Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chất dẻo và vật liệu cao phân tử giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế hiện đại. Trong nhóm nhựa nhiệt rắn, nhựa polyester không no (Unsaturated Polyester Resin - UPE) là vật liệu nền chủ đạo cho các sản phẩm composite gia cường sợi thủy tinh (FRP), ứng dụng rộng rãi trong các kết cấu chịu lực, chống ăn mòn, chế tạo tàu thuyền hàng hải, bồn bể hóa chất, vật liệu xây dựng và phụ tùng giao thông vận tải.

Tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ UPE rất lớn nhưng nguồn cung hoàn toàn phụ thuộc vào nhập khẩu từ các thị trường Đông Bắc Á như Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản. Năng lực tự chủ sản xuất trong nước gặp trở ngại do thiếu các thiết kế công nghệ và phân xưởng phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật và nhân lực nội địa.

Đề tài "Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa Polyester không no, công suất 500 tấn/năm" do sinh viên Nguyễn Đức Anh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Châu Giang tại Trường Hóa và Khoa học Sự sống – Đại học Bách Khoa Hà Nội nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một cơ sở sản xuất UPE quy mô công nghiệp.

Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về tổng hợp, đóng rắn và ứng dụng của nhựa UPE; phân tích tình hình thị trường trong nước và quốc tế.
  2. Lựa chọn dây chuyền công nghệ và đơn phối liệu tối ưu theo phương pháp tổng hợp hai giai đoạn.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ quy trình sản xuất theo mẻ.
  4. Tính toán thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng chính (Reactor) và các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ, thiết bị pha loãng/mixer, bồn chứa, thùng lường).
  5. Thiết kế tổng mặt bằng phân xưởng, tính toán nhu cầu phụ tải điện - nước, hạch toán kinh tế và đề xuất các giải pháp an toàn lao động, bảo vệ môi trường.

Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ tổng hợp nhựa UPE và hệ thống thiết bị phân xưởng công suất 500 tấn/năm. Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 24/10/2022 đến ngày 26/02/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết hóa học và công nghệ polyme

Quá trình tổng hợp nhựa UPE bản chất là phản ứng trùng ngưng giữa các axit cacboxylic đa chức (hoặc anhydride axit) với các ancol đa chức (glycol), trong đó có chứa liên kết đôi không no $C=C$. Nhựa UPE gốc sau đó được hòa tan trong monome hoạt tính (Styrene) đóng vai trò là chất pha loãng và chất tạo liên kết ngang khi đóng rắn.

Hệ thống nguyên liệu chính được xác định theo tỷ lệ mol phối liệu: $$\text{EG} : \text{PG} : \text{AM} : \text{AP} : \text{AA} = 2 : 1 : 3 : 2 : 0{,}3$$

Trong đó:

  • Ethylene Glycol (EG) ($M = 62\text{ g/mol}$, $\rho = 1110\text{ kg/m}^3$) và 1,2-Propylene Glycol (PG) ($M = 76\text{ g/mol}$, $\rho = 1040\text{ kg/m}^3$): Thành phần diol; PG giúp giảm độ kết tinh và tăng độ tương hợp với Styrene.
  • Anhydric Maleic (AM) ($M = 98\text{ g/mol}$, $\rho = 1480\text{ kg/m}^3$): Anhydride axit không no, cung cấp liên kết đôi $C=C$ để phục vụ phản ứng đóng rắn.
  • Anhydric Phtalic (AP) ($M = 148\text{ g/mol}$, $\rho = 1530\text{ kg/m}^3$) và Anhydric Adipic (AA) ($M = 128\text{ g/mol}$, $\rho = 1183\text{ kg/m}^3$): Anhydride axit no; AP giúp duy trì độ cứng, giảm mật độ nối đôi; AA tăng tính đàn hồi và độ bền uốn của mạch polyme.
  • Styrene ($M = 104\text{ g/mol}$, $\rho = 909\text{ kg/m}^3$): Monome đồng trùng hợp gốc tự do.
  • Phụ gia: Hydroquinone (hàm lượng 0,01%) làm chất ức chế ngăn ngừa gel hóa sớm; Xylen đóng vai trò dung môi tạo hỗn hợp đẳng phí với nước nhằm lôi cuốn hơi nước ra khỏi hệ phản ứng; khí Nitơ ($N_2$) bảo vệ môi trường phản ứng không có oxy.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

Đồ án sử dụng phương pháp tính toán kỹ thuật quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất:

  • Tính toán cân bằng vật chất: Thiết lập dựa trên định mức phối liệu, hiệu suất phản ứng đa tụ (90,5%), lượng dịch ngưng tách ra (9,5%) và tỷ lệ hao hụt khi nạp/tháo liệu (0,5%).
  • Tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Áp dụng các tiêu chuẩn tra cứu từ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 2) để xác định đường kính, chiều cao, chiều dày thân trụ, nắp đáy elip, bích nối, tai treo, công suất cánh khuấy và vỏ áo truyền nhiệt chịu áp lực.

Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ

Quy trình sản xuất nhựa UPE của phân xưởng được thiết kế vận hành gián đoạn theo phương pháp 2 giai đoạn:

Bước thực hiện Nhiệt độ vận hành Thiết bị Nội dung công nghệ và thông số kiểm soát
1. Nạp glycol và gia nhiệt sơ bộ $25^\circ\text{C} \rightarrow 80^\circ\text{C}$ Nồi phản ứng (Reactor) Bơm định lượng nạp EG và PG từ thùng lường vào nồi. Bật cánh khuấy tốc độ $650\text{ vòng/phút}$, sục khí $N_2$ đuổi oxy, gia nhiệt vỏ áo bằng dầu tải nhiệt lên $80^\circ\text{C}$.
2. Nạp anhydride axit $80^\circ\text{C} \rightarrow 160^\circ\text{C}$ Vít xoắn, Phễu đáy rung, Reactor Nạp AM, AP, AA dạng rắn từ bunket đáy rung qua trục vít xoắn vào nồi. Nâng nhiệt $90 - 160^\circ\text{C}$ để nóng chảy hoàn toàn. Bổ sung xúc tác $0{,}1 - 0{,}2%$.
3. Tiền ngưng tụ (Giai đoạn 1) $160^\circ\text{C} \rightarrow 190^\circ\text{C}$ Reactor, Bộ ngưng tụ Deflegmator Nâng nhiệt tạo monoester, giữ ở $190^\circ\text{C}$ trong 1 giờ. Glycol bay hơi được ngưng tụ hồi lưu qua deflegmator. Thổi khí $N_2$ liên tục.
4. Đa tụ sâu (Giai đoạn 2) $190^\circ\text{C} \rightarrow 210^\circ\text{C}$ Reactor, Bộ ngưng tụ, Tách nước Nâng nhiệt lên $210^\circ\text{C}$ để ngưng tụ monoester thành polyester. Dùng Xylen lôi cuốn đẳng phí để tách nước triệt để. Lấy mẫu đo chỉ số axit định kỳ; dừng phản ứng khi chỉ số axit đạt $25 - 30\text{ mg KOH/g}$.
5. Làm nguội và pha loãng $210^\circ\text{C} \rightarrow 80^\circ\text{C}$ Thiết bị pha loãng (Mixer) Xả nhựa UPE gốc xuống thiết bị pha loãng, làm nguội bằng áo nước lạnh xuống $80^\circ\text{C}$ trong 1 giờ.
6. Trộn hợp Styrene $80^\circ\text{C}$ Thiết bị pha loãng (Mixer) Nạp Styrene từ thùng lường (tỷ lệ nhựa gốc / Styrene = 65 / 35) cùng $0{,}01%$ Hydroquinone. Khuấy trộn đồng nhất trong 1 giờ rồi chuyển sang bồn chứa thành phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Tổng quan về nhựa Polyester không no (UPE)

Chương này tổng kết lịch sử phát triển từ thí nghiệm đầu tiên của Berzelius (1847), Vorländer (1894), Carothers (những năm 1920) đến phát minh đột phá của Carleton Ellis (1937) khi kết hợp monome Styrene giúp tăng tốc độ đồng trùng hợp lên 20 - 30 lần.

Tác giả phân loại UPE theo cấu trúc phân tử (nhựa Orthophtalic, Isophtalic, Bisphenol A fumarates) và theo tính năng sử dụng (độ co ngót thấp, đàn hồi, bền hóa chất, chịu nhiệt - chống cháy). Đồng thời, chương 1 trình bày chi tiết cơ chế phản ứng đóng rắn gốc tự do (khơi mào, phát triển mạch, ngắt mạch) dưới tác dụng của chất khơi mào peroxide (MEKP, BPO) và hệ xúc tiến muối Coban.

Chương 2: Tính toán kĩ thuật

Chương 2 tập trung tính toán định lượng cho toàn bộ phân xưởng:

  • Chế độ làm việc và năng suất:

    • Thời gian làm việc trong năm: $365 - 104\text{ (nghỉ cuối tuần)} - 12\text{ (lễ tết)} - 7\text{ (bảo dưỡng)} = 242\text{ ngày/năm}$.
    • Năng suất ngày: $\frac{500\text{ tấn}}{242\text{ ngày}} = 2{,}07\text{ tấn/ngày}$ ($2070\text{ kg/mẻ}$).
    • Chu kỳ một mẻ: $24\text{ giờ}$ (Gia nhiệt ban đầu: $1\text{ h}$; Phản ứng: $16\text{ h}$; Trộn pha loãng: $4\text{ h}$; Nạp liệu và thao tác phụ: $3\text{ h}$).

  • Cân bằng vật chất cho một mẻ sản xuất ($2070\text{ kg}$ thành phẩm UPE):

    • Khối lượng riêng hỗn hợp nguyên liệu: $\rho_{hh} = 1388\text{ kg/m}^3$.
    • Tỷ lệ thành phẩm: $1350\text{ kg}$ nhựa UPE gốc và $724\text{ kg}$ monome Styrene.
Hạng mục dòng vào Khối lượng (kg) Hạng mục dòng ra Khối lượng (kg)
1. Hỗn hợp Glycol 361,56 Mất mát khi nạp 1,81
- Ethylene Glycol (EG) 224,22 Mất mát khi tháo nhựa 1,42
- 1,2-Propylene Glycol (PG) 137,34 Dịch ngưng tụ tách ra 141,33
2. Hỗn hợp Anhydride 1137,00 Mất mát anhydride 3,00
- Anhydric Maleic (AM) 531,56 Nhựa UPE gốc thu được 1350,00
- Anhydric Phtalic (AP) 535,15 (Pha loãng với Styrene) (+ 724,00)
- Anhydric Adipic (AA) 70,29 (Chất ổn định Hydroquinone) (0,01%)
Tổng nguyên liệu nạp 1498,56 Tổng sản phẩm UPE mẻ 2070,00

  • Tính toán cơ khí thiết bị phản ứng chính (Reactor):

    • Vật liệu chế tạo: Thép không gỉ Inox SUS 304 có giới hạn chảy $\sigma_c = 205\text{ MPa}$, giới hạn bền kéo $\sigma_k = 750\text{ MPa}$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 136{,}67\text{ MPa}$.
    • Thể tích nạp liệu: $V' = 1{,}1\text{ m}^3$; Hệ số chứa đầy: $\alpha = 0{,}8 \rightarrow$ Thể tích toàn phần của nồi: $V = 1{,}38\text{ m}^3$.
    • Kích thước hình học: Đường kính trong $D_t = 900\text{ mm}$; Chiều cao nắp và đáy elip $h_2 = 265\text{ mm}$ ($V_d = 0{,}121\text{ m}^3$); Chiều cao phần thân trụ $h_1 = 1{,}5\text{ m}$; Tổng chiều cao thiết bị $H_m = 2{,}03\text{ m}$.
    • Áp suất tính toán: Áp suất dầu truyền nhiệt $P_{mt} = 3{,}04 \times 10^5\text{ N/m}^2$, áp suất thủy tĩnh $P_1 = 27641\text{ N/m}^2 \rightarrow P = 3{,}3 \times 10^5\text{ N/m}^2$.
    • Chiều dày thân trụ: Chiều dày tính toán $\delta_1 = 2{,}5\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $\delta_1 = 4\text{ mm}$ (với hệ số bổ sung ăn mòn $C = 1{,}4\text{ mm}$, hệ số bền mối hàn $\phi_h = 0{,}95$).
    • Chiều dày đáy elip: Chiều dày tính toán $\delta_2 = 2{,}55\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $\delta_2 = 4\text{ mm}$. Ứng suất thành thiết bị khi thử thủy lực tại $P_0 = 5{,}1 \times 10^5\text{ N/m}^2$ đạt $\sigma = 102{,}5\text{ MPa} < 170{,}83\text{ MPa}$ (thỏa mãn điều kiện bền).
    • Vỏ áo gia nhiệt: Bằng Inox SUS 304, bề rộng khoang áo dầu $d = 70\text{ mm}$, đường kính trong vỏ áo $D'_t = 1048\text{ mm}$.

  • Tính toán các thiết bị phụ trợ: Thiết bị ngưng tụ hồi lưu deflegmator; Thiết bị pha loãng (Mixer) có áo làm lạnh nước; Hệ thống bồn chứa và thùng lường cho PG, EG, Styrene.

Chương 3: Xây dựng

Nội dung chương 3 trình bày các căn cứ lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy gần các trung tâm tiêu thụ công nghiệp và hệ thống giao thông thuận tiện; bố trí tổng mặt bằng phân xưởng sản xuất chính, kho nguyên liệu - thành phẩm, khu xử lý kỹ thuật phụ trợ; xác định kích thước các hạng mục công trình xây dựng công nghiệp đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật.

Chương 4: Tính toán điện - nước

Tính toán nhu cầu năng lượng phục vụ vận hành:

  • Phụ tải điện: Điện năng dùng cho hệ thống chiếu sáng phân xưởng và văn phòng; điện năng động lực dẫn động các động cơ cánh khuấy, bơm định lượng, máy nén khí, vít xoắn cấp liệu.
  • Nhu cầu cấp - thoát nước: Lượng nước làm mát tuần hoàn cho thiết bị ngưng tụ và vỏ áo thiết bị pha loãng; lượng nước phục vụ sinh hoạt của cán bộ công nhân viên.

Chương 5: Tính toán kinh tế

Xác định các chỉ tiêu kinh tế - tài chính của dự án thiết kế:

  • Dự toán tổng mức đầu tư (vốn cố định xây dựng và mua sắm máy móc thiết bị; vốn lưu động phục vụ tồn trữ nguyên vật liệu).
  • Xác định định mức lao động và quỹ lương cho các ca vận hành.
  • Tính toán giá thành đơn vị sản phẩm nhựa UPE và ước tính thời gian thu hồi vốn đầu tư của phân xưởng.

An toàn lao động

Phân tích các yếu tố nguy hại đặc trưng trong phân xưởng sản xuất hóa chất polyme:

  • Độc tính và giới hạn tiếp xúc của hơi monome Styrene, glycol và bụi anhydride axit.
  • Biện pháp phòng chống cháy nổ cho khu vực lưu trữ dung môi và hệ thống gia nhiệt dầu tải nhiệt ở nhiệt độ cao ($210^\circ\text{C}$).
  • Giải pháp thông gió công nghiệp, xử lý khí thải thoát ra từ bộ ngưng tụ và trang bị phương tiện bảo vệ cá nhân cho công nhân vận hành.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đồ án

  • Hoàn thiện bộ thuyết minh tính toán công nghệ cho phân xưởng sản xuất nhựa UPE đạt công suất $500\text{ tấn/năm}$, vận hành $242\text{ ngày/năm}$ với chu kỳ $24\text{ giờ/mẻ}$ (năng suất $2070\text{ kg/mẻ}$).
  • Thiết lập đầy đủ bảng cân bằng vật chất và xác định tỷ lệ phối liệu tối ưu ($EG:PG:AM:AP:AA = 2:1:3:2:0{,}3$), tỷ lệ pha loãng nhựa gốc / Styrene đạt $65/35$.
  • Hoàn thành thiết kế cơ khí chi tiết cho thiết bị phản ứng chính Reactor thể tích $1{,}38\text{ m}^3$ bằng vật liệu SUS 304, đường kính $900\text{ mm}$, chiều cao $2{,}03\text{ m}$, chiều dày thân và đáy $4\text{ mm}$, vỏ áo gia nhiệt dầu $1048\text{ mm}$.
  • Hoàn thành 03 bản vẽ kỹ thuật khổ A3:
    1. Bản vẽ Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất nhựa UPE.
    2. Bản vẽ Thiết bị phản ứng chính (Reactor).
    3. Bản vẽ Tổng mặt bằng sản xuất chính của phân xưởng.

Đóng góp thực tiễn

Đồ án cung cấp một tài liệu thiết kế công nghệ hệ thống hoàn chỉnh từ lý thuyết phản ứng, cân bằng vật chất, tính toán thiết bị áp lực đến bố trí mặt bằng và an toàn công nghiệp, làm cơ sở định hướng cho việc triển khai các dây chuyền sản xuất nhựa composite trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thông số tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên lý thuyết truyền khối, truyền nhiệt và tra cứu sổ tay kỹ thuật công nghệ hóa chất, chưa trải qua quá trình kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình pilot thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Đồ án kỳ vọng vào sự phát triển của các tổ hợp lọc hóa dầu nội địa (như Lọc hóa dầu Dung Quất) để tiến tới tự chủ hoàn toàn nguồn nguyên liệu monome và axit hữu cơ trong nước, từ đó thử nghiệm vận hành quy mô bán công nghiệp nhằm tối ưu hóa chế độ nhiệt và hệ xúc tác.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu Polyme - Compozit: Tham khảo phương pháp tính toán cân bằng vật chất phản ứng đa tụ gián đoạn, cơ chế tổng hợp UPE và quy trình công nghệ 2 giai đoạn.
  • Kỹ sư thiết kế Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất: Tham khảo quy trình tính toán cơ khí thiết bị phản ứng có cánh khuấy và vỏ áo truyền nhiệt chịu áp lực theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng được thiết kế với công suất và chế độ làm việc hàng năm như thế nào?
Phân xưởng có công suất $500\text{ tấn/năm}$, làm việc $242\text{ ngày/năm}$ (nghỉ 104 ngày cuối tuần, 12 ngày lễ tết, 7 ngày bảo dưỡng). Quy trình sản xuất gián đoạn theo mẻ với chu kỳ $24\text{ giờ/mẻ}$, đạt năng suất $2{,}07\text{ tấn/ngày}$ ($2070\text{ kg thành phẩm/mẻ}$).

2. Tỷ lệ phối liệu và thành phần nguyên liệu cho một mẻ sản xuất UPE là bao nhiêu?
Tỷ lệ mol phối liệu là $\text{EG} : \text{PG} : \text{AM} : \text{AP} : \text{AA} = 2 : 1 : 3 : 2 : 0{,}3$. Mỗi mẻ nạp $1498{,}56\text{ kg}$ nguyên liệu ban đầu (gồm $361{,}56\text{ kg}$ hỗn hợp Glycol và $1137\text{ kg}$ hỗn hợp Anhydride) để tạo ra $1350\text{ kg}$ nhựa UPE gốc, sau đó phối trộn với $724\text{ kg}$ Styrene (tỷ lệ nhựa gốc/Styrene là 65/35) và $0{,}01%$ Hydroquinone để thu được $2070\text{ kg}$ thành phẩm.

3. Thiết bị phản ứng chính (Reactor) có các thông số kích thước cơ khí nào?
Reactor được chế tạo bằng thép không gỉ SUS 304, thể tích toàn phần $1{,}38\text{ m}^3$ (hệ số chứa đầy $\alpha = 0{,}8$). Đường kính trong $D_t = 900\text{ mm}$, chiều cao thân trụ $h_1 = 1{,}5\text{ m}$, nắp và đáy elip cao $h_2 = 265\text{ mm}$, tổng chiều cao thiết bị $H_m = 2{,}03\text{ m}$. Chiều dày thân và đáy elip quy chuẩn là $4\text{ mm}$. Đường kính trong vỏ áo gia nhiệt là $1048\text{ mm}$.

4. Điều kiện dừng phản ứng đa tụ trong nồi phản ứng được xác định bằng chỉ số nào?
Phản ứng đa tụ sâu ở giai đoạn 2 được duy trì ở nhiệt độ $210^\circ\text{C}$ kết hợp tách nước đẳng phí bằng Xylen. Quá trình được theo dõi bằng cách lấy mẫu định kỳ và dừng lại khi chỉ số axit của khối phản ứng giảm xuống đạt mức $25 - 30\text{ mg KOH/g nhựa}$.

5. Vì sao quy trình công nghệ lựa chọn phương pháp tổng hợp 2 giai đoạn thay vì 1 giai đoạn?
Phương pháp 2 giai đoạn cho phép khống chế chế độ nhiệt tốt hơn, hạn chế sự bay hơi thất thoát của các cấu tử glycol ở nhiệt độ cao, kiểm soát cấu trúc mạch polyme đồng đều hơn và nâng cao tính chất cơ lý của sản phẩm UPE so với phương pháp 1 giai đoạn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đức Anh đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho phân xưởng sản xuất nhựa polyester không no công suất 500 tấn/năm theo phương pháp hai giai đoạn. Các kết quả tính toán công nghệ, cân bằng vật chất, thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng SUS 304 và bố trí hệ thống phụ trợ đều bám sát tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học. Bản thiết kế là tài liệu học thuật và kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo và nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu Polyme – Compozit.