Tính toán và thiết kế thiết bị sấy tầng sôi

Trên đồng ruộng, phạm vi ra rễ chỉ ở những mắt gần lớp đất mặt 0-20 cm là chính Khi câý lúa quá sâu >5 cm, cây lúa sẽ tạo ra 2 tầng rễ, trong thời gian nàycây lúa chậm phát triển giống n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

Đề bài tập Nhóm 3: Tính toán và thiết kế một thiết bị sấy tầng sôi để sấy lúa,

năng suất 250kg/giờ, độ ẩm của vật liệu w 1 = 35%, w 2 =20%.Biết t 0 =30 0 C,

0 =80%, t 1 =80 0 C, quá trình sấy có hồi lưu 25%khí thải.

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC VÀ NGƯỜI THỰC HIỆN

TT NỘI DUNG CÔNG

VIỆC

NGƯỜI THỰC

THỜI GIAN HOÀN

THÀNH

GHI CHÚ

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH

1. Cơ sở tài liệu và phương án tính toán thiết kế.

1.1. Giới thiệu về vật liệu sấy

1.1.1.Giới thiệu chung

Cây lúa (Oryza spp.) là một trong năm loại cây lương thực hàng đầu thếgiới, cùng với ngô (Zea mays L.), lúa mì (Triticum sp.), sắn (Manihot esculentaCrantz) và khoai tây (Solanum tuberosum L.)

Các giống lúa Việt Nam có những đặc điểm như chiều cao, thời gian sinhtrưởng (dài hay ngắn), chịu thâm canh, chịu chua mặn, chống chịu sâu bệnh …khác nhau Song cây lúa Việt Nam đều có những đặc tính chung về hình thái,giải phẫu và đều có chung các bộ phận rễ, thân, lá bông và hạt

1.1.1.1. Rễ lúa.

Rễ lúa thuộc loại rễ chùm Những rễ non có màu trắng sữa, rễ trưởng thành

có màu vàng nâu và nâu đậm, rễ đã già có màu đen

Thời kỳ mạ: Nếu mạ gieo thưa, rễ mạ có thể dài 5-6 cm Tiêu chuẩn của mạ

tốt là bộrễ ngắn,nhiều rễ trắng

Thời kỳ sau cấy: Bộ rễ tăng dần về số lượng và chiều dài ở thời kỳ đẻnhánh, làm đòng

Thời kỳ trỗ bông: Bộ rễ đạt giá trị tối đa vào thời kỳ trỗ bông Số lượng rễ

có thể đạt tới 500 – 800 cái Chiều dài rễ đạt 2- 3 km/cây khi cây được trồngriêng trong chậu

Trên đồng ruộng, phạm vi ra rễ chỉ ở những mắt gần lớp đất mặt (0-20 cm

là chính)

Khi câý lúa quá sâu (>5 cm), cây lúa sẽ tạo ra 2 tầng rễ, trong thời gian nàycây lúa chậm phát triển giống như hiện tượng lúa bị bệnh ngẹt rễ Cấy ở độ sâuthích hợp (3-5cm) sẽ khắc phục được hiện tượng trên

Để tạo điều kiện cho bộ rễ phát triển tốt, cần làm cỏ sục bùn điều chỉnh

lượng nước hợp lí, tạo điều kiện cho tầng đất vùng rễ thông thoáng, bộ rễ pháttriển mạnh, cây lúa sinh trưởng tốt, chống chịu được sâu bệnh, nâng xuất cao.

1.1.1.2. Thân lúa.

 Hình thái.

Thân gồm nhiều mắt và lóng Trước thời kỳ lúa trỗ, thân lúa được bao bởi

bẹ lá

Tổng số mắt trên thân chính bằng số lá trên thân cộng thêm 2 Chỉ vài lóng

ở ngọn dài ra, số còn lại ngắn và dày đặc Lóng trên cũng dài nhất Một lóng dàihơn 5mm được xem là lóng dài

Số lóng: Từ 3-8 lóng Theo giải phẫu ngang lóng, lóng có một khoảngtrống lớn gọi là xoang lỏi

Chiều cao cây, thân:

− Được tính từ gốc tới cổ bông

− Chiều cao thân và chiều cao cây có liên quan đến khả năng chống đổ củagiống lúa

 Nhánh lúa.

Cây lúa có thể đẻ nhánh khi có 4-5 lá thật Ở ruộng lúa cấy, sau khi bén rễhồi xanh cây lúa bắt đầu đẻ nhánh Lúa kết thúc đẻ nhánh vào thời kỳ làm đốt,làm đòng

1.1.1.3. Lá lúa.

Lá lúa điển hình gồm:

o Bẹ lá: là phần đáy lá kéo dài cuộn thành hình trụ và bao phần non của thân

o Phiến lá: hẹp, phẳng và dài hơn bẹ lá ( trừ lá thứ hai)

o Lá thìa: là vảy nhỏ và trắng hình tam giác

o Tai lá: Một cặp tai lá hình lưỡi liềm

1.1.2.Tính chất của hạt lúa.

- Tính chất vật lý: hạt lúa là loại quả thóc (hạt nhỏ, cứng của các loại cây ngũ

cốc) dài từ 5 – 12mm, dày từ 2 – 3mm, tùy theo thời kỳ sinh trưởng mà hạt lúa

có màu khác nhau, khi chín có màu vàng

- Thành phần hóa học:Thành phần hóa học của hạt lúa bao gồm các chất như:

nước, protid, lipid, glucid, các chất khoáng, vitamin, các loại men và cellulose

Bảng 1: Thành phần hóa học của hạt lúa.

Thành phần hóa học Hàm lượng các chất (%) Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình

1.2.1.Khái niệm về sấy.

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong sản xuất thựcphẩm Sản phẩm sau quá trình sấy có độ ẩm thích hợp, thuận tiện cho việc bảoquản, vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cấp nhiệt cho ẩm bayhơi Ẩm thường là hơi nước, vật liệu bao gồm cả vật rắn, bùn, chất lỏng…

Sấy được dùng khi:

− Tăng độ bền của vật liệu.

− Tăng khả năng bảo quản

− Giảm công chuyên chở

− Tăng giá trị cảm quan của vật liệu

Quá trình tách ẩm là quá trình khuếch tán hơi nước từ bề mặt vật liệu vàotác nhân sấy mà động lực quá trình là sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần giữa

bề mặt vật liệu và tác nhân

Quá trình sấy diễn biến theo ba giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Nâng nhiệt độ vật liệu

• Giai đoạn 2: Tốc độ sấy không thay đổi

• Giai đoạn 3: Tốc độ sấy giảm

Hình 1.1 Diễn biến quá trình sấy

1.2.2.Giới thiều về hệ thống sấy tầng sôi.

HTS tầng sôi có thể hoạt động một hoặc nhiều tầng Nguyên lý và sơ đồcấu tạo của HTS tầng sôi cho ở hình 2.2

− Cấu tạo:

- Nhiệt độ VLS - Độ ẩm VLS - Tốc độ sấy

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của HTS tầng sôi

1 Phễu cấp liệu, 2 Buồng sấy, 3 Sàn phânphối,

4 Quạt, 5 Calorifer, 6 Thùng chứa, 7 Tấm chắn, 8 Cyclone

− Nguyên lý hoạt động:

TNS được quạt (1) hút từ buồng hòa trộn (2) nếu TNS là khói lò, hoặc hút

từ calorifer nếu TNS là không khí, thổi vào dưới ghi buồng sấy Ghi buồng sấy

là một tấm thép có đục nhiều lỗ thích hợp hoặc lưới thép để tác nhân sấy đi quanhưng hạt không lọt xuống được VLS được cơ cấu nạp nhiên liệu (5) đổ xuốngtrên ghi Với tốc độ đủ lớn thích hợp, TNS có nhiệt độ cao, độ ẩm tương đối bé

đi qua lớp vật liệu (3) trong buồng sấy (4) nâng các hạt lên và làm cho các hạtxáo trộn bập bùng trong dòng tác nhân như hình ảnh một dịch thể đang sôi Vìvậy, người ta gọi HTS kiểu này là HTS tầng sôi Rõ ràng, khi đó hệ khí-hạt cóđầy đủ tính chất như một chất lỏng (tình linh động, tình điền đầy, tình chảy…).Quá trình sôi cũng là quá trình trao đổi nhiệt-ẩm mãnh liệt giữa TNS và VLS.Các hạt khô hơn nên nhẹ hơn nên sẽ nằm lớp trên của tầng hạt đang sôi Người

ta tính toán ở một độ cao nhất định hạt khô sẽ rơi xuống vào buồng chứa sảnphẩm (6) để lấy ra ngoài Có thể có nhiều hạt nhỏ, nhẹ bay theo TNS Vì vậy,người ta bố trí một xyclon (7) trên đường thải TNS để thu hồi sản phẩm baytheo

Như vậy, HTS tầng sôi là một HTS đối lưu mà đặc trung của nó là VLS ởthể sôi trao đổi nhiệt-ẩm với dòng tác nhân nhưng không bay theo tác nhân Khitốc độ TNS bé, lớp hạt nằm yên Đó là HTS đối lưu bình thường Nếu tốc độTNS đạt được một giá trị áp lực dòng TNS đủ lớn và cuốn toàn bộ lớp hạt trênghi bay theo, lúc đó ta có HTS khi động Hình 2.3 cho hình ảnh lớp hạt trên ghi.Hình 2.3.a biễu diễn hình ảnh lớp hạt trong chế độ sấy đối lưu bình thường khiTNS đi qua VLS mà chúng ta đã biết Hình 2.3.b là hình ảnh lớp hạt trong HTStầng sôi và hình 2.3.c là hình ảnh dòng hạt cùng chuyển động với dòng TNStrong HTS khí động.

Hình 1.3 Chuyển động của dòng TNS qua lớp hạt.

Ưu điểm của máy sấy tầng sôi:

o Năng suất sấy cao

o Vật liệu sấy khô đều

o Có thể tiến hành sấy liên tục

o Hệ thống thiết bị sấy tương đối đơn giản

o Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi buồng sấy

o Có thể điều chỉnh thời gian sấy

Nhược điểm của máy sấy tầng sôi:

o Trở lực lớp sôi lớn

o Tiêu hao nhiều điện năng để tạo lớp sôi

o Yêu cầu cỡ hạt nhỏ và tương đối đồng đều

1.2.3.Phân loại thiết bị sấy tầng sôi

a) Sấy tĩnh b) Sấy tầng sôi c) Sấy khí động

Phân loại máy sấy tầng sôi theo Reay và Baker (1985):

o Máy sấy tầng sôi loại từng mẻ

o Máy sấy tầng sôi loại hoà trộn triệt để

o Máy sấy tầng sôi loại có rãnh dẫn

o Máy sấy tầng sôi loại cấp nhiệt bên trong

o Máy sấy tầng sôi loại rung

o Máy tạo hạt tầng sôi

o Máy sấy tầng sôi loại loại khuấy trộn cơ học

o Máy sấy tầng sôi loại ly tâm

Hình 1.4 Máy sấy tầng sôi loại từng mẻ

Hình 1.5 Máy sấy tầng sôi loại hòa trộn triệt để

Hình 1.6 Máy sấy tầng sôi loại có rãnh dẫn.

Hình 1.7 Máy sấy tầng sôi loại rung

Hình 1.8 Máy sấy tạo hạt tầng sôi

1.2.4.Giới thiệu một số hệ thống, thiết bị sấy phổ biến.

1.2.4.1. Máy sấy tầng sôi tạo hạt FL:

Hình 1.9 Máy sấy tầng sôi tạo hạt FL.

(

http://thanh-y.com/thiet-bi-nganh-duoc/may-say-tang-soi/item/487-may-say-tang-soi-tao-hat)

Máy có khả năng sấy khô các loại nguyên liệu bằng gió nóng ở áp lực âmcủa buồng sấy Đồng thời máy còn có tính năng phun dung dịch tạo hạt trongquá trình sấy để tạo ra các hạt nguyên liệu đều nhau

Quá trình sấy của máy có thể dễ dàng quan sát qua kính quan sát, đồng thờithuyền sấy có van lấy mẫu để kiểm tra sản phẩm trong quá trình sấy

Toàn bộ quá trình sấy được điều khiển và kiểm soát thông qua màn hìnhđiều khiển TouchScreen và bộ điều khiển PLC

Vật liệu làm thuyền sấy và buồng sấy bằng Inox SUS316L, đảm bảo khôngtương tác với nguyên liệu, đáp ứng tiêu chuẩn GMP

− Ưu điểm:

o Thời gian sấy ngắn, tiết kiệm được thời gian và phù hợp cho những loại chấtkhông chịu được nhiệt độ cao và không bền nhiệt như những loại vitamin,protein,…

o Do thời gian tạo hạt cốm ngăn nên tạo được độ đồng đều cho hạt cốm, hạt cốm

có độ trơn bóng, mẫu mã đẹp và chất lượng

o Không xảy ra những hiện tượng hat cốm bị xốp, không sinh khí và quá nhiệt cục

bộ trong hạt cốm.

o Trong máy sây tầng sôi tạo hạt có thể lắp đặt ở các vị trí khác nhau trong máy

o Súng phun có thể điều chỉnh được để phun chính xác vào những khối bột đượcsấy, dung dịch bơm đến súng phun bằng máy bơm nhu động

o Được lắp đặt cảm biến trong thiết bị để đo tức thời và liên tục để đo kích thứchạt cốm, có thể giám sát toàn bộ quá trình tạo hạt cốm

o Dễ dàng lấy mẫu kiểm tra chất lượng trong khi máy vẫn hoạt động

Đối tượng sử dụng: Đối tượng sử dụng là những đơn vị sản xuất thuốc, nhữngloại thảo dược dạng viên, đông dược ở dạng viên để tăng năng suất lao độngcũng như hiệu suất làm việc của máy sấy tạo ra những sản phẩm đạt chất lượngtốt cung cấp cho người tiêu dùng

1.2.4.2. Máy sấy tầng sôi GFG:

Hình 1.10 Sơ đồ lắp đặt Máy sấy tầng sôi GFG

Hình 1.11 Máy sấy tầng sôi GFG.

(http://anhsonmediphar.vn/index.php?

act=product_detail&Id=116&cId=29&lang=vn)Máy được sử dụng để sấy khô nguyên liệu dạng hạt hoặc bột ở trong cácngành công nghiệp dược, công nghiệp hóa, công nghiệp thực phẩm và côngnghiệp nhẹ Bên trong thuyền sấy có thiết kế bộ cánh trộn nhờ đó máy có thể sấykhô ngay cả với các nguyên liệu bị dính kết, đồng thời làm tăng tốc độ sấy.Tay áo lọc bụi phía trên đỉnh của máy sấy được làm bằng vật liệu đặc biệtchống tĩnh điện, nhờ đó tăng tính an toàn khi vận hành.

Môi trường làm việc ở trong buồng sấy ở dưới áp suất âm nhờ đó đáp ứngtốt tiêu chuẩn GMP

Bộ lọc khí sạch đạt cấp 100 được lắp ở đầu cấp khí vào và luôn đảm bảomôi trường trong máy đạt tiêu chuẩn GMP

Thuyền sấy chứa nguyên liệu có thể dễ dàng đưa ra ngoài nhờ xe đẩy, rấtthuận tiện cho việc cấp và lấy sản phẩm

Dễ dàng kiểm tra hoạt động của máy thông qua kính quan sát, đèn chiếusáng bên trong và van lấy mẫu sản phẩm

Toàn bộ máy được chế tạo bằng Inox chất lượng cao

Hình 1.12 Sơ đồ lắp đặt máy sấy tầng sôi GFG.

1.2.4.3. Máy phun sấy tạo hạt tầng sôi SIEMENS

Hình 1.13 Máy sấy tạo hạt tầng sôi.

(http://www.vids.vn/cong-nghe-say-tao-hat-tang-soi-1)

− Ưu điểm:

o Thời gian sấy ngắn, trung bình 30 - 50 phút (tùy thuộc vật liệu sấy) rất thích hợpcho các hoạt chất không bền nhiệt (các vitamin, các protein, các nội tiết tố )

o Không xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ trong khối bột/cốm/hạt

o Thời gian tạo hạt ngắn, độ đồng đều cao

o Dễ dàng lấy mẫu kiểm tra theo dõi chất lượng sản phẩm trong khi máy vẫn hoạtđộng

o Súng phun có thể lắp đặt ở các vị trí khác nhau: phía trên bồn sấy, ngang thânbồn sấy hoặc dưới đáy bồn sấy

o Có thể điều chỉnh chính xác lưu lượng dung dịch bơm đến súng phun bằng máybơm nhu động

o Nếu lắp đặt thêm một cảm biến trong thiết bị (on-line sensor) để đo tức thời (realtime) và liên tục kích thước hạt cốm, có thể giám sát toàn bộ quá trình tạo cốm

2. Tính toán và thiết kế

2.1. Chọn tác nhân sấy, chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy.

- Chọn tác nhân sấy:

Khi chọn tác nhân sấy thì dựa vào các điều kiện sau:

o Trường hợp vật sấy chịu được nhiệt độ cao và không sợ bị nhiễm bẩn bởi tro,bụi thì nên dùng khói làm tác nhân vì dùng khói sẽ sấy được nhiệt độ cao hơn,cường độ bay hơi ẩm lớn hơn

o Trường hợp sản phẩm sấy cần tránh nhiễm bẩn do khói khí thì nên chọn khôngkhí nóng làm tác nhân sấy Để gia nhiệt cho không khí có thể dùng calorifer hơi-khí, khói khí hay calorifer điện Dùng kiểu calorifer nào là tuỳ vào từng trườnghợp cụ thể và do tính toán kĩ thuật quyết định

o Hơi quá nhiệt dùng trong trường hợp sấy các vật liệu dễ cháy, nổ Hơi quá nhiệtdùng có nhược điểm là phải dùng lò hơi để sản xuất nên giá thành thiết bị cao.Việc chọn chất tải nhiệt là lò hơi nước hay khói là tùy thuộc vào các điều

kiện cụ thể và trải qua nghiên cứu tính toán nhiều phương án kinh tế kỹ thuật đểchọn phương án hợp lý

Ở đây, vì ở đây là sấy lúa và là quá trình sấy đối lưu nên ta chọn tác nhânsấy là không khí, nó đóng cả hai vai trò là vừa làm chất tải ẩm và vừa gia nhiệt

- Chọn nguồn năng lượng sấy:

o Đối với thiết bị sấy đối lưu: đốt nóng vật liệu và mang ẩm vào môi trường đượcthực hiện nhờ không khí nóng hay khói lò

o Đối với thiết bị sấy tiếp xúc: bề mặt được đốt nóng hay dịch thể nóng làm nhiệm

vụ cung cấp nhiệt cho vật liệu, còn không khí lưu thông qua thiết bị để thải ẩm

sơ chế để bảo quản không đòi hỏi cao về mặt vệ sinh như lúa, bắp, thức ăn giasúc thì có thể dùng khói lò làm TNS để giảm vốn đầu tư cho calorifer khí- khói

và tổn thất nhiệt

 Ở đây ta dùng nguồn năng lượng để gia nhiệt cho TBS là than bùn.

2.2. Chọn dạng hệ thống sấy cần phải tính toán thiết kế.

Vậtliệu ở đây là lúa nên ta chọn dạng hệ thống sấy kiểu tầng sôi có hồi lưu thải

Hình 2.1.Mô hình hệ thống sấy tầng sôi.

(http://choxua.com/may-say-lua-tang-soi-pro-2405.html)2.3. Tính toán sơ bộ các thông số, kích thước cơ bản.

Trạng thái ban đầu của không khí:

w 1 = 35%, w 2 =20%,t 0 =30 0 C, 0 =80%, t 1 =80 0 C, quá trình sấy có hồi lưu 25%

khí thải

Tra đồ thị I-d ta có: I0 = 20,5 (kcal/kg kk)= 85,69 (kj/kg kk)

d0 = 21,5 (g/kg kk)+ Chọn tB = 95 oC

Tra đồ thị I-d, ta được:

Không khí ra khỏi thiết bị sấy:

Tra đồ thị I-d, ta được:

Thông số ban đầu là: w1 = 35%, w2 = 20%

- Năng suất sấy:

G2 = 250 (kg/h)

- Năng suất tách ẩm:

W = G1 – G2 =308 – 250 = 58 (kg/h)

- Lượng tác nhân sấy lý thuyết:

Vì đây là quá trình sấy hồi lưu 25% khí thải ta có:

 Ta thấy nếu n càng nhỏ thì thời gian sấy sẽ được rút ngắn lại nhưng nếu ncàng nhỏ thì sau khi ra khỏi TBS sản phẩm sấy bị sấy khô quá nhanh sẽ dẫnđến chất lượng của vật liệu sẽ giảm sút và nếu ngược lại n càng lớn thì quátrình sấy sẽ kéo dài và gây tiêu hao nhiều năng lượng

+ Lượng không khí khô lưu chuyển trong TBS là:

+ Lượng không khí khô hồi lưu trong thiết bị sấy là:

LH = 0,25L=0,25.2521,73= 630,43 (kg/h)+ Lượng không khí mới cấp vào TBS là:

L0=0,75L=0,75.2521,73= 1891,29Các thông số của không khí tại điểm M:

Tra đồ thị I-d của không khí ẩm ta được:

Hình 2.2: Biểu diễn quá trình sấy hồi lưu trên đồ thị I-d.

 Các kích thước sơ bộ của thiết bị sấy:

Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bị sấy tầng sôi:

Nhiệt độ tác nhân vào: t1 = 80oC

Nhiệt độ tác nhân ra: = 39oC

Nhiệt độ tính toán trung bình: t = 59,5oC

Theo tài liệu Kỹ Thuật Sấy Nông Sản-Trần Văn Phú, Lê Nguyên Dương ta

có các thông số kích thước sau của thóc:

Các kích thước của thóc:

Dài: l = 8,5 mm

Rộng: a= 3,4 mm

Dày: b = 2 mm

Đường kính tương đương: dtd = 2,76 mm

Khối lượng riêng: ρv = 500 kg/m3

Xác định tốc độ làm việc tối ưu (w t ):

- Trước hết, ta tính tiêu chuẩn Fe

3 4 ( 2 )3

+ Fe: Công thức Phêđôrov

+ Ở điều kiện làm việc:

Ta lấy tốc độ làm việc tối ưu theo tiêu chuẩn Re: