Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Trong cấu trúc ngành công nghiệp vật liệu, công nghệ hợp chất cao phân tử giữ vai trò thiết yếu khi các loại vật liệu polymer dần thay thế kim loại và vật liệu truyền thống nhờ các đặc tính: khối lượng riêng thấp (tỷ trọng từ 0,8 đến 1,5 g/cm³), độ bền cơ học riêng cao, khả năng cách âm, cách nhiệt, cách điện và dễ gia công tạo hình. Trong số các loại nhựa nhiệt dẻo, Polyvinyl Clorua (PVC) là sản phẩm chiếm sản lượng và mức tiêu thụ lớn thứ ba trên thế giới, chỉ xếp sau Polyetylen (PE) và Polypropylen (PP).

Khác với các polymer tổng hợp hoàn toàn từ dầu mỏ (vốn chỉ chiếm khoảng 14,5% tổng sản lượng dầu thô tiêu thụ dưới dạng phân đoạn naphta, trong khi 85% dành cho nhiên liệu vận tải và nhiệt điện), PVC có tới gần 60% khối lượng phân tử monome ($C_2H_3Cl$) cấu thành từ nguyên tố clo thu được qua quá trình điện phân muối ăn ($NaCl$). Do đó, để sản xuất PVC chỉ cần dưới 3% tổng sản lượng dầu mỏ tiêu thụ, giúp giá thành hạt nhựa PVC thường xuyên thấp hơn từ 20% đến 30% so với PE, PP và PS, đồng thời sở hữu khả năng kìm hãm sự cháy tự nhiên.

Tại Việt Nam, ngành nhựa từng phụ thuộc hoàn toàn vào hàng hóa nhập khẩu sau khi dây chuyền thử nghiệm công nghệ đất đèn công suất 350 - 500 tấn/năm tại Nhà máy Hóa chất Việt Trì phải dừng hoạt động. Đến giai đoạn 2010 - 2012, thị trường trong nước vẫn phải nhập khẩu từ 70% đến 80% nguyên liệu hạt nhựa (năm 2010 kim ngạch nhập khẩu đạt 3,7 tỷ USD, toàn ngành nhập siêu trên 2 tỷ USD). Hai cơ sở sản xuất PVC nội địa thời điểm đó là Công ty Liên doanh TPC Vina và Công ty Nhựa & Hóa chất Phú Mỹ đạt tổng công suất hơn 200.000 tấn/năm, nhưng 30% sản lượng dùng cho xuất khẩu, không đáp ứng đủ mục tiêu nhu cầu bột nhựa PVC trong nước (dự báo đạt 500.000 tấn/năm vào năm 2010 theo Bộ Công thương). Trước bối cảnh phát triển của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất cùng các quy hoạch lọc hóa dầu Nghi Sơn và Cụm Hóa dầu Miền Nam theo Quyết định 343/2005/QĐ-TTg và Quyết định 386/2006/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, đề tài "Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa Polyvinyl Clorua năng suất 45000 tấn/năm" được xây dựng nhằm cung cấp giải pháp công nghệ gia tăng nguồn cung bột nhựa nội địa.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định cụ thể theo các văn bản giao việc:

  1. Các số liệu kỹ thuật ban đầu:
    • Năng suất thiết kế: 45.000 tấn sản phẩm/năm.
    • Thành phần nguyên liệu đầu vào: Vinylclorua ($C_2H_3Cl$) đạt độ tinh khiết 99,96%, nước công nghiệp đã xử lý tạp chất, cùng hệ chất phụ gia và xúc tác.
    • Tiêu chuẩn sản phẩm đầu ra: Bột nhựa PVC có độ ẩm 0,3%.
    • Mức độ chuyển hóa monome mỗi chu kỳ phản ứng: 85%.
    • Định mức tổn thất Vinylclorua monome (VCM) trong công đoạn chuẩn bị và phản ứng: 0,35%.
    • Định mức tổn thất PVC qua các quá trình trung gian sau trùng hợp: 3,3%.
  2. Nội dung tính toán và thuyết minh:
    • Tổng quan về lý thuyết polymer, tính chất PVC và hiện trạng ngành công nghiệp nhựa.
    • Đánh giá, so sánh và lựa chọn dây chuyền công nghệ sản xuất PVC thích hợp.
    • Lập bảng tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho toàn hệ thống.
    • Thiết kế cơ khí chi tiết thiết bị phản ứng chính và tính toán lựa chọn thiết bị phụ trợ.
    • Quy hoạch tổng mặt bằng, địa điểm xây dựng và thiết lập các biện pháp an toàn lao động, xử lý môi trường.
    • Lập bài toán kinh tế xác định chi phí sản xuất, giá thành sản phẩm và thời gian hoàn vốn đầu tư.
  3. Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật:
    • 01 bản vẽ sơ đồ dây chuyền công nghệ (khổ A3).
    • 01 bản vẽ kết cấu thiết bị phản ứng chính (khổ A3).

Đối tượng nghiên cứu là phân xưởng sản xuất nhựa Polyvinyl Clorua phẩm cấp K-66 bằng phương pháp trùng hợp huyền phù gián đoạn. Phạm vi số liệu khảo sát thị trường và công nghệ được cập nhật từ năm 1950 đến 2011, dự báo đến giai đoạn 2014 - 2025. Đề tài được hoàn thành trong thời gian từ ngày 30/03/2012 đến ngày 07/07/2012 tại Khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên hóa học các hợp chất cao phân tử và động học phản ứng trùng hợp gốc tự do của monome vinylclorua ($CH_2=CHCl$). Phân tử PVC hình thành qua cơ chế mạch gốc theo ba giai đoạn:

  • Giai đoạn khơi mào: Dưới tác động nhiệt, chất khơi mào phân rã tạo thành các gốc tự do hoạt động ($R^\bullet$), các gốc này tấn công vào liên kết đôi của phân tử VCM để tạo thành tâm hoạt động mới.
  • Giai đoạn phát triển mạch: Các gốc hoạt tính tiếp tục cộng hợp liên tiếp các phân tử VCM theo trật tự "đầu nối đuôi", trong đó các nguyên tử clo định vị tại các vị trí carbon số 1, 3 trên mạch chính. Quá trình phát triển mạch của VCM có hai đặc điểm: vận tốc phản ứng tăng mạnh từ lúc khởi đầu đến mức chuyển hóa khoảng 50% (hiệu ứng gel), và vận tốc trùng hợp của VCM lớn hơn nhiều so với các monome vinyl khác. Khối lượng phân tử của PVC trong công nghiệp phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ phản ứng chứ không phụ thuộc vào nồng độ chất khơi mào.
  • Giai đoạn ngắt mạch: Xảy ra do sự tương tác giữa hai gốc tự do theo cơ chế tái hợp gốc (tạo polyme có phân tử lượng lớn) hoặc cơ chế bất tỷ phân (tạo polyme không đồng nhất có phân tử lượng thấp hơn).

Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật áp dụng trong đồ án bao gồm:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Ứng dụng định luật bảo toàn khối lượng để tính toán lượng dòng vào - ra cho các mốc quy mô: 1 tấn sản phẩm, 1 giờ vận hành, 1 chu kỳ mẻ phản ứng, 1 ngày làm việc và 1 năm sản xuất (tính theo quỹ thời gian làm việc danh định của nhà máy hóa chất).
  • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Tính toán nhiệt dung riêng, entanpi và nhiệt phản ứng tỏa ra của phản ứng trùng hợp VCM để xác định lượng nhiệt cần cấp trong giai đoạn gia nhiệt hỗn hợp lên nhiệt độ phản ứng ($60^\circ\text{C}$), cùng lượng nhiệt cần làm mát liên tục qua vỏ áo thiết bị để duy trì nhiệt độ phản ứng đẳng nhiệt.
  • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế cơ khí thiết bị áp lực để tính toán thể tích công tác, đường kính, chiều cao, chiều dày thân thiết bị chịu áp suất bên trong, chiều dày vỏ áo gia nhiệt, kết cấu cánh khuấy và công suất động cơ khuấy trộn, chọn các mặt bích tiêu chuẩn, chân đỡ và tai treo.
  • Phương pháp phân tích kinh tế công nghiệp: Lập bảng dự toán vốn đầu tư thiết bị, chi phí nguyên phụ liệu, tiêu hao năng lượng, chi phí nhân công và tính toán giá thành đơn vị sản phẩm nhằm đánh giá thời gian hoàn vốn.

Dữ liệu tính toán được trích xuất từ các báo cáo ngành quốc tế (Plasticeurope, CMAI Harriman Report), tài liệu thống kê của Hiệp hội Nhựa Việt Nam, Tổng cục Hải quan, Bộ Công thương, cùng thông số kỹ thuật của các hãng công nghệ PVC lớn như Chisso Corp (Nhật Bản) và Vinnolit (Đức).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công nghệ

Để xác định phương án công nghệ tối ưu cho phân xưởng, tác giả đã tiến hành so sánh bốn phương pháp trùng hợp monome vinylclorua chính trên thế giới:

Tiêu chí so sánh Trùng hợp khối Trùng hợp dung dịch Trùng hợp nhũ tương Trùng hợp huyền phù
Độ tan của chất khơi mào Tan trong VCM Tan trong VCM Không tan trong VCM (tan trong nước) Tan trong VCM
Hệ phụ gia sử dụng Không dùng Dung môi hữu cơ Nước, chất tạo nhũ tương, muối đệm Nước, tác nhân phân tán/ổn định
Yêu cầu khuấy trộn Không bắt buộc Không bắt buộc Cần thiết Rất cần thiết
Khả năng kiểm soát nhiệt Khó kiểm soát Có thể kiểm soát Dễ dàng kiểm soát Dễ dàng kiểm soát
Độ phức tạp cô lập PVC Thu hồi VCM dư Tách dung môi khó Phức tạp (cần keo tụ/sấy phun) Dễ dàng (lọc hoặc ly tâm)
Kích thước hạt sản phẩm 60 - 300 $\mu\text{m}$ $< 0,1\ \mu\text{m}$ $\approx 0,1\ \mu\text{m}$ 20 - 300 $\mu\text{m}$

Dựa trên bảng so sánh, phương pháp trùng hợp huyền phù (PVC-S) được lựa chọn cho phân xưởng năng suất 45.000 tấn/năm. Phương pháp này sử dụng nước làm môi trường phân tán liên tục giúp giải tỏa nhiệt phản ứng dễ dàng, hạn chế hiện tượng quá nhiệt cục bộ gây phân hủy phân tử PVC giải phóng $HCl$. Sản phẩm thu được có hạt xốp đồng đều (kích thước 20 - 300 $\mu\text{m}$), độ tinh khiết cao, không chứa chất nhũ hóa nên tính chất cách điện và cơ lý vượt trội so với trùng hợp nhũ tương, đồng thời quy trình công nghệ cho phép tách hạt bằng thiết bị ly tâm và sấy đơn giản.

Hệ nguyên liệu và phụ gia được lựa chọn cho dòng sản phẩm PVC phẩm cấp K-66 bao gồm:

  • Monome Vinylclorua (VCM): Độ tinh khiết $\ge 99,96%$; khối lượng phân tử 62,5; nhiệt độ sôi $-13,8^\circ\text{C}$; nhiệt độ nóng chảy $-153,7^\circ\text{C}$; tỷ trọng ở $58^\circ\text{C}$ đạt $0,899\text{ g/cm}^3$; nhiệt dung riêng $0,4\text{ kcal/kg}\cdot^\circ\text{C}$; giới hạn nổ trong không khí từ 3,6% đến 26,4% theo thể tích.
  • Hệ chất ổn định huyền phù (Polyvinyl ancol - PVA): Kết hợp hai loại:
    • Agent-1 (AG-1): Độ trùng hợp $n = 700$, chỉ số xà phòng hóa $71,0 \pm 1,5\text{ mol}%$, độ nhớt dung dịch 4% đạt $5,4 \pm 0,4\text{ cP}$ ở $20^\circ\text{C}$, tỷ trọng ở $30^\circ\text{C}$ là $1170 - 1210\text{ kg/m}^3$; nạp liệu ở nồng độ dung dịch 7,0% dưới áp suất $10\text{ kG/cm}^2$.
    • Agent-2 (AG-2): Độ trùng hợp $n = 2000$, chỉ số xà phòng hóa $78,5 - 81,5\text{ mol}%$, độ trong suốt dung dịch 4% tối thiểu 90%, tỷ trọng ở $30^\circ\text{C}$ là $1190 - 1300\text{ kg/m}^3$; nạp liệu ở nồng độ dung dịch 5,0% dưới áp suất $10\text{ kG/cm}^2$.
  • Hệ chất khơi mào hỗn hợp: Sử dụng hai tác nhân có thời gian bán hủy và nhiệt độ phân rã khác nhau nhằm duy trì tốc độ sinh gốc ổn định trong suốt chu kỳ phản ứng:
    • Chất khơi mào 1 (C-19 / Cat-1): Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate, tỷ trọng $0,990\text{ kg/l}$ ở $25^\circ\text{C}$, sử dụng dạng nhũ tương nồng độ 60%.
    • Chất khơi mào 2 (C-29 / Cat-2): Cumyl peroxyneodecanoate, tỷ trọng $963\text{ kg/m}^3$ ở $-15^\circ\text{C}$, sử dụng dạng nhũ tương nồng độ 50%.
  • Chất kìm hãm phản ứng (AD-3): 2,2-diphenyl propane ($4,4'\text{-isopropylidene diphenyl}$), dạng bột trắng, nhiệt độ nóng chảy $156,6^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $960 - 1020\text{ kg/m}^3$, nhiệt dung riêng $0,35\text{ cal/g}\cdot^\circ\text{C}$, dùng để dừng phản ứng khẩn cấp hoặc khống chế mức độ trùng hợp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lý thuyết tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học và bức tranh toàn cảnh về ngành công nghiệp nhựa. Tác giả phân tích các số liệu tiêu thụ chất dẻo toàn cầu giai đoạn 1950 - 2009, cơ cấu phân đoạn dầu mỏ, diễn biến giá nhập khẩu nhựa năm 2011, cùng các mốc số liệu năng lực sản xuất PVC tại khu vực Châu Á - Thái Bình Dương (giai đoạn 2000 - 2007) và thế giới.

Loại nhựa nhập khẩu Đơn giá tuần 21-27/3/2011 (USD/tấn) Đơn giá tuần 06-13/4/2011 (USD/tấn) Đơn giá tuần 02-09/5/2011 (USD/tấn)
PVC 1.150 1.180 1.260
HDPE 1.580 1.590 1.605
LDPE 1.760 1.760 1.765
PP 1.740 1.737 1.740
PS 1.672 1.755 1.780

Về mặt cấu trúc, phân tử PVC có cấu tạo vô định hình, khối lượng riêng từ 1,1 đến 1,4 g/cm³, nhiệt độ hóa thủy tinh ($T_g$) nằm trong khoảng 75 - 80°C, giới hạn bền kéo đạt 400 - 600 kG/cm², giới hạn bền uốn đạt 900 - 1200 kG/cm² và độ giãn dài tương đối 10 - 15%. Về tính chất nhiệt, PVC có hệ số giãn nở nhiệt $(50 - 180) \times 10^{-6}\text{ C}^{-1}$, nhiệt dung riêng $0,12 - 0,3\text{ kJ/kg}\cdot^\circ\text{C}$ và độ dẫn nhiệt $0,84 - 1,25\text{ W/m}\cdot^\circ\text{C}$. Ở 140°C, PVC bắt đầu phân hủy chậm và tốc độ phân hủy tăng mạnh ở 170°C sinh ra khí $HCl$, hình thành các liên kết đôi liên hợp làm sản phẩm ngả màu vàng rồi chuyển nâu đen và tạo liên kết ngang làm mất tính tan. Tác giả cũng phân loại chi tiết các sản phẩm từ PVC cứng (Viniplat dùng cho ống và tấm chịu hóa chất), PVC dẻo (pha chất hóa dẻo este phtalat, adipat để làm màng mỏng, cáp điện) và các hệ polyme đồng trùng hợp biến tính ($VCM\text{-}VA$, $VCM\text{-}VI$, $VCM\text{-}AN$, $VCM\text{-}MAC$). Cuối chương, tác giả so sánh hai dây chuyền công nghệ của Chisso Corp và Vinnolit để xác lập cơ sở lựa chọn dây chuyền trùng hợp huyền phù gián đoạn cho phân xưởng.

Chương 2: Tính toán kỹ thuật

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho phân xưởng.

  • Cân bằng vật chất: Căn cứ vào năng suất 45.000 tấn bột nhựa/năm (độ ẩm 0,3%), độ chuyển hóa VCM đạt 85%, tổn thất VCM 0,35% và tổn thất PVC 3,3%, tác giả lập hệ thống bảng cân bằng vật chất chi tiết (Bảng 2.1 đến 2.5) từ quy mô 1 tấn thành phẩm, 1 giờ, 1 chu kỳ mẻ, 1 ngày cho đến 1 năm sản xuất.
  • Tính toán thiết bị phản ứng chính: Thiết bị trùng hợp là nồi phản ứng áp lực vỏ áo, trang bị cánh khuấy để duy trì hệ huyền phù. Tác giả tính toán xác định thể tích làm việc, đường kính trong, chiều cao thân thiết bị, tính chiều dày thân chịu áp suất làm việc, chiều dày đáy và nắp elip, chiều dày vỏ áo gia nhiệt/làm mát. Các phụ kiện cơ khí được lựa chọn theo tiêu chuẩn hóa: bích nối thân với đáy và nắp (Bảng 2.6), bích nối thân với vỏ áo (Bảng 2.7), thông số hình học của chân đỡ (Bảng 2.8) và tai treo (Bảng 2.9). Cánh khuấy được tính toán chi tiết về kích thước, số vòng quay và công suất động cơ truyền động nhằm đảm bảo phân tán giọt monome đạt kích thước hạt mục tiêu mà không làm vỡ màng keo PVA bảo vệ.
  • Cân bằng nhiệt lượng: Tính toán lượng nhiệt cần cấp cho giai đoạn đun nóng hỗn hợp phản ứng ban đầu từ nhiệt độ nạp lên $60^\circ\text{C}$ và lượng nhiệt cần tải đi trong suốt giai đoạn phản ứng tỏa nhiệt (duy trì đẳng nhiệt ở $60^\circ\text{C}$). Bảng 2.10 tổng hợp lưu lượng nước nóng cấp nhiệt và nước lạnh giải nhiệt cho chu kỳ vận hành.
  • Tính toán thiết bị phụ trợ: Xác định công suất và chọn bơm nguyên liệu VCM, bơm nước công nghiệp, bơm dung dịch phụ gia; tính dung tích và quy cách các bồn chứa nguyên liệu, bể chứa trung gian; tính diện tích bề mặt truyền nhiệt và chọn bích nối cho thiết bị ngưng tụ thu hồi VCM chưa phản ứng (Bảng 2.11); tính toán hệ thống máy ly tâm tách nước và thiết bị sấy tầng sôi để hạ độ ẩm bột nhựa từ trạng thái ướt xuống 0,3%.

Chương 3: Bố trí xây dựng & tính toán kinh tế

Chương 3 giải quyết bài toán triển khai mặt bằng thực tế và hiệu quả kinh tế của dự án.

  • Bố trí xây dựng và hạ tầng: Đánh giá các tiêu chí lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy gắn liền với nguồn cấp nguyên liệu và hạ tầng giao thông; tính toán diện tích các hạng mục: phân xưởng sản xuất chính, khu bồn chứa nguyên liệu VCM và phụ gia, kho thành phẩm, trạm cấp hơi nước và khí nén, hệ thống xử lý nước thải và nước tuần hoàn, khu hành chính dịch vụ. Thuyết minh chi tiết các yêu cầu kỹ thuật về thông gió công nghiệp, chiếu sáng phân xưởng và hệ thống xử lý môi trường (thu hồi khí VCM rò rỉ, xử lý nước thải chứa huyền phù polyme).
  • An toàn lao động: Phân tích các mối nguy hiểm đặc thù của phân xưởng hóa chất do VCM là khí độc (tiếp xúc kéo dài gây tổn thương gan, giới hạn tiếp xúc tối đa cho phép là 1 ppm trong ca làm việc 8 giờ hoặc 1 mg/l trong không khí phân xưởng) và có nguy cơ cháy nổ cao (giới hạn nổ 3,6 - 26,4% thể tích). Đề xuất các giải pháp kỹ thuật phòng ngừa sự cố quá áp/quá nhiệt, hệ thống châm chất kìm hãm AD-3 khẩn cấp, thiết bị dập lửa tự động và quy trình xử lý khi phát hiện rò rỉ monome.
  • Năng lượng tiêu thụ: Lập bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ cho phân xưởng chính (Bảng 3.1 bao gồm động cơ khuấy, hệ thống bơm, quạt sấy, máy nén khí), lượng nước công nghiệp và nước làm mát tiêu thụ, cùng lượng nhiên liệu đốt cấp cho lò hơi.
  • Hiệu quả kinh tế: Tính toán chi tiết chi phí nguyên liệu cho 1 tấn sản phẩm (Bảng 3.2), tổng chi phí năng lượng trong 1 năm (Bảng 3.3), tổng vốn đầu tư máy móc thiết bị (Bảng 3.4), quỹ lương bộ phận hành chính và nhân viên vận hành theo ca (Bảng 3.5 và 3.6). Từ đó tổng hợp tổng chi phí sản xuất trong 1 năm (Bảng 3.7), dự toán giá thành bột nhựa PVC, xác định giá bán dự kiến (Bảng 3.8), tính lợi nhuận ròng hàng năm và thời gian thu hồi vốn của phân xưởng.

Kết quả và thông số thiết kế

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán công nghệ và thiết kế phân xưởng sản xuất bột nhựa PVC-S với các chỉ tiêu định lượng chính:

Hạng mục thông số Giá trị thiết kế Đơn vị tính
Năng suất phân xưởng 45.000 Tấn sản phẩm/năm
Phẩm cấp nhựa chế tạo K-66 (loại thông dụng nhất, chiếm 90% nhu cầu) K-value
Độ ẩm sản phẩm bột PVC 0,3 %
Độ tinh khiết monome VCM vào 99,96 %
Mức độ chuyển hóa VCM/chu kỳ 85 %
Nhiệt độ phản ứng trùng hợp 60 $^\circ\text{C}$
Định mức tổn thất VCM 0,35 %
Định mức tổn thất PVC sau trùng hợp 3,3 %
Áp suất nạp dung dịch phân tán 10 $\text{kG/cm}^2$

Các giải pháp kỹ thuật nổi bật được xác lập trong đồ án:

  1. Phối hợp hệ chất khơi mào đôi (C-19 và C-29): Việc sử dụng đồng thời Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate (nhũ tương 60%) và Cumyl peroxyneodecanoate (nhũ tương 50%) giúp phân rã tạo gốc tự do đều đặn ở các giai đoạn nhiệt độ khác nhau, tránh hiện tượng phản ứng quá mãnh liệt gây đột biến nhiệt làm mất kiểm soát áp suất thiết bị.
  2. Hệ ổn định huyền phù hai cấp: Kết hợp PVA độ trùng hợp thấp ($n=700$, dung dịch 7%) và PVA độ trùng hợp cao ($n=2000$, dung dịch 5%) nhằm khống chế sức căng bề mặt pha, tạo hạt polyme có cấu trúc xốp đồng đều, thuận lợi cho quá trình thoát monome dư và hấp thu chất hóa dẻo khi gia công sau này.
  3. Quy trình thu hồi và an toàn khép kín: Khí VCM chưa phản ứng sau khi kết thúc chu kỳ (15% lượng nạp) được hút chân không đưa sang hệ thống thiết bị ngưng tụ để thu hồi tuần hoàn, vừa nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu vừa triệt tiêu phát thải VCM ra môi trường xung quanh.

Về mặt đóng góp học thuật và thực tiễn, đồ án cung cấp một bộ hồ sơ thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho nhà máy sản xuất nhựa PVC quy mô công nghiệp tại Việt Nam, kết nối logic giữa lý thuyết tổng hợp polymer, tính toán cơ khí thiết bị chịu áp lực, bố trí mặt bằng công nghiệp hóa chất và đánh giá hiệu quả tài chính.

Hạn chế và hướng phát triển

Dựa trên các nội dung văn bản được tác giả trình bày:

  • Hạn chế: Trong lời cảm ơn, tác giả đã tự nhận định việc tiếp nhận thực tế sản xuất tại các nhà máy hóa chất chưa nhiều, kinh nghiệm thực tiễn còn hạn hẹp nên bản thiết kế khó tránh khỏi một số thiếu sót nhất định và tính khả thi trong điều kiện vận hành thực tế tại doanh nghiệp chưa thật sự hoàn thiện tuyệt đối. Ngoài ra, các thông số tính toán phụ trợ và giá thành kinh tế phụ thuộc vào các giả định và mức đơn giá thị trường tại thời điểm năm 2011 - 2012.
  • Hướng phát triển: Đề tài mở ra tiềm năng mở rộng nghiên cứu sang việc tích hợp nguồn nguyên liệu VCM trực tiếp từ các tổ hợp lọc hóa dầu quốc gia trong tương lai (khi các dự án lọc hóa dầu Nghi Sơn và Cụm Hóa dầu Miền Nam đi vào vận hành thương mại). Đồng thời, hướng nghiên cứu tiếp theo có thể đi sâu vào tối ưu hóa hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình nạp liệu, xả áp khẩn cấp và nâng cao hiệu suất thu hồi nhiệt thải từ dòng nước ngưng của phân xưởng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa dầu và Vật liệu Polymer: Nắm bắt phương pháp luận và trình tự các bước thực hiện một đồ án tốt nghiệp thiết kế nhà máy hóa chất hoàn chỉnh, từ khâu khảo sát thị trường đến tính toán công nghệ.
  • Người nghiên cứu và kỹ sư thiết kế thiết bị phản ứng: Tham khảo chi tiết phương pháp tính toán cân bằng vật chất - nhiệt lượng cho phản ứng trùng hợp gián đoạn có hiệu ứng gel, cùng các bước tính toán cơ khí thiết bị áp lực có cánh khuấy và vỏ áo truyền nhiệt (tính bề dày, cánh khuấy, bích nối, chân đỡ, tai treo).
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 2 (toàn bộ phương pháp lập bảng cân bằng vật chất và quy trình tính toán kích thước hình học, cơ khí thiết bị phản ứng chính) và phần tổng hợp đặc tính hóa lý của hệ phụ gia polymer chuyên dụng (chất khơi mào hữu cơ peoxyt, chất ổn định huyền phù PVA và chất kìm hãm phản ứng) tại Chương 1.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng trong đồ án được thiết kế để sản xuất loại nhựa PVC nào và bằng phương pháp gì?
Phân xưởng được thiết kế để sản xuất nhựa Polyvinyl Clorua phẩm cấp K-66 (loại nhựa chiếm 90% nhu cầu sử dụng) theo phương pháp trùng hợp huyền phù gián đoạn (PVC-S), với công suất thiết kế 45.000 tấn/năm và độ ẩm sản phẩm đạt 0,3%.

2. Các thông số công nghệ ban đầu của quá trình phản ứng được quy định như thế nào?
Quá trình phản ứng sử dụng nguyên liệu monome vinylclorua có độ tinh khiết 99,96%; mức độ chuyển hóa VCM mỗi mẻ đạt 85%; phản ứng được duy trì đẳng nhiệt ở nhiệt độ 60°C; định mức tổn thất VCM ở khâu chuẩn bị và phản ứng là 0,35%; tổn thất PVC trong các công đoạn sau phản ứng là 3,3%.

3. Tác giả sử dụng hệ chất khơi mào nào cho phản ứng trùng hợp VCM?
Tác giả sử dụng kết hợp hai loại chất khơi mào peoxyt hữu cơ: Chất khơi mào 1 (C-19) là Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate ở dạng nhũ tương nồng độ 60%, và Chất khơi mào 2 (C-29) là Cumyl peroxyneodecanoate ở dạng nhũ tương nồng độ 50%. Việc kết hợp này giúp quá trình phân hủy sinh gốc tự do diễn ra êm dịu, ổn định và dễ kiểm soát nhiệt độ.

4. Vì sao công nghệ trùng hợp huyền phù (PVC-S) được lựa chọn thay thế cho trùng hợp khối và trùng hợp nhũ tương?
Trùng hợp huyền phù sử dụng nước làm môi trường phân tán giúp dễ dàng giải nhiệt phản ứng (tránh hiện tượng tích nhiệt cục bộ gây phân hủy polymer sinh khí $HCl$ như trùng hợp khối). So với trùng hợp nhũ tương, trùng hợp huyền phù tạo hạt nhựa có kích thước lớn và xốp (20 - 300 $\mu\text{m}$), độ tinh khiết cao, không chứa chất nhũ hóa nên tính chất cách điện tốt hơn và quy trình tách sản phẩm đơn giản hơn (chỉ cần ly tâm và sấy khô).

5. Giới hạn nguy hiểm về nồng độ và tính cháy nổ của monome vinylclorua (VCM) được nêu trong đồ án là bao nhiêu?
Vinylclorua là chất độc có khả năng gây ung thư gan; nồng độ tiếp xúc tối đa cho phép là 1 ppm trong ca làm việc 8 giờ và nồng độ giới hạn trong không khí phân xưởng là 1 mg/l. Về nguy cơ cháy nổ, VCM tạo hỗn hợp nổ nguy hiểm với không khí trong giới hạn nồng độ từ 3,6% đến 26,4% theo thể tích.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa Polyvinyl Clorua năng suất 45000 tấn/năm" của sinh viên Tô Tâm Lan là công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh thuộc chuyên ngành Hóa dầu, Khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu. Bản thuyết minh đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu công nghệ từ tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng áp lực vỏ áo có cánh khuấy, đến quy hoạch mặt bằng phân xưởng và tính toán hiệu quả kinh tế. Tài liệu phản ánh chính xác các số liệu kỹ thuật, đặc tính hóa lý của nguyên phụ liệu công nghiệp và đáp ứng đầy đủ quy cách của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư công nghệ kỹ thuật hóa học.