PHÂN TÍCH – TỔNG HỢP – THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHÂN TÍCH – TỔNG HỢP – THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
PHẦN 1. NGUYÊN LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
Mục đích của phần này là giới thiệu các công cụ cho phép hiểu, giải thích, tổng hợp
và thiết kế quá trình hóa học - các sơ đồ nguyên lý phổ biến được sử dụng để mô tả quá
trình hóa học, trong số đó quan trọng nhất là sơ đồ dòng cho qt (Process Flow Diagram,
PFD).
Trước tiên, những sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình công nghệ hóa học được giới
thiệu. Tiếp theo, đã đưa ra sự cải tiến và thiết lập những sơ đồ khác nhau cho mô tả
cùng một quá trình. Sau đó, đã trình bày cách đánh giá một quá trình gián đoạn, cũng
như phương pháp thiết kế một sản phẩm mới. Cuối cùng là những phân tích cho quá
trình đang họat động.

PHẦN 2. PHÂN TÍCH KINH TẾ - KỸ THUẬT CHO QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Để đánh giá tác động kinh tế của một quá trình cnhh đang họat động hay sẽ được
thiết kế đã đưa ra những thông tin kỹ thuật nhất định. Những thông tin kỹ thuật này, nói
chung, được.đưa ra ở dạng những sơ đồ kỹ thuật, như BFD (block flow diagram), PFD
(process flow diagram), P&I D (piping and instrumentation diagram).
Đã đưa ra phương pháp đánh gía tính kinh tế cho một quá trình cnhh trong mối liên
quan tới xây dựng và vận hành quá trình.

PHẦN 3. TỔNG HỢP VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Các vấn đề được đưa ra thảo luận là làm thế nào để thiết lập, mô phỏng và tối ưu
hóa một quá trình cnhh thông qua xây dựng sơ đồ dòng cho quá trình đó.
Trong phần này đã liệt kê những thông tin tối thiểu cần thiết để mô phỏng quá trình,
cũng như liệt kê những cơ sở để sử dụng công cụ mô phỏng quá trình.

PHẦN 4. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH HÓA HỌC


Trong 3 phần trước, vấn đề được thảo luận liên quan tới thiết kế, tổng hợp và tính
kinh tế của quá trình cnhh mới. Còn trong phần này, sẽ thảo luận các vấn đề liên quan

tới quá trình cnhh đang họat động.
Đã đưa ra phân tích về khả năng thay đổi họat động của thiết bị đó.

PHẦN 5 – TÁC ĐỘNG CỦA THIẾT KẾ TRONG KỸ THUẬT HÓA HỌC LÊN CỘNG ĐỘNG
Trong phần này, đã đề cập vấn đề tác động của việc thiết kế trong kỹ thuật hóa học
lên cộng đồng, tới môi trường, trong đó có nhấn mạnh vai trò của người kỹ sư thiết kế.

PHẦN 1. NGUYÊN LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC CỦA SƠ ĐỒ DÒNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP SƠ ĐỒ
DÒNG CHO QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Đã khảo sát qui trình thiết kế một quá công nghệ trình cnhh. Xuất phát điểm của qui
trình này là cấu trúc vào/ra của tất cả các quá trình. Từ xuất phát điểm đơn giản này mà
người kỹ sư có thể đánh giá biên lợi nhuận đối với các quá trình cạnh tranh, các quá
trình sử dụng các sơ đồ công nghệ khác nhau để sản xuất cùng một sản phẩm.
Tất cả các quá trình đều có cấu trúc vào/ra tương tự nhau. Tất cả các thiết bị sử dụng
trong qúa trình sản xuất có thể phân lọai theo 1 trong 6 thành phần của sơ đồ khối tổng
quát cho quá trình sản xuất.

CHƯƠNG 3. QÚA TRÌNH GIÁN ĐỌAN
Trong chương này, đã nên ra những xuất phát điểm mấu chốt liên quan tới quá trình
họat động gián đọan. Sự khác biệt chính giữa qt gián đoạn và liên tục là tính ổn định của
quá trình.
Điểm đáng chú ý trong chương này là nguyên tắc thiết lập thứ tự các công đọan để
sản xuất các sản phẩm khác nhau với số lượng thiết bị có hạn.


CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT HÓA CHẤT
Thiết kế quá trình sản xuất hóa chất bao gồm ứng dụng các nguyên lý kỹ thuật để tạo

ra những thiết bị mới, những hóa chất mới, quá trình mới để sản xuất các hóa chất, và
tạo ra quá trình công nghệ có thể thương mại hóa.
Các bước của qui trình thiết kế hóa chất đã được trình bày trong chương này. Vấn đề
nhu cầu của người tiêu dùng cũng đã được đề cập tới.

CHƯƠNG 5: XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG DỊCH CHUYỂN CỦA CÁC HÓA CHẤT
TRÊN CƠ SỞ SƠ ĐỒ DÒNG CỦA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Sơ đồ dòng của quá trình có thể được hiểu rõ hơn bằng cách theo dõi đường dịch
chuyển của các hóa chất chính xuyên suốt sơ đồ dòng. Trong chương này chỉ ra 2
phương pháp để thực hiện việc đó. Việc theo dõi này cho phép hiểu vai trò của từng
thiết bị trong hệ thống sản xuất hóa chất.

CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI CỦA QUÁ TRÌNH
Sau khi các mối liên kết (hay cấu trúc) trong sơ đồ dòng của quá trình được tìm hiểu,
thì cần tìm hiểu tại sao từng thiết bị trong hệ thống lại làm việc tại áp suất và nhiệt độ
xác định nào đó. Những lý do phải tạo ra những trạng thái như vậy đã được nói tới.

CHƯƠNG 1. CÁC SƠ ĐỒ GIẢI THÍCH CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Cách thức hiệu quả nhất để liên kết thông tin về một quá trình là cách sử dụng các sơ
đồ dòng.
Những sơ đồ kỹ thuật thường được các kỹ sư hóa chất sử dụng: sơ đồ khối cho dòng
(block flow diagram - BFD), sơ đồ dòng cho qt (process flow diagram - PFD), và sơ đồ
đường ống và tb đo (piping and instrumentation diagram - P&I D).

1.1.

Sơ đồ khối cho dòng (BFD)

Gồm có các khối biểu diễn các thiết bị hay các qúa trình cơ bản, được liên kết với
nhau bởi các dòng vào và các dòng ra. Thông tin quan trọng, như nhiệt độ và áp suất làm
việc, mức độ chuyển hóa và năng suất, được đưa ra trong sơ đồ cùng với các dòng và
thành phần của dòng. Tuy nhiên, sơ đồ khối cho dòng không chứa các thông tin về thiết
bị.
Sơ đồ khối cho dòng có 2 dạng. Dạng thứ nhất là sơ đồ xây dựng cho một qt. Ngược
lại, dạng thứ 2, sơ đồ khối có thể xây dựng cho cả một tổ hợp hóa chất gồm nhiều quá
trình khác nhau. Dạng thứ nhất sẽ được gọi ở đây là sơ đồ khối cho quá trình, còn dạng
thứ 2 – cho hệ thống.

1.1.1.

Sơ đồ khối cho dòng đối với quá trình

Xét ví dụ sản xuất Benzene đưa ra trong hình 1.1.

Sơ đồ khối cho cái nhìn rõ ràng về quá trình sản xuất benzene. Mỗi một khối trong sơ
đồ biểu diễn một chức năng của quá trình, và có thể, trong thực tế, bao gồm cả một số
thiết bị.
Dưới đây là những qui ước chung để xây dựng các khối:
1. Các công đoạn được biểu diễn bởi các khối.
2. Các dòng chính có các mũi tên chỉ chiều của dòng.
3. Các dòng nhẹ (khí) hướng từ dưới lên trên, các dòng nặng (lỏng và rắn) hướng
xuống dưới.
4. Nếu các dòng cắt nhau, khi đó các dòng nằm ngang sẽ được chỉ bằng các đọan
thẳng liên tục, còn csc dòng thẳng đứng sẽ biểu diễn bởi các đọan thẳng bị đứt.


5. Trong sơ đồ có thể có các thông tin về quá trình và CBVC dạng đơn giản hóa.
Sơ đồ chỉ ra trong hình 1.1 cho cảm nhận về quá trình. Sơ đồ khối cho dòng đối với

quá trình thường tạo ra xuất phát điểm để xây dựng sơ đồ dòng cho quá trình (PFD).

1.1.2.

Sơ đồ khối cho dòng đối với ht

Mỗi khối trong sơ đồ biểu diễn trọn vẹn một quá trình.
Ưu điểm của sơ đồ này là nó cho ta cái nhìn đầy đủ về họat động của hệ thống, và
thấy được tương tác giữa các quá trình. Mặt khác, để cho sơ đồ không quá rắc rối, chỉ có
lượng thông tin tối thiểu về từng quá trình cơ bản được cung cấp.
Những qui ước chung để xây dựng các khối trong sơ đồ, tương tự đối với sơ đồ khối
cho quá trình, cũng được đưa ra trong bảng 1.1.

1.2.

Sơ đồ dòng cho qt (PFD)

ơ đồ này chứa nhiều số liệu cần thiết cho thiết kế quá trình công nghệ hóa học. Có
thể có sự khác nhau trong thông tin về PFD cho cùng một sản xuất giữa các công ty.
Một sơ đồ PFD thương mại sẽ chứa những thông tin sau:
1. Tất cả những tb chính trong quá trình được biểu diễn cùng với mô tả về thiết bị,
trong đó có tên và số của thiết bị.
2. Tất cả các dòng sẽ được phân biệt bởi số hiệu, các thông số trạng thái và thành
phần hóa học của dòng. Những thông tin này, hoặc được đưa thẳng vào sơ đồ dòng,
hoặc được đưa vào bảng tổng kết kèm với sơ đồ dòng.
3. Trong sơ đồ cũng chỉ ra tất cả các dòng phụ trợ.
4. Hệ điều khiển biểu thị chiến lược điều khiển họat động bình thường cho quá
trình cũng được đưa ra trong sơ đồ dòng.
Những thông tin quan trọng được đưa ra trong sơ đồ dòng, còn lại – trong bảng tổng
hợp đi kèm.

Những thông tin cơ bản mà sơ đồ dòng cung cấp nằm trong số những nhóm thông
tin sau:
1. Liên kết (cấu trúc) trong quá trình
2. Thông tin về dòng


3. Thông tin về thiết bị

1.2.1.

Liên kết (cấu trúc) trong quá trình công nghệ hóa học

Hình 1.2 mô tả vị trí của những thiết bị chính, những liên kết giữa những thiết bị nhờ
những dòng công nghệ. Vị trí và cách kết nối giữa các thiết bị và các dòng của quá trình
được xem như liên kết (cấu trúc) trong quá trình.
Mỗi thiết bị được biểu diễn bởi một biểu tượng.


Trong hình 1.2, các số hiệu của các thiết bị cùng với tên ngắn gọn của thiết bị được
đặt ở phía trên của sơ đồ. Chỗ đặt số hiệu và tên thiết bị tương ứng với vị trí của thiết bị
tính theo chiều nằm ngang.

Ví dụ: Từ ký hiệu P-101A/B sẽ có được những thông tin sau:
-

đây là ký hiệu chỉ bơm;
bơm nằm ở vùng 100 của hệ thống;
số của bơm là 01 trong đơn vị 100;
có 2 bơm giống nhau: một bơm sẽ làm việc trong khi một bơm nghỉ
Từ hình 1.2 có thể thấy: bơm P101 là bơm tiếp liệu toluene

Ví dụ 1.1
Trong ví dụ này sẽ xem xét các vấn đề liên quan tới E-102 và vùng 100 của hệ thống
sản xuất đưa ra trong hình 1.2. E-102 được gọi là “thiết bị làm nguội dòng ra từ thiết bị


phản ứng”. dòng đi vào thiết bị làm nguội E-102 gồm những khí ngưng được và những
khí không ngưng được tại nhiệt độ 654°C . Tác nhân làm nguội là nước ở nhiệt độ 30°C.
Trạng thái này đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt phức tạp. Thêm vào đó, còn ghi
nhận được sự dao động mạnh về tổn thất áp suất theo thời gian trong thiết bị E-102,
làm cho việc điều khiển quá trình trở nên khó khăn. Do những khó khăn đó, đã đưa ra
khuyến cáo thay thế E-102 bằng 2 thiết bị trao đổi nhiệt riêng biệt. Thiết bị thứ nhất làm
nguội dòng khí đi ra khỏi thiết bị phản ứng và tạo ra hơi cần thiết cho họat động của hệ
thống. Thiết bị thứ hai sử dụng nước để hạ nhiệt độ của dòng ra xuống tới 38°C.

1.2.2.

Thông tin về dòng

Theo hình 1.2, mỗi một dòng của qt được đặc trưng bởi số hiệu ghi trong ô hình quả
trám đặt trên dòng đó. Hướng của dòng được chỉ ra bởi một hay một số mũi tên.
Trong sơ đồ dòng cũng chỉ ra những dòng và các thiết bị phụ trợ. Đó là các thiết bị
tạo ra điện năng, máy nén không khí, nước làm nguội, nước cho máy lạnh, hơi, thiết bị
tuần hòan nước ngưng, khí trơ để phủ hỗn hợp phản ứng, hệ thống thải hóa chất, hệ
thống xử lý nước thải, và các ống thải khí.


Thông thường, những thông tin về dòng cho trong bảng tổng kết (ví dụ: bảng 1.3) có
thể chia thành 2 nhóm: thông tin bắt buộc và thông tin có tính chất lựa chọn.

1.2.3 Thông tin về thiết bị
Phần cuối của PFD là bảng tổng hợp cho thiết bị. Bảng này cung cấp thông tin cần
thiết đối với đa số các thiết bị liên quan tới các quá trình (Bảng 1.5).


1.2.4 Xây dựng PFD trên cơ sở kết hợp các liên kết trong hệ thống với số liệu về các
dòng và chiến lược kiểm sóat quá trình
Dựa trên quan điểm này, trong sơ đồ PFD chỉ đưa ra lượng thông tin tối thiểu về quá
trình. Ví dụ về sơ đồ dòng cho quá trình sản xuất benzene được đưa ra trong hình 1.4.
Sơ đồ này chứa một số thông tin có trong bảng 1.4 cộng với thông tin bổ sung về những
hệ điều khiển chính sử dụng trong quá trình.


Thông tin về dòng được bổ sung bằng những “lá cờ thông tin”. Mỗi một lọai thông tin
tương ứng một kiểu “lá cờ”. Những “lá cờ thông tin” cung cấp những thông tin cần thiết
cho thiết kế và xây dựng hệ thống và cho phân tích các vấn đề về vận hành ht. Cờ sẽ
được đặt ở chỗ tương ứng với dòng mà nó mang thông tin. Một dòng công nghệ có thể
tương ứng với một hay nhiều cờ thông tin.


Bảng 1.4 đưa ra số liệu về các dòng, bảng 1.6 chứa các thông tin tổng hợp về các
thiết bị và máy móc, và hình 1.4 cùng nhau đưa các thông tin chứa trong sơ đồ PFD
thương mại.
Sơ đồ PFD là sơ đồ hữu ích đầu tiên trong thiết kế một hệ thống hay một quá trình
mới.
Để xây dựng hệ thống sản xuất cần nhiều bản vẽ bổ sung. Mọi thông tin cho công
việc đó có thể tìm thấy thông qua PFD.
PFD còn là tài liệu để đào tạo công nhân vận hành và kỹ sư mới.

1.3 Sơ đồ đường ống và dụng cụ đo
Sơ đồ này còn có tên gọi là sơ đồ cơ khí cho dòng (MFD), nó cung cấp thông tin cần
thiết cho các kỹ sư khi bắt đầu xây dựng hệ thống và chứa các thông tin về đặc tính cơ
khí của hệ thống, trừ các thông tin chứa trong bảng 1.7.


Mỗi một sơ đồ dòng PFD sẽ cần nhiều sơ đồ P&I D để cung cấp những số liệu cần
thiết.
Hình 1.6 là sơ đồ P&I D cho công đọan chưng cất benzene chỉ ra trong hình 1.4. Mỗi
một đường ống ứng với một số hiệu, và những đặc trưng của từng đường ống sẽ được
đưa ra trong bảng riêng đi kèm với sơ đồ P&I D. Trong một số trường hợp, kích thước
của những thiết bị lớn được phản ánh qua biểu tượng có trong sơ đồ.


Mọi thông tin về qt mà có thể đo được trong ht sẽ được chỉ ra trong P&I D bởi những
lá cờ hình vòng tròn. Lá cờ này chứa thông tin được ghi nhận và sử dụng trong hệ điều
khiển quá trình. Những lá cờ hình tròn trong sơ đồ cho biết thông tin được cung cấp ở
chỗ nào, cách lấy thông tin, và cách xử lý thông tin. Bảng 1.10 tổng kết những ký hiệu chỉ
dẫn thông tin liên quan tới dụng cụ đo và kiểm sóat quá trình.


Sơ đồ P&I D được thiêt lập ở giai đọan cuối của quá trình thiết kế và có vai trò như
tài liệu hướng dẫn cho những ai chịu trách nhiệm về giai đọan cuối của quá trình thiết kế
và thi công: Kỹ sư cơ khí và kỹ sư xây dựng; Kỹ sư điều khiển; Kỹ sư đường ống; Kỹ sư dự
án.


P&I D cũng được sử dụng để đào tạo những công nhân vận hành: điều chỉnh hay
thay đổi chất lượng họat động của hệ thống như đóng hay mở hay thay đổi vị trí của
van.

Từ sơ đồ BFD, đến sơ đồ PFD, và cuối cùng đến sơ đồ P&I D có sự bổ sung thông tin
liên tục. Xét vấn đề này qua công đọan chưng benzene:
1.
2.

3.

Sơ đồ khối cho dòng (BFD, hình 1.1): tháp chưng cất được minh họa bởi một
khối trong số ba khối mô tả tòan bộ công đoạn chưng cất;
Sơ đồ dòng cho quá trình (PFD, hình 1.4): tháp chưng cất được minh họa như
tập hợp nối tiếp nhau của các thiết bị riêng biệt: tháp chưng cất, thiết bị ngưng
tụ, thiết bị chứa lỏng hồi lưu, thiết bị đun sôi đáy tháp, bơm lỏng hồi lưu và hệ
điều khiển.
Sơ đồ đường ống và dụng cụ đo (P&I D, hình 1.6): tháp chưng cẩt được minh
họa như một sơ đồ trong đó chứa chi tiết bổ sung như kích thước đường ống,
các dòng phụ trợ, những ống lấy mẫu….