Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Tối ưu hóa thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn cho quy trình hòa tan bột mì

GVHD: PG.TS NGUYỄN HỮU LỘCTÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này sẽ giới thiệu và nghiên cứu các khía cạnh của hệ thống khuấy trộn bao gồm đặc tính quá trình, chuyển động dòng chảy, thiết k

Giới thiệu chung

Tổng quan quy trình khuấy trộn

Quy trình sản xuất bột ngọt là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều giai đoạn đặc biệt để tạo ra sản phẩm cuối cùng có chất lượng cao và đáp ứng nhu cầu của thị trường Trong quá trình này, bước hòa tan bột mì là bước đầu tiền và cũng có vai trò quan trọng, định hình khởi đầu và chất lượng cơ sở cho toàn bộ quá trình sản xuất

Tinh bột khoai mì là nguyên liệu chính của quy trình hòa tan Thường bắt đầu bằng việc kết hợp bột mì với nước trong tỉ lệ cụ thể, được thực hiện trong các bồn trộn chuyên dụng với các thông số kỹ thuật, điều kiện vận hành cụ thể Việc này không chỉ đòi hỏi sự chính xác về tỉ lệ mà còn yêu cầu khả năng kiểm soát để tạo ra một dung dịch đồng nhất và đúng về tỉ trọng nhằm đáp ứng cho các quy trình tiếp theo

Hiên nay, tại nhà máy bột ngọt Ajinomto đang thực hiện quy trình hòa tan bột khoai mì và nước với tỷ lệ là 1:2 nhằm đạt được tỉ trọng d trong khoảng 1.130 kg/lít đến 1.136 kg/lít trong tổng thời gian của quy trình hòa tan là 30 phút cùng với các thông số vận hành theo kinh nghiệm từ trước của nhà máy Để tăng công suất sản xuất của nhà máy ngoài các quy trình khác thì hệ thống đổ bột và hòa tan cũng cần được lưu ý và thực hiện Do đó nhu cầu về tìm hiểu các thông số hoạt động hoặc các cải tiến thiết kế của hệ thống khuấy, bồn bể là cần thiết để có thể nâng cao hiệu suất khuấy trộn nhằm giảm thời gian hòa tan bột mì của nhà máy

Hình 1.1 Sản phẩm hạt bột ngọt

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG GVHD: GS.TS NGUYỄN HỮU LỘC

2 Quy trình khuấy trộn chỉ là bước đầu tiên trong hệ thống quy trình phức tạp của việc sản xuất bột ngọt, nhưng nó đặt nền tảng quan trọng cho các giai đoạn tiếp theo Quá trình hòa tan bột mì không chỉ là việc kết hợp nguyên liệu, mà còn là bước nền tảng để quyết định tạo ra một sản phẩm bột ngọt có chất lượng cao và đáp ứng được tiêu chuẩn của thị trường

Hình 1.2 Sản phẩm bột ngọt Ajinomoto

3 Hình 1.3 Quy trình lên men của công nghệ sản xuất bột ngọt Để có thể nâng cao năng suất của quy trình đổ bột, việc cải tiến hệ thống khuấy trộn là cần thiết Do đó đề tài “Tối ưu hóa thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn cho quy trình hòa tan bột mì” là một đề tài cần thiết và có thể ứng dụng kết quả vào trong hệ thống sản xuất thực tế tại nhà máy Ajinomoto nhằm tăng năng lực sản xuất và

4 mang đến lợi ích kinh tế Mục tiêu là để có thể cải tiến được các thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy hiện hữu tại nhà máy nhằm mang tới lợi ích kinh tế thông qua giảm thời gian khuấy trộn mỗi mẻ đổ bột của hệ thống.

Nghiên cứu chung về khuấy trộn

Hiện tại đã có các đề tài nghiên cứu về các nội dung “tính toán khuấy trộn cơ khí”, “ảnh hưởng của khuấy trộn đến quá trình sản xuất các khí sinh học”, “máy khuấy trộn tinh bột” Mà không có tập trung đến sản phẩm tinh bột khoai mì và áp dụng phương pháp thực nghiệm, mô phỏng để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật nhằm tăng năng suất và áp dụng vào thực tế

Trộn được hiểu là bất kỳ hoạt động sử dụng để thay đổi một hệ thống không đồng nhất thành hệ thống đồng nhất Một lượng vật chất có thể được gọi là đồng nhất khi khối lượng các thành phần là cố định trong toàn bộ hệ thống trộn Trộn là một phần của một quá trình hóa học hay vật lý, chẳng hạn như pha trộn, nhũ tương hóa, truyền nhiệt và các phản ứng hóa học,…

Công nghệ khuấy trộn đã phát triển từ những năm 1950 và trong hơn 70 năm qua, những nghiên cứu về lĩnh vực này đã đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp hoá dược, và trong đời sống hằng ngày

Trộn có thể được phân loại theo các kết hợp khác nhau giữa các giai đoạn khí, lỏng và rắn, trộn chất lỏng-lỏng Về cơ bản, bất kỳ quá trình vật lý, hóa học đều có thể xảy ra trong quá trình trộn Bởi vì khuếch tán tự nhiên trong chất lỏng là chậm, máy khuấy cung là lựa chọn phổ biến để phân tán chất lỏng và nhũ hóa lỏng vì chúng cải thiện độ khuếch tán Tuy nhiên, có thể lãng phí, thời gian, công thực hiện quá trình khuấy trộn thông qua lựa chọn hệ thống không phù hợp Điều này có thể dẫn đến chất lượng sản phẩm không mong muốn và tăng chi phí sản xuất Thao tác trộn thường phức tạp, không chỉ yêu cầu hiểu các khía cạnh dòng chảy chất lỏng, mà còn xem xét các thiết bị cơ khí và yêu cầu các điều kiện vận hành phù hợp với từng loại sản phẩm

5 Quan sát định tính và định lượng, số liệu thực nghiệm, và yếu tố chế độ dòng chảy là cần thiết và cần được nhấn mạnh trong bất kỳ nghiên cứu thí điểm thử nghiệm trong quá trình trộn

Mục đích của quá trình khuấy trộn:

1 Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí và rắn có tính chất thành phần khác nhau: dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt, …

2 Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

3 Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình hoá học.

Phân loại các hệ khuấy trộn

Theo nghiên cứu của McCabe các cộng sự, khuấy trộn dung dịch có thể chia thành các dạng khuấy:

- Khuấy cơ khí (xoay, rung);

- Khuấy trộn đường ống (dòng chảy hỗn loạn, máy trộn tĩnh)

Hình 1.4 Các phương pháp khuấy dung dịch [12]

A Khuấy cơ khí sử dụng tua-bin; B Khuấy cơ khí sử dụng cánh;

C Khuấy thủy lực; D Khuấy khí nén; E Khuấy khí nén điều chỉnh tự động;

F Khuấy thủy lực phun chất chống tạo bọt

6 Trộn dung dịch là một quá trình quan trọng trong các ngành công nghiệp thường được thực hiện trong các hệ thống khuấy trộn cơ học Hiệu suất trộn dung dịch trong buồng khuấy có thể được đánh giá bằng nhiều thông số khác nhau, cụ thể là tốc độ khuấy trộn, thời gian trộn, thời gian lưu thông, mức tiêu thụ điện, vỡ và kết tụ Các tham số đầu vào như loại cánh khuấy, công suất khuấy, số lượng cánh khuấy, số lượng tầng cánh khuấy, tấm vách ngăn ngoài các tính chất vật lý của các pha như độ nhớt và mật độ cũng được xem xét

Trong số các loại thiết bị khuấy, thiết bị khuấy cơ khí được sử dụng rộng rãi hơn cả vì có thể điều chỉnh tốc độ khuấy theo ý muốn, thời gian khuấy ngắn, dung tích bể nhỏ và dễ chế tạo, trong giới hạn lĩnh vực nghiên cứu, đề tài tập trung nghiên cứu về máy khuấy trộn cơ khí vì mục tiêu của đề tài nhằm cải tiến hệ thống khuấy trộn cơ khí hiện hữu tại nhà máy Thiết bị khuấy trộn cơ khí nói chung là loại thiết bị có cánh khuấy dạng cánh quạt, tuabin Trên một trục có thể lắp nhiều hơn một bộ cánh khuấy Thiết bị cơ khí thường được xây dựng với một trục thẳng đứng điều khiển bởi một bộ giảm tốc độ và động cơ điện Máy khấy cơ khí dùng năng lượng của cánh khấy chuyển động trong nước tại ra sự xáo trộn dòng chảy Năng lượng của cánh khuấy phụ thuộc vào đường kính cánh và tốc độ chuyển động của cánh Điều chỉnh tốc độ quay của cánh sẽ điều chỉnh được năng lượng tiêu hao và cường độ khuấy Năng lượng cánh khuấy tạo ra dòng chảy rối, từ đó tăng độ đồng nhất của dung dịch trong buồng khuấy Cánh khuấy được cấu tạo theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc vào mục đích khuấy trộn

Hình 1.5 Thiết kế bồn khuấy trộn cơ khí

Kết luận

Hệ thống khuấy trộn là một hệ thống sản xuất thường được sử dụng ở các ngành công nghiệp đặc biệt là ngành công nghiệp thực phẩm nói chung cũng như tại công ty Ajinomoto Mục tiêu đề tài sẽ hướng đến nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ khuấy trộn thông qua việc thực nghiệm kết hợp phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu thông số kỹ thuật nhằm tăng cường hiệu quả khuấy trộn của hệ thống khuấy trộn tinh bột mì đang hoạt động tại nhà máy Ajinomoto Đề tài này được lựa chọn dựa trên nhu cầu thực tế và có tính ứng dụng cao.

Cơ sở lý thuyết

Đặc tính của quá trình khuấy trộn

Trong công nghệ khuấy trộn hóa chất, nguyên liệu được chuyển động trong điều kiện có tác dụng của cánh trộn, về mặt cấu trúc vật lý có thể xem như quá trình khuấy chất rắn - lỏng, rắn - khí, hoặc lỏng – lỏng Để cơ cấu khuấy có thể quay ở tốc độ mong muốn, ta cần cung cấp năng lượng để khắc phục các trở lực của dung dịch Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm cho thấy công suất cung cấp cho cơ cấu khuấy phụ thuộc chủ yếu vào:

 Vận tốc quay của cơ cấu khuấy;

 Các tính chất lưu biến của dung dịch;

 Các đặc điểm hình học của bồn chứa

Một số nghiên cứu cho thấy: Công suất là một trong những yếu tố quyết định trong việc lựa chọn cánh khuấy Công suất cũng liên quan đến một số nhóm điều kiện cũng như các thông số hình học khác để đạt được hiệu quả kinh tế giữa khả năng khuấy trộn và công suất tiêu thụ điện Lựa chọn cánh khuấy phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như độ góc độ của cánh khuấy, số lượng tấm vách ngăn, kích thước bồn khuấy trộn Đề tài nghiên cứu này sẽ tham khảo phương pháp tính toán công suất khuấy trộn dựa theo tác giả Shinji Nagata [11] Tác giá có đưa ra các hệ số tính toán của chính mình dựa trên nghiên cứu và thực nghiệm để bổ trợ cho việc tính toán công suất thiết bị như sau:

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS.TS NGUYỄN HỮU LỘC

+ Db: Đường kính của cánh khuấy, m

+ Dt: Đường kính của bồn khuấy trộn, m

+ beq: Độ rộng cánh tương đương, m;

Với: b: chiều rộng cánh khuấy m: số lượng cánh khuấy của một tầng cánh khuấy k: số lượng tầng cánh khuấy

Với các hệ số trên là hệ số thực nghiệm tính toán của nhà khoa học Shinji Nagata đã thực nghiệm nhằm hỗ trợ tính toán cho công suất khuấy trộn với loại cánh khuấy mái chèo (Paddle type) và có thể mở rộng sang tính toán cho các loại cánh khuấy khác Theo tài liệu Nagata Mixing Principles [11] thì việc tính toán công suất khuấy sẽ thực hiện theo các bước như sau:

Xác định hệ số Critical Reynolds Number (RC) (Áp dụng cho cánh khuấy góc 90 độ)

Trong trường nếu như hệ thống khuấy sử dụng góc cánh khuấy khác 90 độ thì hệ số Critical Reynolds Number (Rth) lúc này được xác định như sau:

Khi xác định được hệ số Critical Reynolds Number theo điều kiện cánh khuấy thì tiếp theo ta có hệ số công suất tối đa ở điều kiện có vách ngăn với chiều rộng lớn nhất được xác định như sau:

Chiều rộng lớn nhất để đạt đến công suất tối đa là: (2.6)

Với: nb là số lượng tấm vách ngăn trên thân bồn khuấy trộn beq = × ×

10 Công thức tính hệ số công suất khuấy trộn tôi đa NPmax như sau:

H: Chiều cao mực dịch trong bồn th: góc độ cánh khuấy

A, B, C: hệ số của Nagata theo công thức (2.1), (2.2), (2.3)

Theo tác giả Nagata [11] công thức (2.7) nhằm để tìm ra hệ công suất khuấy trộn tối đa khi hệ khuấy trộn áp dụng tấm vách ngắn lớn nhất Trong thực tế nếu như sử dụng tấm vách ngăn nhỏ hơn sẽ có hệ số công suất khuấy trộn nhỏ hơn Hệ số công suất khuấy trộn có tấm vách ngăn không ở điều kiện lớn nhất NPB được xác định theo công thức sau:

(2.8) Với: nb là số lượng vách ngăn trên thân bồn khuấy trộn

Bb là chiều rộng vách ngăn (nhỏ hơn chiều rộng vách ngăn tối đa Bbmax)

Dt là đường kính của bồn khuấy trộn

Np ∞ là hệ sô công suất với Re có xu hướng về vô cùng được xác định B và P là hệ số của Nagata [11] được xác định ở công thức (2.2) và (2.3)

Khi đã xác định được hệ số công suất khuấy trộn ở điều kiện có tấm vách ngăn thường thì ta có thể xác định công suất yêu cầu cho quá trình khuấy trộn thông qua công thức của tác giả Nagata [11]:

NpB: Hệ số công suất công suất khuấy trộn điều kiện vách ngăn thường;

PB: là công suất khuấy trộn, kw;

N: Tốc độ quay của động cơ, s -1 ;

Dt: Đường kính của cánh khuấy, m

: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m 3 ;

Chuyển động của dòng chảy trong bồn khuấy trộn

Hướng chuyển động tiếp tuyến: Chất lỏng ở thùng chứa có chuyển động phù hợp với quỹ đạo chuyển động của cánh khuấy Sự khuấy trộn chất lỏng dọc trục không đáng kể; khuấy trộn xảy ra vì xoáy, phát sinh theo đường viền của cánh Chất lượng khuấy trộn không cao Chảy tiếp tuyến là đặc tính riêngcủa máy khuấy có cánh thẳng đứng và tốc độ quay chậm, trong đó không phát sinh dòng hướng tâm do lực ly tâm tạo ra

Hướng chuyển động hướng tâm: Chất lỏng ở trong thùng chứa được chuyển động từ cánh khuấy hướng vào tâm Để đảm bảo cho chất lỏng chảy hướng tâm cần phải để cho lực ly tâm lớn hơn lực chảy vòng của chất lỏng Hướng chuyển động hướng trục: Chất lỏng trong thùng chứa đi vào và ở cánh khuấy chảy ra song song với trục a b c d

Hình 2.1 Hướng chuyển động của dòng chảy trong bồn khuấy trộn [9]

(a) Cánh quạt hướng trục hoặc hướng tâm không có vách ngăn

(b) Vị trí ngoài trung tâm làm giảm dòng xoáy

(c) Cánh quạt hướng trục có vách ngăn (d) Cánh quạt hướng tâm có vách ngăn

12 Hình 2.2 Mô phỏng ảnh hưởng của dòng lưu chất theo sự khác nhau về góc độ cánh khuấy và số lượng tầng cánh khuấy [15]

Ngoài việc chuyển động bởi vị trí đặt của trục thì việc các vách ngăn tác động nhiều đến quá trình khuấy trộn cũng như đảm bảo sự pha trộn đồng nhất của chất lỏng với vật liệu Các tấm cản trong bồn khuấy trộn không chỉ đơn thuần là các phụ kiện kỹ thuật, mà chúng còn là yếu tố quyết định đối với hiệu quả của quá trình khuấy trộn Chúng giúp tạo ra dòng chảy đều và đồng đều, từ đó tăng cường sự pha trộn và phân tán chất lỏng trong bồn khuấy trộn

Thiết kế của các tấm vách ngăn cần được xem xét một cách tỉ mỉ để đảm bảo rằng chúng tối ưu hóa việc khuấy trộn và phân tán chất lỏng Điều này bao gồm việc xem xét hình dạng, kích thước, vị trí và số lượng của các tấm cản để đạt được hiệu suất tối ưu

Hình 2.3 Vị trí lắp đặt tấm vách ngăn trong bồn khuấy trộn

13 Đánh giá hiệu suất của các tấm vách ngăn thường được thực hiện thông qua các chỉ số như mức độ hỗn loạn của chất lỏng, thời gian cần thiết để đạt được sự pha trộn đồng nhất và hiệu suất trao đổi vật liệu Việc đánh giá này thường đi kèm với các thử nghiệm và mô phỏng để đảm bảo rằng thiết kế và vị trí của các tấm vách ngăn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật Để đạt được hiệu suất tối đa, việc tối ưu hóa thiết kế của các tấm vách ngăn là cần thiết Điều này có thể bao gồm sử dụng phần mềm mô phỏng để dự đoán dòng chảy và phân tán chất lỏng, cũng như thử nghiệm thực tế trên các mô hình thu nhỏ hoặc trong điều kiện thực tế Sự hiệu quả của việc sử dụng các tấm vách ngăn cần được đánh giá kỹ lưỡng so với chi phí và lợi ích Mặc dù có thể tăng chi phí ban đầu và chi phí vận hành thông qua việc tăng công suất khuấy trộn do tăng thêm lực cản lên cánh khuấy, nhưng việc sử dụng các tấm vách ngăn có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của quá trình khuấy trộn và dẫn đến tiết kiệm chi phí trong dài hạn

Hình 2.4 Mô phỏng dòng chảy của hệ bồn khuấy có 4 vách ngăn [14]

Việc chọn số lượng tấm vách ngăn trong bồn trộn thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước của bồn trộn và mục đích của quá trình khuấy trộn, và các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của ứng dụng Việc sử dụng 2 hoặc 4 tấm vách ngăn là phổ biến vì nó cung cấp sự phân tán và khuấy trộn đủ độ trong hầu hết các trường hợp, nhưng số lượng tấm vách ngăn có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể

14 Việc sử dụng 2 hoặc 4 tấm vách ngăn có thể cung cấp sự phân tán và khuấy trộn đủ độ trong hầu hết các trường hợp Các vách ngăn được đặt ở các vị trí chiến lược để tạo ra dòng chảy hợp lý và tối ưu hóa việc phân tán chất lỏng trong bồn trộn Sử dụng ít tấm vách ngăn hơn cũng có thể giúp giảm chi phí thiết kế và lắp đặt Việc chọn số lượng tấm vách ngăn phù hợp có thể tối ưu hóa hiệu quả của quá trình khuấy trộn mà không làm tăng chi phí không cần thiết

Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể, có thể cần sử dụng nhiều hơn 4 tấm vách ngăn để đạt được hiệu suất khuấy trộn mong muốn, đặc biệt là khi bồn trộn có kích thước lớn hoặc yêu cầu điều kiện khuấy trộn cực kỳ mạnh mẽ.

Thời gian khuấy trộn

Thời gian trộn là một trong những thông số quan trọng nhất trong trộn chất rắn- lỏng vì nó cũng là thời gian cần thiết để có được một mức độ đồng nhất mong muốn trong bể trộn Đường kính cánh khuấy, đường kính bể trộn, độ nhớt chất lỏng… là các thông số hiệu quả để xác định thời gian trộn Patwardhan và Joshi cũng xác định thời gian trộn với khoảng 40 dạng cánh khuấy dòng chảy hướng trục Các cánh bơm được thay đổi trong góc, xoắn, chiều rộng, đường kính, vị trí và hướng bơm Kết quả cho thấy việc sử dụng cánh turbine nghiêng dẫn đến thời gian trộn ngắn nhất Xác định thời gian trộn bởi Zhao và các cộng sự trong một hệ thống dầu và nước cho thấy sự gia tăng trong thời gian trộn bởi vì dầu nhẹ hơn nước do đó nó có xu hướng kết hợp lại và ở lại trên bề mặt, dẫn đến sự phân tán kém của dầu và tăng thời gian trộn Nghiên cứu thời gian trộn cho chất lỏng sau hàng loạt các thí nghiệm của Van de Vusse và các cộng sự đã chỉ ra rằng trong khu vực dòng chảy hỗn loạn, thời gian trộn có liên quan trực tiếp đến công suất bơm của bánh công tác

Pip và các cộng sự [10] đề nghị các mối tương quan sau đây để tính toán thời gian khuấy trộn:

(2.10) Trong đó: dv: là đường kính thùng trộn, m d: là đường kính cánh khuấy, m

15 P: công suất khuấy trộn, kW

V: là thể tích dung dịch, l

: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3;

Khối lượng riêng và độ nhớt chất lỏng

Bouwmans và các cộng sự [13] nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng riêng và độ nhớt đến thời gian trộn khi chúng được trộn trong các điều kiện khác nhau (loại cánh, loại máy, và tốc độ của máy khuấy), cũng như vị trí của việc bổ sung chất lỏng với chất lỏng thứ hai trong buồng trộn Họ nhận thấy rằng khi một chất lỏng thêm vào nhẹ hơn khối chất lỏng đã có trong buồng trộn, sẽ tạo ra hiệu thời gian trộn cần nhiều hơn, tốc độ khuấy thấp hơn Khi chất lỏng được thêm vị trí gần cánh, thời gian trộn không khác biệt Và quá trình nghiên cứu đã chỉ ra được mối quan hệ giữa độ nhớt của chất lỏng và dạng cánh khuấy trộn

Nghiên cứu cơ bản về cánh khuấy

Một số nghiên cứu về cánh khuấy cho thấy đặc tính như: a Cánh dòng chảy hướng trục (Axial Flow Impellers)

16 Hình 2.6 Dạng cánh khuấy dòng chảy hướng trục [12]

Dạng cánh quạt (marine propeller): Đây là kiểu cánh đã được thiết kế có từ lâu đời, được sử dụng trong các bể khuấy nhỏ để khuấy trộn chất rắn, chất huyền phù hoặc dùng trong quá trình truyền nhiệt Do thường được chế tạo bằng phương pháp đúc, cho nên cánh rất nặng khi có kích thước lớn

Dạng tuabin cánh nghiêng (pitched blade turbine): Thiết kế bao gồm nhiều cánh gắn đối xứng trên trục bằng vít hoặc mối hàn Loại này có trọng lượng nhỏ hơn dạng cánh quạt có cùng đường kính Cánh có thể tạo ra góc bất kỳ với trục từ 10 đến 900 Khi hoạt động, cánh tạo ra dòng chảy hỗn hợp dọc trục và xuyên tâm, tốc độ khuấy chậm từ 20÷100 vòng/phút Dạng cánh này phù hợp với khuấy trộn dung dịch có độ nhớt trung bình

Dạng cánh lưỡi lẹm (retreat blade impeller): Dạng cánh khuấy này được phát triển bởi Công ty Pfaudler, đặc biệt sử dụng cho các lò phản ứng tạo lớp thủy tinh lót dùng để chứa chất lỏng ăn mòn cao

Dạng cánh 2 lưỡi (Mig and Intermig): Đây là sản phẩm được phát triển bởi công ty Ekato, cánh khuấy gồm hai lưỡi cánh đặt dọc trục, có 2 dạng: Mig và Intermig, Thiết kế này chủ yếu là cho các chất lỏng có độ nhớt cao, có tỉ lệ đường kính cánh khuấy / đường kính thùng cao (D / T > 0,7) Phần lưỡi ngoài Dạng cánh 2 lưỡi (Mig and Intermig): Đây là sản phẩm được phát triển bởi công ty Ekato, cánh khuấy gồm hai lưỡi cánh đặt dọc trục, có 2 dạng: Mig và Intermig, Thiết kế này chủ yếu là cho các chất lỏng

17 có độ nhớt cao, có tỉ lệ đường kính cánh khuấy / đường kính thùng cao (D / T > 0,7) Phần lưỡi ngoài b Cánh dòng chảy hướng tâm (Center Flow Impellers)

Giống như dạng cánh bơm tuabin dòng chảy dọc trục, cánh khuấy dòng chảy hướng tâm thường được sử dụng cho chất lỏng có độ nhớt thấp và trung bình Mặc dù chúng có thể được sử dụng cho bất kỳ loại khuấy trộn đơn hoặc đa pha, nhưng hiệu quả nhất khi khuấy dạng khí - lỏng và lỏng-lỏng So với dạng cánh khuấy dòng chảy dọc trục, chúng cung cấp mức độ xáo trộn cao hơn với công suất thấp hơn

Hình 2.7 Dạng cánh khuấy dòng chảy hướng tâm [12]

Cánh dòng chảy hướng tâm có dạng đĩa (tuabin Rushton) có thể có lưỡi phẳng hoặc cong (tuabin backswept) Loại tuabin Rushton cung cấp dòng chảy xuyên tâm đồng đều hơn so với dạng cánh Backswept Tuabin Rushton được xây dựng với sáu cánh thẳng đứng trên đĩa Kích thước tương đối chuẩn của chiều dài cánh là D/4, của chiều rộng lưỡi là D/5, và đường kính đĩa từ (0,66 ÷ 0.75) D Tuabin backswept có sáu lưỡi cong với hệ số công suất thấp hơn so với các tuabin Rushton 20% Các backswept chống sự tích tụ vật liệu trên lưỡi Nó cũng ít bị xói mòn nên được ứng dụng trong công nghiệp xử lý chất thải nói chung và xử lý chất xơ trong các ngành công nghiệp giấy và bột giấy

18 c Cánh thủy lực (Hydrofoil Impellers)

Cánh ngầm có ba hoặc bốn lưỡi xoắn nhọn và đôi khi đầu cánh được mép tròn Dạng cánh này có hệ số công suất thấp, dòng chảy mạnh, tiêu thụ điện năng thấp hơn so với tuabin cánh nghiêng Các dòng chảy mạnh hơn theo hướng bơm nhưng dòng chảy xoáy của cánh không mạnh mẽ như dạng cánh tuabin hướng chảy dọc trục Lightnin A310, Chemineer HE3 và EMI Rotofoil là những dạng cánh rất hiệu quả trong công nghệ khuấy trộn chất lỏng và chất rắn A315 Lightnin và Prochem Maxflo có hiệu quả cho sự phân tán khí trong hệ thống khuấy trộn lỏng - rắn

Hình 2.8 Dạng cánh thủy lực [12] d Cánh cắt (High-Shear Impellers)

Cánh cắt vận hành ở tốc độ cao và được sử dụng cho việc bổ sung giai đoạn thứ hai (ví dụ, khí, lỏng, rắn, bột) vào nghiền, tán bột màu Trong những dạng cánh cắt phổ biến, dạng Sawtooth hoạt động ở tốc độ cao nhất, và cũng tạo lên sự rối loạn trong dung dịch là nhiều nhất

Đặc tính của dung dịch bột mì

Phục vụ nghiên cứu của đề tài đặc tính của dung dịch bột mì là quan trọng Việc này sẽ hỗ trợ trong quá trình phân tích và tính toán các thông số của dịch Dung dịch sau khi được khuấy trộn và chuẩn bị cho quy trình đường hóa tiếp theo sẽ có các thông số tỉ trọng trong khoảng 1.130 kg/lớt đếm 1.136 kg/lớt và cú độ pH= 4.4, độ nhớt à (viscosity)

6 Đây là số liệu được xác nhận ở điều kiện chuẩn trước khi được đưa qua quy trình tiếp theo.

Kết luận

Sau khi xem xét, so sánh các cơ sở lý thuyết của hệ thống khuấy trộn thì ta có thể thấy rất nhiều điều kiện ảnh hưởng đến hiệu quả hệ thống khuấy trộn như: loại cánh khuấy, thiết kế bồn khuấy trộn, thời gian khuấy trộn, đặc tính dung dịch Dựa trên cơ sở lý thuyết ở chương này ta có thể thực hiện tính toán và lựa chọn thông số thực nghiệm ở chương tiếp theo để đảm bảo tính hợp lý của hệ thống khuấy trộn dựa trên cơ sở lý thuyết cũng như đáp ứng được với hệ thống hiện hữu của nhà máy mà không phải thực hiện sử điều chỉnh lớn ảnh hưởng đến chi phí đầu tư.

Phương pháp nghiên cứu

Một số thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình khuấy trộn

Nghiên cứu tại chương 2 về chế độ động học khi khuấy trộn cho thấy có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng của máy khuấy trộn cũng như độ đồng nhất của dung dịch Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này rất khác nhau, để phép đo mức độ ảnh hưởng chính xác, cần phải chọn nhiều thông số và thực nghiệm nhiều lần, điều này gây khó khăn trong chế tạo mô hình thí nghiệm và thực nghiệm

Thông thường, khi nghiên cứu về lĩnh vực thiết kế và chế tạo máy phần lớn các tác giả tiến hành thực nghiệm đa yếu tố với các thông số đầu vào đều là các thông số độc lập, nếu số lượng các thông số đưa vào và số lần tiến hành thực nghiệm càng nhiều thì kết quả thực nghiệm có độ tin cậy càng cao Tuy nhiên, quá trình khuấy chất lỏng là quá trình rất phức tạp, hơn nữa, việc tiến hành nhiều thí nghiệm với các thông số độc lập không chỉ mất nhiều thời gian, kinh phí trong nghiên cứu mà các quá trình vật lý cũng không được mô tả đầy đủ Vấn đề này có thể được giải quyết bằng việc ứng dụng phương pháp mô hình đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên Khi thực nghiệm, các thông số độc lập có thể được thay bằng các chuẩn số đồng dạng theo phương pháp chọn một thành phần làm đơn vị và so sánh các thành phần khác với nó Khi đó, bộ chuẩn số độc lập nhận được sẽ đặc trưng cho tính đồng dạng của quá trình xảy ra trong hệ Phương pháp này cho phép giảm số lần thực nghiệm nhưng vẫn có khả năng khảo sát nhiều thông tin vào độc lập để đảm bảo độ tin cậy của kết Trên cơ sở đó, đề tài đã xây dựng các chuẩn số đồng dạng và thực nghiệm trên máy khuấy dung dịch đã thiết kế Đây là một ứng dụng mới khi vận dụng phương pháp mô hình đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển các hệ thống khuấy trộn, việc chọn lựa các thông số thực nghiệm là một bước quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và kết quả cuối cùng Một phương pháp phổ biến và hiệu quả để tiến hành việc này là sử dụng phương pháp quy hoạch đói xứng không hỗn hợp Box-Behnken Phương pháp này

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU GVHD: GS.TS NGUYỄN HỮU LỘC

21 cung cấp một cách tiếp cận toàn diện để thiết kế thí nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến biến phản ứng hoặc hiệu suất hệ thống khuấy trộn

Phương pháp Box-Behnken giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết để đánh giá tác động của các yếu tố lên kết quả cuối cùng Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu Các điểm thí nghiệm được chọn theo cấu trúc đặc biệt để tối ưu hóa thông tin thu được từ mỗi thí nghiệm và đồng thời giảm thiểu sai số giúp dễ dàng thực hiện thực nghiệm/ Phương pháp này cho phép đánh giá tác động của nhiều yếu tố (như tốc độ khuấy, góc độ cánh khuấy, số lượng tấm vách ngăn, thời gian khuấy v.v.) cùng một lúc, giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa các yếu tố này và kết quả cuối cùng Đầu tiên, phải xác định cơ sở lý thuyết cho các yếu tố quan trọng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống khuấy trộn, như tốc độ khuấy, loại khuấy và góc độ cánh khuấy, thời gian khuấy, v.v Từ mỗi yếu tố đó xác định các mức độ thử nghiệm (thường là ba mức: thấp, trung bình và cao) dựa trên tính toán hoặc tham khảo chuyên gia, kinh nghiệm, điều kiện hoạt động sản xuất thực tế Từ đó để tạo ra một bảng thí nghiệm dựa trên số lượng yếu tố và mức độ của chúng Các điểm thử nghiệm được chọn dựa trên một kế hoạch cân đối để đảm bảo tính hiệu quả và chính xác Từ đó tiến hành các thí nghiệm theo kế hoạch đã được lập trước và thu thập dữ liệu Sau đó, sử dụng phân tích thống kê để đánh giá tác động của các yếu tố và tìm ra điểm tối ưu

Phương pháp quy hoạch đói xứng không hỗn hợp Box-Behnken là một công cụ mạnh mẽ cho việc chọn lựa thông số thực nghiệm trong nghiên cứu và phát triển hệ thống khuấy trộn Bằng cách áp dụng phương pháp này một cách chính xác và hiệu quả, các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể thu được thông tin quan trọng về tác động của các yếu tố và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống khuấy trộn

3.2.1 Chọn thông số thực nghiệm

Trong điều kiện và khuôn khổ của đề tài cùng với các nội dung cơ sở lý thuyết đã nêu ở trên về mức ảnh hướng của các yếu tốt đến khả năng khuấy trộn đồng nhất của dung dịch trong bồn khuấy trộn Kết hợp với các điều kiện thực tế tại nhà máy sản xuất hiện hữu nơi có thiết bị là đối tượng đang được nghiện cứu và có khả năng can thiệp,

22 thay thế cũng như thực hiện điều chỉnh bao gồm: tốc độ vòng quay n (vòng/phút), số lượng tấm vách ngăn (tấm), góc độ cánh khấy α (độ), thời gian khuấy trộn t (giây)

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của mô hình thực nghiệm

STT Nhân tố đầu vào

1 Tốc độ vòng quay - n (vòng/phút)

2 Số lượng tấm vách ngăn - z

4 Thời gian khuấy trộn t (phút) 3.2.2 Xác định mức giá trị của các thông số thực nghiệm a Góc độ cánh khuấy

Thiết kế góc độ của cánh khuấy trong các ứng dụng khuấy trộn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất và hiệu quả của quá trình khuấy Các cánh khấy mái chèo (paddle) trong nghiên cứu này và đang áp dụng tại nhà máy, trong thực tế được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hóa chất, dược phẩm và chế biến thực phẩm, phụ thuộc nhiều vào hướng của các cánh khuấy để đạt được hiệu suất khuấy tối ưu Việc hiểu biết về tầm quan trọng của góc độ cánh khuấy và ảnh hưởng của nó đối với động học chất lỏng là điều quan trọng nhằm tối ưu hóa quy trình khuấy

Góc độ của cánh khuấy xác định hướng và mức độ di chuyển của chất lỏng trong một bồn khuấy trộn Ở mức cơ bản, một cánh khuấy có góc độ 90 độ tạo ra một mẫu dòng xoáy xung quanh trục (hướng tâm) của nó, trong khi việc thay đổi góc độ cánh khuấy có thể dẫn đến các hành vi dòng chảy khác nhau (hướng trục) Đề tài nghiên cứu này khám phá tầm quan trọng của thiết kế góc độ cánh khuấy mái chèo Cụ thể, nó nghiên cứu các ưu điểm của các góc độ khác như 30, 45 và 60 độ, có tiềm năng tạo ra các mẫu dòng mạnh mẽ hơn, tạo điều kiện cho chất lỏng di chuyển lên hoặc xuống tùy thuộc vào hướng quay của cánh khuấy tăng hiệu quả khuấy trộn Thông qua thực nghiệm và phân tích dữ liệu hiệu suất khuấy, nghiên cứu này nhằm xác định góc độ tối ưu cho thiết bị khuấy trộn

23 Mức giá trị hiện tại đang được áp dụng cho hệ thống khuấy trộn bột mì tại nhà máy Ajinomoto là góc 45 độ với công suất motor khuấy đang được lắp đăt là 11kW Mức giá trị góc độ cánh khuấy thực nghiệm sẽ được tham khảo là 30 độ và 60 độ để đánh giá được mức tối ưu cho hệ thống Việc cần xác định là kiểm tra tải hiện hữu của hệ thống có đáp ứng được khi chuyển sang các góc độ thực nghiệm

Dựa theo công thức tính công suất khuấy trộn (2.9) tại mục 2.1 của chương 2 về đặc tính của quá trình khuấy trộn Kết hợp thông số dịch và thiết kế của cánh khuấy và bồn khuấy trộn như bản vẽ thiết kế (Áp dụng cho 4 tấm vách ngăn)

Với góc độ cánh khuấy 30 độ công suất khuấy trộn lý thuyết là 2.57 kW và chọn công suất motor khuấy là 3.7 kW

Với góc độ cánh khuấy 45 độ công suất khuấy trộn lý thuyết là 5.84 kW và chọn công suất motor khuấy là 7.5 kW

Với góc độ cánh khuấy 60 độ công suất khuấy trộn lý thuyết là 11.71 kW và chọn công suất motor khuấy là 15 kW

Với góc độ cánh khuấy 90 độ công suất khuấy trộn lý thuyết là 32.7 kW và chọn công suất motor khuấy là 37 kW

Từ các kết quả trên ta thấy việc áp dụng các góc độ cánh khuấy 30 độ, 45 độ và

60 độ công suất khuấy cần lớn nhất là 11kW và với motor khuấy hiện hữu tại nhà máy là 18.5kW có thể đáp ứng được Nếu thực nghiệm với gọc độ cánh khuấy là 90 độ công suất khuấy cao hơn công suất motor khuấy hiện hữu và cũng như lý thuyết việc không có góc đẩy tạo dòng lên xuống thì sẽ không tối ưu trong việc trộn bột và dung dịch Tức áp dụng góc 90 độ về khả năng đảo dịch trộn bột cũng như công suất tiêu thụ không phù hợp để áp dụng trong thực nghiệm ở đề tài này

Kết luận ở nội dung chọn góc độ cánh khuấy đề tài nghiên cứu này sẽ chọn 3 mức giá trị là 30 độ, 45 đô và 60 độ để thực nghiệm cho góc độ cánh khuấy b Số lượng tấm vách ngăn

Sự hiệu quả của hệ thống khuấy trộn không chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn thiết kế cánh khuấy mà còn phụ thuộc vào sự hiệu quả của việc sử dụng tấm vách ngăn Để đạt được hiệu suất tối đa, việc tối ưu hóa thiết kế của các tấm vách ngăn là cần thiết

24 Đề tài này nhấn mạnh vào việc tối ưu hóa các thông số thiết kế cho hệ thống khuấy trộn, với một trong những yếu tố quan trọng là việc lựa chọn số lượng tấm vách ngăn Việc sử dụng tấm vách ngăn có thể ảnh hưởng đến quy trình khuấy trộn bằng cách tạo ra các dòng chảy phụ thuộc vào cấu trúc hình học của bể khuấy và tạo ra các điều kiện khuấy trộn tốt hơn

Sự hiệu quả của việc sử dụng các tấm vách ngăn cần được đánh giá kỹ lưỡng so với chi phí và lợi ích Mặc dù có thể tăng chi phí ban đầu và chi phí vận hành thông qua việc tăng công suất khuấy trộn do tăng thêm lực cản lên cánh khuấy, nhưng việc sử dụng các tấm vách ngăn có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của quá trình khuấy trộn và dẫn đến tiết kiệm chi phí trong dài hạn

Kết luận

Dựa trên cơ sở lý thuyết và thực hiện tính toán kết quả chương này chúng ta đã có thể thống nhất các thông số và mức giá trị cho bước thực nghiệm bao gồm tốc độ vòng quay, số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy, thời gian khuấy trôn và xây dựng bảng ma trân quy hoạch dựa trên phương pháp quy hoạch đối xứng không hỗn hợp Box-Behnken Ở chương tiếp theo ta sẽ sang phần chuẩn bị thiết bị cho quy trình thực nghiệm của mô hình đã xác định.

Thiết bị thực nghiệm

Giới thiệu

Chương 3 trình bày về các thông số cần thiết cho quá trình thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết ở chương 2 cũng như điều kiện vận hành thực tế tại nhà máy Với điều kiện vận hành thực tế cũng như thiết kế hiện hữu của thiết bị sản xuất bồn khuấy trộn và cánh khuấy Tiếp theo ở chương này ta sẽ xác định lựa chọn thiết bị thực nghiệm với dự kiến thiết bị thực nghiệm sẽ mô phỏng theo thực tế thiết bị đang vận hành là dạng cánh khuấy mái chèo với kết cấu bồn chứa có đáy nghiêng Trục khuấy tại tâm của bồn khuấy và có 4 tầng khuấy Thân bồn có thiết kế có thể thay thế số lượng tấm vách ngăn Để dễ dàng thực nghiệm và lấy kết quả trong đề tài nghiên cứu này sẽ chế tạo và sử dụng một hệ thống khuấy trộn bao gồm bồn khuấy và cánh khuấy với tỉ lệ thu nhỏ so với thiết bị sản xuất thực tế tại nhà máy Ajinomoto Hiện hữu bồn thực tế đang hoạt động với 14 khối nước và 7 tấn bột dự kiến cũng như trong điều kiện có thể đề tài này sẽ thu nhỏ mức độ vận hành này về với 1,2 lít nước và 0,6 kg bột Tương ứng tỉ lệ đó sẽ được áp dụng cho các kích thước tương ứng của bồn khuấy trộn và cánh khuấy

Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế cánh khuấy hiện hữu tại nhà máy Ajinomoto

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM GVHD: GS.TS NGUYỄN HỮU LỘC

31 Hình 4.2 Bản vẽ thiết kế bồn khuấy hiện hữu tại nhà máy Ajinomoto

Thiết kế, chế tạo thiết bị thực nghiệm

Dựa trên bản vẽ thiết kế bồn hiện hữu tại nhà máy, ta có thiết kế cho bồn khuấy trộn thực nghiệm như hình bên dưới Bồn có khả năng chứa 1.2 lít nước và 0,6 kg bột so với 14 khối nước và 7 tấn bột cho 1 mẻ ở điều kiện vận hành thực tế Từ đó đảm bảo mực dịch tương đương với bồn khuấy trộn đang được vận hành và đạt được tỉ lệ mực dịch theo tầng cánh khuấy với điều kiện thực tế Điều này đảm bảo độ tin cậy của kết quả thực nghiệm Dự kiến tỉ lệ được sử dụng cho thiết bị có tỉ lệ 1:22,5 so với thiết bị vận hành thực tế Tức đường kính, chiều cao bồn trộn sẽ giảm 22,5 Đường kính từ 3825mm giảm còn 170mm và chiều cao từ đỉnh tới đáy từ 2880mm giảm còn 128mm

32 Hình 4.3 Bản vẽ điều chỉnh kích thước theo tỉ lệ 1:22.5 so bồn hiện hữu

Hình 4.4 Bồn khuấy trộn được chế tạo thực tế phục vụ việc thực nghiệm

Dựa trên bản vẽ thiết kế cánh khuấy hiện hữu tại nhà máy và tỉ lệ thu nhỏ đã được xác định là 1:22,5 thì ta có thiết kế cho cánh khuấy trộn thực nghiệm như các hình bên dưới Theo như các mức giá trị thông số đầu vào cho góc độ cánh khuấy cần thực nghiêm ta cần 3 loại góc cánh khuấy tương ứng là 30 độ, 45 độ và 60 độ với số lượng 4 cánh khuấy cho mỗi loại Cánh khuấy có khả năng điều chỉnh vị trí cao độ để đảm bảo tỉ lệ lắp đặt tương ứng so với tỉ lệ thực tế đang được lặp đặt của cánh khuấy so với mức dịch bồn khuấy trộn đang được vận hành sản xuất

Hình 4.5 Bản vẽ vị trí lắp đặt và khoảng cách giữa các tầng cánh khuấy theo tỉ lệ 1:22,5 so với điều kiện vận hành thực tế của bồn khuấy trộn tại Ajinomoto

34 Hình 4.6 Bản vẽ thiết kế cánh khuấy góc 30 độ tỉ lệ 1:22,5 với cánh khuấy thực tế

Hình 4.7 Bản vẽ thiết kế cánh khuấy góc 45 độ tỉ lệ 1:22,5 với cánh khuấy thực tế

Hình 4.8 Bản vẽ thiết kế cánh khuấy góc 60 độ tỉ lệ 1:22,5 với cánh khuấy thực tế

35 Hình 4.9 Cánh khuấy góc 30, 45 và 60 độ được chế tạo cho việc thực nghiệm

Hình 4.10 Cánh khuấy được lắp đặt vào trục khuấy trước khi thực nghiệm

Tấm vách ngăn được thiết kế để mô phỏng theo tấm vách ngăn thực tế được lắp đặt trên thiết bị bồn khuấy trộn Với thiết kế ở hình 4.3 thiết bị có thể tháo rời các tấm vách ngăn việc này sẽ giúp cho việc thực nghiệm dễ dàng hơn khi thực hiện thay đổi giữa các mức giá trị là 0 vách ngăn, 2 vách ngăn và 4 vách ngăn

Hình 4.11 Cụm vách ngăn chế tạo cho thực nghiệm d Cơ cấu dẫn động, điều tốc Để thực hiện thực nghiệm theo các điều kiện thông số đã lựa chọn ta cần lựa chọn kết cấu cụm điều tốc Trên thực tế hệ thống khuấy trộn có nhiều kiểu truyền động khác nhau, nên ta phân tích để chọn phương án thiết kế bộ truyền hợp lý với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn và đặc biệt tham khảo thêm hệ thống vận hành hiện hữu

Trong đề tài này sẽ sử dụng phương án dùng biến tần để điều khiển tốc độ động cơ khuấy Động cơ khuấy khi đó được gắn trực tiếp trên nắp bồn khuấy và được nối với trục bằng khớp nối Ưu điểm: kết cấu nhỏ gọn, đạt mỹ quan công nghiệp Động cơ được gắn trực tiếp lên nắp thùng theo phương thẳng đúng tại trên đường tâm thùng nên độ thăng bằng tốt, chạy êm không rung Tốc độ có thể thay đổi bằng cách điều khiển biến tần giúp cho việc thay đổi thông số vận tốc quay dễ dàng trong quá trình thực nghiệm

Nhực điểm: Cần thiết kế thêm tủ điều khiển cho hệ khuấy trộn

37 Hình 4.12 Sơ đồ phương án cho cơ cấu dẫn đồng điều tốc của hệ khuấy trộn Trong đó:

Hình 4.13 Tủ điều khiện tốc độ vòng quay và hệ thống khuấy trộn

Thiết bị đo trong quá trình thực nghiệm

a Thiết bị định lượng cho vật liệu Đề có thể xác định được khối lượng cũng như định lượng được vật liệu ban đầu gồm nước và bột thì sẽ sử dụng cân điện tử và can đong thể tích

Hình 4.14 Cân điện từ và can đong định lượng vật liệu khuấy trộn b Thiết bị đo tỉ trọng dịch cho dung dịch bột mì Đề có thể xác định được tỉ trọng dung dịch bột mì sau khi khuấy trộn đề tài sẽ sử dụng thiết bị đo mật độ, tỉ trọng của dịch Đề tài sẽ sử dụng dòng sản phẩm DA-840 của KEM (Kyoto Electronics Manufacturing Co., Ltd.) là dòng máy đo mật độ/trọng lượng riêng thế hệ thứ 6 của hãng, mang trong mình công nghệ được phát triển dựa trên nhu cầu thị trường, tiện lợi, hiệu quả và đáng tin cậy Dãi đo tỉ trọng của thiết bị từ 0 đến 3 g/cm với nhiệt độ từ 0 to 100°C

Hình 4.15 Thiết bị đo tỉ trọng dung dịch bột mì

Kết luận

Công tác thiết kế, chế tạo thiết bị phục vụ công tác thực nghiệm dựa trên thiết kế hiện hữu của hệ thống khuấy trộn của nhà máy đã hoàn tất Các thiết bị được chế tạo và thực hiện kiểm tra và đo đạc đúng với kích thước thiết kế Ngoài ra công tác chuẩn bị thiết bị đo tỉ trọng dịch bao gồm việc điều chỉnh chương trình cho máy đo phù hợp với đặc tính dịch và hướng dẫn sử dụng để đảm bảo kết quả ghi nhận là chính xác và được xác nhận với nhà cung cấp thiết bị Công tác chuẩn bị này sẽ hỗ trợ cũng như đảm bảo bước tiếp theo thực nghiệm và xử lý số liệu một cách chính xác và hiệu quả.

Thực nghiệm và đánh giá

Giới thiệu

Chương 5 trình bày cơ bản về các bước tiến hành các thí nghiệm khuấy trộn dung dịch bột mì tại nhà máy Ajinomoto bằng thiết bị khuấy trộn đã được thiết kế và chế tạo theo nội dung luận văn với các thống số đầu vào thay đổi bao gồm: Tốc độ vòng quay (vòng/phút), số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy và thời gian khuấy trộn Sau các thí nghiệm sẽ lấy kết quả dung dịch được khuấy trộn tại 3 vị trí khác nhau trong thùng khuấy (Phần trên mặt, giữa và đáy của bồn khuấy) tiến hành đo tỉ trọng của dung dịch để đánh giá mực độ ảnh hưởng của các yếu tố tới độ khả năng khuấy trộn, hòa tan bột mì của hệ thống từ đó lựa chọn các thông số hợp lý cho hệ thống khuấy trộn tại nhà máy

Xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng khuấy trộn, hòa tan bột mì của hệ thống từ đó có thể điều chỉnh điều kiện vận hành thực tế để tối ưu cho hệ thống vận hành sản xuất thực tế Mục đích có thể giảm thời gian khuấy trộn ngắn nhất có thể

5.1.2 Các thông số, chỉ tiêu cần xác định bằng thực nghiệm

- Tốc độ vòng quay, N (vòng/phút)

- Số lượng tấm vách ngăn, n

- Thời gian khuấy trộn, t (phút)

- Tỉ trọng của dung dịch d (kg/lít)

Các bước chuẩn bị trước khi làm thực nghiệm

5.2.1 Xác định bảng thông số công nghệ

Khi khuấy trộn nước với bột mì, yêu cầu đặt ra với dụng dịch sản phẩm là độ đồng đều cao nhất tức tỉ trọng cao thể hiện cho sự hòa tan của bột mì với nước

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ GVHD: GS.TS NGUYỄN HỮU LỘC

41 Trên cơ sơ lý thuyết đã chuẩn bị của đề tài, ta có 4 thông số công nghệ chính với 3 mức được chọn như bảng (3.2) như ở chương 3 thì nếu thực hiện quy hoạch đối xứng không hỗn hớp Box-Behnken ta sẽ có theo quy hoạch 2 k là 24 thí nghiệm và mức giá trị 0 là 3 thí nghiệm Tổng cộng ta sẽ có 27 thí nghiệm Đây là một con số lớn và để thực hiện được thì cần rất nhiều công và sử dụng nhiều vật tư thí nghiệm

Các thí nghiệm khuấy trộn bột mì với nước sẽ được thực hiện trong cùng một số điều kiện không đổi:

+ Nhiệt độ nước bình thường: 28-30 độ

+ Thể tích dung dịch: 1,2 lít nước

+ Khối lượng bột mì: 600g (tỉ lệ 1:2 giữa bột và nước)

Ta tiến hành lấy mẫu dung dịch sau khi khuấy trộn để đo kiểm kết quả ngày sau khi động cơ khuấy ngưng hoạt động Dịch bột sẽ được hút ra ở 3 vị trí theo chiều cao mực dung dịch trong bình Vị trí 1 cách đáy bình 150mm, vị trí 2 cách đáy bình 100mm và vị trí 3 cách đáy bình 50mm

Mỗi thí nghiệm được lấy kết quả 3 lần và ghi nhận kết quả trung bình của các kết quả đó cho thí nghiệm được thực hiện

Thiết bị khuấy trộn được chế tạo và đảm bảo đầy đủ các bộ phận cấu thành và được lắp ráp hoàn thiện, được kiểm tra và chảy thủ không tải đạt yêu cầu

Chuẩn bị 30 kg bột mì và hóa chất axeton phục vụ cho thiết bị đo tỉ trọng dung dịch trong quá trình ghi nhận kết quả đo đạc

Trình tự tiến hành thực nghiệm

Để thực hiện thực nghiệm ta tiến hành theo các bước như sau:

+ Bước 1: Tháo và mở nắp của thiết bị khuấy, cho lắp đặt cánh khuấy có góc độ phù hợp với điều kiện thí nghiệm và khoảng cách của các cánh khuấy theo đúng bản vẽ thiết kế của thí nghiệm

Hình 5.1 Tháo nắp và hiệu chỉnh cánh khuấy và lắp lại vào bồn khuấy trộn

+ Bước 2: Định lượng bột và nước theo điều kiện thí nghiệm là 1,2 lít nước và 600g bột mì bằng cân điện tử và can đong Sau đó cho vào bồn khuấy với thứ tự là nước trước bột sau

Hình 5.2 Thực hiện định lượng bột mì và nước cho thực nghiệm

43 + Bước 3: Lắp các thiết bị trở lại bao gồm nắp bồn khuấy trộn, hệ đỡ motor khuấy, kết nối tủ điện Thực hiện hiệu chỉnh tốc độ khuấy theo thí nghiệm và theo dõi theo thời gian đã được xác định cho mỗi thí nghiệm

+ Bước 4: Dùng dụng cụ lấy mẫu dịch trong bồn khuấy tại 3 vị trí như đã chọn

+ Bước 5: Sử dụng thiết bị DA-840 của KEM thực hiện đo tỉ trọng các mẫu dịch, sau đó ghi lại kết quả (3 mẫu dịch cho 1 thí nghiệm)

Hình 5.3 Thực hiện đo tỉ trọng mẫu dịch bằng thiết bị DA-840 của KEM

+ Bước 6: Xả bỏ hết dung dịch còn lại trong bồn vệ sinh sạch bồn khuấy, cánh khuấy và các dụng cụ đo đạc thí nghiệm Thực hiện tiếp cho các thí nghiệm theo quy trình đã xác định.

Kết quả thực nghiệm

Các mẫu dung dịch được lấy ra và được kiểm tra bằng thiết bị đo tỉ trọng dịch của KEM model DA-840 Kết quả đo sẽ được hiện trị trên màn hình của thiết bị với cấp chính xác lên tới 0.00005 g/cm3 Với mỗi thí nghiệm sẽ đo 3 lần và kết quả ghi nhận sẽ là trung bình cộng của cả 3 kết quả đo

44 Hình 5.4 Mẫu hiện thị tỉ trọng của 3 lần đo của 1 thí nghiệm với máy đo tỉ trọng

Bảng 5.1 Kết quả đo tỉ trọng dung dịch bột mì của 27 thí nghiệm

Biến thực Kết quả thí nghiệm

Đánh giá kết quả và thực hiện tối ưu thông số kỹ thuật

Khi hoàn tất việc ghi nhận các kết quả dựa trên phương pháp thực nghiệm đã được xác định từ các phần trên của đề tài nghiên cứu này, tiếp theo sẽ thực hiện việc đánh gía kết quả và thực hiện tối ưu các thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn theo các bước như sau:

+ Xác định phương trình hồi quy theo quy hoạch ma trận các yếu tố toàn phần bằng phần mềm Minitab

+ Xác định mức độ phù hợp của mô hình hồi quy được thể hiện qua giá trị của

+ Xác định các thống số kỹ thuật tối ưu như tốc độ vòng quay (vòng/phút), số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy (º), thời gian khuấy trộn, (phút) nhằm đạt được giá trị tỉ trọng dịch cao nhất khi hòa tan bột mì theo tỉ lệ được xác định ở các thí nghiệm

+ Áp dụng thiết kế thử nghiệm Box-Behnken để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ vòng quay (vòng/phút), số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy (º), thời gian khuấy trộn, (phút) đến giá trị tỉ trọng dịch (hiệu quả hòa tan của hệ thống khuấy)

46 5.5.1 Kết quả phân tích từ phần mêm Minitab

Dựa trên kết quả phân tích phương sai, mức độ phù hợp cho các kết quả được chia sẻ ở trên, thì mức độ tin cây của mô hình được thể hiện thông qua hệ số hồi quy R 2

= 0.9625 (96.25%) đối với mô hình hôi quy bậc hai Điều này chứng tỏ mô hình có ý nghĩa cao với mức tin cậy lớn hơn 95%

Mối tương quan giữa hàm yêu cầu về tỉ trọng dịch sau khi khuấy và các thông số kỹ thuật (Tốc độ vòng quay - n, số lượng tấm vách ngăn - z, góc độ cánh khuấy - α, thời gian khuấy trộn - t) được trình bày bằng phương trình đa thức bậc 2 như sau:

5.5.2 Độ ảnh hưởng và sự tương tác của các thông số lên tỉ trọng dịch

Sau khi xác định được phương trình hồi quy của mô hình thực nghiệm thì đề tài sẽ tiếp tục thực hiện xác định và đánh giá độ ảnh hưởng và sự tương tác của các thông số lên tỉ trọng dịch bao gồm Tốc độ vòng quay - A, số lượng tấm vách ngăn - B, góc độ cánh khuấy - C, thời gian khuấy trộn – D Kết quả hình (5.5) thể hiện mối quan hệ giữa hai cặp thông số ảnh hưởng đến tỷ trọng dịch và cho thấy mức độ tương tác giữa các thông số cũng như tác động của chúng lên tỷ trọng dịch khi xử lý bằng phần mềm Minitab

Hình 5.5 Mối quan hệ và ảnh hưởng của từng cặp thông số đến tỉ trọng dịch bột mì

47 a Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay lên tỉ trọng dịch

Hình 5.6 cho thấy tỉ trọng dịch tăng mạnh khi tốc độ vòng quay của hệ khuấy trộn tăng tương đối từ 25 đến 30 vòng/phút và tăng mạnh từ 30 đến 35 vòng/phút Điều này cho thấy với tộc độ khuấy xung quanh 30 vòng/phút (Số liệu đang được áp dụng tại nhà máy) đạt được hiệu suất khuấy trộn tốt nhưng việc đẩy cao lên 35 vòng có thể mang tới hiệu quả cao hơn nữa Việc tăng tốc độ khuấy cũng như tăng thêm khả năng hòa tan của bột mì với nước Nhưng mức hiệu quả thể hiện bắt đầu từ 30 đến 35 vòng/phút theo như kết quả thực nghiệm

Hình 5.6 Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay lên tỉ trọng dịch b Ảnh hưởng của số lượng tấm vách ngăn lên tỉ trọng dịch

Hình 5.7 cho thấy ảnh hưởng của số lượng tấm vách ngăn lên tỉ trọng dịch đạt được của kết quả khuấy trộn của hệ thống Kết quả tỉ trọng dịch tăng khi thay đổi từ 0 thành 2 tấm vách ngăn trên thân bồn khuấy trộn và tăng mạnh khi đổi sang 4 tấm vách ngăn Việc này thể hiện khả năng tối ưu hỗ trợ cho quá trình khuấy trộn của 4 tấm vách ngăn so với 2 hoặc không có vách ngăn nào Việc lựa chọn số lượng tấm vách ngăn sẽ ảnh hưởng đến công suất khuấy trộn do đó việc chọn lựa cần có sự cân nhắc tính tối ưu trong khuấy trộn và chi phí đầu tư cũng như chi phí điện năng trong quá trình hoạt động

48 Hình 5.7 Ảnh hưởng của số lượng tấm vách ngăn lên tỉ trọng dịch c Ảnh hưởng của góc độ cánh khuấy lên tỉ trọng dịch

Hình 5.8 biểu diễn cho mối quan hệ của tỉ trọng dịch đạt được từ việc khuấy trộn với góc độ cánh khuấy Trong khoảng tăng từ 30, 45 và 60 độ khả năng khuấy trộn có sự tăng trưởng đều Việc thay đổi góc độ từ 30 đô sang 60 độ có kết quả tì trọng dịch thay đổi từ khoảng 1.1160 đến 1.1330 tức mức độ thay đổi là khoảng 0.0170 kg/lít Tức góc độ càng lớn thì khả năng khuấy trộn tăng cao Tương tự như số lượng tấm vách ngăn khi tăng góc độ cánh khuấy thì lực cản của dịch tăng cao ảnh hưởng làm tăng công suất khuấy trộn cần có cho hệ thống Việc lựa chọn góc độ cánh khuấy cần cân nhắc tính tối ưu giữa hiệu quả khuấy trộn và chi phí điện năng tiêu thụ trong quá trình hoạt động

Hình 5.8 Ảnh hưởng của góc độ cánh khuấy lên tỉ trọng dịch

49 d Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn lên tỉ trọng dịch

Hình 5.9 cho thấy thời gian khuấy trộn càng dài sẽ giúp cho hiệu quả khuấy trộn tăng dần Đặc biệt khi đạt từ 30 đến 40 phút thì lúc này hiệu quả khuấy trộn cao Việc này có thể giải thích giai đoạn trộn đã đạt được hiệu quả tối ưu vì lúc này thời gian còn lại sẽ giúp việc hòa tan tinh bột dễ hơn giai đoạn bắt đầu hòa tan bột mì khi đó bột còn tơi và chưa hoàn tan rã ra khỏi cụm bột đã được đổ vào Trong điều kiện thực tế sản xuất khi bắt đầu đổ bột vào bột có xu hướng nổi lên và kết dính việc này cần thời gian để đánh bột tơi lên tách khối bột đã được đổ vào sau đó việc hòa tan sẽ dễ dàng hơn Việc lựa chọn thời gian cần được cân nhắc vì sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến các quy trình khác

Cụ thể hơn ta có thể thấy việc tăng từ 20 phút đến 30 phút chỉ thay đổi tỉ trọng dịch từ 1.12380 đến 1.12540 tức mức độ thay đổi chỉ ở khoảng 0.00160 (kg/lít) Có thể nói thời gian khuấy trộn có sự khác biệt tương đối lớn giữa 20 phút và 40 phút nhưng không ảnh hưởng lớn đến hiệu quả khuấy trộn chung khi so với các thông số khác

Hình 5.9 Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn lên tỉ trọng dịch e Mức độ ảnh hưởng của các thông số lên tỉ trọng dịch

Thông qua hình (5.10) ta cũng có thể thấy mức độ ảnh hưởng của từng loại thông số đến tỉ trọng dung dịch bột mì thông qua đường cong thể hiện theo Y Với Thông số

C – góc độ cánh khuấy có mức ảnh hưởng cao nhất, tiếp theo thông số A – tốc độ vòng quay có mức độ ảnh hương thứ hai và sau đó là thông số D – thời gian khuấy trộn, cuối

50 cùng là thông số B – Tấm vách ngăn có ảnh hưởng ít nhất tới tỉ trọng của dung dịch bôt mì

5.5.3 Tối ưu các thông số bằng phần mêm Minitab

Dựa vào các kết quả phân tích mức ảnh hưởng của các thông số và đánh giá kêt quả ở trên ta có thể thấy các thông số đều có ảnh hưởng đến hiệu quả khuấy trộn và góc độ cảnh khuấy sẽ ảnh hưởng nhiểu nhất dẫn đến kết quả tỉ trọng dịch

Tiếp theo đề tài sẽ sử dụng phần mềm Minitab thông qua công thức hồi quy cũng như các dữ liệu ghi nhận được để thực hiện tối ưu hóa các thông số cho điều kiện vận hành của thực nghiệm để đưa đến kết quả tốt nhất là tỉ trọng dịch đạt được đại diện cho hiệu quả khuấy trộn của hệ mô hình mô phỏng thực tế hệ thống khuấy trộn bột mì tại nhà máy

So sánh và lựa chọn thông số tối ưu với điều kiện vận hành thực tế

Ở điều kiện thực tế tại nhà máy Ajinomoto đang hoạt động hiện hữu có tốc độ khuấy là 30 vòng/phút, số lượng tấm vách ngăn 4, khuấy có góc 45 độ và thời gian khuấy trộn trong 30 phút nhằm kiểm soát tỉ trọng dung dịch bột mì nằm trong khoảng 1.130 kg/lít đến 1.136 kg/lít Để tăng cường hiệu quả khuấy trộn của hệ thống hiện hữu tại nhà máy thì ngoài việc giảm thời gian sản xuất còn có thể tăng tỉ trọng dịch bột mì cần kiểm soát Qua trao đổi với bộ phận sản xuất thì có thể tăng cường chất lượng tỉ trọng với khoảng từ 1.134 kg/lít đến 1.14 kg/lít miễn không ảnh hưởng đến kế hoạch sản xuất tức là thời gian hoạt động của hệ thống không tăng Do đó đề tài sẽ áp dụng bộ thông số tối ưu có thể áp dụng vào thực tế là tốc độ vòng quay 35 vòng/phút, góc độ cánh khuấy là

60 độ và số lượng tấm vách ngăn là 4 Còn thông số thời gian sẽ lựa chọn tối thiểu để đáp ứng hiệu quả khuấy trộn tốt nhất Để thực hiện đánh giá vấn đề tối ưu lựa chọn các thông số nhằm đáp ứng thời gian thấp nhất và điều kiển tỉ trọng từ 1.134 kg/lít đến 1.14 kg/lít thì đề tài sẽ áp dụng phân tích bằng Minitab theo miền giá trị đề xác định điểm tối ưu để áp dụng các điều chỉnh phù hợp với mong muốn của nhà máy nhưng vẫn tiết kiệm tối đa chi phí đầu tư và chi phí vận hành

52 Tiếp theo sẽ lựa chọn các thông số để đánh giá miền tối ưu Tiêu chí lựa chọn sẽ phụ thuộc vào mức độ đầu tư cũng như khả năng áp dụng của mỗi thông số tối ưu

Với thông số tốc độ vòng quay việc này dễ điều chỉnh do có thể điều khiển biến tần để điều chỉnh tốc độ vòng quay của hệ thống khuấy mà không cần thực hiện đầu tư hoặc sửa chữa hệ với hệ thống hiện hữu Do đó sẽ ưu tiên áp dụng thông số tối ưu này

Với thông số tấm vách ngăn và góc độ cánh khuấy đề cần thực hiện điều chỉnh thiết bị hiện hữu, ngoài ra ở nội dung cơ sở lý thuyết thì việc điều chỉnh này cũng có thể ảnh hưởng đến công suất khuấy Do đó đề tài sẽ thực hiện phân tích miền giá trị của 2 thông số này để lựa chọn áp dụng thông số phù hợp để đảm bảo được thời gian khuấy trộn tối thiểu nhưng đáp ứng được vùng giá trí tỉ trọng dịch của xưởng sản xuất

Hình 5.12 Kết quả phân tích Mintab miền giá trị theo thông số thời gian và số lượng tấm vách ngăn cho miền giá trị 1.134 kg/lít đến 1.14 kg/lít

Với kết quả phân tích ở hình (5.12) khi đã khóa các thông số tốc độ vòng quay là

35 vòng/phút và góc độ cánh khuấy 60 độ thì ta có thể thấy rằng để đáp ứng thời gian tối thiểu 20 phút thì có thể lựa chọn giữa 2 mức giá trị là 3 và 4 tấm vách ngăn Do đó

53 có thể lựa chọn bộ thông số tối ưu cho điều kiện vận hành thực tế là 3 tấm vách ngăn và góc độ cánh khuấy 60 độ

Hình 5.13 Kết quả phân tích Mintab miền giá trị theo thông số thời gian và góc độ cánh khuấy cho miền giá trị 1.134 kg/lít đến 1.14 kg/lít

Với kết quả phân tích ở hình (5.13) khi đã khóa các thông số tốc độ vòng quay là

35 vòng/phút và số lượng tấm vách 4 thì ta có thể thấy rằng để đáp ứng thời gian tối thiểu 20 phút thì có thể lựa chọn giá trị góc độ cánh khuấy khoảng 48 độ Vậy cần phải thực hiện điều chỉnh cánh khuấy

Với 2 kết quả phân tích miền giá trị ở trên ta có thể thấy cả 2 trường hợp đều cần phải điều chỉnh góc độ cánh khuấy đề có thể đáp ứng thời gian tối thiểu 20 phút cho các điều kiện mới của hệ thống khuấy trộn từ phân xưởng Nhưng với trường hợp điều chỉnh góc cánh khuấy 60 độ thì lúc này ta có thể cắt bớt 1 tấm vách ngăn nhưng vẫn có thể đáp ứng được yêu cầu

Theo tính toán ở nội dung chương 3 thì nếu áp dụng số lượng là 3 tấm vách ngăn và góc độ cánh khuấy 60 độ công suất khuấy trộn lý thuyết là 9.82 kW thấp hơn so với việc lựa chọn 4 tấm vách là 11.71 kW

Kết luận

Với kết quả đạt được ở chương này ta có thể xác định được phương trình hồi quy (5.1) của mô hình nghiên cứu về hiệu quả khuấy trộn bột mì thông qua 4 thống số kỹ thuật tốc độ khuấy, tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy và thời gian khuấy Tiếp theo ta xác định được thông số tối ưu cho phương trình hồi quy để đạt được tỉ trọng dịch bột mì cao nhất là 1.1451 kg/lít Ngoài ra để áp dụng cho việc tăng cường hiệu quả khuấy trộn với điều kiện vận hành thực tế tại nhà máy Ajinomoto ta chỉ cần áp dụng bộ thông số với tốc độ vòng quay là 35 vòng/phút, số tấm vách ngăn 3, góc độ cánh khuấy là 60 độ và thời gian là 20 phút thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu nâng cấp của phân xưởng là 1.134 kg/lít đến 1.14 kg/lít (Tiêu chuẩn hiện hữu 1.130 đến 1.136) Kêt quả mang lại tiết kiệm được 10 phút cho mỗi quy trình khuấy trộn và nâng cao tỉ trọng dịch đạt được của mỗi mẻ khuấy trộn của hệ thống hòa tan bột mì của nhà máy Ajinomoto

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN GVHD: GS.TS NGUYỄN HỮU LỘC