Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật vật liệu và công nghiệp hóa chất, các hợp chất cao phân tử (polymer) đóng vai trò nền tảng với nhiều đặc tính kỹ thuật ưu việt như độ bền cơ học cao, độ bền riêng lớn, khối lượng riêng nhẹ (0,8 – 1,5 g/cm³), khả năng cách âm, cách điện, cách nhiệt tốt, bền vững với môi trường hóa chất và dễ gia công thành phẩm. Trong các dòng polymer thương mại, Polyvinyl Clorua (PVC) là loại nhựa nhiệt dẻo có sản lượng sản xuất và tiêu thụ đứng thứ ba trên thế giới, chỉ sau Polyetylen (PE) và Polypropylen (PP).
Về mặt kinh tế kỹ thuật, PVC sở hữu ưu thế vượt trội về mặt nguyên liệu: trong phân tử vinyl clorua monomer (VCM, $CH_2=CHCl$), nguyên tố clo chiếm gần 60% khối lượng, được sản xuất thông qua quá trình điện phân muối ăn ($NaCl$). Do đó, việc sản xuất PVC chỉ tiêu tốn dưới 3% tổng sản lượng dầu mỏ tiêu thụ của ngành hóa dầu, giúp giá thành hạt nhựa PVC thường xuyên thấp hơn khoảng 20% – 30% so với các loại nhựa nhiệt dẻo khác có nguồn gốc 100% từ dầu mỏ như PE, PP và PS. Ngoài ra, hàm lượng clo cao đem lại khả năng kìm hãm sự cháy tự nhiên, đưa PVC trở thành vật liệu chủ lực trong ngành xây dựng, cấp thoát nước (chiếm 50% sản lượng ống nhựa), vỏ bọc cáp điện và vật liệu chống ăn mòn.
Tại Việt Nam, nhu cầu nguyên liệu nhựa phục vụ sản xuất gia công trong nước phụ thuộc từ 70% đến 80% vào nguồn nhập khẩu (năm 2010, giá trị nhập khẩu hạt nhựa đạt 3,7 tỷ USD, nhập siêu toàn ngành trên 2 tỷ USD). Mặc dù đã có hai cơ sở sản xuất PVC là Công ty TPC Vina và Công ty Nhựa và Hóa chất Phú Mỹ với tổng công suất trên 200.000 tấn/năm, nguồn cung nội địa vẫn chưa đáp ứng đủ mục tiêu tiêu thụ bột nhựa PVC (ước tính khoảng 500.000 tấn/năm vào năm 2010). Chiến lược phát triển ngành dầu khí và hóa chất Việt Nam đã được phê duyệt tại Quyết định số 343/2005/QĐ-TTg ngày 26/12/2005 và Quyết định số 386/2006/QĐ-TTg ngày 09/03/2006 của Thủ tướng Chính phủ nhằm thúc đẩy chế biến sâu tài nguyên dầu khí thành sản phẩm hóa dầu có giá trị gia tăng cao.
Trong bối cảnh đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa Polyvinyl Clorua năng suất 45000 tấn/năm" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật công nghệ cho một nhà máy hóa chất hoàn chỉnh.
Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu - thiết kế được xác định bao gồm 6 phần chính:
- Tổng quan lý thuyết về polymer, nhựa PVC, tình hình sản xuất và tiêu thụ trên thế giới cũng như tại thị trường Việt Nam.
- Đánh giá các phương pháp và dây chuyền công nghệ sản xuất PVC; lựa chọn phương pháp trùng hợp huyền phù và dây chuyền công nghệ tối ưu.
- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ quá trình sản xuất.
- Tính toán thiết kế cơ khí cho thiết bị phản ứng chính và lựa chọn các thiết bị phụ trợ (bơm, bồn bể chứa, thiết bị ngưng tụ, thiết bị sấy).
- Tính toán bố trí địa điểm, mặt bằng xây dựng nhà máy, thiết kế cơ sở hạ tầng, xử lý môi trường và các giải pháp an toàn lao động, phòng chống cháy nổ.
- Lập bài toán kinh tế kỹ thuật xác định chi phí đầu tư, chi phí vận hành, giá thành sản phẩm, dự toán giá bán, doanh thu, lợi nhuận và thời gian thu hồi vốn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất nhựa Polyvinyl Clorua loại K-66 bằng phương pháp trùng hợp huyền phù (PVC-S).
- Phạm vi kỹ thuật: Thiết kế phân xưởng với công suất 45.000 tấn bột nhựa PVC/năm; thành phần nguyên liệu vào gồm VCM độ tinh khiết 99,96%, nước công nghiệp, các hệ phụ gia khơi mào, ổn định huyền phù, ổn định nhiệt và chất kìm hãm; sản phẩm là bột nhựa PVC có độ ẩm 0,3%.
- Thời gian thực hiện: Giao nhiệm vụ ngày 30/03/2012, hoàn thành 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 hóa học và công nghệ
Cơ sở hóa học của quá trình là phản ứng trùng hợp gốc tự do của vinyl clorua monomer ($CH_2=CHCl$). Phân tử PVC có cấu tạo vô định hình, các mắt xích liên kết theo trật tự "đầu nối đuôi", các nguyên tử clo nằm ở vị trí 1, 3 dọc theo mạch chính carbon, mức độ phân nhánh thấp (khoảng 50 đến 100 mắt xích mới có một nhánh). Một số tính chất vật lý - nhiệt cơ bản của PVC được tác giả tổng hợp làm căn cứ tính toán:
- Khối lượng riêng: $1,1 - 1,4\text{ g/cm}^3$; nhiệt độ hóa thủy tinh ($T_g$): $75 - 80^\circ\text{C}$.
- Giới hạn bền kéo: $400 - 600\text{ kG/cm}^2$; giới hạn bền uốn: $900 - 1200\text{ kG/cm}^2$; giới hạn bền nén: $800 - 1600\text{ kG/cm}^2$.
- Độ dẫn nhiệt: $0,12 - 0,3\text{ W/m}^\circ\text{C}$; hệ số giãn nở nhiệt: $(50 - 180) \times 10^{-6}\text{ K}^{-1}$.
- Khả năng bền nhiệt: PVC bắt đầu phân hủy chậm ở $140^\circ\text{C}$ và phân hủy nhanh ở $170^\circ\text{C}$, giải phóng khí $HCl$, hình thành liên kết đôi liên hợp làm đổi màu polymer và tạo liên kết ngang làm mất tính tan.
Cơ chế phản ứng trùng hợp gốc của VCM diễn ra qua 3 giai đoạn:
- Giai đoạn khơi mào: Phân hủy các hợp chất peoxyt hữu cơ dưới tác dụng nhiệt để sinh ra các gốc tự do hoạt tính $R^\bullet$.
- Giai đoạn phát triển mạch: Gốc tự do $R^\bullet$ tấn công liên kết đôi của VCM để tạo gốc monomer mới và liên tục phát triển kéo dài chuỗi đại phân tử. Phản ứng có hiệu ứng gel rõ rệt (vận tốc phản ứng tăng vọt khi mức độ chuyển hóa đạt gần 50%), do đó trong thực tế công nghiệp phân tử lượng của polymer được điều chỉnh bằng nhiệt độ phản ứng thay vì nồng độ chất khơi mào.
- Giai đoạn ngắt mạch: Tương tác giữa hai gốc tự do theo cơ chế tái hợp gốc (tạo polymer phân tử lượng lớn) hoặc bất tỷ phân (tạo polymer phân tử lượng thấp và không đồng nhất).
Phương pháp nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật
Đồ án sử dụng kết hợp các phương pháp tính toán chuyên ngành Công nghệ Hóa học và Kỹ thuật Hóa dầu:
- Phương pháp phân tích - so sánh công nghệ: So sánh các phương pháp trùng hợp (trùng hợp khối, dung dịch, nhũ tương và huyền phù) để lựa chọn phương án công nghệ tối ưu dựa trên các tiêu chí về phân bố kích thước hạt, độ tinh khiết, khả năng điều khiển nhiệt độ phản ứng và quy trình xử lý sau trùng hợp.
- Phương pháp tính toán cân bằng vật chất: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, dựa trên các thông số công nghệ thực tế (độ chuyển hóa một lần 85%, tổn thất VCM khâu nạp liệu và phản ứng 0,35%, tổn thất PVC khâu trung gian sau trùng hợp 3,3%) để lập cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm, 1 giờ, 1 chu kỳ mẻ, 1 ngày và 1 năm làm việc.
- Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt lượng: Xác định nhiệt đun nóng ban đầu và nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình phản ứng tỏa nhiệt của VCM nhằm tính toán lưu lượng môi chất truyền nhiệt (nước nóng gia nhiệt và nước lạnh giải nhiệt) để duy trì đẳng nhiệt ở $60^\circ\text{C}$.
- Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán kích thước hình học (đường kính trong, chiều cao thân, đáy và nắp elip tiêu chuẩn), tính bề dày thành thiết bị chịu áp lực trong, bề dày vỏ áo điều nhiệt, tính toán công suất và trở lực cánh khuấy, chọn bích nối tiêu chuẩn, tính tải trọng toàn phần và chọn kết cấu chân đỡ, tai treo.
- Phương pháp tính toán kinh tế công nghiệp: Lập bảng tổng mức đầu tư máy móc, thiết bị, chi phí năng lượng (điện, nước, nhiên liệu), chi phí nguyên phụ liệu, quỹ lương nhân sự theo ca và hành chính, từ đó tính toán giá thành đơn vị, doanh thu, lợi nhuận và thời gian hoàn vốn.
Nguồn dữ liệu
Số liệu và tài liệu phục vụ tính toán được trích xuất từ các nguồn:
- Báo cáo thống kê ngành nhựa quốc tế: PlasticsEurope (Plastics – The Facts 2010), CMAI (Chemical Market Associates, Inc.), Harriman Report.
- Số liệu thống kê trong nước: Tạp chí Thông tin thương mại, Hiệp hội Nhựa Việt Nam (VPA), Tổng cục Hải quan Việt Nam, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam (PVN), Bộ Công Thương.
- Dữ liệu quy trình công nghệ của các hãng sản xuất PVC: Chisso Corp (Nhật Bản), Vinnolit (Đức), Liên doanh TPC Vina và Công ty Nhựa và Hóa chất Phú Mỹ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Lý thuyết tổng quan
Chương 1 trình bày hệ thống lý thuyết về hợp chất cao phân tử, phân tích thị trường PVC và cơ sở hóa lý của quá trình sản xuất.
Tác giả phân tích số liệu sản lượng nhựa thế giới giai đoạn 1950 – 2009, nhu cầu chất dẻo toàn cầu năm 2009 và dự báo công suất PVC khu vực Châu Á – Thái Bình Dương giai đoạn 2000 – 2007. Bảng số liệu cho thấy Trung Quốc tăng trưởng mạnh về công suất PVC (từ 2.665.000 tấn năm 2000 lên 11.200.000 tấn năm 2007), trong khi Việt Nam duy trì ở mức 200.000 tấn/năm giai đoạn 2003 – 2007.
Tác giả tiến hành so sánh 4 phương pháp trùng hợp VCM để lựa chọn công nghệ:
| Yếu tố so sánh |
Trùng hợp khối |
Trùng hợp dung dịch |
Trùng hợp nhũ tương |
Trùng hợp huyền phù |
| Khả năng hòa tan của chất khởi đầu |
Tan trong VCM |
Tan trong VCM |
Tan trong nước |
Tan trong VCM |
| Phụ gia sử dụng |
Không |
Dung môi |
Nước, chất tạo nhũ |
Nước, tác nhân phân tán |
| Yêu cầu khuấy trộn |
Không cần |
Không cần |
Cần thiết |
Cần thiết |
| Điều khiển nhiệt độ |
Khó khăn |
Có thể được |
Dễ dàng |
Dễ dàng |
| Thu hồi polymer |
Thu trực tiếp |
Khó tách dung môi |
Keo tụ / sấy phức tạp |
Dễ dàng (lọc / ly tâm) |
| Kích thước hạt sản phẩm ($\mu\text{m}$) |
$60 - 300$ |
$< 0,1$ |
$0,1$ |
$20 - 300$ |
Từ kết quả so sánh, phương pháp trùng hợp huyền phù (PVC-S) được lựa chọn nhờ ưu điểm tạo hạt kích thước lớn ($20 - 300\ \mu\text{m}$), đồng đều, độ tinh khiết cao, nhiệt độ phản ứng thấp ($57 - 62^\circ\text{C}$), hiệu suất chuyển hóa cao ($80 - 90%$) và dễ tách pha bằng ly tâm/lọc.
Chủng loại sản phẩm được lựa chọn thiết kế là nhựa PVC K-66 (độ trùng hợp $n \approx 1000$), chiếm khoảng 90% nhu cầu tiêu thụ. Các nguyên liệu và phụ gia được xác định chi tiết:
- Monomer Vinylclorua (VCM): $M = 62,5$; nhiệt độ sôi $t_s = -13,8^\circ\text{C}$; nhiệt độ nóng chảy $t_{nc} = -153,7^\circ\text{C}$; tỷ trọng ở $58^\circ\text{C}$ là $0,899\text{ g/cm}^3$; nhiệt hóa hơi ở $35^\circ\text{C}$ là $75,2\text{ kcal/kg}^\circ\text{C}$; giới hạn nổ trong không khí $3,6 - 26,4%$ thể tích; nồng độ cho phép khi làm việc là 1 ppm trong 8 giờ.
- Chất ổn định huyền phù (PVA): Sử dụng 2 loại gồm Agent-1 (độ trùng hợp $n = 700$, dung dịch 7%, chỉ số xà phòng hóa $71,0 \pm 1,5\text{ mol}%$) và Agent-2 (độ trùng hợp $n = 2000$, dung dịch 5%, chỉ số xà phòng hóa $78,5 - 81,5\text{ mol}%$).
- Chất khơi mào: Sử dụng kết hợp Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate (C-19, nồng độ nhũ tương 60%, khối lượng riêng $0,990\text{ kg/l}$ ở $25^\circ\text{C}$) và Cumyl peroxyneodecanoate (C-29, nồng độ nhũ tương 50%, khối lượng riêng $963\text{ kg/m}^3$ ở $-15^\circ\text{C}$) để phân hủy đều đặn trong suốt chu kỳ phản ứng.
- Chất kìm hãm phản ứng: AD-3 (2,2-Diphenyl propane / 4,4-Isopropylidene diphenyl), nhiệt độ nóng chảy $156,6^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $960 - 1020\text{ kg/m}^3$.
Chương 2: Tính toán kỹ thuật
Chương 2 là nội dung tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho phân xưởng:
-
Cân bằng vật chất:
Tính toán chi tiết cho năng suất 45.000 tấn PVC/năm dựa trên các bảng cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm, 1 giờ, 1 chu kỳ mẻ, 1 ngày và 1 năm làm việc. Các tỷ lệ tiêu hao nguyên liệu chính (VCM, nước, PVA Agent-1, PVA Agent-2, xúc tác C-19, C-29, chất kìm hãm AD-3) được xác định chính xác theo độ chuyển hóa 85% và các tỷ lệ tổn thất công nghệ.
-
Tính toán thiết bị phản ứng chính (autoclave trùng hợp):
- Xác định quy cách, thể tích làm việc và thể tích toàn phần của nồi phản ứng trùng hợp huyền phù áp lực cao.
- Tính toán kích thước đường kính trong ($D$), chiều cao phần thân trụ ($H$), chiều cao đáy và nắp elip có gờ.
- Tính toán chiều dày thân thiết bị chịu áp lực làm việc bên trong và chiều dày vỏ áo ngoài chịu áp lực môi chất gia nhiệt/làm lạnh.
- Lựa chọn bích nối tiêu chuẩn cho nắp - thân thiết bị và bích nối thân - vỏ áo.
- Tính toán thông số cánh khuấy (dạng cánh khuấy, đường kính, vận tốc quay $60 - 70\text{ vòng/phút}$, trở lực khuấy, công suất động cơ dẫn động).
- Xác định tổng trọng lượng thiết bị và tính toán, lựa chọn các kết cấu cơ khí đỡ tải (chân đỡ, tai treo).
-
Cân bằng nhiệt lượng:
- Tính toán nhiệt lượng cung cấp trong giai đoạn đun nóng hỗn hợp ban đầu từ nhiệt độ phòng lên $60^\circ\text{C}$ bằng nước nóng cấp qua vỏ áo.
- Tính toán lượng nhiệt tỏa ra liên tục của phản ứng trùng hợp VCM trong giai đoạn duy trì phản ứng đẳng nhiệt ở $60^\circ\text{C}$.
- Lập bảng tổng hợp lưu lượng nước lạnh làm mát cần tuần hoàn qua vỏ áo và thiết bị ngưng tụ hồi lưu để kiểm soát áp suất và nhiệt độ trong nồi phản ứng.
-
Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ trợ:
- Tính toán lưu lượng và cột áp để chọn hệ thống bơm nguyên liệu VCM, bơm nước, bơm nhũ tương phụ gia và bơm dịch huyền phù PVC sau phản ứng.
- Thiết kế thể tích và kết cấu các bồn chứa VCM lỏng, bồn hòa tan PVA, bồn định lượng chất khơi mào, bể chứa trung gian dịch huyền phù (blowdown tank).
- Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt và chọn bích nối cho thiết bị ngưng tụ thu hồi VCM chưa phản ứng.
- Tính toán các thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị sấy ly tâm và thiết bị sấy tầng sôi để sấy khô hạt nhựa PVC đạt độ ẩm tiêu chuẩn 0,3%.
Chương 3: Bố trí xây dựng & Tính toán kinh tế
Chương 3 giải quyết các vấn đề tổ chức không gian sản xuất, an toàn kỹ thuật và hiệu quả kinh tế:
-
Bố trí mặt bằng và hạ tầng xây dựng:
- Xác định địa điểm xây dựng và phân khu chức năng (khu phân xưởng sản xuất chính, khu bồn bể chứa VCM, trạm chuẩn bị phụ gia, khu sấy và đóng gói, trạm biến áp, tháp làm mát, trạm xử lý nước thải, nhà điều hành hành chính).
- Thiết kế hệ thống chiếu sáng tự nhiên kết hợp nhân tạo; hệ thống thông gió công nghiệp đảm bảo không khí phân xưởng luôn thấp hơn nồng độ giới hạn cho phép của VCM.
- Thiết kế hệ thống xử lý khí thải thu hồi triệt để VCM và trạm xử lý nước thải đạt quy chuẩn môi trường.
-
An toàn lao động và phòng chống cháy nổ:
- Phân tích tính chất nguy hiểm cháy nổ của VCM (tạo hỗn hợp nổ với không khí ở khoảng nồng độ $3,6 - 26,4%$ thể tích).
- Đề xuất các giải pháp công nghệ: hệ thống cảm biến dò rò rỉ VCM tự động, hệ thống van xả áp an toàn, hệ thống bơm nước dập lửa tự động và phương án xả chất kìm hãm AD-3 khẩn cấp vào nồi phản ứng khi nhiệt độ hoặc áp suất tăng mất kiểm soát.
-
Tính toán năng lượng tiêu thụ:
- Lập bảng tổng hợp điện năng tiêu thụ cho phân xưởng sản xuất chính (động cơ cánh khuấy, hệ thống bơm, quạt thổi sấy tầng sôi, máy nén khí, chiếu sáng).
- Tính lượng nước cấp công nghiệp, nước làm mát tuần hoàn và lượng nhiên liệu đốt lò hơi phục vụ cấp nhiệt.
-
Tính toán kinh tế phân xưởng:
- Lập dự toán chi phí nguyên phụ liệu hàng năm cho 45.000 tấn sản phẩm PVC.
- Lập dự toán chi phí năng lượng (điện, nước, nhiên liệu) trong một năm sản xuất.
- Tính toán tổng vốn đầu tư mua sắm, chế tạo và lắp đặt máy móc thiết bị.
- Lập quỹ lương cho bộ phận quản lý hành chính và công nhân vận hành chia ca.
- Tính tổng chi phí sản xuất trong một năm, xác định giá thành sản xuất 1 tấn nhựa PVC, dự toán giá bán trên thị trường, tính toán lợi nhuận sau thuế và thời gian thu hồi vốn đầu tư.
Thiết kế kỹ thuật và quy trình công nghệ
Thông số kỹ thuật ban đầu của dây chuyền
Dây chuyền sản xuất được thiết kế dựa trên hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật đầu vào:
| Thông số thiết kế |
Giá trị quy định |
| Năng suất phân xưởng |
$45.000\text{ tấn bột nhựa/năm}$ |
| Chủng loại hạt nhựa mục tiêu |
PVC K-66 ($n \approx 1000$) |
| Thành phần nguyên liệu Monomer (VCM) |
$99,96%\text{ VCM}$ |
| Độ ẩm sản phẩm bột nhựa PVC |
$0,3%$ |
| Mức độ chuyển hóa VCM mỗi mẻ |
$85%$ |
| Tổn thất VCM khâu nạp liệu & phản ứng |
$0,35%$ |
| Tổn thất PVC qua các khâu sau trùng hợp |
$3,3%$ |
| Nước công nghiệp |
Đã xử lý loại bỏ hoàn toàn tạp chất |
Quy trình công nghệ sản xuất PVC huyền phù
Quy trình công nghệ trong đồ án được thiết kế tuần tự qua các giai đoạn chính:
[Chuẩn bị nguyên liệu: VCM, Nước khử khoáng, PVA (Agent-1, Agent-2), Chất khơi mào (C-19, C-29)]
[Nạp liệu vào Thiết bị phản ứng trùng hợp (Autoclave) & Khuấy trộn tạo huyền phù giọt]
[Gia nhiệt bằng nước nóng qua vỏ áo lên 60°C -> Phản ứng trùng hợp tỏa nhiệt -> Giải nhiệt bằng nước lạnh]
[Kết thúc phản ứng (áp suất giảm) -> Châm chất kìm hãm AD-3 -> Xả sang bồn giải phóng áp suất (Blowdown Tank)]
[Thu hồi VCM chưa phản ứng qua Thiết bị ngưng tụ & Nén hồi lưu về kho chứa]
[Ly tâm tách nước dịch huyền phù -> Sấy tầng sôi hạ độ ẩm xuống 0,3% -> Sàng phân loại & Đóng bao thành phẩm]
Dây chuyền công nghệ và cấu tạo chi tiết của thiết bị phản ứng chính được thể hiện đầy đủ trên 02 bản vẽ kỹ thuật khổ A3 kèm theo thuyết minh đồ án.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
Đồ án đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật:
- Thiết lập hệ thống bảng cân bằng vật chất chi tiết cho toàn bộ các công đoạn nạp liệu, phản ứng, thu hồi VCM, ly tâm và sấy khô ở các quy mô thời gian (mẻ, giờ, ngày, năm).
- Tính toán đầy đủ kích thước cơ khí, độ bền chịu áp lực, kết cấu thân vỏ áo, bích nối, cánh khuấy và hệ thống giá đỡ của thiết bị phản ứng trùng hợp chính dung tích lớn.
- Xác định chính xác chế độ nhiệt của phản ứng trùng hợp VCM, tính toán lưu lượng nước nóng gia nhiệt khởi động và lưu lượng nước lạnh làm mát liên tục nhằm duy trì ổn định nhiệt độ phản ứng ở $60^\circ\text{C}$.
- Tính toán và lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị phụ trợ gồm bơm hóa chất, bồn chứa chịu áp lực, thiết bị ngưng tụ thu hồi monomer dư và hệ thống sấy khô sản phẩm đạt độ ẩm $0,3%$.
- Hoàn thành thiết kế tổng mặt bằng phân xưởng, hệ thống cấp thoát nước, chiếu sáng, thông gió cưỡng bức và hệ thống xử lý khí thải/nước thải đảm bảo tiêu chuẩn môi trường.
- Xây dựng bài toán kinh tế hoàn chỉnh: dự toán chi phí nguyên liệu, chi phí năng lượng, quỹ lương, khấu hao tài sản cố định, tính toán giá thành sản phẩm, dự toán giá bán cạnh tranh và xác định thời gian hoàn vốn đầu tư của dự án.
Đóng góp của đồ án
Theo trình bày của tác giả, đồ án mang lại các đóng góp cụ thể:
- Đưa ra một giải pháp thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho phân xưởng sản xuất bột nhựa PVC-S công suất 45.000 tấn/năm, phù hợp với định hướng phát triển ngành công nghiệp hóa dầu và giảm thiểu mức độ phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu của ngành nhựa Việt Nam.
- Kết nối kiến thức lý thuyết về hóa học polymer, quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, tính toán cơ khí thiết bị áp lực và quản trị kinh tế công nghiệp thành một phương án thiết kế kỹ thuật có tính hệ thống cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
Tác giả đã chỉ ra một số hạn chế trong lời cảm ơn và nội dung thuyết minh:
- Đồ án được thực hiện trong phạm vi đồ án tốt nghiệp đại học, kinh nghiệm thực tế của tác giả còn hạn chế nên một số giải pháp thiết kế còn mang tính lý thuyết, tính khả thi thực tiễn cần được thẩm tra qua các bước thiết kế kỹ thuật chi tiết.
- Các tính toán cân bằng vật chất dựa trên các giả định lý tưởng hóa (ví dụ: nước công nghiệp được coi là đã loại sạch hoàn toàn tạp chất; các hệ số tổn thất lấy theo định mức lý thuyết).
- Chưa đi sâu vào việc xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp nâng cao (DCS/SCADA) để xử lý tức thời hiện tượng tăng nhiệt đột ngột do hiệu ứng gel trong lòng nồi phản ứng.
Hướng phát triển tiếp theo
Dựa trên phạm vi và nội dung nghiên cứu, các hướng mở rộng bao gồm:
- Khảo sát thực nghiệm động học phản ứng trên mô hình pilot để tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn giữa hai chất khơi mào C-19 và C-29 nhằm rút ngắn chu kỳ mẻ trùng hợp.
- Nghiên cứu chi tiết giải pháp công nghệ thu hồi và tinh chế triệt để VCM dư trong bột nhựa sau sấy để nâng cao chất lượng sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn cho bao bì thực phẩm và y tế.
- Tích hợp các giải pháp tự động hóa giám sát an toàn cháy nổ và kiểm soát nhiệt độ phản ứng theo thời gian thực.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa dầu và Kỹ thuật Vật liệu Polymer: Làm tài liệu tham khảo chi tiết cho các học phần Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất, Đồ án Công nghệ Hóa dầu và Đồ án tốt nghiệp đại học về thiết kế nhà máy hóa chất.
- Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất chất dẻo: Tham khảo phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, các thông số nhiệt động của quá trình trùng hợp VCM và quy trình tính toán cơ khí thiết bị phản ứng áp lực có vỏ áo và cánh khuấy.
- Nội dung tham khảo trọng tâm: Bảng so sánh 4 phương pháp trùng hợp VCM (Bảng 1.7), hệ thống công thức tính toán cơ khí thiết bị phản ứng chính và phương pháp lập dự toán chi phí kinh tế cho phân xưởng hóa chất.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp trùng hợp huyền phù (PVC-S) thay vì các phương pháp khác?
Phương pháp trùng hợp huyền phù được lựa chọn vì tạo ra hạt polymer có kích thước lớn ($20 - 300\ \mu\text{m}$), độ phân tán đồng đều, độ tinh khiết cao, dễ dàng tách hạt ra khỏi môi trường phân tán bằng ly tâm hoặc lọc. Ngoài ra, nhiệt độ phản ứng thấp ($57 - 62^\circ\text{C}$), hiệu suất chuyển hóa đạt từ $80 - 90%$ và khả năng truyền nhiệt qua môi trường nước giúp điều khiển nhiệt độ dễ dàng hơn so với trùng hợp khối.
2. Các thông số công nghệ đầu vào chính để tính toán cân bằng vật chất của phân xưởng gồm những gì?
Các thông số đầu vào gồm: Năng suất 45.000 tấn bột nhựa PVC/năm; hàm lượng VCM trong nguyên liệu là 99,96%; độ ẩm bột nhựa thành phẩm là 0,3%; mức độ chuyển hóa VCM mỗi mẻ là 85%; tổn thất VCM trong chuẩn bị và phản ứng là 0,35%; tổn thất PVC qua các khâu trung gian sau trùng hợp là 3,3%.
3. Hệ phụ gia hóa chất được sử dụng trong quy trình trùng hợp huyền phù gồm những chất nào?
Quy trình sử dụng: (1) Chất ổn định huyền phù PVA gồm Agent-1 ($n=700$, dung dịch 7%) và Agent-2 ($n=2000$, dung dịch 5%); (2) Chất khơi mào gồm C-19 (Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate, nhũ tương 60%) và C-29 (Cumyl peroxyneodecanoate, nhũ tương 50%); (3) Chất kìm hãm phản ứng AD-3 (2,2-Diphenyl propane).
4. Thiết bị phản ứng chính trong phân xưởng được tính toán những nội dung cơ khí nào?
Nội dung tính toán cơ khí thiết bị phản ứng chính bao gồm: thể tích làm việc và toàn phần; đường kính trong và chiều cao thân trụ, đáy/nắp elip; chiều dày thân thiết bị chịu áp lực trong; chiều dày vỏ áo ngoài chịu áp lực môi chất truyền nhiệt; lựa chọn bích nối thân - nắp và thân - vỏ áo; tính toán kích thước, trở lực và công suất động cơ cánh khuấy; xác định tổng trọng lượng thiết bị và lựa chọn chân đỡ, tai treo.
5. Giới hạn nguy hiểm về nồng độ và tính cháy nổ của vinyl clorua monomer (VCM) được xác định như thế nào?
VCM là chất khí độc hại có nguy cơ gây ung thư gan khi tiếp xúc kéo dài, nồng độ giới hạn cho phép tại nơi làm việc là 1 ppm trong ca làm việc 8 giờ (hoặc tối đa 1 mg/l không khí phân xưởng). Về mặt an toàn cháy nổ, VCM tạo hỗn hợp nổ nguy hiểm với không khí trong phạm vi 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 tác giả Tô Tâm Lan là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh thuộc chuyên ngành Hóa dầu - Công nghệ Kỹ thuật Hóa học. Tác giả đã hoàn thành việc lựa chọn công nghệ trùng hợp huyền phù, giải quyết toàn diện bài toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, tính toán cơ khí thiết bị phản ứng chính và thiết bị phụ trợ, đồng thời thiết kế mặt bằng xây dựng và hạch toán kinh tế cho phân xưởng. Công trình cung cấp tài liệu tham khảo có cấu trúc chặt chẽ và số liệu minh bạch cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật thiết kế nhà máy sản xuất polymer.
