Bài giảng Quá trình và thiết bị chuyển khối: Quá trình và thiết bị sấy

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ SẤY

1. Tôn Thất Minh, Phạm Anh Tuấn - “Tập I: Các quá trình và

Tài liệu tham khảo

thiết bị chuyển khối”, NXB Bách Khoa HN.

2. Nguyễn Bin - “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ

hóa chất và thực phẩm”, tập 4, NXB KH&KT.

3. Trần Văn Phú – “Tính toán và thiết kế hệ thống sấy”,

NXB Giáo dục.

4. Trần Văn Phú – “Kỹ thuật sấy”, NXB Giáo dục. 5. Hoàng Văn Chước – “Kỹ thuật sấy”, NXB KH&KT. 6. Nguyễn Văn May – “Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm”. 7. Nguyễn Bin – “Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm”, tập 2, NXB KH&KT.

NỘI DUNG

Khái niệm chung

1 Nguyên lý làm việc của thiết bị sấy

2 Sấy lý thuyết và sấy thực tế

3 Động học của quá trình sấy

4 4

5 Các dạng thiết bị sấy

KHÁI NIỆM CHUNG

SẤY LÀ GÌ?

Sấy tự nhiên

Là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi bề mặt vật liệu. Quá trình này xảy ra khi áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường

Sấy nhân tạo

Độ ẩm vật liệu

Là lượng ẩm chứa trong một kg vật liệu

U = 100%* g/G

G - Khối lượng vật liệu, kg g - Khối lượng ẩm có trong G kg vật liệu, kg G = g + gk gk - Khối lượng vật khô tuyệt đối, kg

Ẩm tự do: - Liên kết dính: nước bám dính trên bề mặt VLS hoặc

trong các mao quản lớn

Ẩm liên kết: - Liên kết mao quản: nước nằm trong các mao quản nhỏ

(r<10-5cm)

- Liên kết hấp phụ đa phân tử: nước liên kết với VLS ở

dạng hóa lý bị giữ lại trong mạng tinh thể, quá trình sấy chỉ tách được một phần loại ẩm này.

- Liên kết hấp phụ đơn phân tử: Lớp đơn phân tử nước bị hấp phụ vào bề mặt và các lỗ mao quản rất nhỏ của vật liệu với lực liên kết rất lớn. Loại ẩm này rất khó tách được trong quá trình sấy.

Vật liệu sấy

Tính chất của không khí ẩm

 = 100% h/bh =100% Ph/Pbh

h :Lượng hơi nước trong 1 m3 không khí ẩm (kg/m3) bh :Lượng hơi nước trong 1 m3 không khí bão hòa ẩm (kg/m3) Ph:Áp suất hơi nước riêng phần trong không khí ẩm (atm) Pbh :Áp suất hơi nước riêng phần trong không khí bão hòa ẩm (atm)

Độ ẩm tương đối (, %) Là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong một m3 không khí ẩm với lượng hơi nước chứa trong một m3 không khí đã bão hòa ẩm ở cùng nhiệt độ, áp suất.

Tính chất của không khí ẩm

Hàm ẩm của không khí ẩm(x, g/kg)

Là lượng hơi nước chứa trong một kg không khí khô

x = 0,622 Pbh/(P- Pbh)

P: Áp suất chung của hỗn hợp không khí ẩm (atm) Pbh :Áp suất hơi nước riêng phần trong không khí bão hòa ẩm (atm)

Tính chất của không khí ẩm

Nhiệt hàm của không khí ẩm(I, J/kg)

Nhiệt hàm (Entanpi) của không khí ẩm bằng tổng nhiệt hàm của không khí khô và nhiệt hàm của hơi nước trong hỗn hợp đó.

Ck: Nhiệt dung riêng của không khí khô (J/kg độ) t : Nhiệt độ của không khí ẩm (oC) ih: Nhiệt hàm của hơi nước ở nhiệt độ t (J/kg)

I = Ckt+xih

Tính chất của không khí ẩm

Điểm sương Là giới hạn làm lạnh của không khí ẩm khi hàm

ẩm không đổi hay trạng thái bão hòa ẩm.

là nhiệt độ điểm sương (ts).

Nhiệt độ tương ứng với trạng thái bão hòa đó gọi

Độ ẩm tương đối tại điểm sương là  = 100% Biết được nhiệt độ điểm sương để chọn nhiệt độ cuối của quá trình sấy phải lớn hơn nhiệt độ điểm sương để tránh ngưng tụ ẩm trên bề mặt vật liệu sấy.

Tính chất của không khí ẩm

Nhiệt độ bầu ướt (tư) 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.

Tính chất của không khí ẩm

Thế sấy

Đồ thị I-d của không khí ẩm

I kcal/kg

Đồ thị I-d của không khí ẩm

Xác định nhiệt độ bầu ướt (tư) và nhiệt độ điểm sương (ts)

Quá trình hoà trộn trên đồ thị I-d

n=GA/GB=BC/AC = (dC-dB)/(dA-dC)

A hòa trộn B được điểm C Tỷ lệ hòa trộn:

IC=

𝐼𝐵+𝑛𝐼𝐴 1+𝑛

dC=

𝑑𝐵+𝑛𝑑𝐴 1+𝑛

Độ ẩm cân bằng

Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy

Cân bằng vật liệu của QT sấy

W=G1-G2=G1(W1-W2)/(100-W2) =G2(W1-W2)/(100-W1)

 G1, G2: Khối lượng vật liệu trước và sau khi sấy, kg/s  W1, W2: Độ ẩm vật liệu trước và sau khi sấy, %  W: Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sau khi sấy, kg/s

Lượng không khí khô cần thiết

Lx1+W=Lx2 => L=W/(x2-x1) Đặt l=L/W=1/(x2-x1) , kg/kg ẩm

 x1, x2: hàm ẩm của không khí trước và sau khi sấy, kg/kg  L: Lượng không khí khô cần thiết, kg/s  W: Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sau khi sấy, kg/s  l: lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm từ

vật liệu, kg/kg ẩm

Cân bằng nhiệt lượng

Giả sử: Qb=Qvc=Qvl=Qm=C1=0 => ∆=0 qs=l(I2-I0)=l(I1-I0)  I1=I2 Hay IB=IC

Qúa trình sấy lý thuyết

Qúa trình sấy thực tế

- Nhiệt lượng bổ sung chung vừa đủ bù đắp nhiệt

qb + C1=qvl+qvc+qm =>∆=0  I1= I2  Giống quá trình sấy lý thuyết.

lượng tổn thất chung.

Bài tập

 Sấy không tuần hoàn khí thải

Chế độ sấy

 Sấy có tuần hoàn 1 phần khí thải

 Sấy có bổ sung nhiệt trong buồng sấy

Sấy có đốt nóng trung gian

 Sấy tuần hoàn toàn bộ khí thải (sấy bơm nhiệt)

Sấy có tuần hoàn 1 phần khí thải

(t0, φ0, x0)

Sấy có tuần hoàn 1 phần khí thải

(t0, φ0, x0)

lh = 1/(x2-xM) qs = (I1-IM)/(x2-xM) QT sấy có ∆=0: I1= I2

A hòa trộn C được điểm M. Tỷ lệ hòa trộn: n = L2/L0 L0- lượng không khí khô ban đầu, kg/h L2- lượng không khí tuần hoàn, kg/h xM = (x0+ n.x2)/(1+n) IM = (I0+ n.I2)/(1+n) Lượng KK tiêu tốn riêng: l = 1/(x2 - x0) (kg/kg ẩm) Lượng KK hỗn hợp vào máy sấy: lh= 1/(x2 - xM) (kg/kg ẩm) Lượng nhiệt tiêu tốn riêng ở caloriphe: qs= lh(I1- IM) = (I1-IM)/(x2-xM) (J/kg ẩm) QT sấy có ∆=0: I1= I2

Sấy có tuần hoàn 1 phần khí thải

Sấy có bổ sung nhiệt

Sấy có đốt nóng trung gian

Sấy tuần hoàn toàn bộ khí thải

Sấy bằng khói lò

Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò trực tiếp:

Sấy bằng khói lò

Quá trình sấy

trao đổi chất. - QT truyền nhiệt từ TNS cho vật sấy - QT truyền ẩm từ trong lòng vật sấy ra ngoài bề mặt vật sấy. - QT truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trường.

 Quá trình sấy xẩy ra các quá trình trao đổi nhiệt và

 GĐ làm nóng vật sấy  GĐ sấy với tốc độ sấy không đổi  GĐ sấy với tốc độ sấy giảm dần

 Quá trình sấy xẩy ra theo 3 giai đoạn:

1. Đường cong sấy Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật sấy theo thời gian sấy gọi là đường cong sấy: w = f(t) 2. Đường cong tốc độ sấy Đường cong tốc độ sấy biểu diễn quan hệ giữa tốc độ sấy và hàm ẩm của vật sấy, thu được bằng cách đạo hàm đường cong sấy theo thời gian: dw/dt = f(w)

Động học quá trình sấy

 Tủ sấy, buồng sấy  Hầm sấy  Sấy băng tải  Sấy thùng quay  Sấy tháp  Sấy tầng sôi  Sấy khí động  Sấy phun

Một số dạng thiết bị sấy

Buồng sấy

Tủ sấy

Kết cấu buồng sấy

 Hình dạng: khối hộp lập phương, khối hộp chữ

nhật.

 Thành buồng sấy: có bọc cách nhiệt  Cửa: nạp liệu và lấy SP  Vật sấy: đa dạng, rải đều trên khay, gác lên khung

giá cố định hoặc xe goòng.

nhờ quạt.

 Tác nhân sấy: đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức

 Thiết bị phụ: quạt, caloriphe, đường ống  Buồng sấy có kích thước bé gọi là tủ sấy.

Buồng sấy có bổ sung nhiệt

1- Cửa buồng sấy 5- Ống xả khí thải 2- Quạt 6- Ống lấy không khí vào 3- Động cơ điện 7- Van chắn 4- Caloriphe chính 8,9- Caloriphe gia nhiệt bổ sung

Ưu điểm: - Nhiệt độ sấy không quá cao - Tận dụng nhiệt nhưng thế sấy cao - Tiết kiệm năng lượng quạt Nhược điểm: - Thiết bị phức tạp hơn loại sấy tủ đơn giản - Thời gian sấy dài - Chất lượng sản phẩm không đồng đều - Mất nhiệt nhiều khi nạp liệu và lấy sản phẩm. - Năng suất thấp, tốn nhiều nhân công - Không thể sấy liên tục

Buồng sấy có bổ sung nhiệt

Hầm sấy

 Chiều dài lớn gấp nhiều lần chiều rộng và chiều cao, xây

bằng gạch, trần bê tông.

 Các khay sấy xếp trên xe goòng, xe treo, trên băng tải.  Vật sấy cùng phương tiện vận chuyển (xe goòng, xe treo,

băng tải) đi vào đầu hầm, đi ra cuối hầm.  Để kéo xe goòng, xe treo ta dùng xích tải.  TNS chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều với vật

sấy.

 Ở đầu và cuối hầm sấy có khoang xép để nạp và lấy từng

xe một.

 Quạt và caloriphe được lắp bên ngoài hay trên nóc hầm

sấy.

Kết cấu hầm sấy

Ưu điểm: - Tốc độ sấy nhanh và chất lượng sản phẩm sấy đồng

đều hơn so với sấy tủ

- Năng suất cao, tốn ít nhân công hơn so với sấy tủ - Nhiệt độ sấy không quá cao nhưng thế sấy cao (sấy có

bổ sung nhiệt) Nhược điểm: - Thiết bị phức tạp hơn loại sấy tủ - Sự đồng đều về chất lượng sản phẩm chưa cao - Không phù hợp để sấy theo mẻ

Hầm sấy

Sấy băng tải

Ưu điểm: - Tốc độ sấy nhanh và chất lượng sản phẩm sấy đồng

đều hơn so với sấy tủ và sấy hầm

- Năng suất cao hơn so với sấy tủ nhưng thấp hơn so với

sấy hầm

- Tốn ít nhân công Nhược điểm: - Thiết bị cồng kềnh đắt tiền - Không dùng cho các sản phẩm giòn, dễ vỡ - Chỉ phù hợp để sấy liên tục

Sấy băng tải

Sấy thùng quay

Cánh đảo trộn gắn trên thành thùng

Bố trí cánh đảo trộn trong thùng

 Thùng sấy hình trụ tròn đặt nằm nghiêng, liên tục quay trong quá trình

sấy.

 Đường kính thùng sấy: D<3,5m  Chiều dài thùng sấy là L, tỷ lệ: L/D = 3,5 – 7  Góc nghiêng của thùng là g = (1 - 100)  Vòng quay thùng: n = (0,5 – 10) vòng/phút  Bên trong thùng có các cánh đảo trộn vật sấy.  Có vành đai và con lăn đỡ thùng.  Có động cơ truyền động cho thùng qua bộ truyền động, hộp giảm tốc và

cặp bánh răng ăn khớp.

 Bộ phận bít kín ở đầu và cuối thùng quay.  Hệ thống quạt vận chuyển TNS  Các thiết bị phụ trợ: quạt, caloriphe/buồng đốt, xyclon, lọc túi,….

Kết cấu máy sấy thùng quay

Ưu điểm: - Tốc độ sấy nhanh và chất lượng sản phẩm sấy rất đồng

đều

- Năng suất rất cao - Tốn ít nhân công Nhược điểm: - Thiết bị đắt tiền - Không dùng cho các sản phẩm giòn, dễ vỡ, dính bết

hoặc có thời gian sấy quá dài

Sấy thùng quay

Sấy tháp

 HTS tháp chuyên dùng để sấy vật liệu dạng hạt.  Tháp sấy là 1 khối hình hộp, tiết diện ngang hình vuông, tròn

hoặc chữ nhật. Thân tháp được chế tạo từ khung thép chịu lực hoặc bằng bê tông cốt thép.

 Phía trong thân tháp đặt các kênh dẫn, kênh thải gọi là chóp sấy.

Kênh dẫn và kênh thải xếp xen kẽ nhau.

 Vật sấy được gàu tải đưa lên và rót vào đỉnh tháp rồi chảy xuống

đáy tháp dưới tác dụng của trọng lực.

 TNS được quạt thổi vào tháp từ phía dưới vào các kênh dẫn,

TNS từ các kênh dẫn xuyên qua lớp VLS vào các kênh thải rồi thải vào môi trường.

 HTS tháp có thể hoạt động liên tục hoặc chu kỳ.  Có thể chia tháp sấy thành các khoang sấy có chế độ sấy khác

nhau, khoang cuối cùng là khoang làm nguội SP.

Kết cấu máy sấy tháp

Ưu điểm:

Sấy tháp

+ Năng suất cao + SP khô đều

Nhược điểm:

Vốn đầu tư lớn Có trở lực khi TNS đi qua lớp hạt.

Sấy tầng sôi

Chuyển động của dòng TNS qua lớp hạt

a) Hình ảnh lớp hạt trong chế độ sấy đối lưu bình thường b) Hình ảnh lớp hạt trong HTS tầng sôi c) Hình ảnh dòng hạt CĐ cùng dòng TNS trong HTS khí động

1. Quạt 2. Buồng hòa trộn 3. Lớp VLS sôi

4. Buồng sấy 5. Cơ cấu tiếp liệu 6. Buồng chứa sản phẩm 7. Xyclon

Sấy tầng sôi

+ Cấu tạo đơn giản + Cường độ sấy lớn, năng suất cao + Thời gian sấy ngắn, SP khô đều, chất lượng tốt.

Nhược điểm:

 Phải tạo ra tốc độ TNS đủ lớn để duy trì quá trình sôi

làm tăng chi phí năng lượng cho quạt.

 TNS phải được cấp đều trên toàn bộ diện tích ghi

lưới, nếu không thì chế độ sôi bị phá vỡ.

 Vật sấy bị đảo trộn, dễ vỡ vụn, tạo bụi.

Ưu điểm:

- Sấy các VL dạng hạt, các loại hạt, tinh bột, các chế phẩm sinh học,…

Sấy khí động

- Thời gian sấy ngắn, cho phép sấy ở nhiệt độ cao. - Lượng ẩm bay hơi trong buồng sấy chủ yếu là ẩm tự do trên bề mặt các vật sấy.

Sấy phun

Cơ cấu phun: đĩa văng ly tâm, vòi phun cơ

Sấy phun

học, vòi phun dùng khí nén

Buồng sấy: hình trụ đứng, đáy hình côn Bộ phận cấp tác nhân sấy: quạt,

caloriphe,…

Hệ thống thu hồi sản phẩm: vít tải, xyclon,

lọc túi,….

Ưu điểm: - Năng suất rất cao, tốc độ sấy rất nhanh và chất lượng

sản phẩm sấy đồng đều

- Sản phẩm sấy ở dạng bột mịn mà không cần nghiền - Phù hợp với các vật liệu sấy không chịu nhiệt Nhược điểm: - Thiết bị cồng kềnh đắt tiền - Chỉ dùng cho các loại nguyên liệu sấy dạng lỏng - Chi phí năng lượng/kg sản phẩm cao. - Khó điều khiển

Sấy phun