Bài giảng thiết kế nhà máy đại học quốc gia Hồ Chí Minh

Vai trò của kỹ sư hoá học KSHH KSHH là ngưới có kỹ năng triễn khai vào sản xuất: § một qui trình, § thiết kế, § xây dựng § vận hành một nhà máy công nghiệp Do đó KSHH có thể làm việc t

THIẾT KẾ NHÀ MÁY

(Chemical Plant Design)

VŨ BÁ MINH

HOÀNG MINH NAM

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 và vật liệu chế tạo

(Equipment Selection & Materials of Construction)

Chương 5:Các tiệân 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

Chương 1: GIỚI THIỆU MÔN HỌC

1.1 THIẾT KẾ NHÀ MÁY(TKNM)

1.1.1 Vai trò của kỹ sư hoá học (KSHH)

KSHH là ngưới có kỹ năng triễn khai vào sản xuất:

§ một qui trình,

§ thiết kế,

§ xây dựng

§ vận hành một nhà máy công nghiệp

Do đó KSHH có thể làm việc trong 4 lĩnh vực của ngành công nghiệp hoá học

nói chung như sau:

v Nghiên cứu và triễn khai (R&D);

v Thiết kế;

v Sản xuất;

v Thương mại.

1.1.2 Thiết kế kỹ thuật

TKNM bao gồm thiết kế

§ qui trình,

§ thiết bị và

§ xây dựng nhà máy

Đặc trưng mang tính quyết định của người kỹ sư hoá học thể hiện trong bản thiết kế là tính sáng tạo nghề nghiệp.

Công việc TK được thực hiện sau một kế hoạch đã được chuẩn bị trước

§ địa điểm và mặt bằng xây dựng nhà máy,

§ lựa chọn qui cách các thiết bị công nghệ,

§ bố trí thiết bị theo sơ đồ qui trình công nghệ và dự kiến mở rộng trong tương lai

1.1.2 Thiết kế kỹ thuật

TK thiết bị và xây dựng phải đạt hiệu quả cao nhất về sử dụng nguyên vật liệu trong qui trình công nghệ.

Cung ứng và dự trữ nguyên vật liệu đựơc sắp xếp sao cho việc mở rộng sau này không làm xáo trộn dòng vật liệu di chuyển trong qui trình công nghệ, và đáp ứng tốt nhất các điều kiện hoạt động của từng thiết bị

Công việc thiết kế tập trung vào các bài toán truyền nhiệt, truyền

khối và các biến đổi hoá học, sinh học

Các yếu tố khác phải được xem xét thêm là cháy nổ, tính độc hại cúa các hoá chất, an toàn lao động, sức khoẻ cho công nhân, hệ thống phân phối một cách kinh tế các tiện nghi phục vụ sản xuất như hơi nước, điện năng, khí nén… và mở rộng sản xuất sau này.

1.1.2 Thiết kế kỹ thuật

KSHH có nhiệm vụ tính toán:

v suất lượng các dòng,

v hiệu suất,

v sử dụng nguyên vật liệu trong dây chuyền và tồn trữ.

Cần sử dụng các kiến thức:

§ cân bằng vật chất-năng lượng,

§ vận chuyển nguyên vật liệu,

§ truyền nhiệt,

§ truyền khối, phân riêng vật liệu,

§ nhiệt động lực học, cân bằng và tốc độ của các hệ phản ứng hoá học, sinh học, đặc trưng chất xúc tác

Ngoài ra KSHH còn phải tính chi tiết chi phí thiết bị => trước khi

đi vào TK chi tiết, cần phải biết đựơc chi phí chế biến cho 1T nguyên liệu trong cả qui trình cũng như trong từng công đoạn

1.1.3 Yêu cầu của thiết kế nhà máy

§ Yếu tố chủ yếu quyết định SX một sản phẩm mới, hay mở rộng,

hiện đại hóa một nhà máy có sẵn “Thời gian thu hồi vốn đầu tư ?”

Thiết kế nhà máy sơ bộ (khả thi)

Bản phân tích TKNM bao gồm:

§ Thiết kế qui trình;

§ Lựa chọn, thiết kế thiết bị và vật liệu chế tạo;

§ Lựa chọn vị trí, TK xây dựng để ước tính chi phí lao động, đất đai và

xây dựng;

§ Phân tích chi phí sản xuất.

Nếu đi đến một quyết định tích cực thực hiện dự án thì sẽ tiến hành công việc thiết kế chi tiết nhà máy

Thiết kế chi tiết sẽ bao gồm việc tối ưu hóa và các chi tiết, qui cách

1.2 BẢN CHẤT CÔNG VIỆC THIẾT KẾ

Qui trình thiết kế và người KS thiết kế phải làm việc như thế nào ?

l TK là một công việc mang tính sáng tạo và là công việc xứng đáng cho người kỹ sư thực hiện

l TK là việc tổng hợp tất cả các ý tưởng lại nhằm đạt đến một mục tiêu mong muốn

KS thiết kế bắt đầu với một mục tiêu hay nhu cầu cụ thể trong đầu và triễn khai, đánh giá các phương án thiết kế có thể nhằm đạt đến một phương án

tốt nhất để đạt mục tiêu, đó có thể là một sản phẩm mới hay cải tiến một

công đoạn nào đó trong qui trình sản xuất.

1.2 BẢN CHẤT CÔNG VIỆC THIẾT KẾ

KS thiết kế sẽ bị ràng buộc bởi nhiều yếu tố làm giảm số lượng

phương án thiết kế có thể, nhưng hiếm khi chỉ còn một phương án thiết kế có thể đáp ứng mục tiêu ban đầu

Sẽ có một số phương án TK khác nhau, có thể là tốt nhất.

Các ràng buộc này có thể cố định , không biến đổi:

* các định luật vật lý,

* các luật lệ, qui định của nhà nước,

* các tiêu chuẩn

Các ràng buộc khác linh động hơn và có thể vận dụng như là một phần của chiến lựơc tổng thể nhằm đạt đến một bản thiết kế tốt nhất

Các ràng buộc ngoài tầm ảnh hưởng TK xem như các ràng buộc bên

ngoài (hình 1.1) Phía trong những ràng buộc này có những TK hợp lý đáp

ứng các ràng buộc bên trong có thể kiểm soát được như: lựa chọn qui

1.2 BẢN CHẤT CÔNG VIỆC THIẾT KẾ

v Đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế là ràng buộc chính của bản thiết kế kỹ thuật: nhà máy phải sinh lợi.

v Thời gian hoàn thành cũng là một ràng buộc.

Các bước triễn khai thiết kế từ xác định mục tiêu ban đầu cho đến bản thiết kế cuối cùng được trình bày trên hình 1.2 cho thấy qui trình thiết kế mang tính lặp lại

Trong quá trình thiết kế KS phải nhận ra được các

phương án mới cũng như những ràng buộc mới, sẽ phải tìm

các số liệu mới cũng như ý tưởng mới và đánh giá các lời giải có thể.

MỤC TIÊU THIẾT KẾ

Thu thập số liệu, tính chất vật lý, phương pháp thiết kế

Tổng hợp các thiết kế

1.2.1 Mục tiêu của thiết kế

l Người KS thiết kế tạo nên một bản thiết kế để sản xuất một sản phẩm, một qui trình sản xuất để đáp ứng một yêu cầu cụ thể.

1.2.2 Thu thập số liệu

l Cần phải tập hợp tất cả các cơ sở lý thuyết và số liệu cần thiết có liên quan

l Để thiết kế qui trình công nghệ, cần thu thập tất cả các thông tin về các qui trình đã có, đặc tính của các thiết bị, tính chất vật lý

l Công ty TK soạn sẵn các sổ tay số liệu cơ bản, các qui trình công nghệ Hầu hết các công ty này còn có các sổ tay thiết kế trong đó trình bày các phương pháp và số liệu thường dùng.

l Tiêu chuẩn nhà nước cũng là các nguồn cung cấp phương pháp và số liệu TK; các tiêu chuẩn này cũng là những ràng buộc trong quá trình thiết kế.

l Các ràng buộc, nhất là các ràng buộc bên ngòai, nên được xác định trước khi bắt đầu công việc thiết kế.

1.2.3 Tổng hợp các lời giải có thể có của bài toán thiết kế

l Phần sáng tạo là tổng hợp các lời giải có thể của bài

toán TK để phân tích, đánh giá và lựa chọn.

l KS có kinh nghiệm sẽ lựa chọn các phương pháp đã

được thử nghiệm có kết quả hơn là các phương pháp có vẻ hấp dẫn nhưng chưa được kiểm nghiệm Khối lượng công việc và phương pháp giải quyết sẽ phụ thuộc vào mức độ mới lạ của dự án thiết kế.

1.2.3 Tổng hợp các lời giải có thể có của

bài toán thiết kế

Dự án TK của ngành CNHH có thể đựơc chia ra làm ba loại:

l Hiệu chỉnh, bổ sung cho một nhà máy đã có sẵn;

l Tăng công suất của nhà máy đáp ứng nhu cầu thị trường;

l Một qui trình công nghệ mới phát triễn từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, qua giai đoạn sản xuất thử (pilot) và đến giai đoạn sản xuất thương mại

Bước đầu tiên là thiết kế qui trình công nghệ dưới dạng sơ đồ

khối và liệt kê các nhiệm vụ chính (mục tiêu) và các ràng buộc chính của mỗi công đoạn

Kinh nghiệm cuả người kỹ sư sẽ quyết định nên xem xét loại quá

1.2.4 Lựa chọn

Quá trình lựa chọn, sàng lọc các giải pháp qua các bước sau:

l Các bản thiết kế có thể tin cậy – đáp ứng các ràng buộc bên ngoài

l Các bản TK tin cậy được (khả thi) – đáp ứng các ràng

buộc bên trong

l Các bản thiết kế có thể thực hiện được

l Bản thiết kế tốt nhất (tối ưu)

Trong giai đoạn sàng lọc ban đầu chỉ cần đến những biện luận kỹ thuật thông thường và các phép tính chi phí gần đúng Để lựa chọn ra được một bản thiết kế tốt nhất từ những bản thiết kế khả thi cần phải thiết kế và tính kinh tế chi tiết.

1.3 THIẾT KẾ NHÀ MÁY VÀ CÁC MỐI LIÊN

HỆ VỚI KINH DOANH

Mục đích cơ bản của TKNM cuối cùng vẫn là bán được nhiều sản phẩm hơn và thu được nhiều lợi nhuận hơn bằng cách

l giữ cho sản phẩm và dây chuyền sản xuất luôn có ưu thế cạnh tranh;

l đa dạng hoá dây chuyền SX để đáp ứng nhu cầu thị

Kho sản phẩm

Chất thải Hoàn lưu ng liệu chưa phản ứng

Sản phẩm phụ

Công đoạn 1: Tồn trữ nguyên liệu

v Trừ khi nguyên liệu được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm hoặc sản phẩm trung gian từ một nhà máy lân cận

v Cần được dự trữ cho một thời gian sản xuất vài ngày,

tuần…

v Lượng tồn kho cần thiết phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu, phương thức cung cấp và sự đảm bảo tính liên tục của nguồn cung cấp

v Nếu nguyên liệu phải nhập và vận chuyển bằng đường

thuỷ lượng tồn kho cần phải dự trữ từ vài tuần đến vài tháng;

v Trong khi đó nếu lượng nguyên liệu không cần nhiều, có sẵn trong nước, vận chuyển bằng đường bộ thì lựơng tồn

Công đoạn 2: Chuẩn bị nguyên liệu

l Một số loại nguyên liệu cần phải được sơ chế thành dạng phù hợp trước khi đưa vào thiết

bị phản ứng, thí dụ nguyên liệu dạng lỏng cần được bốc hơi trươc khi đưa vào thiết bị phản ứng pha khí hoặc nguyên liệu dạng rắn cần phải nghiền, sàng cho đạt cỡ thích hợp.

Công đoạn 3: Thiết bị phản ứng

l Công đoạn phản ứng là trung tâm của một qui trình sản xuất hóa chất Trong thiết bị phản ứng nguyên liệu được đưa đến các điều kiện thích hợp để phản ứng và sản xuất ra sản phẩm mong muốn (sản phẩm chính) và đương nhiên cũng tạo ra sản phẩm phụ và các hợp chất không mong muốn

Công đoạn 4: Phân riêng sản phẩm

l Sau phản ứng là phân riêng hỗn hợp các sản

phẩm chính và các sản phẩm phụ ra khỏi các nguyên liệu chưa phản ứng

l Nếu lượng vừa đủ và có giá trị kinh tế , nguyên liệu chưa phản ứng sẽ được hoàn lưu trực tiếp về thiết bị phản ứng, hoặc về công đoạn chuẩn

bị nguyên liệu

l Sản phẩm phụ cũng có thể được phân riêng ra khỏi sản phẩm chính tại công đoạn này.

Công đoạn 5: Tinh chế sản phẩm

l Trước khi đóng gói cung cấp cho thị trường, sản phẩm chính cần đựợc tinh chế để đáp ứng đúng qui cách sản phẩm

l Nếu có số lựơng lớn trong quá trình sản xuất,

sản phẩm phụ cũng có thể đựơc tinh chế để cung cấp cho thị trường.

Công đoạn 6: Tồn trữ sản phẩm

l Vấn đề tồn trữ, bao bì, vận chuyển sản

phẩm phụ thuộc vào bản chất của sản phẩm Nếu sản phẩm lỏng thường đựơc chứa trong thùng hoặc bồn Chất rắn thừơng đựơc chứa trong bao, thùng giấy hoặc pallet.

l Lượng tồn trữ sẽ phụ thuộc vào bản chất của sản phẩm và thị trường.

Tiện nghi phục vụ sản xuất (Utilities)

l Ngoài qui trình sản xuất chính trong nhà máy còn có các nguồn cung cấp tiện nghi phục vụ sản xuất như:

vnước cho sản xuất, nước làm mát,

vkhí nén,

vhơi nước

Các cơ sở khác cũng cần thiết cho hoạt động của nhà máy như xưởng bảo trì, phòng chống

1.4.1 Các qui trình liên tục và gián đoạn

l Qui trình hoạt động liên tục được thiết kế để vận hành

24 giờ trong một ngày, 7 ngày một tuần và suốt năm Số giờ hoạt động trong một năm của nhà máy có thể đạt từ

90 đến 95%.

l Qui trình hoạt động gián đoạn được thiết kế để hoạt

động theo từng mẻ(batch) Một số thiết bị, hoặc tất cả thiết bị trong qui trình sẽ được ngừng và khởi động

thường xuyên.

l Qui trình hoạt động liên tục kinh tế hơn cho các trường hợp sản xuất qui mô lớn Các qui trình hoạt động gián đoạn thường có tính linh động hơn khi cần thay đổi năng suất hoặc qui cách, chủng loại sản phẩm.

Qui trình hoạt động liên tục

l Năng suất thừơng lớn hơn 5.000 T/năm

l Chỉ sản xuất một loại sản phẩm

l Không có tình trạng đóng cáu bẩn nghiêm trọng trong thiết bị

l Chất xúc tác có tuổi thọ cao

l Thiết kế qui trình đáng tin cậy

l Thị trường ổn định

Qui trình hoạt động gián đoạn

l Năng suất thừơng nhỏ hơn 5.000 T/năm

l Sản xuất nhiều qui cách, chủng loại sản phẩm khác nhau

l Đóng cáu bẩn nghiêm trọng trong quá trình sản xuất

l Chất xúc tác có tuổi thọ ngắn

l Sản xuất sản phẩm mới

l Thiết kế chưa chắc chắn

Chương 2: TRIỂN KHAI DỰ ÁN

2.1 Quá trình triển khai một dự án

2.2 Các yếu tố kỹ thuật

27/12/2006 Chuong 2 - Trien khai du an 2

2.1 Quá trình triễn khai một dự án

(1) thiết kế và xây dựng một nhà máy mới;

(2) thiết kế và xây dựng mở rộng một nhà máy hiện có;

(3) nâng cấp, hiện đại hoá nhà máy hiện có.

v GĐ hoặc người có thẩm quyền khởi động việc triễn

khai một dự án, thường là sau khi đã nghiên cứu kỹ các khuyến cáo và ngân sách dự trù cho dự án .

v Trước khi bắt tay vào công việc thiết kế cần xác

định rõ ràng và chính xác mục tiêu của dự án, các số liệu nghiên cứu thí nghiệm và sản xuất thử và những yêu cầu thích hợp khác về mặt chuyên môn

Một dự án sẽ được thực hiện theo một

trình tự như sau:

(1) NC qui trình – được thực hiện trong thư viện

và PTN

(2) Đánh giá tính khả thi về mặt thương mại

(3) Triển khai qui trình sản xuất

(4) NC tính khả thi về mặt kỹ thuật

(5) Xây dựng mô hình sản xuất thử

(6) Xây dựng nhà máy qui mô nhỏ

(7) Xây dựng nhà máy qui mô lớn

27/12/2006 Chuong 2 - Trien khai du an 4

2.1.1 Nghiên cứu qui trình:

v Ý tưởng sản xuất một sản phẩm có thể xuất phát từ bất kỳ

một người nào

v Thực hiện các nghiên cứu hoá học nhằm cung cấp một cách

định lượng để đánh giá tính khả thi kinh tế của qui trình Mục

đích của nghiên cứu qui trình là tìm các thông tin từ thư viện và PTN để xác định hiệu quả của quá trình sản xuất sản phẩm đó.

v Cung cấp dữ liệu khoa học nhằm thiết kế hợp lý qui trình sản

xuất với thời gian và thiết bị tiêu tốn tối thiểu trong giai đoạn sản xuất thử cũng như hoạt động nhà máy sau này ở điều

kiện kinh tế thuận lợi nhất

Quá trình trên tóm lại là nhằm giảm thời gian và chi phí để

chuyển một qui trình sản xuất từ ý tưởng cho đến nhà máy sản xuất thương mại.

2.1.2 Đánh giá kết quả nghiên cứu:

v Phân tích kinh tế kỹ thuật dựa trên các số liệu có sẵn Mục đích là

nhằøm xác định các tiềm năng của dự án

v Trong nhiều trường hợp việc so sánh giữa giá nguyên liệu và sản phẩm

cũng có thể đi đến loại bỏ qui trình.

v Giai đoạn 2 bắt đầu sau khi hoàn tất TN đã được hoạch định để có đủ

thông tin và số liệu tính CBVC và phân tích, lựa chọn sơ bộ các quá trình mặc dù có thể phải giả sử một số số liệu còn thiếu

v Trong giai đoạn nghiên cứu, đánh giá về mặt kỹ thuật một dự án

nhằm để:

(1) phân tích tính khả thi về mặt kinh tế của dự án;

(2) phác thảo các quá trình và TB liên quan đến qui trình

(3) xác định các thông tin cần bổ sung để phục vụ cho giai đoạn thiết kế

Hoàn tất việc đánh giá sẽ cung cấp cơ sở cho quyết định xem có cần

27/12/2006 Chuong 2 - Trien khai du an 6

Nếu có hai hay nhiều qui trình công nghệ sản xuất cùng một sản phẩm, việc đánh giá này sẽ cho thấy qui trình nào là

thích hợp hơn để tập trung nghiên cứu.

v Phân tích kinh tế kỹ thuật nên được bắt đầu càng sớm

càng tốt sau khi đã có CBVC và phác thảo sơ bộ chi tiết các bước công nghệ và tinh chế sản phẩm

v Trong quá trình trao đổi thông tin sẽ giúp cho các KS

và người nghiên cứu trong PTN nhận thức ra được các vấn đề kỹ thuật và thiết kế để người có kiến thức tổng hợp tập trung giải quyết.

v Nếu những đánh giá kinh tế kỹ thuật cho thấy dự án

có tính kinh tế cao thì sẽ xác định các hạng mục của chi phí sản xuất và phương pháp để tiết giảm chúng.

2.1.3 Những yêu cầu cho quá trình nghiên cứu và triễn khai:

Kết quả của các thí nghiệm nghiên cứu và

sản xuất thử phải chỉ ra được những nghiên cứu triễn khai cần thực hiện để thu thập được các thông tin có ích cho thiết kế.

27/12/2006 Chuong 2 - Trien khai du an 8

2.1.4 Nghiên cứu kỹ thuật sơ bộ:

Cần phải xác định các thiết bị có trong qui trình và các tiện nghi hổ trợ cần thiết

v Trong SX, các thiết bị được sử dụng ở qui mô

lớn, vận hành liên tục mà không cần thiết phải bảo trì thường xuyên

v Ngoài ra vật liệu chế tạo thiết bị thường là kim

loại, gốm sứ hay thép tráng thuỷ tinh, composit

v Với các thiết bị phi chuẩn không có sẵn trên thị

trường cần thực hiện các nghiên cứu kỹ thuật và phương pháp kiểm tra loại thiết bị này cũng như xác định các hạng mục tiêu chuẩn cần thiết lắp đặt kèm theo Đây là một trong những nhiệm vụ của giai đoạn sản xuất thử.

2.1.5 Sản xuất thử

(1) có khả năng cung cấp các kết quả có thể vận dụng vào thiết kế và vận hành nhà

máy sau này; hay

(2) được thiết kế và chế tạo nhằm xác định khoảng thông số hoạt động rộng hơn cho

nhà máy sản xuất sau này.

27/12/2006 Chuong 2 - Trien khai du an 10

Danh sách các hạng mục cần xem xét

trong giai đoạn sản xuất thử

n Các dòng vật liệu

n Vật liệu

n Vận chuyển vật liệu

Thiết bị sản xuất thử

27/12/2006 Chuong 2 - Trien khai du an 12

THIẾT BỊ SẤY

KHÍ ĐỘNG