1 THIẾT KẾ Q TRÌNH KỸ THUẬT HĨA HỌC Chemical Process Design Giảng viên: Phạm Trung Kiên NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN  Tổng quan thiết kế q trình cơng nghệ hóa học  Thiết kế cấu trúc phân tử  Khởi tạo trình thiết kế  Mơ để khởi tạo q trình  Tính tốn thử nghiệm cho tổng hợp q trình  Ngun liệu thơ phản ứng hóa học  Phân bố chất hóa học  Hoạt động phân tách, loại bớt nhiệt thêm nhiệt phản ứng  Thiết bị trao đổi nhiệt lò đốt  Phương pháp tăng giảm áp suất NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN  Thiết kế hệ thống thiết bị phản ứng  Tính tốn, thiết kế hệ thống phân tách  Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt  Tối ưu hóa q trình  Thiết kế q trình điều khiển  Tính tốn kinh tế, ước tính cấu hình thiết bị, lựa chọn thiết bị, vật liệu  Báo cáo trình thiết kế  Thiết lập 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 YÊU CẦU VÀ ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Trao đổi, thảo luận (C1) Đi học đầy đủ (C2) Tiểu luận/Bảo vệ (B1)_Theo nhóm Điểm kỳ (B2)_Kiểm tra 15-20 phút Bài tập thực hành (B3 ) Thi cuối kỳ (A) TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ  Mục đích, hội thiết kế công nghệ  Các bước thiết kế công nghệ  Tạo lập đánh giá vấn đề thiết kế  Kiếm tìm chất hóa học hỗn hợp có tính chất phù hợp với u cầu thực tế  Thiết lập (khởi tạo) trình thiết kế  Phát triển trình thiết kế  Tổng hợp trình chi tiết sử dụng phương pháp thuật toán  Thiết kế, đánh giá điều khiển q trình  Chi tiết thiết kế, ước tính cấu hình thiết bị tối ưu hóa  Báo cáo trình bày  Thiết kế phân xưởng, xây dựng, khởi động hoạt động TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ  Bảo vệ mơi trường  Các vấn đề môi trường  Các yếu tố môi trường thiết kế công nghệ (giảm sản phẩm phụ độc hại, tái sử dụng chất thải)  Các vấn thiết kế môi trường (theo tiêu chuẩn)  Các vấn đề an toàn thiết kế  Tiêu chuẩn an toàn  Phương pháp thiết kế an toàn  Đạo đức thiết kế cơng nghệ hóa học  Vai trò máy tính  Bảng tính phương pháp số thiết kế  Gói phần mềm thiết kế  Mô thiết kế TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ  Mục đích, hội thiết kế công nghệ  Hàng ngàn sản phẩm hóa học sản xuất hàng năm  Các sản phẩm hóa học bao gồm: • Sản phẩm hóa học (được sản xuất từ 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 cơng nghiệp (được sản xuất từ sản phẩm hóa học bản): màng, sợi, giấy,… • Sản phẩm tiêu dùng (được sản xuất từ sản phẩm hóa học sản phẩm công nghiệp): thiết bị thẩm tách, pin nhiên liệu, dược phẩm, chất tẩy rửa,… TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Một dự án thiết kế xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác Chúng bắt đầu phòng thí nghiệm nghiên cứu nhà hóa học, hóa sinh, kỹ sư,…nhằm thỏa mãn yêu cầu sản phẩm khách hàng  Một số sản phẩm quan trọng tạo từ: tai nạn, nguồn nguyên liệu rẻ hay thị trường xuất hiện,…  Một dự án thiết kế chứa đựng 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 q trình thường khơng tồn diện, thường tập trung vào thiết kế thiết bị hay q trình hóa học 10 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Sự cần thiết thành lập đội thiết kế (Design Team)  Để giải vấn đề thiết kế cần đội ngũ: kỹ sư hóa học, nhà hóa học, hóa sinh, người làm thị trường,… 18 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Nghiên cứu tài liệu  Mục đích yêu cầu thiết kế: công suất, chất lượng sản phẩm, quy mô, khí, ngày bắt đầu, cơng suất tối đa, chi phí tối đa theo hàm công suất, thay đổi yêu cầu theo thời kỳ, kiểm kê, quay vòng vốn đầu tư,… Tìm kiếm sản phẩm mong muốn:  Các sản phẩm thiết kế phải đảm bảo 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,… 19 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ  Khởi tạo q trình:  Các vấn đề đặt ban đầu, tiếp tục phát triển theo bước tiếp theo, liệu quan trọng cho thiết kế bao gồm: tính chất nhiệt động học (cân lỏng - hơi), tính cháy, tính độc hại, giá cả, thông tin liên quan  Trong số trường hợp, số thực nghiệm ban đầu để thu liệu thiếu, khơng thể ước tính, nghiên cứu khơng xuất phát từ phòng thí nghiệm,…  Q trình sản xuất phụ thuộc vào loại sản phẩm Để sản xuất sản phẩm hóa học cần phải có loại phản ứng hóa học, phân tách, bơm, nén,… Các sản phẩm cơng nghiệp gồm 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 chịu thời tiết, bền khí,… 20 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ Phát triển trình thiết kế  Liên quan đến sơ đồ chi tiết cơng nghệ q trình: cân vật liệu, lượng, danh mục thiết bị chính,…  Cân vật liệu liên quan đến trạng thái dòng: nhiệt độ, áp suất, pha, lưu lượng, thành phần tính chất khác  Cân vật liệu lượng sử dụng trợ giúp máy tính, phần mềm mơ (ASPEN PLUS, HYSYS, PRO/II, CHEMCAD,…) 21 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Nghiên cứu trình cách chi tiết sử dụng phương pháp thuật toán  Đối với trình liên tục, bao gồm:  Khởi tạo đánh giá hệ thống thiết bị phản ứng (độ chuyển hóa), hệ thống tách (tuần hoàn)  Xác định giảm việc sử dụng lượng, thiết lập đánh giá hiệu hệ thống trao đổi nhiệt trao đổi chất (giảm chất thải)  Đối với trình gián đoạn:  Khởi tạo đánh giá tối ưu chuỗi hoạt động gián đoạn 22 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ Đánh giá chất lượng điều khiển trình  Được thực sau thiết kế cơng nghệ hồn thành (cấu trúc điều khiển)  Hệ thống điều khiển việc mô động 23 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 cơng cụ mơ thuật tốn cụ thể (MatLab, Fluent, Hysys, Aspen Plus,…)  Viết báo cáo trình bày  Thiết kế phân xưởng, xây dựng, khởi động hoạt động  Trong trình thiết kế, xây dựng, nhà thầu sử dụng thêm kỹ sư điện, khí, xây dựng,…  Thiết q trình bao gồm: vẽ thiết bị, vẽ đường ống, vẽ điều khiển, mơ hình thiết bị, xây dựng mơ hình tỷ lệ, chuẩn bị thầu,… 24 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ Bảo vệ mơi trường (theo tiêu chuẩn môi trường) Các vấn đề mơi trường:  Đốt nhiên liệu hóa thạch cho việc phát điện giao thông vận tải  Chất thải cơng nghiệp  Tích tụ sinh học (thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu,…)  Khoáng kim loại độc hại (chì, thủy ngân,…)  Cần phải thay vật liệu không độc, thân thiện môi trường,… 25 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ Các vấn đề mơi trường thiết kế trình:  Cách thức phản ứng để giảm sản phẩm phụ độc hại  Giảm tái sử dụng chất thải 26 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ  Chỉ tiêu mơi trường:  Chất lượng khơng khí (phát thải)  Xử lý nước thải (hạn chế, tuần hoàn,…)  Các vấn đề an toàn (theo quy chuẩn tổ chức an toàn quốc tế):  Cháy, nổ (giới hạn trên)  Phát thải độc hại  Phương pháp thiết kế an tồn nhà máy hóa chất  Ngăn chặn cháy nổ  Thiết bị giảm áp  Xác định đánh giá rủi ro  Vật liệu an tồn 27 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ Đạo đức thiết kế (theo quy định) Vai trò máy tính thiết kế  Các phần mềm tính tốn: Excel  Gói phần mềm lập trình, tính tốn: Mathematica, Matlab, Fortran, Python, C++  Gói phần mềm mô phỏng: Aspen Plus, Hysys, Pro/II, ChemCad,… 28 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ  Dựa điều kiện kỹ thuật, thị trường, thương mại,…các kỹ sư thiết kế thiết kế sản phẩm hóa học có tính chất theo u cầu: tỷ trọng, nhiệt độ sôi, độ nhớt, khối lượng phân tử, độ tan,…  Phương pháp thiết kế phân tử dựa hốn vị ngun tử nhóm phân tử để xác định phân tử nhóm phân tử có tính chất mong muốn  Phương pháp ước tính, dự đốn tính chất phân tử sử dụng, bao gồm phương pháp phân bố nhóm bán kinh nghiệm  Sử dụng thuật tốn thích hợp tối ưu  Khi phương pháp ước tính khơng hiệu cần phải dùng đến thực nghiệm 29 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ  Mục đích thiết kế cấu trúc phân tử:  Hiểu vấn đề việc đặc trưng tính chất vật lý, hoạt động sản phẩm hóa học tiềm  Cách thiết lập nghiên cứu sản phẩm hóa học thỏa mãn đặc trưng tính chất vật lý  Hiểu vai trò phương pháp phân bố nhóm kỹ thuật mơ hình hóa phân tử việc dự đốn tính chất sản phẩm  Hiểu việc sử dụng phương pháp tối ưu hóa để xác định cấu trúc phân tử có tính chất theo u cầu  Đánh giá vai trò thực nghiệm song song nghiên cứu  Hiểu tính chất loại sản phẩm hóa học sử dụng phương pháp thiết kế cấu trúc phân tử 30 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ Các u cầu sản phẩm hóa học ngày nay:  Nhẹ  Bền  Phân hủy sinh học  An toàn sản xuất  Không độc  Thân thiện môi trường 31 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 đốn tính chất vật lý tính chất vận chuyển  Các phương pháp bắt nguồn từ nguyên tắc nhiệt động lực học, tượng vận chuyển mô phân tử  Các nguồn tài liệu tham khảo: • Properties of Gases and Liquids, Properties of Polymers • Software: Hysys, Pro/II, ChemCad, Aspen Plus [Hướng dẫn xem dự đốn tính chất sản phẩm hóa học HYSYS Aspen Plus] 32 THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ Phương pháp ước tính tính chất phân tử:  Thông thường, số thông số có sẵn ngân hàng liệu, thơng số khác khơng có nguồn liệu ước tính dùng phương pháp hồi quy liệu thực nghiệm  Xem ví dụ Product and Process Design Principles ... chân không, từ đĩa sang đệm hoạt cao 17 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ  Nghiên cứu tài liệu  Việc nghiên cứu tài liệu liên quan đến thiết kế trình quan trọng để thu liệu nhất, sơ đồ, thiết bị,... chất hóa lý, lưu biến học,…đến tính chất quang học, khả chịu thời tiết, bền khí,… 20 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ Phát triển q trình thiết kế  Liên quan đến sơ đồ chi tiết cơng nghệ q trình:... sản phẩm), yếu tố thương mại,…  Các yếu tố thị trường quan trọng nhiều yếu tố kỹ thuật Rất nhiều sản phẩm bị loại bỏ lý thị trường 18 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ Nghiên cứu tài liệu  Mục