thiet ke qua trinh cong nghe hoa hoc (loc dau)_k54bhn.ppt

1

THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC (LỌC DẦU)

Product and Process Design Principles

Giảng viên: Phạm Trung Kiên

2

NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN

Tổng quan về thiết kế quá trình công nghệ hóa học

Mô phỏng trong thiết kế quá trình công nghệ hóa học

Heuristics cho thiết kế quá trình công nghệ Thiết kế hệ thống thiết bị phản ứng Thiết kế hệ thống phân tách hỗn hợp 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

GIÁO TRÌNH & TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 Marcano

Chemical Process Design: Computer - Aided Case Studies. Alexandre C.Dimian, Costin Sorin Bildea

Chemical Process Equipment: Selection and Design. Stanley M.Walas

Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants. Ernest E.Ludwig

3

GIÁO TRÌNH & TÀI LIỆU THAM KHẢO Chemical Reactor Design, Optimization and Scaleup. E.

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

4

YÊU CẦU VÀ ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

Trao đổi, thảo luận (C1)Đi học đầy đủ (C2)Tiểu luận (B1)_Theo nhómThi giữa kỳ (B2)_Dịch tài liệu Tiếng AnhBảo vệ tiểu luận (B3 )_Theo nhóm 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


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


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 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, 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.

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.

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


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.

17


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


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


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, PRO/II, CHEMCAD,…)

20


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


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


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,…

23


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


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


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


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,… Gói phần mềm mô phỏng: Aspen Plus, Hysys,

Pro/II, ChemCad,…

27


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 TỬCác 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 TỬPhương 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]

31

THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬPhương 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.

32

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 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.

33

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Sau khi hoàn thành việc đánh giá vấn đề thiết kế và

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).

34

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 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,…

35

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾDữ liệu về tính chất vật lý và nhiệt động học(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

36

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác 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

37

http://www.chemicalmarketreporter.com/

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Thực nghiệm 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.

38

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Thực nghiệm Nếu các phản ứng hóa học có xúc tác, thì phải xét đến

khả năng ngộ độc xúc tác. Thực nghiệm cũng giúp cho việc lựa chọn và thiết kế ban

đầu của các quá trình tách. Sự tách hỗn hợp khí phải xem xét đến các yếu tố hấp thụ,

hấp phụ, thấm khí,…để tìm kiếm các vật liệu tương ứng (màng, chất hấp thụ, hấp phụ)

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.

39

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾTổng hợp sơ bộ quá trình thiết kế 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)

40

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾTrạng thái hóa học Bước đầu tiên, phải xác định rõ đặc trưng

nguyên liệu và sản phẩm Các thông số sau cần được quan tâm:

• Lưu lượng (thể tích hay khối lượng)• Thành phần (phần mol, phần khối lượng)• Pha (rắn, lỏng, khí)• Dạng của pha (đối với pha rắn, cần quan tâm đến

phân bố kích thước hạt, hình dạng của hạt,…)• Nhiệt độ• Áp suất

41

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾMột số tính chất khác cần quan tâm Độ nhớt Khối lượng phân tử Màu sắc Mùi Nhiệt dẫn, tỷ trọng Cần quan tâm đến nghiên cứu thị trường, nhu

cầu của khách hàng,…

42

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾHoạt động của quá trình Các loại thiết bị chính trong các quá trình:

• Tháp chưng cất• Tháp hấp thụ• Tháp giải hấp• Thiết bị bay (bốc) hơi• Thiết bị phản ứng• Thiết bị trao đổi nhiệt• Bình tách• Máy lọc, ly tâm

43

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác hoạt động chính của quá trình công

nghệ: Phản ứng hóa học Phân tách các hỗn hợp hóa học Phân tách pha Thay đổi nhiệt độ Thay đổi áp suất Trộn hoặc phân tách dòng, mẻ Các hoạt động liên quan đến chất rắn: tăng

hoặc giảm kích thước hạt

44

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác bước tổng hợp quá trình thiết kế

45

Bước tổng hợp Hoạt động quá trình

1. Loại bỏ sự khác biệt trong các loại phân tử

2. Phân bố các chất hóa học

3. Loại bỏ sự khác biệt trong thành phần

4. Loại bỏ sự khác biệt về nhiệt độ, áp suất, pha

5. Tích hợp các nhiệm vụ: sự kết nối các hoạt động quá trình thành một quá trình hoàn chỉnh, quyết định quá trình làm việc liên tục hay gián đoạn

Các phản ứng hóa học

Trộn

Tách

Thay đổi nhiệt độ, áp suất, pha

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾQuá trình gián đoạn hay liên tục Quy mô sản xuất ảnh hưởng lớn đến phương

thức hoạt động của quá trình. Nếu sản xuất các chất hóa học thương mại,

nên sử dụng quá trình và thiết bị liên tục Nếu sản xuất các sản phẩm hóa học tiêu

dùng hoặc công nghiệp thì ưu tiên quá trình gián đoạn quy mô nhỏ. Lựa chọn quá trình liên tục, gián đoạn hay

bán liên tục là một quyết định quan trọng.

46

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾVí dụ về tổng hợp quá trình: Quá trình sản

xuất Vinyl Clorua Vinyl clorua là một hợp chất trung gian quan

trọng cho quá trình sản xuất polyvinyl clorua, một chất nhựa quan trọng để sản xuất ống và các sản phẩm tương tự khác. Bước 1: Loại bỏ sự khác biệt trong các

loại phân tử• Để sản xuất Vinyl clorua, dữ liệu từ các phòng thí

nghiệm hóa học tập trung chủ yếu vào các phản ứng hóa học có thể xảy ra. Đây là quá trình cơ bản nên các phản ứng cũng như các dữ liệu hóa học khác hầu như đã biết.

47

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ48

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾBước 1: Loại bỏ sự khác biệt trong các loại

phân tử (Phương pháp sản xuất) Đối với các chất khác (nếu mới) các dữ liệu của

quá trình phải được lấy từ phòng thí nghiệm. Khi đó thiết kế quá trình phải nhanh chóng, kịp thời, nắm bắt được thị trường

1. Clo hóa trực tiếp etylen Phản ứng xảy ra tại vài trăm độ C, song hiệu

suất tạo vinyl clorua không cao, nhiều sản phẩm phụ (diclorua etylen)

49

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ2. Hydro clo hóa axetylen: phản ứng tỏa nhiệt, cho độ chuyển hóa 98% ở 150oC khi có mặt chất xúc tác HgCl2

3. Cracking nhiệt DicloEtan từ clo hóa Etylen

Phản ứng chuyển hóa etylen đạt 98% ở 900C và 1 atm khi có FeCl3Phản ứng cracking xảy ra ở 500oC, độ chuyển hóa 65%, tỏa nhiệtƯu điểm: Không tạo ra nhiều dicloetanNhược điểm: Tạo ra HCl

50

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ4. Cracking nhiệt diclo etan từ oxi clo hóa etylen

Phản ứng chuyển hóa etylen ở 250oC, xúc tác CuCl2, độ chuyển hóa 95%5. Kết hợp quá trình 3 và 4 (Không tạo HCl, chuyển hóa 2 nguyên tử Clo)

51

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾChi phí, giá cả các nguyên liệu, sản phẩm

52

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾTính toán chi phí cho phản ứng 3

53

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác chi phí cho quá trình Chi phí ban đầu: xây dựng nhà máy, mua đất,

… Chi phí hoạt động: lao động, hơi nước, điện Chi phí mua nguyên liệu

54

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Lưu đồ dòng quá trình (Sơ đồ công nghệ) Năng suất: 100,000 lb/hr (800 triệu lb/năm, 330 ngày, hệ số hoạt

động 0.904)

55

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ

Bước 2: Phân bố các chất hóa học

56

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾBước 3: Loại bỏ sự khác nhau trong thành

phần

57

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾMột số tính chất của sản phẩm

58

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Bước 4: Thay đổi nhiệt độ, áp suất và pha (đạt được

độ chuyển hóa và sản phẩm mong muốn)

59

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾBước 5: Tích hợp các nhiệm vụ Thiết bị clo hóa và thiết bị ngưng tụ Bơm Thiết bị bốc hơi Lò nhiệt phân Thiết bị làm mát và làm nguội bằng phun

sương Thiết bị ngưng tụ Thiết bị làm mát tuần hoàn

60

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCây tổng hợp thiết kế

61

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾTính toán, thử nghiệm (Heuristics) Các kết quả nghiên cứu hay tổng hợp quá

trình phải phù hợp với các tính toán, thử nghiệm hay các quy luật khác Một số tính toán, thử nghiệm có thể sẽ có các

phương án thay thế tối ưu hơn

62

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾPhát triển quá trình cơ bảnCác loại sơ đồ trong thiết kế BFD (Block Flow Diagram) PFD (Process Flow Diagram) P and ID (Piping and Instrumentation

Diagram)

63

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾSơ đồ khối (BFD)

64

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾSơ đồ dòng quá trình (PFD)

65

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác biểu tượng trong sơ đồ

66

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác thông số của quá trình

67

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác thông số khác

68

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác thông số khác

69

KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾCác hoạt động tiếp theo khác trong thiết kế Tính toán các lưu đồ dòng phụ trợ Tích hợp quá trình Cơ sở dữ liệu chi tiết Thử Pilot phân xưởng Mô phỏng quá trình

70

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH Nội dung và mục đích: Hiểu được vai trò của các phần mềm mô phỏng trong việc

khởi tạo quá trình và vai trò của chúng trong việc ước tính cấu hình thiết bị, chi phí, phân tích lợi nhuận, tối ưu hóa, mô phỏng động.

Đối với mô phỏng tĩnh, có thể tạo được một sơ đồ mô phỏng, bao gồm lựa chọn mô hình cho thiết bị, thứ tự lắp đặt, các vòng tuần hoàn.

Hiểu được độ tự do trong mô hình mô phỏng, các đặc trưng thiết kế, các vòng lặp trong tính toán.

Các bước thực hiện mô phỏng trên HYSYS Sử dụng phần mềm mô phỏng để hỗ trợ trong suốt quá trình

khởi tạo. Sử dụng mô phỏng quá trình gián đoạn để tính toán cân bằng

vật chất và năng lượng.

71

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH Các nguyên tắc cơ bản của mô phỏng tĩnh Sơ đồ công nghệ và mô phỏng

• Sơ đồ công nghệ mô tả một quá trình đang tồn tại hoặc giả định với các đặc điểm và thông tin cần thiết.

• Mô phỏng giúp phát hiện các sự cố và dự đoán sự hoạt động của quá trình.

• Trái tim của phân tích, mô phỏng là các mô hình toán, các phương trình liên quan đến các biến quá trình như: Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần, diện tích bề mặt, cài đặt van, cấu hình hình học,…

• Mô phỏng tĩnh giúp tính toán các giá trị chưa biết, đưa ra các giá trị định lượng xác định.

72

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHCác việc mà mô phỏng tĩnh có thể làm được: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng Ước tính cấu hình thiết bị Phân tích lợi nhuận

Các phương trình phụ trợ có thể thêm vào tại mỗi mức độ.

Khi một biến được thêm vào để tính toán thì thuật toán để giải các phương trình sẽ trở nên phức tạp hơn.

73

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH Mô phỏng tĩnh:

Thật may mắn là, hầu hết các quá trình hóa học bao gồm các thiết bị truyền thống như: thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, tháp chưng cất, thiết bị hấp thụ,…Đối với các thiết bị này thì phương trình tính toán không khác biệt nhiều trong hầu hết các quá trình hóa học.

Tính chất vật lý và nhiệt động học và hằng số động học có thể khác nhau song phương trình tính toán thì không. Do đó có thể lựa chọn một hay nhiều thuật toán để giải các phương trình cho mỗi quá trình để tính toán cân bằng vật chất và năng lượng, cấu hình thiết bị và chi phí.

Do vậy, trong một quá trình mô phỏng tĩnh, có thể:• Lựa chọn các hệ nhiệt động học khác nhau• Thuật toán khác nhau (Phương pháp tính toán)

Một phần mềm trong thiết kế gồm: lập trình (mô hình hóa) hay mô phỏng.

74

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHSơ đồ công nghệ quá trình

75

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHSơ đồ mô phỏng trong HYSYS

76

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHCác mô hình thiết bị trong HYSYS

77

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHCác mô hình thiết bị trong Hysys

78

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH Ví dụ về tổng hợp và mô phỏng quá trình Hydrodeankyl

hóa Toluen sản xuất Benzen (sản xuất cyclohexan-tiền chất của nylon)

Phản ứng:C7H8 + H2 = C6H6 + CH4

2C6H6 = C12H10 + H2• Phản ứng bất thuận nghịch tại 1,200-1270F; • 75% mol Toluen chuyển hóa thành Benzen; • 2% Benzen chuyển hóa tạo Bi-Phenyl;* Công suất: 274.2 lbmol/hr (Toluen); * Hoạt động 330 ngày/năm;* Tại 1268F và 494 psia, nhiệt của phản ứng là 5.84

x106Btu/hr (Theo Aspen Plus; Hệ nhiệt động học - Phương trình trạng thái SRK)

79

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHPhản ứng

80

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHPhân bố sản phẩm

81

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHHoạt động phân tách

82

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHThay đổi nhiệt độ, áp suất, pha

83

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHTích hợp các nhiệm vụ

84

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHMô phỏng quá trình (Phần phản ứng)

85

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHMô phỏng quá trình (Phần phân tách)

86

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH Mô phỏng tĩnh quá trình phân tách MonocloBenzen (MCB)

87

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHMô hình trong Aspen Plus

88

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH Các nguyên tắc cơ bản của mô phỏng gián đoạn Việc lựa chọn quá trình là liên tục, gián đoạn hay bán

liên tục là rất quan trọng. Trong quy mô phòng thí nghiệm, lưu lượng đầu vào

nhỏ, thì việc sử dụng mô hình liên tục là khó khăn và không khả thi vì các quá trình này đơn giản hơn và kinh tế hơn khi thực hiện gián đoạn theo ngày, giờ, tuần.

Quá trình gián đoạn sẽ linh động hơn khi thay đổi sản phẩm sản xuất và khi quá trình có nhiều sản phẩm.

89

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHVí dụ về quá trình sản xuất tPA (gián đoạn)Các mô hình gián đoạn trong Aspen Plus

90

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHCác mô hình gián đoạn trong Aspen Plus

91

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHCác mô hình gián đoạn trong Aspen Plus

92

MÔ PHỎNG ĐỂ KHỞI TẠO QUÁ TRÌNHKết hợp mô phỏng liên tục và gián đoạn

Cần chú ý khi đưa quá trình liên tục vào gián đoạn do một số yếu tố các thiết bị không tương thích như tháp chưng cất và thiết bị phản ứng.

93

TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM CHO TỔNG HỢP QUÁ TRÌNH

Trong phần này, sẽ tìm ra các chiến lược hiệu quả cho tổng hợp quá trình, bao gồm: Phản ứng hóa học Khuấy trộn và tuần hoàn Phân tách Thay đổi nhiệt độ, áp suất, pha Kết nối các units thành quá trình hoàn chỉnh

Hiệu quả của tính toán thử nghiệm cho tổng hợp quá trình có thể kiểm chứng bằng mô phỏng (phản ứng hóa học, chưng cất,…)

94

TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM CHO TỔNG HỢP QUÁ TRÌNH

Mục đích: Hiểu được tầm quan trọng của việc lựa chọn các thức thực hiện

phản ứng (không độc hại, nguy hiểm,…trong trường hợp không tránh được, có thể giảm thời gian lưu).

Có thể phân bố sản phẩm một cách hợp lý, tạo ra được một lưu đồ với độ chọn lọc cao với sản phẩm mong muốn, phản ứng và phân tách có thể trong cùng một thiết bị (chưng cất phản ứng).

Có thể ứng dụng phương pháp tính toán thử nghiệm trong việc lựa chọn quá trình tách lỏng, hơi, hỗn hợp lỏng-hơi.

Phân bố các chất hóa học (sản phẩm) dùng một số phương pháp như: dùng thừa chất phản ứng, pha loãng chất trơ, loại bớt hoặc tăng cường nhiệt cho phản ứng (đối với phản ứng tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt),…các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình.

Hiểu được sự thuận lợi của việc bơm chất lỏng hơn là nén hơi.

95

NGUYÊN LIỆU THÔ VÀ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

Heuristic 1: Lựa chọn nguyên liệu thô và các phản ứng hóa học để loại bỏ hay giảm các chất độc hại và nguy hiểm Lựa chọn nguyên liệu và các phản ứng hóa học bởi

các nhà hóa học, sinh học, sinh hóa hoặc những ai hiểu biết về chuyển hóa hóa học.

Các nguyên liệu hay sản phẩm phải bảo vệ môi trường và tuân thủ các quy tắc an toàn.

Ví dụ, sản xuất vinyl clorua từ axetylen bị loại bỏ vì giá thành axetylen cao và khó khăn trong tiến hành phản ứng.

96


Xem xét quá trình sản xuất etylen glycol (EG), một chất chống đông quan trọng trong công nghiệp.

Các phản ứng hóa học (sản xuất):

Cả hai phản ứng đều tỏa nhiệt, nên cần thực hiện cẩn thận.

Phản ứng là oxi hóa C2H4 với xúc tác Ag Cần phải có các phương án để tránh việc tồn chứa

lâu etylen oxit (EO), một hợp chất trung gian có hoạt tính cao.

97


Các phương án để tránh việc tồn chứa (EO): Tạo ra một quá trình ngắt không liên tục sản xuất EO

khi phản ứng oxi hóa ngừng. Sử dụng Cl2 và NaOH để sản xuất (Ưu điểm: không

tạo ra EO. Nhược điểm: đắt tiền)

Tồn chứa EO dưới dạng an toàn hơn:

Thực hiện phản ứng 1 và 4 liên tiếp trên xúc tác Ag bằng việc cho etylen phản ứng với dòng chứa CO và O2

98

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCHeuristic 2: Sử dụng một lượng lớn các chất

phản ứng để tiêu thụ hết các chất độc hại, nguy hiểm Sau khi các hoạt động phản ứng trong lưu đồ

được xác định, sự phân bố các sản phẩm phản ứng theo các lưu ý sau:

• Sử dụng chất phản ứng dư trong quá trình phản ứng

• Điều chỉnh các chất trơ khi đưa vào dòng nguyên liệu

• Điều chỉnh các sản phẩm phụ không mong muốn của các phản ứng phụ

99

Xét ví dụ sản xuất vinyl clorua (sơ đồ 5.1)

100

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Nghiên cứu tỷ lệ C2H4/Cl2 tối ưu cho phản ứng Một lượng dư C2H4 được dùng để phản ứng hết với Cl2

(một chất độc hại, nguy hiểm) Cần phải tuần hoàn C2H4 chưa phản ứng trong hỗn hợp

sản phẩm (C2H4 và C2H4Cl2) Cần phải xem xét đến độ dư của C2H4 hay tỷ lệ C2H4/Cl2

vì liên quan đến chi phí phân tách và tuần hoàn (quan trọng)

Trong nhiều chiến lược thiết kế, tỷ lệ này được xác định dựa trên phương pháp tính toán, thử nghiệm (Heuristics)

Trong mô phỏng, tỷ lệ này sẽ được thay đổi một cách hệ thống

Trong lập trình toán, tỷ lệ này là một biến thiết kế và được thay đổi trong suốt quá trình tối ưu hóa

101

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCMột số chú ý: Đối với phản ứng toả nhiệt, lượng chất hóa học dư là

hàm của khả năng hấp thụ nhiệt phản ứng, do đó phải duy trì nhiệt độ phản ứng vừa phải.

Đây là phương pháp quan trọng để điều khiển một lượng lớn nhiệt của phản ứng và được nghiên cứu trong một số phương án loại nhiệt trong các phản ứng tỏa nhiệt.

Tăng lượng chất phản ứng sẽ làm tăng độ chuyển hóa khi phạm vi phản ứng bị giới hạn bởi cân bằng hóa học.

Đồng thời các phản ứng phụ cũng có thể bị loại bỏ

102

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Heuristic 3: Khi yêu cầu về một sản phẩm sạch, tinh

khiết thì cần loại bỏ các tạp chất (chất trơ) trước khi tiến hành phản ứng và khi quá trình phân tách dễ dàng thực hiện hay các chất xúc tác bị ngộ độc bởi các chất này nhưng không phải khi một lượng lớn nhiệt của phản ứng bị loại bỏ.

Xem xét ví dụ sau: (a) quá trình phản ứng

103

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCLoại bỏ chất D trước khi phản ứng (b) và loại

bỏ D sau khi phản ứng (c)

104

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Trong quá trình này, rõ ràng cần xem xét sự dễ dàng

trong việc tách loại D từ C (b) và D từ E (cùng với A và C chưa phản ứng) cần được đánh giá.

Điều này có thể được thực hiện bằng việc xem xét các tính chất vật lý của các chất liên quan đến việc phân tách: Nếu quá trình là tinh thể hóa, cần xem xét đến sự

khác nhau trong nhiệt độ đông đặc. Nếu là chưng cất, liên quan đến độ bay hơi tương đối

của các chất hay hệ số hoạt động . Nếu độ bay hơi của các chất khác xa

nhau thì dự đoán khả năng tách các chất sẽ dễ dàng hơn và chi phí sẽ thấp.

105

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Nếu quá trình là phân tách màng, thì cần xem

xét đến độ thấm và khuếch tán phân tử. Cần xem xét đến kích thước của thiết bị phản

ứng và thiết bị tách. Kích thước của thiết bị phản ứng yêu cầu phải lớn khi quá trình tách không liên tục. Đối với các phản ứng tỏa nhiệt, các chất trơ

sẽ hấp thụ một phần nhiệt của phản ứng tỏa ra, do đó có thể làm giảm nhiệt độ đầu ra của thiết bị phản ứng.

106

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCXem xét ví dụ sau:

107

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCSolution (Giải pháp)

108

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCĐánh giá

109

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCXem xét ví dụ sau:

110

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Heuristic 4: Tạo ra một số dòng làm sạch (tách) cho

các tạp chất trong nguyên liệu hoặc được tạo ra do các phản ứng phụ khi các chất này ở lượng vết hay khó phân tách khỏi các chất khác. Các chất nhẹ sẽ ra ở dòng hơi, các chất nặng sẽ ra ở dòng lỏng.

Xem xét phản ứng tổng hợp amoniac như sau:

111

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCNguyên liệu cho tổng hợp amoniac: Nitơ (lẫn Ar) Hidro (lẫn CH4)

Khi tổng hợp, ngoài phản ứng:

Còn có phản ứng:

112

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Xem xét tỷ lệ Dòng Ra/Dòng Tuần Hoàn Nếu tỷ lệ này lớn, khả năng mất H2 và N2 là lớn,

cùng với việc giảm sản lượng NH3 Nếu tỷ lệ này nhỏ, khả năng tách các tạp chất sẽ kém Cần phải có các tính toán cân bằng để giảm tỷ lệ tuần

hoàn này dùng phương pháp Heuristic với sự hỗ trợ của mô phỏng để tối ưu hóa.

Cần chú ý rằng, có nhiều phương pháp để tách loại các tạp chất này: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất nhiệt độ thấp, công nghệ màng,…song có thể sẽ đắt hơn.

Cuối cùng thì việc tách CH4 và Ar khả thi hơn khi sử dụng các dòng tuần hoàn hơi (các quá trình khác thì có thể là dòng lỏng).

113

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCNghiên cứu, mô phỏng quá trình tổng hợp

NH3 và tách CH4+Ar ra khỏi hỗn hợpĐiều kiện phản ứng:

114

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCMô hình mô phỏng trên Aspen Plus

115

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCKết quả mô phỏng, nghiên cứu mô hình

116

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCPhân tích kết quả: Số mol CH4và Ar ra khỏi quá trình lớn hơn

đáng kể so với đầu vào. Khi giảm tỷ lệ Dòng Ra/Dòng Tuần Hoàn,

dòng hơi ra sẽ giàu CH4 và Ar, nghèo N2 và H2 hơn. Tuy nhiên điều này sẽ làm tăng đáng kể tốc độ tuần hoàn và chi phí tuần hoàn cũng như thể tích thiết bị phản ứng. Cần ước tính chi phí và tối ưu hóa quá trình

này (với sự hỗ trợ của mô phỏng)

117

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Heuristic 5: Không thải loại các chất có giá trị hoặc

những chất độc hại, nguy hiểm ra môi trường, thậm chí với hàm lượng nhỏ (theo tiêu chuẩn). Thêm thiết bị tách để thu hồi các chất có giá trị và nếu có thể, thêm thiết bị phản ứng để xử lý (loại bỏ) các chất độc hại, nguy hiểm.

Xem xét quá trình sau:

118

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Heuristic 6: Sản phẩm phụ được tạo ra ở các phản ứng

thuận nghịch (một lượng nhỏ), thường không được thu hồi ở thiết bị tách hay làm sạch. Thay vào đó, chúng thường được tuần hoàn để loại bỏ.

Đối với phản ứng phụ (không thuận nghịch): các sản phẩm phụ phải được loại bỏ ngay lập tức (phân tách hay làm sạch), nếu không chúng sẽ tích tụ trong suốt quá trình và có thể làm quá trình shutdown

Đối với phản ứng phụ (thuận nghịch): có thể đạt được độ chuyển hóa cân bằng ở trạng thái tĩnh, bằng cách tuần hoàn chúng mà không cần loại bỏ, khi mà quá trình phân tách có thể làm mất các sản phẩm giá trị hoặc quá trình phân tách tốn kém.

Quá trình này tỏ ra hiệu quả khi mà các phản ứng phụ có hằng số cân bằng phụ thuộc nhiệt độ và áp suất.

119

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Xét ví dụ: sản xuất benzen từ toluen. Phản ứng phụ tạo

diphenyl là phản ứng thuận nghịch. Do vậy trong lưu đồ sản xuất, ta có thể bớt đi một tháp chưng cất cuối (tuần hoàn diphenyl).

120

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Heuristic 7: Đối với các phản ứng cạnh tranh (nối

tiếp hoặc song song), thay đổi nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác để thu được hiệu suất cao các sản phẩm mong muốn. Ban đầu giả thiết rằng, các điều kiện đã thỏa mãn. Sau đó kiểm tra lại giả thiết bằng các dữ liệu động học.

Xét ví dụ: sản xuất allyl clorua (B), các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình: nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ nguyên liệu, thời gian lưu.

Các loại phản ứng có thể xảy ra: nối tiếp, song song, vừa nối tiếp và song song.

Trong hệ thống phản ứng này, gồm 3 phản ứng tỏa nhiệt bậc 2

121

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCPhản ứng hóa học:

122

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Dữ liệu động học

Chú ý rằng: E1/E2>1 và E1/E3<1 nên độ chuyển hóa đối với allyl clorua là lớn nhất tại nhiệt độ trung bình.

Một khi độ chọn lọc quyết định thành công của quá trình thiết kế, cần phải mở rộng phân tích quá trình phản ứng, sử dụng mô phỏng, mô hình hóa tối ưu quá trình để đạt được mục đích về kinh tế.

123

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Hằng số tốc độ phản ứng (theo nhiệt độ) của 3 phản

ứng trong quá trình sản xuất allyl clorua:

124

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Để đạt được độ chọn lọc thích hợp, không đơn thuần chỉ

thay đổi nhiệt độ và áp suất, yếu tố xúc tác đóng vai trò rất quan trọng.

Cần phải thiết kế được chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mong muốn, giảm nhiệt độ phản ứng và giảm thiểu đáng kể các phản ứng phụ.

Các chất xúc tác hay gặp: zeolit, kim loại quý (Pt, Pd, Rh) Các kỹ sư thiết kế quá trình cần dành nhiều thời gian tìm

hiểu các thông tin (các bằng sáng chế và các bài báo khoa học) về tốc độ của các phản ứng cạnh tranh để tìm được các chất xúc tác thích hợp.

Để tìm hiểu về thiết kế thiết bị phản ứng để đạt được độ chọn lọc mong muốn, có thể tham khảo: Elements of Chemical Reaction Engineering (Fogler, 1986); The Engineering of Chemical Reactions (Schmidt, 1998)

125

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Heuristic 8: Đối với các phản ứng thuận nghịch, xem xét

thực hiện chúng ở một thiết bị tách, để loại bỏ các sản phẩm và điều khiển phản ứng chính. Các hoạt động này sẽ mang tới một sự phân bố các chất hóa học rất khác biệt.

Xem xét quá trình sản xuất Metyl Axetat từ Metanol và Axit axetic (Phản ứng thuận nghịch), thực hiện chưng cất phản ứng.

Sản phẩm phản ứng sẽ lấy ra dưới dạng hơi và lỏng, do đó làm cho phản ứng diễn ra theo chiều thuận và không cần dùng dư chất phản ứng hay điều chỉnh áp suất.

Vì Metanol dễ bay hơi hơn axit axetic nên nó được cho vào bên dưới vùng phản ứng và Axit Axetic cho vào ở phần trên vùng phản ứng (lỏng).

Sản phẩm: Metyl Axetat (Hơi) ra khỏi đỉnh tháp chưng cất phản ứng và Nước (Lỏng) ra khỏi đáy tháp (Hầu như tinh khiết)

126

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌCVí dụ về chưng cất phản ứng

127

PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Chuyển hóa tối ưu: Xem xét các phản ứng hóa học đơn lẻ, với các hằng số

cân bằng hóa học, có thể thu được một độ chuyển hóa hoàn toàn.

Tuy nhiên, độ chuyển hóa tối ưu có thể không phải là một độ chuyển hóa hoàn toàn (và thường là như vậy). Thay vào đó, một sự cân bằng về kinh tế giữa chi phí về thiết bị phản ứng cao với độ chuyển hóa cao và chi phí phân tách cao ở độ chuyển hóa thấp sẽ xác định điều kiện tối ưu (và một số yếu tố khác như kéo dài thời gian phản ứng để đạt được độ chuyển hóa cao).

Thật không may mắn là, tính toán thử nghiệm cho chuyển hóa tối ưu là khó thực hiện vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.

128

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCHHeuristic 9: Phân tách hỗn hợp lỏng sử dụng:

chưng cất, stripping, chưng cất tăng cường (chiết, phản ứng, đẳng phí), chiết lỏng – lỏng, tinh thể hóa, hấp phụ.

Heuristic 10: Ngưng tụ hoặc ngưng tụ một phần hỗn hợp hơi, với nước làm mát hoặc tác nhân làm lạnh. Sau đó, sử dụng Heuristic 9.

Heuristic 11: Phân tách hỗn hợp hơi sử dụng ngưng tụ một phần, chưng cất đông lạnh, hấp thụ, hấp phụ, phân tách màng, thăng hoa.

129

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCHSơ đồ tách với sản phẩm là LỎNG

130

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCHSơ đồ tách với sản phẩm là HƠI

131

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCHSơ đồ tách với sản phẩm là LỎNG-HƠI

132

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN)Đối với một số dòng tồn tại các hạt rắn (tinh

thể hóa hay kết tủa)Khi muốn loại bỏ các hợp chất vô cơ trong

dung dịch, dòng công nghệ (sản phẩm) sẽ được làm lạnh hay bay hơi một phần để thu hồi chất rắn bằng việc tinh thể hóa, sau đó là lọc, ly tâm và làm khô.

Dùng cyclone cho việc tách hỗn hợp khí-rắnTinh thể hóa có thể xuất hiện dưới ba dạng:

1) Tinh thể hóa dung dịch 2) Kết tủa 3) Tinh thể hóa điểm chảy (nóng chảy)

133

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN)Tinh thể hóa dung dịch: áp dụng đối với các

chất vô cơ được tinh thể hóa từ dung môi, với nhiệt độ hoạt động thấp hơn nhiều điểm chảy của các hạt tinh thể.

Kết tủa: là phương pháp tinh thể hóa dung dịch nhanh tạo ra rất nhiều các tinh thể nhỏ (tạo ra các hạt rắn ít hòa tan, như AgCl).

Tinh thể hóa theo nhiệt độ nóng chảy: hai hay ba chất hóa học có nhiệt độ tinh thể hóa khác nhau, được phân tách tại nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ nóng chảy.

134

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN)Heuristic 12: Tinh thể hóa các chất vô cơ từ dung

dịch bằng làm lạnh. Giữ nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa 1-2oF. Dùng tinh thể hóa bằng phương pháp bay hơi khi tính chất dung dịch không thay đổi nhiều theo nhiệt độ.

Heuristic 13: Tốc độ hình thành tinh thể bằng nhau theo mọi hướng song các hạt tinh thể không phải hình cầu. Tốc độ hình thành tinh thể và kích thước hạt bị giới hạn bởi độ quá bão hòa: S=C/Cbão hòa ; C là nồng độ; 1.02<S<1.05; Tốc độ hình thành tinh thể phụ thuộc bởi các tạp chất và các chất thêm vào.

135

HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN)Heuristic 14: Phân tách các chất hữu cơ

bằng tinh thể hóa theo điểm chảy với việc làm lạnh sử dụng tinh thể hóa huyền phù, sau đó lọc, ly tâm.

Heuristic 15-20: Đọc thêm

136

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGHeuristic 21: Để loại bớt nhiệt tỏa ra từ phản

ứng, xem xét việc sử dụng thừa chất phản ứng, một chất pha loãng trơ hoặc chất làm lạnh.

Heuristic 22: Đối với phản ứng tỏa nhiệt ít, tuần hoàn chất lỏng trong thiết bị phản ứng ra thiết bị làm lạnh ngoài, sử dụng ống xoắn ruột gà hoặc bình có vỏ bọc. Xem xét việc sử dụng thiết bị làm lạnh trung gian giữa các giai đoạn phản ứng đoạn nhiệt.

137

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ: Cho phản ứng hóa học sau:

CO + 2H2 = CH3OHTính toán nhiệt của phản ứng và nhiệt độ phản ứng

đoạn nhiệt. Nguyên liệu tại 200C và 1 atm.

Solution: Dùng Aspen Plus (Hysys), Hệ nhiệt động PSRK, chuyển hóa hoàn toàn CO. Ta có

∆H=-38.881 Btu/lbmol CO (tỏa nhiệt)Nhiệt độ phản ứng: 1.158oC (cao hơn nhiều so với sức

chịu đựng của xúc tác Cu và vật liệu chế tạo thiết bị). Nguyên tắc: phải tìm ra chiến lược giảm nhiệt độ phản

ứng và loại nhiệt tỏa ra.

138

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGĐể đạt được nhiệt độ phản ứng thấp hơn, có thể

dùng một số cách sau:1. Sử dụng dư chất phản ứng để hấp thụ nhiệt,

chất dư sẽ được thu hồi từ thiết bị tách và tuần hoàn lại thiết bị phản ứng. Nhiệt sẽ bị loại bỏ trong thiết bị tách hay các dòng làm lạnh.

2. Sử dụng chất pha loãng trơ.3. Sử dụng các chất phản ứng lạnh.4. Thực hiện phản ứng trong thiết bị phản ứng có

các hệ thống làm lạnh.5. Sử dụng phương pháp làm lạnh trung gian.

139

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGVí dụ về dùng dư chất phản ứng:

CO+2H2 = CH3OHTỷ lệ H2/CO=10; tính toán nhiệt độ phản

ứng?Theo Aspen Plus, nhiệt độ dòng ra là 3370C.Có thể tính toán nhiệt độ dòng ra là hàm của

tỷ lệ H2/CO

140

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGVí dụ về sử dụng chất pha loãng trơ (Dodecan)

cho phản ứng:CO+2H2 = CH3OH

Thêm 5 lbmol/hr Dodecan vào phản ứng (1 lbmol/hr CO và 2 lbmol/hr H2). Tính nhiệt độ dòng ra??

Trong trường hợp này, nhiệt độ giảm xuống còn 77.6oC;

141

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGVí dụ về việc sử dụng các chất phản ứng

lạnh:

142

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGVí dụ về các phản ứng có hệ thống làm lạnh

143

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGVí dụ về các phản ứng có hệ thống làm lạnh

144

LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNGVí dụ về các phương pháp làm lạnh trung

gian

145

THÊM NHIỆT VÀO PHẢN ỨNGHeuristic 23: Để điều khiển nhiệt độ của phản

ứng thu nhiệt, xem xét việc sử dụng thừa chất phản ứng, chất pha loãng trơ và chất làm nóng.

Heuristic 24: Đối với các phản ứng thu nhiệt ít, tuần hoàn dòng lỏng đến một thiết bị đun nóng ngoài, hoặc sử dụng ống xoắn hay thiết bị có vỏ bọc để cấp nhiệt. Hoặc sử dụng trao đổi nhiệt trung gian giữa các giai đoạn đoạn nhiệt.

146

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐT Trao đổi nhiệt sử dụng cho quá trình phản ứng và phân tách

(thay đổi nhiệt độ, pha). Khi tính toán trao đổi nhiệt, cần lưu ý đến các phương pháp trao đổi nhiệt:

1. Trao đổi nhiệt giữa hai dòng lỏng sử dụng: double pipe, shell and tube, compact heat exchanger.

2. Trao đổi nhiệt giữa một dòng lỏng và một dòng tác nhân trao đổi nhiệt (nước làm mát, hơi) sử dụng double pipe, shell and tube, compact heat exchanger

3. Gia nhiệt cho dòng quá trình ở nhiệt độ cao sử dụng nhiệt tỏa ra từ quá trình đốt cháy (furnace hay fired heater)

4. Trao đổi nhiệt trong thiết bị phản ứng hay bình tách thay vì trao đổi nhiệt bên ngoài như shell and tube heat exchanger hay furnace

5. Trực tiếp trao đổi nhiệt bằng việc trộn hai dòng6. Trao đổi nhiệt có sự tham gia của các hạt rắn.

147

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐT Heuristic 25: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt cho các thiết bị

tách và phản ứng để đun nóng hay làm lạnh các dòng quá trình có thể dùng các phương pháp khác nhau. Nếu dòng quá trình yêu cầu gia nhiệt lớn hơn 750oF thì cần dùng lò đốt trong trường hợp dòng quá trình không bị phân hủy hóa học.

Heuristic 26: Sử dụng phương pháp nhiệt độ tối ưu tối thiểu trong thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc vào mức nhiệt độ như sau: 10 F hoặc thấp hơn đối với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi

trường. 20 F đối với nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường và đến 300 F 50 F đối với nhiệt độ cao 250-350 F nếu là lò đốt

148

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐT Xét ví dụ sau: Trao đổi nhiệt giữa Toluen (lưu lượng 25,000lb/hr tại

100 F và 90 psia) và Styren (lưu lượng 25,000lb/hr tại 300F và 50 psia). Với các điều kiện trên các chất đều là lỏng. Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt shell and tube heat exchanger. Dùng phương pháp nhiệt độ tối thiểu 20F. Nhiệt dung riêng trung bình của Toluen 0.43 Btu/lb-F và 0.44 Btu/lb-F đối với Styren.

Giả sử phương pháp nhiệt độ tối thiểu 20 F áp dụng cho nhiệt độ Toluen đầu vào. Khi đó nhiệt độ Styren ra là 100 F+20F=120F.

Lượng nhiệt tải của Styren: Q=25,000x(0.44)x(300-120)=1,980,000Btu/hr

Lượng nhiệt tải của Toluen: Q=1,980,000=25,000x(0.43)x(Ttoluen ra -100)

Giải ra, nhiệt độ của Toluen ra là 284.2F Độ chênh nhiệt độ: 300-284.2=15.8F đối với Styren. Thấp hơn 20F.

Do đó phương pháp này phải áp dụng đối với Styren. Tính toán tương tự ta có: Ttoluen ra =280F và Tstyren ra=124.1. Nhiệt độ xấp xỉ đối với Toluen là 24.1>20. Nên chấp nhận được.

149

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐTHeuristic 27: Khi sử dụng nước làm mát để

làm lạnh hay ngưng tụ dòng quá trình, giả thiết nhiệt độ đầu vào của nước là 90F (từ tháp làm mát) và nhiệt độ tối đa đầu ra là 120F.

Bởi vì chế độ dòng hai pha có thể xuất hiện trong quá trình đun nóng dòng lỏng thành hơi, cách tốt nhất là chia quá trình này thành 3 thiết bị gia nhiệt: Gia nhiệt đến điểm bọt (Bubble Point) Đun sôi (Boiling Point) Hóa hơi (Evaporation)

150

PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP SUẤTHeuristic 28-33: Đọc thêmHeuristic 34: Dùng quạt để tăng áp suất khí

quyển lên 10,1 kPa (1.47 psig). Dùng máy nén cho tăng áp suất lên 206kPa (30psig). Dùng máy nén nhiều giai đoạn tăng áp suất lên hơn 206kPa (30psig).

151

PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP SUẤTHeuristic 35: Tính toán công suất đoạn nhiệt

lý thuyết (THp) cho quá trình nén khí:

152

PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP SUẤT Ví dụ quá trình nén khí: Không khí ở 100F, nén từ 1

đến 3 atm (tỷ số nén bằng 3), k=1.4; Tính toán THp=128Hp/triệu ft3 tiêu chuẩn/ngày Nhiệt độ đầu ra: 306F Khi sử dụng máy nén, nhiệt độ đầu ra không được

vượt quá 375F (giới hạn của nhà sản xuất). Điều này tương ứng với tỷ số nén bằng 4 và nhiệt độ T2=375F;

Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn, máy nén một cấp sẽ không sử dụng được, thay vào đó sẽ là một hệ thống máy nén nhiều cấp với các hệ thống làm lạnh trung gian.

Mỗi máy nén sẽ làm lạnh khí xuống khoảng 100F

153

PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP SUẤTHeuristic 36: Tính toán số cấp của máy nén

(N) theo bảng số liệu sau đây, với k=1.4=Cp/Cv và tỷ số nén tối ta cho mỗi giai đoạn là 4.

154

PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP SUẤTVí dụ: muốn nén khí ở 100F và 30psia lên 569

psia. Tỷ số nén=560/30=19; Nên cần nén 3 giai đoạn; Tỷ số nén cho mỗi giai đoạn là 191/3=2.7; Độ giảm áp là 2 psi cho quá trình làm lạnh trung gian. Khi đó ta tính được:

Heuristic 37-39: Đọc thêm

155

PHƯƠNG PHÁP TĂNG-GIẢM ÁP SUẤTHeuristic 40: Đọc thêmHeuristic 41: Công suất đoạn nhiệt lý thuyết

của máy giãn khí:

Heuristic 42: Đọc thêmHeuristic 43: Để tăng áp suất của một dòng

khí, bơm chất lỏng hơn là nén khí.

156

PHƯƠNG PHÁP TĂNG-GIẢM ÁP SUẤT Quá trình bơm một chất lỏng sẽ tiết kiệm hơn quá

trình nén một khí. Thông thường một bơm với công suất 10 Hp thì máy nén tương ứng là 1000 Hp và đắt tiền hơn để mua và lắp đặt.

Do vậy một dòng hơi áp suất thấp sẽ ưu tiên ngưng tụ hơi, bơm và bốc hơi hơn là nén trực tiếp nó.

157

PHƯƠNG PHÁP TĂNG-GIẢM ÁP SUẤT Xét ví dụ sau: Nguyên liệu Etyl Benzen được lấy từ

bể chứa ở 25C và 1 atm (lỏng). Cần đưa nó đến thiết bị phản ứng styren ở dạng hơi 400C và 5 atm với lưu lượng 100,000 lb/hr. Hai phương án sau được đưa ra: Bơm chất lỏng và gia nhiệt: 12.5 Hp được yêu cầu để

bơm chất lỏng và 4,67x107 Btu/hr để hóa hơi và gia

nhiệt hơi đến 400C. Hóa hơi chất lỏng (gia nhiệt) và nén khí: 4,21x107

Btu/hr để hóa hơi chất lỏng và gia nhiệt đến 349,6C và 1,897 Hp cần thiết để nén khí đến 5 atm và 400C.

Rõ ràng là công suất yêu cầu giảm đáng kể khi bơm chất lỏng.

158

PHÂN TÁCH CÁC HẠT RẮNHeuristic 53: Dùng một thiết bị phân tách

dạng cyclone để loại bỏ các hạt rắn hay giọt lỏng từ khí với đường kính hạt >= 0.01 mm. Dùng thiết bị phân tách thủy lực để loại các hạt rắn, các giọt lỏng không tan trong lỏng với đường kính >= 0.005mm.

159

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

Thiết kế thiết bị phản ứng để tạo ra được độ chọn lọc và hiệu suất vừa đủ đối với các sản phẩm mong muốn với việc lựa chọn một thiết bị hay một hệ thống thiết bị phản ứng.

Trao đổi nhiệt đối với thiết bị phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt cũng được đề cập để duy trì hoạt động ổn định tại mức nhiệt độ mong muốn.

Trong chương này sẽ giới thiệu một số thiết bị phản ứng thông dụng và việc dùng chúng trong các hoàn cảnh cụ thể.

160


Nội dung chính của chương này: Làm quen với các mô hình thiết bị phản ứng

trong phần mềm mô phỏng và sử dụng chúng trong mô phỏng quá trình. Thiết kế hệ thống truyền nhiệt liên kết với thiết

bị phản ứng để duy trì phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt tại mức nhiệt độ mong muốn. Nghiên cứu thiết kế sử dụng mô phỏng. Nghiên cứu, xem xét một hệ thống phản ứng

và có thể thiết kế nó.

161

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Các mô hình thiết bị phản ứng: Các thiết bị phản ứng hóa học (quá trình liên tục)

thường liên quan đến quá trình nhiều pha: chất rắn phản ứng, lỏng, khí, chất xúc tác rắn

Các hình dạng khác nhau của thiết bị phản ứng: bình có khuấy, dạng ống, vòi, xoắn, màng.

Với động lực, chế độ truyền nhiệt và truyền khối khác nhau (dòng nhớt, dòng chảy rối, dẫn nhiệt, bức xạ, khuếch tán và phân tán).

Với rất nhiều cấu hình khác nhau với các thuộc tính khác nhau để tạo ra được các mô hình thiết bị phản ứng yêu cầu.

162

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Hầu hết các phần mềm mô phỏng cung cấp 4 loại thiết bị

phản ứng chính: 1. Mô hình tỷ lượng, cho phép đặc trưng độ chuyển hóa và

phạm vi phản ứng cho 1 hay nhiều phản ứng.2. Mô hình nhiều pha (rắn, lỏng, hơi) trong cân bằng hóa

học với mỗi phản ứng.3. Mô hình động học thiết bị phản ứng khuấy liên tục

(CSTR) với giả thiết sự khuấy trộn hoàn hảo trong các pha đồng thể (lỏng hay hơi).

4. Mô hình động học cho thiết bị phản ứng dạng ống (PFTR, PFR) cho các pha đồng thể (lỏng hay hơi)

Những thiết bị này sử dụng trong giai đoạn đầu của tổng hợp quá trình. Khi chi tiết về thiết kế thiết bị phản ứng không quan trọng thì dòng ra và công suất nhiệt lại đóng vai trò quan trọng.

163


Các tài liệu quan trọng liên quan đến phân tích và thiết kế thiết bị phản ứng: Elements of Chemical Reaction Engineering

(H.S. Fogler, 1999) The Engineering of Chemical Reactions (L.D.

Schmidt, 1998) Chemical Reaction Engineering (O.

Levenspinel, 1999)

164


Hệ số tỷ lượng:

165


Phạm vi phản ứng: Xem xét một phản ứng đơn lẻ, mô hình thiết

bị phản ứng theo hệ số tỷ lượng, độ chuyển hóa Xk của chất phản ứng chính k:

Trong đó: 0<=Xk<=1;

166


Xét ví dụ sau: Chuyển hóa CO và H2 thành CH3OH;

Phản ứng: CO + 2H2 = CH3OHSố mol của CO là 100 kmol/hr; H2 là 600

kmol/hr; chuyển hóa 70%CO (cấu tử chính)Lưu lượng mol của các cấu tử được tính

như sau:

167


Đối với một hệ thống các phản ứng, sử dụng các công thức sau để tính toán:

168


Cân bằng nhiệt động học:

Xét phản ứng sau:

Tại 250C, năng lượng tự do Gibbs, ∆Go=-25,200kJ/kmol; Tại 5000C, ∆Go=88,000kJ/kmol

∆H<0 (tỏa nhiệt)

169


Động học của phản ứng:

170

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Ví dụ về thiết bị phản ứng CSTR Đây là mô hình thiết bị phản ứng động học đơn giản

nhất và được giả thiết quá trình trộn là hoàn hảo. Tức là, nhiệt độ và thành phần là như nhau trong toàn bộ thể tích phản ứng và bằng nhiệt độ và áp suất của dòng ra.

Tuy nhiên các yếu tố (cấu tử) lỏng không có cùng thời gian lưu trong thiết bị phản ứng.

Không khó để đưa hỗn hợp lỏng vào thiết bị phản ứng tương tự như mô hình CSTR trong thực tế.

Dùng cho các phản ứng pha lỏng đồng thể. Các phản ứng xảy ra dưới các điều kiện đoạn nhiệt hay đẳng nhiệt.

Công cụ tính toán là các phương trình đại số (có thể phi tuyến).

171


Xét ví dụ: sử dụng mô hình CSTR cho thủy phân Propylen Oxit (PO)

172


Solutuion:

173

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Ví dụ về thiết bị phản ứng PFR hay PFTR (Plug Flow Tubular

Reactor) Dòng lỏng chảy dọc theo thiết bị phản ứng và nồng độ thay đổi

dọc theo chiều dài thiết bị. Không có gradien nhiệt độ và nồng độ theo bán kính.

Truyền nhiệt và truyền khối quanh hướng trục là không đáng kể. PFR hoàn toàn không trộn, các cấu tử có thời gian lưu như nhau

trong thiết bị phản ứng. Nếu thiết bị hoạt động đoạn nhiệt hoặc không đẳng nhiệt thì

nhiệt độ thay đổi dần dần dọc theo chiều dài thiết bị phản ứng. Tất cả các mô hình PFR trong mô phỏng là một chiều và bỏ qua

sự phân tán theo trục: gradien nhiệt độ, áp suất, thành phần, khuếch tán, dẫn nhiệt,…

Hoạt động phản ứng có thể là: đoạn nhiệt, đẳng nhiệt, không đoạn nhiệt, không đẳng nhiệt.

174


Thiết bị PFR đoạn nhiệt cho quá trình HydroDealkyl hóa Toluen

175

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Thiết bị PFR đoạn nhiệt cho quá trình HydroDealkyl

hóa Toluen

176


Thiết bị PFR đoạn nhiệt cho quá trình HydroDealkyl hóa Toluen

177


Solution

178

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Đối với các cấu hình thiết bị phản ứng phức tạp: Điều khiển nhiệt độ là vấn đề quan trọng trong thiết

kế thiết bị phản ứng. Quá trình đoạn nhiệt thường được xem xét đầu tiên

vì thiết bị phản ứng đơn giản, rẻ tiền. Khi phản ứng là tỏa nhiệt hay thu nhiệt thì cần thiết

phải điều khiển nhiệt độ. Một số phương pháp truyền nhiệt như sau: a) truyền

nhiệt qua tường, làm lạnh ngoài hay sử dụng tác nhân trao đổi nhiệt b) sử dụng chất trơ hay phản ứng để mang nhiệt c) các lớp trao đổi nhiệt trong thiết bị phản ứng d) chất phản ứng lạnh hay nóng (chia thành nhiều phần đưa vào các giai đoạn khác nhau)

179


Các phương thức trao đổi nhiệt trong Reactor

180

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Hình 6.1a là anhydrit phtalic bằng phương pháp oxi

hóa orthoxylen với không khí, xúc tác Vanadi Pentoxit (rắn), nhiệt độ phản ứng 375C, áp suất 1.2 atm. Độ tăng nhiệt độ phản ứng đoạn nhiệt là 1,170C (tỏa nhiệt), thậm chí đã có N2 làm chất pha loãng.

Thực hiện hoạt động đoạn nhiệt là không khả thi. Thiết bị phản ứng giống như một thiết bị trao đổi

nhiệt ống đứng. Hàng trăm ống đường kính nhỏ đưa vào gắn sát với các hạt xúc tác rắn.

Môi trường truyền nhiệt là các muối Natri Nitrit và Kali Nitrat nóng chảy tuần hoàn bên ngoài để lấy nhiệt của phản ứng.

Nước không được sử dụng trong trường hợp này vì yêu cầu áp suất rất cao.

181

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Styren được sản xuất bằng phương pháp đề hydro

hóa Etyl Benzen ở 575C và 1.2 atm. Phản ứng thu nhiệt. Độ giảm nhiệt độ -460C. Khi đó tốc độ phản ứng sẽ giảm rất lớn, làm cho thể tích thiết bị tăng lên nhiều (Hình 6.1b).

Do đó phải đưa vào thiết bị phản ứng một lượng nhiệt (hơi nước, Hơi nước/Styren=20) để gia nhiệt cho nguyên liệu lên đến 625C trước khi vào thiết bị phản ứng.

Hơi nước là trơ và dễ dàng thu hồi bằng ngưng tụ. Sự có mặt của hơi sẽ làm cho tốc độ phản ứng giảm

vì nồng độ Styren sẽ giảm song quá trình lại hoạt động tốt hơn.

182

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG SO3(sản xuất H2SO4) được sản xuất bằng oxi hóa

SO2 với sự có mặt của xúc tác Vanadi Pentoxit ở 1.2atm và 450C (tỏa nhiệt). Độ tăng nhiệt độ (Adiabatic Temperature Rise, ATR)=710C, thậm chí đã có N2 trong không khí làm chất pha loãng. Quá trình đoạn nhiệt sẽ không khả thi.

Do đó, hệ thống phản ứng sẽ bao gồm 4 lớp đoạn nhiệt, cùng đường kính nhưng chiều cao khác nhau (Hình 6.1c).

Dòng sản phẩm qua lớp xúc tác 1 sẽ được làm lạnh trước khi qua lớp xúc tác 2.

Khi ATR cao hơn (sản xuất amoniac từ khí tổng hợp), khuyến cáo phương pháp ở hình 6.1d.

183

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCH Sơ đồ tổng quát của một quá trình với một hệ thống

thiết bị phản ứng:

184

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNGTÁCH Hệ thống tách nguyên liệu: Một số quá trình hóa học yêu

cầu phải tách nguyên liệu: Sản xuất polypropylen từ propylen (nguyên liệu là hỗn hợp

Propan và Propylen) Sản xuất axetaldehyt bằng việc dehydro hóa ethanol (tách

nước trong rượu đến 89.4%mol ethanol, gần điểm đẳng phí)

Sản xuất formaldehit bằng phương pháp oxi hóa methanol (xúc tác Ag) trong không khí. Phải loại CO2 và SO2 trong không khí vì nó làm ngộ độc xúc tác (dùng kiềm hydroxit để loại).

Sản xuất Vinylclorua (từ axetylen và HCl) xúc tác HgCl2; Phải loại nước bằng phương pháp hấp phụ để ngăn chặn ăn mòn thiết bị phản ứng và tạo axetaldehyt.

185

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCH Phân tách pha trong dòng của thiết bị phản ứng:

186

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCH

Các thiết bị phân tách pha

187

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCHHệ thống phản ứng và phân tách pha

188

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCHTrường hợp 1: Phân tách lỏng-hơi Nghiên cứu quá trình Hydrodealkyl hóa sản

xuất benzen tại 1,150F và 520 psia Tính toán cân bằng pha sử dụng phương

trình trạng thái SRK, có các kết quả sau:

189

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCHCác phương án để sản xuất Benzen từ

Toluen bằng phương pháp Hydrodealkyl hóa

190

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCHCác phương án để sản xuất Benzen từ

Toluen bằng phương pháp Hydrodealkyl hóa

191

Trường hợp 2: Hơi - Lỏng 1 - Lỏng 2 Sản xuất Styren:

Phản ứng phụ: Methanol + Toluen = EthylBenzen + Nước

Hỗn hợp sản phẩm ở thể khí ở 425C và 330kPa Khi hạ nhiệt độ xuống 38C và 278kPa bởi các thiết bị trao

đổi nhiệt sẽ tạo ra một pha hơi nằm cân bằng với một pha lỏng giàu chất hữu cơ và một pha lỏng giàu nước.

Tính toán cân bằng Flash ba pha dùng hệ nhiệt động NRTL để ước tính các hệ số hoạt động pha, ta có kết quả sau:

192


Kết quả tính toán cân bằng ba pha:

193


Trường hợp 3: cân bằng Rắn-Hơi Sản xuất Anhydrit Phtalic bằng việc oxi hóa Orthoxylen với

không khí dư trong thiết bị phản ứng tầng cố định. 80% Orthoxylen được oxi hóa để tạo ra Anhydrit Phtalic 20% Orthoxylen còn lại bị oxi hóa để tạo ra CO2 và nước. Điều kiện phản ứng: 660K và 25 psia (phản ứng tỏa nhiệt,

phải lấy bớt nhiệt bằng các muối nóng chảy). Làm lạnh sản phẩm xuống 70C và 20 psia, khi đó Anhydrit

Phtalic hóa rắn (nhiệt độ nóng chảy 131C). Hơi nước sẽ chưa ngưng tụ khi áp suất riêng phần của nó

trong hơi bằng áp suất hơi của nó. Sử dụng phương trình áp suất hơi Clausius-Clapeyron của

Crooks và Feetham:

194


Kết quả tính toán cân bằng:

195


Trường hợp 4: Cân bằng Rắn-Lỏng-Khí (Đọc thêm) Các hoạt động phân tách trong công nghiệp Hệ thống thu hồi Buten

196


Thứ tự các thiết bị tách trong công nghiệp

198


200


Solution

201


THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTNội dung: Hiểu được nhiệt độ và pha của dòng được thay

đổi như thế nào khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt. Có khả năng đặc trưng một thiết bị trao đổi nhiệt. Lựa chọn các loại thiết bị trao đổi nhiệt chính. Hiểu được tầm quan trọng của đường cong làm

lạnh và đun nóng. Tính toán được hệ số truyền nhiệt tổng (U). Hiểu được giới hạn trong truyền nhiệt đun sôi. Thiết kế được thiết bị trao đổi nhiệt với sự trợ

giúp của mô phỏng.

202

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Công suất nhiệt (Heat Duty):

Trong đó: Q là công suất nhiệt (tốc độ truyền nhiệt) m là lưu lượng của dòng (mol hay khối lượng) H(in, out): Enthalpy của dòng vào và ra (trên một đơn vị khối

lượng hay mol). Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt một phía (chỉ xem xét một

trong hai dòng trao đổi nhiệt)

203

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTXét ví dụ sau đây (tính toán trao đổi nhiệt)

204

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTVí dụ quá trình sản xuất Vinyl Clorua

205

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTSolution

206

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTSơ đồ mô phỏng trong Aspen Plus

207

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTĐường cong làm lạnh cho ví dụ 13.1(a-E1)

208

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Đường cong làm lạnh cho ví dụ 13.1(b-E2)

209

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Môi trường truyền nhiệt Các tác nhân truyền nhiệt: Nước làm mát (nhiệt độ vào không quá 90F, đầu ra không

quá 120F). Tháp làm mát sẽ làm mát nước xuống 90F bằng việc cho nước tiếp xúc với không khí (có thể mất mát do bay hơi nước).

• Khi nhà máy đặt cạnh nguồn nước (sông hay biển) có thể không cần tháp làm mát để tuần hoàn nước.

• Khi nguồn nước mà hiếm thì làm mát bằng không khí, nhưng không khí chỉ có thể làm mát dòng quá trình một cách kinh tế nhất đến 120F.

Hơi nước Sản phẩm của quá trình cháy (khói lò)

210

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Các loại chất tải nhiệt

211

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Trao đổi nhiệt 2 chiều (2 phía)

U là hệ số truyền nhiệt tổng A là diện tích truyền nhiệt ∆Tm là hiệu số truyền nhiệt trung bình

212

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTThiết bị cho quá trình trao đổi nhiệt

213

Độ giảm áp suất

214

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt (Double Pipe Heat Exchangers)

215

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt (Shell and Tube Heat Exchangers)

216

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt (Shell and Tube Heat Exchangers)

217

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTCác mô hình thiết bị trao đổi nhiệt

218


219


220

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTCác loại ống phổ biến nhất

221

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTDữ liệu ống thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

222

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTDữ liệu ống thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

223

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTCách thức lắp đặt ống

224

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTReboiler dạng Kettle

225

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTTrao đổi nhiệt với hệ thống quạt phụ trợ

226

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Trao đổi nhiệt dạng khối (Compact Heat Exchangers)

227

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Trao đổi nhiệt dạng khối (Compact Heat Exchangers)

228

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTThiết kế thiết bị trao đổi nhiệt (Shell and

Tube Heat Exchangers)Ví dụ:

229


230

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTVí dụ 13.8

Solution

231


232

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTThiết bị trao đổi nhiệt cho ví dụ 13.8

233

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTThiết bị trao đổi nhiệt cho ví dụ 13.8

234

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTĐặc trưng thiết bị trao đổi nhiệt

235

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTĐặc trưng thiết bị trao đổi nhiệt

236

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION)

Nội dung: Hiểu được các vấn đề cơ bản về tối ưu hóa Thiết lập vấn đề tối ưu hóa (nonlinear

program, NLP) để tối ưu hóa hàm mục tiêu Hiểu được bản chất của các thuật toán tối ưu Hiểu được sự thuận lợi và khó khăn của việc

chuyển đổi các đặc trưng thiết kế, liên kết với mô hình mô phỏng Sử dụng mô phỏng để giải quyết các vấn đề

NLP

237


Các vấn đề khi giải các bài toán tối ưu Loại 1: Số phương trình bằng với số biến Loại 2: Số biến ít hơn số phương trình

(overspecified) Loại 3: Số biến nhiều hơn số phương trình

(underspecified)_Chúng ta sẽ quan tâm đến vấn đề này trong quá trình tối ưu hóa.

• Vấn đề đặt ra ở đây là chọn trong số các biến x một bộ biến nhỏ Nvariables-NEquations = ND gọi là các biến quyết định (d).

• Thay đổi các biến này để tìm được giải pháp tối ưu hóa cho từng mục đích cụ thể.

238


Công thức chung của các vấn đề tối ưu: Thiết lập một bộ các biến x (Nvariables) Lựa chọn các biến quyết định d trong số các

biến x Thiết lập hàm chức năng f(x) Thiết lập các phương trình c(x)=0 Thiết lập các bất phương trình g(x)<=0 Thiết lập điều kiện biên cho các biến

XL =< X <= XU

239


Vấn đề tối ưu hóa có thể tóm lược lại như sau:

240


Phân loại các vấn đề tối ưu hóa Vùng khả thi (feasible region): thỏa mãn các

phương trình, bất phương trình, điều kiện biên trong một bộ các biến khả thi. Giải pháp tối ưu địa phương (local optimal

solution): giải pháp làm cực đại hay cực tiểu hàm mục tiêu. Giải pháp tối ưu trên toàn miền (global

optimal solution): tồn tại nhiều cực trị địa phương.

241

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION)Sử dụng các phương pháp số để giải các bài toán

tối ưu.Sự lựa chọn các phương pháp giải các bài toán tối

ưu phụ thuộc vào bản chất hàm toán của vấn đề tối ưu.

Phân loại các vấn đề tối ưu như sau: Khi các hàm mục tiêu, phương trình, bất phương

trình là tuyến tính đối với biến x thì gọi là vấn đề tối ưu tuyến tính (linear programming, LP)

Khi các hàm mục tiêu, phương trình, bất phương trình là phi tuyến tính đối với biến x thì gọi là vấn đề tối ưu phi tuyến tính (nonlinear programming, NLP)

242


Các vấn đề tối ưu hóa đơn giản nhất là tối ưu hóa không có các phương trình, bất phương trình hay các điều kiện biên ràng buộc, gọi là tối ưu hóa không ràng buộc (unconstrained optimization)

Ngược lại, nếu có các điều kiện ràng buộc thì gọi là (constrained optimization)

243


Các dạng của vấn đề tối ưu hóa

244



245

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION)Các dạng của vấn đề tối ưu hóa

246



247

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Ví dụ: Tìm cực trị (không ràng buộc) của hàm số sau:

f(x1, x2) = y = (x12 +x2-11)2 + (x1

+x22

-7)2

Solution

248

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Ví dụ về Linear Programming (LP) Tối ưu hóa hàm số sau (cực tiểu)

S = 6.4VA + 5VB + 0VW Trong đó: 0.045VA + 0.037VB + 0VW = 4 (% yêu

cầu) VA + VB + VW = 100 10=<VA; 0=<VB; 0=<VW Biến đổi lại các phương trình trên, ta có:

S = 1.4VA - 5VW + 5 (Min) 0.008VA - 0.037VW = 0.3 (*)

VB=100-VA-VW 10=<VA; 0=<VB; 0=<VW

Từ (*) ta có: VA= 4.625VW + 37.5

249

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Do đó: VA=37.5 khi VW = 0; Một điểm cực trị (VA=37.5; VW=0)Một điểm cực trị khác (VA=10; VW=0)_Điều kiện biên Điểm cực trị thứ 3 (VA=88.89; VW =11.11)

Từ bảng trên ta thấy, phương án 1 là tối ưu vì chi phí thấp nhất và thỏa mãn các ràng buộc.

250

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION)Biểu đồ mô tả các ràng buộc và chi phí

251

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Đối với các LP lớn, có thể lên đến 10,000 biến, vấn

đề sẽ phức tạp hơn, có thể sử dụng các phương pháp sau: Phương pháp đơn hình (Dantzig, 1949):

• Dùng phương pháp lặp với một giá trị ban đầu thỏa mãn các ràng buộc tại một trong các điểm cao nhất (vertex)

• Sau đó phương pháp này đi tìm các vùng lân cận, liền kề, sát ngay đó để tìm ra các vùng khả thi và cuối cùng là điểm cực trị.

• Có thể dùng Excel, Matlab để giải quyết các vấn đề này.

252

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Đối với các LP lớn, có thể lên đến 10,000 biến, vấn đề sẽ

phức tạp hơn, có thể sử dụng các phương pháp sau:• Khi số vòng lặp tăng lên theo hàm số mũ cùng với các

biến, thì dùng phương pháp Kamarkar 1984 sau đó là Vanderbei 1999.

• Phương pháp này cũng dùng các vòng lặp song hiệu quả hơn vì ít vòng lặp mặc dù trong mỗi vòng lặp, số lượng tính toán nhiều hơn. Phương pháp này gọi là phương pháp điểm trung gian.

• Khác phương pháp đơn hình ở chỗ, tất cả các vòng lặp không nhất thiết phải thỏa mãn các ràng buộc.

• Các phần mềm cho 2 phương pháp này có sẵn trên Internet và các phần mềm toán học như Lingo, Matlab, Excel, Mathematica,…

253


Non Linear Programming (NLP)NLP với một biến quá trình (có thể giảm đến

một biến) Nếu hàm mục tiêu không bị ràng buộc thì có

thể dùng các công cụ đại số hoặc giải tích để giải bài toán tối ưu. Nếu hàm mục tiêu bị ràng buộc, ta dùng các

phương pháp số.

254

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Các bài toán tối ưu (một biến) trong kỹ thuật hóa học Chiều dày tối ưu của lớp cách nhiệt cho đường ống dẫn

hơi (chi phí cách nhiệt cân bằng với mất mát nhiệt gây ra ngưng tụ hơi)

Tỷ lệ hồi lưu tối ưu trong tháp chưng cất (chi phí cột và thiết bị trao đổi nhiệt cân bằng với chi phí làm lạnh hay đun nóng của các thiết bị condenser hay reboiler)

Lưu lượng hấp thụ tối ưu (tháp chiết, hấp thụ, ) của chất hấp thụ, số đĩa cân bằng với đường kính cột, chi phí hấp thụ.

Đường kính ống tối ưu cho vận chuyển lỏng, chi phí đường ống và bơm cân bằng với chi phí hoạt động của bơm.

Chiều dài (cao) và đường kính với thể tích xác định để tối ưu chi phí chế tạo.

255

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH (OPTIMIZATION) Các bài toán tối ưu (một biến) trong kỹ thuật hóa học Số giai đoạn tối ưu trong hệ thống bốc hơi, chi phí vốn ban

đầu cân bằng với chi phí dòng hơi gia nhiệt. Áp suất trung gian tối ưu của hệ thống máy nén với các

thiết bị làm lạnh trung gian, yêu cầu năng lượng là tối thiểu.

Nhiệt độ đầu ra tối ưu của nước làm mát trong thiết bị trao đổi nhiệt, chi phí thiết bị trao đổi nhiệt cân bằng với chi phí nước làm mát.

Chiều dày tối ưu của lớp cặn (cake) trong thiết bị lọc, tốc độ lọc cân bằng với chi phí loại cặn.

Tối ưu hóa số thiết bị CSTR trong một hệ thống phản ứng hóa học, trong đó chi phí là tối thiểu.

256

Phương pháp tỷ lệ vàng (t=0.61803)

257


Phương pháp tỷ lệ vàng (1 biến, unimodal) Xuất phát từ hai biên a (dưới) và b (trên) và tính hiệu

sb-a=L(1) và chọn giá trị t Khi đó điểm cách a 1 đoạn tL(1) là a+tL(1) Điểm cách xa b 1 đoạn tL là b-tL hay [a+(1-t)L(1)] Giả sử tối thiểu hóa giá trị hàm mục tiêu, điểm gần a

có giá trị thấp nhất của hàm mục tiêu, thì giá trị x tối ưu không thể nằm bên phải điểm gần b hơn. Khi đó vùng giữa điểm gần b và b bị loại bỏ.

Chuyển sang vùng thứ 2, L(2)=tL(1); với điểm còn lại là [a+(1-t)L(1)] khi đó sẽ là a+tL(2) hay a+t2L(1)

Khi (1-t)2=t, nên t=0.16803

258


Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt với tối thiểu chi phí hàng năm (annual costs)

259


Solution

260


Solution

261


Solution

262


Solution

263


Solution

264


Tối ưu hóa lợi nhuận trong quá trình sản xuất Ethyl clorua

265


Solution

267


Tối ưu hóa quá trình chưng cất (có sản phẩm sườn)

268


Tối ưu hóa quá trình chưng cất (có sản phẩm sườn)

269


Solution

270


THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN

Mục đích: Xác định các vấn đề điều khiển tiềm năng

trong một lưu đồ quá trình (PFD) Phân loại và lựa chọn các biến điều khiển Thiết lập cấu trúc điều khiển

272


Quá trình trao đổi nhiệt

273


Thiết bị phản ứng

274

Cấu hình hệ thống điều khiển Thiết kế hệ thống điều khiển cho các quá

trình công nghệ hóa học với mục đích là tối ưu hóa lợi nhuận và thỏa mãn đặc trưng sản phẩm, an toàn hoạt động và bảo vệ môi trường. Phân loại và lựa chọn các biến quá trình (đã

học)

275


Phân tích độ tự do trong điều khiển

Trong đó: ND là độ tự do, Nvariables là số biến quá trình, Nequations là số phương trình độc lập.

Số biến điều khiển thường ít hơn độ tự do nên ta có: ND = Nmanipulated (biến vào) + Nexternally

defined(nhiễu)

Do đó:

276


Ví dụ (20.1):

277


Ví dụ (20.1)

Như vậy sẽ có hai biến điều khiển, hai biến tiềm năng này là F2 và F3

Mục đích điều khiển T3, θ2 và θ4 Giải pháp điều khiển (Hình 20.5)

278


Ví dụ (20.1) Khi có bypass, khi đó sẽ có thêm một phương trình độc lập theo cân bằng năng lượng.

279


Cấu hình điều khiển cho thiết bị phản ứng CSTR có vỏ bọc

280


Cấu hình điều khiển cho thiết bị phản ứng CSTR có vỏ bọc

Biến được điều khiển: CA, T, h Biến điều khiển: các lưu lượng Fi

281


Cấu hình điều khiển cho thiết bị tách (Flash Drum)

282


Cấu hình điều khiển cho thiết bị tách (Flash Drum)

283


Cấu hình điều khiển cho thiết bị chưng cất 2 cấu tử

284



285



286



287



288


Các bước trong thiết kế điều khiển công nghiệp Bước 1: Thiết lập mục đích điều khiển Bước 2: Xác định độ tự do điều khiển Bước 3: Thiết lập hệ thống quản lý năng lượng (điều khiển

nhiệt độ trong thiết bị phản ứng tỏa hay thu nhiệt) Bước 4: Cài đặt công suất sản xuất Bước 5: Điều khiển chất lượng sản phẩm, môi trường, an

toàn trong sản xuất. Bước 6: Cố định một lưu lượng ở các vòng tuần hoàn và điều

khiển lỏng-hơi (mức hay áp suất trong thiết bị) Bước 7: Kiểm tra sự cân bằng về cấu tử (thành phần) để

tránh sự tích tụ, đặc biệt trong các vòng tuần hoàn vật chất Bước 8: Điều khiển các thiết bị đơn lẻ Bước 9: Tối ưu hóa kinh tế và tăng cường điều khiển động

học.

289


Thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp

290



291



292



293



294



295



296


BÁO CÁO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Nội dung của một báo cáo thiết kế

Phần mở đầu1. Thư chuyển giao thiết kế (được ký bởi các thành viên trong nhóm thiết kế)2. Đầu đề của trang thiết kế (ngắn gọn, đủ nghĩa)3. Mục lục (Nội dung chính)4. Mô tả ngắn gọn (abstract)

Phần còn lại của báo cáo thiết kế5. Giới thiệu chung

– Mô tả sản phẩm– Khảo sát các phương pháp sản xuất– Giải thích phương pháp sản xuất đã lựa chọn– Thảo luận việc lựa chọn quy mô sản xuất, vị trí nhà máy– Thảo luận lý do sản xuất để đưa ra thị trường tại thời điểm

thiết kế– Tổng quan về các vấn đề môi trường (độc hại, an toàn sản

xuất)

297


6. Lưu đồ dòng quá trình và cân bằng vật liệu• Sử dụng phần mềm Microsoft VISIO để vẽ PFD• Vẽ bằng tay (Có thể chấp nhận)

7. Mô tả quá trình8. Cân bằng năng lượng và các tiện ích kèm theo (đun nóng, làm lạnh, điện,…)9. Danh sách thiết bị và mô tả chúng10. Mô tả chi tiết (bao gồm cả mua, chọn nhà thầu)_Hình 22.111. Tổng kết chi phí thiết bị12. Tổng kết đầu tư vốn cố định13. Các vấn đề quan trọng khác (môi trường, an toàn, sức khỏe, lưu đồ P&ID, khởi động quá trình, thiết bị phụ trợ, chi phí, sơ đồ nhà máy)

298


14. Chi phí hoạt động và phân tích kinh tế15. Kết luận và kiến nghị16. Acknowledgments (Lời cảm ơn)17. Tài liệu tham khảo (References)18. Phụ lục (Appendix)

• Tiến trình thiết kế, tính toán chi tiết quá trình và thiết bị• Các chương trình máy tính• Các phần liên quan của các số liệu đầu ra của chương

trình máy tính• Các tài liệu liên quan khác (chi tiết về các thiết bị của

các nhà thầu, cung cấp thiết bị)

300

BÁO CÁO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Phần còn lại của báo cáo thiết kế (tiến trình khác)

5. Giới thiệu chung6. Các sản phẩm tương tự đang tồn tại7. Đặc trưng sản phẩm8. Các ý tưởng và khái niệm cho sản phẩm mới9. Lựa chọn các ý tưởng tốt nhất10. Thiết kế cấu trúc sản phẩm11. Phát triển mô hình sản phẩm, kiểm tra tiến trình và đánh giá tính cạnh tranh của sản phẩm so với các sản phẩm cạnh tranh khác.12. Phương pháp sản xuất13. Các yếu tố con người (các tác động của sản phẩm tới môi trường và con người)14. Thị trường và các ước tính chi phí.

301

BÁO CÁO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ Trình bày vấn đề thiết kế theo các bước sau đây: Giới thiệu vấn đề thiết kế Cung cấp tổng quan về sản phẩm và quá trình thiết

kế (nhấn mạnh các quá trình bị loại bỏ) Thảo luận về quá trình được lựa chọn (độ dài của

thiết kế, sản phẩm) Giới thiệu kết quả phân tích kinh tế Thảo luận các vấn đề, khía cạnh khác Tổng kết thiết kế và đưa ra các kiến nghị

Thông thường mỗi sinh viên/nhóm trình bày khoảng 10-15 phút, có thể chia ra các phần (6-7) để mỗi thành viên trình bày phần mình thực hiện hay hiểu sâu sắc nhất.

302

THIẾT LẬP MỘT DỰ ÁN THIẾT KẾ Yêu cầu: Thiết lập một dự án thiết kế một quá trình

công nghệ hóa học trong thực tế (lọc dầu, hóa dầu, chế biến khí, các quá trình hóa học)_Theo nhóm

Các bước thiết lập: Tạo lập và đánh giá vấn đề thiết kế Nghiên cứu, thiết kế sản phẩm cho quá trình Khởi tạo và phát triển quá trình thiết kế Xây dựng sơ đồ công nghệ và các chiến lược thiết kế

cụ thể (phản ứng, trao đổi nhiệt, phân tách hỗn hợp) Thiết kế điều khiển cho quá trình Mô phỏng tĩnh để đánh giá quá trình thiết kế (Hysys) Mô phỏng động (Khuyến khích) Ước tính cấu hình thiết bị, tối ưu hóa, tính toán kinh tế

(Khuyến khích)

304

HẠN NỘP BÀI DỊCH VÀ PROJECTNộp bản dịch tài liệu Tiếng Anh (Theo nhóm)

trước ngày 20/11/2013. Yêu cầu: Đánh máy file WORD hoặc PDF In nộp theo lớp, Lớp Trưởng tập hợp gửi lên

Bộ môn trước ngày quy định.Nộp Project trước ngày 25/11/2013. Yêu cầu: Đánh máy file WORD hoặc PDF In nộp theo lớp, Lớp Trưởng tập hợp gửi lên

Bộ môn trước ngày quy định. Bảo vệ trên lớp (PowerPoint)_Theo nhóm

305

THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

THE END

306

thiet ke qua trinh cong nghe hoa hoc (loc dau)_k54bhn.ppt

Documents