Tài liệu Tổng quan về kỹ thuật sấy

Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SẤY 1.1. TỔNG QUAN VỀ SẤY 1.1.1. Khái niệm chung Trong công nghệ hóa chất, thực phẩm, quá trình tách nước ra khỏi vật liệu (làm khô vật liệu) là rất quan trọng. Tùy theo tính chất và độ ẩm của vật liệu, mức độ làm khô của vật liệu mà thực hiện một trong các phương pháp tách nước ra khỏi vật liệu sau đây: - Phương pháp cơ học (sử dụng máy ép, lọc, ly tâm…). - Phương pháp hóa lý (sử dụng canxi clorua, acid sunfulric để tách nước). - Phương pháp nhiệt (dùng nhiệt để bốc hơi ẩm trong vật liệu). Sấy là một quá trình bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt. Nhiệt cung cấp cho vật liệu ẩm bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao. Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ liên kết bề mặt và bảo quản được tốt hơn. Trong quá trình sấy, nước được bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt vật liệu đồng thời bên trong vật liệu có sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh. Quá trình sấy được khảo sát về bề mặt: tĩnh lực học và động lực học. - Trong tĩnh lực học: xác định bởi mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy cùng tác nhân sấy dựa trên phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng, từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết. - Trong động lực học: khảo sát mối quan hệ giữa sự biến thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian và các thông số của quá trình sấy. Ví dụ : tính chất và cấu trúc của vật liệu, kích thước vật liệu, các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy và thời gian thích hợp. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 1 Đồ án: Sấy muối thùng quay 1.1.2. GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Thiết bị sấy 1.1.2.1. Phân loại thiết bị sấy Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp sấy khác nhau nên có nhiều kiểu thiết bị sấy khác nhau, vì vậy có nhiều cách phân loại thiết bị sấy: - Dựa vào tác nhân sấy: ta có thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy bằng khói lò, ngoài ra còn có các thiết bị sấy bằng các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại hay bằng dòng điện cao tần. - Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường. - Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ … - Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục, sấy thùng quay, sấy tầng sôi, sấy phun… - Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: cùng chiều, ngược chiều và giao chiều. 1.1.2.2. Nguyên lý thiết kế thiết bị sấy Yêu cầu thiết bị sấy là phải làm việc tốt (vật liệu sấy khô đều có thể điều chỉnh được vận tốc dòng vật liệu và tác nhân sấy, điều chỉnh được nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy), tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và dễ sử dụng. Khi thiết kế thiết bị sấy cần có những số liệu cần thiết: Loại vật liệu cần sấy (rắn, nhão, lỏng…), năng suất, độ ẩm đầu và cuối của vật liệu, nhiệt độ giới hạn lớn nhất, độ ẩm và tốc độ tác nhân sấy, thời gian sấy. Trước hết phải vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị, vẽ quy trình sản xuất, chọn kiểu thiết bị phù hợp với tính chất của nguyên liệu và điều kiện sản xuất. Tính cân bằng vật liệu, xác định số liệu và kích thước thiết bị. Tính cân bằng nhiệt lượng để tính nhiệt tiêu thụ và lượng tác nhân sấy cần thiết. Đối với các thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển cần phải tính độ bền. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 2 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Sau khi tính xong những vấn đề trên ta bắt đầu chọn và tính các thiết bị phụ của hệ thống: bộ phận cung cấp nhiệt (lò đốt, calorifer), bộ phận vận chuyển, bộ phận thu hồi bụi (nếu có), quạt , công suất tiêu thụ để chọn động cơ điện. 1.1.2.2. Lựa chọn thiết bị sấy Sấy thùng quay là một thiết bị chuyên dung để sấy hạt. Loại thiết bị này được dung rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các vật ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ. Trong hệ thống sấy này, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc nhiều với tác nhân sấy, do đó trao đổi nhiệt mạnh, tốc độ sấy mạnh và độ đồng đều sản phẩm cao. Ngoài ra thiết bị còn làm việc với năng suất lớn. 1.1.3. Xác định các thông số của tác nhân sấy và tiêu hao nhiệt cho sấy 1.1.3.1. Nhiệm vụ của tác nhân sấy Tác nhân sấy có nhiệm vụ sau: - Gia nhiệt cho vật sấy - Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật vào môi trường - Bảo vệ vật sấy khỏi bị ẩm khi quá nhiệt Tùy theo phương pháp sấy, tác nhân sấy có thể thực hiện một hoặc hai trong ba nhiệm vụ nói trên. Khi sấy đối lưu, tác nhân sấy làm hai nhiệm vụ gia nhiệt và tải ẩm. Khi sấy bức xạ, tác nhân sấy làm nhiệm vụ tải ẩm và bảo vệ vật sấy. Khi sấy tiếp xúc tác nhân sấy làm nhiệm vụ tải ẩm. Khi sấy bằng điện trường tần số cao, tác nhân sấy làm nhiệm vụ tải ẩm. Khi sấy chân không chỉ có thể cấp nhiệt bằng bức xạ hay dẫn nhiệt hoặc kết hợp cả hai cách cấp nhiệt này. Việc dùng bơm chân không hay kết hợp bơm chân không và thiết bị ngưng kết ẩm(sấy thăng hoa), vì vậy phương pháp sấy chân không không cần tác nhân sấy. 1.1.3.2. Các loại tác nhân sấy - Không khí ẩm: là loại tác nhân sấy thông dụng nhất. Dùng không khí ẩm có nhiều ưu điểm: không khí có sẵn trong tự nhiên, không độc và không làm ô nhiễm sản phẩm. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 3 Đồ án: Sấy muối thùng quay - GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Khói lò: sử dụng làm môi chất sấy có ưu điểm là không cần dùng calorife, phạm vi nhiệt độ rộng nhưng dùng khói lò có nhược điểm là có thể ô nhiễm sản phẩm do bụi và các chất có hại như: CO2 , SO2. - Hỗn hợp không khí hơi và hơi nước: tác nhân sấy loại này dùng khi cần có độ ẩm tương đối φ cao. - Hơi quá nhiệt: dùng làm môi chất sấy trong trường hợp nhiệt độ cao và sản phẩm sấy là chất dễ cháy nổ. 1.1.3.3. Không khí ẩm - Các thông số cơ bản của không khí ẩm: + Độ ẩm tương đối là tỉ số giữa lượng hơi nước có trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó ở cùng một nhiệt độ: ϕ= Gh p .100% = h .100% (1.1) Ghmax phs Trong đó: Gh , kg : lượng hơi nước trong không khí ẩm Gh max: lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm ph , N/m2 : phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm phs , N/m2 : áp suất bão hòa hơi nước ở nhiệt độ không khí ẩm. + Độ chứa hơi là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô: d = Gh Gk (1.2) , (kg/kgkkkhô) ở đây: Gh , kg : lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm Ghs : lượng không khí khô Gh , Gk có thể xác định theo phương trình trạng thái của hơi nước và không khí khô theo ph , pk và p. + Entanpy của không khí ẩm được tính với 1kg không khí khô như sau: I = Ik + Ih (1.3), (kJ/kgkkkhô) Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 4 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Trong đó: Ik : entanpy không khí khô, Ik = Cpkt, kJ/kgkkkhô với Cpk là nhiệt dung riêng của không khí khô, có giá trị là 1,04 kJ/kgkkkhô, nhiệt độ không khí ẩm. Ih : entanpy của hơi nước có trong 1 kg không khí khô. + Nhiệt độ đọng sương (ts): nhiệt độ đọng sương của không khí ẩm là nhiệt độ của không khí bão hòa đạt được bằng cách làm lạnh không khí ẩm trong điều kiện độ chứa hơi không đổi. Khi biết nhiệt độ và độ ẩm tương đối có thể xác định nhiệt độ đọng sương. Khi bão hòa φ = 100% , ph = phs nhiệt độ không khí ẩm lúc này là ts chính là nhiệt độ bão hòa ứng với ph = phs. Vì vậy ta có thể tra bảng hơi nước bão hòa với ph ta xác định được nhiệt độ bão hòa. + Nhiệt độ nhiệt kế ướt tM : là nhiệt độ của không khi ẩm bão hòa đạt được bằng cách cho nước bốc hơi đoạn nhiệt vào không khí ẩm. Quá trình xảy ra làm cho nhiệt độ không khí ẩm giảm, độ ẩm tương đối và độ ẩm chứa hơi tăng, còn entanpy không đổi. Quá trình đạt đến trạng thái cân bằng φ = 100% thì nhiệt độ không khí ẩm là tM. Nhiệt độ này cũng chính là nhiệt độ nước. Người ta đo nhiệt độ này bằng cách lấy bông hoặc vải thô vấn vào bầu thủy ngân của nhiệt kế và nhúng vào nước vì vậy gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt. + Thể tích riêng và khối lượng riêng theo không khí ẩm: Không khí ẩm là hỗn hợp của khí lý tưởng nên ta có thể xác định khối lượng riêng của nó: ρ = ρk + ρh = = Ph P P P − Ph + k = h + RhT Rk T RhT Rk T 1 ⎡⎛ 1 1 ⎞ P ⎤ − P + . ⎢⎜ ⎥ ⎟ h T ⎣ ⎝ Rh Rk ⎠ Rk ⎦ Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 5 Đồ án: Sấy muối thùng quay = GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông 1 ⎡⎛ 1 1 ⎞ P⎤ ϕ . P − + ⎢⎜ ⎥ ⎟ hs T ⎣⎝ Rh Rk ⎠ Rk ⎦ (1.4) (kg/m3) Thể tích riêng của không khí ẩm là: 1 v = ρ (1.5) (m3/kg) 1.1.3.4. Khói lò Khi sử dụng khói làm môi chất sấy ta phải tính toán quá trình cháy nhằm thu được khói lò có lưu lượng, nhiệt độ, độ chứa hơi nhất định. Sơ đồ nguyên lý buồng đốt tạo khói làm môi chất sấy được biểu diễn trên hình sau: Nhiên liệu Không khí 2 1 3 Khói Không khí Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý bình đốt tạo khói 1.buồng đốt, 2.buồng lắng bụi, 3.buồng hòa trộn Trong tính toán quá trình cháy, để tạo khói làm môi chất sấy, người ta thường tính cho 1 kg nhiên liệu và cần xác định các đại lượng cơ bản sau: + Nhiệt trị của nhiên liệu có thể xác định theo thành phần nhiên liệu hoặc đo trong phòng thí nghiệm. Khi biết thành phần nhiên liệu, có thể xác định nhiệt trị theo các công thức sau: ¾ Đối với nhiên liệu khí: Q k = 0 , 0 1( Q C O .C O + Q H 2 . H 2 + Q H 2 S . H 2 S + Q C m H n .C m H n ) (1 .6 ) Tr ong đó: CO, H2, H2S, CmHn là thành phần thể tích của nhiên liệu. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 6 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông QCO, QH2 , QH2 S , QCmHn là nhiệt trị của các chất khí cháy tương ứng: QH2 = 10800 kJ/m3tc QC3H8 = 91400 kJ/m3tc QCO = 12150 kJ/m3tc QC4H10 = 118800 kJ/m3tc QH2 S = 23400 kJ/m3tc QC2H4 = 59300 kJ/m3tc QCH4 = 35800 kJ/m3tc QC3H6 = 86000 kJ/m3 tc QC2H6 = 63800 kJ/m3tc QC3H6 = 116000 kJ/m3tc + Tiêu hao không khí ¾ Tiêu hao không khí lý thuyết đối với chất khí: n ⎡ ⎤ m+ ⎢ 4 C H − O ⎥ (1.7) (kg/kg nl) L0 = 1,38 ⎢0, 0179.CO + 0, 248.H 2 + ∑ m n 2⎥ 12m + n ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Trong đó: CO, H2, CmHn …là thành phần nhiên liệu tính theo khối lượng. - Xác định theo giá trị: 1, 293.Qlvc L0 = 1,1. 1000 (1.8) ¾ Tiêu hao nhiệt riêng không khí thực tế L = αT.L0 (1.9) Trong đó αT là hệ số không khí thừa trong buồng lửa. Hệ số không khí thừa α – chọn theo loại nhiên liệu và cấu tạo buồng đốt. Khi dùng khói làm môi chất sấy, nhiệt độ khói thường thấp hơn nhiều so với nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa vì vậy cần đưa khói qua buồng hòa trộn với không khí để đạt được nhiệt độ môi chất theo yêu cầu. Hệ số không khí thừa chung là: Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 7 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông α = α L + ΔL L + ΔL = T 0 L0 L0 = αT + ΔL = αT + Δα L0 (1.10) Trong đó Δα là hệ số không khí thừa trong buồng hòa trộn. - Xác định hệ số không khí thừa: Hệ số không khí thừa α được xác định bằng cách chọn αT theo nhiên liệu và kiểu buồng đốt sau đó tính Δα theo quá trình hỗn hợp không khí và khói. Hệ số không khí thừa chung α tính theo khói vào buồng sấy có thể xác định theo nhiệt độ khói làm môi chất sấy. + Đối với nhiên liệu khí 0, 09n ⎛ Q lvvη h d + C n l t n l − ⎜ 1 − ∑ .C m H 12m + n ⎝ α = i d ⎛ ⎞ L 0 ⎜ C kh t kh + h 0 − I 0 ⎟ 100 ⎝ ⎠ ⎛ ⎜ − ⎝ ∑ 0, 09n ⎞ .C m H n ⎟ i h + W n l ( i h' − i h ) 12m + n ⎠ i d ⎛ ⎞ L 0 ⎜ C kh t kh + h 0 − I 0 ⎟ 100 ⎝ ⎠ Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn n ⎞ ⎟ C kh t kh ⎠ − (1 .1 1) Trang 8 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Trong đó: Q lvc : nhiệt trị cao của nhiên liệu ηhd : hiệu suất buồng đốt Cnl : nhiệt dung riêng của nhiên liệu tnl : nhiệt độ nhiên liệu vào buồng đốt i h : entanpy của hơi nước trong khói i h' : entanpy của hơi ẩm trong nhiên liệu Wnl : độ ẩm của nhiên liệu khí I0 :entapy của không khí vào buồng đốt d0 : độ chứa hơi của không khí vào buồng đốt Ckh : nhiệt dung riêng của khói Tkh : nhiệt độ của khói CmHn : thành phần cacbua hydro tính theo thành phần khối lượng Sau khi xác định hệ số thừa chung α ta chọn hệ số khí thừa của buồng đốt theo nhiên liệu và kiểu buồng đốt αhd, từ đó ta có: Δα = α – αhd (1.12) Vậy lượng không khí cần hòa trộn thêm là: ΔL = Δα.L0 (1.13), (kg/kgnl) 1.1.4. Chế độ sấy 1.1.4.1. Khái niệm và định nghĩa - Chế độ sấy là một tập hợp các tác động nhiệt của môi chất sấy đến vật liệu sấy nhằm đảm bảo chất lượng và thời gian sấy nhất định theo yêu cầu. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 9 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông - Chế độ sấy thể hiện dưới dạng các thông số sau: nhiệt độ tác nhân sấy, hiệu nhiệt độ khô ướt Δt (hay độ ẩm tương đối φ), tốc độ môi chất sấy. 1.1.4.2. Các thông số xác định chế độ sấy - Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị ảnh hưởng quyết định đến tốc độ sấy có nghĩa là ảnh hưởng quyết định đến thời gian sấy. Nhiệt độ t1 cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy. Một số sản phẩm sấy không cho phép sấy ở nhiệt độ cao vì vậy nó không cho phép nhiệt tác nhân sấy vượt quá giá trị nhất định. Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị càng cao, tốc độ sấy càng lớn dẫm đến thời gian sấy giảm và giảm tiêu hao năng lượng. Tuy vậy nhiệt độ tác nhân sấy càng cao thì tổn thất nhiệt vào môi trường càng lớn dẫn đến tăng tiêu hao năng lượng. Vì vậy cần xác định giá trị t1 tối ưu theo hàm mục tiêu là tiêu hao năng lượng. Trị số t1 tối ưu theo tiêu chí này thường khá lớn vì vậy khi sấy các vật liệu nhạy cảm nhiệt (chất lượng sản phẩm giảm khi nhiệt độ tăng) thì nhiệt độ tác nhân sấy t1 xác định theo điều kiện chất lượng sản phẩm. Ví dụ khi sấy các vật liệu dạng tinh bột nhiệt độ tác nhân sấy t1 thường nhỏ hơn nhiệt độ hồ hóa (khoảng 600C). + Độ ẩm tương đối của không khí vào thiết bị φ1 (hay Δt1) Độ chênh lệch nhiệt độ khô ướt của môi chất vào thiết bị Δt1 tạo nên thế sấy, nó là động lực cho ẩm thoát ra từ vật ẩm vào môi trường. Thế sấy càng lớn thì tốc độ thoát ẩm càng lớn. Tuy nhiên khi tốc độ thoát ẩm lớn sẽ dẫn đến vật sấy biến dạng (vênh, nứt) vì vậy ta chọn Δt1 thích hợp với từng loại sản phẩm và từng giai đoạn của quá trình sấy. + Nhiệt độ môi chất sấy ra khỏi thiết bị t2 Nhiệt độ này càng lớn thì tổn thất do khí thoát càng cao. Vì vậy, theo mục tiêu tiết kiệm năng lượng thì nhiệt độ t2 càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên, khi chọn t2 phải Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 10 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông bảo đảm Δt2 = t2 – t1 để duy trì quá trình truyền nhiệt giữa môi chất sấy và vật liệu sấy. t2 càng lớn thì truyền từ môi chất sấy đến vật liệu sấy càng lớn dẫn tới tốc độ bay hơi ẩm lớn, thời gian sấy giảm, tiêu hao nhiệt cho quá trình sấy giảm. Đồng thời t2 lớn sẽ dẫn tới tổn thất nhiệt do khí thoát và tăng tổn thất nhiệt vào môi trường do truyền nhiệt qua thiết bị. Vì vậy cần chọn Δt2 tối ưu. Trị số này thường chọn theo kinh nghiệm từ 10 – 150C. + Độ ẩm môi chất sấy ra khỏi thùng sấy φ2 Thông số này cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Chọn φ2 càng lớn thì tiêu hao riêng không khí càng nhỏ. Tuy vậy, việc tăng φ2 bị hạn chế bởi độ ẩm cân bằng vật liệu tương ứng với trạng thái không khí ẩm ra khỏi buồng sấy (t2, φ2). Khi φ2 tăng đến giá trị nhất định φ2k thì độ ẩm của vật liệu sấy ω = ωcb lúc này giữa vật liệu và môi chất sấy đạt đến cân bằng, ẩm trong vật liệu không thoát ra được thẩm chí nếu tăng φ2 quá trị số φ2k sẽ xảy ra hiện tượng vật liệu hút ẩm từ môi chất sấy. Trường hợp này có thể xảy ra khi sấy hầm cùng chiều. Trị số φ2 thường chọn nhỏ hơn trị số giới hạn φ2k từ 5 – 10%. Trị số φ2 tối ưu thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ t2. Với nhiệt độ t2 = 40 600C, trị số φ2 hợp lý là 80%. Trong thiết bị sấy buồng, chế độ sấy thay đổi theo thời gian sấy. Mỗi giai đoạn sấy thường chọn chế độ sấy khác nhau. + Tốc độ tác nhân sấy Tốc độ tác nhân sấy ảnh hưởng đáng kể đến sự thoát ẩm của vật liệu sấy. Tốc độ tác nhân sấy càng lớn sự thoát ẩm càng tốt. Tuy nhiên, tốc độ tác nhân sấy càng lớn dẫn đến tăng tổn thất áp suất trong quá trình lưu động của môi chất sấy trong hệ thống làm tăng năng lượng của quạt gió. Vì vậy cần chọn tốc độ thích hợp. 1.1.4.3. Chọn chế độ sấy Việc chọn chế độ sấy thường căn cứ vào hai tiêu chí: một là sự làm việc của thiết bị và hai là căn cứ vào vật liệu sấy. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 11 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông - Căn cứ vào sự làm việc của thiết bị: + Các thiết bị sấy liên tục như: sấy hầm, sấy khí động, sấy tầng sôi, sấy phun…các giai đoạn của quá trình sấy phân bố ổn định trên thiết bị theo chiều chuyển động của vật liệu ( ví dụ: thiết bị sấy hầm, các giai đoạn sấy phân bố theo chiều dài hầm). Ở các thiết bị sấy này, chế độ sấy được chọn cho cả hai thiết bị không phụ thuộc vào thời gian, cụ thể là chọn trạng thái môi chất vào t1, φ1. Ngoài ra, việc chọn chế độ sấy còn căn cứ vào thiết bị làm việc cùng chiều hay ngược chiều. + Thiết bị làm việc theo chu kỳ: Ở các thiết bị sấy làm việc chu kỳ, các giai đoạn của quá trình sấy phân bố theo thời gian sấy, vì vậy ở mỗi giai đoạn sấy cần chọn chế độ sấy thích hợp. Ví dụ: trong thiết bị sấy thùng quay dùng sấy cà phê theo chu kỳ thời gian sấy 24 giờ với cà phê hạt độ ẩm đầu 52%, cuối 12%. Chế độ sấy cũng được chọn khác nhau có 3 giai đoạn: ƒ Giai đoạn đầu 8 giờ, nhiệt độ môi chất vào 680C. ƒ Giai đoạn hai thời gian 8 giờ, nhiệt độ môi chất vào 640C. ƒ Giai đoạn ba thời gian 8 giờ, nhiệt độ môi chất vào 590C. - Căn cứ vào vật liệu sấy + Các vật liệu sấy không cho phép cong, vênh, dễ nứt như gỗ, đồ gốm, men sứ…khi chọn chế độ sấy cần cả hai thông số nhiệt độ và độ ẩm tương đối (hay Δt). + Các vật liệu sấy không sợ nứt, cong vênh như rau quả, thực phẩm, thức ăn gia súc, khoai sắn thái lát…khi chọn chế độ sấy chỉ cần chọn nhiệt độ vào thiết bị t1 còn nhiệt độ ra khỏi thiết bị t2 và độ ẩm tương đối φ2 chọn theo các tiêu chí riêng. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 12 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông 1.1.4.4. Các biện pháp để duy trì chế độ sấy Để đảm bảo duy trì chế độ sấy thích hợp cho từng loại sản phẩm và từng giai đoạn của quá trình sấy có thể tiến hành các biện pháp sau: - Phun ẩm Khi chế độ sấy cần độ ẩm tương đối cao mà sau khi gia nhiệt độ ẩm tương đối của môi chất khá nhỏ, trường hợp này cần tăng độ ẩm tương đối của không khí. Một biện pháp có hiệu quả là phun ẩm, tức là phun nước vào không khí, nước sẽ bay hơi làm cho độ ẩm tương đối của không khí tăng lên. Trong hệ thống điều hòa không khí người ta sử dụng rộng rãi phương pháp này. - Hồi lưu một phần khí thải Khí thải của hệ thống sấy có độ ẩm tương đối φ cao. Sử dụng hồi lưu là lấy một phần khí thải hòa trộn với không khí mới đưa vào hệ thống. Điểm hòa trộn có thể đặt trước hoặc sau calorife và thường đặt ở đầu hút của quạt gió. Làm như vậy có thể tăng độ ẩm tương đối của môi chất sấy vào hệ thống, đồng thời có thể tiết kiệm nhiệt. Sử dụng hồi lưu có thể điều chỉnh được độ ẩm tương đối vào thiết bị sấy theo yêu cầu của chế độ sấy bằng cách điều chỉnh tỷ lệ khí hòa trộn (hệ số hồi lưu). I - Sử dụng nhiệt trung gian Gia nhiệt trung gian là gia nhiệt thêm cho môi chất trong buồng sấy. Nhược điểm lớn nhất của thiết bị sấy buồng là nhiệt độ môi chất giảm dần theo chiều chuyển động của môi chất trong khi đó vật liệu đứng yên nên sản phẩm khô không đều. Để khắc phục nhược điểm này có thể sử Lớp: DH07TP 0 d0 d2’ d2 x Hình1.2. quá trình sấy có gia nhiệt trung i http://www.ebook.edu.vn Trang 13 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông dụng gia nhiệt trung gian. Muốn vậy buồng sấy cần chia ra nhiều phần, môi chất sấy ra mỗi phần được gia nhiệt bổ sung làm cho nhiệt độ tăng lên, nhiệt độ môi chất trong buồng sấy sẽ đều hơn. Ở hình sấy có gia nhiệt trung gian quá trình 0-1 là quá trính gia nhiệt trong calorife chính, quá trình 1-2’ là quá trình sấy trong phần 1, quá trình 2’-1’ là quá trình gia nhiệt trong calorife phụ và quá trình 1’-2 là quá trình sấy trong phần 2 của buồng sấy. 1.1.5. Các phương pháp xác định thời gian sấy 1.1.5.1. Phương pháp A. V. Lư – cốp Đây là phương pháp dùng để xác định thời gian sấy đối với vật liệu dạng tấm phẳng sấy trong thiết bị sấy đối lưu. Để mô hình toán học có thể giải được một cách đơn giản, A. V. Lư – cốp đã bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ ẩm. Do đó phương trình dẫn chất có dạng: ∂u ∂ 2u = am 2 ∂τ ∂x (1.14) Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi ta coi dòng ẩm trên bề mặt qm = const. Thời gian trong giai đoạn này được tính như sau: τ1 = ω1 − ω k (1 .1 5 ) N Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm A. V. lư-cốp đã giải phương trình vi phân với các điều kiện đơn trị và khi biến đổi chuyển từ độ chứa ẩm u sang độ ẩm ω thu được kết quả thời gian sấy trong giai đoạn tốc độ giảm như sau: 1 k τ 2 = .ln ωk − ωcb (1.16) ω2 − ωcb Ở đây k gọi là hệ số sấy, k = X.N, với x = ωk 1 gọi là hệ số sấy tương đối. − ω cb Thời gian sấy tổng cộng là: Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 14 Đồ án: Sấy muối thùng quay τ= ω1 − ωcb N GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông − 1 [1 + ln(ω2 − ωcb ) X ] X .N (1.17),( h) Từ công thức trên ta thấy, muốn xác định thời gia sấy theo phương pháp A. V. lư-cốp cần biết độ ẩm ban đầu ω1, độ ẩm cân bằng ωcb và tốc độ sấy trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi N. Ở đây N cần được xác định bằng thực nghệm phụ thuộc vào chế độ sấy. 1.1.5.2. Phương pháp G. K. Philônhencô Philônhencô đã nghiện cứu nhiều đường cong sấy khác nhau, ông đã phát hiện ra rằng các đừng cong sấy có thể biểu điển bằng một đường cong duy nhất nếu lấy một trục là tốc độ sấy dω / dτ và trục kia là tốc độ dẫn suất: ϕ = 1 dω . N dτ (1.18) Tốc độ sấy dẫn suất φ được xác định bằng thực nghiệm có dạng: (ω − ωcb )m ϕ= A − B(ω − ωcb )m (1.19) Các hệ số A, B, m phụ thuộc vào vật liệu và chế độ sấy. Khi m = 1 thì thời gian sấy có thể xác định bằng công thức: ω.ωcb 1 dω . = N dτ A + B (ω − ωcb ) dτ = τ = Lớp: DH07TP 1 N ⎞ 1 ⎛ A B + ⎜ ⎟ dω N ⎝ ω − ω cb ⎠ ⎡ ⎤ ω1 − ω cb + B (ω1 − ω cb ) ⎥ ⎢ A.ln ω 2 − ω cb ⎣ ⎦ http://www.ebook.edu.vn (1.20) (h) Trang 15 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Đối với tấm phẳng nói chung : ϕ = ω 0 − ω cb (1 .2 1) 2 8, 5 + 0, 7 3(ω 0 − ω cb ) Ở đây ω0 là độ ẩm tuyệt đối. Vậy ta có: τ = 1 N ⎡ ⎤ ω 01 − ω cb + − ω ω 28, 5.ln 0, 73( ) ⎢ cb ⎥ 01 ω 02 − ω cb ⎣ ⎦ (1.22) Ta thấy rằng muốn sử dụng được phương pháp này cần phải xác định bằng thực nghiệm tốc độ sấy dẫn xuất. 1.1.5.3. Phương pháp N. F. Đôcuchaef Phương pháp này đã coi phương trình dẫn ẩm như phương trình thấm. Từ đó ta có mối quan hệ giữa độ ẩm và thời gian sấy: ω = ω1 − τ A + Bτ (1 .2 3) Trong đó: A, B phụ thuộc vào vật liệu sấy và chế độ sấy. Từ đó có thể xác định thời gian sấy theo công thức: τ= A(ω1 − ω ) (1.24) , (h) 1 − B (ω1 − ω ) 1.1.6. Cấu trúc hệ thống sấy 1.1.6.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống sấy Hệ thống sấy bao gồm các bộ phận sau: - Buồng sấy Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 16 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Buồng sấy là không gian thực hiện quá trình sấy khô vật liệu. Đây là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống sấy. Tùy theo phương pháp sấy, loại thiết bị sấy mà buồng sấy có dạng khác nhau. Ví dụ thiết bị sấy nguồn, bộ phận buồng sấy có thể nhỏ như một cái tủ, có thể lớn như một căn phòng. Trong thiết bị sấy hầm, buồng sấy là một buồng có chiều dài lớn như một đường hầm (tuynen). Trong thiết bị sấy phun, buồng sấy là một buồng hình trụ đứng hay nằm ngang. Trong thiết bị sấy khí động, buồng sấy là một ống hình trụ để đứng, có chiều cao lớn. - Bộ phận cung cấp nhiệt Tùy theo hệ thống sấy khác nhau, bộ phận cung cấp nhiệt cũng khác nhau. Ví dụ, trong thiết bị sấy bức xạ, bộ phận cung cấp nhiệt khá đơn giản, có thể là các đèn hồng ngoại, các ống dây điện trở, hay các tấm bức xạ gia nhiệt bằng chất lỏng hay khí đốt. Thiết bị sấy đối lưu dùng mỗi chất sấy là không khí, chất tải nhiệt là hơi nước thì bộ phận cấp nhiệt là calorife khí – khói. - Bộ phận thông gió và tải ẩm Bộ phận này có nhiệm vụ tải ẩm từ vật sấy vào môi trường. Khi sấy bức xạ việc thông gió còn có nhiệm vụ bảo vệ vật sấy khỏi quá nhiệt. Các thiết bị sấy dưới áp suất khí quyển đều dùng môi chất đối lưu ( tự nhiên hay cưỡng bức) để tải ẩm. Trong các thiết bị này đều cần tạo điều kiện thông gió tốt hơn trên bề mặt vật liệu để ẩm thoát ra từ vật được môi chất mang đi dễ dàng. Khi thông gió cưỡng bức bộ phận này gồm: các quạt gió, các đường ống dẫn cấp gió vào buồng sấy, đường hồi (nếu có), ống thoát khí…. Các thiết bị sấy chân không, việc thải ẩm dùng bơm chân không hoặc kết hợp với các bình ngưng ẩm (sấy thăng hoa). - Bộ phận cấp vật liệu và lấy sản phẩm Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 17 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Bộ phận này cũng khác tùy thuộc vào loại thiết bị sấy. Trong thiết bị sấy buồng và hầm vật liệu sấy để trên các khay đặt thành tầng trên các xe goòng. Việc đẩy xe vào và lấy ra có thể bằng thủ công hay cơ khí. Trong thiết bị sấy hầm dùng băng tải, vật liệu được đưa vào và lấy ra khỏi hầm bằng băng tải. Trong thiết bị sấy phun, vật liệu đưa vào bằng bơm qua vòi phun. Sản phẩm được lấy ra dưới dạng bột bằng các tay gạt và vít tải. - Hệ thống đo lường, điều khiển Hệ thống này có nhiệm vụ đo nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi chất sấy tại các vị trí cần thiết t1, φ1, t2, φ2 … đo nhiệt độ khói lò. Tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm môi chất vào thiết bị nhằm duy trì chế độ sấy theo đúng yêu cầu. 1.1.6.2. Các dạng cấu trúc hệ thống sấy - Hệ thống sấy công suất nhỏ Hệ thống này thường có cấu trúc dạng tủ, đa số là các kiểu sấy đối lưu cưỡng bức, một số kiểu sấy bức xạ, sấy bằng điện trường tần cao. Các thiết bị sấy loại này thường được chế tạo hàng loạt có điều kiển tự động nhiệt độ môi chất sấy. Vật liệu sấy thường đặt trên các khay đưa vào buồng sấy bằng thủ công và đặt trên các giá đỡ trong buồng. Loại thiết bị này có thể sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau. - Hệ thống sấy công suất lớn Hệ thống này có cấu trúc rất đa dạng tùy thuộc vào phương pháp sấy, kiểu thiết bị sấy. Trong hệ thống này cần bố trí hợp lý giữa buồng sấy với các bộ phận khác như: bộ phận cấp nhiệt, cấp hơi nước, cấp khói, bộ phận cấp vật liệu và lấy sản phẩm… Trong dây chuyền công nghệ sản xuất sản phẩm, hệ thống sấy được bố trí trong một phân xưởng sơ chế nguyên liệu hay thành phẩm. Có một số xí nghiệp, hệ thống sấy là hệ thống chính, ví dụ xí nghiệp sản xuất cà phê hạt bao gồm các công đoạn như sau: sát ướt ( quả cà phê đem chà sát, rửa sạch lấy hạt), Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 18 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông hong và sấy. Ở đây hệ thống sấy là chính. Sản phẩm là cà phê hạt đóng bao. Trong các xí nghiệp sản xuất rau quả khô, hệ thống sấy cũng là hệ thống chính. 1.2. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG SẤY THÙNG QUAY 1.2.1. Cấu tạo hệ thống thùng quay Hình 1.3. Cấu tạo bên trong thùng quay Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng quay là một thùng sấy hình trụ tròn. Trong đó có các cánh trộn được bố trí để đảo trộn nguyên liệu cần sấy một cách đồng đều. Thùng được đặt nghiên với mặt phẳng nằm ngang theo tỉ lệ 1/15 – 1/50. Thùng sấy quay với tốc độ 1,5 – 8 vòng/phút. Nhờ một động cơ điện thong qua hộp giảm tốc. Vật liệu sấy từ thùng chứa được đưa vào thùng sấy cùng với tác nhân sấy. Khi đó thùng sấy quay tròn , đồng thời vật liệu sấy vừa được đảo đều vừa di chuyển từ đầu cao của thùng sấy đến đầu thấp. Trong quá trình sấy tác nhân sấy và vật liệu sấy trao đổi nhiệt cho nhau. Vật liệu sấy đi hết chiều dài thùng sấy được lấy ra và vận chuyển vào kho nhờ một băng tải còn tác nhân sấy đi qua xyclon để thu hồi vật liệu cuốn theo còn khí thải được thải ra môi trường. Để góp phần tăng cường đão trộn và trao đổi nhiệt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy người ta bố trí trong thùng sấy hệ thống các cánh đảo. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 19 Đồ án: Sấy muối thùng quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông 1.2.2. Nguyên lý làm việc Thùng được thiết kế nằm nghiêng một góc α, vật liệu sấy được đưa vào đầu cao của thùng sấy với sự hoạt động của thùng vật liệu sấy di chyển xuống thấp và đi ra ngoài. Tác nhân sấy đi cùng chiều với vật liệu sấy và đi ra khỏi thùng vào hệ thống dẫn khí qua xyclon để sử lý. Tác nhân sấy cùng vật liệu sấy được đảo đểu và xảy ra quá trình trao đổi nhiệt ẩm làm khô vật liệu sấy. Thời gian sấy là thời gian mà vật liệu sấy đi từ đầu vào đến hết thùng sấy. Hệ số điền đầy có thể lên đến 27,5% tùy vào hệ thống cánh đảo được lắp đặt bên trong thùng. Để vật liệu sấy tiếp xúc tốt với tác nhân sấy người ta co thể đặt nhiều cánh hứng hay cũng có thể chia thành nhiều khoang. Thiết bị sấy dung để sấy các vật liệu sấy dạng hạt. Khi sấy các vật liệu dạng hạt cở nhỏ cần chọn tốc độ quạt thổi sao cho vật liệu sây không bai theo khí thoát quá nhiều. Trong hệ thống sấy thùng quay thường không sử dụng tái tuần hoàng khí thai vì trong khí thải có bụi. Nếu tần hoàng thí thải thì sẽ phải bố trí hệ thống lọc bụi tốn chi phí và năng lương. Thiết bị sấy thùng quay là thiết bị sấy đối lưu vì thế khi thiết kế ta cần chọn một số thông số sau: - Chọn tác nhân sấy là không khí. - Chọn calorife khí – hơi. - Chọn vật liệu sấy là muối. - Chọn thiết bị làm việc. - Chọn hệ thống cánh đảo. Lớp: DH07TP http://www.ebook.edu.vn Trang 20