Thiết kế quá trình công nghệ hóa học (lọc dầu) product and process design principles

Thiết kế quá trình công nghệ hóa học (lọc dầu) product and process design principles

NGHỆ HÓA HỌC (LỌC DẦU)

Product and Process Design Principles

Giảng viên: Phạm Trung Kiên

 Tổng quan về thiết kế quá trình công nghệ

 Nhiệt và năng lượng trong thiết kế quá trình

 Lý thuyết về thiết kế tối ưu quá trình

 Tính toán chi phí cho một dự án thiết kế

 Thiết lập một dự án thiết kế công nghệ

 Product and Process Design Principles Warren D Seider, J.D.Seader, Daniel R.Lewin

 Chemical Engineering Design Project Martyn S.Ray, David W.Johnston

 Chemical Engineering: Modelling, Simulation and

Similitude Tanase G.Dobre, Jose G.Sanchez

 Applied Process Design for Chemical and

Petrochemical Plants Ernest E.Ludwig

Bruce Nauman

 Distillation Design and Control Using Aspen

Simulation William L.Luyben

 Modelling of Chemical Kinetics and Reactor Design A kayode Coker

 Plant Design and Economics for Chemical Engineers M.S Peters and K.D Timmerhaus

 Analysis and Design of Chemical Processes R Turton, R.C Bailie, W.B Whiting, J.A Shaeiwitz

 Conceptual Design of Chemical Processes James M Douglas

Trao đổi, thảo luận (C1)

Đi học đầy đủ (C2)

Tiểu luận (B1)_ Theo nhóm

Thi giữa kỳ (B2)_ Dịch tài liệu Tiếng Anh

Bảo vệ tiểu luận (B3 )_ Theo nhóm

Thi cuối kỳ (A)

 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

 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

 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,…

 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

(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,…

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

 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, thay vào đó là các phương pháp phải sáng tạo, tạo ra quá trình và sản phẩm nhiều lợi nhuận, an toàn

và bảo vệ môi trường

 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.

 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.

 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.

 Nghiên cứu tài liệu

 Do vậy 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 báo-papers,…),…

 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

 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,…

 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,…

 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,

PRO/II, CHEMCAD,…)

 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.

 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

 Ước tính cấu hình thiết bị, tối ưu hóa, thiết kê sản

phẩm theo yêu cầu

 Sử dụng các công cụ mô phỏng và thuật toán cụ thể (MatLab, Fluent, Hysys,…)

 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,…

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,…

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

 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)

Đạo đức trong thiết kế (theo quy định)

Vai trò của máy tính trong thiết kế

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.

 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.

ngày nay:

 Nhẹ hơn

 Bền chắc hơn

 Phân hủy sinh học

 An toàn trong sản xuất

 Không độc

 Thân thiện môi trường

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, Pro/II, ChemCad, Aspen Plus

[Hướng dẫn xem và dự đoán tính chất của sản phẩm hóa học trong HYSYS]

 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.

 Nội dung:

 Hiểu được cách lắp ráp số liệu thiết kế và thiết lập cơ

sở dữ liệu ban đầu.

 Đưa ra được các bước thiết kế quá trình bao gồm: các phản ứng hóa học, quá trình phân tách, hoạt động theo quan hệ T-P.

 Phương pháp lựa chọn thiết bị và thiết lập quá trình một cách chi tiết, thiết lập cân bằng vật chất và năng lượng Liệt kê các thiết bị chính.

 Hiểu được tầm quan trọng của việc xây dựng phân

xưởng pilot để kiểm tra các thiết bị chính.

 Hiểu được các khái niệm ban đầu về mô phỏng quá

trình để thu thập số liệu và tính toán cân bằng vật chất

và năng lượng.

nghiên cứu tài liệu, kỹ sư thiết kế sẽ tiến hành phân loại, tổng hợp dữ liệu để phát triển quá trình thiết kế tiếp theo.

 Các vấn đề cần quan tâm lúc này: nguyên liệu thô, sản phẩm mong muốn, sản phẩm phụ, các phản ứng trung gian,…

 Các tính chất nhiệt động học cần thiết:

 Khối lượng phân tử, nhiệt độ điểm sôi, nhiệt độ đông đặc.

 Tính chất tới hạn, enthalpy, năng lượng tự do Gibbs,

áp suất hơi bão hòa.

 Tỷ trọng, nhiệt dung, ẩn nhiệt (theo hàm của nhiệt độ)

 Các vấn đề khác: tốc độ phản ứng chính, độ chuyển hóa, phân bố sản phẩm,…theo hàm của nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng,…

 Thêm vào đó, kỹ sư thiết kế cũng cần quan tâm đến những dữ liệu về:

 Môi trường (độ độc hại và ảnh hưởng của nó tới con người và động vật)

 An toàn (nguy cơ cháy nổ trong không khí)

 Đánh giá tính kinh tế (giá cả)

 Các thông tin khác: tính chất vận chuyển, động học,

ăn mòn, thông số tính toán, thông số thiết bị,…

(Tham khảo các tài liệu sau)

 CRC Handbook of Chemistry and Physics

 Perry’s Chemical Engineers’ Handbook

 Properties of Gases and Liquid

 Data for Process Design and Engineering Practice

 Process Simulators: Aspen Plus, Hysys,

Pro/II, ChemCad, Superpro Designer,…

 Vapor Liquid Equilibrium Data Collection

Các dữ liệu về an toàn và môi trường (theo các tiêu chuẩn trong các sổ tay)

Giá cả, chi phí cho quá trình thiết kế

 Các dữ liệu về thiết kế liên quan đến quan hệ cung cầu, thường dao động và khó ước tính

 Chemical Market Reporter hay nguồn tài liệu

www.chemicalmarketreporter.com

 www.findarticles.com

 Rất nhiều các khái niệm thiết kế là kết quả của các thực nghiệm mở rộng trong phòng thí nghiệm.

 Tuy nhiên, các thực nghiệm này thường chỉ được

thực hiện trong các thiết bị nhỏ, dung môi đắt tiền,

dưới các điều kiện thực nghiệm mà độ chuyển hóa,

độ chọn lọc đối với sản phẩm mong muốn là không tối ưu.

 Do đó, trong thiết kế, yêu cầu các điều kiện thực

nghiệm phụ trợ với điều kiện về thành phần, nhiệt độ,

áp suất, dung môi,…đại diện hơn trên quy mô lớn

 Thực nghiệm giúp cho quá trình thiết kế, đặc biệt khi

mà sự ước tính tốc độ phản ứng không đáng tin cậy.

 Khi một hỗn hợp lỏng không lý tưởng, muốn thực hiện quá trình tách, thực nghiệm chưng cất trong phòng thí nghiệm phải được thực hiện sớm vì khả năng tạo đẳng phí, gây khó khăn cho quá trình lựa chọn thiết bị.

 Khi quá trình có chất rắn, thì quá trình như tinh thể hóa, lọc, làm khô là cần thiết.

 Trạng thái hóa học của các chất

 Các hoạt động của quá trình

 Các bước tổng hợp quá trình

 Quá trình gián đoạn và liên tục

 Ví dụ về tổng hợp quá trình (Sản xuất Vinyl Chloride)