NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN THIẾT bị PHẢN ỨNG CSTR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC -oOo CHUYÊN ĐỀ LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR SV: Vũ Hoàng Lộc _ MSSV:1712056 - GVHD: TS Bùi Ngọc Pha -Năm học: 2020 - 2021 LỤC PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC QUỐC GIAMỤC THÀNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC -oOo CHUYÊN ĐỀ LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR SV: Vũ Hoàng Lộc _ MSSV:1712056 - GVHD: Bùi Ngọc Pha -Năm học: 2020 - 2021 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục đích mục tiêu chuyên đề luận văn 2.1 Các phận thiết bị 2.2 Thực trạng vận hành thiết bị 2.3 Nguyên nhân thực trạng 3 CƠ SỞ LÍ THUYẾT, NỀN TẢNG CƠ BẢN 3.1 Động học phản ứng 3.2 Lý thuyết điều khiển 3.2.1 Những khái niệm 3.2.2 Các thành phần hệ thống 3.2.3 Các sách lược điều khiển 3.2.4 Bộ điều khiển THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH CSTR 4.1 Phản ứng xảy thiết bị 4.2 Quy ước kí hiệu 4.3 Thiết lập mơ hình thiết bị phản ứng .11 4.3.1 Phương trình cân mực chất lỏng 11 4.3.2 Phương trình tốc độ phản ứng 11 4.3.3 Phương trình cân lượng 11 4.3.4 Phương trình cân nồng độ 12 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ quy trình cơng nghệ hệ thống thiết bị phản ứng hoạt động gián đoạn Hình 2: Xác định biến trình biến trạng thái trình .5 Hình 3: Các thành phần hệ thống điều khiển trình Hình 4: Cấu trúc sách lược điều khiển phản hồi Hình 5: Cấu trúc sách lược điều khiển tầng Hình 6: Cơ chế điều khiển ON-OFF Hình 7: Cơ chế cải tiến điều khiển ON-OFF có dãy chết NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỰC TẾ 2.1 Các phận thiết bị Nồi đun dịng gia nhiệt ( gia nhiệt điện trở ) Bơm pha - 380V bơm DC- 12V Tháp giải nhiệt: Tháp đệm Bình phản ứng phản ứng khuấy hoạt động gián đoạn Hệ thống tủ điện 2.2 Thực trạng vận hành thiết bị - Không ổn định nhiệt độ nồi đun dịng gia nhiệt giai đoạn đầu q trình vận hành thuật toán điều khiển chưa phù - Mối liên hệ nhiệt độ nồi đun bình phản ứng khảo sát dựa thực nghiệm chưa dùng sở lý thuyết để kiểm chứng - Sử dụng phương pháp dị dẫm thực nghiệm để tìm chiều cao lớp đệm tháp giải nhiệt, chưa tìm chiều cao tối ưu để giải nhiệt tốt - Tốc độ bơm dịng nóng biến thiên q nhanh nhiệt độ bình phản ứng đạt gần giá trị cài đặt làm hệ thống khó ổn định nhiệt độ Hệ thống cách điện chưa tốt gây nguy hiểm cho người vận hành 2.3 Nguyên nhân thực trạng Thiếu thời gian khảo sát nhiều phương án để tìm phương án vận hành tối ưu - Phương pháp khảo sát mối liên hệ nhiệt độ nồi đun bình phản ứng chưa tổng thể, khái quát chi tiết Thiếu gian thời tính tốn chiều cao lớp đệm phù hợp Do thuật tốn điều khiển chưa hợp lí => Gây tác động lên quy trình vận hành - Do thiết kế thiết bị: Vị trí đặt cảm biến chưa thật hợp lí, tháp giải nhiệt thiết kế từ việc tận dụng vật liệu có sẵn lab khơng dựa nhiều vào sở tính tốn lí thuyết túy Ảnh hưởng yếu tố bão hịa tích phân thuật tốn PID Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR CƠ SỞ LÍ THUYẾT, NỀN TẢNG CƠ BẢN 3.1 Động học phản ứng Động học phản ứng phần hóa học vật lý nghiên cứu tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng định nghĩa lượng tăng số mol sản phẩm/ lượng giảm số mol tác chất đơn vị thể tích đơn vị thời gian Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng - Diện tích bề mặt tác chất rắn: lớn tốc độ phản ứng tăng - Nồng độ tác chất ban đầu: cao tốc độ phản ứng tăng - Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường tạo điều kiện cho tốc độ phản ứng tăng - Áp suất: Trong phản ứng pha khí, áp suất tăng tốc độ phản ứng tăng - Xúc tác: Làm tăng tốc độ phản ứng thông qua giảm lượng hoạt hóa - Yếu tố khác: Môi trường phản ứng, tốc độ khuấy trộn => Do hệ thống phản ứng phản ứng không sử dụng xúc tác pha lỏng đồng thể chất phản ứng bất thuận nghịch tỏa nhiệt nên quan tâm đến yếu tố nồng độ tác chất ban đầu nhiệt độ tốc độ khuấy trộn Tốc độ phản ứng Theo thời gian độ chuyển hóa tăng khiến nồng độ tác chất giảm kéo theo tốc độ phản ứng giảm nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ phản ứng tăng Ở độ chuyển hóa thấp nồng độ tác chất nhiều nên tăng nhiệt độ dẫn đến tốc độ phản ứng tăng Ở độ chuyển hóa cao việc tăng nhiệt độ khơng có lợi cho phản ứng tốc độ phản ứng tăng tăng nhiệt độ chậm so với tốc độ phản ứng giảm nồng độ tác chất giảm => Tốc độ phản ứng bị ràng buộc độ chuyển hóa X nên X=100% r = nhiệt độ Độ chuyển hóa X Phản ứng tỏa nhiệt phản ứng có chiều thuận tỏa nhiệt Nếu tăng nhiệt độ môi trường lên mơi trường lại có xu hướng cho lại khơng có xu hướng nhận dẫn đến cấn nhiệt lượng tỏa phản ứng không thuận lợi mặt nhiệt động học ^ Phản ứng tỏa nhiệt khơng cho độ chuyển hóa cao tăng nhiêt độ Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR 3.2 Lý thuyết điều khiển 3.2.1 Những khái niệm Quá trình trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thơng tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an tồn cho người, máy móc mơi trường Biến q trình gồm biến vào biến ra, đó: biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên vào q trình cịn biến đại lượng điều kiện thể tác động trình bên ngồi Biến trạng thái bao gồm: biến cần điều khiển, biến điều khiển nhiễu Biến cần điều khiển ( Controlled Variable ) biến biến trạng thái trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị đặt (setpoint) Biến điều khiển ( Manipulated Variable ) biến vào q trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua tác động tới biến theo ý muốn Biến nhiễu ( Disturbance ) biến cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp hay gián tiếp phạm vi trình quan tâm Vật Ning Thùng tin Vật chất Năng lượng Thơng tin Biển khãnọ cdn Biên Cíin diều điều khiến khiến Hình 2: Xác định biến trình biến trạng thái trình Trang chất lượng NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR 3.2.2 Các thành phần hệ thống Thiết bị đo: chức thiết bị đo cung cấp tín hiệu tỉ lệ theo nghĩa với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cảm biến (sensor): đo đại lượng quan tâm chuyển đổi đo (transducer): chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến sang dạng thích hợp Thiết bị chấp hành (final control): chức hệ thống/ thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ điều khiển thực tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu công nghiệp van điều khiển, động cơ, máy bơm quạt gió Thiết bị điều khiển (bộ điều khiển, controller): thiết bị tự động thực chức điều khiển, thành phần cốt lõi hệ thống điều khiển công nghiệp Hình 3: Các thành phần hệ thống điều khiển trình 3.2.3 Các sách lược điều khiển Điều khiển phản hồi Dựa nguyên tắc liên tục đo giá trị biến điều khiển phản hồi thông tin điều khiển, so sánh với giá trị đặt, dựa vào sai lệch biến điều khiển giá trị đặt để xác định tín hiệu tác động vào biến điều khiển Sách lược điều khiển gọi điều khiển vịng kín Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Hình 4: Cấu trúc sách lược điều khiển phản hồi Điều khiển tầng Điều khiển tầng sách lược điều khiển sử dụng cấu trúc điều khiển lồng nhau, tín hiệu điều khiển vịng ngồi ( biến thứ ) dùng để tính tốn tín hiệu đặt cho vịng điều khiển ( biến thứ hai ) Điều khiển tầng khắc phục nhược điểm điều khiển phản hồi đơn vòng như: ảnh hưởng nhiễu trình tới biến cần điều khiển chậm phát hiện, đặc biệt trình có số thời gian lớn, điều khiển phản hồi đơn vịng khó thực Hình 5: Cấu trúc sách lược điều khiển phản hồi 3.2.4 Bộ điều khiển Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển q trình cơng nghiệp Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai lệch cách hiệu chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Giải thuật tính tốn điều khiển PID gồm thành phần: tỷ lệ P, tích phân I vi phân D Một điều khiển PID gọi điều khiển PI, PD, P I vắng mặt tác động bị khuyết Trong điều khiển PI phổ biến nhất, đáp ứng vi phân nhạy nhiễu đo lường Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Thành phần tỷ lệ Tỷ lệ với sai lệch điều khiển thời điểm Đáp ứng tỷ lệ điều chỉnh cách nhân sai số với số K p, gọi độ lợi tỷ lệ Thành phần tỷ lệ tính theo cơng thức (1): P=K t C =K p.e( ) (1) p(s) p(2) Với Kp độ lợi tĩnh hay hệ số khuếch đại, e(t) sai số thời điểm xét Sai số hiệu tín hiệu đặt tín hiệu hồi tiếp q trình q độ Hàm truyền thành phần tỷ lệ theo công thức (2) Thành phần tỷ lệ triệt tiêu sai số xác lập trường hợp Nếu Kp tăng, tốc độ đáp ứng hệ tăng lên, sai số xác lập giảm Tăng tiếp Kp, chưa có vọt lố thời gian xác lập giảm, có vọt lố thời gian xác lập tăng Kp lớn làm cho hệ ổn định Thành phần tích phân Thành phần tích phân tỷ lệ thuận với biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy sai số tính theo cơng thức (3) Ki hệ số tích phân Giá trị tích phân xác định tổng giá trị sai số khứ theo thời gian Hàm truyền tính theo cơng thức (4) I=K je(t)dt (3) C1(s)=K1(4) o Sự tác động thành phần tích phân làm cho sai lệch tĩnh xấp xỉ không kết hợp với điều khiển tỷ lệ P Trường hợp người ta gọi điều khiển PI (tỷ lệ - tích phân) Khi cịn sai số cịn tín hiệu điều khiển thành phần tích phân tạo nên, hệ số tích phân lớn, sai số xác lập nhỏ độ vọt lố tăng Tuy nhiên thành phần tích phân có nhược điểm tượng bão hịa tích phân xảy biến điều khiển vào vùng bão hòa hay cấu chấp hành có hạn chế gây sai số xác lập Thành phần vi phân: Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Cải thiện chất lượng điều khiển theo cách dự báo trước xu hướng sai lệch điều khiển đưa tác động chống lại xu hướng Tốc độ thay đổi sai số trình tính tốn cách xác định độ dốc sai số theo thời gian ( đạo hàm bậc theo thời gian) Thành phần vi phân tính theo cơng thức (5) với Kd hệ số vi phân Hàm truyền điều khiển vi phân (6) D=Kd.-de(t) (5) dt Cd(s)=Kds (6) Thành phần vi phân làm hệ đáp ứng chậm ổn định Điều khiển vi phân sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố, K d lớn độ vọt lố nhỏ Tuy nhiên làm hệ ổn định thành phần vi phân nhạy với nhiễu Thành phần vi phân khơng thể sử dụng mà phải kết hợp với thành phần tỷ lệ tích phân THƠNG SỐ ẢNH HƯỞNG Q TRÌNH VẬN HÀNH CSTR 4.1 Phản ứng xảy thiết bị A+ B^ C+ D Tính chất phản ứng : Xảy pha lỏng Phản ứng thuận nghịch Phản ứng tỏa nhiệt ( AHr < ) Các giả thiết đặt : Tỉ lệ mol chất tham gia phản ứng 1:1 Chiều cao mực chất lỏng thiết bị phản ứng giữ không đổi => Thể tích dung dịch bình phản ứng số Khuấy trộn lí tưởng: nồng độ chất vị trí Bậc phản ứng phản ứng bậc 4.2 Quy ước kí hiệu Thông số phản ứng k1: Hằng số tốc độ phản ứng theo chiều thuận k2: Hằng số tốc độ phản ứng theo chiều nghịch AHr : Enthapy trình phản ứng chiều thuận Trang NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Nhiệt độ (oC) T: Nhiệt độ bình phản ứng Ti: Nhiệt độ dịng nhập liệu thứ T2: Nhiệt độ dòng nhập liệu thứ hai Tnot: Nhiệt độ dòng gia nhiệt vào thiết bị phản ứng T’Hot : Nhiệt độ dòng gia nhiệt thiết bị phản ứng Tcool : Nhiệt độ dòng giải nhiệt vào thiết bị phản ứng THot: Nhiệt độ dòng giải nhiệt thiết bị phản ứng Năng lượng (J) E: Năng lượng bình phản ứng E1: Năng lượng dòng nhập liệu thứ mang vào E2: Năng lượng dòng nhập liệu thứ hai mang vào EHot: Năng lượng dịng nóng gia nhiệt cho thiết bị Ecool: Năng lượng dòng lạnh giải nhiệt cho thiết bị Nồng độ mol (mol/l) CA: Nồng độ mol cấu tử A thiết bị phản ứng CAO: Nồng độ mol cấu tử A dòng nhập liệu thứ CB: Nồng độ mol cấu tử B thiết bị phản ứng CBO: Nồng độ mol cấu tử B dòng nhập liệu thứ hai CC: Nồng độ mol cấu tử c thiết bị phản ứng CD: Nồng độ mol cấu tử D thiết bị phản ứng Lưu lượng (l/s) Fi: Lưu lượng dòng nhập liệu thứ F2: Lưu lượng dòng nhập liệu thứ hai F: Lưu lượng sản phẩm Fhot : Lưu lượng dòng gia nhiệt thiết bị phản ứng Fcool: Lưu lượng dòng giải nhiệt thiết bị phản ứng Nhiệt dung riêng (J/kgoC) Cpi: Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu thứ Cp2: Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu thứ hai Cp: Nhiệt dung riêng dung dịch thiết bị phản ứng Trang 10 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR CpHot : Nhiệt dung riêng dòng gia nhiệt Cpcooi : Nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt Khối lượng riêng (kg/m3) PI: Khối lượng riêng dòng nhập liệu thứ p2: Khối lượng riêng dòng nhập liệu thứ hai p: Khối lượng riêng dung dịch bình phản ứng PHot: Khối lượng riêng dòng gia nhiệt PCool: Khối lượng riêng dịng giải nhiệt Thơng số thiết bị A: Diện tích đáy thiết bị phản ứng (m2) h: Mực chất lỏng dung dịch thiết bị phản ứng (m) m: Khối lượng dung dịch bình phản ứng (kg) V: Thể tích dung dịch thiết bị phản ứng (l) 4.3 Thiết lập mơ hình thiết bị phản ứng 4.3.1 Phương trình cân mực chất lỏng Ar = 1F +l.F ut = F1+B -F = (1) dl 4.3.2 Phương trình tốc độ phản ứng r = r = —r = —r = k.C ,C.~ — kC.C~ = k.C.2 — kC 'c 'D 'A 'B A B C D A C (2) Theo phương trình Arrhenius: Cơng thức tính số tốc độ phản ứng k = koe ™ Với E lượng hoạt hóa phản ứng, khơng phụ thuộc nhiệt độ Kết luận: Hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ 4.3.3 Phương trình cân lượng d- = ^ - "^ E ,„ E out + E Reaction + E hot - E (3) cool Trong đó: dE _ d(pVCpT) _ pVCpdT dt ~ dt ~ dt r\.c action Trang 11 r E^on = rV\H = V\H(kCA -kCC) r NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CSTR Hot Hot Hot (Ĩ ĨEHot= P1FCP 1T + P F£PT P E n Cp F HOÍ T Hot ) Cool Cool Cool Cool (Fool >/■- = pFCpT E P Cp F 4.3.4 Phương trình cân nồng độ VdCA= FCA0 - FCA - V (k£A - kCC) = \Fr -S'F C + Vkr, dt VdC in A0 =yFinCfíữ - yFu£ out A ^ fí+VkrfíA B out B B dt in B0 r Trang 12 (4) (5) T Cool ) = F£Bữ - FCB - V(kC2 - kC) 2B0 B 1A2C VỈ