Đồ án Thiết kế phân xưởng bốc hơi và làm sạch

NGUYÊN LIỆU Cây mía thuộc loại hòa thảo (Gramiée) giống Saccharum. Theo Denhin giống Saccharum được chia làm 3 nhóm chính: Nhóm Saccharum Officinarum: là giống thường gặp & bao gồm phần lớn các chủng loại đang trồng phổ biến trên thế giới. Nhóm Saccharum Simense: là giống mía thân cỏ, cứng, thân màu vàng pha nâu nhạt được trồng từ lâu ở Trung Quốc. Nhóm Saccharum Violaceum: là giống mía màu tím, cây ngắn cứng và không trổ cờ. Một số giống mía trồng ở nước ta: Giống Việt đường 54/143: hàm lượng đường cao 13-15%. Giống POJ 3016: hàm lượng đường cao 12-17%. Giống POJ 2878: hàm lượng đường không cao 6-14%. Giống F134: là giống mía chín vừa, hàm lượng đường cao 9-16%. Sản lượng cao, xơ giòn khó ép, năng suất ổn định, trồng phổ biến ở nước ta. Hàm lượng đường duy trì khoảng 15 ngày đến 2 tháng tùy điều kiện thời tiết và giống mía. Thành phần hóa học của mía thay đổi theo giống mía, đất đai, khí hậu… Đường saccharose: là thành phần quan trọng nhất của mía, là sản phẩm của công nghiệp sản xuất đường. Các chất không đường: tất cả các chất không phải là saccharose có trong nước mía gồm cả đường glucose, fructose và rafinose. Các chất không đường có trong nước mía lại có thể chia như sau: Chất không đường không chứa nitơ: glucose và fructose, axit hữu cơ, chất béo. Chất không đường chứa nitơ: albumin và các chất tương tự, axit amin, amit, amoniac, muối nitrat. Chất màu: chất màu có trong bản thân cây mía và chất màu sinh ra trong quá trình sản xuất đường. Chất không đường vô cơ: K2O, Na2O, SiO2, P2O5, Ca, Mg trong đó K2O chiếm lượng khá lớn. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LÀM SẠCH ĐƯỜNG MÍA Nước mía là hệ keo phức tạp : Độ tinh khiết của nước mía: 82-85% (tức là trong chất khô chứa 82-85% đường saccharose và 15-18% chất không đường). + Ngoài đường saccharose, trong nước mía còn có những chất không đường với tính chất hóa lý khác nhau. + Trong chất không đường, chất keo chiếm tỷ lệ 0,03-0,5% (khá cao). Đồng thời trong quá trình thao tác nếu nhiệt độ cao, chất không tan biến thành chất tan và như vậy tăng chất keo trong dung dịch. Hơn thế nữa, hoạt động của vi sinh vật trong nước mía cũng tạo nên các chất keo khác nhau, đặc biệt là Levan và Dextran. Chất keo ảnh hưởng không tốt đối với các quá trình sản xuất: lọc nước mía, phân mật và kết tinh đường khó khăn hơn, nước mía sẽ có nhiều bọt, giảm hiệu quả tẩy màu, tinh chế đường thô khó khăn hơn… Bảng 1.1: Thành phần hóa học của nước mía trong cây mía Thành phần % Đường + Saccharose + Glucosese + Fructosese 12% 0,9% 0,9% Xơ + Cellulose + Pentosan (xylan) + Araban + Linhin 5,5% 2% 0,5% 2% Hợp chất chứa Nitơ + Protein + Anide + Acid amine + Acid citric + Amoniac + Xantin 0,12% 0,07% 0,21% 0,01% vết vết Chất béo & sáp + Pectin + Acid tự do (Sucinic, malic) + Acid kết hợp (Sucinic, malic) 2% 0,08% 0,12% Hợp chất vô cơ + SiO2 + K2O + Na2O + CaO + MgO + Fe2O3 + P2O5 + SO3 0,25% 0,12% 0,01% 0,02% 0,01% vết 0,07 0,02 Nước 74,5% Phân loại chất keo trong dịch nước mía: Theo tính ngưng tụ thuận nghịch: Chất keo trong nước mía chia thành 2 loại: keo thuận nghịch và keo không thuận nghịch. Keo không thuận nghịch là keo khi đã bị ngưng tụ (nhiệt độ) nếu thay đổi điều kiện môi trường thì không có khả năng trở lại trạng thái keo ban đầu. Keo thuận nghịch là keo sau khi ngưng tụ, nếu thay đổi điều kiện môi trường sẽ có khả năng trở lại trạng thái ban đầu. Theo tính ưa nước: Nước mía hỗn hợp gồm 2 loại keo: keo ưa nước và keo không ưa nước. Keo ưa nước nhiều như protein, pentosan, pectin. Keo ít ưa nước như: sắc tố, chất béo, sáp mía. + Các chất không đường có mặt trong nước mía sẽ làm cho: Quá trình bốc hơi nước trực tiếp và kết tinh đường rất khó khăn và không tinh tế. Tăng độ hòa tan của đường saccharose, tăng mật giai đoạn cuối, tăng tổn thất đường trong mật cuối. Vụn mía khi đun nóng sẽ kết tụ lại. Nuớc mía có tính acid gây nên sự chuyển hóa đường saccharose do đó cần trung hòa nước mía. Do đó trong quá trình làm sạch chủ yếu dựa vào lý thuyết của hoá học và chất keo, và liên quan đến các vấn đề sau: pH, nhiệt độ, chất điện li (vôi, SO2, CO2, P2O5,…), chất trao đổi ion. Mục đích của việc làm sạch nước mía hỗn hợp : Loại tối đa chất không đường ra khỏi nước mía hỗn hợp đặc biệt là chất có hoạt tính bề mặt và những chất keo Trung hòa nước mía hỗn hợp. Loại tất cả những chất rắn lơ lửng trong nước. Nước mía hỗn hợp là một hệ keo phức tạp do đó quá trình làm sạch chủ yếu dựa vào lý thuyết của hóa học các chất keo. Nước mía có nhiều thành phần các chất không đường khác nhau nên cũng có nhiều phương pháp làm sạch khác nhau. Hiện nay, các nhà máy đường thường sử dụng các phương pháp làm sạch: + Phương pháp vôi hóa. + Phương pháp carbonate hóa. + Phương pháp phosphatse hóa. + Phương pháp sulphite hóa. 1.2.1. Tác dụng của pH Thông thường nước mía hỗn hợp có pH = 5-5,5. Sự biến đổi của pH dẫn đến các quá trình biến đổi hóa lý và hóa học các chất không đường có trong nước mía và có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm sạch. Nếu khống chế pH tốt sẽ làm tăng hiệu suất thu hồi đường và chất lượng đường thành phẩm, giảm tổn thất đường. Ngược lại, nếu khống chế pH không tốt saccharose sẽ bị chuyển hoá thành đường khử hoặc bị phân huỷ,… làm tổn thất đường và tăng màu sắc của sản phẩm. a. Ngưng kết chất keo Chất keo trong nước mía chia làm hai loại: keo thuận nghịch và keo không thuận nghịch. Keo không thận nghịch là keo khi đã bị ngưng tụ nếu thay đổi điều kiện môi trường sẽ không trở lại trạng thái ban đầu. Keo thuận nghịch là keo sau khi bị ngưng tụ nếu thay đổi điều kiện môi trường có khả năng trở lại trạng thái ban đầu. Trong nước mía hỗn hợp tồn tại hai loại keo: keo ưa nước và keo không ưa nước. Mức độ ưa nước cũng khác nhau: keo ưa nước nhiều như protein, pentosan, pectin; keo ưa nước ít như sắc tố, chất béo, sáp mía. Keo tồn tại trong nước mía và ở trạng thái ổn định khi keo mang điện tích hoặc có lớp nước bao bọc bên ngoài, nếu mất các tính chất trên thì keo sẽ bị ngưng tụ. Để ngưng tụ chất keo người ta thường cho vào nước mía những chất điện ly để thay đổi pH của môi trường đến một điều kiện nhất định keo hấp phụ chất điện ly và dẫn đến trạng thái trung hòa điện, mất trạng thái ổn định và ngưng tụ. Trị số pH làm keo ngưng tụ gọi là pH đẳng điện, điểm đẳng điện của chất keo khác nhau thì khác nhau : pHalbumin = 4,6 - 4,9; pHasparagin = 3… Bảng 1.2: Khả năng loại trừ chất keo theo pH pH Loại trừ chất keo,% Hàm lượng CaO(g/100g chất khô) 7,18 7,71 8,05 18,3 22,3 25,3 0,29 0,316 0,357 Trong kỹ thuật sản xuất đường mía, có 2 điểm pH làm ngưng tụ chất keo; pH trên dưới 7 (pH đẳng điện) và pH trên dưới 11 (pH ngưng kết của protein trong môi trường kiềm mạnh, điểm này không gọi là điểm đẳng điện vì lúc đó trong nuớc mía có đường saccharose và lượng vôi nhiều sẽ tạo thành hợp chất có tính hấp phụ protein tạo thành hợp chất có tính kết tủa). Sản xuất đường theo kỹ thuật carbonate hoá có thể lợi dụng 2 điểm ngưng tụ keo. Đối với phương pháp sulphate hoá chỉ lợi dụng được một điểm ngưng tụ. Chất keo trong nước mía hỗn hợp dịch chuyển về cực dương -> chất keo trong nước mía chủ yếu là chất keo mang điện tích âm. b. Làm chuyển hóa đường saccharose Ở môi trường pH < 7, saccharose chuyển hóa thành glucose và fructose. Đây là phản ứng nghịch đảo đường. Khi mới tạo thành glucose và fructose có hàm lượng tương đương nhau, nhưng trong mật cuối glucose lại cao hơn fructose, vì trong quá trình sản xuất fructose bị phân huỷ nhiều hơn. Þ Hậu quả: - Tổn thất đường. Tốc độ chuyển hoá phụ thuộc vào: + [H+]: càng lớn tốc độ chuyển hoá càng nhanh. Các acid khác nhau sẽ làm cho tốc độ chuyển hoá khác nhau. + [Đường], nhiệt độ và thời gian: khi các yếu tố này tăng thì tốc độ chuyển hoá cũng tăng. - Giảm độ tinh khiết của mật chè ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh của đường. c. Làm phân hủy saccharose Trong môi trường kiềm và nhiệt độ cao, saccharose bị phân huỷ, pH càng cao saccharose phân huỷ càng nhiều. Sản phẩm: fucfurol, 5-hydroximetyl-fucfurol, metylglioxan, glixeendehit, dioxiaceton, acid lactic, acid trioxiglutaric, acid trioxibuteric, acid acetic, acid formic… Những sản phẩm đó có thể tiếp tục bị oxi hoá dưới tác dụng của không khí. d. Sự phân hủy đường khử Trong nước mía có khoảng 0,3-2,4% đường khử, trong môi trường axit sự tồn tại của đường khử tương đối ổn định. Nếu pH của nước mía hay dung dịch đường vượt quá 7 sẽ phát sinh phản ứng phân hủy đường khử, sự phân hủy này phụ thuộc nhiệt độ và tốc độ diễn ra cũng tương đối chậm. Sản phẩm của sự phân hủy cũng như sản phẩm phân hủy saccharose. Bảng 1.3: Tác dụng của pH, nhiệt độ và thời gian đến sự phân hủy đường khử và saccharose pH Nhiệt độ Thời gian < 7 > 7 Đường khử Đường saccharose Không bị phân hủy Bị chuyển hóa thành đường nghịch đảo Phân hủy chậm khi t< 55oC, sản phẩm phân hủy không màu Phân hủy nhiều khi t > 55oC, sản phẩm có nhiều axit hữu cơ và chất màu Không bị phân hủy Nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng Số lượng sản phẩm tạo thành phụ thuộc và thời gian tiến hành phản ứng e. Tách loại chất không đường pH khác nhau có thể tách loại các chất không đường khác nhau. Khi pH = 7-10 các muối vô cơ của Al2O3, P2O5, SiO2, Fe2O3, MgO dễ bị tách loại trong đó Al2O3, P2O5, SiO2 có thể bị loại hơn 95% còn Fe2O3, MgO có thể bị loại hơn 60%. Khi pH khoảng 7 có thể tách loại được 50% chất keo pentosan. Khi pH khoảng 5,6 trên 98% protein có thể bị tách loại, càng cách xa giá trị đó thì hiệu quả tách loại thấp. Khi chọn pH thích hợp để loại chất không đường không nên chỉ tách riêng lẻ từng chất mà phải xét một cách toàn diện để tách loại nhiều chất khác. Hiệu quả tách còn phụ thuộc vào giống mía, điều kiện sinh trưởng, độ chín của mía. Hình 1.1: Quan hệ giữa pH và hiệu quả tách loại chất không đường. 1.2.2. Tác dụng của các chất điện ly a. Vôi Là hóa chất quan trọng được dùng nhiều trong sản xuất đường, các phương pháp làm sạch hiện nay đều sử dụng vôi. Tác dụng của vôi: Ca(OH)2 + 2C12H22O11 « 2H2O + Ca(C12H21O11)2 Canxi saccharate Lượng vôi cho vào nước mía cần lớn hơn nhiều lần so với lượng vôi có thể hòa tan. Khi cho vôi vào nước mía sẽ có những tác dụng sau: Làm trơ phản ứng acid của nước mía hỗn hợp và ngăn ngừa sự chuyển hoá đường saccharose. Kết tủa hoặc đông tụ những chất không đường, đặc biệt là protein, pectin, chất màu và những acid tạo muối không tan. Phân huỷ một số chất không đường, đặc biệt đường chuyển hoá, amit… Tác dụng cơ học: những chất kết tủa được tạo thành có tác dụng kéo theo những chất lơ lửng, và những chất không đường khác. Sát trùng nước mía, với độ kiềm có 0,3% CaO, phần lớn vi sinh vật không sinh trưởng, đôi khi phải dùng đến 0,8% CaO. Tác dụng của ion Ca2+: - Loại phản ứng: kết tủa hoặc đông tụ, Ca2+ phản ứng với những anion để tạo muối canxi là những chất không tan: Ca2+ + 2A- = CaA2 Nếu trong dung dịch có acid tự do thì lượng muối canxi trong dung dịch tăng Theo độ tan của muối canxi trong nước mía có thể chia thành 3 nhóm: + Muối canxi không tan: (độ hòa tan: 10-3g/100g nước): carbonate, oxalat, sunfate hoặc photphat của canxi. Ngoài ra còn có muối có độ hòa tan 10-3 – 10-4 g/100g nước: citrate, vinate canxi… + Muối canxi khó tan (độ hòa tan 10g/100g nước): muối của acid glicolic, malonic, ađipic, sucxinic, tricarboxilic, và hyđroxixitronic. + Muối canxi dễ tan: muối của các acid: focmic, propionic, lactic, butiric, glutaric, saccharinic, aspastic, glutamic. 2CH3CHOHCOOH + Ca2+(OH)-2 = (CH3CHOHCOO)-2 Ca2+ + 2H2O Canxi lactat Muối canxi của những acid không tan có tầm quan trọng trong quá trình làm sạch Tác dụng của ion OH–: - Trung hòa các acid tự do, ion OH- tác dụng với ion kim loại tạo thành muối: H+ + OH- = H2O 2Al3+ + 3[Ca2+2(OH)-] = 2Al(OH)3 + 3Ca2+ Mg2+ + Ca2+2(OH)- = Mg(OH)2 + Ca2+ - Những ion trên tồn tại trong dung dịch ở dạng hydroxit. - Nếu trong dung dịch thừa vôi, sẽ tạo phản ứng kiềm và sẽ dẫn đến hàng loạt phản ứng phân huỷ. - Trong quá trình cho vôi vào nước mía, nhiều axit được tạo thành trong đó có khoảng 60% axit lactic. Đó là kết quả của sự phân huỷ saccharose trong môi trường kiềm khi ở nhiệt độ cao. Trong quá trình phân huỷ, nồng độ đường khử tăng và đạt đến một giá trị nhất định. - Theo Nefa[1], từ glucoza có thể tạo thành 116 hợp chất, phần lớn các hợp chất đó có trọng lượng phân tử nhỏ hơn trọng lượng của hexoza. Tiếp theo sự phân huỷ đường là những phản ứng tổng hợp qua đó sẽ tạo thành những sản phẩm ngưng tụ và các chất màu. k3 k2 k1 Quá trình tạo thành chất màu được tiến hành theo sơ đồ: Saccharose ----> đường khử ----> sản phẩm phân huỷ ----> chất màu, Trong đó k1, k2, k3 ---- hằng số tốc độ của những phản ứng riêng biệt. d - Fructose d – Manoza d – Glucoza Oxi hoá Phân cắt Axit lactic Axit arabic + HCOOH (C5H10O6) Endiol Chuyển vị Axit saccharinic b . SO2 Lấy ra từ lò đốt lưu huỳnh, được sử dụng phổ biến trong sản xuất đường. SO2 được cho vào dung dịch đường ở dạng khí, lỏng hoặc muối. Trong sản xuất thường dùng ở dạng khí. Vì khả năng giảm pH nên SO2 có tác dụng mạnh hơn NaHSO3 và Na2SO3. Tác dụng của SO2 đối với nước mía và mật chè tùy thuộc vào tính chất trung tính hoặc kiềm của chúng, tác dụng như sau Trung hòa lượng vôi dư trong nước mía: SO2 (H2SO3) là một axit mạnh có thể trung hòa kiềm dư của nước mía, phản ứng xảy ra như sau SO2 + H2O = H2SO3 H2SO3 = H+ + HSO3- HSO3- = H+ + SO32- Khi cho SO2 vào nước mía có vôi dư sẽ tạo ra CaSO3 là chất kết tủa có khả năng hấp thụ các chất không đường, chất màu, chất keo trong dung dịch đường: Ca(OH)2 + H2SO3 = CaSO3Ơ + H2O Hòa tan muối canxi sunfit kết tủa. Canxi sunfit không tan trong nước nhưng tan trong axit sunfurơ, do đó khi thông SO2 quá lượng có thể làm cho canxi sunfit kết tủa biến thành canxi bisunfit hòa tan: CaSO3 + SO2 + H2O = Ca(HSO3)2 Tương tự kali sunfit biến thành kali bisunfit K2SO3 + SO2 + H2O = KHSO3 Giảm độ nhớt của dung dịch mật chè: mật chè sau khi bốc hơi nồng độ cao, độ nhớt cao, xông SO2 làm giảm độ màu, giảm độ nhớt (do đã loại ra các chất keo, các chất màu nhờ sự kết tủa của muối CaSO3) thuận lợi cho nấu đường đồng thời hạn chế sự phát triển của vi sinh vật. Tẩy màu dung dịch đường SO2 là chất khử có khả năng biến chất màu của nước mía hoặc mật chè thành chất không màu hoặc màu nhạt hơn: các chất màu sinh ra trong quá trình phân hủy saccharose, đường khử được tẩy bằng NaHSO3 ở pH = 5,5. Thông SO2 không ngăn ngừa được sự phân huỷ sacaroza và đường khử, tuy nhiên nó ngăn ngừa được sự tạo thành sản phẩm có màu và kìm hãm khả năng oxi hoá và tác dụng xúc tác của ion kim loại. Oxi không khí chỉ phát huy tác dụng khi có chất xúc tác, trước hết, khi có mặt các ion Fe2+, Fe3+, Cu2+. Trên cơ bản kim loại gây màu xám kém hơn các ion của nó. Khi thông SO2 ngoài tác dụng khử ion sắt, còn có tác dụng bao vây nhóm cacbonyl có khả năng tạo chất màu, ngăn ngừa sự tạo thành phức chất sắt và phản ứng ngưng tụ với những chất không đường hưu cơ khác. Trong dung dịch đường, ion HSO3- thường kết hợp vào sản phẩm tạo thành do sự phân huỷ ở môi trường kiềm chứ không kết hợp vào hexoza. Tuy nhiên, không thể ngăn ngừa sự tạo thành chất màu một cách hoàn toàn, khoảng một phần tư chất màu do sự phân huỷ kiềm của glucoza không bị mất màu bởi tác dụng SO2. c. Cacbon dioxit (CO2) CO2 được sản xuất từ lò vôi của nhà máy đường, hàm lượng CO2 chiếm khoảng 32 -35% khí lò. Tác dụng của CO2 đối với quá trình làm sạch nước mía: Khi thông CO2 vào nước mía, CO2 tác dụng với vôi dư tạo thành chất kết tủa, phản ứng xảy ra như sau Trước tiên CO2 hòa tan vào nước tạo thành axit cacbonic và phân ly theo phản ứng: H2CO3 H+ + HCO-3 HCO-3 H+ + CO32- Ca2+ + CO32- CaCO3 Mặt khác CO2 có khả năng phân hủy muối canxi sacarit thành đường và CaCO3 kết tủa, khi nhiệt độ đến 70-80oC phản ứng xảy ra hoàn toàn: C12H22O11.CaO + CO2 = C12H22O11 + CaCO3 C12H22O11.2CaO + 2CO2 = C12H22O11 + 2CaCO3 C12H22O11.3CaO + 3CO2 = C12H22O11 + 3CaCO3 Kết tủa CaCO3 có khả năng hấp phụ các chất kết tủa không đường khác trong dung dịch. Nếu thông CO2 quá lượng làm cho muối canxi kết tủa biến thành muối tan nhưng dưới tác dụng của nhiệt độ cao muối này dễ dàng chuyển thành dạng kết tủa tạo cặn đóng trong thiết bị bốc hơi và đun nóng. d. Photphat pentanoxit (P2O5) Hàm lượng P2O5 trong nước mía là yếu tố rất quan trọng đối với hiệu quả làm sạch. Bản thân cây mía có một lượng P2O5 nhất định, để nâng cao hiệu quả làm sạch ngoài cho phân bón trong quá trình trồng trọt cần bổ sung trong nước mía. Việc cho P2O5 vào nước mía đều dùng được cho tất cả các phương pháp cho vôi: cho vôi lạnh, nóng, cho vôi phân đoạn, cho vôi và thông SO2… P2O5 cho vào nước mía dưới dạng supephotphat, dicanxi photphat, di và monoamoni photphat, axit photphoric. Thông thường cho vào nước mía dưới dạng Ca(H2PO4)2, chất này kết hợp với vôi tạo thành canxi photphat kết tủa: Ca(H2PO4)2 + Ca(OH)2 Ca3(PO4)2 + H3PO4 + H2O Kết tủa Ca3(PO4)2 có tỷ trọng lớn có khả năng lớn hấp phụ chất keo và chất màu cùng kết tủa. Khi dùng vôi làm sạch có hàm lượng P2O5 nhất định thì hiệu quả làm sạch sẽ tăng lên rõ rệt, thuận tiện khi thao tác nguyên liệu có độ tinh sạch thấp. 1.2.3. Tác dụng của nhiệt độ - Có thể loại bớt không khí trong nước mía tránh tạo bọt. - Diệt trùng, tránh sự xâm nhập của vi sinh vật vào nước mía, tránh hiện tượng lên men acid. - Giảm tỉ trọng nước mía, đồng thời làm cho chất keo tụ tăng nhanh tốc độ lắng. VD: 82oC albumin bị ngưng tụ, ở 102 – 104oC pentosan bị ngưng tụ… - Tăng nhanh tốc độ các phản ứng hoá học. Ví dụ: tạo thành nhanh chóng và kết tủa hoàn toàn CaSO3 trong phương pháp sunfite hoá, và kết tủa