vào sấy. ρk: khối lượng riêng của không khí νk: độ nhớt động học của không khí g : gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s 2
Nhiệt độ trung bình của không khí t = 0,5.( t1 + t2 ) = 115 o C tra bảng thông số vật lý của không khí khô ta được: ρk = 0,897 kg/m 3 νk = 24,7 10 -6 m 2 /s
Ta có theo sách hướng dẫn thiết kế hệ thống sấy của PGS-TSKH Trần Văn Phú khi Re > 100 thì ta tính ω1 theo công thức: ω1=2,76 = 2,67 =9 m/s
Chọn tốc độ làm việc ω theo tốc độ tới hạn: ω = (1,3÷1,6) ω1 nên ta chọn ω = 15 m/s là thoải mãn
2.5.2 Chiều dài cơ bản của ống sấy:
Chiều dài cơ bản của ống sấy:
TÍNH TOÁN NHIỆT THIẾT BỊ SẤY KHÍ ĐỘNG
Lượng ẩm cần bốc hơi: W
Là lượng ẩm cần bốc hơi trong một đơn vị thời gian.
G2: khối lượng sản phẩm ra khỏi thiết bị sấy,G2 = 5000kg/h. Độ ẩm ban đầu w1 = 38%, Độ ẩm cuối w2 %.
Khối lượng tinh bột đưa vào hệ thống sấy
Tính toán quá trình sấy lý thuyết
3.3.1 Tính toán thông số vật lý của không khí tại các điểm:
Hình 3.1: Đồ thị I-d quá trình sấy lý thuyếtTheo điều kiện khí hậu ta chọn: φ0 = 85% Điểm A = t0 ∩ φ0
Tra theo đồ thị (I – d), hoặc tính như sau: Ở nhiệt độ 20 o C ta có
Pobh=exp(12- ) = exp = 0,0233 bar Độ chứa ẩm của không khí: d0 = 622 = 622 = 12,567g/kgkk
I0= 51,91 kJ/kgkk Điểm B= t1 (d1=d0=constand) do quá trình (0-1) là quá trình gia nhiệt nên có độ chứa ẩm không đổi ta có: t1= 160 d1=d0= 12,567 g/kgkk
P1bh= exp(12 ) = exp = 6,168 bar φ1= = = 0,0032 Điểm C=t2∩(I2=I1= cons’t) do quá trình bay hơi đoạn nhiệt
I2=I1= 195,38kJ/kgkk Độ chứa ẩm:
3.3.2 Lượng không khí khô lý thuyết:
Lượng không khô cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm l0 = = = 30,337kgkk/kg ẩm
Lượng không khô cần thiết để làm bay hơi W kg ẩm/h.
3.3.3 Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết:
Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm q0= l0(I1-I0) = 30,337.(195,38 – 51,91) = 4352,45 kJ/kg ẩm
Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi Wkg ẩm/h.
3.3.4 Tính toán sơ bộ các kích thước cơ bản của ống sấy:
1, Đường kính của ống sấy:
D Vk: Lưu lượng thể tích khí trong ống sấy
L0: lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy L0c609,83 kg/h vk: thể tích riêng của khí trong ống sấy vk= = 1,115
Vk= 63609,83.1,115= 70924,96 m 3 /h wk: tốc độ không khí trong ống sấy wk = 15 m/s.
2, Tính chiều dài ống sấy:
Chiều dài phần phần bổ sung của ống sấy
Chiều dài của ống sấy:
Tính toán quá trình sấy thực
3.4.1 Xây dựng quá trình sấy thực và xác định lượng không khí khô cần thiết:
Từ phương trình cân bằng nhiệt thiết bị sấy:
Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm2 + GvtCvttm1 + LI0 = G2Cmtm2 + GvtCvttm1 + Q5 + LI2 (1)
Q + Qbs = L( I2 - I0 ) - WCntm1 + G2Cm (tm2-tm1) + GvtCvt (tm2- tm1) + Q5
Với: Q2 = L( I2 - I0 ) - Tổn thất nhiệt theo tác nhân sấy.
Qm = G2Cm (tm2-tm1) - Tổn thất nhiệt theo vật liệu sấy.
Qvt = GvtCvt (tm2- tm1) - Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển.
WCntm1 : Nhiệt hữu ích mang vào theo ẩm.
Chia 2 vế phương trình (*) cho W ta có: q +qbs = q2 - Cntm1 + qn + qvt + q5 (3)
Theo quá trình sấy lý thuyết: q = l (I1-I0)
Thay vào phương trình (3): qbs + l (I1-I0) = l (I2-I0) - Cntm1 + qn + qvt + q5
l (I2-I1) = qbs + Cntm1 - qn - qvt - q5 Đặt = qbs + Cntm1 - qn - qvt - q5: tổn thất nhiệt phụ để làm bay hơi 1 kg ẩm. l (I2-I1) =
: entanpi cuối quá trình sấy thực.
Xây dựng quá trình sấy thực trên đồ thị I-d :
Hình 3.2: Đồ thị I-d quá trình sấy thực
Từ một điểm C0 I = I1 = const, vẽ đường thẳng song song trục I Trên đường thẳng này ta đặt doạn C0E0 thoả mãn đẳng thức:
Nối B ( điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy trước khi sấy ) và E0 cắt t=t2= const tại điểm C, C chính là điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy thực.
+ 0 thì E0 nằm dưới C0 Đối với tác nhân sấy trong thiết bị khí động này ta có:
3.4.2 Tính tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra:
Tổn thất này là do khi vật liệu sấy đưa vào với nhiệt độ thấp khi ra có nhiệt độ cao.Nhiệt độ vật liệu sấy lấy theo điều kiện: tv2 = t2 – (7÷12) 0 C, Ở đây ta lấy : tv2= 70-10 = 60 0 C ,
B dI qv Cv: nhiệt dung riêng của tinh bột sắn, C = 1,381+0,0218ω
C= 1,381+0,0281.0,12=1,384 kJ/kgđộ t0: nhiệt độ vật liệu sấy đưa vào t0 = 20
W: lượng ẩm cần bốc hơi W 96,774kg/h
3.4.3 Tổn thất nhiệt ra môi trường q5:
Qmt=α2 (tw3-tf).Пd3L kJ/kg tw3: nhiệt độ bề mặt ngoài của ống chọn theo điều kiện vệ sinh khi thao tác dụng vào không bị bỏng tw3=(40÷50), chọn tw3= 40 0 C tf1 : nhiệt độ môi trường tf = 20 0 C α2: hệ số tỏa nhiệt từ mặt ống ra ngoài không khí W/m 2 xem không khí bên ngoài trong điều kiện chảy rối theo tài liệu 1 ta có α2= 1,715.(tw3- tf) 0,333 W/m 2 K α2= 1,715.(40-20) 0,333 = 4,6 W/m 2 K d3: đường kính ngoài cùng của ống sấy
2 Lớp cách nhiệt bông thủy tinh
3 Lớp thép làm ống sấy
Hình 3.3: Cấu tạo của ống sấy d 1 d 2 d 3 t f2 t f1 t w3 t w2 t w1
Theo phương trình cân bằng nhiệt cho dòng nhiệt đi qua 1m chiều dài ống trụ ta có: qmt=q1=q2=q3 qmt: mật độ dòng nhiệt tỏa ra từ bề mặt ống ra môi trường tính cho 1 m chiều dài ống : qmt=α2(tw3-tf2)П.d3 W/m q1: mật độ dòng nhiệt do dòng không khí chuyển động tỏa ra cho bề mặt trong của ống tính cho 1m chiều dài: q1= α1(tf1+tw1)П.d1 W/m α1: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức của tác nhân sấy với bề mặt trong của ống w= 15m/s > 5m/s theo tài liệu 1ta có : α1= 7,5w 0,78 = 7,5.15 0,78 = 10,3W/m 2 K tf1: ta lấy nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong ống tf2 = 0,5.( t1 + t2 ) = 115
0C tw1: nhiệt độ của bề mặ trong của vách ống d1: đường kính trong của ống q2 : mật độ dòng nhiệt truyền qua 1m chiều dài vách ống q2 λ1: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, đối với ống thép, λ1= 46 W/mK tW2: nhiệt độ bề mặt ngoài vách giữa lớp thép và lớp cách nhiệt d2 : đường kính ngoài của ống thép q3: mật độ dòng nhiệt truyền qua 1m chiều dài lớp cách nhiệt q3= W/m λ2: hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh, λ2= 0,04
Do lớp tông bọc ở ngoài rất mỏng nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của lớp này Giải bằng phương pháp lặp ta tính được d3:
Qua nhiều lần tính lặp ta chọn được tw1= 105,97 0 C
Chiều dày lớp cách nhiệt δc: d3=d2 + 2.δc = 1,3643
δc= 0,03m qmt=α2(tw3-tf2)П.d3= 4,6.(40-20).3,14.1,3643 = 394,1076W/m ε = =0,038 sai số nhỏ hơn 0,1 nên chấp nhận tính đúng.
Vậy giải bằng phương pháp lặp ta tìm được: tw1= 105,97 0 C tW25,96 d3=1,3643m δc= 0,03m qmt94,1076 W/m
Vậy tổn thất nhiệt ra môi trường:
Qmt = qmt.L= 394,1076.51,75= 20789,175 W q5= = 35,693kJ/kg ẩm
Tổng tổn thất nhiệt Δ: Δ= Catv1- qv- q5 = 4,186.20-132,013-35,693 = -83,986kJ/kg ẩm;
Ca: nhiệt dung của nước
3.4.5 Xác định thông số trong quá trình sấy thực:
Hình 3.4 : Đồ thị biểu diễn các thông số quá trình sấy thực trên đồ thị I-d
Tính toán entanpi và độ chứa ẩm:
3.4.5 Lượng không khí tiêu hao trong quá trình sấy thực:
Lượng không khí thực tế để làm bay hơi 1kg ẩm l = 0,4 kg kk/kgẩm
Lượng không khí thực tế để làm bay hơi W kg ẩm/h d 2 d o =d 1 f = 100% f 2 f 1 f 0 t 1 t 2 t 0 d(g/kg k.k)
3.4.6 Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực tế:
Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm: q=l.(I1-I0) = 30,4.(195,38-51,91) = 4361,488 kJ/kgẩm
Lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi Wkgẩm/h
3.4.7 Hiệu suất của thiết bị: η q1: nhiệt lượng có ích: q1= i2 - Catv1= (2500+1,97t2) - Catv1 i2: entanpi của hơi ẩm ra khỏi ống sấy, i2=(2500+1,97t2) kJ/kg ẩm q1= (2500 +1,97.70) – 4,1868.20 = 2554,164 kJ/kgẩm η= = 0,5856
3.4.8 Tính sai số kiểm tra quá trình tính toán:
Tính theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: q’ = q1 + q2 + qmt q1: nhiệt lượng có ích: q1 = i2 – Catv1 = ( 2500 + 1,97tv2) - Catv1 q1 = ( 2500 + 1,97 60) – 4,1868.20 = 2534,464 kJ/kgẩm q2: tổn thất do tác nhân sấy mang đi; q2 = l.C.(t2 - t2) = 30,4.(70 - 20) = 1520 kJ/kgẩm
Vậy sai số tương đối trong quá trình tính toán: ε = = = 0,062
Với sai số như trên thì kết quả tính toán được xem là đúng
3.4.9 Tính lại kích thước của ống sấy:
Q’: tổng nhiệt lượng đốt nóng vật liệu sấy Qv và nhiệt lượng có ích Q1:
Q’ = 267800 + 5314198,219 = 5581998,219 kW α: hệ số trao đổi nhiệt giữa dòng tác nhân sấy và dòng vật liệu sấy xác định theo thực nghiệm theo giới hạn Fe: α Ta có Fe = 269,157 nên:
Nu = 0,83Fe 0,74 = 0,83.296,157 0,74 = 55,97 λk: hệ số dẫn nhiệt của không khí ta có ttb = 115 o C nên ta tra được λk =0,0334 W/mK
F: Tổng bề mặt của n hạt:
F = = = 297406,6 m 2 /h Δt: độ chênh nhiệt độ trung bình giữa dòng tác nhân sấy và dòng vật liệu sấy: Δt = = 49,26 0 C
τ = = 6,6 s ≈ τ chọn nên không cần tính lại các kích thước của ống sấy
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ
Tính chọn CALORIFER
Trong kỹ thuật sấy thường sử dụng hai loại calorife để đốt nóng không khí: calorife khí-hơi và calorife khí-khói
Sử dụng calorife khí – hơi có ưu điểm là cấu tạo gọn nhẹ hơn, thiết bị không bị bám bẩn do khói Nhưng do calorife khi – làm việc ở nhiệt độ thấp không khí thường không được đốt nóng quá 120 0 C Ở đây không khí được gia nhiệt đến 160 0 C nên ta chọn calorife khí khói.
Dùng khói làm chất tải nhiệt hệ thống thiết bị đơn giản hơn, giá thành thiết bị thấp hơn so với dùng hơi nước vì không cần lò hơi Nhưng nó có nhược điểm là làm việc ở nhiệt độ cao, bề mặt truyền nhiệt bị bám bẩn dẫn đến giảm tuổi thọ của thiết bị Mặc khác so với calorife khí – hơi thì nó có hệ số truyền nhiệt thấp hơn nên calorife khí – khói sẽ có kích thước lớn hơn và việc điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy sẽ khó hơn calorife khí – hơi.
Nhiệt lượng mà calorife cần cấp cho tác nhân sấy:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt F:
Trong đó: k: là hệ số truyền nhiệt của calorife Truyền nhiệt trong calorife là truyền nhiệt qua vách trụ, nhưng phần lớn các ống dùng trong calorife khí hơi điều thoải mãn điều kiện < 1,4 nên chúng ta có thể dùng công thức tính nhiệt qua vách phẳng. k = , k/Wm 2
Với δ = 0,5(d2 – d2) chiều dày của ống; λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống; εc: là hệ số hiệu chỉnh khi làm cánh; αk: hệ số tỏa nhiệt về phía khói; αkk: hệ số tỏa nhiệt về phía khí; ηc: hiệu suất của calorife; Δttb: độ chênh nhiệt độ trung bình: Δttb
Tính chọn buồng đốt
Buồng đốt trong hệ thống sấy được sử dụng với hai mụch đích Thứ nhất là buồng đốt tạo ra khói lò có nhiệt độ cao dùng làm dịch thể nóng để cung cấp nhiệt để đốt nóng không khí trong calorife khí – khói Thư hai là buồng đốt tạo ra khói có nhiệt độ thích hợp để dùng làm tác nhân sấy Đối với hệ thống sấy này buồng đốt được sử dụng với mụch đích thư nhất.
Nhiên liệu dùng trong buồng đốt của hệ thống sấy chủ yếu là nhiên liệu lỏng và nhiên liệu rắn Dùng nhiên liệu lỏng hay khí thì buồng đốt gọn nhẹ, sạch sẽ, dẽ điều chỉnh nhưng chi phí nhiên liệu để sấy một kg sản phẩm cao hơn so với đốt nhiên liệu rắn
Nên ta chọn buồng đốt nhiên liệu rắn buồng đốt nhiên liệu rắn tuy dễ xây dựng nhưng cồng kềnh và đặc biệt khói trong buồng đốt loại này chứa nhiều bụi bẩn gồm có tro hoặc các hạt nhiên liệu chưa cháy hết bay theo. Để khử tro bay theo khói, trong các buồng đốt đơn giản người ta cho khói đi dích dắc 1 hoặc nhiều lần
Ta chọn buồng đốt đốt than antraxit.
Nhiệt lượng mà buồng đốt cần phát ra là:
Q’ ηb: Hiệu suất buồng đốt, ηb = 0,6 ÷ 0.85 chọn ηb = 0,8; ηo: Hiệu suất các ống dẫn khói, ηo= 0,85 ÷ 0,95 chọn ηo = 0,9; ηc: Hiệu suất calorife, ηc= 0,5 ÷ 0,75 chọn ηc= 0,7
Q: Nhiệt lượng mà calorife cần cung cấp:
Diện tích ghi lò R theo bảng 17.6 tài liệu 1 với than antraxit chúng ta có nhiệt nhiệt thế diện tích ghi = (450 ÷700 ).10 3 kcal/m 2 h ;
Thể tích buồng đốt Vb theo bảng 17.6 tài liệu 1 với than antraxit chúng ta có nhiệt thế thể tích = (250 ÷ 300).10 3 kcal/m 3 h
Tính chọn xyclon
Trong hệ thống sấy chúng ta dùng xyclon để thu hồi sản phẩm bay theo tác nhân sấy trước khi thải ra môi trường, để tăng hiệu quả thu hồi sản phẩm ta chọn xyclon chùm
Dòng hổn hợp không khí và tinh bột chuyển động theo đường cong tiếp tuyến với vách ống bên trong Ở gần vách trong áp suất nhỏ còn xa vách trong áp suất khí càng lớn Chênh lệch áp suất này gây ra chuyển động quay của dòng không khí Do lực ly tâm bụi văng ra đập vào thành ống và rơi xuống.
Cách tính các kích thước cơ bản của xyclon và ống trung tâm:
Nếu kênh dẫn có tiết diện hình chữ nhật với kích thước b/a = (1,5÷2) thì bán kính trung tâm R1 nên lấy theo quan hệ:
Tính đường kính của xyclon D xác định theo công thức thực nghiệm sau:
D = , m dv: đường kính hạt tinh bột, ρv: khối lượng riêng của 1 hạt ρk: khối lượng của tác nhân sấy a: chiều rộng của tiết diện kênh dẫn; φ: hệ số hình dáng nếu hạt hình tròn lấy φ = 2,75 nếu có hình dáng mảnh lấy φ = 3,94
Hình 4.1: Kích thước cơ bản của xyclon.
D1: đường kính ống trung tâm d: đường kính phần bé nhất của phiểu h1: chiều dài phần ống trung tâm cắm vào xyclon h2: chiều cao phần trụ của xyclon h3: chiều cao phiễu b: chiều dài tiết diện kênh dẫn vào xyclon
Xác định chiều dài ống trung tâm cắm vào xyclon h1 h1= , m
Tính chiều cao phần hình trụ của xyclon h2: h2 = h1 + 2a , m
Tính chiều cao phần côn của xyclon: h3 = , m
Với tgm hệ số ma sát.
Do đồ án môn học nên chúng ta không đi tính kích thước cụ thể mà dựa vào lưu lượng thể tích để chọn xyclon.
Ta có lưu lượng không khí trong một giờ
Ta chọn 10 xyclon nên lưu lương mỗi xyclon
Tra bảng 17.3 tài liệu 1 ta có: kích thước của xyclon (m)
Tính chọn quạt
Quạt dùng để vận chuyển tác nhân sấy và vận chuyển vật liệu sấy trong hệ thống sấy khí động Thường dùng hai loại quạt: quạt ly tâm và quạt hướng trục Chọn loại quạt nào tùy thuộc trở lực mà quạt phải khắc phục Δp, và năng suất mà quạt cần tải đi V cũng như nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy.
Cơ sở để chọn quạt là năng suất V và cột áp toàn phần Δp
Năng suất quạt được xác định ở phần tính nhiệt ở trên, V = 70924,96 m 3 /h
Năng suất quạt ở điều kiện tiêu chuẩn ( t0 = 0 0 C, p0 = 760 mm Hg)
V0 ρ0: là khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, ρ0 = 1,293 kg/m 3 ρ: là khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, ρ= 1,115 kg/m 3
Cột áp toàn phần Δp là kết quả tính trở lực của hệ thống sấy Δp = Δpm + Δp c + Δptb + Δp đ Δpm: trở lực ma sát của đường ống sấy và đường ống dẫn tác nhân sấy, mmH2O. Δpc: trở lực cục bộ trên đường ống sấy và đường ống dẫn tác nhân sấy, mmH2O. Δptb: trở lực qua thiết bị (xyclon, calorife), mmH2O Δpd: áp suất động của khí thoát khỏi ống thải ẩm, mmH2O
Trở lực ma sát bị sấy ΔpS:
Hình 4.2: Chọn quạt Δpm = λ mm H2O
L: chiều dài ống sấy, m d: đường kính trong của ống sấy , m ρ: khối lượng riêng của không khí, kg/m 3 λ: hệ số trở lực ma sát, xác định theo Re đã cho trong các bảng. w: tốc độ của không khí
Trở lực cục bộ Δpc: Δp c = , mm H2O ξ: hệ số trở lực cục bộ, xác định theo đặc điểm của đoạn ống xảy ra tổn thất cục bộ đã cho trong các bảng. Áp suất động của khí thoát ra khỏi ống thoát Δpd: Δpd = , mm H2O
Bảng 4.1:Δptb: trở lực qua thiết bị:
Tên của trở lực Ký hiệu Đơn vị kết quả
1 Trở lực của lớp hạt trong thiết bị sấy Δps N/m 2 2932,3
2 Trở lực ma sát trên đường ống Δpm N/m 2 480
5 Tổn thất cột áp động Δpd N/m 2 100,91
6 Tổn thất tại các vị trí có tổn thất cục bộ Δpc N/m 2 90
7 Tổng tốn thất cột áp Δp N/m 2 3883,21
Ta có cột áp thực tế: = 3883,21 N/m 2 , và lưu lượng V = 70924,96 nên tra theo phụ lục III tài liệu [2] ta chọn 4 quạt ly tâm II 4-70 N o 10 có V= 40000 m 3 /h cột áp Δp = 1500 N/m 2 hiệu suất ηq = 0,76 tốc độ quay ω = 105 rad/s
N = = = 676 kW vậy tổng công suất : P= 4.N = 2705,89 kW
[1]Tính toán và thiết kế hệ thống sấy của GS-TSKH Trần Văn Phú.(tài liệu 1) [2]Kỹ thuật sấy của Hoàng Văn Chước.
Chương 1: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TINH BỘT SẮN VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TINH BỘT SẮN 2
1.1 Nguồn gốc của tinh bột sắn: 2
1.2 Cấu tạo của tinh bột: 3
1.3 Liên kết ẩm trong tinh bột sắn: 3
1.4 Quy trình sản xuất tinh bột sắn : 4
1.5 Chọn phương pháp sấy tinh bột: 10
1.6 Lựa chọn hệ thống sấy : 10
Chương 2: TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ SẤY KHÍ ĐỘNG SẤY TINH BỘT SẮN 11
2.2 Đặc điểm, nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy khí động : 11
2.2.1 Đặc điểm của hệ thống sấy khí động: 11
2.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy khí động: 11
2.3 Chọn môi chất sấy và chất tải nhiệt: 12
2.3.1Tính chất vật lý của tinh bột liên quan đến quá trình sấy 12
2.3.2 Chọn môi chất sấy và chất tải nhiệt: 12
2.5 Tính toán các kích thước cơ bản của hệ thống: 13
2.5.2 Chiều dài cơ bản của ống sấy: 13