CHƯƠNG 17 TRỘN VẬT LIỆU RỜI CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH TRỘN 1.1 Mục đích ứng dụng Trộn trình tạo hỗn hợp đồng từ thành phần chất rắn tác dụng lực học Quá trình trộn ứng dụng rộng rãi lĩnh vực như: làm tăng trình phản ứng hoá học, trình truyền nhiệt công nghệ sấy, công nghệ polymer hoá chất dẻo hoá chất, thực phNm, dược liệu số lĩnh vực khác Giáo trình trình bày loại máy trộn thông dụng để tạo hỗn hợp vật liệu đồng 1.2 Các tính chất vật liệu làm ảnh hưởng đến trình trộn Nói chung chọn máy trộn, cần xem xét kỹ tính chất vật liệu đem trộn sau: - Sự phân bố cỡ hạt: phân bố cỡ hạt rộng ảnh hưởng đến trình trộn Ví dụ trộn (kg) chất A năm (kg) chất B khó trộn so với trộn năm (kg) chất A năm (kg) chất B - Khối lượng riêng vật liệu khác biệt khó trộn Ví dụ: trộn gạo với đậu xanh khó trộn so với trộn đậu đỏ với đậu xanh - Hình dạng hạt khác biệt kích thước khó trộn Ví dụ: trộn đường cát vào bột mì để làm bánh khó trộn so với đem nghiền đường thành bột đem trộn với bột mì - Tính chất bề mặt hạt: hạt có lực tĩnh điện lớn khó trộn so với hạt có lực tĩnh điện bé - Tính dính: có xu hướng kết dính hạt lại với làm cản trở trình trộn - Độ Nm: vật liệu có độ Nm cao trộn khó - Khối lượng riêng xốp: trình trộn khối lượng riêng xốp thay đổi lớn khó trộn - Ngoài ra, số tính chất khác mà trình trộn làm ảnh hưởng đến trình trộn như: độ dòn, góc ma sát vật liệu v.v… 1.3 Phương pháp trộn tiêu đánh giá mức độ trộn Khi trộn hạt chịu tác dụng lực học có hướng khác làm cho hạt chuyển động, đồng thời xảy trộn lẫn hạt với Quá trình chuyển động hạt phụ thuộc vào phương pháp trộn, vào máy trộn Có năm trình xảy sau: - Tạo lớp trượt với - Sự chuyển dịch nhóm hạt từ vị trí sang vị trí khác 267 Thay đổi vị trí hạt riêng lẻ Thay đổi va đập vào thành thiết bị trộn Biến dạng nghiền nhỏ phận Để đánh giá độ đồng sản phNm sau trộn ta dùng khái niệm “Mức độ trộn – S” Khi trộn khối lượng a chất A với khối lượng b chất B để tạo hỗn hợp đồng AB thành phần chất A chất B hỗn hợp là: a b C B = (17 – 1) CA = a+b a+b Để gọi hỗn hợp lý tưởng CA, CB phần thể tích Muốn đạt hỗn hợp lý tưởng thời gian trộn vô hạn yếu tố làm ảnh hưởng đến trình trộn Trong thực tế thời gian trộn có hạn, thành phần CA, CB phần thể tích khác không giống nhau, khác gần với hỗn hợp lý tưởng Để đánh giá độ đồng hỗn hợp (mức độ trộn) ta dùng đại lượng “độ sai lệch bình phương trung bình S”, nghĩa thể tích hỗn hợp thực Vi có thành phần chất A CiA, chất B CiB độ sai lệch bình phương trung bình hỗn hợp thực là: - N N ∑ (C A − CiA )2 SA = i =1 ∑ (C B − CiB )2 SB = i =1 (17- 2) N −1 N −1 Trong CA, CB: thành phần chất A chất B hỗn hợp lý tưởng CiA, CiB: thành phần chất A chất B hỗn hợp thực N: số thể tích mẫu Vi Kết luận Khi SA, SB nhỏ gần với hỗn hợp lý tưởng, phụ thuộc vào thời gian trộn, quan hệ biểu diễn hình (H17.1) 268 Ngoài ta dùng đại lượng khác để đánh giá mức độ trộn “chỉ số trộn – IS” σe (17 – 3) S σe: độ lệch chuNn lý thuyết C A C B (17 – 4) σe = n Thay biểu thức công thức (17 – 2), (17 – 4) vào công thức (17 – 3) ta có: C C (N − 1) IS = N A B (17 – 5) ∑ (C A − CiA ) n IS = i =1 n: số hạt thể tích mNu hỗn hợp Kết luận Khi IS lớn gần với hỗn hợp lý tưởng, phụ thuộc vào thời gian trộn, quan hệ biểu diễn hình (H17.2) cho trình trộn cát muối dùng máy trộn thùng quay Qua hình ta thấy thời gian 40 phút đầu IS tăng đến gần 0,7, sau IS giảm dần Trong yếu tố làm ảnh hưởng đến trình trộn có lực tĩnh điện đáng kể Vì thời gian trộn kéo dài vật liệu có chất có khuynh hướng tách rời khỏi hỗn hợp liên kết lại 1.4 Thời gian trộn Theo định nghĩa số trộn, công thức (17 – 3) thời điểm ban đầu τ =0 hỗn hợp chưa trộn tương ứng với IS, σ0 n = nên σ o = C A C B Công thức (17 – 269 4) gọi độ lệch chuNn thời điểm “zero”, số trộn thời điểm “zero” thời điểm trước bắt đầu trộn tính theo: σ (17 – 6) IS,0 = e = σ0 n Mức độ trộn biểu diễn theo mối quan hệ thực nghiệm với thời gian trộn dIS = K (1 − IS ) (17 – 7) dτ Ở τ: thời gian trộn IS: số trộn K: số trộn Trong trình trộn, số trộn thay đổi từ IS = IS,0 đến IS = IS, τ biến đổi công thức (17 – 7) lấy tích phân ta có thời gian trộn 1− n τ = ln (17 – 8) K − IS Công thức (17 – 8) có K số trộn, phụ thuộc vào độ sai lệch bình phương trung bình S, tính chất vật liệu trộn cấu tạo máy trộn K = f (S, D, d, H, ρ) (17 – 9) S: Độ sai lệch bình phương trung bình D: đường kính thùng trộn; m d: đường kính cánh trộn; m H: chiều cao vật liệu chứa thùng trộn; m ρ: khối lượng riêng vật liệu trộn; kg/m3 Giá trị K thường xác định thực nghiệm, chọn sau: • Máy trộn thùng quay: K = (200 ÷ 300) • Máy trộn trục vít: K = (200 ÷ 300) với đường kính trục vít dt = (0,90 ÷ 0,96).D chiều dài trục vít L = (8 ÷ 10).D • Máy trộn loại cánh: K = (300 ÷ 400) với đường kính cánh trộn d = (0,85 ÷ 0,95).D chiều cao lớp vật liệu thùng trộn H = (0,7 ÷ 0,8).D PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY TRỘN Ngày máy trộn vật liệu hạt chia làm ba nhóm sau đây: • Máy trộn thùng quay • Máy trộn trục vít • Máy trộn loại cánh 2.1 Máy trộn thùng quay 270 Gồm thùng rỗng, bên chứa vật liệu cần trộn, thùng gắn hai gối đỡ có cấu truyền động, thùng quay nâng vật liệu lên gần đỉnh thùng rơi xuống phía thùng tạo nên đảo trộn khối vật liệu Thùng có nhiều cấu tạo góc quay khác Hình (H17 3) giới thiệu loại thùng quay thường gặp Hình (H17 4a) cấu tạo máy trộn thùng hình trụ đáy bằng, hình (H17 4b) máy trộn hình trụ đáy nón, trục quay thường theo chiều đường kính thân trục dọc thân Đối với máy trộn hình trụ đáy nón, hiệu trộn tăng lên nhờ vật liệu trộn chuyển động dọc theo bề mặt thay đổi thùng Các loại máy trộn sử dụng để trộn loại vật liệu khô ướt Các thông số máy trộn thùng quay: • Số vòng quay thùng 271 20 ÷ 30 ; v/phút D D: đường kính thùng; m • Đối với máy trộn làm việc liên tục, chiều dài thùng L = K.m'.D tan α; m n= (17 – 10) (17 – 11) K: số trộn (200 ÷ 300) m’: tỉ số chu vi tiết diện vật liệu thùng α: góc nghiêng thùng • Năng suất máy làm việc gián đoạn 60.Vt ρ.ϕ ; kg/h (17 – 12) G= τ Vt: thể tích thùng trộn; m3 ρ: khối lượng riêng vật liệu; kg/m3 ϕ: hệ số chứa đầy – xem bảng (17 1) τ: thời gian chu kỳ trộn gồm nhậpliệu, tháo liệu, trộn ; phút • Năng suất máy trộn làm việc liên tục (17 – 13) G = 60.n.ϕ.ρ.m'.D.A t tan α ; kg/h n: số vòng quay; v/phút ϕ: tra bảng 17 – ρ: khối lượng riêng vật liệu; kg/m3 m’, α, D: sách dẫn At: diện tích tiết diện ngang thùng trộn; m2 • Tính công suất N + N + N3 N= K ; kW η Σm.g.f r.n Trong đó: N1 = 1,04 ; kW : công suất thắng lực ma sát ổ trục 10 m g.R (1 − cos α r ) N = vl ; kW : công suất nâng sản phNm 103.α r m g.ω.R sin α r N = vl ; kW : công suất đảo trộn vật liệu 103 Ở Σm: tổng khối lượng vật liệu thùng; kg f = (0,05 ÷ 1) hệ số ma sát ổ trục r: bán kính ổ trục; m n: số vòng quay thùng trộn; v/phút mvl: khối lượng vật liệu trộn; kg K = (1,2 ÷ 1,3); η = (0,7 ÷ 0,8) 272 (17 – 14) ω: vận tốc gốc thùng trộn; S-1 h2 h1 R0 = = ;m : bán kính nâng vật liệu (xem hình H17.5) sin α.dα − cos α αr: góc nâng vật liệu Bảng 17.1 Loại máy trộn Hệ số Tỉ số chiều dài chứa đầy ϕ đường kính D/L Máy trộn thùng quay Trục ngang 0,35 ÷ 0,50 1,0 ÷ 1,5÷ Trục chéo 0,35 ÷ 0,50 1,0 ÷ 1,5÷ Chữ V 0,30 ÷ 0,40 1,5 ÷ 2,0 Máy trộn có cánh gián đoạn không liền 0,30 ÷ 0,40 ÷ 2,5 Máy trộn vít tải liên 0,30 ÷ 0,40 ÷ 25 tục cánh liền D: đường kính thùng trộn hay máng chứa, m dt: đường kính cánh trộn hay vít trộn; m 2.2 Số vòng quay n v/phút 20 ÷ 30 D 10 ÷ 20 dt 20 ÷ 40 dt Máy trộn trục vít Máy trộn gồm vít tải quay bên thùng, đồng thời xảy đảo trộn vật liệu, ưu điểm loại máy trộn vừa trộn vừa vận chuyển vật liệu, sử dụng nhiều nhà máy xay xát lúa gạo chế biến thức ăn gia súc Nhìn chung với vật liệu dạng hạt hiệu sử dụng cao Còn vật liệu dạng sợi không sử dụng Hình (H17 6) mô tả máy trộn trục vít 273 Các thông số máy trộn trục vít • Số vòng quay vít 20 ÷ 40 n= ; v/phút dt dt: đường kính vít tải; m • Xác định chiều dài máy trộn, chiều dài vít L = 1,5π.K1.τ.n (d t − d )sin α; m (17 – 15) (17 – 16) K1 = 1: hệ số vít liên tục K1 = (0,6 ÷ 0,7): hệ số vít không liên tục τ: thời gian trộn; phút n: số vòng quay vít; v/phút dt, d: đường kính vít, trục; m • Tính suất vít tải d −d (17 – 17) G = 0,75.ϕ.ρ.K1.π.d 2t  t .60n.sin α cos α ; kg/h   ϕ: hệ số chứa đầy, xem bảng 17 ρ: khối lượng riêng vật liệu; kg/m3 α: góc đNy tới cánh vít Các đại lượng khác dẫn • Tính công suất máy trộn vít tải α   N = 10− 3.ρ.g tan  450 + r .Z.h.A.ω.r.[(cos α + f sin α ) + 0,75.K1 sin 2α(sin α − f cos α )] (17 – 18)   Z: bước vít liên tục h: độ nhúng sâu trung bình cánh khối hạt, hình (H17 – 7) r: khoảng cách từ tâm vít đến khối hạt (bán kính trọng tâm), hình (H17.7) f: hệ số ma sát ổ trục A: diện tích bề mặt vít chìm hạt; m2 274 Các đại lượng khác dẫn 2.3 Máy trộn cánh Có cấu tạo gồm thùng trộn đặt cánh đảo, cánh đảo gắn với trục quay nhờ cấu truyền động Khi trục quay cánh đảo quay xảy trình trộn thùng Nếu máy hoạt động gián đoạn cánh đảo gắn vuông góc với trục, hoạt động liên tục cánh đảo gắn hình xoắn để dễ đNy vật liệu chuyển động Hình (H17 – 8) mô tả loại cánh đảo Các thông số máy trộn cánh • Số vòng quay cánh đảo 10 ÷ 20 n= ; v/phút dt (17 – 19) • Tính suất G = 47.d 2t t.n.ρ.ϕ.K1.η ; kg/h 275 (17 – 20) dt: đường kính đầu mút cánh đảo, t: bước vít cánh; m ϕ: hệ số chứa đầy; bảng 17.1 ∑ℓc K1 = = 0,7 ÷ 0,8 : hệ số cánh liền L Σℓc: tổng chiều dài cánh chiếu lên trục; m L: chiều dài thùng trộn; m η = 0,85 ÷ 0,95 • Tính công suất: N + N2 N= K ; kW η (17 – 21) Trong đó: N1: công suất thắng trở lực vật liệu gây theo phương tiếp tuyến N α  2R t cos θi + b    ; kW N1 = 10 − 3.∑ ρ.g.ω.h i A i ri tan  450 + r  θ 2 cos     i i −1 N2: công suất thắng lực dọc trục vật liệu di chuyển N  2R t cos θi + b  α   .sin α ;kW N = 10 − ∑ ρ.g.ω.h i A i ri tan  450 + r (sin α i − f cos α i ).1,5K1.  cos θi    i =1 Ở K = (1,2 ÷ 1,4): hệ số dự trữ η = (0,8 ÷ 0,9) hiệu suất i: vật liệu tác dụng lên cánh đảo thứ i Rt, hi, b, αi, θi: xem hình (H17 9) ω: vận tốc góc trục trộn; rad/s αr: góc nâng vật liệu (góc nghiêng tự nhiên vật liệu); độ(0) Ai: diện tích nhúng chìm cánh thứ i vào vật liệu; m2 f = (0,01 ÷ 0,2): hệ số ma sát vật liệu với cánh, thùng K1: hệ số liền cánh đảo hi: độ sâu cánh thứ i vào vật liệu; m αi: góc nghiêng (góc đNy) cánh thứ i so với trục quay; độ (0) Rt: chiều dài cánh đảo; m θi: góc cánh thứ i so với mặt phẳng đứng; độ (0) b: khoảng cách từ tâm đến mặt thoáng vật liệu; m Các đại lượng lại dẫn 276 Hình (H17 10) mô tả máy trộn thùng quay có cánh đảo, loại máy làm việc có hiệu Cấu tạo gồm thùng có dạng hình lập phương, đường tâm quay trùng với đường chéo Sở dĩ thùng có hình lập phương mục đích dễ trộn so với thùng dài, thời gian trộn nhanh hơn, mặc khác nhờ dùng kết hợp với cánh đảo quay chiều hay ngược chiều với thùng nên hiệu suất cao Hình (H17 11) mô tả cấu tạo máy trộn băng xoắn, loại máy vừa trộn vừa vận chuyển vật liệu, thùng trộn dạng máng ống trụ kín, cánh đảo bố trí vận chuyển chiều ngược chiều Cấu tạo giống máy trộn vít tải, khác máy trộn loại cho phép trộn loại vật liệu dạng sợi, rời rạc Cánh đảo xoắn có nhiều dạng khác (xem hình H17.8) 277 CÂU HỎI ÔN TẬP Mục đích ứng dụng trình trộn? Các yếu tố ảnh hưởng đến trình trộn? Các phương pháp đánh giá mức độ đồng sản phNm trộn? Tính thời gian trộn? Cấu tạo, nguyên lý thông số kỹ thuật máy trộn thùng quay? Cấu tạo, nguyên lý thông số máy trộn trục vít? Cấu tạo, nguyên lý thông số kỹ thuật máy trộn cánh? 278 ... hình (H17.1) 268 Ngoài ta dùng đại lượng khác để đánh giá mức độ trộn “chỉ số trộn – IS” σe (17 – 3) S σe: độ lệch chuNn lý thuyết C A C B (17 – 4) σe = n Thay biểu thức công thức (17 – 2), (17 –... 1,3); η = (0,7 ÷ 0,8) 272 (17 – 14) ω: vận tốc gốc thùng trộn; S-1 h2 h1 R0 = = ;m : bán kính nâng vật liệu (xem hình H17.5) sin α.dα − cos α αr: góc nâng vật liệu Bảng 17. 1 Loại máy trộn Hệ số... đường kính vít, trục; m • Tính suất vít tải d −d (17 – 17) G = 0,75.ϕ.ρ.K1.π.d 2t  t .60n.sin α cos α ; kg/h   ϕ: hệ số chứa đầy, xem bảng 17 ρ: khối lượng riêng vật liệu; kg/m3 α: góc đNy