- Trang Chủ
- Hoá dầu
- Thủy động học trong quá trình sấy khối hạt đường RS trong máy sấy tầng sôi xung khí
Xem mẫu
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
HNKH-16
THỦY ĐỘNG HỌC TRONG QUÁ TRÌNH SẤY
KHỐI HẠT ĐƯỜNG RS TRONG MÁY SẤY TẦNG SÔI XUNG KHÍ
BÙI TRUNG THÀNH1, PHẠM QUANG PHÚ1
1
Khoa CN Nhiệt Lạnh, Trường ĐHCN Tp. HCM
buitrungthanh@iuh.edu.vn
Tóm tắt
Bài báo trình bày về cơ chế giả lỏng lớp hạt, sự hình thành ra các loại lớp hạt sôi khác nhau khi cung
cấp cho lớp hạt sấy một dòng không khí theo hướng vuông góc với lớp hạt ở các giá trị vận tốc khác nhau.
Kết quả của nghiên cứu được ứng dụng trong tính toán đối với sấy đường RS bằng máy sấy tầng sôi xung
khí. Nghiên cứu đã xác định được một số thông số liên quan đến thủy động lực học đối với các lớp hạt khác
nhau. Cụ thể là tại trạng thái lớp hạt tĩnh đã xác định được độ xốp khối hạt 0 = 0,44, tại trạng thái lớp hạt
giả lỏng tối thiểu đã xác định được độ xốp khối hạt mf = 0,484, vận tốc khí Vmf = 0,65 m/s. Đối với khối
hạt sôi đều đã xác định được độ xốp hf = 0,67, vận tốc khí Vhf = 1,65m/s và tại trạng thái lớp hạt luân
chuyển đã xác định được Vcf = 2,1m/s và cf = 0,73.
Từ khóa: thủy động học, độ xốp khối hạt, vận tốc giả lỏng tối thiểu, Vận tốc giả lỏng hoàn toàn, vận tốc
tới hạn
HYDRODYNAMICS OF RS SUGAR CANE DRYING IN THE PULSATED FLUIDIZED
BED
BUI TRUNG THANH1 , PHAM QUANG PHU1
1
Faculty of Heat and Refrigeration Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City
buitrungthanh@iuh.edu.vn
Abstract
The paper presented the regimes of solid particle fluidization and formation of different fluidized when
providing an air stream in the perpendicular direction of a solid particle bed with different air velocity
values. The results of the study were applied in the calculation for RS sugar cane drying with a modern of
pulsed fluidized bed drying. The study has defined some of parameters which related to hydrodynamics for
different fluidized beds. For the the static particle layer, the porosity of the particle bulk (0) was 0.44. At
the state of the minimum fluidized bed, the porosity of the particle bulk (mf) was 0.484 and minimum
fluidized bed velocity (Vmf) was 0.65 m/s. For the homogeneous fluidization bed, the porosity of the particle
bulk (hf) was 0.67, the homogeneous fluidization velocity (Vhf) of 1.65m/s has been determined. At the
circulating particle bed, the terminal velocity (Vcf ) was 2.1m/s and the porosity (cf) of 0.73. were
determined.
Keyword: hydrodynamics, porosity, minimum fluidized velocity, homogeneous fluidization velocity,
critical velocity
-154-
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
Bảng ký hiệu
A:diện tích ghi phân phối khí,m2; Hcf:chiều cao lớp hạt sôi trâng thái tới hạn,m;
Ar: Chuẩn số Archimedes, H0:chiều cao lớp hạt ban đầu,m;
0: Độ xốp khối hạt trạng thái tĩnh Hmf: chiều cao lớp hạt sôi tối thiểu,m;
mf: Độ xốp khối hạt trạng thái sôi tối thiểu P:Tổn thất áp suất qua khối hạt N/m2
hf: Độ xốp khối hạt trạng thái sôi đều Re: Chuẩn số Reynolds
cf:Độ xốp khối hạt trạng thái tới hạn, Remf:Reynolds trạng thái lớp hạt sôi tối thiểu
dp:hạt vật liệu dạng cầu,m; Rhf: Reynolds trạng thái hạt sôi đều
dm; đường kính trunh bình của khối hạt,m
dm: hạt tương đương cầu, m; Recf : Reynolds trạng thái sôi tới hạn
:cấu tính của hạt; V: vận tốc khí qua lớp hạt
g: gia tốc trọng trường,m/s ; 2
Vmf: vận tốc khí qua lớp hạt sôi tối thiểu,m/s
p:Khối lượng riêng của hạt,kg/m ; 3 Vhf: vận tốc khi qua lớp hạt sôi đều,m/s;
b: khối lượng thể tích của hạt,kg/m ; 3 Vcf: vận tốc khí tới hạn m/s;
f: khối lượng riêng của không khí,kg/m3; :Đọ nhớt động lực học của không, Pa.s
mp:khối lượng riêng của một hạt:kg Qmf -lưu lượng dòng khí qua khối lớp hạt làm
lớp hạt hóa lỏng tối thiểu, m3/s
mb:khối lượng riêng của khối hạt,kg; Qf* -lưu lượng dòng khí tại lớp sôi ở trạng thái
sôi bất kỳ,m3/s
Umf: thể tích khối hạt trạng thái sôi tối W:trọng lực thực của khối hạt,N;
thiểu, m3
Sh- diện tích bề mặt khối hạt, m2
1. GIỚI THIỆU
Kỹ thuật sấy tầng sôi nói chung và kỹ thuật sấy tầng sôi xung khí nói riêng được xếp vào nhóm công
nghệ và thiết bi sấy hiện đại, đang được một số nước có ngành công nghiệp chế biến tiên tiến trên thế giới
áp dụng trong các dâychuyền chế biến thực phẩm, sản xuất nguyên liệu dược phẩm, sản xuất hóa chất…
[1]
Bài báo trình bày cơ chế và các hiện tượng khối hạt rắn giả lỏng trong dòng khí, ngoài ra bài báo còn đề
cập đến tính toán xác định một số thông số cơ bản liên quan đến thủy động học cho trường hợp sấy hạt
đường RS trong lớp hạt sôi trên mô hình máy sấy tầng sôi xung khí có năng suất 20kg/mẻ
2. DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Sự hình thành các lớp hạt sôi.
Dòng tác nhân khí được thổi từ đáy lớp hạt vật liệu rời, đi xuyên qua lớp hạt vật liệu thông qua những
khoảng trống giữa các hạt vật liệu. Khi vận tốc dòng khí nhỏ, áp lực tác dụng lên các hạt nhỏ, lớp hạt rắn
vẫn duy trì nguyên trạng thái tĩnh (packed bed), được mô tả đoạn 0A Hình 1 và trạng thái lớp hạt được biểu
diễn tại Hình 2a, lúc này vận tốc dòng khí Vf nhỏ hơn vận tốc khí làm lớp hạt giả lỏng tối thiểu (Vf < Vmf).
Tăng vận tốc dòng khí (Vf) lớn dần thêm, lực kéo của dòng khí động xuất hiện, ngược chiều với trọng
lực của hạt và làm cho lớp hạt bắt đầu giãn nở về thể tích, các hạt bắt đầu di chuyển tách rời xa nhau hay
còn gọi lớp hạt chớm sôi (thể hiện tại hình 2b). Tại thời điểm này, lực ma sát giữa các hạt và lực của dòng
khí cân bằng với trọng lượng của các hạt, thành phần lực nén theo phương thẳng đứng giữa các hạt gần kề
nhau biến mất, tổn thất áp suất qua bất cứ mặt cắt nào của lớp hạt xấp xỉ với trọng lượng của không khí và
khối hạt trong buồng sấy hình thành lớp hạt giãn nở (expanded bed) hay còn gọi lớp hạt giả lỏng tối thiểu
(minimum fluidization bed).Vận tốc dòng khí qua khối hạt trong buồng sấy lúc này được gọi là vận tốc khí
làm khối hạt giả lỏng tối thiểu Vf = Vmf (Thời điểm này được mô tả tại điểm A Hình 1).
-155-
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
Tăng vận tốc dòng tác nhân khí (Vf) lên đến trạng thái làm cho toàn bộ khối hạt sấy bùng sôi đều
mãnh liệt, lúc này Vf = Vhf, nhưng vận tốc dòng khí qua khối hạt vẫn phải nhỏ hơn vận tốc tới hạn (Vcf)
nghĩa là Vf < Vcf . Tại thời điểm này lực kéo của dòng khí hướng lên đúng bằng với trọng lực của hạt vật
liệu hướng xuống làm cho toàn bộ khối vật liệu hạt lơ lửng trong dòng tác nhân khí, lớp hạt vật liệu chuyển
qua trạng thái sôi đều (homogeneous fluidization bed). Trạng trạng thái sôi được thể hiện tại Hình 2c và
Hình 1 và giá trị vận tốc khí qua lớp hạt được xác định phạm vi từ A-B.
Hình 1. Đồ thị biểu diễn các trạng thái khối hạt giả lỏng trong sấy tầng sôi truyền thống [2]
Ở trạng thái lớp hạt sôi, các hạt có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của lớp hạt sẽ nổi trên
bề mặt lớp hạt và chúng thì được trồi lên, sụt xuống, các hạt có khối lượng riêng lớn hơn thì sẽ chìm xuống
dưới đáy của lớp[2]
Khi tăng vận tốc dòng khí (Vf ) lớn hơn vận tốc tới hạn Vcf (Vf Vcf), mật độ của lớp hạt (hay còn
gọi là khối lượng thể tích) tiếp tục giảm, sự hóa sôi xảy ra mạnh mẽ, các hạt vật liệu tách rời xa nhau. Khi
vận tốc bề mặt của lớp hạt vượt quá mức, liên kết bề mặt phía trên của lớp hạt biến mất, các hạt bị cuốn lên
khỏi lớp hạt sôi và đi theo dòng lưu chất để ra ngoài buồng sấy (trạng thái lớp hạt lúc này được thể hiện tại
Hình 2g) Tại trạng thái lớp hạt bị dòng khí cuốn đi tại (vị trí C Hình1), trở lực lớp hạt giảm xuống ΔPc <
ΔPA (Hình1). Ngay trước thời điểm các hạt bị cuốn đi, tổn áp qua lớp hạt không ổn định, luôn trồi lên và
xụt xuống không ổn định (fluctuation)[2].
Theo [3] do hạt sấy có các kích thước hạt lớn, nhỏ khác nhau nên sự tăng vận tốc dòng khí qua lớp
hạt trên mức giả lỏng tối thiểu (từ A-B-C tại Hình 1) gây ra việc hình thành các lớp hạt sôi khác nhau gồm:
bao gồm: (i)Lớp hạt sôi bọt khí (bubbling bed) được hình thành khi lớp hạt sôi mãnh liệt, Hình 2c;(ii)Lớp
hạt sôi hình thành các kênh khí nằm ngang trong lớp hạt (channeling bed), Hình 2d;(iii)lớp hạt sôi hình
thành kênh khí dạng nút nằm dọc theo lớp hạt (axial slugging bed), Hình 2e;(iv)lớp hạt sôi cuốn theo dòng
khí động,Hình 2f.
a) lớp hạt tĩnh; b-Lớp hạt sôi tối thiểu; c-Lớp hạt sôi bọt, d- Lớp hạt sôi bọt khí kiểu nút nằm ngang
e- Lớp hạt hóa lỏng kiểu rối; g Lớp hạt vận chuyển kiểu khí động.
Hình 3. Các dạng lớp hạt sôi khi có sự thay đổi vận tốc dòng khí thổi qua lớp hạt [3]
Đặc tính cơ bản mô tả trạng thái lớp hạt sấy giả lỏng còn gọi là lớp hạt sôi được thể hiện trên đồ thị
đường cong giả lỏng (fluidization curve). Đường cong vật liệu rắn giả lỏng được xây dựng theo mối quan
hệ tương quan áp suất dòng khí qua lớp hạt và vận tốc khí qua bề mặt lớp hạt sôi. Theo [2] đã xây dựng
đường cong lớp vật liệu rắn giả lỏng theo kỹ thuât tầng sôi truyền thống thể hiện tại Hình1. Trong khí đó
-156-
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
Theo tác trình bày trong [4] đã mô tả đường cong giả lỏng của máy sấy tầng sôi cấp khí kiểu xung khí dạng
đĩa quay trình được thể hiện (Hình 3) và cho thầy chúng tương tự như những đường cong tầng sôi truyền
thống của [2] tại tại Hình 1. Các đường cong được đặc trưng bởi giá trị đỉnh của áp suất của dòng khí qua
lớp hạt sôi làm lớp hạt bắt đầu giãn nở.
Hình 3. Đường cong tầng sôi với các tải khác nhau của vật liệu trên ghi phân phối khí với tần số f =
6,28/s, mật độ hạt A:222 kg/m2; B:159 kg/m2; C:96 kg/m2; D :64 kg/m2[tdo]
Hình 3. Đồ thị đường cong cấp khí qua lớp hạt dạng tầng sôi xung khí cấp khí kiểu đĩa quay với tần số
6,28/s cùng với mật độ hạt phân bố khác nhau.[4][5]
2.2. Các thông số cơ bản của thủy động lớp hạt sôi
2.1 Vận tốc và áp suất dòng khí làm khối lớp hạt giả lỏng tối thiểu
Lớp hạt vật liệu rời sôi (hóa lỏng) được nhờ một dòng tác nhân khí có độ lớn khác nhau thổi xuyên qua.
Khi dòng khí tăng lên ở mức tối thiểu, khối hạt giãn ra Hình thành lớp sôi tối thiểu,vận tốc dòng khí này
được gọi là “vận tốc giả lỏng tối thiểu hay còn gọi là vận tốc sôi tối thiểu” Vmf, được xác định qua PT (1)[2]
Qmf
Vmf = (1)
A
Qf *
V* = (2)
A
Trong đó: Qmf -lưu lượng dòng khí qua khối lớp hạt làm lớp hạt hóa lỏng tối thiểu, m 3/s; A- diện
tích của mặt cắt ngang buồng chứa lớp hạt sấy, m2; V- vận tốc khí tại ở các điều kiện khác Qf* -lưu lượng
dòng khí tại lớp sôi ở trạng thái sôi bất kỳ, m3/s.
Trong các điều kiện bất kỳ khác, vận tốc khí qua lớp hạt hay còn gọi là vận tốc bề mặt lớp hạt
(superficial velocity) được xác định theo PT(2)[2].Thực tế cho thấy vận tốc dòng khí đi xuyên qua những
khe hở giữa các hạt phải lớn hơn vận tốc tính toán bởi vì các hạt là thành phần cản của diện tích của mặt
cắt ngang buồng chứa hạt và rất khó xác định chính xác vùng không bị nghẽn tắc và sự biến đổi của nó thì
rộng khắp cả lớp hạt, do vậy xác định vận tốc theo PT(1) và PT(2) là cách xác định đơn giản nhất.
Theo [2], đối với hạt cầu có kích thước dp 0,1mm, với điều kiện dòng khí ở trạng thái có chuẩn số
Reynol Re 10 thì sử dụng công thức Kozeny- Carman (PT3) ứng dụng cho dòng khí có tính đền độ nhớt
động lực học.
( p − f ) gd p2 mf
3
Vmf = (3)
150 f (1 − mf )
Theo McCabe, Smith và Harriott trình bày trong [2] đối với hạt hình cầu mf = 0,4-0,45 và với hạt
có kích thước lớn hơn thì độ rỗng có thể lấy giá trị lớn hơn một chút. Trường hợp đối với hạt loại D [6],
đường kính hạt dp > 1mm, chịu ảnh hưởng của lực quán tính, do vậy vận tốc khí làm khối lớp hạt giả lỏng
phải được tính từ phương trình Ergun (PT4)[7]
-157-
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
Theo [7] Đối với hạt dạng cầu được tính theo PT(4)
P 150 f (1 − mf ) Vmf 1, 75(1 − mf ) f Vmf
2 2
= + (4)
H mf mf 3d p2 mf3 d p
Đối với trường hợp hạt vật liệu rời có hình dạng bất kỳ và kích thước phân tán
(1 − mf ) f Vmf + 1,75 (1 − mf ) f Vmf 2
2
p
= 150 (5)
mf3 ( d m ) mf3 dm
2
H mf
Phương trình (4) và PT(5) cho thấy tổn áp của dòng khí qua lớp hạt sôi phụ thuộc vào kích thước
hạt, chiều cao lớp hạt sôi, độ nhớt động lực học và khối lượng riêng của khícấp vào lớp hạt sấy.
Về mặt lý thuyết để hạt có thể hóa sôi thì trọng lượng thực của lớp hạt phải cân bằng với lực tác
động hướng lên lớp hạt và có giá trị bằng trở lực qua lớp hạt ΔP (pressure drop across the bed) nhân với
diện tích mặt cắt ngang của buồng chứa hạt (ΔP.A).
Với lớp hạt giả lỏng tối thiểu, chiều dày lớp là Hmf, độ xốp khối (mf), khi đó thể tích khối hạt (U)
trạng thái sôi tối thiểu có giá trị là:
U = (1-mf)A.Hmf (6)
và trọng lực thực (W) của khối hạt sẽ có giá trị là:
W= (1-mf)(p - f)A.Hmf.g (7)
Trong đó : Hmf -độ xốp khối hạt trạng thái tĩnh và trạng thái sôi tối thiểu; mf –độ rỗng khối hạt trạng
thái tĩnh và trạng thái giả lỏng tối thiểu.A- diện tích ghi phân phối khí đỡ khối hạt sấy
Cân bằng hai thành phần trọng lực thực của khối hạt và lực hướng lên tác động lên khối hạt của dòng
khí ta có PT(8)
ΔP = ( 1-mf)(p - f) Hmf.g (8)
Từ các PT (4), (5) (8) cho phép ta xác định được vận tốc tối thiểu (Vmf) đi qua lớp hạt sôi tối thiểu có
hình dạng bất kỳ không cầu qua PT(9).
g ( p − f ) = 150
(1 − )
mf f Vmf
+ 1,75
f Vmf 2
(9)
mf 3 ( d m ) mf3 dm
2
Theo [2] tổn áp qua lớp hạt sôi được tính
P = m( p S p )( p − f ) g (10)
Hay theo [2] tổn áp suất khi dòng khí đi ngang một lớp hạt sôi được xác định bởi PT(11)
m
p = ( − f )g (11)
p A p
Ngoài ra theo [8], tổn áp qua lớp hạt sôi có thể được tính qua PT(12).
f
P = g 1 −
p H mf . p ( 12)
Theo McCabe, Smith và Harriott trình bày trong [8] vận tốc khí làm khối vật liêu hóa lỏng tối thiểu
được tính theo PT(9) trên cơ sở tính độ xốp lớp hạt theo thực nghiệm mf = 0,5.
Theo Lewis Orchard trình bày trong [8] vận tốc lớp hạt sôi tối thiểu còn đưa ra công thức xác định
vận tốc tối thiểu của dòng khí tạo ra lớp hạt giả lỏng tối thiểu đối với hạt có hình dạng bất kỳ theo PT(11).
g ( p − f ) mf 3
Vmf 2 d m2 (11)
150 f 1 − mf
2.2 Vận tốc khí làm lớp hạt giả lỏng trạng thái bọt khí
Khi tăng vận tốc bề mặt dòng khí (superficial velocity) lớn hơn vận tốc hóa sôi tối thiểu (V mf) sẽ hình
thành các bọt khí và chúng dâng lên qua lớp hạt. Đầu tiên là hình thành các bọt khí nhỏ tại ghi phân phối
-158-
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
khí. Các bọt khí nhỏ có khuynh hướng kết tụ lại với nhau, lớn dần lên và nổi lên qua lớp hạt. Các bọt khí
hình thành có khuynh hướng chiếm chỗ trong lớp hạt làm lớp hạt giản nở.
Theo [9] chế độ sôi sủi bọt khí, trong phạm vi khối hạt sôi không tồn tại gradient nhiệt độ, hình thành
đẳng nhiệt trong lớp hạt sôi bọt.
Nếu ta gọi (fb) là phần thể tích bị chiếm chỗ sinh ra từ vận tốc trung bình của các bọt khí. Thiết lập
cân bằng phương trình thể tích đối với dòng khí qua lớp hạt
Vb = fb vb + (1-fb)Vhf (12)
Trong vế phải của phương trình (12), đối với thành phân thứ nhất (fb vb) chỉ ra lưu lượng khí trên một
đơn vị diện tích của dòng khi qua pha bọt và thành phần thứ 2 (1-fb)vtt chỉ lưu lượng khí trên đơn vị diện
tích qua pha sôi ( hóa lỏng). Lúc này ta thiết lập một phương trình cân bằng thể tích đối với pha hạt vật
liệu Hhf = H0(1-fb) (13)
Do có sự tham gia của phần thể tích các bọt khí fb, ta thiết lập được PT(14).
H hf vb − Vmf
= (14)
H mf vb − Vhf
Trong đó: vb- vận tốc bọt khí,m/s;
Theo [9] thiết lập công thức thực nghiệm xác định vận tốc bọt khí
vb = 0,71 g.Db m/s (15)
Db- đường kính bọt khí được lấy bằng giá trị đường kính một hạt cầu có cùng thể tích bọt khí.
Mặt khác theo Davidson và Harrition trình bay trong [2] đã thực nghiệm và đề xuất phương trình
vb = 0,35 g.Dc (15)’
với Dc là đường kính của ghi chứa lớp hạt sôi ( nếu buồng sấy có dạng hình tròn, sấy tầng sôi mẻ)
2.3 Vận tốc tới hạn của không khí qua lớp hạt lớp hạt sôi hoàn toàn
Khi vận tốc dòng khí qua lớp hạt tăng thêm và lớn hơn vận tốc sôi bọt và đạt giá trị đủ lớn để nâng một
hạt vật liệu rời đưa nó ra ngoài lớp sôi, vận tốc khí lúc này được gọi là vận tốc tới hạn (Vcf) Có giá trị cao
nhất. Khi sấy vật liệu rời trong lớp sôi, kỹ thuật sấy phải bảo đảm điều chỉnh vận tốc khí hóa sôi Vf luôn nhỏ
hơn vận tốc Vcf Vf < Vcf. Tại Hình 1 [2] mô tả tính chất thủy động của lớp hạt sôi theo vận tốc dòng khí, vận
tốc tại điểm C được gọi là vận tốc tới hạn (Vcf )[2].Đối với hạt có hình dạng bất kỳ và kích thước không đông
nhất được tính thông qua chuẩn số Re, tính theo đường kính hạt trung bình (dm) và đưa về dạng hạt tương
đương cầu thông qua cầu tính .
f .V f .d m .
Re f = (16).
f
Theo [2], tại vị trí (B Hình 1) vận tốc dòng khí qua lớp hạt không cầu ở chế độ chảy tầng (laminar) Re<
1
g ( p − f )
Vcf = d m2 (17).
18 f 1 − cf
Với dòng khí qua lớp hạt ở chế độ quá độ (Transition) 1
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
1/2
3( p − f ) g
Vcf = dm (19)
f
2.3 Độ xốp của khối hạt
Độ xốp của khối hạt là một trong các thông số quan trọng trong tính toàn các thông số liên quan đến
thủy động lực học của khối hạt đường RS khi sấy tầng sôi xung khí.
Theo [2] độ xốp của lớp hạt đường RS trạng thái tĩnh được tính theo 0 = 1 − b (20)
p
Theo [10] độ xốp khối hạt trạng thái sôi tối thiểu
mf = 0. K (21)
Trong đó : K là hệ số 1-1,2
Theo[2] khi lớp hạt hóa sôi hoàn toàn hay còn gọi sôi đều (homogeneous fluidization bed) độ xốp khối
hạt được tính theo công thức (22)
0,21
18Rehf + 0,36 Rehf
2
hf = (22)
Ar
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Xuất phát từ yêu cầu nâng cao chất lượng đường RS sấy trong các dây chuyền sản xuất đường trong các
nhà máy mía đường tại Việt Nam, Nhóm nghiên cứu thực hiện nghiên cứu sấy đường RS bằng máy sấy
tầng sôi xung khí kiểu mẻ với năng suất 20kg/ mẻ. Vấn đề tính toán thủy động cho lớp hạt sôi là việc làm
đầu tiên cần thiết để xác định tiếp các thông số sấy khác kế tiếp như: các kích thước cơ bản của buồng sấy,
buồng làm mát hạt, các thông số của quạt ly tâm cấp tác nhân, dạng ghi phân phối khí, kích thước lỗ phân
phối khí…
Theo thực nghiệm của chính tác giả hạt đường RS vào máy sấy tầng sôi xung khí có đường kính
trung bình dm = 0,82m, kết quả cầu tính của hạt đường RS cũng được chính nhóm nghiên cứu xác định
được = 0,85 do vậy kích thước hạt tương đương cầu có giá trị dp= 0,760mm. Lấy, khối lượng thể tích trạng
thái tĩnh của đường RS ở độ ẩm 1,5-2% có giá trị b = 889 kg/m3; khối lượng riêng p= 1598kg/m3, tác
nhân sấy được gia nhiệt từ khí trời có nhiệt độ trung bình 28OC, độ ẩm tương đối của không khí Rh 80 %,
lên nhiệt độ tác nhân sấy 70OC, khối lượng riêng không khí được tính là 1,045kg/m3 và độ nhớt động lực
học f=20,35.10 -6 N.s/m2, chiều dày lớp hạt sấy trên ghi phân phối ổn định H0 = 0,2 m.
Ta tính toán và xác định các thông số thủy động học của lớp hạt ở các rạng thái tĩnh, trạng thái sôi tối
thiểu, trạng thái sôi và trạng thái tới hạn như sau:
3.1 Tại trạng thái sôi tối thiểu
+ Độ xốp của lớp hạt đường RS trạng thái tĩnh theo PT (20)
889
0 = 1 − b = 1 − = 0, 44 .
p 1598
+Ta tính toán độ xốp của lớp hạt đường RS trạng thái giả lỏng tối thiếu theo [10]
mf = 0 x 1,1= 0,484
Từ phương trình (11) ta xác định vận tốc khí tối thiểu qua lớp hạt sôi tối thiểu
(1598 − 1, 045)9,81.(760.10−6 ) 2 .0, 4483
Vmf = = 0, 65m / s
150.20,35.10−6 (1 − 0, 448)
-160-
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
3.2 Tại lớp hạt giả lỏng hoàn toàn
Theo [10] cũng được trình bày trong[11] vận tốc khí qua ghi phân phối khí (tức là qua tiết diện khối hạt)
để khối hạt vật liệu rời hóa sôi hợp lý được tính theo PT( 23)
Vhf = (23)Vmf (23)
Vậy ta có thể tìm thấy giá trị vận tốc hóa sôi hợp lý
Vhf = 0,65. 1,1 = 1,625m/s
Ta xác định lại chuẩn số Re theo PT(16) ở trạng thái sôihoàn toàn, lúc này Re= Rehf trong điều kiện vận
tốc hóa sôi Vhf = 1,63m/s
f .V f .d m . 1, 045*1, 63*760.10 −6
Kết quả tính được Rehf = = = 64, 7
f 20.10−6
Vậy độ rỗng của khối hạt tại trạng thái sôi đều (sôi hợp lý) hf được tính theo PT(22)
0,21
18Rehf + 0,36 Rehf
0,21
18.64, 7 + 0,36.64, 7 2
2
hf = = = 0, 67
Ar 17966,3
3.3. Tại lớp hạt sôi luân chuyển
Trạng thái lớp hạt luân nhanh [12] (lớp hạt sôi không ổn định) nghĩa là các sấy sẵn sàng bị cuốn đi
theo dòng tác nhân sấy ra ngoài. Trạng thái này được thể hiện tại vị trí B-C (Hình 1)[2], tại trạng thái này
lớp hạt luôn có biến động và dễ bị cuốn ra khỏi lớp hạt sôi khi vận tốc khí khối hạt lớn hơn vận tốc khí tối
hạn (Vcf)[12].
Nhằm có cơ sở xác định kích thước buồng phân ly hợp lý của máy sấy tầng sôi xung khí ta xác
định vận tốc tới hạn lý thuyết để làm cơ sở tính tiết diện buồng phân ly hạt trước khí khí ẩm ra ngoài.
Theo [2] chuẩn số archimete Ar được đối với hạt vật liệu có hình dạng bất kỳ
f ( p − f ) g ( d m )3
Ar = (22)
2f
Vậy ta tính chuẩn số Ar:
( )
3
9.81 ( 76 10−6 ) . 1,045. (1598 − 1.045)
Ar = = 17966,3
( 20 10−6 ) 2
Mặt khác bằng các phép biến đổi từ phương trình Ergun đối với hạt bất kỳ có cầu tính, ta lập được
phương trình quan hệ giữa chuẩn số Ar với Re cùng với độ xốp lớp hạt trạng thái sôi [1].
(1 − hf ) 1, 75
Ar = 150 Rehf + Rehf2 (23)
2 3
hf 3
hf
Thay các giá trị hf = 0,484, cầu tính hạt đường = 0, 85 vào phương trình (23) và Phương trình (22) trở
thành phương trình bậc 2.
18,15 Re 2hf + 944,86 Re hf − 17966,3 = 0
Giải phương trình trên ta được nghiệm duy nhất Rehf = 14,8 (ta loại bỏ giá trị Rehf = - 66,85) do
trong vật lý chỉ lấy giá trị dương.
Từ kết quả tính chuẩn số Rehf trạng thái sôi tối thiểu Rehf = 15 dòng khí qua lớp hạt ở chế độ quá độ
(Transition) 1
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
1/2
4( p − f ) g 4(1598 − 1,045)9,81
1/2
Vcf = dm = (0,85.820.10−6 ) = 2,1m / s
3 f CD 3.1,045.3,5
Thực tế trong quá trình sấy, nhằm bảo đảm về mặt năng suất sấy, chất lượng sấy, người vận hành máy
sấy phải điều chỉnh lưu lượng quạt và tần số cấp khí vào các cửa cấp tác nhân vào buồng sấy ở vận tốc khí
hợp lý nằm để vận tốc (Vf) nằm trong phạm vi Vmf < Vhf
- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
[2] Howard.J.R. Fluidized bed Technology, principles and application, Publisher Taylor & Francis Group
Date, 1989
[3] Kunii D. and Levenspiel O., Fluidization Engineering, second edition, Butterworth-Heinemann,
Stoneham, 1991
[4] Elenkov V. R., Djurkov T. G., Doan Nam. (1992) Hydrodynamic studies of devices with linear-pulse
and rotational-pulse fluidized bed (in Bulgarian). Scientific session of VIHVP, Plovdiv,November.
[5] D. Geldart, “The effect of particle size and size distribution on the behaviour of gas-fluidised beds,”
Powder Technol., vol. 6, no. 4, pp. 201–215, 1972
[6] Geldart D,Types of gas fluidization. Powder technology, 7, pp. 285-292,1973
[7] Ergun, Sabri. "Fluid flow through packed columns." Carnegie Institute of Technology!, Pittsburgh,
Pennsylvania Chem. Eng. Prog. 48 ,1952.
[8] W.L.McCabe,J.C Smith và P.Harriott unit operation of chemical engineering McGraw Hill,Newyork.
1985
[9] Levenspiel o. (2014) Engineering Flow and Heat Exchange. Springer, New York. - 406 p
[10] Ginzburg AS. Theoretical and Technical Basis of Drying Food Products. Moscow: Pishchevaya
Promyshlennost; 1973. p. 528 (in Russian)
[11] Trần Văn Phú, Kỹ thuật sấy, Nhà xuất bản giáo dục, 2008
[12] Kunii, D. & Levenspiel, O., High-Velocity Fluidization. Fluidization Engineering, 193–210,.
https://doi.org/10.1016/b978-0-08-050664-7.50014-7 Elsevier, 2013
-163-
nguon tai.lieu . vn
