TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY TẦNG SÔI ĐỂ SẤY NGÔ,
NĂNG SUẤT 400KG/H
LỜI MỞ ĐẦU
Các quá trình và thiết bị là tập hợp các môn học cơ sở rất quan trọng cho sinh viên
ngành sinh học thực phẩm, nhằm giúp cho sinh viên có khả năng tính toán, thiết kế
thiết bị, khả năng vận hành, cải tiến hoặc đề xuất những thiết bị thích ứng cho một
công nghệ cụ thể với năng suất và hiệu quả cao. Đồ án 1 Qúa trình và thiết bị là cơ
hộ tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học; tiếp cận với thực tế thông qua việc
tính toán , lựa chọn quy trình và các thiết bị với số liệu cụ thể. Đây là cơ sở để sinh
viên dễ dàng nắm bắt công nhệ và giải quyết các vấn đề kỹ thuật tổng hợp một
cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc sau này.
Trong công nghệ hóa học và thực phẩm có rất nhiều yêu cầu sản xuất khác nhau,
một trong những yêu cầu đó là sấy các nguyên liệu, mục đích của quá trình này là
làm hạt đạt được độ ẩm an toàn trước khi đưa vào kho bảo quản và tạo điều kiện
thuận lợi cho các quá trình tiếp theo.Có nhiều phương pháp được sử dụng khác
nhau, nhưng đối với trường hợp sấy tầng sôi người ta thường sử dụng thiết bị sấy
tầng sôi rung hoặc thiết bị sấy tầng sôi dạng hình hộp.
Nhiện vụ của đồ án chuyên ngành là: tính toán thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy
ngô, năng suất 400kg/h. Ở đây em xin chọn thiết bị sấy tầng sôi 1 tầng.
Em xin chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bị thực phẩm, các
bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn
thành đồ án không thể không có sai sót, em kính mong quý thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Phần 1 Mở đầu
1.1.SƠ LƯỢC VỀ NGÔ, TÍNH CHẤT, ỨNG DỤNG:
Ngô là một loại cây lương thực được thuần canh tại khu vực Trung Mỹ và sau đó
lan tỏa ra khắp Châu Mỹ. Ngô lan tỏa ra ra phần còn lại của thế giới sau khi có tiếp
xúc của người Châu Âu với Châu Mỹ vào cuối thế kỷ 15, đầu thế kỷ 16.
Ngô là cây lương thực được gieo trồng nhiều nhất tại Châu Mỹ (Chỉ riêng tại Hoa
Kỳ thì sản lượng đã là khoảng 270 triệu tấn mỗi năm). Nó vừa là lương thực vừa là
thức ăn gia súc rất quan trọng, đứng hàng thứ ba trên thế giới. Diện tích trồng ngô
hằng năm của thế giới hiện nay khoảng 129 triệu ha, năng suất bình quân khoảng

Tinh bột 65,34 67,02
Xơ 3,25 3,61
Chất khoáng 1,32 1,32
Sing tố 0,08 0,05
Các chất khác 0,40 0,33
1.2.SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI:
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt. Kết quả của quá
trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên. Điều này có ý nghĩa quan
trọng về nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nhằm tăng khả năng bảo
quản; đối với gốm sứ làm tăng độ bền cơ học, đối với than củi làm tăng khả năng
đốt cháy… Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thể tích nên giảm
được giá thành vận chuyển.
Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái
pha của lỏng trong vật liệu thành hơi. Cơ chế của quá trình được diễn tả bởi 4 quá
trình cơ bản sau :
- Cấp nhịêt cho bề mặt vật liệu.
- Dòng nhiệt dẫn từ bề mặt vào vật liệu
- Khi nhận được lượng nhiệt, dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt.
- Dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách vào môi trường xung quanh.
Bốn quá trình này được thể hiện bằng sự truyền vận bên trong vật liệu và sự trao
đổi nhiệt ẩm bên ngoài giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
Dựa vào phương thức cung cấp nhiệt cho vật liệu người ta chia thiết bị sấy ra ba
nhóm chính:
+ Sấy đối lưu
+ Sấy tiếp xúc
+ Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoa
Theo kết cấu nhóm thiết bị sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bị sau:
+ TBS buồng
+ TBS hầm
+ TBS thùng quay

G
1
: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy
G
2
: năng suất sản phẩm sau khi sấy
w
1
: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy
w
2
: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy
d
1
: hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi sấy
d
2
: hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô sau khi sấy
W: năng suất tách ẩm
L: lượng không khí khô cần thiết
l: lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm ra khỏi vật liệu
2.1.1.Các thông số cơ bản:
2.1.1.1.Đối với không khí:
a.Trạng thái ban đầu của không khí:
t
0
= 20
0
C
φ

+
−=

+ Hàm ẩm của không khí ngoài trời trước khi vào calorifer:
0
0
00
0
.
.
.621,0
bh
bh
PP
P
d
ϕ
ϕ
−
=

0126,0
0233,0.85,0
750
745
0233,0.85,0
621,0
0
=
−

theo công thức
C
dx
(d
0
) =1,004 + 1,842.0,0126= 1,027 (kJ/kg)
b.Thông số của tác nhân sấy tại điểm sau khi ra khỏi calorifer:
Thông số: t
1
= 90
0
C, với d
1
= d
0
= 0,0126 (kg/kgkk )
+ Entanpi của không khí ẩm ở nhiệt độ môi trường t
1
=80
0
C:
I
1
= 1,004.t
1
+ d
1
.(2500 + 1,842.t
1
) theo công thức





+
−=
1
5,235
42,4026
12exp
t
P
bh
theo công thức 2.31 Trang 31
+ Độ ẩm tương đối:
)621.0(
.
11
1
1
dP
dB
bh
+
=
ϕ

c.Thông số của tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy sau quá trình sấy lý thuyết.
Thông số:t
2


+
−=
2
20
5,235
42,4026
12exp
t
P
bh
)(095,0)
455,235
42,4026
12exp(
20
barP
bh
=
+
−=
+ Độ ẩm tương đối ϕ20 là:
)621.0(
.
2020
20
20
dP
dB
bh

.(69
,0
0126,0.
750
745
1
=
+
=
ϕ
)/ ( kg0305 ,0
45
.
842
,1
2500
)
4590.(027
,1
0126,0
20
kgkk

d
=
+
−
+=
(%)50


3
- Độ xốp: ε= 0,56
- Diện tích bề mặt riêng khối lượng: f= 1,31m
2
/kg
- Khối lượng riêng xốp: ρ
v
= 850kg/m
3
• Vật liệu trước khi vào thiết bị sấy, ta chọn
θ
1
= 20
0
C
ω
1
= 20%
• Vật liệu sau khi ra thiết bị sấy, chọn nhiệt độ ra của ngô nhỏ hơn nhiệt độ
của không khí khoảng 5
0
C
θ
2
= 40
0
C
ω
2
= 13%, độ ẩm bảo quản ngô.

2
)=400(1-0,13)=348kg/h
Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm:
l =
)/(50
0126,00326,0
1
12
kgamkgkk
dd
l
=
−
=
−
Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình:
L = W.l = 35.50= 1750 kg/h
2.2. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
2.2.1.Tính cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng vào:
- Nhiệt lượng do không khí mang vào: LI
0
- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G
2
C
vl
θ
1
+C
n

2
+G
2
C
vl
θ
2
+Q
m
Từ phương trình cân bằng năng lượng ta có:Q
c
=L(I
2
-I
0
)+G
2
C
vl
(θ
2
-θ
1
)+Q
m
-C
n
Wθ
1
Viết cho 1 kg ẩm bốc hơi:

θ
1
Với :
mvln
qqC
−−=∆
1
θ
I
2
= I
1
+
l
∆
Đối với quá trình sấy lý thuyết:
q
c
=l( I
2
- I
0
) = 50.( 123,95-52,044)=3695,3 (kj/kgẩm)
Đối với quá trình sấy thực tế: lúc này giá trị sẽ khác 0
Nhiệt dung riêng của nước:
C
n
= 4,18kj/kg
0
K

0
= 2500 + 1,842 t
2
– C
n
.
1
θ
=2500 + 1,842 . 45 - 4,18 . 20 = 2499,3kj/kgẩm
Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: giả sử nhiệt tổn thất ra môi trường xung
quanh bằng 5% của tổng nhiệt lượng hữu ích.
Do đó ta có:
q
m
= 5%.q
0
= 124,97 kj/kgẩm
)/(23,464
1
kgamkJqqC
mvln
−=−−=∆
θ
Ta thấy <0, quá trình sấy thực tế sẽ nằm dưới đường lý thuyết.
2.2.2. Tính quá trình sấy thực
Lượng chứa ẩm d
2
028,0
23,464)45.842,12500(
)4590.(027,1

=1,004.45+0,028.(2500+1,842.45)=117,5 kJ/kg kk
Độ ẩm tương đối.
)621,0(
.
22
2
2
dP
dB
bh
+
=
ϕ
Khối lượng không khí khô.
94,64
0126,0028,0
11
02
=
−
=
−
=
dd
l
kg kk/kg ẩm
và L=W.l=35.64,94=2272,73 kg kk/h
Nhiệt lượng tiêu hao q
q =l.(I
1

'
max
=
−
=
−
=
q
qq
ε
(chấp nhận được)
(%)
1
,
49
)028,0621,0.(095,0
028
,0.
750
745
2
=
+
=
ϕ
Phần 3 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
Chọn thiết bị sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối có dạng tấm được đục lỗ cho
không khi đi lên.
Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bị sấy tầng sôi:
Nhiệt độ tác nhân vào:

k
−
=
µ
Hệ số dẫn nhiệt:
KmW
k
02
/10.95,2
−
=
λ
= 10,62.10
-2
Kj/mh
0
K
3.1.XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TỚI HẠN
Chuẩn số Arsimet:
Ar=
6
26
33
2
3
10.81,12
037,1.)10.75,19(
81,9).037,11253()10.5,7(
)(
=

3
0
Ar
ε
-1
=636,6
Tốc độ tới hạn:
V
th
=
sm
d
v
kth
/68,1
10.5,7
10.75,19.6,636
Re
3
6
==
−
−
3.2.Xác định tốc độ tối ưu
Chuẩn số Fedorov:
5,257
037,1)10.75,19(3
81,9)037,11253(4
10.5.7
3

ktu
/4,3
10.5,7
10.75,19.4,1291
.Re
3
6
==
−
−
3.3.TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI
Chọn độ xốp của ngô trong tầng sôi là:
65,0
=
ε
Chuẩn số Arsimet:
Ar=12,81.10
6
Chuẩn số Ly được tra từ đồ thị Ly = f(Ar), ta có:
Ly= 200
Vận tốc của tác nhân trong tầng sôi được tính theo công thức:
v
k
=3,645
Hệ số giả lỏng của ngô trong tầng sôi:
K=
26,1
89,2
645,3
==

k
gLy
v
ρ
ρρµ
−
=
ε
k
kt
v
v
=
sm /6,5
65,0
645,3
==
3.4.Tốc độ TNS trong lỗ lưới
Chọn diện tích lỗ lưới so với bề mặt ghi sấy: b=0,65
Khi đó:

b
v
v
tu
kl
=
sm /23,5
65,0
4,3

v
k
krk
c
/32,15
037,1
)037,11253.(81,9.10.45,20.6,15384
).(
3
2
6
3
2
=
−
=
−
=
−
ρ
ρρµ
3.6.Khối lượng vật liệu trên ghi
Chọn sơ bộ chiều cao lớp hạt nằm trên ghi: H=0,25m
Chuẩn số Nu:
3,25.Re 0283,0
34,0
65,06,0
==
−
d

2211
=
−−−
=
−
−
−−−
=∆
θ
θ
θθ
Khối lượng vật liệu thường xuyên nằm trên ghi:
)(45,65
6,24.5,99.6
0075,0.1253.16,2922.35
6
.'
kg
t
dqW
G ==
∆
=
α
ρ
3.6.KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ:
3.6.1.Lưới phân phối:
Diện tích:
2
2.0

p
=0.3(m
2
)
D=0,62 m
b.Khối lượng vật liệu trên ghi
Chọn sơ bộ chiều cao lớp hạt nằm trên ghi: H
0
=0,25m
Chuẩn số Nu:
3,25.Re 0283,0
34,0
65,06,0
==
−
d
H
FeNu
)./(5,99
0075,0
10.95,2.3,25
.
2
2
KmW
d
Nu
k
===
−

0075,0.1253.16,2922.35
6
.'
kg
t
dqW
G ==
∆
=
α
ρ
Tính lại :
m
F
G
H
khG
27,0
65,0.1253.3,0
45,65
.
0
===
ρ
)(70
25,0
27,0
.45,64 kgG ==
b.Chiều cao buồng sấy:
Bao gồm chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồng phân ly

H = H + H
pl
= 1,1+3,3= 4,4m
3.7.BỀ DÀY THIẾT BỊ:
3.7.1.Lưới:
Áp suất trên lưới:
)/(2289
3,0
70.81,9.
2
mN
F
Gg
P
G
===
Chiều dày lưới tính theo công thức:
S
[ ]
C
PK
D +=
ψσ
.
.
Trong đó:
-
ψ
: hệ số hàm yếu do lưới có đục lỗ:
27

Theo điều kiện bền khi l ta có:
[ ]
n
D
P
S
σπ

=
Trong đó:
P: lực nén chiều trục
P= 70.9,81=686,7N
[ ]
n
σ
: ứng suất cho phép khi nén của vật liệu chế tạo
[ ]
mNmmN /10.140/140
62
==
σ
(chọn vật liệu chế tạo là thép CT3)
S=
CC
+=+
−
3
10.5,2
140.620.
7,686

Vậy:
mm
EK
P
c
15,0
106,190506,0
7,686
4
=
×××
=
××
ππ
Ta thấy S=5mm thỏa mãn điều kiện ổn định.
+Điều kiện bền:
80
620
5
106,190506,0
4
=×××=××=
D
S
EK
c
σ
Vìσ = 80< [σ] = 140 nên thỏa mãn điều kiện bền.
Vậy chiều dày thiết bị là S= 5 mm
3.8. BỘ PHẬN NHẬP LIỆU:

Công suất của động cơ truyền động cho vít tải: đối với vít tải nằm ngang ta sử
dụng công thức sau
η
×
×
×=
367
0
LQ
CN
KW
Trong đó:
Q: năng suất của vít tải, kg/h
C
0
: hệ số trở lực được xác định bằng thực nghiệm. Đối với ngô ta chọn bằng 1,2
L: chiều dài vít tải, chọn L=2m
ɳ: hiệu suất truyền động của động cơ, chọn bằng 0,85
 N= 3,35kW
3.9. BỘ PHẬN THÁO LIỆU:
Ở đây ta chọn bộ phận tháo liệu là một ống hình tròn, đường kính là 200mm. Ngô khi đạt
đến độ khô cần thiết sẽ nổi lên trên và tự động được đưa ra ngoài theo ống tháo liệu này. Sở
dĩ ngô có thể tự động ra ngoài là do tính chất đặc biệt của lớp hạt ở trạng thái tầng sôi, lúc
này hạt giống như là một khối chất lỏng và có thể tự chảy ra ngoài.
Phần 4. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
4.1.CALORIFE
Nhiên liệu sử dụng ở đây là dầu FO. Để cho nhiệt độ của không khí được ổn định
khi vào buồng sấy, ta có thể tiến hành gia nhiệt không khí một cách gián tiếp; tức
là dùng dầu để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hòa ở 5 bar (152
0

=
, kJ/kg
Trong đó: ih, entanpi của hơi nước vào calorifer, I
h
= i” kJ/kg
i’ , entanpi của nước ngưng, kJ/kg
Với áp suất của hơi nước P = 5bar i” = 2749 kJ/kg
i’ = 640 kJ/kg
)/(6,104)/(029,0
6402479
4,53
hkgskgD
==
−
=
Tính bề mặt truyền nhiệt:
tb
tk
Q
F
∆
=
.
Ctt
o
cđtđ
13220152
21
=−=−=∆
Ctt

sử lưu tốc không khí qua calorife
)./14
2
smkg=
ρυ
Tra bảng ta được :k=35,2 W/m
2
.K
)(4,16
6,92.2,35
53406
.
2
m
tk
Q
F
tb
==
∆
=
Chọn calorife kiểu II loại K
4Φ
có F=21,4m
2
và kích thước sau:
Dài A=930mm
Rộng B=520mm
Cao C=240 mm
4.2. CYCLON

=0,23m
h
3
=0,4m D
1
=0,25m
4.3. TÍNH QUẠT
Các trở lực mà quạt phải khắc phục
-Tổng trở lực ma sát:Σ∆P
ms
-Tổng trở lực cục bộ:Σ
ζ
ωρ
g2
2
×
-Trở lực qua calorife ∆P
C
=25mmH
2
O
-Trở lực qua cyclon ∆P
x
-Trở lực qua buồng sấy
-Trở lực do áp lực động ở đầu ra của quạt
4.3.1. Trở lực:
a.Trở lực từ quạt tới Calorife:
Chọn ống dẫn có đường kính d= 0,25m, chiều dai 5m
Lưu lượng không khí:
V

/s
 Re= 2,1.10
5
Dòng chảy ở chế độ rối.
Reynol giới hạn trên:
7
8
6Re






=
ε
td
gh
d
Trong đó Ɛ là độ nhám tuyệt đối, chọn Ɛ=0,08mm
 Re
gh
=59,2.10
3
Chuẩn số Reynol khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
6
8
9
1088,1220Re
×=


+××=
td
t
ε
λ
OmmHmN
d
L
P
td
ms 2
2
2
9,2/4,28
2
==
×
××=∆
ρω
λ
-Trở lực đột mở vào Calorife:
2
2
ρω
ζ
×
×=∆
C
P

= 1,7 mm H
2
O
c.Trở lực do áp lực động quạt thổi:
∆P =
OmmHmN
2
2
22
6,9/2,94
2
205,1.5,12
2
===
×
ρω
d.Trở lực đoạn uốn cong vào buồng sấy:
∆P= ζ.
2
.
2
ρω
ρ = 0,972 kg/m
3
ζ = 0,07
 ∆P = 5,32 N/m
2
=0,55 mmH
2
O





+××=
td
d
ε
λ