Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật
Trong cơ cấu ngành công nghiệp chế biến, công nghệ lên men và sản xuất cồn etylic ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) đóng vai trò thiết yếu đối với nhiều lĩnh vực của nền kinh tế. Ngoài ứng dụng phổ biến làm đồ uống, cồn etylic còn là nguyên liệu và dung môi quan trọng trong y học (chất sát trùng), công nghiệp hóa chất, dệt may và làm nhiên liệu sinh học phục vụ giao thông vận tải. Quá trình sản xuất cồn bằng phương pháp lên men có thể tận dụng nhiều nguồn nguyên liệu chứa hydrat cacbon cao như rỉ đường, dịch quả, phế phẩm chứa xenluloza và các loại nông sản giàu tinh bột (gạo, ngô, sắn). Tại Việt Nam, sắn (Manihot esculenta) là cây lương thực có sản lượng lớn, vùng trồng tập trung, giá thành rẻ và hàm lượng tinh bột cao, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kinh tế kỹ thuật để làm nguyên liệu sản xuất cồn ở quy mô công nghiệp.
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Ngô Thị Ngọc Bích (Lớp 12H2LT, dưới sự hướng dẫn của KS. Bùi Viết Cường) thực hiện nhiệm vụ: "Thiết kế nhà máy sản xuất cồn $96^\circ$ từ sắn lát khô năng suất 135 tấn nguyên liệu/ngày".
Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:
- Xác lập luận chứng kinh tế kỹ thuật để lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy tại Khu công nghiệp Sao Mai, xã Hòa Bình, thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum (khu công nghiệp có quy mô quy hoạch 150 ha).
- Đánh giá vùng cung cấp nguyên liệu: Tính đến năm 2012, diện tích trồng sắn của tỉnh Kon Tum đạt trên 39.000 ha, kết hợp nguồn thu mua bổ sung từ các tỉnh lân cận thuộc khu vực Tây Nguyên và Duyên hải Nam Trung Bộ (Gia Lai, Đắk Nông, Phú Yên).
- Xác định quy hoạch hạ tầng: Tiếp cận mạng lưới điện quốc gia qua trạm biến áp riêng và trang bị máy biến áp dự phòng; khai thác nước ngầm qua hệ thống giếng khoan; sử dụng dầu FO cung cấp cho lò hơi sản xuất; đấu nối giao thông qua Quốc lộ 14 (cách trung tâm thành phố Kon Tum 7 km về phía Bắc, kết nối các tỉnh Tây Nguyên và Quảng Nam) và Quốc lộ 40 sang Attapeu (Lào).
- Xác lập kế hoạch vận hành: Nhà máy làm việc 11 tháng/năm (tháng 12 dừng máy để bảo dưỡng, đại tu và vệ sinh thiết bị). Tổng số ngày làm việc thực tế là 327 ngày/năm, tương ứng 981 ca sản xuất (chế độ làm việc 3 ca/ngày).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Đồ án xây dựng các tính toán công nghệ dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết chuyển hóa sinh học, hóa lý và các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành:
Đặc tính lý - hóa của nguyên liệu sắn lát khô: Củ sắn tươi gồm 4 phần chính: vỏ gỗ ($0,5\div3%$), vỏ cùi ($8\div20%$, chứa $5\div8%$ tinh bột), thịt củ (chứa phần lớn tinh bột với kích thước hạt từ $15\div80,\mu\text{m}$) và lõi củ ($0,3\div1%$). Sắn lát khô đưa vào thiết kế được phân tích dựa trên hai dạng thương phẩm: sắn lát không vỏ (chất khô 90,01%, đạm 2,48%, chất béo 1,40%) và sắn lát có vỏ (chất khô 90,57%, đạm 4,56%, chất béo 1,43%). Thành phần tính toán ban đầu của nguyên liệu đưa vào dây chuyền gồm: độ ẩm 13%, chất khô phi tinh bột 14%, hàm lượng tinh bột 73%.
Yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn nước sản xuất: Nước phục vụ chế biến, nấu nguyên liệu và sinh hoạt phải đáp ứng tiêu chuẩn nước sinh hoạt với các chỉ tiêu kiểm soát nghiêm ngặt: độ cặn toàn phần $<1000\text{ mg/l}$; độ cứng $<7\text{ mgE/l}$; $\text{pH } 6,5\div8,5$; độ oxy hóa $\le 2\text{ mg O}_2/\text{l}$; hàm lượng $[\text{SO}_4^{2-}] \le 80\text{ mg/l}$; Clo dư $\le 0,5\text{ mg/l}$; $[\text{Pb}^{2+}] \le 0,1\text{ mg/l}$; $[\text{Zn}^{2+}] \le 5\text{ mg/l}$; $[\text{Cu}^{2+}] \le 3\text{ mg/l}$; $[\text{F}^-] \le 3\text{ mg/l}$; không chứa $\text{NH}_3$ và $\text{NO}_2^-$.
Lựa chọn tác nhân vi sinh và enzyme: Chủng nấm men được khảo sát là Saccharomyces cerevisiae. Tác giả đối chiếu đặc tính của 5 chủng men phổ biến: Chủng 396 Trung Quốc (2610), chủng Я (Liên Xô), chủng T (Việt Nam), chủng XII (men bánh mì phân lập năm 1902) và chủng MTB (men thuốc bắc Hà Nội). Trong đó, nấm men chủng XII được xác định là tối ưu cho dịch đường hóa từ tinh bột với chu kỳ sinh trưởng thế hệ 1 giờ 39 phút, khả năng chịu độ cồn trong dịch lên men lên tới 13%V. Quá trình thủy phân tinh bột sử dụng chế phẩm enzyme $\alpha$-amylase thương phẩm Termamyl (bổ sung ở công đoạn nấu sơ bộ) và enzyme glucoamylase (bổ sung ở công đoạn đường hóa). Hóa chất sát trùng môi trường là $\text{Na}_2\text{SiF}_6$ ($0,25%$ so với khối lượng cháo) và điều chỉnh môi trường bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ $30^\circ\text{Be}$.
Phương pháp tính toán kỹ thuật:
- Phương pháp cân bằng vật chất: Thiết lập phương trình cân bằng khối lượng bảo toàn qua 15 công đoạn sản xuất, xác định định mức hao hụt cơ học, hao hụt chuyển hóa hóa học và lượng hơi nước ngưng tụ/tách hồi lưu.
- Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Tính toán nhiệt lượng cấp cho tháp chưng cất thô dựa trên nhiệt dung riêng của giấm chín ($C_D = 1,019 - 0,0095 \times B$), entanpi của hơi nước bão hòa và hỗn hợp hơi rượu - nước nhằm xác định chính xác lượng hơi đốt tiêu thụ ($P$).
- Phương pháp thiết kế cơ khí thiết bị: Tính toán thể tích hình học, kích thước thân trụ, nắp elip, đáy nón cụt, đường kính ống dẫn và kiểm tra hệ số chứa đầy ($\phi$) của các bồn phản ứng, bồn chứa và thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Lập luận kinh tế kỹ thuật
Chương này phân tích toàn diện các yếu tố cấu thành tính khả thi của dự án:
- Vị trí và mặt bằng: Khu công nghiệp Sao Mai có địa hình bằng phẳng, nằm trên trục Quốc lộ 14, diện tích 150 ha, thuận lợi cho việc vận chuyển nguyên liệu từ các vùng trồng tập trung ở Tây Nguyên và phân phối thành phẩm sang các thị trường lân cận và nước bạn Lào.
- Khí hậu: Khu vực mang khí hậu nhiệt đới gió mùa cao nguyên, chia thành 2 mùa mưa - khô rõ rệt, nhiệt độ trung bình năm $22\div23^\circ\text{C}$, lượng mưa trung bình $2.121\text{ mm/năm}$, hướng gió thịnh hành là Tây - Nam.
- Hạ tầng kỹ thuật: Nhà máy sử dụng nguồn điện từ lưới quốc gia có trang bị máy biến áp dự phòng; hơi cấp cho sản xuất lấy từ lò hơi đốt dầu FO; nước ngầm giếng khoan qua xử lý; nước thải sinh hoạt và công nghiệp được gom qua cống rãnh vào trạm xử lý trước khi xả thải, chất thải rắn chôn lấp hợp vệ sinh.
- Năng suất thiết kế: Xác định quy mô xử lý 135 tấn sắn lát khô/ngày, tạo đầu ra ổn định cho nông sản và tạo việc làm cho lao động địa phương.
Chương 2: Tổng quan
Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết về nguyên liệu sắn, sản phẩm cồn etylic, nước sản xuất và các chủng nấm men. Đồng thời, tác giả tiến hành so sánh các giải pháp công nghệ:
- So sánh phương pháp tổng hợp hóa học (thủy phân etylen bằng axit sulfuric hoặc thủy phân trực tiếp) với phương pháp lên men sinh học truyền thống; lựa chọn công nghệ lên men vi sinh do tận dụng nguồn nông sản tái tạo và hiệu quả kinh tế cao.
- So sánh các chế độ nấu nguyên liệu (gián đoạn, bán liên tục và liên tục); chọn phương pháp nấu liên tục nhằm tận dụng triệt để hơi thứ, giảm tổn thất đường do phản ứng caramen hóa hoặc tạo melanoidin, rút ngắn thời gian thao tác và tăng năng suất thể tích thiết bị.
- So sánh các phương pháp đường hóa, lên men và chưng luyện (gián đoạn, bán liên tục, liên tục 2 tháp, 3 tháp và 4 tháp). Đánh giá động học lên men qua 3 thời kỳ: lên men đầu, lên men chính và lên men cuối; phân tích các tạp chất trong cồn thô gồm tạp chất đầu (aldehyt, etyl axetat), tạp chất trung gian và tạp chất cuối (rượu bậc cao, dầu fusel).
Chương 3: Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ
Tác giả thiết lập dây chuyền công nghệ sản xuất liên tục từ khâu nạp liệu đến tinh chế sản phẩm:
- Làm sạch và nghiền: Sắn lát đi qua nam châm tách sắt, đưa vào sàng rung DZ198 để loại tạp chất kích thước lớn và tạp chất bé, sau đó cấp vào máy nghiền búa PC400x300 để phá vỡ cấu trúc mô tế bào sắn.
- Nấu sơ bộ và phun dịch hóa: Bột sắn hòa trộn với nước, bổ sung enzyme Termamyl ($0,03%$ so với tinh bột), gia nhiệt lên $80\div85^\circ\text{C}$ trong $10\div15$ phút tại nồi nấu sơ bộ. Dịch cháo sau đó được bơm ly tâm đẩy qua thiết bị phun dịch hóa Q-jet DSI tiếp xúc trực tiếp với hơi áp suất cao để nâng nhiệt lên $94\div96^\circ\text{C}$.
- Nấu chín và tách hơi: Dịch đi vào 2 nồi nấu chín duy trì ở $100\div105^\circ\text{C}$ trong $25\div30$ phút, dòng chảy dích dắc ngược chiều với hơi chính cấp từ đáy. Hơi thứ giải phóng qua thiết bị tách hơi được tận dụng tuần hoàn cấp nhiệt lại cho nồi nấu sơ bộ.
- Làm nguội và đường hóa: Dịch cháo làm nguội qua thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống từ $100\div105^\circ\text{C}$ xuống $58\div60^\circ\text{C}$, đi vào thiết bị đường hóa liên tục có cánh khuấy; tại đây bổ sung enzyme glucoamylase, $\text{Na}_2\text{SiF}_6$ ($0,25%$) và $\text{H}_2\text{SO}_4$ để kiểm soát $\text{pH } 3,8\div4,2$. Dịch đường hóa tiếp tục được làm nguội về $30^\circ\text{C}$.
- Lên men và chưng cất: $10%$ dịch đường đưa đi nhân giống nấm men (cấp 1 và cấp 2), $90%$ còn lại vào hệ thống thùng lên men liên tục chảy tràn (mật độ tế bào $100\div120\text{ triệu/ml}$, nhiệt độ thùng 1 là $25\div27^\circ\text{C}$, thùng 2 và 3 là $27\div30^\circ\text{C}$, thời gian lên men $60\div64$ giờ). Giấm chín thu được có độ cồn $8,091%\text{V}$ ($6,469%$ khối lượng), được đưa vào hệ thống chưng cất - tinh chế liên tục 2 tháp (tháp thô và tháp tinh).
Chương 4: Tính cân bằng vật chất
Chương 4 thực hiện các thuật toán tính toán định lượng cho toàn bộ quá trình:
- Xác lập định mức hao hụt qua 15 công đoạn công nghệ (làm sạch 1%, nghiền 0,5%, nấu sơ bộ 1%, phun dịch hóa 0,5%, nấu chín 1%, tách hơi 0,5%, làm nguội cấp một 1%, đường hóa 2%, làm nguội cấp hai 0,5%, nhân giống cấp một 1%, nhân giống cấp hai 1%, lên men 2%, chưng cất 1%, tinh chế 1%, tổn hao khác 3%).
- Cân bằng nhiệt lượng cho tháp thô: Đối với 100 kg giấm chín nạp liệu ở nhiệt độ sôi ($94,199^\circ\text{C}$, sau khi được hâm nóng từ $70^\circ\text{C}$ bằng hơi cồn thô), tiêu tốn $17,792\text{ kg}$ hơi nước trực tiếp, thu hồi $15,893\text{ kg}$ hỗn hợp hơi rượu - nước và thải ra $101,899\text{ kg}$ bã rượu.
- Thiết lập bảng tổng hợp dòng vật chất cho toàn bộ quy mô $135.000\text{ kg}$ nguyên liệu/ngày.
Chương 5: Tính và chọn thiết bị
Chương này tính toán kết cấu cơ khí, kích thước và chọn thiết bị công nghệ chính:
- Chọn sàng rung model DZ198 (Hoàng Liệt), năng suất 10 tấn/h, kích thước $1860 \times 1760 \times 997\text{ mm}$ (số lượng: 1 máy).
- Chọn máy nghiền búa model PC400x300 (Thanh Bình), năng suất 10 tấn/h, kích thước $900 \times 670 \times 860\text{ mm}$ (số lượng: 1 máy).
- Tính toán 01 bunke chứa bột sắn sau nghiền có thể tích làm việc $146,07\text{ m}^3$ (chứa đủ nguyên liệu cho 1 ca sản xuất 44.325 kg, khối lượng riêng bột sắn $357\text{ kg/m}^3$), đường kính thân trụ $D = 4,703\text{ m}$, chiều cao thân trụ $h_2 = 7,055\text{ m}$, chiều cao đáy nón cụt $h_1 = 3,986\text{ m}$, góc nghiêng nón $60^\circ$, tổng chiều cao $H = 11,191\text{ m}$.
- Chọn cân tự động model AW240 (Lamico), tải trọng tối đa 14 tấn/h, kích thước $1500 \times 1200 \times 2010\text{ mm}$.
- Tính toán 01 thùng hòa trộn thể tích $15,12\text{ m}^3$, hệ số chứa đầy $\phi = 0,85$, thời gian lưu 30 phút.
- Tính toán 01 nồi nấu sơ bộ thể tích $9,007\text{ m}^3$, $\phi = 0,85$, thời gian nấu 15 phút, đường kính thân $D = 1,902\text{ m}$, chiều cao thân trụ $h_2 = 2,854\text{ m}$, chiều cao đáy nón $h_3 = 0,901\text{ m}$, tổng chiều cao $H = 4,505\text{ m}$, tốc độ khuấy $45\div50\text{ vòng/phút}$.
- Chọn thiết bị phun dịch hóa model Q-jet DSI (Mỹ), chiều cao $1520\text{ mm}$, áp suất làm việc $>5\text{ kg/cm}^2$ (số lượng: 1 thiết bị).
- Tính toán 02 nồi nấu chín làm việc gián tiếp - chảy chuyền, thời gian nấu 30 phút, hệ số chứa đầy $\phi = 0,85$, thể tích mỗi nồi $37,546\text{ m}^3$, đường kính $D = 2,098\text{ m}$, chiều cao thân trụ $h_1 = 10,494\text{ m}$, nắp và đáy elip cao $h_2 = 0,349\text{ m}$, tổng chiều cao $H = 11,194\text{ m}$.
- Tính toán 01 thiết bị tách hơi thể tích $27,364\text{ m}^3$, thời gian tách 20 phút (dịch chiếm 30% thể tích), góc nón đáy $60^\circ$, tổng chiều cao $H = 7,381\text{ m}$.
Thiết kế và triển khai dây chuyền công nghệ
Hệ thống kỹ thuật của nhà máy được thiết kế đồng bộ theo các thông số vận hành và thiết bị được lựa chọn:
| STT | Thiết bị công nghệ | Model / Xuất xứ | Thông số kỹ thuật chính | Số lượng |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Sàng rung làm sạch | DZ198 (Hoàng Liệt) | Năng suất 10 tấn/h; kích thước $1860 \times 1760 \times 997\text{ mm}$ | 01 máy |
| 2 | Máy nghiền búa | PC400x300 (Thanh Bình) | Năng suất 10 tấn/h; kích thước $900 \times 670 \times 860\text{ mm}$ | 01 máy |
| 3 | Cân định lượng | AW240 (Lamico) | Năng suất tối đa 14 tấn/h; kích thước $1500 \times 1200 \times 2010\text{ mm}$ | 01 thiết bị |
| 4 | Bunke chứa bột sắn | Tự thiết kế chế tạo | Thể tích $146,07\text{ m}^3$; $D = 4,703\text{ m}$; chiều cao $H = 11,191\text{ m}$ | 01 bunke |
| 5 | Thùng hòa trộn | Tự thiết kế chế tạo | Thể tích $15,120\text{ m}^3$; hệ số chứa đầy $\phi = 0,85$; thời gian 30 phút | 01 thùng |
| 6 | Nồi nấu sơ bộ | Tự thiết kế chế tạo | Thể tích $9,007\text{ m}^3$; $D = 1,902\text{ m}$; chiều cao $H = 4,505\text{ m}$; khuấy $45\div50\text{ rpm}$ | 01 nồi |
| 7 | Thiết bị phun dịch hóa | Q-jet DSI (Mỹ) | Chiều cao $1520\text{ mm}$; áp suất làm việc $>5\text{ kg/cm}^2$ | 01 thiết bị |
| 8 | Nồi nấu chín | Tự thiết kế chế tạo | Thể tích $37,546\text{ m}^3$/nồi; $D = 2,098\text{ m}$; chiều cao $H = 11,194\text{ m}$ | 02 nồi |
| 9 | Thiết bị tách hơi | Tự thiết kế chế tạo | Thể tích $27,364\text{ m}^3$; thời gian lưu 20 phút; chiều cao $H = 7,381\text{ m}$ | 01 thiết bị |
Chế độ kiểm soát công nghệ trên hệ thống chưng cất - tinh chế liên tục 2 tháp:
- Giấm chín trước khi vào tháp thô được gia nhiệt sơ bộ qua bình hâm giấm đạt nhiệt độ $70\div80^\circ\text{C}$, đi qua bình tách $\text{CO}_2$ vào đĩa tiếp liệu của tháp thô.
- Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp; nhiệt độ đáy khống chế ở $103\div105^\circ\text{C}$, nhiệt độ đỉnh tháp duy trì $93\div97^\circ\text{C}$. Hàm lượng cồn sót lại trong bã rượu ở đáy tháp đạt mức tối thiểu $0,015\div0,03%\text{V}$.
- Toàn bộ hơi cồn thô ngưng tụ được đưa vào tháp tinh chế tại vị trí đĩa thứ $16\div18$ (tính từ dưới lên).
- Tháp tinh chế đun bằng hơi trực tiếp; nhiệt độ đáy kiểm soát ở $103\div105^\circ\text{C}$, nhiệt độ đỉnh đạt $78,3\div78,5^\circ\text{C}$, nhiệt độ thân tháp (tại vị trí trên đĩa tiếp liệu $3\div4$ đĩa) giữ ở mức $82\div83^\circ\text{C}$.
- Phân đoạn sản phẩm tại tháp tinh: Cồn đầu chứa tạp chất nhẹ tách ra ở đỉnh tháp qua bình làm lạnh (chiếm 5% so với cồn tuyệt đối); cồn tinh chế $96^\circ$ lấy ra ở trạng thái lỏng tại vị trí cách đĩa hồi lưu $3\div6$ đĩa; dầu fusel (rượu cao phân tử) được trích rút ở pha hơi tại đĩa thứ $6\div11$ tính từ đáy lên (chiếm 3% so với cồn tuyệt đối) và đưa qua bình phân ly làm lạnh.
Kết quả và đóng góp
Kết quả cân bằng vật chất tổng thể của nhà máy: Từ công suất đầu vào 135 tấn sắn lát khô/ngày, tác giả đã thiết lập bảng cân bằng vật chất chi tiết cho toàn bộ các dòng sản phẩm và bán thành phẩm qua từng công đoạn theo chu kỳ ngày, ca và giờ sản xuất:
| STT | Dòng nguyên liệu, bán thành phẩm và thành phẩm | 1 ngày (kg hoặc lít) | 1 ca (kg hoặc lít) | 1 giờ (kg hoặc lít) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Nguyên liệu sắn lát khô ban đầu | $135.000,000\text{ kg}$ | $45.000,000\text{ kg}$ | $5.625,000\text{ kg}$ |
| 2 | Nguyên liệu sau công đoạn làm sạch | $133.650,000\text{ kg}$ | $44.550,000\text{ kg}$ | $5.568,750\text{ kg}$ |
| 3 | Nguyên liệu sau công đoạn nghiền | $132.975,000\text{ kg}$ | $44.325,000\text{ kg}$ | $5.540,625\text{ kg}$ |
| 4 | Hỗn hợp sau công đoạn nấu sơ bộ | $502.771,050\text{ kg}$ | $167.590,350\text{ kg}$ | $20.948,794\text{ kg}$ |
| 5 | Hỗn hợp sau thiết bị phun dịch hóa | $500.221,575\text{ kg}$ | $166.740,525\text{ kg}$ | $20.842,566\text{ kg}$ |
| 6 | Hỗn hợp cháo sau công đoạn nấu chín | $626.882,625\text{ kg}$ | $208.960,875\text{ kg}$ | $26.120,109\text{ kg}$ |
| 7 | Dịch cháo sau thiết bị tách hơi | $623.700,000\text{ kg}$ | $207.900,000\text{ kg}$ | $25.987,500\text{ kg}$ |
| 8 | Dịch cháo sau làm nguội cấp một | $617.490,000\text{ kg}$ | $205.830,000\text{ kg}$ | $25.728,750\text{ kg}$ |
| 9 | Dịch đường sau công đoạn đường hóa | $734.919,290\text{ kg}$ | $244.973,097\text{ kg}$ | $30.621,637\text{ kg}$ |
| 10 | Dịch đường sau làm nguội cấp hai | $731.181,981\text{ kg}$ | $243.727,327\text{ kg}$ | $30.465,916\text{ kg}$ |
| 11 | Giấm chín sau công đoạn lên men | $667.035,000\text{ kg}$ | $222.345,000\text{ kg}$ | $27.793,125\text{ kg}$ |
| 12 | Cồn thô sau tháp chưng cất thô | $105.533,665\text{ kg}$ | $35.177,888\text{ kg}$ | $4.397,236\text{ kg}$ |
| 13 | Cồn $96^\circ$ sau tháp tinh chế | $54.851,622\text{ lít}$ | $18.283,874\text{ lít}$ | $2.285,484\text{ lít}$ |
| 14 | Cồn thành phẩm thu hồi thực tế (trừ tổn hao khác 3%) | $53.206,073\text{ lít}$ | $17.735,358\text{ lít}$ | $2.216,920\text{ lít}$ |
Các chỉ số kinh tế kỹ thuật và đóng góp của đồ án:
- Dây chuyền đạt hiệu suất chuyển hóa đường hóa $97%$, hiệu suất lên men $98%$ và hiệu suất chưng cất tinh chế $97%$. Nồng độ chất khô dịch cháo sau nấu đạt $18%$, nồng độ chất khô dịch lên men đạt $16%$. Giấm chín đạt nồng độ cồn $8,091%\text{V}$ (tương ứng $6,469%$ theo khối lượng).
- Giải pháp công nghệ đề xuất có tính thực tiễn cao: thay thế phương pháp nấu gián đoạn cổ điển bằng hệ thống nấu liên tục tích hợp thiết bị phun dịch hóa Q-jet DSI hiện đại giúp phá vỡ triệt để màng tinh bột, nâng cao hiệu suất đường hóa và tiết kiệm đáng kể năng lượng nhờ tuần hoàn $50%$ lượng hơi thứ từ thiết bị tách hơi về nồi nấu sơ bộ.
- Đóng góp vào việc quy hoạch công nghiệp chế biến tại Kon Tum: Giải quyết bài toán tiêu thụ nông sản ổn định cho diện tích sắn trên địa bàn tỉnh và vùng lân cận, cung ứng sản phẩm cồn kỹ thuật và cồn thực phẩm đạt chuẩn độ cồn $96^\circ$ ($96%\text{V}$) cho thị trường nội địa và hướng tới xuất khẩu qua các cửa khẩu biên giới phía Tây.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Phạm vi tính toán thiết bị chi tiết mới tập trung vào các hạng mục từ khâu chuẩn bị nguyên liệu đến khâu nấu - tách hơi (sàng rung, máy nghiền, bunke, thùng hòa trộn, nồi nấu sơ bộ, thiết bị phun dịch hóa, nồi nấu chín, thùng tách hơi) và cân bằng nhiệt tháp chưng cất thô. Kích thước chế tạo chi tiết của tháp tinh chế, hệ thống thùng lên men chảy tràn và thiết bị làm nguội ống lồng ống chưa được tính toán kết cấu sâu trong các chương được trích xuất.
- Phương án xử lý chất thải rắn trong đồ án còn mang tính sơ bộ (đào hố chôn lấp trong khu vực nhà máy), chưa phù hợp với các tiêu chuẩn kiểm soát xả thải công nghiệp khắt khe hiện hành.
Hướng nghiên cứu mở rộng:
- Nghiên cứu thiết kế bổ sung phân xưởng thu hồi và tinh chế khí $\text{CO}_2$ sinh ra từ quá trình lên men (với lượng sinh khối khí tính toán đạt $0,307 \times M\text{ kg/ngày}$, tương đương hơn $41,4\text{ tấn CO}_2/\text{ngày}$) để hóa lỏng phục vụ công nghiệp chế biến đồ uống và bảo quản thực phẩm.
- Nghiên cứu công nghệ cô đặc và sấy bã rượu (sản lượng bã rượu thải ra từ đáy tháp thô đạt $5,052 \times M\text{ kg/ngày}$, tương ứng $682\text{ tấn/ngày}$) làm nguyên liệu giàu protein sản xuất thức ăn chăn nuôi, gia tăng giá trị kinh tế và giải quyết triệt để vấn đề tải lượng ô nhiễm môi trường.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho sinh viên và kỹ sư thuộc các ngành:
- Công nghệ Hóa học, Công nghệ Thực phẩm và Công nghệ Sinh học: Cung cấp quy trình mẫu về thiết kế công nghệ lên men liên tục, các biểu thức toán học xác định nồng độ chất khô, động học chuyển hóa tinh bột thành đường và ethanol.
- Kỹ thuật Quá trình và Thiết bị: Hữu ích cho người làm đồ án tốt nghiệp cần phương pháp tính toán cân bằng vật chất - cân bằng nhiệt lượng chi tiết, các công thức thiết kế bunke chứa hạt/bột, bồn phản ứng có cánh khuấy, thiết bị trao đổi nhiệt và tháp chưng luyện nhiều cấu tử.
- Quản lý Dự án Công nghiệp: Cung cấp phương pháp luận thực tế về việc lập luận chứng kinh tế kỹ thuật, phân tích mặt bằng KCN, lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy dựa trên các yếu tố khí hậu, giao thông, nguồn cấp điện, cấp hơi và nguồn nguyên liệu nông nghiệp thực tế tại khu vực Tây Nguyên.
Câu hỏi thường gặp
1. Địa điểm xây dựng nhà máy được lựa chọn dựa trên những căn cứ thực tế nào? Nhà máy được quy hoạch tại Khu công nghiệp Sao Mai, xã Hòa Bình, thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum trên diện tích 150 ha. Căn cứ lựa chọn gồm: vị trí nằm ngay trên Quốc lộ 14 (cách thành phố 7 km về phía Bắc, kết nối các tỉnh Tây Nguyên và Quảng Nam) và nối với đường 40 đi sang Attapeu (Lào); nguồn nguyên liệu dồi dào tại chỗ (năm 2012 Kon Tum có hơn 39.000 ha sắn) cùng các tỉnh phụ cận (Gia Lai, Đắk Nông, Phú Yên); có hệ thống điện lưới quốc gia đi qua; khai thác được nước ngầm phục vụ sản xuất.
2. Thành phần và tỷ lệ hao hụt của nguyên liệu sắn lát khô được xác định như thế nào trong tính toán? Nguyên liệu ban đầu có hàm lượng tinh bột 73%, độ ẩm 13% và chất khô phi tinh bột 14%. Quá trình gia công cơ học làm sạch gây hao hụt 1%, công đoạn nghiền bột búa hao hụt 0,5%. Qua toàn bộ 15 công đoạn sản xuất, tỷ lệ hao hụt được xác lập nghiêm ngặt, trong đó công đoạn đường hóa hao hụt 2%, lên men hao hụt 2%, chưng cất 1%, tinh chế 1% và tổn hao trong khâu lưu kho/vận chuyển thành phẩm là 3%.
3. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp nấu liên tục tích hợp thiết bị phun dịch hóa Q-jet DSI? Phương pháp nấu liên tục kết hợp thiết bị phun dịch hóa cho phép đun dịch cháo dưới áp suất cao và nhiệt độ đạt $94\div96^\circ\text{C}$ qua khe hẹp, tạo ứng suất phá vỡ mạnh màng tế bào tinh bột, làm khối cháo mịn và tăng diện tích tiếp xúc với enzyme. Công nghệ này khắc phục nhược điểm tiêu hao hơi và cháy khét đường của nấu gián đoạn, cho phép tuần hoàn thu hồi $50%$ hơi thứ từ thiết bị tách hơi cấp lại cho nồi nấu sơ bộ, đồng thời nâng cao năng suất riêng của thiết bị lên gấp 7 lần.
4. Dây chuyền công nghệ khống chế các thông số kỹ thuật nào tại hệ thống chưng cất - tinh chế 2 tháp? Hệ thống gồm 1 tháp thô và 1 tháp tinh chế. Giấm chín nạp liệu được hâm nóng sơ bộ lên $70\div80^\circ\text{C}$; nhiệt độ đáy của cả 2 tháp khống chế ở $103\div105^\circ\text{C}$; đỉnh tháp thô kiểm soát ở $93\div97^\circ\text{C}$; đỉnh tháp tinh chế giữ ở $78,3\div78,5^\circ\text{C}$; nhiệt độ thân tháp tinh tại vị trí trên đĩa tiếp liệu $3\div4$ đĩa duy trì ở mức $82\div83^\circ\text{C}$. Cồn $96^\circ$ lấy ra ở trạng thái lỏng cách đĩa hồi lưu $3\div6$ đĩa, cồn đầu tách ra ở đỉnh chiếm 5% và dầu fusel lấy ở đĩa $6\div11$ tính từ đáy chiếm 3% so với cồn tuyệt đối.
5. Sản lượng cồn $96^\circ$ thành phẩm thực tế thu được từ 135 tấn nguyên liệu/ngày là bao nhiêu? Sau công đoạn tinh chế, lượng cồn $96^\circ$ đạt được là $54.851,622\text{ lít/ngày}$. Sau khi trừ đi 3% tỷ lệ tiêu hao do tồn trữ và vận chuyển, sản lượng cồn thành phẩm thương phẩm thực tế thu được là $53.206,073\text{ lít/ngày}$ (tương đương $17.735,358\text{ lít/ca}$ và $2.216,920\text{ lít/giờ}$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Ngô Thị Ngọc Bích đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật nhà máy sản xuất cồn $96^\circ$ từ sắn lát khô với công suất 135 tấn nguyên liệu/ngày đặt tại tỉnh Kon Tum. Các giải pháp công nghệ được lựa chọn — bao gồm nấu liên tục có thiết bị phun dịch hóa Q-jet DSI, đường hóa bằng enzyme kép, lên men liên tục và chưng cất - tinh chế hệ 2 tháp — đều có cơ sở khoa học vững chắc và tối ưu hóa về mặt nhiệt năng. Toàn bộ các bảng tính cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và thông số kích thước thiết bị chính đều được xây dựng chi tiết, logic và nhất quán với các số liệu thực tế. Công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và phát triển các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học và cồn công nghiệp từ nguồn nông sản Việt Nam.