Quy trình công nghệ và thiết kế hệ thống máy sấy thùng quay dùng để sấy đường với năng suất 48 tấn sản phẩm ngày

PHẦN IĐẶT VẤN ĐỀTrong quá trình sản xuất sản phẩm muốn bảo quản lâu dài, vận chuyển, lưu hành trên thị trường thì đối với đa số các sản phẩm của nông lâm ngư nghiệp, vật liệu xây dựng...công đoạn sấy là rất quan trộng không thể thiếu,nó quyết định chất lượng sản phẩm và thời gian bảo quảnTrong sản xuất Đường cũng không thể thiếu công đoạn sấy nhằm đạt độ ẩm cần thiết trước khi bao gói và phân phối đến người tiêu dùngĐược sự phân công và hướng dẫn của thầy cô giáo trong đồ án môn học này em xin trình bày: “Quy trình công nghệ và thiết kế hệ thống máy sấy thùng quay dùng để sấy Đường với năng suất 48 tấn sản phẩmngày”.

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình sản xuất sản phẩm muốn bảo quản lâu dài, vận chuyển,lưu hành trên thị trường thì đối với đa số các sản phẩm của nông- lâm- ngưnghiệp, vật liệu xây dựng công đoạn sấy là rất quan trộng không thểthiếu,nó quyết định chất lượng sản phẩm và thời gian bảo quản

Trong sản xuất Đường cũng không thể thiếu công đoạn sấy nhằm đạt

độ ẩm cần thiết trước khi bao gói và phân phối đến người tiêu dùng

Được sự phân công và hướng dẫn của thầy cô giáo trong đồ án môn

học này em xin trình bày: “Quy trình công nghệ và thiết kế hệ thống máy sấy thùng quay dùng để sấy Đường với năng suất 48 tấn sản phẩm/ngày”.

Phần II TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH THỰC HIỆN

1 Khái niệm về sấy

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bốc hơi ẩm ra khỏi vật liệurắn hoặc lỏng Với mục đích giảm bớt khối lượng vật liệu (giảm công chuyênchở), tăng độ bền vật liệu(như gốm, sứ, gỗ ) và để bảo quản trong một thờigian dài, nhất là đối với lương thực thực phẩm

Đối với vật liệu lỏng có nồng độ chất khô quá thấp nên cô đặc trướckhi sấy nhằm tách nước sơ bộ Cũng giống như sấy quá trình cô đặc dùngnhiệt để làm bay hơi nước nhưng thực hiện ở nhiệt độ sôi còn sấy làm bayhơi nước ở nhiệt độ bất kỳ

Bản chất của quá trình sấy là quá trình khuyếch tán do chênh lệch độ

ẩm ở bề mặt và trong vật liệu, nói cách khác là do chênh lệch áp suất hơiriêng phần của ẩm ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là quátrình không ổn định, độ ẩm vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian sấy

2 Các phương thức sấy và ưu điểm, nhược điểm

 Có hai phương thức sấy

a Sấy tự nhiên:

Quá trình làm bay hơi nước trong vật liệu bằng năng lượng tự nhiênnhư: năng lượng mặt trời, năng lượng gió

- Ưu điểm của phương pháp

+ Thực hiện đơn giản,không cần kỹ thuật cao + Đầu tư ít vốn (máy móc, nhân công) ít tốn nhiệt năng+ Bề mặt trao đổi nhiệt lớn

+ Nhược điểm của phương pháp+ Khó thực hiện cơ giới hóa,không điều chỉnh được nhiệt độcần thiết

+ Cường độ sấy không cao,sản phẩm sấy không đồng đều+ Chiếm diện tích mặt bằng lớn

+ Sản phẩm không đạt vệ sinh do nhiễm bụi,vi sinh vật

+ Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày + Sử dụng nhiều nhân công , tốn thời gian, năng suất thấp+ Nhiều sản phẩm tạo thành không đạt yêu cầu kỹ thuật

b Sấy nhân tạo:

Thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệtcho vật liệu ẩm

Với sấy nhân tạo tùy theo từng loại sản phẩm yêu cầu chất lượng mà

có các dạng khác nhau: Sấy đối lưu, sấy tiếp xúc và sấy bằng tia hồng ngoại,sấy bằng dòng điện cao tần, sấy thăng hoa, sấy tầng sôi

- Ưu điểm của phương pháp

+ Khắc phục được những nhược điểm của sấy tự nhiên+ Kiểm soát được sản phẩm ra vào,nhiệt độ cung cấp+ Chất lượng sản phẩm theo yêu cầu

+ Tốn ít mặt bằng, nhân công

- Nhược điểm

Tốn chi phí cho đầu tư trang thiết bị, cán bộ kỹ thuật, chi phí nănglượng

 Nguyên lý của quá trình sấy

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắnrất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuyếch tán bên trong và bên ngoàivật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là quá trình nối tiếp,nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi,sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu

Tốc độ sấy chịu ảnh hưởng của:Nhiệt độ,môi trường không khí ẩmxung quanh nên ta xét 2 mặt của quá trình sấy là mặt tĩnh lực học và mặtđộng lực học

- Mặt tĩnh lực học: Tức dựa vào cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệtlượng ta sẽ tìm được độ ẩm đầu và độ ẩm cuối của vật liệu sấy và của tácnhân sấy để từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy vànhiệt lượng cần cho quá trình sấy

- Mặt động lực học: Tức là nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biếnthiên của độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình sấynhư: Tính chất cấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủyđộng lực học của tác nhân sấy để từ đó xác định được chế độ sấy,tốc độ sấy

và thời gian sấy thích hợp

3 Giới thiệu về nguyên liệu sấy (Đường):

 Đường saccarose là chất có vị ngọt tự nhiên là loại thực phẩm bổdưỡng cung cấp nhiều năng lượng cho cơ thể con người Đường có thể dùngtrực tiếp hằng ngày hay dùng làm nguyên liệu trong công nghệ sản xuất thựcphẩm:đồ hộp, bánh kẹo, nước giải khát

 Quy trình sản xuất đường:

Nguyên liệu mía  xử lý  công đoạn ép  nước mía hỗn hợp  làmsạch  cô đặc  nấu đường và kết tinh  ly tâm  sấy  bao gói  đườngthành phẩm

-Thuyết minh quy trình:

Nguyên liệu mía được xử lý băm ép trước khi đi vào nhà máy ép để thunước mía hỗn hợp Nước mía hỗn hợp được trung hòa để xử lý cặn bẩn lơ lửngsau đó gia nhiệt và đem đi cô đặc nhằm tăng nồng độ chất khô giúp cho việcnấu đường tốt và nhanh hơn Đường sau khi nấu và trợ tinh đã tạo thành tinhthể được ly tâm để tách lấy đường cát Đường cát là sản phẩm mong muốntrong quá trình sản xuất đường Sau khi ly tâm đường được sấy đến độ ẩm cầnthiết cho quá trình bảo quản lưu trữ và chất lượng đường được tốt Sấy xongsản phẩm được bao gói thành đường thành phẩm đưa vào kho chờ phân phối

Độ hòa tan của đường saccarose trong nước:

Nhiệt độ

o C

Độ hòa tan saccarose/100g nước

Nhiệt độ

o C

Độ hòa tan saccarose/100g nước

Độ nhớt của dung dịch đường tăng khi nồng độ tăng và giảm theo chiều

tăng nhiệt độ như sau:

+ Trong môi trường kiềm saccarose bị phân hủy thànhlactose,glucose,fructose và các hợp chất đường khác

+ Ở PH=8-9 đun nóng trong thời gian dài đường saccarose bịphân hủy thành hợp chất màu vàng và màu nâu tốc độ phân hủy tăng theo độPH.

4 Chọn tác nhân sấy(TNS) và thiết bị sấy

A.Chọn tác nhân sấy

- Tác nhân sấy có nhiệm vụ

+ Gia nhiệt cho vật sấy + Tải ẩm,mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường + Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt

Tùy theo phương pháp sấy TNS có thể thực hiện một hoặc hai trong banhiệm vụ nói trên

 Khi sấy đối lưu TNS làm nhiệm vụ gia nhiệt và tải ẩm

 Khi sấy bức xạ TNS làm nhiệm vụ tải ẩm và bảo vệ vật sấy

 Khi sấy tiếp xúc TNS làm nhiệm vụ tải ẩm

Cơ chế của quá trình sấy gồm hai giai đoạn: Gia nhiệt cho vật liệusấy để làm ẩm hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật vào môi trường

Nếu ẩm thoát ra khỏi vật liệu mà không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởngđến quá trình bốc hơi ẩm từ vật liệu sấy.Để tải ẩm đã bay hơi từ vật sấy vàomôi trường có thể dùng các biện pháp

 Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt

 Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật liệu ra ngoài (ở sấy chânkhông)

Các loại tác nhân sấy

1 Không khí ẩm

Là loại TNS thông dụng nhất có thể dùng cho hầu hết các loại sảnphẩm.Dùng không khí ẩm sản phẩm sấy không bị ô nhiễm Tuy nhiên dùngkhông khí ẩm làm TNS cần phải có bộ gia nhiệt cho không khí( calorifer khí

- hơi hay calorifer khí - khói ) và nhiệt độ không khí sấy không cao ( thường

< 5000c) vì nếu nhiệt độ cao hơn thiết bị trao đổi nhiệt phải thép hợp kim haygốm sứ chi phí cao

2 Khói lò

Dùng khói lò làm TNS có ưu điểm là: phạm vi nhiệt độ rộng từ 10000c,không cần calorifer

Nhược điểm là:khói có thể làm ô nhiễm sản phẩm sấy, nên chỉ dùngcho các vật liệu không sợ ô nhiễm như gỗ ,đồ gốm,cỏ

3 Hơi quá nhiệt

Dùng hơi quá nhiệt làm TNS trong trường hợp sản phẩm sấy dễ cháy

nổ và sản phẩm chịu được nhiệt độ cao ví sấy bằng hơi quá nhiệt nhiệt độthường lớn hơn 1000c (ở áp suất khí quyển)

a Chọn thiết bị sấy

phân loại thiết bị sấy

Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp khác nhau nên có nhiều cách đểphân loại thiết bị sấy

 Dựa vào tác nhân sấy có thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bịsấy bằng khói lò, các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thănghoa, sấy bằng dòng điện cao tần

 Dựa vào áp suất làm việc có thiết bị sấy chân không và thiết bị sấy

ở áp suất thường

 Dựa vào phương thức làm việc có sấy liên tục và sấy gián đoạn

 Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấytiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ

 Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục,sấy thùng quay, sấy phun

 Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy: sấycùng chiều, ngược chiều, giao chiều

Các phương thức sấy

 Sấy gián đoạn: phương thức này cho năng suất thấp, các thao tácnặng nhọc, cồng kềnh Thiết bị này thường sử dụng khi năng suất nhỏ,sấy cácloại sản phẩm có hình dạng khác nhau

 Sấy liên tục: Phương thức này cho chất lượng sản phẩm tốt hơnnăng suất cao hơn, thao tác nhẹ nhàng Thường dùng sấy các sản phẩm cókích thước gần bằng nhau

Tính chất vật liệu là yếu tố quan trọng quyết định chọn thiết bị vàphương thức sấy

Thiết bị sấy chân không và sấy thăng hoa phức tạp và đắt vì thế nêndùng khi không thể thực hiện được sấy ở áp suất thường ví như các sản phẩm

dễ nổ, nhả hơi độc hại, sản phẩm dược phẩm hay sản phẩm có chất lượng cao

Phương án thiết kế máy sấy thùng quay tiến hành theo các bước sau

 Chọn dạng thiết bị sấy

 Chọn nguồn năng lượng và tác nhân sấy

 Chọn chế độ sấy tối ưu

 Tính toán nhiệt cho thiết bị sấy

 Tính và chọn các thiết bị phụ

 Tính toán kinh tế kỹ thuật cho toàn bộ máy sấy

 Chọn thiết bị và tác nhân sấy dùng để sấy đường

Có nhiều phương án để chọn,mỗi phương án đều có ưu và nhược điểmriêng của nó

Vấn đề quyết định để chọn cơ cấu thiết bị sấy và tác nhân sấy phụthuộc vào nhiệt độ sấy cho phép và thời gian lưu lại cho phép của vật liệutrong thiết bị sấy

Vì đường là vật liệu dạng hạt nên chọn thiết bị sấy thùng quay Dođường saccarose nóng chảy ở 186-1880c và bị biến chất ở nhiệt độ cao nênchọn tác nhân sấy là không khí ẩm Mặt khác ường là sản phẩm có thể sửdụng trực tiếp hay dùng làm nguyên liệu sản xuất các thực phẩm khác vì thế

ta nên chọn TNS là không khí ẩm để tránh làm nhiễm bẩn, nhiễm độc vàođường và tạo mùi thơm Và môi chất mang nhiệt là hơi nước để tiện cho việcđiều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khi cần thiết cũng như có thể tận dụngnguồn hơi nước từ lò hơi sẽ giảm chi phí

Vậy để sấy đường ta thiết kế thiết bị sấy thùng quay có các thông số

 Chọn tác nhân sấy là không khí

 Chọn calorifer khí-hơi

 Thiết bị làm việc liên tục

 Vật liệu sấy và tác nhân sấy đi ngược chiều

 Thiết bị có lắp cánh đảo

5 Ưu điểm và nhược điểm của thiết bị sấy thùng quay

Ưu điểm

Tạo ra sản phẩm đồng đều, tốc độ sấy nhanh do sự tiếp xúc trực tiếp vàtối đa giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy nhờ có sự đảo trộn khi thùng quay.Cường độ sấy tính theo lượng ẩm đạt được, thiết bị gọn

Nhược điểm

Do trong quá trình đảo trộn vật liệu bị gãy vụn tạo ra bụi nên trong một

số trường hợp làm giảm phẩm chất của sản phẩm,làm giảm giá trị kinh tế

6 Nguyên tắc làm việc của hệ thống sấy thùng quay

Thiết bị là một thùng hình trụ đặt dốc so với phương nằm ngang từ1/15 đến 1/50 có hai vành đai khi thùng quay thì trượt trên con lăn tựakhoảng cách giữa các con lăn tựa náy có thể thay đổi được để thay đổi độnghiêng của thùng.Thùng quay được nhờ nhờ vành bánh răng khía gắn vàothùng vành bánh răng này ăn khớp với bánh răng truyền động để nhận truyềnđộng của mô tơ qua hộp giảm tốc

Vật liệu ướt vào thùng ở đầu cao được đảo trộn, di chuyển trong thùngnhờ những cánh đảo Vận tốc chuyển động của tác nhân sấy trong thùngkhoảng 2-3 m/s còn thùng quay với tốc độ 1-8 vòng/phút Trong thùng sấyvật liệu tiếp xúc với TNS thực hiện quá trình truyền nhiệt và chuyển khối làmbay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu di chuyển theo chiều dàithùng.Quá trình tính toán làm sao khi hết chiều dài thùng vật liệu đạt độ ẩmcần thiết và được tháo ra qua cửa tháo liệu Khí thải được thu hồi qua cyclon

để thu hồi các vâtrj liệu rắn bị dòng khí cuốn theo, phần khí còn lại được quạthút ra ngoài

PHẦN III TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH CỦA MÁY SẤY

Ơ

1 Thành lập cân bằng vật liệu của máy sấy

Vật liệu cần sấy là đường có thành phần như sau:

- Năng suất tính sản phẩm: G2= 48 tấn/ngày = 2000kg/h

- Độ ẩm vật liệu vào máy sấy: W1 = 4%

- Độ ẩm vật liệu ra khỏi máy sấy: W2 = 0.05%

- Nhiệt độ sấy cho phép: t1 = 820C

- Nhiệt độ ra của tác nhân sấy: t2 = 460C

- Chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa

- Vật liệu sấy và tác nhân sấy đi ngược chiều

1 Lượng ẩm tách ra

1

2 1 2

100 W

W W G

05 0 4 2000

2

1 1

W G

W G

(7.4/127 - Tính toán và TK hệ thống sấy)

II Chọn sơ bộ các thông số của máy sấy

a, Cường độ bốc hơi ẩm của đường

- Cường độ bốc hơi ẩm của đường A = 9( kg/m3.h) ( bảng 10.1 trang

+ góc nghiêng của thùng quay, độ Thường góc nghiêng củathùng dài là 2,5 30, còn thùng ngắn đến 6o, chọn =30 tg = 0,0524

+ m hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh trong thùng, m=1+k: Hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của khí (sấy ngượcchiều) k=1.2

+ : Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng quay, phút

Công suất cần thiết để quay thiết bị

Ta có: N=0,13.10-2D3.LT.a.n (Sổ tay QTTBCNHH2-trang123)

Trong đó:

+n: số vòng quay của thùng, vòng/phút+a: hệ số phụ thuộc vào dạng cánh,a= 0.063+ : khối lượng riêng xốp trung bình, = 1540.2(kg/m3

- Lượng không khí khô tiêu hao rieeng1(kg kk khô/kg ẩm)

Theo điề kiện khí hậu Nghệ An ta chọn:

t0=23,90C

0=85%

Ta có: Pbo=exp{12- }(công thức 2.31/31-tính toán và thiết kếHTS)

+ áp suất bão hòa tại t0=23,90C

x0=0,622

I0=Ck.to + xo.(r.+CH.to)(QTTB II=trang156) Trong đó:

+ ro=2493.103:Nhiệt lượng riêng của hơi nước ở 00C

+ Ch=1,79.103: nhiệt dung riêng của hơi nước (j/Kg.độ)

820C 0.01612 4.96 124,8168Sau khi ra khỏi buồng sấy

460C 0.03050 46.5 124,8168

Lượng không khí khô cần làm bay hơi 1kg ẩm:

Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

vậy V2 = v2.L = 5595,168 (m3/h)

Lưu lượng thể tích trung bình:

Vtb =0,5(V1+V2)=5852,74643(m3/h)Vtb = 1,64166(m3/s)

a, Nhiệt vào do tác nhân sấy mang vào

Với Cvl là nhiệt dung riêng của vật liệu đi ra khỏi máy sấy

Cvl=CN.W2+ Ckhô(1-w2)

Trong đó

+Ckhô: =1,05 (KJ/kgđộ) là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối+CN=4,18 (KJ/kgđộ) là nhiệt dung riêng của nước Cvl=4,18.0,05+1,05.(1-0,05)=1,2065KJ/kgđộ

Vậy tổng lượng nhiệt mang vào là q=9511.426(KJ/Kg ẩm)

c, Do tổn thất ra môi trường xung quanh

1 Tổn thất qua vỏ máy sấy

+F: bề mặt xung quanh của máy sấy

+ t:hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xungquanh

+ w: lượng ẩm bay hơi

tổng nhiệt trở của thành máy sấy

Gọi 1 là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của tươngphòng sấy

Với chế độ chảy xoáy Re>104 thì:

Phương trình chuẩn Nuxen đối với chất khí:

Với =0,0284 W/m.độ là hệ số dẫn nhiệt

Tính ”1

Chuẩn số Nuxen là

Trong đó:Gr=0,6925 tra theo nhiệt độ trung bình của không khí

hệ số cấp nhiệt từ mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên

hệ số cấp nhiệt độ bức xạ

Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy :

STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Nguồn

5 Khối lượng Kg/m3 Bảng I.24,[2] 1.2101

6 Độ nhớt động Vo m2/s Vk= 1.5618.10-5

- Chọn nhiệt độ thành ngoài của thùng(phía tiếp xúc với không khí)tw4=35oC là nhiệt độ thích hợp để tác nhân sấy sau khi truyền qua váchthùng và lớp cách nhiệt đến phía thành ngoài của thùng thì không còn quánóng, an toàn cho người làm việc

- Do hệ số dẫn nhiệt của thép lớn nên xem như nhiệt độ không khí khitruyền qua bề dày than thùng và lớp bảo vệ

Chọn các bề dày thùng và vật liệu:

STT Đại lượng Ký hiệu Giá trị

chọn (m) Vật liệu

Hệ số dẫnnhiệt (W/m.độ)

+ của bề mặt ngoài máy sấy+C0=5,7 hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối+Tct: nhiệt độ tuyệt đối của thành máy sấy, 0K, Tct=

+C0=5,7 hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối+ : nhiệt độ tuyệt đối của môi trường 0K, =T0

Đối với các bức xạ giũa khí và bề mặt vật thể, do bề mặt của khí lớnhơn bề mặt vật thể nên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thể =0,8 chọn =0,8