Tài liệu Thiết kế nhà máy sản xuất đường thô hiện đại năng suất 2150 tấn míangày theo phương pháp khuếch tán.

Đồ án tốt nhiệp -1- Thiết kế nhà máy đường hiện đại MỞ ĐẦU Đường là một nhu cầu cần thiết trong đời sống hàng ngày của con người, ngoài ra nó còn là nguyên liệu quan trọng trong các ngành sản suất bánh kẹo, nước giải khát, dược phẩm… Theo các số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, thì nhu cầu đường trong nước hàng năm vào khoảng 1,3 triệu tấn đến 1,4 triệu tấn đường/năm, trong khi đó tổng sản lượng đường cung cấp của 37 Nhà máy đường trên khắp cả nước chỉ đạt khoảng 970.000 tấn. Do đó, hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu trung bình khoảng 300.000 tấn đến 400.000 tấn đường/năm. Như vậy, nhu cầu đối với các sản phẩm của ngành đường Việt Nam rất là to lớn. Đối với các nước có sản lượng sản xuất và xuất khẩu đường đứng đầu thế giới như Brazil, Ấn Độ, Úc, Thái Lan…hiện tại đã bước vào giai đoạn thực hiện cắt giảm hỗ trợ xuất khẩu cho ngành đường, do vậy giá đường tinh luyện của các nước này dự báo trong tương lai gần cũng sẽ có nhiều điều chỉnh. Đối với các nước trong khối EU, ngành đường cũng sẽ không còn trợ cấp bằng cách từng bước giảm bỏ trợ giá cho việc trồng củ cải đường, diện tích trồng củ cải đường ở Châu Âu dự kiến sẽ giảm. Như vậy, ngành đường thế giới sẽ tiến tới có sân chơi chung áp dụng cùng luật chơi, sẽ tồn tại và phát triển theo các qui luật kinh tế. Thêm vào đó, một số nước như Brazil, Colombia, Mỹ… đang nghiên cứu chương trình năng lượng sạch trong đó sẽ sử dụng nhiên liệu mới là ethanol được sản xuất từ nước mía hoặc mật rỉ. Việc sử dụng nước mía vào sản xuất ethnol để bổ sung nhiên liệu sẽ tiếp tục có tác động lớn đến quan hệ cung - cầu về đường trên thế giới. Do vậy, dự báo giá đường trên thế giới sẽ còn tiếp tục tăng và ngành đường sẽ có nhiều thuận lợi trong tương lai. [20] Với xu hướng như vậy, việc xây dựng các nhà máy đường hiện đại có năng suất cao để đáp ứng nhu cầu của thị trường là điều rất cần thiết. Hiện nay, ở nước ta đã có hai nhà máy sản xuất đường tinh luyện (nhà máy đường Biên Hoà và Khánh Hội) từ nguyên liệu là đường thô, nhưng các nhà máy sản suất đường thô chưa đáp ứng được nhu cầu nguyên liệu cho các nhà máy này. Vì vậy, trong đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -2- Thiết kế nhà máy đường hiện đại này, em đã thực hiện đề tài “Thiết kế nhà máy sản xuất đường thô hiện đại năng suất 2150 tấn mía/ngày theo phương pháp khuếch tán”. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -3- Thiết kế nhà máy đường hiện đại CHƯƠNG I: LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT Quảng Nam là một tỉnh thuộc vùng duyên hải Nam Trung Bộ, là một vùng đất còn lưu giữ nhiều dấu tích của nền văn hoá Chămpa. Đây là một tỉnh đang trên đà phát triển, đất rộng người đông. Hiện nay trên địa bàn tỉnh chưa có nhà máy đường nào được xây dựng. Qua khảo sát, huyện Thăng Bình thuộc tỉnh Quảng Nam có đầy đủ các điều kiện để xây dựng một nhà máy đường hiện đại. 1.1. Đặc điểm thiên nhiên Nhà máy được đặt trên địa bàn xã Bình Quý, là một xã có diện tích rộng, bằng phẳng thuận lợi cho việc xây dựng nhà máy đường. Hơn nữa, Bình Quý nằm trên quốc lộ 14B, cách quốc lộ 1A khoảng 5km nên giao thông rất thuận lợi, trên địa bàn còn có hệ thống kênh dẫn nước từ hồ Phú Ninh và một con sông chảy qua nên nguồn cung cấp nước cho nhà máy được đảm bảo. Khí hậu: nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, chỉ có hai mùa là mùa mưa và mùa khô.Nhiệt độ trung bình hằng năm là 25,4 0C. Độ ẩm trung bình hằng năm đạt 84%, lượng mưa trung bình 2000 – 2500 mm rất thuận lợi cho cây mía phát triển. 1.2. Vùng nguyên liệu Trên địa bàn huyện, đại đa số sản xuất nông nghiệp, thích hợp cho các loại cây trồng nhiệt đới sinh trưởng và phát triển, vì vậy rất thuận lợi cho việc trồng mía. Cách đây vài năm, một nhà máy đường được xây dựng tại Quế Sơn nên các vùng lân cận trở thành vùng cung cấp nguyên liệu mía cho nhà máy. Sau khi nhà máy giải thể, hầu hết các hộ nông dân chuyển qua trồng lúa. Vì vậy khi xây dựng nhà máy tại Bình Quý thì việc quy hoạch vùng nguyên liệu sẽ dễ dàng. Bên cạnh đó, các huyện lân cận như Phú Ninh, Quế Sơn, Hiệp Đức, Duy Xuyên, Điện Bàn… cũng sẽ là nguồn cung cấp nguyên liệu cho nhà máy. Như vậy, với vùng nguyên liệu rộng lớn có thể đảm bảo cho nhà máy hoạt động với năng suất 2150 tấn mía/ngày. 1.3. Hợp tác hoá Nhà máy sản xuất đường thô sẽ là nguồn cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất đường tinh luyện như nhà máy đường Biên Hoà, Khánh Hội…Sự liên GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -4- Thiết kế nhà máy đường hiện đại kết với các nhà máy này giúp cho sản phẩm tiêu thụ nhanh hơn, đảm bảo cho quá trình sản xuất được liên tục. Ngoài ra, trên địa bàn tỉnh Quảng Nam còn có nhiều cơ sở sản xuất bánh kẹo thủ công nhỏ đều sử dụng đường thô làm nguyên liệu, đồng thời một bộ phận dân cư khá đông ở các huyện miền núi, vúng sâu vùng xa là đối tượng tiêu dùng sản phẩm. Để đạt được hiệu quả kinh tế thì hầu hết các phế liệu được sử dụng triệt để. Bã mía vừa là chất đốt phục vụ cho nhà máy, bùn lọc từ mật chè được bán cho các cơ sở sản xuất phân vi sinh ở Điện Bàn, mật rỉ của nấu đường được bán cho nhà máy sản xuất cồn khô tron khu công nghiệp Điện Nam – Điện Ngọc. 1.4. Nguồn cung cấp điện Nguồn cung cấp điện cho nhà máy được lấy chủ yếu từ tuabin hơi cùa nhà máy khi hoạt động, hiệu điện thế sử dụng là 220/380 V Ngoài ra nhà máy còn sử dụng nguồn điện lấy từ điện lưới quốc gia 500 KV đi ngang qua địa bàn và được hạ thế xuống 200/380 V để sử dụng khi khởi động máy và khi máy không hoạt động thì sử dụng để sinh hoạt, chiếu sáng. Để đảm bảo cho nhà máy được sản xuất liên tục thì lắp thêm một máy phát điện dự phòng. 1.5. Nguồn cung cấp hơi Để thuận tiện cho quá trình sản xuất, hiện nay hầu hết các nhà máy sản xuất đường đều sử dụng nguồn hơi riêng để phục vụ cho các công đoạn sản xuất: bốc hơi, nấu đường, sấy…Trong quá trình sản xuất để tiết kiệm hơi, ta dùng hơi thứ của thiết bị trước làm hơi đốt cho thiết bị sau. 1.6. Nhiên liệu Trong nhà máy, lò hơi là nơi sử dụng nguyên liệu nhiều nhất. Bã mía được tận dụng làm hơi đốt cho nồi hơi. Trong thời kì đầu vụ, bã mía không đủ thì người ta sử dụng nguyên liệ khác như dầu FO, củi đốt. Còn để bôi trơn cho các thiết bị khác ta dùng dầu bôi trơn. Dầu FO, dầu bôi trơn, xăng dầu cho các phương tiện vận chuyển được đặt mua tại các công ty xăng dầu địa phương gần nhà máy. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -5- Thiết kế nhà máy đường hiện đại 1.7. Nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước Nước trong nhà máy được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: cung cấp cho lò hơi, nước khuếch tán, rửa bã, làm nguội máy móc, sinh hoạt…Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta phải xử lý theo các chỉ tiêu khác nhau về hoá học, lý học, sinh học nhất định. Nguồn nước cung cấp cho nhà máy được lấy từ trạm nước của hồ Phú Ninh hoặc sông nên phải được xử lý trước khi đưa vào sử dụng. 1.8. Thoát nước Để đảm bảo sự phát triển bền vững của nhà máy thì vấn đề nước thải phải được quan tâm triệt để. Nước thải của nhà máy có chứa nhiều chất hữu cơ, là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khoẻ của công nhân và vùng dân cư lân cận. Do đó, nước thải sau khi sản xuất cần được tập trung và xử lí đạt yêu cầu trước khi đổ ra sông. 1.9. Giao thông vận tải Hệ thống giao thông vận tải cũng là một yếu tố đảm bảo sự phát triển của nhà máy. Nhà máy nằm trên quốc lộ 14B, cách quốc lộ 1A khoảng 5km về hướng Đông, cộng với hệ thống giao thông nông thôn trong vùng khá tốt là một lợi thế rất lớn của nhà máy, do đó có thể giảm được chi phí vận chuyển và lưu thông dễ dàng. 2.10. Nguồn cung cấp nhân công Huyện Thăng Bình có phần lớn dân cư sống bằng nghệ nông, đây là nguồn lao động dồi dào cung cấp cho nhà máy, do đó tiết kiệm được chi phí đầu tư xây dựng nhà ở sinh hoạt. Trình độ văn hoá hầu hết đã tốt nghiệp THCS, THPT nên nếu được đào tạo sẽ nhanh chóng nắm bắt được công nghệ và làm việc tốt. Bên cạnh đó, một bộ phận công nhân từng làm việc ở nhà máy đường tại Quế Sơn nên sẽ tiết kiệm được chi phí đào tạo. Đội ngũ cán bộ kỹ sư do các trương đại học, cao đẳng trong và ngoài tỉnh cung cấp: Đại học Đà Nẵng, đại học Quảng Nam, đại học Phan Chu Trinh, cao đẳng Công nghệ, cao đẳng Lương thực – Thực phẩm…có trình độ khoa học kỹ thuật tốt đáp ứng được các nhu cầu của nhà máy. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -6- Thiết kế nhà máy đường hiện đại  Tóm lại: Qua phân tích các điều kiện ở trên, việc xây dựng một nhà máy sản xuất đường thô hiện đại với năng suất 2150 tấn mía/ngày là hợp lý, đáp ứng được nhu cầu của thị trường, giải quyết được công ăn việc làm cho người dân đồng thời góp phần kích thích sự phát triển của huyện Thăng Bình nói riêng và tỉnh Quảng Nam nói chung. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -7- Thiết kế nhà máy đường hiện đại CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 2.1. Nguyên liệu mía 2.1.1. Giới thiệu về cây mía Cây mía có nguồn gốc từ Ấn Độ, nó xuất hiện từ một loại cây lau sậy hoang dại đã trở thành một trong những cây công nghiệp quan trọng trên thế giới. Mía trồng nhiều nhất ở châu Mỹ và châu Á, châu Âu trồng mía ít nhất. Các nước trồng nhiều mía như: Cuba, Brazil, Ấn Độ, Mehico, Trung Quốc… [3 – Tr9] Hình 2.1. Cây mía Trên thế giới, cây mía và củ cải đường là hai loại nguyên liệu quan trọng nhất của ngành công nghiệp sản xuất đường. Còn ở nước ta, do đặc điểm khí hậu nên mía là nguyên liệu duy nhất để sản xuất đường ăn. Mía đường là cây trồng có nhiều ưu điểm và có giá trị kinh tế cao 2.1.2. Tính chất và thành phần chủ yếu của mía và nước mía 2.1.2.1. Thành phần hoá học của mía và nước mía GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -8- Thiết kế nhà máy đường hiện đại Mía là nguyên liệu để sản xuất đường, quá trình gia công và điều kiện kỹ thuật đều căn cứ vào đặc tính mía. Đặc biệt là tính chất và thành phần hoá học của nước mía. Do đó cần nắm vững trước tiên tính chất và thành phần hoá học của mía. Thành phần hoá học của mía phụ thuộc vào giống mía, đất đai, khí hậu, mức độ chín… * Thành phần hoá học mía: - Thành phần nước: 70-75% - Thành phần đường: 9-15% - Thành phần xơ: 10-16% - Đường khử: 0,01-2% - Chất không đường: 1-3% * Thành phần nước mía - Chất hòa tan: 100 - Phần đường: 75-92 + Sacaroza : 70-88 + Glucoza: 2-4 + Fructoza: 2-4 - Các loại muối: 3-7,5 + Muối axit vô cơ: 1,5-4,5 + Muối axit hữu cơ: 1-3 - Axit hữu cơ tự do: 0,5-2,5 - Chất không đường hữu cơ khác: + Anbumin: 0,5-0,6 + Tinh bột : 0,001-0,05 + Chất keo: 0,3-0,6 + Chất béo (sáp mía): 0,05-0,15 + Chất không đường chưa xác định: 3-5 Lúc mía chín phần đường sacaroza cao nhất, lượng đường khử giảm xuống dưới 1% [2 - 4] GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp -9- Thiết kế nhà máy đường hiện đại 2.1.2.2. Tính chất lý hoá của sacaroza Sacaroza là thành phần quan trọng nhất của mía, là sản phẩm của công nghiệp sản suất đường. Do đó, ở đây ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu những tính chất lý học cũng như hoá học của sacaroza  Tính chất vật lý + Tinh thể sacaroza thuộc hệ đơn tà, trong suốt, không màu, tỉ trọng 1,5878 g/ml, nhiệt độ nóng chảy 186 – 188 0C. + Khối lượng phân tử 342,3 đvC + Độ hòa tan: Sacaroza dẽ hoà tan trong nước, không tan trong các dung môi hữu cơ. Độ hòa tan tăng theo chiều tăng của nhiệt độ. Độ hoà tan của sacaroza còn phụ thuộc vào các chất không đường có trong dung dịch đường. + Độ ngọt: Nếu lấy độ ngọt của đường sacaroza là 100 để so sánh thì: lactose (16) < maltose (32) < glucoza (74) < sacaroza (100) < fructoza (173) + Độ nhớt: Độ nhớt của dung dịch đường sacaroza tăng theo chiều tăng nồng độ và giảm theo chiều tăng nhiệt độ + Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng trung bình của sacaroza từ 22 0C tới 510C là 0,3019 kJ/kg.độ + Độ quay cực: Dung dịch sacaroza có tính quay phải, độ quay cực riêng của sacaroza rất ít phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ. Trị số độ quay cực trung bình của sacaroza là +66,50.  Tính chất hoá học + Tác dụng của axit: Dưới tác dụng của axit, sacaroza bị thuỷ phân thành glucoza và fructoza theo phản ứng: C12H22O11 + H2O H+ C6H12O6 + C6H12O6 sacaroza glucoza fructoza + 66,50 + 52,50 - 93,00 Hỗn hợp đường thu được có góc quay ngược với góc quay cực của đường sacaroza nên gọi là hỗn hợp đường nghịch đảo. Đường sacaroza bị chuyển hoá làm giảm sản lượng đường, giảm hiệu suất thu hồi đường. Đó là GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 10 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại một sự tổn thất đường rất quan trọng trong sản suất đường, cần cố gắng tránh hoặc giảm thiểu. + Tác dụng với chất kiềm: Phân tử sacaroza không có nhóm hidroxyt glucozit nên không có tính khử. Trong môi trường kiềm, sacaroza có thể coi như một axit yếu, vì vậy nó tác dụng với vôi tạo thành sacarat, phản ứng này phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, lượng kiềm và lượng sacaroza. Ở pH từ 8 đến 9 và đun nóng trong một thời gian dài, sacaroza bị phân huỷ thành các hợp chất có màu vàng và màu nâu. Trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao, đường bị phân huỷ tạo ra các axit và các chất màu, tốc độ phân huỷ tăng theo độ pH + Tác dụng của nhiệt độ: Dưới tác dụng của nhiệt độ cao (160-180 0C), sacaroza mất nước tạo thành caramen là sản phẩm có màu như caramenlan, caramenlen, caramenlin + Tác dụng của emzim: Dưới tác dụng của enzyme invectaza, sacaroza sẽ chuyển hoá thành glucoza và fructoza. Sau đó dưới tác dụng của phức hệ enzim, glucoza và fructoza sẽ chuyển hoá thành ancol và CO2 2.2. Cơ sở lý thuyết trong quá trình sản xuất đường 2.2.1. Quá trình lấy nước mía ra khỏi cây mía Để lấy nước mía ra khỏi cây mía, hiện nay trong công nghiệp đường người ta sử dụng hai phương pháp chính là phương pháp ép và phương pháp khuếch tán Phương pháp ép vẫn được sử dụng phổ biến từ mấy trăm năm nay. Nguyên lý chung của phương pháp là xé và ép dập cây mía nhằm phá vỡ các tế bào để lấy nước mía. Ép mía là công đoạn đầu tiên của cả quá trình sản xuất đường, được chia làm các giai đoạn nhỏ như sau: vận chuyển cấp mía vào máy ép, xử lý mía trước khi ép, ép dập và ép kiệt. Phương pháp khuếch tán ra đời sau phương pháp ép, tuy nhiên nó lại có nhiều ưu điểm, đặc biệt là hiệu suất lấy nước mía cao hơn. Nguyên lý của phương pháp này là dựa vào hiện tượng khuếch tán có nghĩa là hai dung dịch có nồng độ khác nhau tập trung lại sát bên nhau hoặc chỉ cách nhau một màng mỏng, tự trao đổi với GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 11 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại nhau bằng thẩm thấu xuyên qua màng mỏng ấy. Công nghệ khuếch tán bao gồm các công đoạn: xử lý mía, khuếch tán nước mía, ép nước khỏi bã mía và xử lý nước ép. 2.2.2. Quá trình làm sạch nước mía 2.2.2.1. Tác dụng của pH 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 hoá lý và hoá học các chất không đường trong nước mía và có hiệu quả rất lớn đến quá trình làm sạch. Việc thay đổi pH có các tác dụng sau: - Ngưng kết chất keo: Ở nước mía có hai điểm pH làm ngưng tụ keo: pH trên dưới 7 và pH trên dưới 11. Điểm pH trước là pH đẳng điện, điểm pH sau là điểm ngưng kết của protein trong môi trường kiềm mạnh. Trong quá trình làm sạch, ta lợi dụng các điểm pH này để ngưng tụ chất keo. - Làm chuyển hoá đường sacaroza: Khi nước mía ở môi trường axit (pH < 7) sẽ làm chuyển hoá sacaroza thành hỗn hợp glucoza và fructoza. - Làm phân huỷ sacaroza: Trong môi trường kiềm, dưới tác dụng của nhiệt, sacaroza bị phân huỷ thành các sản phẩm rất phức tạp - Làm phân huỷ đường khử - Tách loại các chất không đường 2.2.2.2. Tác dụng của nhiệt độ Phương pháp dùng nhiệt độ để làm sạch nước mía là một trong những phương pháp quan trọng. Khi khống chế được nhiệt độ tôt sẽ thu được những tác dụng chính sau: - Loại không khí trong nước mía, giảm bớt sự tạo bọt, tăng nhanh các quá trình phản ứng hoá học - Có tác dụng tiệt trùng, đề phòng sự lên men axit và sự xâm nhập của vi sinh vật vào nước mía - Nhiệt độ tăng cao làm tỉ trọng nước mía giảm, đồng thời làm chất keo ngưng tụ, tăng nhanh tốc độ lắng của các chất kết tủa 2.2.2.3. Tác dụng của các chất điện ly GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 12 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại a. Tác dụng của vôi - Trung hoà các axit hữu cơ và vô cơ - Tạo các điểm đẳng điện để ngưng kết các chất keo - Làm trơ phản ứng axit của nước mía hỗn hợp và ngăn ngừa sự chuyển hoá đường sacaroza - Kết tủa hoặc đông tụ những chất không đường: protein, pectin, chất màu… - Phân huỷ một số chất không đường, đặc biệt là đường chuyển hoá, amit - Tác dụng cơ học: các chất kết tủa tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng và những chất không đường khác - Sát trùng nước mía b. Tác dụng của SO2 - Tạo kết tủa CaSO3 có khả năng hấp thụ các chất không đường, chất màu và chất keo có trong dung dịch. - Làm giảm độ kiềm, độ nhớt của dung dịch do một phần chất keo đã bi loại - Tẩy màu và ngăn ngừa sự tạo màu - Làm tan kết tủa CaSO3 khi dư SO2 c. Tác dụng của CO2 - Tạo kết tủa CaCO3 với vôi có khả năng hấp thụ các chất không đường cùng kết tủa - Phân ly muối sacarat canxi tạo thành sacaroza và CaCO3 kết tủa - Nếu CO2 dư sẽ làm tan kết tủa CaCO 3 làm đóng cặn trong thiết bị truyền nhiệt và bốc hơi d. Tác dụng của P2O5 P2O5 dạng muối hoặc axit sẽ kết hợp với vôi tạo thành kết tủa Ca 3(PO4)2, kết tủa này có tỷ trọng lớn có khả năng hấp thụ chất keo và chất màu cùng kết tủa. Khi vôi làm sạch nước mía có đủ lượng P2O5 nhất định thì hiệu quả làm sạch tăng rõ rệt 2.2.3. Quá trình cô đặc Nước mía sau khi làm sạch có nồng độ chất khô khoảng 12 – 15Bx. Để đáp ứng nhu cầu nấu đường, cần cô đặc nước mía đến khoảng 65Bx gọi là mật chè và GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 13 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại do đó cần bốc hơi một lượng nước lớn và để tiết kiệm hơi cần thực hiện ở hệ bốc hơi nhiều hiệu. Trong quá trình bốc hơi, tuy rằng tiêu hao một lượng hơi nhiều nhưng đồng thời cũng sản sinh ra một lượng hơi thứ lớn. Hơi thứ có nhiệt độ cao, nên được sử dụng làm nguồn nhiệt cho các công đoạn khác như nấu đường, gia nhiệt. Do đó, công đoạn bốc hơi là trung tâm hệ thống nhiệt của toàn nhà máy, là trạm cung cấp hơi áp lực thấp. Có phương án bốc hơi hợp lý sẽ giảm tiêu hao năng lượng hơi và giảm giá thành. Có 3 phương án nhiệt của hệ bốc hơi: - Phương án bốc hơi áp lực - Phương án bốc hơi chân không - Phương án bốc hơi áp lực chân không Trong quá trình bốc hơi, dưới tác dụng của nhiệt độ cao nên sẽ xảy ra nhiều phản ứng hoá học và hoá lý dẫn đến sự thay đổi thành phần và đặc tính của dung dịch đường: - Sự chuyển hoá sacaroza - Sự phân huỷ sacaroza và tăng màu sắc - Độ tinh khiết tăng cao - Sự thay đổi độ kiềm - Sự tạo cặn 2.2.4. Quá trình nấu đường và kết tinh Nấu đường là quá trình tách nước từ mật chè, đưa dung dịch đến quá bão hoà, sản phẩm nhận được sau khi nấu gọi là đường non gồm tinh thể đường và mật cái. Qúa trình nấu đường được thực hiện trong nồi nấu chân không để giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, tránh hiện tượng caramen hoá và phân huỷ đường. Đối với các sản phẩm cấp thấp, quá trình kết tinh còn tiếp tục thực hiện trong các thiết bị kết tinh làm lạnh bằng phương pháp giảm nhiệt độ. Qúa trình kết tinh đường gồm 2 giai đoạn: Sự xuất hiện của nhân tinh thể hay sự tạo mầm và sự lớn lên của tinh thể. 2.2.4.1. Sự tạo mầm tinh thể GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 14 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại Trong dung dịch đường mía, các phân tử đường phân bố đều trong không gian của phân tử nước và chuyển động hổn độn không ngừng tạo thành một dung dịch đồng nhất. Ở một nhiệt độ nhất định trở thành nước đường bão hoà, các phân tử đường sẽ điền đầy ổn định vào không gian của phân tử nước, kết hợp với các phân tử nước tạo thành trạng thái cân bằng. Khi số lượng phân tử đường vượt quá số lượng phân tử lúc bão hoà tạo thành trạng thái quá bão hoà thì sự cân bằng bị phá vỡ. Khi phân tử đường nhiều đến một số lượng nhất định, thì khoảng cách giữa chúng ngắn lại, cơ hội va chạm tăng lên, vận tốc giảm đi tương ứng và đạt tới mức lực hút giữa các phân tử lớn hơn lực đẩy, khi đó một số phân tử đường kết hợp với nhau hình thành thể kết tinh rất nhỏ tách khỏi nước đường, từ đường ở trạng thái hoà tan trở thành đường ở thể rắn. Đó là các tinh thể đường hình thành sớm nhất gọi là nhân tinh thể. [8–42] 2.2.4.2. Sự lớn lên của tinh thể Sau khi nhân tinh thể xuất hiện mà dung dịch đường vẫn ở trạng thái quá bão hoà thấp thì những phân tử đường ở gần nhân tinh thể không ngừng bị mặt ngoài của nhân tinh thể hút vào, lắng chìm vào bề mặt tinh thể, đồng thời xếp từng lớp ngay ngắn theo hình dạng tinh thể làm cho tinh thể lớn dần lên. Trong quá trình đó , do các phân tử đường không ngừng lắng chìm vào tinh thể nên số lượng phân tử đường trong nước đường gần bề mặt tinh thể giảm đi và số lượng phân tử đường trong nước đường xa bề mặt tinh thể tăng lên tương đối, hình thành hai khu vực nồng độ thấp và nồng độ cao. Do 2 khu vực nồng độ khác nhau nên xuất hiện hiện tượng khuếch tán của các phân tử đường từ khu vực nồng độ cao sang khu vực nồng độ thấp, đến rìa tinh thể bị tinh thể hút vào và lắng chìm xuống [8–43]. Qúa trình cứ tiếp tục như vậy làm cho tinh thể đường lớn dần lên. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 15 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại CHƯƠNG III: CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 3.1. Chọn phương pháp sản xuất Quá trình sản xuất đường bao gồm các công đoạn: lấy nước mía, làm sạch, bốc hơi, kết tinh đường…Trong quá trình đó, do sử dụng các công nghệ không giống nhau nên từ đó có các dây chuyền công nghệ khác nhau. Thực chất sự khác nhau đó nằm ở các phương pháp lấy nước mía và các phương pháp làm sạch. 3.1.1. Chọn phương pháp lấy nước mía Để lấy nước mía ra khỏi cây mía, hiện nay trong công nghiệp người ta sử dụng hai phương pháp chủ yếu:  Phương pháp ép  Phương pháp khuếch tán a. Phương pháp ép Ép mía là phương pháp truyền thống và vẫn được áp dụng khá phổ biến hiện nay. Nguyên lý chung là xé và ép dập thân mía nhằm phá vỡ các tế bào để lấy nước mía. Phương pháp này có những ưu và nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Là phương pháp đơn giản, dễ thao tác + Nước mía thu được của quá trình ép không loãng nên tiết kiệm hơi cho quá trình cô đặc, giảm thời gian bốc hơi, nâng cao hiệu quả sản xuất - Nhược điểm: + Hệ máy ép cồng kềnh, nặng nề, chi phí bảo dưỡng cao + Hiệu suất máy ép chỉ đạt 97% + Tổng hiệu suất thu hồi đường thấp + Tiêu hao nhiều năng lượng, vốn đầu tư cao b. Phương pháp khuếch tán Khuếch tán là phương pháp trong đó mía đã được xử lý sơ bộ (băm, ép dập, đánh tơi) được ngâm vào nước hoặc dung dịch có độ đường thấp nhằm mục đích khuếch tán toàn bộ lượng đường trong mía vào trong dung dịch. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 16 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại Có hai hệ khuếch tán chủ yếu: khuếch tán mía và khuếch tán bã - Khuếch tán mía: Cây mía được xử lý sơ bộ nhưng vẫn giữ nguyên trọng lượng và toàn bộ đường trong đó đi vào thiết bị khuếch tán. - Khuếch tán bã: Sau khi xử lý, mía được đưa qua máy ép để ép 65 – 70% đường trong mía, còn lại 30 – 35% đường trong mía đi vào thiết bị khuếch tán. Với hệ khuếch tán bã, mía được chuẩn bị tốt hơn và giảm được tổn thất đường do tác động của vi sinh vật hơn khuếch tán mía, thời gian khuếch tán ngắn lại. Phương pháp này có những ưu nhược điểm là: - Ưu điểm: + Hiệu suất lấy nước mía cao 98 – 99% + Hiệu suất thu hồi đường tốt hơn phương pháp ép + Vốn đầu tư thấp hơn phương pháp ép + Năng lượng tiêu tốn cũng ít hơn - Nhược điểm: + Đòi hỏi công nhân có trình độ kỹ thuật cao + Nước mía loãng nên tiêu tốn năng lượng cho quá trình cô đặc + Tăng chất không đường trong nước mía hỗn hợp, do đó tổn thất đường trong mật cuối So sánh hai phương pháp trên, ta thấy phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm hơn. Nhưng hiện nay, ở nước ta hầu hết các nhà máy đường đều áp dụng phương pháp ép vì rất dễ vận hành, phù hợp với trình độ thao tác của công nhân, tuy nhiên năng suất lại thấp. Với mục đích tăng khả năng cạnh tranh, tăng hiệu quả kinh tế và tiếp cận các tiến bộ khoa học kỹ thuật, một số nhà máy đường hiện đại mới xây dựng ở nước ta đã sử dụng phương pháp khuếch tán. Trên cơ sở đó, trong đồ án này em chọn phương pháp khuếch tán bã để lấy nước mía. 3.1.2. Chọn phương pháp làm sạch Làm sạch nước mía là khâu quan trọng của công nghệ sản xuất. Vì thế, việc làm sạch nước mía đã được chú ý thích đáng từ khi bắt đầu phát sinh công nghệ sản xuất đường. GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 17 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại Hiện nay, các phương pháp làm sạch nước mía phổ biến là:  Phương pháp vôi  Phương pháp SO2  Phương pháp CO2 Tuỳ theo phương pháp làm sạch mà ta thu được các sản phẩm đường có chất lượng khác nhau. Phương pháp sunfit hoá kiềm mạnh, phương pháp sunfit hoá axit và phương pháp CO2 được sử dụng để sản xuất đường trắng và đường tinh luyện. Còn để sản xuất đường thô người ta thường sử dụng phương pháp vôi hoặc phương pháp sunfit hoá kiềm nhẹ. Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu đặc điểm của hai phương pháp này. 3.1.2.1. Làm sạch bằng phương pháp vôi Phương pháp vôi có từ lâu đời và là phương pháp đơn giản nhất để làm sạch nước mía chỉ dưới tác dụng của nhiệt và vôi. Phương pháp này có thể chia làm mấy loại sau đây:  Cho vôi vào nước mía lạnh  Cho vôi vào nước mía nóng  Cho vôi nhiều lâng và đun nóng nhiều lần a. Phương pháp cho vôi vào nước mía lạnh Nước mía hỗn hợp Sữa vôi Gia vôi Đun nóng (102 – 1050C) Cô đặc Thùng lắng Nước bùn Nước lắng trong Ép lọc Bùn Nước lọc trong - Ưu điểm: + Quản lý thao tác đơn giản GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 18 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại + Trước khi đun nóng, cho vôi vào nước mía đến trung tính tránh được chuyển hoá sacaroza. Nếu cho vôi đều đặn có thể tránh được chuyển hoá đường khử - Khuyết điểm: + Lượng vôi dùng nhiều + Độ hoà tan của vôi ở nước mía lạnh tăng, nếu vôi quá thừa sau khi đun nóng sẽ đóng cặn ở thiết bị b. Phương pháp cho vôi vào nước mía nóng Trước hết, đun nước mía hỗn hợp đến nhiệt độ 1050C. Một số keo (albumin, silic hidroxit) bị ngưng tụ dưới tác dụng của nhiệt và pH của nước mía hỗn hợp. Cho vôi vào thùng trung hoà, khuấy trộn đều để kết tủa hoàn toàn, sau đó loại chất kết tủa ở thiết bị lắng. - Ưu điểm: + Loại protein tương đối nhiều + Hiệu quả làm sạch tốt + Tốc độ lắng lớn, dung tích bùn nhỏ + Tiết kiệm được lượng vôu khoảng 15 – 20% so với phương pháp lạnh - Nhược điểm: + Sự chuyển hoá sacaroza tương đối lớn + Khó khống chế được màu sắc của nước mía c. Phương pháp cho vôi phân đoạn Đây là phương pháp ưu việc nhất trong các phương pháp vôi, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất đường thô - Ưu điểm: + Hiệu quả làm sạch tốt, loại chất không đường nhiều. Qua 2 lần gia vôi có thể lợi dung được 2 điểm ngưng kết khác nhau để loại chất không đường nên nước mía trong, nước bùn dễ lọc + Tiết kiệm khoảng 35% so với phương pháp lạnh - Nhược điểm: + Sơ đồ công nghệ phức tạp GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 19 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại + Sự chuyển hoá và phân giải sacaroza tương đối lớn. - Lưu trình công nghệ: Nước mía hỗn hợp Cho vôi sơ bộ (pH = 6 – 6,4) Đun nóng lần 1 (t = 90 – 1050C) Cho vôi trung hoà (pH = 7,6 – 8,2) Đun nóng lần 2 (t = 100 – 1050C) Thùng tản hơi Thùng kết tủa Nước bùn Lọc ép Nước mía trong Cô đặc Nước lọc trong 3.1.2.2. Phương pháp sunfit hoá kiềm nhẹ - Lưu trình công nghệ: Nước mía hỗn hợp. Đun nóng lần 1 (t = 60 – 700C) Gia vôi (pH = 8 – 9) Xông SO2 (pH = 6,9 – 7,1) Đun nóng lần 2 (t = 100 – 1040C) Lắng Nước bùn Lọc ép Nước mía trong Cô đặc Nước lọc trong - Ưu điểm: + Sự kết tủa chất không đường tương đối hoàn toàn + Hiệu quả làm sạch tương đối cao GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công Đồ án tốt nhiệp - 20 - Thiết kế nhà máy đường hiện đại + Đóng cặn trong nồi bốc hơi tương đối ít - Nhược điểm: + Chất kết tủa không rắn chắc, thể tích nước bùn lớn nên lắng lọc tương đối chậm + Dưới tác dụng của kiềm, đường khử dễ dàng bị phân huỷ, tăng màu sắc và hàm lượng muối canxi của nước mía. Do đó, phương pháp này ít được dùng. Tóm lại: Qua việc phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp làm sạch ở trên, ta thấy phương pháp cho vôi phân đoạn là tối ưu hơn cả để sản xuất sản phẩm đường thô. Nếu sử dụng SO2 sẽ không có lợi cho sản phẩm đường tinh luyện sau này vì hàm lượng SO2 trong đường cao sẽ ngăn cản sự hấp thụ của các tác nhân tẩy màu đối với chất màu hoá học trong đường, gây khó khăn và phức tạp cho việc chế luyện đường thô thành đường cao cấp. Đối với phương pháp vôi mặc dầu hiệu quả làm sạch thấp, khả năng thu hồi đường không cao nhưng có các ưu điểm là: - Chi phí đầu tư thấp - Dây chuyền đơn giản, số lượng thiết bị ít - Quản lý và thao tác dễ dàng - Chất lượng không thấp hơn phương pháp SO2 là bao Vì vậy, vì vậy ta chọn phương pháp gia vôi phân đoạn để sản xuất đường thô. 3.1.3. Chọn phương pháp nầu và chế độ nấu 3.1.3.1. Chọn phương pháp nấu Có 2 phương pháp nấu đường: nấu đường gián đoạn và nấu đường liên tục Theo các tài liệu thì nấu đường liên tục có nhiều ưu điểm: + Năng suất tăng lên ít nhất 25% + An toàn về hơi + Tổn thất đường thấp + Dễ tự động hoá Tuy nhiên, hiện nay nấu đường liên tục vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do những khó khăn sau: GVHD: TS. Trương Thị Minh Hạnh Minh SVTH: Nguyễn Ngọc Công