NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HÒA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG RS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HÒA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG RS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỮU THẾ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HÒA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG RS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 42010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HỮU THẾ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HÒA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG RS Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60.52.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 42010 ii LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên là Nguyễn Hữu Thế, sinh ngày 10 tháng 01 năm 1971 tại Huyện Tư Nghĩa, Tỉnh Quảng Ngãi, Con Ông Nguyễn Hữu Lâm và Bà Phạm Thị Lang. Tốt nghiệp phổ thông trung học tại Trường Trung học phổ thông Tư Nghĩa 1, Tỉnh Quảng Ngãi năm 1989. Tốt nghiệp Đại học Ngành Cơ khí Nông lâm, hệ chính quy, tại Trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh năm 1995. Sau đó làm việc tại Trường Trung cấp Nghề Cơ giới Quảng Ngãi Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông Thôn, chức vụ giáo viên dạy nghề. Từ tháng 02 năm 2010 đến nay làm việc tại Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Cơ sở Miền Trung, chức vụ giảng viên. Tháng 09 năm 2007 theo học Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí tại Trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh. Tình trạng gia đình: Vợ Lương Thị Mỹ Hạnh kết hôn năm 2000, các con Nguyễn Lương Hữu Huy sinh năm 2001, Nguyễn Lương Mỹ Linh sinh năm 2003, Nguyễn Lương Thùy Linh sinh năm 2003. Địa chỉ liên lạc: Khoa Công Nghệ Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh cơ sở Miền Trung, số 938 Quang Trung, Thành Phố Quảng Ngãi. Điện thoại: 055 3811 008; 0914 166 925 Email : thecogioigmail.com iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Thế iv CẢM TẠ Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này tôi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến: Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, Trưởng bộ môn Cơ điện tử Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và động viên tôi thực hiện luận văn này. Ban Giám hiệu, Phòng sau đại học, Cô PGS.TS Trần Thị Thanh, Chủ nhiệm Khoa và tập thể Giảng viên của Khoa Cơ khí Công nghệ Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quí báu và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong quá trình học Cao học cũng như thực hiện luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn: Anh Nguyễn Đình Buôn, Trưởng phòng Kỹ thuật Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực tập tại công ty. Ban giám đốc nhà máy, anh Phạm Thành Phòng kỹ thuật, anh Đặng Phúc Đạt Tổ trưởng Tổ Hoá chế Nhà máy đường Phổ phong, anh Nguyễn Hữu Nghĩa phòng Kỹ thuật Nhà máy Cồn Rượu – Công ty đường Quảng Ngãi đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thiết kế, chế tạo thiết bị và thí nghiệm. Anh Đào Duy Vinh, Bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí Công nghệ trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển PLC. Các bạn học, bạn đồng nghiệp đã phối hợp, giúp đỡ trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Vợ tôi luôn chia sẽ, gánh vác trách nhiệm gia đình và động viên tôi hoàn thành chương trình học Cao học. Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bậc sinh thành đã sinh thành, nuôi dưỡng và giáo dục để tôi có được ngày hôm nay. v TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu giải pháp công nghệ và thiết bị nâng cao hiệu quả trung hoà nước mía hỗn hợp trong quá trình sản xuất đường RS.” được tiến hành tại Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh và Nhà máy đường Phổ Phong Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi thời gian từ tháng 03 năm 2009 đến tháng 03 năm 2010 với kết quả được tóm tắt như sau: Nghiên cứu và đưa ra được những nguyên nhân gây ra nhiều cấu cặn bám vào thiết bị và độ pH không ổn định tại khu vực trung hòa nhà máy. Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp từ đó thiết kế chế tạo thùng khuấy trộn phục vụ thí nghiệm quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp bằng sữa vôi. Nghiên cứu thực nghiệm gồm hai thông số nhiệt độ và tốc độ khuấy sao cho hiệu quả trung hòa là cao nhất. Ma trận quy hoạch thực nghiệm được lập theo phương án bậc hai toàn phần, tổng số thí nghiệm được tính là 12, trong đó số thí nghiệm ở tâm là 3. Số liệu thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm Statgraphics Vers 7.0 trên máy tính. Kết quả cho thấy thời gian trung hòa của nước mía hỗn hợp là hàm đa thức bậc II phụ thuộc vào tốc độ khuấy và nhiệt độ : tg = 435,972 – 1,84444n – 5,17222t + 0,00458333n2 + 0,0405556t2 Kết quả giải bài tối ưu với hàm mục tiêu chính là phương trình hồi qui trên nhận được giá trị chế độ làm việc của thiết bị trung hoà thích hợp nhất với tốc độ khuấy là 180 vòngphút, nhiệt độ 640C và thời gian trung hòa là 86 giây Thiết bị trung hoà nước mía hỗn hợp trong dây chuyền sản xuất đường công suất 1600 tấn míangày và bộ phận điều khiển tự động cấp sữa vôi theo độ pH đã được thiết kế dựa vào các điều kiện thực tế nhà máy và các thông số từ kết quả thực nghiệm. vi ABSTRACT Thesis for “Study on technology and equipment solutions neutralizing mixture of cane juice in RS sugar processing” was done at the faculty of Engineering, Nong Lam University of HCM and The sugar processing company Phophong, Quangngai from March 2009 to March 2010 with the summary result as following: Studied and found out the reasons of problems such as deposits in cane juice and the instability of cane juice pH. Studied on the factors influencing the neutralization of cane juice. Results of studied factors were used to design the neutralizing equipment of cane juice for the sugar processing system of 1600 ton of sugar cane per day. As the result of experiment, the dependence of the neutralizing time on the factors of stirring velocity and neutralizing temperature was defined as following: tg = 435,972 – 1,84444n – 5,17222t + 0,00458333n2 + 0,0405556t2 Where n is RPM of stirring velocity and t is neutralizing temperature. The result of optimization found out the best suitable operational regime with the stirring velocity of 180 RPM, the neutralizing temperature of 64oC, and the neutralizing time of about 86 seconds. vii MỤC LỤC Chương Trang Trang Chuẩn Y Lý lịch cá nhân Lời cam đoan Cảm tạ Tóm tắt Tóm tắt tiếng Anh Mục lục Danh sách liệt kê các ký hiệu Danh sách các hình Danh sách các bảng 1. MỞ ĐẦU 1.1. Dẫn nhập 1.2. Mục đích nghiên cứu 2. TỔNG QUAN 2.1 Qui trình công nghệ sản xuất đường 2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình làm sạch nước mía 2.2.1 Khái niệm quá trình trung hòa và làm sạch nước mía hỗn hợp 2.2.2 Thành phần của nước mía hỗn hợp 2.2.3 Tác dụng của pH 2.2.4 Tác dụng của nhiệt độ 2.2.5 Dùng vôi trung hòa nước mía hỗn hợp i ii iii iv v vi vii xi xiv xvi 1 1 2 3 3 6 6 6 7 9 10 viii 2.2.5.1 Tính chất của sữa vôi 2.2.5.2 Tác dụng của vôi 2.2.5.3 Các biến đổi hóa lý sau khi đưa sữa vôi vào nước mía hỗn hợp 2.2.5.4 Tác dụng của khuấy trộn sau khi gia vôi 2.3 Tổng quan về thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp trong và ngoài nước 2.4 Tổng quan về thiết bị khuấy trộn môi trường lỏng 2.4.1 Phương pháp thủy khí 2.4.2 Phương pháp xung lực 2.4.3 Phương pháp cơ học 2.4.3.1 Nguyên tắc cấu tạo thiết bị khuấy 2.4.3.2 Các dạng cánh khuấy 2.4.3.3 Thùng khuấy 2.4.3.4 Các thông số cơ bản của hệ khuấy 2.4.3.5 Tính toán trục khuấy 2.5 Sơ lược về PLC LOGO được ứng dụng để điều khiển hệ thống 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Nội dung nghiên cứu 3.2 Phương pháp nghiên cứu 3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 3.2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống 3.2.1.2 Phương pháp tính toán 10 10 10 11 11 14 15 16 16 16 17 19 22 27 31 34 34 34 34 34 34 ix 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 3.2.2.1 Vật liệu nghiên cứu 3.2.2.2 Dụng cụ đo 3.2.2.3 Phương pháp đo 3.2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 3.2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 4. KẾT QUẢ VÀTHẢO LUẬN 4.1 Nghiên cứu, thảo luận lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp 4.1.1 Nghiên cứu, thảo luận về thiết bị trung hòa hiện tại 4.1.2 Lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp 4.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số tối ưu ảnh hưởng đến hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp 4.2.1 Xác định các thông số ra 4.2.2 Xác định các thông số vào 4.2.3 Phát biểu bài toán hộp đen 4.2.4 Thiết kế thùng khuấy trộn phục vụ thí nghiệm 4.2.5 Mô tả quá trình thí nghiệm 4.2.6 Thí nghiệm đơn yếu tố thăm dò 4.2.6.1 Kết quả bố trí thí nghiệm đơn yếu tố theo vận tốc vòng trục khuấy 4.2.6.2 Kết quả bố trí thí nghiệm đơn yếu tố theo nhiệt độ khuấy 4.2.7 Thí nghiệm đa yếu tố theo phương án bậc hai toàn phần 35 35 35 36 36 37 39 39 39 41 42 42 43 45 45 47 50 50 51 53 x 4.2.7.1 Xác định miền nghiên cứu 4.2.7.2 Lập ma trận thí nghiệm 4.2.7.3 Xử lý kết quả thực nghiệm 4.3 Kết quả thiết kế thiết bị khuấy trộn tăng hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp trong dây chuyền sản xuất đường RS tại nhà máy đường Phổ Phong Công ty cổ phần Đường Quảng Ngãi. 4.3.1 Yêu cầu thiết kế 4.3.2 Các thông số đầu vào để thiết kế 4.3.3 Chuẩn số Reynolds và thông số hình học của thùng khuấy 4.3.4 Công suất khuấy trộn 4.3.5. Tính bền cơ cấu khuấy 4.3.5.1 Lực tác dụng lên trục khuấy 4.3.5.2 Điểm đặc và trị số lực Fr tác động lên cánh khuấy 4.3.5.3 Tính toán chiều dày S của cánh cơ cấu khuấy 4.3.5.4 Tính đường kính trục khuấy 4.3.5.5 Tính toán thân đáy thùng khuấy 4.3.6 Thiết kế bộ phận tự động cấp sữa vôi vào nước mía hỗn hợp theo độ pH 4.3.7 Sơ đồ lắp đặt thùng khuấy tại nhà máy 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận 5.2 Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 53 53 54 58 58 58 59 60 60 60 61 61 61 63 64 65 68 68 69 70 xi Phụ lục 1: Kết quả thực nghiệm ở dạng mã hóa Phụ lục 2: Giải bài toán tối ưu Phụ lục 3: Phạm vi sử dụng công nghệ của các loại cơ cấu khuấy thông dụng Phụ lục 4: Độ nhớt của nước mía hỗn hợp dùng trong thí nghiệm Phụ lục 5: Thông số vụ ép năm 2009 và 2010 tại nhà máy đường Phổ Phong – Công ty Đường Quảng Ngãi. Phụ lục 6: Đồ thị và những thông số để tính chuẩn số công suất KN Phụ lục 7: Bảng vẽ tổng thể thùng khuấy trộn Phụ lục 8: Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện đề tài. 72 74 75 78 79 81 86 87 xii DANH SÁCH LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A m2 Diện tích tiết diện quay của cơ cấu khuấy a m Chiều dài cánh khuấy b m Chiều rộng cánh khuấy B m Chiều rộng tấm chắn Cx Hệ số chú ý tới dao động lực cản x C Hệ số dao động tải (lực cản) D m Đường kính thiết bị dk m Đường kính cánh khuấy do m Đường kính đĩa lắp cánh khuấy d mm Đường kính trục khuấy F a m 2 Diện tích bề mặt của thiết bị lên men f(x1,x2) Hàm mục tiêu Fr kN Lực hướng kính Fa kN Lực hướng trục h mm Chiều cao cánh khuấy hc mm Chiều cao cánh HT mm Chiều cao thiết bị H mm Chiều cao mực chất lỏng hk1 mm Độ nhúng sâu cánh khuấy xiii hk2 mm Khoảng cách từ cánh khuấy đến đáy thiết bị hn mm Chiều cao tấm chặn KN Chuẩn số công suất khuấy (không thứ nguyên) Kd Hệ số quá tải khi khởi động Kđ Hệ số dự trữ công suất Mx Nm Mômen xoắn dụng lên trục khuấy x M Mômen xoắn trung bình n vòngphút Số vòng quay của cánh khuấy N kW Công suất khuấy trộn Nđc kW Công suất của động cơ khuấy no Số thí nghiệm ở tâm P kGcm2 Áp suất Rek Chuẩn số Reynold RS Đường kính trắng S mm Chiều dày của thùng khuấy t o C Nhiệt độ của dung dịch tg giây (s) Thời gian V m3 (kg) Thể tích (hoặc khối lượng chất lỏng) trong thiết bị vt ms Tốc độ tiếp tuyến ở đầu cánh khuấy x mm Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy X Là các yếu tố đầu vào gồm xiv X2 oC Mã hóa nhiệt độ khuấy X1 vòngphút Mã hóa số vòng quay của trục khuấy zc Số cánh Zn Số tấm chặn  kGm3 Khối lượng riêng  m2s, Pas, cP Và độ nhớt tuyệt đối của môi trường chất lỏng  m2s Độ nhớt tương đối  Wm3 ,(Wkg) Công suất khuấy riêng (công suất thể tích)  % Hiệu suất sử dụng kn % Hiệu suất khớp đàn hồi hd % Hiệu suất của hộp đệm gt % Hiệu suất của hộp giảm tốc ξk Hệ số trở lực cánh khuấy ξ k Hệ số trở lực cánh khuấy  Hệ số bền mối hàn 1 Thông số phân bố tốc độ k Hệ số trở lực cánh khuấy m Nmm2 Trị số trung bình của ứng suất pháp m Nmm2 Trị số trung bình của ứng suất tiếp a Nmm2 Biên độ ứng suất pháp sinh ra trong tiết diện của trục xv a Nmm2 Biên độ ứng suất tiếp sinh ra trong tiết diện của trục 1 Nmm2 Giới hạn mỏi uốn ứng với chu kỳ đối xứng 1 Nmm2 Giới hạn mỏi xoắn ứng với chu kỳ đối xứng xvi DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Thành phần của nước mía hỗn hợp Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo vận tốc vòng trục khuấy ở mức nhiệt độ trung hoà 650C. Bảng 4.2 Phân tích Anova so sánh các kết quả trung bình theo các mức tốc độ khuấy (độ chính xác 95%). Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố theo nhiệt độ khuấy ở mức tốc độ khuấy 180 vòngphút. Bảng 4.4 Phân tích Anova so sánh các kết quả trung bình theo các mức nhiệt độ khuấy (độ chính xác 95%) Bảng 4.5 Miền thực nghiệm theo phương án bậc II toàn phần Bảng 4.6 Ma trận thí nghiệm và kết quả thực nghiệm ở dạng thực Bảng 4.7 Kết quả xử lý số liệu phân tích phương sai ở dạng thực có đầy đủ các hệ số hồi qui. Bảng 4.8 Kết quả xử lý số liệu phân tích phương sai ở dạng thực khi loại bỏ hệ số hồi qui không tin cậy. Bảng PL 1.1. Ma trận thí nghiệm và kết quả thực nghiệm ở dạng mã hóa. Bảng PL 1.2. Kết quả xử lý số liệu phân tích phương sai ở dạng mã hóa có đầy đủ các hệ số hồi qui. Bảng PL 1.3. Kết quả xử lý số liệu phân tích phương sai ở dạng mã hóa khi loại bỏ hệ số hồi qui không tin cậy. Bảng PL6.1Thông số để tính chuẩn số công suất KN dùng cho cơ cấu chân vịt Bảng PL6.2 Thông số để tính chuẩn số công suất KN dùng cho cơ cấu 7 51 51 52 52 53 54 55 56 72 73 73 xvii tuabin hở Bảng PL6.3 Thông số để tính chuẩn số công suất KN dùng cho cơ cấu tuabin hở cánh dài nghiêng và cơ cấu khuấy bản cánh nghiêng Bảng PL6.4 Thông số để tính chuẩn số công suất KN dùng cho cơ cấu khuấy bản Bảng PL6.5 Thông số để tính chuẩn số công suất KN dùng cho cơ cấu khuấy mỏ neo, chong chóng, băng và vít tải Bảng PL6.6 Những đặc trưng của cơ cấu khuấy tuabin 81 81 82 82 83 83 xviii DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1 Qui trình sản xuất đường mía tại nhà máy đường Phổ Phong Hình 2.2 Thiết bị trung hòa đường ống nằm ngang Hình 2.3 Thiết bị trung hòa đường ống kiểu SH T Hình 2.4 Thiết bị trung hòa đường ống kiểu hút đứng Hình 2.5 Thiết bị trung hòa có khuấy trộn dạng cơ học Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bị khuấy Hình 2.7 Lựa chọn cơ cấu khuấy theo độ nhớt chất lỏng và thể tích chất lỏng Hình 2.8 Các kiểu cơ cấu khuấy Hình 2.9 Các dạng thùng khuấy liên tục Hình 2.10 Thùng khuấy dạng liên tục nhiều ngăn có tấm chắn Hình 2.11 Điểm đặt và trị số lực tác động lên cánh khuấy Hình 2.12 Bộ điều khiển LOGO Hinh 2.13 Sơ đồ LOGO Hình 3.1 Các dụng cụ đo kiểm Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo cụm thiết bị trung hòa hiện tại của nhà máy Hình 4.2 Cấu cặn bám vào phểu của thùng trung hòa Hình 4.3 Mô hình bài toán hộp đen Hình 4.4 Cơ cấu khuấy tua bin hở cánh thẳng Hình 4.5 Sơ đồ cấu tạo thùng khuấy thí nghiệm Hình 4.6 Sơ đồ cấu tạo cửa thoát thùng khuấy trộn 5 12 12 13 13 16 18 19 20 21 25 32 32 36 40 41 45 45 48 48 xix Hình 4.7 Đồ thị của phương trình hồi quy Hình 4.8 Biểu đồ mômen trục khuấy Hình 4.9 Sơ đồ khối điều khiển cấp vôi theo pH Hình 4.10 Các thành phần trong hệ thống điều khiển thiết bị cung cấp vôi tự động Hình 4.11 Giải thuật điều khiển thiết bị cung cấp vôi tự động Hình 4.12 Chương trình điều khiển thiết bị cung cấp vôi dạng hình thang Hình 4.13 Sơ đồ lắp đặt thùng khuấy trộn tại khu vực trung hòa nhà máy Hình PL6.1 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cơ cấu chân Hình PL6.2 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cơ cấu tuabin hở Hình PL6.3 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cơ cấu tuabin hở cánh dài nghiêng và cơ cấu khuấy bản cánh nghiêng Hình PL6.4 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cơ cấu khuấy bản Hình PL6.5 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cơ cấu khuấy mỏ neo, chong chóng, băng và vít tải Hình PL 7 Bảng vẽ tổng thể thùng khuấy trộn. Hình PL 8.1 Đo độ nhớt nước mía hỗn hợp dùng để thí nghiệm Hình PL 8.2 Thùng khuấy thí nghiệm chế tạo xong Hình PL 8.3 Đồng hồ đo pH và nhiệt độ khuấy Hình PL 8.4 Dòng chất lỏng trong thùng khuấy trong quá trình khuấy trộn Hình PL 8.5 Cánh khuấy tuabin kiểu hở Hình PL 8.6 Quá trình thí nghiệm khuấy trộn nước mía hỗn hợp 57 62 64 64 65 66 67 84 84 84 84 85 86 87 87 87 87 88 88 xx Hình PL 8.7 Những dụng cụ trong quá trình thí nghiệm Hình PL 8.8 Thùng khuấy thí nghiệm tại khu vực trung hòa nhà máy 89 89 1 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Dẫn nhập Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, mía là cây nguyên liệu duy nhất để sản xuất đường. Vì vậy cây mía là một trong những cây trồng quan trọng trong cơ cấu cây thực phẩm ở nước ta. Với nhiều ưu thế, mía đã trở thành cây làm giàu cho nhiều gia đình, cho nhiều khu vực rộng lớn, nhất là vùng trung du có nhiều đồi thấp. Cây mía đã thực sự trở thành cây xóa đói giảm nghèo cho nhiều vùng ở các tỉnh như: Thanh Hóa, Nghệ An, Phú Yên, Gia Lai, Bình Định, Quảng Ngãi... Cả nước hiện có trên 40 nhà máy đường với tổng công suất thiết kế khoảng 82 ngàn tấn míangày. Phần lớn các nhà máy đường này đều dùng máy móc thiết bị và công nghệ của Trung Quốc. Quá trình sản xuất đường gồm 04 giai đoạn chủ yếu là: ép mía lấy nước, làm sạch nước mía hỗn hợp, cô đặc nước chè thành sirô, nấu đường và kết tinh. Trong các giai đoạn trên, làm sạch nước mía hỗn hợp là giai đoạn quan trọng nhất vì nó quyết định chất lượng đường thành phẩm và tỉ lệ thu hồi đường. Theo công nghệ sản xuất đường RS của Trung quốc, nước mía hỗn hợp sau khi ép được gia vôi sơ bộ sau đó đưa đi gia nhiệt lần 1. Sau đó đưa đi tẩy màu bằng cách xông khí SO2, người ta tiếp tục gia vôi vào nước mía hỗn hợp để trung hòa độ pH và đưa đi gia nhiệt lần 2. Nhiệm vụ của thiết bị trung hòa là trung hòa độ pH của nước mía hỗn hợp từ 3,4 – 3,6 lên đến 7,1 – 7,3 và luôn ổn định ở đầu ra. Với thiết bị trung hòa hiện tại của các nhà máy, độ pH đầu ra không ổn định, chính điều này gây ra các nhược điểm như: tiêu hao rất nhiều vôi, tỉ lệ thu hồi đường, chất lượng đường thành phẩm thấp và đặc biệt là lượng cấu cặn bám vào thiết bị rất nhiều làm tắc nghẽn đường ống, gây khó khăn trong vận hành sản xuất. 2 Chính vì những lý do trên, việc nghiên cứu giải pháp công nghệ và thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp trong quá trình sản xuất đường RS là cần thiết và cấp bách. Từ đó giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành và nâng cao lợi nhuận cho nhà máy. Với mong muốn ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế, được sự chấp thuận của Tiểu ban đào tạo sau Đại học Trường Đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Văn Hùng, chúng tôi đề xuất xin thực hiện đề tài: “Nghiên cứu giải pháp công nghệ và thiết bị nâng cao hiệu quả trung hoà nước mía hỗn hợp trong quá trình sản xuất đường RS.” 1.2 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp khuấy trộn và ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ, cường độ khuấy đến quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp. Bằng lý thuyết kết hợp thực nghiệm xác định chế độ làm việc tối ưu thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp. Từ đó thiết kế thiết bị trung hòa trong dây chuyền sản xuất đường RS, thiết bị góp phần tăng chất lượng sản phẩm, giảm chi phí trong quá trình sản xuất tại Nhà máy đường Phổ Phong Công ty cổ phần đường Quảng Ngãi. 3 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Qui trình công nghệ sản xuất đường Quá trình sản xuất đường từ cây mía có nhiều qui trình công nghệ. Hiện tại nhà máy đường Phổ Phong – Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi cũng như hầu hết các nhà máy đường mua thiết bị từ Trung Quốc dùng qui trình công nghệ được thể hiện trên hình 2.1 bao gồm các công đoạn sau: Nguyên liệu: Mía cây sau khi thu hoạch được chuyển về nhà máy qua bộ phận khoan lấy mẫu xác định chữ đường. Sau đó chuyển qua cân điện tử xác định trọng lượng và đưa vào bãi mía. Xử lý và ép mía: Mía cây từ bãi được cẩu nâng đưa lên hai bàn lùa, sau đó được phân phối đều đặn xuống băng tải mía chuyển vào máy băm mía. Mía được đánh tơi thành từng sợi nhỏ rồi đưa đến hệ thống che ép, che ép ép lấy nước mía hỗn hợp cung cấp cho công đoạn sản xuất tiếp theo. Bã mía được băng tải chuyển đến làm nhiên liệu đốt cho lò hơi. Tốc độ các băng tải mía được điều chỉnh bằng các biến tần. Quá trình làm sạch và bốc hơi: Nước mía hỗn hợp được gia vôi sơ bộ rồi đưa qua thiết bị gia nhiệt lần 1 nâng nhiệt độ lên 65 680C, tiếp tục qua tháp sunphít hóa lần 1. Sau khi sunphít, độ pH nước mía giảm xuống còn khoảng 3,4 3,8, tiếp tục gia vôi để trung hòa nước mía hỗn hợp và đưa đến thiết bị gia nhiệt lần 2 nâng nhiệt độ lên 102 1040C và đưa vào thùng lắng lọc. Nước mía được lắng lọc thành nước chè trong đưa đi gia nhiệt lần 3 nâng nhiệt độ lên 115 1180C và đưa đến hệ thống bốc hơi để tách nước cô đặc nước chè thành sirô. Quá trình nấu đường và li tâm đường: Sirô được đưa đến thùng chứa và phân phối đến các nồi nấu đường. Đường sau khi kết tinh được đưa đến các máy li tâm để tách 4 mật. Đường sau khi li tâm được đưa đi sấy, sấy xong đưa đến hệ thống phân loại và vào bao. Tiếp nhận Mía Khoan mía xác định chữ đường Cân mía Băng tải mía Băm mía 1 Băm mía 2 Máy hút sắt Ép mía Nước mía hỗn hợp Gia nhiệt I 65o 68o Xông SO2 lần I pH = 3,4 3,8 Trung hòa pH = 7,1 7,3 Gia nhiệt II 102 104oC Bã mía Khí SO2 Sữa vôi 0B = 5 6 Phát điện 3MW Lò hơi Cấp hơi để gia nhiệt và nấu đường 5 Hình 2.1 Qui trình sản xuất đường mía tại nhà máy đường Phổ Phong Bùn Lọc Nấu Trợ tinh Ly tâm Đường thành phẩm Thùng lắng Nước lắng trong Gia nhiệt III 115 118oC Bốc hơi Bx = 5,4 6,0 Xông SO2 lần II pH = 4,8 5,2 Bã bùn Sấy Định lượng đóng bao Kho thành phẩm Mật B Mật A Khí SO2 Phân vi sinh 6 Hiện tại thiết bị trung hòa của Nhà máy đường Phổ Phong Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi có nhiều nhược điểm như đã trình bày ở phần 1.1. Vì vậy đề tài chỉ nghiên cứu về quá trình công nghệ và thiết bị tại khu vực trung hòa. 2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình làm sạch nước mía 2.2.1 Khái niệm quá trình trung hòa và làm sạch nước mía hỗn hợp Quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp là quá trình đưa sữa vôi (Ca(OH)2) vào tác dụng với các axit có trong nước mía hỗn hợp, nâng độ pH từ 3,4 – 3,8 lên đến 7,1 – 7,3 tạo thuận lợi cho quá trình tách các cặn bẩn và các chất không đường ra khỏi nước mía hỗn hợp. 2.2.2 Thành phần của nước mía hỗn hợp Theo Nguyễn Ngộ (1984) và Vương Hồng Tuấn (1996), nước mía hỗn hợp được lấy ra từ cây mía chứa từ 13% đến 15% chất tan. Ngoài đường saccarose, trong nước mía còn những chất không đường có tính chất lý hóa khác nhau. Độ tinh khiết của nước mía hỗn hợp thường trong phạm vi 82 – 85% tức là trong chất khô chứa 82 – 85% đường saccarore và 15 – 18% chất không đường. Trong các chất không đường của nước mía hỗn hợp, chất keo chiếm một tỷ lệ đáng kể (0,03 0,5%). Khi thao tác không bình thường, ví dụ ở nhiệt độ cao, chất không tan biến thành chất tan và như vậy làm tăng hàm lượng keo trong dung dịch. Hoạt động của vi sinh vật trong nước mía cũng tạo nên các chất keo khác nhau, đặc biệt là levan và dextran. Chất keo gây nhiều ảnh hưởng không tốt đối với sản xuất đường: lọc nước mía, phân mật và kết tinh đường khó khăn, nước mía có nhiều bọt, giảm hiệu quả tẩy màu, tinh chế đường thô khó khăn … Sự có mặt của những chất không đường trong nước mía dẫn đến sự bốc hơi trực tiếp, kết tinh đường rất khó khăn và không kinh tế. Nước mía chứa một lượng lớn chất không đường làm tăng độ hòa tan của đường saccarose, tăng mật cuối, tăng tổn thất đường trong mật cuối. Trong nước mía còn có vụn mía, khi đun nóng chúng kết tụ lại. Tất cả những chất không đường đó cần loại ra khỏi nước mía. Nước mía 7 hỗn hợp có tính axit gây nên sự chuyển hóa đường saccarose do đó cần trung hòa nước mía. Bảng 2.1 Thành phần của nước mía hỗn hợp Thành phần Tính theo nước mía hỗn hợp, % Đường saccarose Đường khử Protein Axit tự do Axit kết hợp Chất keo Chất vô cơ (tro) Nước 10 16 0,3 3 0,4 – 0,6 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2 0,3 – 0,5 0,3 – 0,5 80 86 Nước mía hỗn hợp có nhiều thành phần như vậy nên quá trình gia vôi để trung hòa và làm sạch, loại tối đa những chất không đường ra khỏi nước mía hỗn hợp là khâu rất quan trọng trong quá trình sản xuất đường. Có thể coi nước mía hỗn hợp như là một hệ keo phức tạp. Do đó quá trình làm sạch chủ yếu dựa vào lý thuyết của hóa học các chất keo và mặc nhiên có quan hệ đến các vấn đề chính sau đây: tác dụng của pH; tác dụng của nhiệt độ; tác dụng của vôi. 2.2.3 Tác dụng của pH Thường nước mía hỗn hợp có pH = 5 5,5. Trong quá trình làm sạch do sự biến đổi của pH dẫn đến các quá trình biến đổi hóa lý và hóa học các chất không đường trong nước mía và có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm sạch. Nếu khống chế pH tốt sẽ làm tăng hiệu suất thu hồi đường và chất lượng đường thành phẩm, giảm tổn thất đường. Nếu khống chế pH không tốt, đường saccarose sẽ bị chuyển hóa thành đường khử hoặc bị phân hủy…gây tổn thất đường và tăng màu sắc của thành phẩm. 8 Theo Nguyễn Ngộ (1984), căn cứ vào kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học ngành đường trong nước mía có hai điểm pH làm ngưng tụ chất keo; pH trên dưới 7 và pH trên dưới 11. Điểm pH trước là điểm pH đẳng điện. Điểm pH sau là điểm ngưng kết của protein trong môi trường kiềm mạnh. Điểm này không gọi điểm đẳng điện, vì lúc đó trong nước mía có đường saccarose và lượng vôi nhiều sẽ tạo thành hợp chất có tính hấp thụ protein tạo thành chất kết tủa. Khi nước mía ở môi trường axit (pH < 7) sẽ làm chuyển hóa đường saccarose và tạo thành hỗn hợp đường glucoza và fructoza gọi là đường nghịch đảo và phản ứng này gọi là phản ứng nghịch đảo. Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc vào nồng độ H+. Nếu nồng độ H+ trong nước mía càng lớn thì tốc độ chuyển hóa càng nhanh, mặc khác các axit khác nhau sẽ làm chuyển hóa saccarose với tốc độ khác nhau. Tốc độ chuyển hóa nghịch đảo saccarose càng phụ thuộc vào nồng độ đường, nhiệt độ và thời gian. Khi nồng độ đường, nhiệt độ và thời gian tăng thì tốc độ chuyển hóa tăng. Khi đường bị chuyển hóa không chỉ gây tổn thất đường mà còn giảm độ tinh khiết của mật chè và ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh đường. Sự tồn tại của glucoza và fructoza trong mật cuối là hậu quả của sự chuyển hóa saccarose. Khi mới tạo thành, glucoza và fructoza có lượng tương đương nhau, nhưng trong mật cuối, lượng glucoza thường nhiều hơn vì trong quá trình sản xuất lượng fructoza bị phân hủy nhiều hơn. Trong môi trường kiềm, dưới tác dụng của nhiệt, đường saccarose bị phân hủy. Khi pH càng cao, lượng chất phân hủy càng lớn. Sản phẩm phân hủy của saccarose rất phức tạp: fufurol, 5hidroximetylfufurol, metylglioxan, glixcandehit, đioxiaxeton, axit lactic, axit trioxiglutaxic, axit trioxibuteric, axit axetic, axit focmic…Những sản phẩm đó có thể tiếp tục bị oxy hóa dưới tác dụng của ôxy không khí. Từ những nghiên cứu trên, để làm giảm sự chuyển hóa đường saccarose, tăng tỉ lệ thu hồi đường; gia tăng quá trình kết tủa các chất không đường, tăng chất 9 lượng đường thành phẩm, cần khống chế nước mía hỗn hợp trước khi đi gia nhiệt và lắng lọc có độ pH trong khoảng pH = 7,1 – 7,3, đúng như thông số kỹ thuật các vụ ép của nhà máy được trình bảy ở bảng phụ lục 5. 2.2.4 Tác dụng của nhiệt độ Phương pháp dùng nhiệt độ để làm sạch nước mía là một trong những phương pháp quan trọng. Để đảm bảo phẩm chất sản phẩm và nâng cao hiệu suất thu hồi đường cần khống chế tốt điều kiện nhiệt độ. Nếu khống chế nhiệt tốt sẽ thu được những tác dụng chính sau: Có thể loại không khí trong nước mía, giảm bớt sự tạo bọt. Tăng nhanh các quá trình phản ứng hóa học, ví dụ sự tạo thành nhanh chóng và hoàn toàn kết tủa CaSO3 trong phương pháp sunfit hóa và kết tủa CaCO3 trong phương pháp cacbonat hóa. Có tác dụng diệt trùng, đề phòng hiện tượng lên men axit và sự xâm nhập của vi sinh vật vào nước mía. Do nhiệt độ tăng cao làm cho tỷ trọng nước mía giảm, đồng thời làm chất keo ngưng tụ, tăng nhanh tốc độ lắng của những chất kết tủa. Nếu khống chế nhiệt độ không tốt thường gặp các trường hợp không tốt dưới đây: Khi nước mía có tính axit, dưới tác dụng của nhiệt, đường saccarose bị phân hủy tăng tổn thất đường. Nếu thời gian tác dụng của nhiệt kéo dài và ở nhiệt độ cao thường sinh hiện tượng caramen hóa ảnh hưởng đến màu sắc của nước mía. Trong nước mía hỗn hợp có chứa hàm lượng đường khử nhất định, dưới tác dụng của nhiệt, đặc biệt ở nhiệt độ cao, đường khử bị phân hủy tạo các chất màu và axit hữu cơ. Đun nóng nước mía có khả năng thúc đẩy sự thủy phân vụn mía, sản sinh chất keo. Theo Nguyễn Ngộ (1984), nhiệt độ gia nhiệt lần 1 là 55 750C, nhiệt độ gia nhiệt lần 2 là 100 1050C. 10 2.2.5 Dùng vôi trung hòa nước mía hỗn hợp 2.2.5.1 Tính chất của sữa vôi Theo Hugot (2001), vôi có công thức hóa học CaO. Vôi bột được nhà máy mua về có 90 đến 95% CaO. Vôi bột hòa tan vào nước mía chậm và khó khăn vì vậy vôi bột đưa đi hòa tan với nước tạo thành sữa vôi sau đó mới gia vào nước mía hỗn hợp. Nhà máy hòa chế sữa vôi trong hai thùng: một thùng bơm đi dùng dần đến hết, luân phiên nộp đầy thùng kia. Thùng được trang bị cánh khuấy quay với tốc độ khoảng 8 đến 10 vòngphút tùy theo đường kính thùng. Nhà máy hòa chế sữa vôi ở 680Baumé (khoảng 5684 gam CaO trong 1lít sữa vôi). 2.2.5.2 Tác dụng của vôi Theo Nguyễn Ngộ (1984), khi cho vôi vào nước mía, sẽ có những tác dụng sau đây: Làm trơ phản ứng axit của nước mía hỗn hợp và ngăn ngừa sự chuyển hóa đường saccarose. Nước mía hỗn hợp trước khi đi trung hòa có độ pH từ 3,4 3,8. Khi cho sữa vôi vào sẽ xảy ra phản ứng với những axit tạo thành muối canxi không tan. Những muối canxi này kết tủa hoặc đông tụ những chất không đường, đặc biệt protein, pectin, chất màu… Phân hủy một số chất không đường, đặc biệt đường chuyển hóa, amit. Do đó để hạn chế sự phân hủy đường, cần có những phương án cho vôi thích hợp: cho vôi vào nước mía lạnh, cho vôi vào nước mía nóng, cho vôi phân đoạn… Tác dụng cơ học. Những chất kết tủa được tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng, những chất không đường khác. Sát trùng nước mía. Với độ kiềm khi có 0,3% CaO, phần lớn vi sinh vật không sinh trưởng, tuy nhiên có trường hợp phải dùng đến lượng 0,8% CaO. 2.2.5.3 Các biến đổi hóa lý sau khi đưa sữa vôi vào nước mía hỗn hợp Theo Vương Hồng Tuấn (1996), khi cho vôi vào, do ion Ca++ trong Ca(OH)2 có tác dụng trao đổi với một số chất vô cơ không đường có trong nước mía tạo nên chất 11 lắng muối canxi không hòa tan. Các phản ứng xảy ra như sau: 2K3PO4 + 3Ca(OH)2  Ca3(PO4)2  + 6KOH K2SO4 + Ca(OH)2  CaSO4  + 2KOH MgCl2 + Ca(OH)2  Mg(OH)2  + CaCl2 Ca(H2PO4)2 + 2Ca(OH)2  Ca3(PO4)2  + 4H2O Tác dụng làm sạch chủ yếu có tính chất lý học các kết tủa tạo thành bao quanh các tạp chất lơ lửng và kéo chúng lắng xuống trong quá trình lắng lọc. 2.2.5.4 Tác dụng của khuấy trộn sau khi cho vôi Khuấy có tác dụng phân bố sữa vôi đều trong nước mía hỗn hợp để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Trường hợp nồng độ sữa vôi cao, rất cần khuấy, tránh được hiện tượng kiềm cục bộ. Qua kết quả thí nghiệm người ta cho thấy nếu kéo dài thời gian khuấy nước mía sau khi cho vôi để ổn định độ pH sẽ có tác dụng làm sạch, có thể tăng độ tinh khiết của nước mía, dung tích bùn giảm. Kết luận: Từ những kiến thức đã nêu trên, nên việc nghiên cứu thông số nhiệt độ, phương pháp khuấy trộn để nâng cao hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp bằng sữa vôi, ổn định độ pH của nước mía hỗn hợp trước khi đi gia nhiệt và lắng lọc, giảm thời gian nước mía trong môi trường axit có ý nghĩa rất lớn đến tỷ lệ thu hồi đường và chất lượng đường thành phẩm. 2.3 Tổng quan về thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp trong và ngoài nước Theo Vương Hồng Tuấn (1996), trung hòa nước mía hỗn hợp là trung tâm của quá trình làm sạch, mà thiết bị trung hòa lại là một trong những thiết bị làm sạch trọng điểm. Thiết bị trung hòa tốt hay xấu sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả làm sạch. Hiện tại, công nghệ sản xuất đường các nước trên thế giới đều dùng các phương pháp khuấy trộn sau khi gia vôi vào nước mía hỗn hợp. Hình 2.2, 2.3 và 2.4 thể hiện thiết bị trung hòa theo phương pháp khuấy trộn dạng thủy khí (công nghệ Trung Quốc). Hình 2.5 thể hiện thiết bị trung hòa theo phương pháp khuấy trộn dạng cơ học (công nghệ Nhật Bản) được lắp đặt tại nhà máy đường Quảng Phú – 12 Hình 2.2 Thiết bị trung hòa đường ống nằm ngang Hình 2.3 Thiết bị trung hòa đường ống kiểu SH T 13 Hình 2.4 Thiết bị trung hòa đường ống kiểu hút đứng Hình 2.5 Thiết bị trung hòa có khuấy trộn dạng cơ học Công ty đường Quảng Ngãi. Các thiết bị trung hòa theo phương pháp thủy khí đều thông qua bơm, phun nước mía hỗn hợp ra với tốc độ cao (thường tốc độ đạt tới 20 – 30ms) tại đầu phun. Do tốc độ tại đầu phun lớn, nên áp suất tại đó bé vì vậy khí SO2 được hút vào để khử màu nước mía hỗn hợp. Tiếp tục gia vôi vào nước mía hỗn hợp và đưa vào thùng theo phương tiếp tuyến, nhờ dòng chất lỏng chuyển động 14 xoáy lốc trong thùng có tấm chắn nên quá trình hòa trộn giữa sữa vôi và nước mía hỗn hợp được xảy ra. Khi đã hoàn thành quá trình trung hòa, nước mía hỗn hợp tràn ra ngoài theo cửa thoát (hình 2.2). Với các thiết bị trung hòa kiểu đứng như hình 2.3, 2.4 sau khi gia vôi, nước mía hỗn hợp chảy qua các tấm chắn có đục lổ nằm ngang (hình 2.3) hay qua phểu hình nón có lổ thoát bên hông đặt dưới đáy thùng (hình 2.4). Nhờ dòng chất lỏng được xé nhỏ ra như vậy mà quá trình hòa trộn giữa sữa vôi và nước mía hỗn hợp được xảy ra. Với thiết bị trung hòa có khuấy trộn dạng cơ học (hình 2.5), nước mía hỗn hợp và sữa vôi được đưa vào dưới đáy thùng khuấy trộn, nhờ các cánh khuấy quay ngược chiều với dòng chất lỏng đưa vào thùng, quá trình hòa trộn giữa nước mía hỗn hợp và sữa vôi xảy ra. Sau khi trung hòa xong, nước mía hỗn hợp chảy ra ngoài ở miệng thùng. 2.4 Tổng quan về thiết bị khuấy trộn môi trường lỏng Trong kỹ nghệ sản xuất thực phẩm thường phải thực hiện các quá trình liên quan đến môi trường chất lỏng, với sự phân bố tương đối đồng đều về vật chất và nhiệt độ. Các yêu cầu đó có thể đáp ứng được nhờ sự khuấy trộn trong môi trường chất lỏng. Phương pháp khuấy trộn trong môi trường chất lỏng được thực hiện bằng cách khuấy khác nhau để đạt các mục đích như sau: Thực kiện các quá trình thủy cơ: tạo nhũ tương, huyền phù, hòa tan, đồng hóa. Thực hiện quá trình trao đổi nhiệt: sự kết tinh, trích ly, hấp thụ và điện phân. Thực hiện quá trình nhiệt: cô đặc dung dịch, đun nóng và làm nguội. Thực hiện các phản ứng hóa học. Thực hiện các phản ứng sinh học. Như vậy, khuấy môi trường lỏng trong đó pha liên tục là một chất lỏng, còn pha phân tán có thể là: pha lỏng, pha rắn hoặc pha khí. 15 Khuấy chất lỏng là cung cấp năng lượng để tạo một dòng chảy thích hợp trong thiết bị nhằm đáp ứng các mục tiêu nói trên. Quá trình khuấy có thể thực hiện trong thiết bị gián đoạn hoặc thiết bị liên tục theo yêu cầu của một công nghệ sản xuất cụ thể. Điều kiện của môi trường khuấy trộn được xác định bởi nhiệt độ, áp suất, độ pH và nồng độ pha phân tán. Do vậy thiết bị khuấy có thể thực hiện ở dạng kín hoặc dạng hở. Thiết bị khuấy thường được chế tạo dạng trụ thẳng đứng, tuy nhiên cũng có trường hợp áp dụng thiết bị khuấy nằm ngang. Theo Nguyễn Như Nam và Trần Thị Thanh (2000), để khuấy trộn các chất lỏng, có ba phương pháp thường được ứng dụng rộng rãi như sau: 2.4.1 Phương pháp thủy khí Khi khuấy trộn trong những ống dẫn, thiết bị đơn giản nhất là nối hai ống dạng chữ V, trong mỗi ống đều có chất lỏng chảy. Sự khuấy trộn được tăng cường nếu bố trí trong các ống dẫn những tấm đệm đặc biệt làm tăng tính chảy rối của dòng chảy trong ống. Có thể dùng những vòi phun, trong đó sản phẩm được khuấy trộn nhờ các dòng tia chất lỏng hút từ vòi phun ra. Hiệu quả khuấy trộn ở những máy trộn vòi phun được nâng cao khi đặt thêm các vật đệm xoắn ốc. Khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt thấp trong ống dẫn là hợp lý nhất, vì chúng được trộn lẫn với nhau tốt. Có thể tiến hành khuấy trộn chất lỏng nhiều lần trong bình chứa nhờ tạo ra sự chảy rối bằng bơm và vòi phun chẳng hạn. Ví dụ khi hòa trộn thuốc trừ sâu ở dạng dung dịch lỏng, người ta dùng một dòng chất lỏng có vận tốc lớn để xáo trộn khối chất lỏng hiện có trong thùng chứa. Ở trong những bình đựng lớn khi cần thiết thông khí hay ôxi hóa chất lỏng, ta có thể dùng không khí nén để tiến hành khuấy trộn. Không khí nén được dẫn vào ống có lỗ đặt ở trục bình đựng hay tạo thành mạng lưới ở vị trí thẳng đứng hoặc nằm ngang. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong quá trình xử lý nước thải. 16 Nhược điểm của phương pháp trộn bằng khí nén là khả năng của nó chỉ dùng để trộn các chất lỏng có độ nhớt động lực nhỏ (μ đến 0,2 N.sm2). 2.4.2 Phương pháp xung lực Cơ sở của phương pháp xung lực là cho khối chất lỏng cần khuấy trộn rung động với một tần số và biên độ trong một khoảng thời gian nhất định. Dưới ảnh hưởng của xung lực tác động vào khối chất lỏng làm cho đồng nhất. Do phương pháp này phức tạp nên hiện nay ít dùng. 2.4.3 Phương pháp cơ học Quá trình khuấy trộn chất lỏng được tác động bởi các cơ cấu khuấy cơ khí và có nguyên tắc chung như sau: 2.4.3.1 Nguyên tắc cấu tạo thiết bị khuấy 1. Hộp dây đai 2. Khớp nối; 3. Ổ đỡ 4. Cửa nộp liệu 5. Nắp thùng khuấy 6. Trục khuấy; 7. Cánh khuấy; 8. Cửa tháo liệu 9. Chân đỡ; 10. Thùng khuấy; 11. Bích lắp ghép 12. Cửa quan sát 13. Động cơ Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bị khuấy Một cách tổng quát thiết bị khuấy được thể hiện ở hình 2.6, gồm có các bộ phận chủ yếu sau: thùng khuấy (10) hình trụ với các đáy tròn, phía trên đậy nắp (5) ghép với thân bằng bích (11), theo đường tâm của thùng lắp trục khuấy (6) với cánh khuấy (7). Trục khuấy xuyên qua nắp và được đỡ bằng cụm ổ đỡ (3). Truyền 17 chuyển động cho trục khuấy từ động cơ (13) qua hộp truyền động xích, đai hoặc hộp giảm tốc (1) để tạo tốc độ thích hợp cho máy khuấy. Tháo và lắp trục khuấy thông qua khớp nối (2). Thùng khuấy được gắn vào chân đỡ (9), thực hiện nạp liệu qua các cửa (4) trên nắp thiết bị còn tháo sản phẩm qua cửa (8) dưới đáy. Trên nắp và thân thiết bị có khi người ta bố trí cửa sửa chữa và cửa quan sát (12). 2.4.3.2 Các dạng cánh khuấy Khuấy là quá trình tạo sự chuyển động của khối chất lỏng trong thiết bị nhờ các cánh khuấy. Về kết cấu cánh khuấy có nhiều dạng, nhiều kiểu khác nhau. Tuy nhiên theo quan điểm về tốc độ quay người ta chia các cánh khuấy thành 2 nhóm chính: nhóm cánh khuấy tốc độ cao và nhóm cánh khuấy tốc độ thấp. Sự phân chia này mang tính tương đối bởi nhiều loại cánh khuấy có thể dùng ở cả hai tốc độ cao và thấp như: cánh khuấy mái chèo, cánh khuấy vít xoắn. Khái niệm về cánh khuấy tốc độ thấp là ở chổ khi khuấy môi trường có độ nhớt lớn, ưu việt hơn cả nên sử dụng tốc độ thấp chứ bản thân cấu tạo cánh khuấy không hề thể hiện tính nhanh hay chậm. Nhóm cánh khuấy tốc độ cao nhanh gồm: bản 2 cánh (mái chèo), bản 6 cánh, cánh khuấy lồng, bản 3 cánh, chân vịt (chong chóng), tua bin kín, tua bin hở, cánh khuấy vít. Nhóm cánh khuấy tốc độ thấp gồm: cánh khuấy mỏ neo, cánh khuấy khung, cánh khuấy vít, cánh khuấy băng và cánh khuấy băng có cào. Về kết cấu cánh khuấy có 2 bộ phận chính: moayơ ở giữa có lỗ và rãnh then để lắp vào trục, các cánh đính vào moayơ.Cho tới nay chưa có một tiêu chuẩn vạn năng để lựa chọn cơ cấu khuấy cho quá trình đã biết. Cho nên khi lựa chọn cơ cấu khuấy cần phải lưu ý tới các kinh nghiệm thu lượm được ở các hệ thống công nghiệp cũng như ở thiết bị thí nghiệm. Cách lựa chọn này rõ ràng không tối ưu và thường không loại trừ được các yếu tố chủ quan do tập quán dẫn đến làm phức tạp công nghệ hiện hành. Các tham số vật lý của chất lỏng mà trước hết là độ nhớt đóng vai trò quan trọng khi lựa chọn cơ cấu khuấy. Nói chung thường dùng cơ cấu khuấy 18 vận tốc cao để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt thấp và sử dụng cơ cấu khuấy vận tốc thấp để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt cao. Đồ thị hình 2.7a giới thiệu vùng sử dụng của các kiểu cơ cấu khuấy đối với chất lỏng có độ nhớt khác nhau (I mỏ neo; II chân vịt; III tua bin cánh phẳng; IV bản; V khung; VI vít tải; VII băng). Từ đó thấy rằng cơ cấu khuấy chân vịt và cơ cấu khuấy tua bin có vùng sử dụng rất rộng rãi và chúng thích hợp để khuấy trộn các chất lỏng có khoảng độ nhớt rộng. Các cơ cấu khuấy còn lại có phạm vi sử dụng hẹp. Từ đồ thị dễ dàng xác định được rằng để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt cao, tốt nhất là dùng cơ cấu khuấy vít tải và cơ cấu khuấy băng. a. Kiểu máy khuấy b.Thể tích chất lỏng được khuấy Hình 2.7 Lựa chọn cơ cấu khuấy theo độ nhớt chất lỏng và thể tích chất lỏng I. Mỏ neo; II. chân vịt; III. tuabin cánh phẳng; IV. bản; V. khung; VI. Vít tải; VII. băng. Đồ thị hình 2.7b dùng để lựa chọn cơ cấu khuấy theo độ nhớt và theo thể tích khuấy. Các đường cong tương ứng là giới hạn trên phạm vi sử dụng của các loại cơ cấu khuấy tương ứng. Việc lựa chọn cơ cấu khuấy phải căn cứ vào mục đích công nghệ, nghĩa là cần chú ý đến quá trình thực hiện trong máy khuấy và tính chất công nghệ của môi trường được khuấy. Ở bảng phụ lục 3 giới thiệu sơ bộ cách lựa chọn cơ cấu khuấy cho phù hợp với tính chất của nguyên liệu khuấy, và một số kiểu cơ cấu khuấy được thể hiện ở hình 2.8. 19 2.4.3.3 Thùng khuấy Thùng khuấy thường có dạng hình trụ với đáy phẳng hoặc lồi, thường thùng đặt thẳng đứng, ít khi nằm ngang. Nếu quá trình thực hiện dưới áp suất thường, các hóa chất không độc, cháy, nổ thì dùng loại thùng hở với các đáy phẳng nón. Khi cần tiến hành quá trình dưới áp suất dương hoặc âm (chân không) hoặc các hóa chất độc, cháy, nổ thì cần dùng các thùng kín. Các thùng có thể có bộ phận gia nhiệt, bộ phận sục khí hoặc có thể có tấm chắn hoặc tấm ngăn để tăng cường quá trình khuấy trộn. Các thùng khuấy hoạt động liên tục để thực hiện quá trình trích ly hoặc quá trình hòa tan thường có nhiều cánh khuấy đặt nối tiếp nhau. Hình 2.8 Các kiểu cơ cấu khuấy a. Tấm b, d. Bản c. Bản nghiên 2 cánh đ, e. Bản nghiên α = 45o, 60o, 4 cánh f, g. Mỏ neo h, i. Chân vịt k. Tuabin hở l. Tuabin kín m, n, o. Khung Xu hướng hiện nay là cố gắng chuyển quá trình gián đoạn thành liên tục, vì quá trình liên tục dể điều khiển, dể tự động hóa, thời gian khuấy để đạt cùng yêu cầu công nghệ nhỏ hơn so với quá trình gián đoạn, năng lượng tiêu hao riêng nhỏ 20 hơn và kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn nếu cùng năng suất hoặc năng suất lớn hơn nếu cùng kích thước. Thùng khuấy một ngăn: (hình 2.9a,b) Môi trường khuấy đi vào phía dưới đáy thùng được khuấy trộn mãnh liệt nhờ cơ cấu khuấy 3 tạo ra ứng suất cắt rất lớn, sau đó được thoát ra khỏi thùng nhờ lỗ 4. Loại thiết bị này được sử dụng nhiều để thực hiện các quá trình hóa học. Thời gian lưu của chất lỏng trong thùng tỉ lệ với thể tích thùng và tỉ lệ nghịch với lưu lượng của môi trường khuấy. a.Thùng khuấy một ngăn. 1. Động cơ 2. Trục khuấy 3. Cơ cấu khuấy 4. Cửa thoát sản phẩm b. Thùng khuấy một ngăn. 1. Lưới 2. Cơ cấu khuấy 3. Vít xả c,d. Thùng khuấy hai ngăn; 1. Cửa nộp; 2. Cửa thoát Hình 2.9 Các dạng thùng khuấy liên tục Loại thiết bị (hình b) dùng để huyền phù hóa các vật liệu dạng bột đa phân tán. Nhờ cơ cấu khuấy 2 các hạt rắn được đập nát và được đẩy qua lưới 1 cùng với 21 chất lỏng tạo thành huyền phù. Những hạt dạng sợi khó bị đập nát không chui lọt qua lưới phải lắng xuống dưới đáy thùng và sẽ được lấy ra ngoài định kỳ nhờ vít 3. Trong thực tế, loại thùng khuấy một ngăn có rất nhiều cấu tạo khác nhau. Có thể có tấm chắn (hình b, c, d, đ, e) hoặc tấm ngăn để tăng cường độ hoặc hiệu quả của quá trình. Có thể đặt ống tuần hoàn (ống khuyết tán), ống xoắn gia nhiệt để tăng cường quá trình đổi khối và trao đổi nhiệt. Thùng khuấy hai ngăn (hình c, d). Quá trình khuấy trộn thực hiện liên tiếp trong cả hai ngăn I và II. Chất lượng sản phẩm đồng đều hơn do thời gian lưu lớn hơn so với thùng khuấy một ngăn có cùng thể tích. Các thùng khuấy này được dùng để thực hiện các phản ứng hóa học, các quá trình trích ly, các quá trình tao huyền phù, các quá trình hấp thụ (hệ khí lỏng). Cơ cấu khuấy dùng ở ngăn có thể giống nhau hoặc khác nhau tùy theo tính hợp lý về quá trình công nghệ. Hình 2.10 Thùng khuấy dạng liên tục nhiều ngăn có tấm chắn đ. Thùng khuấy trích ly lỏng – lỏng; e. Thùng khuấy trích ly lỏng – rắn. 22 Thùng khuấy nhiều ngăn có tấm chắn (hình đ) hoặc không có tấm chắn. Quá trình khuấy trộn thực hiện liên tiếp trong tất cả các ngăn. Chất lượng sản phẩm ở đây khá đồng đều vì thời gian lưu của các phần tử sẽ gần như nhau và sẽ xấp xỉ thời gian lưu trung bình s V   V (V thể tích thùng, m3; Vs lưu lượng, m3s) khi số ngăn đủ lớn. Các thùng khuấy loại này dùng để thực hiện quá trình trích ly lỏng – lỏng, lỏng – rắn, quá trình hòa tan rắn – lỏng và các quá trình hóa học dị thể cần thời gian phản ứng lớn. 2.4.3.4 Các thông số cơ bản của hệ khuấy Theo Nguyễn Minh Tuyển (2006) a. Cường độ khuấy Cường độ khuấy được thể hiện bởi chế độ thủy động lực trong thiết bị, đặc trưng bởi các đại lượng: + Chuẩn số Reynold (được gọi là chuẩn số Reynold ly tâm)    2 2 Re k k k nd nd   (2.1) Trong đó: ,  khối lượng riêng và độ nhớt tuyệt đối của môi trường chất lỏng;   độ nhớt tương đối, m2s; n số vòng quay của cánh khuấy, s 1 ; dk – đường kính cánh khuấy; b. Công suất khuấy trộn . . 3. 5N k N  K  n d (2.2) KN chuẩn số công suất khuấy phụ thuộc vào chế độ thủy động trong thiết bị. Việc tính chính xác hệ số này bằng con đường giải tích còn gặp nhiều khó khăn và thường dẫn tới kết quả xa với kết quả thực nghiệm. Vì vậy hiện nay người ta vẫn 23 dùng phương pháp mô hình hóa vật lý (cụ thể là phương pháp phân tích thứ nguyên) để xác định KN. Re 1 2 N N k k K  C  Fr (2.3) Trong đó: Rek và Frk chuẩn số “Reynolds” và chuẩn số “Frut khuấy” 1 2 , , N C   các hệ số xác định bằng thực nghiệm. Các giá trị của 1 2 , , N C   rất khác nhau trong các chế độ thủy động khác nhau: Khi chảy tầng (Rek < 300 hoặc Rek ≤ 80 thì 1  1 và 2   2 , lúc này có nghĩa là hệ số công suất KN tỉ lệ nghịch với chuẩn số Rek và không phụ thuộc gì vào chuẩn số Frk (vì lúc này hầu như không có hiện tượng tạo phểu). Quan hệ KN = f(Rek) = CNRk 1; khi chảy rối (Rek > 103) nếu trong thùng có tấm chắn thì các tấm chắn sinh ra mômen cản là chủ yếu nên trên thành thùng hầu như không tồn tại lớp biên lỏng. Vì vậy ảnh hưởng của chuẩn số Rek không có, nghĩa là 1  = 0. Đồng thời cũng không thể tạo phểu nên ảnh hưởng của chuẩn số Frk không tồn tại, 2  = 0. Lúc này đường biểu diễn quan hệ: KN = f(Rek) = CNRek 0Frk 0 = const. (2.4) Nhưng nếu khi chảy rối (Rek > 103) mà thùng trơn thì sẽ có hiện tượng tạo phểu và tạo ra lớp biên đáng kể trên thành thùng. Lúc này cả chuẩn số Rek và chuẩn số Frk đều có ảnh hưởng tới hệ số công suất KN. Giá trị 1  và 2  tùy thuộc vào lọai cơ cấu khuấy. Với cơ cấu khuấy chân vịt khi Rek > 105 có 1  = 0,11. Trị số của 2  = C luôn âm (giá trị của C xác định bằng thực nghiệm và cho trong bảng kèm theo các đồ thị xác định KN). Do ảnh hưởng của Frk lớn hơn ảnh hưởng Rek nên đồ thị biểu diễn quan hệ KN = f(Rek) tiếp tục đi xuống. Khi chảy quá độ (300 hoặc 80 ≤ Rek < 104) thì hệ số công suất KN phụ thuộc và cả Rek và Frk , nên các giá trị 1  và 2  đều khác không. Trị số của 1  biến đổi từ 1 đến 0, còn trị số của 1  xác định theo công thức: 2 lg Rek a b    (2.5) 24 Trong đó: a, b hằng số xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào lọai cơ cấu khuấy và tra trong các bảng phụ lục cho các đồ thị xác định KN theo Rek. Đồ thị hình PL6.1 dùng cho cơ cấu khuấy chân vịt với các đặc trưng ở bảng PL.6.1. Đồ thị hình PL6.2 dùng cho cơ cấu khuấy tuabin hở với các đặc trưng ở bảng PL6.2. Đồ thị hình PL6.3. dùng cho cơ cấu khuấy tuabin hở cánh dài nghiêng và cơ khuấy bản cánh nghiêng (nhưng với Ddk = 2,5) với các đặc trưng cho ở bảng PL6.3. Đồ thị hình PL6.4 dùng cho cơ cấu khuấy bản với Ddk = 2, HD = 1 và các đặc trưng cho ở bảng PL6.4. Đồ thị hình PL6.5 dùng cho cơ cấu khuấy mỏ neo, chong chóng, băng và vít tải với các đặc trưng cho ở bảng PL6.5. c. Công suất khuấy riêng V   N , wm3 , (wkg) (2.6) V thể tích (hoặc khối lượng chất lỏng) trong thiết bị, m3 (kg d. Công suất của động cơ khuấy  N K N dc d  (2.7) Trong đó :  : hiệu suất truyền động;  = kn. gt kn= 1 : hiệu suất khớp đàn hồi; gt = 0,97: hiệu suất của hộp giảm tốc. đc N công suất của động cơ, kW; Chọn Kd = 2  2,5: hệ số quá tải khi khởi động; e. Mức độ khuấy trộn Đánh giá sự phân bố vật chất hay nhiệt độ trong môi trường khuấy (bằng cách đo hoặc thử mẫu). Mức độ khuấy trộn là sự phân bố tương hỗ của hai hoặc nhiều chất sau khi khuấy cả hệ. Mức độ khuấy trộn chính là một loại chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả 25 khuấy và cũng có thể được sử dụng để đánh giá cường độ khuấy. Trong phạm vi đề tài độ ổn định độ pH của hỗn hợp sau khi khuấy trộn đó chính là chỉ tiêu đánh giá mức độ khuấy trộn. f. Lực tác dụng lên trục khuấy Lực tác dụng lên trục khuấy bao gồm mômen xoắn Mx sinh ra do trở lực của môi trường (mômen xoắn tác dụng từ bộ truyền động tới để cân bằng với mômen xoắn sinh ra do trở lực của môi trường), lực hướng kính Fr và lực hướng trục Fa. Điểm đặt và trị số lực hướng kính Fr được thể hiện trên hình 2.7. Mômen xoắn trung bình x M sinh ra do trở lực của môi trường tác dụng lên các cánh của cơ cấu khuấy có thể xác định theo công thức: 2 5 2 k N x d n K M        (2.8) Công suất khuấy và mômen xoắn trung bình là những đại lượng thay đổi theo thời gian do việc thay đổi phân bố vận tốc, dẫn đến thay đổi áp suất làm sản sinh dao động (do không cân bằng). Như vậy khi tính bền cần phải chú ý đến mômen xoắn lớn nhất: x x x M  C M (2.9) K r b r r d b Fr Z Hình 2.11 Điểm đặt và trị số lực tác động lên cánh khuấy x C = (1,1  1,6) hệ số dao động tải (lực cản). 26 Để tiện lợi và an toàn trong tính toán người ta thay công suất khuấy trộn bằng công suất động cơ Nđc: p x đc x đc x n C N 955000 ω C N M   (2.10) Trong đó: Nđc công suất động cơ, W; np số vòng quay trục khuấy, vgph; Cx hệ số chú ý tới dao động lực cản và lấy từ 1,1 ÷ 1,6; Mx mômen xoắn, Nm. Lực hướng kính bằng lực tác dụng lên một cánh của cơ cấu khuấy (có điểm đặt lực nằm cách đường trục của trục khuấy một đoạn rF) và được xác định theo công thức: F c x r r N F  M (2.11) Trong đó: Nc số cánh của cơ cấu khuấy, với cơ cấu khuấy bản Nc = 2; rF khoảng cách của điểm đặt lực Fr đến trục quay, m; g. Điểm đặt lực tác động lên cánh khuấy Giá trị lớn nhất của môm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH **************** NGUYỄN HỮU THẾ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HỊA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG Q TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG RS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 4/2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH **************** NGUYỄN HỮU THẾ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HỊA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG Q TRÌNH SẢN XUẤT ĐƯỜNG RS Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60.52.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 4/2010 LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên Nguyễn Hữu Thế, sinh ngày 10 tháng 01 năm 1971 Huyện Tư Nghĩa, Tỉnh Quảng Ngãi, Con Ông Nguyễn Hữu Lâm Bà Phạm Thị Lang Tốt nghiệp phổ thông trung học Trường Trung học phổ thông Tư Nghĩa 1, Tỉnh Quảng Ngãi năm 1989 Tốt nghiệp Đại học Ngành Cơ khí Nơng lâm, hệ quy, Trường Đại học Nơng Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh năm 1995 Sau làm việc Trường Trung cấp Nghề Cơ giới Quảng Ngãi - Bộ Nông Nghiệp Phát triển Nông Thôn, chức vụ giáo viên dạy nghề Từ tháng 02 năm 2010 đến làm việc Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Cơ sở Miền Trung, chức vụ giảng viên Tháng 09 năm 2007 theo học Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí Trường Đại học Nơng Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh Tình trạng gia đình: Vợ Lương Thị Mỹ Hạnh kết hôn năm 2000, Nguyễn Lương Hữu Huy sinh năm 2001, Nguyễn Lương Mỹ Linh sinh năm 2003, Nguyễn Lương Thùy Linh sinh năm 2003 Địa liên lạc: Khoa Công Nghệ Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh sở Miền Trung, số 938 Quang Trung, Thành Phố Quảng Ngãi Điện thoại: 055 3811 008; 0914 166 925 Email : thecogioi@gmail.com ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Hữu Thế iii CẢM TẠ Để hồn thành luận văn thạc sĩ tơi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến: - Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, Trưởng môn Cơ điện tử Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ, hướng dẫn động viên thực luận văn - Ban Giám hiệu, Phòng sau đại học, Cơ PGS.TS Trần Thị Thanh, Chủ nhiệm Khoa tập thể Giảng viên Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức q báu tạo điều kiện tốt trình học Cao học thực luận văn - Tôi xin chân thành cảm ơn: - Anh Nguyễn Đình Bn, Trưởng phòng Kỹ thuật Cơng ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi giúp đỡ nhiều q trình thực tập cơng ty - Ban giám đốc nhà máy, anh Phạm Thành Phòng kỹ thuật, anh Đặng Phúc Đạt Tổ trưởng Tổ Hoá chế Nhà máy đường Phổ phong, anh Nguyễn Hữu Nghĩa phòng Kỹ thuật Nhà máy Cồn Rượu – Công ty đường Quảng Ngãi hỗ trợ tơi suốt q trình thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm - Anh Đào Duy Vinh, Bộ mơn Cơ điện tử, khoa Cơ khí - Công nghệ trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ tơi q trình thiết kế hệ thống điều khiển PLC - Các bạn học, bạn đồng nghiệp phối hợp, giúp đỡ q trình tơi thực luận văn - Vợ tơi ln chia sẽ, gánh vác trách nhiệm gia đình động viên tơi hồn thành chương trình học Cao học - Và cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bậc sinh thành sinh thành, ni dưỡng giáo dục để tơi có ngày hơm iv TĨM TẮT Đề tài “Nghiên cứu giải pháp công nghệ thiết bị nâng cao hiệu trung hồ nước mía hỗn hợp q trình sản xuất đường RS.” tiến hành Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh Nhà máy đường Phổ Phong - Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi thời gian từ tháng 03 năm 2009 đến tháng 03 năm 2010 với kết tóm tắt sau: - Nghiên cứu đưa nguyên nhân gây nhiều cấu cặn bám vào thiết bị độ pH không ổn định khu vực trung hòa nhà máy - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình trung hòa nước mía hỗn hợp từ thiết kế chế tạo thùng khuấy trộn phục vụ thí nghiệm trình trung hòa nước mía hỗn hợp sữa vơi - Nghiên cứu thực nghiệm gồm hai thông số nhiệt độ tốc độ khuấy cho hiệu trung hòa cao Ma trận quy hoạch thực nghiệm lập theo phương án bậc hai toàn phần, tổng số thí nghiệm tính 12, số thí nghiệm tâm Số liệu thực nghiệm xử lý phần mềm Statgraphics Vers 7.0 máy tính Kết cho thấy thời gian trung hòa nước mía hỗn hợp hàm đa thức bậc II phụ thuộc vào tốc độ khuấy nhiệt độ : tg = 435,972 – 1,84444*n – 5,17222*t + 0,00458333*n2 + 0,0405556*t2 Kết giải tối ưu với hàm mục tiêu phương trình hồi qui nhận giá trị chế độ làm việc thiết bị trung hồ thích hợp với tốc độ khuấy 180 vòng/phút, nhiệt độ 640C thời gian trung hòa 86 giây - Thiết bị trung hồ nước mía hỗn hợp dây chuyền sản xuất đường công suất 1600 mía/ngày phận điều khiển tự động cấp sữa vôi theo độ pH thiết kế dựa vào điều kiện thực tế nhà máy thông số từ kết thực nghiệm v ABSTRACT Thesis for “Study on technology and equipment solutions neutralizing mixture of cane juice in RS sugar processing” was done at the faculty of Engineering, Nong Lam University of HCM and The sugar processing company Phophong, Quangngai from March 2009 to March 2010 with the summary result as following: - Studied and found out the reasons of problems such as deposits in cane juice and the instability of cane juice pH - Studied on the factors influencing the neutralization of cane juice Results of studied factors were used to design the neutralizing equipment of cane juice for the sugar processing system of 1600 ton of sugar cane per day As the result of experiment, the dependence of the neutralizing time on the factors of stirring velocity and neutralizing temperature was defined as following: tg = 435,972 – 1,84444*n – 5,17222*t + 0,00458333*n2 + 0,0405556*t2 Where n is RPM of stirring velocity and t is neutralizing temperature The result of optimization found out the best suitable operational regime with the stirring velocity of 180 RPM, the neutralizing temperature of 64oC, and the neutralizing time of about 86 seconds vi MỤC LỤC Chương Trang Trang Chuẩn Y i Lý lịch cá nhân ii Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Tóm tắt tiếng Anh vi Mục lục vii Danh sách liệt kê ký hiệu xi Danh sách hình xiv Danh sách bảng xvi MỞ ĐẦU 1.1 Dẫn nhập 1.2 Mục đích nghiên cứu 2 TỔNG QUAN 2.1 Qui trình cơng nghệ sản xuất đường 2.2 Cơ sở lý thuyết trình làm nước mía 2.2.1 Khái niệm q trình trung hòa làm nước mía hỗn hợp 2.2.2 Thành phần nước mía hỗn hợp 2.2.3 Tác dụng pH 2.2.4 Tác dụng nhiệt độ 2.2.5 Dùng vơi trung hòa nước mía hỗn hợp 10 vii 2.2.5.1 Tính chất sữa vơi 10 2.2.5.2 Tác dụng vôi 10 2.2.5.3 Các biến đổi hóa lý sau đưa sữa vơi vào nước mía hỗn hợp 10 2.2.5.4 Tác dụng khuấy trộn sau gia vôi 11 2.3 Tổng quan thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp ngồi nước 11 2.4 Tổng quan thiết bị khuấy trộn mơi trường lỏng 14 2.4.1 Phương pháp thủy khí 15 2.4.2 Phương pháp xung lực 16 2.4.3 Phương pháp học 16 2.4.3.1 Nguyên tắc cấu tạo thiết bị khuấy 16 2.4.3.2 Các dạng cánh khuấy 17 2.4.3.3 Thùng khuấy 19 2.4.3.4 Các thông số hệ khuấy 22 2.4.3.5 Tính tốn trục khuấy 27 2.5 Sơ lược PLC LOGO ứng dụng để điều khiển hệ thống 31 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 3.1 Nội dung nghiên cứu 34 3.2 Phương pháp nghiên cứu 34 3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 34 3.2.1.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống 34 3.2.1.2 Phương pháp tính tốn 34 viii 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 35 3.2.2.1 Vật liệu nghiên cứu 35 3.2.2.2 Dụng cụ đo 35 3.2.2.3 Phương pháp đo 36 3.2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 36 3.2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 37 KẾT QUẢ VÀTHẢO LUẬN 39 4.1 Nghiên cứu, thảo luận lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với trình trung hòa nước mía hỗn hợp 4.1.1 Nghiên cứu, thảo luận thiết bị trung hòa 39 39 4.1.2 Lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với q trình trung hòa nước mía hỗn hợp 41 4.2 Kết nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số tối ưu ảnh hưởng đến hiệu trung hòa nước mía hỗn hợp 4.2.1 Xác định thơng số 42 42 4.2.2 Xác định thông số vào 43 4.2.3 Phát biểu toán hộp đen 4.2.4 Thiết kế thùng khuấy trộn phục vụ thí nghiệm 4.2.5 Mơ tả q trình thí nghiệm 45 45 47 4.2.6 Thí nghiệm đơn yếu tố thăm dò 4.2.6.1 Kết bố trí thí nghiệm đơn yếu tố theo vận tốc vòng trục 50 khuấy 50 4.2.6.2 Kết bố trí thí nghiệm đơn yếu tố theo nhiệt độ khuấy 51 4.2.7 Thí nghiệm đa yếu tố theo phương án bậc hai toàn phần 53 ix Phụ lục Phạm vi sử dụng công nghệ loại cấu khuấy thông dụng Vận tốc Cơ cấu khuấy Hình vẽ Thể tích Độ nhớt vòng thích khuấy V, chất lỏng hợp m3 Pa.s đầu cánh Phạm vi sử dụng m/s Khuấy chất lỏng tan lẫn có độ nhớt trung bình; nhũ tương hóa sơ bộ; huyền phù hóa với nồng độ tới 90%; Bản 2.2 b  50 0,001 - 0,5 - 2,0 khuấy đảo cặn 0,5 - 2,0 - 1,2 bẩn; hòa tan chậm vật liệu tinh thể, vơ định hình, dạng sợi, san nhiệt độ chất lỏng; khuấy để kết tinh Tấm 2.2a  50 0,001 - 0,5 2,6 - 0,5 Hòa tan chất lỏng có độ nhớt nhỏ; hòa tan tinh thể, huyền phù hóa, tăng cường trình trao đổi nhiệt Mỏ neo 2.2 f, g  10 0,001 - 74 - 1,5 Khuấy chất lỏng 4-8 1,5 - 1,0 nhớt nặng; tăng – 15 1,0 - 0,5 cường trình trao đổi nhiệt, chống bám cặn Khung 2.2 m, n, o  50 0,001 - 10 - 1,5 10 – 40 1,5 - 0,8 bẩn vào bề mặt gia nhiệt đề phòng khê cháy; huyền phù hóa chất lỏng nhớt Tua bin hở 2.2 k  50 0,001 - 12 - 7,5 Hòa tan nhũ - 15 7,5 - 5,2 tương 15 – 25 5,2 - 3,5 chất lỏng; huyền hóa phù hóa với nồng độ tới 80%; huyền phù hóa vật liệu dạng sợi với nồng độ tới 5%; Tua bin kín 2.2 l  50 0,001 - 10 - - 15 7-5 15 - 25 - 3,5 25 – 40 3,5 - 2,5 khuấy đảo hạt rắn có nồng độ tới 5%; khuấy đảo hạt rắn có nồng độ tới 60% kích thước hạt tới 1,5 mm; san nhiệt độ chất lỏng; khuấy trộn chất lỏng nhớt Chân vịt 2.2 h, i 0,001 – 75 16 - 10 Hòa tan nhũ tương hóa chất lỏng, huyền phù hóa với nồng độ hạt rắn tới 50%; khuấy đảo bùn có nồng độ hạt rắn tới 10% kích thước hạt tới 0,1 mm; khuấy vật liệu sợi; san nhiệt độ; tăng cường trình trao đổi nhiệt Mỏ neo 2.2 f, g 0,1 - 0,1 – 10 10 - 80 Khuấy chất lỏng nhớt nặng kể chất lỏng phi niutơn; tăng cường trình trao đổi nhiệt; chống bám cặn Khung 2.2 m, n, o 0,1 - 10 -100 10 - 80 bẩn vào bề mặt gia nhiệt để đề phòng khê cháy; huyền phù hóa đồng hóa chất lỏng nhớt 76 Phụ lục Độ nhớt nước mía hỗn hợp dùng thí nghiệm Dùng máy đo độ nhớt BrooKField Programmable DV-II +VISCOMETER - Địa điểm thí nghiệm: Phòng Kỹ thuật – KCS Cơng ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi - Đối tượng thí nghiệm: Nước mía hỗn hợp sau xông SO2 gia vôi nhiệt độ t = 650C - Thời gian ngày 28/03/2009 Trục đo NƯỚC (H2O) Tốc độ (RPM) Độ nhớt (cP) 10 6.3 12 5.33 20 3.1 50 1.23 60 1.07 100 0.65 Tốc độ (RPM) Độ nhớt (cP) 10 12 20 3.2 50 1.28 60 100 NƯỚC MÍA Độ nhớt (cP) 6.4 5.22 3.2 1.28 1.09 0.64 Độ nhớt (cP) 3.2 1.28 Kết luận: Độ nhớt nước mía hỗn hợp sau xông SO2 gia vôi nhiệt độ t = 650 tương đương độ nhớt nước tinh khiết  = 0,00128 – 0,0064 Pas (1cP = 1/10-3Pas); (Pas = N.s/m2) 77 Phụ lục Thông số vụ ép năm 2009 2010 nhà máy đường Phổ Phong – Công ty Đường Quảng Ngãi 78 79 Phụ lục Đồ thị thông số để tính chuẩn số cơng suất KN Bảng PL6.1 Thơng số để tính chuẩn số cơng suất K N dùng cho cấu chân vịt Đường Hệ số để tính số mũ  cong số Thùng t/dk dk/D a b c Trơn 0,4 2,4 18 0,13 Trơn 0,33 2,1 18 0,145 Trơn Có hai ống d0/D = 0,04 1 0,22 0,33 - 18 - 0,26 - Có bốn chắn 0,4 - - - Có bốn chắn Có bốn chắn Trơn Có bốn chắn 1 2 0,33 0,22 0,31 0,31 1,7 - 18 - 0,17 - Bảng PL6.2 Thông số để tính chuẩn số cơng suất K N dùng cho cấu tuabin hở Cơ cấu khuấy tuabin hở Cơ cấu khuấy tuabin hở Thùng phía Để tính  dk/D a b Để tính  Đường c Cong dk/D a Đường b c Cong số Trơn 0,3 40 0,1 số 0,33 0,5 0,0 Một ống d0/D = 0,04 0,3 - - - 0,33 - - - Hai ống d0/D = 0,04 0,3 - - - 0,33 - - - - - - - - Một ống xoắn ruột gà d0/D =0,025 dv/D 0,3 - - =0,75 Bốn chắn 0,2÷0,3 - - - 0,33 - - - Bốn chắn 0,4 - - - - - - - 80 10 Bảng PL6.3 Thông số để tính chuẩn số cơng suất K N dùng cho cấu tuabin hở cánh dài nghiêng cấu khuấy cánh nghiêng Sáu cánh dk/D=0,33;α=450 Thùng Sáu cánh dk/D=0,33;α=450 đường Để tính  đường Để tính  a b c cong Trơn 1,7 28 0,11 Một ống - - - - - - do/D=0,04 - - - - - - Hai ống - - - - - - a b cong c do/D=0,04 Bốn chắn Bảng PL6.4 Thơng số để tính chuẩn số cơng suất KN dùng cho cấu khuấy b/dk Thùng 0,2 0,5 Đường cong Trơn Một ống do/D=0,04 - Hai ống do/D=0,04 - 10 Ống xoắn ruột gà có do/D=0,025 dV/D=0,75; h/Dơ=3 - 11 Bốn chắn B/D = 0,1 12 81 Bảng PL6.5 Thơng số để tính chuẩn số cơng suất K N dùng cho cấu khuấy mỏ neo, chong chóng, băng vít tải Đường Cong số Cơ cấu khuấy dk/D b/dk Thùng Mỏ neo 0,98 0,9 Trơn Mỏ neo 0,9 0,9 Trơn Mỏ neo 0,98 0,4 Trơn Mỏ neo 0,9 0,4 Trơn Chong chóng 0,5…0,75 0,125 Băng t/dk = 0,94 - Trơn Vít tải 0,65 - Bốn chắn B/D = Vít tải 0,4 - 0,15 Có chắn Đặt lệch tâm e/D = 0,2 Bảng PL6.6 Những đặc trưng cấu khuấy tuabin Đường Kiểu kín Kiểu hở kính Số vòng Cơng suất N, kW Số vòng Cơng suất N, kW cấu khuấy quay n, Thùng Thùng quay n, Thùng Thùng d, mm vòng/giây khơng có có vòng/giây khơng có có tấm chắn chắn chắn chắn 0,6 – 5,8 8,45 300 0,3 – 10,5 0,06 – 8,56 5,85 3,0 - 6,67 400 3,0 – 6,67 0,24 – 8,0 12,5 3,0 – 6,67 0,24 – 10,5 10,5 500 3,0 – 6,3 0,75 – 21,1 33,0 3,0 – 6,3 0,7 – 27,0 33,6 600 2,0 – 4,5 0,95 – 17,7 29,5 2,0 – 4,5 0,5 – 24,3 23,8 700 2,0 – 4,5 2,12 – 37,8 18,7 2,0 – 4,5 1,0 – 45,4 48,5 800 2,0 – 4,5 2,46 – 83,4 37,2 2,0 – 3,0 2,1 – 26,7 30,5 900 2,0 – 3,0 2,96 – 36,6 20,1 2,0 – 3,0 3,9 – 49,1 55,6 1000 2,0 – 3,0 3,6 – 51,5 33,5 2,0 – 3,0 6,5 – 7,66 93,8 82 Hình PL6.1 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cấu chân vịt Hình PL6.2 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cấu tuabin hở Hình PL6.3 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cấu tuabin hở cánh dài nghiêng cấu khuấy cánh nghiêng Hình PL6.4 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cấu khuấy 83 Hình PL6.5 Đường biểu diễn KN = f(Rek,Fek) dùng cho cấu khuấy mỏ neo, chong chóng, băng vít tải Phụ lục Bảng vẽ tổng thể thùng khuấy trộn Phụ lục Một số hình ảnh trình thực đề tài 84 Phụ lục Những hình ảnh trình thực đề tài Hình PL Đo độ nhớt nước mía hỗn Hình PL Thùng khuấy hợp dùng để thí nghiệm thí nghiệm chế tạo xong Hình PL Đồng hồ đo pH Hình PL Dòng chất lỏng nhiệt độ khuấy thùng khuấy trình khuấy trộn 85 Hình PL Cánh khuấy tuabin kiểu hở Hình PL Quá trình thí nghiệm khuấy trộn nước mía hỗn hợp 86 Hình PL Những dụng cụ q trình thí nghiệm Hình PL 8 Thùng khuấy thí nghiệm khu vực trung hòa nhà máy 87 88 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH **************** NGUYỄN HỮU THẾ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUNG HỊA NƯỚC MÍA HỖN HỢP TRONG Q TRÌNH SẢN XUẤT... trình trung hòa nước mía hỗn hợp Bằng lý thuyết kết hợp thực nghiệm xác định chế độ làm việc tối ưu thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp Từ thiết kế thiết bị trung hòa dây chuyền sản xuất đường RS, ... nghiên cứu q trình cơng nghệ thiết bị khu vực trung hòa 2.2 Cơ sở lý thuyết q trình làm nước mía 2.2.1 Khái niệm q trình trung hòa làm nước mía hỗn hợp Q trình trung hòa nước mía hỗn hợp q trình đưa