Nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất đường, ứng dụng cho nhà máy đường

Khả năng tiết kiệm năng lượng hơi trong công nghệ sản xuất đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện trang thiết bị, trình độ tự động hóa, trình độ quản lý sản xuất, vận hành thiết bị,

®­êng, øng dông cho nhµ m¸y

®­êng tuy hßa, tØnh phó yªn

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-

đặng nguyên thoại

Nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất

đường, ứng dụng cho nhà máy

đường tuy hòa, tỉnh phú yên

MụC LụC

Trang

Mở ĐầU 1

PHầN 1 TổNG QUAN 3

CHƯƠNG 1 TổNG QUAN Về CÔNG NGHệ SảN XUấT ĐƯờNG 3

1.1.1 Công nghệ sản xuất đường 3

1.1.1.1 Lịch sử phát triển ngành công nghiệp đường 3

1.1.1.2 Qui trình sản xuất đường 4

1.1.1.3 Qui trình sản xuất đường bằng phương pháp sulphit hóa axit tính 5

1.1.2 Giới thiệu về Nhà máy đường Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên 10

CHƯƠNG 2 VấN Đề NĂNG LƯợNG TRONG CÔNG NGHệ SảN XUấT ĐƯờNG 12

1.2.1 Nhu cầu sử dụng hơi trong nhà máy đường 12

1.2.2 Sơ đồ cấp hơi trong nhà máy đường 13

1.2.3 Tiêu thụ hơi trong các công đoạn của công nghệ sản xuất đường 14 1.2.4 Cô đặc nước mía 15

CHƯƠNG 3 Hệ THốNG CÔ ĐặC TRONG CÔNG NGHệ SảN XUấT ĐƯờNG 16

1.3.1 Những đặc điểm của quá trình cô đặc 16

1.3.2 Hệ thống cô đặc nhiều nồi trong công nghệ sản xuất đường 17

1.3.2.1 Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi 18

1.3.2.2 Giới hạn nhiệt độ của hơi đốt 18

1.3.2.3 Giới hạn độ chân không nồi cuối 19

1.3.2.4 Số nồi thích hợp trong hệ thống cô đặc nhiều nồi 20

CHƯƠNG 4 CáC BIệN PHáP TIếT KIệM NĂNG LƯợNG HƠI TRONG CÔNG NGHệ SảN XUấT ĐƯờNG 23

1.4.1 Nguyên tắc chung làm giảm lượng hơi tiêu hao cho công nghệ 23

1.4.1.1 Sử dụng hơi thứ thay thế cho hơi thải 23

1.4.1.2 Nâng cao hệ số truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 24

1.4.1.3 Giảm tối đa nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh 25

1.4.2 Các biện pháp làm giảm lượng hơi tiêu hao cho công nghệ sản xuất đường 26

1.4.2.1 Sử dụng các thiết bị hiện đại 26

1.4.2.2 Lựa chọn phương án cô đặc hợp lý 31

1.4.2.3 Tăng cường việc sử dụng hơi thứ thay thế cho hơi thải 32

1.4.2.4 Tận dụng hơi tự bốc của nước ngưng 35

1.4.2.5 Tận dụng nhiệt từ nước ngưng 36

1.4.2.6 Sử dụng hơi thứ nồi cô đặc cuối 37

1.4.2.7 Giảm tối đa tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh 37

1.4.2.8 Các biện pháp khác 38

PHầN 2 PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU 42

2.1 Đối tượng nghiên cứu 42

2.2 Nội dung nghiên cứu 42

2.3 Phương pháp nghiên cứu 42

2.3.1 Tính cân bằng vật chất 42

2.3.2 Tính cân bằng nhiệt lượng 43

2.3.2.1 Hệ thống gia nhiệt nước mía 43

2.3.2.2 Hệ thống nấu đường 44

2.3.2.3 Hệ thống cô đặc nhiều nồi 44

2.3.3 Tính phương án sử dụng hơi hiệu quả 48

2.4 Phương án cải tiến công nghệ sản xuất đường tại Nhà máy đường Tuy Hòa, năng suất 1500 tấn mía/ngày 49

2.4.1 Khảo sát hệ thống cô đặc hiện tại của Nhà máy đường Tuy Hòa 49

2.4.2 Đề xuất phương án sử dụng tiết kiệm năng lượng 50

PHầN 3 KếT QUả Và THảO LUậN 51

3.1 Tính toán sơ bộ lượng hơi tiêu thụ cho các công đoạn 51

3.1.1 Nước chè trong và mật chè 51

3.1.2 Nhu cầu hơi công nghiệp 51

3.1.2.1 Gia nhiệt nước chè 52

3.1.2.2 Cô đặc nước chè 52

3.1.2.3 Nấu đường 53

3.2 Tiêu hao hơi cho công nghệ sản xuất đường 54

3.2.1 Hệ cô đặc 4 nồi không trích hơi thứ 54

3.2.2 Hệ cô đặc 4 nồi trích hơi thứ nồi 1 55

3.2.3 Hệ cô đặc 4 nồi trích hơi thứ nồi 1 và nồi 2 56

3.2.4 Hệ cô đặc 4 nồi trích hơi thứ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 58

3.2.5 Hệ cô đặc 5 nồi không trích hơi thứ 61

3.2.6 Hệ cô đặc 5 nồi trích hơi thứ nồi 1 63

3.2.7 Hệ cô đặc 5 nồi trích hơi thứ nồi 1 và nồi 2 64

3.2.8 Hệ cô đặc 5 nồi trích hơi thứ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 66

3.2.9 Hệ cô đặc 5 nồi trích hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3 và nồi 4 67

3.3 Xây dựng chương trình tính toán cho hệ thống cô đặc 4 nồi và 5 nồi 70

3.3.1 Phương án cô đặc 4 nồi có trích hơi thứ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 70

3.3.2 Phương án cô đặc 5 nồi có trích hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3 và nồi 4 74

3.4 Phương án cải tiến công nghệ sản xuất đường tại Nhà máy đường Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên 76

3.4.1 Sơ đồ phân phối hơi hiện tại của Nhà máy 76

3.4.1.1 Sơ đồ phân phối hơi 76

3.4.1.2 Các điều kiện về công nghệ 77

3.4.1.3 Các điều kiện về thiết bị 77

3.4.2 Lượng hơi tiêu hao cho từng công đoạn tại Nhà máy đường Tuy Hòa 78

3.4.3 Nhận xét hiệu quả làm việc của hệ thống 78

3.4.4 Đề xuất phương án cải tiến công nghệ sản xuất đường cho Nhà máy đường Tuy Hòa 80

KếT LUậN 82

PHô LôC 85

PHô LôC 1 85

PHô LôC 2 86

Phô lôc 3 87

Phô lôc 4 101

tãm t¾t luËn v¨n 116

abstract 117

Mở ĐầU

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nhiều ngành khoa học kỹ thuật thì vấn đề năng lượng luôn được các quốc gia đặt lên hàng đầu Bên cạnh việc tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho các nguồn nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt thì việc nghiên cứu các biện pháp nhằm tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất cũng đang được quan tâm

Cũng như các ngành khoa học kỹ thuật khác, trong ngành công nghiệp mía đường thì năng lượng tiêu thụ nhiều đến mức là một trong các yếu tố ảnh hưởng lớn đến giá thành sản phẩm Năng lượng sử dụng trong công nghệ sản xuất đường chủ yếu là điện, hơi, nhiệt; trong đó năng lượng hơi đóng vai trò quan trọng nhất Hơi sử dụng trong công nghệ sản xuất đường chủ yếu là các loại hơi nước: hơi áp suất cao, hơi trung áp và hơi bão hòa áp suất thấp Việc nghiên cứu các biện pháp tiết kiệm năng lượng hơi trong công nghệ sản xuất

đường không những làm giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ như than, dầu FO mà còn tham gia vào quá trình sản xuất ra điện năng phục vụ nhu cầu cho nhà máy Hơn nữa, lượng bã mía dư từ quá trình đốt bã mía sẽ là nguồn nguyên liệu cho ngành công nghệ sản xuất giấy, ván ép,…

Trên thế giới, vấn đề tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất

đường đã được quan tâm từ khi ngành công nghiệp mía đường ra đời; đặc biệt

ở các nhà máy đường củ cải - nơi mà không có bã mía để phục vụ nhu cầu đốt

lò hơi thì vấn đề tiết kiệm năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu

Ngành công nghiệp mía đường ở Việt Nam còn non trẻ so với các nước trên thế giới Trong những năm đầu mới thành lập, do chưa chú ý đến vấn đề tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất đường nên lượng hơi tiêu hao

là rất lớn (chiếm từ 55 - 60 tấn hơi/100 tấn mía) Do lượng hơi tiêu hao cho công nghệ rất lớn nên không đủ bã mía để đốt lò hơi; vì vậy các nhà máy cần

sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống khác như than, dầu FO,… Điều này làm tăng giá thành sản phẩm, giảm khả năng cạnh tranh với các sản phẩm nước ngoài Hiện nay, các nhà máy đường trong nước không ngừng nghiên

cứu các khả năng tiết kiệm năng lượng trong công nghệ để vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm vừa giảm giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường

Khả năng tiết kiệm năng lượng hơi trong công nghệ sản xuất đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện trang thiết bị, trình độ tự động hóa, trình độ quản lý sản xuất, vận hành thiết bị, việc phân phối hơi cho toàn nhà máy hợp

lý và đặc biệt là việc bố trí hệ thống cô đặc Các yếu tố này không chỉ đảm bảo được các yêu cầu công nghệ, yêu cầu về chất lượng sản phẩm mà còn cho phép tiết kiệm được năng lượng trong quá trình sản xuất

Trên cở sở phân tích trên, tôi chọn đề tài cho bản luận văn thạc sĩ có

tiêu đề: “nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất đường, ứng dụng cho nhà máy đường tuy hòa, tỉnh phú yên”

Mục đích của đề tài là:

- Nghiên cứu những công đoạn của công nghệ sản xuất đường theo yêu cầu năng lượng Cụ thể tính toán lượng hơi tiêu thụ cho các công đoạn gia nhiệt, cô đặc và nấu đường Từ đó đưa ra phương án sử dụng hơi tiết kiệm nhất

- Khảo sát công nghệ sản xuất hiện tại của Nhà máy đường Tuy Hòa

Từ đó đưa ra phương án để tiết kiệm năng lượng cho Nhà máy đường Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên

PHầN 1 TổNG QUAN

CHƯƠNG 1 TổNG QUAN Về CÔNG NGHệ SảN XUấT

ĐƯờNG

1.1.1 Công nghệ sản xuất đường

1.1.1.1 Lịch sử phát triển ngành công nghiệp đường [3,13,17]

Đường rất quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người Đường không chỉ làm gia tăng vị ngon và màu sắc của thực phẩm mà còn có những

đặc tính khác (như dùng làm chất bảo quản, chất nền cho quá trình lên men, nguồn gốc tạo ra năng lượng,…) Từ xưa, đường được lấy từ mật ong và quả dại Xét về góc độ lịch sử, đường mía xuất hiện khá muộn mặc dù cây mía

được trồng từ rất sớm, từ khoảng 3000 năm trước công nguyên

Trong suốt thời gian dài từ thời kỳ Cổ đại cho đến thời kỳ Trung cổ, việc sản xuất đường là hoàn toàn bằng phương pháp thủ công, dùng sức người hoặc sức động vật để trích ly nước mía Sau đó người ta thu hồi đường trong nước mía trên các chảo nấu đường được đun nóng bằng củi Nước đường được cô đặc tới nồng độ yêu cầu và được làm nguội để kết tinh Quá trình này tiêu hao rất nhiều năng lượng và chỉ thu được đường nâu với chất lượng thấp

Những bước tiến quan trọng nhất trong lịch sử phát triển ngành công nghiệp đường mía là việc phát minh ra máy ép 2 trục đứng (năm 1637), sử dụng hệ thống các nồi làm sạch và nấu đường liên tiếp (năm 1650) Sự khan hiếm nhiên liệu đã làm nảy sinh ý tưởng sử dụng bã mía làm nhiên liệu đun nóng nước mía và nấu đường từ năm 1675 Năng lượng từ hơi nước được tìm

ra năm 1722 và bắt đầu được áp dụng vào ngành đường từ năm 1800 đã làm thay đổi sâu sắc ngành sản xuất đường dẫn đến việc phát minh ra hệ nhiều máy ép (năm 1794), nồi nấu đường chân không (năm 1813), máy ly tâm (năm 1837), hệ cô đặc nhiều nồi (1844) và máy xé tơi mía (năm 1854) Các phát minh này đã tạo cơ sở phát triển ngành công nghiệp sản xuất đường mía hiện

đại có năng suất cao và công suất lớn nhờ cơ khí hóa quá trình sản xuất Đặc

thứ dùng làm hơi đốt đã làm giảm năng lượng tiêu hao trong sản xuất Đây là một bước tiến quan trọng trong lịch sử ngành công nghiệp mía đường

1.1.1.2 Qui trình sản xuất đường [1,2]

Hình 1.1.1 Sơ đồ qui trình sản xuất đường

Đường cát trắng là tinh thể Saccarozơ (C12H22O11) kết tinh với độ tinh khiết cao (> 99,62%), còn gọi là đường kính trắng Saccarozơ có thể được sản xuất từ củ cải đường hoặc từ mía Nước ta là một nước nông nghiệp nhiệt đới nên đường kính được sản xuất từ cây mía

Công nghệ sản xuất đường đã phát triển và thay đổi qua rất nhiều thời

kỳ nhưng việc thu hồi đường từ cây mía vẫn dựa trên các bước cơ bản sau: (Hình 1.1.1)

- Mía cây được thu hoạch từ các vùng trồng mía và vận chuyển về nhà máy Tại đây mía được xử lý nhằm phá vỡ lớp vỏ cứng và cấu trúc chặt chẽ của thân mía tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy nước mía;

- Nước mía được lấy ra khỏi cây mía nhờ phương pháp ép nên có chứa một lượng nhất định các tạp chất Vì vậy cần phải được đưa đi làm sạch để loại bỏ các tạp chất không đường trước khi đưa tới các công đoạn tiếp sau;

- Quá trình thu hồi đường qua 2 công đoạn: cô đặc và nấu đường

+ Quá trình cô đặc nhằm bốc hơi một phần nước trong hỗn hợp nước mía, đưa dung dịch đường đến nồng độ thuận lợi cho quá trình nấu đường nhằm thu hồi đường dưới dạng tinh thể

+ Quá trình nấu đường: đường tinh thể được tách ra từ hỗn hợp tinh thể

đường và mật hay còn được gọi là đường non rồi xử lý ra sản phẩm cuối cùng

là đường thành phẩm

1.1.1.3 Qui trình sản xuất đường bằng phương pháp sulphit hóa axit tính [1,2]

Có rất nhiều phương pháp khác nhau để thu được đường thành phẩm

Sự khác nhau giữa các phương pháp chủ yếu là ở công đoạn làm sạch nước mía Làm sạch nước mía là khâu rất quan trọng, quyết định đến chất lượng sản phẩm Vì vậy, để sản xuất các loại đường nâu ta có thể dùng vôi để làm sạch dung dịch Trong khi đó muốn có đường trắng, ngoài vôi ta còn phải dùng hóa chất mạnh hơn như SO2, CO2,… Hiện nay ở Việt Nam, các nhà máy

đường chủ yếu sản xuất đường trắng bằng phương pháp sulphit hóa axit tính Phương pháp này sử dụng tác nhân làm sạch nước mía chủ yếu là khí SO2 và vôi Khí SO2 khi xông vào hỗn hợp nước mía đưa nước mía về môi trường axit

có độ pH = 3 ữ 4 Vì vậy sản xuất đường theo phương pháp này được gọi là phương pháp sulphit hóa axit tính Công nghệ sản xuất đường trắng theo phương pháp này khá đơn giản, sơ đồ công nghệ và thiết bị tương đối đơn giản, tiêu hao hóa chất ít, vốn đầu tư thiết bị thấp Qui trình sản xuất đường theo phương pháp sulphit hóa axit tính được mô tả ở hình 1.1.2

Hình 1.1.2 Qui trình sản xuất đường trắng theo phương pháp sulphit hóa

1 Mía cây: trong đó có khoảng 12% đường Saccarozơ (phụ thuộc vào

nhiều yếu tố: giống mía, đất đai, chế độ canh tác, điều kiện khí hậu từng địa phương và thời gian thu hoạch mà thành phần đường có thể thay đổi từ 10 ữ 15%) Sau khi thu hoạch từ 2 ữ 3 ngày nên được ép ngay

2 Xử lý sơ bộ và ép mía: mía cây từ bãi mía được cẩu lên bục xả mía

Từ bục xả, mía được chuyển xuống băng tải mía, qua máy san bằng và đi vào máy băm mía Mía sau khi đi qua 2 máy băm mía và máy đánh tơi, độ xé tơi của mía có thể đạt được 80 ữ 85% Mía tiếp tục được qua máy san bằng và máy khử sắt rồi đi vào hệ máy ép Hệ máy ép thường có 4 máy ép Trong quá trình ép mía cho thêm nước thẩm thấu để lấy được nhiều đường trong mía Nước mía ép ra từ máy 1 và máy 2 gọi là hỗn hợp nước mía và chuyển sang

bộ phận lọc cám, vụn mía Bã mía từ máy ép số 4 đưa đi đốt lò hơi

3 Làm sạch và cô đặc: hỗn hợp nước mía qua cân nước mía được gia

vôi sơ bộ đến pH = 6,8 ữ 7,0 và có thể bổ sung một lượng P2O5 (khoảng 250 ữ

300 ppm) có tác dụng nâng cao hiệu quả làm sạch Sau đó, nước mía đi gia nhiệt đến nhiệt độ t = 60 ữ 700C để xông SO2 và trung hòa nước mía đến pH = 7,3 ữ 7,5 Việc xông SO2 và trung hòa được thực hiện trong cùng một thiết bị phản ứng đường ống thẳng đứng và nằm ngang Trong thiết bị có một hoặc nhiều miệng phun Nước mía sau khi qua miệng phun sẽ tạo áp suất chân không để SO2 được hấp thụ vào nước mía Sau đó gia nhiệt nước mía lần thứ 2

đến t = 100 ữ 1040C và đi vào thiết bị lắng

Nước mía sau khi lắng gọi là nước mía trong (hoặc nước chè), còn nước bùn đưa đi lọc chân không hoặc lọc ép được nước lọc trong (hỗn hợp với nước mía trong), bùn lọc dùng làm phân bón Nước mía trong đi gia nhiệt lần thứ 3

đến t = 110 ữ 1120C và vào hệ thống cô đặc Hệ thống cô đặc thường gồm từ 4

ữ 5 nồi làm việc liên tục dưới điều kiện áp lực và chân không Nước mía sau khi cô đặc có nồng độ chất rắn hòa tan 60 ữ 65 Bx gọi là mật chè thô Mật chè thô đi qua hệ thống xử lý lắng nổi để loại các tạp chất lơ lửng, sau đó đi xông

SO2 để tẩy màu và được mật chè tinh

4 Nấu đường: mật chè tinh đưa đi nấu đường và thực hiện chế độ nấu

3 loại đường non A, B, C Đường non A sau khi trợ tinh, phân mật được đường

A là đường thành phẩm, mật nguyên A1 và mật loãng A2 Mật A2 dùng nấu

đường non A hoặc cùng mật chè nấu giống cho đường non B và C Mật A1 dùng nấu đường non B Đường B hỗn hợp với mật chè hoặc nước nóng tạo

đường hồ làm đường giống nấu đường non A, còn mật B dùng nấu đường non

C Đường C hòa tan nấu lại đường non A và mật rỉ là sản phẩm phụ của nhà máy có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất cồn, mì chính,…

Sơ đồ nấu đường 3 hệ thể hiện ở hình 1.1.3

5 Sấy, đóng bao và bảo quản đường

Đường A sau khi li tâm được đưa đi sấy khô trong thiết bị sấy đứng, sấy nằm ngang hoặc sấy sàng rung Sau khi sấy, đường qua cân, đóng bao 50 kg

và vận chuyển vào kho thành phẩm Đường cần được bảo quản nơi khô ráo, độ

* Tiêu chuẩn đường trắng cho ở bảng 1.1.1

Bảng 1.1.1 Tiêu chuẩn đường trắng [2]

thượng hạng

Đường kính loại I

99,62

0,07 0,10 0,07 2,5

1.1.2 Giới thiệu về Nhà máy đường Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên

Phú Yên là một tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ có khí hậu nhiệt đới rõ rệt Vì vậy, từ những năm đầu mới tách tỉnh, Phú Yên đã xác định cây mía là cây công nghiệp ngắn ngày chủ lực, ngành công nghiệp mía đường là ngành mũi nhọn của tỉnh Do đó, năm 1993 Nhà máy đường Tuy Hòa (TUCSUCO)

đã khởi công đầu tư xây dựng với công suất 1.250 tấn mía/ngày, chính thức đi vào hoạt động vào vụ mía 1995 - 1996 Hiện nay sau khi sắp xếp và nâng công suất ép, năng suất của Nhà máy là 1.500 tấn mía/ngày

Công nghệ sản xuất đường của Nhà máy đường Tuy Hòa cũng theo phương pháp sulphit hóa axit tính Sơ đồ công nghệ sản xuất đường TUCSOCO ở hình 1.1.4

(trang này để vẽ sơ đồ dây chuyền trên khổ A3)

CHƯƠNG 2 VấN Đề NĂNG LƯợNG TRONG CÔNG

NGHệ SảN XUấT ĐƯờNG1.2.1 Tiêu thụ hơi trong các công đoạn của công nghệ sản xuất đường

Năng lượng cung cấp cho nhà máy đường là từ việc tận dụng bã mía và một phần từ điện lưới hoặc từ các nguồn năng lượng khác Nhà máy chủ yếu

sử dụng năng lượng dưới dạng nhiệt, điện, hơi vào các mục đích chính sau:

 Cấp nhiệt cho lò hơi;

 Cấp nhiệt cho quá trình gia nhiệt, cô đặc, nấu đường;

 Với các mục đích khác (chiếu sáng,…)

Với thực trạng ngành công nghiệp mía đường Việt Nam hiện nay, phần lớn các nhà máy đã cũ với nhiều hạn chế về thiết bị, trình độ tự động hóa thấp,… Đồng thời các nhà máy cũng chưa quan tâm nhiều đến việc tiết kiệm hơi trong các công đoạn của công nghệ sản xuất đường để giảm tiêu hao năng lượng Do đó, lượng hơi tiêu hao trong các nhà máy là khá lớn, tiêu hao hơi so với mía vẫn nằm từ 0,55 - 0,6 tấn hơi/tấn mía

Bảng 1.2.1 Tiêu hao năng lượng trong một nhà máy sản xuất đường ở

142.744

5,26 3,85 1,32

1.012.175

46,43 27,53

211.812

3,24 12,23

15,47

Bảng 1.2.1 cho thấy tiêu hao năng lượng trong các công đoạn của công nghệ sản xuất đường tại nhà máy sản xuất đường ở Đài Loan Qua đây ta thấy năng lượng sử dụng cho công đoạn gia nhiệt, cô đặc, nấu đường chiếm một tỷ

lệ lớn nhất (73,96% tổng lượng hơi tiêu hao cho toàn bộ nhà máy) Vì vậy để tiết kiệm năng lượng cho công nghệ sản xuất đường thì bên cạnh việc nâng cấp, hoàn thiện các thiết bị cấp nhiệt, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng,

sử dụng nguồn nguyên liệu bã mía hợp lý thì giải pháp tốt nhất là tối ưu việc

sử dụng hơi trong các công đoạn gia nhiệt, cô đặc, nấu đường Do hạn chế về

điều kiện thời gian thực hiện luận văn nên chúng tôi này chỉ đưa ra những giải pháp tiết kiệm hơi trong công nghệ sản xuất đường

1.2.2 Nhu cầu sử dụng hơi trong nhà máy đường

Trong nhà máy đường, nhu cầu sử dụng hơi rất phong phú và đa dạng Việc phân phối và sử dụng hơi phụ thuộc rất nhiều yếu tố như:

- Chất lượng nguyên liệu mía đầu vào;

- Qui trình công nghệ sản xuất;

- Điều kiện thiết bị trong nhà máy;

- Kỹ năng thao tác, vận hành

Tuy nhiên, theo kinh nghiệm quản lý và điều kiện của các nhà máy

đường hiện nay, nhiệt lượng phân phối cho các công đoạn trung bình như sau:

 10 - 12% cung cấp điện năng;

 70 - 78% cung cấp cho chế luyện (gia nhiệt, cô đặc, nấu đường,…);

1.2.3 Sơ đồ cấp hơi trong nhà máy đường

Hình 1.2.1 mô tả sơ đồ cấp hơi trong nhà máy đường Trong nhà máy

đường có rất nhiều bộ phận hơi sử dụng hơi với áp suất khác nhau Có 3 loại hơi là hơi cao áp, hơi trung áp và hơi hạ áp Hơi sử dụng trong toàn nhà máy

được sản sinh ra từ lò hơi cung cấp hơi có áp suất 16 - 45 at Hơi cao áp cung cấp năng lượng để chạy tuabin phát điện và tuabin máy ép, từ đó sản sinh ra hơi thải có áp suất thấp cung cấp cho công nghệ Do lượng hơi thải từ các tuabin đôi khi không đủ cho nhu cầu hơi có áp suất thấp dùng trong công nghệ nên một phần hơi sống từ lò hơi đã qua giảm áp được bổ sung cho hơi công nghệ Ngoài ra trong nhà máy còn có một số thiết bị sử dụng hơi áp suất

6 - 15 at nên một phần hơi sống được giảm áp tạo nên hệ thống hơi trung áp trong nhà máy

Hệ thống hơi hạ áp sử dụng trong công nghệ sản xuất đường bao gồm hơi thải từ các tuabin và một phần hơi sống của lò hơi qua giảm áp; lượng hơi này phần lớn được dùng cho hệ thống cô đặc Hệ thống cô đặc lại có nhiệm vụ phân phối hơi thứ có áp suất thấp hơn tới các bộ phận dùng nhiệt khác Nước ngưng tụ ở nồi đầu tiên có nhiệt độ và độ tinh khiết cao được quay trở về cung cấp cho lò hơi Lượng nước này đáp ứng khoảng 40 - 50% nhu cầu nước dùng trong lò hơi Chính vì vậy, có thể coi hệ thống cô đặc là một chu trình hoàn chỉnh

Hình 1.2.1 Sơ đồ cấp hơi trong nhà máy đường

1.2.4 Cô đặc nước mía

Nước mía sau khi được tách ra từ cây mía bằng phương pháp ép hoặc khuếch tán được đưa đi làm sạch để loại bỏ các chất không đường, người ta thu được nước mía trong có nồng độ từ 12 ữ 15 0Bx Sau đó nước mía trong

được đem đi cô đặc ở hệ thống cô đặc đến nồng độ 55 ữ 60 0Bx nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu đường và thu hồi đường tinh thể

Quá trình cô đặc được thực hiện ở hệ thống cô đặc nhiều nồi làm việc nối tiếp nhau Trong đó, nước mía lần lượt đi qua các nồi và được bốc hơi một phần nước ở mỗi nồi cho đến khi thu được mật chè có nồng độ yêu cầu ở nồi cuối cùng

Hệ thống cô đặc nhiều nồi sử dụng nguồn năng lượng là hơi thải từ các tuabin và được bổ sung bằng hơi sống từ lò hơi qua giảm áp để làm bốc hơi một phần nước Đồng thời hơi thứ của nồi đầu có năng lượng cao được dùng làm hơi đốt cho các nồi sau hoặc cung cấp năng lượng cho quá trình gia nhiệt

và nấu đường

Chính vì vậy, hệ thống cô đặc không những đóng vai trò là một mắc xích trong công nghệ sản xuất đường, mà còn là trung tâm nhiệt của toàn bộ nhà máy, tạo ra sự cân bằng trong sử dụng và phân phối nhiệt Hệ thống cô

đặc tận dụng nhiệt trong hơi thải từ các thiết bị sử dụng hơi nước cao áp và sau khi sử dụng cho mục đích cô đặc nước mía, năng lượng lại được phân phối tới các thiết bị dùng hơi khác Nhờ tận dụng khả năng này của hệ thống cô

đặc, người ta có thể tiết kiệm được một lượng hơi rất lớn trong nhà máy

đường Việc chọn sơ đồ phân phối hơi hợp lý cho hệ thống cô đặc có thể làm tiết kiệm được lượng hơi dùng trong công nghệ, góp phần giảm giá thành sản phẩm

CHƯƠNG 3 Hệ THốNG CÔ ĐặC TRONG CÔNG NGHệ

SảN XUấT ĐƯờNG

Cô đặc là một giai đoạn quan trọng trong công nghệ sản xuất đường

Quá trình cô đặc tiêu tốn khoảng 40 ữ 50% năng lượng cung cấp cho toàn dây chuyền công nghệ sản xuất, nên để nâng cao khả năng tiết kiệm năng lượng trong công nghệ sản xuất đường cần nắm vững quá trình này

1.3.1 Những đặc điểm của quá trình cô đặc [3,4,5,19]

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa

chất tan không bay, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:

- Làm tăng nồng độ chất tan;

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh);

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một nồi hay nhiều nồi Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi

là hơi thứ - thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc kế tiếp

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy về nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ có ích giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch Mặc khác, vì cô đặc chân không nên nhiệt độ sôi của dung dịch thấp; do đó có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác hoặc sử dụng hơi thứ của quá trình cô đặc

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao (như các dung dịch muối vô cơ), để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh

tế

Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

1.3.2 Hệ thống cô đặc nhiều nồi trong công nghệ sản xuất đường [3,4,5,17,18]

Như đã nói ở trên, sự ra đời hệ thống cô đặc nhiều nồi là sự phát minh nổi bật nhất của ngành công nghiệp mía đường Đây là phát minh của nhà khoa học người Mỹ gốc Pháp, Norbert Rillieux, được giới thiệu tại trường đại học Louisiana (Mỹ) vào năm 1844 [18]

Quá trình cô đặc thực hiện trong những nồi hở và sử dụng lửa để gia nhiệt đã không được sử dụng nữa mà thay vào đó là dùng hơi đốt ý tưởng của Rillieux là sử dụng hơi thứ của nồi trước có áp suất cao làm hơi đốt cho nồi sau có áp suất thấp, nồi đầu thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển còn các nồi sau làm việc ở áp suất chân không Vì vậy, cần phải duy trì hiệu số nhiệt độ có ích trong toàn hệ thống cô đặc để đảm bảo việc sử dụng hơi thứ hiệu quả

Hình 1.3.1 Hệ thống cô đặc nhiều nồi trong công nghệ sản xuất đường

Trong công nghệ sản xuất đường, cần phải bay hơi một lượng lớn nước trong dung dịch đường, nên cần tiêu thụ một lượng hơi nước lớn Nếu dùng một nồi cô đặc muốn bay hơi 1 kg nước trong dung dịch đường phải dùng đến

Hơi thứ

Hơi đốt

Nước mía

Đến thiết bị ngưng tụ

Mật chè

Nước ngưng

kém hơi nước Với việc ra đời hệ thống cô đặc nhiều nồi, hàng triệu tấn nhiên liệu đã được tiết kiệm mỗi năm do việc sử dụng hơi thứ thay cho hơi thải

1.3.2.1 Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi [3,4,5]

Nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này làm hơi đốt nồi thứ hai Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào làm hơi đốt nồi thứ ba,…; hơi thứ nồi cuối cùng vào thiết bị ngưng tụ (hình 1.3.1) Dung

dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi (nước) được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên

Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, quá trình truyền nhiệt xảy ra là nhờ

có sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch đường Để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ cần phải tăng thêm số lần

sử dụng hơi đốt, tăng chênh lệch áp suất (chênh lệch nhiệt độ) của hơi đốt vào nồi đầu tiên và hơi thứ ở nồi cuối cùng Đó là bằng cách tăng áp suất hơi đốt

đun nóng của nồi thứ nhất hoặc giảm áp suất hơi thứ của nồi cuối cùng (tức là tăng độ chân không), cũng có thể bằng cả hai cách Vì vậy, ở một số nồi cuối cùng thường làm việc ở áp suất chân không

1.3.2.2 Giới hạn nhiệt độ của hơi đốt [3,18]

Do tính chất hóa học của dung dịch đường Saccarozơ nên rất cần chú ý

đến nhiệt độ của hơi đốt dùng trong cô đặc Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tồn tại một giá trị nhiệt độ xác định gọi là giới hạn an toàn của dung dịch đường [18] Nếu dung dịch đường có nhiệt độ vượt quá nhiệt độ giới hạn đó thì sẽ có

xu hướng làm tổn thất đường Saccarozơ do sự thủy phân đường, đồng thời với quá trình hình thành các chất màu do phản ứng caramen hóa làm giảm chất lượng đường thành phẩm

Đối với dung dịch nước mía trong có độ pH trung bình (pH = 6,5 ữ 7,2) thì tổn thất đường do chuyển hóa rất hiếm khi vượt quá 0,1%/giờ ở nhiệt độ không quá 1100C Tuy nhiên, nếu nhiệt độ vượt quá 1100C thì tổn thất do thủy phân đường sẽ tăng rất nhanh [18] ở nhiệt độ trên 1100C thì đường Saccarozơ

bị thủy phân thành đường Fructozơ và Glucozơ Đây là các thành phần không mong muốn trong đường thành phẩm, làm giảm chất lượng đường

Giới hạn nhiệt độ của hơi đốt còn phụ thuộc vào loại dung dịch đường

Đối với dung dịch đường củ cải, do hàm lượng đường khử thấp hơn rất nhiều

so với dung dịch đường mía nên dung dịch đường củ cải có tính bền nhiệt cao hơn, có thể đạt trên 1300C Ngoài ra, đặc tính nồi cô đặc cũng ảnh hưởng đến giới hạn nhiệt độ của hơi đốt

Bảng 1.3.1 Nhiệt độ tối đa cho phép trong hệ thống cô đặc nhiều nồi [18]

nồi 1, 0C

áp suất hơi đốt nồi 1, kg/cm2

- Nồi cô đặc ống tuần hoàn trung tâm

- Nồi Kestner

125 - 130

130 - 135

1,3 - 1,7 1,7 - 2,2

1.3.2.3 Giới hạn độ chân không nồi cuối [18]

Trong công nghệ sản xuất đường, giới hạn độ chân không nồi cuối khoảng 630 - 680 mmHg (tương ứng với nhiệt độ của hơi thứ nồi cuối từ 560C

- 470C) Độ chân không cao có 2 thuận lợi lớn sau:

- Làm tăng hiệu số nhiệt độ có ích giữa nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch đường; từ đó làm tăng năng suất bốc hơi;

- Đảm bảo quá trình bốc hơi được thực hiện ở nhiệt độ thấp và an toàn cho dung dịch đường, giảm tổn thất đường do chuyển hóa và giảm độ màu của dung dịch đường

Tuy nhiên, xét về mặt công nghệ, nồi cuối không làm việc ở độ chân không cao như vậy vì những lý do sau:

- Độ chân không quá cao sẽ gây ra hiện tượng “chạy đường” làm mất

đường theo hơi thứ;

- Khi độ chân không cao, nhiệt độ mật chè ra khỏi nồi cuối giảm Nếu mật chè vào nồi nấu đường ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đường non thì sẽ có

xu hướng hình thành các tinh thể trong nồi nấu đường Hơn nữa, khi độ chân không nồi cuối cao thì mật chè có độ nhớt lớn, nên khó vận chuyển

Vì vậy, nên khống chế độ chân không nồi cuối thấp hơn độ chân không

bằng nhiệt độ đường non Độ chân không nồi cuối thích hợp nhất vào khoảng

630 - 660 mmHg (tương ứng với nhiệt độ của hơi thứ nồi cuối từ 560C - 520C)

1.3.2.4 Số nồi thích hợp trong hệ thống cô đặc nhiều nồi [3,4,5]

Từ nguyên tắc cô đặc nhiều nồi ta có thể thấy, nếu xét ở góc độ sử dụng hơi đốt thì sử dụng càng nhiều nồi càng tốt Song trên thực tế không phải như vậy, do tổn thất nhiệt độ, sự phân bố hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi sẽ giảm theo sự tăng lên của số nồi, nên số nồi là có giới hạn nhất định

Bảng 1.3.2 Lượng hơi đốt dùng cho các hệ thống cô đặc nhiều nồi khác

Lượng hơi đốt

để bay hơi 1

kg nước, kg

1 kg hơi nước bay hơi lượng nước, kg

0,91 1,754 0,25 3,33 3,7 Qua bảng 1.3.2, ta thấy lượng hơi đốt tiêu thụ trong thiết bị cô đặc một nồi và hệ thống cô đặc nhiều nồi dùng để bay hơi 1 kg nước giữa thực tế và lý thuyết có sự khác nhau Số nồi càng lớn, lượng hơi nước để bốc hơi 1 kg nước càng giảm; song sự giảm không theo tỷ lệ thuận với số nồi Do đó, phải chọn

số nồi thích hợp

Chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi liên quan đến các yếu tố sau:

1 Mức độ kinh tế của hơi đốt dùng cho hệ thống cô đặc

Từ bảng 1.3.2, ta thấy nếu chuyển từ 1 nồi thành 2 nồi thì mức độ kinh

tế (tiết kiệm hơi nước) khoảng 50%, còn từ 4 nồi chuyển thành 5 nồi thì mức

độ kinh tế là 10%; có nghĩa là mức độ kinh tế sẽ giảm dần theo sự tăng số nồi Vì vậy, trong sản xuất chỉ dùng từ 3 đến 5 nồi

2 Chênh lệch nhiệt độ có hiệu quả

Khi phân phối tổng số chênh lệch nhiệt độ cho các nồi, nếu số nồi càng nhiều thì chênh lệch nhiệt độ phân phối tới các nồi càng nhỏ; đối với nồi cô

đặc có cùng công suất, tổng số diện tích truyền nhiệt cần có càng phải lớn Trong thiết bị cô đặc có dung dịch tuần hoàn tự nhiên, chênh lệch nhiệt độ của mỗi nồi không nên nhỏ hơn 5 - 70C để duy trì trạng thái sôi bình thường của dung dịch, vì vậy chênh lệch nhiệt độ của mỗi nồi không nên quá nhỏ Như vậy, liệu có thể tăng tổng số chênh lệch nhiệt độ cùng tương ứng với tăng chênh lệch nhiệt độ của từng nồi được không? Về mặt này cũng có hạn chế tương tự Xét tới tính chất của nước đường và tình hình cụ thể của thiết bị thì nhiệt độ hơi nước đun nóng nồi 1 không nên quá 1320C, độ chân không của nồi cuối cùng cũng không nên cao quá 660 mmHg (tương ứng với nhiệt độ hơi thứ nồi cuối là 520C)

Lúc này tổng số chênh lệch nhiệt độ ∆T = 132 - 52 = 800C Lấy giá trị này trừ đi tổn thất nhiệt độ thì tổng số chênh lệch nhiệt độ có hiệu quả không còn cao như vậy

Ví dụ: Giả sử ∆T = 800C, tổn thất nhiệt độ của mỗi nồi là ∑∆ = 100C (coi tổn thất trong các nồi bằng nhau), vậy:

- Đối với hai nồi: ∆t = 80 - 2.10 = 60 ⇒ ∆tk = 300C

- Đối với bốn nồi: ∆t = 80 - 4.10 = 40 ⇒ ∆tk = 100C

- Đối với năm nồi: ∆t = 80 - 5.10 = 30 ⇒ ∆tk = 60C

- Đối với tám nồi: ∆t = 80 - 8.10 = 0 ⇒ ∆tk = 00C

Trong trường hợp này, số nồi nhiều nhất của hệ thống cô đặc là 5 nồi

3 Tổn thất nhiệt độ

Ta giả thiết rằng bỏ qua các tổn thất nhiệt độ, so sánh bề mặt truyền nhiệt trong hệ thống cô đặc một nồi và hệ thống cô đặc nhiều nồi ở các điều kiện như nhau:

Đối với một nồi:

tK

Q

F1

∆

=

Trong đó, F1 - diện tích bề mặt truyền nhiệt của một nồi cô đặc, m2;

Q - nhiệt lượng trao đổi, W;

K - hệ số trao đổi nhiệt, W/m2.độ;

Qt/n

* Tóm lại, trong công nghệ sản xuất đường thì người ta thường sử dụng

hệ thống cô đặc 4 hoặc 5 nồi vì các lí do sau:

- Chi phí cho thiết bị sẽ tăng cao khi tăng số nồi cô đặc;

- Mức độ tiết kiệm hơi đốt sẽ giảm nhanh cùng với sự tăng số nồi cô

CHƯƠNG 4 CáC BIệN PHáP TIếT KIệM NĂNG LƯợNG

HƠI TRONG CÔNG NGHệ SảN XUấT ĐƯờNG

1.4.1 Nguyên tắc chung làm giảm lượng hơi tiêu hao cho công nghệ

1.4.1.1 Sử dụng hơi thứ thay thế cho hơi thải [16]

Lượng hơi tiết kiệm được nhờ việc sử dụng hơi thứ đã được Rilleux đúc kết trong 3 nguyên lý cơ bản sau:

Nguyên lý 1: trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, 1 kg hơi đốt cho nồi 1 sẽ

làm bốc hơi 1 kg nước ở mỗi nồi Như vậy, đối với cô đặc n nồi, 1 kg hơi đốt

sẽ làm bốc hơi n kg nước

Nguyên lý này được sử dụng để tính toán cho hệ thống cô đặc nhiều nồi khá đơn giản, với điều kiện bỏ qua sai sót do tổn thất nhiệt và hơi nước tự bốc Như vậy, hệ cô đặc nhiều nồi đã giải quyết được vấn đề tiết kiệm hơi trong công nghệ sản xuất đường Tuy nhiên, trong nhà máy đường, người ta chỉ sử dụng hệ thống cô đặc từ 4 đến 5 nồi vì việc thiết kế thêm các nồi cô đặc phía sau thì lượng hơi tiết kiệm không đáng kể mà sẽ tăng chi phí đầu tư, thao tác

và quản lý phức tạp, hiệu số nhiệt độ có ích ở mỗi nồi sẽ giảm đáng kể do tăng tổng tổn thất nhiệt độ ở các nồi

Nguyên lý 2: nếu W (kg) hơi thứ được rút ra từ M nồi của hệ thống cô

đặc N nồi thì hơi tiêu hao sẽ giảm đi một lượng:

.WN

M

Việc dùng hơi thứ của hệ thống cô đặc cho các bộ phận khác như gia nhiệt nước mía, nấu đường,… sẽ làm giảm tổng lượng hơi tiêu hao trong công nghệ sản xuất đường Hơi thứ của hệ thống cô đặc có thể thay thế hơi nguồn

từ tuabin hoặc hơi giảm áp từ nồi hơi cung cấp cho các thiết bị gia nhiệt và nấu đường

Nguyên lý 3: ở bất cứ nơi nào trong thiết bị cô đặc, hơi nước được

ngưng tụ thì cần phải tháo khí không ngưng để không cản trở quá trình truyền nhiệt trong thiết bị cô đặc

1.4.1.2 Nâng cao hệ số truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc [17]

Từ phương trình cân bằng nhiệt:

Q = K.F.∆t Trong đó, Q - lượng nhiệt trao đổi, W;

K - hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ;

F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2;

∆t - hiệu số nhiệt độ có ích giữa hơi đốt và dung dịch, oC Lượng nước bốc hơi trong mỗi nồi tỷ lệ với diện tích bề mặt truyền nhiệt, hiệu số nhiệt độ có ích giữa hơi đốt và dung dịch và hệ số truyền nhiệt qua bề mặt gia nhiệt Ta thấy trong trường hợp hiệu số nhiệt độ có ích giữa hơi đốt và dung dịch, diện tích bề mặt truyền nhiệt đã xác định thì hệ số truyền nhiệt K là yếu tố quyết định đến hiệu quả trao đổi nhiệt giữa hơi đốt và dung dịch Hệ số truyền nhiệt thay đổi theo độ nhớt của dung dịch đường, vận tốc trung bình của dung dịch qua tiết diện ống truyền nhiệt, độ sạch của bề mặt ống truyền nhiệt trong đó kể đến sự tạo cặn ở bề mặt ống ở phía dung dịch, sự có mặt của khí không ngưng và nước ngưng tụ Tất cả các yếu tố trên

đều làm thay đổi đáng kể hệ số truyền nhiệt qua thành ống, ảnh hưởng đến hiệu quả gia nhiệt của hơi đốt

Những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt K được xác định trong bảng 1.4.1

Bảng 1.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt K [17]

Yếu tố chính Yếu tố chính

Điều kiện tối ưu để dung dịch bao phủ ống truyền nhiệt Giảm độ nhớt

Giảm chênh lệch nhiệt độ

1.4.1.3 Giảm tối đa nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh

Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh qua nhiều con đường, chủ yếu

là do tổn thất nhiệt qua bức xạ từ thành thiết bị và thành ống ra ngoài không khí, nhiệt do nước ngưng mang ra và hơi thứ nồi cuối đi vào thiết bị ngưng tụ chân không Qua bảng 1.2.1, ta thấy nhiệt lượng thất thoát ra môi trường xung

quanh chiếm khoảng 15% so với nhiệt lượng cung cấp cho toàn bộ hệ thống, trong đó phần lớn nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra chiếm khoảng 12% Giảm tối đa lượng nhiệt tổn thất này sẽ làm giảm lượng hơi tiêu hao cho công nghệ Điều này có thể thực hiện được bằng cách giảm lượng hơi thứ vào thiết

bị ngưng tụ, sử dụng hơi thứ nồi cuối hoặc hơi thứ từ nồi nấu đường chân không cho các thiết bị gia nhiệt, sử dụng nước ngưng tụ có nhiệt độ cao cho gia nhiệt nước mía

1.4.2 Các biện pháp làm giảm lượng hơi tiêu hao cho công nghệ sản xuất

đường [17,18]

1.4.2.1 Sử dụng các thiết bị hiện đại

1 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm [17]

Hình 1.4.1 mô tả cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Loại thiết bị này được cấu tạo từ nhiều tấm thép dạng sóng, có nhiều nếp gấp Các tấm thép này được gắn tại góc cửa của thiết bị để hình thành nên dạng dòng chảy trong thiết bị Hiện nay, loại thiết bị này được sử dụng rộng rãi để gia nhiệt nước mía ở nhiều nhà máy đường trên thế giới Dung dịch chảy trong thiết bị với vận tốc lớn, tạo lớp màng mỏng nên làm tăng hệ số cấp nhiệt từ bề mặt truyền nhiệt đến dung dịch Do đó:

- Hạn chế khả năng đóng cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt phía dung dịch;

- Tăng hệ số truyền nhiệt K của thiết bị

Hình 1.4.1 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm 1- cửa dung dịch ra; 2- cửa hơi đốt vào

3 - của dung dịch vào; 4- của nước ngưng ra

1

2

3

4

Mặc khác, việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm rất linh hoạt, có thể thay đổi bề mặt truyền nhiệt của thiết bị được thực hiện khá dễ dàng nhờ lắp thêm hoặc rút bớt số lượng tấm gia nhiệt

Công ty Alfa - Laval có loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm loại thông thường có vật liệu bằng kim loại để kết nối các tấm thép với nhau Nó được sử dụng để đun nóng hoặc làm nguội những dung dịch không có chất rắn lơ lửng như: nước chè, mật chè,… Hệ số truyền nhiệt của loại thiết bị này được cho trong bảng 1.4.2 [17]

Bảng 1.4.2 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm loại

Bảng 1.4.3 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm loại

Việc áp dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm trong các nhà máy đường

có thể nâng cao khả năng sử dụng hơi thứ nồi cuối của hệ thống cô đặc, sử dụng nước ngưng tụ để gia nhiệt nước mía,… vì các thiết bị này có hệ số truyền nhiệt lớn với hiệu số chênh lệch nhiệt độ nhỏ

2 Thiết bị cô đặc loại màng [4,18]

Hình 1.4.2 mô tả thiết bị cô đặc loại màng Loại thiết bị này gần đây

được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đường Trong thiết bị cô đặc loại màng, dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên Phòng đốt là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài từ

7 - 8 m, hơi đốt đi vào phía ngoài ống, dung dịch vào đáy thiết bị chiếm

khoảng

5

14

1 ữ chiều cao ống truyền nhiệt Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện đi từ dưới lên với vận tốc rất lớn (≈ 20 m/s) kéo theo màng chất lỏng ở

bề mặt ống cùng đi lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch tăng dần đến miệng ống là đạt nồng độ cần thiết

Hình 1.4.2 Thiết bị cô đặc loại màng 1- phòng đốt; 2- phòng bốc hơi;

3- bơm; 4- bộ phận tách bọt; 5- ống dẫn

Những ưu điểm của loại thiết bị này:

- Hệ số truyền nhiệt cao và khả năng đóng cặn thấp hơn so với các loại thiết bị cô đặc khác;

- áp suất thủy tĩnh nhỏ nên tổn thất do áp suất thủy tĩnh bé;

- Ưu điểm lớn nhất là thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị này thấp nhờ tốc độ chảy của dung dịch trong ống lớn Do vậy loại thiết bị này tỏ

ra rất hiệu quả khi sử dụng làm nồi cô đặc số 1 trong hệ thống cô đặc nhiều nồi do trong nồi này, nước đường phải tiếp xúc với hơi đốt có nhiệt độ cao Mặc khác, dù làm việc ở nhiệt độ cao nhưng thời gian lưu của nước đường trong thiết bị nhỏ nên hạn chế được sự chuyển hóa của đường Saccarozơ, sự phân hủy và caramel hóa đường khử

Nhược điểm lớn nhất của loại thiết bị này là khó làm sạch ống truyền nhiệt vì ống dài (chiều dài từ 7 - 8 m)

Việc sử dụng thiết bị cô đặc loại màng cho hệ thống cô đặc nhiều nồi, ngoài khả năng tăng cường lượng hơi thư rút ra từ nồi 1 để cung cấp cho gia nhiệt và nấu đường, người ta có thể sử dụng hơi có áp lực cao để tăng hiệu số nhiệt độ có ích ở các nồi và tăng cường độ bốc hơi Do vậy khả năng tiết kiệm hơi là rất lớn

Sự khác biệt giữa thiết bị nén nhiệt và thiết bị bơm nhiệt là hỗn hợp hơi cần thiết được hút vào trong ống phun cùng với hơi áp suất cao Trong khi đó, với thiết bị bơm nhiệt, hỗn hợp hơi có thể được tách ra dùng trong các mục

đích khác

Thiết bị nén nhiệt thường được sử dụng để nâng cao nhiệt độ và áp suất của hơi thứ nồi 1 Phương pháp này đòi hỏi ít vốn đầu tư, nhưng lượng nhiệt tiết kiệm được không nhiều bằng thiết bị bơm nhiệt

4 Thiết bị bơm nhiệt [17,18]

Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, tiêu hao hơi đốt càng giảm khi số nồi càng tăng Tuy nhiên, khi tăng số nồi thì phải tăng hiệu số nhiệt độ có ích chung bằng cách tăng áp suất hơi đốt, hoặc là hiệu số nhiệt độ có ích của mỗi nồi sẽ giảm làm tăng bề mặt đun nóng của hệ thống Trong trường hợp này, người ta sử dụng hơi thứ bằng cách nén hơi thứ đến áp suất hơi đốt để đun nóng dung dịch là kinh tế nhất

Để nén hơi thứ, người ta sử dụng các máy nén (máy nén pittông, tuabin hoặc tuye) và chúng được gọi chung là bơm nhiệt

Cũng giống như thiết bị nén nhiệt, thiết bị bơm nhiệt cũng có tác dụng nâng áp suất và nhiệt độ của hơi thứ nhưng bằng tác dụng cơ học để nén hơi thứ Thiết bị này sử dụng năng lượng điện để chạy máy nén với lượng năng lượng tiêu hao ít hơn so với năng lượng mà nó có thể sản sinh ra nhờ tái sử dụng lại hơi thứ

Hình 1.4.3 Thiết bị nén nhiệt

ống phun Hơi áp suất cao Hơi áp suất thấp

Hơi sau khi qua thiết bị nén nhiệt

Thiết bị bơm nhiệt có thể áp dụng được với tất cả các loại hơi thứ và cho hệ số nén giữa hơi thứ và hơi sau khi nén cao Tuy nhiên, giá thành thiết

bị khá cao, đặc biệt khi thiết bị làm việc với hệ số nén cao đòi hỏi chi phí vận hành và bảo dưỡng thiết bị khá lớn

áp dụng thiết bị bơm nhiệt có khả năng làm giảm một lượng nhiên liệu rất lớn trong công nghệ sản xuất đường

Hình 1.4.4 minh họa một thiết bị bơm nhiệt dùng trong công nghệ sản xuất đường Trong thiết bị cô đặc này, không gian bốc hơi có nhiệt độ khoảng

1000C (2120F) Nước chè sẽ sôi tại nhiệt độ từ 100 - 100,50C (212 - 2130F) Hỗn hợp hơi bốc ra từ nước chè tại áp suất khí quyển (1 kg/cm2) và đi qua thiết bị bơm nhiệt sẽ tăng áp suất lên khoảng 1,3 kg/cm2 (tương ứng với nhiệt

độ 1060C hay 2230F) Lượng hơi này làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc, vì thế giảm lượng hơi tiêu hao cho hệ thống cô đặc

1.4.2.2 Lựa chọn phương án cô đặc hợp lý

1 Phương án cô đặc chân không

Phương án này áp dụng đối với hệ cô đặc từ 3 đến 5 nồi và không rút hơi thứ ở nồi cuối vì nhiệt độ hơi thứ thấp Phương án này có ưu điểm và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: do quá trình cô đặc thực hiện ở áp suất chân không nên nhiệt độ sôi của dung dịch đường thấp, tránh được hiện tượng phân hủy và

Bơm nhiệt

Tuabin hoặc

động cơ

Hình 1.4.4 Thiết bị bơm nhiệt

chuyển hóa đường, chất lượng mật chè tốt, thao tác và khống chế điều kiện làm việc của hệ thống tương đối dễ dàng

- Nhược điểm: nhiệt độ hơi thứ thấp nên không làm giảm khả năng sử dụng hơi thứ, toàn bộ hơi thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ làm tăng tổn thất hơi Vì vậy, phương án cô đặc chân không không phù hợp với mục đích tiết kiệm năng lượng trong công nghệ Hơn nữa, do nhiệt độ hơi thứ thấp nên yêu cầu thiết bị cô đặc phải có diện tích truyền nhiệt lớn

2 Phương án cô đặc áp lực

Trong phương án này, các nồi cô đặc làm việc trong điều kiện áp lực

Do vậy, hơi thứ được sử dụng triệt để vì toàn bộ hơi thứ nồi cuối đều dùng cho các mục đích khác Nhiệt độ của hơi thứ tương đối cao nên có thể giảm diện tích truyền nhiệt của các thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi thứ đó

Tuy nhiên, do nhiệt độ làm việc trong các thiết bị cao nên dung dịch

đường dễ bị phân hủy và tạo caramen, làm giảm chất lượng đường

3 Phương án cô đặc áp lực - chân không

ở phương án này, các nồi đầu làm việc ở điều kiện áp lực, các nồi cuối làm việc ở điều kiện chân không Độ chân không nồi cuối không cao, vào khoảng 630 - 660 mmHg Do vậy, nhiệt độ sôi của dung dịch đường ở nồi cuối tương đối cao, có thể dùng để gia nhiệt nước mía

Phương án này được dùng rất phổ biến trong các nhà máy đường vì nó khắc phục được các nhược điểm của hai phương án trên

1.4.2.3 Tăng cường việc sử dụng hơi thứ thay thế cho hơi thải [18]

Hơi thứ của hệ thống cô đặc được sử dụng cho gia nhiệt và nấu đường Nếu không có hơi thứ từ hệ thống cô đặc thì hệ thống gia nhiệt và nấu đường phải sử dụng hơi thải áp suất thấp hoặc hơi sống từ lò hơi qua giảm ôn, giảm

áp Điều này làm tăng lượng hơi tiêu hao cho công nghệ Khả năng tiết kiệm hơi từ việc sử dụng hơi thứ của hệ thống cô đặc thay thế cho hơi thải được chứng minh qua bài toán cô đặc sau:

Xét hệ thống cô đặc 4 nồi trong công nghệ sản xuất đường (hình 1.4.5)

Điều kiện bài toán: trong mỗi nồi cô đặc, cứ 1 kg hơi đốt bằng 1 kg hơi thứ

- Trường hợp sử dụng hơi thứ của hệ thống cô đặc 4 nồi:

Hình 1.4.5 Hệ thống cô đặc 4 nồi có sử dụng hơi thứ

+ Tổng lượng hơi đốt cung cấp cho gia nhiệt và nấu đường và đi vào thiết bị ngưng tụ D:

D = Q = x + P1 + P2 + P3 + P4 (1) Với x: lượng hơi thứ ở nồi cô đặc thứ 4 đi vào thiết bị ngưng tụ;

2P4

P4

D = Q =

4

P4

2P4

3P4

E + 1 + 2 + 3 (3)

- Trường hợp không sử dụng hơi thứ của hệ thống cô đặc 4 nồi:

+ Tổng lượng đốt sử dụng cho gia nhiệt, nấu đường R:

R = P1 + P2 + P3 + P4+ Tổng lượng hơi đốt sử dụng cho hệ thống cô đặc 4 nồi:

E là tổng lượng nước bốc hơi qua hệ thống cô đặc 4 nồi nên lượng hơi

3P4

2P4

P1 + 2 + 3 + 4 (5)

Tổng quát cho hệ thống cô đặc n nồi:

Pn

1)P(n

n

iP

n

3Pn

2Pn

lý theo phương án của hệ thống cô đặc