Đồ án I: Thiết kế hệ thống sấy ngô thùng quay năng suất 200kg/h môn Quá trình và thiết bị | Đại học Bách Khoa Hà Nội

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------
TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG ĐỒ ÁN I
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY NGÔ
THÙNG QUAY NĂNG SUẤT 200KG/H
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Mai Phương MSSV : 20111520
Lớp : KTTP04 – K66
Giảng viên hướng dẫn: Th.s Phan Minh Thụy
Hà Nội, 10/2024 1 MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 6
1.1 TỒNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU .............................................................. 6
1.1.1 Nguồn gốc và phân loại cây ngô .............................................................. 6
1.1.2 Đặc điểm nông sinh học của cây ngô ....................................................... 7
1.1.3 Thành phần hóa học ................................................................................. 7
1.1.4 Phân bố ...................................................................................................... 8
1.2 TỒNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ............................................................. 9
1.2.1 Bản chất của quá trình sấy ...................................................................... 9
1.2.2 Phương pháp thực hiện .......................................................................... 10
1.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................................ 13
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH .................................................. 14
2.1 CÁC THÔNG SỐ TÁC NHÂN SẤY VÀ CÔNG THỨC SỬ DỤNG ....... 14
2.2 TÍNH THÔNG SỐ CỦA TÁC NHÂN SẤY ............................................... 15
2.2.1 Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A) ............................... 15
2.2.2 Thông số trạng thái không khí sau khi đi qua caloriphe (B) .............. 16
2.2.3 Thông số trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy(C) ........................ 17
2.3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT .................................................................. 18
2.4 CÂN BẰNG NÂNG LƯỢNG CHO THUYẾT BỊ SẤY LÝ THUYẾT .... 18
2.5 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ SẤY THỰC .................... 20
2.6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ................................................................ 26
2.6.1 Đường kính của thùng sấy ..................................................................... 26
2.6.2 Chiều dài thùng sấy ................................................................................ 27
2.6.3 Thể tích thùng sấy ................................................................................... 27
2.6.4 Cường độ bay hơi ẩm ............................................................................. 27
2.6.5 Thời gian sấy ........................................................................................... 27
2.6.6 Thời gian lưu của vật liệu....................................................................... 28
2.6.7 Số vòng quay của thùng ......................................................................... 28 2
2.6.8 Tính bề dày cách nhiệt của thùng ......................................................... 29
2.6.9 Chọn kích thước cánh đảo trong thùng ................................................ 34
2.6.10 Chọn kích thước của các chi trong thiết bị thùng quay: ................... 36
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ....................................................... 37
3.1 TÍNH CHỌN CALORIPHE ........................................................................ 37
3.2 TÍNH XYCLON ............................................................................................ 38
3.3 TÍNH CHỌN QUẠT ..................................................................................... 40
LỜI KẾT ................................................................................................................. 42 3 DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1: Diện tích, năng suất và sản lượng ngô trồng tại các vùng sinh thái và số
thứ tự khi so sánh giữa các vùng…………………………………………………..6
Bảng 2: Thành phần hóa học gần đúng các thành phần chính của hạt ngô (%) . 7
Bảng 3: Tình hình sản xuất ngô của một số quốc gia trên thế giới ...................... 8
Bảng 4: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết ..................... 18
Bảng 5: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực ............................ 25
Bảng 6: Hệ số M ...................................................................................................... 27
Bảng 7: Các hệ số của không khí bên trong thùng sấy. ........................................ 29
Bảng 8: Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy: .................................. 30
Bảng 9: Các bề dày thùng và vật liệu ..................................................................... 31
Bảng 10: Thông số caloriphe .................................................................................. 38
Bảng 11: Kích thước cơ bản của xyclon đơn loại ЦH-15 (bảng III.5/524-[3]) ... 39 DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Các dạng cánh đảo .................................................................................... 12
Hình 2: Đồ thị I – d quá trình sấy lý thuyết ........................................................... 20
Hình 3: Đồ thị I - d biểu diễn cho quá trình sấy thực ........................................... 25
Hình 4: Sơ đổ truyền nhiệt qua vách thùng ........................................................... 31
Hình 5: Dạng cánh đảo trộn. .................................................................................. 34
Hình 6: Diện tích phần chứa vật liệu trong thùng ................................................ 35
Hình 7: Xyclo đơn ................................................................................................... 40 4 LỜI MỞ ĐẦU
Trong ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, vật liệu xây dựng,… thì sấy là
vấn đề rất quan trọng trong dây chuyền sản xuất. Trong ngành hóa chất vật liệu, quá
trình sấy dùng để tách nước và hơi nước ra khỏi nguyên liệu và sản phẩm. Trong ngành
nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm, sấy là công đoạn quan trọng sau thu hoạch đối
với các loại nông sản. Sản phẩm sau khi sấy có độ ẩm thích hợp thuận tiện cho việc bảo
quản, vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm.
Thực tế cho thấy nếu phơi khô hoặc sấy không kịp, nhiều nông sản có thể bị mất
mát do ẩm mốc và biến chất (chiếm khoảng 10-20%, đối với một vài loại có thể lên đến
40-50%). Ngoài ra, sấy còn là quá trình công nghệ quan trọng trong chế biến nông sản
thành thương phẩm. Do tính chất và thành phần của vật liệu sấy phải giữ được những
tính chất về giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng nên có thể sử dụng một số thiết bị
như sấy thùng quay, buồng sấy, hầm sấy, … Tuy nhiên thông dụng nhất trong sấy hiện
nay là kiểu sấy thùng quay với tác nhân sấy là không khí nóng.
Trên cơ sở những kiến thức đã học và sự hướng dẫn của thầy Phan Minh Thụy
trong đồ án môn học này em xin trình bày về “Tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng
quay sấy ngô với năng suất 200kg/h”. Do trình độ, khả năng nghiên cứu và tài liệu còn
bị giới hạn nên đồ án của em không thể tránh nhiều những sai sót cũng như những thiếu
sót trong quá trình tính toán, thiết kế. Qua đồ án này em kính mong được thầy cô góp
ý, chỉ bảo để em có thể bổ sung và củng cố kiến thức cho bản thân.
Em xin chân thành cảm ơn ! 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 TỒNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
1.1.1 Nguồn gốc và phân loại cây ngô
Ngô là cây lương thực quan trọng trên toàn thế giới bên cạnh lúa mì và lúa gạo.
Ở các nước thuộc Trung Mỹ, Nam Á và Châu Phi, Người ta sử dụng ngô làm lương
thực chính cho người với phương thức rất đa dạng theo vùng địa lý và tập quán từng nơi.
Ngô là cây thức ăn chăn nuôi quan trọng nhất hiện nay: 70% chất tinh trong thức
ăn tổng hợp của gia súc từ ngô. Ngô còn là thức ăn xanh và ủ chua lý tưởng cho đại gia
súc đặc biệt là bò sữa. Gần đây ngô còn là cây thực phẩm. Người ta dùng bắp ngô bao
tử làm rau cao cấp vì nó sạch và có hàm lượng dinh dưỡng cao. Ngô nếp, ngô đường
được dùng làm quả ăn tươi hoặc đống hộp làm thực phẩm xuất khẩu. Ngô còn là nguyên
liệu của ngành công nghiệp lương thực – thực phẩm và công nghiệp nhẹ để sản xuất
rượu, cồn, tinh bột, dầu, glucose, bánh kẹo…
Chính vì tầm quan trọng của nó trong nền kinh tế như vậy, cho nên cây ngô được
toàn thế giới gieo trồng và hình thành 4 vùng sinh thái cây ngô chính là: vùng ôn đới,
vùng cận nhiệt đới, vùng nhiệt đới cao và vùng nhiệt đới thấp. Việt Nam nằm trong
vùng nhiệt đới thấp. Cây ngô đã được đưa vào sản xuất cách đây 300 năm. Những năm
gần đây, nhờ có các chính sách khuyến khích của nhà nước và có nhiều tiến bộ khoa
học kỹ thuật, đặc biệt là về giống, cây ngô đã có những tăng trưởng đáng kể về diện
tích, năng xuất và sản lượng, đông thời đã hình thành 6 vùng trồng ngô chính trong cả nước.
Bảng 1: Diện tích, năng suất và sản lượng ngô trồng tại các vùng sinh
thái và số thứ tự khi so sánh giữa các vùng
(số liệu Thống kê năm 2020). Vùng Diên tích ngàn ha Năng suất tạ/ha Ngàn tấn Cả nước 942,50 48,40 4559,20 Đồng bằng Sông Hồng 64,40 51,00 328,50 Trung Du &MN PB 426,40 40,30 1716,50 Bắc TB &DHMT 173,10 48,30 836,80 Tây Nguyên 192,80 57,10 1100,40 Đông Nam Bộ 58,30 69,90 405,80 Đồng bằng Sông CL 27,50 61,90 170,20
Theo nguồn : Báo chăn nuôi Việt Nam 10/01/2023 6
1.1.2 Đặc điểm nông sinh học của cây ngô
Cơ quan sinh dưỡng của ngô gồm: rễ, thân và lá làm nhiệm vụ duy trì đời sống
cá thể. Hạt được coi là cơ quan khởi đầu của cây.
Hạt ngô thuộc loại quả dĩnh gồm 4 bộ phân chính: vỏ hạt, lớp alơron, phôi và
nội nhũ. Phía dưới hạt có gốc hạt gắn liền với lõi ngô. Vỏ hạt bao bọc xung quanh, màu
sắc vỏ hạt tùy thuộc vào từng giống, nằm sau lớp vỏ hạt là lớp aleron bao bọc lấy nội
nhũ và phôi. Nội nhũ là thành phần chính 70-78% trọng lượng hạt, thành phần chủ yếu
là tinh bột, ngoài ra còn có protein, lipid, vitamin, khoáng và enzyme để nuôi phôi phát
triển. Phôi ngô lớn (chiếm 8 -15%) nên cần chú trọng bảo quản.
1.1.3 Thành phần hóa học
• Vỏ hạt (chiếm 6–9% khối lượng hạt ngô): là một màng nhẵn bao bọc xung quanh
hạt có màu trắng, màu tím hoặc vàng tùy thuộc vào giống.
• Lớp aleron (6–8%): nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ và phôi.
• Nội nhũ (70–85%): là bộ phận chính chứa đầy các chất dinh dưỡng để nuôi phôi.
Nội nhũ chứa tinh bột. Tinh bột nội nhũ gồm 3 loại: bột, sừng và pha lê. Đặc
điểm và màu sắc nội nhũ là căn cứ để phân loại ngô.
• Phôi (8–15%): bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm, và chồi mầm. Phôi
ngô chiếm gần 1/3 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận
chuyển nước vào phôi và ngược lại thuận lợi.
• Chân hạt: gúp hạt đính chặt vào bắp ngô.
Bảng2 : Thành phần hóa học gần đúng các thành phần chính của hạt ngô (%)
Thành phần hóa học Vỏ hạt Nội nhũ Mầm Protein 3.7 8.0 18.4 Chất béo 1.0 0.8 33.2 Chất xơ thô 86.7 2.7 8.8 Tro 0.8 0.3 10.5 Tinh bột 7.3 87.6 8.3 Đường 0.34 0.62 10.8
Theo nguồn: Watson, 1987 (theo Ngô – Nguồn dinh dưỡng của loài người, FAO, 1995) 7 1.1.4 Phân bố
Trên thế giới, ngô là một trong những cây ngũ cốc quan trọng, diện tích đứng
thứ 3 sau lúa mì và lúa nước; sản lượng thứ hai và năng suất cao nhất trong các cây ngũ
cốc. Một số nước như Trung Quốc, Mỹ, Braxin chủ yếu là sử dụng ngô lai trong gieo
trồng và cũng là những nước có diện tích trồng ngô lớn.Tình hình sản xuất ngô của một
số quốc gia trên thế giới được thể hiện qua bảng 1.2 .
Bảng 3: Tình hình sản xuất ngô của một số quốc gia trên thế giới năm 2023/24 Tên nước Diện tích Năng suất Sản lượng (Triệu ha) (Tạ/ha) (triệu tấn) Italy 1,06 93,15 10,62 Mỹ 30,08 100,64 280,22 Hy lạp 0,84 80,95 6,80 Canada 1,08 77,43 8,39 Trung Quốc 26,22 50,01 131,15 Ấn Độ 7,40 19,60 14,50
Qua bảng 1.2 cho thấy, Mỹ là nước có diện tích, năng suất, sản lượng lớn nhất
đạt 30,08 triệu ha, với tổng sản lượng đạt 280,22 triệu tấn, năng suất bình quân đạt 100,64 tạ/ha.
Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và là cây màu
quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo
trồng và hệ thống canh tác.Ở nước ta ngô được trồng ở hầu hết các địa phương có đất
cao dễ thoát hơi nước. Những vùng trồng ngô lớn là Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, miền
núi phía Bắc, Trung du đồng bằng Sông Hồng, Duyên hải Miền Trung.
Vấn đề bảo quản ngô nhìn chung là khó khăn vì ngô là môi trường thuận lợi rất
thích hợp cho sâu mọt phá hoại. Muốn bảo quản lâu dài thì hạt phải có chất lượng ban 8
đầu tốt, có độ ẩm an toàn. Vì vậy quá trình sấy hạt sau thu hoạch có vai trò quan trọng
trong bảo quản, chế biến cũng như nâng cao chất lượng hạt. Với phương pháp này sẽ
bảo quản được lâu hơn, dể dàng vận chuyển và ứng dụng cho nhiều quá trình chế biến các sản phẩm khác.
1.2 TỒNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP
1.2.1 Bản chất của quá trình sấy
Sấy là qúa trình tách pha lỏng ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt, là quá
trình khuếch tán do sự chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu, hay nói cách khác
do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
*) Phân loại quá trình sấy
Người ta phân biệt ra 2 loại:
➢ Sấy tự nhiên: nhờ tác nhân chính là nắng, gió ... Tuy nhiên, phơi nắng bị hạn chế lớn
là cần diện tích sân phơi rộng và phụ thuộc vào thời tiết, đặc biệt bất lợi trong mùa mưa.
➢ Sấy nhân tạo: là quá trình cần cung cấp nhiệt, nghĩa là phải dung dến tác nhân sấy
như khói lò, không khí nóng, hơi quá nhiệt.Quá trính sấy này nhân, dễ điều khiển và
triệt để hơn sấy tự nhiên.
Và cũng có nhiều cách phân loại: ➢ Dựa vào tác nhân sấy:
- Sấy bằng không khí hay khói lò. - Sấy thăng hoa.
- Sấy bằng tia hồng ngoại hay bằng dòng điện cao tầng. ➢
Dựa vào áp suất làm việc: - Sấy chân không.
- Sấy ở áp suất thường. ➢
Dựa vào phương pháp làm việc: - Máy sấy liên tục. 9 - Máy sấy gián đoạn. ➢
Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho qúa trình sấy:
- Máy sấy tiếp xúc hoặc máy sấy đối lưu.
- Máy sấy bức xạ hoặc máy sấy bằng dòng điện cao tầng ➢
Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục, sấy thùng
quay, sấy tầng sôi, sấy phun… ➢
Dựa vào chuyển động tương hỗ của tác nhân sấy và vật liệu sấy: sấy xuôi chiều,
ngược chiều, chéo dòng…
1.2.2 Phương pháp thực hiện
Để nâng cao giá trị sử dụng nhiều mặt của ngô thì các công đoạn sau thu hoạch
như làm khô, bảo quản và chế biến nhằm làm giảm tổn thất cũng như duy trì chất lượng
ngô là việc làm vô cùng quan trọng và cần thiết. Khi bảo quản ngô hạt phải đặc biệt
quan tâm tới tình trạng phôi ngô vì phôi ngô dễ hút ẩm, có sức hấp dẫn mọt cao, dễ hư
hỏng. Đặc biệt sẽ xảy ra quá trình hô hấp trong quá trình bảo quản.
Mục tiêu của bảo quản: giữ được đến mức tối đa số lượng và chất lượng của đối
tượng bảo quản trong suốt quá trình bảo quản. Ngô hạt không có vỏ như vỏ trấu, nếu
điều kiện bảo quản không tốt (ngô chưa chín già, phơi chưa thật khô, dụng cụ chứa đựng
không kín...)thì chim, chuột, mốc, mọt có thể phá hỏng hoàn toàn cả kho ngô trong vòng
vài ba tháng. Vì vậy cần làm ngô khô đến độ ẩm 12-13% để có thể bảo quản an toàn,
hạn chế mức độ hư hỏng.
Có thể làm khô ngô khô bằng hai cách: Phơi nắng hoặc sấy. Nhưng trong đề tài
này yêu cầu sử dụng phương pháp sấy cho nên muốn bảo quản lương thực hoặc chế
biến sản phẩm chất lượng cao, các loại hạt cần được sấy xuống độ ẩm bảo quản hoặc
chế biến. Để thực hiện quá trình sấy có thể sử dụng nhiều hệ thống như buồng sấy, hầm
sấy, tháp sấy, thùng sấy…Mỗi hệ thống đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng
dụng khác nhau. Chế độ sấy có ảnh hưởng rất lớn chất lượng sản phẩm vì sấy là quá
trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất phức tạp và không những làm thay đổi cấu trúc vật
lý mà còn cả thành phần hóa học của nguyện liệu. Để sấy ngô là nông sản dạng hạt,
người ta thường dùng thiết bị sấy tháp hoặc sấy thùng quay. 10
Hệ thống sấy thùng quay là một hệ thống sấy đối lưu. Cấu tạo chính là một thùng
sấy hình trụ tròn được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang một khoảng 1÷5 độ. Có
hai vành đai trượt trên các con lăn đỡ khi thùng quay. Khoảng cách giữa các con lăn có
thể điều chỉnh được để thay đổi góc nghiêng của thùng. Thùng sấy quay với tốc độ
0,5÷8 vòng/phút nhờ một động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc. Bên trong thùng
sấy có lắp cánh đảo để xáo trộn vật liệu làm cho hiệu suất đạt cao hơn, phía cuối thùng
có hộp tháo sản phẩm. Hệ thống sấy thùng quay làm việc ở áp suất khí quyển. Tác nhân
sấy có thể là không khí sạch hay khói lò. Tác nhân sấy và vật liệu sấy có thể chuyển
động cùng chiều hoặc ngược chiều. Vận tốc của tác nhân sấy đi trong thùng không quá
3 m/s để tránh vật liệu bị cuốn nhanh ra khỏi thùng.
Tác nhân sấy sử dụng cho quá trình sấy có thể là không khí nóng hoặc khói lò.
Quá trình sấy bắp đòi hỏi đảm bảo tính vệ sinh an toàn cho thực phẩm nên ở đây ta
chọn tác nhân sấy là không khí, được đun nóng bởi caloriphe, nhiệt cung cấp cho không
khí trong caloriphe là từ lò hơi. Nhiệt độ tác nhân sấy phụ thuộc vào bản của hạt. Nguyên
liệu là bắp là nguyên liệu chứa nhiều tinh bột, cho nên nhiệt độ sấy phụ thuộc vào nhiệt
độ hồ hóa tinh bột, nhiệt độ hồ hóa tinh bột ngô là khoảng 620C-720C, do đó cần chọn
nhiệt độ tác nhân sấy phù hợp, không cao cũng không thấp, mục đích là đẩy nhanh quá
trình sấy và không làm cho nhiệt độ của nguyên liệu vượt quá nhiệt độ hồ hóa, vì vậy
em chọn nhiệt độ tác nhân sấy đưa vào thùng sấy là 600C. Ngô được sấy liên tục với tác
nhân là không khí nóng. Dựa vào tính chất vật liệu của ngô nên ta chọn phương thức
sấy cùng chiều vì tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, sản phẩm ít bị biến tính, giảm
nguy cơ hư hỏng do vi sinh vật, tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật
liệu sấy như sấy ngược chiều. Mặt khác, với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao
lắm thì khi sấy cùng chiều vật liệu sấy và tác nhân sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy
diễn ra nhanh hơn. Sau khi sấy, ngô được tháo ra qua cửa tháo sản phẩm, còn tác nhân
sấy sẽ đi qua ống thải khí và thải khí ra ngoài môi trường.
Để giảm thời gian sấy ta phải tăng tốc độ tác nhân sấy bằng hệ thống quạt ly tâm
hay hướng trục. Dựa vào nguyên liệu là ngô ta chọn chế độ sấy cùng chiều vì phương
pháp này có cường độ cao, thời gian sấy giảm, sản phẩm ra khỏi hầm đã nguội, kinh tế
hơn, áp dụng cho các sản phẩm không cần để ý tới cong vênh, nứt nẻ, còn sấy ngược 11
chiều thì thành phẩm phải có chất lương cao nhưng không được không cong vênh và nứt nẻ.
Các cánh trộn trong thùng chứa có tác dụng phân phối đều cho vật liệu theo tiết
diện thùng, đảo trộn vật liệu để tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy,
cấu tạo của cánh trộn phụ thuộc vào kích thước vật liệu sấy và độ ẩm của nó.
Các loại cánh đảo phổ biến như: -
Cánh đảo nâng, đổ: dùng để sấy vật liệu có kích thước lớn, dễ bám dính vào
thùng thì dùng cánh nâng vật sấy lên cao rồi đổ xuống tạo mưa hạt. -
Cánh đảo phân chia (phân phối): dùng với vật sấy có kích thước nhỏ hơn, dễ chảy. -
Cánh đảo hình quạt: được dùng cho trường hợp vật sấy có kích thước lớn và có
trọng lượng riêng lớn. -
Cánh đảo trộn: dùng cho vật sấy có kích thước nhỏ như bột. a) b) c) d) e)
Hình 1: Các dạng cánh đảo
a-Cánh nâng, đổ; b,c-Cánh phân chia; d-Cánh hình quạt; e-Cánh đảo trộn. Ưu điểm:
+ Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy
+ Cường độ sấy lớn, có thể đạt 100kg ẩm bay hơi/m3h.
+ Thiết bị có thể cơ khí và tự động hóa hoàn toàn. Nhược điểm
+ Vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ tạo bụi do vỡ vụn. Do đó trong nhiều trường hợp
sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm sấy. 12
+ Thiết bị cồng kềnh, chiềm nhiều diện tích.
1.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Vật liệu sấy là bắp hạt sau khi được rửa sạch, đề cho ráo nước tuốt ra khỏi cùi,
được cho vào buồng chứa, sau đó được nhập liệu vào thùng sấy bằng hệ thống gầu tải.
Bắp hạt khi vào thùng sấy có độ ẩm ban đầu là 22%, chuyển động cùng chiều với tác
nhân sấy. Tác nhân sấy sử dụng là không khí được gia nhiêt bằng lò hơi qua hệ thống
caloriphe khí - hơi. Dòng tác nhân sấy được gia tốc bằng quạt đẩy đặt ở trước thiết bị,
và quạt hút đặt cuối thiết bị.Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng một góc 1-50C
so với mặt phẳng ngang, được đặt trên một hệ thống các con lăn đỡ và chặn. Chuyển
động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc
đến bánh răng gắn trên thùng. Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và
đảo trộn vật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân
sấy, do đó tăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấy diễn ra
triệt để. Trong thùng sấy, bắp hạt được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống.
Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền
nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm. Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được
vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng.. Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ
đạt được độ ẩm cần thiết cho quá trình bảo quản là 12% -13%. Sản phẩm bắp (ngô) hạt
sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệu sẽ được băng tải
đưa ra ngoài và vào hệ thống bao gói, để bảo quản hay dùng vào các mục đích chế biến
khác. Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy chứa nhiều bụi, do đó cần phải đưa qua
một hệ thống lọc bụi để tránh thải bụi bẩn vào không khí gây ô nhiễm. Ở đây, ta sử dụng
hệ thống lọc bụi bằng cyclon đơn. Không khí sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môi
trường. Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclon và được xử lý riêng. 13
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Vật liệu sấy là ngô(bắp) hạt, có các thông số vật lý cơ bản như sau: ➢
Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: 1 =22% ➢
Độ ẩm cuối của vật liệu sấy: 1 =13% ➢
Khối lượng riêng của hạt vật liệu: r = 1000-1300 kg/m3 (phụ lục 4/330-[3]) ➢
Khối lượng riêng khối hạt: r = 600-850 kg/m3 (phụ lục 4/230-[3]) ➢
Kích thước bắp hạt (phụ lục 3/220-[3]) • Dài: l = 5,2 -14mm • Rộng: b = 5 -11mm • Dày:  =3 -8 mm
• Đường kính tương đương: dtđ = 7,5mm ➢
Năng suất nhập liệu: G1 = 200 kg/h. ➢
Nhiệt dung riêng của vật kiêu khô: Ck = 1.2 – 1.7 kJ/kg (Trang 20- [2]) Chọn Cvk=1,45 kJ/kg.K
2.1 CÁC THÔNG SỐ TÁC NHÂN SẤY VÀ CÔNG THỨC SỬ DỤNG
Ta kí hiệu các đại lượng như sau:
G1, G2: Lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi mấy sấy (kg/h).   1,
2: Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy tính theo % khối lượng vật liệu ướt
W: Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy (kg/h).
Gk: Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua mấy sấy (kg/h)
d0: Hàm ẩm của không khí ngoài trời(kg ẩm/kg kkk)
d1: Hàm ẩm của không khí trước khi vào buồng sấy (kg ẩm/kg kkk)
d2: Hàm ẩm của không khí sau khi sấy (kg ẩm/kg kkk)
Dùng tác nhân sấy là không khí ➢
Áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm theo nhiệt độ: 14 4026,42
𝑝𝑏 = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) [bar] (CT 2.11/14-[1]) 235,5+𝑡𝑜𝐶 ➢ Độ chứa ẩm d 𝜑.𝑝 𝑑 = 0,621 𝑏 [kg/kgkk] (CT 2.15/15-[1]) 𝐵−𝜑.𝑝 𝑏
Với B: áp suất khí trời. B =1at = 0,981bar ➢
Enthapy của không khí ẩm
𝐼 = 𝐶𝑝𝑘. 𝑡 + 𝑑(𝑟 + 𝐶𝑝𝑎. 𝑡) = 1,004. 𝑡 + 𝑑(2500 + 1,842. 𝑡) [kg/kgkk] (CT 2.17/15-[1]) Trong đó:
• Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô, Cpk = 1,004 kJ/kgoK
• Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước, Cpa = 1,842 kJ/kgoK
• r: ần nhiệt hóa hơi của nước r =2500 kJ/kg ➢
Thể tích riêng của không khí ẩm 𝑅𝑇 288.𝑇 𝑣 = =
[m3/kgkk] (CT VII.8/94–[3]) 𝑀(𝐵−𝜑.𝑝𝑏) 𝐵−𝜑.𝑝𝑏 Trong đó:
R: Hằng số khí, R=288J/kg.0K;
M: khối lượng không khí,M= 29 kg/kmol
B,pb: áp suất khí trời và phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí, N/m2.
T: nhiệt độ của không khí,0K
2.2 TÍNH THÔNG SỐ CỦA TÁC NHÂN SẤY
2.2.1 Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A)
Trạng thái không khí ngoải trời được biểu diễn bằng trạng thái A, xác định bằng cặp thông số (to, j0).
Chọn A có: to =260C và j0 = 81% Áp suất hơi bảo hòa 4026,42 4026,42
𝑝𝑏 = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) = 0,033 (bar) 𝑜 235,5+𝑡𝑜 235,5+26 ➢ Độ chứa ẩm 𝜑 0,81.0,033 𝑑 𝑜.𝑝𝑏𝑜 𝑜 = 0,621 = 0,621 = 0,017 (kg ẩm/kg kkk) 𝐵−𝜑𝑜.𝑝𝑏 0,981−0,81.0,033 𝑜 ➢ Enthalpy 15
𝐼0 = 1,004. 𝑡0 + 𝑑0(2500 + 1,842. 𝑡0)
= 1,004.26 + 0,018(2500 + 1,842.26) = 71,966 (kJ/kgkk) ➢ Thể tích riêng 𝑅𝑇 288.𝑇 288.(26+273) 𝑣0 = = = =0,902 ( 𝑚3 ) 𝑀(𝐵−𝜑0.𝑝𝑏 ) 𝐵−𝜑 0.981.105−0,81.0,033.105 𝑘𝑔𝑘𝑘𝑘 0 0.𝑝𝑏0
2.2.2 Thông số trạng thái không khí sau khi đi qua caloriphe (B)
Không khí được quạt đưa vào caloriphe và được đốt nóng đẳng ẩm (d1 =d0) đến
trạng thái B (d1, t1). Trạng thái B cũng là trạng thái của tác nhân sấy vào thùng quay.
Nhiệt độ t1 tại điểm B là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy, do tính chất của vật liệu sấy
và quy trình công nghệ quy định. Nhiệt độ của tác nhân sấy ở B được chọn phải thấp
hơn nhiệt độ hồ hóa của tinh bột. Do ngô là loại hạt giàu tinh bột, ban đầu khi độ ẩm
của vật liệu sấy còn cao, nếu vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy nhiệt độ cao thì lớp hạt
tinh bột bị hồ hóa và tạo thành một lớp keo mỏng bịt kín bề mặt thoát ẩm từ lòng vật liệu ra ngoài.
Ngô được sấy nhằm mục đích cho người sử dụng vì vậy phải sấy ở nhiệt độ thấp, khoảng 40 -600C.
Do đó, chọn điểm B: t1=650 C và d1 =d0 = 0,017 (kg/kgkkk)
➢ Áp suất hơi bảo hòa 4026,42 4026,42
𝑝𝑏 = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) = 0,247 (𝑏𝑎𝑟) 1 235,5+𝑡1 235,5+65
Tử độ chứa ẩm suy ra độ ẩm tương đối 𝑑 0,017.0,981 𝜑 1𝐵 1 = = = 0,106 𝑝𝑏 (0,621+𝑑 0,247.(0,621+0,017) 1 1) ➢ Enthalpy
𝐼1 = 1,004. 𝑡1 + 𝑑1(2500 + 1,842. 𝑡1)
= 1,004.65 + 0,017. (2500 + 1,842.65) = 109,795 (kJ/kgkk) ➢ Thể tích riêng 16 288.𝑇 288.(65+273) 𝑣 1 1 = = = 1,02 ( 𝑚3 ) 𝐵−𝜑1.𝑝𝑏 0,981.105−0,106×0,247.105 𝑘𝑔𝑘𝑘 1
2.2.3 Thông số trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy(C)
Không khí ở trạng thái B được đẩy vào thiết bị để thực hiện quá trình sấy lý
thuyết (I1= I2), trạng thái không khí ở đầu ra của thiết bị sấy là C(t2, φ2).
Nhiệt của tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy t2 tùy chọn sao cho tổn thất do tác
nhân sấy mang đi là bé nhất, nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương, nghĩa là tránh
trạng thái C nằm trên đường bảo hòa. Đồng thời, độ chứa ẩm của tác nhân sấy tại C phải
nhỏ hơn độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở lại.
Với, Enthalpy: I1=I2=109,795 kJ/kgkk
Chọn nhiệt độ đầu ra của thiết bị sấy là t2=350C ➢ Áp suất hơi bảo hòa 4026,42 4026,42
𝑝𝑏 = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) = 𝑒𝑥𝑝 (12 − ) = 0,056 (𝑏𝑎𝑟) 2 235,5+𝑡2 235,5+35 ➢ Độ chứa ẩm
Từ Ethalpy: 𝐼2 = 1,004. 𝑡2 + 𝑑2(2500 + 1,842. 𝑡2) 𝐼 109,795 − 1,004.35 𝑘𝑔 ⇒ 𝑑 2 − 1,004. 𝑡2 2 = = = 0,03 ( ) 2500 + 1,842. 𝑡2 2500 + 1,842.35 𝑘𝑔𝑘𝑘 ➢ Độ ẩm tương đối 𝑑 0,03.0,981 𝜑 2. 𝐵 2 = = = 0,807 𝑝𝑏 (0,621 + 𝑑 0,056. (0,621 + 0,03) 2 2) ➢ Thể tích riêng 288.𝑇 288(35+273) 𝑣 2 2 = = = 0,948 ( 𝑚3 ) 𝐵−𝜑2.𝑝𝑏 0,981.105−0,807.0,056.105 𝑘𝑔𝑘𝑘𝑘 2 17
Bảng 4: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết Đại lượng Trạng thái không Trạng thái không khí Trạng thái không khí khí ban đầu(A) vào thiết bị sấy (B) ra khỏi thiết bị sấy (C) t (oC) 26 65 35  (đơn vị) 0,810 0,106 0,807 d (kg/kgkk) 0,017 0,017 0,030 I (kJ/kgkk) 71,966 109,795 109,795 pb (bar) 0,033 0,247 0,056 v (m3/kgkk) 0,902 1,020 0,948
2.3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT ➢
Phương trình cân bằng vật chất 𝑊 = 𝐺1 − 𝐺2
𝑊 = 𝐺1𝜔1 − 𝐺2𝜔2 (Trang 127-[1]) ➢ ➢
Lượng hơi ẩm bốc trong 1 giờ 𝜔 0,22−0,13 𝑊 = 𝐺 1−𝜔2 1 = 200 = 20,69 (𝑘𝑔) 1−𝜔2 1−0,13 ℎ
➢ Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
𝐺𝑘 = 𝐺1(1 − 𝜔1) = 𝐺2(1 − 𝜔2) 𝑘𝑔
=> 𝐺𝑘 = 200(1 − 0,22) = 156 ( ) ℎ ➢
Năng suất của sản phẩm sấy:
𝐺2 = 𝐺1 − 𝑊 = 200 − 20,69 = 179,31 (𝑘𝑔) ℎ
2.4 CÂN BẰNG NÂNG LƯỢNG CHO THUYẾT BỊ SẤY LÝ THUYẾT
Người ta gọi thiết bị sấy lý tưởng là thiết bị sấy thỏa mản các điều kiện sau đây: 18
➢ Nhiệt lượng bổ sung QBS=0
➢ Tổn thất nhiệt qua các kết cấu bao che QBC=0
➢ Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải QCt=0
➢ Tổn thất do vật liệu sấy mang đi QV=0
➢ Chỉ có tổn thất do tác nhân sấy mang đi
Do không có nhiệt lượng bổ sung và các loại tổn thất nên nhiệt lượng cần thiết để bốc
hơi ẩm trong vật liệu sấy được lấy ngay chính nhiệt lượng của tác nhân sấy và sau đó
ẩm dưới dạng hơi lại quay trở lại tác nhân và mang trả lại cho tác nhân một nhiệt
lượng đúng bằng thế, nhiệt lượng này thể hiện dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt vật
lý của hơi nước. Vì vậy người ta xem quá trình sấy lý tưởng là quá trình đẳng entanpy.
Đây là đặc trưng cơ bản của quá trình sấy lý thuyết.
Giả sử lượng khí vào ra thiết bị sấy là không đổi, kí hiệu là: L0 (kg/h)
Theo phương trình cân bằng vật chất ta có: 𝐿
0𝑑1 + 𝐺1𝜔1 = 𝐿0𝑑2 + 𝐺2𝜔2
➢ Lượng không khí khô cần thiết 𝑊 20,69 𝑘𝑔 𝐿0 = = = 1591,538 ( ) 𝑑 2−𝑑0 0,03−0,017 ℎ
➢ Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm: 𝐿 1 1 𝑙 0 0 = = =
= 76,923 (kgkk/kg ẩm) (CT 7.14/131- [1]) 𝑊 𝑑 0,03−0,017 2−𝑑0
➢ Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý thuyết
𝑄0 = 𝐿0(𝐼1 − 𝐼0) = 𝐿0(𝐼2 − 𝐼0)
= 1591,538.(109,795 − 71,966)= 60206,291 (KJ/h) (CT 7.15/131 [1])
➢ Nhiệt lượng tiêu hao riêng: 𝑄 60206,291 𝑞 0 0 = =
= 2909,922 (𝑘𝐽⁄𝑘ℎ ẩ𝑚) 𝑊 20,69 (CT 7.16/131- [1]) 19
Hình 2: Đồ thị I – d quá trình sấy lý thuyết
2.5 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ SẤY THỰC
Một thiết bị sấy ngoài tổn thất do tác nhân sấy mang đi còn có thề có nhiệt lượng
bổ sung QBS và luôn luôn tồn tại tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che QBC,
tồn thất nhiệt do thiết bị sấy chuyển tải và tổn thất nhiệt lượng do vật liệu sấy mang đi QV.
Trong thiết bị sấy thùng quay, không sử dụng nhiệt bổ sung và thiết bị không có thiết
bị chuyển tải, dó đó QBS=0, QCT=0.
❖ Nhiệt lượng đưa vào hệ thống sấy gồm:
➢ Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong calorifer: L(I1-I2)
➢ Nhiệt lượng bổ sung QBS
➢ Nhiệt vật lý do thiết bị chuyển tải mang vào: GCTCCTtCT1
➢ Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang vào: [(G1-W)CV1+WCa]tV1
❖ Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
➢ Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi L(I2-I0)
➢ Nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che: QBC
➢ Nhiệt vật lý do thiết bị chuyển tải mang ra: GCTCCTtCT2
➢ Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang ra: G2CV2tV2. 20