Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất sứ vệ sinh 400.000 sp/năm - HCMUTE

Đồ án HCMUTE thiết kế nhà máy sản xuất sứ vệ sinh năng suất 400 000 sản phẩm năm. Tổng hợp quy trình công nghệ, tính toán thiết bị và mặt bằng chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Minh Cảnh
• Người hướng dẫn: TS. Kiều Đỗ Trung Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất sứ vệ sinh năng suất 400.000 sản phẩm/năm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế nhà máy sản xuất sứ vệ sinh

Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất sứ vệ sinh năng suất 400.000 sản phẩm/năm được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Nhiệm vụ chính gồm lập sơ đồ công nghệ, tính toán phối liệu, cân bằng vật chất, thiết kế thiết bị sản xuất như máy nghiền bi và bố trí mặt bằng nhà máy. Dự án hướng tới giải quyết nhu cầu ngày càng tăng về sản phẩm sứ vệ sinh chất lượng cao trong ngành xây dựng. Nhà máy áp dụng công nghệ sản xuất hiện đại với quy trình khép kín từ nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm hoàn thiện. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc triển khai sản xuất thực tế.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính là thiết kế hệ thống sản xuất sứ vệ sinh đạt năng suất 400.000 sản phẩm/năm với tiêu chuẩn chất lượng quốc tế. Phạm vi bao gồm khảo sát nguyên liệu, lựa chọn công nghệ sản xuất, tính toán cân bằng vật chất, thiết kế thiết bị chính như máy nghiền bi và hệ thống xử lý khí thải. Dự án cũng đánh giá hiệu quả kinh tế thông qua phân tích chi phí đầu tư và lợi nhuận dự kiến. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo cho các doanh nghiệp trong ngành.

1.2. Đặc điểm kỹ thuật sản phẩm sứ vệ sinh

Sản phẩm sứ vệ sinh yêu cầu độ bền cao, chống thấm nước và chịu được môi trường ẩm ướt. Nguyên liệu chính gồm đất sét, cát silica, feldspar và thủy tinh lỏng. Quy trình sản xuất bao gồm trộn nguyên liệu, tạo hình, sấy khô, nung ở nhiệt độ 1200-1300°C và hoàn thiện bề mặt. Sản phẩm đạt tiêu chuẩn TCVN 7745:2013 về sứ vệ sinh, đảm bảo an toàn sức khỏe người sử dụng.

II. Phân tích nhu cầu và thách thức trong sản xuất sứ vệ sinh

Nhu cầu sứ vệ sinh tại Việt Nam tăng trưởng 8-10%/năm do đô thị hóa và nâng cấp hạ tầng. Tuy nhiên, ngành đối mặt thách thức về nguồn nguyên liệu chất lượng, chi phí năng lượng cao và ô nhiễm môi trường. Công nghệ sản xuất lạc hậu dẫn đến tỷ lệ sản phẩm lỗi cao. Áp lực cạnh tranh từ sản phẩm nhập khẩu buộc doanh nghiệp phải tối ưu quy trình. Đồ án nghiên cứu giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

2.1. Hiện trạng công nghệ sản xuất sứ vệ sinh tại Việt Nam

Hiện nay, đa số nhà máy sử dụng công nghệ bán tự động với năng suất thấp. Quy trình sản xuất chủ yếu dựa trên kinh nghiệm truyền thống, thiếu sự đồng nhất trong sản phẩm. Hệ thống xử lý khí thải chưa đáp ứng tiêu chuẩn môi trường. Chi phí sản xuất cao do tiêu hao năng lượng lớn trong quá trình nung. Sự phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu ảnh hưởng đến ổn định sản xuất.

2.2. Ảnh hưởng của nguyên liệu đến chất lượng sản phẩm

Chất lượng nguyên liệu quyết định 60% chất lượng sản phẩm cuối. Đất sét phải có độ dẻo cao, hàm lượng sắt thấp dưới 1%. Cát silica yêu cầu độ tinh khiết trên 98% SiO2. Feldspar cung cấp kiềm giúp hạ nhiệt độ nung. Thủy tinh lỏng điều chỉnh độ nhớt của hồ sứ. Sự biến động chất lượng nguyên liệu dẫn đến sản phẩm không đồng đều, tăng tỷ lệ phế phẩm.

III. Giải pháp thiết kế nhà máy sản xuất sứ vệ sinh công suất 400

Giải pháp đề xuất áp dụng dây chuyền sản xuất tự động hóa cao với năng suất 400.000 sản phẩm/năm. Nhà máy bố trí 3 phân xưởng chính: chuẩn bị nguyên liệu, tạo hình sản phẩm và nung. Hệ thống máy nghiền bi tiên tiến được sử dụng để nghiền nguyên liệu đến độ mịn yêu cầu. Quy trình sản xuất được tối ưu hóa thông qua phần mềm mô phỏng. Hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001 được tích hợp vào quy trình sản xuất.

3.1. Lựa chọn công nghệ sản xuất tiên tiến

Công nghệ sản xuất sử dụng quy trình khép kín từ nguyên liệu đến sản phẩm hoàn thiện. Máy nghiền bi năng suất 10 tấn/giờ được lựa chọn cho nguyên liệu xương. Hệ thống sấy phun giúp kiểm soát độ ẩm nguyên liệu đầu vào. Máy ép thủy lực tạo hình sản phẩm với lực ép 200 tấn. Lò nung liên tục kiểu buồng với nhiệt độ 1250°C đảm bảo sản phẩm đạt độ bền cao.

3.2. Tối ưu hóa quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất được tối ưu hóa thông qua cân bằng vật chất chi tiết. Lượng nguyên liệu được tính toán chính xác dựa trên tỷ lệ phối liệu tối ưu. Hệ thống kiểm soát tự động giám sát nhiệt độ, áp suất và thời gian nung. Phế phẩm được tái chế trở lại quy trình sản xuất. Hệ thống quản lý sản xuất MES được triển khai để theo dõi tiến độ sản xuất.

IV. Kết quả và ứng dụng của đồ án thiết kế nhà máy

Kết quả thiết kế cho thấy nhà máy có thể sản xuất 400.000 sản phẩm/năm với tỷ lệ phế phẩm dưới 2%. Hiệu suất sử dụng nguyên liệu đạt 95%, tiết kiệm 15% chi phí sản xuất so với công nghệ cũ. Dự án cung cấp giải pháp công nghệ khả thi cho ngành sản xuất sứ vệ sinh. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong đào tạo ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Nhà máy thiết kế có thể nhân rộng mô hình tại các tỉnh thành khác.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án

Dự án có vốn đầu tư ban đầu khoảng 50 tỷ đồng. Thời gian hoàn vốn dự kiến là 4,5 năm với lợi nhuận ròng hàng năm 12 tỷ đồng. Giá trị hiện tại ròng (NPV) đạt 35 tỷ đồng với suất sinh lợi nội tại (IRR) 22%. Dự án tạo việc làm cho 150 lao động trực tiếp và 300 lao động gián tiếp. Hiệu quả kinh tế được đánh giá thông qua phân tích chi phí-lợi ích chi tiết.

4.2. Đóng góp của đồ án vào ngành sản xuất sứ vệ sinh

Đồ án cung cấp cơ sở khoa học cho việc nâng cấp công nghệ sản xuất sứ vệ sinh tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu được công bố trong hội nghị khoa học cấp trường. Nhà máy thiết kế có thể trở thành mô hình tham khảo cho các doanh nghiệp trong ngành. Dự án góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành sứ vệ sinh Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cũng được ứng dụng trong giảng dạy chuyên ngành vô cơ silicat.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Sản phẩm sứ vệ sinh 1. Giới thiệu về gốm sứ Gốm là những sản phẩm được tạo thành từ các nguyên liệu dẻo như đất sét, cao lanh, ngoài ra còn các nguyên liệu gầy để điều chỉnh các tính chất của phối liệu như nguyên liệu gầy, làm nhẹ, trợ nung,…phối liệu có dạng hạt mịn. Gốm có cấu trúc đa tinh thể, ngoài ra có thể gồm cả pha thủy tinh.

Phối liệu sản xuất gốm được tạo hình và nung kết ở nhiệt độ cao làm cho vật liệu có được những tính chất lý hóa học đặc trưng. Sứ là vật liệu gốm mịn không thấm nước và khí, thường có màu trắng, sứ có độ bền cơ học cao, tính ổn định nhiệt và hóa học tốt, sứ được sử dụng để làm đồ gia dụng, đồ mỹ nghệ hay trong xây dựng. [1] Gốm sứ là là một trong những ngành công nghiệp cổ xưa nhất đã có từ hàng nghìn năm trước. Đồ tạo tác gốm cổ nhất được biết đến có niên đại sớm nhất vào khoảng năm 28.000 trước công nguyên vào cuối thời kì đồ đá cũ, đó là một bức tượng của một người phụ nữ được phát hiện trong một định cư thời tiền sử nhỏ gần Brno, Cộng hòa Séc.

Tại Trung Quốc người ta đã tìm thấy những mảnh vở của những chiếc bình có niên đại 18.000 trước công nguyên, sau đó các nhà khảo cổ cũng đã tìm được những mảnh đồ tạo tác gốm với niên đại khoảng 14.000 năm trước công nguyên tại Nhật và phía đông của Nga. [2] Ở Việt Nam, ông cha ta đã sản xuất được đồ gốm từ thời thượng cổ, cách đây hơn 4500 năm. Vào thời đầu các vua Hùng chúng ta đã có gốm Phùng Nguyên, gò Mun (Vĩnh Phú) nung ở nhiệt độ 800 – 900oC, xương gốm bắt đầu được tinh luyện. Từ thế kỷ XI chúng ta đã sản xuất được gốm men Đại Việt nổi tiếng với các trung tâm Hà Bắc, Thanh Hóa, Thăng Long, Đà Nẵng.

2 Từ thời Trần có gốm Thiên Trường với sản phẩm bát đĩa, bình lọ phủ men ngọc, men nâu.Cuối đời Trần vào thế kỷ XIV bắt đầu hình thành làng gốm Bát Tràng nổi tiếng đến ngày nay. Phân loại gốm Phân loại [1]:  Gốm dân dụng  Gốm mỹ nghệ  Gốm xây dựng  Gốm làm răng giả  Gốm dùng trong kỹ thuật điện  Gốm chịu lửa  Gốm phủ kim loại  Gốm làm dao tiện  Gốm làm vật liệu mài  Gốm hóa học 1. Giới thiệu về sứ vệ sinh Thiết bị sứ vệ sinh bao gồm các vật dụng được làm bằng chất liệu sứ, được lắp đặt trong nhà tắm hoặc nhà vệ sinh. Các sản phẩm sứ vệ sinh thông dụng hiện nay bao gồm bồn cầu, bồn rửa mặt, bồn tắm… Hình 1.

1: Sứ vệ sinh Thiết bị sứ vệ sinh gồm xương sứ là cấu trúc phần chính của thiết bị và lớp men để tăng tính thẩm mỹ tăng khả năng chống nước cho thiết bị sứ.Ngành gốm sứ xây dựng Việt 3 Nam đã và đang đóng góp vào nền kinh tế quốc dân với doanh thu khoảng 3 tỷ USD/năm và hoàn toàn đủ điều kiện để phát triển ổn định trong những năm tới. Theo bảng xếp hạng của tập chí chuyên ngành gố sứ hàng đầu thế giới Ceramic World Review năm 2016 thì Việt Nam đứng hàng thứ 5 sau Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil và Tây Ban Nha về sản lượng sản xuất và tiêu thụ. Hiện cả nước có hơn 23 công ty sản xuất sứ vệ sinh với tổng công suất thiết kế 21.000 sản phẩm/năm, quy mô các nhà máy chủ yếu trên 500. Một số thương hiệu có danh tiếng về chất lượng sản phẩm như Toto, Inax, Viglacera sản xuất trên 60% là xí bệt, trong đó tỉ lệ xí bệt liền khối lên tới 30 – 35% và nhiều sản phẩm khác đa dạng về kiểu dáng và kích thước.

Một số công ty của các nhà đầu tư tư nhân với sản lượng lớn và sản xuất tập trung với năng suất đạt tới 3,5 triệu sản phẩm/năm như Công ty Hào Cảnh ở Tiền Hải – Thái Bình, ngoài ra cũng có nhiều nhà đầu tư xây dựng công ty với quy mô nhỏ (chỉ khoảng 100. Năm 2016, xuất khẩu sứ vệ sinh đạt 94,5 triệu USD, nhập nhẩu 23 triệu USD. Công nghệ sản xuất gốm sứ Quy trình sản xuất gốm sứ trải qua các bước cơ bản:  Xử lý nguyên liệu: bao gồm các bước nghiền trộn nguyên liệu  Tạo hình: tạo sản phẩm có thành hình dạng mong muốn, bao gồm các phương pháp:  Phương pháp tạo hình ép: dùng áp lực tách dụng làm nguyên liệu thành hình dạng trong khuôn ép, đặc điểm của phương pháp là có độ ẩm từ 3 – 12%  Phương pháp đổ rót: hồ đổ rót có độ ẩm lên đến 28 – 40% được rót vào khuôn thạch cao sao đó chờ tạo thành mộc rồi rót hồ thừa.  Tạo hình dẻo: độ ẩm phối liệu 15 – 20%, áp dụng cho vật thể chi tiết có dạng đối xứng trụ, được nhân tạo hình trên bàn xoay trong sản xuất chén dĩa, hoặc ép đùn theo hình dạng đầu phun trong sản xuất gạch xây.

 Sấy: là giai đoạn loại bỏ bớt độ ẩm trước khi đưa vào giai đoạn nung, quá trình sấy cũng làm tăng cơ tính của mộc.  Nung: giai đoạn được thực hiện ở nhiệt độ cao để xảy ra các quá trình hóa lý như mất nước hóa học biến đổi thành phần khoáng, hóa. Nguyên liệu sản xuất sứ 1. Nguyên liệu cho xương 1.

Nguyên liệu dẻo a) Đất sét Đất sét là sản phẩm phong hóa tàn dư của các loại đá gốc chứa tràng thạch như granit, bazan. Đất sét chứa các nhóm khoáng alumo-silicat ngậm nước có cấu trúc lớp (còn gọi là các khoáng sét) với độ phân tán cao, trộn với nước có tính dẻo, khi nung tạo sản phẩm kết khối rắn chắc. Các khoáng chính thường có trong đất sét:  Khoáng kaolinite: Al 2(Si2O5)(OH)4  Khoáng halloysit: Al2(Si2O5)(OH)4.2H2O  Khoáng montmorillonite: Al 1.33)} (Si2O5)(OH)2  Khoáng pirophiliet: Al2(Si2O5)(OH)2  Khoáng illite: Al2-xMgxK1-x-y (Si1.5+yO5)2(OH)2 Đất sét là cung cấp đồng thời Al2O3 và SiO2. Ngoài ra, trong thành phần luôn có lẫn cát (SiO2), đá vôi (CaCO3), tràng thạch ((K,Na)2O.6SiO2), các tạp chất khoáng chứa nhôm và sắt… [4] Đất sét phải ít tạp chất Fe2O3, TiO2, MnO2 để đảm bảo độ trắng của xương.

Thành phần hóa, thành phần khoáng và các tính chất vật lí, khả năng tham gia phản ứng của các loại đất sét là khác nhau. [5] Đất sét được sử dụng trong bài luận là loại EXCELBLEND S50 [6] được cung cấp bởi SIBELCO-Thailand có các tiêu chuẩn như sau:  Qua sàng 20 µm: 95,6%  Độ ẩm: < 10%  Co ngót sau sấy: 5,53%  Co ngót sau nung (1220oC): 7,56%  Thành phần hóa của đất sét quy định trong bảng 1. 1: Thành phần hoá của đất sét Thành phần SiO2 Fe2O3 Al2O3 Na2O K2O CaO MgO TiO2 MKN Hàm lượng 63,05 1,41 22,66 0,19 2,16 0,19 0,53 0,59 9,21 % b) Cao lanh Cao lanh có thành phần chủ yếu là kaolinite (Al2O3.2H2O) đây là khoáng không có tính dẻo. Trong thực tế cao lanh nguyên liệu vẫn có tính dẻo (tuy rất ít) do cỡ hạt nhỏ từ 5 – 10 m và lẫn các loại khoáng khác [1].

Cao lanh có kích thước hạt thô hơn đất sét, tích tụ tại các mỏ đá gốc nên trắng và ít tạp chất hơn. [4] Cao lanh có hàm lượng Al2O3 cao, tạo điều kiện xuất hiện khoáng mullite trong quá trình nung. Khoáng này giúp sản phẩm có cường độ cao, tăng độ bền cơ và giữ ẩm, cho chất lượng sản phẩm tốt hơn. Cao lanh được thêm vào phối liệu để thay thế một phần đất sét nhằm làm tăng tốc độ bám khuôn, vì nếu phối liệu nhiều đất sét sẽ dẫn đến độ co lớn, nứt và biến dạng khi nung.

Ngoài ra cao lanh còn có tác dụng tăng độ trắng sản phẩm nhưng đất sét thì không. [5] Cao lanh được sử dụng trong bài luận được cung cấp bởi SIBELCO- Thailand [6] có các tiêu chuẩn cao lanh:  Độ ẩm: 20%  Sót sàng 45 µm: 1,28%  Khối lượng riêng: 1960 kg/m3  Thành phần hóa của cao lanh: Bảng 1. 2: Thành phần hóa của cao lanh Thành phần SiO2 Fe2O3 Al2O3 TiO2 MKN Hàm lượng % 48,85 1,42 37,24 0,1 12,39 1. Nguyên liệu gầy a) Tràng thạch Là hợp chất của các silicat-alumin không chứa nước thành phần còn lại có Na2O, K2O, CaO.

Tràng thạch được xem như là đá gốc sinh ra các khoáng của đất sét, cao lanh trong quá trình phong hóa 6 Tràng thạch là nguyên liệu cung cấp đồng thời SiO2, Al2O3 và các oxit natri, canxi, kali, đóng vai trò chất chảy trong mộc và men (là pha thuỷ tinh sau khi nung). [4] Dựa vào thành phần hóa người ta chia tràng thạch thành 3 loại khác nhau:  Tràng thạch Natri (Na2O.6SiO2)  Tràng thạch Kali (K2O.6SiO2)  Tràng thạch canxi (CaO.6SiO2) Trong tự nhiên tràng thạch không nằm ở dạng riêng lẻ mà ở dạng hỗn hợp của ba loại trên nên nhiệt độ chảy dao động trong khoảng 1120 – 1190oC, tràng thạch tạo pha thủy tinh hòa tan các thành phần khác của phối liệu, xúc tiến quá trình tạo thành mullite. [5] Tràng thạch được sử dụng trong bài luận là loại tràng thạch Kali Powder của Ấn Độ, được phân phối bởi Công Ty TNHH Thương Mại Kỹ Thuật Thạch Quang RUBY HOUSE, 195/12 Xô Viết Nghệ Tĩnh, phường 17, Q. Bình Thạnh, Tp.

HCM Các tiêu chuẩn:  Độ ẩm: 3%  Khối lượng riêng: 2450 - 2500 kg/m3  Thành phần hóa của tràng thạch [6]: Bảng 1. 3 Thành phần hóa của tràng thạch Thành SiO2 Fe2O3 Al2O3 Na2O K2O CaO MgO TiO2 MKN phần Hàm 66,19 0,07 18,47 3,09 11,70 0,09 0,03 0,05 0,31 lượng % b) Samot và mộc hỏng Samot là phế phẩm sau quá trình nung được nghiền lại và thêm vào phối liệu có tác dụng làm giảm sự co rút, đồng thời tận dụng lại một phần phế phẩm nhằm tận dụng lại nguyên liệu do có thành phần hóa thích hợp nên không tính chung trong phối liệu. Lượng sử dụng thường bằng lượng phế phẩm sau nung (4 – 6% tổng phối liệu). [5] Mộc hỏng: tận dụng đưa lại bài phối liệu khuấy để xử lí các sản phẩm hư trong qua trình tạo hình.

7 c) Cát Là nguyên liệu gầy khi thêm vào phối liệu có tác dụng làm cứng sản phẩm mộc, giảm thời gian sấy, chống co rút, tăng độ bền cơ và bổ sung thêm SiO2. Hơn nữa cát có nhiệt độ nóng chảy cao khoảng 1710 oC còn dùng để điều chỉnh hệ số giãn nở nhiệt của xương và men. Nếu phối liệu quá dẻo sẽ co nhiều, dễ biến dạng, nứt khi sấy nung, vì vậy thêm cát làm giảm tính dẻo. Dạng khoáng tự nhiên thường là α-quắc.

Dùng trong công nghệ gốm sứ cần ở dạng khoáng ổn định (SiO2 trên 95%).