THIẾT LẬP CẤU TRÚC VÀ TỔNG HỢP SƠ ĐỒ DÒNG (PFD) CHO QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

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 2 THIẾT LẬP CẤU TRÚC VÀ TỔNG HỢP SƠ ĐỒ DÒNG (PFD)

CHO QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

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 vào/ra 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

Bảng 2.1 Một số yếu tố cần lưu ý khi lựa chọn phương thức họat động gián đọan hay liên tục cho quá trình công nghệ hóa học

của quá trình gián đọan

Ưu/Nhược điểm của quá trình liên tục

Năng suất

Thích hợp cho năng suất nhỏ (kích thước của thiết bị, vấn đề dịch chuyểnhóa chất từ thiết bị sang thiết bị)

Thích hợp cho năng suất lớn

Khả năng

thanh khỏan/

chất lượng

sản phẩm

Thích hợp khi cần kiểm tra và chứng nhận chất lượng sản phẩm từng mẻ

Chất lượng sản phẩm được kiểm tra liên tục hay định kỳ Tuy nhiên, có nguy cơ tạo ra một lượng lớn những sản phẩm không đạt chất lượng yêu cầu Thích hợp khi mà các sản phẩm không đạt chất lượng yêu cầu có thể trộn hay lưu giữ để sản xuất lại

Tính linh họat

trong họat

động

Thông thường, một thiết bị có thể

sử dụng để tiến hành nhiều công đọan khác nhau

Thiết kế không linh họat bằng: Thông thường, một quá trình liên tục thường được thiết kế chỉ

để sản xuất một số sản phẩm nhất định từ một số nguyên liệu nhất định trước

Thiết bị

chuẩn - đa

sản phẩm

Có thể điều chỉnh thiết bị để sản xuất các sản phẩm khác nhau trên cùng một số thiết bị.Khi đó, vấn

đề điều khiển và thứ tự thực hiện các công đọan là điều kiện tiên quyết cho thành công

Thiết bị được thiết kế để thích hợp cho sản xuất một hay một

số ít sản phẩm khác nhau

họat động

của quá trình

Đòi hỏi sự sắp đặt và kiểm sóat (điều khiển) nghiêm ngặt Thiết bị

đó không thể được tối ưu hóa cho sản xuất riêng một sản phẩm nào cả Tích hợp nhiệt thường hầu như là không thể; thiết bị phụ trợ phải nhiều hơn;quá trình tách

và tái sử dụng nguyên liệu khó khăn hơn

Nói chung, khi năng suất tăng thì hiệu suất của quá trình cũng tăng Ví dụ, mất mát năng lượng giảm, Việc tuần hòan hóa chất chưa chuyển hóa hết và tích hợp nhiệt dễ thực hiện hơn

Nhân công Chi phí cho nhân công vận hành Đối với cùng một sản xụất thì chi

bảo dưỡng và

vận hành

trong hệ thống gián đọan chuẩn hóa sẽ cao hơn do phải vệ sinh và chuẩn bị cho thiết bị họat động

chi phí này sẽ giảm đối với hệ thống gián đọan “không đường ống”

phí vận hành cho quá trình liên tục sẽ thấp hơn

Khả năng

cung ứng

nguyên liệu

Khi nguồn nguyên liệu khan hiếm,

ví dụ do tính chất thời vụ, thì quá trình gián đọan sẽ thích hợp hơn

(sản xuất đồ hộp và rượu)

Các hệ thống họat động liên tục

có xu hướng tăng năng suất và họat động quanh năm để tăng lãi suất Cách duy nhất để có đủ nguyên liệu (đối với những nguyên liệu mang tính thời vụ) là xây dựng những kho chứa lớn đắt tiền

Nhu cầu sản

phẩm

Những nhu cầu mang tính thời vụ

có thể dễ dàng giải quyết, bởi vì

hệ thống gián đọan rất linh họat,

có thể sản xuất vào những thời gian ngòai những lúc nhu cầu thời

vụ cao

Khó sản xuất những sản phẩm khác ngòai thời gian mùa vụ

Tốc độ phản

ứng tạo sản

phẩm

thích hợp cho phản ứng có tốc độ thấp tức là có thời gian lưu lớn Ví

dụ quá trình lên men, quá trình

xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí và kỵ khí , và các quá trình sinh học khác

Phản ứng rất chậm đòi hỏi thiết

bị rất lớn Vận tốc dòng qua thiết

bị sẽ rất nhỏ, và việc phân bố hỗn hợp phản ứng trong thiết bị

là cả một vấn đề nếu đòi hỏi độ chuyển hóa cao và chế độ ngược chiều được đặt ra

Vệ sinh thiết

bị

Khi mà thiết bị hay bị đóng cặn thì quá trình gián đọan thích hợp hơn, bởi vì việc vệ sinh thiết bị là công đọan chuẩn hóa trong quá trình gián đọan

Hiện tượng đóng cặn đáng kể trong quá trình liên tục là vấn đề nghiêm trọng và khó giải quyết

Có thể sử dụng 2 thiết bị giống nhau để giải quyết vấn đề

Vấn đề an

tòan trong

sản xuất

Nói chung, công nhân phải tiếp xúc nhiều hơn với hóa chất, lỗi vận hành sẽ nhiều hơn Việc đào tạo liên quan tới phơi nhiễm hóa chất và vận hành thiết bị là tối cần thiết

Hệ thống lớn họat động liên tục

có mức độ an tòan cao Những qui trình họat động an tòan được thiết lập một cách chu đáo Việc đào tạo công nhân vận hành vẫn là thiết yếu

Điều khiển

(kiểm sóat)

Quá trình gián đọan thường sử dụng cùng một thiết bị để thực

Nói chung, điều khiển (kiểm sóat) quá trình liên tục sẽ dễ

quá trình hay

hệ thống

hiện các công đọan khác nhau, và

có thể để sản xuất một số sản phẩm khác nhau Việc sắp xếp họat động của thiết bị là rất quan trọng Việc điều khiển (kiểm sóat) quá trình là phức tạp

dàng hơn Đối với hệ thống phức tạp có tích hợp nhiệt và nguyên liệu, điều khiển (kiểm sóat) quá trình sẽ phức tạp hơn, và tính linh động của quá trình sẽ giảm đáng kể

2.3 Bước 2 – Cấu trúc Vào / Ra của quá trình

Mặc dù tất cả các qt đều khác nhau, nhưng chúng có cùng một số đặc điểm chung Các dòng vào là các dòng nguyên liệu, các dòng ra là các dòng sản phẩm (có thể là sản phẩm mục tiêu hay là dòng thải)

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý cho quá trình

Bước đầu tiên trong đánh giá đường đi của quá trình là thiết lập sơ đồ dòng Những

sơ đồ này sử dụng phương trình tỷ lượng của các phản ứng chính để phân biệt dòng vào

và dòng sản phẩm

Những bước thiết lập sơ đồ dòng như sau:

1 Hình vẽ đám “mây” đơn biểu diễn sơ đồ nguyên lý cho quá trình Bên trong đám mây này là phương trình tỷ lượng cho tất cả các phản ứng xảy ra trong quá trình đang xét tới Thông thường, các chất phản ứng ở bên trái và các sản phẩm ở bên phải của phương trình

2 Các chất phản ứng được mô tả bởi các dòng đi vào từ bên trái Số dòng tương ứng với số lượng các chất tham gia phản ứng Mỗi dòng ứng với tên của chất tương ứng, và có thể được đánh số

3 Các chất sản phẩm được mô tả bởi các dòng đi ra từ bên phải Số dòng tương ứng với số lượng các chất sản phẩm Mỗi dòng ứng với tên của chất tương ứng, và có thể được đánh số

4 Hiếm trường hợp mà ở đó chỉ có một phản ứng duy nhất, và cần tính đến các phản ứng phụ Tất cả các phản ứng xảy ra và tỷ lượng của phản ứng phải được đưa vào sơ đồ Các sản phẩm không mong muốn được coi như sản phẩm phụ và cần được biểu diễn bởi các dòng ra từ bên phải cùng với các dòng sản phẩm

2.3.2 Sơ đồ dòng cho quá trình công nghệ hóa học

Nếu như sơ đồ nguyên lý cho quá trình biểu diễn cơ sở cho một quá trình, thì sơ đồ dòng cho quá trình biểu diễn những khía cạnh khác của quá trình đó Tuy nhiên, sẽ là cùng một cấu trúc vào/ra trong cả 2 sơ đồ trên

Trong sơ đồ PFD còn biểu diễn những dòng phụ, như dòng của các thiết bị phụ trợ cần thiết cho họat động của quá trình

Hình 2.2 biểu diễn cấu trúc vào/ra cơ sở cho sơ đồ PFD đưa ra trong hình 1.3 Những dòng vào và ra cho sản xuất toluene được chỉ bằng những đọan thẳng đậm

Nếu cần, sẽ sử dụng bảng về dòng đi kèm với PFD để xác định xem chất cần biết ở đâu

Sau đây là một số yếu tố quan trọng cần tính đến trong phân tích cấu trúc vào/ra tổng quát của PFD:

1 Các chất đi vào sơ đồ PFD từ bên trái, mà không tiêu hao trong thiết bị phản ứng,

sẽ là các chất hoặc cần thiết cho vận hành một phần thiết bị, hay là những chất trơ chỉ đi qua quá trình mà thôi Ví dụ về các hóa chất cần đưa vào quá trình, nhưng không tiêu hao trong quá là xúc tác, dung môi, chất hãm Ngòai ra, nguyên liệu đi vào quá trình, nếu không tinh khiết thì có thể chứa các chất trơ Trong một

số trường hợp khác, những chất trơ có thể được đưa thêm vào quá trình để kiểm sóat tốc độ phản ứng, khống chế dòng đi vào thiết bị phản ứng sao cho thành phần của hỗn hợp nằm ngòai vùng giới hạn nổ, hoặc tác động như chất tiêu hao nhiệt hay tạo nhiệt để kiểm sóat nhiệt độ

2 Bất kỳ chất nào đi ra khỏi quá trình sẽ là chất, hoặc đã đi vào từ một trong các dòng nguyên liệu, hoặc đã được tạo ra bởi phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình

3 Các dòng phụ trợ hiếm khi tiếp xúc trực tiếp với các dòng quá trình Các dòng phụ trợ thường được sử dụng để cấp hay lấy đi nhiệt

Trong hình 2.3, các đường đậm chỉ các dòng phụ trợ trong quá trình sản xuất

2.3.3 Cấu trúc vào/ra và các đặc điểm khác của sơ đồ khối tổng quát cho dòng của quá trình

Sơ đồ khối tổng quát cho dòng là sơ đồ trung gian giữa sơ đồ nguyên lý về quá trình

và sơ đồ PFD Sơ đồ này minh họa các đặc điểm, bổ sung cho cấu trúc vào/ra cơ bản – đặc điểm chung cho tất cả các quá trình hóa học Hình 2.4a đưa ra sơ đồ khối tổng quát

về dòng của quá trình, sơ đồ này cho thấy việc chia nhỏ quá trình hóa học thành 6 vùng

cơ bản hay 6 khối Mỗi khối tương ứng 1 chức năng cần thiết cho họat động của quá trình

1 Bộ phận chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị phản ứng

2 Thiết bị phản ứng

3 Bộ phận chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị phân riêng

4 Thiết bị phân riêng

5 Tuần hòan dòng

6 Bộ phận kiểm sóat môi trựờng

Mỗi một khối có thể biểu diễn vài quá trình cơ bản Hơn nữa, vài khối của cùng một quá trình có thể được sử dụng nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình (hình 2.4b)

2.3.4 Những lưu ý khác đối với cấu trúc vào/ra của sơ đồ dòng cho quá trình

Có 2 yếu tố là sự có mặt của các tạp chất trong dòng nguyên liệu và sự có mặt của các dòng bổ sung có thể tạo ảnh hưởng đáng kể tới cấu trúc của PFD

Tạp chất trong nguyên liệu và những cấu tử vết:

Nói chung, các dòng nguyên liệu đi vào quá trình sẽ chứa tạp chất Sự lựa chọn công nghệ luôn dẫn tới nhu cầu tinh chế nguyên liệu Một số kinh nghiệm chung có thể sử dụng để lựa chọn cơ sở hay xuất phát điểm tốt cho công đọan tinh chế nguyên liệu:

1 Nếu hàm lượng tạp chất không lớn (< 10-20%) và chúng không tham gia phản ứng tạo sản phẩm phụ, khi đó không cần tách chúng trước khi đưa nguyên liệu vào quá trình

2 Nếu việc tách tạp chất khó khăn (ví dụ, tạp chất tạo hỗn hợp đẳng phí với nguyên liệu hay nguyên liệu ở trạng thái khí) Khi đó, không nên tách chúng trước khi đưa vào quá trình

3 Nếu tạp chất đóng cặn hay gây độc cho chất xúc tác, khi đó cần tinh chế dòng nguyên liệu

4 Nếu tạp chất phản ứng tạo ra các sản phẩm độc hại khó tách, khi đó cần tinh chế dòng nguyên liệu

5 Nếu hàm lượng tạp chất trong dòng nguyên liệu lớn thì phải tinh chế dòng nguyên liệu

Bổ sung dòng nguyên liệu để ổn định dòng sản phẩm hay để thực hiện quá trình phân riêng: Nói chung, các đặc tính của sản phẩm được coi như những tính chất mà

dòng sản phẩm phăi đạt được hay vượt mức đó Thông thường, các đặc tính của sản phẩm có thể đạt được trong các thiết bị phân riêng Tuy nhiên, nếu dòng sản phẩm, ví

dụ, có họat tính hóa học hay không ổn định, khi đó các hóa chất ổn định có thể cần bổ sung vào sản phẩm trước khi đi vào nơi lưu trữ Những hóa chất ổn định này là một trong những ví dụ về dòng nguyên liệu bổ sung đi vào quá trình

Chất trơ trong dòng nguyên liệu để kiểm sóat các phản ứng tỏa nhiệt: Trong một số

trường hợp, xuất hiện sự cần thiết bổ sung các dòng chất trơ đi vào quá trình nhằm kiểm sóat các phản ứng xảy ra trong quá trình

Trong một số quá trình, một lượng hơi nước đủ lớn (hay chất trơ khác) được bổ sung nhằm đưa hỗn hợp phản ứng ra ngòai vùng nồng độ có khả năng gây cháy nổ Hơi nước (hay chất trơ khác) được đưa vào quá trình, sau đó cần được tách ra như sản phẩm, hay sản phẩm phụ, hay chất thải

Bổ sung nguyên liệu trơ nhằm kiểm sóat cân bằng của phản ứng hóa học: Đôi khi

cần thiết bổ sung nguyên liệu trơ nhằm dịch chuyển cân bằng của phản ứng mong muốn