Đồ án: Thiết kế hệ thống sấy thùng quay xuôi chiều sấy Manganđioxit (MnO2)

Trọn bộ đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy Manganđioxit (MnO2) 1.8 tấn/giờ, gồm thuyết minh và các bước tính toán chi tiết.

• Tác giả: Hồ Tất Linh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Xuân Huy
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa
• Đề tài: Đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay MnO2 1.8 tấn/giờ
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống sấy thùng quay MnO2

Hệ thống sấy thùng quay MnO2 1.8 tấn/giờ là một thiết bị quan trọng trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt trong quá trình xử lý vật liệu có độ ẩm cao. Thùng sấy quay hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt đối lưu giữa khí nóng và vật liệu. Hệ thống này được thiết kế với khả năng xử lý 1.8 tấn/giờ, cho phép loại bỏ hiệu quả độ ẩm từ MnO2 thô. Công nghệ sấy thùng quay cung cấp liên tục quá trình tiếp xúc giữa vật liệu và luồng khí nóng, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng cao. Ứng dụng của hệ thống này rộng rãi trong sản xuất các hóa chất công nghiệp, giúp cải thiện tính chất vật lý và hóa học của sản phẩm.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động

Sấy thùng quay là quá trình loại bỏ độ ẩm từ vật liệu thông qua trao đổi nhiệt với khí nóng trong một thùng quay. Vật liệu liên tục bị trộn lẫn do tác động của vành xới bên trong thùng, tăng diện tích tiếp xúc. Khí nóng từ buồng đốt được dẫn vào thùng sấy, làm bốc hơi nước. Quá trình này đòi hỏi cân bằng nhiệt lượng chính xác để đạt hiệu suất tối ưu.

1.2. Ứng dụng MnO2 trong công nghiệp

MnO2 (Dioxit mangan) là vật liệu quan trọng trong sản xuất pin, hóa chất công nghiệp và xúc tác. Độ ẩm cao trong MnO2 thô ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối. Hệ thống sấy 1.8 tấn/giờ cho phép xử lý hiệu quả, giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính ứng dụng của MnO2 trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.

II. Tính toán và thiết kế nhiên liệu cho hệ thống

Quá trình tính toán nhiên liệu cho hệ thống sấy thùng quay MnO2 1.8 tấn/giờ bao gồm xác định các thông số nhiên liệu, nhiệt độ khói, và lượng nhiên liệu cần thiết. Than đá được lựa chọn làm nhiên liệu chính với nhiệt trị cao và chi phí kinh tế. Các tính toán bao gồm entanpi của nước, hàm ẩm khói, và hệ số không khí thừa để đảm bảo quá trình đốt cháy hoàn toàn. Cân bằng năng lượng được thiết lập để xác định lượng nhiên liệu tối thiểu cần cung cấp. Việc tối ưu hóa lượng không khí khô giúp giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu suất hệ thống sấy.

2.1. Thành phần và tính chất nhiên liệu

Than đá chứa carbon, hydro, oxygen, nitrogen và ash. Nhiệt dung riêng của than dao động từ 1.0-1.3 kJ/(kg.K). Nhiệt trị của than xác định lượng năng lượng giải phóng khi đốt cháy. Hàm ẩm của khí khổi và entanpi ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt cho vật liệu cần sấy.

2.2. Tính toán lượng không khí và tổn thất nhiệt

Lượng không khí khô lý thuyết để đốt 1 kg than được tính dựa trên thành phần hóa học. Hệ số không khí thừa thường từ 1.2-1.5 để đảm bảo đốt cháy hoàn toàn. Nhiệt lượng vào buồng đốt trừ đi tổn thất cho phép xác định hiệu suất thực tế của hệ thống đốt.

III. Tính toán và thiết kế thiết bị chính thùng sấy

Thiết bị chính của hệ thống là thùng sấy quay với các thông số kỹ thuật được tính toán chi tiết. Cân bằng vật liệu xác định lượng ẩm bay hơi từ cát/MnO2. Thể tích thùng được tính dựa trên thời gian lưu vật liệu và tốc độ quay. Chiều dài, đường kính, bề dày thân thùng được xác định để chịu được áp lực vật liệu và nhiệt độ cao. Số vòng quay của thùng thường từ 3-6 vòng/phút tối ưu cho quá trình sấy. Cân bằng nhiệt lượng trong thùng sấy bao gồm tổn thất ra môi trường, hệ số truyền nhiệt K, và hiệu số nhiệt độ trung bình. Diện tích xung quanh thùng ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt và hiệu quả sấy.

3.1. Cân bằng vật liệu và tính toán thông số hình học

Lượng ẩm bay hơi được tính từ độ ẩm ban đầu và cuối cùng của vật liệu. Lượng cát ra khỏi thùng = lượng cát vào trừ ẩm bay hơi. Thể tích thùng sấy = (khối lượng vật liệu × thời gian lưu) / mật độ. Chiều dài thùng thường 3-5 lần đường kính để thời gian tiếp xúc đủ dài.

3.2. Quá trình sấy và cân bằng nhiệt lượng

Quá trình sấy lý thuyết giả sử không có tổn thất. Quá trình sấy thực tế tính đến tổn thất ra môi trường qua hệ số truyền nhiệt K và diện tích bề mặt. Hiệu số nhiệt độ trung bình xác định sức lái của quá trình. Lượng many cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm = 2500-2600 kJ/kg.

IV. Tính toán cơ khí và hệ thống dẫn động

Hệ thống dẫn động cơ khí của thùng sấy quay MnO2 1.8 tấn/giờ bao gồm động cơ điện, bộ truyền bánh răng, vành đai, con lăn đỡ và con lăn chặn. Công suất cần thiết để quay thùng được tính từ momen quay và tốc độ quay. Tỷ số truyền của hệ dẫn động được phân bổ giữa bánh răng và bộ truyền. Vật liệu bánh răng thường là thép hợp kim với ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn được kiểm nghiệm. Vành đai chịu tải trọng từ trọng lượng vật liệu, bánh răng vòng, cánh xới. Con lăn đỡ đảm bảo quay trơn tru của thùng. Kiểm tra độ bền của các linh kiện cơ khí đảm bảo an toàn hoạt động dài lâu.

4.1. Tính toán hệ thống dẫn động và động cơ

Công suất trên trục bánh răng chủ động được xác định từ momen quay = 3000-5000 N.m. Tỷ số truyền hệ dẫn động thường 10-20:1 để giảm tốc độ quay từ 1450 vòng/phút của động cơ xuống 3-6 vòng/phút thùng. Động cơ điện thường 11-15 kW để cung cấp công suất đủ.

4.2. Tính toán bánh răng và cấu trúc hỗ trợ

Ứng suất tiếp xúc được kiểm nghiệm theo công thức Hertz. Ứng suất uốn tại chân răng phải nhỏ hơn giới hạn cho phép. Vành đai có bề dày 15-25 mm và bề rộng phụ thuộc vào tải trọng. Con lăn có đường kính 100-150 mm để chịu lực lớn không biến dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu chung về kỹ thuật sấy 1. Khái niệm về sấy Sấy là một phương pháp bảo quản thực phẩm đơn giản, an toàn và dễ dàng. Sấy làm giảm độ ẩm của thực phẩm đến mức cần thiết do đó vi khuẩn, nấm mốc và nấm men bị ức chế hoặc không phát triển và hoạt động được, giảm hoạt động các enzyme, giảm kích thước và trọng lượng của sản phẩm.

Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước. Như vậy, quá trình sấy khô một vật thể diễn biến như sau: Vật thể được gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật thể. Vật thể được cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm. Tóm lại, trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất cụ thể là quá tŕnh truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy, quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt sấy, quá trình truyền ẩm từ bề mặt vật sấy ra ngoài môi trường.

Các quá trình truyền nhiệt, truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng có quan hệ qua lại lẫn nhau. Phương pháp sấy Có nhiều cách phân loại : a. Dựa vào tác nhân sấy: - Sấy bằng khói lò GVHD : Nguyễn Xuân Huy SVTH : Hồ Tất Linh 7 Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa - Sấy bằng không khí nóng - Sấy bằng tia hồng ngoại : Là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại để làm khô vật liệu. - Sấy bằng dòng điện cao tần : Là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của vật liệu.

Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy. - Sấy đối lưu : Là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp giữa vật liệu sấy với tác nhân sấy. - Sấy tiếp xúc : Là phương pháp sấy mà tác nhân sấy tiếp xúc gián tiếp với vật liệu sấy qua một vách ngăn. - Sấy thăng hoa : Là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không rất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩm trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành trạng thái khí.

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, công nghệ và thiết bị sấy đôi lưu được sử dụng phổ biến hơn cả. Dựa vào phương pháp làm việc - Máy sấy liên tục. - Máy sấy gián đoạn. Dựa vào áp suất làm việc - Sấy chân không.

- Sấy áp suất thường. Dựa vào cấu tạo thiết bị - Thiết bị sấy buồng. - Thiết bị sấy hầm. GVHD : Nguyễn Xuân Huy SVTH : Hồ Tất Linh 8 Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa - Thiết bị sấy tháp.

- Thiết bị sấy phun. - Thiết bị sấy thùng quay. Một số nhân tố ảnh hưởng tới tốc độ sấy a. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí Trong các điều kiện khác nhau không đổi như độ ẩm không khí, tốc độ gió…, việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ làm khô do lượng nước trong nguyên liệu giảm xuống càng nhiều.

Nhưng tăng nhiệt độ cũng ở giới hạn cho phép vì nhiệt độ làm khô cao sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của nước từ lớp bên trong ra bề mặt ngoài. Nhưng với nhiệt độ làm khô quá thấp, dưới giới hạn cho phép thì quá trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến sự thối rữa, hủy hoại nguyên liệu. Nhiệt độ sấy thích hợp được xác định phụ thuộc vào độ dày bán thành phẩm, kết cấu tổ chức của thịt quả và đối với các nhân tố khác. Khi sấy ở những nhiệt độ khác nhau thì nguyên liệu có những biến đổi khác nhau ví dụ: nhiệt độ sản phẩm trong quá C C tŕnh sấy cao hơn 600 Ο thì protein bị biến tính, nếu trên 900 Ο thì fructaza bắt đầu caramen hóa các phản ứng tạo ra melanoidin tạo polyme cao phân tử chứa N và không chứa N, có màu và mùi thơm xảy ra mạnh mẽ.

Nếu nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị dinh dưỡng và mất giá trị cảm quan của sản phẩm. Quá trình làm khô tiến triển, sự cân bằng của khuếch tán nội và khuếch tán ngoại bị phá vỡ, tốc độ khuếch tán ngoại lớn nhưng tốc độ khuếch tán nội thì chậm lại dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng ảnh hưởng đến quá trình làm khô.Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí GVHD : Nguyễn Xuân Huy SVTH : Hồ Tất Linh 9 Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy, tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy. Vì tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá tŕnh sấy, còn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy chậm lại. Vì vậy, cần phải có một tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô.

Hướng gió cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá tŕnh làm khô, khi hướng gió song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất nhanh. Nếu hướng gió thổi tới nguyên liệu với góc 45oC thì tốc độ làm khô tương đối chậm, còn thổi thẳng vuông góc với nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất chậm. Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ chậm lại. Các nhà bác học Liên Xô và các nước khác đã chứng minh rằng: độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình sấy sẽ chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối của không khí khoảng 80% trở lên thì quá trình làm khô sẽ dừng lại và bắt đầu xảy ra hiện tượng ngược lại, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm trở lại.

Để cân bằng ẩm, khuếch tán nội phù hợp với khuếch tán ngoại và tránh hiện tượng tạo màng cứng, người ta áp dụng phương pháp làm khô gián đoạn tức là vừa sấy vừa ủ. Làm khô trong điều tự nhiên khó đạt được độ ẩm tương đối của không khí 50% đến 60% do nước ta khí hậu nhiệt đới thường có độ ẩm cao. Do đó, một trong những phương pháp để làm giảm độ ẩm của không khí có thể tiến hành làm lạnh để cho hơi nước ngưng tụ lại. Khi hạ thấp nhiệt độ của không khí dưới điểm sương hơi nước sẽ ngưng tụ, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng được hạ thấp.

Như vậy để làm khô không khí người ta áp dụng phương pháp làm lạnh. GVHD : Nguyễn Xuân Huy SVTH : Hồ Tất Linh 10 Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa d. Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu Kích thước nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Nguyên liệu càng bé, càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh, nhưng nếu nguyên liệu có kích thước quá bé và quá mỏng sẽ làm cho nguyên liệu bị cong, dễ gẫy vỡ.

Trong những điều kiện giống nhau về chế độ sấy (nhiệt độ, áp suất khí quyển) thì tốc độ sấy tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt S và tỷ lệ nghịch với chiều dày nguyên liệu δ. Ảnh hưởng của quá trình ủ ẩm Quá trình ủ ẩm nhằm mục đích là làm cho tốc độ khuếch tán nội và khuếch tán ngoại phù hợp nhau để làm tăng nhanh quá trình làm khô. Trong khi làm khô quá tŕnh ủ ẩm người ta gọi là làm khô gián đoạn. Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu Tùy vào bản thân nguyên liệu mà người ta chọn chế độ làm khô cho phù hợp, cần phải xét đến thành phần hóa học của nguyên liệu như: nước, lipit, chất khoáng, protein, Vitamin, kết cấu tổ chức thịt quả chắc hay lỏng lẻo.

Vai trò của sấy trong kỹ thuật và đời sống Sấy là qúa trình tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt. Ngày xưa người ta đã biết sử dụng phương pháp sấy tự nhiên rất đơn giản là phơi nắng. Tuy nhiên, phơi nắng bị hạn chế lớn là cần diện tích sân phơi rộng và phụ thuộc vào thời tiết, đặc biệt bất lợi trong mùa mưa. Vì vậy, trong các ngành công nghiệp người ta thường phải tiến hành quá trình sấy nhân tạo.

- Kết quả của qúa trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên. Điều đó có ý nghĩa quan trọng trên nhiều phương diện khác nhau. Ví dụ: + Đối với các nông sản và thực phẩm thì tăng cường tính bền vững trong bảo quản. GVHD : Nguyễn Xuân Huy SVTH : Hồ Tất Linh 11 Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Hóa + Đối với các nhiên liệu ( củi, than) được nâng cao nhiệt lượng cháy, đối với các gốm sứ thì làm tăng độ bền cơ học… + Và ngoài ra tất cả các vật liệu sau khi sấy đều được giảm giá thành vận chuyển.

- Do các ý nghĩa đã nêu trên mà đối tượng của quá trình sấy thật đa dạng, bao gồm nguyên liệu, bán thành phẩm và thành phẩm trong các giai đoạn khác nhau của qúa trình sản xuất và chế biến, thuộc nhiều lĩnh vực kinh tế khác nhau. Nói cách khác, kỹ thuật sấy được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp và nông nghiệp. - 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. Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng là nước và người ta thường gọi là ẩm.

Như vậy trong thực tế có thể xem sấy là qúa trình tách ẩm bằng phương pháp nhiệt. - Việc cung cấp năng lượng cho vật liệu trong qúa trình sấy được tiến hành theo các phương pháp truyền nhiệt đã biết. Ví dụ : + Cấp nhiệt bằng đối lưu gọi là sấy đối lưu. + Cấp nhiệt bằng dẫn nhiệt gọi là sấy tiếp xúc.

+ Cấp nhiệt bằng bức xạ gọi là sấy bức xạ. + Ngoài ra, còn có các phương pháp sấy đặc biệt như sấy bằng dòng điện cao tần, sấy thăng hoa, sấy chân không… - Tóm lại, để bảo quản các loại sản phẩm trong thời gian dài, trong qui trình công nghệ sản xuất của nhiều sản phẩm đều có công đoạn sấy khô.