Tính toán thiết bị sấy

PHẨN 2 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY

Vật liệu sấy là muối có các thông số cơ bản sau:

• Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy là( theo vật liệu ẩm):
ω
1
= 6% = 0,06
• Độ ẩm cuối của vật liệu sấy (nt) :
ω
2
= 0.2% = 0.002
• Khối lượng riêng

r
=2350 kg/m
3
• Khối lượng riêng xốp( thể tích)

v
=1020 kg/m
3
• Nhiệt dung riêng của vật liệu khô
Cvl = 0.712 kJ/kg.K

• Đường kính hạt d =[ 0.2-0.9 mm (60%), < 0.2 mm (20%), 1- 2 mm (20%)]
D
tb
= 0.5 mm
• Năng suất theo sản phẩm G
2

= 2000 kg/h
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. CÁC THÔNG SỐ CỦA TÁC NHÂN SẤY
Dùng tác nhân sấy là không khí
Nhiệt độ đầu t
0
= 30
0
C , ϕ = 70% ( thông số này lấy từ nhiệt độ trung bình
ở Phan Thiết – Bình Thuận)

Nhiệt độ vào thiết bị gia nhiệt t
1
= 200
0
C,
Nhiệt độ ra thiết bị sấy t
2
= 90
0
C
Tính các thông số của tác nhân
Trạng thái không khí ngoài trời, được biểu diễn bằng điểm A có (t
o
, 
o
).
Từ thông số đó ta tra giản đồ I-x để tìm các thông số cần thiết hoặc tính toán
- Phân áp suất hơi bão hòa của hơi nước trong không khí ầm theo nhiệt độ:

4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0,0422
235,5 235,5 30
o
b
o
p
t
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
+ +
 
 
,bar
- Độ chứa ẩm

.
0,7.0,0422
0,622 0,622 0,0193
. 0,981 0,7.0,0422
o bo
o
o bo
p
x
B p
ϕ

ϕ
= = =
− −
,kg ẩm/kg kkk
Entanpi
H
0
= (1000 + 1,97.10
3
.x
0
).t
0
+2493. 10
3
. x
0
=(1000 + 1,97.10
3
.0.0193).30 +2493. 10
3
.0.0193 = 79.25 ,kJ/kg kkk
1
Không khí được đưa vào thiết bị gia nhiệt và được đốt nóng đẳng áp ((x
1
= x
o
) đến trạng
thái B (x
1

, t
1
).
Điềm B : t
1
= 55
o
C
x
1
= x
o
= 0,0194 (kg/kgkk)
Vì nhiệt độ sấy lớn hon 100
0
C nên Pb
1
=P
Nên độ chứa ẩm

1
1
1
0,622
1
x
ϕ
ϕ
=
−

⇒

1
1
1
.
(0,622 )
0,0193
0.03
(0,622 0,0193)
x
x
ϕ
=
+
= =
+
Entanpi
H
1
= (1000 + 1,97.10
3
.x
1
).t
1
+2493. 10
3
. x

1
=(1000 + 1,97.10
3
.0.0193).200 +2493. 10
3
.0.0193 = 255.72 ,kJ/kg kkk

không khí ở trạng thái B được đưa vào thiết bị sấy và thực hiện quá trình sấy lý thuyết
(H
1
= H
2
) trạng thái ổn định của đấu ra thiết bị sấy.
t
2
= 90
0
C với H
1
= H
2
= 255.72 ,kJ/kg kkk

2
2
4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0,6908
235,5 235,5 90
b
p

t
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
+ +
 
 
, bar
H
2
= (1000 + 1,97.10
3
.x
2
).t
2
+2493. 10
3
. x
2

2 2
2
2
1,004.
255.72 1,000.90
0,0624
2500 1,842. 2493 1,79.90

H t
x
t
−
−
⇒ = = =
+ +
,kg ẩm/kg kkk

2
2
2
2
.
0,0624.0,981
0,129
(0,622 ) 0,6908.(0,622 0,0624)
b
x B
p x
ϕ
= = =
+ +
2
Bảng 1. trạng thái của tác nhân sấy trong q trình sấy lý thuyết.
Đại lượng Trạng thái không
khí ban đầu (A)
Trạng thái không khí
vào thiết bò sấy (B)
Trạng thái không khí ra

khỏi thiết bò sấy (C)
t (
o
C) 30 200 90
 (đơn vò) 0,7 0,03 0,129
x (kg/kgkk) 0,0193 0,0193 0,0624
H (kJ/kgkk) 79,25 255,72 255,72
2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
- Năng suất thiết bị tính thoe nhập liệu:
2
1 2
1
1
1 0,002
. 2000. 2123,4
1 1 0,06
G G
ω
ω
−
−
= = =
− −
kg/h
- Lượng ẩm cần tách:
W = G
1
– G
2
= 2123,4 – 2000 =123,4 kg/h

- Lượng tác nhân khô cần thiết:
2 1
123,4
2863,11
0,0624 0,0193
W
L
x x
= = =
− −
kg/h
- Lượng tác nhân tiêu hao riêng:
2 1
1 1
23.20
0,0624 0,0193
L
l
W x x
= = = =
− −
kgkk/kg ẩm
3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Ta sấy theo phương pháp ngược chiều để q trình truyền nhiệt là tốt nhất vì nhiệt dộ mà
ta chọn sấy còn rất thấp so với nhiệt độ nóng chảy của muối
Do q trình sấy do nhiều yếu tố mà ta bị mất 1 lượng nhiệt vì thế ta có các loại nhiệt sau
Q trình sấy khơng có bổ sung nhiệt lượng, Q
BS
= 0
Thiết bị sấy thùng quay khơng có thiết bị chuyển tải, Q

CT
= 0
- Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy gồm:
 Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong carorife L(I
1
– I
o
)
 Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: [(G
1
- W)C
v1
+ WC
a
].t
v1
- Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
 Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang đi: L(I
2
– I
o
)
 Nhiệt lượng thất thốt do cơ cấu bao che: Q
m
 Nhiệt lượng do vật liệu mang ra: G
2
.C
v2
.t
V2

3
Với
o t
v1
nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy lấy bằng nhiệt độ môi trường:
t
v1
= t
o
= 30
o
C
o t
v2
: nhiệt độ cuối của vật liệu sấy lấy bằng:
t
v2
= t
1
– (5 10
o
C) = 200 –10= 190
o
C
o C
v1
= C
v2
= C
v

.nhiệt dung riêng của vật liệu sấy lấy ω
2
:
C
v
= C
vk
(1-ω
2
) + C
a
.ω
2
,kJ/kg
o
K ä
C
a
: nhiệt dung riêng của ẩm.
Với ẩm là nước thì C
a
= C
n
= 4,18 kJ/kg
.
K
⇒
C
v
= C

vk
(1-ω
2
) + C
a
.ω
2
= 0,712.(1 - 0,002) + 4,18.0,002
= 0,719 (kJ/kg
o
K)
- Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình sấy:
L(H
2
–H
1
) + [(G
1
- W)C
v1
+ WC
a
].t
v1
= L(H
2
– H
o
) + Q
m

+ G
2
.C
v2
.t
V2
Đặt: Q
v
= G
2
C
v
(t
v2
– t
v1
) : tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra.
Mặt khác: G
2
= G
1
– W
C
v1
= C
v2
= C
v
- Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực:
Q = L(H

1
– H
o
) = L(H
2
– H
o
) + Q
m
+ Q
v
- WC
a
t
v1
- Nhiệt lượng tiêu hao riêng ( 1 kg lượng ẩm)
q = l(H
1
–H
o
) = l(H
2
– H
o
) + q
BC
+ q
v
– C
a

t
v1
trong đó:
m
m
Q
q
W
=
;
W
ttCG
W
Q
q
vvvv
v
)(
122
−
==
 Tổn thất do vật liệu sấy:
Q
v
= G
2
C
v
(t
v2

– t
v1
) =2000.0,719.(190– 30) =230080 (kJ/h)
230080
1864.51
123.4
v
v
Q
q
W
= = =
(kJ/kg aåm)
 Nhiệt do vật liệu ẩm đưa vào
WC
a
t
v1
= 123.4.4,18.(30 +273)= 156291,036 (kJ/h)
4
C
a
.t
v1
= 4,18.(30 + 273)=1266.54 (kJ/kg ẩm)
 Tổn thất cơ cấu bao che:
Q
m
= (0,03  0,05).Q
hi

[14]
Q
hi
: nhiệt hữu ích là nhiệt làm bay hơi lượng ẩm :
Q
hi
= W.[r
tv1
+ C
a
(t
2
– t
v1
)] [8]
Với:
o r
tv1
:ẩn nhiệt hóa hơi của nước , r
tv1
= 2500 kJ/kg
o C
a
nhiệt dung riêng của ẩm:
C
a
= C
pa
= 1,9kJ/kg.K
⇒

Q
hi
= 123,4.[2500 + 1,9.(90– 30)] = 322567,6 kJ/h
⇒
Q
m
= 0,05.Q
hi
= 0,05. 322567,6 = 16128,38 kJ/h
16128,38
130,7
123,4
m
m
Q
q
W
= = =
kJ/kg ẩm
- Đặt ∆ = C
a
t
v1
– q
BC
– q
v
:nhiệt lượng bổ sung cho q trình sấy thực nó đặc trưng
cho sự khác biet giữa sấy lý thuyết và sấy thực.
 Với quá trình sấy lý thuyết: ∆ = 0

Nhiệt lượng tiêu hao cho q trình sấy lý thuyết
Q = L(H
2
– H
o
)
= 2863,11.(255,72 – 79,25) = 505281.653 kJ/h
q = l(H
2
–H
o
)
= 23,20.(255,72 – 79,25) = 4094,104 (kJ/kg ẩm)
 Với quá trình sấy thực tế: ∆ ≠ 0
∆ = C
a
t
v1
– q
BC
– q
v

=1266,54 -1864,51- 130,7= -728,67(kJ/kg ẩm)
∆ < 0
⇒
C
a
t
v1

< q
BC
+ q
v
⇒
H
2
< H
1
⇒
trạng thái tác nhân sấy đường H
2
nằm dưới đường sấy lý thuyết
điều này xảy ra là do có tổn thất nhiệt trong q trình sấy.
Từ đó ta xác dịnh các tính chất cùa tác nhân sấy ra khỏi thiết bị:

l
II
í
∆
+=
2
5
Vì l chưa biết nên ta xác định x
2
thơng qua cân bằng nhiệt :
1 2
2
2
1 2 1

2
( ) ( )
( )
( ) [( ) ]
[( ) ]
1,000(200 90) 0,0194.[(2500 1,9.200) ( 728,67)]
0,0529
[(2500 1,9.90) ( 728,67)]
pk o í
pk o pa
pa
C t t x i
x
i
C t t x r C t
r C t
− + − ∆
=
− ∆
− + + − ∆
=
+ − ∆
− + + − −
= =
+ − −
H
2
= (1000 + 1,97.10
3
.x

2
).t
2
+2493. 10
3
. x
2
=(1000+1,97.10
3
.0,0529).90+2493. 10
3
.0,0529 = 231,259 kJ/kg kkk
2
2
4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0.6908
235,5 235,5 90
b
p
t
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
+ +
 
 
bar
2

2
2
2
.
0,0529.0,981
0,111
(0,622 ) 0,6908.(0,622 0,0529)
b
x B
p x
ϕ
= = =
+ +
Bảng 3:trạng thái của tác nhân trong q trình sấy thực:
Đại lượng Trạng thái không
khí ban đầu (A)
Trạng thái không khí
vào thiết bò sấy (B)
Trạng thái không khí ra khỏi
thiết bò sấy (C’)
t (
o
C) 27 200 90
 (đơn vò) 0,7 0,03 0,111
x (kg/kgkk) 0,0193 0,0193 0,0529
H (kJ/kgkk) 79,25 255,72 231,259
6
7
Đồ thị biểu diễn quá trình sấy
- Lượng tác nhân khô cần thiết

2 1
123,4
3672,62
0,0529 0,0193
W
L
x x
= = =
− −
kg/h
Lượng nhiệt tiêu hao riêng:
2 1
1 1
29,76
0,0529 0,0193
L
l
W x x
= = = =
− −
kg/kg aåm
- Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình sấy thực:
Q = L(H
2
–H
o
) + Q
m
+ Q
v

- WC
a
t
v1
= 3672,62.(231,259-79,25) + 728,67
=559000 kJ/h
Lượng nhiệt cung cấp riêng:
Q
q
W
= =
4530 kJ/kg aåm
- Hiệu suất sấy:
8
2614
0.577
4530
hi
Q
qhi
Q q
η
= = = =
TÍNH THỜI GIAN SẤY
Tính cường độ sấy
- Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong thiết bị:
1 2
200 90
145
2 2

k
t t
t
+
+
= = =

o
C
- Độ ẩm trung bình của tác nhân sấy trong thiết bò sấy:
1 2
0,03 0,111
0,0705
2 2
k
ϕ ϕ
ϕ
+
+
= = =
- Phân áp suất bão hòa của hơi nước trong tác nhân sấy:
4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0,59216
235,5 235,5 145
b
p
t
   
= − = − =
 ÷  ÷

+ +
   
bar
- Khối lượng riêng của tác nhân:
3
0,378. .
1
1,293.273 0,378.0,0705.0,59216
1 0,8309 /
(145 273) 0,981
o o b
k
T p
T B
kg m
ρ ϕ
ρ
 
= −
 ÷
 
 
= − =
 ÷
+
 
Thời gian sấy:

1 2
1 2

2 . .( )
[200 ( )]
v
W W
A W W
ρ β
τ
−
=
− +
Với β là hệ số chứa đầy ,đối với thiết bị sấy ta chon thiết bị có cánh nâng và sấy ngược
chiều ,ta chọn β =0,18 %
Cường độ bay hơi A= 7,2 kg/m
3
h (sổ tay q trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2)

⇒

1 2
1 2
2 . .( )
2.1020.0,18.(6 0,2)
1,5263
[200 ( )] 7,2.[200 (6 0,2)]
v
W W
A W W
ρ β
τ
−

−
= = =
− + − +
h
Ta lấy thời gian sấy bằng với thời gian lưu của vật liệu trong thiết bị. τ=τ
1
TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
- Thể tích thùng sấy:

123,4
17,14
7,2
T
W
V
A
= = =
(m
3
)
9
- Chn ng kớnh thng theo tiờu chun: D
T
= 1,6 m
- Chiu di thựng:

2 2
4
4.17,14
8,53

.1,6
T
T
T
V
L
D

= = =
(m)
Chn L
T
= 9m


9
5,625
1,6
T
T
L
D
= =

thoỷa ủieu kieọn
3,5 7
T
T
L
D

= ữ
Khi ú th tớch thựng sy

2
2
.1,6
. .9 18,086
4 4
T
T
D
V L


= = = (m
3
)
Thi gian lu:
Thi gian vt liu lu trỳ trong thựng:

1
1
.
18,068.0.18.1020
1,562
2123,4
T v
V
G

= = =
h
Thi gian lu ca vt liu m bo c
1
>=
Tớnh tc vũng quay ca thựng sy

1
1
. .
. .
T
T
m k L
n
D tg

=
Trong ú: . k
1
: h s lu ý n c tớnh chuyn ng ca vt liu
Trng hp ta chn sy ngc chiu k
1
= 0,5 2,0
Choùn k
1
= 1
. m : h s lu ý n dng cỏnh trong thựng.
i vi cỏnh nõng, m = 0,5

Chn gúc nghiờng thựng 2,5 3 .chn = 3



1
1
. .
0,5.1.9
0,572
. . 93,735.1,6. 3
T
T
m k L
n
D tg tg

= = =
(vg/ph)
Chn vũng quay ca thựng l 1 vũng.
TNH VN TC DềNG KH:
- Lu lng dũng khớ :

1 2
3672,62
4420,05
2 0,8309
V V
L
V
k

+
= = = =
m
3
/h =1,23 m
3
/s
- Tit din chy ca tỏc nhõn
10

2
2
.1,6
(1 ). (1 ) (1 0,18) 1,648
4 4
T
T
D
F F
π
π
β β
= − = − = − = m
2
- vận tốc tác nhân:

1,23
0,746
1,648

k
V
v
F
= = =
m/s ( vận tốc khí này phù hợp khi tra đồ
thị vận tốc dòng khí phụ thuộc vào kích thước ở kỹ thuật sấy của Nguyễn Văn Lụa v
tra
=0,7
m/s)
Mặt khác ta có :

2
2 2
. .1,6
4. 4.1,23
0.612
4
.1,6 .1,6
k
k
v
V
V v
π
π π
= ⇒ = = =
m/s
Để đảm bảo ta chon v
k

=0,612 m/s .
TÍNH BỀ DÀY CỦA THÙNG SẤY:
Vật liệu sấy là vật liệu có độ ăn mòn hóa học cao và làm việc ở nhiệt độ cao vì thế chọn
vật liệu 1X18H10T.
Các thơng số tính tốn ,vì nhiệt độ làm việc do khí nóng mang vào nên nhiệt làm việc là
250
0
C.
Áp suất làm việc bằng với áp suất khí quyển
p = 0,1.10
6
N/m
2
= 0,1 N/mm
2
Ứng suất tiêu chuẩn [δ
∗
]
250
= 128 N/mm
2
.
Ta dự kiến làm lớp cách nhiệt đồng thời là mơi trường ăn mòn nên giới hạn an tồn
η=0,95.
Ứng suất cho phép : [σ]=[δ
∗
]
250
. η=0,95.128=115,2 Ν/mm
2

Hệ số mối hàn : ϕ
η
= 0,9
- Ta có:

[ ] 115,2
. .0,9 1036,8 25
0,1
h
p
σ
φ
= = >>
Do đó bề dày than thùng:

4
.
1,6.0,1
7,8.10
2[ ]. 2.115,2.0,9
T
h
D p
S m
σ φ
−
′
= = =
Hệ số bổ sung kích thước:
C = C

a
+ C
b
+ C
c
+ C
o
Bảng : các hệ số bổ sung kích thước.
STT
Hệ số bổ sung
kích thước
Kí
hiệu
Giá trị
(mm)
Ghi chú
1 Hệ số bổ sung C
a
2 Đối với vật liệu bền trong môi trường có độ
11
do an mòn hóa
học
ăn mòn hóa học không lớn hơn 0,05
mm/năm.
2
Hệ số bổ sung
do ăn mòn cơ
học
C
b

1
Do nguyên liệu là các hạt rắn chuyển động,
va đập trong thiết bò. Giá trò C
b
chọn theo
thực nghiệm.
3
Hệ số bổ sung
do sai lệch khi
chế tạo
C
c
0,4
Phụ thuộc vào chiều dày tấm thép làm thùng
với vật liệu của ta chon 4 mm ( bảng XIII.9 sổ
tay QT&TB tập 2)
4
Hệ số qui tròn
kích thước
C
o

2,82
Chọn
- Bề dày thực của thùng:
S = S’ + C = 0,78 + 2 + 1 + 0,4 + 2,82 = 7 mm.
- Kiềm tra :

7 2
0,00312 0,1

1600
a
T
S C
D
−
−
= = <<
 thỏa điều kiện
1,0
<
−
T
a
D
CS
- Ứng suất lớn nhất cho phép của thiết bị:

2[ ]. .( )
2.115,2.0,9.(7 2)
[ ] 0,646
( ) 1600 (7 2)
h a
T a
S C
p
D S C
σ φ
−
−

= = =
+ − + −
N/mm
2
Vậy với bề dày thiết kế thì phù hợp do [p]>p
TÍNH BỀ DÀY CÁCH NHIỆT :
Nhằm tránh mất mát nhiệt và đảm bảo an tồn cho người vận hành ta nên làm thêm
phầm cách nhiệt.

Sơ đồ tính hệ số truyền nhiệt k:
12

1

2

3

1
: bề dày thân thùng.



2
: bề dày lớp cách nhiệt.

3
: bề dày lớp bảo vệ.
Ta có q
m

= q
xq
là lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh khi bay hơi 1 kg ẩm.

. .
.
.
tb
m xq
xq
tb
K F t
p q
W
W q
K
F t
∆
= =
⇒ =
∆
- Bề mặt truyền nhiệt F:

1,6 1,607
1,6035
2 2
T ng
tb
D D
D

+
+
= = =
m
Tổng bề mặt truyền nhiệt:

2
2
2
.
. . 2.
4
.1,6035
.1,6035.9 2. 49,35
4
tb
tb T
D
F D L
m
π
π
π
π
= +
= + =
Nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài:
- Gọi . t
1đ
t

1c
: nhiệt độ đầu và cuối của tác nhân sấy.
T
1đ
= t
1
= 200
0
C
t
c1
= t
2
= 90
o
C
. t
2đ
, t
2c
: nhiệt độ môi trường xung quanh, t
2đ
= t
2c
= t
o
= 30
o
C
- Hiệu số lưu chất của dòng vào và ra của dòng tác chất

13
∆t
ñ
= t
1đ
– t
2đ
=200 – 30 = 170
o
C
∆t
c
= t
1c
– t
2c
= 90 – 30 = 60
o
C

170 60
105,62
170
ln
ln
60
d c
tb
d
c

t t
t
t
t
∆ − ∆
−
⇒ ∆ = = =
∆
∆

o
C

.
123,4.130,7
3.09
. 49,35.105,62
xq
tb
W q
K
F t
⇒ = = =
∆
W/m
2
.K
- Mặt khác:

3

1
1 2
1
1 1
i
i
i
K
δ
α λ α
=
=
+ +
∑
α
1
: hệ số cấp nhiệt từ dòng tác nhân sấy đến thành trong của thiết bị.
α
2
: hệ số cấp nhiết từ thành ngoài thùng vào môi trường xung quanh.
δ
i
: bề dày của vật liệu lần lượt , bầ dày thùng, bề dày lớp cách nhiệt, bề dày lớp
bảo vệ.
λ
i
: hệ số dẩn nhiệt của các vật liệu.
Để đảm bảo được năng suất ta phải chọn bề dày lớp cách nhiệt và vật liệu cách nhiệt sao
cho phù hợp.
Ta chọn như sau:

STT Đại lượng Kí hiệu Giá trị (m) Vật liệu
Hệ số dẫn nhiệt
 (W/mK)
1
Bể dày thùng

1
0,0035
1X18H10T
16,3
2
Bề dày lớp cách nhiệt

2
0,001
Bong thủy
tinh
0,05
3
Bề dày lớp bảo vệ

3
0,001
CT3
50
Tính toán các hệ số cấp nhiệt:
• Tính toán hệ số cấp nhiệt từ dòng tác nhân sấy đến thành của thiết bị α
1
.

Các thông số của tác nhân sấy trong thùng sấy:
STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị
1 Vận tốc
v
k
m/s 0,612
2 Nhiệt độ trung bình
t
k
o
C 145
3 Hệ số dẫn nhiệt

k
W/m.
o
K 0,03854
4 Dộ nhớt

k
Ns/m
2
1,7802.10
-5
14