BÀI 8 SẤY ĐỐI LƯU

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị và cơ học trong công nghệ hoá BÀI 8 SẤY ĐỐI LƯU của trường đại học Công nghiệp Tp.HCM do sinh viên biên soạn báo cáo và được giáo viên chỉnh sửa bài đúng theo yêu cầu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

  

BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ

HOÁ HỌC

SẤY ĐỐI LƯU

GVHD:

SVTH:

Lớp học phần:

Ngày thực hành:

08.04.2020

MỤC LỤC

8.1 GIỚI THIỆU 3

8.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 3

8.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

8.3.1 Nguyên lý quá trình sấy bằng không khi 4

8.3.2 Đường cong sấy và tốc độ sấy 5

8.3.2.1 Giai đoạn đót nóng vật liệu 5

8.3.2.2.Giai đoạn đẳng tốc 5

8.3.2.3 Giai đoạn sấy giảm tốc 6

8.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 6

8.4.1 Sơ đồ hệ thống 6

8.4.2 Trang thiết bị, hoá chất 7

8.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 7

8.5.1 Thi nghiệm 1: khảo sát tĩnh học quá trình sấy 7

8.5.1.1 Chuẩn bị: 7

8.5.1.2 Các lưu ý: 7

8.5.1.3 Báo cáo 8

8.6 BÁO CÁO THỰC NGHIỆM 8

8.6.1 Kết quả thực nghiệm Thi nghiệm 1: Khảo sát tĩnh lực học quá trình sấy 8

8.6.2 Xử lý số liệu: 9

8.6.3 Nhận xét: 15

8.7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

BÀI 8 SẤY ĐỐI LƯU

8.1 GIỚI THIỆU

- Sấy là quá trình tách pha lỏng ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt

- Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của pha lỏng trong vật liệu thành hơi Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng là nước và thường được gọi là ẩm Vậy trong thực tế có thể xem sấy là quá trình tách ẩm bằng phương pháp nhiệt

- Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khi, khói lò, … gọi chung là tác nhân sấy

- Quá trình sấy được khảo sát về 2 mặt: tĩnh lực học và động lực học

- Nghiên cứu tĩnh lực học quá trình sấy nhằm xác định được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và của tác nhân sấy dựa trên phương trình cân bằng vật chất, năng lượng, từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân và nhiệt lượng cần thiết

- Nghiên cứu về động lực học quá trình sấy nhằm nghiên cứu sự biến đổi hàm ẩm (độ ẩm) và nhiệt độ trung bình của vật liệu theo thời gian sấy Trong phạm vi bài thực hành, ta chỉ nghiên cứu về sự biến đổi hàm ẩm (độ ẩm) của vật liệu theo thời gian sấy, từ đó xác định các thông số hóa lý của vật liệu và các thông số nhiệt động của quá trình sấy

8.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Thi nghiệm 1: Khảo sát về tĩnh lực học quá trình sấy đối lưu trong thiết bị sấy bằng không khi nhằm:

- Xác định sự biến đổi thông số vật lý không khi ẩm và thành phần vật liệu sấy của quá trình sấy

- Xác định lượng không khi khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy

- So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và qáu trình sấy lý thuyết

Thi nghiệm 2: Khảo sát động lực học quá trình sấy đối lưu trong thiết bị sấy bằng không khi nhằm:

- Xây dựng đường cong sấy

- Xây dựng đường cong tốc độ sấy

- Xác định độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy

8.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8.3.1 Nguyên lý quá trình sấy bằng không khi

Trong quá trình sấy nếu dùng tác nhân sấy là không khi thì gọi là sấy bằng không khi

Trong sấy lý thuyết coi các đại lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không, nếu gặp trường hợp nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất cũng coi như sấy lý thuyết

Khi sấy lý thuyết nhiệt lượng riêng của không khi không thay đổi trong suốt quá trình H = const (đẳng H), nói cách khác, trong qua trình sấy lý thuyết, một phần nhiệt lượng của không khi có bị mất mát đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước trong vật liệu, do đó H không đổi

Trong quá trình sấy, thường thì không khi thay đổi trạngt hái vào phòng sấy và sau khi sấy xong

Các thông số đặc trưng cho trạng thái không khi và từ đó ta xác định được các đại lượng:

- Lượng không khi khô đi vào trong máy:

Trong đó: L: lượng không khi khô đi trong máy sấy (kg/h)

W: lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu (kg/h).

: hàm ẩm ban đầu của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

: hàm ẩm sau khi được đốt nóng của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

: hàm ẩm sau khi sấy của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

- Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình:

Trong đó: Qs: nhiệt lượng cung cấp cho quá trình sấy (kJ/h)

H0: hàm nhiệt ban đầu của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

H1: hàm nhiệt sau khi được đốt nóng của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

Trường hợp lượng nhiệt bổ sung khác với nhiệt lượng tổn thất chung gọi là sấy thực tế

8.3.2 Đường cong sấy và tốc độ sấy

Đường cong sấy biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật liệu theo thời gian sấy được gọi là đường cong sấy Để tìm được sự phụ thuộc này, đem vật liệu ẩm sấy đối lưu đơn giản bằng không khi nóng với tốc độ và nhiệt độ không khi ẩm không đổi Sự giảm độ ẩm của vật liệu trong một đơn vị thời gian gọi là tốc độ sấy

Từ biểu thức tốc độ sấy nhận thấy tốc độ sấy là tang góc nghiêng của đường tiếp tuyến với đường cong sấy Như vật bằng phương pháp vi phân đồ thị sẽ tìm được tốc độ sấy và dựng đường đồ thị sự phụ thuộc tốc độ sấy với độ ẩm của vật liệu, đồ thị của sự phụ thuộc này được gọi là đường cong tốc độ sấy

Phân tich đường cong sấy, đường cong sấy tốc độ sấy và nhạn thấy diễn biến của quá trình sấy gồm 3 giai đoạn: giai đoạn đốt nóng vật liệu, giai đoạn sấy đẳng tốc và giai đoạn sấy giảm tốc

8.3.2.1 Giai đoạn đót nóng vật liệu

Nếu ban đầu nhiệt độ của vật liệu thấp hơn nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt của không khi thì trong giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ của vật liệu tăng lên Trong giai đoạn này độ ẩm của vật liệu thay đổi rất chậm và thời gian diễn tiến nhanh, nhiệt độ của vật liệu đạt đến nhiệt độ bầu ướt của không khi Nếu vật liệu có độ dày nhỏ và quá trình sấy là đối lưu thì thời gian này không đáng kể

8.3.2.2.Giai đoạn đẳng tốc

Sau giai đoạn đốt nóng, độ ẩm của vật liệu giảm tuyến tinh theo thời gian sấy Trong giai đoạn này, sự giảm độ ẩm của vật liệu trong một đơn vị thời gian là không đổi (N=const) nên được gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài cho đến thời điểm mà hàm ẩm của vật liệu đạt giá trị nào đấy thì kết thúc, được gọi là độ ẩm tới hạn của vật liệu Nhiệt độ vật nói chung và nhiệt độ ở tâm bề mặt vật đạt đến xấp xỉ nhiệt độ bầu ướt của tác nhân sấy nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng vật liệu nhận được chỉ để bay hơi ẩm

Tốc độ sấy đẳng tốc được tinh bằng công thức:

N =

Trong đó: N: tốc độ sấy đẳng tốc (%/h)

F: bề mặt bay hơi của vật liệu (m2)

V: thể tich của vật liệu (m3)

: khối lượng chất khô trong vật liệu (kg/m3)

: khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg)

f = : bề mặt riêng khối lượng của vật liệu (m3/kg)

: cường độ bay hơi (kg/m2h)

Cường độ bay hơi giai đoạn đẳng tốc được xác định từ phương trình:

= Với : hệ số trao đổi nhiệt (kJ/m2.h.oC)

r: nhiệt hóa hơi của nước ở nhiệt độ bầu ướt (kJ/kg)

Nếu sấy đối lưu ở nhiệt độ không cao và vật phẳng thì ta có công thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi:

=3,6 (W/m2K) Trong đó: R: nửa chiều dày của vật liệu (m)

: vận tốc tác nhân sấy (m/s)

: khối lượng riêng của tác nhân sấy (kg/m3)

Thời gian trong giai đoạn sấy đẳng tốc:

= Trong đó: : độ ẩm ban đầu của vật liệu (tinh theo vật liệu khô)

: độ ẩm tới hạn (tinh theo vật liệu khô)

N: Tốc độ sấy trong giai đoạn đẳng tốc (%/h)

8.3.2.3 Giai đoạn sấy giảm tốc

Khi độ ẩm của vật liệu đạt tới giá trị tới hạn thì tốc độ sấy bắt đầu giảm dần và đường cong sấy chuyển từ đường thẳng sang đường cong tiệm cận dần đến độ ẩm cân bằng của vật liệu trong điều kiện của quá trình sấy Khi độ ẩm của vật liệu đạt đến giá trị cân bằng thì hàm ẩm của vật liệu không giảm nữa và tốc độ sấy bằng 0 quá trình sấy kết thúc

Tốc độ sấy giai đoạn giảm tốc: - = K ()

Dấu (-) chỉ tốc độ sấy giảm dần

K gọi là hệ số sấy, phụ thuộc vào chế độ sấy (tốc đọ sấy đẳng tốc N) và tinh chất của vật liệu (l/h) K là hệ số góc của đường thẳng giảm tốc và được tinh:

K =

Thời gian sấy giai đoạn giảm tốc:

= ) = ) Trong đó: là độ ẩm cuối của vật liệu sấy (tinh theo vật liệu khô) ()

8.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

8.4.1 Sơ đồ hệ thống

SGK/trang 82

8.4.2 Trang thiết bị, hoá chất

-Vật liệu sấy: giấy lọc hoặc giấy carton

- Phong tốc kế

- Đồng hồ bấm giây (có thể sử dụng điện thoại di động)

8.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

8.5.1 Thi nghiệm 1: khảo sát tĩnh học quá trình sấy

8.5.1.1 Chuẩn bị:

- Kiểm tra nước vị tri đo nhiệt độ bầu ướt

- Kiểm tra hoạt động của phong tốc kế

- Tắt tất cả công tắt trên tủ điều khiển

- Cài đặt nhiệt đọ sấy

- Khởi động tủ điều khiển

- Kiểm tra hoạt động của cân

- Cân vật liệu sấy

- Làm ẩm vật liệu sấy

- Khởi động quat, điều chỉnh tốc độ thi nghiệm

- Đo tốc độ quạt, ghi nhận giá trị đo

- Bật công tắc điện trở 1, 2 và 3

- Khi nhiệt độ đạt giá trị thi nghiệm ổn định thì bắt đầu tiến hành thi nghiệm

8.5.1.2 Các lưu ý:

- Trước khi đặt vật liệu sấy vào phòng sấy phải điều chỉnh cân về 0

- Khi nhiệt độ sấy đạt giá trị thi nghiệm nhưng giá trị vẫn tăng thì tắt điện trở 1 hoặc hoặc cả 2 điện trở 1 và 3, tuyệt đối không tắt điện trở 2 (do có bộ điều khiển)

Trường hợp sau khoảng thời gian nhất định không đạt thì kiểm tra điện trở 1 hoặc 3

đã bật chưa (đèn báo), nếu chưa thì bật lên

- Trong suốt quá trình thi nghiệm phải điều chỉnh sao cho nhiệt độ điểm 1, tốc độ tác nhân sấy không được thay đổi

Khi kết thúc thi nghiệm:

o Tắc công tắc điện trở 1 và 3 (nếu đang bật)

o Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về nhiệt độ thi nghiệm tiếp theo Nếu là thi nghiệm cuối thì cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về 20oC và tắt công tắc điện trở 2

o Lấy vật liệu sấy ra khỏi phòng sấy

8.5.1.3 Báo cáo

- Xác định các thông số của không khi ẩm ở các vị tri khác nhau

- Xác định thành phần vật liệu sấy của quá trình

- Xác định lượng không khi khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy

- So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết

8.6 BÁO CÁO THỰC NGHIỆM

8.6.1 Kết quả thực nghiệm Thi nghiệm 1: Khảo sát tĩnh lực học quá trình sấy

- Chế độ sấy ở nhiệt độ phòng: T = 32oC

- Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối: Go = 87,0 (g) = 0,087 (kg)

- Khối lượng sau khi cân ướt: Gđ = 95,0 (g) = 0,095 (kg)

- Vòng của quạt sấy khô: = 2,5 (m/s)

- Vật liệu giấy carton: Chiều dài = 28,5 (cm) = 0,285(m), chiều rộng = 20,0 (cm) = 0,2(m) và chiều dày = 0,1 (cm)

- Kich thuốc vật liệu (hình vuông): cạnh a = 0,2 (m)

- Bề mặt riêng khối lượng vật liệu: = 0,459 (m3/kg)

- Khối lượng riêng của không khi:

- Khối lượng ẩm bay hơi: W = Gđ – Gc

Bảng 8.1: Số liệu thực nghiệm ở nhiệt độ phòng

Thời

gian t

(ph)

tk (oC) tư (oC) tk (oC) tư (oC) tk (oC) tư (oC) G (kg)

- Chế độ sấy ở nhiệt độ có bật điện trở: T = 70oC

- Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối: Go = 87,0 (g) = 0,087 (kg)

- Khối lượng sau khi cân ướt: Gđ = 115,0 (g) = 0,115 (kg)

- Vòng của quạt sấy khô: = 2,5 (m/s)

- Vật liệu giấy carton: Chiều dài = 28,5 (cm), chiều rộng = 20,0 (cm) và chiều dày = 0,1 (cm)

Bảng 8.2: Số liệu thực nghiệm ở nhiệt độ 70o C

Thời

gian t

(s)

tk (oC) tư (oC) tk (oC) tư (oC) tk (oC) tư (oC) G (kg)

8.6.2 Xử lý số liệu:

*Sau khi tra giản đồ không khi ẩm ta được giá trị hàm ẩm và hàm nhiệt tại 3 điểm như sau:

Bảng 8.3 Giá trị hàm ẩm và hàm nhiệt tại 3 điểm khi khảo sát ở nhiệt độ phòng

T

(phút)

(kg/kg) (kJ/kgkkk) (kg/kg) (kJ/kgkkk) (kg/kg) (kJ/kgkkk)

Bảng 8.4 : Giá trị hàm ẩm và hàm nhiệt tại 3 điểm khi khảo sát ở nhiệt độ 70 o C

(kg/kg) (kJ/kgkkk) (kg/kg) (kg/kg) (kJ/kgkkk)

Bảng 8.5: Các thông số đặc trưng của sấy ở nhiệt độ 70 oC và nhiệt độ phòng

Trước

khi

sấy

(kg)

Sau khi làm ẩm (kg)

Cạnh (m)

Bề dày (m) kg/m

3 (W/m2k)

w k

(m/s) F (m

2) f (m3/kg)

Nhiệt độ

phòn

g

- Hệ số trao đổi nhiệt:

(kJ/m2.h.oC)

- Bề mặt bay hơi của vật liệu: F = rộng.dài = 0,2.0,285 = 0,057 m2

- Bề mặt riêng khối lượng của vật liệu:

f = = = 0,65 (m3/kg)

Dựa vào PTHQTT về nhiệt hóa hơi của nước: y = -2,438x+2497

Thế x là nhiệt độ ta suy ra được r theo

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

2600

f(x) = - 2.44x + 2497.45

R² = 1

Nhi t đ ê ô

Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của nhiệt hóa hơi của nước theo thời gian

- Cường độ bay hơi

- Tốc độ sấy đẳng tốc

- Độ ẩm của vật liệu = = )

= =

Tinh: W,L và Qs có t = 3 phút = 0,05 (h)

W= Gđ-Gc =0,095 - 0,093 = 0,002 kg/h

L= = = 1,67 kg/h

Qs = L(H1-H0) = 1,67 (90 -85) = 8,35 kJ/h

 Tương tự, ta tinh có được bảng số liệu ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ 70oC

Bảng 8.6: Kết quả xử lý số liệu ở nhiệt độ phòng

gian

(h)

G

(kg) t Khô(tb) t Ướt(tb) r (kJ/kg)

W(kg/h )

L(kg/h

J m (kg/m 2 h)

N lt (%h)

Xtb (%)

Ntt (%/h )

0 2 4 6 8

10 9.2

8.05

6.9

5.75

4.6

3.45

2.3

1.15

0

T (h)

Hình 8.1: Đồ thị đường cong tốc độ sấy ở nhiệt độ phòng

Qua đồ thị ta xác định được:

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc: 16,5 phút = 0,275 (h) Thời gian sấy giai đoạn giảm tốc: 20,25 phút = 0,34 (h)

 Thời gian sấy thực tế

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Đ âm v t li u Xtb ô â ê

Hình 8.2: Đồ thị đường cong tốc độ sấy ở nhiệt độ phòng

Độ ẩm cân bằng dựa vào đường cong tốc độ sấy, từ điểm tốc độ sấy đẳng tốc, ta xác định điểm cân bằng = 0%

Độ ẩm tới hạn dựa vào đường cong tốc độ sấy, ta xác định khi giai đoạn đẳng tốc kết thúc thì = 1,8 %

Độ ẩm cuối:

Thời gian sấy li thuyết:

Bảng 8.7: Các giá trị của quá trình sấy giấy lọc tại t = 70 0 C

Thời

gian

(h)

G

(kg) tKhô(tb) tƯớt(tb) W(kg/h)

L(kg /h)

Q(k J/h) r (kJ/kg)

J m (kg/m2.h)

N lt (%h)

Xtb (%)

Ntt (%/h)

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 5 10 15 20 25 30

T (h)

Hình 8.3 : Đồ thị đường cong tốc độ sấy ở 70 o C

Qua đồ thị ta xác định được:

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc: 1,53 (s) = 0,0255 (h) Thời gian sấy giai đoạn giảm tốc: 2,97 (s) = 0,0495 (h) Thời gian sấy kết thúc: 0,075 (h).

0 5 10 15 20 25 30 0

100 200 300 400 500 600 700

T (h)

Hình 8.4: Đồ thị đường cong tốc độ sấy ở 70 o C

Độ ẩm cân bằng dựa vào đường cong tốc độ sấy, từ điểm tốc độ sấy đẳng tốc, ta xác định điểm cân bằng = 1,537%

Độ ẩm tới hạn dựa vào đường cong tốc độ sấy, ta xác định khi giai đoạn đẳng tốc kết thúc thì = 4,97%

Độ ẩm cuối:

Thời gian sấy li thuyết:

8.6.3 Nhận xét:

- Giai đoạn đun nóng vật liệu: Theo li thuyết thì giao đoạn này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn và độ ẩm của vật liệu thay đổi không đáng kể nên có thể

bỏ qua

Giai đoạn sấy đẳng tốc: độ ẩm giảm dần theo thời gian

Xcb

- Trong giai đoạn này độ ẩm vật liệu giảm nhanh gần như theo đường thẳng và tốc độ sấy không đổi Độ ẩm của vật liệu giảm đến độ ẩm tới hạn

- Đường cong tốc độ sấy: Ở đồ thị đường cong tốc độ sấy ta dễ dàng xác định được độ ẩm tới hạn Uth

- Nhiệt độ càng cao thì tốc độ sấy càng tăng và tổng thời gian sấy vât liệu càng giảm vì nhiệt độ làm tăng tk của không khi trong khi tư tăng với tốc độ chậm hơn làm tăng thế của quá trình sấy , tăng động lực của quá trình, làm tăng tốc độ và rút ngắn thời gian sấy

Đồ thị là một đường cong

Độ ẩm của vật liệu giảm dần theo thời gian

Đồ thị đường cong tốc độ sấy khác biệt khá nhiều, so với li thuyết (Do các nguyên nhân gây sai số)

* Trong thực nghiệm có gây sai số, do các nguyên nhân sau:

- Sai số khi đọc giá trị của cân

- Vật liệu sấy hút ẩm từ môi trường bên ngoài làm ảnh hưởng đến Gk của vật liệu

- Sai số khi đọc nhiệt độ bầu khô và bầu ướt

- Sai số do hoạt động hệ thống không ổn định