Phân tử lượng Khối lượng riêng Nhiệt độ nĩng chảy Nhiệt dung riêng Độ tan (ở 20oC)
1.2.3. Phương pháp sản xuất đường
Sơ đồ cơng nghệ sản xuất đường tinh luyện từ mía: + Lấy nước mía:
o Xử lý mía: San bằng mía, băm mía, đánh tơi
o Ép giật: lấy từ 60-70% nước cĩ trong cây mía ra ngồi.
o Ép kiệt: thu hồi tối đa lượng nước cịn lại bên trong cây mía sau khi ép + Xử lý nước mía:
o Gồm cĩ 3 phương pháp thơng dụng: Phương pháp vơi, Phương pháp sunfit hố,
Phương pháp cacbonat hố
o Lắng: phân riêng các phần hỗn hợp khơng đồng chất bằng trọng lực hoặc bằng phương pháp ly tâm.
o Lọc: tách các hỗn hợp khĩ lắng khơng đồng nhất ra khỏi nước đường, tận dụng lượng
nước cịn lại sau lắng, loại bỏ bã và bùn cịn lẫn trong nước.
+ Cơ đặc
o Phương pháp bốc hơi hệ cơ đặc
▪Phương pháp bốc hơi chân khơng: hệ cơ đặc làm việc trong điều kiện chân khơng.
▪Phương pháp bốc hơi áp lực: hệ cơ đặc làm việc trong điều kiện áp lực.
o Thao tác khống chế quá trình cơ đặc
▪Kiểm sốt độ chân khơng và áp suất hơi
▪Kiểm sốt chiều cao dung dịch
▪Thốt nước và khí ngưng
+ Nấu đường và kết tinh
o Nấu đường là quá trình tách nước ra khỏi mật chè, đưa dung dịch đến trạng thái bão hồ để thực hiện quá trình kết tinh.
o Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh
▪Độ bão hồ dư
▪Nhiệt độ
▪Độ tinh khiết và độ nhớt của dung dịch ▪Sự khuấy trộn
▪Kích thước tinh thể
▪Số lượng tinh thể trong đường non
+ Ly tâm, sấy và tách thành phẩm:
o Là quá trình dùng thùng quay với tốc độ cao lợi dụng lực ly tâm để tách mật đường non ra khỏi tinh thể đường.
o Quá trình phân hạt gồm 4 giai đoạn:
▪Cho đường non vào máy ly tâm: tuỳ theo chất lượng đường non mà ta kiểm sốt chiều dày của lớp đường cho phù hợp
▪Phân mật: nạp liệu phù hợp, rồi tăng số vịng quay đến cực đại, phần lớn mật cĩ trong đường non lúc này được tách ra là mật nâu.
▪Rửa đường: sau quá trình rửa đường ta thu được mật trắng.
▪Hãm máy và xả đường: giảm dần tốc độ vịng quay và nâng bộ phận ly tâm lên để xả đường ra.
+ Sấy khơ: sấy đường đến độ ẩm thích hợp để đường cĩ màu sáng bĩng, khơng bị hư hỏng trong quá trình bảo quản.
Bảng 1.17 So sánh ưu – nhược điểm của các phương pháp xử lý nước mía
Phương phap
̀́
vơi
Vốn đầu tư ít
Thiết bị, quy trình cơng Ưu điểm
nghệ, quản lý điều hành đơn giản.
Nhược Hiệu suất thu hồi sản
phẩm thấp. điểm
Hình 1.13 Sơ đồ quy trình sản xuất đường tinh luyện (RE)
1.2.4. Đặc điểm của đường tinh luyện RS
Đường cát trắng RS (Refined standard) là các vật liệu được hình thành từ quá trình kết tinh, độ ẩm sau cơng đoạn sau ly tâm thường khoảng từ 0,5%-1,5% [1] và người ta phải thực hiện sấy ngay, nếu khơng chỉ sau một thời gian ngắn chúng cũng bị kết dính và vĩn cục, đặc biệt khi cĩ tác động nhiệt thì chúng càng dễ bị kết dính. Thực tế đặc tính kết dính sẽ gây khĩ
khăn trong việc sấy khơ trong lớp hạt sơi liên tục, trong khi yêu cầu chất lượng sản phẩm sấy phải cao.
Đường là nguyên liệu quan trọng cho các ngành chế biến thực phẩm, là chất điều vị trong bữa ăn hàng ngày và là chất cung cấp năng lượng cho cơ thể. Cơng nghiệp đường tuy cĩ từ lâu đời nhưng 200 năm gần đây mới được cơ khí hĩa. Trong những năm gần đây ngành mía đường đã phát triển một cách nhanh chĩng.
Các sản phẩm đường mía của yếu ở nước ta là đường thơ (đường vàng) và đường tinh luyện, phụ thuộc vào thành phần đường sucrose cĩ trong dung dịch tính theo phần trăm khối lượng dung dịch đường (độ Pol). Theo tiêu chuẩn Việt Nam, độ Pol của đường thơ ≥ 98,5%, đường tinh luyện ≥ 99,8%. Do nhu cầu tiêu thụ đường thơ thấp nên các nhà máy mía đường thường sử dụng đường thơ để sản xuất đường tinh luyện.
Hình 1.14 Sản lượng đường sản xuất và nhập khẩu giai đoạn 1995 – 2015
Thơng thường, độ ẩm của đường yêu cầu để bảo quản phải khơng lớn hơn 0,2% [1] đối với đường thơ và khơng lớn hơn 0,05% [1] đối với đường tinh luyện nên cần thiết phải sấy đường trước khi bảo quản. Ngồi ra, các chỉ tiêu cảm quan và các chỉ tiêu lý – hĩa của đường tinh luyện, phải phù hợp với TCVN 6958: 2001 và TCVN 6961: 2001.
Chỉ tiêu Ngoại hình Mùi, vị Màu sắc
Bảng 1.19 Các chỉ tiêu lý – hĩa của đường RS [1]
STT Tên chỉ tiêu
1 Độ Pol, (oZ), khơng nhỏ hơn
2 Hàm lượng đường khử, % khối lượng (m/m), khơng lớn hơn
3 Tro dẫn điện, % khối lượng (m/m), khơng lớn hơn
4 Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105oC trong 3 giờ, % khối lượng (m/m), khơng lớn hơn
5 Độ màu, đơn vị ICUMSA, khơng lớn hơn Do đĩ, việc sấy đường sau khi ly tâm là cần thiết để bảo quản lâu dài và đảm bảo độ ẩm theo tiêu chuẩn. Trước đây, sấy thùng quay được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật sấy đường nhưng từ khi cơng nghệ tầng sơi phát triển trong lĩnh vực sấy thì máy sấy tầng sơi dần được ứng dụng nhiều hơn.
1.3. Các thơng số hình học của vật liệu hạt ứng dụng trong sấy tầng sơi1.3.1. Cầu tính 1.3.1. Cầu tính
Xét một khối hạt rời trạng thái tĩnh (trạng thái tự nhiên) các hạt chịu lực dính lẫn nhau và trọng lực của hạt. Để khối hạt cĩ thể giãn ra và chuyển qua trạng thái linh động cần phải tác động vào khối hạt một dịng khí cĩ giá trị lớn hơn vận tốc cân bằng vcb (m/s). Để lớp haṭsơi ổn đinh,,̣ vâṇ tốc dịng khíqua lớp haṭvk (m/s) đươc,̣ xác đinḥ qua tiêu chuẩn Reynolds:
Trong đĩ:
(1.1)
Như vậy nếu hạt cĩ dạng trịn hay hình cầu thì kích thước của hạt rất dễ dàng xác định và được mơ tả bằng đường kính của nĩ. Tuy nhiên trong tự nhiên cũng như trong thực tế sản xuất, quy trình cơng nghệ lại khơng thể tạo ra được hạt cầu hoặc hiếm khi gặp, hầu hết các hạt đều cĩ hình dạng bất kỳ. Do vậy bắt buộc khi tính tốn ta phải quy kích thước các hạt về kích thước trung bình, và tính tốn giá trị kích thước hạt dựa trên khái niệm hệ số cầu tính . Một hạt khơng cĩ dạng hình cầu được xác định bằng định nghĩa “cầu tính”, là đại lượng khơng thứ nguyên.
Diện tích khối cầu cócùng thể tích với hạt Diện tích bề mặt của hạt Theo [19], tác giả đã đưa ra khái niệm về hệ số hình dạng của hạt là và nghịch đảo của hệ số hình dạng được gọi là cầu tính của hạt: =1/ . Hệ số hình dạng của các hạt bất kỳ được mơ tả dưới dạng tổng quát hĩa theo bảng 1.20.
Bảng 1.20 Hệ số hình dạng hình học một số loại hạt bất kỳ
Hình dạng hạt Hệ số
Tiêu chuẩn Anh quốc BS 4359 (1970) cung cấp các giá trị đo lường về cầu tính của một số loại hạt thơng dụng và cĩ giá trị nằm trong khoang tư 0,3 – 0,95 (xem bảng 1.21). Việc đo diện tích bề mặt hạt yêu cầu phải cĩ thiết bị và thực hiện trong phịng thí nghiệm.
Bảng 1.21 Cầu tính một số hạt thơng dụng
Vật liệu Hạt cát (trịn) Hạt cát cĩ cạnh Hạt than đá (nghiền)
Hạt mica
Thơng thường cầu tính rất khĩ xác định được và chủ yếu dựa vào các kết quả từ các tài liệu sẵn cĩ. Tuy nhiên, nếu biết trước được vận tốc dịng khí và độ rỗng của lớp hạt thì cĩ thể dựa vào một mối tương quan giữa tiêu chuẩn Archimedes và tiêu chuẩn Reynolds ở trạng thái sơi tối thiểu để xác định được cầu tính của hạt vật liệu [14]:
Ar 150
Trong đĩ: Ar – Tiêu chuẩn Archimedes
Ar
Rett – Tiêu chuẩn Reynolds ở trạng thái sơi tối thiểu Re
tt – Độ rỗng ở trạng thái sơi tối thiểu
1.3.2. Đường kính trung bình
(1.3)
(1.4)
(1.5)
Đối với vật liệu rời cĩ kích thước đa phân tán, cĩ thể xác định đường kính trung bình bằng phương pháp sàng (rây) như sau:
Lấy một lượng nhỏ vật liệu rồi tiến hành thưc,̣ hiêṇ phân loaịkích thước qua hê ,̣thống rây, phần khối lượng mẫu được giữ lại do kích thước của lỗ rây, xi, sau đĩ tiến hành cân đo mẫu, dữ liệu được xử lý theo phương trình xác định kích thước trung bình của hạt:
d m
Trong đĩ: di – Trung bình cộng kích thước hai lỗ kề nhau của rây, m
xi – Tỷ số giữa lượng hạt cịn lại trên rây và khối hạt mẫu lấy phân tích
(1.6)
Hình 1.15 Phân tích kích thước khối hạt bằng sàng tiêu chuẩn
Tuy nhiên, từ định nghĩa cầu tính (1.2) thì diện tích bề mặt hạt sẽ được tính theo
/4 . Do đĩ, đối với một hỗn hợp hạt khơng cầu cĩ cùng cầu tính thì kích thước hạt trung được tính ở cơng thức (1.6) sẽ được tính theo [19]:
d
t
1.3.3. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích
Khối lượng riêng chính xác của hạt sử dụng trong các phương trình hĩa sơi là khối lượng riêng của một hạt và được định nghĩa là khối lượng của một hạt chia cho thể tích thủy động của nĩ. Thể tích này “được thấy” bằng dịng lưu chất trong tương tác động học giữa lưu chất với hạt bao gồm thể tích của tất cả các lỗ rỗng kín và hở. (Hình 1.16)
Hình 1.16 Thể tích thủy động của một hạt
h
Trong đĩ: h – Khối lượng riêng của hạt, kg/m3 mh – Khối lượng của hạt, kg
Vh – Thể tích thủy động của hạt, m3
Khái niệm khối lượng riêng thể tích của hạt, b (bed density) được đề cập để tính tốn chính xác kích thước buồng sấy hạt và đặc biệt là trong tính tốn các thơng số thủy động học khi thiết kế lớp hạt hĩa sơi. Khối lượng riêng thể tích khơng dễ đo được một cách trực tiếp mặc dù Geldart (1972) [19] đã đề xuất nhiều phương pháp. Khối lượng riêng thể tích được xác định bằng:
b
Trong đĩ: b – Khối lượng riêng thể tích, kg/m3 mb – Khối lượng của khối hạt, kg
Vb – Thể tích chiếm chỗ của khối hạt, m3 (bao gồm độ rỗng giữa các hạt)
1.3.4. Độ rỗng
Độ rỗng hay cịn gọi độ xốp của một lớp hạt, , là phần thể tích lớp hạt chiếm chỗ do khoảng khơng gian giữa các hạt rắn. Giá trị của độ rỗng phụ thuộc vào hình dạng hạt, dạng mà chúng sắp xếp trong lớp hạt (những hạt nhỏ cĩ thể lấp đầy độ rỗng giữa các hạt lớn hơn), kích thước của lớp hạt (độ rỗng gần buồng chứa hoặc là bề mặt bên trong khác với độ rỗng ở giữa lớp hạt). Độ rỗng được phỏng chừng từ dạng hình học của các hạt đơn lẻ là thiếu tin cậy trong thực tiễn.
Độ rỗng lớp hạt chỉ được tin cậy cao chỉ khi tiến hành thí nghiệm trong điều kiện cụ thể khi cĩ tính đến độ ẩm của hạt.
Độ rỗng của khối hạt ở trạng thái tĩnh được xác định bằng cơng thức: 1 0
Theo [14] độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu cĩ thể được tính bằng cơng thức thực nghiệm:
tt
(1.11) Kunii và Levenspiel [10] đưa ra phương trình tương quan về mặt cân bằng khối lượng:
Như vậy chiều cao lớp hạt khi sơi tối thiểu:
H
(1.12)
(1.13)
Trong đĩ 0; H0 là độ rỗng và chiều cao của lớp hạt ở trạng thái tĩnh; tt, Htt là độ rỗng và chiều cao của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu.
Khi tính tốn độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi ổn định, Zabrodsky [14] đưa ra cơng thức tính theo tiêu chuẩn Reynolds và Archimedes như sau:
s
Khi lớp hạt bị dịng tác nhân khí lơi cuốn thì = 1.
(1.14)
1.3.5. Các tính chất thủy động học của quá trình sấy tầng sơi
1.3.5.1. Vai trị của vận tốc hĩa sơi tối thiểu
Các giai đoạn của tầng sơi phần lớn dựa vào vận tốc khí vượt qua lớp hạt. Theo Ridgeway và Quinn [15] các giai đoạn của tầng sơi cĩ thể tĩm tắt lại như sau:
a)Tầng tĩnh
b) Tầng giãn nỡ
c)Tầng động
d) Hình thành bọt
e)Dịch chuyển theo dịng khí
Một lượng vật liệu rắn mịn được biến đổi thành tầng sơi nhờ tác động nâng của dịng khí đi xuyên qua lớp vật liệu đĩ. Do đĩ, ba giai đoạn cĩ thể xác định được trong tầng sơi là dựa vào vân tốc khí thổi xuyên qua, bao gồm:
1) Tầng chặt hay tầng tĩnh
2) Tầng giãn nở hay tầng hĩa sơi hạt
(a) Vận tốc nhỏ (b) Vận tốc trung gian (vừa đủ) (c) Vận tốc lớn
v0 < vtt vtt ≤ v0 < vth v0 ≥ vth
Hình 1.17 Tầng chặt, sơi, động38 38
Khi chất lưu được thổi lên trên với tốc độ rất thấp thì chất lưu sẽ thẩm thấu qua các lỗ trống mà khơng làm xáo trộn tầng vật liệu. Đĩ là giai đoạn tầng chặt (tầng tĩnh).
Nếu tốc độ dịng lưu chất rất lớn thì nĩ sẽ tập trung đầy khơng khí và cĩ thể bị quét ra khỏi bồn chứa. Giai đoạn đĩ được gọi là tầng động.
Tại một tốc độ dịng lưu chất trung gian thì tầng bị giãn nở. Đĩ là giai đoạn tầng giãn nở.
Sau giai đoạn tầng động nếu vận tốc khí tăng thêm nữa thì tầng bị giãn nở đáng kể cùng với việc gia tăng lỗ trống và giai đọan hình thành bọt xuất hiện.
Nếu vận tốc khí tăng thêm nữa thì từ từ lực nâng của khí sẽ thổi vật liệu ra khỏi tầng cùng lúc đĩ đưa đến giai đoạn vận chuyển bằng khí.
Trong tầng chặt thì các hạt vật liệu tiếp xúc trực tiếp với nhau nâng đỡ lẫn nhau. Trong tầng giãn nở thì các hạt cĩ một khoảng cách tự do trung bình với nhau và được nâng bởi lực nâng của khí. Tầng giãn nỡ cĩ tính chất của chất lưu nên cũng được gọi là tầng sơi.
Tầng chặt đạt được khi vận tốc mặt ngồi (vận tốc tới) v0 nhỏ hơn nhiều so với vận tốc hĩa sơi tối thiểu. Tầng sơi đạt được khi vận tốc tới nằm giữa (trung gian) giữa vận tốc hĩa sơi tối thiểu và vận tốc cuối. Tầng động đạt được khi vận tốc tới lớn hơn rất nhiều so với vận tốc cuối của hạt (vth).
Do đĩ vấn đề đặt ra là phát triển các khái niệm về vận tốc hĩa sơi tối thiểu (vtt) mà tại đĩ tầng sơi bắt đầu hình thành. Vì vậy vấn đề chính yếu là làm sao xác định được và tối ưu vtt
để tăng hiệu suất tầng sơi.
1.3.5.2. Các phương pháp xác định vận tốc hĩa sơi tối thiểu
Việc xác định vận tốc hĩa sơi tối thiểu đĩng vai trị quan trọng trong hiệu quả của việc vận hành hệ thống tầng sơi. Dựa vào bản chất của phân bố kích thước của tầng thì cách tính vtt sẽ khác nhau.
a. Theo phương trình Ergun
Khi dịng khí cĩ áp suất và vận tốc đủ lớn đi qua lớp hạt tĩnh sẽ làm lớp hạt bắt đầu giãn nở (các hạt vật liệu trở nên “linh động”), trạng thái này được gọi là trạng thái hĩa sơi tối thiểu và được mơ phỏng và giải thích bằng phương trình Ergun đối với vật liệu cĩ hình dạng bất kỳ:
Trong đĩ:
– Cầu tính của hạt
Htt – Chiều dày lớp hạt hĩa sơi tối thiểu, m
tt – Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu vtt – Vận tốc khí bề mặt đi qua lớp hạt, m/s
k – Độ nhớt động học của dịng khí, N.s/m2
(1.15)
Về mặt lý thuyết để hạt cĩ thể hĩa sơi thì trọng lượng thực của lớp hạt phải cân bằng với lực tác động hướng lên lớp hạt và cĩ giá trị bằng tổn áp qua lớp hạt Δp nhân với diện tích mặt cắt ngang của buồng chứa hạt (A). Với lớp hạt sơi tối thiểu cĩ chiều dày lớp là Htt, độ xốp khối hạt
(1– tt)( h – k).A.Htt.g
Cân bằng hai thành phần trọng lượng thực của khối hạt và lực tác động hướng lên khối hạt của dịng khí cĩ giá trị tính theo:
Thay phương trình (1.17) vào (1.15) ta được:
(1
b. Theo mối tương quan của tiêu chuẩn Reynolds (Rett) và tiêu chuẩn Archimedes (Ar)