THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH KỸ THUẬT HÓA HỌC Chemical Process Design Giảng viên: Phạm Trung Kiên 2 NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN  Tổng quan về thiết kế quá trình công nghệ hóa học  Thiết kế cấu trúc phân tử  Khởi tạo quá trình thiết kế  Mô phỏng để khởi tạo quá trình  Tính toán thử nghiệm cho tổng hợp quá trình  Nguyên liệu thô và phản ứng hóa học  Phân bố các chất hóa học  Hoạt động phân tách, loại bớt nhiệt và thêm nhiệt phản ứng  Thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt  Phương pháp tăng giảm áp suất 3 NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN  Thiết kế hệ thống thiết bị phản ứng  Tính toán, thiết kế hệ thống phân tách  Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt  Tối ưu hóa quá trình  Thiết kế quá trình và điều khiển  Tính toán kinh tế, ước tính cấu hình thiết bị, lựa chọn thiết bị, vật liệu  Báo cáo quá trình thiết kế  Thiết lập một dự án thiết kế  Bảo vệ dự án thiết kế GIÁO TRÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO  Product and Process Design Principles. Warren D.Seider, J.D.Seader, Daniel R.Lewin  Plan Design and Economics for Chemical Engineers. Max S. Peters, Klaus D. Timmerhaus, Roland E. West  Chemical Process Design: Computer Aided Case Studies. Alexandre C.Dimian, Costin Sorin Bildea  Chemical Process Equipment: Selection and Design. Stanley M.Walas  Chemical Engineering Design Project. Martyn S.Ray, David W.Johnston  Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants. Ernest E.Ludwig  Conceptual Design of Chemical Process. James M. Douglas 4 YÊU CẦU VÀ ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Trao đổi, thảo luận (C1 ) Đi học đầy đủ (C2 ) Tiểu luậnBảo vệ (B1 )_Theo nhóm Điểm giữa kỳ (B2 )_Kiểm tra 1520 phút Bài tập thực hành (B3 ) Thi cuối kỳ (A) 5 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Mục đích, cơ hội thiết kế công nghệ  Các bước trong thiết kế công nghệ  Tạo lập và đánh giá vấn đề thiết kế  Kiếm tìm chất hóa học và hỗn hợp có tính chất phù hợp với yêu cầu thực tế  Thiết lập (khởi tạo) quá trình thiết kế  Phát triển quá trình thiết kế cơ bản  Tổng hợp quá trình chi tiết sử dụng phương pháp thuật toán  Thiết kế, đánh giá điều khiển quá trình  Chi tiết thiết kế, ước tính cấu hình thiết bị và tối ưu hóa  Báo cáo và trình bày  Thiết kế phân xưởng, xây dựng, khởi động và hoạt động 6 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Bảo vệ môi trường  Các vấn đề môi trường  Các yếu tố môi trường trong thiết kế công nghệ (giảm sản phẩm phụ độc hại, tái sử dụng chất thải)  Các vấn về thiết kế môi trường (theo tiêu chuẩn)  Các vấn đề an toàn trong thiết kế  Tiêu chuẩn an toàn  Phương pháp thiết kế an toàn  Đạo đức trong thiết kế công nghệ hóa học  Vai trò của máy tính  Bảng tính và phương pháp số trong thiết kế  Gói phần mềm trong thiết kế  Mô phỏng trong thiết kế 7  Mục đích, cơ hội trong thiết kế công nghệ  Hàng ngàn sản phẩm hóa học được sản xuất hàng năm  Các sản phẩm hóa học bao gồm: • Sản phẩm hóa học cơ bản (được sản xuất từ các nguồn tự nhiên): ethylene, acetone, vinyl cloride,..., ethylene glycol, monoethyl eter, diethyl ketone,...vật liệu sinh học (mô cấy, dược phẩm), vật liệu polyme (PE, PVC, PolyStyrene) • Sản phẩm công nghiệp (được sản xuất từ các sản phẩm hóa học cơ bản): màng, sợi, giấy,... • Sản phẩm tiêu dùng (được sản xuất từ các sản phẩm hóa học cơ bản và sản phẩm công nghiệp): thiết bị thẩm tách, pin nhiên liệu, dược phẩm, chất tẩy rửa,... 8 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Một dự án thiết kế xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau. Chúng bắt đầu trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu của các nhà hóa học, hóa sinh, kỹ sư,...nhằm thỏa mãn các yêu cầu sản phẩm của khách hàng.  Một số sản phẩm quan trọng được tạo ra từ: những tai nạn, nguồn nguyên liệu rẻ hay thị trường mới xuất hiện,...  Một dự án thiết kế mới sẽ chứa đựng rất nhiều thử thách: hỗn hợp chất hóa học cần thiết cho sản phẩm, cấu hình sản phẩm, phương pháp sản xuất, yêu cầu thị trường,...  Sự hiểu biết về quá trình thường không toàn diện, do đó thường chỉ tập trung vào thiết kế thiết bị hay quá trình hóa học. 9 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Sự cần thiết thành lập một đội thiết kế (Design Team)  Để giải quyết một vấn đề thiết kế cần một đội ngũ: kỹ sư hóa học, nhà hóa học, hóa sinh, người làm thị trường,... 10 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Các bước trong thiết kế quá trình  Chú ý rằng, các vấn đề thiết kế thường kết thúc mở và có rất nhiều giải pháp khác nhau và tiệm cận tối ưu.  Hai nhà thiết kế quá trình thường không theo chính xác cùng một quy trình thiết kế mà nên học để ứng dụng chúng khi thiết kế một quá trình hay sản phẩm cụ thể.  Thiết kế là một hoạt động sáng tạo nhất trong các hoạt động kỹ thuật. 11 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Những thử thách mà một kỹ sư kỹ thuật hóa học gặp phải:  Xác định thành phần hóa học của hỗn hợp ban đầu để có thể tạo ra các tính chất mong muốn.  Thiết lập sơ đồ quá trình sản xuất và lựa chọn điều kiện hoạt động để tạo ra sản phẩm mong muốn với hiệu suất và độ chọn lọc cao, ít vòng tuần hoàn, chi phí thấp.  Tạo ra các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp. Thiết kế quá trình thường hiếm khi rõ ràng và theo quy trình, mà là các phương pháp phải sáng tạo, tạo ra quá trình và sản phẩm nhiều lợi nhuận, an toàn và bảo vệ môi trường. 12 13 CHI TIẾT XEM TRANG 7 PRODUCT AND PROCESS DESIGN PRINCIPLES TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Thiết lập và đánh giá các vấn đề khởi tạo  Thiết kế quá trình thường bắt đầu với một vấn đề tiềm năng và thường là chưa rõ ràng trong mắt của một kỹ sư.  Vấn đề sẽ trở nên rõ ràng hơn khi biết rõ yêu cầu của khách hàng về đặc trưng sản phẩm (tỷ trọng, độ nhớt,...).  Thông thường một nhóm thiết kế (design team) sẽ quan tâm đến các vấn đề cơ bản và đưa ra những ý tưởng tiềm năng cho sản phẩm để đáp ứng yêu cầu và lựa chọn phương án (dựa trên các vấn đề về các nguyên lý của nhiệt động học, động học, truyền nhiệt, truyền khối,...).  Trên cơ sở đó, các kỹ sư sẽ đưa ra các ý tưởng cho các vấn đề ban đầu và đánh giá chúng phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển tiếp theo (RD). 14 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Thiết lập và đánh giá các vấn đề khởi tạo  Thông thường, người thiết kế sẽ có rất nhiều ý tưởng tiềm năng cho sản phẩm và quá trình. Những ý tưởng có thể xuất phát từ các khách hàng tiềm năng, những người muốn một sản phẩm hay quá trình mới hơn.  Ý tưởng tốt nhất có thể ban đầu sẽ nhận được nhiều sự chỉ trích nhất. Tất cả các ý tưởng sẽ được tập hợp, phân loại, thảo luận và đánh giá cẩn thận.  Nghiên cứu tài liệu  Khi dự định nghiên cứu thiết kế một vấn đề cụ thể, nhóm thiết kế phải lấy các thông tin như: nhân lực công ty, dữ liệu công ty, tài liệu. Những dữ liệu này rất cần thiết cho vấn đề nghiên cứu cụ thể. 15  Nghiên cứu tài liệu  Các thông tin khác về sản phẩm: tính chất nhiệt động học, tính chất vận chuyển, sơ đồ công nghệ, mô tả thiết bị, mô hình quá trình.  Các thông tin về những sản phẩm đã sản xuất, thiết kế là điểm bắt đầu tuyệt vời cho các nghiên cứu tiếp theo.  Khi nghiên cứu thiết kế để sản xuất sản phẩm thế hệ mới (next generation products) hay mở rộng sản xuất, sẽ có rất nhiều phương án để nâng cấp công nghệ.  Ví dụ trong chưng cất đã có nhiều thay đổi trong công nghệ, đặc biệt trong điều kiện chân không, từ đĩa sang đệm hoạt năng cao. 16 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Nghiên cứu tài liệu  Việc nghiên cứu các tài liệu liên quan đến thiết kế quá trình là rất quan trọng để thu được các dữ liệu mới nhất, sơ đồ, thiết bị, mô hình,...để thu được các sản phẩm tốt hơn và thiết kế phù hợp hơn.  Một số nguồn tài liệu được sử dụng rộng rãi trong thiết kế: Standford Design Reports Institute (SRI), bách khoa toàn thư (encyclopedias), sổ tay, phụ lục, bằng sáng chế (patents), các tài liệu trên internet (các bài báopapers,...).  Một số nguồn tài liệu nghiên cứu phụ trợ khác: tính khả thi về công nghệ (phương pháp sản xuất, thuận lợi, khó khăn, lý do chọn phương pháp sản xuất,...), thị trường (công suất, giá cả nguyên liệu và sản phẩm, luật, sử dụng sản phẩm), các yếu tố thương mại,...  Các yếu tố thị trường quan trọng hơn nhiều yếu tố kỹ thuật. Rất nhiều sản phẩm bị loại bỏ vì lý do thị trường. 17 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Nghiên cứu tài liệu  Mục đích và yêu cầu của thiết kế: công suất, chất lượng sản phẩm, quy mô, cơ khí, ngày bắt đầu, công suất tối đa, chi phí tối đa theo hàm của công suất, sự thay đổi yêu cầu theo thời kỳ, kiểm kê, sự quay vòng vốn đầu tư,... Tìm kiếm sản phẩm mong muốn:  Các sản phẩm thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu đặt ra: màng polyme, chất lạnh đông, dung môi thân thiện môi trường, dầu bôi trơn, protein cho dược phẩm, chất tan, gốm sứ,... 18 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Khởi tạo quá trình:  Các vấn đề đặt ra ban đầu, sẽ tiếp tục được phát triển theo những bước tiếp theo, các dữ liệu quan trọng cho thiết kế bao gồm: tính chất nhiệt động học (cân bằng lỏng hơi), tính cháy, tính độc hại, giá cả, thông tin liên quan.  Trong một số trường hợp, một số thực nghiệm ban đầu để thu được những dữ liệu còn thiếu, không thể ước tính, những nghiên cứu không xuất phát từ phòng thí nghiệm,...  Quá trình sản xuất sẽ phụ thuộc vào loại sản phẩm. Để sản xuất các sản phẩm hóa học cơ bản cần phải có loại phản ứng hóa học, phân tách, bơm, nén,... Các sản phẩm công nghiệp gồm các quá trình: đùn chất dẻo, trộn, pha, dán tem,...  Chất lượng điều khiển sản phẩm thay đổi từ điều khiển tính chất hóa lý, lưu biến học,...đến tính chất quang học, khả năng chịu thời tiết, bền cơ khí,... 19 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Phát triển quá trình thiết kế  Liên quan đến sơ đồ chi tiết công nghệ quá trình: cân bằng vật liệu, năng lượng, danh mục thiết bị chính,...  Cân bằng vật liệu liên quan đến trạng thái dòng: nhiệt độ, áp suất, pha, lưu lượng, thành phần và những tính chất khác.  Cân bằng vật liệu và năng lượng có thể sử dụng sự trợ giúp của máy tính, các phần mềm mô phỏng (ASPEN PLUS, HYSYS, PROII, CHEMCAD,...) 20 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Nghiên cứu quá trình một cách chi tiết sử dụng phương pháp thuật toán  Đối với quá trình liên tục, bao gồm:  Khởi tạo và đánh giá hệ thống thiết bị phản ứng (độ chuyển hóa), hệ thống tách (tuần hoàn).  Xác định và giảm việc sử dụng năng lượng, thiết lập và đánh giá hiệu quả của hệ thống trao đổi nhiệt và trao đổi chất (giảm chất thải).  Đối với quá trình gián đoạn:  Khởi tạo và đánh giá tối ưu chuỗi hoạt động gián đoạn. 21 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Đánh giá chất lượng điều khiển quá trình  Được thực hiện sau khi thiết kế công nghệ hoàn thành (cấu trúc điều khiển).  Hệ thống điều khiển sẽ đi cùng việc mô phỏng động. 22 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Ước tính cấu hình thiết bị, tối ưu hóa, thiết kế sản phẩm theo yêu cầu  Sử dụng các công cụ mô phỏng và thuật toán cụ thể (MatLab, Fluent, Hysys, Aspen Plus,...)  Viết báo cáo và trình bày  Thiết kế phân xưởng, xây dựng, khởi động và hoạt động  Trong quá trình thiết kế, xây dựng, các nhà thầu sử dụng thêm cả các kỹ sư điện, cơ khí, xây dựng,...  Thiết quá trình bao gồm: bản vẽ thiết bị, bản vẽ đường ống, bản vẽ điều khiển, mô hình thiết bị, xây dựng mô hình tỷ lệ, chuẩn bị thầu,... 23 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Bảo vệ môi trường (theo các tiêu chuẩn về môi trường) Các vấn đề về môi trường:  Đốt nhiên liệu hóa thạch cho việc phát điện và giao thông vận tải  Chất thải công nghiệp  Tích tụ sinh học (thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu,...)  Khoáng và kim loại độc hại (chì, thủy ngân,...)  Cần phải thay thế bằng các vật liệu không độc, thân thiện môi trường,... 24 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Các vấn đề môi trường trong thiết kế quá trình:  Cách thức phản ứng để giảm sản phẩm phụ độc hại  Giảm và tái sử dụng chất thải 25 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Chỉ tiêu về môi trường:  Chất lượng không khí (phát thải)  Xử lý nước thải (hạn chế, tuần hoàn,...)  Các vấn đề về an toàn (theo quy chuẩn của tổ chức an toàn quốc tế):  Cháy, nổ (giới hạn dưới và trên)  Phát thải độc hại  Phương pháp thiết kế an toàn đối với nhà máy hóa chất  Ngăn chặn cháy nổ  Thiết bị giảm áp  Xác định và đánh giá rủi ro  Vật liệu an toàn 26 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Đạo đức trong thiết kế (theo quy định) Vai trò của máy tính trong thiết kế  Các phần mềm tính toán: Excel  Gói phần mềm lập trình, tính toán: Mathematica, Matlab, Fortran, Python, C++  Gói phần mềm mô phỏng: Aspen Plus, Hysys, ProII, ChemCad,... 27 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ  Dựa trên các điều kiện về kỹ thuật, thị trường, thương mại,...các kỹ sư thiết kế sẽ thiết kế ra các sản phẩm hóa học có những tính chất theo yêu cầu: tỷ trọng, nhiệt độ sôi, độ nhớt, khối lượng phân tử, độ tan,...  Phương pháp thiết kế phân tử dựa trên sự hoán vị nguyên tử hoặc nhóm phân tử để xác định các phân tử hoặc nhóm phân tử có tính chất mong muốn.  Phương pháp ước tính, dự đoán tính chất của phân tử được sử dụng, bao gồm phương pháp phân bố nhóm và bán kinh nghiệm.  Sử dụng các thuật toán thích hợp và tối ưu  Khi phương pháp ước tính không hiệu quả thì cần phải dùng đến thực nghiệm. 28 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ  Mục đích của thiết kế cấu trúc phân tử:  Hiểu về các vấn đề cơ bản trong việc đặc trưng tính chất vật lý, hoạt động của các sản phẩm hóa học tiềm năng.  Cách thiết lập một nghiên cứu về các sản phẩm hóa học thỏa mãn các đặc trưng về tính chất vật lý.  Hiểu được vai trò của phương pháp phân bố nhóm và kỹ thuật mô hình hóa phân tử trong việc dự đoán tính chất của sản phẩm.  Hiểu được việc sử dụng phương pháp tối ưu hóa để xác định được cấu trúc phân tử có những tính chất theo yêu cầu.  Đánh giá được vai trò của thực nghiệm song song trong nghiên cứu.  Hiểu được tính chất các loại sản phẩm hóa học sử dụng phương pháp thiết kế cấu trúc phân tử. 29 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ Các yêu cầu chính về các sản phẩm hóa học ngày nay:  Nhẹ hơn  Bền chắc hơn  Phân hủy sinh học  An toàn trong sản xuất  Không độc  Thân thiện môi trường 30 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ Phương pháp ước tính tính chất phân tử:  Phương pháp lý thuyết để thiết kế cấu trúc phân tử dùng để dự đoán tính chất vật lý và tính chất vận chuyển.  Các phương pháp này bắt nguồn từ các nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học, hiện tượng vận chuyển và mô phỏng phân tử.  Các nguồn tài liệu tham khảo: • Properties of Gases and Liquids, Properties of Polymers • Software: Hysys, ProII, ChemCad, Aspen Plus Hướng dẫn xem và dự đoán tính chất của sản phẩm hóa học trong HYSYS hoặc Aspen Plus 31 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ Phương pháp ước tính tính chất phân tử:  Thông thường, các hằng số và thông số đã có sẵn trong ngân hàng dữ liệu, các thông số khác không có trong nguồn dữ liệu sẽ được ước tính hoặc dùng phương pháp hồi quy dữ liệu thực nghiệm.  Xem các ví dụ trong Product and Process Design Principles.

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	3,54 MB