NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP kỹ THUẬT NÂNG CAO 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 vụ PHÒNG TRÁN

UBND TỈNH QUẢNG NGÃI

BỘ CÔNG THƯƠNG

SỞ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HCM

***************************

BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO 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

Đồng chủ nhiệm đề tài:
Thạc sĩ Nguyễn Hữu Thế
Trường ĐH Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
PGS -Tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng
Trường ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh

Thành phố Quảng Ngãi
Tháng 03/2013


UBND TỈNH QUẢNG NGÃI

BỘ CÔNG THƯƠNG

SỞ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HCM

***************************

BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO 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

Đồng chủ nhiệm đề tài:
Thạc sĩ Nguyễn Hữu Thế
Trường ĐH Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
PGS-Tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng
Trường ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh

Thành phố Quảng Ngãi
Tháng 03/2013


UBND TỈNH QUẢNG NGÃI

BỘ CÔNG THƯƠNG

SỞ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HCM

BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO 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

Đồng chủ nhiệm đề tài

Cơ quan chủ trì đề tài

Thạc sĩ Nguyễn Hữu Thế

PGS -Tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng

Chủ tịch Hội đồng nghiệm thu

Cơ quan quản lý đề tài


THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
TT HỌ VÀ TÊN

ĐƠN VỊ CÔNG TÁC

NHIỆM VỤ

1

Nguyễn Hữu Thế

ĐH Công Nghiệp TP HCM

Đồng chủ nhiệm đề tài

2

Nguyễn Văn Hùng

ĐH Nông Lâm TP HCM

Đồng chủ nhiệm đề tài

3

Bùi Thị Nam Trân

ĐH Công Nghiệp TP HCM

Thành viên

4

Phạm Văn Vĩnh

ĐH Công Nghiệp TP HCM

Thành viên

5

Lê Văn Mạnh

ĐH Công Nghiệp TP HCM

Thành viên

6

Nguyễn Thanh Hải ĐH Công Nghiệp TP HCM

Thành viên

7

Phạm Đức Thạch

Nhà máy đường Phổ Phong

Thành viên

8

Thái Thanh Tùng

Nhà máy đường Phổ Phong

Thành viên

9

Đặng Phúc Đạt

Nhà máy đường Phổ Phong

Thành viên

10

Trần Đức Bảo

Nhà máy đường Phổ Phong

Thành viên

MỤC LỤC
Trang
A. MỞ ĐẦU...............................................................................................1


1. ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................1
2. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI.....................................................2
B. NỘI DUNG ...........................................................................................4
I. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.1 Nội dung nghiên cứu.............................................................................4
1.2 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................4

1.2.1 Phương pháp tính toán........................................................................4
1.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm..............................................4
II. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2.1 Phân tích, thảo luận lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù
hợp với quá trình trung hòa nước mía hỗn hợp...........................................8
2.1.1 Khảo sát thực trạng thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp
tại nhà máy..........................................................................................8
2.1.2 Lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với quá trình trung hòa
nước mía hỗn hợp ....................................................................10
2.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số tối ưu
ảnh hưởng đến hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp...................11
2.2.1 Xác định các thông số ra .................................................................11
2.2.2 Xác định các thông số vào................................................................12
2.2.3 Phát biểu bài toán hộp đen ..............................................................12
2.2.4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm .....................................................12
2.3 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................14
2.3.1 Yêu cầu thiết kế................................................................................14


2.3.2 Các thông số đầu vào để thiết kế .....................................................14
2.3.3 Chuẩn số Reynolds và thông số hình học của thùng khuấy............16
2.3.4 Sơ đồ lắp đặt thùng khuấy tại khu vực trung hòa của nhà máy........17
2.4 Tính toán thiết kế hệ thống cấp vôi tự động vào thiết bị trung hòa.....18
2.5 Khảo nghiệm đánh giá quá trình hoạt động của thiết bị......................24
3. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.................................................................28
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................30

A. MỞ ĐẦU

I.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Quảng Ngãi là một tỉnh có truyền thống lâu đời về trồng mía và sản xuất

đường. Trong những năm gần đây tuy có gặp khó khăn do bị cạnh tranh từ các
loại cây trồng khác nhưng cây mía vẫn thực sự là cây xóa đói giảm nghèo cho bà


con nông dân ở nhiều vùng miền trong tỉnh. Với kinh nghiệm của mình, người
dân tỉnh ta đi đến những vùng đất đồi núi có thổ nhưỡng phù hợp với cây mía
như các tỉnh Gia Lai, Kontum để trồng mía. Về sản xuất đường, tỉnh ta có Công
ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi quản lý hai nhà máy đường: Một nhà máy ở
trong tỉnh và một nhà máy với ba dây chuyền sản xuất đường ở huyện An Khê
tỉnh Gia Lai. Quá trình trồng mía và sản xuất đường đã giải quyết một nguồn lao
động rất lớn và tạo một nguồn thu nhập đáng kể cho người dân tỉnh ta. Quá trình
sản xuất đường gồm bốn giai đoạn chủ yếu: Ép mía lấy nước, làm sạch nước
mía hỗn hợp, cô đặc nước chè thành sirô, nấu đường và kết tinh. Trong giai đoạn
làm sạch nước mía hỗn hợp, trung hòa nước mía 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. Với
thiết bị trung hòa hiện tại của một số nhà máy, độ pH đầu ra không ổn định, điều
này gây ra các nhược điểm như: Tiêu hao rất nhiều vôi, tỉ lệ thu hồi đường và
chất lượng đường thành phẩm thấp, 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.
Vì vậy chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng
cao hiệu quả trung hoà nước mía hỗn hợp trong dây chuyền sản xuất đường RS
tại nhà máy đường Phổ Phong – Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi” nhằm
nâng cao hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp, góp phần nâng cao chất lượng
sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tăng lợi nhuận cho ngành sản xuất đường

mía.
II. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
2.1

Tên đề tài: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao 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.
2.2

Thời gian thực hiện: 05/2011 – 05/2012

2.3

Kinh phí thực hiện: 618.000.000 (sáu trăm mười tám triệu đồng) Từ

nguồn ngân sách sự nghiệp khoa học của tỉnh Quảng Ngãi.
Năm 2011: 463.710.269 (bốn trăm sáu mươi ba triệu, bảy trăm mười ngàn, hai
trăm sáu mươi chín đồng)


Năm 2012: 154.289.720 (một trăm năm mươi bốn triệu, hai trăm tám mươi chín
ngàn, bảy trăm hai mươi đồng)
2.4

Đồng chủ nhiệm đề tài:

1. Họ và tên:

Nguyễn Hữu Thế

- Chức vụ: Giảng viên
- Nơi công tác:

Trường ĐH Công nghiệp TP Hồ Chí Minh

- Địa chỉ nhà riêng:
- Điện thoại:
2. Họ và tên:

Tổ 13 Phường Chánh Lộ, TP Quảng Ngãi

0914 166 925
Nguyễn Văn Hùng

- Chức vụ: Tổ trưởng bộ môn
- Nơi công tác:

Trường ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh

- Địa chỉ nhà riêng: 51SPhan Tây Hồ, P7, Quận Phú Nhuận TP HCM
- Điện thoại: 0907 913 567
2.5

Tổ chức chủ trì đề tài
Tên tổ chức: Trường ĐH Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Điện thoại: 08 38 940 390

Fax: 08 38 946 268

Địa chỉ: 12 Nguyễn Văn Bảo, P 4, Q Gò Vấp, TP Hồ Chí Minh
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Tiến sĩ Trần Tuấn Anh
2.6

Tổ chức phối hợp chính thực hiện đề tài

Tên cơ quan: Nhà máy Đường Phổ Phong – Công ty cổ phần
Đường Quảng Ngãi.


Điện thoại: 055-3855059

Fax: 055-3855040

Địa chỉ: Xã Phổ Phong, huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Trần Văn Lợi
2.7

Mục tiêu đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị trung hòa nước mía hỗn

hợp có bộ phận điều khiển tự động cung cấp sữa vôi theo độ pH để nâng
cao hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp phù hợp với dây chuyền công
nghệ sản xuất đường RS tại nhà máy đường Phổ Phong – Công ty cổ phần
Đường Quảng Ngãi.
2.8

Danh mục sản phẩm Khoa học và Công nghệ:


T

0

Tên sản phẩm

-Cụm thiết bị trung
hòa nước mía hỗn
hợp kết hợp
phương pháp
khuấy trộn cơ học
và thủy khí

S
ố
l
ư
ợ
n
g
0
1
c
ụ
m
t
h
i
ế
t

-Nguyên lý hoạt
động, bản vẽ thiết
kế cụm thiết bị
trung hòa nước
mía hỗn hợp

b
ị
0
3
b
ả
n

Các chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật
chủ yếu

-Vận hành ổn
định với dây
chuyền sản xuất
hiện có của nhà
máy
- Đáp ứng công
suất 2200 tấn
mía/ngày

G
hi
ch

ú


0

-Cụm thiết bị tự
động cung cấp sữa
vôi theo trị số pH
đầu ra.

0
1
c
ụ
m
t
h
i
ế
t

-Nguyên lý hoạt
động, bản vẽ thiết
kế của cụm thiết bị
tự động cung cấp
sữa vôi theo trị số
pH.

b
ị

0
3
b
ả
n

-Vận hành ổn
định với dây
chuyền sản xuất
hiện có của nhà
máy
-Ổn định độ pH
đầu ra trong
khoảng 7,1 – 7,3


B.

B. NỘI DUNG
C. I. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị trung hòa phù hợp với dây chuyền sản
xuất đường tại nhà máy.
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ phận tự động cấp sữa vôi vào nước mía hỗn
hợp theo độ pH đầu ra.
- Lắp đặt, vận hành, điều chỉnh, chuyển giao thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp có
bộ phận điều khiển tự động cấp vôi cho nhà máy.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

1.2.1 Phương pháp tính toán
- Phương pháp giải tích toán học được sử dụng trong quá trình tính toán
lực tác động và kiểm tra bền các chi tiết, giải bài toán tối ưu tìm ra các thông số
làm việc.
- Tính chuẩn số công suất khuấy trộn theo tài liệu của Nguyễn Minh
Tuyển, 2006.
- Thùng khuấy trộn cho dây chuyền 2200 tấn mía/ngày được thiết kế dựa
trên cơ sở các thông số tối ưu từ qui hoạch thực nghiệm và thùng khuấy thí
nghiệm.
1.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
1.2.2.1 Vật liệu nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là nước mía hỗn hợp và sữa vôi lấy trực tiếp tại bộ
phận trung hòa của nhà máy.
b. Phương tiện thí nghiệm
- Thùng khuấy trộn dùng để thí nghiệm.
- Bơm li tâm IKD-14 để bơm nước mía hỗn hợp, sữa vôi phục vụ thí
nghiệm.
- Van điều chỉnh lưu lượng dòng nước mía hỗn hợp, sữa vôi từ thùng chứa
đến thùng khuấy.


- Vật liệu thí nghiệm: nước mía hỗn hợp sau khi đã gia nhiệt lần 1 đã qua
thiết bị sục SO2 và sữa vôi.
1.2.2.2 Dụng cụ đo

- Các dụng cụ đo nhiệt độ, độ pH của nước mía hỗn hợp và tốc độ quay của
trục khuấy.
- Đồng hồ đo số vòng quay DT-22334B-DIGITAL TACHOMETER, dãy
đo 1rpm-1000-99.999rpm, cấp chính xác ± 1 rpm.

- Nhiệt kế Thermometer - Daewon Korea.
- Dụng cụ đo độ pH dạng liên tục Endress Hauser (quá trình thí nghiệm
được thực hiện tại khu vực trung hòa, nên dùng dụng cụ đo pH của nhà máy
phục vụ thí nghiệm).
- Dụng cụ đo độ Brix ATAGO N-1 α Hand-Held Refractometer,Japan.
- Dụng cụ đo độ Baumé của sữa vôi.
1.2.2.3

Phương pháp đo

+ Đo trực tiếp
Đo nhiệt độ, độ Brix, độ Baumé, độ pH, thể tích, thời gian…tất cả được
xác định bằng dụng cụ đo.
+ Đo gián tiếp
Thời gian lưu của chất lỏng trong thùng được tính từ lúc bắt đầu bơm chất
lỏng vào thùng đến lúc chất lỏng đầy và tràn ra trên miệng thùng.
1.2.2.4

Phương pháp bố trí thí nghiệm

- Bố trí thí nghiệm theo kiểu ngẫu nhiên hoàn toàn.
- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: áp dụng quy hoạch thực nghiệm
nhiều yếu tố với phần mềm Statgraphics Version 7.0.
- Trình tự thực hiện quy hoạch thực nghiệm:
+ Chọn các thông số nghiên cứu: thông số vào là các thông số thật sự ảnh
hưởng đến đối tượng nghiên cứu và có thể điều khiển được, thông số ra là các
chỉ tiêu tối ưu.
+ Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố cho ta xác định được yếu tố đó có thực sự
ảnh hưởng đến chỉ tiêu tối ưu không và đồng thời xác định miền nghiên cứu
thực nghiệm. Đó là cơ sở để thực hiện qui hoạch thực nghiệm.

+ Tiến hành thực nghiệm bằng phương án bậc hai toàn phần dự kiến hai
yếu tố đầu vào và một yếu tố đầu ra. Như vậy số thí nghiệm sẽ là:
N = 3 k + n0
Trong đó:


3k. Số thí nghiệm ở mức trên, mức giữa và mức dưới.
n0. Số thí nghiệm ở trung tâm.
1.2.2.5

Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm

a.Xử lý thống kê
Sử dụng phần mềm Statgraphics Vers 7.0 để tiến hành phân tích phương
sai.
- Xử lý số liệu xây dựng mô hình thống kê gồm các bước:
Bước 1: Xác định giá trị các hệ số hồi quy đầy đủ.
Bước 2: Phân tích phương sai để loại bỏ các hệ số hồi quy không đảm bảo
độ tin cậy với mức ý nghĩa α = 0,05 .
Bước 3: Xác định các giá trị hồi quy theo hàm toán mới sau khi đã loại bỏ
các hệ số hồi quy không đủ độ tin cậy.
Bước 4: Phân tích phương sai trên hàm toán mới. Kiểm tra độ tin cậy của
các hệ số hồi quy mới. Nếu không đảm bảo tin cậy, thì cải tiến mô hình.
Bước 5: Kiểm tra độ tương thích của mô hình theo mức ý nghĩa p. Mô
hình phù hợp nếu p > 0,05.
Sau khi xây dựng được mô hình hồi quy thực nghiệm, tiếp tục dùng phần
mềm Matlab để vẽ đồ thị các hàm mục tiêu làm cơ sở cho tìm cực trị trong miền
thực nghiệm.
b.Tính toán tối ưu hóa
Sử dụng phần mềm Matlab trong việc giải các bài toán tối ưu có hàm mục

tiêu được lập bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.
Hàm mục tiêu có dạng
f ( x1 , x 2 ) = f ( n, t )

x1. tốc độ khuấy (vòng/phút); x2. nhiệt độ khuấy (oC). Y. thời gian trung
hòa.
Y = f (n, t ) → min
Tối ưu hóa hàm mục tiêu trên để xác định chế độ làm việc tối ưu.


II. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả và thảo luận của đề tài bao gồm năm phần chính: Phân tích, thảo
luận lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với quá trình trung hòa nước
mía hỗn hợp; qui hoạch thực nghiệm xác định các thông số hoạt động tối ưu của
thiết bị trung hòa; tính toán thiết kế thiết bị trung hòa trong dây chuyền sản xuất
đường công suất 2200 tấn mía/ngày; tính toán thiết kế hệ thống cấp vôi tự động
vào thiết bị trung hòa; khảo nghiệm đánh giá quá trình hoạt động của thiết bị.
2.1 Phân tích, thảo luận lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với quá
trình trung hòa nước mía hỗn hợp
2.1.1 Khảo sát thực trạng thiết bị trung hòa nước mía hỗn hợp tại nhà máy
Dây chuyền sản xuất đường từ cây mía tại nhà máy Đường Phổ Phong Công ty Cổ phần Đường Quảng Ngãi theo công nghệ và thiết bị của Trung
Quốc. Thiết bị trung hòa hoạt động như sau: Nước mía hỗn hợp sau khi xông
SO2 chảy xuống phểu hình nón dưới đáy thùng. Trên đường đi được gia sữa vôi
như hình vẽ. Nhờ những lỗ bên hông phểu nó xé nhỏ dòng chảy và trộn lẫn sữa
vôi vào nước mía hỗn hợp. Nước mía hỗn hợp sau khi đầy thùng trung hòa sẽ
chảy tràn qua thùng tán hơi thừa và sau đó đưa đi gia nhiệt lần 2. Qua quá trình
làm việc, hiện tại thiết bị trung hòa có những nhược điểm sau:
- Cấu cặn bám vào phểu thiết bị trung hòa và đường ống gây tắt nghẽn,
giảm năng suất hệ thống (hình 2.2).
- Độ pH của nước mía hỗn hợp sau khi qua thùng trung hòa không ổn định.

- Sữa vôi cấp vào hệ thống được điều chỉnh bằng tay theo độ pH của nước
mía hỗn hợp ra khỏi thùng tán hơi nên lượng vôi cấp vào không chính xác. Đồng
thời, khu vực trung hòa nhà máy nằm phía trên lò đốt lưu huỳnh, lượng SO2
thoát ra ngoài bay lên ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe công nhân vận hành.

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo cụm thiết bị
Hình 2.2 Cấu cặn bám vào phểu của
trung hòa hiện tại của nhà máy
thùng trung hòa
Sau khi tìm hiểu, thảo luận với các kỹ sư và công nhân của nhà máy, tôi
nhận thấy do các nguyên nhân sau:


- Sữa vôi chưa trộn lẫn hoàn toàn vào nước mía hỗn hợp và thời gian lưu
của nước mía hỗn hợp trong thùng trung hòa không phù hợp nên phản ứng giữa
sữa vôi và nước mía hỗn hợp xảy ra chưa hoàn toàn.
- Nhiệt độ của nước mía hỗn hợp tại thiết bị trung hòa chưa phù hợp để
phản ứng xảy ra.
Những nhược điểm trên làm cho quá trình lắng lọc loại các chất không
đường ra khỏi nước mía hỗn hợp không được tốt, ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng đường thành phẩm. Độ pH nước mía hỗn hợp không ổn định làm chuyển
hóa đường saccarose khi nước mía hỗn hợp ở trong môi trường axit và bazơ,
làm giảm tỉ lệ thu hồi đường.
2.1.2 Lựa chọn phương pháp khuấy trộn phù hợp với quá trình trung hòa
nước mía hỗn hợp
Theo Hugot (2001), lượng vôi đưa vào nước mía hỗn hợp trong giai đoạn
trung hòa không được vượt quá 400 mg/lít. Với lượng vôi ít như vậy, để phản
ứng trung hòa xảy ra, trước tiên cần khuấy trộn khuyếch tán lượng sữa vôi này
vào nước mía hỗn hợp.
Để khuấy trộn chất lỏng thường dùng các phương pháp: phương pháp

thủy khí, phương pháp xung lực và phương pháp cơ học. Phương pháp xung lực
thiết bị phức tạp nên hiện nay không nước nào dùng. Sản xuất đường theo công
nghệ và thiết bị của Trung Quốc hay dùng phương pháp thủy khí để khuấy trộn
trung hòa nước mía hỗn hợp. Theo Vương Hồng Tuấn (1996), phản ứng giữa
sữa vôi và nước mía hỗn hợp rất nhạy và thời gian chỉ 15 – 25 giây, vì vậy
khuấy trộn theo phương pháp thủy khí là phù hợp.
Theo Hugot (2001), thời gian phản ứng giữa sữa vôi và nước mía hỗn hợp
0
ở 70 C là 60 giây. Vậy với loại giống mía đang trồng và điều kiện thổ nhưỡng
tại tỉnh Quảng Ngãi thì thời gian phản ứng là bao nhiêu? Nếu chỉ khoảng 15 –
25 giây theo như Vương Hồng Tuấn (1996), thì độ pH của nước mía hỗn hợp ra
khỏi thiết bị trung hòa tại nhà máy đường Phổ Phong dùng thiết bị và công nghệ
Trung Quốc sẽ không mất ổn định như hiện tại. Để tăng thời gian phản ứng chỉ
bằng cách tăng thời gian lưu nước mía hỗn hợp tại thiết bị trung hòa. Việc này
đòi hỏi phải thay thế toàn bộ thiết bị trung hòa hiện tại.
Tại nhà máy đường Quảng Phú – Thành Phố Quảng Ngãi (hiện nay đã di
dời lên huyện An Khê tỉnh Gia Lai), dùng thiết bị trung hòa khuấy trộn theo
phương pháp cơ học công nghệ của Nhật Bản, thiết bị đơn giản dễ chế tạo, bảo
dưỡng dể dàng, hoạt động ổn định trên ba mươi năm nay. Vì vậy, sau khi trao
đổi, thảo luận với các kỹ sư, công nhân nhà máy, đề tài quyết định dùng phương
pháp khuấy trộn dạng cơ học kết hợp phương pháp khuấy trộn dạng thủy khí để
khuấy trộn sữa vôi vào nước mía hỗn hợp tại khu vực trung hòa nhà máy đường
Phổ Phong – Công ty Đường Quảng Ngãi.


2.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số tối ưu ảnh
hưởng đến hiệu quả trung hòa nước mía hỗn hợp
2.2.1 Xác định các thông số ra
Theo Nguyễn Ngộ (1984), căn cứ vào kết quả nghiên cứu của các nhà
khoa học ngành đường, để quá trình lắng lọc tốt nhất thì độ pH của nước mía

hỗn hợp sau khi trung hòa nằm trong khoảng pH = 7,1 – 7,3. Căn cứ vào điều
này mà khi xây dựng thông số vụ ép, nhà máy chọn trị số pH ra khỏi thiết bị
trung hòa là pH = 7,1 – 7,3, để nước mía hỗn hợp tiếp tục được gia nhiệt lần 2
và đưa vào thùng lắng lọc trị số pH lúc này còn pH = 7,0.
Theo Vương Hồng Tuấn (1996), thời gian phản ứng trung hòa ngắn có lợi
cho việc giảm thấp sự chuyển hóa đường saccarose và sự phân giải đường hoàn
nguyên. Vậy có thể khẳng định được rằng hiệu quả trung hòa cao nhất là trong
một khoảng thời gian ngắn nhất nước mía hỗn hợp có pH = 3,4 – 3,8 được gia
vôi trung hòa đưa pH ổn định ở mức pH = 7,1 – 7,3.
Mục đích thí nghiệm là xác định chế độ khuấy trộn phù hợp nhất, gồm
thông số nhiệt độ và tốc độ khuấy sao cho hiệu quả trung hòa là cao nhất.
2.2.2 Xác định các thông số vào
Như đã trình bày ở phần 2.1.2, lượng vôi đưa vào nước mía hỗn hợp trong
giai đoạn trung hòa rất ít, không vượt quá 400mg/lít nước mía. Vì vậy việc
khuấy trộn khuyếch tán lượng vôi này vào nước mía hỗn hợp càng nhanh phản
ứng xảy ra càng tốt và trị số pH đầu ra sẽ ổn định.
Nhiệt độ phù hợp làm phản ứng trung hòa xảy ra nhanh. Nếu khống chế
nhiệt độ không tốt thì sẽ xảy ra quá trình chuyển hóa đường saccarose.
Từ những ý trên, sau khi thảo luận với những kỹ sư, công nhân nhà máy và
tham khảo các tài liệu về sản xuất đường. Hai thông số đầu vào được chọn là:
tốc độ quay trục khuấy để khuyếch tán lượng sữa vôi vào nước mía hỗn hợp và
nhiệt độ để phản ứng trung hòa xảy ra.
2.2.3 Phát biểu bài toán hộp đen
Từ kết quả phân tích như đã trình bày, mô hình nghiên cứu thực nghiệm có
dạng bài toán hộp đen như hình 2.3
- Các yếu tố đầu vào: tốc độ khuấy n K (vòng/phút), mã hóa X1; nhiệt độ t
(oC), mã hoá X2.
- Các yếu tố đầu ra: Hiệu quả trung hòa, được đo bằng thời gian trung hòa
T (giây), để sản phẩm đạt độ pH ổn định trong khoảng pH = 7,1 – 7,3 mã hoá
Y.

2.2.4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm


Sau khi thí nghiệm đơn yếu tố thăm dò xác định mức độ của số vòng
quay trục khuấy và nhiệt độ trung hòa nhằm mục đích xác định các mức thí
nghiệm của hai yếu tố đầu vào trong bài toán hộp đen. Tiếp tục thí nghiệm
đa yếu tố với miền thực nghiệm theo phương án bậc II toàn phần, ma trận thí
nghiệm được lập và ngẫu nhiên hóa trật tự bằng chương trình Statgraphic
vers 7.0. Kết quả tính toán trên chương trình Statgraphic vers 7.0 xác định
được phương trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc thời gian trung hòa vào
tốc độ khuấy và nhiệt độ như sau:

tg = 435,972 – 1,84444*n – 5,17222*t + 0,00458333*n2 + 0,0405556*t2
Trong đó: n: tốc độ khuấy (vòng/phút); t: nhiệt độ khuấy (0C).
Lưu lượng
nước mía hỗn
hợp
= const
nk (mã hoá
X1)
t (mã hoá X2)

Lưu lượng của
sữa vôi = const

Độ pH nước
mía hỗn hợp
=const

Độ Brix

nước mía
hỗn hợp
= const

Hộp đen
Quá trình gia vôi
trung hòa nước
mía hỗn hợp

Q (mã hoá Y)

Độ Baumé của
sữa vôi = const

Hình 2.3 Mô hình bài toán hộp đen
Đồ thị của phương trình hồi quy được vẽ trên phần mềm Matlab và được biểu
diễn trên hình 2.6
- x1: tốc độ quay trục khuấy (vòng/phút); x2: nhiệt độ khuấy (oC); z: thời
gian trung hòa (giây).
Bài toán tối ưu được giải cho kết quả:
Tốc độ: 201 vòng/phút; nhiệt độ khuấy: 64oC; thời gian phản ứng nhỏ
nhất 85,5 giây.
4 3 5 .9 7 2 + 0 .0 0 4 5 8 3 3 x 2 -...+ 0 .0 4 0 5 5 5 6 x 2
1

2

105
100
95

90
85
80
70
60
x

50
2

150

160

180

170
x

1

190

200

210


Hình 2.4 Thùng khuấy
thí nghiệm sau khi chế

tạo xong

Hình 2.5 Quá trình thí
nghiệm tại khu vực
trung hòa nhà máy

Hình 2.6 Đồ thị của
phương trình hồi quy

2.3 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.
2.3.1 Yêu cầu thiết kế
- Thiết bị trung hòa được thiết kế phải đáp ứng năng suất của dây chuyền
sản xuất đường công suất 2200 tấn mía/ngày.
- Theo yêu cầu về mặt công nghệ, sữa vôi phải trộn nhanh vào nước mía
hỗn hợp để phản ứng trung hòa xảy ra càng nhanh càng tốt.
- Có bộ phận cấp sữa vôi tự động vào thùng khuấy trộn theo độ pH đầu ra.
2.3.2 Các thông số đầu vào để thiết kế
Công suất của dây chuyền sản xuất đường RS tại nhà máy đường Phổ
Phong Công ty cổ phần Đường Quảng Ngãi là 2200 tấn mía/ngày. Theo phòng
kỹ thuật nhà máy, lượng nước mía hỗn hợp cũng tương đương 2200 tấn/ngày
(lượng bả mía thải ra ngoài tương đương với lượng nước thẩm thấu vào bả mía
trước khi ép lần 2 và 3).
- Công suất 2200 tấn mía cây/ngày ≈ 2200 tấn nước mía hỗn hợp/ngày.
⇒ Lưu lượng nước mía hỗn hợp chảy qua bộ phận trung hòa là :
2200 tấn/ngày =

2200
24 × 60 × 60

(tấn/giây).

Thời gian phản ứng giữa nước mía hỗn hợp và sữa vôi là 85,5 giây. Thời
gian lưu của nước mía hỗn hợp trong bộ phận trung hòa cũng 85,5 giây.
Thùng khuấy nước mía hỗn hợp tại bộ phận trung hòa phải chứa khối
lượng nước mía hỗn hợp là :
m=

2200
24 × 60 × 60

(tấn/giây) × 85,5 (giây) = 2,177 (tấn) = 2177 (kg)

Khối lượng riêng của nước mía hỗn hợp ở 120Bx là ρ = 1048,5 kg/m3 (theo Sổ
tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất (2006), trang 64)
Dung tích thùng khuấy là :
V = 2177/1048,5 = 2,076 (m3) = 2076 (lít)
Cũng theo tài liệu trên, trong chế biến thực phẩm hệ số an toàn thùng khuấy
trộn n = 1,1 ÷ 1,4; chọn n = 1,2.
Dung tích thùng khuấy thực là : V = 2076 × 1,2 = 2491,2 (lít)
Như vậy để đảm bảo thời gian khuấy trộn nước mía hỗn hợp thì thể tích thùng
khuấy trộn phải lớn hơn hoặc bằng 2491,2 lít. Theo sơ đồ cấu tạo cụm thiết bị
trung hòa hiện tại của nhà máy ta có hai phương án cải tiến thiết bị trung hòa:
- Phương án 1: Thay thế hoàn toàn thùng khuấy trộn dạng thủy khí và
thùng tán hơi bằng thùng khuấy trộn dạng cơ học có thể tích bằng 2491,2 lít.
- Phương án 2: Giữ nguyên thùng khuấy trộn dạng thủy khí, thay thế
thùng thùng tán hơi bằng thùng khuấy trộn dạng cơ học nhưng phải đảm bảo hai

thùng khuấy trộn có thể tích bằng 2491,2 lít. Sau khi trao đổi với phòng Kỹ
thuật - Chất lượng và Ban giám đốc nhà máy chúng tôi tiến hành chọn phương
án 2. Thùng khuấy trộn dạng thủy khí hiện tại của nhà máy có dạng hình trụ tròn
đường kính 0,6 m chiều cao 1,5 m nên thể tích là 423,9 lít. Vậy thùng khuấy
trộn dạng cơ học có thể tích là 2491,4 - 423,9 = 2067,5 (lít).
2.3.3 Chuẩn số Reynolds và thông số hình học của thùng khuấy
Chuẩn số Reynolds của thùng khuấy thí nghiệm: Rek = 9224,67
Thùng khuấy nước mía hỗn hợp tại bộ phận trung hòa được thiết kế đồng dạng
từ thùng khuấy thí nghiệm. Nên chuẩn số Reynolds của hai thùng khuấy phải
bằng nhau.
Vậy thùng khuấy thực có chuẩn số Reynolds Rek1 = 9224,67
Re k1 =

ρn1d k21
µ

n1 = số vòng quay của thùng khuấy thực, chọn n1 = 97 vòng/phút (tương đương
với động cơ điện có số vòng quay 1450 vòng/phút qua hộp số có tỉ số truyền
1/15)
ρ = 1048,5 kg/m3, µ = 0,0064 Pas (N.s/m2)
thế vào tính được dk1 = 0,1866 (m)
3

Thùng khuấy yêu cầu thiết kế có thể tích 2,067 m , với đường kính cánh
khuấy tính được rất nhỏ như trên sẽ làm chiều cao thùng rất lớn. Để kích thước
thùng phù hợp (đường kính chiều cao) cần nâng đường kính cánh khuấy lên 2,14
lần, như vậy đường kính cánh khuấy thực sẽ là:
dk1 = 0,1866×2,14 = 0,3993 (m) ≈ 0,4 (m)
dk
= 0,2 − 0,45 ,

D

chọn

dk
= 0,3
D

Ta được D = 1,3 (m), thể tích thùng khuấy là

2,067 m3, nên chọn chiều cao H của thùng là : H = 1,6 (m).
2.3.4 Sơ đồ lắp đặt thùng khuấy tại khu vực trung hòa của nhà máy
Thùng khuấy trộn chế tạo xong sẽ được lắp vào dây chuyền của nhà máy
như hình 2.7


Hình 2.7 Sơ đồ lắp đặt thùng khuấy trộn tại khu vực trung hòa nhà máy
1.Tháp baromet; 2. Thùng khuấy trộn dạng thủy khí; 3. Van cấp vôi tự động; 6.
Thùng khuấy trộn sữa vôi; 7. Thùng khuấy trộn dạng cơ học; 9. Thùng chứa sau
trung hòa; 10. Bơm nước mía hỗn hợp sau gia vôi.
Nước mía hỗn hợp sau khi xông SO2 vẫn tiếp tục chảy vào thùng khuấy
trộn loại thủy khí cũ nhưng đã thay thế phểu hình nón bằng gang đặt dưới đáy
thùng khuấy (phểu này rất dễ bị bám cặn và tắc nghẽn) bằng phểu inox và lổ
rộng hơn. Khi thùng đầy sẽ không chảy qua thùng tán hơi SO2 thừa như trước
(hình 2.1) mà chảy tiếp tuyến vào đáy thùng khuấy trộn dạng cơ học số 7. Trục
khuấy trộn sẽ quay ngược chiều chất lỏng khi chảy vào thùng khuấy để gia tăng
sự đảo trộn. Sau khi khuấy trộn xong sẽ chảy tràn trên miệng thùng khuấy và
đưa đi gia nhiệt lần 2.

Hình 2.8 Thùng khuấy trộn đã lắp tại khu vực trung hòa nhà máy
Khi nước mía hỗn hợp ra khỏi thùng khuấy trộn, đầu đo pH sẽ đo trị số
pH và đưa tín hiệu đến bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển sẽ điều khiển van cung
cấp sữa vôi vào thùng khuấy theo thông số công nghệ mà ta cài đặt.
2.4 Tính toán thiết kế hệ thống cấp vôi tự động vào thiết bị trung hòa
Cảm biến dùng trong hệ thống để đo pH trước, sau gia vôi và đo lưu lượng
của nước mía hỗn hợp qua thiết bị trung hòa. Đề tài dùng cảm CPS11D-7BA21
của Endress Hauser (Thụy Sĩ) kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu CPM-223MS0005 cũng của Endress Hauser (Thụy Sĩ) có nhiệm vụ chuyển giá trị pH từ 2
– 12 thành giá trị 4 - 20mA đưa đến Module analog EM235.
Để đo lưu lượng nước mía hỗn hợp qua thiết bị trung hòa dùng đồng hồ đo
lưu lượng KOBOLD (Đức), đồng hồ sẽ xuất tín hiệu 4 - 20mA đến module
EM235 của bộ điều khiển PLC tương ứng với lưu lượng 0 – 150 m3/h
Cơ cấu chấp hành của hệ thống là một van tuyến tính điều khiển lưu lượng
sữa vôi cấp vào thùng trung hòa. Để đảm bảo an toàn cho thiết bị khi hoạt động
liên tục trong môi trường có nhiều hóa chất độc hại như khí SO2, Ca(OH)2,
H3PO4 … van điều khiển loại điện khí nén được chọn. Sữa vôi cấp vào hệ thống
có độ Bume từ 6 – 8 là một dung dịch huyền phù. Các chất tan trong dung dịch
sẽ lắng xuống đáy thùng trong vòng 2 – 3 phút nếu không được khuấy trộn. Nếu
lắp van cấp vôi theo phương án điều khiển thuận (van tuyến tính điều khiển trực
tiếp lượng vôi vào thùng) như hình 2.9b, trong quá trình điều khiển nếu van
đóng kín trong thời gian 2 - 3 phút các chất tan trong sữa vôi sẽ lắng xuống và
làm kẹt đường ống. Vì vậy van cấp sữa vôi được lắp theo phương án điều khiển
ngược (điều khiển dòng hồi lưu về thùng) như hình 2.9a. Để sữa vôi không bị
kẹt trong đường ống khi viết chương trình chỉ cho phép van được đóng từ 0% 90%. Trong quá trình hoạt động nếu van tuyến tính vì một lý do nào đó không
làm việc được, công nhân vận hành sẽ điều khiển lượng vôi vào thùng bằng van
tay số 5 như lúc chưa lắp van tự động.


Van điều chỉnh loại điện khí nén Young Tech (Hàn Quốc) được điều khiển qua
ngõ ra AQW0 (4 - 20mA) module EM235 gắn với CPU 222 S7-200.

Khi van được cung cấp nguồn điều khiển 4 - 20mA góc van thay đổi từ
6 - 90O
Màn hình hiển thị dùng loại màng hình cảm ứng của Delta kết nối qua truyền
thông tới S7-200 thực hiện chức năng giám sát và cài đặt tham số điều khiển.

2.9a.
2.9b
Hình 2.10: Van điều khiển được lắp
Hình 2.9: Phương án lắp van điều
đặt vào dây chuyền
khiển cấp vôi
Quy trình điều khiển pH
Trong quy trình làm sạch đường bằng phương pháp sunfic hóa.
Sau khi nước mía hỗn hợp qua lọc, tiến hành gia nhiệt lần thứ nhất ở 65 - 70oC,
xông SO2 đến pH = 3,4 – 3,8 để đông tụ chất keo, sau đó trung hòa nước mía
đến pH = 7,1 – 7,3 trong thùng trung hòa, tiếp tục gia nhiệt lần thứ 2 và đưa đi
quá trình chế biến kế tiếp.
Giá trị pH trong giai đoạn trung hòa nằm từ 7,1 – 7,3 được điều khiển qua
bộ điều khiển khả trình S7-200 Siemen. Tín hiệu từ cảm biến sunfic lần 1, pH
chè trong, lưu lượng nước mía hỗn hợp đưa tín hiệu dòng (4 - 20mA) đến
module EM235. Module EM235 kết hợp với CPU S7-200 để xử lý tín hiệu, xuất
tín áp (0 - 10V) trên ngõ ra EM235 để điều khiển van tuyến tính. Góc van tỷ lệ
thuận với lượng vôi cung cấp vào thùng trung hòa. Tỷ lệ vôi vào sẽ giúp điều
chỉnh giá trị pH.
Khi cấp sữa vôi vào nước mía hỗn hợp, nhờ cơ cấu khuấy trộn khuyếch tán
lượng sữa vôi vào nước mía, phản ứng trung hòa bắt đầu xảy ra, các cặn bẩn bắt
đầu kết tủa dẫn đến đóng cặn ở thành bồn, đường ống, đầu cảm biến ...
Đầu cảm biến bị đóng cặn làm giá trị đo đạc bị sai lệch, cần phải rữa tách cặn
thường xuyên để giá trị đo được chính xác.
Sơ đồ điều khiển pH trong thùng khuấy được bố trí như trên. Tín hiệu từ 2

cảm biến ISFET đo pH rất nhỏ vài milivolt được đưa vào bộ khuyếch đại và
chuyển đổi tín hiệu đạt đến giá trị 4 - 20mA tương ứng pH từ 2 - 12. Tín hiệu
này đưa vào module EM235. Tín hiệu 4 - 20mA (0 - 150m3/h) từ đồng hồ đo lưu
lượng KOBOLD truyền vào ngõ vào module EM235. Module EM235 kết nối
với S7-200, S7-200 thực hiện chương trình điều khiển, giá trị xuất ra từ hàm
điều khiển qua module EM235 chuyển thành tín hiệu áp (0 – 10 vôn) điều khiển
góc van. Ngõ ra S7-200 dạng relay điều khiển van khí nén của cơ cấu rửa cảm
biến. S7-200 đồng thời kết nối đến màn hình cảm ứng Delta.


Tín hiệu ngõ ra EM235 đạt giá trị nhỏ nhất thì van mở hoàn toàn, góc van ϕ =
0o thể hiện trên đồng hồ và màn hình.
Tín hiệu ngõ ra EM235 đạt giá trị lớn nhất thì van đóng hoàn toàn, góc van ϕ =
90o hiển thị trên đồng hồ và màn hình.
Bộ chuyển đổi CPM253 của hãng Endress Hauser ngõ ra tín hiệu 4 - 20mA
(tương ứng 2 - 12pH), van điều khiển dựa vào nguồn khí nén, điện áp điều khiển
0 - 10V (góc van 0 - 90O) của hãng Young Tech, Hàn Quốc.
Mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống
Cảm biến dùng đo pH hoạt động theo nguyên tắc của transitor ion hiệu ứng
trường (ISFET). Giá trị pH thay đồi theo dòng điện đi qua giữa hai điện cực của
transitor (cực D và S), hai điện cực được bảo vệ bởi lớp vỏ polyme. Điện
cực còn lại gọi là điện cực tham chiếu và nhạy cảm với nồng độ ion H+ . Sau một
thời gian sữ dụng (20 phút), chất cặn có trong dung dịch mía sẽ bao lấy điện
cực, làm cho điện cực không còn nhạy, dẫn đến sai số ở đầu ra. Để giải quyết
vấn đề này phải rửa cảm biến trong dung dịch axit loãng, thường là HCl nồng độ
2 mol sau 20 phút làm việc.

Hình 3.11 Sơ đồ điều kiển pH

Xi lanh khí nén truyền động đến cơ cấu hình bình hành để mang đầu đo cảm
biến từ vị trí đo A sang vị trí B có chứa dung dịch HCl loãng để rữa cảm biến.
Thời gian đo, thời gian rửa do người dùng cài đặt.

Hình 2.12 Cơ cấu rửa cảm biến

Hình 2.13 Cơ cấu rửa cảm biến
được lắp đặt
Cảm biến ở vị trí A: Cảm biến nhúng trong dung dịch nước mía hỗn hợp sau
khi gia vôi; Cảm biến ở vị trí B: Cảm biến nhúng trong dung dịch HCL 2 mol.
Kết quả điều khiển cấp vôi tự động ứng dụng phương pháp PID với PLC
S7-200

Hình 2.14 pH trước và sau khi điều khiển ứng dụng phương pháp PID
Yêu cầu đặt ra cho hệ thống là pH đạt trong khoảng pH = 7,1 – 7,3
Trong chế độ hoạt động ổn định, bộ điều khiển PID điều chỉnh giá trị đầu ra để
sai số tiến về zero. Giá trị lỗi được xác định là hiệu số của giá trị cài SP
(setpoint) và giá trị thu về PV (process value). Bộ điều khiển PID thể hiện giá trị
đầu ra M(t) là hàm của khâu tỷ lệ, vi phân, tích phân.
Theo đồ thị hình 2.13 giá trị sau khi hiệu chỉnh có đáp ứng tốt hơn, thời gian
xác lập ngắn, độ vọt lố thấp đáp ứng yêu cầu công nghệ của nhà máy.
2. 5 Khảo nghiệm đánh giá quá trình hoạt động của thiết bị
Hệ thống thiết bị gồm thùng trung hòa khuấy trộn dạng cơ học thể tích 2,12
3
m với hai cơ cấu cánh khuấy đã được lắp đặt xong vào dây chuyền ngày