Thiết kế thiết bị sấy tháp

Tuỳ theo tính chất và độ ẩm của vật liệu , tuỳ theo yêu cầu về mức độ làmkhô vật liệu có thể sử dụng nhiều phương pháp tách nước khác nhau : phương pháp cơhọc , phương pháp hoá lý , phươ

Phẩn 1: MỜ ĐAU

1.1/ Sơ lước về sáv:

Trong công nghiệp hoá chất, quá trình tách nước khỏi vật liệu (làm khô vật liệu ) làrất cần thiết Tuỳ theo tính chất và độ ẩm của vật liệu , tuỳ theo yêu cầu về mức độ làmkhô vật liệu có thể sử dụng nhiều phương pháp tách nước khác nhau : phương pháp cơhọc , phương pháp hoá lý , phương pháp nhiệt

Trong đó phương pháp nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất Quá trình làm bốc hơi nướckhỏi vật liệu bằng nhiệt gọi là sấy Quá trình sấy được phân biệt gồm sấy tự nhiên vàsấy nhân tạo

Sấy tự nhiên là lợi dụng năng lượng mặt trời để làm bay hơi ẩm trong vật liệu Biệnpháp này khá đơn giản nhưng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu do tiến hành ở ngoài trời Vì vậy trong quá trình sản xuất phải tiến hành sấy nhân tạo

Mục đích của quá trình sấy là làm giảm hàm lượng ẩm trong vật liệu , hàm lượngchất khô trong vật liệu tăng , nhằm làm tăng tính bền vững trong bảo quản ( nông sản vàthực phẩm ) , tăng độ bền cơ học ( gốm sứ ), nâng cao nhiệt lượng cháy ( củi, than ).Đồng thời làm giảm giá thành vận chuyển

Đôi tượng của quá trình sấy , phương pháp cung cấp nhiệt cho vật liệu trong quá trìnhsấy rất đa dạng Do đó có thể lựa chọn phương án , thiết bị tôi ưu để đạt hiệu quả sấycao nhất

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng ( nhiệt năng ) để biến đổi trạngthái của pha lỏng ( nước ) trong vật liệu thành hơi Đây là quá trình không ổn định , độ

ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian

1.2/ Nguồn gỏc và đăc tính vât liêu :

1.2.1/ Nguồn gổc :

GVHD: TRINH VĂN DŨNG

Lúa là nguồn lương thực chính của gần một nửa dân sô' trên trái đất Lúa được

trồng nhiều ở khu vực Đông Nam châu Á về diện tích canh tác lúa đứng hàng thứ hai

sau lúa mỳ nhưng về năng suất của lúa là loại cao nhất

Theo nhiều nguồn tài liệu thì cây lúa xuất hiện từ hơn 3000 năm trước côngnguyên ở vùng Đổng Nam châu Á Tới nay rất nhiều nước trên khắp năm châu đều cótrồng lúa Lúa nước là loại cây ưa nước và ẩm , do đó láu được trồng nhiều ở châu thổcác sông lớn thuộc các vùng khí hậu ôn đới và nhiệt đới

Cây lúa thuộc họ hào thảo và có trên 20 loại khác nhau Phổ biến nhất và có ýnghĩa kinh tế hơn là loại lúa nuớc ( crizasativa ) Lúa nuớc lại được chia làm hai loại làlúa ngắn hạt ( c.s brevis ) và lúa hạy bình thường ( o.s communis ) Lúa nước hạt bìnhthường là loại phổ biến hơn cả và đã tồn tại đến ngày nay

Ớ nước ta còn có lúa nếp và lúa tẻ ( phân biệt theo sự khác nhau về thành phần

và tính chất của nội nhũ )

1.2.2/ Cấu tao và tính chất của hat lứa:

Lúa là loại hạt lương thực có vỏ trấu bao bọc Đầu của vỏ trấu có râu Tuỳtheo giông và điều kiện sinh trưởng , râu lúa có thể dài hoặc ngắn, ở cuông của vỏ trấu

có mày hạt

Màu sắc của vỏ trấu cũng khác nhau tuỳ theo giông lúa và điều kiện trồng trọt,thường có màu vàng nhạt, vàng nâu hoặc nâu đen Tỉ lệ của vỏ trấu so với toàn hạt dao

độ trong một phạm vi khá lớn , khoảng từ 10 đến 30% , thông thường là 17 đến 23%

Các lđp vỏ ngoài và vỏ trong của gạo lột chiến khỏang 4 đến 5% khôi lượng hạt

và chứa sắc tô" vàng đục hoặc nâu hồng Lúa chỉ có 1 lớp tế bào ( riêng ở lưng hạt cóthể có 2 đến 3 lớp ) Lớp tế bào alơrôn chiếm khoảng 2đến 3% Nội nhủ chiêm tỉ lệ 65 -67%

Tuỳ thuộc vào giông và điều kiện sinh trưởng của cây mà nội nhủ hạt lúa cócâu tạo trong , đụa hoặc vừa trong vừa đục Khi cắt ngang hạt lúa đục sẽ thây vết đục

có màu trắng vết đục có thể lớn hoặc nhỏ và nằm ở vị trí bất kỳ trong nội nhũ Nếu

GVHD: TRINH VĂN DŨNG

vết đục nằm ở giữa hạt gọi là hạt bạc lõi , nếu vết đục nằm ở cạnh hạt thì gọi là hạt bạc

đục ở lõi không bị mất trong quá trìng xay xát Hạt bạc lõi với vết đục lớn sẽ

bị gãy nát nhiều trong quá trình xay xát

Giồng lúa có độ trong cao thì tỉ lệ thành phẩm thu được trong quá trình xay xátcũng cao , do đó người ta coi độ trong là 1 chỉ sô' quan trọng để đánh giá châ't lượng lúa Trong nhiều tài liệu còn nêu lên một đặc điểm có tính qui luật của lúa là hàm lượngprotein trong lúa phụ thuộc vào độ trong của lúa theo hàm sô' bậc nhâ't

Độ trong của lúa còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện chín của hạt Hạt chíntrong điều kiện độ ẩm của không khí cao có độ trong thấp hơn so với hạt chín trong điềukiện không khí khô ráo

1.2.3/ Thành phần hóa hoc của hat lứa:

Thành phần hoá học của hạt lúa gồm chủ yếu là tinh bột, protein ,xenlulose Ngoài ra trong hạt lúa còn chứa một sổ' châ't khác với hàm lượng ít hơn so với

3 châ't kể trên như : đường , tro , châ't béo , sinh tô' Thành phần hoá học của hạt lúa phụthuộc vào giông , đâ't đai trồng trọt, khí hậu và độ lớn bản thân hạt lúa Cùng chungđiều kiện trồng trọt và sinh trưởng , nhưng thành phần hoá học của gạo vỏ ngoài đỏkhác so với gạo trắng , thông thường hàm lượng chất béo và protein trong gạo vỏ ngoài

đỏ hơn cao hơn đôi chút Cùng một giông thóc nhưng trồng ở địa phương khác nhau thìthành phần hoá học cũng khác nhau :

Thành phần hoá học của hạt lúa :

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VÀN DŨNG

1.3/ Đăc điểm chế đô sáv thóc;

Thóc là một loại vật liệu yêu cầu sấy ở chế độ mềm vì tính bền chịu nhiệt của thócrất kém , không cho phép nâng nhiệt độ đốt nóng hạt lên cao Khác với hạt mỳ tính bềnchịu nhiệt được thể hiện bằng sự xuất hiện biến tính của protein thì của thóc là sự xuấthiện các vết nứt của nộ nhũ Nguyên nhân hình thành các vết nứt là do trong quá trìnhsấy tạo nên gradient ẩm từ ngoài vào trong trung tâm hạt, độ ẩm của lớp ngoài hạtgiảm nhanh , tạo ra trạng thái căng thể tích của phần trung tâm , khi tăng nhiệt độ làmcho sức căng đó vượt quá độ bền trắc của hạt thì tạo nên các vết nứt Các vết nứt xuấthiện theo các vách protein nhăn cách giũa các hạt tinh bột

Loại lúa nội nhũ trong thường bền hơn nên ít nứt so với lúa nội nhũ đục Những hạtnội nhũ gồm cả phần trong và phần đục thì vết nứt bắt đầu từ ranh giới của phần trongsang phần đục

Gradient hàm ẩm không những phụ thuộc vào nhiệt độ sấy mà còn phụ thuộc độ ẩm ban

đầu của vật liệu Nếu trườc khi sấy độ ẩm hạt càng cao thì gradient hàm ẩm càng caohạt càng dễ bị nứt Khi hạt bị nứt thì đồng thời độ nảy mầm của hạt cũng giảm

Vì vậy trong quá trình sấy người ta thường sấy xong rồi ủ sau đó mới đem ra sấy tiếp Mục đích ủ là làm giảm gradient hàm ẩm giữa trung tâm và lớp ngoài của hạt, do sựchuyển ẩm dần từ trung tâm ra vòng ngoài Với phương pháp này thóc ít bị nứt nhưngthời gian sấy khô kéo dài

Đồ Án MHQT&TB

GVHD: TRINH VÀN DŨNG

Phẩn 2 1 THUYẾT MINH DÂY CHUYÊN CÔNG NHGỆ

Lúa từ vựa tiếp liệu 13 được cho vào phểu Từ đó được gầu tải 11 đưa lên phểunhập liệu, qua đĩa phân phôi hạt, lúa sẽ được đổ đầy vào nắp tháp củi được đưa vào lòđốt đặt trên ghi lò , được đốt để tạo ra khói lò trong lò đốt 1 Khói lò sau khi ra khỏi lòđốt 1 cho qua buồng lắng bụi rồi sau đó cho qua buồng hoà trộn Khói lò sau khi rabuồng hoà trộn được quạt thổi vào tháp sấy 6 Lúa di chuyển xuống dưới nhờ tác dụngcủa trọng lực qua các máng dẫn và máng thải TNS Khói lò được thổi lên trên thôngqua các máng dẫn khí thải tiếp xúc ngược chiều với lúa Vật liệu chuyển động len lỏiqua khe hở giữa các máng tác nhân , từ từ điền đầy các chỗ trông trong tháp.Sau khi sấyvật liệu được đưa vào buồng làm nguội Vật liệu sau khi được làm nguội ra ngoài vàđược tải ra ngoài nhờ băng tải

Tra được nhiệt dung riêng của nhiên liệu Cni = 1.2 kJ/kgđộ.

Nhiệt độ của nhiên liệu bằng nhiệt độ của môi trường 30°c

Hiệu suẩt buồng đô"t 75%

Nhiệt dung riêng của khói khô bằng nhiệt dung riêng của không khí

3.1.3/ Xác đỉnh các thông sô" trang thái của khống khí:

- Trước khi vào lò đô"t:

(Ọ0=10% ;to = 30°C.

L’, = (tfbđL0+l )- { Tr+(9H+A)} (3.7)

= 7.041kg kkk / kgnl

Lượng chứa ẩmx’i = G’a /L’] = 0.712 / 7.041 = 0.101 kgẩm/kgkkk

Enthapi của khói lò:

PỊ’ _ Qc 7 + C nl + t„i a h -L 0 H 0 g

^ 1

= 1988 kJ / kgkkk

Độ chứa ẩm (kg/kgkkk )

enthapi (kgẩm/kgkkk )

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VĂN DŨNG

(1.004 + ^,1.842)

=1458°c

- Xác định trạng thái khói lò sau buồng hoà khí:

Lượng hơi nước chứa trong khói lò:

Ga — (9H + A ) + ữ LQXQ (3.10)

= 0.549 + 451A + 5.96 a x0( 1 - A )

Với _ 19800(1 - A)7Ị + Cj nl - [1 - 0.451(1 - A)i a - 0.43(1 - 4)1,004/]

5.96(1 - - /,0) + 1.004(/ - /0)}

Trong đó : nhiệt độ khói lò sau khi trộn lấy bằng nhiệt độ sấy = 60°c

ia, iao ■ entapi của hơi nước chúa trong khói lò tương ứng với sau buồng hoàtrộn và không khí ngoài trời được tính như sau:

4026 42Với pb =exp {12 - _ } (từ CT 3.3)

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VÀN DŨNG

Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy:

t2 = ts + 6 = 40°cLượng chứa ẩm tính theo công thức:

(3.14)

L = w/(x2 - X, ) (3.15)

= 620.69/ (0.0305 - 0.02 )

= 59113.33 kg/ kgẩm

R : kích thước đặc trưng của lúa

p : khôi lượng riêng của lúa

Với +a { : hệ sô" dẫn nhiệt đôi lưu cưỡng bức giữa tác nhân sây và vật liệu

Theo kinh nghiệm được tính như sau : [1] trang 144

Khi tốc độ khói lò đi trong tháp V < 5 m/s

r : ẩn nhiệt hoá hơi của ẩm

Nội suy ta có ẩn nhiệt hoá hơi ở 52.5°c => r = 2432 kJ / kg độ

_ J 7.818(52.5-33.5)

-2432

= 0.06108W /m2

,h «2~ cb

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VĂN DŨNG _

r, = -Ị -ln{0.027(14.9 - 14.4 )0.0.027*14.4

T = Tị + T 2 =5J+ 1.3 = 7h

4.2/ Tính thế tích và chiểu dày thiết bi:

4.2.1/ Tính thế tích thiết bi:

Ta nhập liệu với năng suất 2 tấn / h Thời gian sấy tính đựơc ở trên la 12.5 h Vậy thể

p

Đồ Án MHQT&TB

GVHD: TRINH VÀN DŨNG

_ 2000x7550

= 25.45 m3Chọn bề rộng 2 m

Chọn cấu tạo máng dẫn và máng thải như sau:

Suy ra sô" máng theo chiều ngang : ——— = 14 Vậy chọn 14 máng

100 + 110Diện tích mặt cắt ngang : 3*2= 6 m2

Tổng diện tích chóp theo mặt cắt ngang :

máng theo chiều cao là 8*103/ 370 = 21 máng.

Chọn chiều cao buồng làm mát bằng một phần hai chiều cao buồng sấy Vậy sô" máng

theo chiều cao buồng làm mát là 10 máng Buồng làm mát cao 4 m

4.2.2/ Tính bễ dày thiết bi:

Vì áp suất khói lò trước khi vào tháp sấy rất nhỏ ta có thể coi như tháp khôngchịu áp lực mà chỉ chịu lực do khôi vật liệu sây tác động lên

Coi thành tháp là một thanh dầm Coi toàn bộ vật liệu có khôi lượng m Taxét bài toán cơ :

Xét lực tác dụng lên thanh dầm như hình:

Cân bằng lực theo phương thẳng đứng ta có:

Fms = p 0)Cân bằng lực theo phương nằm ngang:

Q = N

Mà : Fms = /LI N

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VÀN DŨNG

Với ụ là hệ sô" ma sát giữa bề mặt khôi vật liệu và bề mặt thanh dầm ở trạng

thái tĩnh Chọn vật liệu làm tháp là thép CT3 ta tra được trong tài liệu [5] bảng 60 được

V = 2*10'3*2*(155*2+2*86)*10'3*434 = 0.837m3

Vậy khôi lượng thép sử dụng để làm máng là: m2 = 7.84* 103*0.837 = 6562 kgSuy ra khối lượng tổng cộng mà tháp phải chịu là m = mi + m2 = 20562 kg

=336188 NĐây là bài toán cơ học thuần tuý khi thanh dầm chịu tác dụng của tải trọng Q Trên

thanh dầm đó điểm yếu nhâ"t là ở giữa hai thanh vì 2 đầu đã được giữ cố định Ta

chuyển sang bài toán sức bền vật liệu

Vẽ biểu đồ nội lực :

Biểu đồ nội lực

©

0

2 F

GVHD: TRINH VĂN DŨNG

< [cr] Vđi là ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo thiết bị ở nhiệt độ

Theo thuyết bền Tresca:

1.1 trang 18 tài liệu [6] ta được : [ơ]= 135* 106N

Vậy chiều dày tôi thiểu của tháp : S’= 3.24 mm

Chiều dày thực : s = S’ + Co + Ca + C|

GVHD: TRINH VĂN DŨNG

Với c0: hệ sổ"bổ sung chiều dày do ăn mòn

ca: hệ sô" bổ sung chiều dày do qui trònC| : hệ sô" bổ sung chiều dày do hao mòn

=>s = 3.24 + 0.76 + 1 =5 mm

4.3/ Tính các tổn thâ"t nhiêt:

4.3.1/ Tổn thát nhiẽt do vât liêu sâ"y mang đi:

Qv =GvLCvL(tvL2-to) (4.9)Với :

ÍVL2 = Í2 +(5 + 10)

=35°cHay qv = Qv/ w = 21.031 kJ/kg ẩm

4.3.2/ Tổn thâ"t nhỉẽt ra môi trường:

4.3.2.1/Tính sơ bô hê sô" câ"p nhiêt từ khỏi lò đến thành thiết bi:

Hệ sô" câ"p nhiệt từ khói lò đến thành trong thiết bị:

a x = a 1 + a I Vđi a \ : hệ sô" cấp nhiệt đôi lưu cưởng bức

a x : hệ sô" câ"p nhiệt đôi lưu tự nhiên

Hệ sô" câ"p nhiệt đôi lưu cưỡng bức :

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VĂN DŨNG

Chọn vận tốc dòng khí đi trong tháp :v = 0.5 m/ sRe=^

ỊLI: độ nhớt của khói lò ở nhiệt độ 52.5°c tra ở tài liệu [7] bảng 1.114

trang 118 ta được JU= 0.02 * 10 3 Pas

=>Re = 65070

ở chế độ chảy xoáy Nu = 0.018 *Re0 8 = 127.64

Mà Nu = c

^^-Ả

Với Ẳ : hệ sô" dẫn nhiệt của không khí ở 52.5°c

Hệ sô" dẫn nhiệt của không khí được tính theo công thức sau:

273 + 122 (273 +52.5 Y'5

273 + 52.5 + 122^ 273 J

= 0.9786 w/m2 độ

cấp nhiệt từ tác nhân sây đến thành thiết bị gâ"p 2*1.2 lần a I.

=>a, * 2.5 w/m2.độ

4.3.2.2/ Tính sớ bô nhiêt đô bể măt tường và bề dàv lớp cách nhiêt:

Chọn vật liệu bên trong là thép CT3 : chiều dày ô = 0.005 m

hệ sô" dẫn nhiệt X = 54.4 w/ m.độ Lớp ở giữa là bông thủy tinh : X = 0.035 w/ m.độ

Ngoài cùng là lớp CT3 : : 5 = 0.005 m

X = 54.4 w/ m.độ

Mật độ dòng nhiệt đôi lưu cưỡng bức:

qi txị (tf] — twj )Mật độ dòng nhiệt qua lớp CT3 bên trong :

92 - TT~ ( t\vl - t\v2 )

Mật độ dòng nhiệt qua lớp bông thủy tinh :

X 2

0,Mật độ dòng nhiệt qua lớp CT3 bên ngoài:

tW| = 45.569°c

a/ Hê sô" truvén nhiẽt K:

a.l/ Hê sô"cấp nhiẽt từ khỏi lò đến thành thiết bi : a,

dị = k(a I + a"i)

a I : được tính ở phần trước = 0.9786 w / m2.độ

a 1: hệ sô" cấp nhiệt do đôi lưu tự nhiên

Tính chuẩn sô" Grakov:

V TVới AT : chênh lệch nhiệt độ giữa khói lò và mặt trong thiết bị ;

=> Gr = 8490763804Đôi lưu tự nhiên Nu được tính như sau:

a.2/ Hê sô"câ"p nhỉẽt từ thiết bỉ ra ngoài môi trường : a2

Hệ sô" cấp nhiệt do đôi lưu tự nhiên : a 2

Hệ sô" dẫn nhiệt của không khí ở 30°c

X = 0.0191 w/ m.độ (từ CT 4.10)

Hệ sô" cấp nhiệt do bức xạ nhiệt: a 2

Với £ = Co £ Trong đó £ chọn theo bảng V.4 tài liệu sô" [4]

: hệ sô" bức xạ của vật đen tuyệt đôi

Ti : nhiệt độ tường ở bên ngoài

T2: nhiệt độ không khí ngoài trời

=> a 2 = 3.91359 w/m2.độ

=> a2 = à2 + a 2 = 5.0127 w/m2.độ

Hệ sô" truyền nhiệt K:

= 0.85239 w/m2.độChênh lệch nhiệt độ trung bình logarit

A t, = 65-30 =35°c

A t b =40-30= 10°c

= 19.95589Tổn thâ"t ra tường :

Diện tích xung quanh:

Ft = 2*12(2+3) = 120 m2

ổ, Ổ 2 Ỏ, 1

à Ị à 7 Ẫ Ị Ơ 2

Đại lượng Ký hiệu Giá trị, kj/kg ẩm

=> Qt = 3.6*Ft* At|0g*K

= 7348.427 kJ/hTổn thất ra trần và đáy:

Diện tích = 2*3 = 6m2

=> 0 = 477.648 kJ/hTổng tổn thất tính cho lkg ẩm :qmt (Qt+Q)/W

= 13.3782 kJ/kg ẩm

4.3.3/ Quá trình sâV thưc:

Cân bằng năng lượng :

4.4/ Báng cân bằng nhiêt cho vùng sấy:

Tổng nhiệt lượng cần thiết q:

q = lo(I2 - lo) = 95.24(112.4 - 78.67) = 3212.45 kJ/ kg ẩmNhiệt lượng có ít q 1

q, = i2 - catvl| = 2619.73 - 4.1816* 30 = 2494.28 kJ/ kg ẩmTổn thất nhiệt do TNS mang đi q2:

q2 = l0Cdx(t2 - to) = 95.24 * 1.04084(40 - 30)= 998.5 kJ/ kg ẩmTổng nhiệt lượng tính toán và nhiệt lượng có ít q’:

Như vậy mọi tính toán có thể châ"p nhận được

4.5/ Tính nhiên lương tiêu hao:

Nhiên liệu tiêu hao trong một giờ tính theo công thức:

b_ qW 3212,45*620.69

■ Q' TỊ U 17870*0.75

= 148.77 kgnl/h

Đồ Án MHQT&TBGVHD: TRINH VÀN DŨNG

4.6/ Tính vân tô"c tác nhân sâ"v đi trong tháp và trong máng:

4.6.1/ Vân tốc tác nhân đi trong tháp;

Thể tích trung bình TNS:

Theo phụ lục 5 tài liệu [1] ta cóĐầu vào:

V, =0.9868 nv3/kg kkkĐầu ra :

v2 = 1.02896 m3/kg kkk

=> V T B = 0.9787 m3/kg kkkSuy ra thể tích trung bình TNS:

VTBTNS= 0.9787*59215.77

= 58224.368 m3/hSuy ra vận tốc trung bình của tác nhân sấy đi trong tháp bằng :

v = VTBTNS /(3600*12*3)

= 0.48 m/sTrong các công thức ta tính ở phần tính thời gian sấy ta chọn tốc độ TNS khoảng0.5 m/s Ớ phần này ta tính được vận tốc TNS 0.48 m/s Như vậy sau khi chọn sơ

bộ vận tốc TNS ta kiểm tra lại vận tốc của nó vđi sai sô"

A = (0.5-0.48)/0.5 = 4% Sai sô"4% là chấp nhận được