Luận văn Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

Header Page
1 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 3
Phần 1: ................................................................................................................... 4
TỔNG QUAN ....................................................................................................... 4
1.1. Quặng apatit và quá trình sản xuất phân lân nung chảy....................... 4
1.1.1. Quặng apatit ...................................................................................4
1.1.2. Quy trình, công nghệ sản xuất phân lân nung chảy ........................5
1.2. Lựa chọn phương pháp sấy ................................................................ 10
1.2.1. Các phương pháp sấy ...................................................................10
1.2.2. Lựa chọn phương pháp, thiết bị sấy .............................................11
1.2.3. Chọn tác nhân sấy, chất tải nhiệt..................................................11
Phần 2: ................................................................................................................. 13
TÍNH CÔNG NGHỆ ........................................................................................... 13
2.1. Số liệu đầu vào. .................................................................................. 13
2.2. Tính cân bằng vật chất........................................................................ 13
2.3. Cân bằng năng lượng.......................................................................... 14
2.3.1. Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy. .....................14
2.3.2. Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá
trình sấy lý thuyết ........................................................................15
2.3.3. Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết. ..........................21
2.3.4. Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực. .................................22
2.3.5. Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực. ......................24
2.3.6. Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực .....25
2.3.7. Lượng nhiên liệu tiêu hao ............................................................25
2.3.8. Hiệu suất thiết bị sấy ....................................................................25

2.4. Tính kích thước thùng quay ............................................................... 25
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

1
Footer Page 1 of 146.


Header Page
2 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

2.5. Tính thời gian sấy. .............................................................................. 26
Phần 3: ................................................................................................................. 28
TÍNH CƠ KHÍ ..................................................................................................... 28
3.1. Tính bề dày thùng. .............................................................................. 28
3.2. Tính cánh đảo trộn. ............................................................................. 30
3.3. Tính bộ truyền động. .......................................................................... 30
3.4. Tính vành đai, kiểm tra bền thùng...................................................... 36
3.5. Tính con lăn đỡ, con lăn chặn. ........................................................... 40
3.6. Tính chọn lớp bảo ôn .......................................................................... 42
3.7. Tính chọn các thiết bị phụ trợ............................................................. 44
Phần 4: ................................................................................................................. 45
CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, SỬA CHỮA........................................... 45
4.1. Chế tạo. ............................................................................................... 45
4.1.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu..............................................................45
4.1.2. Thân thùng....................................................................................46

4.1.3. Vành đai, bánh răng vòng, các con lăn ........................................48
4.1.4. Cánh đảo trộn ...............................................................................48
4.2. Lắp đặt. ............................................................................................... 50
4.2.1. Vận chuyển ...................................................................................50
4.2.2. Lắp đặt ..........................................................................................50
IV.3. Vận hành. ......................................................................................... 52
IV.4. Sự cố và khắc phục........................................................................... 53
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

2
Footer Page 2 of 146.


Header Page
3 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

MỞ ĐẦU
Thiết bị sấy được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp. Hệ
thống sấy là một trong các thiết bị quan trọng giúp sản phẩm đạt được các chỉ tiêu chất
lượng, kỹ thuật mong muốn để sử dụng hoặc chuyển tới các giai đoạn khác. Để có
được hệ thống sấy phù hợp, việc thiết kế là công việc đầu tiên và có vai trò quyết định
đối với quá trình chế tạo thiết bị.

Ở nước ta hiện nay, ngoài các thiết bị sấy chung, sản xuất hàng loạt, một số quá
trình đòi hỏi thiết bị sấy riêng đáp ứng yêu cầu cụ thể của sản xuất, trong đó có hệ
thống sấy trong dây chuyền sản xuất phân lân nung chảy.
Phân lân nung chảy sau khi ra khỏi lò cao được tôi nước ở áp suất cao để tạo
thành các hạt nhỏ và được đưa đến bãi ráo, trải qua quá tình ráo nước tự nhiên đến khi
đạt được độ ẩm nhất định. Sau đó được đưa vào thiết bị sấy điều chỉnh độ ẩm theo tiêu
chuẩn trước khi đưa đi nghiền mịn hoặc đóng đóng gói thành sản phẩm.
Tập đồ án này trình bày rõ quy trình sản xuất phân lân nung chảy cùng vai trò của
hệ thống thiết bị sấy trong dây chuyền đó; lựa chọn phương pháp, loại thiết bị và tính
toán thiết kế thiết bị sấy phân lân nung chảy bán thành phẩm, tính chọn các phụ kiện
liên quan.
Trong quá trình thực hiện, do hạn chế về thời gian và tư liệu tham khảo, tập đồ án
này khó lòng tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy
cô.

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

3
Footer Page 3 of 146.


Header Page
4 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

Phần 1:

TỔNG QUAN
1.1. Quặng apatit và quá trình sản xuất phân lân nung chảy
1.1.1. Quặng apatit

a) Định nghĩa [9] [11] [5]
Apatit là một nhóm ba loại khoáng vật phốt phát chứa nhóm fluorine, chlorine
hay hydroxyl. Những ion này có thể thay thế tự do trong mạng tinh thể và hầu hết các
mẫu vật đều chứa cả ba dạng ion, mặc dù một trong số chúng có thể rất ít so với các
ion khác. Thay vì gọi riêng fluorapatite, chlorapatite và hydroxylapatite, người ta
thường gọi chung vì thực tế rất khó phân biệt bằng các phương pháp thông thường.
Apatit có thành phần được biểu thị bởi công thức chung Ca5R(PO4)3 với R có thể
là F, Cl, OH.
Apatit thuộc hệ lục giác, hình dạng tinh thể thường là dạng hình trụ lục phương
dài hoặc ngắng, có thể có màu xanh, vàng, lục, đỏ nhạt, tía... tùy thuộc vào loại tạp
chất trong đó. Tỉ trọng apatit là 3,1 – 3,2; nhiệt độ bóng chảy 1400oC – 1570oC và hầu
như không tan trong nước.
Apatit trong tự nhiên có giá trị công nghiệp, thường là để sản xuất phân bón:
phân lân super, phân lân nung chảy, DAP, MAP...
b) Phân loại
Ở mỗi quốc gia, việc phân loại quặng apatit có thể đôi chút khác nhau trong một
số trường hợp cụ thể. Phân loại sau đây áp dụng cho mỏ apatit Lào Cai của Việt Nam
theo tài liệu [4].
 Phân loại theo thạch học: căn cứ vào các đặc điểm thạch học, người ta chia mỏ
apatit thành 8 tầng cốc san, ký hiệu từ dưới lên trên: KS1-KS8. Trong đó
quặng apatit nằm ở các tầng KS4, KS5, KS6 và KS7. Trong từng tầng lại chia
ra thành các đới phong hóa hóa học và chưa phong hóa hóa học.
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

4
Footer Page 4 of 146.


Header Page
5 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán



Tầng KS4: Còn gọi là tàng dưới quặng, đây là tầng nham thạch apatit
cacbonat – thạch anh – muscovit có chứa cacbon. Nham thạch của tầng
này gồm hai loại phiến thạch chính là dolomit – apatit – thạch anh và
apatit – thạch anh – dolomit chứa khoảng 35 – 40% apatit. Chiều dày tầng
này khoảng 35-40m.



Tầng KS5: Còn gọi là tầng quặng. Đây là tầng apatit cacbonat, là tầng
chứa quặng chủ yếu trong khu vực bể photphorit. Quặng apatit hầu như
thuộc phần phong hóa của tầng này, hàm lượng P2O5 từ 28-40%, gọi là
quặng loại I. Chiều dày tầng này từ 3-4m tới 10-12m. Ngoài ra KS5 còn
chứa các phiến thạch apatit – dolomit, dolomit – apatit – thạch anh –
muscovit.



Tầng KS6, KS7: Còn gọi là tầng trên quặng, chiều dày khoảng 35-40m.
Nham thạch của tầng này khác với loại apatit cacbonat ở chỗ nó có hàm
lượng thạch anh, muscovit và cacbonat cao hơn, hàm lượng apatit giảm.
So với tầng dưới quặng, tầng này ít nuscovit và hợp chất cacbon hơn, hàm
lượng apatit cao hơn.

 Phân loại theo thành phần vật chất: dựa vào sự hình thành và thành phần vật
chất, quặng apatit được chia làm 4 loại:


Quặng loại I: là quặng apatit hầu như đơn khoáng, hàm lượng P2O5 chiếm
khoảng 28-40%.



Quặng loại II: là quặng apatit – dolomit, hàm lượng P2O5 chiếm khoảng
18-25%.



Quặng loại III: là quặng apatit – thạch anh, hàm lượng P2O5 chiếm khoảng
12-20%, trung bình 15%.



Quặng loại IV: là quặng apatit – thạch anh – dolomit, hàm lượng P2O5
chiếm khoảng 8-10%.

1.1.2. Quy trình, công nghệ sản xuất phân lân nung chảy

a) Định nghĩa [1]

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

5
Footer Page 5 of 146.


Header Page
6 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

Phân lân nung chảy có thành phần chủ yếu là P, Ca, Si và một số nguyên tố vi
lượng như Fe, Co, Mn,... thành phần của phân lân nung chảy có thể viết dạng:
4(Ca, Mg)O.P2O5

5(Ca, Mg)O.P2O5.SiO2

Phân lân nung chảy có pH từ 6-8 tùy thuộc quá trình phối trộn, tạo ra sản phẩm
phù hợp với các loại đất khác nhau.
b) Tính chất, ứng dụng [1][6]
 P2O5 trong phân lân nung chảy ở dạng hòa tan trong axit xitric 2%, được
thực vật hấp thụ dễ dàng.
 Phân lân nung chảy là sản phẩm phân lân kiềm tính, không bị hút ẩm,
không kết khối, chứa 25-30% P2O5, trong đó P2O5 hiệu quả chiếm 90-98%
P2O5 tổng.

 Phương pháp sản xuất đơn giản, tránh được tiêu hao axit, có thể dùng cả
nguyên liệu chất lượng không cao (hàm lượng P2O5 thấp).
 Cung cấp dinh dưỡng lân (P2O5) cho cây trồng, là chất chủ yếu tạo nên các
tế bào thực vật, thúc đẩy nảy mầm, phát triển rễ, tăng số lượng, chất lượng
hạt, củ quả...
 Bổ sung các chất dinh dưỡng khác như CaO, MgO, SiO2,...
+ CaO: khử chua cho đất, cải tạo và tăng nhanh độ phì nhiêu của đất,
giúp cây trồng tổng hợp protein và chuyển hóa dinh dưỡng.
+ MgO: khử chua, là chất thiết yếu tạo nên diệp lục tố, giúp cây tăng
khả năng quan hợp, tổng hợp dinh dưỡng...
+ SiO2: tăng độ cứng vững của thân và lá, giúp cây trồng chịu rét, chịu
hạn, chống sâu bệnh tốt hơn.
+ Chất vi lượng: Mn, Cu, B, Fe... thúc đẩy cây phát triển toàn diện.
 Là loại phân không tan trong nước, tan từ từ trong môi trường đất và dịch rễ
cây nên hạn chế rửa trôi, hiệu lực phân kéo dài.
c) Quy trình công nghệ [1]


Nguyên lý sản xuất phân lân nung chảy.

Cơ sở của phương pháp là dùng nhiệt nung nóng biến lân từ dạng vô định hình
cây không thể hấp thụ thành dạng vô định hình cây có thể hấp thụ được.
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

6
Footer Page 6 of 146.

Header Page
7 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

 Nguyên liệu:
+ Apatit: có thể sử dụng apatit loại chất lượng kém như loại II, vì loại II
có chứa Mg cần thiết cho phối liệu. Apatit có hàm lượng P2O5 ≤ 30%
là đạt yêu cầu.
+ Đá secpentin: là nguồn khoáng thiên nhiên chứa MgO, SiO2 cùng một
số nguyên tố vi lượng như Mn, Cu,...
 Nguyên lý
+ Phối liệu được đưa vào lò nung chảy sẽ biến đổi cấu trúc quặng,
chuyển hóa photphat thành trạng thái hòa tan trong axit xitric với sự
tạo thành trạng thái thủy tinh vô định hình.
+ Tốc độ làm lạnh càng nhanh thì độ tan P2O5 trong axit citric càng cao.
+ Để hạ thấp độ nhớt của phối liệu, phải nung ở chế độ quá nhiệt. Liệu
chảy ra lò với tốc độ đều đặn và làm nguội đột ngột.
+ Lượng ẩm theo nguyên liệu, nhiên liệu sẽ bốc hơi ở nhiệt độ 150oC.
+ Ở nhiệt độ trên 500oC, nước kết tinh trong secpentin thoát ra.
+ Ở nhiệt độ lớn hơn 650oC, nước kết tinh bay hết theo khói lò,
secpentin bắt đầu phân hủy:
3MgO.SiO2  2MgO.SiO2 + MgSO2 + 2H2O
Ở các nhiệt độ lớn hơn 650oC sẽ tạo thành 3Mg2SiO4:
2(3MgO.2SiO2)  3Mg2SiO4 + 2MgSiO3
+ Khi gia nhiệt đến nhiệt độ xác định có các phản ứng phân hủy
cacbonat: MgCO3, CaCO3 và các phản ứng hoàn nguyên Fe, Ni.

+ Ở 1150oC, oxit sắt bị khử thành gang chảy lỏng.

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

7
Footer Page 7 of 146.


Header Page
8 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

+ Vì tỷ trọng Fe và Ni lớn hơn nhiều tỉ trọng phối liệu nên Fe và Ni lắng
xuống đáy tạo thành xỉ feroniken.
+ Ở 1200oC phối liệu bắt đầu nóng chảy, quá trình nóng chảy xảy ra
phản ứng khử (chủ yếu khử F, hoàn nguyên Ni, P).

Hoặc dạng tổng quát:

Trong đó một phần CaF2 phản ứng với SiO2 và hơi nước:

Nếu trong lò có nhiều hơi nước, HF được tạo thành và thoát ra. Flo tách
ra càng nhiều càng làm tăng hiệu suất chuyển hóa P2O5.

+ Kích thước hạt sau khi tôi có ảnh hưởng tới hiệu suất η. Hạt càng nhỏ,
khả năng tái kết tinh càng kém, hiệu suất càng cao.
+ Than tồn tại trong sản phẩm thì photpho trong quặng có thể thăng hoa

một phần theo phản ứng:

 Quy trình sản xuất [1]
 Sơ đồ nguyên lý quy trình sản xuất:

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

8
Footer Page 8 of 146.


Header Page
9 of
146.thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Tính
toán

Kẹp hàm đập

Nguyễn liệu

Sàng khô

Rửa

Lọc bụi

Lò cao

Tôi nước
3-5 at

Rửa bụi
Bãi rửa
Ca(OH)2

Xử lý

Khí thải

Sấy

Thải

Nghiền

Lọc bụi

Sàng

Sản phẩm
Hình 1.1: Quy trình sản xuất phân lân nung chảy.

 Thuyết minh sơ đồ
+ Quặng apatit, đá secpentin được đưa về bãi chứa và nhờ oto, máy xúc
chuyển về phễu của máy đập nhằm gia công nguyên liệu về kích
thước cần thiết, rồi qua sàng khô, sàng ướt để loại bỏ các hạt có kích
cỡ không đạt tiêu chuẩn. Lượng mịn được tập trung vào bão chứa.
Than được chọn lọc, đảm bảo chất lượng và kích cỡ chuyển về sàn lò.

+ Quặng, than đá, đá secpentin được cân theo phối liệu, chuyển vào
thùng tời đưa lên lò cao. Ở trong lò cao diễn ra các quá trình sấy, hóa
mềm chảy lỏng và quá nhiệt chuyển hóa quặng chứa lân thành dạng
vô định hình bằng cách làm lạnh đột ngột bằng nước, rồi được trục vớt
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

9
Footer Page 9 of 146.


Header Page
10toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

từ bể tôi bán thành phẩm đưa vào phễu chứa, nhờ băng tải đưa về bãi
ráo.
+ Bán thành phẩm ở bãi ráo tự nhiên tiếp tục được đưa vào phễu rồi theo
hệ thống băng tải chuyển vào máy sấy thùng quay. Ở đây, bán thành
phẩm được sấy với nhiệt độ 600-700oC, sau đó được đổ ra băng tải
chuyển đi gia công chế biến theo yêu cầu:
+ Để sản xất phân lân nghiền: bán thành phẩm được chuyển vào máy
nghiền đến độ mịn 50-70% tùy vào yêu cầu sản xuất.
+ Để sản xuất phân lân hạt: bán thành phẩm được chuyển sang sàng, thu
sản phẩm hạt.
+ Sản phẩm được đóng bao nhãn, xếp kho, xuất cho khách hay chuyển
sang tổ sản xuất khác.

1.2. Lựa chọn phương pháp sấy
1.2.1. Các phương pháp sấy [12]

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu. Trong
công nghiệp, người ta tiến hành quá trình sấy nhân tạp dưới tác dụng nhiệt của thiết bị
sấy. Tùy theo phương pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sất chia ra:
 Sấy đối lưu: Là phương pháp sấy mà việc cấp nhiệt cho vật ẩm được thực
hiện bằng cách trao đổi nhiệt đối lưu. Phương pháp này có ưu điểm là chi phí
đầu tư thấp, năng suất có thể rất cao. Tuy nhiên nhược điểm là tốc độ truyền
nhiệt tương đối chậm, phải nung nóng không khí trong thiết bị trước khi có
tác dụng nhiệt lên vật liệu sấy. Phương pháp này rất thông dụng.
 Sấy tiếp xúc: Là phương pháp sấy không cho vật liệu sấy tiếp xúc trực tiếp
với bề mặt có nhiệt độ cao. Ưu điểm của phương pháp là hiệu quả nhiệt cao,
giảm tổn thất năng lượng không cần thiết đun nóng không khí trước khi sấy.
Nhược điểm phương pháp này là chi phí đầu tư thiết bị cao, chi phí vận hành
cao mà năng suất thấp. Phương pháp này ít khi được sử dụng.
 Sấy bức xạ: Là phương pháp sấy dùng năng lượn nguồn cấp nhiệt truyền tới
vật liệu sấy bằng bức xạ, thường dùng tia hồng ngoại. Ưu điểm phương pháp
này là trao đổi nhiệt cường độ cao, giảm đáng kể thời gian sấy, thiết bị đơn
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

10
Footer Page 10 of 146.


Header Page
11toán
of 146.

Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

giản, dễ thiết kế, chế tạo và sử dụng. Tuy nhiên thiết bị sấy này đòi hỏi các
thiết bị bảo vệ, điều chỉnh chế độ sấy, quan tâm kiểm tra thường xuyên tránh
hỏa hoạn. Phương pháp này ít được sử dụng.
 Sấy bằng dòng điện cao tần: Là phương pháp dùng năng lượng điện trường
tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày lớp vật liệu. Phương pháp này có
ưu điểm truyền nhiệt nhanh, chỉ làm nóng những vùng ẩm nên ít tổn hao
năng lượng cho các phần khác. Chi phí đầu tư lớn, cấu tạo phức tạp và quy
mô nhỏ là những hạn chế lớn của phương pháp này.
1.2.2. Lựa chọn phương pháp, thiết bị sấy

Dựa vào đặc tính phân lân bán thành phẩm và yêu cầu trong quy trình sản xuất
phân lân nung chảy, ta thấy phương pháp sấy phân lân nung chảy bán thành phẩm
không yêu cầu giữ các đặc tính cảm quan như sấy thực phẩm, hoa quả; không sợ vật
liệu sấy bị ô nhiễm bởi tiếp xúc trực tiếp với tác nhân sấy; đồng thời quá trình sấy yêu
cầu năng suất cao, hiệu quả tốt nhưng giá thành đầu tư thấp, vận hành sửa chữa đơn
giản. Do đó, ta chọn phương pháp sấy đối lưu.
Phương pháp sấy đối lưu có các loại thiết bị sấy: sấy buồng, sấy hầm, sấy khí
động, sấy tầng sôi, sấy tháp, sấy thùng quay, sấy phun,... Dựa vào năng suất làm việc,
nhiệt độ làm việc và yêu cầu chi phí đầu tư, vận hành, ta chọn thiết bị sấy thùng quay
với các ưu điểm:
 Thiết bị nhỏ gọn, có thể cơ khí, tự động hóa hoàn toàn.
 Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệu, năng suất cao.
 Thiết kế, chế tạo, vận hành với chi phí thấp.
1.2.3. Chọn tác nhân sấy, chất tải nhiệt

Tác nhân sấy có các loại: không khí ẩm, khói lò, hơi quá nhiệt.
Do yêu cầu sấy phân lân nung chảy bán thành phẩm cần nhiệt cao từ 600-700oC

và không sợ bị ô nhiễm sản phẩm sấy, không sợ cháy nổ nên ta chọn tác nhân sấy là
khói lò.
Tác nhân sấy được chọn là khói lò nên chất tải nhiệt cũng chính là khói lò. Do
không phải trang bị lò hơi nên sử dụng khói lò làm chất tải nhiệt, tác nhân sấy giúp

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

11
Footer Page 11 of 146.


Header Page
12toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

giảm đáng kể vốn đầu tư thiết bị ban đầu cũng như giảm thất thoát nhiệt năng trong
quá trình vận hành.
Có hai phương thức sấy là sấy xuôi chiều và sấy ngược chiều dựa trên chiều
chuyển động tương đối giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy. Do phương thức sấy ngược
chiều khó điều chỉnh, khó thu hồi xử lý bụi hơn so với phương pháp sấy xuôi chiều
nên ta chọn phương thức sấy xuôi chiều.

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

12
Footer Page 12 of 146.


Header Page
13toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

Phần 2:

TÍNH CÔNG NGHỆ
2.1. Số liệu đầu vào.

Thiết kế hệ thống thiết bị sấy trong quy trình sản xuất phân lân nung chảy trong
dây chuyển sản xuất phân lân nung chảy.
 Thiết bị: sấy thùng quay.
 Phương thức: sấy xuôi chiều.
 Tác nhân sấy: khói lò.
 Vật liệu sấy: phân lân nung chảy bán thành phẩm.
 Năng suất: 35 tấn/giờ.
 Độ ẩm ban đầu: 7%.
 Độ ẩm cuối: 1%.
2.2. Tính cân bằng vật chất

Ta ký hiệu các đại lượng như sau:
G1, G2 - khối lượng vật liệu vào, ra thiết bị sấy, kg/h.
ω1, ω2 - độ ẩm tương đối vật liệu vào, ra thiết bị.
W - lượng ẩm bay hơi trong 1h, kg/h.

Gk - khối lượng vật liệu khô tuyệt đối, kg/h.
Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ (theo

):

Lượng vật liệu khô tuyệt đối:

Lượng vật liệu vào:

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

13
Footer Page 13 of 146.


Header Page
14toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
2.3. Cân bằng năng lượng
2.3.1. Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy.

 Áp suất hơi bão hòa (theo

):

 Độ chứa ẩm (theo

):

Pa = 0,981 bar: áp suất khí quyển.
 Enthalpy (theo

):

Trong đó:
ik, ia: enthalpy của 1kg không khí khô và 1kg hơi nước, kJ/kg.
Cpk : nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kg. Cpk=1,004.
Cpa : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg. Cpa=1,842.
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước, kJ/kg. r=2500.

 Thể tích riêng (theo

GVHD: Vũ Hồng Thái

):

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

14
Footer Page 14 of 146.


Header Page
15toán
of 146.
Tính

thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

Trong đó Pa, Pb có đơn vị là N/m2.
2.3.2. Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết

a. Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A)
Không khí ngoài trời có:
 Nhiệt độ: to = 25oC.
 Độ ẩm:

φ = 80%.

Áp suất hơi bão hòa:

Độ chứa ẩm:

Enthalpy:

Thể tích riêng:

b. Thông số trạng thái của khói lò sau buồng đốt (B’), sau buồng hòa trộn (B)
 Tính toán quá trình cháy
Thành phần nhiên liệu than sử dụng: Than Tuyên Quang.
Bảng 2.1: Thành phần nhiên liệu than Tuyên Quang[15].

Nguyên tố

GVHD: Vũ Hồng Thái

Hàm lượng

(% khối lượng)

C

57

H

4,6

O

2,6

N

0,2

S

1,6

Tr (tro)

19
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

15
Footer Page 15 of 146.

Header Page
16toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

A (nước)

15

Nhiệt trị cao của nhiên liệu (theo

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (theo

):

):

Lượng không khí khô lý thuyết cho quá trình cháy (theo

):

Trong thực tế, tùy thuộc vào việc tổ chức quá trình cháy và độ hoàn thiện
của buồng đốt mà không khí khô thực tế L để cháy hết 1kg nhiên liệu lớn hơn
lượng không khí khô lý thuyết Lo. Do đó, theo

ta có:

hệ số không khí thừa của buồng đốt.

Ở đây ta chọn αbd = 1,3 (αbd = 1,2..1,3) (theo Tr.57[18])
Lượng không khí khô thực tế cho quá trình cháy:
L = αbd.Lo = 1,3 . 8,170 = 10,621 (kg không khí/kg nhiên liệu)
Do nhiệt độ khói lò sau buồng đốt rất lớn, lớn hơn nhiều so với yêu cầu nên
tác nhân sấy là khói lò cần được qua quá trình hòa trộn với không khí ngoài trời
để đạt được nhiệt độ thích hợp trước khi vào thùng sấy.
Gọi α là hệ số không khí thừa của buồng hòa trộn, là tỉ số giữa lượng không
khí khô đưa vào buồng hòa trộn, chia cho lượng không khí khô lý thuyết cần cho
quá trình cháy (theo

GVHD: Vũ Hồng Thái

):

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

16
Footer Page 16 of 146.


Header Page
17toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

Trong đó:
 Chọn hiệu suất buồng đốt:

ηbd = 0,6

 Chọn nhiệt độ của khói lò sau hòa trộn: t1 = 650oC
 Nhiệt dung riêng nhiên liệu (than):

Cnl = 0,12 kJ/kg.K

 Nhiệt độ nhiên liệu vào:

tnl = 25oC

 Enthalpy của hơi nước: i = 2500+1,842t (kJ/kg)
+ Không khí ngoài trời:
iao = 2500 + 1,842 . 25 = 2546,05 (kJ/kg)
+ Hơi nước chứa trong khói sau buồng hòa trộn:
ia = 2500 + 1,842 . 650 = 3697,30 (kJ/kg)

 Các thông số khói lò
o Lượng hơi nước
 Sau buồng đốt (theo

 Sau buồng hòa trộn (theo
GVHD: Vũ Hồng Thái

):

)
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

17
Footer Page 17 of 146.

Header Page
18toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

o Khối lượng khói khô
 Sau buồng đốt (theo

)

 Sau buồng hòa trộn (theo

):

o Độ chứa ẩm khói lò
 Sau buồng đốt (theo

):

 Sau buồng hòa trộn (theo

)

o Enthalpy khói lò
 Sau buồng đốt (theo

 Sau buồng hòa trộn (theo

GVHD: Vũ Hồng Thái

):

):

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

18
Footer Page 18 of 146.


Header Page
19toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

o Nhiệt độ khói lò
 Sau buồng đốt (theo

):

 Sau buồng hòa trộn:

o Áp suất h/ơi bão hòa
 Sau buồng đốt:

 Sau buồng hòa trộn:

o Độ ẩm tương đối
 Sau buồng đốt:

 Sau buồng hòa trộn:

o Thể tích riêng
 Sau buồng đốt:
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

19
Footer Page 19 of 146.


Header Page
20toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

 Sau buồng hòa trộn:

c. Thông số trạng thái của tác nhân sấy sau thùng sấy (C)
Trong thiết bị sấy dùng khói lò làm chất vừa cung cấp nhiệt lượng, vừa thải
ẩm ra môi trường, quá trình sấy lý thuyết là quá trình không có tổn thất do vật
liệu sấy, do thiết bị truyền tải mang đi, không có tổn thất do tỏa ra môi trường
qua các kết cấu bao che,... mà chỉ có thất thoát do tác nhân sấy mang đi. Do đó,
bao nhiêu nhiệt lượng khói lò cùng cấp cho vật liệu sấy hoàn toàn dùng để tách

ẩm khỏi vật liệu. Khi ẩm tách khỏi vật liệu, lại bay vào trong khói lò, do đó ẩm
đã mang toàn bộ nhiệt lượng mà khói đã mất trả lại dưới dạng ẩn nhiệt hóa hơi r
và nhiệt vật lý của hơi nước Cpa.t. Quá trình sấy lý thuyết bằng khói lò được xem
là quá trình đẳng enthalpy [18].
Thông số tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết:
 Enthalpy: I2 = I1 = 817,04 (kJ/kg khói khô)
 Chọn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy là: 71oC.
 Áp suất hơi bão hòa:

 Độ chứa ẩm:

 Độ ẩm tương đối:

 Thể tích riêng:
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

20
Footer Page 20 of 146.


Header Page
21toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

Bảng 2.2: Thông số trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết
Đại lượng

Không khí ngoài

Tác nhân sấy sau

Tác nhân sấy sau

Tác nhân sấy ra

trời (A)

buồng đốt (B’)

buồng hòa trộn (B)

khỏi thiết bị (C)

t (oC)

25

1070,43

650

71

φ (%)

80

1,297.10-5

3,803.10-5

0,958

d (kg ẩm/kg kk) 0,0164

0,0679

0,0445

0,2830

I (kJ/kg kk)

66,86

1378,34

817,04

817,04

Pb (bar)

0,0315

7456,32

1724,93

0,321

v (m3/kg kk)

0,898

4,375

2,904

0,283

2.3.3. Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết.

Giả sử lượng khói vào, ra thiết bị là không đổi, ký hiệu Lo’ (kg/h). Theo phương
trình cân bằng vật chất (theo

):

Lượng khói khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm:

Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý thuyết (theo

):

Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết:

Nhiệt lượng tiêu hao riêng:
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

21
Footer Page 21 of 146.


Header Page
22toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

2.3.4. Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực

Trong thiết bị sấy thực, ngoài tổn thất nhiệt do quá trình sấy mang đi, trong thiết
bị sấy thùng quay còn có tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt, và tổn thất do vật liệu sấy
mang đi Qv. Trong thiết bị sấy thùng quay không sử dụng nhiệt bổ sung và thiết bị
chuyển tải, do đó Qbs=0, Qct=0.
 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy:
 Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong buồng đốt, buồng hòa trộn:
 Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào:
 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy:
 Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi:
 Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang đi:
 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường:
Qmt.
Cân bằng nhiệt lượng vào và ra thiết bị, ta có:

Trong đó G1 = G2 + W, ta coi như Cv2 = Cv1 = Cv.
Vậy nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:

Đặt Qv = G2.Cv(tv2 – tv1): tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi.
Q = L’(I1 – I0) = L’(I2 – I0) + Qv + Qmt –W.Ca.tv1
Xét cho 1kg cần bốc hơi:
q = l’(I1 – I0) = l’(I2 – I0) + qv + qmt – Ca.tv1
Trong đó:
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

22
Footer Page 22 of 146.


Header Page
23toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

Đặt

.

o Xác định qv:
Theo

:

Trong đó:
Cv: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với độ ẩm ω2, kJ/kg.K
Ck: Nhiệt dung riêng vật liệu khô, kJ/kg.K.
Ck = 0,791 (sử dụng

)

Ca: Nhiệt dung riêng ẩm, kJ/kg.K. Ca = 4,1868.
Cv = 0,791(1 – 0,01) + 4,1868 . 0,01 = 0,825 (kJ/kg.K)
tv1 = t0 = 25oC: nhiệt độ vật liệu sấy vào thiết bị, lấy bằng nhiệt độ môi
trường.
tv2 = t2 – 5 = 71 – 5 = 66 (oC): nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy của vật liệu
sấy (chọn nhỏ hơn đầu ra tác nhân sấy 3 – 5 độ).
Vậy:

o Xác định Ca.tv1:

o Xác định qmt:
Tổn thất nhiệt ra môi trường thương chiếm khoảng 3 – 5% lượng nhiệt tiêu
hao hữu ích:
qmt = (0,03 ÷ 0,05)qhi
Trong đó qhi được xác định:
qhi = ih – Ca.tv1 + qv.
ih = 2500 + Ck.tv1 = 2500+0,791 . 25
GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

23
Footer Page 23 of 146.


Header Page
24toán
of 146.
Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

= 2519,78 (kJ/kg ẩm)
qhi = 2519,78 – 104,67 + 502,68 = 2917,79 (kJ/kg ẩm)
qmt = 0,05.qhi = 0,05 . 2917,79 = 145,89 (kJ/kg ẩm)
Vậy Δ = 104,67 – 502,68 – 145,89 = -543,90 (kJ/kg ẩm)
q = l’(I2 – I0) – Δ = 4,193(817,04 – 66,86) + 543,90 = 3689,41 (kJ/kg ẩm)
Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:
Q = q.W = 3689,41 . 2258,06 = 8330909,15 (kJ/h)
2.3.5. Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực.

 Độ chứa ẩm của tác nhân sấy (theo

):

Trong đó:
i1 = 2500 + 1,842.650 = 3697,30 (kJ/kg).
i2 = 2500 + 1,842.71 = 2630,73 (kJ/kg).

 Enthalpy:
 Độ ẩm tương đối:

Bảng 2.3: Thông số trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy thực
Đại lượng

Không khí

Tác nhân sấy sau

Tác nhân sấy sau

Tác nhân sấy ra

ngoài trời (A)

buồng đốt (B’)

buồng hòa trộn (B)

khỏi thiết bị (C)

t (oC)

25

1070,43

650

71

φ (%)

80

1,297.10-5

3,803.10-5

0,8595

d (kg ẩm/kg kk)

0,0164

0,0679

0,0445

0,243

GVHD: Vũ Hồng Thái

SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

24
Footer Page 24 of 146.


Header Page
25toán
of 146.

Tính
thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy

I (kJ/kg kk)

66,86

1378,34

817,04

710,56

Pb (bar)

0,0315

7456,32

1724,93

0,321

v (m3/kg kk)

0,898

4,375

2,904

0,283

 Lượng khói khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm trong quá trình sấy thực:

 Lượng khói khô cần thiết:
 Nhiệt lượng tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

2.3.6. Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực

 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái trước khi vào thùng sấy:
 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái ra khỏi thùng sấy:
 Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy:

2.3.7. Lượng nhiên liệu tiêu hao



Lượng nhiên liệu tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:



Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ:

2.3.8. Hiệu suất thiết bị sấy

2.4. Tính kích thước thùng quay

 Thể tích thùng quay (theo
GVHD: Vũ Hồng Thái

):
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng

25
Footer Page 25 of 146.