Thiết kế thiết bị quy trình là một ngành quan trọng trong kỹ thuật hóa học liên quan đến thiết kế kỹ thuật, lựa chọn và bố trí thiết bị được sử dụng trong các quy trình hóa học. Nó bao gồm thiết kế các hoạt động của các đơn vị khác nhau như bình chịu áp lực, bộ trao đổi nhiệt, cột chưng cất, máy nén, máy bơm và hệ thống đường ống, đảm bảo chúng hoạt động an toàn, hiệu quả và tiết kiệm trong nhà máy.

Các khía cạnh chính của thiết kế thiết bị quy trình

1. Bố trí nhà máy và phân tích dòng chảy

• Thiết kế bố trí nhà máy tổ chức cơ sở vật chất để tối ưu hóa việc sử dụng thiết bị, vật tư, con người, năng lượng, nhằm giảm thiểu chi phí, nâng cao chất lượng, đảm bảo an toàn, thoải mái cho nhân viên.

• Quy trình thiết kế bố trí bao gồm các giai đoạn như thu thập thông tin (xác định yêu cầu và vận hành sản xuất), phân tích sản xuất và quy trình (cân bằng dây chuyền sản xuất và nghiên cứu yêu cầu dòng chảy), xác định dịch vụ hỗ trợ, thực hiện và đánh giá kế hoạch bố trí.

• Phân tích dòng chảy tập trung vào việc giảm thiểu khoảng cách di chuyển, lùi lại, giao thông chéo và các bước quy trình không cần thiết, sử dụng các công cụ như biểu đồ quy trình và sơ đồ dòng chảy để hợp lý hóa hoạt động và giảm chi phí sản xuất1.

2. Quy trình thiết kế thiết bị

• Đối với thiết bị trao đổi nhiệt, quá trình thiết kế liên quan đến việc thu thập các tính chất nhiệt lý của chất lỏng, thực hiện cân bằng năng lượng để tìm nhiệm vụ nhiệt, giả định hệ số truyền nhiệt tổng thể, quyết định số lần đi qua vỏ và ống, tính toán diện tích truyền nhiệt và chọn vật liệu và kích thước cho ống và vỏ. Thiết kế thường lặp đi lặp lại để tối ưu hóa các thông số như hệ số truyền nhiệt và giảm áp suất16.

• Thiết kế cột chưng cất dựa trên dữ liệu cân bằng hơi-lỏng (VLE) và các phương pháp đồ họa như phương pháp McCabe-Thiele để xác định số giai đoạn lý thuyết cần thiết để tách, xem xét các đường vận hành cho các phần khác nhau của cột1.

3. Các loại thiết bị và cân nhắc thiết kế

• Bộ trao đổi nhiệt bao gồm các loại ống đôi, vỏ và ống, xoắn ốc và vây, mỗi loại phù hợp với các ứng dụng và đặc tính chất lỏng khác nhau. Thiết kế phải xem xét sự sắp xếp dòng chảy (song song hoặc ngược dòng), hệ số truyền nhiệt, các yếu tố bám bẩn và các ràng buộc cơ học như đường kính ống và khoảng cách vách ngăn6.

• Bình chịu áp lực và bình không áp lực yêu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn và quy tắc an toàn, xem xét các yếu tố như độ bền vật liệu, gia cố các lỗ và ứng suất làm việc an toàn5.

• Các thiết bị khác bao gồm máy nén, máy bơm, cột đóng gói, tầng sôi và thiết bị xử lý rắn, mỗi thiết bị đều có tiêu chí thiết kế cụ thể để đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu quả hoạt động5.

4. An toàn và tiêu chuẩn

• Thiết kế thiết bị an toàn liên quan đến việc hiểu ứng suất cơ học, khả năng tương thích vật liệu và các yêu cầu quy định. Thiết bị phải được thiết kế để chịu được các nguy cơ vận hành và đảm bảo tính toàn vẹn trong suốt thời gian sử dụng của nó5.

5. Kỹ năng và kết quả trong giáo dục thiết kế thiết bị quy trình

• Sinh viên và chuyên gia học cách phát triển các bảng quy trình, thông số kỹ thuật thiết bị và bố trí nhà máy, áp dụng các nguyên tắc truyền nhiệt, cơ học chất lỏng và nhiệt động lực học. Họ có được khả năng giải quyết độc lập các vấn đề thiết kế và áp dụng các phương pháp tiếp cận hệ thống để tối ưu hóa hiệu suất quy trình5.

Tóm tắt các bước thiết kế điển hình cho bộ trao đổi nhiệt (Ví dụ)

1. Chỉ định tốc độ dòng chất lỏng, nhiệt độ và nhiệm vụ nhiệt.

2. Chọn loại bộ trao đổi nhiệt.

3. Giả sử hệ số truyền nhiệt tổng thể.

4. Tính chênh lệch nhiệt độ trung bình (LMTD).

5. Xác định khu vực truyền nhiệt cần thiết.

6. Quyết định bố trí bộ trao đổi (kích thước ống và vỏ, đường chuyền).

7. Tính toán hệ số truyền nhiệt riêng lẻ cho các mặt ống và vỏ.

8. Tính toán hệ số truyền nhiệt tổng thể và lặp lại nếu cần thiết.

9. Tính toán giảm áp suất và điều chỉnh thiết kế nếu cần6.

Về bản chất, thiết kế thiết bị quy trình tích hợp kiến thức về các yêu cầu quy trình, nhiệt động lực học, dòng chất lỏng, truyền nhiệt, thiết kế cơ khí và các tiêu chuẩn an toàn để tạo ra thiết bị và bố trí nhà máy hiệu quả, đáng tin cậy và an toàn cho các ngành công nghiệp chế biến hóa chất.

Tổng quan này dựa trên tài liệu khóa học chi tiết và ghi chú bài giảng từ các chương trình kỹ thuật hóa học và sổ tay thiết kế quy trình1256.