Động học của quá trình sấy tầng sôi

So với quá trình ở trạng thái tĩnh thì quá trình ở trạng thái lỏng giả có rất nhiều ưu điểm, cụ thể là: - Pha rắn được đảo trộn rất mãnh liệt, dẫn đến việc san bằng nhiệt độ và trong to

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 3

Phần 1 Tổng quan 5

I.Thủy động lực học của quá trình sấy tầng sôi 5

1 Cơ chế tạo lớp lỏng giả 5

2 Các thông số lớp sôi và phương pháp xác định 8

2.1 Vận tốc sôi tối thiểu 8

2.2 Vận tốc phụt 9

2.3 Trở lực của lớp sôi 10

2.4 Tốc độ và giới hạn làm việc 11

2.5 Trở lực của lớp lưới phân phối khí 12

II Lý thuyết về sấy 14

1 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu ẩm 14

1.1 Liên kết hóa học 14

1.2 Liên kết hóa lý 15

1.3 Liên kết cơ lý 16

2 Phân loại vật liệu sấy 16

2.1 Vật xốp mao dẫn 16

2.2 Vật keo 17

2.3 Vật keo xốp mao dẫn 17

3 Cơ chế tách ẩm trong hạt 17

4 Các giai đoạn xảy ra trong quá trình sấy hạt 18

5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy 19

6 Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong sấy tầng sôi 20

Phần 2 Phương pháp nghiên cứu 23

I.Hệ thống thí nghiệm 23

1 Cấu tạo hệ thống thí nghiệm 23

2 Đặc tính kĩ thuật của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi 24

3 Nguyên tắc làm việc của hệ thống 25

4 Xác định vận tốc, lưu lượng 25

5 Xác định nhiệt độ , độ ẩm của vật liệu 27

6 Xác định các thông số của hạt Xuyên Tiêu 27

II Tiến hành thực nghiệm và tính toán kết quả 28

1 Phương pháp tiến hành thí nghiệm 28

2 Tính toán kết quả thu được 29

Phần 3 Kết quả thực nghiệm 33

I Kết quả thực nghiệm quá trình thủy lực 33

1 Sự ảnh hưởng của chiều cao lớp hạt lên quá trình thủy lực 33

II Kết quả thực nghiệm đối với quá trình sấy 37

1 Kết quả thực nghiệm trên máy sấy tầng sôi 37

2 Tính toán nhiệt lượng 45

3 Phân tích và nhận xét một số kết quả thực nghiệm thu được.58 Kết luận 62

Tài liệu tham khảo 65

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công nghệ hóa chất cũng như thực phẩm, luôn có những yêu cầu

về sấy các vật liệu ẩm Chính vì vậy mà sấy đã đóng một vai trò không thể thiếu trong ngành công nghệ hóa học Việt Nam là một nước có “Rừng vàng biển bạc” và có ngành nông nghiệp truyền thống lâu đời vì vậy đã tạo điều kiện manh mẽ cho ngành công nghệ hóa chất cũng như thực phẩm phát triển mạnh mẽ Hiện nay trên thế giới có rất nhiều kĩ thuật sấy được áp dụng cho quá trình sấy và kĩ thuật sấy tầng sôi đã được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây

So với quá trình ở trạng thái tĩnh thì quá trình ở trạng thái lỏng giả có

rất nhiều ưu điểm, cụ thể là:

- Pha rắn được đảo trộn rất mãnh liệt, dẫn đến việc san bằng nhiệt

độ và trong toàn lớp hạt

- Hệ số dẫn nhiệt, cấp nhiệt từ bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị đến lớp sôi ( hay ngược lại ) rất lớn

- Do tính linh động của lớp sôi nên dễ dàng nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm, dễ thực hiện quá trình liên tục, cơ giới hóa và tự động hóa, dễ điều chỉnh các thông số như lưu lượng và áp suất

- Trở lực tương đối nhỏ và ổn định, không phụ thuộc vào tốc độ pha khí trong giới hạn tồn tại trạng thái lỏng giả

- Cấu tạo thiết bị tương đối đơn giản, gọn nhẹ và dễ chế tạo

Do tất cả những ưu điểm trên mà kỹ thuật sấy tầng sôi được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp như một phương pháp tăng cường độ quá trình Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm:

- Có hiện tượng tích điện và tĩnh điện dẫn đến khả năng dễ gây cháy nổ

- Thời gian lưu của các hạt trong lớp sôi không đều

- Các hạt rắn bị va đập, bào mòn, vỡ vụn tạo nhiều bụi, do đó thiết

bị phải có thiết bị thu hồi bụi, thành thiết bị tầng sôi phải chịu được mài mòn, nhất là khi gia công các hạt có cạnh sắc

- Vận tốc của pha khí bị giới hạn trong phạm vi cần thiết để duy trì trạng thái tầng sôi mà nhiều khi không phải thích hợp đối với quá trình công nghệ

Việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy tầng sôi trong lĩnh vực sấy đã đựoc nhiều nhà khoa học trên thế giới tiến hành từ những năm 60 , nhiều thiết

bị sấy tầng sôi có năng suất từ vài tấn đến hàng nghìn tấn giờ đã được đưa vào sản xuất ( chủ yếu là Liên Xô cũ và Mỹ ) để sấy các vật liệu có dạng hạt có kích thước từ 1-:-2mm đến 35-:-40 mm Ở Việt Nam , cũng có một số công trình nghiên cứu về kỹ thuật tầng sôi Tuy nhiên việc ứng dụng kỹ thuật này vào sản xuất cũng chưa được phổ biến rộng rãi

Hiện nay kĩ thuật sấy tầng sôi đang được nghiên cứu rất nhiều trong ngành công nghiệp hóa chất Do đó việc nghiên cứu một cách đầy đủ kĩ thuật này để có công nghệ hoàn thiện đáp ứng cho quá trình sấy là một yêu cầu thực tế

Trong bản đồ án này do điều kiện nghiên cứu có nhiều hạn chế nên em

chỉ xin trình bày về “ Động học của quá trình sấy tầng sôi”

PHẦN 1

I.THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TẦNG SÔI

1.Cơ chế tạo lớp lỏng giả (tầng sôi)

Khảo sát hiện tượng sau: Đổ một lớp vật liệu dạng hạt lên lưới nằm ngang nằm bên trong ống đặt thẳng đứng , tiết diện ngang của ống có thể là hình trụ , hình vuông , hình chữ nhật Hạt không lọt lưới Thổi không khí qua lớp hạt từ dưới lên trên , trạng thái của các hạt và cả lớp hạt phụ thuộc vào vận tốc dòng khí đi xuyên qua lớp hạt và có thể có các trạng thái sau:

Khi tốc độ khí nhỏ , thì lớp hạt ở trang thái bất động (hình I.1a) ,các đặc trưng của nó như bề mặt riêng , độ xốp không thay đổi khi thay đổi vận tốc dòng khí Lúc này dòng khí đi qua lớp hạt tuân theo quá trình lọc , chiều cao lớp hạt không thay đổi (đoạn AB trên hìnhI.1a) và trở lực của lớp hạt tĩnh tăng lên cùng với sự tăng vận tốc dòng khí tuân theo quy luật hàm số mũ :

Δ P = ( vn) (I.1)

Nếu lớp hạt gồm các hạt nhỏ , cùng kích thước , không bị dính bết vào nhau có lực kết dính thì trở lực tăng theo đường OA( hìnhI.1b) Nếu có kích thước lớn giữa các hạt có sự kết dính thì để thắng lực kết dính này cần phải tiêu tốn thêm năng lượng, thì trở lực sẽ tăng theo đường cong OA’ và có cực đại như đường 2 hoặc 3

Tăng vận tốc khí đến một giá trị tới hạn nào đó thì lớp hạt bắt đầu trở nên linh động, chiều cao lớp hạt bắt đầu tăng lên, các hạt dần dần chuyển động và được khuấy trộn với nhau, trở lực đạt đến một giá trị nhất định và giữ nguyên không đổi (đoạn BE trên hình I.2a, đoạn AB trên hình I.2b ).Đó là trạng thái tầng sôi, các hạt rắn lơ lửng trong pha khí và chuyển động hỗn loạn,

độ xốp của hạt tăng lên theo sự tăng của vận tốc khí.Trạng thái này duy trì trong giới hạn từ vận tốc bắt đầu sôi (còn gọi là vận tốc sôi tối thiểu) vs tới vận tốc phụt (còn gọi là vận tốc kéo theo) vf

Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí cho đến khi vượt quá giá trị vf thì trạng thái sôi chấm dứt, các hạt rắn bị dòng khí cuốn theo ra khỏi thiết bị Lúc này xảy ra quá trình vận chuyển hạt rắn bị dòng khí thổi, vf còn gọi là vận tốc treo

tự do vì tại đây độ xốp của lớp hạt rất lớn.Thực tế là các hạt bị treo lơ lửng

trong không khí, không trọng lượng của hạt (có tính đến lực đẩy Acsimet) và

sức cản của dòng khí chỉ cần tăng vận tốc khí vượt quá vf một chút là các hạt

rắn bị kéo theo ( hình I.1c, đoạn BC hình I.2b )

Hình I.1 Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí đến trạng thái lớp hạt trên lưới

a Hạt đứng yên; b Thể tích khối hạt lớn lên;

c Các hạt và khí chuyển động giống hiện tượng sôi, gọi là tầng sôi;

d Phân lớp

Nếu vận tốc dòng khí giảm xuống vận tốc vs thì sự phụ thuộc của trở

lực vào vận tốc lớn hơn khi chưa sôi ( hình I.2b).Sẽ không theo đường 1,2,3

nữa mà theo đường 4.Còn chiều cao lớp hạt theo đường CD ( hình I.2a) và

lớn hơn khi chưa sôi.Độ xốp của lớp hạt lớn hơn ban đầu

Nếu tác nhân gây lỏng giả là chất khí thì thường xảy ra hiện tượng sôi

không đều, một phần khí trong lớp sôi dưới dạng bọt khí, túi khí ( chứ không

phải là dạng pha liên tục ), các túi khí này khi lên bề mặt lớp sôi thì vỡ ra, làm

cho chiều cao lớp sôi dao động ( đường CE và CF trên hình I.2a) Khi số tầng

sôi chưa lớn thì hiện tượng này không gây ảnh hưởng xấu đến quá trình mà

chỉ làm tăng mức độ khuấy trộn cuả lớp mà thôi.Tuy nhiên, nếu tăng số tầng

sôi lên thi có bọt khí lớn xuất hiện nhiều trong lớp sôi và làm các hạt bắn tung

lên cao Nếu tiếp tục tăng lên nữa thì các bọt khí lớn lên và hòa tan vào nhau

tạo thành hiện tượng phân tầng trong thiết bị, làm tăng lượng hạt bị bắn tung

lên và bị kéo theo khỏi thiết bị

Hiện tượng này càng dễ xảy ra khi tăng kích thước hạt, tăng vận tốc dòng khí, giảm đường kính thiết bị Chế độ sôi phân tầng có ảnh hưởng xấu đến quá trình như: Làm sự tiếp xúc của các hạt rắn và pha kém đi, trở lực của tầng sôi bị dao động Vì vậy,cần tránh không để hiện tượng này xảy ra

Trong thực tế sản xuất, thường gặp các hạt có kích thước khác nhau, nhưng hình dạng thì như nhau hoặc cùng kích thước và hình dạng nhưng khối lượng riêng khác nhau thì sẽ tạo nên sự phân lớp Những hạt lớn hơn hoặc nặng hơn sẽ ở dưới, còn những hạt nhỏ hơn, nhẹ hơn sẽ ở lớp trên Hạt càng nhỏ và càng nhẹ sẽ ở xa lưới phân khối khí

Chiều cao lớp hạt

E

F

(a) Vận tốc khí

Trở lực lớp hạt

lớp sôi

lớp tĩnh

2

3

(b) 4 vs vf Vận tốc khí

Hình I.2: Quan hệ giữa trở lực và chiều cao lớp hạt vào vận tốc

khí

a Sự phụ thuộc của chiều cao lơp sôi vào vận tốc khí

b Sự thay đội trở lực của lớp sôi vào vận tốc khí Qua nghiên cứu cho thấy, vật liệu dạng hạt có kích thước trong dải

0,001÷65 mm đều có thể tạo được lớp sôi Nhưng để tạo được lớp sôi đồng

đều thì hạt có kích thước 0,01÷0,20 mm là dễ có khả năng nhất Những hạt

lớn gây ra sự dao động chiều cao lớp sôi rất lớn, còn những hạt nhỏ lại dễ

dính với nhau và tạo nên hiện tượng vòi rồng

Trạng thái lỏng giá còn có thể tạo ra nhờ tác động cơ học, ví dụ như

khuấy trộn hoặc rung Khi đó có hiện tượng giả lỏng cơ học ( phân biệt với

trường hợp lỏng giả khí động )

Do trong tầng sôi các hạt được khuấy trộn đều nên quá trình truyền

nhiệt cũng như truyền chất xảy ra rất mạnh mẽ

Để đặc trưng cho cường độ khuấy trộn của hạt trong lớp sôi, người ta

đưa ra đại lượng Ks (số tầng sôi), là tỷ lệ giữa vận tốc làm việc ( Vlv) và vận

tốc sôi tối thiểu:

Ks = V lv

2.Các thông số của lớp sôi và phương pháp xác định

2.1.Vận tốc sôi tối thiểu

Để xác định vận tốc tối thiểu ( vận tốc tới hạn dưới ), người ta cho

rằng, tại thời điểm bắt đầu sôi, trở lực thủy lực của dòng khí bằng trọng lượng

của lớp sôi Nếu tiết diện của thiết bị là không đổi theo chiều cao thì điều kiện

trên có thể viết như sau:

(Độ chênh áp qua lớp sôi)x(tiết diện ngang của thiết bị)=(thể tích của lớp

sôi)x(phần hạt trong lớp sôi)x(trọng lượng riêng của hạt)

Kết hợp với phương trình mô tả sự chênh áp trên lớp hạt đơn phân tán

ở trạng thái tĩnh Ergun rút ra được công thức tính vận tốc sôi như sau:

Khi Re < 20:

2

s

F

=

Khi Re > 1000

r -r e

r

s

k

.d ( )

1,75

F

Đại lượng ε và Ф h được tính theo Wen và Yu:

e3

h

1 14 =

e

2 3 h

1

11 =

F (I.5) Khi đó, (I.2) và (I.3) có dạng:

Vs = r -r

m

2

h k

d ( ).g

1650. với Re < 20 (I.6)

Vs2 = r -r

r

h k h

24,5. với Re > 1000 (I.7) Trong đó :

+ d là đường kính tương đương của hạt (m)

+ ρh , ρk là khối lượng riêng của hạt và khí (kg/m3)

+μ độ nhớt của khí (N.s/m2)

+ε độ xốp của lớp hạt ở trạng thái sôi

Trong giới hạn Re = 0,001÷4000 các công thức và có sai số 3,4%

Để xác định vận tốc sôi tối thiểu người ta còn có thể dựa vào quan hệ giữa vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc treo Vs Vận tốc treo là vận tốc mà tại đó, hạt ở trạng thái lơ lửng do có sự cân bằng của ngoại lực ( ví dụ: trọng lực và thủy lực ) tác dụng lên nó

Romancov và các cộng sự thì đưa ra quan hệ sau:

0,6

0,1046 0,1175

1 0, 00373.

l

Vs

V = - + Ar (I.8)

Ở đây, vận tốc treo được xác định bằng thực nghiệm

2.2.Vận tốc phụt

Người ta coi vận tốc phụt xấp xỉ bằng vận tốc treo của hạt Từ điều kịên trên, Kunni và các cộng sự đã đưa ra công thức tính vận tốc phụt như sau:

Vf = r -r

r

1 2

h k k

4.g.d( ) 3.C.

çè ø ( I.9)

Ở đây, C là hệ số, xác định bằng thực nghiệm

Đối với dạng hình cầu, người ta xác định được hệ số C như sau:

Với Re < 0,4 thì : C = 24/Re

Với 0,4< Re < 500 thì : C = 10/Re0,5

Với Re > 500 thì : C = 0,43

Khi đó, công thức (I.8) sẽ có dạng:

Với Re < 0,4 thì :

m

2

h k f

g.d ( ) 18

=

V (I.10) Với 0,4< Re < 500 thì:

Vf = r -r

r m

1

2 2 3

h k k

4

225

Với Re > 500 thì:

Vf = r -r

r

1 2

h k k

3.1.g( ).d

2.3.Trở lực của lớp sôi

Để lớp hạt tồn tại ở chế độ sôi, cần phải cung cấp một năng lượng cho lớp hạt đó Năng lượng này dùng để thắng các lực ma sát giữa các hạt với nhau, giữa hạt với môi trường , giữa hạt với thành thiết bị và năng lượng cho

sự biến đổi động lượng của dòng khí Ngoài ra, còn phải kể đến năng lượng

để tăng thể tích lớp hạt, trong đó phần lớn năng lượng dùng để thắng lực ma sát giữa môi trường và bề mặt hạt ( trở lực lớp hạt )

Từ điều kiện cân bằng lực giữa áp suất thủy động của hạt và lực cản của dòng khí, ta có:

g

s

Trong đó:

S – Mặt cắt tiết diện sôi

M – Khối lượng lớp sôi

-rh rk e

ΔP=g( ρ h – ρ k ) e

H

0 (1 - ).dz

Nếu như độ xốp của lớp hạt không đổi suốt thời gian làm việc, biểu thức trên

có dạng:

ΔP = (rh-rk)(1 -e).g.H (I.16) Biểu thức ( I.16) đúng cả trường hợp khi lớp hạt ở trạng thái tĩnh chuyển sang trạng thái sôi

Nghĩa là:

ΔP =(rh-rk)(1 -e0).g.H0 (I.17) Khi áp dụng cho thiết bị có thành đứng hoặc hơi nghiêng, các công thức (I.16), (I.17) cho kết quả sơ với thực nghiệm thường lớn hơn 10÷15%

dz

p-dp

H

p

z g

Hình I.3: Mô tả một phân bố lớp hạt sôi

2.4.Tốc độ làm việc và giới hạn làm việc

Để đặc trưng cho giới hạn tồn tại của lớp sôi, người ta đưa ra đại lượng:

Kmax = Vf

Theo Kunni, khi :

Re < 0,4 thì Vf được tính theo phương trình (I.10) và Vs được tính theo phương trình (I.6), thì Kmax = 91,6

Re > 1000 thì Vs được tính theo phương trình (I.17), Vf được tính theo phương trình (I.8) thì Kmax = 8,72

Theo Todex với mọi chế độ chuyển động và Vf được tính theo phương trình (I.12), Vs tính theo phương trình (I.7) thì:

Kmax = 1400 5, 22

18 0, 61

Ar Ar

+

Trong vùng chảy dòng thì Kmax = 77,7

Trong vùng chảy xoáy thì Kmax = 8,56

Thường Kmax nằm giữa 10 và 90

Đối với hệ số tầng sôi:

Ks = V lv

Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, mức độ khuấy trộn mãnh liệt nhất ứng với số tầng sôi bằng 2 ( Ks = 2) Giá trị tối ưu Ks của mỗi quá trình công nghệ tiến hành ở trạng thái tầng sôi dao động rất lớn

Khi tính toán chế độ sấy tầng sôi có thể chọn tốc độ làm việc theo công thức sau:

Re = 0,19Fe1,56÷0,28Fe1,56

(I.21)

Re = 0,22Ar0,52÷0,33 Ar0,52

(I.22)

Fe – Chuẩn số Phêđôrốp, thực hiện lực nâng giữa không khí và vật liệu sấy, được tính theo công thức:

n r

3

h k 3

2 k

4.d ( ).g

2.5.Trở lực của lớp lưới phân phối khí

Kết cấu của lớp phân phối gió có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ thủy động của lớp sôi Trong thực tế, rất nhiều loại lưới khác nhau, song chúng cần

phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Phân phối đều dòng khí qua lớp sôi

- Có trở lực thủy lực nhỏ

- Dễ chế tạo và lắp ráp, bền trong sử dụng