Đồ án: Thiết kế máy sấy tầng sôi

Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Phần I MỞ ĐẦU
I . SƠ LƯC VỀ THÓC (LÚA) ,TÍNH CHẤT ,ỨNG DỤNG:
Lúa là nguồn lương thực chính của gần ½ sốdân trên thế giới. Lúa là loại cây
ưa nóng và ẩm, do đó lúa thường được trồng nhiều ở các vùng có khí hậu ôn đới và
cận nhiệt đới. Năng suất của lúa nước là cao nhất, nên lúa thường được trồng ở các
châu thổ sông lớn. Nước ta có khí hậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho việc
phát triển cây lúa.
Thành phần hoá học của hạt lúa gồm chủ yếu là tinh bột, protein, xenlulose.
Ngoài ra trong hạt lúa còn chứa một số chất khác với hàm lượng ít hơn so với 3 thành
phần kể trên như: đường, tro, chất béo, sinh tố. Thành phần hoá học của hạt lúa phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như giống, đất đai trồng trọt, khí hậu và chế độ chăm sóc.
Cùng chung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng.
Thành phần hoá học của hạt lúa :
Thành phần Hàm lượng các chất ( % )
Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình
Protein 6.66 10.43 8.74
Tinh bột 47.70 68.00 56.20
Xenluloze 8.74 12.22 9.41
Tro 4.68 6.90 5.80
Đường 0.10 4.50 3.20
Chất béo 1.60 2.50 1.90
Đectrin 0.80 3.20 1.30
Việt Nam, lúa gạo là nguồn lương thực chính không thể thiếu trong đời sống
con người. Lúa còn là nguyên liệu để sản suất tinh bột, sử dụng nhiều trong các ngành
công nghiệp thực phẩm. Lúa cũng được dùng làm thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm.
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 1
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Hiện nay, Việt Nam đang đứng thứ hai thế giới về lượng gạo xuất khẩu trên thế
giới, và tiếp tục đẩy mạnh việc xuất khẩu gạo sang các nước trên thế giới. Đây là một
trong những nguồn thu ngoại tệ chính của đất nước.

II . SƠ LƯC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI:
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt. Kết quả của
quá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên. Điều này có ý nghóa quan
trọng về nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nhằm tăng khả năng bảo
quản; đối với gốm sứ làm tăng độ bền cơ học, đối với than củi làm tăng khả năng đốt
cháy… Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thể tích nên giảm được
giá thành vận chuyển.
Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng
thái pha của lỏng trong vật liệu thành hơi. Cơ chế của quá trình được diễn tả bởi 4 quá
trình cơ bản sau :
+ cấp nhòêt cho bề mặt vật liệu.
+ dòng nhiệt dẫn từ bề mặt vào vật liệu.
+ khi nhận được lượng nhiệt, dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt.
+ dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách vào môi trường xung quanh.
Bốn quá trình này được thể hiện bằng sự truyền vận bên trong vật liệu và sự
trao đổi nhiệt ẩm bên ngoài giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
Dựa vào phương thức cung cấp nhiệt cho vật liệu người ta chia thiết bò sấy ra ba nhóm
chính:
+ Sấy đối lưu
+ Sấy tiếp xúc
+ Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoa
Theo kết cấu nhóm thiết bò sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bò sau:
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 2
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
+ TBS buồng
+ TBS hầm
+ TBS thùng quay
+ TBS tháp
+ TBS phun
+ TBS tầng sôi

+ TBS khí động
Sấy tầng sôi là một trong các phương thức sấy thuộc nhóm sấy đối lưu, thích
hợp cho việc sấy các hạt nông sản.
Bộ phận chính của TBS tầng sôi là một buồng sấy, phía dưới buồng sấy đặt ghi
lò. Ghi buồng sấy là một tấm thép có đục nhiều lỗ thích hợp hoặc lưới thép để tác
nhân sấy đi qua nhưng hạt không lọt xuống được. Tác nhân sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm
thấp được thổi từ dưới lên để đi qua lớp vật liệu. Với tốc độ đủ lớn, tác nhân sấy nâng
các hạt vật liệu lên và làm cho lớp hạt xáo trộn. Quá trình sôi này là quá trình trao đổi
nhiệt ẩm mãnh liệt nhất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy. Các hạt vật lòêu khô hơn
nên nhẹ hơn sẽ nằm ở lớp trên của tầng hạt đang sôi; và ở một độ cao nào đó hạt khô
sẽ được đưa ra ngoài qua đường tháo liệu.
Sấy tầng sôi có những ưu điểm và nhược điểm như sau:
* Ưu điểm:
+ Năng suất sấy cao
+ Vật liệu sấy khô đều
+ Có thể tiến hành sấy liên tục
+ Hệ thống thiết bò sấy tương đối đơn giản
+ Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy
+ Có thể điều chỉnh thời gian sấy
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 3
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
* Nhược điểm:
+ Trở lực lớp sôi lớn
+ Tiêu hao nhiều điện năng để thổi khí tạo lớp sôi
+ Yêu cầu cỡ hạt nhỏ và tương đối đồng đều
III. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

1: Quạt 4: Thiết bò say 7: Cyclon
2: Calorife 5: Bộ phận nhập liệu
3: Lưới phân phối khí 6: Cửa tháo liệu

* Yêu cầu của bài toán thiết kế:
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy thóc với năng suất 5000 kg/h (thành
phẩm). Thiết bò được đặt ở thò xã Cao Lãnh – Đồng Tháp. Với hệ thống thiết bò sấy
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 4
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
tầng sôi, chủ yếu dùng để sấy thóc đã qua phơi nắng để cho thóc đạt độ khô cần thiết
và khô đều hơn, giúp cho việc bảo quản tốt hơn, phục vụ cho việc xuất khẩu. Do đó ta
chọn độ ẩm của thóc trước khi sấy không cao lắm, và độ ẩm sau khi sấy thích hợp cho
sự bảo quản.
Nhiên liệu sử dụng: ta có thể chọn dầu FO để đốt nóng tác nhân sấy (không
khí).
Phần II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 5
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
Các ký hiệu sử dụng:
G
1
: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy
G
2
: năng suất sản phẩm sau khi sấy
ω
1
: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy
ω
2
: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy
d
1

: hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi vào sấy
d
2
: hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô sau khi vào sấy
W : năng suất tách ẩm
L: lượng không khí khô cần thiết
l : lượng không khí khô cần thiết để tách 1Kg ẩm ra khỏi vật liệu
Các thông số cơ bản:
a) Đối với không khí:
Trạng thái ban đầu của không khí:
t
0
= 27
0
C
ϕ
0
= 80%
Tra đồ thò I-d ta có:
I
0
= 72 KJ/Kg KKK
d
0
= 18 g ẩm/Kg KKK
Không khí vào thiết bò sấy:
Chọn nhiệt độ vào buồng sấy của không khí : t
1
= 90
0

C
I
1
= 132 Kj/Kg KKK
Không khí ra khỏi thiết bò sấy:
Chọn nhiệt độ ra của không khí là t
2
= 45
0
C
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 6
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Dựng chu trình sấy lý thuyết trên giản đồ I-d, từ đó ta có:
I
2
= 139 Kj/Kg KKK
d
2
= 36 g ẩm/Kg KKK
b) Đối với vật liệu sấy (thóc):
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: d = 2,76 mm
hệ số hình dạng: ϕ
hd
= 1,68

- Các thông số khác:
nhiệt dung riêng: C = 1,5 KJ/Kg
hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,09 W/mK
khối lượng riêng rắn: ρ
r
= 1150 Kg/m
3
độ xốp: ε = 0,56
diện tích bề mặt riêng khối lượng: f = 1,31 m
2
/kg
khối lượng riêng xốp: ρ
v
= 500 Kg/m
3
- Vật liệu trước khi vào thiết bò sấy: ta chọn
θ
1
= 27
0
C
ω
1
= 20%
- Vật liệu sau khi ra thiết bò sấy: chọn nhiệt độ ra của thóc nhỏ hơn nhiệt độ
của không khí khoảng 5
0
C
θ
2

= 40
0
C
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 7
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
ω
2
= 13% , đây là độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc.
2) Năng suất tách ẩm:

hamKgxGW /5.437
20,01
13,020,0
5000
1
1
21
2
=
−
−
=
−
−
=
ω
ωω
Năng suất nhập liệu:
G
1

= G
2
+ W = 5000 + 437.5 = 5437.5 Kg/h
Lượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 giờ:
G
k
= G
2
(1-ω
2
) = 5000(1 - 0,13) = 4350 Kg/h
Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 Kg ẩm:
amKgkkkKg
dd
l /5.55
018,0036,0
11
12
=
−
=
−
=
Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình:
hKgkkkxlWL /243055.555.437
==×=
II. CÂN BẰNG NĂNG LƯNG:
* Nhiệt lượng vào:
- nhiệt lượng do không khí mang vào: LI
0

- nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G
2
C
vl
θ
1
+C
n
Wθ
1
- nhiệt lượng do calorife cung cấp: Q
c
Tổng nhiệt lượng vào: LI
0
+ G
2
C
vl
θ
1
+ C
n
Wθ
1
+ Q
c
* Nhiệt lượng ra:
- Nhiệt lượng do không khí ra: LI
2
- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G

2
C
vl
θ
2
- Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Q
m
Tổng nhiệt lượng ra:
LI
2
+ G
2
C
vl
θ
2
+Q
m
Từ phương trình cân bằng năng lượng, ta có:
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 8
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Q
c
=L(I
2
-I
0
)+G
2
C

vl
(θ
2
-θ
1
)+Q
m
-C
n
Wθ
1
Viết cho 1 Kg ẩm bốc hơi:
1nmvl12c
C-qq)I-(Iq
θ
++=
l
1nmvl1201
C-qq)I-(I)(
θ
++=−=
lIIlq
c
Với:
∆=C
n
θ
1
- q
vl

-q
m
l
II
I
∆
+=
2
Đối với quá trình sấy lý thuyết: ∆=0
q
c
=l(I
2
-I
0
)=55.5(132-72)= kj/kgẩm
Đối với quá trình sấy thực tế: lúc này giá trò ∆ sẽ khác 0
Nhiệt dung riêng của nước:
C
n
= 4,18 KJ/Kg
o
K
Nhiệt dung riêng của vật liệu:
KKgKJC
vl
0
/85,113,018,4)13,01(5,1
=×+−=
Với 1,5 là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối

Q
vl
=G
2
C
vl
(θ
2
-θ
1
)=5000
×
1,85
×
(40-27)=120250 KJ/h
amKgKJ
W
Q
q
v
vl
/62,274
5,437
120250
===
Nhiệt lượng hữu ích cần bốc hơi một kg ẩm:
q
0
= 2500 + 1,842t
2

+ C
n
θ
1
= 2500 + 1,842.45 - 4,18.27 = 2470,03 Kj/Kg ẩm
Tổn thất của tác nhân sấy:
q
tn
=l
×
C
k
×
(t
2
-t
0
)=55,5
×
1,004
×
(45-27)=993,17 Kj/Kg ẩm
Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: giả sử nhiệt tổn thất ra môi trường
xung quanh bằng 10% của tổng nhiệt lượng
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 9
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Do đó ta có:
q
m
=10%(q

0
+ q
vl
+ q
tn
+ q
m
)=415,3 Kj/Kg ẩm
∆ = C
n
θ
1
- q
vl
- q
m
= - 577,06 Kj/Kg ẩm
Ta thấy ∆ < 0, quá trình sấy thực tế sẽ nằm dưới đường lý thuyết. Để xây dựng
quá trình sấy thực tế ta dựa vào phương trình:
)(
022
ddII
Í
−∆+=
* Cách xác đinh đường sấy thực tế:
Ta cho một giá trò d bất kỳ (d<d
2
), tính được I
2
” và xác đònh được điểm 2” trên

giản đồ. Nối đường 1-2” cắt đường 45
o
C ở điểm 2. Đường 0-1-2 xác đònh như trên
chính là đường sấy thực tế.
Giả sử:
d = 30 g ẩm/Kg KKK
I
1
= 139 Kj/Kg KKK ( bằng với giá trò I
2
của quá trình sấy lý thuyết)
1000
1830
139
"
2
−
−=⇒
I
= 132,1 Kj/Kg KKK
Điểm 2 của quá trình sấy thực tế có các thông số:
d
2
= 0,0325 Kg ẩm/Kg KKK
I
2
= 130 KJ/Kg kkk
ϕ
2
= 53%

Ta có thể biểu diễn chu trình sấy lý thuyết và thực tế trên giản đồ I-d, hình biểu
diễn có dạng như sau:
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 10
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
I
d
100%
1
2
0
27
40
0
đường sấy thực
đường sấy lý thuyết
a) Lượng tác nhân cần thực tế:
hKKKKg
dd
WL /30172
0176,00312,0
1
878,4
1
12
=
−
=
−
=
amKgKKKKg

W
L
l /69
878,4
67,358
===
b) Nhiệt lượng cần thiết:
Q=L(I
2
-I
1
)=30172
×
(130 – 72)=1,75.10
6
KJ/h
amKgKj
W
Q
q /4000
5,437
10.75,1
6
===
Phần III TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 11
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Chọn thiết bò sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối có dạng tấm được đục lỗ cho
không khí đi lên.
Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bò sấy tầng sôi:

Nhiệt độ tác nhân vào: t
1
= 90
o
C
Nhiệt độ tác nhân ra: t
2
= 45
o
C
Nhiệt độ tính toán trung bình: t = 67.5
o
C
Khối lượng riêng: ρ
k
= 1,037 Kg/m
3
Độ nhớt động học: ν
k
= 19.75.10
-6
m
2
/s
Độ nhớt động lực học: µ
k
= 20,45.10
-6
Ns/m
2

Hệ số dẫn nhiệt: λ
k
= 2,95.10
-2
W/m
0
K
= 10,62.10
-2
Kj/mh
0
K
I-XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TỚI HẠN:
Chuẩn số Arsimet:
5
6
33
2
3
10.88,5
037,1)10.75,19(
81,9)037,11150()10.76,2(
)(
=
−
=
−
=
−
−

kk
kr
gd
Ar
ρν
ρρ
Chuẩn số Reynold tới hạn:
2,210
75,1
1
150Re
1
3
0
3
0
0
=








+
−
=
−

ArAr
th
εε
ε
Tốc độ tới hạn:
sm
d
v
kth
th
/5,1
10.76,2
10.75,19.2,210
Re
3
6
===
−
−
ν
II- TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI:
Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là: ε = 0,7
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 12
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Chuẩn số Arsimet:
Ar = 5,88.10
5
Chuẩn số Ly được tra từ đồ thò Ly = f(Ar), ta có:
Ly = 200
Vận tốc của tác nhân trong tầng sôi được tính theo công thức:

sm
gLy
v
k
krk
k
/5,3
037,1
)037,11150(81,9.10.45,20.200
)(..
3
2
6
3
2
=
−
=
−
=
−
ρ
ρρµ
Hệ số giả lỏng của lúa trong tầng sôi:
33,2
5,1
5,3
===
th
k

v
v
K
Vì nhiệt độ trong buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ trên bề mặt lưới phân phối, nên
nhiệt độ của tác nhân ở trên bề mặt lưới phân phối là:
sm
t
t
vv
kl
/73,3
5,67273
90273
5,3
273
273
1
=
+
+
=
+
+
=
Tốc độ thực của tác nhân qua lớp giả lỏng:
sm
v
v
k
kt

/5
7,0
5,3
===
ε
III- TỐC ĐỘ CÂN BẰNG:
Khi vật liệu bắt đầu bò lôi cuốn: ε = 1
Chuẩn số Reynold:
1210
10.88,561,018
10.88,5
61,018
Re
5
5
=
+
=
+
=
Ar
Ar
Chuẩn số Liasenco:
4,3015
10.88,5
1210Re
5
33
===
Ar

Ly
Vận tốc cân bằng của lúa:
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 13
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
sm
gLy
v
k
krk
c
/65,8
037,1
)037,11150(81,9.10.45,20.4,3015
)(..
3
2
6
3
2
=
−
=
−
=
−
ρ
ρρµ
Vận tốc chủ đạo của dòng khí qua lưới: v
ak
Chọn: v

ak
= 2v
c
= 2.8,65 = 17,3 m/s
IV- THỜI GIAN SẤY:
Độ ẩm tới hạn của lúa là ω
k
= 13,5% (tính trên căn bản vật liệu khô tuyệt đối:
W
k
=15,6%), nên quá trình sấy lúa từ ω
1
= 20% đến ω
k
= 13,5% là giai đoạn sấy đẳng
tốc và từ ω
k
= 13,5% đến ω
2
= 13% là giai đoạn sấy giảm tốc.
Chuẩn số Reynold:
699
10.75,19.7,0
10.76,2.5,3
Re
6
3
===
−
−

k
k
dv
εν
Chuẩn số Fedorov:
1,92
037,1)10.75,19.(3
81,9)037,11150(4
10.76,2
.3
).(4
.
3
26
3
3
2
=
−
=
−
=
−
−
kk
kr
g
dFe
ρν
ρρ

Chuẩn số Nusselt:
34,0
0
34,0
0
65,074,0
.09,4)(Re.0151,0
−
−
==
h
d
h
FeNu
Chọn chiều cao lớp hạt ban đầu ở trạng thái tónh h
0
= 0,05 m
Khi đó:
326,11)05,0.(09,4
34,0
==
−
Nu
Hệ số cấp nhiệt của tác nhân đến vật liệu:
KhmKj
d
Nu
K
k
02

3
2
/64,348
10.76,2
10.62,10.326,11
8,0
.
===
−
−
λ
α
Với K là hệ số hiệu chỉnh, lấy K=0,8
Tốc độ sấy dẳng tốc:
fJN
m
.
=
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 14
Đồ án môn học QT&TB GVHD: Phạm Văn Bôn
Trong đó:
J
m
: cường độ bay hơi của dòng ẩm (kg/m
2
h)
f: diện tích bề mặt riêng khối lượng của vật liệu (m
2
/kg)
Ta có:

r
t
r
q
J
mm
m
)(
θα
−
==
t: nhiệt độ trung bình của tác nhân trong buồng sấy
t = 67,5
0
C
θ
m
:nhiệt độ của vật liệu trong buồng sấy
C
m
0
5,33
=
θ
r: ẩn nhiệt hoá hơi của nước
r = 2417,7 kJ/kg
hmkgJ
m
2
/9,4

7,2417
)5,335,67(64,348
=
−
=⇒
N = J
m
f = 4,9.1,31 = 6,42 h
-1
Nhưng thực tế diện tích bề mặt tự do trao đổi ẩm chỉ khoảng 50
÷
60%, nên tốc
độ sấy đẳng tốc thực tế là:
N = 6,42.0,5 = 3,21 h
-1
Thời gian sấy đẳng tốc:
ph
N
WW
k
76,160
21,3
156,025,0
1
1
=×
−
=
−
=

τ
Thời gian sấy giảm tốc:
ph
W
W
N
W
kk
14,0
149,0
156,0
lg3,260
21,3
156,0
lg3,2
2
2
=××==
τ
Vậy thời gian sấy vật liệu là:
ph9,1
21
=+=
τττ
SVTH: Lương Thành Đồng Trang 15