Thí nghiệm quá trình thiết bị chương 8

Mục đích thí nghiệm: - Nghiền một loại vật liệu, dựa vào kết quả rây xác định sự phân phối kích thước vật liệu sau khi nghiền, công suất tiêu thụ và hiệu suất của máy nghiền.. Quá trình

1 TRÍCH YẾU :

1.1 Mục đích thí nghiệm:

- Nghiền một loại vật liệu, dựa vào kết quả rây xác định sự phân phối kích thước vật liệu sau khi nghiền, công suất tiêu thụ và hiệu suất của máy nghiền

- Rây vật liệu sau khi nghiền, xác định hiệu suất rây, xây dựng giản đồ phân phối và tích lũy của vật liệu sau khi nghiền, từ đó xác định kích thước vật liệu sau khi nghiền

- Trộn hai loại vật liệu để xác định chỉ số trộn tại các thời điểm, xây dựng đồ thị chỉ số trộn theo thời gian để xác định chỉ số trộn thích hợp

1.2 Phương pháp thí nghiệm:

- Nghiền : cho vật liệu vào máy nghiền để xác định thời gian nghiền và cường độ dòng điện lúc có tải cực đại

- Rây :

 Xác định hiệu suất rây của rây có kích thước 0,25mm: rây vật liệu 5 lần và cân

lượng vật liệu lọt qua rây trong mỗi lần đó

 Xác định sự phân phối kích thước vật liệu: rây vật liệu qua nhiều rây và cân lượng

vật liệu tích lũy ở mỗi rây

- Trộn : trộn vai loại vật liệu Dừng máy tại 6 thời điểm khác nhau và lấy 8 mẫu tại mỗi thời điểm Đếm số hạt

1.3 Kết quả thí nghiệm:

1.3.1 Thí nghiệm nghiền :

Khối lượng (g) Thời gian nghiền (s) Không tải Cường độ dòng điện (A) Có tải

1.3.2 Thí nghiệm rây :

Xác định hiệu suất rây: khối lượng đem rây M = 80g.

Lần rây Thời gian (phút) Khối lượng qua rây (g)

Kết quả phân tích rây: khối lượng đem rây M = 80g

Kích thước rây (mm) Khối lượng trên rây  (g)

1.3.3 Thí nghiệm trộn :

Mẫ

u

5" 15" 30" 60" 120" 300"

1.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm:

Kết quả thu được cho 3 phần nghiền, rây, trộn nhìn chung là hợp lý

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM :

2.1 Đập nghiền vật liệu:

2.1.1 Khái niệm :

Quá trình đập nghiền vật liệu là quá trình trong đó vật liệu rắn được cắt hay làm vỡ ra thành những hạt nhỏ hơn

Trong công nghiệp vật liệu được đập nghiền bằng các phương pháp khác nhau nhằm các mục đích khác nhau Các mảnh quặng thô được nghiền ra thành các cỡ hạt có kích thước thuận tiện cho quá trình xử lý quặng; hóa chất, ngũ cốc được nghiền thành bột Các sản phẩm thương mại thường phải đáp ứng một cách nghiêm ngặt về kích thước và đôi khi cả hình dạng hạt Giảm kích thước hạt còn làm tăng hoạt tính phản ứng của chất rắn; giúp phân tách các tạp chất bằng các phương pháp cơ học; giảm khối lượng riêng xốp để vận chuyển dễ dàng hơn

2.1.2 Các thuyết về nghiền :

a) Thuyết bề mặt của P R Rittinger :

Công dùng cho quá trình nghiền tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt mới tạo thành của sản phẩm nghiền:





















1 2

1 D

1 K E

Trong đó:

 E – công dùng cho quá trình nghiền: E = TP

 P – công suất tiêu thụ, kW

 T – năng suất, tấn/h

 Kr – hằng số Rittinger

 Dp1 – kích thước ban đầu của vật liệu, mm

 Dp2 – kích thước của sản phẩm, mm

Công cần thiết để nghiền một lượng vật liệu cho trước là không đổi ứng với cùng một mức độ nghiền, bất chấp kích thước ban đầu của vật liệu

i lg K

E  k

Trong đó i là mức độ nghiền và Kk là hằng số Kick

 Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền tỉ lệ nghịch với sự giảm thể tích của bề mặt vật liệu

2

1

D lg K

E 

Thuyết này dùng trong trường hợp đập nghiền thô và nghiền mịn bằng va đập

c) Định luật Bond và chỉ số công :

Công cần thiết để tạo nên hạt có đường kính D từ cục vật liệu ban đầu rất lớn tỉ lệ với căn bậc hai tỉ số diện tích bề mặt – thể tích của sản phẩm, S/V = 6D Như vậy:

D

K

E  b

 Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu

Dp1 thành sản phẩm có kích thước Dp2 là:





















1 2

b

D

1 D

1 K E

Nếu nghiền khô thì E được nhân với 34

Với Kb =

10

W

60 i

 19Wi Trong đó:

 Kb – hằng số Bond

 Wi – chỉ số công, kW.h/tấn vật liệu nghiền

Chỉ số công Wi là lượng năng lượng cần thiết để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu rất lớn đến sản phẩm có 80% lọt qua rây 100 micron

Chỉ số công phụ thuộc vào loại máy nghiền (các máy khác nhau nhưng cùng loại có Wi xấp xỉ nhau) và vật liệu nghiền (các vật liệu khác nhau có Wi khác nhau)

Định luật này dùng cho nghiền trung bình và mịn

2.1.3 Công suất nghiền :

Trong bài thí nghiệm này ta áp dụng định luật Bond (trong trường hợp nghiền khô) để tính công suất nghiền:

T D

1 D

1 W 19 3

4 P

1 2



















2.1.4 Hiệu suất nghiền :

Công suất tiêu thụ cho động cơ của máy nghiền: P’ = U.I.cos

Trong đó:

 U – điện thế, V

 I – cường độ dòng điện, A

 cos - hệ số công suất

Hiệu suất của máy nghiền:

% 100 ' P

P

H  

2.2 Rây vật liệu:

2.2.1 Mục đích và công nghệ của quá trình :

Những sản phẩm sau khi nghiền thường là những hạt có kích thước khác nhau, do đó đặt ra yêu cầu là phải phân loại hạt rời đó thành những phân đoạn hạt có khoảng kích thước theo yêu cầu

Quá trình phân loại hỗn hợp vật liệu rời thành những phần hạt có kích thước khác nhau, dựa vào sự khác nhau về kích thước, dưới tác dụng của lực cơ học được gọi là quá trình rây

Phương pháp phân loại bằng rây là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất Nguyên tắc của nó là cho vật liệu đi qua hệ rây có kích thước lỗ xác định Các hạt có kích thước nhỏ hơn lỗ rây sẽ lọt qua rây, các hạt có kích thước lớn hơn sẽ bị giữ lại trên bề mặt rây Việc phân loại hạt có thể tiến hành theo 2 cách:

 Phân loại kích thước từ nhỏ đến lớn : Tại đây các mặt rây được xếp nối tiếp nhau.

Mặt rây có kích thước lỗ nhỏ được đặt trước, kích thước lỗ lớn đặt sau Khi hỗn hợp vật liệu chuyển động từ trái qua phải ta sẽ thu được phân loại như mong muốn

d1

d3

 Phân loại kích thước từ lớn đến nhỏ : Tại đây các mặt rây được xếp song song và

chồng lên nhau Mặt rây có kích thước lỗ lớn đặt lên trên, kích thước lỗ nhỏ đặt dưới Khi hỗn hợp vật liệu chuyển động từ trên xuống dưới ta sẽ thu được sự phân loại như mong muốn  Đây là kiểu phân loại được áp dụng trong bài thí nghiệm này

d1 > d2 > d3

2.2.2 Phương trình biểu diễn đến sự phân phối kích thước đối với hạt nhuyễn :

Phương trình vi phân: bp

p

KD dD

d







Trong đó:

  - khối lượng tích lũy trên kích thước Dp, g

 Dp – kích thước rây, mm

 K, b – hai hằng số biểu thị đặc tính phân phối của khối hạt

Lấy tích phân từ  = 1 đến  = 2 tương ứng với Dp = Dp1 và Dp = Dp2 ta có:

2 - 1 = ( D D )

1 b

2 1 b

1  





d1

d2

d3

Tổng quát ta xét giữa rây thứ n và rây thứ (n – 1) và giả sử sử dụng rây tiêu chuẩn có





pn

1

pn

D

D

r = hằng số

pn 1

b pn

1 b

D ' K D

1 b

) 1 r (









Với: K’ =

1 b

) 1 r

.(

K b 1







Hoặc: Logn = (b + 1)LogDpn + LogK’

LogK’ và (b + 1) được xác định bằng cách vẽ n theo Dpn trên đồ thị Log – Log Từ đó suy ra K và b

2.2.3 Hiệu suất rây :

a) Công thức :

100 Fa

J

E  

Trong đó:

 F: khối lượng vật liệu ban đầu cho vào rây, g

 J: khối lượng vật liệu dưới rây, g

 a: tỉ số hạt có thể lọt qua rây, %

Tích số F.a trong thí nghiệm được xác định như sau:

- Đem rây một khối lượng F của vật liệu, khảo sát xác định được J1 Lấy vật liệu còn lại trên rây (F – J1) và rây lại xác định được J2, tiếp tục lấy vật liệu trên rây F – (J1 + J2) và rây lại lần nữa

- Tổng số J1 + J2 + J3 + … sẽ tiệm cận đến F.a

- Hiệu suất rây là 100% nếu J1 = F.a

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất rây :

* Độ ẩm của vật liệu rây:

Độ ẩm của vật liệu rây ảnh hưởng lớn đến quá trình rây Khi các vật liệu chuyển động trên bề mặt rây, các hạt vật liệu sẽ va chạm vào nhau, do đó nếu chúng có độ ẩm cao chúng sẽ dễ dính vào nhau làm tăng kích thước hạt và sẽ không lọt được qua rây Mặt khác, vật liệu ẩm dễ kết dính vào lỗ lưới, gây bít lỗ lưới rây Độ ẩm lý tưởng của vật liệu để hiệu suất rây đạt cao nhất là 5%

* Bề dày lớp vật liệu trên bề mặt rây:

Chiều dày lớp vật liệu trên bề mặt rây cũng ảnh hưởng đến hiệu suất rây Nếu lớp vật liệu quá dày thì lớp vật liệu nằm ở trên bề mặt sẽ khó đi xuống phía dưới để tiếp xúc với bề mặt lưới rây và lọt qua rây Có thể chọn chiều dày lớp vật liệu trên rây phụ thuộc vào kích thước vật liệu

- Khi d < 5mm thì bề dày lớp vật liệu h = (10  15)d

- Khi d = (5  50)mm thì h = (5  10)d

- Khi d > 50mm thì h = (3  5)d

* Kích thước của vật liệu trên rây:

Khi vật liệu chuyển động trên bề mặt lưới rây, sẽ có một số hạt vật liệu nằm lọt trong lỗ lưới rây Để chúng không bít lỗ rây và chuyển động ra ngoài thì cần phải tác dụng vào hạt vật liệu một lực nào đó có giá trị thích hợp

Giả thiết hạt vật liệu hình cầu, có đường kính là 2r nằm trên lỗ lưới có kích thước là 2R và góc bít kín là  Để cho hạt vật liệu bật ra khỏi lỗ ta có điều kiện:

a  g tg

Trong đó:

 a – gia tốc của rây, m/s2

 g – gia tốc trọng trường, m/s2

  phụ thuộc vào tỉ số hai bán kính: R sin1

r

* Mặt rây:

Mặt rây phải phẳng thì hiệu suất rây mới cao

* Hình dáng lỗ rây:

Hình tròn hoặc hình oval thì hiệu suất cao nhất còn các hình dạng khác thì hiệu suất thấp

2.3 Trộn vật liệu rời:

2.3.1 Mục đích :

Trộn là quá trình tạo một hỗn hợp đồng nhất từ các thành phần rắn (hay lỏng) khác nhau dưới tác dụng của lực cơ học Hỗn hợp đồng nhất có thể là hỗn hợp vật liệu rời khi ta trộn hai hay nhiều chất rắn với nhau hay là hỗn hợp bột nhão, dẻo khi ta trộn chất rắn với chất lỏng Thí dụ như sản xuất thức ăn gia súc, xi măng, phân bón, mỹ phẩm, thực phẩm đóng hộp,…

Ngoài ra trong công nghiệp quá trình trộn còn giúp tăng cường quá trình truyền nhiệt hay phản ứng giữa một chất rắn với một chất khí, thí dụ như quá trình sấy, đốt quặng, polyme hóa chất dẻo, sản xuất chất xúc tác Quá trình trộn còn có thể dùng để tạo một lớp áo bao quanh vật liệu rời như sản xuất phẩm màu, thuốc nhuộm, dược phẩm, kẹo Trong trường hợp này một ít chất lỏng được thêm vào hỗn hợp trộn Đôi khi quá trình trộn được kết hợp với quá trình nghiền nhỏ vật liệu Khi đó máy trộn có kết cấu chi tiết khác với máy trộn thuần túy

2.3.2 Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình trộn :

Sự khác biệt nhiều về tính chất của các loại vật liệu như: sự phân phối cỡ hạt, khối lượng riêng, hình dạng và đặc trưng bề mặt (như lực tĩnh điện) có thể làm cho quá trình trộn trở nên rất khó khăn Thực tế, các tính chất của vật liệu chi phối quá trình trộn, những tính chất đó là:

- Sự phân phối cỡ hạt : Sự phân phối quá rộng cỡ hạt sẽ ảnh hưởng xấu đến quá

trình trộn

- Khối lượng riêng xốp : Khối lượng riêng xốp thay đổi trong quá trình trộn, có thể

giảm do bọng khí trong khối hạt hoặc tăng do rung động hoặc nén cơ học

- Khối lượng riêng của vật liệu: Vật liệu đem trộn có khối lượng riêng khác xa nhau

sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình trộn

- Hình dạng hạt: Có thể có các dạng phiến, hình trứng, khối lập phương, cầu, dĩa,

thanh, sợi, tinh thể hoặc dạng bất kỳ

- Đặc trưng bề mặt: Bao gồm diện tích bề mặt và khuynh hướng tích điện Lực tĩnh

điện có ảnh hưởng xấu tới quá trình trộn

- Đặc trưng lưu chuyển: Đó là góc nghiêng tự nhiên và khả năng lưu chuyển Góc

nghiêng tự nhiên càng lớn cho thấy khả năng lưu chuyển càng thấp

- Tính dễ vỡ (dòn): đây là tính dễ vỡ vụn của vật liệu trong quá trình sử dụng Nếu

vật liệu chỉ cần trộn mà không nghiền thì tính chất này ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm trộn Ngoài ra tính chất mài mòn cùa vật liệu này trên vật liệu khác cũng có ảnh hưởng tương tự

- Tính kết dính: Các hạt cùng loại có khuynh hướng kết dính lại với nhau sẽ cản trở

quá trình trộn

- Độ ẩm của vật liệu: Thường một lượng nhỏ chất lỏng được thêm vào để giảm bụi

hoặc đáp ứng một nhu cầu đặc biệt (chẳng hạn dầu cho mỹ phẩm) Hỗn hợp vẫn ở trạng thái khô chứ không phải dạng nhão

- Khối lượng riêng: Độ nhớt và sức căng bề mặt của chất lỏng thêm vào tại nhiệt độ

làm việc

- Nhiệt độ giới hạn của vật liệu: Phải chú ý đến sự biến đổi nhiệt độ có thể xảy ra

(như nhiệt phản ứng)

Trước khi chọn lựa một máy trộn cần xem xét kỹ các tính chất trên của vật liệu đem trộn

2.3.3 Các quá trình xảy ra trong máy trộn (cơ chế của quá trình trộn) :

Khi trộn vật liệu hạt, các hạt chịu tác dụng của những lực cơ học có hướng khác nhau và dẫn tới chuyển động của các hạt trong thể tích khối hạt Quá trình chuyển động của các hạt phụ thuộc vào cấu tạo máy trộn, phương pháp tiến hành quá trình trộn Trong máy trộn có năm quá trình cơ bản xảy ra:

- Tạo ra các lớp trượt với nhau theo các mặt phẳng trộn cắt

- Chuyển dịch một nhóm hạt từ vị trí này đến vị trí khác - trộn đối lưu

- Thay đổi vị trí từng hạt riêng rẽ – trộn khuếch tán

- Phân tán từng phân tử do va đập vào thành thiết bị – trộn va đập

- Biến dạng và nghiền nhỏ từng bộ phận - trộn nghiền

Những cơ chế trộn trên xảy ra riêng rẽ hay đồng thời với những mức độ khác nhau tùy thuộc vào loại máy trộn và vật liệu trộn

2.3.4 Đánh giá mức độ đồng đều của hỗn hợp trộn :

Khi trộn một khối lượng a chất A với khối lượng b chất B để tạo thành hỗn hợp đồng nhất AB thì thành phần của chất A và B trong hỗn hợp đó là:

b a

a

CA



 và CB abb





Trong hỗn hợp lý tưởng, CA và CB sẽ như nhau ở mỗi phần thể tích Hỗn hợp lý tưởng này chỉ đạt được khi thời gian trộn tiến tới vô cùng và không có các yếu tố chống lại quá trình trộn

Trong thực tế thời gian trộn bị giới hạn, do đó trong hỗn hợp thực các thành phần CA và

CB ở các phần thể tích khác nhau của hỗn hợp sẽ khác nhau Nếu sự khác nhau này càng ít thì hỗn hợp càng gần với hỗn hợp lý tưởng

Để đánh giá mức độ đồng đều của hỗn hợp thực ta có thể sử dụng 2 đại lượng sau:

a) Độ sai lệch bình phương trung bình :

Nếu trong phần thể tích Vi của hỗn hợp thực có thành phần chất A là CiA và của chất B là CiB, lúc đó “độ sai lệch bình phương trung bình” của hỗn hợp thực sẽ là:

1 N

) C C

( s

N

1 i

2 iA A A











1 N

) C C

( s

N

1 i

2 iB B B











Với N – số thể tích mẫu Vi

Như vậy sA và sB càng nhỏ thì mức độ đồng đều của hỗn hợp càng cao (càng gần với hỗn hợp lý tưởng) Gía trị của sA và sB phụ thuộc cơ bản vào thời gian  Quan hệ đó được biểu diễn như sau:

s

, h

b) Chỉ số trộn :

Is =se Với  e : độ lệch chuẩn lý thuyết

n

C

CA B

e 













 N

1 i

2 iA A

B A s

) C C ( n

) 1 N ( C C I

Với n : số hạt trong một thể tích mẫu hỗn hợp

Như vậy IS càng lớn thì mức độ đồng đều của hỗn hợp trộn càng cao Quan hệ giữa chỉ số trộn IS và thời gian trộn  được trình bày trên hình sau cho quá trình trộn cát và muối trong máy trộn thùng quay:

, ph

Các lực chống lại quá trình trộn thường là lực tĩnh điện, luôn luôn hiện diện trong quá trình trộn bột khô và có ảnh hưởng rất đáng kể Các lực này có khuynh hướng chống lại quá trình trộn hoàn toàn, khi thời gian trộn quá lâu, như trên hình vẽ cho thấy, quá trình sẽ ngược lại, vật liệu khác nhau có khuynh hướng tách rời và các vật liệu cùng loại sẽ kết dính lại

3 DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM :

3.1 Dụng cụ – thiết bị:

3.1.1 Máy nghiền :

Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng máy nghiền mịn loại búa đúc nạp liệu chiều trục

a) Cấu tạo :

Cấu tạo của máy gồm có 2 bộ phận chính là: vít tải và bộ phận nghiền

Vít tải có tác dụng chuyển vật liệu vào bộ phận nghiền

b) Nguyên tắc hoạt động của máy nghiền búa :

Vật liệu trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào vật liệu và chà xát vật liệu giữa búa và thành máy Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới phân loại sẽ đi ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn lỗ lưới phân loại sẽ được tiếp tục nghiền

* Máy nghiền được gắn với một Ampere kế để đo cường độ dòng điện Ngoài ra trong quá trình thí nghiệm ta còn sử dụng thì kế để đo thời gian nghiền

3.1.2 Máy rây :

Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng máy rây rung

a) Cấu tạo :

Gồm có 4 lưới rây: 0.25mm, 0.2mm, 0.16mm, 0.10mm và một rây cuối cùng kín để hứng vật liệu

c) Nguyên tắc hoạt động :

Sự rung động được tạo thành nhờ đối trọng quay Các đĩa có đối trọng được gắn lên trục dẫn động của máy Khi trục quay thì các đĩa này gây nên lực quán tính làm cho thùng sàng chuyển động theo các hướng khác nhau  ở lưới trên các hạt lớn được tách ra, còn ở lưới dưới là các hạt nhỏ

* Máy rây được gắn với một thì kế để điều chỉnh thời gian rây

3.1.3 Máy trộn :

Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng máy trộn thùng quay hình trụ hoạt động gián đoạn

a) Cấu tạo :

Gồm thùng chứa vật liệu được truyền động quay qua các gối đỡ hay các trục được gắn với thùng

Trên thân máy có chế tạo một cửa để nhập và tháo vật liệu

b) Nguyên tắc hoạt động :

Khi thùng quay, dưới tác dụng của lực ly tâm, vật liệu trong thùng sẽ được nâng lên và rơi xuống tạo sự đảo trộn trong khối vật liệu

Máy trộn thùng quay có ưu điểm là do cấu tạo đơn giản, năng suất lớn Nhưng có nhược điểm là vật liệu có thể dập nát khi trộn

* Khi sử dụng máy trộn ta phải kết hợp với việc sử dụng thì kế để xác định thời gian trộn

3.1.4 Cân : gồm 2 loại là: 500g (với độ chính xác là 0.1g) và 1kg (với độ chính xác là

5g)

3.2 Phương pháp thí nghiệm:

3.2.1 Thí nghiệm nghiền :

- Cân 200g mẫu vật liệu gạo đem nghiền

- Bật công tắc máy nghiền cho chạy không tải  đo cường độ dòng điện lúc không tải

- Cho gạo vào máy, bật công tắc vít tải nhập liệu, bấm thì kế  đo cường độ dòng điện có tải cực đại Khi cường độ dòng điện trở lại giá trị không tải  bấm thì kế để xác định thời gian nghiền

- Tháo sản phẩm ra khỏi máy nghiền

3.2.2 Thí nghiệm rây :

* Thí nghiệm xác định hiệu suất rây:

- Lấy 80g sản phẩm sau khi nghiền đem rây để xác định hiệu suất rây có kích thước 0,25mm

- Rây 5 lần, mỗi lần 5 phút, cân lượng vật liệu lọt qua rây

* Thí nghiệm xác định sự phân bố kích thước vật liệu sau khi nghiền:

- Lấy 80g sản phẩm còn lại đem rây 20 phút, cân lượng vật liệu tích lũy ở mỗi rây 3.2.3 Thí nghiệm trộn :

- Cân 1,5 kg đậu xanh và 2,985 kg đậu nành

- Cho vật liệu vào máy trộn, khởi động máy trộn, bấm thì kế xác định thời gian trộn

- Dừng máy tại mỗi thời điểm 5" , 15", 30", 60", 120", 300" và lấy mẫu

- Lấy mẫu (8 mẫu) tại các điểm theo sơ đồ, đếm số hạt đậu xanh và hạt đậu nành có trong mỗi mẫu

Sơ đồ lấy mẫu :

1 2 3