đề tài tìm hiểu về quá trình công nghệ và thiết bị phần cứng hệ thống thanh trùng sữa của th true milk

Thực hiện: sữa sau khi chuẩn hóa được đưa vào ngăn thứ 3 của thiết bị trao đổi nhiệt tại đây sữa được tăng nhiệt lên 65-68oC.. Thực hiện: sữa tươi đã tiêu chuẩn hóa được đưa vào thiết bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỀU KHIỂN

Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 5

1.1 Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài 5

1.1.1 Mục tiêu tổng quát 5

1.1.2 Mục tiêu cụ thể 5

1.1.3 Ý nghĩa của đề tài 5

1.2 Tổng quan về nhà máy sữa tươi sạch TH True Milk 5

1.2.1 Giới thiệu chung 5

1.2.2 Sơ đồ mô tả công nghệ vận hành sản xuất 6

1.3 Tổng quan về sữa tươi thanh trùng 6

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA TƯƠI THANH TRÙNG 8

2.1 Sơ đồ công nghệ 8

2.2 Quá trình thực hiện thanh trùng sữa 8

2.2.1 Gia nhiệt 1 8

2.2.2 Tiêu chuẩn hóa 8

2.2.3 Gia nhiệt 2 9

2.2.4 Bài khí 9

2.2.5 Đồng hóa 9

2.2.6 Thanh trùng 9

2.2.7 Làm lạnh 9

2.3 Lưu đồ P&ID và mô hình quá trình thanh trùng 10

2.3.1 Giải thích quá trình 10

2.3.2 Các biến vào ra và phương trình cân bằng năng lượng 11

2.3.3 Các sách lược điều khiển trong quá trình 14

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 17

3.1 Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm 17

3.1.1 Cấu tạo 17

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 18

3.2 Van phân dòng 18

3.2.1 Cấu tạo 18

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 19

3.3 Bể cân bằng (Balance tank) 19

3.4 Bơm tăng áp 20

3.4.1 Cấu tạo 20

3.4.2 Nguyên lý hoạt động 20

3.5 Bơm nguyên liệu (Feed Pump) 20

3.6 Bộ điều khiển dòng chảy (Flow Controller) 20

3.7 Bình xả khí (Daearator) 21

3.8 Máy ly tâm 21

3.9 Bộ truyền mật độ 23

3.10 Bộ truyền lưu lượng 23

3.11 Van điều tiết 23

3.12 Van tắt 24

3.13 Van kiểm tra 24

3.14 Thiết bị đồng hóa 25

3.15 Cảm biến nhiệt độ 25

Mục lục hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả công nghệ vận hành sản xuất 8

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình sản xuất sữa tươi thanh trùng 10

Hình 2.2 Lưu đồ P&ID 12

Hình 2.3 Giai đoạn 1 13

Hình 2.4 Giai đoạn 2 14

Hình 2.5 Giai đoạn 3 15

Hình 2.6 Giai đoạn 4 16

Hình 2.7 Phản hồi 17

Hình 2.8 Điểu khiển 2 tầng 17

Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị trong quá tình thanh trùng 19

Hình 3.2 Cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm 19

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế 20

Hình 3.4 Các loại van khí nén thực tế 21

Hình 3.5 Bể cân bằng trong thực tế 21

Hình 3.6 Bộ xả khí 23

Hình 3.7 Hình ảnh thiết bị thực tế 24

Hình 3.8 Cấu tạo máy ly tâm 24

Hình 3.9 Bộ truyền mật độ 25

Hình 3.10 Bộ truyền lưu lượng 25

Hình 3.11 Van điều tiết 26

Hình 3.12 Van tắt 26

Hình 3.13 Van kiểm tra 26

Hình 3.14 Thiết bị đồng hóa sử dụng áp lực cao 27

Lời nói đầu

Đây là bài báo cáo của nhóm 8 sau thời gian nghiên cứu Với thời gian họctập ở môn Điều khiển quá trình cũng như quá trình tìm hiểu thêm tài liệu ở bênngoài Nhóm trân trọng cảm ơn những kiến thức mà cô Đinh Thị Lan Anh đã truyềnđạt, đây là một nguồn kiến thức to lớn để nhóm có thể hoàn thành đề tài “Tìm hiểu

về quá trình công nghệ và thiết bị phần cứng hệ thống thanh trùng sữa của TH TrueMilk” Bên cạnh đó do còn thiếu kinh nghiệm dẫn đến việc thực hiện đề tài sẽ gặpnhững sơ xuất nhỏ trong quá trình hoàn thiện Nhóm mong cô và các bạn có thể xemxét và góp ý từ đó giúp hoàn thiện đề tài hơn

Nhóm xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài

1.1.1 Mục tiêu tổng quát

- Mục tiêu của đề tài này yêu cầu chúng ta nắm được quá trình công nghệ sảnxuất sữa thanh trùng của một nhà máy sản xuất sữa cụ thể Bao gồm việc tìm hiểu vềquá trình công nghệ, lưu đồ P&ID, các thiết bị trong quá trình ( thiết bị chấp hành,thiết bị đo ), thuật toán điều khiển ứng dụng trong quá trình sản xuất

1.1.2 Mục tiêu cụ thể

- Tìm hiểu quy trình sản xuất sữa tươi thanh trùng

- Tìm hiểu thiết bị sử dụng trong quy trình sản xuất sữa tươi thanh trùng

1.1.3 Ý nghĩa của đề tài

- Giúp ứng dụng những kiến thức đã học trong môn Điều khiển quá trình vàođời sống

- Hiểu rõ hơn về công đoạn sản xuất cũng như quá trình điều khiển công đoạn

đó của một nhà máy sản xuất

- Thực hành kĩ năng làm việc nhóm

- Củng cố cho sinh viên kĩ năng mềm cũng như những kiến thức cần thiết chocông việc sau này

1.2 Tổng quan về nhà máy sữa tươi sạch TH True Milk

1.1.1 Giới thiệu chung

- Nhà máy chế biến sữa tươi sạch TH của tập đoàn TH nằm ngay trên đườngmòn Hồ Chí Minh tại địa phận huyện Nghĩa Đàn, Tỉnh Nghệ An Đây là vị trí giaothông thuận lợi giúp vận chuyển sản phẩm của TH đi khắp nước đều và nhanhnhất.Nhà máy xây dựng lên tới 5,2 ha được khánh thành vào tháng 7/2013

- Nhà máy chế biến sữa tươi sạch TH có nhiệm vụ chính là chế biến và đónggói cho ra các dòng sản phẩm sữa tươi sạch làm từ sữa tươi sạch nguyên liệu củatrang trại bò sữa TH ở cùng khu vực Nghĩa Đàn

- Nhà máy cũng sở hữu hệ thống kho lạnh hiện đại như kho Ambient (chứasữa tươi thành phẩm), kho đông lạnh hợp (sản phẩm kem), kho lạnh dành cho sảnphẩm sữa chua, bơ, phô mai các loại

- Khu vực chế biến sữa sử dụng công nghệ thanh trùng lặp ESL (ExtenedShelf – life)

- Nhà máy chế biến sữa tươi sạch TH của tập đoàn TH sở hữu 22 dây sảnxuất tự động hóa được quản trị bởi công nghệ đo lường và điều khiển hiện đại hàngđầu thế giới của Simen, Danfoss, công nghệ nhẹ của Grandfoss

- Công nghệ chế biến và đóng gói được ứng dụng công nghệ của các hãng uytín như GEA, Combi (Đức), SACMI (Ý), Tetra Pak (Thụy Điển), SERAC (Pháp)

- Toàn bộ hoạt động hệ thống được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 9001

- Với tổng công suất chế biến theo thiết kế của nhà máy đạt 500 triệu lítsữa/năm, nhà máy chế biến sữa tươi sạch TH có quy mô lớn hàng đầu Đông Nam Ávới những trang thiết bị, máy móc hiện đại bậc nhất thế giới

1.2.1 Sơ đồ mô tả công nghệ vận hành sản xuất

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả công nghệ vận hành sản xuất

1.3 Tổng quan về sữa tươi thanh trùng

Sữa thanh trùng là sữa tươi được làm từ sữa nguyên chất 100% mới vắt, xử lýtrực tiếp ở nhiệt độ 72 - 90 độ C trong 30 giây rồi làm lạnh ngay ở 4 độ C Quá trình

thanh trùng thế này giúp sữa giữ trọn những lợi khuẩn, vitamin, khoáng chất, và vịthơm ngon đặc trưng của sữa.

Sữa thanh trùng được phân làm 2 loại như sau:

- Sữa nguyên: là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi, không tách bớt béo Tuy nhiên các nhà sản xuất thường hiểu chỉnh hàm lượng chất béo (thông thường dao động 3.0 – 3.7%) để ổn định chất lượng sản phẩm

- Sữa gầy: là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi bị tách bớt một phần chất béo Hàm lượng béo thường khoảng 0.5 – 1.5% Một số sản phẩm có thể thấp đến 0.1%

Ngoài ra còn có sữa hoàn nguyên và sữa tái chế

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA TƯƠI THANH

TRÙNG

2.1 Sơ đồ công nghệ

Ta có sơ đồ quá trình thanh trùng sữa như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình sản xuất sữa tươi thanh trùng

2.2 Quá trình thực hiện thanh trùng sữa

2.2.1 Tiêu chuẩn hóa

Mục đích: hiệu chỉnh hàm lượng béo của sữa nguyên liệu thành 3,5%,chuẩn

bị cho quá trình thanh trùng

Thực hiện: sử dụng thiết bị tiêu chuẩn hóa tự động thực hiện đồng thời 2nhiệm vụ: ly tâm làm sạch, tiêu chuẩn hóa chất béo

Dùng bơm đưa sữa từ thiết bị gia nhiệt sang thiết bị ly tâm tiêu chuẩn hóa tựđộng.Sau khi hiệu chỉnh đến hàm lượng béo cần thiết sẽ chuyển sang công đoạnkhác.

2.2.2 Gia nhiệt 2

Mục đích: tăng nhiệt độ sữa từ 65-68oC chuẩn bị cho bài khí

Thực hiện: sữa sau khi chuẩn hóa được đưa vào ngăn thứ 3 của thiết bị trao đổi nhiệt tại đây sữa được tăng nhiệt lên 65-68oC

Thực hiện: sữa tươi đã tiêu chuẩn hóa được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệtdạng tấm để gia nhiệt sơ bộ lên 65-68oC rồi đưa vào thiết bị đồng hóa.Sử dụngphương pháp đồng hóa 2 cấp.Áp suất đo trước van đồng hóa 1 là P1, trước van đồnghóa 2 là P2.Kết quả đạt tốt nhất khi P2/P1 khoảng 0.2

2.2.5 Thanh trùng

Mục đích: mục đích của quá trình thanh trùng là tiêu diệt các vi sinh vật gâybệnh có trong sữa, tiêu diệt hoặc ức chế nhóm vi sinh vật hoại sinh lẫn các enzymenhằm kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm ở nhiệt độ 5÷70oC

Thực hiện: sữa từ thiết bị đồng hóa bơm sang thiết bị gia nhiệt, ở đây sữađược chảy qua các tấm gia nhiệt để tăng nhiệt lên 75 -80oC Khi sữa đạt lên 75oC rồiđược chuyển qua các ống lưu nhiệt 15-20s Sau đó chảy qua các thiết bị làm lạnhgiảm nhiệt xuống

Yêu cầu: sữa phải được thanh trùng đạt 75-80oC trong 15-20s

2.2.6 Làm lạnh

Mục đích: đưa sữa đã thanh trùng xuống 4-6oC

Thực hiện: sữa sau khi thanh trùng được trao đổi nhiệt với sữa ban đầu trongngăn thứ 2 và thứ 3 của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được tiếp tục làm lạnh xuống 4-6oC

ở ngăn thứ 1 nhờ tác nhân lạnh 2oC

2.3 Lưu đồ P&ID và mô hình quá trình thanh trùng

- Cảm biến đo nhiệt độ có hiển thị được đặt ở hiện trường tại loop 000-1 để

đo và hiển thị nhiệt độ ở tank chứa nguyên liệu và bình cân bằng

Giai đoạn 2:

- Sữa từ bình cân bằng được chảy qua van 01 (đóng an toàn khi mức trongbình thấp hơn mức cho phép) sau đó được bơm nguyên liệu được bơm vào khoanglàm nóng sơ bộ Tại đây dòng sữa đầu vào được trao đổi nhiệt với nguồn sữa đãđược thanh trùng thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm Sữa nguyên liệu đầu vào từ35-40oC được nâng lên nhiệt độ 68oC Còn sữa đã được thanh trùng sẽ giảm nhiệt độtương ứng

Giai đoạn 3:

- Sữa nguyên liệu đã được làm nóng sơ bộ được dẫn qua van 02 (đóng antoàn) sau đó qua van 03 rồi được bơm cao áp bơm vào khoang thanh trùng Tại đâythì dòng sữa nguyên liệu sẽ được gia nhiệt qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm với nguồngia nhiệt là nước nóng (78oC) (nguồn cấp từ bộ phận lò hơi) Sau đó sữa được tăngnhiệt độ lên 73-75oC

- Cảm biến nhiệt độ được đặt ở cấp hiện trường tại loop 002 để đo nhiệt độcủa dòng sữa đưa vào khoang thanh trùng Và một cảm biến đo áp suất có hiển thịđược đặt ở loop 003 để đo áp suất của dòng sữa đầu ra thanh trùng.

Giai đoạn 4:

- Sữa từ khoang thanh trùng được đưa sang ống giữ với một vận tốc và ápsuất vừa đủ để cho dòng sữa chảy trong ống giữ đảm bảo được thời gian thanh trùng(15s)

- Cảm biến nhiệt độ đầu ra được gắn ở đầu ra của ống giữ tại loop 003 Nếunhiệt độ sữa thanh trùng không đảm bảo thì sẽ có tín hiệu điện đưa về bộ điều khiểnlogic đặt ở phòng điều khiển trung tâm (loop 003) để điều khiển bơm cao áp bơmsữa vào khoang thanh trùng và từ bộ cảm biến nhiệt độ tín hiệu điện cũng được đưađến bộ điều khiển nhiệt độ đặt ở loop 003 và kết hợp với tín hiệu điện từ cảm biến

đo lưu lượng sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển van (proportional-01) đưa dòng sữakhông đạt được nhiệt độ thanh trùng về bình cân bằng Ngược lại dòng sữa thanhtrùng được đưa đến khoang làm nóng sơ bộ

Giai đoạn 5:

- Làm lạnh: sữa thanh trùng sau khi được làm mát tái sinh sẽ được đưa đến

khoang làm mát (bộ trao đổi nhiệt dạng tấm) Ở đây dòng sữa thanh trùng sẽ đượctrao đổi nhiệt với nước lạnh (được cấp từ bộ phận làm mát của nhà máy chế biếnsữa) từ đó nhiệt độ dòng sữa giảm nhanh về 4oC Và sau đó sẽ được đưa đến quátrình tiếp theo

2.3.1 Các biến vào ra và phương trình cân bằng năng lượng

Hình 2.4 Giai đoạn 1

Giai đoạn 1:

+ Biến vào: Lưu lượng, nhiệt độ, áp suất của sữa từ tank chứa nguyên liệu(F0, T0, P0) và lưu lượng, nhiệt độ, áp suất của dòng sữa không đạt chuẩn nhiệt độthanh trùng (F1, T1, P1)

+ Biến ra: Lưu lượng và nhiệt độ, áp suất sữa đầu ra bình cân bằng (F2, T2,P2)

- Phương trình cân bằng năng lượng:

+ Biến ra: lưu lượng, nhiệt độ, áp suất của dòng sữa được làm nóng sơ bộ vàcủa dòng sữa thanh trùng được làm mát tái sinh lần lượt theo thứ tự: F4, T4, P4, F5,T5, P5

Phương trình cân bằng nhiệt ở trạng thái xác lập:

F2.d.C (T2-T4) = F3.d.C(T3-T5)

→F2(T2-T4) = F3(T3-T5)Trong đó:

+ d: khối lượng riêng của sữa

+ C: nhiệt dung riêng của sữa

+ d1: khối lượng riêng của nước

+ C1: nhiệt dung riêng của nước

+ d2: khối lượng riêng của dung dịch làm mát

+ C2: nhiệt dung riêng của dung dịch làm mát

2.3.2 Các sách lược điều khiển trong quá trình

Các sách lược điều khiển trong quá trình thanh trùng sữa gồm có:

+ Phản hồi: Từ cảm biến nhiệt độ đầu ra sữa thanh trùng gửi tín hiệu điệnphản hồi về bộ điều khiển logic ở phòng điều khiển trung tâm để đưa ra tín hiệu điệnthích hợp để điều khiển bơm

Hình 2.8 Phản hồi

+ Sách lược điều khiển tầng (2 vòng phản hồi ): Tín hiệu điện từ bộ cảm biếnnhiệt độ ở đầu ra của ống giữ gửi đến bộ điều khiển nhiệt độ để điều khiển mở vancho dòng sữa không đạt yêu cầu quay trở về bình cân bằng Ngoài ra ở đây ta cóthêm vòng điều khiển phản hồi đầu ra của van nhằm mục đích điều khiển cho van

mở nhanh theo tỉ lệ đặt trước

Hình 2.9 Điểu khiển 2 tầng

- Hệ thống có các van bypass giúp bảo vệ và có thể điều chỉnh bằng tay khi

có sự cố lỗi van Ngoài ra trong mô hình có các bộ cảm biến đo mức và đo áp suất

có hiển thị từ đó thì người vận hành có thể điều chỉnh các van để đảm bảo an toàncho con người

- Đối với các mục đích điều khiển để giúp bảo đảm an toàn, môi trường vàchất lượng sản phẩm thì mô hình đã giải quyết bằng cách có bộ cảm biến nhiệt độđặt ở đầu ra của ống giữ nhằm kiểm tra chất lượng đầu ra của sản phẩm Và mô hình

sử dụng 2 sách lược điều khiển là điều khiển phản hồi và điều khiển tầng để kiểmsoát chất lượng, năng suất đầu ra

+ Sách lược điều khiển phản hồi nhằm điều chỉnh lưu lượng và áp suất dòngsữa đi vào quá trình thanh trùng

+Sách lược điều khiển tầng nhằm điều khiển đáp ứng nhanh van 5 để đưadòng sữa chưa đạt yêu cầu về lại bình cân bằng

→ Hệ thống được vận hành một cách trơn tru và tự động

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ PHẦN CỨNG

Chương này chúng ta nói về các thiết bị trong phần thanh trùng

Hình 3.10 Sơ đồ thiết bị trong quá tình thanh trùng

3.1 Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

1.1.1 Cấu tạo

Hình 3.11 Cấu tạo bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

- Quá trình xử lý nhiệt HTST: dòng sữa làm nóng sơ bộ được được đưa quabơm tăng áp để tăng áp suất lên 200 bar sau đó đưa vào bộ xử lý nhiệt Mục đích củaviệc tăng áp suất nhằm tránh dòng sữa chưa được thanh trùng trộn lẫn với dòng sữa

đã được thanh trùng, đồng thời việc tăng áp suất còn giúp hạn chế việc tạo bọt trongquá trình xử lý nhiệt Sau khi quá trình xử lý nhiệt xong dòng sữa sẽ được đưa quamột ống giữ với một vận tốc nhất định để làm sao dòng sữa ki chảy ra khỏi đầu racủa ống giữ phải đảm bảo nhiệt độ của nó vẫn giữ ở nhiệt độ thanh trùng và thờigian chảy trong ống giữ từ 15-20s Nếu nhiệt độ thanh trùng ở đầu ra ống giữ khôngđảm bảo van phân dòng sẽ có trách nhiệm đưa dòng sữa đó quay trở lại bình cânbằng

- Quá trình làm mát: sau khi dòng sữa thanh trùng đã được làm mát tái sinh

nó sẽ tiếp tục được đưa vào bộ trao đổi nhiệt dạng tấm để làm mát xuống nhiệt độ

+ Phần lõi van hay còn gọi là con trượt van sẽ di chuyển dọc theo vỏ van đểlàm kín hoặc trả lại không gian rỗng cho van giúp khí lưu thông từ cửa nạp sang cửađẩy và từ cửa hồi sang cửa xả

+ Phần điều khiển chính là cuộn hút Cuộn hút tạo ra lực điện từ giúp lõi van

di chuyển dẫn đến thay đổi trạng thái van giúp van đóng mở hay phân luồng dòng

Tất cả các phần tiếp xúc đều làm bằng thép không gỉ Bình chứa chân không,

có cửa quan sát bằng kính Có nhiệm vụ tách một phần bọt khí trong sữa, giúp hệthống làm việc ổn định hơn

Bên cạnh đó, bệ cân bằng giúp giữ cho dòng sữa tươi đầu vào theo mức đặttrước nên còn có tác dụng ổn định áp suất của dòng chảy trong hệ thống

3.4 Bơm tăng áp

Bơm tăng áp:là máy bơm ly tâm thông thường như của bơm nguyên liệu Nóđược gọi như vậy bởi vì nó làm tăng áp suất sữa chảy qua nó.Trong quá trình hoạtđộng liên tục của hệ thống có thể sẽ tạo ra các lỗ pin trên các tấm thanh trùng trongphần kênh Sự xuất hiện của các lỗ như vậy sẽ gây ra xen kẽ của chất lỏng ở hai bêncủa tấm và cuối cùng dẫn đến sự hòa lẫn sữa thanh trùng với sữa thô (sữa đã đượclàm nóng và sữa chưa được lạnh ban đầu) Không thể thường xuyên tháo dỡ các tấmliên tục để theo dõi các tấm hình thành lỗ pin và ngăn ngừa sự trộn lẫn bằng cáchthay thế như vậy Do đó, một máy bơm tăng áp được lắp đặt trong dòng sữa tiệttrùng như một biện pháp khắc phục sự cố đó

Bơm tăng áp làm tăng áp lực của sữa tiệt trùng khoảng 0,5 bar vì vậy trongmọi trường hợp lỗ pin rò rỉ sữa tiệt trùng dưới áp suất cao hơn sẽ rò rỉ sang sữa khácbên và sự pha trộn của nó sẽ được ngăn chặn

Khi áp suất tăng lên cao đồng thời áp lực giảm xuống (khi van đóng) thì côngtắc sẽ tự ngắt điện để máy bơm ngừng hoạt động

3.5 Bơm nguyên liệu (Feed Pump)

Giúp cung cấp nguyên liệu

Nếu bơm được đặt ở vị trí bất kì không phải đáy bể, thì nếu áp suất trong bểcân bằng bị thay đổi cũng dẫn đến áp suất dòng sữa qua bơm bị thay đổi Điều này

là không tốt cho quá trình Vì vậy bơm được đặt ở đáy bể cân bằng nhằm giảm đượcảnh hưởng của áp suất bể lên quá trình bơm

3.6 Bộ điều khiển dòng chảy (Flow Controller)

Tác dụng: duy trình dòng sữa đi vào bộ thanh trùng ở giá trị chính xác