Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số hình học của hạt đường cát RS ứng dụng trong sấy tầng sôi xung khí

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -173- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA HẠT ĐƯỜNG CÁT RS ỨNG DỤNG TRONG SẤY TẦNG SÔI XUNG KHÍ BÙI TRUNG THÀNH1, PHẠM QUANG PHÚ1 1 Khoa CN Nhiệt Lạnh, Trường ĐHCN Tp.HCM buitrungthanh@iuh.edu.vn; phamquangphu@iuh.edu.vn Tóm tắt Trong tư nhiên cũng như trong công nghệ chế biến, các hạt vật liệu rời thường có hình dạng bất kỳ, kích thước các hạt thường không đồng nhất, dẫn đến khó khăn trong việc tính toán truyền nhiệt, truyền khối , khó khăn trong việc tính toán sấy các hạt vật liệu rời này trong lớp hạt sôi. Để giải quyết được vấn đề thực tiễn này, người ta phải xem xét và đưa các hạt vật liệu rời này về dạng tương đường hình cầu thông qua xác định đường kính của hạt kết hợp với xác định cầu tính của hạt. Nội dung bài báo trình bày cách xác định đường kính trung bình của hạt đường cát RS bằng phương pháp sử dụng rây tiêu chuẩn và sử dụng kết quả cầu tính đã được công bố để xác định được đường kính trung bình của hạt đường RS có kích thước dh =820m và diện tích trao đổi nhiệt, ẩm ah = 2,715.10-6 m2. Từ khóa: vật liệu rời, đường kính trung bình của hạt, cầu tính của hạt, hạt tương đương cầu diện tích hạt. EXPERIMENTAL STUDY DETERMINES THE GEOMETRICAL PARAMETERS OF RS SUGAR CANE PARTICLES TO APPLY IN PULSED FLUIDIZED BED DRYING BUI TRUNG THANH1, PHAM QUANG PHU1 1 Faculty of Heat and Refrigeration Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City buitrungthanh@iuh.edu.vn; phamquangphu@iuh.edu.vn Abstract In nature as well as in processing technology, the bulk solid material are usually arbitrary, the particle size is often not uniform. These properties lead to calculated difficulty of heat transfer and mass transfer and difficulty in calculation of drying these particles in a fluidized bed. To solve this practical problem, one must consider and get these bulk solid particles into the spherical equivalent by determining the mean diameter of the particle combined with the sphericality of there particles. The article scope presents the experiment method to determine the average diameter of the RS grains by using a standard sieve set and used the published sphericity of particle to determine the average diameter of a RS sugar particle is 820m and the mean area of a particle is 2,715.10-6 m2 Keywords: bulk solid particle, particle diameter, spherical particle, surface area of a particle fluidized bed drying. GIỚI THIỆU Ngày nay kỹ thuật sấy khối hạt vật liệu rời tự nhiên, hoặc sau sơ chế trong lớp hạt sôi đang được xem là một trong số các phương pháp sấy hiện đại cho chất lượng sản phẩm sấy cao hơn hẳn các phương pháp sấy thông thường khác. Kỹ thuật sấy lớp hạt sôi nói chung được ứng dụng rộng rãi trong trong lĩnh vực sản xuất vật liệu dược, hóa chất, thực phẩm. Để sấy được khối hạt trong lớp hạt sôi và duy trì được quá trình sôi, yêu cầu phải cấp được dòng tác HNKH-18 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -174- nhân khí vào lớp hạt đạt để các hạt đang sấy phải đạt được giá trị vận tốc cân bằng (Vcb) hay còn gọi là vận tốc sôi tối thiểu (minimum velocity), từ vận tốc sôi tối thiểu này, tiếp tục xác định được vận tốc sôi hợp lý để bảo đảm cho quá trình sấy hạt trong lớp sôi đạt trạng thái, để hạt sấy đạt chất lượng tốt, nhưng tiết kiệm năng lượng cho quạt cấp khí và năng lượng của bộ nhiệt. Để xác định được vận tốc khí cấp cho hạt sấy sôi tối thiểu, yêu cầu cần phải thực hiện bước xác định chính xác kích thước hạt sấy (dh), từ kích hạt sấy (dh) được xác định sẽ cho phép tính được diện tích bề mặt truyền nhiệt, truyền ẩm của một hạt đang sấy trong lớp hạt sôi. Từ năng suất yêu cầu sấy tính ra chiều dày lớp hạt sấy, từ đó cho phép tính toán được trở lực của dòng khí đi qua lớp hạt sấy, tính toán được công suất quạt cấp khí và công suất cấp nhiệt. Phạm vi bài báo, tác giả trình bày các phương pháp xác định đường kính trung bình của hạt đường RS sau ly tâm làm khô, tính diện tích xung quanh hạt đường để ứng dụng cho sấy lớp hạt sôi cấp khí kiểu xung. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Cơ sở lý thuyết Thực hiện xét một khối hạt vật liệu để ở trạng thái tự nhiên, các hạt vật liệu này luôn chịu một lực hấp dẫn, chúng luôn dính lẫn nhau và chúng luôn chịu một giá trị trọng lực. Để các hạt trong khối hạt có thể giãn ra và chúng chuyển sang trạng thái linh động thì cần phải tác động vào khối hạt một dòng khí có giá trị bằng vận tốc tối thiểu Vtt (m/s) hay còn gọi là vận tốc cân bằng [1] (Nguyễn văn Lụa 2005) . (. .3 4 kk kkhh d cbtt dg C VV   − == (1) Trong đó: dh - đường kính hạt, m; h - khối lượng riêng của hạt, kg/m3; kk – khối lượng riêng của không khí,kg/m3; C d hệ số trở lực của môi trường Theo JR Howard 1989 [2] 24 Re d p C = cho trường hợp Rep <0,4 (2) 10 Re d p C = cho trường hợp 0,4 < Rep < 500 (3) Để lớp hạt sôi ổn định, vận tốc dòng khí qua lớp hạt lúc này được gọi là vận tốc sôi Vs (m/s) được xác định qua chuẩn số Reynolds dựa trên đường kính hạt [2] . . p kk s kk h Re V d   = (4) Trong đó: - độ nhớt độ nhớt động lực học hay còn gọi là độ nhớt tuyệt đối Pa. s; chuẩn số Reynolds hạt Rep xác định theo các chế độ khí thổi qua phần rỗng của hạt và Reynolds hạt. Theo [2] Rep < 10 khi dòng khí qua phần rỗng của hạt là chảy tầng (larminar flow in voids), Rep > 103 là dòng chảy rối (turbulent flow in voids) và 10 < Rep < 103 là dòng chảy của khí qua phần rỗng của hạt theo dòng chảy quá độ (Transition to turbulent flow in voids). Như vậy nếu hạt vật liệu rời có dạng hình cầu thì thông số của hạt dễ dàng được xác định khi biết đường kính của hạt. Thực tế trong tự nhiên cũng như trong sản xuất, quy trình công nghệ lại không thể tạo ra được hạt cầu, hầu hết các hạt đều có hình dạng bất kỳ. Do vậy bắt buộc khi tính toán người ta phải quy kích thước các hạt về kích thước trung bình, và tính toán đường kính hạt dựa trên hệ số cầu tính  [2] Theo [2] một hạt bất kỳ không có dạng hình cầu, nhưng sẽ được xem là hạt tương đương cầu khí được xác định được “cầu tính “ của nó. theo [2], tính cầu của hạt được thể hiện trong công thức (4) matcuahatdientichbe athetichvoihoicaucungtdientichkh = (5) Theo [1] lại đưa ra khái niệm hệ số hình dạng của hạt được ký hiệu là K và được xác định theo công thức Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -175- 2 2/30,207 .h h h V d k a v d − = =    (6) Trong đó: dh, dv – đường kính tương đương của hạt cầu theo diện tích mặt và theo thể tích, m; ah diện tích xung quanh hạt, m2; vh là thể tích của hạt, m3; vh – thể tích của hạt m3 và khi đó đường kính một hạt bất kỳ (di)khí quy về hạt cầu sử dụng công thức 31,24.i hd K v= (7) Trong đó: K là hệ số hình dạng của hạt, vh-- thể tích của hạt m3 Bảng 1. Hệ số hình dạng của hạt bất kỳ trong tự nhiên và trong công nghệ chế biến [1] Theo [2] thể tích của hạt bất kỳ không phải hình cầu cầu (vh) được tính: 6 3 h h d v  = (8) trong đó dh được định nghĩa bằng đường kính của một hạt cầu có cùng thể tích với hạt Như vậy diện tích bề mặt ah của một hạt được tính theo PT (9): v h h S d a 6 3 = (9) trong đó: Sv được định nghĩa là tỷ số giữa diện tích bề mặt hạt và thể tích của hạt Do vậy tính cầu  của hạt được tính theo phương trình (10): 6 h vd S  = (10) Theo [2] tiêu chuẩn Anh BS 4359 cung cấp các giá trị đo diện tích bề mặt hạt và thể tích của hạt (Sv) cho một số loại hạt. Phần lớn các hạt thông thường có cầu tính nằm trong khoảng từ 0.6 – 0.95. Việc đo diện tích bề mặt hạt yêu cầu phải có thiết bị và thực hiện trong phòng thí nghiệm. Bảng 2 bên dưới chỉ ra cầu tính một số hạt điển hình trong tự nhiên và trong chế biến. Bảng 2. Cầu tính một số hạt trong tự nhiên và trong công nghệ chế biến [1] Trên cơ sở dữ liệu có được cầu tính của hạt kết hợp với việc xác định đương kính hạt mà trong bài báo này được sử dụng phương pháp sàng (rây) ta có thể thực hiện xác định được thông số hình học của hạt đường RS dù chúng có hình dạng bất kỳ. Việc xác định này được thực hiện như sau: Lấy một lượng nhỏ trong khối hạt vật liệu rồi tiến hành thực hiện phân loại kích thước qua hệ thống sàng rây, phần khối lượng mẫu được giữ lại do kích thước của lỗ rây, xi, sau đó tiến hành cân đo mẫu, dữ liệu được xử lí theo phương trình xác định kích thước trung bình của hạt [2]: ( )( ) 1 /m i id x d − =  (11) trong đó: di là trung bình cộng kích thước hai lỗ kề nhau của rây, mm, xi là tỷ số giữa lượng hạt còn lại trên rây và khối hạt mẫu lấy phân tích. Đối với một hỗn hợp hạt nhiều kích thước khác nhau khi tính toán thiết kế để sấy trong lớp sôi phải quy kích thước khối hạt này về kích thước trung bình dm trên cơ sở xác định từ một khối hạt mẫu cho trước và giá trị Sv (diện tích bề mặt chia cho thể tích) được tính từ kích thước trung bình của hạt và xem hỗn hợp hạt được tạo ra từ hạt cầu và ni là số hạt có kích thước di trong hỗn hợp hạt. Hình dạng hạt Tròn Góc cạnh Dài kim Bản mỏng K 1,3 1,52 1,72 2,33 Loại hạt Cầu tính Loại hạt Cầu tính Cát 0,92-0,98 Hạt nhôm (Alumina) 0,3-0,8 Than (nghiền) 0,8-0,9 Hạt xúc tác (Catalysts) 0,4-0,9 Bột micaMica flakes) 0,28 Đá vôi (Limestone) 0,5-0,9 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -176- d6 d5 d4 d3 d2 d1 kíc h th u? c l ? h? ng m 6 m 5 m 4 m 3 m 2 m1 s? rung d?ng d6 d5 d4 d3 d2 d1 kí ch th u? c l? h ?n g m 6 m 5 m 4 m 3 m 2 m1 s? rung d?ng Hình 1. Phân tích các kích thước khối hạt vật liệu rồi bằng sàng tiêu chuẩn Khi đó thể tích khối hạt có thể tích Vs được tính theo        = 3 6 iis dnV  (12) Và diện tích bề mặt khối hạt được tính theo ( )= 2iis dnA  (13) Và khối lượng của khối hạt có kích thước di được tính: ( ) 3/ 6ii i s n x d V = (14) Lúc này ta lập được tỷ số s ii i i V dn d x 6 . 2 = (15) Nếu ta gọi nm là số hạt có kích thước trung bình dm cần có để tạo ra lớp vật liệu có thể tích Vs và diện tích bề mặt khối hạt As, thì tỉ số diện tích bề mặt và thể tích bề mặt, Sv được tính: s s v V A S = = ( ) mmm mm ddN dn 6 6/ 3 2 =   (16) Nếu chúng ta cộng mỗi vế phương trình (13) với tất cả số thứ i và so sánh với phương trình (11) và phương trình (14) ta có được giá trị: ( )( )( ) 12 6 6 i s i i s i s x A n n d V d V − = =  (17) Trong một bề mặt cho trước thì khối cầu luôn chiếm thể tích lớn nhất, do đó kích thước của lỗ sàng hình cầu có kích thước di thì diện tích bề mặt sẽ là di2. Đối với “hạt không cầu”có đường kính ước lượng di được xác định bằng rây sẽ có thể tích gần bằng với thể tích của khối cầu có đường kính di Cụ thể là vh= 6/ 3 id . Tuy nhiên, từ định nghĩa cầu tính  của hạt trong phương trình (5) thì diện tích bề mặt của một hạt theo [2] sẽ được tính theo phương trình (18)   2. i h d a = (18) Với một hỗn hợp hạt không phải hình cầu thì đường kính hạt được tính theo phương trình (19) ( )( ) 1 . /h i id x d − =  (19) Hay dh = .dm (19)’ Trong đó: dh- đường kính của hạt, m; dm đường kính trung bình của hạt, m; cầu tính của hạt. Dụng cụ thí nghiệm Thí nghiệm đã được tiến hành với các dụng cụ như sau: − Ống nghiệm có thang chia vạch. − Cân tiểu ly kỹ thuật số hiệu Ohaus PA214 độ nhạy 0,0001g. − Bộ sàng thí nghiệm tiêu chuẩn Haver & Boecker được nhập khẩu từ Cộng hòa Liên bang Đức có kích thước lỗ 0,25 mm – 1,5 mm. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -177- Hình 2. Các dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm xác định kích thước hạt đường RS. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Xác định kích thước hình học hạt đường RS ứng dụng sấy lớp sôi xung khí Xét cho trường hợp xác định kích thước hạt đường cát RS sau công nghệ ly tâm đường từ nhà máy đường Casuco (Cần Thơ) có khối lượng thể tích b = 889 kg/m3. (giá trị này được chính nhóm tác giả thực hiện thí nghiệm. Theo [5] khối lượng thể tích của hạt đường RS là là 833-880 kg/m3 đối với đường có đường kinh hạt 0,2mm- 0,85mm và khối lượng riêng là 1579kg/m3. Tiến hành lấy ngẫu nhiên một khối hạt đường RS trong bao và đem cân lượng mẫu có khối lượng là 100 gam. Sử dụng bộ rây có dãy kích thước lỗ rây thứ tự từ 0,5 mm – 1,5 mm và thực hiện rây phân loại các kích thước sau đó tiến hành cân từng khối hạt còn nằm trên rây (hạt không còn lọt xuống được) và thực hiện các phép tính để tìm ra kích thước lỗ sàng rây trung bình di và giá trị xi. cách tính được mình họa cho trường hợp ở kích thước trung bình của sàng rây thứ nhất và thứ 2 thể như sau: ( ) md 135012001500 2 1 1 =+= x1 = 2,1411/ 100 = 0,022 Tiến hành tuần tự cho đến lỗ rây trung bình cuối cùng và có được kết quả được trình bày trong Bảng 3 Bảng 3. Kết quả xác định đường kính trung bình của hạt đường RS sử dụng sấy tầng sôi xung khí Cỡ rây (m) Kích thước lỗ rây trung bình di (mm) mẫu m1 (g) mẫu m2 (g) mẩu m3 (g) xi1 xi2 xi3 xi1/di xi2/di xi3/di 1500 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1200 1350 2,1411 2,0987 1,9977 0,022 0,021 0,020 1,597.10-5 1,564.10-5 1,482.10-5 1000 1100 20,5723 21,2014 18,105 0,207 0,213 0,181 1,883.10-4 1,939.10-4 1,648.10-4 800 900 63,944 62,1994 63,0042 0,644 0,626 0,631 7,152.10-4 6,951.10-4 7,010.10-4 600 700 11,6466 11,511 13,9175 0,117 0,116 0,139 1,675.10-4 1,654.10-4 1,991.10-4 400 500 1,0352 2,4088 2,8361 0,010 0,024 0,028 2,084.10-5 4,846.10-5 5,680.10-5 300 350 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tổng 99,3392 99,4193 99,8605 1,108.10 -3 1,119.10-3 1,137.10-3 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -178- Sử dụng phương trình (18) tính kích thước hạt trung bình dm sau 3 lần thực nghiệm, đã xác định được giá trị trung bình của hạt đường Rs có giá trị dm= 1/1,121.10-3 hay dm = 892m. Lấy 5 mẫu đường RS nguyên liệu ngẫu nhiên ở các bao đường nguyên liệu khác nhau và cùng thực hiện các thí nghiệm tuần tự như trên và cũng xác định được đường kính trung bình của hạt nằm trong khoảng 892m với kết quả sai số giữa các lần < 3%, được chấp nhận. Trên Bảng 1 giá trị d1, d2di được tính theo kích thước trung bình của các lỗ của rây kề nhau. Cần lưu ý rằng kích thước giữa các lỗ rây có giới hạn và trong trường hợp các hạt có hình dạng không đều sẽ vượt qua lỗ khi nó tới lỗ đường kính lớn nhất thứ hai của nó trong mặt phẳng lỗ; chẳng hạn xét một hạt dài, mỏng và so sánh với một hạt cầu. Đường kính lớn nhất thứ hai không bằng đường kính dh được định nghĩa trong công thức (18) dh là đường kính của hạt khối cầu có cùng thể tích với hạt [2]. Tính toán xác định đường kính hạt và diện tích bề mặt của một hạt đường RS Ưu thế của phương pháp sấy vật liệu rời trong lớp sôi so với các loại phương pháp sấy khác là hiệu suất truyền nhiệt, truyền ẩm cao do tác nhân sấy tiếp xúc bao quanh toàn bộ diện tích bề mặt hạt sấy, đặc biệt một phần năng lượng nhiệt của sấy được dùng để làm gia nhiệt hạt sấy ngay giai đoạn sấy đầu tiên [6]. Như vậy vấn đề xác định diện tích bề mặt hạt sấy cũng như xác định diện tích trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm khối hạt trong lớp sôi rất có ý nghĩa trong việc xác định động học của quá trình sấy. Từ phương trình (16) ta xác định đường kính của hạt đường RS có thêm giá trị cầu tính khi thừa nhận giá trị cầu tính của hạt nằm trong nhóm hạt cát tại bảng 1 sẽ có giá trị . 0,92.0,892 0,820h md d mm= = = Diện tích bề mặt của hạt đường RS không phải hình cầu có đương kính di theo kích thước lỗ sàng di được xác định theo phương trình (18) với cầu tính của hạt được thừa nhận theo [2]  = 0,92 ta xác định diện tích của một hạt đường RS có giá trị là: 6 2 6 23,14.(820.10 ) 2,295.10 0,92 ia m − −= = Khối hạt đường RS cấp vào buồng sấy tầng sôi cấp khí kiểu xung gồm hỗn hợp các hạt có kích thước khác nhau, nhưng hình dạng giống nhau, thì tổng diện tích bề mặt của hạt, As theo [2] được tính theo phương trình ( )= 2 1 iis dnA   (20) So sánh phương trình (20) với phương trình (13), cho kết quả: m h s d V A  6 = (21) Tính cụ thể cho máy sấy lớp sôi xung khí năng suất 500kg/ mẻ có lượng đường RS thường xuyên có trên ghi phân phối khí để thực hiện trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm là 500 kg. Công nhận kết quả đường kính trung bình hạt đường RS ở trên và cầu tính hạt đường RS = 0,92, khối lượng thể tích của khối hạt đường RS b = 889 kg/m3 Ta tính tổng diện tích bề mặt của khối hạt sấy.Thể tích của khối hạt đang xét v h m V  = = 889 500 = 0,562 m3 Vậy diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của khối hạt đường RS trong sấy lớp sôi xung khí kiểu sấy mẻ được xác định theo công thức 19: 3 2 6 6 0,562 4472,4 0,92 820.10 s m A m m−  = =  Diện tích trao đổi nhiệt thường xuyên của khối lượng đường RS trên ghi phân phối khí tương đương với diện tích xung quanh của một căn nhà tầng lầu tiêu chuẩn tại TP Hồ Chí Minh có kích thước sàn xây dựng 4 m x 17 m và cao 54 tầng (178m) Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh -179- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Lụa, Khuấy, lắng lọc, Quá trình và thiết bị cơ học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, TP Hồ Chí Minh, trang 76-78 và trang 84, 2005 [2]. Howard.J.R. Fluidized bed Technology, principles and application, Publisher Taylor & Francis Group Date, 1989 [3]. British standar BS 4359-2, Determination of the specific surface area of powders. Recommended air permeability methods, p 24,1982. [4]. Allen Terence, Particles size measurement, Springer puplishing house, 1981. [5]. William J. Colonna Upasiri Samaraweera Margaret A. Clarke Michael Cleary Mary An Godshall J. S. White, Sugar, Properties of Sucrose, Wiley Online Library, DOI: 10.1002/0471238961.1618151603151215.a01.pub2. [6]. Kudra, T., & Mujumdar, A. S., Advanced drying technologies. CRC Press, 2009.