2.1. Thứ tự tiến hành thiết kế một quá trình việc đầu tiên cần làm là lựa chọn phương thức hay là lộ trình sản xuất sản phẩm mục tiêu. Trong đa phần trường hợp, có ít nhất là 2 lộ trình khả thi để sản xuất một hóa chất nào đó. Để đánh giá những lộ trình khác nhau, cần phân tích tính kinh tế và độ phức tạp của quá trình tổng hợp sản phẩm mục tiêu, tác động môi trường của những dòng thải… Một trong những trình tự thiết kế một quá trình có thể gồm những bước sau: 1. Quyết định xem quá trình sẽ tiến hành theo phương thức gián đọan hay liên tục. 2. Nhận dạng cấu trúc vàora của quá trình 3. Nhận dạng và xác định cấu trúc tuần hòan của quá trình 4. Nhận dạng và thiết kế cấu trúc phân riêng của quá trình 5. Nhận dạng và thiết kế mạng thiết bị trao đổi hay thu hồi nhiệt. 2.2 Sự khác biệt giữa quá trình gián đọan và quá trình liên tục Cần phân biệt quá trình gián đọan và các quá trình cơ bản (công đọan) gián đọan. Có nhiều việc cần cân nhắc khi quyết định lựa chọn quá trình là gián đọan hay liên tục. Theo bảng 2.1, những cân nhắc quan trọng nhất có lẽ là năng suất và tính linh họat của hệ thống. Có nhiều sự thỏa hiệp trong lựa chọn giữa quá trình gián đọan và quá trình liên tục. Tuy nhiên, tất cả đều quyết định bởi giá thành sản phẩm. Đối với quá trình gián đọan, so sánh với quá trình liên tục cùng năng suất, đầu tư ban đầu thường thấp hơn nhiều do cùng một thiết bị có thể sử dụng cho nhiều công đọan, dễ dàng thay đổi thiết kế đáp ứng nhiều chủng lọai nguyên liệu và sản phẩm. Tuy nhiên, chi phí cho nhân công vận hành và chi phí cho thiết bị phụ trợ cao hơn.
CHƯƠNG THIẾT LẬP CẤU TRÚC VÀ TỔNG HỢP SƠ ĐỒ DỊNG (PFD) CHO Q TRÌNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC 2.1 Thứ tự tiến hành thiết kế trình việc cần làm lựa chọn phương thức lộ trình sản xuất sản phẩm mục tiêu Trong đa phần trường hợp, có lộ trình khả thi để sản xuất hóa chất Để đánh giá lộ trình khác nhau, cần phân tích tính kinh tế độ phức tạp trình tổng hợp sản phẩm mục tiêu, tác động mơi trường dòng thải… Một trình tự thiết kế q trình gồm bước sau: Quyết định xem trình tiến hành theo phương thức gián đọan hay liên tục Nhận dạng cấu trúc vào/ra trình Nhận dạng xác định cấu trúc tuần hòan trình Nhận dạng thiết kế cấu trúc phân riêng trình Nhận dạng thiết kế mạng thiết bị trao đổi hay thu hồi nhiệt 2.2 Sự khác biệt trình gián đọan trình liên tục Cần phân biệt trình gián đọan q trình (cơng đọan) gián đọan Có nhiều việc cần cân nhắc định lựa chọn trình gián đọan hay liên tục Theo bảng 2.1, cân nhắc quan trọng có lẽ suất tính linh họat hệ thống Có nhiều thỏa hiệp lựa chọn trình gián đọan trình liên tục Tuy nhiên, tất định giá thành sản phẩm Đối với trình gián đọan, so sánh với trình liên tục suất, đầu tư ban đầu thường thấp nhiều thiết bị sử dụng cho nhiều cơng đọan, dễ dàng thay đổi thiết kế đáp ứng nhiều chủng lọai nguyên liệu sản phẩm Tuy nhiên, chi phí cho nhân cơng vận hành chi phí cho thiết bị phụ trợ cao Bảng 2.1 Một số yếu tố cần lưu ý lựa chọn phương thức họat động gián đọan hay liên tục cho q trình cơng nghệ hóa học Yếu tố Năng suất Khả khỏan/chất lượng sản phẩm Ưu/Nhược điểm q trình gián đọan Thích hợp cho suất nhỏ (kích thước thiết bị, vấn đề dịch chuyểnhóa chất từ thiết bị sang thiết bị) Thích hợp cần kiểm tra chứng nhận chất lượng sản phẩm mẻ Tính linh họat Thơng thường, thiết bị họat sử dụng để tiến hành nhiều công động đọan khác Thiết bị chuẩn - đa sản phẩm Có thể điều chỉnh thiết bị để sản xuất sản phẩm khác số thiết bị.Khi đó, vấn đề điều khiển thứ tự thực công đọan điều kiện tiên cho thành cơng Đòi hỏi đặt kiểm sóat (điều khiển) nghiêm ngặt Thiết bị Hiệu khơng thể tối ưu hóa cho họat động sản xuất riêng sản phẩm q trình Tích hợp nhiệt thường không thể; thiết bị phụ trợ phải nhiều hơn;quá trình tách tái sử dụng ngun liệu khó khăn Nhân cơng Chi phí cho nhân cơng vận hành Ưu/Nhược điểm q trình liên tục Thích hợp cho suất lớn Chất lượng sản phẩm kiểm tra liên tục hay định kỳ Tuy nhiên, có nguy tạo lượng lớn sản phẩm không đạt chất lượng yêu cầu Thích hợp mà sản phẩm khơng đạt chất lượng u cầu trộn hay lưu giữ để sản xuất lại Thiết kế không linh họat bằng: Thơng thường, q trình liên tục thường thiết kế để sản xuất số sản phẩm định từ số nguyên liệu định trước Thiết bị thiết kế để thích hợp cho sản xuất hay số sản phẩm khác Nói chung, suất tăng hiệu suất q trình tăng Ví dụ, mát lượng giảm, Việc tuần hòan hóa chất chưa chuyển hóa hết tích hợp nhiệt dễ thực Đối với sản xụất chi bảo dưỡng hệ thống gián đọan chuẩn vận hành hóa cao phải vệ sinh chuẩn bị cho thiết bị họat động chi phí giảm hệ thống gián đọan “không đường ống” Khả Khi nguồn nguyên liệu khan hiếm, cung ứng ví dụ tính chất thời vụ, q ngun liệu trình gián đọan thích hợp (sản xuất đồ hộp rượu) Nhu cầu sản phẩm Tốc độ phản ứng tạo sản phẩm Vệ sinh thiết bị Vấn đề an tòan sản xuất Điều (kiểm khiển sóat) phí vận hành cho trình liên tục thấp Các hệ thống họat động liên tục có xu hướng tăng suất họat động quanh năm để tăng lãi suất Cách để có đủ nguyên liệu (đối với nguyên liệu mang tính thời vụ) xây dựng kho chứa lớn đắt tiền Những nhu cầu mang tính thời vụ Khó sản xuất sản phẩm dễ dàng giải quyết, khác ngòai thời gian mùa vụ hệ thống gián đọan linh họat, sản xuất vào thời gian ngòai lúc nhu cầu thời vụ cao thích hợp cho phản ứng có tốc độ Phản ứng chậm đòi hỏi thiết thấp tức có thời gian lưu lớn Ví bị lớn Vận tốc dòng qua thiết dụ trình lên men, trình bị nhỏ, việc phân bố xử lý nước thải theo phương hỗn hợp phản ứng thiết bị pháp hiếu khí kỵ khí , vấn đề đòi hỏi độ q trình sinh học khác chuyển hóa cao chế độ ngược chiều đặt Khi mà thiết bị hay bị đóng cặn Hiện tượng đóng cặn đáng kể q trình gián đọan thích hợp q trình liên tục vấn đề hơn, việc vệ sinh thiết bị nghiêm trọng khó giải cơng đọan chuẩn hóa Có thể sử dụng thiết bị giống trình gián đọan để giải vấn đề Nói chung, công nhân phải tiếp Hệ thống lớn họat động liên tục xúc nhiều với hóa chất, lỗi có mức độ an tòan cao Những vận hành nhiều Việc đào qui trình họat động an tòan tạo liên quan tới phơi nhiễm hóa thiết lập cách chu đáo chất vận hành thiết bị tối cần Việc đào tạo công nhân vận hành thiết thiết yếu Quá trình gián đọan thường sử Nói chung, điều khiển (kiểm dụng thiết bị để thực sóat) q trình liên tục dễ q trình hay cơng đọan khác nhau, hệ thống để sản xuất số sản phẩm khác Việc xếp họat động thiết bị quan trọng Việc điều khiển (kiểm sóat) trình phức tạp dàng Đối với hệ thống phức tạp có tích hợp nhiệt ngun liệu, điều khiển (kiểm sóat) q trình phức tạp hơn, tính linh động q trình giảm đáng kể 2.3 Bước – Cấu trúc Vào / Ra trình Mặc dù tất qt khác nhau, chúng có số đặc điểm chung Các dòng vào dòng nguyên liệu, dòng dòng sản phẩm (có thể sản phẩm mục tiêu dòng thải) 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý cho trình Bước đánh giá đường trình thiết lập sơ đồ dòng Những sơ đồ sử dụng phương trình tỷ lượng phản ứng để phân biệt dòng vào dòng sản phẩm Những bước thiết lập sơ đồ dòng sau: Hình vẽ đám “mây” đơn biểu diễn sơ đồ nguyên lý cho trình Bên đám mây phương trình tỷ lượng cho tất phản ứng xảy trình xét tới Thông thường, chất phản ứng bên trái sản phẩm bên phải phương trình Các chất phản ứng mơ tả dòng vào từ bên trái Số dòng tương ứng với số lượng chất tham gia phản ứng Mỗi dòng ứng với tên chất tương ứng, đánh số Các chất sản phẩm mơ tả dòng từ bên phải Số dòng tương ứng với số lượng chất sản phẩm Mỗi dòng ứng với tên chất tương ứng, đánh số Hiếm trường hợp mà có phản ứng nhất, cần tính đến phản ứng phụ Tất phản ứng xảy tỷ lượng phản ứng phải đưa vào sơ đồ Các sản phẩm không mong muốn coi sản phẩm phụ cần biểu diễn dòng từ bên phải với dòng sản phẩm 2.3.2 Sơ đồ dòng cho q trình cơng nghệ hóa học Nếu sơ đồ nguyên lý cho trình biểu diễn sở cho trình, sơ đồ dòng cho q trình biểu diễn khía cạnh khác q trình Tuy nhiên, cấu trúc vào/ra sơ đồ Trong sơ đồ PFD biểu diễn dòng phụ, dòng thiết bị phụ trợ cần thiết cho họat động trình Hình 2.2 biểu diễn cấu trúc vào/ra sở cho sơ đồ PFD đưa hình 1.3 Những dòng vào cho sản xuất toluene đọan thẳng đậm Nếu cần, sử dụng bảng dòng kèm với PFD để xác định xem chất cần biết đâu Sau số yếu tố quan trọng cần tính đến phân tích cấu trúc vào/ra tổng quát PFD: Các chất vào sơ đồ PFD từ bên trái, mà không tiêu hao thiết bị phản ứng, chất cần thiết cho vận hành phần thiết bị, chất trơ qua q trình mà thơi Ví dụ hóa chất cần đưa vào q trình, không tiêu hao xúc tác, dung mơi, chất hãm Ngòai ra, ngun liệu vào q trình, khơng tinh khiết chứa chất trơ Trong số trường hợp khác, chất trơ đưa thêm vào q trình để kiểm sóat tốc độ phản ứng, khống chế dòng vào thiết bị phản ứng cho thành phần hỗn hợp nằm ngòai vùng giới hạn nổ, tác động chất tiêu hao nhiệt hay tạo nhiệt để kiểm sóat nhiệt độ Bất kỳ chất khỏi trình chất, vào từ dòng nguyên liệu, tạo phản ứng hóa học diễn q trình Các dòng phụ trợ tiếp xúc trực tiếp với dòng q trình Các dòng phụ trợ thường sử dụng để cấp hay lấy nhiệt Trong hình 2.3, đường đậm dòng phụ trợ q trình sản xuất 2.3.3 Cấu trúc vào/ra đặc điểm khác sơ đồ khối tổng qt cho dòng q trình Sơ đồ khối tổng quát cho dòng sơ đồ trung gian sơ đồ nguyên lý trình sơ đồ PFD Sơ đồ minh họa đặc điểm, bổ sung cho cấu trúc vào/ra – đặc điểm chung cho tất q trình hóa học Hình 2.4a đưa sơ đồ khối tổng quát dòng q trình, sơ đồ cho thấy việc chia nhỏ q trình hóa học thành vùng hay khối Mỗi khối tương ứng chức cần thiết cho họat động trình Bộ phận chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng Bộ phận chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị phân riêng Thiết bị phân riêng Tuần hòan dòng Bộ phận kiểm sóat mơi trựờng Mỗi khối biểu diễn vài trình Hơn nữa, vài khối q trình sử dụng nhằm nâng cao hiệu trình (hình 2.4b) 2.3.4 Những lưu ý khác cấu trúc vào/ra sơ đồ dòng cho q trình Có yếu tố có mặt tạp chất dòng ngun liệu có mặt dòng bổ sung tạo ảnh hưởng đáng kể tới cấu trúc PFD Tạp chất nguyên liệu cấu tử vết: Nói chung, dòng ngun liệu vào trình chứa tạp chất Sự lựa chọn công nghệ dẫn tới nhu cầu tinh chế nguyên liệu Một số kinh nghiệm chung sử dụng để lựa chọn sở hay xuất phát điểm tốt cho công đọan tinh chế nguyên liệu: Nếu hàm lượng tạp chất không lớn (< 10-20%) chúng không tham gia phản ứng tạo sản phẩm phụ, khơng cần tách chúng trước đưa nguyên liệu vào trình Nếu việc tách tạp chất khó khăn (ví dụ, tạp chất tạo hỗn hợp đẳng phí với nguyên liệu hay nguyên liệu trạng thái khí) Khi đó, khơng nên tách chúng trước đưa vào q trình Nếu tạp chất đóng cặn hay gây độc cho chất xúc tác, cần tinh chế dòng nguyên liệu Nếu tạp chất phản ứng tạo sản phẩm độc hại khó tách, cần tinh chế dòng ngun liệu Nếu hàm lượng tạp chất dòng ngun liệu lớn phải tinh chế dòng nguyên liệu Bổ sung dòng nguyên liệu để ổn định dòng sản phẩm hay để thực q trình phân riêng: Nói chung, đặc tính sản phẩm coi tính chất mà dòng sản phẩm phăi đạt hay vượt mức Thơng thường, đặc tính sản phẩm đạt thiết bị phân riêng Tuy nhiên, dòng sản phẩm, ví dụ, có họat tính hóa học hay khơng ổn định, hóa chất ổn định cần bổ sung vào sản phẩm trước vào nơi lưu trữ Những hóa chất ổn định ví dụ dòng nguyên liệu bổ sung vào trình Chất trơ dòng ngun liệu để kiểm sóat phản ứng tỏa nhiệt: Trong số trường hợp, xuất cần thiết bổ sung dòng chất trơ vào q trình nhằm kiểm sóat phản ứng xảy trình Trong số trình, lượng nước đủ lớn (hay chất trơ khác) bổ sung nhằm đưa hỗn hợp phản ứng ngòai vùng nồng độ có khả gây cháy nổ Hơi nước (hay chất trơ khác) đưa vào trình, sau cần tách sản phẩm, hay sản phẩm phụ, hay chất thải Bổ sung nguyên liệu trơ nhằm kiểm sóat cân phản ứng hóa học: Đôi cần thiết bổ sung nguyên liệu trơ nhằm dịch chuyển cân phản ứng mong muốn ... đậm dòng phụ trợ trình sản xuất 2.3.3 Cấu trúc vào/ra đặc điểm khác sơ đồ khối tổng qt cho dòng q trình Sơ đồ khối tổng quát cho dòng sơ đồ trung gian sơ đồ nguyên lý trình sơ đồ PFD Sơ đồ minh... 2.3.2 Sơ đồ dòng cho q trình cơng nghệ hóa học Nếu sơ đồ nguyên lý cho trình biểu diễn sở cho q trình, sơ đồ dòng cho q trình biểu diễn khía cạnh khác q trình Tuy nhiên, cấu trúc vào/ra sơ đồ Trong... họa đặc điểm, bổ sung cho cấu trúc vào/ra – đặc điểm chung cho tất q trình hóa học Hình 2.4a đưa sơ đồ khối tổng quát dòng trình, sơ đồ cho thấy việc chia nhỏ q trình hóa học thành vùng hay khối