Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Luận văn
Tính toán thiết kế hệ
thống sấy trong nhà máy
sản xuất phân lân nung
chảy
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
1
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
MỞ ĐẦU 4
Phần 1: 5
TỔNG QUAN 5
1.1. Quặng apatit và quá trình sản xuất phân lân nung chảy 5
1.1.1. Quặng apatit
1.1.2. Quy trình, công nghệ sản xuất phân lân nung chảy
1.2. Lựa chọn phương pháp sấy 11
1.2.1. Các phương pháp sấy [12] 11
1.2.2. Lựa chọn phương pháp, thiết bị sấy 12
1.2.3. Chọn tác nhân sấy, chất tải nhiệt 12
Phần 2: 13
TÍNH CÔNG NGHỆ 13
2.1. Số liệu đầu vào 13
2.2. Tính cân bằng vật chất 13
2.3. Cân bằng năng lượng 14
2.3.1. Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy 14
2.3.2. Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình
sấy lý thuyết 15
2.3.3. Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết 21
IV.3. Vận hành 51
IV.4. Sự cố và khắc phục 52
KẾT LUẬN 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
3
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
MỞ ĐẦU
Thiết bị sấy được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp. Hệ
thống sấy là một trong các thiết bị quan trọng giúp sản phẩm đạt được các chỉ tiêu chất
lượng, kỹ thuật mong muốn để sử dụng hoặc chuyển tới các giai đoạn khác. Để có
được hệ thống sấy phù hợp, việc thiết kế là công việc đầu tiên và có vai trò quyết định
đối với quá trình chế tạo thiết bị.
Ở nước ta hiện nay, ngoài các thiết bị sấy chung, sản xuất hàng loạt, một số quá
trình đòi hỏi thiết bị sấy riêng đáp ứng yêu cầu cụ thể của sản xuất, trong đó có hệ
thống sấy trong dây chuyền sản xuất phân lân nung chảy.
Phân lân nung chảy sau khi ra khỏi lò cao được tôi nước ở áp suất cao để tạo
thành các hạt nhỏ và được đưa đến bãi ráo, trải qua quá tình ráo nước tự nhiên đến khi
đạt được độ ẩm nhất định. Sau đó được đưa vào thiết bị sấy điều chỉnh độ ẩm theo tiêu
chuẩn trước khi đưa đi nghiền mịn hoặc đóng đóng gói thành sản phẩm.
Tập đồ án này trình bày rõ quy trình sản xuất phân lân nung chảy cùng vai trò của
hệ thống thiết bị sấy trong dây chuyền đó; lựa chọn phương pháp, loại thiết bị và tính
toán thiết kế thiết bị sấy phân lân nung chảy bán thành phẩm, tính chọn các phụ kiện
liên quan.
Trong quá trình thực hiện, do hạn chế về thời gian và tư liệu tham khảo, tập đồ án
này khó lòng tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy
cô.
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
phân lân super, phân lân nung chảy, DAP, MAP
b) Phân loại
Ở mỗi quốc gia, việc phân loại quặng apatit có thể đôi chút khác nhau trong một
số trường hợp cụ thể. Phân loại sau đây áp dụng cho mỏ apatit Lào Cai của Việt Nam
theo tài liệu [4].
• Phân loại theo thạch học: căn cứ vào các đặc điểm thạch học, người ta chia
mỏ apatit thành 8 tầng cốc san, ký hiệu từ dưới lên trên: KS1-KS8. Trong đó
quặng apatit nằm ở các tầng KS4, KS5, KS6 và KS7. Trong từng tầng lại chia
ra thành các đới phong hóa hóa học và chưa phong hóa hóa học.
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
5
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
− Tầng KS4: Còn gọi là tàng dưới quặng, đây là tầng nham thạch apatit
cacbonat – thạch anh – muscovit có chứa cacbon. Nham thạch của tầng
này gồm hai loại phiến thạch chính là dolomit – apatit – thạch anh và
apatit – thạch anh – dolomit chứa khoảng 35 – 40% apatit. Chiều dày tầng
này khoảng 35-40m.
− Tầng KS5: Còn gọi là tầng quặng. Đây là tầng apatit cacbonat, là tầng
chứa quặng chủ yếu trong khu vực bể photphorit. Quặng apatit hầu như
thuộc phần phong hóa của tầng này, hàm lượng P
2
O
5
từ 28-40%, gọi là
quặng loại I. Chiều dày tầng này từ 3-4m tới 10-12m. Ngoài ra KS5 còn
chứa các phiến thạch apatit – dolomit, dolomit – apatit – thạch anh –
muscovit.
− Tầng KS6, KS7: Còn gọi là tầng trên quặng, chiều dày khoảng 35-40m.
Nham thạch của tầng này khác với loại apatit cacbonat ở chỗ nó có hàm
[1]
Phân lân nung chảy có thành phần chủ yếu là P, Ca, Si và một số nguyên tố vi
lượng như Fe, Co, Mn, thành phần của phân lân nung chảy có thể viết dạng:
4(Ca, Mg)O.P
2
O
5
5(Ca, Mg)O.P
2
O
5
.SiO
2
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
6
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Phân lân nung chảy có pH từ 6-8 tùy thuộc quá trình phối trộn, tạo ra sản phẩm
phù hợp với các loại đất khác nhau.
b) Tính chất, ứng dụng
[1][6]
− P
2
O
5
trong phân lân nung chảy ở dạng hòa tan trong axit xitric 2%, được
thực vật hấp thụ dễ dàng.
− Phân lân nung chảy là sản phẩm phân lân kiềm tính, không bị hút ẩm,
không kết khối, chứa 25-30% P
2
+ MgO: khử chua, là chất thiết yếu tạo nên diệp lục tố, giúp cây tăng
khả năng quan hợp, tổng hợp dinh dưỡng
+ SiO
2
: tăng độ cứng vững của thân và lá, giúp cây trồng chịu rét, chịu
hạn, chống sâu bệnh tốt hơn.
+ Chất vi lượng: Mn, Cu, B, Fe thúc đẩy cây phát triển toàn diện.
− Là loại phân không tan trong nước, tan từ từ trong môi trường đất và dịch rễ
cây nên hạn chế rửa trôi, hiệu lực phân kéo dài.
c) Quy trình công nghệ
[1]
• Nguyên lý sản xuất phân lân nung chảy.
Cơ sở của phương pháp là dùng nhiệt nung nóng biến lân từ dạng vô định hình
cây không thể hấp thụ thành dạng vô định hình cây có thể hấp thụ được.
− Nguyên liệu:
+ Apatit: có thể sử dụng apatit loại chất lượng kém như loại II, vì loại II
có chứa Mg cần thiết cho phối liệu. Apatit có hàm lượng P
2
O
5
≤ 30%
là đạt yêu cầu.
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
7
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
+ Đá secpentin: là nguồn khoáng thiên nhiên chứa MgO, SiO
2
cùng một
số nguyên tố vi lượng như Mn, Cu,
C sẽ tạo thành 3Mg
2
SiO
4
:
2(3MgO.2SiO
2
) 3Mg
2
SiO
4
+ 2MgSiO
3
+ Khi gia nhiệt đến nhiệt độ xác định có các phản ứng phân hủy
cacbonat: MgCO
3
, CaCO
3
và các phản ứng hoàn nguyên Fe, Ni.
+ Ở 1150
o
C, oxit sắt bị khử thành gang chảy lỏng.
+ Vì tỷ trọng Fe và Ni lớn hơn nhiều tỉ trọng phối liệu nên Fe và Ni lắng
xuống đáy tạo thành xỉ feroniken.
+ Ở 1200
o
C phối liệu bắt đầu nóng chảy, quá trình nóng chảy xảy ra
phản ứng khử (chủ yếu khử F, hoàn nguyên Ni, P).
Hoặc dạng tổng quát:
Trong đó một phần CaF
cỡ không đạt tiêu chuẩn. Lượng mịn được tập trung vào bão chứa.
Than được chọn lọc, đảm bảo chất lượng và kích cỡ chuyển về sàn lò.
+ Quặng, than đá, đá secpentin được cân theo phối liệu, chuyển vào
thùng tời đưa lên lò cao. Ở trong lò cao diễn ra các quá trình sấy, hóa
mềm chảy lỏng và quá nhiệt chuyển hóa quặng chứa lân thành dạng
vô định hình bằng cách làm lạnh đột ngột bằng nước, rồi được trục vớt
từ bể tôi bán thành phẩm đưa vào phễu chứa, nhờ băng tải đưa về bãi
ráo.
+ Bán thành phẩm ở bãi ráo tự nhiên tiếp tục được đưa vào phễu rồi theo
hệ thống băng tải chuyển vào máy sấy thùng quay. Ở đây, bán thành
phẩm được sấy với nhiệt độ 600-700
o
C, sau đó được đổ ra băng tải
chuyển đi gia công chế biến theo yêu cầu:
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
10
Nguyễn liệu Kẹp hàm đập Sàng khô Rửa
Lò caoLọc bụi
Rửa bụi
Xử lýCa(OH)
2
Thải
Bãi rửa
Sấy
Nghiền
Sàng
Lọc bụiKhí thải
Sản phẩm
Tôi nước
− Sấy bằng dòng điện cao tần: Là phương pháp dùng năng lượng điện trường
tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày lớp vật liệu. Phương pháp này có
ưu điểm truyền nhiệt nhanh, chỉ làm nóng những vùng ẩm nên ít tổn hao
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
11
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
năng lượng cho các phần khác. Chi phí đầu tư lớn, cấu tạo phức tạp và quy
mô nhỏ là những hạn chế lớn của phương pháp này.
1.2.2. Lựa chọn phương pháp, thiết bị sấy
Dựa vào đặc tính phân lân bán thành phẩm và yêu cầu trong quy trình sản xuất
phân lân nung chảy, ta thấy phương pháp sấy phân lân nung chảy bán thành phẩm
không yêu cầu giữ các đặc tính cảm quan như sấy thực phẩm, hoa quả; không sợ vật
liệu sấy bị ô nhiễm bởi tiếp xúc trực tiếp với tác nhân sấy; đồng thời quá trình sấy yêu
cầu năng suất cao, hiệu quả tốt nhưng giá thành đầu tư thấp, vận hành sửa chữa đơn
giản. Do đó, ta chọn phương pháp sấy đối lưu.
Phương pháp sấy đối lưu có các loại thiết bị sấy: sấy buồng, sấy hầm, sấy khí
động, sấy tầng sôi, sấy tháp, sấy thùng quay, sấy phun, Dựa vào năng suất làm việc,
nhiệt độ làm việc và yêu cầu chi phí đầu tư, vận hành, ta chọn thiết bị sấy thùng quay
với các ưu điểm:
− Thiết bị nhỏ gọn, có thể cơ khí, tự động hóa hoàn toàn.
− Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệu, năng suất cao.
− Thiết kế, chế tạo, vận hành với chi phí thấp.
1.2.3. Chọn tác nhân sấy, chất tải nhiệt
Tác nhân sấy có các loại: không khí ẩm, khói lò, hơi quá nhiệt.
Do yêu cầu sấy phân lân nung chảy bán thành phẩm cần nhiệt cao từ 600-700
o
C
và không sợ bị ô nhiễm sản phẩm sấy, không sợ cháy nổ nên ta chọn tác nhân sấy là
khói lò.
- khối lượng vật liệu vào, ra thiết bị sấy, kg/h.
ω
1
, ω
2
- độ ẩm tương đối vật liệu vào, ra thiết bị.
W - lượng ẩm bay hơi trong 1h, kg/h.
G
k
- khối lượng vật liệu khô tuyệt đối, kg/h.
Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ (theo ):
Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
Lượng vật liệu vào:
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
13
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
2.3. Cân bằng năng lượng
2.3.1. Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy.
− Áp suất hơi bão hòa (theo ):
− Độ chứa ẩm (theo ):
P
a
= 0,981 bar: áp suất khí quyển.
− Enthalpy (theo ):
Trong đó:
i
k
, i
a
o
C.
− Độ ẩm: φ = 80%.
Áp suất hơi bão hòa:
Độ chứa ẩm:
Enthalpy:
Thể tích riêng:
b. Thông số trạng thái của khói lò sau buồng đốt (B’), sau buồng hòa trộn (B)
• Tính toán quá trình cháy
Thành phần nhiên liệu than sử dụng: Than Tuyên Quang.
Bảng 2.1: Thành phần nhiên liệu than Tuyên Quang
[15].
Nguyên tố
Hàm lượng
(% khối lượng)
C 57
H 4,6
O 2,6
N 0,2
S 1,6
Tr (tro) 19
A (nước) 15
Nhiệt trị cao của nhiên liệu (theo ):
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
15
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (theo ):
Lượng không khí khô lý thuyết cho quá trình cháy (theo ):
Trong thực tế, tùy thuộc vào việc tổ chức quá trình cháy và độ hoàn thiện
− Chọn nhiệt độ của khói lò sau hòa trộn: t
1
= 650
o
C
− Nhiệt dung riêng nhiên liệu (than): C
nl
= 0,12 kJ/kg.K
− Nhiệt độ nhiên liệu vào: t
nl
= 25
o
C
− Enthalpy của hơi nước: i = 2500+1,842t (kJ/kg)
+ Không khí ngoài trời:
i
ao
= 2500 + 1,842 . 25 = 2546,05 (kJ/kg)
+ Hơi nước chứa trong khói sau buồng hòa trộn:
i
a
= 2500 + 1,842 . 650 = 3697,30 (kJ/kg)
• Các thông số khói lò
o Lượng hơi nước
− Sau buồng đốt (theo ):
− Sau buồng hòa trộn (theo )
o Khối lượng khói khô
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
c. Thông số trạng thái của tác nhân sấy sau thùng sấy (C)
Trong thiết bị sấy dùng khói lò làm chất vừa cung cấp nhiệt lượng, vừa thải
ẩm ra môi trường, quá trình sấy lý thuyết là quá trình không có tổn thất do vật
liệu sấy, do thiết bị truyền tải mang đi, không có tổn thất do tỏa ra môi trường
qua các kết cấu bao che, mà chỉ có thất thoát do tác nhân sấy mang đi. Do đó,
bao nhiêu nhiệt lượng khói lò cùng cấp cho vật liệu sấy hoàn toàn dùng để tách
ẩm khỏi vật liệu. Khi ẩm tách khỏi vật liệu, lại bay vào trong khói lò, do đó ẩm
đã mang toàn bộ nhiệt lượng mà khói đã mất trả lại dưới dạng ẩn nhiệt hóa hơi r
và nhiệt vật lý của hơi nước C
pa
.t. Quá trình sấy lý thuyết bằng khói lò được xem
là quá trình đẳng enthalpy
[18]
.
Thông số tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết:
− Enthalpy: I
2
= I
1
= 817,04 (kJ/kg khói khô)
− Chọn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy là: 71
o
C.
− Áp suất hơi bão hòa:
− Độ chứa ẩm:
− Độ ẩm tương đối:
− Thể tích riêng:
Bảng 2.2: Thông số trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết
Đại lượng
Không khí ngoài
(kg/h). Theo phương
trình cân bằng vật chất (theo ):
Lượng khói khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm:
Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý thuyết (theo ):
Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết:
Nhiệt lượng tiêu hao riêng:
2.3.4. Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực
Trong thiết bị sấy thực, ngoài tổn thất nhiệt do quá trình sấy mang đi, trong thiết
bị sấy thùng quay còn có tổn thất nhiệt ra môi trường Q
mt
, và tổn thất do vật liệu sấy
mang đi Q
v
. Trong thiết bị sấy thùng quay không sử dụng nhiệt bổ sung và thiết bị
chuyển tải, do đó Q
bs
=0, Q
ct
=0.
• Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy:
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
21
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
− Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong buồng đốt, buồng hòa
trộn:
− Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào:
• Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy:
− Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi:
− Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang đi:
– I
0
) = L’(I
2
– I
0
) + Q
v
+ Q
mt
–W.C
a
.t
v1
Xét cho 1kg cần bốc hơi:
q = l’(I
1
– I
0
) = l’(I
2
– I
0
) + q
v
+ q
mt
– C
a
.t
v1
= t
0
= 25
o
C: nhiệt độ vật liệu sấy vào thiết bị, lấy bằng nhiệt độ môi
trường.
t
v2
= t
2
– 5 = 71 – 5 = 66 (
o
C): nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy của vật liệu sấy
(chọn nhỏ hơn đầu ra tác nhân sấy 3 – 5 độ).
Vậy:
o Xác định C
a
.t
v1
:
o Xác định q
mt
:
Tổn thất nhiệt ra môi trường thương chiếm khoảng 3 – 5% lượng nhiệt tiêu
hao hữu ích:
q
mt
= (0,03 ÷ 0,05)q
hi
Vậy Δ = 104,67 – 502,68 – 145,89 = -543,90 (kJ/kg ẩm)
q = l’(I
2
– I
0
) – Δ = 4,193(817,04 – 66,86) + 543,90 = 3689,41 (kJ/kg ẩm)
Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:
Q = q.W = 3689,41 . 2258,06 = 8330909,15 (kJ/h)
2.3.5. Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực.
• Độ chứa ẩm của tác nhân sấy (theo ):
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
23
Tính toán thiết kế hệ thống sấy trong nhà máy sản xuất phân lân nung chảy
Trong đó:
i
1
= 2500 + 1,842.650 = 3697,30 (kJ/kg).
i
2
= 2500 + 1,842.71 = 2630,73 (kJ/kg).
• Enthalpy:
• Độ ẩm tương đối:
Bảng 2.3: Thông số trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy thực
Đại lượng
Không khí
ngoài trời (A)
Tác nhân sấy sau
buồng đốt (B’)
Tác nhân sấy sau
− Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy:
2.3.7. Lượng nhiên liệu tiêu hao
− Lượng nhiên liệu tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:
− Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ:
2.3.8. Hiệu suất thiết bị sấy
2.4. Tính kích thước thùng quay
− Thể tích thùng quay (theo ):
Trong đó:
W: lượng ẩm bốc hơi trong 1h, kg ẩm/h.
A: Cường độ bốc hơi ẩm, kg/m
3
h.
Cường độ bốc hơi ẩm A hầu hết được xác định bằng thực nghiệm. Dựa vào
, chọn vật liệu sấy tương đương ở cùng điều kiện (CaCO
3
): A = 45 ÷ 65.
Chọn A = 55 (kg/m
3
.h)
Chọn đường kính theo tiêu chuẩn theo : D
T
= 2,2m
Chiều dài thùng:
GVHD: Vũ Hồng Thái
SVTH: Đậu Ngọc Hoàng
25
Copyright: Tài liệu đại học ©