Chương 7: sấy | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Tuần 11,12,13,14: CHƯƠNG 7: SẤY (DRYING) Do Xuan Truong truong.doxuan@hust.edu.vn
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) I. KHÁI NIỆM CHUNG
Tách ẩm: ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch (nhiên liệu lỏng) là kỹ thuật phổ biến
và quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp: Hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, năng lượng…
Mục đích tách ẩm:
- Bảo quản tốt vật liệu
- Giảm năng lượng tiêu tốn trong quá trình vận chuyển
- Đảm bảo yêu cầu thông số kỹ thuật cho các quá trình gia công và sử dụng tiếp theo.
Các phương pháp tách ẩm:
- Phương pháp cơ học: là dùng các máy ép, máy lọc, ly tẩm. PP này dùng để
tách sơ bộ nước ra khỏi vật liệu
- Phương pháp hóa lý: dùng hóa chất có tính hút nước cao để tách ẩm: CaCl2
khan, H2SO4 đậm đặc, silicagen…PP này có khả năng tách triệt để ẩm ra khỏi
vật liệu tuy nhiên chỉ dùng chủ yếu để hút ẩm trong một hỗn hợp khí để bảo quản máy và thiết bị
- Phương pháp nhiệt: dùng nhiệt năng làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu – là pp
sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp và đời sống – Phương pháp Sấy
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) I. KHÁI NIỆM CHUNG
Sấy: là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu.
- QT có thể diễn ra tự nhiên bằng năng lượng mặt trời, năng lượng gió. PP này
đỡ tốn nhiệt năng, nhưng ko chủ động được tốc độ sấy, năng suất thấp, chất
lượng thấp, yêu cầu diện tích mặt bằng lớn...
- QT sấy nhân tạo, tùy theo phương pháp truyền nhiệt, kỹ thuật sấy chia ra:
✓ Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy với không
khí nóng, khói lò (tác nhân sấy).
✓ Sấy tiếp xúc là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy sấy tiếp xúc trực tiếp
với vật liệu sấy (QT Sao).
✓ Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sáy dùng năng lượng của tia hồng
ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy.
✓ Sấy bằng dòng điện cao tần (song viba): là phương pháp sấy dùng năng lượng
điện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày lớp vật liệu
✓ Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không ca,
nhiệt độ thấp nên ẩm tự dọ trong vật liệu đóng bang và bay hơi từ trạng thái
rắn thành hơi, không qua trạng thái lỏng.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) I. KHÁI NIỆM CHUNG
- QT sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp:
bao gồ cả quá trình khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt.
- Vận tốc quá trình quy định bởi giai đoạn nào chậm nhất
- Trong các quá trình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng
rất lớn và trực tiếp đến vận tốc quá trình sấy. Bởi vậy cần nghiên cứu các tính chất
và thông số cơ bản của không khí ẩm
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
Hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là không khí ẩm đặc trưng bởi các thông
số: độ ẩm tuyệt đối của không khí, độ ẩm tương đối của không khí, hàm ẩm của
không khí ẩm, nhiệt lượng riêng của không khí ẩm, điểm sương, nhiệt độ bầu ướt,
thể tích không khí ẩm, khối lượng riêng của không khí ẩm.
1. Độ ẩm tuyệt đối của không khí
- Là lượng hơi nước chứa trong 1 m3 không khí ẩm = có trị số bằng khối lượng
riêng của hơi nước ở trong hỗn hợp không khí ẩm, ký hiệu 𝜌ℎ 𝑘𝑔/𝑚3
2. Độ ẩm tương đối của không khí
- độ ẩm tương đối của không khí hay còn gọi là mức độ bão hòa hơi nước = tỷ số
giữa lượng nước chứa trong 1 m3 không khí/lượng nước chứa trong 1 m3 không
khí đó đã bão hòa hơi nước ở cùng nhiệt độ và áp suất, ký hiệu φ: 𝜑= 𝜌ℎ 𝜌𝑏ℎ
- Nếu coi hỗn hợp không khí tuân theo phương trình trạng thái khí lý tưởng: 1 𝑝
𝑝𝑉 = 𝑅𝑇 ℎ𝑎𝑦 𝜌 = = 𝑉 𝑅𝑇
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
2. Độ ẩm tương đối của không khí Vì Rh=Rbh nên: Trong đó
Khi lượng hơi nước trong hỗn hợp không khí tăng đến trạng thái bão hòa thì
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
3. Hàm ẩm của không khí ẩm
Hàm ẩm của không khí ẩm là lương hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô (kkk); ký hiệu x (kg ẩm/kg kkk)
Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng:
pkkk – áp suất riêng phần của không khí khô;
Rkkk – hằng số khí của không khí khô; Rkkk/Rh = 0,622
Theo định luật Dalton: 𝑝𝑘𝑘𝑘 = 𝑃 − 𝑝ℎ
P – áp suất của hỗn hợp khí Mà lại có:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
4. Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm
Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm là tổng nhiệt lượng của không khí khô và của hơi nước trong hỗn hợp 𝐽
𝐼 = 𝐶𝑘𝑘𝑘. 𝑡 + 𝑥. 𝑖ℎ ( 𝑘𝑘𝑘) 𝑘𝑔
Thay các giá trị trên vào:
Là nhiệt dung riêng của không khí ẩm khi hàm ẩm là x.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM 5. Điểm sương
- Giả sử có một hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước, làm lạnh hỗn hợp
trong điều kiện hàm ẩm x = const. thì nhiệt độ khối khí giảm dần. Độ ẩm tương
đối của không khí tăng dần đến trạng thái bão hòa hơi nước (𝜑 = 100%).
- Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ thì hỗn hợp khí bắt đầu xuất hiện những giọt sương
do hơi nước trong hỗn hợp khí ngưng tụ lại., khi đó x bắt đầu giảm dần.
- Nhiệt độ của hỗn hợp không khí ứng với trạng thái bão hòa hơi nước được gọi
là nhiệt độ điểm sương ts.
- Điểm sương là giới hạn của quá trình làm lạnh không khí trong điều kiện x=const.
Xác định nhiệt độ điểm sương: 𝜑 = 1
Biết được pbh (tương ứng với áp suất ở trạng thái điểm sương) tra bảng “ áp suất
hơi bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ, sẽ tìm được nhiệt độ của nước = ts.
- Trong tính toán dùng đồ thị I-x
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
6. Nhiệt độ bầu ướt
- Nếu cho nước bay hơi trong khối không khí chưa bão hòa hơi nước trong điều
kiện đoạn nhiệt – nghĩa là quá trình bay hơi nước xảy ra do nhiệt của khối
không khí cung cấp mà không cung cấp thêm nhiệt và cũng không lấy nhiệt của
khối không khí, thì trong quá trình bay hơi, nhiệt độ của không khí giảm dần,
hàm ẩm tăng dần, đến khi không khí bão hòa hơi nước thì hệ đạt trạng thái cân
bằng động. Nhiệt độ của không khí không giảm nữa, và bằng nhiệt độ của
nước bay hơi., nhiệt độ này gọi là nhiệt độ bầu ướt, ký hiệu tu.
- Vậy nhiệt độ bầu ướt là một thông số đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của
không khí để làm bay hơi nước cho đến khi không khí bão hòa hơi nước.
- Nhiệt độ đọc được ở nhiệt kế thường gọi là nhiệt độ bầu khô (t).
- Hiệu số nhiệt độ bầu khô và ướt đặc trưng cho khả năng hút ẩm của không khí,
gọi là thế sấy: 𝜀 = 𝑡 − 𝑡𝑢
- Đo nhiệt độ bầu ướt dùng ẩm kế (hoặc dùng nhiệt kế thường bọc vải ướt được
nhúng trong nước để tạo môi trường không khí ẩm 𝜌 = 1
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
7. Thể tích không khí ẩm
- Thể tích không khí ẩm tính theo 1 kg không khí khô được tính:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
8. Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí ẩm
- Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí ẩm = tổng khối lượng riêng của không
khí khô + khối lượng riêng của hơi nước ở cùng nhiệt độ:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
1. Nguyên tắc thành lập đồ thị I-x
- Tính toán quá trình sấy bằng pp
giải tích rất phức tạp, để đơn giản
dùng phương pháp đồ thị để xác
định trạng thái không khí ẩm – đồ thị của L.K.Ramdin
- Đồ thị được thành lập ở áp suất khí quyển 745 mmHg.
- Góc giữa hai trục chính của đồ thị là 135o
- Trục tung là hàm nhiệt I, trục hoành là hàm ẩm x.
- Đường đẳng I là các đường xiên song song với trục hoành
- Đường đẳng x là các đường thẳng
đứng song song với trục tung.
- Trên đồ thị có các đường t=const, 𝜑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, -
𝑣à đườ𝑛𝑔 á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 ℎơ𝑖 𝑟𝑖ê𝑛𝑔 𝑝ℎầ𝑛 =const
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
1. Nguyên tắc thành lập đồ thị I-x
- Đường đẳng nhiệt t=const được vẽ
từ PT trên, bằng cách cho t không đổi.
- t=const, quan hệ I- là đường thẳng
- Độ dốc (2493+1,97.t).103 tăng khi t tăng.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
1. Nguyên tắc thành lập đồ thị I-x
- Đường đẳng 𝜑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 đượ𝑐 𝑣ẽ 𝑡ừ 𝑃𝑇:
- Ứng với mỗi giá trị của 𝜑 ta cho 1 số
giá trị nhiệt độ (tương ứng với áp suất
hơi pbh ), xác định được x.
- Các đường 𝜑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 xuất phát từ 1
điểm nằm trên trục tung (x=0, t=-273 oC).
- Khi t=99,4 oC (nhiệt độ của hơi nước
bão hòa ở áp suất 745 mmHg – t sôi
của nước) thì có đường đẳng 𝜑 gần
như song song vơi x=const vì P=pbh, nên:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
1. Nguyên tắc thành lập đồ thị I-x
- Đường đẳng 𝜑 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 đượ𝑐 𝑣ẽ 𝑡ừ 𝑃𝑇:
- Trên 99,4 oC thì độ ẩm tương đối
không phụ thuộc vào nhiệt độ mà chỉ
phụ thuocj và x, đường đẳng 𝜑 song
song với đường đẳng x. -
𝜑 = 1, ứng với độ ẩm lớn nhất (bão
hòa) chia đồ thị thành 2 vùng: phía
trên là vùng không khí chưa bão hòa,
phía dưới là vùng không khí quá bão
hòa – một phần hơi sẽ ngưng tụ thành sương.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
1. Nguyên tắc thành lập đồ thị I-x
- Đường đẳng áp suất hơi riêng phần ph
- Áp suất hơi riêng phần ph chỉ phụ thuộc x:
- Quan hệ ph và x gần như là đường thẳng khi x nhỏ
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
2. Cách sử dụng đồ thị I-x
2.1. Cách xác định trạng thái không khí ẩm
- Trạng thái không khí ẩm đặc trưng bằng 4 thông số trạng thái: t, 𝜑 , x, I.
- Nếu dùng đồ thị I-x chỉ cần 2 trong 4 thông số để xác định trạng thái của không khí ẩm.
- Ví dụ: xác định trạng thái không khí ẩm có t=50 oC, x = 0,05 kg/kg kkk tại điểm A:
- Từ đó xác định I = 600 kJ/Kgkkk và 𝜑=60%
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
2. Cách sử dụng đồ thị I-x
2.2. Cách xác định điểm sương ts
- Cần xác định ts để biết giới hạn làm lạnh hỗn hợp không khí ẩm ở điều kiện
x=const. Từ đó xác định nhiệt độ cuối của quá trình sấy >ts để tránh hơi
ngưng tụ lại trên bề mặt vật liệu sấy.
- Giả sử hỗn hợp không khí ẩm biểu diễn
tại A (xA, IA). Kéo đường xA=const cắt
đường 𝜑=1, đường t=const đi qua giao
điểm này chính là nhiệt độ điểm sương
của trạng thái không khí ẩm A.
2.3. Cách xác định nhiệt độ bầu ướt
- Cần xác định tu để chọn nhiệt độ sấy thích hợp.
- Giả sử hỗn hợp không khí ẩm biểu diễn tại A (xA, IA).
- Theo đường IA=const cắt 𝜑=1, đường
t=const đi qua giao điểm này chính là nhiệt độ bầu ướt.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. ĐỒ THỊ I-X CỦA KHÔNG KHÍ ẨM
3. Mô tả quá trình thay đổi trạng thái trên đồ thị I-x 3.1. Khái niệm
- Sự thay đổi trạng thái của không khí gặp
trong quá trình: đun nóng, làm nguội,
làm ẩm, làm khô, trộn lẫn 2 loại không
khí có trạng thái khác nhau.
- Giả sử hỗn hợp không khí ẩm biểu diễn
tại A (xA, IA). Trạng thái cuối B không phụ
thuộc vào trạng thái trung gian AaB hoặc AbB.
- Giả thiết không khí ẩm được đun nóng với điều kiện x=const theo đường BD.
Khi đó ID> IB. xD=xB do vậy q1=+∞;
- Giả thiết không khí ẩm theo đường I=const; q1=0
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)