Khóa luận Thiết kế phân xưởng thành phần nhà máy Supe Lâm Thao

Lời cảm ơn! Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Đắc Vinh đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian nghiên cứư để hoàn thành bản khóa luận này, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện khóa luận. Hà Nội, tháng 12 năm 2004 Sinh viên thực hiện Hoàng Mậu Ngọ Lời nói đầu Từ xa xưa con người đã biết sấy khô vật liệu ẩm bằng nhiều cách khác nhau. Ngày nay kỹ thuật sản xuất phát triển và vai trò của ngành sấy càng trở nên quan trọng trong việc sấy khô, để bảo quản thực phẩm nên nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Trong quá trình công nghệ sản xuất của nhiều nhà máy đều phải có công đoạn sấy khô để bảo quản dài ngày. Công nghệ này ngày càng phát triển trong ngành hải sản rau quả và các ngành thực phẩm khác, các sản phẩm thực phẩm dạng hạt như phân bón NPK, đường , lúa, ngô, cà fê....... Phân bón NPK nó có ý nghĩa rất quan trọng đối với cây trồng. Nó là hợp phần không thể thiếu trong cây trồng, nó cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cho các loại cây trồng. Chính vì vậy cần phải sấy khô để bảo quản lâu dài. Nhưng các nhu cầu sấy NPK còn rất đa dạng có nhiều phương thức sấy và thiết bị sấy. Với mục đích yêu cầu của đề tài “ thiết kế công đoạn thành phần ở Công ty Supe và Hóa Chất Lâm Thao ” nên em chỉ xin trình bày khái quát các công thức sấy và đại cương về quá trình sấy, chủ yếu đi sâu vào thiết bị sấy đặc chủng nào đó để tính toán và thiết kế các thiết bị trong công đoạn của thành phần Công ty Supe. Trong quá trình thực hiện khóa luận này ngoài ra việc cố gắng và tìm tòi tham khảo các tài liệu chuyên ngành và được sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện của Thầy giáo TS. Nguyễn Đắc Vinh cùng các thầy cô ở bộ môn Công nghệ Hóa học . Hôm nay khóa luận này đã hoàn thành tuy có nhiều cố gắng nhưng đây mới lần đầu tiên tính toán và thiết kế một đề tài thực tế. Nên thiếu nhiều kinh nghiệm, nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong các thầy cô góp ý và bổ sung cho đề tài được tốt hơn. Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2004 Sinh Viên Thực Hiện Phần i: Mở đầu I – vai trò công nghệ sản xuất NPK. Để thuận tiện cho việc sử dụng thay thế cho các loại phân đơn đạm, lân, Kali, tạo điều kiện bón phân cân đối hợp lý, nâng cao hiệu quả bón phân. Công ty đã phối kết hợp với các viện nghiên cứu KHKT Nông nghiệp , các trung tâm khuyến nông sản xuất thành công với các loại phân bón NPK với chủng loại phong phú, phù hợp với nhiều loại đất, cây trồng giai đoạn sinh trưởng của cây. - Mục tiêu phát triển là “ xây dựng nền nông nghiệp sinh thái đa canh đa dạng hóa sản phẩm, kết hợp nông nghiệp, lâm nghiệp với công nghiệp và dịch vụ nông thôn, từng bước Công nghiệp hóa, đáp ứng nhu cầu trong nước, đồng thời xuất khẩu đạt hiệu quả cao, nâng cao đời sống nông dân, xây dựng nông thôn mới”. Xuất phát từ mục tiêu trên, để có một nền nông nghiệp phát triển, chúng ta phảt chuyển từ nông nghiệp truyền thống chủ yếu “ dựa vào đất ”sang một nền nông nghiệp thâm canh “ dựa vào phân bón ” với giống mới năng suất cao, chất lượng tốt vầ phòng trừ dịch bệnh tổng hợp. Tuy nhiên trong nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng phân bón tại Việt Nam với nhiều loại đất, nhiều loại cây trồng còn thiếu khoa học và lãng phí. Nông dân chỉ quan tâm đến nhiều đất sử dụng phân đạm mà còn ít quan tâm đến Kali và các nguyên tố chung, vi lượng khác. Chính vì vậy, một trong những yếu tố để nâng cao chất lượng cuả phân bón là cần có những hiểu biết nhất định về tỷ lệ giữa lượng chất dinh dưỡng cây hút được từ phân bón . Tuy nhiên, để tính được hệ số này cần phải có các khu vực đối chứng để loại trừ lượng dinh dưỡng cây hút được từ đất. Hơn nữa, hiệu ứng tương hỗ thường xảy ra khi bón phân, đó là: i ) khi có phân bón, bộ rễ phát triển mạnh hơn, do đó cây trồng cũng hút được từ đất nhiều dinh dưỡng hơn khi đất có sẵn chất dinh dưỡng nào đó, khi được bón thêm yếu tố chất dinh dưỡng vốn là cặp tương hỗ thì cây trồng cũng hút được nhiều nguyên tố kia từ đất. Vấn đề này xảy ra rất phổ biến như hút đạm bón lân trên đất phèn hay hút đạm với bón Kali trên đất nhẹ..... Hệ số sử dụng phân bón phụ thuộc vào liều lượng bón, thời kỳ bón, chủng loại phân bón và tỷ lệ cân đối trong mối quan hệ với các yếu tố dinh dưỡng khác. Ngoài ra, với phân hóa học, hiệu suất còn phụ thuộc vào chủng loại và liều lượng phân hữu cơ. Hiện nay trung bình hiệu suất sử dụng phân đạm mới đạt 40 – 45%, phân lân và kali khoảng 50 – 60%. Do vậy việc xác định được hiệu suất và hệ số sử dụng phân bón sẽ cho phép tìm ra giải pháp tiết kiệm phân bón hoặc nâng cao năng suất cây trồng. Có 13 chất dinh dưỡng thiết yếu đối với sinh trưởng và phát triển của cây trồng là đạm, lân, kali, canxi, magiê, lưu huỳnh, kẽm, đồng, sắt, clo, coban, molyđen, mangan. Tất nhiên cây trồng còn cần đến các nguyên tố cacbon (C), hyđro (H), và oxy (O), song các chất này rất có sẵn trong không khí và nước, nên các nhà khoa học không xếp chúng vào nhóm các chất dinh dưỡng thiết yếu. Ngoài ra còn có 5 nguyên tố dinh dưỡng bổ sung là: Natri (Na). Coban (Co), Vanadi (V), Niken (Ni) và Silic (Si) cho một cây trồng. Cả 5 nguyên tố dinh dưỡng này thường không thiếu trong đất. Vai trò của một số nguyên tố chính có thể tóm tắt như sau: Nguyên tố: N ( Đạm ). Chức năng chính : thành phần nguyên sinh của chất tế bào: axit amin ( protein), axit nucleic ( AND và ARN ), các enzim và diệp lục..... - Tăng sinh trưởng và phát triển của mô sống, quyết định phẩm chất nông sản. 2 – Nguyên tố: P ( Lân). Chức năng chính: Thành phần chính của axit nucleic, photphotid, protein, lipid, coenzim, NAD, NAD, ATP và nhiễm sắc thể. - Cần thiết cho sự phân chia tế bào, mô phân sinh, kích thích, sự phát triển của rễ, ra hoa, sự phát triển của hạt và quả. 3 – Nguyên tố: K ( kali ). Chức năng chính: Họat hóa của các enzim có liên quan đến quá trình quang hợp, chuyên hóa hyđrat cácbon và prôtêin cũng như giúp di chuyển và duy trì sự ổn định của chúng. - Điều khiển quá trình sử dụng nước. Thúc đẩy quá trình sử dụng đạm dạng NH4+ . - Cải thiện khả năng sử dụng ánh sáng khi thời tiết âm u, nên làm tăng hiệu suất quang hợp. - Tăng khả năng chống rét của cây nhờ tăng quá trình tích lũy đường trong mô tế bào, do vậy giảm nhiệt độ đóng băng của nó. - ảnh hưởng đến quá trình hình thành tế bào và độ chắc của nó nên tăng khả năng chống lốp, đổ. Tăng khả năng chống bệnh của cây trồng. - Tăng phẩm chất nông sản. Tăng kích thích hạt. Ngoài ra còn có các nguyên tố trung, vi lượng khác như Ca, Mg, S, Zn......... Đứng trước một thị trường phân bón tương đối phức tạp, một số doanh nghiệp sản xuất và cung ứng trên thị trường các loại phân bón không đúng tiêu chuẩn ngành hoặc tiêu chuẩn Việt Nam và bán với giá rẻ trên thị trường để đánh vào tâm lý ham rẻ của người sử dụng phân bón. Trình độ nông dân nhiều nơi còn hạn chế nên còn lúng túng trong việc lựa chọn đúng chủng loại phân bón để phục vụ cho thâm canh. Nhằm mục đích tham gia hỗ trợ các chương trình phát triển sản xuất nông nghiệp trong nước, đồng thời chuẩn bị cho các kế hoạch sản xuất kinh doanh trên lĩnh vực phân bón hóa học, thời gian qua Công ty Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao đã triển khai một số hoạt động khoa học kỹ thuật liên quan đến việc cung ứng và sử dụng phân bón thông qua hợp tác với nhiều cơ quan Trung ương hoặc các địa phương trong cả nước. Hiện tại Công ty đang đầu tư để nâng cao năng suất nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước. Từ hơn 10 năm nay, Công tu Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao đã phối hợp nghiên cứu cùng các viện khoa học kỹ thuật, các trường đại học và các cơ quan khuyến nông để sản xuất loại phân bón NPK. Phân NPK được sản xuất từ Supe Lâm Thao không chỉ thích hợp với cây lương thực, cây thực phẩm, cây công nghiệp ngắn ngày như: Lúa, ngô, đậu, lạc, khoai tây, rau...... mà còn thích hợp tốt cho các loại cây công nghiệp dài ngày như: chè, càphê, cam , quýt, vải nhãn... và cây lâm nghiệp, cây hoa, cây cảnh. Do đó, sản xuất phân NPK Lâm Thao liên tục tăng từ vài ngàn tấn năm 1987 lên 80.000 tấn năm 1998. Năm 1999 sản xuất và tiêu thụ phân NPK Lâm Thao đã tăng lên 120.000 tấn và năm 2000 đã đạt 180.000 tấn đến năm 2004 đạt được 300.000tấn. Phân NPK Lâm Thao phát triển một cách vững chắc và nhanh chóng như vậy là vì đã đạt đúng tiêu chuẩn phân bón Việt Nam. Trong phân NPK Lâm Thao ngoài các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng: Đạm, lân, kali còn chứa thêm các nguyên tố dinh dưỡng trung lượng và vi lượng khác như; Canxi, lưu huỳnh, kẽm, đồng, mangan, sắt. v.v..... II - GIới thiệu về vật liệu sấy: Ca(H2PO4)2 + CaCO3 đ Ca3(PO4)2 + CO2 + H2O. - Phân bón NPK là phân hỗn hợp có các thành phần nguyên liệu chính sau: 1 - Supe phốt phát đơn: Công thức hoá học của Supe phốt phát đơn Ca(H2PO4)2.H2O. - Là một loại bột màu xanh xám có vị chua, mùi hăng dễ hút ẩm, P2O5 nằm dưới dạng Ca(H2PO4)2.H2O cây cố dễ hấp thụ vì muối này hoà tan trong nước và axít xitric. - Thành phần chủ yếu là mônô Canxi phốt phát Ca(H2PO4). H2O và CaSO4 khan. Ngoài ra còn chứa một lượng axit H3PO4 tự do. - Hàm lượng P2O5 hữu hiệu không nhỏ hơn 16%. - Hàm lượng P2O5 tự do không lớn hơn 4%. - Độ ẩm không lớn hơn 10%. + Supe đơn tác dụng với một số muối: Phản ứng với Bazơ: Ca(H2PO4)2 + Ca(OH)2 đ Ca3(PO4)2 + CaHPO4 + H2O. Hoặc tạo muối kiềm: Ca(H2PO4)2 + Fe(OH)3 đ Fe(OH)3PO4 + Ca(OH)2 + H2O. Các phản ứng này đều làm cho hàm lượng P2O5 bị thoái giảm. 2 - Đạm SA (sunphatamon). Đạm SA có công thức hoá học (NH4)2SO4 là chất kết tinh không màu tan trong nước. Hàm lượng Nitơ: 20,5 á 12%. Độ ẩm không lớn hơn 1%. Cỡ hạt 0,2 á 3,5mm. Đạm SA phản ứng thuỷ phân bởi nhiệt khi đốt nóng ở nhiệt độ 5130C xảy ra phản ứng: (NH4)2SO4 đ NH3 + H2SO4. - Khi đốt nóng ở 2180C thì SA có dạng: (NH4)2SO4 đ NH4HSO4 + NH3. - Trong nước SA bị phân ly: (NH4)2SO4 đ NH4+ + SO32-. 3 - Kali clorua: - Công thức hoá học KCl. KCl ở dạng tinh thể rắn tan trong nước. Hàm lượng K2O không nhỏ hơn 60%. Hàm lượng NaCl không lớn hơn 1%. Độ ẩm không lớn hơn 1%. Cỡ hạt 0,2 á 2 mm. - Tính tan: Phân KCl tan tốt trong nước nhiệt độ càng tăng thì độ tan càng tăng. Tác dụng với muối: KCl + AgNO3 đ AgCl + KNO3. Phần ii: Tác nhân sấy 1 - Nguyên tắc: Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật liệu sấy. Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt đến sự cân bằng giữa vật sấy và môi trường trong buồng sấy, quá trình thoát ẩm từ vật sấy sẽ ngừng lại, lúc này phần áp suất hơi nước thóat ra từ vật cân bằng với phần áp suất của hơi nước trong buồng sấy. Do vậy cùng với việc cung cấp nhiệt cho vật để hóa hơi ẩm lỏng, đồng thời phải mang ẩm đã thoát ra khỏi vật ra khỏi buồng sấy. Người ta sử dụng tác nhân sấy làm nhiệm vụ này. Các tác nhân sấy thường là các chất khí như: không khí, khói, hơi khói nhiệt. Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số loại muối nóng chảy v.v... trong đa số các quá trình sấy tác nhân sấy còn làm nhiệm vụ ra nhiệt cho sản phẩm sấy.Ví dụ trong các quá trình sấy đối lưu, tác nhân sấy vừa làm nhiệm vụ ga nhiệt cho vật sấy, vừa làm nhiệm vụ tải ẩm. ở một số qúa trình sấy như sấy bức xạ, tác nhân sấy còn làm nhiệm vụ bảo vệ sản phẩm sấy khỏi quá nhiệt, thông thường người ta hay sử dụng 2 loại tác nhân sấy là không khí và khói lò 2- Không khí ẩm Không khí ẩm là loại tác nhân ấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không làm bẩn sản phẩm sấy. Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Thành phần của không khí bao gồm các chất chủ yếu là: N, O2, hơi nước ngoài ra còn một số chất khí khác như CO2, các khí trơ H2, O3 v.v... Không khí là một khí thực, nhưng trong thực tế không khí sử dụng để sấy thường ở áp suất thấp (thường là áp suất khí quyển) và nhiệt độ không cao (thường là hàng chục độ cho đến dưới vài trăm độ) vì vậy khi sử dụng có thể coi không khí là khí lý tưởng Mặc dù trong không khí ẩm có chứa hơi nước, nhưng phần áp suất hơi nước trong không khí khô lớn (15 á 20mmHg) trong các điều kiện như trên khi coi không khí là khí lý tưởng thì sai số gặp phải là chấp nhận được (< 3%) Không khí có chứa hơi nước gọi là không khí ẩm. Khi nghiên cứu không khí ẩm, người ta coi khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng của 2 thành phần. Không khí khô và hơi nước. ở đây không khí khô được coi là một thành phần cố định (như một chất khí lý tưởng có m = 29 và số nguyên tử khí trong phần tử là 2 ). Thành phần thứ 2, hơi nước là thành phần luôn luôn thay đổi trong không khí ẩm. Do coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng nên nó cũng tuân theo định luật của khí lý tưởng. *Các thông số đặc trưng của không khí ẩm. a- Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là lượng hơi nước (tính bằng gam) chứa trong một m3 không khí ẩm, tức là: Độ ẩm tuyệt đối có giá trị bằng khồi lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm Như vậy độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm thay đổi trong khoảng 0 Ê r < rmax. Khi nhiệt độ không khí ẩm tăng thì rmax cũng tăng. b- Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối không khí ẩm là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó cùng một nhiệt đọ. Độ ẩm tương đối đo bằng %, ký hiệu là j ta có: Từ các phương trình trạng thái của Gh (kg) và Ghmax (kg) hơi nước ở trạng thái đã cho và trạng thái bão hòa Ghmâx ta có thể xãc định được Gh và Ghmax. Vậy ta có: Độ ẩm tương đối đặc trưng cho mức độ gần tới trạng thái bão hòa của không khí ẩm. Khi j = 0 ta có không khí khô. j tăng lên thì phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm tăng lên và khi j = 100 thì không khí ẩm bão hòa và phần áp suất hơi nước bằng áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ của không khí ẩm. Trong điều kiện không khí ẩm có áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của nứơc ở áp suất này gần bằng 1000 C. Nếu không khí ẩm có nhiệt độ t < 1000C, khi tăng nhiệt độ không khí ẩm thì áp suất bão hòa của hơi nước Phs cũng tăng do đó j giảm. Nếu không khí có t0 lớn hơ 1000C trong trường hợp này nếu ta tăng tiếp nhiệt độ t lớn hơn 1000C thì phần áp suất cực đại của hơi nước sẽ không đổi và bằng áp suất của không khí ẩm P. Vì vậy nếu lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm không đổi, dù tăng nhiệt độ t thì j vẫn không đổi. c- Độ chứa ẩm của không khí ẩm Độ chứa ẩm của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô tức là: Từ phương trình trạng thái của Gh và Gk không khí khô ta có Như vậy: Vì: Rh = 8314/18(J/kgK) và Rk= 8314/29 (J/kgK) nên ta có: Khi thay Ph= j Phs vào trên ta được Khi không khí ẩm có nhiệt độ t >1000C thì Phs = P nên ta có: Như vậy trong trường hợp này nếu d = const sẽ kéo theo j = const d- Entanpi của không khí ẩm. Entanpi của không khí ẩm I bằng tổng Entanpi của không khí khô và Entanpi của hơi nước tức là I =ik + 0,001d. ih(kJ/kgkkk) Trong đó ik Entanpi của không khí khô xác định theo công thức: ik= Ck.t(kJ/kgK) ih - Entanpi của hơi nước xác định theo công thức: ih = r + Ch. t(kJ/kgK) Nhiệt dung đẳng áp của không khí Ckằ 1(kJ/kgK), của hơi nước Cnằ 1.97( kJ/kgK) nhiệt ẩm hóa hơi của nước lấy trị số trung bình r = 2493(kJ/kg) vậy ta có: I = t+ 0,001.d(2493 + 1,97t) (kJ/kgkkk) Hoặc: I= 1000.t + (2493 + 1,97t).103.d (J/kgkkk) 3. Không khí nóng Sử dụng không khí nóng để sấy cần thiết phải có bộ phận ra nhiệt, không khí dùng điện, dùng hơi nước, hay dùng khói, dùng dầu v... Để cung cấp năng lượng các trường hợp này chi phí vốn đầu tư và năng lượng cao trong nhiều trường hợp cho phép ta có thể dùng trực tiếp không khí khô để sấy. Sử dụng không khí nóng được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trong lò đốt hỗn hợp không khí nóng 800 á 9000C được dẫn sang máy sấy thùng quay nhờ một quạt hút sau sấy. *. Cơ sở tính toán quá trình đốt dầu: a- Nhiệt trị của nhiên liệu: Các nhiên liệu được đặc trưng bằng lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu (1 kg hoặc 1m3) gọi là nhiệt trị cao QC. - Nhiệt trị cao của nhiên liệu có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm của I. D. Mendebev đối với nguyên liệu lỏng, rắn: [3 - 83] QC = [338C + 1.256H - 109 (O - S). 103 ] J/kg QC = 81C + 300H - 26 (O - S). Vì nhiên liệu là dầu có thành phần công thức tính theo phần trăm như sau: C = 85,2; H = 11,5 O = 0,5 S = 0,5 W = 2. Vậy ta tính được nhiệt trị cao là: QC = 81. 85,2 + 300. 11,5 - 26 (0,5 - 0,5) = 10.351 Kcal/kg. - Thực tế khi nhiên liệu cháy hơi nước đi theo với sản phẩm cháy. Vì vậy, người ta đưa vào một đặc trưng giả định của nhiên liệu gọi là nhiệt trị thấp QT . Đại lượng này không tính nhiệt độ do hơi nước mang đi. QT = [339C + 1.256H - 109 (O - S) . GH2O]. 103 J/kg (3 - 83) b- Lượng không khí lý thuyết dùng để đốt cháy nhiên liệu. * Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu được xác định theo công thức đối với nhiên liệu rắn, lỏng. Hoặc LO = 0,115C + 0,346H - 0,043 (O - S). Trong đó: C, H, O, S và W là các thành phần Hyđrô, Cacbon, Ôxy, Lưu huỳnh và lượng ẩm trong nhiên liệu. + Thực tế khi đốt 1 kg nhiên liệu cần phải có một lượng không khí dư: LTT = a . LO (kg/kg). Trong đó a > 1: hệ số dư không khí. LTT: Lượng không khí khô thực tế. 4- Thiết bị sấy. 4.1 - Đại cương về kỹ thuật sấy: Trong sản xuất và đời sống có rất nhiều trường hợp đòi hỏi phải tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu sấy, nhằm đạt tính chất cơ lý hóa. Sau khi tách nước, nhiều sản phẩm có độ bền tăng, hoặc trở nên giòn, dễ nghiền vụn. Đối với sản phẩm là nông sản sau khi tách nước sẽ gảm chi phí vận chuyển, đảm bảo điều kiện bảo quản lâu dài, và đạt độ nảy mầm cao. Do vậy trong rất nhiều quy trình công nghệ trong kỹ thuật bảo quản cũng như bảo đảm những yêu cầu về chất lượng cần phải tách nước để sản phẩm đạt độ khô cần thiết. Sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống, trong quá trình công nghệ sản xuất có rất nhiều sản phẩm đều có công đoạn sấy khô để bảo quản dài ngày, cùng phát triển trong ngành hải sản rau quả và các thực phẩm khác. Các sản phẩm nông nghiệp dạng hạt như lúa, ngô v.v...khi thu hoạch cần sấy khô kịp thời nếu không sản phẩm sẽ giảm phẩm chất thậm chí bị hỏng dẫn đến tình trạng mất mùa trong thu hoạch, các nhu cầu sấy ngày càng đa dạng, có nhiều phương pháp và thiết bị sấy khác nhau. Như vậy những vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể (chủ yếu là nước). Trong quá trình sấy ẩm chất lỏng trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó. Phương pháp tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy được dùng phổ biến là phương pháp nhiệt hay còn gọi là sấy. Đây là quá trình giải nước ra khỏi vật rắn bằng cách cung cấp nhiệt cho nước bay ra khỏi mặt thoáng hay trong lòng sản phẩm. Phương pháp này tiến hành theo các biện pháp: + Sấy tự nhiên: Phương pháp này được tiến hành ở ngoài trời bằng cách cho ẩm trong vật liệu bay hơi tự nhiên bằng năng lượng tự nhiên, như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, ... Dùng phương pháp này thì đỡ tốn nhiệt năng do đó nó đơn giản và rẻ tiền. Nhưng không chủ động điều chỉnh tốc độ của quá trình theo yêu cầu kỹ thuật và cho năng suất thấp. Một số nhượcđiểm của phương pháp này: * Khó thực hiện cơ giới hóa, chi phí lao động nhiều. * Nhiệt độ thấp nên cường độ sấy không cao, sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi và sinh vật, vi sinh vật. Chiếu mặt bằng sản xuất lớn, nhiều sản phẩm nếu sấy tự nhiên chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu (ví dụ sấy chè). Do đó, sấy tự nhiên chỉ dùng cho sản phẩm rẻ tiền không đòi hỏi khắt khe về kỹ thuật hoặc trong trường hợp riêng biệt cần thiết. + Ngày nay, khi khoa học đạt tới trình độ phát triển cao thì sấy nhiệt đóng vai trò chủ yếu, vì nó có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu sản xuất một cách chủ động khoa học và kinh tế. Nguyên tắc chung của sấy nhân tạo phải cung cấp nhiệt để ẩm bay hơi khỏi vật liệu sấy và dùng tác nhân thích hợp để di chuyển hơi ẩm đó ra khỏi môi trường xung quanh. Vì thế người ta căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt chia ra các phương pháp sấy nhân tạo như sau: * Phương pháp sấy đối lưu: Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ môi trường sấy đến vật liệu sấy bằng cách truyền nhiệt đối lưu. Nếu chất lỏng, khí chuyển động tự nhiên tức là chất lỏng, khí chuyển động không do tác dụng của lực bên ngoài mà do sự chênh lệch nhiệt độ trong lòng bản thân nó, thì quá trình trao đổi nhiệt thì được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. Trong thực tế có quá trình vận chuyển nhiệt độ do đối lưu cưỡng bức là do con người bắt các phân tử của nhiệt độ môi trường có nhiệt độ khác nhau đổi chỗ cho nhau bằng cách dùng quạt, máy nén bơm .... Vận tốc của quá trình đối lưu cưỡng bức lớn hơn rất nhiều lần so với đối lưu tự nhiên. * Phương pháp sấy bức xạ: Trong phương pháp sấy này nguần nhiệt cung cấp cho quá trình sấy thực hiện bằng bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật liệu sấy. * Phương pháp sấy trực tiếp: Trong phương pháp này người ta cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nguồn nhiệt. * Phương pháp sấy thăng hoa: Phương pháp này thực hiện bằng cách làm lạnh vật đồng thời hút chân không để cho vật liệu sấy đạt đến trạng thái thăng hoa của nước, ẩm thoát ra khỏi vật nhờ quá trình thăng hoa. * Phương pháp sấy bằng điện cao tần: Nhiệt cung cấp cho vật liệu sấy ở phương pháp này là nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu. Trong các phương pháp nhân tạo kể trên phương pháp sấy đối lưu, bức xạ đựơc sử dụng phổ biến hơn cả, mà nhất là phương pháp sấy đối lưu. Mỗi phương pháp sấy kể trên được thực hiện trong nhiều kiểu thiết bị khác nhau. Ví dụ như sấy đối lưu được thực hiện trong nhiều thiết bị sấy như: Thiết bị sấy buồng, sấy hầm, sấy băng tải, sáy thùng quang ... Phương pháp sấy bức xạ có thể thực hiện trong thiết bị sấy bức xạ đến hồng ngoại, thiết bị sấy bức xạ dùng nhiên liệu khí, dùng dây điện trở. Phương pháp sấy có thể thực hiện trong thiết bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng, thiết bị sấy có kiểu tiếp xúc, tủ sấy chân không, máy sấy chân không có cánh khuấy, máy sấy hai trục lăn và một số thiết bị sấy tiết xúc trong chất lỏng. Trong công nghệ sản xuất NPK người ta sử dụng thiết bị máy sấy thùng quay để sấy NPK nhằm đạt năng xuất cao, tiết kiệm nhiên liệu, đáp ứng yêu cầu chất lượng của nguyên liệu để phục vụ sản xuất Phần III Cơ sở chọn dây chuyền thiết bị sấy 1- Chọn thiết bị sấy: Như ta đã biết mỗi loại vật liệu sấy sẽ thích hợp với một số phương pháp sấy và 1 số kiểu thiết bị sấy tiến hành theo hai giai đoạn. - Giai đoạn thứ nhất là: Chọn sơ bộ phương pháp sấy thích hợp và một số kiểu thiết bị sấy có thể dùng cho loại vật liệu đó. - Giai đoạn thứ hai: Trên cơ sở một số thiết bị sấy đã chọn tiến hành tính toán kinh tế kỹ thuật để chọn kiểu thích hợp nhất. Ví dụ: Vật liệu như cám, thóc, lúa, ngô, cà phê có thể thích hợp với các kiểu thiết bị sấy như: Thiết bị sấy tháp sấy thùng quay, sấy tầng sôi,... nhưng chọn kiểu nào trong số đó là tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể về nguồn năng lượng, nhiên liệu, các thiết bị, vật tư để gia công, chế tạo thiết bị. Tuy nhiên có một số vật liệu chỉ thích hợp với một số, thậm chí một kiểu thiết bị sấy, ví dụ các vật liệu xây dựng như gạch, ngói chỉ thích hợp với thiết bị sấy buồng hoặc hầm. Đối với phân bón NPK với kích thước hạt 2 5 mm. Ta chọn phương pháp sấy đối lưu là thích hợp cho quá trình sấy. Sử dụng thiết bị máy sấy thùng quay để đáp ứng được nhu cầu làm việc của thiết bị, với năng suất lớn nhưng cấu tạo thiết bị đơn giản, cường độ đảo trộn lớn, ít dính bết trong thùng sấy. 2- Chọn nguyên tắc chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: Để chọn nguyên tắc chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy, nghĩa là nguyên tắc làm của thiết bị theo phương pháp xuôi chiều,ngược chiều hay chéo dòng. Tuy nhiên nguyên tắc chuyển động chéo dòng không sử dụng trong thiết bị sấy thùng quay, do đó ta chỉ phân tích hai quá trình sấy còn lại. - Đối với thiết bị sấy xuôi chiều: Loại này được ứng dụng trong những trường hợp sau: +Khi vật liệu đang ở trạng thái ẩm, chịu được sấy cường độ cao tốt hơn ở trạng thái khô. + Khi ở nhiệt độ cao vật liệu dễ bị hỏng. + Khi độ hút ẩm của vật liệu nhỏ. + Khi độ hút nước của vật liệu tương đối lớn, nhưng cần coi trọng chất lượng sản phẩm hơn hiệu quả kinh tế của quá trình. Đối với thiết bị sấy ngược chiều: Loại này được ứng dụng cho những trường hợp: + Khi vật liệu chịu được nhiệt độ cao. + Khi nhiệt độ hút ẩm và độ hút ẩm của vật liệu lớn. Qua hai quá trình sấy trên ta nhận thấy đới với phân bón NPK thì thích hợp với phương thức sấy xuôi chiều vì: + Nhiệt độ vật liệu ra khỏi sấy tháp không ảnh hưởng đến máy nghiền búa và thiết bị vận chuyển sau sấy. + Giảm lượng bụi theo khí sấy ra ngoài so với khí sấy ngược chiều. + Tránh tổn thất phốt pho, tổn thất nitơ, kali 3 - Chọn tác nhân sấy: Khi sấy bằng phương pháp đối lưu thì tác nhân sấy vừa là chất mang nhiệt để đốt nóng vật liệu sấy vừa làm nhiệm vụ tải ẩm ra môi trường. Trong sấy đối lưu thường dùng tác nhân sấy là: Không khí khô, ở đây là sấy phân bón NPK với độ ẩm ban đầu là tương đối lớn 10 - 14% H2O, đòi hỏi nhiệt độ tác nhân sấy là từ 3500 á 8500C do đó ta chọn tác nhân sấy là không khí khô thì đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật. 4 . Chọn nguồn năng lượng: Như chúng ta đã biết sấy là quá trình bốc hơi ẩm từ vật liệu được đốt nóng, vậy quá trình sấy gồm hai giai đoạn: Quá trình đốt nóng vật liệu và quá trình thải ẩm ra môi trường trong thiết bị sấy đối lưu đốt nóng vật liệu và mang ẩm vào môi trường được thực hiện nhờ không khí nóng là chính. Như đã nói ở trên với phân bón NPK khi sấy ta dùng tác nhân là hỗn hợp không khí khô. Do đó, nguồn năng lượng để gia nhiệt cho tác nhân sấy ở đây ta sử dụng nhiên liệu là dầu đốt FO được đốt trong lò đốt dầu. Phần iv Tính toán thiết bị sấy Npk I - cân bằng vật liệu trong quá trình sấy: + Các thông số ban đầu: Năng suất thiết bị GK = 20.000kg/h. Độ ẩm ban đầu của NPK W1 = 10%. Độ ẩm sau khi ra khỏi sấy W2 = 2%. Nhiệt độ của NPK vào sấy Tv1 = 250C. Nhiệt độ của NPK ra sấy Tv2 = 1000C. Nhiệt độ của tác nhân sấy vào sấy T1 = 2000C. Nhiệt độ của tác nhân sấy ra sấy T1 = 1000C. 1 - lượng vật liệu ẩm vào thùng sấy: Lượng vật liệu ẩm được tính theo công thức theo [4 - 312] 2- Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy: Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy được tính theo công thức [4 - 312] 3 - Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy: Lượng ẩm vật liệu bay hơi trong quá trình sấy được tính theo công thức. [4 -312] II- tínhtoán kích thước cơ bản của thùng sấy: 1 - tính thể tích thùng sấy: - Tính thể tích thùng sấy có thể xác định theo phương pháp sau: a - Phương pháp xác định thể tích thùng sấy theo điều độ khối lượng của vật liệu sấy đi vào thùng sấy và thời gian sấy theo [5.3 - 47]. Trong đó GK: Lượng vật liệu đi vào thùng sấy (Kg/h). t: Thời gian sấy (h). b: Độ điều động của vật liệu sấy trong vật liệu sấy. gV: Mật độ của khối hạt trong thùng sấy. b - Theo phương pháp Mykhaev: Tính thể tích của thùng sấy qua nhiệt lượng hệ số trao đổi nhiệt thể tích và độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với vật liệu sấy dưới dạng [4 - 176]. Trong đó: Q: lượng nhiệt truyền trong buồng sấy KJ/m3 av: hệ số trao đổi thể tích. Dt: chênh lệch nhiệt độ trung bình tác nhân sấy và vật liệu sấy. - Tuy nhiên để đơn giản thông thường theo kinh nghiệm người ta xác định thể tích thùng sấy theo cường độ bốc hơi ẩm và lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ được xác định. Xác định theo công thức (4-175) Ttrong đó: W: lượng ẩm bay hơi (kg/h) A: Cường độ bay hơi ẩm. - Cường độ bay hơi của NPK nằm trong khoảng 50 á 150 kg/m3h (4 á 86) Chọn A = 50kg/m3h Vậy thể tích thùng sấy thực tế là: 2 - tính đường kính thùng sấy: Đường kính thùng sấy được xác định theo công thức:[7 - 214] Trong đó: LT: Chiều dài thùng sấy (m). DT: Đường kính thùng sấy (m). VT: Thể tích thùng sấy (m3). Theo quan điểm đặc trưng hình học của thiết bị sấy thùng quay người ta thường lấy tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính của thùng sấy là: LT/DT = 3,5 á 7 [7 á 207]. Vậy ta chọn LT/DT = 7 thế vào phương trình (1) ta được đường kính thùng sấy: 3 - Tính chiều dài của thùng sấy: Ta có: LT/DT = 7 ị LT = 7. DT = 7.2 = 14. Theo quy chuẩn ta chọn: Đường kính thùng sấy là: DT = 2 (m). Chiều dài thùng sấy là: LT = 14 (m). 4 - Thời gian sấy: Thời gian sấy được tính từ công thức [6 - 122]. Trong đó t: Thời gian sấy (phút). n: Số vòng quay của thùng sấy (vòng/phút). m: Hệ số phụ thuộc vào dạng cách bố trí trong thùng. K: Hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của tác nhân sấy với vật liệu sấy. a: Góc nghiêng của thùng sấy. Chọn tốc độ quay: n = 3 (vòng/phút). a = 2,5O. m và K chọn theo bảng VII.4 ở [6 - 122] và theo sơ đồ a. Vì sấy NPK theo phương thức sấy xuôi chiều. Nên m = 1. K = 0,5. Ta được thời gian sấy: Iii - tính toán quá trình sấy lý thuyết: Tính toán cho quá trình sấy lý thuyết là nhằm để xác định lượng không khí và lượng nhiệt tiêu tốn trong máy sấy đây là 2 thông số cơ bản của quá trình sấy trong máy sấy đối lưu. Để tính được thông số cơ bản này thì trước hết ta phải tính các thông số trạng thái của tác nhân sấy. Có thể tiến hành theo phương pháp giải tích hay phương pháp đồ thị Rasmin. III.1. Xác định theo phương pháp giải tích: A - Xác định các thông số của tác nhân sấy cho quá trình sấy lý thuyết: 1 - Xác định các thông số của tác nhân sấy trước khi vào Caloriphe không khí làm tác nhân sấy trước khi vào Caloriphe là không khí môi trường (Tại Supe). Nhiệt độ trung bình: ttb = 23,3OC. Độ ẩm tương đối: j0 = 84%. * áp suất hơi bão hoà của không khí ẩm trước khi vào Caloriphe được xác định theo công thức theo [7 - 31]. ttb : Là nhiệt độ trung bình của không khí ẩm ở nơi đặt lò sấy: * Hàm lượng ẩm của không khí trước khi vào Caloriphe được xác định theo công thức [2 - 174]. (Kg ẩm/kg kk P: áp suất khí trời mmHg : P = 745 mmHg. (Kg ẩm/kg kk) * Hàm nhiệt của không khí ẩm được tính theo công thức [2 - 174]: I0 = 1000t0 + (2493 + 1,97.t0).103.d0 (J/kg kkk ). Thay số: I0 = 1000.23,3 + (2493 + 1,97.23,3).103.0,016. = 63922,4 (J/kg kkk) = 63,922 (kg/kg kkk). =15,29 (Kcalo/ kg kkk) 2 - xác định các thông số của tác nhân sấy trước khi vào sấy: Không khí làm tác nhân sấy trước khi vào máy sấy phải qua Caloriphe hơi khí để đốt nóng đến nhiệt độ t1 = 2000C. Giả sử quá trình đốt nóng trong Caloriphe đó là quá trình đốt nóng không tăng ẩm khi đó ta có: d0 = d1 = 0,016 (kg ẩm/kg kkk). * áp suất hơi bão hoà của tác nhân sấy vào máy sấy [7 - 31]: Trong đó t1: Nhiệt độ lò vào máy sấy. (0C) t1 = 200 vì t1 > 100 thì Pb1 = const = P. * Nhiệt trị của nhiên liệu: Các nhiên liệu đựơc đặc trưng bằng lượng nhịêt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu (1kg hoặc 1m3) gọi là nhiệt trị cao Qc. - Nhiệt trị cao của nhiên liệu có thể được xác định bằng công thức thực nghiệm I. D. Mendebev đối với nguyên liệu lỏng, rắn: [3 – 83]. Qc = [338C + 1.256H – 109 (O – S). 103] J/kg Qc = 81C + 300H – 26 (O – S) Vì nhiên liệu là dầu có thành phần công thức tính theo phần trăm như sau: C = 85,2; H = 11,5; O = 0,5; S = 0,5; W = 2. ta tính được nhiệt trị cao là: Qc = 81. 85,2 + 300 . 11,5 – 26 (0,5 –0,5) = 10.351Kcal/kg. - Thực tế khi nhiên liệu cháy hơi nước đi theo với sản phẩm cháy. Vì vậy người ta đưa vào một đặc trưng giả định của nhiên liệu gọi là nhiệt trị thấp QT. Đại lượng này không tính nhiệt độ do hơi nước mang đi. QT = [339C + 1.256H – 109 (O – S) . GH2O]. 103 J/kg (3-83) GH2O là khối lượng của hơi nước tạo thành khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu. GH2O = 19,175 kg/h. Qt = [339 . 85,2 + 1256 . 11,5 – 109 (0,5 – 0,5) . 19,175]103 = 28897244 J/kg. - Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu được xác định theo công thức với nhiên liệu rắn lỏng. hoặc Lo = 0,15C + 0,346H – 0,043 (O-S). Trong đó C, H, O, S là các thành phần hydro, cacbon, oxy, lưu huỳnh trong nhiên liệu. Lo : Lượng không khí lý thuyết. Lo = 0,115 . 85,2 + 0,346 . 11,5 – 0,043 (0,5 – 0,5) = 13,77 (kg/kg.ml) * Độ ẩm tương đối của không khí và máy sấy [6 - 105]: P là áp suất khí trời P = 745 mmHg. * Hàm nhiệt của không khí và máy sấy [2 - 174]: I1 = 1000.t1 + (2493 + 1,97 . t1).103. d1 (J/kg kkk). Thay số: I1 = 1000 . 200 + (2493 + 1,97 . 200) . 103 .0,016 = 245.616 J/kg kkk . = 245,616 ( KJ/ kg kkk ) 3 - xác định các thông số của tác nhân sấy ra khỏi sấy: Do quá trình sấy lý thuyết nên làm nhiệt độ của tác nhân sấy không thay đổi, nghĩa là I1 = I2 = 245616 ( J/kg kkk ). ị Hàm ẩm của không khí ra khỏi máy sấy được tính: Trong đó t2: Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi sấy 0C. t2= 1000C. (Kg ẩm/kg kkk) Thay số: Do: t > 100 thì Pbh = const = P Û Pb2 = Pb1 = 0,999 (bar). + Độ ẩm của tác nhân sấy ra khỏi máy sấy sau quá trình sấy lý thuyết [6 - 105]. P: áp suất của khí trời. P = 745 mm Hg. Thay số: B - tính toán cho quá trình sấy thực tế I - Cân bằng nhiệt lượng trong máy sấy thực tế: Các ký hiệu: Q: Nhiệt lượng tiêu hao chung cho máy sấy (W). QS: Nhiệt lượng tiêu hao chung ở Caloriphe (W). q: Nhiệt lượng tiêu hao riêng ở máy sấy (J/kg ẩm). qS: Nhiệt lượng tiêu hao riêng ở Caloriphe (J/kg ẩm). I0, I1, I2 nhiệt hàm của không khí trước khi vào Caloriphe. Sau khi ra khỏi Caloriphe (bắt đầu vào máy sấy và sau khi ra khỏi máy sấy) (J/kg kkk). t1, t2: Nhiệt độ của không khí vào và ra khỏi máy sấy (0C). tV1, tV2: Nhiệt độ của NPK vào và ra khỏi máy sấy (0C). CLV, Cn: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy và nước. G1, G2: Khối lượng của vật liệu vào và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h). Qm: Nhiệt lượng mất mát chung ra môi trường xung quanh (W). Qm: Nhiệt lượng mất mát riêng ra môi trường xung quanh (J/kg ẩm). Đối với máy sấy thùng quay có tác nhân sấy là không khí thì có các dòng nhiệt sau: - Các dòng nhiệt đi vào máy sấy: Do không khí mang vào L, I0. Do NPK mang vào G1.CVL.tV1 = G2.CVL.tVL + WrVL.CN. Do Caloriphe cung cấp QS. - Các dòng nhiệt đi ra khỏi máy sấy: Do không khí mang ra L.I2. Do NPK mang ra G2.CVL.tVL. Do mất mát ra môi trường xung quanh Qm. Vậy theo định luật bảo toàn năng lượng ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng cho máy sấy thùng quay như sau: L.I0 + G2.CVL.tVL + WVL.Cn.tLV = L.I2 + G2.CVL.tVL + QM. QS = L(I2 - I0) + G2.Cvl.(tv2 – tv1) + Qm + W.CntVL. Qẩm = W. Cn.tvl nhiệt ẩm vật lý do NPK mang vào (W). QVL = G2.CVL(tV2 - tVL) Đặt là nhiệt lượng để đun nóng vật liệu sấy (W). Nếu tính nhiệt lượng tiêu hao theo 1 kg ẩm bay hơi cho máy sấy thực tế thì: W W W W n VL m VL S S Cn t I I L Q Q Q q . ) ( 0 2 - + + = = (J/kg ẩm) Hay qs = L (I2 – I0) + qvl + qm - Cn.tvl(J/kg ẩm). Đặt D = Cn. TVL - (qVL + qM) là lượng nhiệt bổ xung thực tế. Vậy trong máy sấy thực tế khác với máy sấy lý thuyết là có tổn thất nhiệt trong quá trình sấy như: Tổn thất nhiệt do gia nhiệt cho vật liệu sấy. Do toả ra môi trường và một phần do lượng ẩm vật lý của vật liệu ẩm. Vì vậy, làm cho hàm ẩm của không khí trong quá trình sấy thay đổi. Do vậy, để tính toán quá trình sấy thực tế trước tiên ta phải xác định lượng nhiệt tổn thất. D = CntVL - (qVL + qm) (KJ/Kg ẩm). 1 - Tính nhiệt ẩm vật lý do vật liệu mang vào: Lượng nhiệt vật lý do vật liệu mang vào tính cho 1 kg ẩm. qẩm = Cn. tVL (KJ/kg ẩm). Trong đó, tVL = 250C là nhiệt độ của NPK vào thùng sấy. Cn: Nhiệt dung riêng của nước và Cn được tra ở tVL ở 250C [PV2 - 272] Ta có: Cn = 4,182 (KJ/Kg độ). Vậy nhiệt ẩm vật lý của vật liệu là qẩm = 4,182 . 25 = 104,55 (KJ/kg ẩm). 2 - Tính lượng nhiệt tiêu hao để đốt nóng vật liệu: Lượng nhiệt tiêu hao riêng để đốt nóng vật liệu được tính theo: Trong đó: Cvl : Nhiệt dung riêng của NPK sấy ở độ ẩm w= 2% theo [8- 141]. Trong đó CK: Nhiệt dung riêng của NPK khô tuyệt đối được lấy theo [1 - 24] CK = 0,19 Kcal/kg độ = 0,7942 KJ/kg độ. Cn = Nhiệt dung riêng của nước ở 1000C được tra theo bảng [PV2 - 272]. Cn = 4,216 KJ/kg độ. Thay số ta được: (KJ/ Kg độ ) Vậy nhiệt lượng tiêu hao để đốt nóng vật liệu. (KJ/ kg ẩm) 3 - Tính tổn thất nhiệt ra môi trường: Tổn thất nhiệt ra môi trường được xác định theo công thức [7 - 142]. (KJ/kg ẩm) Trong đó, ồF: Tổng bề mặt truyền nhiệt của thiết bị sấy (m2). DtTB: Chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu thể (0C). W: Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy (Kg/s). a - Tính hệ số truyền nhiệt: Trong đó: a1: Hệ số cấp nhiệt ở lưu thể nóng (W/m2 độ). a2: Hệ số cấp nhiệt ở lưu thể nguội (W/m2 độ). di: Chiều dày của lớp thứ i (m). li: Hệ số dẫn nhiệt của lớp i (W/m độ). Vậy tìm các thông số: a1, a2, d1, l1. * Tính hệ số cấp nhiệt phía trước lưu thể nóng l1. Ta nhận thấy phía trước thùng sấy xảy ra quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức vì lưu thể nóng (không khí nóng) chuyển động cưỡng bức cho quạt tạo ra. Khi đó hệ số cấp nhiệt được tính theo [6 - 11]. T D u N l a . 1 = (W/m2 độ) Trong đó: Nu: Hệ số Nuxen Trong NU: Hệ số Nuxen. l: Hệ số dẫn nhiệt của không khí (W/m độ) DT: Đường kính của thùng sấy (m). Mà trong đó hệ số Nuxen lại phụ thuộc vào chế độ chuyển động của không khí trong thùng vì ở mỗi chế độ chuyển động khác nhau thì hệ số Nuxen có công thức tính khác nhau. Do đó, ta phải kiểm tra chế độ chuyển động không khí trong thùng sấy qua chuẩn số Râynon [6 - 13]. Trong đó: w : Vận tốc khí đi trong thùng sấy (m/s). DT: Đường kính thùng sấy (m). r: Khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ của lưu thể nóng (Kg/m3) m: Độ nhớt động học của không khí ở nhiệt độ của lưu thể nóng (Kg/m3). ở đây nhiệt độ của lưu thể nóng được lấy ở nhiệt độ trung bình của không khí vào và ra khỏi máy sấy. Do đó: ttb1 = 0,5 (t1 + t2) = 0,5 (200 + 100) = 1500C. Vậy ở ttb1 = 1500C tra bảng [PV4 - 274] và nội suy ta được khối lượng riêng của không khí r= 0,833 kg/m3. Tương tự tra bảng [1 - 114] ở [5 - 118] và nội suy ta được độ nhớt động học: m = 2,385.10-5 (N.S/m2) Tra bảng [PV4 - 274] và nội suy ở nhiệt độ 1500C ta có hệ số dẫn nhiệt của không khí: l = 0,0254 (W/m độ). Theo [6 - 121] thử vận tốc khí đi trong máy sấy cỡ khoảng 2 á 3 m/s. Vậy ta chọn w = 2 m/s. Khi đó chuẩn số Renon: Vậy Re > 104 nên đây là quá trình cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức cho chế độ chảy rồi do đó chỉ số Nuxen được tính theo công thức [6 - 16] Nu = 0,018.eK.Re0,8 Trong đó, eK : Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng giữa chiều dài và đường kính của thùng sấy. Dựa vào bảng V.2 [6 - 15] và ứng với LT/DT = 7 và chẩn Rênon vừa tính ở trên ta nội suy được: eK = 1,185. Vậy chuẩn số Nuxen là: Nu = 0,018 . 1,185 . (13,9706 . 104)0,8= 278,717 Khi đó hệ số cấp nhiệt (W/m2độ) Xác định hệ số cấp nhiệt ngòai thùng a2 ( phía lưu thế nguôị ) ở phía lưu thể nguội xảy ra quá trình cấp nhiệt đối lưu tự nhiên khi lưu thể chuyển động tự do và trong điều kiện thiết bị nằm ngang nên hệ số a2 được tính theo công thức [6 -24 ]. ( w/ m2.độ ) hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt thành thùng ngoài cùng với không khí sung quanh 0C . dn đường kính ngoài cùng của thiết bị không có lớp cách nhiệt dn = 2,02 (m). Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa lưu thế nóng với thành trong của thùng là Khi đó nhiệt độ của thành trong của thùng sẽ là. Nhiệt tải riêng vì phía lưu thể nóng Hiêu số nhiệt độ giữa hai mặt thành thùng ( không có lướp cách nhiệt ). D tt1rất nhỏ nên ta có thể xem Vậy hệ số cấp nhiệt ngoài thùng ( phía lưu thể nguội sẽ là ). W/m2độ Nhiệt tải riêng về phía lưu thể nguội. Kiểm tra sai số Vậy sai số nên ta chấp nhận quả thiết Vật liệu làm vỏ thiết bị là bằng thép CT3 ,CT5 theo bảng XII ở [ 6 - 313 ] có hệ số dẫn nhiệt l1 = 50 w/m2độ (W /m2độ) b, Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị. + Diện tích cho thân hình trụ của thiết bị thùng quay. F1= p.DtLt = 3,14 x2 x14 =87,92 (m2) * Tính diện tích của hai nắp thùng sấy Vậy tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị SF = F1+F2 = 86,29 + 2,68 = 94,2 (m2). c, Tính chênh lệch nhiệt độ trung bình của 2 lưu thể. Hiệu số nhiệt độ lớn của hai lưu thế Hiệu số nhiệt độ bé của 2 lưu thế * Vậy hiệu số nhiệt độ trung bình Logarít của 2 lưu thể ( 7- 327 ) Khi đó mất mát ra môi trường xung quanh sẽ là Trong đó W = 184,058 kg ẩm/ h = 0,053 kg ẩm/s d, Tính lượng nhiệt bổ sung thực tế theo công thức. ẩm 4. Tính các thông số trạng thái của không khí ở quá trình sấy thực tế. - Các trạng thái không khí ở quá trình sấy thực tế trước Calorife và vào thùng sấy vẫn giống như ở quá trình sấy lý thuyết, nghĩa là nó không thay đổi đối với quá trình sấy lý thuyết cũng như sấy thực tế, vì vậy ở quá trình sấy thực tế chỉ cần xác định trạng thái của không khí sau khi ra khỏi máy sấy. Ta có: lượng không khí cần thiết để bốc hơi 1Kg ẩm. l = kg kkk/Kg ẩm Vậy lượng nhiệt cần thiết riêng trong quá trình sấy thực tế. q = l (I2 – I0) - = l(I1- I0) Trong đó I2 = I1 + (d2 – d1 ) (*) Mặt khác ta có I1 = Cpk. t1 + d1i1 I2 = Cpk . t2 + d2i2 Với i1, i2 là nhiệt lượng riêng của hơi nước ở nhiệt độ t1, t2 J/Kg ẩm và được tính theo: i1 = r0+ Cnt1 = (2493 + 1,79. t1). 103(J/Kg ẩm) i2 = r0 + Cnt2 = (2493 +1,79 . t2). 103(J/Kg ẩm) Thay I1, I2 vào phương trình (*) và biến đổi ta được d2 = (Kg ẩm/Kg k2k) Trong đó: Cpk nhiệt dung riêng của không khí Cpk = 1000 (J/Kg độ) d1 = 0,016 (Kg ẩm/ Kgkkk); t1 = 2000c = - 631505(J/Kg ẩm); t2 = 1000c Thay số: d2 = = 0,0461(Kg ẩm/Kg kkk) * Hàm nhiệt của không khí sau khi ra khỏi máy sấy được xác định theo: I2 = Cpk . t2 + d2i2 = 1000 . t2 + d2 (2493 + 1,97 . t2).103 = 1000 . 100 + 0,0492(2493 + 1,97 . 100).103 = 232348 (J/Kg kkk) = 232,348 (KJ/Kg kkk) * Độ ẩm tương đối của không khí sau khi sấy thực tế. = P là áp suất khí trời P = 745 mmHg P02 là áp suất hơi bão hòa mmHg và được tính ở phần sấy lý thuyết P02 = 0,999 bar Vậy: = 5. Tính lượng không khí khô cần thiết. - Lượng không khí cần thiết để làm bốc hơi 1 Kg ẩm trong quá trình sấy thực tế là: l =(Kgkkk/Kg ẩm) Vậy lượng không khí cần thiết trong quá trình sấy thực tế L = l.W = 33,333. 1814,058 = 60467,995 (Kg kkk/h) 6. Xác định lượng thể tích không khí khô vào máy sấy thực tế Lượng thể tích không khí vào máy sấy thực tế V1= m3/h Trongđó r1 khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ không khí vào thùng sấy tức là ứng với t1 = 200oC. - Dự vào bảng phụ lục 6 (7-350) thì ở t1 = 2000C khối lượng riêng của không khí là. r1 = 0,744 Kg/m3 Vậy V1 = *Lưu lượng thể tích của không khí ra khỏi máy sấy ở quá trình sấy thực tế. V2 = Trong đó r2 Khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ của không khí ra khỏi máy sấy.t2 = 1000c. dựa vào bảng phụ lục 6 ở [7 - 350] thì ở t0t2 = 100 khối lượng riêng của không khí là r2 = 0,496 (Kg/m3) Vậy V2 = (m3/h) Vậy lưu lượng thể tích trung bình của không khí ở quá trình sấy thực tế. Vtb = 0,5 (V1+V2) = 0,5 (81274,187 + 63919,657) = 72596,922 (m3/h) 7. Xác định lượng nhiệt tiêu tốn thực tế. * Lượng nhiệt tiêu hao riêng ở quá trình sấy thực tế Q = ẩm * Lượng nhiệt cần thiết ở quá trình sấy thực tế. Q = q.W = 6056,453 . 1814,058 = 10.986757,02 KT/h IV- Tính toán cơ khí: 1- Tính cơ khí cho thùng sấy. a. Tính cho thân hình trụ. - Thân thùng được chế tạo bằng thép tấm CT3 bền nhất chịu nhiệt. đồng thời chế tạo bằng phương pháp hàn. * Bề dày của thùng được xác định từ thực nghiệm. St = 0,005á 0,007.Dt (mm ) Với Dt = 2000 mm. Chọn St = 0,005 .Dt = 0,005.2000 = 10 (mm.) b. Trọng lượng thùng sấy. - Trọng lượng vật nằm trong thùng được xác định theo thực nghiệm [11- 81]. Trong đó G1 khối lượng vật liệu vào thùng sấy. g - Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s. t - thời gian lưu tính bằng phút. Thay số: * Tính trọng lượng của thùng sấy . - Trọng lượng thùng không có lớp bảo vệ lớp cách nhiệt Trong đó: Dn: Đường kính ngoài của thùng không có lớp bảo vệ lớp cách nhiệt ( m ). Dt: Đường kính trong của thùng sấy ( m). Lt: Chiều dài của thùng sấy ( m). St: Khối lượng riêng của vật liệu làm thùng sấy (Kg/ m3) g: Gia tốc trọng trường m/ s2. Thay số ta được: * Tải trọng của vành đai. - Đường kính vành đai (9 - 249) Dvđ = (1,1á 1,2)Dt (m). Chọn. Dvđ = 1,1.Dt = 1,1 . 1,876 = 2,063 ( m ). Vậy theo tiêu chuẩn ứng với vành đai Dvđ = 2,063 ta chọn khối lượng riêng của vành đai và bánh răng. Gvđ = 3780 ( N ) Gbr = 7650 ( N ) Và trọng lượng cánh sáo trộn. Gđ = 1500 ( N). Vậy trọng lượng toàn bộ thùng là. G = Gr + Gt + Gbr + 2Gvđ + Gđ G = 48722,999 + 66412,130 + 7650 +2. 3780 + 1500 = 131 845,129 (N). Từ trọng lượng này và đường kính vành đai là Dvđ = 2063 mm theo tiêu chuẩn ta chọn đường kính cong lên đỡ Dđ = 500 mm. c. Tính khoảng cách giữa hai con lăn. - Khoảng cách giữa 2 vành đai được xác định theo công thức ( 11- 90). Lđ = 0,586 . Lt (m). Với Lt chiều dài thùng sấy (m) = 0,586 . 14 = 8,204( m) d. Tính vành đai. * Tải trọng trên một vành đai (11- 91). Trong đó : Q1: Tải trọng của thùng đè trên một vành đai.(N) Q: tải trọng toàn bộ thùng ( N) a: góc nghiêng đáy thùng. 2,50 Thay số: * Phản lực của con lắc đơn được tính theo công thức. ( 8 - 91 ) Trong đó: 2j là góc tạo bởi giữa 2 con lăn. Chọn 2j = 600 khi đó * Bề mặt của vành đai được tính theo công thức Trong đó: T: phản lực con lăn N. P0 tải trọng riêng cho phép với con lăn (N) Đối với thùng quay trộn 3 á 4 vòng/ phút P0 = 24000 (N/cm) Còn đối với thùng quay nhanh thì P0 = 10.000 (N/cm) Vậy đối với thùng quay chậm khoảng n = 3vòng/phút, nên ta chọn theo công thức ( 8 - 84). P0=24000 ( N/cm) Do đó: hay B = 31,17( mm) Theo tiêu chuẩn thì vành đai có đường kính Dđ = 2063( mm) thì bề rộng của vành đai lớn hơn 13cm theo [9 - 250] do đó ta chọn B = 150 ( mm). * Chiều cao của vành đai theo [9- 250] h = B = 150 ( mm) * Bề rộng của con lắc đỡ lấy lớn hơn bề rộng vành đai khoảng 30 mm theo [8 - 91] BÂ = B + 30 = 150 +30 = 180 (mm) * Tính lực tác dụng lên con lăn. Thùng nằm nghiêng với mặt phẳng nằm ngang trong một góc 2,50 nên nó có xu hướng tụt xuôi do tác dụng của lực theo [ 8 - 86]. U = Q.Sina ( N). Trong đó: Q. Trọng lượng thùng quay. ( N) Vì trọng lượng thùng quay Q< 10tấn nên ta có thể chọn con lăn chặn gắn trực tiếp trên con lăn đỡ, khi đó lực lớn nhất tác dụng lên con lăn chặn là: U= Q(sina + f ) với f = 0,01 là hệ số ma sát. U = 131845,129 (sin 2,5 + 0,01) = 7069,455 (N) 2 - Tính công suất cần thiết để quay thùng. Công suất cần thiết để quay thùng theo ( 6 - 123) N = 0,0013.Dt3 .a.n. r. Lt ( Kw) Trong đó. n: số vòng quay của thùng. Vòng / phút a: Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh. Dt: Đường kính của thùng. ( m) Lt: Chiều dài thùng sấy. (m) Ta có hệ số điền đẩy b = 0,25 nên dựa vào bảng VII.5 và [ 6 - 123) thì ta được a = 0,011. - Tính khối lượng riêng sốp từ công thức. [ 6 - 123] Trong đó: rv khối lượng riêng sốp trung bình của vật liệu trong thùng quay Kg/m3 w1, w2 độ ẩm đầu và độ ẩm cuối vật liệu %. A. Cường độ bốc hơi ẩm . kg ẩm/ m3h. b. Hệ số đầu đẩy. t. thời gian lưu của vật liệu sấy Tính toán trên ta thu được w1 = 10% w2 = 2% t = 13.41 phút b = 25% A = 50 kg ẩm/ m3h. Thay số ta được: Khi đó công suất tiêu thụ để quay thùng sấy là: N = 0,0013 .23 .3 . 525,225 . 14 = 2,523kw N = 2523 (W) 3- Tính kiểm tra bền cho thùng sấy. Tải trọng của một đơn vị chiều dài thùng không kể trọng lượng của bánh răng. 8 - 91 Trong đó: G trọng lượng toàn bộ thùng sấy, N GBv trọng lượng của bánh răng, N * Mô men uốn do tải trọng này gây nên . ( 8 - 91) * Mô men uốn do tải trọng bánh răng vòng quay nên. ( 8 - 91) * Tổng mô men uốn của thùng. Mn = M1 + M2 = 13060907,18 + 1569015 = 14629922,18 ( N. cm) * Mô men chống uốn của thùng. ( 8 - 91) Trong đó: S; chiều dày của thùng. cm Dt: đường kính thùng cm. Vậy: * Tính ứng suất bền của thân thùng. Mặt khác ta có giới hạn bền của thép không gỉ ( 6 - 374). d = 1050.106 N/ m2 Vậy ứng suất cho phép của thép không gỉ ( 6 - 374) Với nt: hệ số an toàn. h: hiệu suất điều chỉnh. % Thiết bị sấy thuộc loại nhóm II ( không tiếp xúc với chất rễ cháy nổ )nên theo ( 6 - 356 ) ta chọn. Nt = 2,6 , h = 1. Khi đó: Hay. [d] = 40300 ( N/cm2 ) Vậy [dn] << [d] thành thùng đảm bảo bền. Kết luận Với nhiệm vụ đựoc giao là tính toán thiết bị máy sấy phân NPK của dây truyền sản xuất NPK em đã xác định được kích thước của thùng sấy: đường kính D = 2000mm, chiều dài L = 14000mm dùng nhiên liệu là dầu FO và tác nhân sấy là hỗn hợp không khí khô. Bằng phương pháp giải tích và đồ thị em đã xác định được các thông số của các tác nhân sấy trước khi vào lò đốt và sau khi ra khỏi thùng sấy, xác định lượng dầu tiêu tốn cùng như lượng nhiệt cần thiết trong quá trình sấy thực tế trong 01 giờ. Qua thời gian tính toán và thiết kế đã giúp em hiểu sâu hơn vè công nghệ sản xuất phân bón NPK đồng thời tạo điều kiện nắm vững kiến thức cơ bản để đi vào thực tiễn sau này. Khóa luận này đã được hoàn thành, nhưng do thời gian có hạn cùng với trình độ của bản thân nên em tính toán sẽ còn có thể có những sai sót. Em mong quý thầy cô góp ý và bổ xung để bản khóa luận này được tốt hơn. Hà Nội, tháng 12 năm 2004 Sinh Viên thực hiện Hoàng Mậu Ngọ Tài liệu tham khảo 1. PGS . TS Phạm Lê Dần, GS. TSKH Đặng Quốc Phú - Cơ sở kỹ thuật nhiệt. NXB Giáo dục - 2003. 2. Đỗ Văn Đài . Nguyễn Bin . Phạm Xuân Toản . Đỗ Ngọc Cử . Đinh Văn Huỳnh - Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học - Tập II. Trường ĐHBK Hà Nôi XB 2000. 3. Phạm Xuân Toản - Các quă trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm - Tập III - NXBKHKT 2003. 4. Hoàng Văn Chước - Kỹ thuật sấy NXB - KHKT năm 1999. 5. PTS - Trần Xoa, PTS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên - Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập I - NXBKHKT 1992. 6. PTS Trần Xoa, PTS Nguyễn Trọng Khuông - Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập II - NXB KHKT 1999. 7. PGS TSKH Trần Văn Phú - Tính toán và thiết kế hệ thống sấy - NXBGD 2001. 8. Bộ môn máy và thiết bị hóa chất - Hướng dẫn tính toán và thiết kế thiết bị máy tập I - Trường ĐHBK - Hà Nội 1973. 9. Tôn Thất Minh, Lê Nguyên Đương (Hiệu Đính) - Giáo trình máy và thiết bị vận chuyển và định lượng - ĐHBK Hà Nội XB 2000. 10. PGS - TS Trần Văn Phú - Hệ thống Superáy công nghiệp và dân dụng NXBKHKT 1994