Thiet ke qua trinh ky thuat hoa hoc LHD

1

THIẾT KẾ
QUÁ TRÌNH KỸ THUẬT HÓA HỌC
Chemical Process Design

Giảng viên: Phạm Trung Kiên


2

NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN


Tổng quan về thiết kế quá trình công nghệ hóa học



Thiết kế cấu trúc phân tử



Khởi tạo quá trình thiết kế



Mô phỏng để khởi tạo quá trình



Tính toán thử nghiệm cho tổng hợp quá trình



Nguyên liệu thô và phản ứng hóa học



Phân bố các chất hóa học



Hoạt động phân tách, loại bớt nhiệt và thêm nhiệt phản
ứng



Thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt



Phương pháp tăng giảm áp suất


3

NỘI DUNG MÔN HỌC THIẾT KẾ QTCN


Thiết kế hệ thống thiết bị phản ứng



Tính toán, thiết kế hệ thống phân tách



Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt



Tối ưu hóa quá trình



Thiết kế quá trình và điều khiển



Tính toán kinh tế, ước tính cấu hình thiết bị, lựa chọn
thiết bị, vật liệu



Báo cáo quá trình thiết kế



Thiết lập một dự án thiết kế



Bảo vệ dự án thiết kế


4

GIÁO TRÌNH & TÀI LIỆU THAM KHẢO
 Product and Process Design Principles. Warren D.Seider,
J.D.Seader, Daniel R.Lewin
 Plan Design and Economics for Chemical Engineers. Max S. Peters,
Klaus D. Timmerhaus, Roland E. West
 Chemical Process Design: Computer - Aided Case Studies.
Alexandre C.Dimian, Costin Sorin Bildea
 Chemical Process Equipment: Selection and Design. Stanley
M.Walas
 Chemical Engineering Design Project. Martyn S.Ray, David
W.Johnston
 Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants.
Ernest E.Ludwig
 Conceptual Design of Chemical Process. James M. Douglas


5

YÊU CẦU VÀ ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC
Trao đổi, thảo luận (C1)
Đi học đầy đủ (C2)
Tiểu luận/Bảo vệ (B1)_Theo nhóm
Điểm giữa kỳ (B2)_Kiểm tra 15-20 phút
Bài tập thực hành (B3 )

Thi cuối kỳ (A)


6

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


7

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


8

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
 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,…


9

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.


10

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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,…


11

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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.


12

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, mà là các phương pháp phải sáng tạo, tạo ra
quá trình và sản phẩm nhiều lợi nhuận, an toàn và
bảo vệ môi trường.


13

CHI TIẾT XEM TRANG 7PRODUCT AND PROCESS
DESIGN PRINCIPLES


14

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 (R&D).


15

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.


16

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
 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.

17

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
 Nghiên cứu tài liệu
 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.


18

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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,…


19

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
 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,…


20

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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,…)


21

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
 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.

22

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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.


23

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
 Ước tính cấu hình thiết bị, tối ưu hóa, thiết kế sản
phẩm theo yêu cầu
 Sử dụng các công cụ mô phỏng và thuật toán cụ thể
(MatLab, Fluent, Hysys, Aspen Plus,…)
 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,…


24

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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,…


25

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ
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