thiết kế hệ thống điều khiển tự động hệ thống chưng cất hệ acid fomic - acid acetic

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí thiết kế hệ thống điều khiển tự động hệ thống chưng cất hệ acid fomic - acid acetic

Chưng cất là một phương pháp để tạo ra những hợp chất có độ tinh khiết cao Thiết kế hệ thống chưng cất là nhiệm vụ quan trọng của kỹ sư hoá học Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, các thông số của hệ thống luôn luôn dao động do các thay đổi bên trong và các yếu tố bên ngoài tác động vào Do đó, để hoàn thiện hệ thống chưng cất cần thiết phải có hệ thống điều chỉnh tự động để kiểm soát và ổn định các thông số

Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động cho quá trình chưng cất Acid fomic –Acid Acetic  của môn  Đồ án chuyên ngành Máy & thiết bị  cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế hoàn chỉnh các quá trình & thiết bị công nghệ sau này

Tập thuyết minh đồ án này gồm7 chương :

Chương I : Giới thiệu Chương II : Sơ lược về qui trình công nghệ Chương III : Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động Chương IV : Khảo sát đối tượng công nghệ

Chương V : Lựa chọn các kênh điều chỉnh Chương VI : Các kênh điều chỉnh

Chương VII : Đánh giá và kết luận Một số kí hiệu trong bản vẽ qui trình công nghệ

Tài liệu tham khảo

Để hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều Song , vì đây là bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những sai sót

Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy – Thiết Bị , đặc biệt là thầy Hoàng Minh Nam , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong

suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này

Ngày … tháng … năm…

Sinh viên

Trang Chương I : Giới thiệu 4

I Đặt vấn đề 4

II Mục đích đồ án 4

III Nội dung đồ án 4

Chương II: Sơ lược về qui trình công nghệ 5

I Cơ sở lí thuyết 5

II Thuyết minh qui trình công nghệ 5

III Các thông số của tháp chưng cất 5

Chương III: Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động 10

I Khái niệm 10

II Phương thức điều khiển 11

III Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh 13

IV Một số đặc tính của sự điều chỉnh 15

Chương IV: Khảo sát đối tượng công nghệ 18

I Xác định nhiệm vụ điều chỉnh 18

II Lựa chọn các thông số điều chỉnh 18

Chương V: Lựa chọn các kênh điền chỉnh 22

Chương VI: Các kênh điều chỉnh 24

I Kênh 1: áp suất trong tháp – lưu lượng hơi đốt ở nồi đun 24

II Nhiệt độ nhập liệu – lưu lượng dòng hơi đốt gia nhiệt 27

III Mực chất lỏng trong tháp – lưu lượng dòng nhập liệu & lưu lượng dòng hơi đốt 30

Chương VII : Đánh giá và kết luận 33

Một số kí hiệu trong bản vẽ sơ đồ qui trình 34

Tài liệu tham khảo 35

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Chương I: Giới thiệu

I Đặt vấn đề:

Đồ án quá trình thiết bị đã làm trước đây là thiết kế hệ thống chưng cất hệ acid fomic – acid axetic với năng suất 300 kg/h Nhưng trong thực tế khi vận hành, các quá trình diễn ra không ổn định do các yếu tố nhiễu tác động vào hệ thống như : nồng độ dòng nhập liệu, nhiệt độ dòng nhập liệu, nhiệt độ môi trường, hệ số truyền nhiệt …nên các thông số công nghệ thực tế sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị tính toán trong một khoảng nhỏ nào đó nhưng lại ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Cụ thể:

 Nhiệt độ dòng nhập liệu không đạt nhiệt độ sôi hoặc nồng độ dòng nhập liệu thay đổi  nồng độ sản phẩm đỉnh không đạt yêu cầu

 Lượng hơi đốt ở nồi đun không ổn định quá trình tiếp xúc pha và truyền khối kém, dễ xảy ra hiện tượng ngập lụt

 Cặn bẩn bám lên bề mặt truyền nhiệt  tốn kém nhiệt hơi đốt

Nếu không có sự kiểm tra, theo dõi và điều chỉnh mà quá trình lại xảy ra liên tục  chất lượng sản phẩm không ổn định

Xuất phát từ mục tiêu đó, đồ án chuyên nghành đặt ra phải đi sâu vào thông số công nghệ, tìm hiểu sao có thể ổn định các thông số và ổn định được chúng

II Mục đích đồ án:

Thiết kế hệ thống điều chỉnh lưu lượng nhập liệu, nhiệt lượng cung cấp ở đáy, áp suất đáy phòng khi có sự cố ngập lụt trong tháp chưng cất acid fomic – acid axetic năng suất 300kg/h

III Nội dung:

 Xác định nhiệm vụ điều chỉnh

 Chọn lựa các đại lượng kiểm tra, theo dõi và điều chỉnh

 Xác định những tác động điều chỉnh

 Chọn lựa công cụ điều chỉnh và kiểm tra

Chương II: Sơ lược về qui trình công nghệ

I Cơ sở lí thuyết:

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

 Có hai phương pháp thực hiện:

 Chưng cất đơn giản không có dòng hoàn lưu : là quá trình có một giai đoạn trong đó pha

lỏng được bốc hơi, pha hơi tạo nên luôn luôn ở trạng thái cân bằng với pha lỏng trong nồi và sau đó đến thiết bị ngưng tụ  nồng độ sản phẩm thu được không cao và giảm dần theo thời gian

 Chưng cất có dòng hoàn lưu: là quá trình có hai giai đoạn chưng và cất trong đó lượng hơi

bốc lên liên tục và ổn định  nồng độ sản phẩm thu được cao và ổn định

 Các thiết bị chưng cất:

 Tháp mâm xuyên lỗ:

 Ưu điểm: chế tạo đơn giản, hiệu quả truyền khối cao, trở lực thấp

 Nhược: khi đường kính tháp lớn thì sự phân bố chất lỏng trên mâm không đều, mâm phải phẳng và đều

 Tháp mâm chóp:

 Ưu điểm: hiệu quả truyền khối cao, ổn định

 Nhược điểm: chế tạo phức tạp, trở lực lớn

 Tháp đệm:

 Ưu điểm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp

 Nhược điểm: hiệu suất thấp, dễ xảy ra hiệu ứng thành và dễ bị gập lụt

 Hiện nay xu hướng dùng tháp mâm van vì chế tạo đơn giản và trở lực thấp

II Thuyết minh qui trình công nghệ:

Nhập liệu là hỗn hợp acid fomic – acid axetic 25% được đưa từ bình chứa nguyên liệu lên bồn cao vị nhờ bơm nhập liệu Trước khi đưa vào tháp ở vị trí mâm nhập liệu, dòng nhập liệu được gia nhiệt từ 300C đến 110,70C bằng hơi bão hoà ở thiết bị gia nhiệt

Hơi ra từ đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ hoàn toàn, một phần được hoàn lưu vào tháp với tỉ số hoàn lưu thích hợp R và phần còn lại được làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Lỏng ở đáy tháp được dẫn qua nồi đun Kettle và được đun nóng gián tiếp bằng hơi bão hoà, hơi ở nồi đun dẫn vào tháp để cấp nhiệt cho tháp Lượng lỏng đi ra khỏi nồi đun được làm nguội để làm sản phẩm đáy

Trong tháp luôn xảy ra quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa hai pha lỏng và hơi Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh là acid fomic và sản phẩm đáy là acid axetic

III Các thông số của tháp chưng cất:

3.1 Nồng độ – lưu lượng các dòng:

Nhập liệu Sản phẩm đỉnh Sản pẩm đáy F(kg/h) x F (%mol) D(kg/h) x D (%mol) W(kg/h) x W (%mol)

3.2 Thông số nhiệt độ – áp suất:

3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt:

TB gia nhiệt

nhập liệu

TB ngưng tụ TB làm nguội sản

phẩm đỉnh

TB làm nguội sản phẩm đáy

Nồi đun Kettle

Q F

(kw)

D

(m)

L (m)

Q D

(kw)

D (m)

L (m)

Q spđỉnh

(kw)

D (m)

L (m)

Q spđáy

(kw)

D (m)

L (m)

Q đ

(kw)

D (m)

L (m)

80 0,47 4,2 487 0,624 4,5 13,35 0,32 3,5 66 0,36 4,1 540 0,64 5,2

3.4 Thông số chính của tháp chưng cất:

Số mâm Phần chưngPhần cất 13 mâm32 mâm

Chóp Đường kính chópSố chóp/mâm 73,6 mm37

3.5 Thông số mặt bích:

Bích liền phẳng, kiểu I

(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (cái)

3.6 Thông số các ống dẫn hơi:

Tên gọi

mm cái Ống dẩn hơi ra ở đỉnh 150 130 159 260 225 202 M16 8

Ống dẫn lỏng ra ở đáy 40 100 45 145 110 88 M12 4

Ống dẫn hơi ra ở đáy 150 130 159 260 225 202 M16 8

3.7 Thông số bơm nhập liệu:

Loại bơm Năng suất(m3/h) Số vòng quay(vòng/phút) Áp suất toàn phần(m) Nhiệt độ chấtlỏng

( o C)

Chương III: Tổng quan về hệ thống điều khiển tự động

I Khái niệm:

Trong tất cả hoạt động của con người ở bất cứ nơi đâu vào mọi thời điểm nào đều liên quan đến khái niệm điều khiển Nó là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức để đạt được mục đích mong muốn Có thể nói điều khiển là nhân tố cuối cùng quyết định sự thành bại của

đối tượng điều chỉnh

các hoạt động Trong công nghiệp, hệ thống điều khiển ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và chi phí sản xuất

Như chúng ta đã biết, tất cả các quá trình công nghệ đều tồn tại dưới dạng hệ thống Diễn biến của quá trình theo thời gian được xác định bằng giá trị tức thời của các thông số: lưu lượng, nhiệt độ, áp suất … ở trạng thái bình thường các giá trị trên cố định gọi là giá trị chủ đạo

Dưới tác động của các yếu tố bên ngoài (thay đổi thành phần, lưu lượng nguyên liệu, nhiệt độ môi trường … ) hoặc hiện tượng diễn ra trong thiết bị (thay đổi chế độ thuỷ động học, điều kiện truyền nhiệt qua bề mặt …) các thông số có thể sa lệch so với giá trị chủ đạo nên cần có sự điều chỉnh

Điều chỉnh là một khái niệm hẹp của điều khiển Mục đích của nó là giữ cho thông số đầu ra của đối tượng gần bằng với giá trị chủ đạo hay thay đổi theo một chương trình đặt trước

Điều chỉnh có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động Ở điều chỉnh bằng tay tác động lên đối tượng thông qua công cụ thừa hành do con người thực hiện còn trong điều chỉnh tự động, tác động lên đối tượng được thực hiện bằng một công cụ tự động đặc biệt bằng vòng khép kín tạo nên hệ thống điều chỉnh tự động

Trong hệ thống điều khiển tự động tồn tại 2 thành phần cơ bản:

 Đối tượng điều chỉnh: là thiết bị công nghệ trong đó có 1 hay nhiều thông số cần giữ cố định hay thay đổi theo một chương trình đặt trước

 Thiết bị điều chỉnh: công cụ tự động đảm bảo duy trì thông số của đối tượng

Các thông số công nghệ được chia thành:

 Thông số đầu vào (X): có thể hiểu đó là lưu lượng, thành phần nguyên liệu, nồng độ, lượng nhiệt cung cấp …

 Thông số đầu ra (Y): gồm có nhiệt độ lưu chất, mức chất lỏng trong thiết bị, áp suất, nồng độ, lưu lượng, độ ẩm …

 Yếu tố nhiễu (Z): những yếu tố bên ngoài tác động lên sự hoạt động của hệ thống như nhiệt độ môi trường, tổn thất nhiệt, các tạp chất …

Thông thường khi nghiên cứu hệ thống, các đại lượng đầu vào, đầu ra được xem xét không phải là giá trị tuyệt đối mà là giá trị tương đối giữa giá trị tức thời và giá trị chủ đạo của thông số công nghệ Các đại lượng được thể hiện dưới dạng sai lệch tuyệt đối (có đơn vị) hoặc sai lệch tương đối ( không có đơn vị)

 Có đơn vị : y = ytt - y0

 Không có đơn vị : y =y y y (%)

0

0

tt 

Với y0: giá trị chủ đạo

ytt: giá trị tức thời

II Phương thức điều chỉnh:

2.1 Theo nguyên tắc điều chỉnh:

2.1.1 Mạch điều chỉnh hở:

Hệ thống điều khiển không có tín hiệu phản hồi Do đó phải dự đoán đại lượng bên ngoài sẽ tác động vào hệ thống như thế nào Cách điều khiển này mang tính cảm quan thường

do con người điều chỉnh thông qua các van tay

đối tượng điều chỉnh

Z

đối tượng điều chỉnh

Zcb bộ điều chỉnh theo nhiễu

2.1.2 Mạch điều chỉnh kín:

Hệ thống điều chỉnh có tín hiệu phản hồi, sự thay đổi tức thời của đại lượng được điều chỉnh sẽ tác động vào cơ cấu điều chỉnh làm xuất hiện sự điều chỉnh Tác động điều chỉnh tiếp tục diễn ra khi giá trị đầu ra phù hợp với giá trị chủ đạo

Có 3 phương thức điều chỉnh theo dạng này:

2.1.2.1. Điều chỉnh theo sai lệch:

Nhiễu Z tạo nên độ lệch giữa giá trị tức thời của đại lượng điều chỉnh Y với giá trị chủ đạo u

Bộ điều chỉnh tự động so sánh giá trị y và u, khi chúng lệch nhau bộ điều chỉnh tạo ra tác động điều chỉnh x đến đối tượng điều chỉnh để loại bỏ sai lệch Trong hệ điều chỉnh theo sai lệch, tác động điều chỉnh chỉ được hình thành sau khi có sai lệch đây là nhược điểm của hệ thống Tuy nhiên, trong thực tế hệ thống điều chỉnh được sử dụng rộng rãi do tác động điều chỉnh không phụ thuộc vào số lượng, dạng, vị trí xuất hiện của yếu tố nhiễu

2.1.2.2. Điều chỉnh theo nhiễu:

Bộ điều chỉnh nhận thông tin về giá trị tức thời của tác động nhiễu cơ bản Khi nhiễu biến đổi không khớp với giá trị Un, bộ điều chỉnh tạo ra tác động điều chỉnh x lên đối tượng Trong hệ thống điều chỉnh theo nhiễu, tín hiệu điều chỉnh đi qua mạch điều chỉnh nhanh hơn trong hệ thống điều chỉnh theo sai lệch Tuy nhiên điều chỉnh theo nhiễu cho phần lớn các đối tượng hoá công nghệ thực tế khó thực hiện do cần thiết phải tính ảnh hưởng của tất cả các nhiễu tác động lên, nếu nhiễu có số lượng lớn và một số không xác định được thì việc điều chỉnh theo nhiễu sẽ kém hiệu quả

2.1.2.3. Điều chỉnh hỗn hợp:

đối tượng điều chỉnh

Zcb

đối tượng điều chỉnh

Z

cảm biến đo lường thiết bị điều chỉnh

bộ phận thừa hành

U

XĐC

Để tăng hiệu quả điều chỉnh, người ta sử dụng phối hợp hai nguyên tắc điều chỉnh theo sai lệch và theo nhiễu

2.2 Theo đại lượng điều chỉnh:

Hệ điều chỉnh chia thành :

2.2.1 Hệ một chiều:

có một đại lượng cần điều chỉnh

2.2.2 Hệ hai chiều :

có nhiều đại lượng cần điều chỉnh Các đại lượng có thể liên quan hoặc độc lập với nhau

2.3 Theo số vòng truyền tín hiệu:

2.3.1 Hệ một vòng kín:

2.3.2 Hệ nhiều vòng kín:

Người ta sử dụng hệ nhiều vòng kín để điều chỉnh một đại lượng với mục đích nâng cao chất lượng quá trình quá độ Tuy nhiên hệ rất nhạy với những biến đổi nhỏ

2.4 Theo bản chất tín hiệu chủ đạo:

2.4.1 Hệ thống tự động ổn định:

Sử dụng để duy trì đại lượng điều chỉnh gần với giá trị chủ đạo không đổi ( U = const) Đây là hệ thống phổ biến, được sử dụng rộng rãi

2.4.2 Hệ thống điều chỉnh theo chương trình:

Có giá trị chủ đạo của đại lượng điều chỉnh là hàm số theo thời gian biết trước U = f(t) hệ được lắp đặt thêm bộ định trị chương trình tạo dạng của đại lượng U theo thời gian Những hệ này được sử dụng cho tự động hoá các quá trình hoá công nghệ hoạt động theo chu kỳ

2.4.3 Hệ thống điều chỉnh theo dõi:

Giá trị chủ đạo của đại lượng điều chỉnh không được biết trước và nó là hàm của đại lượng độc lập bên ngoài U = f(yi) Hệ thống này dùng để điều chỉnh một thông số công nghệ (thụ động) phụ thuộc vào giá trị của một thông số công nghệ khác (chủ động)

III Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh:

Theo dạng năng lượng được sử dụng để truyền tín hiệu thông tin và các lệnh điều chỉnh, thiết bị tự động hoá chia thành 3 nhóm:

 Điện: có độ chính xác cao, tác động nhanh, đảm bảo truyền đi xa và có dung

lượng truyền tín hiệu lớn Tuy nhiên, vấn đề cách điện và an toàn phải được coi trọng

 Khí nén: làm việc an toàn trong môi trường dễ cháy nổ.

 Thuỷ lực: đảm bảo sự dịch chuyển chính xác cơ quan thừa hành và ứng lực lớn.

Theo chức năng, công cụ tự động hoá chia thành các nhóm sau:

 Công cụ thu nhận thông tin về trạng thái của đối tượng

 Công cụ biến đổi, lưu trữ, xử lí thông tin và tạo ra các lệnh điều khiển

 Bộ phận sử dụng thông tin điều khiển với mục đích tác động lên quá trình công nghệ

 Công cụ biến đổi thông tin để truyền đi theo kênh liên lạc

Các công cụ kĩ thuật này được dùng để thiết lập các hệ thống tự động khác nhau Tuy nhiên, tất cả các hệ thống đều có những thành phần cơ bản sau:

3.1 Cảm biến đo lường:

gồm 2 phần:

3.1.1 Bộ phận cảm biến: là bộ phận làm nhiệm vụ nhận tín hiệu cần điều chỉnh.

Theo tín hiện đầu ra, bộ phận cảm biến được chia thành:

 Dạng tương tự: đầu ra là đại lượng liên tục, thuận tiện cho việc đọc và ghi lại Tuy vậy có sai số bổ sung khi truyền tải và biến đổi

 Dạng số: đại lượng được thể hiện dưới dạng rời rạc với kết quả là số hoặc mã, được sử dụng ngày càng nhiều do có độ chính xác cao, nhạy, tác động nhanh và có mã đầu ra

3.1.2 Bộ phận biến đổi: là bộ phận biến đổi tín hiệu từ bộ phận cảm biến thành các tín

hiệu khác (như tín hiệu điện, tín hiệu không điện …) hoặc khuếch đại tín hiệu cho phù hợp với thiết bị điều chỉnh Nó tạo sự đồng bộ cho các phần tử, đảm bảo truyền tín hiệu theo kênh liên lạc, thuận tiện ghi lại các chỉ số, sử dụng các bộ biến đổi tín hiệu và năng lượng Có các bộ biến đổi sau:

 Bộ biến đổi đo khí nén tiêu chuẩn hoá

 Bộ biến đổi đo điện chuẩn

 Bộ biến đổi cho nhiệt kế điện trở

 Bộ biến đổi điện áp