Tổng quan nghiên cứu

Quy trình sản xuất bột ngọt, đặc biệt là bước hòa tan bột mì, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Tại nhà máy Ajinomoto, tỷ lệ hòa tan bột mì và nước được duy trì ở mức 1:2 nhằm đạt tỉ trọng dung dịch khoảng 1.136 kg/lít trong thời gian 30 phút. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hệ thống khuấy trộn để giảm thời gian hòa tan và nâng cao hiệu quả sản xuất vẫn là thách thức lớn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn như tốc độ vòng quay, số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy và thời gian khuấy nhằm cải thiện hiệu suất hòa tan bột mì. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại nhà máy Ajinomoto, với mô hình thu nhỏ tỉ lệ 1:22,5 so với thiết bị thực tế, trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp giảm thời gian khuấy trộn mà còn nâng cao chất lượng dung dịch, góp phần tăng năng suất và lợi ích kinh tế cho nhà máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về đặc tính quá trình khuấy trộn, chuyển động dòng chảy trong bồn khuấy và thiết kế cánh khuấy. Công suất khuấy trộn được tính toán theo phương pháp của Shinji Nagata, trong đó các hệ số A, B, P được xác định dựa trên kích thước cánh khuấy, bồn chứa và số lượng tấm vách ngăn. Chuyển động dòng chảy được phân loại theo hướng tiếp tuyến, hướng tâm và hướng trục, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khuấy trộn. Các loại cánh khuấy được nghiên cứu gồm cánh dòng chảy hướng trục, hướng tâm, cánh thủy lực và cánh cắt, mỗi loại phù hợp với đặc tính dung dịch và mục đích khuấy khác nhau. Đặc tính dung dịch bột mì như tỉ trọng 1.136 kg/lít và pH 4 cũng được xem xét để đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ của hệ thống khuấy trộn tại nhà máy Ajinomoto. Phương pháp phân tích sử dụng quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken với 4 yếu tố đầu vào: tốc độ vòng quay (25-35 vòng/phút), số lượng tấm vách ngăn (0-4 tấm), góc độ cánh khuấy (30°-60°) và thời gian khuấy (20-40 phút). Tổng cộng 27 thí nghiệm được thực hiện theo ma trận quy hoạch để đánh giá ảnh hưởng và tương tác giữa các yếu tố. Thiết bị thực nghiệm được chế tạo theo tỉ lệ 1:22,5 so với thiết bị thực tế, bao gồm bồn khuấy có đáy nghiêng, cánh khuấy mái chèo với 4 tầng cánh và hệ thống điều khiển tốc độ bằng biến tần. Dữ liệu thu thập gồm tỉ trọng dung dịch bột mì sau khuấy, được đo bằng thiết bị DA-840 của KEM. Quá trình phân tích sử dụng phần mềm Minitab để xây dựng mô hình hồi quy và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay: Tăng tốc độ từ 25 lên 35 vòng/phút làm tăng tỉ trọng dung dịch lên khoảng 3.5%, cho thấy sự đồng nhất dung dịch được cải thiện rõ rệt nhờ dòng chảy mạnh hơn.

  2. Số lượng tấm vách ngăn: Việc sử dụng 4 tấm vách ngăn thay vì không có vách ngăn giúp tăng tỉ trọng dung dịch lên đến 5.2%, nhờ giảm dòng xoáy và tăng cường phân tán chất lỏng.

  3. Góc độ cánh khuấy: Góc 45° cho hiệu quả tối ưu với tỉ trọng dung dịch cao hơn 4.8% so với góc 30°, trong khi góc 60° không cải thiện đáng kể và tiêu tốn công suất lớn hơn.

  4. Thời gian khuấy trộn: Thời gian 30 phút được xác định là phù hợp, giảm thời gian xuống 20 phút làm giảm tỉ trọng dung dịch khoảng 6%, trong khi kéo dài lên 40 phút không mang lại lợi ích đáng kể.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu quả khuấy trộn. Tốc độ vòng quay cao hơn tạo ra dòng chảy mạnh, giúp phân tán bột mì nhanh hơn, phù hợp với nghiên cứu trước đây về dòng chảy hỗn loạn trong bồn khuấy. Số lượng tấm vách ngăn đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế dòng xoáy không mong muốn, từ đó tăng hiệu quả khuấy trộn. Góc độ cánh khuấy 45° cân bằng giữa công suất tiêu thụ và hiệu quả khuấy, phù hợp với thiết kế hiện tại của nhà máy. Thời gian khuấy 30 phút là kết quả cân đối giữa hiệu quả và chi phí vận hành, phù hợp với thực tế sản xuất. Biểu đồ tương tác giữa các yếu tố có thể minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng và tương tác này, giúp nhà máy dễ dàng điều chỉnh thông số vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh tốc độ vòng quay lên 35 vòng/phút: Mục tiêu tăng tỉ trọng dung dịch lên ít nhất 3%, thực hiện trong vòng 3 tháng, do bộ phận vận hành nhà máy đảm nhiệm.

  2. Lắp đặt 4 tấm vách ngăn trong bồn khuấy: Tăng hiệu quả phân tán chất lỏng, giảm dòng xoáy, hoàn thành trong 2 tháng, do phòng kỹ thuật và bảo trì thực hiện.

  3. Sử dụng cánh khuấy với góc 45°: Giữ nguyên thiết kế hiện tại để tối ưu công suất và hiệu quả, áp dụng ngay trong quá trình vận hành.

  4. Giữ thời gian khuấy trộn ở mức 30 phút: Đảm bảo chất lượng dung dịch và tiết kiệm chi phí, theo dõi và đánh giá định kỳ hàng quý.

  5. Áp dụng phần mềm Minitab để theo dõi và tối ưu liên tục: Đào tạo nhân viên kỹ thuật sử dụng phần mềm để phân tích dữ liệu thực tế, nâng cao hiệu quả vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành nhà máy sản xuất bột ngọt: Nắm bắt các thông số kỹ thuật tối ưu để cải thiện quy trình hòa tan bột mì, giảm thời gian và chi phí sản xuất.

  2. Nhà thiết kế và chế tạo thiết bị khuấy trộn: Áp dụng các kết quả nghiên cứu về thiết kế cánh khuấy, tấm vách ngăn và công suất để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế.

  3. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp quy hoạch thực nghiệm và mô hình hóa để áp dụng cho các nghiên cứu tương tự.

  4. Quản lý sản xuất và chất lượng: Sử dụng kết quả để xây dựng tiêu chuẩn vận hành, đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất và nâng cao năng suất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hóa hệ thống khuấy trộn trong quy trình hòa tan bột mì?
    Việc tối ưu giúp giảm thời gian hòa tan, nâng cao chất lượng dung dịch và tiết kiệm năng lượng, từ đó tăng năng suất và lợi ích kinh tế cho nhà máy.

  2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken có ưu điểm gì?
    Phương pháp này giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đồng thời đánh giá được ảnh hưởng và tương tác giữa nhiều yếu tố một cách hiệu quả và chính xác.

  3. Làm thế nào để xác định góc độ cánh khuấy tối ưu?
    Thông qua thực nghiệm với các góc 30°, 45°, 60° và phân tích kết quả tỉ trọng dung dịch, góc 45° được xác định là tối ưu cân bằng giữa hiệu quả và công suất tiêu thụ.

  4. Số lượng tấm vách ngăn ảnh hưởng như thế nào đến quá trình khuấy trộn?
    Tấm vách ngăn giúp giảm dòng xoáy không mong muốn, tăng sự phân tán và đồng nhất của dung dịch, từ đó cải thiện hiệu quả khuấy trộn.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các nhà máy khác không?
    Kết quả có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các nhà máy có quy trình và thiết bị tương tự, giúp tối ưu hóa hiệu suất khuấy trộn trong sản xuất thực phẩm và hóa chất.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được các thông số kỹ thuật tối ưu cho hệ thống khuấy trộn bột mì tại nhà máy Ajinomoto, bao gồm tốc độ vòng quay 35 vòng/phút, 4 tấm vách ngăn, góc cánh khuấy 45° và thời gian khuấy 30 phút.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken kết hợp phần mềm Minitab giúp xây dựng mô hình hồi quy chính xác và tối ưu hóa hiệu quả khuấy trộn.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt về tỉ trọng dung dịch, đồng thời giảm thời gian hòa tan và tiết kiệm năng lượng.
  • Thiết bị thực nghiệm được chế tạo theo tỉ lệ thu nhỏ 1:22,5 đảm bảo tính khả thi và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp tối ưu trong vòng 3-4 tháng tới nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời khuyến khích đào tạo nhân viên sử dụng phần mềm phân tích để duy trì và cải tiến liên tục.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp tối ưu này để nâng cao hiệu quả sản xuất và giữ vững vị thế cạnh tranh trên thị trường.