Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nghiền-Rây-Trộn - Bài 3

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Nghiền-Rây-Trộn - Bài 3

1. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn 1. TRÍCH YẾU : 1.1. Mục đích thí nghiệm: - Nghiền một loại vật liệu, dựa vào kết quả rây xác định sự phân phối kích thước vật liệu sau khi nghiền, công suất tiêu thụ và hiệu suất của máy nghiền. - Rây vật liệu sau khi nghiền, xác định hiệu suất rây, xây dựng giản đồ phân phối và tích lũy của vật liệu sau khi nghiền, từ đó xác định kích thước vật liệu sau khi nghiền. - Trộn hai loại vật liệu để xác định chỉ số trộn tại các thời điểm, xây dựng đồ thị chỉ số trộn theo thời gian để xác định chỉ số trộn thích hợp. 1.2. Phương pháp: - Nghiền: cho vật liệu vào máy nghiền để xác định thời gian nghiền và cường độ dòng điện lúc có tải cực đại. - Rây: ▪ Xác định hiệu suất rây của rây có kích thước 0.3mm: rây vật liệu 5 lần và cân lượng vật liệu lọt qua rây trong mỗi lần đó. ▪ Xác định sự phân phối kích thước vật liệu: rây vật liệu qua nhiều rây và cân lượng vật liệu tích lũy ở mỗi rây. - Trộn: trộn vai loại vật liệu. Dừng máy tại 6 thời điểm khác nhau và lấy 8 mẫu tại mỗi thời điểm. Đếm số hạt. 1.3. Kết quả thí nghiệm: 1.3.1. Thí nghiệm nghiền: Cường độ dòng điện (A) Khối lượng (g) Thời gian nghiền (s) Không tải Có tải 200 53 3.2 6.0 1.3.2. Thí nghiệm rây: Xác định hiệu suất rây: khối lượng đem rây M = 80g. Lần rây Thời gian (phút) Khối lượng qua rây (g) 1 5 72.00 2 5 1.50 3 5 0.75 4 5 0.75 5 5 0.60 Kết quả phân tích rây: khối lượng đem rây M = 80g Kích thước rây (mm) Khối lượng trên rây  (g) 0.5 0.30 0.3 8.00 0.2 11.10 0.097 47.40 Trang 1
2. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn Thuyết này thích hợp nhất cho nghiền mịn đặc biệt là máy nghiền bi. b) Thuyết thể tích của Kick : Công cần thiết để nghiền một lượng vật liệu cho trước là không đổi ứng với cùng một mức độ nghiền, bất chấp kích thước ban đầu của vật liệu. E K k lgi Trong đó i là mức độ nghiền và Kk là hằng số Kick. Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền tỉ lệ nghịch với sự giảm thể tích của bề mặt vật liệu. D p1 E K k lg D p2 Thuyết này dùng trong trường hợp đập nghiền thô và nghiền mịn bằng va đập. c) Định luật Bond và chỉ số công : Công cần thiết để tạo nên hạt có đường kính D từ cục vật liệu ban đầu rất lớn tỉ lệ với 6 căn bậc hai tỉ số diện tích bề mặt – thể tích của sản phẩm, S/V = . Như vậy: D K E b D Năng lượng chi phí cho quá trình nghiền để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu Dp1 thành sản phẩm có kích thước Dp2 là: 1 1 E K b D D p2 p1 4 Nếu nghiền khô thì E được nhân với . 3 60Wi Với Kb = 19Wi 10 Trong đó: •K b – hằng số Bond. •W i – chỉ số công, kW.h/tấn vật liệu nghiền Chỉ số công Wi là lượng năng lượng cần thiết để nghiền vật liệu có kích thước ban đầu rất lớn đến sản phẩm có 80% lọt qua rây 100 micron. Chỉ số công phụ thuộc vào loại máy nghiền (các máy khác nhau nhưng cùng loại có Wi xấp xỉ nhau) và vật liệu nghiền (các vật liệu khác nhau có Wi khác nhau). Định luật này dùng cho nghiền trung bình và mịn. 2.1.3. Công suất nghiền: Trong bài thí nghiệm này ta áp dụng định luật Bond (trong trường hợp nghiền khô) để tính công suất nghiền: 4 1 1 P 19Wi T 3 D D p2 p1 Trang 3
3. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn d b Phương trình vi phân: KD p dD p Trong đó: • - khối lượng tích lũy trên kích thước D p, g •D p – kích thước rây, mm • K, b – hai hằng số biểu thị đặc tính phân phối của khối hạt Lấy tích phân từ  = 1 đến  = 2 tương ứng với Dp = Dp1 và Dp = Dp2 ta có: K b 1 b 1 2 - 1 = (D D ) b 1 p1 p2 Tổng quát ta xét giữa rây thứ n và rây thứ (n – 1) và giả sử sử dụng rây tiêu chuẩn có D pn 1 r = hằng số. D pn b 1 K.(r 1) b 1 b 1 n = n - n-1 = D K'D b 1 pn pn K.(r b 1 1) Với: K’ = b 1 Hoặc: Log n = (b + 1)LogDpn + LogK’ LogK’ và (b + 1) được xác định bằng cách vẽ n theo Dpn trên đồ thị Log – Log . Từ đó suy ra K và b. 2.2.3. Hiệu suất rây: a) Công thức : J E 100 Fa Trong đó: • F: khối lượng vật liệu ban đầu cho vào rây, g • J: khối lượng vật liệu dưới rây, g • a: tỉ số hạt có thể lọt qua rây, % Tích số F.a trong thí nghiệm được xác định như sau: - Đem rây một khối lượng F của vật liệu, khảo sát xác định được J1. Lấy vật liệu còn lại trên rây (F – J1) và rây lại xác định được J2, tiếp tục lấy vật liệu trên rây F – (J1 + J2) và rây lại lần nữa. - Tổng số J1 + J2 + J3 + sẽ tiệm cận đến F.a - Hiệu suất rây là 100% nếu J1 = F.a b) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất rây : * Độ ẩm của vật liệu rây: Độ ẩm của vật liệu rây ảnh hưởng lớn đến quá trình rây. Khi các vật liệu chuyển động trên bề mặt rây, các hạt vật liệu sẽ va chạm vào nhau, do đó nếu chúng có độ ẩm cao chúng sẽ dễ dính vào nhau làm tăng kích thước hạt và sẽ không lọt được qua rây. Mặt khác, vật liệu ẩm dễ kết dính vào lỗ lưới, gây bít lỗ lưới rây. Độ ẩm lý tưởng của vật liệu để hiệu suất rây đạt cao nhất là 5%. Trang 5
4. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn 2.3.2. Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình trộn: Sự khác biệt nhiều về tính chất của các loại vật liệu như: sự phân phối cỡ hạt, khối lượng riêng, hình dạng và đặc trưng bề mặt (như lực tĩnh điện) có thể làm cho quá trình trộn trở nên rất khó khăn. Thực tế, các tính chất của vật liệu chi phối quá trình trộn, những tính chất đó là: - Sự phân phối cỡ hạt : Sự phân phối quá rộng cỡ hạt sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình trộn. - Khối lượng riêng xốp : Khối lượng riêng xốp thay đổi trong quá trình trộn, có thể giảm do bọng khí trong khối hạt hoặc tăng do rung động hoặc nén cơ học. - Khối lượng riêng của vật liệu: Vật liệu đem trộn có khối lượng riêng khác xa nhau sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình trộn. - Hình dạng hạt: Có thể có các dạng phiến, hình trứng, khối lập phương, cầu, dĩa, thanh, sợi, tinh thể hoặc dạng bất kỳ. - Đặc trưng bề mặt: Bao gồm diện tích bề mặt và khuynh hướng tích điện. Lực tĩnh điện có ảnh hưởng xấu tới quá trình trộn. - Đặc trưng lưu chuyển: Đó là góc nghiêng tự nhiên và khả năng lưu chuyển. Góc nghiêng tự nhiên càng lớn cho thấy khả năng lưu chuyển càng thấp. - Tính dễ vỡ (dòn): đây là tính dễ vỡ vụn của vật liệu trong quá trình sử dụng. Nếu vật liệu chỉ cần trộn mà không nghiền thì tính chất này ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm trộn. Ngoài ra tính chất mài mòn cùa vật liệu này trên vật liệu khác cũng có ảnh hưởng tương tự. - Tính kết dính: Các hạt cùng loại có khuynh hướng kết dính lại với nhau sẽ cản trở quá trình trộn. - Độ ẩm của vật liệu: Thường một lượng nhỏ chất lỏng được thêm vào để giảm bụi hoặc đáp ứng một nhu cầu đặc biệt (chẳng hạn dầu cho mỹ phẩm). Hỗn hợp vẫn ở trạng thái khô chứ không phải dạng nhão. - Khối lượng riêng: Độ nhớt và sức căng bề mặt của chất lỏng thêm vào tại nhiệt độ làm việc. - Nhiệt độ giới hạn của vật liệu: Phải chú ý đến sự biến đổi nhiệt độ có thể xảy ra (như nhiệt phản ứng). Trước khi chọn lựa một máy trộn cần xem xét kỹ các tính chất trên của vật liệu đem trộn. 2.3.3. Các quá trình xảy ra trong máy trộn (cơ chế của quá trình trộn): Khi trộn vật liệu hạt, các hạt chịu tác dụng của những lực cơ học có hướng khác nhau và dẫn tới chuyển động của các hạt trong thể tích khối hạt. Quá trình chuyển động của các hạt phụ thuộc vào cấu tạo máy trộn, phương pháp tiến hành quá trình trộn. Trong máy trộn có năm quá trình cơ bản xảy ra: - Tạo ra các lớp trượt với nhau theo các mặt phẳng trộn cắt. - Chuyển dịch một nhóm hạt từ vị trí này đến vị trí khác - trộn đối lưu. - Thay đổi vị trí từng hạt riêng rẽ – trộn khuếch tán. - Phân tán từng phân tử do va đập vào thành thiết bị – trộn va đập. - Biến dạng và nghiền nhỏ từng bộ phận - trộn nghiền. Những cơ chế trộn trên xảy ra riêng rẽ hay đồng thời với những mức độ khác nhau tùy thuộc vào loại máy trộn và vật liệu trộn. Trang 7
5. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn C C  A B e n CA CB (N 1) Is N 2 n.(CA CiA ) i 1 Với n : số hạt trong một thể tích mẫu hỗn hợp. Như vậy IS càng lớn thì mức độ đồng đều của hỗn hợp trộn càng cao . Quan hệ giữa chỉ số trộn IS và thời gian trộn  được trình bày trên hình sau cho quá trình trộn cát và muối trong máy trộn thùng quay: IS , ph Các lực chống lại quá trình trộn thường là lực tĩnh điện, luôn luôn hiện diện trong quá trình trộn bột khô và có ảnh hưởng rất đáng kể. Các lực này có khuynh hướng chống lại quá trình trộn hoàn toàn, khi thời gian trộn quá lâu, như trên hình vẽ cho thấy, quá trình sẽ ngược lại, vật liệu khác nhau có khuynh hướng tách rời và các vật liệu cùng loại sẽ kết dính lại. 3. DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : 3.1. Dụng cụ – thiết bị: 3.1.1. Máy nghiền: Trong bài thí nghiệm này ta sử dụng máy nghiền mịn loại búa đúc nạp liệu chiều trục. a) Cấu tạo : Cấu tạo của máy gồm có 2 bộ phận chính là: vít tải và bộ phận nghiền. Vít tải có tác dụng chuyển vật liệu vào bộ phận nghiền. b) Nguyên tắc hoạt động của máy nghiền búa : Vật liệu trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào vật liệu và chà xát vật liệu giữa búa và thành máy. Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới phân loại sẽ đi ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn lỗ lưới phân loại sẽ được tiếp tục nghiền. • Máy nghiền được gắn với một Ampere kế để đo cường độ dòng điện. Ngoài ra trong quá trình thí nghiệm ta còn sử dụng thì kế để đo thời gian nghiền. Trang 9
6. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn - Rây 5 lần, mỗi lần 5 phút, cân lượng vật liệu lọt qua rây. * Thí nghiệm xác định sự phân bố kích thước vật liệu sau khi nghiền: - Lấy 80g sản phẩm còn lại đem rây 20 phút, cân lượng vật liệu tích lũy ở mỗi rây. 3.2.3. Thí nghiệm trộn: - Cân 1.5 kg đậu xanh và 3.0 kg đậu nành. - Cho vật liệu vào máy trộn, khởi động máy trộn, bấm thì kế xác định thời gian trộn. - Dừng máy tại mỗi thời điểm 5" , 15", 30", 60", 120", 300" và lấy mẫu. - Lấy mẫu (8 mẫu) tại các điểm theo sơ đồ, đếm số hạt đậu xanh và hạt đậu nành có trong mỗi mẫu. Sơ đồ lấy mẫu : 1 2 3 4 5 6 7 8 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : 4.1. Thí nghiệm nghiền: Công suất nghiền: P = 0.1742 (KW) Hiệu suất máy nghiền: H = 16.50% 4.2. Thí nghiệm rây: 4.2.1. Xác định hiệu suất rây 0.3 mm: Lần rây Thời gian (phút) Khối lượng qua rây Ji (g) Ji (g) 1 5 72.00 72.00 2 5 1.50 73.50 3 5 0.75 74.25 4 5 0.75 75.00 5 5 0.60 75.60 Hiệu suất rây: E = 95.24% Trang 11
7. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn 2.5 log n 2 1.5 1 0.5 0 -1.20 -1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 -0.5 logDpn -1 -1.5 Hình 2 Giản đồ log n theo logDpn 0.60 Dp (mm) 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0  Hình 3 Giản đồ phân phối tích lũy của sự phân phối kích thước của vật liệu trên rây Trang 13
8. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn Tại thời điểm 60" 2 2 Mẫu A B CiA (CiA – CA) (CiA – CA) n IS 1 49 35 0.58333 0.00694 2 47 52 0.47475 0.03683 3 49 35 0.58333 0.00694 4 56 65 0.46281 0.04156 0.16718 769 0.110 5 57 31 0.64773 0.00036 6 47 54 0.46535 0.04053 7 54 46 0.54000 0.01604 8 49 43 0.53261 0.01797 Tại thời điểm 120" 2 2 Mẫu A B CiA (CiA – CA) (CiA – CA) n IS 1 48 34 0.58537 0.00661 2 34 30 0.53125 0.01834 3 35 60 0.36842 0.08895 4 52 25 0.67532 0.00007 0.13071 647 0.136 5 69 23 0.75000 0.00694 6 44 33 0.57143 0.00907 7 54 28 0.65854 0.00007 8 54 24 0.69231 0.00066 Tại thời điểm 300" 2 2 Mẫu A B CiA (CiA – CA) (CiA – CA) n IS 1 57 53 0.51818 0.02205 2 53 30 0.63855 0.00079 3 40 56 0.41667 0.06250 4 60 37 0.61856 0.00231 0.10664 814 0.134 5 61 46 0.57009 0.00933 6 85 42 0.66929 0.00001 7 61 33 0.64894 0.00031 8 57 43 0.57000 0.00934 Trang 15
9. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn Câu 2 : Nhận xét về hiệu suất rây và nghiền đo được. So sánh với kết quả trong sách. Giải thích các sai biệt. * Hiệu suất nghiền: H = 16.50% Hiệu suất nghiền được tính toán dựa trên các kết quả đo: - Khối lượng vật liệu đem nghiền M (đo bằng cân). - Thời gian nghiền (đo bằng thì kế). - Khối lượng trên rây , để từ đó vẽ đồ thị và tính được Dp2. - Cường độ dòng điện lúc có tải cực đại đo bằng Ampere kế. Hiệu suất nghiền đo được không cao là do các nguyên nhân sau: - Nguyên nhân khách quan: • Do bản thân máy nghiền có hiệu suất không cao. • Do máy rây đã cũ nên trong quá trình hoạt động có nhiều trục trặc. Đồng thời lưới rây có một vài lỗ thủng ở giữa, phải bít lại bằng băng keo nên tại những vị trí đó vật liệu không lọt qua được. - Nguyên nhân chủ quan: • Do khối lượng vật liệu đem cân chưa được chính xác. • Do bấm thời gian chưa được chính xác. Tuy nhiên, sai số do 2 nguyên nhân này là rất nhỏ, không ảnh hưởng lớn đến kết quả. • Do quá trình cân sau khi rây vật liệu. Vì vật liệu lúc này rất nhỏ và mịn nên rất dễ bay ra môi trường xung quanh (do có gió). Bên cạnh đó cũng vì vật liệu rất nhỏ nên còn bám nhiều trên bề mặt rây mà ta chưa lấy hết ra được. • Do quá trình tính toán: không sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu mà dùng mắt để nhắm chừng đường thẳng tốt nhất đi qua các điểm (giản đồ 2) cho nên kết quả thu được có độ chính xác không cao. Tuy nhiên phương pháp này lại rất nhanh và đơn giản. Đây là 2 nguyên nhân có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả tính toán. * Hiệu suất rây: E = 95.24% Hiệu suất rây được tính toán dựa trên các kết quả đo: - Khối lượng vật liệu lọt qua rây sau lần rây thứ nhất (J1). - Khối lượng vật liệu có thể lọt qua rây J.a, được xác định dựa vào giản đồ 1. Hiệu suất rây đo được là cao. Nguyên nhân: - Do độ ẩm của vật liệu thấp, thuận lợi cho quá trình rây. - Do bề dày lớp vật liệu trên rây là vừa phải. Lớp vật liệu nằm ở trên bề mặt sẽ dễ dàng đi xuống phía dưới để tiếp xúc với bề mặt lưới rây và lọt qua rây. - Do bề mặt rây phẳng, thuận lợi cho quá trình rây. Câu 3 : Bàn luận về độ tin cậy của kết quả và các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Trang 17
10. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn ta phải lấy tại nhiều vị trí để tính trung bình của nó. Khối hạt chỉ có sự phân bố đồng đều nhất tại một thời điểm nào đó trong quá trình trộn mà thôi. Bên cạnh đó, ta phải lấy mẫu tại 6 thời điểm khác nhau để khảo sát sự thay đổi của chỉ số trộn theo thời gian. Từ đó tìm ra được thời điểm mà khối hạt đạt được chỉ số trộn cao nhất. Đó chính là thời gian mà ta nên tiến hành trộn khối hạt để đạt được độ đồng đều cao nhất. Câu 5 : Bàn về độ tin cậy của kết quả trộn và các yếu tố nào trong thí nghiệm có ảnh hưởng nhiều nhất đến thí nghiệm trộn. Độ tin cậy của kết quả trộn là khá cao. Các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả trộn: - Sự phân phối cỡ hạt: vì hạt đậu xanh và đậu nành có kích thước sai lệch nhiều nên sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình trộn. - Thời gian trộn: được xác định bằng thì kế (bấm bằng tay) nên có sai số. Nhưng sai số này không đáng kể. - Khối lượng riêng của vật liệu: vì đậu xanh và đậu nành có khối lượng riêng xấp xỉ nhau nên có tác động tốt đối với quá trình trộn. - Tính dễ vỡ (dòn): đậu xanh và đậu nành không có tính chất dễ vỡ vụn nên quá trình trộn diễn ra dễ dàng hơn. - Mẫu được lấy tại nhiều vị trí (theo sơ đồ) nên đảm bảo được tính đặc trưng của mẫu lấy, làm tăng độ chính xác của kết quả. Quá trình tính toán kết quả đơn giản nên hầu như không có sai số. 6. PHỤ LỤC : 6.1. Tính toán thí nghiệm nghiền: 6.1.1. Xác định đường kính tương đương của hạt gạo: - Đường kính tương đương của hạt gạo là đường kính của hạt hình cầu có cùng tỉ số V/S. 3 V ( / 6)D tđ D tđ - Đối với hạt hình cầu: 2 S D tđ 6 - Kích thước trung bình của hạt gạo: • Dài: L = 6mm • Đường kính: D = 1.5mm V ( / 4)D2 L DL - Coi hạt gạo là hình trụ S DL ( / 2)D2 4L 2D D DL 3DL 3 1.5 6 Nên: tđ D = 2 (mm) 6 4L 2D tđ 2L D 2 6 1.5 Vậy: Dp1 = Dtđ = 2 (mm) 6.1.2. Giản đồ Log n theo LogDpn: Phương trình đường thẳng: Log n = (b+1)LogDpn + logK’ (*) Dựa vào giản đồ 2 (*) đi qua 2 điểm (-0.363; 0) và (0; -1.041) 0.363 (b 1) LogK' 0 b 1 2.86 b 3.86 Nên: 1.041 0 (b 1) LogK' 1.041 LogK' 1.041 K' 10 Trang 19
11. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nghiền – Rây - Trộn • U – điện thế, V • I – cường độ dòng điện lúc có tải cực đại, A • cos - hệ số công suất Nên: P’ = 220 x 6.0 x 0.8 = 1056 (W) = 1.056 (kW) Vậy hiệu suất của máy nghiền: P 0.1742 H 100% 100% 16.50% P' 1.056 6.2. Tính toán thí nghiệm rây: 6.2.1. Giản đồ Ji theo số lần rây: Dựa vào giản đồ 1 Đường cong tiệm cận đến đường thẳng Ji = 75.60 Nên: F.a = 75.60 6.2.2. Tính hiệu suất rây: J 72 E 1 100% 100% = 95.24% F.a 75.6 6.3. Tính toán thí nghiệm trộn: Thành phần của chất A và B trong hỗn hợp lý tưởng là: a 3.0 C 0.67 A a b 3.0 1.5 CB = 1 – CA = 0.33 CA CB (N 1) Chỉ số trộn: Is N 2 n.(CA CiA ) i 1 Trong đó: • N – số thể tích mẫu Vi. Trong bài thí nghiệm này thì N = 8. • n – là số hạt trong trường hợp trộn vật liệu rời. 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO : [1]. Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học & Thực phẩm – Tập 4: Kỹ thuật phản ứng”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 380tr. [2]. Nguyễn Thị Thu Vân, “Phân tích định lượng”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 540tr. Trang 21