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

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
Yếu tố

Năng suất
Khả năng
thanh
khỏan/chất
lượng sản
phẩm

Ưu/Nhược điểm
của quá trình gián đọan
Thích hợp cho năng suất nhỏ (kích
thước của thiết bị, vấn đề dịch
chuyểnhóa chất từ thiết bị sang
thiết bị)
Thích hợp khi cần kiểm tra và
chứng nhận chất lượng sản phẩm
từng mẻ

Tính linh họat Thông thường, một thiết bị có thể
trong
họat sử dụng để tiến hành nhiều công
động
đọan khác nhau.

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.
Đòi hỏi sự sắp đặt và kiểm sóat
(điều khiển) nghiêm ngặt. Thiết bị
Hiệu
quả đó không thể được tối ưu hóa cho
họat
động sản xuất riêng một sản phẩm nào
của quá trình 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
Nhân
công Chi phí cho nhân công vận hành

Ưu/Nhược điểm
của quá trình liên tục
Thích hợp cho năng suất lớn.

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

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 được thiết kế để thích
hợp cho sản xuất một hay một số
ít sản phẩm khác nhau.

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.

Đối với cùng một sản xụất thì chi


bảo dưỡng và trong hệ thống gián đọan chuẩn
vận hành
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”
Khả năng
Khi nguồn nguyên liệu khan hiếm,
cung ứng

ví dụ do tính chất thời vụ, thì quá
nguyên liệu
trình gián đọan sẽ thích hợp hơn.
(sản xuất đồ hộp và rượu).

Nhu cầu sản
phẩm

Tốc độ phản
ứng tạo sản
phẩm

Vệ sinh thiết
bị

Vấn đề an
tòan
trong
sản xuất

Điều
(kiểm

khiển
sóat)

phí vận hành cho quá trình liên
tục sẽ thấp hơn

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.
Những nhu cầu mang tính thời vụ Khó sản xuất những sản phẩm
có thể dễ dàng giải quyết, bởi vì khác ngòai thời gian mùa vụ.
hệ thống gián đọan rất linh họat,
có thể sản xuất vào những thời
gian ngòai những lúc nhu cầu thời
vụ cao.
thích hợp cho phản ứng có tốc độ Phản ứng rất chậm đòi hỏi thiết
thấp tức là có thời gian lưu lớn. Ví bị rất lớn. Vận tốc dòng qua thiết
dụ quá trình lên men, quá trình bị sẽ rất nhỏ, và việc phân bố
xử lý nước thải theo phương hỗn hợp phản ứng trong thiết bị
pháp hiếu khí và kỵ khí , và các là cả một vấn đề nếu đòi hỏi độ
quá trình sinh học khác.
chuyển hóa cao và chế độ ngược
chiều được đặt ra.
Khi mà thiết bị hay bị đóng cặn thì Hiện tượng đóng cặn đáng kể
quá trình gián đọan thích hợp trong quá trình liên tục là vấn đề
hơn, bởi vì việc vệ sinh thiết bị là nghiêm trọng và khó giải quyết.
công đọan chuẩn hóa trong quá Có thể sử dụng 2 thiết bị giống
trình gián đọan
nhau để giải quyết vấn đề
Nói chung, công nhân phải tiếp Hệ thống lớn họat động liên tục
xúc nhiều hơn với hóa chất, lỗi có mức độ an tòan cao. Những
vận hành sẽ nhiều hơn. Việc đào qui trình họat động an tòan

tạo liên quan tới phơi nhiễm hóa được thiết lập một cách chu đáo.
chất và vận hành thiết bị là tối cần Việc đào tạo công nhân vận hành
thiết.
vẫn là thiết yếu.
Quá trình gián đọan thường sử Nói chung, điều khiển (kiểm
dụng cùng một thiết bị để thực sóat) quá trình liên tục sẽ dễ


quá trình hay hiện các công đọan khác nhau, và
hệ thống
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:
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.
1.


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.

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.
2.
3.
4.
5.
6.

Bộ phận chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị phản ứng
Thiết bị phản ứng
Bộ phận chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị phân riêng
Thiết bị phân riêng
Tuần hòan dòng
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

2.

3.
4.
5.

tạo sản phẩm phụ, khi đó không cần tách chúng trước khi đưa nguyên liệu vào
quá trình.
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.
Nếu tạp chất đóng cặn hay gây độc cho chất xúc tác, khi đó cần tinh chế dòng
nguyên liệu.
Nếu tạp chất phản ứng tạo ra các sản phẩm độc hại khó tách, khi đó cần tinh chế
dòng nguyên liệu.
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.