Cơ sở lý thuyết

II. Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của nguyên liệu đến hiệu suất và chất lượng

1. Cơ sở lý thuyết

Việc lấy đường từ nước mía trong được tiến hành theo 2 giai đoạn: cơ đặc nước mía ở thiết bị cơ đặc thành mật chè và nấu mật chè ở thiết bị nấu chân khơng.

Nhiệm vụ của hệ cơ đặc là bốc hơi nước mía cĩ nồng độ 1315Bx đến mật chè 6065Bx. Nếu cơ đặc nước mía đến nồng độ chất khơ quá cao ( >70Bx ) sẽ xuất hiện tinh thể đọng lại trong đường ống và bơm. Mặt khác nồng độ mật chè quá lớn, độ nhớt lớn, lọc khĩ khăn.

1.1 Lượng nước bốc hơi.

Cơng thức:         2 1 1 C C G W Trong đĩ

- W: Lượng nước bốc hơi so với mía (%). - C1: Nồng độ chất khơ của nước mía (Bx) ` - C2: Nồng độ chất khơ mật chè (Bx)

- G: Trọng lượng nước mía so với mía (%).

Nếu bốc hơi nước mía từ 15 Bx lên 60 Bx thì lượng nước bốc hơi:

G G W 0,75 60 15 1        

1.2. Lượng nhiệt dùng bốc hơi

Lượng nhiệt cần thiết để đưa nước mía trong đến trạng thái sơi: Q1 = G.(t2 – t1 ).C (W)

Trong đĩ:

- G: Trọng lượng nước mía so với mía (%). - t2: Nhiệt độ sơi của nước mía trong (oC) - t1: Nhiệt độ nước mía trong vào bốc hơi (oC) - C: Nhiệt dung riêng của nước mía trong, ( J/kg.độ) Lượng nhiệt cần để bốc hơi:

Q2 = W.r (W) Trong đĩ:

- r: Nhiệt lượng riêng của hơi ( J/kg) Tổng nhiệt lượng cần dùng: Q = Q1 + Q2 = G.(t2 – t1 ).C + W.r Q = G.[( t2 – t1 ).C + f.r] Với         2 1 1 n n f là hệ số bốc hơi

Nhiệt tổn thất ra mơi trường xung quanh phụ thuộc vào chất lượng của chất cách nhiệt. Thường lấy từ 310% so với lượng hơi dùng.

Trong trường hợp bốc hơi một nồi, để bốc hơi nước từ 15 Bx lên 60 Bx tức là bốc hơi 75% nước so với mía, tiêu hao một lượng hơi 75% so với mía, cĩ nghĩa cứ bốc hơi 1kg nước thì tiêu hao 1kg hơi.

Trong nhà máy đường hiện đại, dùng hệ bốc hơi nhiều hiệu để cơ đặc nước mía. Hơi thứ của nồi bốc hơi được dùng làm hơi đốt. Hơi thứ hiệu I dùng làm hơi đốt cho hiệu II, hơi thứ hiệu II dùng làm hơi đốt cho hiệu III, hơi hiệu III dùng làm hơi đốt cho hiệu IV, hiệu IV ( hiệu cuối) cĩ thể dùng đun nĩng nước mía hoặc trực tiếp đi vào thiết bị ngưng tụ. Nước mía qua mỗi hiệu đều bốc hơi một phần nước, nồng độ nước mía tăng dần lên.

Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt ở các hiệu là phải cĩ sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch đường tức là sự chênh lệch áp suất hơi đốt và hơi thứ trong các hiệu. Áp suất trong các hiệu giảm dần từ hiệu đầu đến hiệu cuối. Hệ cơ đặc nhiều nồi mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc sử dụng hơi thứ.

Tuy nhiên việc thiết kế thêm một nồi cơ đặc, lượng hơi tiết kiệm được khơng nhiều nhưng hiệu số nhiệt độ cĩ ích giữa các hiệu giảm, tăng vốn đầu tư, tăng chi phí khấu hao mịn, thao tác và quản lý phức tạp. Vì vậy trong nhà máy đường thường dùng hệ cơ đặc 35 hiệu nhưng hệ cơ đặc 4 hiệu là thích hợp nhất.

1.3. Tổn thất nhiệt trong quá trình bốc hơi

a. Tổn thất nhiệt do tăng nhiệt độ sơi

Trong cùng một điều kiện áp lực, nhiệt độ sơi của dung dịch đường cao hơn nhiệt độ sơi của nước. Nhiệt độ cao hơn đĩ gọi là độ tăng nhiệt độ sơi.

b. Tổn thất tĩnh áp.

Tổn thất tĩnh áp là do áp suất cột dung dịch trong thiết bị gây nên. Ví dụ ở đáy của một cột nước cao 1m chịu áp suất 0,1 at, mật chè cĩ nồng độ 60 Bx, tỷ trọng 1,289g/cm3, cao 1m chịu áp suất 0,1289 at. Lúc nồng độ mật chè 60 Bx, sơi ở 660 mmHg, trên bề mặt chè chịu chịu áp suất hơi thứ 0,136 at. Do đĩ, ở điểm cách bề mặt dung dịch 1m cĩ áp suất 0,136 + 0,1289 = 0,265 at. Như vậy điểm sơi trên bề mặt dung dịch 51,5oC, điểm sơi cách bề mặt 1m là 65,8oC, tăng 14,3oC. Do đĩ, lúc bốc hơi thường xảy ra hiện tượng quá nhiệt ở đáy nồi.

c. Tổn thất đường ống : .''' 

Hơi thứ từ hiệu trước sang hiệu sau, qua đường ống giữa hai hiệu chịu ảnh hưởng của trở lực đường ống làm giảm nhiệt độ.

Dựa vào thực tế, tổn thất nhiệt độ đường ống giữa hai hiệu thơng thường lấy từ 11,5oC

Tổng tổn thất nhiệt độ : ' '''''

1.4. Năng suất bốc hơi

Năng suất bốc hơi là lượng hơi bốc trong một đơn vị thời gian và đơn vị diện tích của hệ cơ đặc :   F W E ( kg/m2.h) Trong đĩ :

- E : Năng suất bốc hơi của hệ cơ đặc, ( kg/m2.h) - W : Tổng lượng nước bốc hơi, kg/h

- F : Tổng diện tích truyền nhiệt, m2 Lượng nhiệt Q cần cho bốc hơi tính theo cơng thức :

Q = k.F.(t1 – t2), (W ) Trong đĩ :

- F : Diện tích truyền nhiệt, m2 - k : Hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ

t1 – t2 = t : Hiệu số nhiệt độ cĩ ích, oC

t k Q F   . , m2 1.5. Hệ số truyền nhiệt

Cơng thức tính hệ số truyền nhiệt :

       2 1 1 1 1 k , ( m2.độ/W) Trong đĩ :

- 1: Hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành ống truyền nhiệt, W/m2.độ - 2: Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch, W/m2.độ

- : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thành ống, W/m.độ -  : Chiều dày thành ống, m

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt

Cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (1); tính chất vật lý của hơi ngưng tụ dạng ngưng tụ- ngưng tụ màng hay ngưng tụ giọt, trạng thái bề mặt truyền nhiệt ( nếu cĩ dầu thì 1 giảm), khí khơng ngưng trong hơi đốt, việc thốt nước ngưng tụ.

Ảnh hưởng đến 1 gồm các yếu tố sau:

- Tăng hiệu số nhiệt độ cĩ ích và nhiệt độ sơi dung dịch thì cĩ thể tăng 2 và do đĩ tăng hệ số truyền nhiệt. Khi nhiệt độ sơi giảm hệ số truyền nhiệt giảm.

- Chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt. Để đảm bảo tuần hoàn tốt, chiều cao dung dịch trong ống thường từ 1/21/3 so với chiều cao của ống. Giảm chiều cao dung dịch, giảm độ nhớt dung dịch và đối lưu tốt.

- Tốc độ dung dịch vào ống truyền nhiệt

- Tính chất của dung dịch cơ đặc, nồng độ dung dịch tăng, hệ số cấp nhiệt 2

giảm.

- Mức độ sạch của diện tích truyền nhiệt, yếu tố này là một trong những yếu tố quan trọng của nhà máy đường. Trong nhà máy đường khơng thể tránh khỏi đĩng cặn, khơng thể ngăn ngừa hoàn tồn sự phát sinh cặn được. Do đĩ cần chọn kích thước diện tích truyền nhiệt thích hợp để giảm đĩng cặn và đạt được năng suất thiết bị.

2. Hĩa học của quá trình cơ đặc

Kết quả của quá trình bốc hơi là hơi nước bị bốc đi và trên cơ bản khơng cĩ sự thay đổi thành phần hoặc tính chất của chất khơ trong dung dịch. Tuy nhiên trong quá trình cơ đặc vẫn xảy ra nhiều phản ứng hĩa học và hĩa lý và dẫn đến sự thay đổi thành phần và đặc tính của chất tan. Nước ngưng tụ trong nồi cơ đặc nhiều nồi khơng phải là nước nguyên chất mà chứa ít đường và chất khơng đường. Sự cĩ mặt của đường trong nước ngưng sẽ dẫn đến ăn mịn nồi hơi. Mặt khác dưới tác dụng của nhiệt độ, xảy ra sự phân hủy đường và chất khơng đường.

a. Sự chuyển hĩa Sac.

Nếu dung dịch đường cĩ tính acid hoặc một số chất khơng đường trong quá trình cơ đặc bị phân hủy, tạo ra acid thì dưới tác dụng của nhiệt sẽ dẫn đến sự chuyển hĩa Sac. Thơng thường sự tổn thất đĩ khơng quá 0,01%.

b. Sự phân hủy Sac và tăng màu sắc.

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao đường Sac bị caramen hĩa, lượng caramen tạo thành phụ thuộc vào thời gian truyền nhiệt, nhiệt độ và pH. Chỉ cần một lượng caramen rất nhỏ cũng làm cho nước mía cĩ màu đậm.

Ngồi ra, đường khử bị phân hủy hoặc kết hợp với những chất chứa Nitơ tạo thành melanoidin tăng màu sắc của nước mía. Sự tăng màu sắc của nước mía trong quá trình bốc hơi phụ thuộc vào hiệu quả làm sạch nước mía, thời gian và nhiệt độ cơ đặc.

c. Độ tinh khiết tăng cao.

Độ tinh khiết tăng trong quá trình cơ đặc phụ thuộc vào phương pháp làm sạch. Đối với phương pháp vơi độ tinh khiết tăng 0,71,0, phương pháp sunphit hĩa tăng 0,8 1,0 và phương pháp cacbonat hĩa tăng 0,20,5.

Độ tinh khiết tăng cao là do những nguyên nhân sau:

- Chất khơng đường bị phân hủy. Do sự phân hủy acid amin và muối cacbonat sinh ra CO2, NH3 làm cho độ tinh khiết mật chè tăng khoảng 0,1%

- Sự tạo cặn trong thiết bị cơ đặc, cứ 2000 tấn nước mía 15 Bx tạo chừng 1 tấn cặn.

d. Sự thay đổi độ kiềm.

Nguyên nhân của quá trình giảm độ kiềm - Sự phân hủy amít ví dụ asparagm

- Sự phân hủy đường khử tạo acid hữu cơ làm giảm độ kiềm.

- Sự tạo caramen của đường Sac tuy tác dụng rất nhỏ nhưng cũng cĩ ảnh hưởng đến sự giảm độ kiềm.

Hiện tượng tăng độ kiềm trong quá trình bốc hơi rất ít thấy. Nếu thao tác bình thường khi thơng SO2 và CO2 lần 2 thì khơng xảy ra hiện tượng tăng độ kiềm, khi độ kiềm tự nhiên tăng cao thì hiện tượng tăng độ kiềm tương đối rõ rệt.

O H CO CO K KHCO3 2 3 2 2 2    O H SO SO K KHSO3 2 3 2 2 2   

Sự xuất hiện của K2CO3, K2SO3, CO2 và SO2 làm giảm tính acid của nước mía và làm tăng độ kiềm.

f. Sự tạo cặn.

Trong quá trình bốc hơi, nước mía được cơ đặc và thể tích giảm chừng ¼, chất khơng đường được tập trung ở trạng thái bão hịa. Từ dung dịch quá bão hịa đĩ, cặn được tạo thành trong thiết bị cơ đặc, làm tổn hao nhiệt. Trong dung dịch quá bão hịa hiện tượng tạo cặn sẽ phát sinh trước hết ở những chỗ dung dịch tiếp xúc trực tiếp với diện tích đốt. Do đĩ ta thường thấy cặn xuất hiện nhiều ở phần dưới của ống truyền nhiệt. Cùng với sự tăng nồng độ Sac, sự hịa tan của một số chất bị giảm ( CaSO4 ). Những chất đĩ tạo cặn trong những thiết bị cơ đặc cuối.

Cĩ thể khẳng định rằng tốc độ bốc hơi càng nhanh, sự tạo cặn càng ít. Người ta đã khẳng định được rằng trong hệ cơ đặc 4 hiệu tạo cặn ít hơn so với hệ cơ đặc 5 hiệu. Chiều cao cột dung dịch trong thiết bị cĩ ảnh hưởng quan trọng đến sự tạo cặn. Trong trường hợp hệ cơ đặc cĩ thiết bị khống chế chiều cao cột dung dịch và cĩ sự tuần hoàn mạnh mẽ việc tạo cặn sẽ giảm đi rõ rệt.

Để tránh ăn mịn thiết bị, trước khi đun với acid cần cho vào thiết bị những chất “ kìm hãm” sự ăn mịn ví dụ như ryphalgen A. Ryphalgen A cĩ tác dụng tốt, dễ hịa tan và phân bố đều trong dung dịch acid. Hàm lượng ryphalgen A cho vào thiết bị phụ thuộc vào nồng độ acid và nhiệt độ.

1- Ống thốt hơi 2- Ống dẫn hơi 3, 9- Cửa vệ sinh 4- Vành chắn hơi 5- Kính soi 6- Kính thăm 7- Cánh chống xốy

3. Cấu tạo của thiết bị cơ đặc

* Những yêu cầu của thiết bị cơ đặc

- Khoảng khơng gian nước mía cần nhỏ nhất, khơng cĩ khoảng khơng chết. - Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất.

- Thiết bị giản đơn, diện tích đốt dễ làm sạch và dễ thay đổi - Thao tác khống chế đơn giản, tự động hố dễ dàng.

* Ở nhà máy đường thường dùng nhiều loại thiết bị cơ đặc khác nhau. Nhưng bất cứ loại nào cũng đều cĩ phịng đốt, phịng bốc hơi, thiết bị thu hồi đường, ống nước mía chảy vào, ống thốt khí khơng ngưng, ống thốt nước ngưng tụ … Kích thước đường kính và chiều cao của thiết bị phụ thuộc vào năng suất sản xuất và kích thước diện tích truyền nhiệt.

Cĩ nhiều thiết bị cơ đặc, ở nhà máy thường sử dụng thiết bị cơ đặc ống chùm. Đây là thiết bị cơ đặc ống chùm, ống truyền nhiệt thẳng đứng. Hơi đốt đi vào bộ phận dưới gọi là phịng đốt. Nước mía đi trong ống truyền nhiệt, hơi đi ngồi ống. Sau khi cấp nhiệt hơi ngưng tụ thành nước tháo

ra ở đáy phịng đốt, khí khơng ngưng thốt ra ở phần trên phịng đốt. Ở giữa diện tích đốt cĩ ống tuần hồn. Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt tạo nên đối lưu trong thiết bị.

8- Hộp đồng hồ 10- Cánh chắn 11- Cơn cản hơi 12- Tấm chắn hơi 13- Ống thốt nước

Tất cả các loại thiết bị bốc hơi đều làm việc liên tục, nước mía trong khơng ngừng chảy vào thiết bị, mật chè chảy ra liên tục. Hơi thứ ở phịng bốc hơi, sau khi đi qua bộ phận thu hồi đường, theo ống hơi đi cung cấp cho các bộ phận khác hoặc

bị. Mức nước trong ống thuỷ tinh nên duy trì thấp một ít nhưng phải đảm bảo mức dung dịch trong thiết bị cao hơn bề mặt đốt. Độ cao trong ống thuỷ tinh cần đạt 1/3 độ cao của ống truyền nhiệt. Lúc dung dịch đường ít, phần trên bề mặt đốt khơng bị ngập, sẽ cĩ tác hại giảm tốc độ tuần hoàn dẫn đến sự truyền nhiệt tốt, cũng ảnh hưởng đến năng suất bốc hơi.

II.5 Nấu đường và kết tinh

Nhiệm vụ nấu đường là tách nước từ mật chè, đưa dung dịch đến quá bão hịa. Sản phẩm nhận được sau khi nấu gọi là đường non gồm tinh thể đường và mật cái.

Quá trình nấu đường được thực hiện trong nồi nấu chân khơng để giảm nhiệt độ sơi dung dịch, tránh hiện tượng caramen hĩa và phân hủy đường.

Nhiệt độ nấu đường trong khoảng 7080oC. Đối với những sản phẩm cấp thấp quá trình kết tinh cịn tiếp tục thực hiện trong các thiết bị kết tinh làm lạnh bằng phương pháp giảm nhiệt độ.

1. Động học của quá trình kết tinh đường.

Quá trình kết tinh đường gồm 2 giai đoạn: Sự xuất hiện nhân tinh thể ( mầm) và sự lớn lên của tinh thể với tốc độ nhất định.

a. Sự xuất hiện nhân tinh thể hay sự tạo mầm.

Lý thuyết về sự xuất hiện nhân tinh thể trong dung dịch là một vấn đề phức tạp. Ngoài tính phức tạp về bản chất của quá trình, sự tạo mầm cịn mang tính chất ngẫu nhiên. Hiện nay cĩ nhiều ý kiến của đề tài này.

Sac là một trong những chất rất khĩ tự xuất hiện nhân tinh thể trong dung dịch quá bão hịa của nĩ. Theo tài liệu nĩ chỉ xuất hiện khi  > 1,31,4 ( trong dung dịch đường khơng tinh khiết).

Để tăng nhanh sự xuất hiện nhân tinh thể, người ta thường dùng các phương pháp kích thích tạo mầm hay phương pháp tinh chủng. Lúc đĩ tinh thể đường sẽ xuất hiện ở giá trị  = 1,2 1,25.

Trên đồ thị trạng thái của dung dịch đường Sac chia làm 3 vùng quá bão hịa: - Vùng ổn định: Hệ số quá bão hịa thấp  = 1,11,15. Trong vùng này tinh thể chỉ lớn lên mà khơng xuất hiện các tinh thể mới.

- Vùng trung gian:  = 1,2 1,25, trong vùng này khơng chỉ tinh thể lớn lên