Nghiên Cứu 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 phơng 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 lới 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 hởng đến tốc độ sấy....................................19
6. Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong sấy tầng sôi.....................20
Phần 2 Phơng 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
3. Nguyên tắc làm việc của hệ thống.........................................25
4. Xác định vận tốc, lu lợng ...................................................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. Phơng pháp tiến hành thí nghiệm........................................28
2. Tính toán kết quả thu đợc....................................................29
Phần 3 Kết quả thực nghiệm............................................................33

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

1


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

I. Kết quả thực nghiệm quá trình thủy lực.......................................33
1. Sự ảnh hởng 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 lợng ............................................................45
3. Phân tích và nhận xét một số kết quả thực nghiệm thu đợc.58
Kết luận ...............................................................................................62
Tài liệu tham khảo................................................................................65

LờI NóI ĐầU

Trong công nghệ hóa chất cũng nh 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 nớc 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 nh thực phẩm phát triển
mạnh mẽ . Hiện nay trên thế giới có rất nhiều kĩ thuật sấy đợc áp dụng cho
quá trình sấy và kĩ thuật sấy tầng sôi đã đợc 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 u điểm, cụ thể là:
- Pha rắn đợc 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 ngợc lại ) rất lớn.

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

2


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

- 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 nh lu lợng và áp suất...
- Trở lực tơng 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 tơng đối đơn giản, gọn nhẹ và dễ chế tạo.

Do tất cả những u điểm trên mà kỹ thuật sấy tầng sôi đợc sử dụng ngày
càng rộng rãi trong công nghiệp nh một phơng pháp tăng cờng độ quá trình.
Tuy nhiên, phơng pháp này cũng có một số nhợc điểm:
- Có hiện tợng tích điện và tĩnh điện dẫn đến khả năng dễ gây cháy
nổ.
- Thời gian lu 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 đợc
mài mòn, nhất là khi gia công các hạt có cạnh sắc.
- 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 đợc đa vào
sản xuất ( chủ yếu là Liên Xô cũ và Mỹ ) để sấy các vật liệu có dạng hạt có
kích thớc 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 cha đợc phổ biến rộng rãi .
Hiện nay kĩ thuật sấy tầng sôi đang đợc 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.

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

3

Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Phần 1

Tổng quan
I.Thủy động lực học của quá trình tầng sôi
1.Cơ chế tạo lớp lỏng giả (tầng sôi)
Khảo sát hiện tợng sau: Đổ một lớp vật liệu dạng hạt lên lới 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 lới . Thổi không khí qua lớp hạt từ
dới 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
trng của nó nh 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 :
P = f ( v n )

(I.1)

Nếu lớp hạt gồm các hạt nhỏ , cùng kích thớc , không bị dính bết vào
nhau có lực kết dính thì trở lực tăng theo đờng OA( hìnhI.1b). Nếu có kích thớc lớn giữa các hạt có sự kết dính thì để thắng lực kết dính này cần phải tiêu
tốn thêm năng lợng, thì trở lực sẽ tăng theo đờng cong OA và có cực đại nh đờng 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 đợc 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 vợt 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

4


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 lợng của hạt (có tính đến lực đẩy Acsimet) và
sức cản của dòng khí chỉ cần tăng vận tốc khí vợt 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 hởng của vận tốc dòng khí đến trạng thái lớp hạt trên lới
a. Hạt đứng yên; b. Thể tích khối hạt lớn lên;
c. Các hạt và khí chuyển động giống hiện tợng 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 cha sôi ( hình I.2b).Sẽ không theo đờng 1,2,3 nữa mà
theo đờng 4.Còn chiều cao lớp hạt theo đờng CD ( hình I.2a) và lớn hơn khi
cha sôi.Độ xốp của lớp hạt lớn hơn ban đầu.
Nếu tác nhân gây lỏng giả là chất khí thì thờng xảy ra hiện tợng sôi
không đều, một phần khí trong lớp sôi dới 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 ( đờng CE và CF trên hình I.2a). Khi số tầng
sôi cha lớn thì hiện tợng này không gây ảnh hởng 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 tợng phân tầng trong thiết bị, làm tăng lợng hạt bị bắn tung lên
và bị kéo theo khỏi thiết bị.
Hiện tợng này càng dễ xảy ra khi tăng kích thớc hạt, tăng vận tốc dòng
khí, giảm đờng kính thiết bị. Chế độ sôi phân tầng có ảnh hởng xấu đến quá
trình nh: 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 tợng này xảy ra.
Trong thực tế sản xuất, thờng gặp các hạt có kích thớc khác nhau, nhng
hình dạng thì nh nhau hoặc cùng kích thớc và hình dạng nhng khối lợng riêng
khác nhau thì sẽ tạo nên sự phân lớp. Những hạt lớn hơn hoặc nặng hơn sẽ ở

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

5


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

dới, còn những hạt nhỏ hơn, nhẹ hơn sẽ ở lớp trên. Hạt càng nhỏ và càng nhẹ
sẽ ở xa lới 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
b. Sự thay đội trở lực của lớp sôi vào vận tốc khí
Qua nghiên cứu cho thấy, vật liệu dạng hạt có kích thớc trong dải
0,001ữ65 mm đều có thể tạo đợc lớp sôi. Nhng để tạo đợc lớp sôi đồng đều
thì hạt có kích thớc 0,01ữ0,20 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 tợng vòi rồng.
Trạng thái lỏng giá còn có thể tạo ra nhờ tác động cơ học, ví dụ nh
khuấy trộn hoặc rung. Khi đó có hiện tợng giả lỏng cơ học ( phân biệt với trờng hợp lỏng giả khí động ).
Do trong tầng sôi các hạt đợc khuấy trộn đều nên quá trình truyền nhiệt
cũng nh truyền chất xảy ra rất mạnh mẽ
Để đặc trng cho cờng độ khuấy trộn của hạt trong lớp sôi, ngời ta đa ra
đại lợng Ks (số tầng sôi), là tỷ lệ giữa vận tốc làm việc ( V lv) và vận tốc sôi tối
thiểu:

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

6


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Ks =

Vlv
Vs

(I.2)

2.Các thông số của lớp sôi và phơng pháp xác định
2.1.Vận tốc sôi tối thiểu
Để xác định vận tốc tối thiểu ( vận tốc tới hạn dới ), ngời ta cho rằng,
tại thời điểm bắt đầu sôi, trở lực thủy lực của dòng khí bằng trọng lợng của
lớp sôi. Nếu tiết diện của thiết bị là không đổi theo chiều cao thì điều kiện trên
có thể viết nh 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 lợng riêng của hạt)
Kết hợp với phơng trình mô tả sự chênh áp trên lớp hạt đơn phân tán ở
trạng thái tĩnh ergun rút ra đợc công thức tính vận tốc sôi nh sau:
Khi Re < 20:
Vs =

(F h .d)2 (r h - r k )
e
.
.g(
)
150
m
1- e

(I.3)

F h. .d (r h - r k )
.
.g.e3
1, 75
rk

(I.4)

Khi Re > 1000
Vs2 =

Đại lợng và h đợc 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:
Vs =

d 2 .(r h - r k ).g
với Re < 20
1650.m

(I.6)

Vs2 =

d.(r h - r k ).g
24,5.r h

(I.7)

với Re > 1000

Trong đó :
+ d là đờng kính tơng đơng của hạt (m)
+ h , k là khối lợng riêng của hạt và khí (kg/m3)
+ độ nhớt của khí (N.s/m2)
+ độ xốp của lớp hạt ở trạng thái sôi
Trong giới hạn Re = 0,001ữ4000 các công thức và có sai số 3,4%.
Để xác định vận tốc sôi tối thiểu ngời ta còn có thể dựa vào quan hệ
giữa vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc treo V s. Vận tốc treo là vận tốc mà tại đó,

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

7


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

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 đa ra quan hệ sau:
Vs
0,1046
= 0,1175 Vl
1 + 0, 00373. Ar 0,6

(I.8)

ở đây, vận tốc treo đợc xác định bằng thực nghiệm.
2.2.Vận tốc phụt
Ngời ta coi vận tốc phụt xấp xỉ bằng vận tốc treo của hạt. Từ điều kịên
trên, Kunni và các cộng sự đã đa ra công thức tính vận tốc phụt nh sau:
1

ổ
ử2
Vf = ỗỗ4.g.d(r h - r k ) ữ
ữ
ữ
ỗ
ữ
ố 3.C.r
ứ

( I.9)

k

ở đây, C là hệ số, xác định bằng thực nghiệm.
Đối với dạng hình cầu, ngời ta xác định đợc hệ số C nh 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 :
g.d 2 (r h - r k )
Vf =
18m

(I.10)

Với 0,4< Re < 500 thì:
1

2 2 ử3
ổ
Vf = ỗỗ 4 . (r h - r k ) g ữ
ữ
.d
ữ
ữ
ỗ
r m ứ
ố225

(I.11)

k

Với Re > 500 thì:
1

ổ
ử2
Vf = ỗỗ3.1.g(r h - r k ).d ữ
ữ
ữ
ữ
ỗ
r
ố
ứ

(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 lợng cho
lớp hạt đó. Năng lợng này dùng để thắng các lực ma sát giữa các hạt với nhau,
giữa hạt với môi trờng , giữa hạt với thành thiết bị và năng lợng cho sự biến
đổi động lợng của dòng khí. Ngoài ra, còn phải kể đến năng lợng để tăng thể
tích lớp hạt, trong đó phần lớn năng lợng dùng để thắng lực ma sát giữa môi
trờng 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:

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

8


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45
g
D p = ũ dM
s

(I.13)

dM = (r h - r k )(1 - e).S.dZ

(I.14)

Trong đó:
S Mặt cắt tiết diện sôi
M Khối lợng lớp sôi
Thay dM vào (I.13) ta có:
H

P=g( h k). ũ (1 - e).dz

(I.15)

0

Nếu nh độ xốp của lớp hạt không đổi suốt thời gian làm việc, biểu thức trên có
dạng:
P = (r h - r k )(1 - e).g.H

(I.16)

Biểu thức ( I.16) đúng cả trờng hợp khi lớp hạt ở trạng thái tĩnh chuyển sang
trạng thái sôi.
Nghĩa là:
P = (r h - r k )(1 - e0 ).g.H 0

(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 thờng lớn hơn 10ữ15%.

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 trng cho giới hạn tồn tại của lớp sôi, ngời ta đa ra đại lợng:
Kmax =

Vf

Vs

(I.18)

Theo Kunni, khi :

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

9


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Re < 0,4 thì Vf đợc tính theo phơng trình (I.10) và Vs đợc tính theo phơng
trình (I.6), thì Kmax = 91,6
Re > 1000 thì Vs đợc tính theo phơng trình (I.17), Vf đợc tính theo phơng trình
(I.8) thì Kmax = 8,72
Theo Todex với mọi chế độ chuyển động và V f đợc tính theo phơng
trình (I.12), Vs tính theo phơng 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

Thờng 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 ( K s = 2). Giá trị tối u 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 = 0,19Fe1,56ữ0,28Fe1,56

(I.21)

Re = 0,22ar0,52ữ0,33 ar0,52

(I.22)

Fe Chuẩn số Phêđôrốp, thực hiện lực nâng giữa không khí và vật liệu sấy,
đợc tính theo công thức:
3
Fe= 3 4.d (r2h - r k ).g

n .r k

(I.23)

2.5.Trở lực của lớp lới phân phối khí
Kết cấu của lớp phân phối gió có ảnh hởng rất lớn đến chế độ thủy động
của lớp sôi. Trong thực tế, rất nhiều loại lới 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.
Groshe đã nghiên cứu ảnh hởng của ba dạng lới phân phối khí đến cấu
trúc lớp sôi, đó là dạng tấm mỏng đột lỗ, lới đan và lới xốp. Kết quả cho thấy:
Lớp xốp cho lớp sôi có cấu trúc đều nhất ( độ xốp của lớp thực tế hầu nh
không thay đổi trong toàn lớp), còn lới đan thì cho kết quả tồi nhất. Dạng tấm

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

10


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

mỏng đột lỗ cũng cho kết quả khá tốt. Trừ lớp gần sát lới thì không có độ giãn
nở (độ xốp rất nhỏ ) khi vận tốc khí nhỏ.
Lới xốp tuy đảm bảo phân phối đều dòng khí trong lớp hạt, nhng trong
sản xuất công nghiệp nó lại rất ít đợc sử dụng vì nó đòi hỏi làm sạch khí ( tách
bụi ) hết sức nghiêm ngặt. Khá phổ biến trong thực tế là lới phân phối dạng lỗ.
Chúng có thể chia làm 3 loại:

(a)

(b)

(c)

(a)Lới lỗ hớng thẳng đứng; (b)Lới lỗ hớng nghiêng;
(c)Lới kết hợp
Hình: I.4:Cấu tạo lới phân phối khí dạng dới lỗ
* Lới lỗ hứớng thẳng đứng:
Đờng tâm các lỗ vuông góc với mặt phẳng lới và trùng với hớng thẳng
đứng của dòng khí. Lới dạng này khi tỷ số H0/D không lớn (H0 là chiều cao
lớp hạt ở trạng thái tĩnh, D là đờng kính thiết bị). Nhợc điểm cơ bản của loại
này là vùng chết giữa các lỗ ngay phía trên lới.
* Lới lỗ nghiêng:
Các lỗ đợc bố trí nghiêng một góc so với mặt phẳng lới. Do đó, dòng
khí không chỉ đi lên và chuyển động xoáy, làm cho lớp sôi đều hơn. Lới này
thích hợp khi tỷ số H0/D khá lớn.
* Lới kết hợp:
Là dạng trung gian của 2 loại lới trên. Kích thớc lỗ trên lới phụ thuộc
vào kích thớc của hạt rắn, dạng lới và loại vật liệu chế tạo lới. Tỷ lệ tiết diện tự
do của lỗ lới thông thờng từ 0,7ữ10% ( lớn hơn 10% thì không ảnh hởng lơn
tới trở lực của lới).
Ckoblo và các cộng sự đã đa ra công thức để xác định trở lực của lới
phân phân phối khí dạng dới lỗ nh sau:
P1 = 0,5

V12 r k (1 - V)
x2

(I.24)

Trong đó:
Vl - Vận tốc khí qua lới đợc tính nh sau: Vl =

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

V
:


11


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Hệ số phụ thuộc vào đờng kính lỗ và chiều dày của lới. Giá trị của nó đợc

xác định bằng thực nghiệm.
: Tỷ số tiết diện của lới phân phối khí.
Đối với lới hớng lỗ thẳng đứng có tỷ số tiết diện khoảng 7% thì vận tốc
khí sau:
Vl (m/s)
0,44
1,06
2,04
3,06
3,53
3,9

Pl(mmH2O) 1

2

5

11

25

27

II. Lý thuyết về sấy
1.Các dạng liên kết ẩm trong hạt
Nớc trong vật liệu ẩm có thể chia làm hai nhóm : nớc tự do và nớc liên
kết
-Nớc tự do nằm ở bề mặt vật liệu , có áp suất riêng bằng áp suất hơi nớc
bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật liệu ẩm . Nớc tự do nằm trong vật
liệu ẩm là lợng nớc tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nớc có áp suất riêng đạt
giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm.
-Nớc liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nớc 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 nớc nguyên chất mà ở dới dạng dung dịch . Muốn tách
nớc ra khỏi vật liệu ẩm thì cần có năng lợng bằng hay lớn hơn năng lợng liên
kết nớc với vật liệu ẩm . Do đó ta cần biết đợc các dạng liên kết của vật liệu
ẩm.
1.1 Liên kết hóa học
Liên kết hóa học của vật chất với nớc rất bền vững , trong đó các phân
tử nớc đã trở thành một bộ phận trong thành phần hóa học của phân tử vật

ẩm . Loại này chỉ có thể đợc tách ra khi có phản ứng hóa học vì chúng có
năng lợng 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 nớc của một tinh thể
ngậm nớc :
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 ngòi 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 nớc gắn liền với các hiên tợng xảy ra
trên bề mặt giới hạn pha . Nhất là trong các vật keo có cấu tạo dạng hạt có bán

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

12


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

kính tơng đơng nhỏ khoảng từ 0,001 ữ 0,1 m . Cấu tạo của dạng vật liệu ẩm
này có bề mặt riêng khá lớn nên năng lợng tự do mạnh . Khi tiếp xúc với ẩm
có xu hớng hút nớc vào bề mặt tự do của hạt tạo ra liên kết hấp phụ giữa nớc
và bề mặt .
F = U T.S
(I.25)
Trong đó :
F năng lợng tự do của phân tử
U nội năng

S entropi
T nhiệt độ tuyệt đối
Năng lợng tự do trên một đơn vị bề mặt giới hạn thì chính bằng sức
căng bề mặt hạt
*Liên kết thẩm thấu : Liên kết thẩm thấu là liên kết mang tính cơ học của nớc
với vật liệu có tính keo xốp mao dẫn . Những vật liệu này có cấu trúc
khung , nớc thấm vào và nằm trong không gian các khung . Nớc trong vật thể
này không phải là nớc nguyên chất mà dới dạng dung dịch . Việc nớc thấm từ
ngoài vào trong vật hay ngợc lại từ trong vật thể ra ngoài giống nh nớc thấm
qua màng ngăn cách từ dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ
cao .
Khi nớc ở lớp bề mặt bay hơi thì nồng độ dung dịch ở đó tăng lên và nớc ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài . Ngợc lại , khi ta đặt vật thể vào trong nớc thì nớc sẽ thấm vào bên trong.
1.3 Liên kết cơ lý
Dạng liên kết này của nớc với vật thể bao gồm cả nớc trên bề mặt và nớc trong mao quản
- Nớc đã có sẵn trong quá trình hình thành vật ẩm ví dụ nớc trong
các tế bào thực vật , động vật do vật đông đặc khi nó chứa sẵn nớc . Để tách các trờng hợp liên kết này cần làm cho nớc bay hơi ,
nén ép vật hay phá vỡ cấu trúc vật . Sau khi tách nớc 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 nh gỗ , vải ... trong các vật
thể này có vô số các mao quản . Các vật thể này khi để trong nớc , nớc sẽ theo mao quản thâm nhập vào vật thể . Khi vật thể này
để trong không khí ẩm thì hơi nớc sẽ ngng tụ trên bề mặt mao
quản và theo các mao quản thâm nhập vào vật thể . Muốn tách

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

13


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

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 ớt 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
Có nhiều cách phân loại vật liệu sấy . Cách phân loại đợc sử dụng nhiều
trong kĩ thuật là cách phân loại dựa vào tính chất vật lý của vật thể của A.V.L cốp . Theo cách này thì các vật liệu ẩm đợc 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 đợc gọi là vật xốp mao dẫn . Chúng có khả năng mọi chất lỏng
dính ớt 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 lợng ẩm chứa
trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật . Trong trờng hợp
trọng lợng ẩm cân bằng với lực mao dẫn hay mao quản trơng lên , khi sấy khô
thì co lại . Phần lớn các vật xốp mao dẫn khi sấy khô thì dòn nh 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 đợc tính dẻo .
Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kĩ thuật sấy ngời
ta khảo sát các vật keo nh các vật giả xốp mao dẫn . Khi đó các vật keo đợc
xem nh 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 đợc gọi là vật keo xốp mao dẫn. Các loại vật này nh gỗ, than,
bùn...các loại hạt và một số thực phẩm. Về cấu trúc, các vật này thuộc loại
xốp mao dẫn nhng 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 trơng lên, khi sấy khô thì co
lại.Phần lớn, các vật xốp mao dẫn khi sấy kho thì co lại, trở nên dòn nh bánh
mỳ, rau xanh,...
3. Cơ chế tách ẩm trong hạt

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

14


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Trong quá trình sấy hạt, ẩm đợc chuyển từ trung tâm ra bề mặt ngoài
của hạt, từ bề mặt hạt, ẩm dợc bốc hơi vào môi trờng sấy. Quá trình trên chỉ
thực hiện đợc trong điều kiện áp suất hơi riêng phần của hạt lơn hơn áp suất
riêng phần của môi trờng. 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 cờng 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.
Nhng 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 vợt qúa giới hạn đó sẽ gây ảnh hơng xấu tới chất lợng làm
giống hoặc làm lơng thực của hạt, nh làm giảm độ nẩy mầm, tăng tỷ lệ bị rạn
gẫy do nớc bốc hơi trên bề mặt là quá mạnh.
Giảm áp suất của môi trờng bằng cách tăng cờng đối lu, tăng tốc độ của
tác nhân sấy nhng ta cũng chỉ tăng tốc độ của tác nhân sấy tới một trị số nhất
định, nếu vợt trị số đó lợng 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 đợc 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 nh không tồn tại. Nó chỉ tơng ứng với việc
nâng nhiệt độ của vật liệu đạt đợc nhiệt độ sấy ( khi đó năng lợng chỉ dùng để
bay hơi nớc.
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 thờng 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 tơng 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 trờng ( không khí nóng ). Nhiệt độ bề
mặt vật liệu sấy không đổi và đúng bằng nhiệt độ bầu ớt không khí sấy.
Trong giai đoạn này, tốc độ sấy không đổi khi các thông số của tác nhân sấy
không đổi.

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

15


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

* 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 trờng.
Đôi khi ngời 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

I

II

III

Thời gian sấy

Tốc độ sấy

Thời gian sấy
Hình I.5: Mô tả các giai đoạn sấy

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

16


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Khi nớc 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 lợng liên kết của ẩm trong vật liệu càng mạnh hơn. Mặt khác các chất
hoà tan trong vật liệu ( ví dụ: đờng muối...) do nớc 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 đợc độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu sẽ bằng nhiệt độ của môi trờng xung quanh ( nhiệt độ của các tác nhân sấy ) và do đó có thể vợt quá nhiệt
độ cho phép của vật liệu.
Thực tế trong giai đoạn này ngời ta thờng duy trì nhiệt độ tác nhân sấy
thấp hơn ( vài độ ) so với nhiệt độ cho phép của vật liệu để đảm bảo chất lợng

sản phẩm.
5. Các yếu tố ảnh hởng đến tốc độ sấy
Tốc độ sấy là tốc độ khuyếch tán của nớc từ trong hạt ra ngoài không
khí đợc quy ớc biểu thị bằng lợng hơi nớc bốc hơi từ một đơn vị bề mặt hạt
trong một đơn vị thời gian (kgẩm / m2. giờ).
Ngoài ra trong thực tế sản xuất , tốc độ sấy còn đợc biểu diễn qua lợng
hơi nớc bốc lên từ một đơn vị khối lợng hạt trong một đơn vị thời gian (kg
ẩm/m2.giờ) , hoặc phần trăm hạt giảm trong một đơn vị thời gian (%ẩm/giờ).
Tốc độ sấy chịu ảnh hởng của rất nhiều yếu tố và phức tạp . Trong giai
đoạn đẳng tốc , tốc độ sấy đợc quyết định bởi tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt hạt
vào không khí . Theo Đanton tốc độ bay hơi từ bề mặt phụ thuộc vào độ chênh
lệch áp suất hơi nớc trên bề mặt hạt và không khí đợc biểu diễn bằng phơng
trình sau :
dW
= K.F(Pm - P)
dt

(I.26)

Trong đó :
K: hệ số chuyển khối
F: bề mặt tự do (bề mặt bốc hơi ) của 1 kg hạt
Pm, P: áp suất hơi riêng phần trên bề mặt hạt và trong không khí
Nh vậy , muốn sấy nhanh phải tăng áp suất hơi trên bề mặt hạt , hoặc
giảm áp suất hơi trong không khí . áp suất hơi trên bề mặt tăng và giảm theo
sự tăng giảm nhiệt độ và độ ẩm của nó . Do đó , tốc độ sấy cũng tăng hoặc
giảm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của hạt . Lúc đầu quá trình sấy , độ ẩm

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

17


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

trong hạt cao nên có tốc độ lớn , càng về sau độ ẩm của hạt càng giảm nên tốc
độ sấy giảm .
Mặt khác , nớc trong hạt khi bốc hơi kèm theo sự thu nhiệt , nếu không
có sự đốt nóng , cung cấp từ ngoài vào nhiệt tơng ứng thì nhiệt độ của hạt bị
giảm dần , làm giảm tốc độ sấy . Do vậy muốn tăng tốc độ sấy cần cung cáp
nhiệt cho hạt .
Trong thực tế , thờng dùng không khí nóng hay hỗn hợp không khí với
khói lò để làm chất đốt nóng đồng thời là chất mang ẩm ( từ hạt thoát ra ) gọi
là tác nhân sấy . Tốc độ bay hơi nớc phụ thuộc vàp tốc độ cung cấp nhiệt của
tác nhân sấy và nhiệt độ của tác nhân sấy . Nh vậy , tăng nhiệt độ nhiệt độ của
tác nhân sấy là biện pháp tăng tốc độ sấy
6. Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong tầng sôi
Quá trình trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa các vật sấy (các hạt) và tác
nhân sấy trong tầng sôi xảy ra rất mạnh . Đó là kết quả tiếp xúc bề mặt lớn
giữa các hạt rời chuyển động hỗn loạn trong dòng tác nhân sấy chảy rối. Có
nhiều giả thuyết da ra các phơng trình chuẩn số Nusselt từ đó để hệ số tỏa
nhiệt giữa tác nhân sấy và các hạt :

a=

Nu.l
d td

(I.27)

Trong đó :
- hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy (không khí) lấy theo nhiệt dộ trung
bình , kcal/m.h.độ
dtd-đờng kính tơng đơng của hạt , m
Chuẩn số Nusselt đợc tính nh sau:
- 0.34

Nu = 0, 015Fe

0,74

.Re

0,65

ổH ử
ỗ
ữ
ỗ ữ
ữ
ữ
ỗ
ốd ứ

(I.28)

td

với Fe = 30 -:- 100
-0.34

0,6

Nu = 0, 0283Fe .Re

0,65

ổH ử
ữ
ữ
.ỗ
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ốd ứ

(I.29)

td

với Fe = 100 -:- 200
trong đó:
H- chiều cao của lớp hạt khi sôi , m

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

18

Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Phần 2

Phơng pháp nghiên cứu
Mục đích của đề tài nghiên cú này là Nghiên cứu động học của quá
trình sấy tầng sôi ,tìm hiểu ảnh hởng của các nhân tố : chế độ thủy lực của
lớp hạt trong sấy tầng sôi , về trở lực lớp hạt ,chế độ sấy, nhiệt độ sấy, vận tốc
tác nhân sấy, truyền nhiệt trong sấy tầng sôi.
Do những yêu câu nh vậy chúng tôi đã chọn vật liệu để nghiên cứu là
hạt thực vật (cụ thể là hạt Xuyên Tiêu ) có đặc điểm sau:
+Có hình dạng gần hình cầu
+Có khối lợng riêng nhỏ ( khoảng 663.3 kg/m3 ) dễ tạo tầng sôi
+Độ xốp = 0.4275 (m3/m3)
+ Đờng kính tơng đơng dtd = 1.684 (mm)
Đợc đa lên máy sấy tầng sôi sấy ở nhiều điều kiện sấy khác nhau và đa ra các
quan hệ thể hiện trên các đờng cong thực tế đo đợc
I. hệ thống thí nghiệm
1. Cấu tạo hệ thống thí nghiệm
Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi là hệ thống làm việc theo
chế độ liên tục . Gồm các bộ phận chính:
- Quạt gió: là loại quạt ly tâm , chạy bằng điện 3 pha 220/380 . Công
suất động cơ là 4,5 kW , tốc độ vòng quay 1450 (vòng/phút) .
- Caloriphe : Đốt nóng bởi các dây điện trở Cr Ni , có khả năng đa
nhiệt độ của tác nhân sấy lên đến 1500C .
- Thiết bị sấy : Làm bằng thép không rỉ . Phần sấy có dạng hình trụ

phần trên nở rộng hình nón . Phía dới có lới phân phối khí,phía trên có lắp một
vít tải nạp liệu . Chiều cao của thiết bị có thể thay đổi bằng cách lắp ghép các
đoạn có chiều cao khác nhau 50mm va 100mm . Dọc trên thân thiết bị có cửa
để đo áp suất và nhiệt độ . Trên đờng ống dẫn gió (trớc khi vào thiết bị sấy )
có lắp van điều chỉnh và dụng cụ đo lu lợng tác nhân sấy.

Hình II.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

19


Đinh Tiến Hải
1.Quạt gió
2. Caloriphe
3. ống Pitô-pran
4. Van điều chỉnh gió
5. Van tháo vật liệu
6. Vít nạp liệu

QT - TB K45
7. Thiết bị tầng sôi
8. áp kế chữ U
9. Bảng điều khiển
10. Van tháo vật liệu rơi

2. Đặc tính kĩ thuật của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi
- Đờng kính thiết bị , mm
200

- Đờng kính (chỗ lớn nhất) phần giảm tốc phân ly ,mm
400
- Chiều cao thiết bị(vùng sấy hình trụ), mm
200
- Năng suất vít tải , kg/giờ
50
Nhiệt độ của tác nhân sấy thay đổi bằng cách đóng mở 4 cầu dao cấp
điện cho các dây đốt. Thực tế , nhiệt độ có thể duy trì ở mức 90oC đến 150oC.
Nhiệt độ có thể đợc đo trên 6 vị trí (1 trớc buồng sấy và 5 trong buồng
sấy).
Căn cứ vào điều kiện chế tạo và đặc điểm công nghệ sấy ( trên thực tế
thờng sử dụng tác nhân là khói lò nên có độ tạo chất khá cao ) nên sử dụng lới
phân phối gió là loại tấm mỏng có đục lỗ . Các thông số kĩ thuật của lới nh
sau :
-Kích thớc lỗ
2(mm)
-Chiều dày lới
5(mm)
-Bớc lỗ
6,5(mm)
-Tỷ lệ tiết diện tự do
7%
- Trở lực của hệ thống (chạy không tải) tính theo mm H 2O đợc xác định
ở bảng sau:

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

20

Đinh Tiến Hải
Vl (m/s)

QT - TB K45
0,44

Pl(mmH2O) 1

1,06

2,04

3,06

3,53

3,9

2

5

11

25

27

3. Nguyên tắc làm việc của hệ thống
Trớc khi tiến hành thí nghiêm ta phải kiểm tra tất cả hệ thống sấy , xem

xét cầu dao , công tắc , bịt kín hết các lỗ hở trong thiết bị sấy ...
Không khí đợc đa vào caloriphe nhờ quạt 1 và dợc caloriphe đốt nóng,
nhiệt độ của khí đợc đốt bằng 1 trong 4 caloriphe , muốn tăng nhiệt độ thì ta
có thể đóng thêm caloirphe bằng các cầu dao trên bảng điều khiển 9 . Khí
nóng đợc thổi từ phía dới lên buồng sấy qua lớp lới . Vật liệu đợc nạp vào
buồng sấy từ vít tải liệu vào phần hình trụ của buồng sấy .
Các thông số về trở lực đợc đo bằng các áp kế hình chữ U trên bảng 8
nó lam viêc thao nguyên lý của ông Pitô-Pran . Chênh lệch áp suất giữa các
điểm I và II là trở lực của lới , giữa II và III là trở lực của lớp sôi , giữa I và III
hoặc IV hoặc V , VI là tổng trở lực của hệ thống tùy vào chiều cao của lớp hạt
mà ta điều chỉnh các điểm III , IV ,V ,VI mà ta đo trở lực của hệ thống.
ở phần thắt lại của caloriphe có van điều chỉnh để điều chỉnh lu lợng
gió , và có một ống Pitô-Pran để đo tốc độ gió .
4 Xác định vận tốc , lu lợng tác nhân sấy và trở lực lớp vật liệu
Để xác định vận tốc và lu lợng của tác nhân sấy và áp suất ta thờng
dùng các dụng cụ nh áp kế , ống Pitô-pran , dụng cụ tiết lu ( ống Văngturi,
màng chắn , ống loa ) .Các dụng cụ này có cơ sở tính toán và cho kết quả
chính xác .
Trong cuộc thí nghiệm này chúng tôi dùng ống Pitô-pran . ống Pitôpran là dụng cụ làm việc theo nguyên tắc ống thu áp , có cấu tạo 2 ống đồng
tâm , ống trong lỗ tâm và dùng để thu áp suất ( áp suất Pazomet) . Hiệu số
hiệu số áp suất trong chất khí trong 2 ống đợc đo bằng áp kế vi sai . Phần chữ
U của áp kế chứa một chất lỏng có khối lợng riêng xác định .
Vận tốc của chất khí trong ống dẫn tại điểm đặt đầu đo đợc xác định
V = 2gh

r1 - r k
rk

(II.1)

Để xác định vận tốc trung bình trong ống dẫn ngời ta có thể làm theo 2
phơng pháp sau đây:
+Xác định vận tốc theo tiết diện ngang của ống dẫn tại các điểm khác
nhau theo bán kính . Vận tốc trung bình đợc tính theo công thức :
n

V =

V

i

1

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

(II.2)

n

21


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

+ Dùng quan hệ giữa vận tốc lớn nhất và vận tốc trung bình ở các chế
độ chảy khác nhau tính đợc lu lợng . Các bớc tính cụ thể nh sau :
-Tính vận tốc lớn nhất (vmax ) tại tâm dòng chảy .

-Tính giá trị Râynôn
Tìm giá trị tỷ số

trên đồ thị quan hệ

Vtb
Vmax

Re =

v max d k
à

, ứng với giá trị của chuẩn số Re vừa tìm đợc

Vtb
- Re. Từ đó tính vận tốc trung bình . Tuy nhiên có thể
Vmax

lấy một cách gần chính xác nh sau
+Re < 103 thì Vtb = 0,5.Vmax
+103 < Re < 105 thì Vtb =(0,7ữ 0,82).Vmax
+Re > 105 thì Vtb = 0,82 Vmax
Lợng chất khí đợc tính theo công thức sau :
L = Vtb.Stổng
(II.3)
Stổng : là diện tích tiết diện ngang của ống dẫn
5 Xác định độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu ẩm
+Có rất nhiều phơng pháp dùng để xác định độ ẩm của vật liệu nh: phơng pháp dùng nhiệt sấy khô , phơng pháp chng cất , chiết , phong pháp đo độ
dẫn điện

Trong trờng hợp này ta dùng phơng pháp sấy khô . Trong quá trình sấy
ta lấy mẫu theo thời gian quy định và cho đem cân rồi cho vào tủ sấy , sấy cho
đến khi khối lợng không đổi do đó xác định đơc lợng nớc ẩm có trong vật liệu
từ đó xác định đợc độ ẩm của vật liệu . Phơng pháp này có u điểm là dễ thao
tác , độ chính xác cao . Tuy nhiên thời gian xác định lâu không phù hợp cho
điều kiện sản xuất cần xác định nhanh.
+Do nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm không cao, nên việc xác định
nhiệt độ của vật liệu cũng nh tác nhân sấy ta dùng nhiệt kế thủy ngân , đồng
hồ đo nhiệt loại nhỏ
6. Xác định thông số của hạt xuyên tiêu
+Đờng kính tơng đơng của hạt xuyên tiêu đợc xác đinh bằng công thức
sau:
d td =

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

m
pnr

(II.4)

22


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

trong đó
-

m : khối lợng số hạt đem đo , m
n : số hạt đem đo

khối lợng riêng của hạt , kg/m3
+ Khối lợng riêng của hạt đợc xác định nh sau:
Cân một khối lợng hạt xác định , sau đó xác định thể tích hạt bằng cách cho
khối lợng đó vào ống đong co chứa nớc , phần thể tích dâng lên chính là thể
tích hạt chiếm chỗ và khối lợng riêng đợc xác định bằng công thức:
-

r=

m
V

(II.5)

+Độ xốp của hạt đợc xác định nh sau: cho lợng hạt xác định vào ống
đong không có nớc ta xác định đợc thể tích hạt rỗng Vo , rồi đo thể tích hạt
chiếm thực tế bằng cách nh xác định khối lợng riêng ta đợc V , độ xốp của hạt
đợc tính nh sau:
e=

V0 - V
V0

(II.6)

II. tiến hành thực nghiệm và tính toán kết quả

1. Phơng pháp tiến hành thí nghiệm
Truớc khi tiến hành thí nghiêm cần kiểm tra thiết bị , các dụng cụ đo
( ống Pitô-pran , nhiệt kế ẩm ..) , độ kín của hệ thống (các mặt bích), hệ thống
cấp điện
Về nguyên liệu : Vật liệu sấy đợc ngâm và lựa chọn (sàng , nhặt những
hạt không đạt yêu cầu và ủ vật liệu đến độ ẩm cần phân tích)
*Nghiên cứu chế độ thủy động của hạt :
Quan hệ p-V là bức tranh thực nghiệm phản ánh diễn biến trạng thái
và chế độ thủy động lực học của lớp hạt. Do vậy, để xác định các thông số của
lớp hạt sôi, ta đi khảo sát qua quan hệ p-V của lớp hạt . Phơng pháp tiến
hành thí nghiệm nh sau:
-Nạp vật liệu khô với khối lợng xác định trớc ( tơng ứng với chiều cao
Ho )
-Cho quạt làm việc, đóng cửa van cấp gió
-Mở van cấp gió ở các vị trí khác nhau . Theo dõi độ chênh lệch cột nớc
trong các áp kế chữ U (đo lu lợng gió và trở lực của lớp hạt )
-Ghi số liệu
*Nghiên cứu chế độ sấy hạt :

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

23


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45

Quá trình sấy tầng sôi có khả năng cấp nhiệt rất mạnh do lớp hạt đợc
khuấy trộn mạnh . Do đó trong khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức khẩn trơng và lu ý.Trớc khi tiến hành thí nghiệm phải kiểm tra thiết bị, dụng cụ đo ,

hệ thống cung cấp điện. Các bớc tiến hành sấy hạt nh sau:
-Điều chỉnh nhiệt độ và vận tốc gió trong trờng hơp nghiên cứu cụ thể
-Xác định khối lợng hạt cần nghiên cứu
-Lấy mẫu để xác định độ ẩm ban đầu
-Đo nhiêt độ vật liệu bằng nhiệt kế
-Trong mỗi khoảng thời gian xác đinh trong quá trình sấy ta phả lấy
mẫu để xác định độ ẩm , song song với việc đo độ ẩm của lớp hạt và
nhiệt độ khí ra
- Cuối cùng tắt quạt , caloriphe, quét dọn và làm vệ sinh.
2.Tính toán kết quả thí nghiệm thu đợc
Sau khi tiến hành thí nghiêm xong ta thu đợc các số liệu ban đàu dới
đây và bằng những tính toán xử lý số liệu trên phần mềm Exell ta đu ra các
kết quả.
*Quá trình thủy lực
- Quan hệ P V thực tế
- Các vận tốc giới hạn : Vs , Vf
*Quá trình sấy
Độ ẩm ban đầu
wđ
Độ ẩm cuối
wc
Độ ẩm tại các điểm đo
wi
Khối lợng vật liệu ẩm ban đầu
Gđ
Khối lợng vật liệu ẩm sau khi sấy
Gc
Nhiệt độ tác nhân sấy
ttn
Nhiệt độ lớp hạt

th
Nhiệt độ khí ra
tkh
Bằng những công thức lý thuyết và các dữ liệu đã có tiến hành tính lại để so
sánh một số kết quả thực nghiêm so với tinh toán lý thuyết
Đối với quá trình thủy lực ta tính lại một số điểm đã đo theo công thức
sau:
Khi 54 < Re < 6300
DP
v1,8 .n0,2
= 16, 7.r 0
1
H
d2

(II.7)

Khi Re >6300

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

24


Đinh Tiến Hải

QT - TB K45
DP
v.n
= 405.r 0 2

H
d

(II.8)

Trong đó :
+v : vận tốc khí qua lớp hạt (m/s)
+: độ nhớt động học (m2/s)
+d: đờng kính tơng đơng (mm)
Đối với quá trình sấy trong khí tính nhiệt lợng ta có thể dựa vào các
công thức sau:
*Nhiệt lợng cung cấp theo thực tế :
Qtt = L.C. T

(kj/h)

(II.9)

Trong đó
+ L lu lợng tác nhân sấy
(kgkk/h)
+ C nhiệt dung riêng của tác nhân sấy , đối với không khí ta lấy
C = 103 (J/kg,độ)
Mặt khác nhiệt lợng cung cấp theo thực tế lại chính bằng nhiệt lợng cần
thiết để đốt nóng vật liệu và nhiệt lợng cung cấp để bốc hơi ẩm
Qtt = Qb + Qđn
(II.10)
Nhiệt lợng cần thiết dùng để bốc hơi đợc tính theo công thức
Qb = rhhGn
(II.11)

Do đó ta dễ dàng tính đợc nhiệt cung cấp dùng để đốt nóng dựa vào các công
thức trên :
Qđn = Qtt - Qb
(II.12)
+ rhh Nhiệt hóa hơi của nớc , tra tại bảng [I.212 (3-150)] sổ tay
quá trình thiết bị , kcal/kg
*Nhiệt lợng cung cấp tính theo lý thuyết :
Đối với quá trình cung cấp nhiệt theo lý thuyết ta tính theo chuẩn số
Nuxen
Nu =

d td a
l

(II.13)

Trong tầng sôi thì chuẩn số Nu đợc tính thông qua các phơng trình chuân r số
sau :
-0,34

Nu = 0, 0151.Fe

0,74

.Re

0,65

ổH ử
ữ

ỗ
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ốd ứ

(II.14)

td

với Fe = 30 ữ 100

Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

25