Tài liệu động học của quá trình sấy tầng sôi

Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 Phƣơng 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 Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 1 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 2 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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. Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 3 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 - 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 TỔNG QUAN Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 4 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 : ΔP = f (v n ) (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 Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 5 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 ) a) b) c) d) 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. Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 6 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 D C F A B (a) Vận tốc khí Trở lực lớp hạt lớp sôi lớp tĩnh 2 A B 3 1 (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 Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 7 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 = Vlv Vs (I.2) 2.Các thông số của lớp sôi và phƣơng 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: Vs = (F h .d)2 (r h - r k ) e . .g( ) 150 m 1- e (I.3) Khi Re > 1000 Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 8 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 Vs2 = F h. .d (r h - r k ) . .g.e 3 1,75 rk (I.4) Đại lượng ε và Ф h được tính theo Wen và Yu: 1 1- e = 14 và 2 3 = 11 3 F h .e F h .e (I.5) Khi đó, (I.2) và (I.3) có dạng: d2 .(r h - r k ).g Vs = với Re < 20 1650.m Vs 2 = d.(r h - r k ).g với Re > 1000 24,5.r h (I.6) (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: Vs 0,1046 = 0,1175 Vl 1 + 0, 00373. Ar 0,6 (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: 1 2 æ4.g.d(r - r ) ö h k ÷ ÷ Vf = çç ÷ ÷ çè 3.C.r ø ( I.9) k Ở đây, C là hệ số, xác định bằng thực nghiệm. Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 9 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 : Vf = g.d2 (r h - r k ) 18m (I.10) Với 0,4< Re < 500 thì: 1 æ 4 (r - r )2 g2 ÷ ö3 ÷ Vf = ççç . h k .d ÷ ÷ r m ø è225 (I.11) k Với Re > 500 thì: 1 æ3.1.g(r - r ).d÷ ö2 h k ÷ Vf = çç ÷ ÷ çè r ø (I.12) k 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: Dp = g ò sdM (I.13) Trong đó: S – Mặt cắt tiết diện sôi M – Khối lượng lớp sôi dM = (r h - r k )(1- e).S.dZ (I.14) Thay dM vào (I.13) ta có: Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 10 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 H ΔP=g( ρh – ρk). ò (1- e).dz (I.15) 0 Nếu như độ xốp của lớp hạt không đổi suốt thời gian làm việc, biểu thức trên có dạng: ΔP = (r h - r k )(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 = (r h - r k )(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 Vs (I.18) 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 Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 11 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 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 Ar 18 + 0, 61 Ar (I.19) 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 = Vlv Vs (I.20) 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: Fe= 3 4.d3 (r h - r k ).g n 2 .r k (I.23) 2.5.Trở lực của lớp lƣới 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. Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 12 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 Groshe đã nghiên cứu ảnh hưởng của ba dạng lưới phân phối khí đến cấu trúc lớp sôi, đó là dạng tấm mỏng đột lỗ, lưới đan và lưới xốp. Kết quả cho thấy: Lớp xốp cho lớp sôi có cấu trúc đều nhất ( độ xốp của lớp thực tế hầu như không thay đổi trong toàn lớp), còn lưới đan thì cho kết quả tồi nhất. Dạng tấm mỏng đột lỗ cũng cho kết quả khá tốt. Trừ lớp gần sát lưới thì không có độ giãn nở (độ xốp rất nhỏ ) khi vận tốc khí nhỏ. Lưới xốp tuy đảm bảo phân phối đều dòng khí trong lớp hạt, nhưng trong sản xuất công nghiệp nó lại rất ít được sử dụng vì nó đòi hỏi làm sạch khí ( tách bụi ) hết sức nghiêm ngặt. Khá phổ biến trong thực tế là lưới phân phối dạng lỗ. Chúng có thể chia làm 3 loại: (a) (b) (c) (a)Lưới lỗ hướng thẳng đứng; (b)Lưới lỗ hướng nghiêng; (c)Lưới kết hợp Hình: I.4:Cấu tạo lưới phân phối khí dạng dưới lỗ * Lưới lỗ hứớng thẳng đứng: Đường tâm các lỗ vuông góc với mặt phẳng lưới và trùng với hướng thẳng đứng của dòng khí. Lưới dạng này khi tỷ số H0/D không lớn (H0 là chiều cao lớp hạt ở trạng thái tĩnh, D là đường kính thiết bị). Nhược điểm cơ bản của loại này là vùng chết giữa các lỗ ngay phía trên lưới. * Lưới lỗ nghiêng: Các lỗ được bố trí nghiêng một góc so với mặt phẳng lưới. Do đó, dòng khí không chỉ đi lên và chuyển động xoáy, làm cho lớp sôi đều hơn. Lưới này thích hợp khi tỷ số H0/D khá lớn. * Lưới kết hợp: Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 13 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 Là dạng trung gian của 2 loại lưới trên. Kích thước lỗ trên lưới phụ thuộc vào kích thước của hạt rắn, dạng lưới và loại vật liệu chế tạo lưới. Tỷ lệ tiết diện tự do của lỗ lưới thông thường từ 0,7÷10% ( lớn hơn 10% thì không ảnh hưởng lơn tới trở lực của lưới). Ckoblo và các cộng sự đã đưa ra công thức để xác định trở lực của lưới phân phân phối khí dạng dưới lỗ như sau: V12r k (1 - V) ΔP1 = 0,5 x2 (I.24) Trong đó: V  Vl - Vận tốc khí qua lưới được tính như sau: Vl = :  Hệ số phụ thuộc vào đường kính lỗ và chiều dày của lưới. Giá trị của nó được xác định bằng thực nghiệm.  : Tỷ số tiết diện của lưới phân phối khí. Đối với lưới hướng lỗ thẳng đứng có tỷ số tiết diện khoảng 7% thì vận tốc khí sau: Vl (m/s) 0,44 ∆Pl(mmH2O) 1 1,06 2,04 3,06 3,53 3,9 2 5 11 25 27 II. LÝ THUYẾT VỀ SẤY 1.Các dạng liên kết ẩm trong hạt Nước trong vật liệu ẩm có thể chia làm hai nhóm : nước tự do và nước liên kết -Nước tự do nằm ở bề mặt vật liệu , có áp suất riêng bằng áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật liệu ẩm . Nước tự do nằm trong vật liệu ẩm là lượng nước tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nước có áp suất riêng đạt giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm. -Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất nhỏ hơn áp bão hòa với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm Do khả năng phản ứng hóa học và hòa tan mạnh các chất nên trong khối vật liệu ẩm không có nước nguyên chất mà ở dưới dạng dung dịch . Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 14 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 Muốn tách nước ra khỏi vật liệu ẩm thì cần có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng liên kết nước với vật liệu ẩm . Do đó ta cần biết được các dạng liên kết của vật liệu ẩm. 1.1 Liên kết hóa học Liên kết hóa học của vật chất với nước rất bền vững , trong đó các phân tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của phân tử vật ẩm . Loại này chỉ có thể được tách ra khi có phản ứng hóa học vì chúng có năng lượng rất cao. Đôi khi phải nung vật liệu đến nhiệt độ cao . Sau khi tách ẩm thì tính chât hóa lý của vật thay đổi. Xét sự tách nước của một tinh thể ngậm nước : CuSO4.5H2O ----> CuSO4 + 5H2O Quá trình này gọi là quá trình nung vì cần nhiệt độ rất cao. 1.2 Liên kết hóa lý Trong liên kết hóa lý ngưòi ta chia làm hai loại liên kết : Liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu *Liên kết hấp phụ : Liên kết hấp phụ của nước gắn liền với các hiên tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn pha . Nhất là trong các vật keo có cấu tạo dạng hạt có bán kính tương đương nhỏ khoảng từ 0,001 ÷ 0,1 μm . Cấu tạo của dạng vật liệu ẩm này có bề mặt riêng khá lớn nên năng lượng tự do mạnh . Khi tiếp xúc với ẩm có xu hướng hút nước vào bề mặt tự do của hạt tạo ra liên kết hấp phụ giữa nước và bề mặt . F = U – T.S (I.25) Trong đó : F – năng lượng tự do của phân tử U – nội năng S – entropi T – nhiệt độ tuyệt đối Năng lượng tự do trên một đơn vị bề mặt giới hạn thì chính bằng sức căng bề mặt hạt σ Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 15 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 *Liên kết thẩm thấu : Liên kết thẩm thấu là liên kết mang tính cơ học của nước với vật liệu có tính keo – xốp mao dẫn . Những vật liệu này có cấu trúc khung , nước thấm vào và nằm trong không gian các khung . Nước trong vật thể này không phải là nước nguyên chất mà dưới dạng dung dịch . Việc nước thấm từ ngoài vào trong vật hay ngược lại từ trong vật thể ra ngoài giống như nước thấm qua màng ngăn cách từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao . Khi nước ở lớp bề mặt bay hơi thì nồng độ dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài . Ngược lại , khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào bên trong. 1.3 Liên kết cơ lý Dạng liên kết này của nước với vật thể bao gồm cả nước trên bề mặt và nước trong mao quản - Nước đã có sẵn trong quá trình hình thành vật ẩm ví dụ nước trong các tế bào thực vật , động vật do vật đông đặc khi nó chứa sẵn nước . Để tách các trường hợp liên kết này cần làm cho nước bay hơi , nén ép vật hay phá vỡ cấu trúc vật . Sau khi tách nước vật bị biến dạng nhiều , có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả trạng thái pha . - Nhiều vật ẩm có cấu trúc mao quản như gỗ , vải ... trong các vật thể này có vô số các mao quản . Các vật thể này khi để trong nước , nước sẽ theo mao quản thâm nhập vào vật thể . Khi vật thể này để trong không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản thâm nhập vào vật thể . Muốn tách các hạt ẩm loại này thì ta cần làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn . - Liên kết có thể do dính ướt lên bề mặt vật thể . Liên kết dạng này dễ tách bằng cách bay hơi đồng thời có thể tách băng cách lau chùi , thấm thổi , ly tâm.. 2. Phân loại vật liệu sấy Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 16 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 Có nhiều cách phân loại vật liệu sấy . Cách phân loại được sử dụng nhiều trong kĩ thuật là cách phân loại dựa vào tính chất vật lý của vật thể của A.V.Lưcốp . Theo cách này thì các vật liệu ẩm được chia làm 3 nhóm : vật xốp mao dẫn , vật keo và vật keo xốp mao dẫn. 2.1 Vật xốp mao dẫn Những vật mà trong đó ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu bằng mối liên kết mao dẫn được gọi là vật xốp mao dẫn . Chúng có khả năng mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần ẩm hoá học của chất lỏng . Các vật liệu xây dựng , than củi cát thạch anh ... là những thí dụ về vật liệu xốp mao dẫn . Những vật này lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm chứa trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật . Trong trường hợp trọng lượng ẩm cân bằng với lực mao dẫn hay mao quản trương lên , khi sấy khô thì co lại . Phần lớn các vật xốp mao dẫn khi sấy khô thì dòn như bánh mỳ , rau xanh v.v.. 2.2 Vật keo Vật keo là những vật có tính dẻo do cấu trúc hạt . Trong vật keo ẩm liên kết ở dạng hấp phụ và thẩm thấu . Ví dụ keo động vật , vật liệu xenlulôzơ , tinh bột , đất sét ... Các vật keo có điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều và vẫn giữ được tính dẻo . Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kĩ thuật sấy người ta khảo sát các vật keo như các vật giả xốp mao dẫn . Khi đó các vật keo được xem như vật xốp mao dẫn có cấu trúc mao quản nhỏ. 2.3 Vật keo xốp mao dẫn Những vật thể mà trong đó tồn tại ẩm liên kết có trong cả keo là vật xốp mao dẫn thì được gọi là vật keo xốp mao dẫn. Các loại vật này như gỗ, than, bùn...các loại hạt và một số thực phẩm. Về cấu trúc, các vật này thuộc loại xốp mao dẫn nhưng về bản chất lại là các vật keo có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính deỏ, khi hút ẩm các mao quản trương lên, khi sấy khô thì co lại.Phần lớn, các vật xốp mao dẫn khi sấy kho thì co lại, trở nên dòn như bánh mỳ, rau xanh,... Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 17 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 3. Cơ chế tách ẩm trong hạt Trong quá trình sấy hạt, ẩm được chuyển từ trung tâm ra bề mặt ngoài của hạt, từ bề mặt hạt, ẩm dược bốc hơi vào môi trường sấy. Quá trình trên chỉ thực hiện được trong điều kiện áp suất hơi riêng phần của hạt lơn hơn áp suất riêng phần của môi trường. Khi đó, bề mặt của hạt sẽ khô đi và sẽ xuất hiện gradien ẩm giữ lõi và bề mặt của hạt, và gây nên sự dịch chuyển ẩm từ phần trung tâm của hạt ra bề mặt hạt. Quá trình sấy có thể tăng cường bằng cách: - Tăng áp suất hơi riêng phần của hạt. - Giảm áp suất hơi riêng phần của môi trừơng. - Đồng thời cả hai biện pháp trên. Nhưng đối với mỗi loại hạt tại một hàm ẩm nhất định nào đó ta chỉ có thể tăng nhiệt độ tới một nhiệt độ cho phép nhất định, gọi là nhiệt độ đốt nóng cho phép của hạt. Nếu vượt qúa giới hạn đó sẽ gây ảnh hương xấu tới chất lượng làm giống hoặc làm lương thực của hạt, như làm giảm độ nẩy mầm, tăng tỷ lệ bị rạn gẫy do nước bốc hơi trên bề mặt là quá mạnh. Giảm áp suất của môi trường bằng cách tăng cường đối lưu, tăng tốc độ của tác nhân sấy nhưng ta cũng chỉ tăng tốc độ của tác nhân sấy tới một trị số nhất định, nếu vượt trị số đó lượng không khí nóng, hoặc khói lò đó sẽ không tận dụng hết để làm khô hạt, hiệu suất sấy sẽ thấp. Không khí nóng hoặc hỗn hợp không khí với khói lò làm nhiệm vụ chuyển nhiệt để đốt nóng và bốc hơi ẩm của hạt, đồng thời làm nhiệm vụ chuyển hơi ẩm ra bên ngoài và chúng được gọi là tác nhân sấy. 4. Các giai đoạn xảy ra trong qúa trình sấy hạt Quá trình sấy hạt xảy ra theo 3 giai đoạn: * Giai đoạn nâng nhiệt độ vật liệu ( Giai đoạn I ): Nâng nhiệt của vật liệu khi tác nhân sấy bắt đầu tiếp xúc với vật liệu. Giai đoạn này rất ngắn có thể xem như không tồn tại. Nó chỉ tương ứng với việc nâng nhiệt độ của vật liệu đạt được nhiệt độ sấy ( khi đó năng lượng chỉ dùng để bay hơi nước. Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 18 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 Nhiệt độ đó không thể đạt ngay lập tức vì rằng lúc đầu nhiệt độ còn khá thấp so với nhiệt độ của tác nhân sấy và bản thân nó lại thường có độ dẫn nhiệt kém, khi tốc độ sấy tăng nhanh. * Giai đoạn tốc độ sấy không đổi hay giai đoạn đẳng tốc ( Giai đoạn II ) Giai đoạn đẳng tốc tương ứng với việc bay hơi ẩm tự do trên bề mặt vật liệu. Trong giai đoạn này, tốc độ di chuyển ẩm từ trong bề mặt vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường ( không khí nóng ). Nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy không đổi và đúng bằng nhiệt độ bầu ướt không khí sấy. Trong giai đoạn này, tốc độ sấy không đổi khi các thông số của tác nhân sấy không đổi. * Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần hay giai đoạn giảm tốc ( Giai đoạn III ) Khi trên bề mặt vật liệu không còn ẩm tự do nữa thì áp suất hơi riêng phần ở đó giảm xuống rõ rệt và do vậy tốc độ sấy các lớp trong bề mặt vật liệu nhỏ hơn tốc độ bay hơi từ bề mặt vào môi trường. Đôi khi người ta còn chia giai đoạn này thành 2 giai đoạn khác nhau: Giai đoạn đầu: trên bề mặt không còn ẩm tự do song ở lớp sâu phía trong thì vẫn còn.Giai đoạn cuối: không còn ẩm tự do trong toàn bộ vật liệu. Nhiệt độ VL sấy I II III Thời gian sấy Độ ẩm vật liệu sấy Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 19 Đinh Tiến Hải QT - TB K45 I II III Thời gian sấy Tốc độ sấy Thời gian sấy Hình I.5: Mô tả các giai đoạn sấy Khi nước tự do đã hoàn toàn biến mất thì trong vật liệu chỉ còn ẩm liên kết. Việc tách ẩm liên kết càng về sau càng khó khăn do ở những lớp sau, năng lượng liên kết của ẩm trong vật liệu càng mạnh hơn. Mặt khác các chất hoà tan trong vật liệu ( ví dụ: đường muối...) do nước vận chuyển đến bề mặt vật liệu đã bịt kín các lỗ mao quản làm cản trở quá trình khuếch tán ẩm của vật liệu. Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật liệu sấy dần dần tăng lên và cuối cùng bằng nhiệt độ tác nhân sấy. Sở dĩ là do tốc độ bay hơi giảm xuống đã kéo theo hiệu ứng làm lạnh ( do bay hơi ) cũng giảm xuống. Nếu ta tiếp tục sấy cho đến khi không còn khả năng thoát ẩm trong vật liệu, có nghĩa là vật liệu đạt được độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu sẽ bằng nhiệt độ của môi trường xung quanh ( nhiệt độ của các tác nhân sấy ) và do đó có thể vượt quá nhiệt độ cho phép của vật liệu. Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi 20