BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ
Phúc trình Thí nghiệm
Quá trình & Thiết bò
Bài:
NGHIỀN RÂY TRỘN
I. Nội dung cơ bản của bài thí nghiệm:
1. Mục đích:
-Nghiền một loại vật liệu, dựa vào kết quả ray xác đònh sự phân phối kích thước vật liệu sau
khi nghiền, công suất tiêu thụ và hiệu suất của máy nghiền.
-Rây vật liệu sau khi nghiền, xác đònh hiệu suất rây, xây dựng giản đồ phân phối và tích lũy
của vật liệu sau khi nghiền, từ đó xác đònh kích thước vật liệu sau khi nghiền.
-Trộn hai loại vật liệu để đònh chỉ số trộn tại các thời điểm, xây dựng đồ thò chỉ số trộn theo
thời gian để xác đònh thời gian trộn thích hợp.
2. Phương pháp thí nghiệm:
Tiến hành 3 thí nghiệm:
-Nghiền 200g gạo rồi đem sản phẩm qua rây để phân tích
-Rây
-Trộn đậu nành và đậu xanh.
3. Kết quả thí nghiệm:
Thí nghiệm nghiền
Mẫu
Khối lượng
Thời gian nghiền
1
200g
33,51 s
Cường độ dòng diện
Không tải
Có tải
3,4 A
6A
Thí nghiệm rây
Bảng xác đònh hiệu suất rây: kích thước rây 0,2 mm
khối lượng đem rây M = 80g
Lần rây
1
2
3
4
5
Thời gian (phút)
5
5
5
5
5
Khối lượng qua rây (g)
28,2
0,5
0,3
0,2
0,1
Bảng kết quả phân tích rây: khối lượng đem rây M = 80g
Kích thước rây (mm)
0,425
0,315
0,2
Khối lượng trên rây (g)
20,5
35,2
8,5
þ
0,256
0,696
0,8025
0,16
13,2
0,9675
II. Lý thuyết thí nghiệm:
1.
Thí nghiệm nghiền:
Nghiền là quá trình trong đó vật liệu rắn được cắt ra hoặc làm vỡ ra thành
những hạt nhỏ.
Đònh luật Bond:
-Công cần thiết để tạo nên hạt có đường kính D từ vật liệu ban đầu rất lớn tỉ lệ
với căn bậc hai tỉ số diện tích bề mặt- thể tích của sản phẩm, S/V=
. Như
vậy:
E=
√
Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu
D thành sản phẩm có kích thước d là:
E = 19Wi
(
√
√
)
Nếu nghiền khô thì E được nhân với .
Trong đó:
Wi là chỉ số công, kWh/tấn vật liệu nghiền, để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu
rất lớn đến sản phẩm có 80% lọt qua rây 100 micron.
-Đònh luật này dùng cho nghiền trung bình và nghiền mòn.
Đònh luật Rittinger:
-Công dùng cho quá trình nghiền tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt mới tạo thành của
sản phẩm nghiền:
E=Kr (
)
-Đònh luật này thích hợp cho nghiền mòn đặc biệt là máy nghiền bi.
Đònh luật Kick:
-Công cần thiết để nghiền một lượng vật liệu cho trước là không đổi với cùng mức độ
nghiền, bất chấp kích thước ban đầu của vật liệu.
E=Kk lgi
-Trong đó i là mức độ nghiền và Kk là hằng số.
-Đònh luật này dùng cho trường hợp đập nghiền thô và nghiền mòn bằng va đập.
Công suất nghiền: ta áp dụng đònh luật Bond (trong trường hợp nghiền khô)
để tính công suất nghiền:
P=
19Wi (
√
√
)T
Dρ1, Dρ2: kích thước của nguyên liệu và sản phẩm, mm
T: năng suất nghiền, tấn/phút
Wi: chỉ số công
Hiệu suất nghiền:
H=
100%
Trong đó:
P: công suất nghiền, kW
P’: công suất tiêu thụ cho động cơ máy nghiền, kW
P’ =UIcos
2.
Thí nghiệm rây:
Rây là quá trình phân loại hỗn hợp vât liệu rời thành những phân đoạn hạt có
kích thước khác nhau nhờ vào các tấm rây và tác dụng của lực cơ học.
Nguyên tắc của phương pháp rây là cho vật liệu đi qua hệ rây có kích thước lỗ
xác đònh. Các hạt có kích thước nhỏ hơn sẽ lọt qua rây, các hạt có kích thước
lớn hơn sẽ bò giữ lại trên bề mặt rây.
Phương trình biểu diễn sự phân phối kích thước đối với hạt nhuyễn:
Lấy tích phân từ ø = ø1 đến ø = ø2 tương ứng với Dρ = Dρ1 và Dρ = Dρ2, ta có:
Tổng quát ta xét giữa rây thứ n và rây thứ n-1 và giả sử sử dụng rây tiêu chuẩn
có Dρn-1 / Dρn = r = hằng số.
)
Và thay Dρn-1 =r. Dρn, ta được:
(
Với
Hoặc
)
K’ và b được xác đònh bằng cách vẽ
theo Dρn trên đồ thò Log – Log và suy
ra hệ số góc K+1 và tung độ góc K’ =>K và b.
Hiệu suất rây:
F: khối lượng vật liệu ban đầu cho vào rây, g
J: khối lượng vật liệu dưới rây, g
a: tỉ số hạt có thể lọt qua rây, %
Tích số F.a trong thí nghiệm được xác đònh như sau:
Đem rây một khối lượng F của vật liệu, khảo sát xác đònh được J1. Lấy vật liệu
còn lại trên rây F – J1 và rây xác đònh được J2, tiếp tục lấy vật liệu còn lại trên
rây F – (J1 + J2) và rây lại lần nữa.
Tổng số J1 + J2 + J3 +…. sẽ tiệm cận đến F.a
Hiệu suất rây là 100% nếu J1= F.a
3.
Thí nghiệm trộn:
Trộn là quá trình tạo hỗn hợp đồng nhất từ các thành phần khác nhau dưới tác
dụng của lực cơ học.
Các quá trình xảy ra trong máy trộn:
-Tạo ra các lớp trượt với nhau theo các mặt phẳng trộn cắt.
-Chuyển dòch một nhóm hạt từ vò trí này đến vò trí khác- trộn đối lưu.
-Thay đổi vò trí từng hạt riêng rẻ-trộn khuếch tán.
-Phân tán từng phân tử do va đập vào thành thiết bò-trộn va đập.
-Biến dạng và nghiền nhỏ từng bộ phận – trộn nghiền.
Những cơ chế trọn trên xảy ra riêng rẽ hay đồng thời với những mức độ khác
nhau tùy thuộc vào loại máy trộn và vật liệu trộn.
Đánh giá mức độ đồng đều của hỗn hợp trộn
-Khi trộn một khối lượng a chất A với khối lượng b chất B, tạo thành hỗn hợp
đồng nhất. Thành phần của chất A và chất B trong hỗn hợp lý tưởng:
-Các thành phần này sẽ như nhau ở mọi phần thể tích của hỗn hợp. Để đánh
giá mức độ đồng đều của hỗn hợp, ta đặc trưng bởi giá trò sai biệt bình phương
trung bình.
Độ sai lệch bình phương trung bình:
√
∑
√
∑
Như vậy sA và sB càng nhỏ thì mức độ đồng đều của hỗn hợp càng cao (càng
gần với hỗn hợp lý tưởng).Giá trò của sA và sB phụ thuộc cơ bản vào thời gian
.
Chỉ số trộn
Với e : độ lệch chuẩn lý thuyết.
√
=>
√
∑
n: số hạt trong trường hợp trộn vật liệu rời
Như vậy Is càng lớn thì mức độ đồng đều của hỗn hợp càng cao.
III. Dụng cụ – Thiết bò và phương pháp thí nghiệm:
1) Thiết bò – Dụng cụ:
Máy nghiền búa một trục, búa lắp lỏng, có lưới tháo sản phẩm, có bộ phận nhập
liệu bằng vít tải. Nguyên tắc hoạt đđộng: vật liệu trong máy nghiền búa đđược
nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào vật liệu và chà xát vật liệu giữa búa với
thành máy. Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới phân
loại sẽ đđi ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn tiếp tục được nghiền. Máùy
nghiềnđđược gắn với một ampere kế đđể đo cường độ dòng điện.
Thiết bị rây gồm các loại rây với các kích thước (mm): 0.425; 0.315; 0.2; 0.16
vàmột rây kín để hứng vật liệu. Nguyên tắc hoạt đđộng: sự rung độngđđược tạo
thànhh nhờ đđối trọng quay. Các đđĩa có đđối trọng đđược gắn lên trục dẫn đđộng
của máy, khi trục quay các đĩa này gây lực quán tính làm cho thùng sàng
chuyển đđộng theo các hướng khác nhau, các hạt lớn được tách ở lưới rây trên,
ở lưới rây dưới là các hạt nhỏ hơn.
Máy trộn thùng quay gồm thùng chứa vật liệu đđược truyền động quay qua các
gốiđđỡ hay các trục được gắn với thùng. Cửa nhập liệu, tháo liệu nằm trên thân
máy. Nguyên tắc hoạt động: khi thùng quay, dưới tác động của lực ly tâm, vật
liệu trong thùng sẽ đđược nâng lên và rơi xuống tạo ra sựđđảo trộn trong vật liệu.
Máy có thể khiến vật liệu dập nát khi trộn.
Nguyên liệu:
-Gạo
-Đậu nành
-Đậu xanh
-Cân
-Các rỗ đựng mẫu sau trộn.
2) Phương pháp thí nghiệm:
Thí nghiệm nghiền:
-Cân 200g mẫu vật liệu gạo đem nghiền.
-Bật công tắc máy nghiền cho chạy không tải, đo cường độ dòng điện lúc
không tải.
-Cho vật liệu vào máy, bật công tắc vít tải nhập liệu, bấm thì kế. Đo cường độ
dòng điện cực đại. Khi cường độ dòng điện trở lại giá trò không tải, bấm thì kế
xác đònh thời gian nghiền.
-Tháo sản phẩm ra khỏi máy nghiền.
Thí nghiệm rây:
-Xác đònh hiệu suất của rây có kích thước 0.2 mm.
-Lấy 80g gạo từ sản phẩm nghiền, rây 5 lần, mỗi lần 5 phút, cân lượng vật liệu
lọt qua rây.
-Lấy 80g gạo từ sản phẩm nghiền đem rây 20 phút, cân lượng vật liệu tích lũy
ở mỗi rây.
Thí nghiệm trộn:
-Cân 1,5kg đậu xanh và 3kg đậu nành.
-Cho vật liệu vào máy trộn, khởi động máy trộn, bấm thì kế xác đònh thời gian
trộn . Dừng máy tại mỗi thời điểm 5”, 15”, 30”, 60”, 120”, 300” và lấy mẫu.
-Lấy mẫu (8 mẫu) tại các thời điểm theo sơ đồ, đếm số hạt đậu xanh và đậu
nành có trong mỗi mẫu.
-Sơ đồ lấy mẫu:
IV. Kết quả thí nghiệm:
1. Hiệu suất rây:
M = 80 g
Lần rây
Thời gian (phút)
1
2
3
4
5
5
5
5
5
5
Khối lượng qua
rây, Ji (g)
28,2
0,5
0,3
0,2
0,1
Thời gian tổng
(phút)
5
10
15
20
25
Ji
28,2
28,7
29
29,2
29,3
Dựa vào đồ thị Ji – Thời gian tổng, ta thấy đường cong Ji tiệm cận đến đường
y = 29,32. Do đó, F.a = 29,32
Ta có hiệu suất rây là:
E=
.100 = 96,18%
2. Kết quả phân tích rây:
Bảng phân tích kết quả rây, khối lượng đem rây M = 80 g
Kích thước
rây (mm)
0,425
0,315
0,2
0,16
Khối lượng
trên rây (g)
20,5
35,2
8,5
13,2
Khối lượng
tích lũy (g)
20,5
55,7
64,2
77,4
3. Kết quả phân tích trộn:
Bảng số liệu thô
Mẫu 5”
15”
N
X
N
X
1
48
31
37
16
2
42
21
42
23
3
52
22
13
19
4
77
62
12
9
5
25
11
27
17
6
30
22
25
6
7
170
55
25
12
8
42
69
56
40
30”
N
43
42
27
37
20
21
42
32
X
31
13
7
13
20
21
15
24
ø
ø
log ø
logDρn
0,256
0,696
0,8025
0,9675
0,256
0,44
0,1065
0,165
-0,592
-0,356
-0,973
-0,78
-0,372
-0,502
-0,696
-0,796
60”
N
37
31
33
35
20
20
20
12
X
8
9
27
20
11
15
6
12
120”
N
22
21
15
20
13
17
10
20
X
15
9
8
4
5
18
6
13
300”
N
13
50
40
49
47
79
57
50
X
32
28
26
26
34
22
39
59
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
N
48
42
52
77
25
30
170
42
N
37
42
13
12
27
25
25
56
N
43
42
27
37
20
21
42
32
Thời gian 5"
CA
CB
(CiA - CA)^2 ( CiA - CA)^2
0,003489469
0
0,001298596
0,012703506
0,000771605
0,008053912
0,007901235
0,6666667 0,333333 0,083110137
0,11732846
x
31
21
22
62
11
22
55
69
CiA
0,60759
0,66667
0,7027
0,55396
0,69444
0,57692
0,75556
0,37838
X
16
23
19
9
17
6
12
40
Thời gian 15"
CiA
CA
CB
(CiA - CA)^2 (CiA - CA)^2
0,69811
0,000988885
0,64615
0,000420776
0,40625
0,06781684
0,57143
0,009070295
0,6666667 0,333333
0,107674447
0,61364
0,002812213
0,80645
0,019539831
0,67568
8,11622E-05
0,58333
0,006944444
X
31
13
7
13
20
21
15
24
Thời gian 30"
CiA
CA
CB
(CiA - CA)^2 (CiA - CA)^2
0,58108
0,007324892
0,76364
0,009403122
0,79412
0,016243752
0,74
0,005377778
0,6666667 0,333333
0,107899987
0,5
0,027777778
0,5
0,027777778
0,73684
0,004924592
0,57143
0,009070295
n
SA
779
0,0168898 0,1294651 0,130458
n
379
n
408
σE
SA
Is
Is
0,0242144 0,1240244 0,195239
σE
SA
Is
0,023338 0,1241543 0,187976
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
Mẫu
1
2
3
4
5
6
7
8
N
37
31
33
35
20
20
20
12
N
22
21
15
20
13
17
10
20
N
43
50
40
49
47
79
57
50
X
8
9
27
20
11
15
6
12
Thời gian 60"
CiA
CA
CB
(CiA - CA)^2 (CiA - CA)^2
0,82222
0,024197531
0,775
0,011736111
0,55
0,013611111
0,63636
0,000918274
0,6666667 0,333333
0,098292976
0,64516
0,000462481
0,57143
0,009070295
0,76923
0,010519395
0,5
0,027777778
X
15
9
8
4
5
18
6
13
Thời gian 120"
CiA
CA
CB
(CiA - CA)^2 (CiA - CA)^2
0,59459
0,005194384
0,7
0,001111111
0,65217
0,00021004
0,83333
0,027777778
0,6666667 0,333333
0,075532702
0,72222
0,00308642
0,48571
0,032743764
0,625
0,001736111
0,60606
0,003673095
X
32
28
26
26
34
22
39
59
Thời gian 300"
CiA
CA
CB
(CiA - CA)^2 (CiA - CA)^2
0,57333
0,008711111
0,64103
0,000657462
0,60606
0,003673095
0,65333
0,000177778
0,6666667 0,333333
0,082591226
0,58025
0,007468374
0,78218
0,013342918
0,59375
0,00531684
0,45872
0,043243648
n
316
n
216
n
681
σE
SA
Is
0,0265186 0,1184983 0,223789
σE
SA
Is
0,032075 0,1038768 0,308779
σE
SA
Is
0,0180643 0,108622 0,166304
Dựa vào bảng số liệu ta nên chọn trộn trong 120s do có chỉ số trộn Is = 0,309 là lớn nhất
V. Đồ thị:
Giản đồ Ji theo thời gian
29,6
J
29,4
29,2
29
28,8
28,6
28,4
28,2
28
0
5
10
15
20
25
Thời 30
gian
Giản đồ log ø-logDρn
logDρn
0
-0,9
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
-0,2
-0,4
y = 0,9152x - 0,1332
-0,6
-0,8
-1
-1,2
log ø
Giản đồ phân phối tích lũy của sự phân phối kích thước vật liệu trên rây
Dρn
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
y = 0.1848x-0.658
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
ø
1,2
Giản đồ chỉ số trộn theo thời gian
Is
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
50
100
150
200
250
300
Thời gian(phút)
350
VI. Bàn luận:
1.
Bàn luận sự thích nghi của đònh luật Bond để tiên đoán công suất nghiền, đặc biệt
chú trọng về các giả thuyết:
Để thấy được tác dụng của đònh luật Bond, sau đây sẽ tổng quan về các đònh luật tính
công suất:
Thuyết bề mặt của P.R.Rittinger đề xuất: công dùng cho quá trình nghiền tỉ lệ thuận
với diện tích bề mặt mới tạo thành của sản phẩm nghiền. Thuyết này áp dụng đúng
trong điều kiện năng lượng cung cấp cho một đơn vò khối lượng chất rắn là không quá
lớn và có thể được dùng để ước tính cho quá trình nghiền thực với Kr được xác đònh
bằng thực nghiệm trên máy nghiền cùng loại với máy nghiền thực. Vì có điều kiện
ràng buộc về năng lượng và việc xác đònh hệ số Kr phải dựa vào thực nghiệm nên
không thề sử dụng để tiên đoán công suất nghiền.
Thuyết thể tích của Kick: Công cần thiết để nghiền một lượng vật liệu cho trước là
không đổi với cùng mức độ nghiền, bất chấp kích thước ban đầu của vật liệu. Do việc
xác đònh hằng số KK là khá phức tạp nên cũng không được ứng dụng vào tiên đoán
công suất nghiền.
Đònh luật Bond: Công cần thiết để tạo nên hạt có đường kính D từ cục vật liệu ban
đầu rất lớn tỉ lệ với căn bậc hai tỉ số diện tích bề mặt – thể tích của sản phẩm là đònh
luật có tính thực tế hơn so với thuyết của Kick và thuyết của Rittinger vì:
-Chỉ số công Wi¬ đã bao gồm cả ma sát trong máy nghiền và công suất trên trục
máy nghiền.
-Đồng thời có giá trò sai khác không nhiều khi tính công suất cho các máy nghiền
khác nau nhưng cùng loại và dùng cho cả quá trình nghiền khô và nghiền ướt, phù
hợp với tính toán lý thuyehát cho công suất nghiền.
2.
Nhận xét về hiệu suất rây và nghiền đo được. So sánh với kết quả trong sách.
Giải thích các sai biệt.
Hiệu suất nghiền H = 33,362%. Hiệu suất này không cao lắm vì:
-Kết quả phân tích rây không chính xác dẫn đến kích thước hạt sau khi nghiền không
chính xác.
-Do khối lượng vật liệu không chính xác.
-Khi đem vật liệu ở trên rây đi cân, gió có thể thổi bay mất một phần vật liệu dẫn đến
không chính xác.
-Không lấy được hết vật liệu trên rây.
3.
Bàn luận về độ tin cậy của kết quả và các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất
Rây: nhìn vào đồ thò ta thấy đường cong Ji –t không thực sự tiệm cận mà có xu
hướng hơi dốc lên, sự không chính xác này là do lượng vật liệu sau 5 lần rây còn lại ít,
khi cân do thao tác và các yếu tố tác khác ảnh hưởng làm cân nhảy sai lệch.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất rây:
-Độ ẩm của vật liêu rây
-Bề dày lớp vật liệu trên bề mặt rây
-Kích thước của vật liệu trên rây
Nghiền: sự sai số của hiệu suất nghiền càng lớn hơn do chòu ảnh hưởng của kết quả
rây.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nghiền:
-Loại máy nghiền
-Vật liệu nghiền
-Sai số của dụng cụ đo
4.
Nhận xét về cách lấy mẫu trong thí nghiệm trộn
Tại mỗi thời điểm đều lấy 8 mẫu theo sơ đồ được cho sẵn, cách này đảm bảo có thể
khống chế việc lấy mẫu như nhau tại mỗi thời điểm, kết quả có độ chính xác cao.
5.
Bàn về độ tin cậy của kết quả trộn và các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến thí
nghiệm trộn
Độ tin cậy của kết quả khá cao
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả trộn:
-Sự phân phối kích thước cỡ hạt trong mẫu: hạt đậu nành và đậu xanh có kích thước
khác nhau và bản chất giữa các hạt cùng loại cũng khác nhau.
-Vật liệu trộn dễ vỡ
-Lúc đếm mẫu không chính xác
VII. Phụ lục:
1.
Thí nghiệm rây:
Giản đồ log ø-logDρn:
Dựa vào giản đồ ta có đườg thẳng y = 0,9152x – 0,1332
mà y = (b+1)logDρn + logK’
b + 1 = 0,9152
và
b = -0.0848
logK’ = -0,1332
K’ =0,736
r=
1,349
Ta có: K’=
K=
= 2,137
Hiệu suất rây:
Dựa vào đồ thị Ji – Thời gian tổng, ta thấy đường cong Ji tiệm cận đến đường
y = 29,32.
Do đó, F.a = 29,32
Ta có hiệu suất rây là:
E=
2.
=
.100 = 96,18%
Thí nghiệm nghiền:
Xác đònh đường kính tương đương của hạt gạo:
-Kích thước trung bình của hạt gạo:
Dài: 6 mm
Đường kính: 1,5 mm
Xem hạt gạo là hình trụ, ta có:
-Để xác đònh kích thước hạt người ta dùng khái niệm “đường kính tương
đương”, đó là đường kính của hạt hình cầu có cùng tỉ số diện tích bề mặt
với thể tích. Do đó đường kính tương đương của hạt gạo trước khi nghiền
là:
Xac định kích thước hạt gạo sau khi nghiền:
Áp dụng công thức:
øn –øn-1 =
-Do cần 80% sản phẩm qua rây mà tại rây D = 0,425mm thì chỉ cho (100-25,6) =
74,4% sản phẩm qua rây nên Dρ2 > 0,425 mm thì 80% sản phẩm mới qua rây.
0,256 – 0,2 =
Dρ2 = 0,449 mm
Công suất nghiền:
P = P1 – P2 = 19Wi(
=
19.13(
√
√
√
√
.
= 0,154 kW =154W
Công suất tiêu thụ:
Pkhongtai = UIktcos = 220. 3,4. 0,8 = 598,4W
Pcotai
= UIctcos = 220. 6. 0,8 = 1056W
Ptieuthu = Pcotai – Pkhongtai = 1056 – 598,4 = 461,6W
Hiệu suất máy nghiền:
H=
3.
.100% = 33,362%
Thí nghiệm trộn:
Đối với chất A (đậu nành)
CA =
Đối với chất B (đậu xanh)
CB =
Với cả thí nghiệm trộn, CA CB đều không đổi
CA
CB =
Độ lệch chuẩn lý thuyết:
√
Giá trò sai biệt phương trung bình của hỗn hợp thực:
sA = √
∑
sB = √
∑
Chỉ số trộn:
IS =
IS = √
∑
VIII. Tài liệu tham khảo
[1]. Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình và thiết bò trong Công Nghệ Hóa Học –
Tập 2: Cơ học vật liệu rời” , Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1998.