Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đường saccharose là mặt hàng thực phẩm thiết yếu trong đời sống thường nhật và là nguyên liệu cơ bản cho nhiều ngành công nghiệp sản xuất như chế biến bánh kẹo, nước giải khát, đồ hộp và dược phẩm. Tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm từ mía đường luôn duy trì ở mức cao. Trên thị trường quốc tế, giá đường thế giới ghi nhận xu hướng gia tăng do tác động mất cân đối cung - cầu. Theo số liệu của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA), trong niên vụ 2021 - 2022, sản lượng mía tại Brazil sụt giảm 10% kéo theo sản lượng xuất khẩu giảm xuống còn 26 triệu tấn (-19%); trong khi Thái Lan tăng trưởng sản lượng đạt 90 triệu tấn mía (+36%) với khoảng 10 triệu tấn đường. Cùng thời kỳ, Ấn Độ chuyển đổi sản lượng tương đương 3,5 triệu tấn đường sang sản xuất cồn sinh học ethanol; dẫn đến mức thiếu hụt nguồn cung đường toàn cầu dao động từ 3 đến 4 triệu tấn. Xu thế tận dụng mật rỉ và nước mía phục vụ công nghệ nhiên liệu sinh học đã trực tiếp làm thay đổi cán cân cung ứng đường thế giới.

Tại thị trường nội địa, ngành mía đường Việt Nam đối mặt với giai đoạn khó khăn nghiêm trọng. Niên vụ 2018 - 2019, giá đường bình quân giảm xấp xỉ 1.500 đồng/kg, khiến giá mua mía của các nhà máy giảm bình quân 50.000 đồng/tấn (dao động quanh mức 750 đồng/kg), lượng tồn kho cuối vụ chạm ngưỡng 600 nghìn tấn. Bước sang niên vụ 2019 - 2020, sản lượng mía toàn quốc đạt khoảng 7,4 triệu tấn, sản xuất gần 770 nghìn tấn đường, dẫn tới 1/3 số lượng nhà máy đường trong Hiệp hội Mía đường Việt Nam phải dừng hoạt động do cạn kiệt nguyên liệu. Thêm vào đó, việc dỡ bỏ hạn ngạch thuế quan theo hiệp định ATIGA với mức thuế nhập khẩu nội khối ASEAN chỉ còn 5% khiến đường nhập khẩu từ Thái Lan tràn vào nội địa với mức giá bình quân 327,7 USD/tấn, thấp hơn nhiều so với giá thành sản xuất mía đường trong nước (khoảng 410 USD/tấn). Diện tích vùng trồng mía nguyên liệu cả nước suy giảm từ 305 nghìn ha (vụ 2014 - 2015) xuống còn khoảng 127.000 ha, năng suất mía bình quân đạt 64 - 65 tấn/ha. Nhu cầu tiêu thụ đường trong nước đạt khoảng 2 triệu tấn và dự báo tăng lên 2,5 triệu tấn vào năm 2025. Thực trạng này đòi hỏi phải thiết kế và xây dựng các cơ sở sản xuất có công nghệ hiện đại, tự động hóa cao nhằm tiết giảm chi phí vận hành và tăng cường năng lực cạnh tranh.

Trên cơ sở đó, tác giả Nguyễn Thị Gia Sáng đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế nhà máy sản xuất đường mía với năng suất theo nguyên liệu là 2000 tấn mía/ngày" dưới sự hướng dẫn của PGS. Trịnh Văn Dũng tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được phân định gồm:

  1. Thiết kế quy trình công nghệ chế biến đường mía hoàn chỉnh với năng suất nguyên liệu định mức 2000 tấn mía/ngày.
  2. Khảo sát và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy phù hợp với quy hoạch vùng nguyên liệu và mạng lưới hạ tầng kỹ thuật.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ các công đoạn chế biến.
  4. Tính toán thiết kế chi tiết 3 thiết bị công nghệ chính: thiết bị cô đặc, thiết bị nấu đường và thiết bị sấy đường.
  5. Quy hoạch tổng mặt bằng phân xưởng sản xuất, mặt bằng toàn nhà máy và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là nguồn nguyên liệu mía cây được canh tác tại tỉnh Đắk Lắk, Đắk Nông và các khu vực lân cận vùng Tây Nguyên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế cơ sở hạ tầng nhà máy đặt tại Khu công nghiệp Hòa Phú, thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra trong thời gian hơn 3 tháng (hoàn thành vào tháng 12 năm 2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết công nghệ thực phẩm, kỹ thuật hóa học cùng các văn bản quy chuẩn kỹ thuật nhà nước hiện hành:

  • Tiêu chuẩn chất lượng thành phẩm: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6958:2001 áp dụng cho đường tinh luyện, quy định chi tiết các chỉ tiêu hóa lý đối với đường saccharose hạng A và hạng B (độ Pol, hàm lượng đường khử, độ tro dẫn điện, độ ẩm hao hụt khi sấy, độ màu ICUMSA, dư lượng lưu huỳnh dioxit $SO_2$ và các giới hạn kim loại nặng như asen, đồng, chì).
  • Tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm: Tuân thủ TCVN 5603:1998 [CAC/RCP 1 - 1969, REV 3 (1997)] về các nguyên tắc chung đối với vệ sinh thực phẩm.
  • Quy chuẩn bao gói và ghi nhãn: Thực hiện theo Quyết định 178/1999/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về ban hành Quy chế ghi nhãn hàng hóa lưu thông trong nước và hàng hóa xuất khẩu, nhập khẩu; bao bì sử dụng là bao dệt bằng nhựa polypropylen (PP) kín.
  • Tiêu chuẩn kiểm soát nước thải: Nước thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn loại A theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả vào hệ thống chung.
  • Cơ sở lý thuyết chuyên ngành: Khung lý thuyết về hóa học cây mía và nước mía (đặc tính của đường saccharose, hệ đường khử glucose và fructose, các tạp chất keo, sáp, axit hữu cơ, hợp chất chứa nitơ anbumin); lý thuyết về độ chín của cây mía và phản ứng thủy phân đường do enzyme hoặc vi sinh vật sau thu hoạch; các quy luật động học về truyền nhiệt, truyền khối trong quá trình cô đặc bốc hơi nhiều nồi, kết tinh đường non trong chân không và phân ly ly tâm.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật được tác giả vận dụng gồm:

  • Phương pháp tham khảo và tổng hợp tài liệu: Thu thập số liệu thống kê sản xuất nông nghiệp từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số liệu thị trường quốc tế, tài liệu kỹ thuật ngành mía đường của các chuyên gia đầu ngành.
  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất: Áp dụng phương trình bảo toàn khối lượng để tính dòng vật chất vào - ra ở từng công đoạn (ép trích ly, lắng lọc làm sạch, bốc hơi cô đặc mật chè, phối liệu hệ ba non đường A, B, C và tách mật rỉ).
  • Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt lượng: Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng nhằm xác định lượng hơi đốt bão hòa, lượng nước ngưng tụ, chế độ áp suất - nhiệt độ, tổn thất nhiệt độ sôi và hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống cô đặc nhiều nồi và các nồi nấu đường.
  • Phương pháp thiết kế cơ khí và lựa chọn thiết bị: Xác định hệ số truyền nhiệt, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, thể tích buồng bốc, đường kính và kết cấu cơ khí phụ trợ (cửa người, kính quan sát) cho các thiết bị truyền nhiệt, thiết bị trợ tinh, máy ly tâm và máy sấy.
  • Phương pháp tính toán kinh tế kỹ thuật: Ước tính chi phí thuê đất hạ tầng, chi phí mua sắm dây chuyền thiết bị, chi phí vận hành (điện, nước, nguyên liệu mía, nhân công), giá thành sản phẩm và thời gian hoàn vốn đầu tư.

Nguồn dữ liệu của đề tài bắt nguồn từ các giáo trình chuyên ngành Công nghệ chế biến đường mía, số liệu quy hoạch của Ban Quản lý Khu công nghiệp Hòa Phú, báo cáo ngành của Hiệp hội Mía đường Việt Nam và các tài liệu khảo cứu của PGS. Trịnh Văn Dũng, PGS. Lê Văn Việt Mẫn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan về sản phẩm, nguyên liệu mía và các công nghệ, thiết bị chế biến đường mía. Tác giả trích xuất tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm đường trắng tinh luyện theo TCVN 6958:2001:

Tên chỉ tiêu hóa lý Mức quy định Hạng A Mức quy định Hạng B
Độ Pol ($^\circ\text{Z}$), không nhỏ hơn 99,7 99,5
Hàm lượng đường khử (% khối lượng, m/m), không lớn hơn 0,1 0,15
Tro dẫn điện (% khối lượng, m/m), không lớn hơn 0,07 0,1
Sự giảm khối lượng khi sấy ở 105°C trong 3 h (% m/m), không lớn hơn 0,06 0,07
Độ màu (đơn vị ICUMSA), không lớn hơn 160 200
Dư lượng lưu huỳnh dioxit ($SO_2$) tối đa 20 mg/kg 70 mg/kg
Tạp chất không tan trong nước tối đa 60 mg/kg 90 mg/kg
Kim loại nặng tối đa: Asen (As) 1 mg/kg 1 mg/kg
Kim loại nặng tối đa: Đồng (Cu) 2 mg/kg 2 mg/kg
Kim loại nặng tối đa: Chì (Pb) 0,5 mg/kg 0,5 mg/kg

Về nguyên liệu, cây mía có thành phần gồm: nước (70 - 75%), đường (9 - 15%), xơ (10 - 16%), đường khử (0,01 - 2%) và thành phần không đường khác (1 - 3%). Phần chất rắn hòa tan trong nước mía chứa 75 - 92% đường (saccharose 70 - 88%, glucose 2 - 4%, fructose 2 - 4%), muối 3 - 7,5% (axit vô cơ 1,5 - 4,5%, axit hữu cơ 1 - 3%, axit hữu cơ tự do 0,5 - 2,5%), chất phi đường hữu cơ (anbumin 0,5 - 0,6%, tinh bột 0,001 - 0,05%, chất keo 0,3 - 0,6%, chất béo và sáp mía 0,05 - 0,15%) và chất chưa xác định (3 - 5%). Tác giả phân tích thời kỳ mía chín khi hàm lượng đường đạt cực đại, đường khử giảm xuống dưới 1% (có khi chỉ còn 0,3%). Việc xác định độ chín nhanh qua chiết quang kế cầm tay dựa trên tỷ số nồng độ nước mía đoạn ngọn trên đoạn gốc (đạt 80% là chín tới, 95 - 100% là chín kỹ, trên 100% là quá chín). Nếu đưa mía vào ép chậm sau 8 ngày kể từ lúc thu hoạch, hiệu suất thu hồi đường giảm 20%.

Chương 1 cũng tổng kết tình hình sản xuất trong nước: Niên vụ 2012 - 2013 cả nước đạt 298.200 ha mía, năng suất bình quân 63,9 tấn/ha, sản lượng 19,04 triệu tấn. Đến vụ 2017 - 2018 diện tích đạt 241.386 ha, sản lượng mía ép 12,2 triệu tấn, sản xuất 1,476 triệu tấn đường; vụ 2018 - 2019 diện tích giảm 20%, sản lượng ép giảm 21%, lượng đường giảm còn 1,173 triệu tấn. Thanh Hóa là địa phương có diện tích mía lớn nhất với 3 nhà máy có tổng công suất trên 16.000 tấn mía/ngày (Lam Sơn diện tích 12.776 ha, Việt - Đài 9.698 ha, Nông Cống).

Về công nghệ chế biến, tác giả phân tích và so sánh các phương pháp trích ly nước mía:

Tiêu chí so sánh Phương pháp ép Phương pháp khuếch tán
Hiệu suất trích ly 92% 97%
Tổng hiệu suất thu hồi 80% 82%
Tiêu hao năng lượng Tiêu hao năng lượng nhiều Tiêu hao năng lượng ít
Vốn đầu tư thiết bị Chi phí đầu tư cao Vốn đầu tư thấp hơn khoảng 30%
Nhiên liệu dùng cho bốc hơi Ít Tiêu hao nhiều do nước mía loãng
Tạp chất không đường Nước mía chứa nhiều tạp chất hơn Ít chất không đường, tổn thất đường trong mật rỉ thấp

Về thiết bị lấy nước mía, tác giả khảo cứu máy san bằng (24 - 32 cánh cong, vận tốc 40 - 50 vòng/phút), máy băm điều khiển bởi mô tơ điện hoặc tua bin hơi, máy đánh tơi (kiểu búa, kiểu đĩa, kiểu searby, giúp nâng hiệu suất ép lên khoảng 1%), máy ép dập (bộ 2 trục lấy 45 - 55%, bộ 3 trục lấy 65 - 75% nước mía) và các dàn máy ép kiệt (máy ép 3 trục, máy ép nghiêng, máy ép tỷ số hằng). Các công đoạn làm sạch (phương pháp vôi, sunfit hóa, carbonat hóa), cô đặc nhiều nồi, nấu đường, ly tâm và sấy cũng được phân tích cơ chế hoạt động.

Chương 2: Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy

Tác giả quyết định chọn vị trí xây dựng nhà máy tại Khu công nghiệp Hòa Phú, tỉnh Đắk Lắk (mã định danh: HOAPHU – IP – Daklak), địa chỉ tại Thôn 12, xã Hòa Phú, thành phố Buôn Ma Thuột.

  • Điều kiện địa lý: Khu đất nằm cách trung tâm thành phố Buôn Ma Thuột 15 km về phía Tây Nam. Tứ cận tiếp giáp: phía Bắc giáp suối Ea Tuôr, phía Nam giáp khe cạn, phía Đông giáp vùng đất trồng mía, phía Tây giáp Khu đô thị dịch vụ. Cự ly vận chuyển: cách Thành phố Hồ Chí Minh 613 km, cách thành phố Kon Tum 50 km, cách sân bay Pleiku 100 km và cách cảng biển Quy Nhơn 215 km.
  • Vùng nguyên liệu: Tận dụng trực tiếp nguồn mía dồi dào trên địa bàn các huyện của tỉnh Đắk Lắk và các vùng lân cận (Gia Lai, Kon Tum, Đắk Nông), giải quyết nguyên liệu qua hợp đồng đầu tư giống, phân bón và bao tiêu đầu ra.
  • Nguồn nhân lực: Đắk Lắk có dân số khoảng 2,127 triệu người; trong đó tỷ lệ trẻ dưới 15 tuổi chiếm 37,6%, người cao tuổi chiếm 7,1%, hình thành nguồn lao động phổ thông dồi dào tại chỗ, tiết kiệm chi phí xây dựng ký túc xá và đi lại. Nhân sự kỹ thuật, điều hành tiếp nhận từ các trường đại học, cao đẳng chuyên ngành.
  • Hạ tầng kỹ thuật: KCN có tổng diện tích quy hoạch 331,73 ha (đã được duyệt mở rộng thêm 150 ha từ diện tích ban đầu 182 ha); tỷ lệ đất cây xanh đạt trên 12%; cao độ san nền trung bình 9m trên nền địa chất cứng; trục đường chính nội bộ rộng 32m (4 làn xe), đường nhánh rộng 23m (2 làn xe) thảm bê tông nhựa Asphalt có đèn chiếu sáng cao áp; trạm biến áp cấp điện 110/35/22kV; nguồn nước sạch từ nhà máy cấp nước công suất 30.000 $m^3$/ngày; trạm xử lý nước thải công nghiệp đạt chuẩn loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT; mạng lưới bưu chính viễn thông ngầm, hệ thống họng cấp nước PCCC tại các đầu mối giao thông và hệ thống ngân hàng giao dịch phụ cận (Vietinbank, Vietcombank, Agribank, BIDV, Sacombank, Techcombank).

Chương 3: Thiết kế quy trình công nghệ

Tác giả xây dựng sơ đồ khối dây chuyền sản xuất tích hợp gồm hai phân nhánh: sản xuất đường thô và tinh luyện đường trắng:

  • Nhánh sản xuất đường thô: Mía cây sau khi thu nhận được đưa qua công đoạn xử lý cơ học (san bằng, băm xé dập tế bào và đánh tơi) -> Dẫn vào hệ thống ép mía áp dụng phương thức ép thẩm thấu kép (kết hợp phun nước mía loãng tuần hoàn và nước nóng 60°C để hòa tan đường còn sót trong bã) -> Phân ly thành bã mía và nước mía hỗn hợp -> Nước mía được gia nhiệt sơ bộ (nước mía siêu nhiệt) -> Kiềm hóa bằng sữa vôi -> Trung hòa -> Đưa vào thiết bị lắng -> Phần bùn lắng chuyển qua máy lọc bùn -> Nước trong được dẫn vào hệ cô đặc nhiều nồi -> Lọc kiểm tra lần 1 -> Đưa vào hệ nấu đường kết tinh -> Ly tâm phân ly -> Thu hồi sản phẩm đường thô và mật rỉ cuối.
  • Nhánh tinh luyện đường: Đường thô được đưa vào công đoạn rửa đường nhằm bóc tách lớp màng mật bám ngoài bề mặt bằng cách phối trộn với nước đường tạo thành hỗn hợp sệt có nồng độ 90 - 93°Bx ở nhiệt độ 45 - 50°C -> Ly tâm tách bỏ lớp mật nguyên -> Hòa tan đường sạch với nước thành dung dịch nước đường 60°Bx -> Xử lý kiềm hóa anion -> Lắng tách bùn -> Đưa vào cô đặc mật chè -> Tẩy màu bằng than hoạt tính -> Trao đổi ion khử tạp chất -> Lọc kiểm tra lần 2 -> Nấu đường kết tinh -> Ly tâm tách mật -> Sấy khô đường tinh thể -> Làm nguội và đóng gói thu sản phẩm đường tinh luyện thành phẩm.

Chương 4: Cân bằng vật chất

Chương 4 thực hiện tính toán chi tiết cân bằng khối lượng toàn phân xưởng dựa trên công suất 2000 tấn mía/ngày:

  • Công đoạn ép: Xác định tỷ lệ nước thẩm thấu bổ sung vào bã mía, tính toán lưu lượng và thành phần nước mía hỗn hợp thu được sau các lượt ép thẩm thấu kép.
  • Công đoạn làm sạch và cô đặc: Tính toán lượng sữa vôi tiêu tốn trong các giai đoạn kiềm hóa, lượng bùn thải loại khỏi thiết bị lọc bùn, hiệu suất làm sạch nước mía; xác định tổng lượng nước bốc hơi trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, lượng mật chè thô tạo thành, lượng khí $SO_2$ tiêu hao trong quá trình xông $SO_2$ lần 2 và hiệu suất lọc kiểm tra.
  • Công đoạn nấu đường: Tính toán lượng đường thành phẩm và mật rỉ thu hồi thông qua chế độ nấu 3 hệ non (non A, non B, non C):
    • Tính toán lượng phối liệu và thông số công nghệ cho non C (nấu giống và tách mật rỉ triệt để).
    • Tính toán lượng phối liệu và thông số công nghệ cho non B.
    • Tính toán lượng phối liệu và thông số công nghệ cho non A (thu nhận đường thành phẩm).
    • Lập bảng tổng kết cân bằng phần đường toàn bộ nhà máy, đánh giá hiệu quả sản xuất và tỷ lệ thu hồi đường saccharose trên 100 kg nguyên liệu mía đưa vào ép.

Chương 5: Cân bằng nhiệt lượng

Chương 5 xác định nhu cầu năng lượng nhiệt cho các thiết bị truyền nhiệt:

  • Hệ thống cô đặc nhiều nồi:
    • Tính toán lượng hơi nước bốc hơi riêng phần ở từng nồi bốc hơi.
    • Xác định sự biến thiên nồng độ chất khô (°Bx) qua từng cấp nồi.
    • Thiết lập bảng áp suất hơi đốt, áp suất buồng bốc và nhiệt độ hơi bão hòa tương ứng trong từng nồi.
    • Tính toán các tổn thất nhiệt độ trong quá trình bốc hơi: tổn thất nhiệt độ do nồng độ dung dịch tăng làm tăng nhiệt độ sôi, tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng và tổn thất trở lực dòng chảy trên đường ống dẫn hơi.
    • Xác định nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch đường trong từng nồi và tính toán hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta h_i$) phân bố qua các nồi cô đặc.
  • Hệ thống nấu đường: Xác định chi tiết cân bằng nhiệt lượng tiêu hao cho từng cấp nồi nấu đường non A, non B và non C; tính toán lượng hơi thứ hoặc hơi bão hòa cần cấp để làm bay hơi lượng ẩm quy định.
  • Cân bằng nhiệt cho các công đoạn phụ trợ: Tính toán nhiệt lượng cấp cho quá trình hòa tan hồi dung đường thô, lượng nhiệt tiêu tốn cho thiết bị ly tâm và lượng hơi dùng để rửa, vệ sinh đường ống thiết bị công nghệ.

Chương 6: Tính toán và chọn thiết bị cho nhà máy sản xuất đường mía

Từ kết quả cân bằng vật chất và năng lượng, chương này tiến hành lựa chọn và thiết kế kích thước kỹ thuật các thiết bị:

  • Thiết bị cô đặc: Tính toán lượng nhiệt truyền qua buồng đốt, xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) của từng nồi; tính toán tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu; xác định các kích thước hình học (đường kính thân nồi, chiều cao ống truyền nhiệt, thể tích buồng bốc) và các chi tiết kết cấu phụ trợ (thông số kỹ thuật cửa người, kính quan sát dòng chảy).
  • Thiết bị nấu đường chân không: Tính toán hệ số truyền nhiệt, tổng nhiệt lượng cung cấp cho các mẻ nấu, diện tích bề mặt truyền nhiệt và xác định lưu lượng làm việc; lựa chọn chủng loại, kích thước và số lượng nồi nấu non A, B, C.
  • Thiết bị trợ tinh đường non: Tính toán số lượng và thể tích làm việc của các thiết bị trợ tinh nằm ngang trang bị hệ thống cánh khuấy chậm và áo giải nhiệt tuần hoàn nhằm làm nguội đường non có kiểm soát, tạo điều kiện kết tinh bổ sung trước khi ly tâm.
  • Thiết bị ly tâm: Tính toán công suất và chọn máy ly tâm chuyên dụng cho đường non A, non B (loại máy ly tâm gián đoạn/liên tục tự động xả bã đường) và máy ly tâm đường non C (để trích kiệt đường giống và thải mật rỉ).
  • Thiết bị sấy đường: Tính toán kích thước máy sấy đường (loại thùng quay nằm ngang thổi khí nóng hoặc sấy đứng tầng sôi), xác định lưu lượng khí nóng và nhiệt độ sấy phù hợp nhằm hạ độ ẩm đường tinh thể đạt chuẩn quy định.
  • Thiết bị phụ trợ khác: Lựa chọn thùng gia vôi, bồn trung hòa, bồn lắng liên tục, máy lọc chân không thùng quay lọc bùn, cột hấp phụ than hoạt tính và hệ thống bồn trao đổi ion.

Chương 7: Tính kinh tế

Chương 7 tổng hợp bài toán kỹ thuật - kinh tế và an toàn vận hành:

  • Tiêu thụ năng lượng và nước:
    • Điện năng: Tính toán phụ tải chiếu sáng toàn bộ phân xưởng và khuôn viên; tính công suất phụ tải động lực của các động cơ máy băm, trục ép, bơm dung dịch, quạt gió, máy ly tâm; tổng hợp điện năng tiêu thụ hàng năm.
    • Nhu cầu cấp nước: Tính toán lưu lượng nước lọc trong, nước lắng trong, nước ngưng tụ thu hồi từ các nồi cô đặc tuần hoàn cấp cho lò hơi, nước cấp cho tháp ngưng tụ làm mát chân không, nước cấp sinh hoạt và chữa cháy; xác định tải lượng và lưu lượng nước thải công nghiệp phát sinh.
  • Định biên nhân lực: Xác định chế độ làm việc theo ca kíp của nhà máy; lập bảng phân bổ công nhân vận hành trực tiếp cho từng khu vực trong phân xưởng sản xuất, định biên số lượng công nhân sản xuất phụ trợ, đội ngũ kỹ thuật viên và cán bộ quản lý điều hành.
  • Công trình xây dựng và mặt bằng: Xác định diện tích xây dựng các hạng mục gồm phân xưởng sản xuất chính, các phân xưởng bổ trợ, khu nhà hành chính - văn hóa - dịch vụ công nhân, hệ thống kho bãi (kho nguyên liệu mía, kho đường thành phẩm, kho mật rỉ), công trình xử lý và dự trữ nước; tính tổng diện tích khu đất xây dựng và xác định hệ số sử dụng đất của nhà máy tại KCN Hòa Phú.
  • Phân tích chi phí và hiệu quả đầu tư: Lập các bảng dự toán chi phí thuê đất tại KCN Hòa Phú trong một năm, chi phí đầu tư mua sắm máy móc thiết bị và xây lắp cơ sở vật chất, chi phí tiêu thụ điện, chi phí cấp nước, chi phí thu mua nguyên vật liệu mía và hóa chất trong năm, quỹ lương chi trả người lao động; từ đó xác định tổng vốn đầu tư cố định, giá thành sản xuất đơn vị sản phẩm đường và tính thời gian thu hồi vốn đầu tư.
  • An toàn lao động và vệ sinh công nghiệp: Thiết lập các biện pháp chống ồn, thông gió xưởng nhiệt, an toàn làm việc với thiết bị áp lực (nồi hơi, nồi nấu, nồi bốc hơi), thiết bị truyền động cơ khí; quy trình vệ sinh an toàn xí nghiệp và các biện pháp xử lý môi trường đạt chuẩn quốc gia.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các kết quả kỹ thuật và kinh tế cụ thể:

  • Hoàn thiện hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một nhà máy đường công suất 2000 tấn mía/ngày đặt tại KCN Hòa Phú, tỉnh Đắk Lắk với dây chuyền liên hợp sản xuất đường thô và tinh luyện đường trắng.
  • Dây chuyền công nghệ lựa chọn cho phép sản xuất đường trắng đạt chuẩn TCVN 6958:2001 (độ Pol $\ge 99,7^\circ\text{Z}$ đối với Hạng A, $\ge 99,5^\circ\text{Z}$ đối với Hạng B; độ màu ICUMSA $\le 160$ với Hạng A và $\le 200$ với Hạng B; dư lượng lưu huỳnh dioxit $\le 20$ mg/kg với Hạng A và $\le 70$ mg/kg với Hạng B).
  • Hoàn thành đầy đủ hệ thống bảng số liệu cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt cho hệ thống cô đặc nhiều nồi và hệ thống 3 non đường (non A, non B, non C); tính toán chính xác tổng lượng hơi nước bốc hơi, lượng mật chè thô, lượng đường tinh thể thu hồi và lượng mật rỉ phát sinh.
  • Xác định đầy đủ các thông số cơ khí, hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của 3 thiết bị nòng cốt: thiết bị cô đặc nhiều nồi, thiết bị nấu đường chân không, thiết bị sấy đường; cùng các thiết bị trợ tinh, ly tâm và thiết bị phụ trợ.
  • Xây dựng phương án mặt bằng nhà máy, định biên nhân lực vận hành, tính toán nhu cầu điện - nước và tổng hợp chi phí đầu tư, chi phí vận hành hàng năm chứng minh tính khả thi về mặt kinh tế kỹ thuật của dự án.

Về mặt giải pháp và kiến nghị, tác giả đề xuất:

  • Nhằm khắc phục tình trạng thiếu hụt nguyên liệu mía đang diễn ra gay gắt trên toàn quốc (vùng nguyên liệu cả nước chỉ còn khoảng 127.000 ha), nhà máy cần chủ động thiết lập mối liên kết bền vững với người trồng mía tại Đắk Lắk, Gia Lai, Kon Tum, Đắk Nông; thực hiện chính sách ứng trước vốn, cung ứng giống mía có phẩm chất tốt, hỗ trợ phân bón và chuyển giao kỹ thuật thâm canh để bảo đảm năng suất đạt 60 - 70 tấn/ha, ký kết hợp đồng bao tiêu sản phẩm ổn định.
  • Lựa chọn phương pháp ép ướt thẩm thấu kép thay vì thẩm thấu đơn nhằm cân đối giữa việc nâng cao hiệu suất trích ly đường trong bã mía và việc giảm thiểu chi phí năng lượng dùng để bốc hơi nước trong dung dịch loãng ở các công đoạn sau.
  • Ứng dụng công nghệ tinh chế đường tiên tiến kết hợp giữa rửa mật đường thô (hỗn hợp sệt 90 - 93°Bx ở 45 - 50°C), xử lý kiềm hóa anion, tẩy màu bằng than hoạt tính và hạt nhựa trao đổi ion để loại bỏ triệt để các hợp chất màu, chất keo, nâng cao giá trị thương phẩm nhằm cạnh tranh với nguồn đường nhập khẩu giá rẻ.
  • Kiến nghị khai thác triệt để các nguồn phụ phẩm: tận dụng bã mía làm nhiên liệu đốt lò hơi nhằm tự cấp điện và nhiệt năng cho nhà máy; cung cấp mật rỉ cho các ngành công nghiệp sản xuất cồn nhiên liệu sinh học ethanol.

Về mặt đóng góp học thuật, đồ án đã liên kết đồng bộ giữa cơ sở lý thuyết hóa sinh của nước mía với chuỗi phương trình tính toán cơ học, nhiệt động học thực tế; cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về thuật toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và phương pháp thiết kế thiết bị sản xuất đường mía theo điều kiện thực tế vùng Tây Nguyên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được thực hiện trong thời gian giới hạn (hơn 3 tháng) và là đồ án thiết kế kỹ thuật trên văn bản, do đó tồn tại một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu:

  • Đồ án chưa khảo sát thực nghiệm chi tiết về sự biến thiên thành phần hóa học (độ Pol, hàm lượng đường khử, tạp chất keo) của từng giống mía cụ thể theo các tiểu vùng khí hậu thổ nhưỡng khác nhau tại Đắk Lắk trong các tháng của chu kỳ thu hoạch.
  • Các chỉ tiêu kinh tế (đơn giá thiết bị, chi phí xây dựng cơ bản, giá mua mía nguyên liệu, tiền điện, tiền nước và giá bán đường) được tính toán trên cơ sở mặt bằng giá tại thời điểm năm 2021, chưa dự báo đầy đủ các biến động về lạm phát, lãi suất tín dụng và sự biến động giá đường thế giới trong các giai đoạn tiếp theo.

Về hướng nghiên cứu mở rộng, đồ án có thể tiếp tục phát triển:

  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển tự động hóa tích hợp cảm biến đo trực tuyến độ quá bão hòa trong buồng nấu chân không nhằm tối ưu hóa chu kỳ nấu non và kiểm soát đồng đều kích thước tinh thể đường.
  • Thiết kế tích hợp sâu hơn hệ thống đồng phát điện sinh khối từ bã mía nối lưới điện quốc gia và phân xưởng sản xuất ethanol sinh học từ mật rỉ để hình thành tổ hợp công nghiệp sinh thái mía đường khép kín.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cao đối với:

  • Giảng viên, sinh viên các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sau thu hoạch tại các trường đại học kỹ thuật làm tài liệu tham khảo cho học phần Đồ án Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất - thực phẩm, Đồ án Thiết kế nhà máy thực phẩm và Khóa luận tốt nghiệp.
  • Kỹ sư công nghệ, kỹ sư vận hành máy và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất đường mía đang hoạt động có thể tham khảo phương pháp tính toán, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt để đánh giá định mức tiêu hao hoặc lập dự án cải tạo, nâng công suất dây chuyền.
  • Các nhà quản lý dự án đầu tư nông nghiệp và chế biến thực phẩm tại vùng Tây Nguyên trong việc khảo sát hạ tầng KCN Hòa Phú và hoạch định vùng nguyên liệu mía.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong tài liệu gồm:

  • Phương pháp phối liệu và chuỗi tính toán cân bằng vật chất cho hệ thống ba non đường A, B, C tại Chương 4.
  • Phương pháp xác định các tổn thất nhiệt độ sôi và phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống bốc hơi cô đặc nhiều nồi tại Chương 5.
  • Quy trình tính toán hệ số truyền nhiệt, diện tích bề mặt truyền nhiệt và các thông số kết cấu của thiết bị cô đặc và thiết bị nấu đường chân không tại Chương 6.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất thiết kế và nguồn nguyên liệu đầu vào của nhà máy được xác định cụ thể như thế nào?
Nhà máy được thiết kế với năng suất định mức tính theo nguyên liệu là 2000 tấn mía cây/ngày. Nguồn nguyên liệu đầu vào được thu mua chủ yếu từ các vùng chuyên canh trồng mía trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk và các tỉnh lân cận như Gia Lai, Kon Tum, Đắk Nông; kết hợp chính sách đầu tư vốn giống, phân bón và bao tiêu dài hạn của nhà máy.

2. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp ép thẩm thấu kép thay vì phương pháp khuếch tán hay ép khô?
Phương pháp ép khô chỉ đạt hiệu suất lấy đường thấp (khoảng 92 - 95%) và chỉ dùng trong quy mô thủ công. Phương pháp khuếch tán tuy đạt hiệu suất trích ly 97% và tiết kiệm 30% vốn đầu tư nhưng lại tạo ra lượng nước mía rất loãng, tiêu tốn nhiều năng lượng nhiên liệu bốc hơi và đòi hỏi phải có các máy ép dập xử lý trước - sau khuếch tán. Phương pháp ép thẩm thấu kép tuần hoàn nước mía loãng và phun nước nóng 60°C cho phép trích ly kiệt lượng đường trong bã mía mà không làm loãng dịch quá mức, cân bằng tối ưu giữa hiệu suất thu hồi đường và chi phí năng lượng bốc hơi của toàn nhà máy.

3. Tiêu chuẩn chất lượng nào được áp dụng cho sản phẩm đường của nhà máy và các chỉ tiêu hóa lý chính là gì?
Chất lượng đường trắng tinh luyện được kiểm soát theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6958:2001. Tiêu chuẩn quy định: Đường Hạng A phải có độ Pol không nhỏ hơn 99,7°Z, đường khử không quá 0,1%, tro dẫn điện không quá 0,07%, giảm khối lượng khi sấy không quá 0,06%, độ màu không quá 160 đơn vị ICUMSA và dư lượng $SO_2$ tối đa 20 mg/kg. Đường Hạng B có độ Pol không nhỏ hơn 99,5°Z, đường khử không quá 0,15%, tro dẫn điện không quá 0,1%, độ màu không quá 200 ICUMSA và dư lượng $SO_2$ tối đa 70 mg/kg.

4. Dây chuyền công nghệ gồm những công đoạn then chốt nào để xử lý từ đường thô sang đường tinh luyện?
Từ sản phẩm đường thô, quy trình tinh luyện trải qua các bước: Rửa đường bằng cách trộn với mật đường tạo hỗn hợp sệt nồng độ 90 - 93°Bx ở 45 - 50°C; ly tâm tách bỏ mật nguyên; hòa tan đường sạch với nước thành dung dịch 60°Bx; xử lý anion và lắng bùn; cô đặc dung dịch; tẩy màu bằng than hoạt tính; qua cột trao đổi ion; lọc kiểm tra lần 2; đưa vào nấu đường kết tinh, ly tâm tách mật và sấy khô đóng bao.

5. Vị trí xây dựng tại Khu công nghiệp Hòa Phú (Đắk Lắk) có những đặc điểm hạ tầng kỹ thuật nào phục vụ vận hành nhà máy?
KCN Hòa Phú (quy hoạch 331,73 ha) nằm cách trung tâm Buôn Ma Thuột 15 km, giáp suối Ea Tuôr và vùng trồng mía. KCN có cao độ nền 9m trên nền địa chất cứng; giao thông nội bộ trục chính 32m thảm bê tông nhựa; nguồn điện cấp từ trạm biến áp 110/35/22kV; nhà máy cấp nước sạch 30.000 $m^3$/ngày; trạm xử lý nước thải công nghiệp đạt QCVN 40:2011/BTNMT loại A và kết nối thuận lợi với Quốc lộ 14, sân bay Pleiku (100 km) cùng cảng biển Quy Nhơn (215 km).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Gia Sáng đã giải quyết trọn vẹn và khoa học nhiệm vụ thiết kế nhà máy sản xuất đường mía với năng suất nguyên liệu 2000 tấn mía/ngày đặt tại KCN Hòa Phú, tỉnh Đắk Lắk. Bằng việc vận dụng quy trình công nghệ ép thẩm thấu kép hiện đại kết hợp phân hệ tinh luyện tẩy màu than hoạt tính - trao đổi ion, công trình đảm bảo sản phẩm đường trắng đạt chuẩn TCVN 6958:2001. Toàn bộ các kết quả tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt năng, kích thước thiết bị công nghệ chính và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đều được trình bày nhất quán, cung cấp một tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy và giá trị tham khảo thực tế cho lĩnh vực công nghệ chế biến đường mía.