Chương 1: Giới thiệu môn học Chương 2: Triễn khai dự án (Project Development) Chương 3: Thiết kế quy trình (Process Design) Chương 4: Lựa chọn thiết bị và vật liệu chế tạo (Equipment Selection Materials of Construction) Chương 5:Các tiện nghi hỗ trợ sản xuất (Utilities) Chương 6: Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy Chương 7: Xây dựng nhà máy Chương 8: Tính kinh tế dự án
THIẾT KẾ NHÀ MÁY (Chemical Plant Design) VŨ BÁ MINH vbminh@hcmut.edu.vn HOÀNG MINH NAM hmnam@hcmut.edu.vn Mục lục Chương 1: Giới thiệu môn học Chương 2: Triễn khai dự án (Project Development) Chương 3: Thiết kế quy trình (Process Design) Chương 4: Lựa chọn thiết bị vật liệu chế tạo (Equipment Selection & Materials of Construction) Chương 5:Các tiện nghi hỗ trợ sản xuất (Utilities) Chương 6: Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy Chương 7: Xây dựng nhà máy Chương 8: Tính kinh tế dự án Tài liệu tham khảo [1]Van Dryden, “Chemical Engineering Plant Design”, McGraw Hill [2] Max Peter, “Plant Design and Economics for Chemical Engineers”, McGraw Hill [3] Gavin Towler & Ray Sinnott, “ Chemical Engineering Design – Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design”, Elsevier Chương 1: GIỚI THIỆU MÔN HỌC 1.1 THIẾT KẾ NHÀ MÁY(TKNM) 1.1.1 Vai trò kỹ sư hố học (KSHH) KSHH người có kỹ triễn khai vào sản xuất: Qui trình, Thiết kế, Xây dựng Vận hành nhà máy cơng nghiệp Do KSHH làm việc lĩnh vực ngành cơng nghiệp hố học nói chung sau: Nghiên cứu triễn khai (R&D); Thiết kế; Sản xuất; Thương mại KSHH có triễn vọng cơng việc kiến thức đa dạng Khu vực tháp chưng cất dầu Nhà máy lọc dầu Dung Quất 1.1.2 Thiết kế kỹ thuật TKNM bao gồm thiết kế Qui trình, Thiết bị Xây dựng nhà máy Đặc trưng mang tính định người kỹ sư hoá học thể thiết kế tính sáng tạo nghề nghiệp Cơng việc TK thực sau kế hoạch đượcc chuẩn bị trước Địa điểm mặt xây dựng nhà máy, Lựa chọn qui cách thiết bị cơng nghệ, Bố trí thiết bị theo sơ đồ qui trình cơng nghệ dự kiến mở rộng tương lai 1.1.2 Thiết kế kỹ thuật TK thiết bò xây dựng phải đạt hiệu cao sử dụng nguyên vật liệu qui trình công nghệ Cung ứng dự trữ nguyên vật liệu đựơc xếp cho việc mở rộng sau không làm xáo trộn dòng vật liệu di chuyển qui trình công nghệ, đáp ứng tốt điều kiện hoạt động thiết bò Công việc thiết kế tập trung vào toán truyền nhiệt, truyền khối biến đổi hoá học, sinh học Các yếu tố khác phải xem xét thêm cháy nổ, tính độc hại cúa hoá chất, an toàn lao động, sức khoẻ cho công nhân, hệ thống phân phối cách kinh tế tiện nghi phục vụ sản xuất nước, điện năng, khí nén… mở rộng sản xuất sau 1.1.2 Thiết kế kỹ thuật 10 KSHH có nhiệm vụ tính toán: suất lượng dòng, hiệu suất, sử dụng nguyên vật liệu dây chuyền tồn trữ Cần sử dụng kiến thức: cân vật chất-năng lượng, vận chuyển nguyên vật liệu, truyền nhiệt, truyền khối, phân riêng vật liệu, nhiệt động lực học, cân tốc độ hệ phản ứng hoá học, sinh học, đặc trưng chất xúc tác Ngoài KSHH phải tính chi tiết chi phí thiết bò => trước vào TK chi tiết, cần phải biết đựơc chi phí chế biến cho 1T nguyên liệu qui trình công đoạn 1.2.3 Tổng hợp lời giải có toán thiết kế Dự án TK ngành CNHH đựơc chia làm ba loại: Hiệu chỉnh, bổ sung cho nhà máy có sẵn; Tăng công suất nhà máy đáp ứng nhu cầu thò trường; Một qui trình công nghệ phát triễn từ nghiên cứu phòng thí nghiệm, qua giai đoạn sản xuất thử (pilot) đến giai đoạn sản xuất thương mại Bước thiết kế qui trình công nghệ dạng sơ đồ khối liệt kê nhiệm vụ (mục tiêu) ràng buộc công đoạn Kinh nghiệm cuả người kỹ sư đònh nên xem xét loại trình thiết bò cho công đoạn 21 1.2.4 Lựa chọn Quá trình lựa chọn, sàng lọc giải pháp qua bước sau: Các thiết kế tin cậy – đáp ứng ràng buộc bên Các TK tin cậy (khả thi) – đáp ứng ràng buộc bên Các thiết kế thực Bản thiết kế tốt (tối ưu) Trong giai đoạn sàng lọc ban đầu cần đến biện luận kỹ thuật thông thường phép tính chi phí gần Để lựa chọn thiết kế tốt từ thiết kế khả thi cần phải thiết kế tính kinh tế chi tiết 22 1.3 THIẾT KẾ NHÀ MÁY VÀ CÁC MỐI LIÊN HỆ VỚI KINH DOANH Mục đích TKNM cuối bán nhiều sản phẩm thu nhiều lợi nhuận cách giữ cho sản phẩm dây chuyền sản xuất có ưu cạnh tranh; đa dạng hoá dây chuyền SX để đáp ứng nhu cầu thò trường; cải tiến hay thay đổi SP thấy lợi nhuận có xu hướng giảm thò trường bảo hoà; tận dụng để thu lợi từ sản phẩm phụ hay tái chế sản phẩm phế thải 23 1.4 CẤU TRÚC CỦA MỘT QUI TRÌNH SẢN XUẤT HOÁ HỌC Hoàn lưu ng liệu chưa phản ứng Kho nguye ân liệu Chuẩn bò nguyên liệu Phản ứng hoá&si nh Chất thải Phâ n riên g Tinh chế sản phẩm Kho sản phẩ m Sản phẩm phụ 24 Công đoạn 1: Tồn trữ nguyên liệu 25 Trừ nguyên liệu cung cấp dạng bán thành phẩm sản phẩm trung gian từ nhà máy lân cận Cần dự trữ cho thời gian sản xuất vài ngày, tuần… Lượng tồn kho cần thiết phụ thuộc vào chất nguyên liệu, phương thức cung cấp đảm bảo tính liên tục nguồn cung cấp Nếu nguyên liệu phải nhập vận chuyển đường thuỷ lượng tồn kho cần phải dự trữ từ vài tuần đến vài tháng; Trong lượng nguyên liệu không cần nhiều, có sẵn nước, vận chuyển đường lựơng tồn kho không cần nhiều Công đoạn 2: Chuẩn bò nguyên liệu 26 Một số loại nguyên liệu cần phải sơ chế thành dạng phù hợp trước đưa vào thiết bò phản ứng, thí dụ nguyên liệu dạng lỏng cần bốc trươc đưa vào thiết bò phản ứng pha khí nguyên liệu dạng rắn cần phải nghiền, sàng cho đạt cỡ thích hợp Công đoạn 3: Thiết bò phản ứng Công đoạn phản ứng trung tâm qui trình sản xuất hóa chất Trong thiết bò phản ứng nguyên liệu đưa đến điều kiện thích hợp để phản ứng sản xuất sản phẩm mong muốn (sản phẩm chính) đương nhiên tạo sản phẩm phụ hợp chất không mong muốn 27 Cơng đọan 4: Phân riêng sản phẩm Sau phản ứng phân riêng hỗn hợp sản phẩm sản phẩm phụ khỏi nguyên liệu chưa phản ứng Nếu lượng vừa đủ có giá trị kinh tế, nguyên liệu chưa phản ứng hoàn lưu trực tiếp thiết bị phản ứng, công đọan chuẩn bị nguyên liệu Sản phẩm phụ phân riêng khỏi sản phẩm cơng đọan 28 Công đọan 5: Tinh chế sản phẩm Trước đóng gói cung cấp cho thò trường, sản phẩm cần đựợc tinh chế để đáp ứng qui cách sản phẩm Nếu có số lựơng lớn trình sản xuất, sản phẩm phụ đựơc tinh chế để cung cấp cho thò trường 29 Công đoạn 6: Tồn trữ sản phẩm Vấn đề tồn trữ, bao bì, vận chuyển sản phẩm phụ thuộc vào chất sản phẩm Nếu sản phẩm lỏng thường đựơc chứa thùng bồn Chất rắn thừơng đựơc chứa bao, thùng giấy pallet Lượng tồn trữ phụ thuộc vào chất sản phẩm thò trường 30 Tiện nghi phục vụ sản xuất (Utilities) 31 Ngoài qui trình sản xuất nhà máy có nguồn cung cấp tiện nghi phục vụ sản xuất như: điện năng; Nhu cầu cấp, nước cho sản xuất, nước làm mát, khí nén, nước Các sở khác cần thiết cho hoạt động nhà máy xưởng bảo trì, phòng chống cháy nổ, phòng thí nghiệm, văn phòng… 1.4.1 Các qui trình liên tục gián đoạn 32 Qui trình hoạt động liên tục thiết kế để vận hành 24 ngày, ngày tuần suốt năm Số hoạt động năm nhà máy đạt từ 90 đến 95% Qui trình hoạt động gián đoạn thiết kế để hoạt động theo mẻ(batch) Một số thiết bò, tất thiết bò qui trình ngừng khởi động thường xuyên Qui trình hoạt động liên tục kinh tế cho trường hợp sản xuất qui mô lớn Các qui trình hoạt động gián đoạn thường có tính linh động cần thay đổi suất qui cách, chủng loại sản phẩm Qui trình hoạt động liên tục Năng suất thừơng lớn 5.000 T/năm Chỉ sản xuất loại sản phẩm Không có tình trạng đóng cáu bẩn nghiêm trọng thiết bò Chất xúc tác có tuổi thọ cao Thiết kế qui trình đáng tin cậy Thò trường ổn đònh 33 Qui trình hoạt động gián đoạn Năng suất thừơng nhỏ 5.000 T/năm Sản xuất nhiều qui cách, chủng loại sản phẩm khác Đóng cáu bẩn nghiêm trọng trình sản xuất Chất xúc tác có tuổi thọ ngắn Sản xuất sản phẩm Thiết kế chưa chắn 34 Câu hỏi ơn tập 1) 2) 3) 35 Mục đích thiết kế nhà máy hay lập dự án đầu tư gì? Một KS Hóa học cần biết kiến thức PTN làm việc tốt ngòai nhà máy đựơc khơng? Để TK NM (hay lập dự án đầu tư) cần phải có kiến thức gì? Có thể làm việc cá nhân không? ... liệu đưa đến điều kiện thích hợp để phản ứng sản xuất sản phẩm mong muốn (sản phẩm chính) đương nhiên tạo sản phẩm phụ hợp chất không mong muốn 27 Cơng đọan 4: Phân riêng sản phẩm Sau phản ứng... công việc xứng đáng cho người kỹ sư thực TK việc tổng hợp tất ý tưởng lại nhằm đạt đến mục tiêu mong muốn KS thiết kế bắt đầu với mục tiêu hay nhu cầu cụ thể đầu triễn khai, đánh giá phương án