Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA    NGUYỄN HỒNG HẢI Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mơ phịng thí nghiệm Research and building an automatic control system for laboratory-scale distillation equipment Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HCM, Tháng 2/2023 i NGUYỄN HỒNG HẢI CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Bùi Ngọc Pha (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Trịnh Hoài Thanh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Hoàng Tiến Cường (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 02 tháng 02 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS LÊ THỊ KIM PHỤNG CHỦ TỊCH PGS.TS NGUYỄN TUẤN ANH THƯ KÝ TS TRỊNH HOÀI THANH PHẢN BIỆN TS HOÀNG TIẾN CƯỜNG PHẢN BIỆN PGS.TS TRỊNH ĐÌNH QUÂN ỦY VIÊN Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ii NGUYỄN HỒNG HẢI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Hải MSHV: 2171052 Ngày, tháng, năm sinh: 25/03/1998 Nơi sinh: Đak Lak Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số : 8520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiêt bị chưng cất quy mơ phịng thí nghiệm (Researching and building an automatic control system for laboratory-scale distillation equipment) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Cải tạo hệ thống thiết bị chưng cất - Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển bao gồm phần cứng (cảm biến, PLC, van điều khiển) phần mềm (cấu trúc điều khiển, giao diện điều khiển giám sát) - Nghiên cứu khảo sát để đưa sách lược điều khiển thích hợp cho thơng số điều khiển - Khảo sát chế độ điều khiển tự động hệ thống chưng cất hệ Ethanol-nước III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) 18/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Bùi Ngọc Pha Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) BÙI NGỌC PHA BÙI NGỌC PHA TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) iii NGUYỄN HỒNG HẢI LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đếnThầy Bùi Ngọc Pha Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân, hai thầy người trực tiếp hướng dẫn tác giả suốt trình thực đề tài Nhờ dẫn tận tình hai thầy mà tác giả hồn thành luận văn cách tốt Bên cạnh tác giả xin gửi lời cảm ơn giúp đỡ, góp ý, động viên từ thầy phịng thí nghiệm Q Trình Thiết bị tạo điều khiện thuận lợi giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nghiên cứu Cảm ơn quý Thầy, Cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung khoa Kỹ thuật Hóa Học nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu suốt thời gian theo học từ ngày đầu chập chững bước vào trường Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình ln bên cạnh động viên, khích lệ tinh thần tác giả suốt thời gian sinh sống học tập nghiên cứu Cảm ơn người bạn đồng hành với tác giả suốt trình thực đề tài Lời sau cùng, có nhiều cố gắng thời gian hạn hẹp kiến thức tác giả hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp chân thành đến từ q Thầy, Cơ bạn để hồn thiện đề tài TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022 Nguyễn Hồng Hải iv NGUYỄN HỒNG HẢI TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong cơng nghệ hóa học, tự động hóa điều khiển q trình có tác động trực tiếp cách nhanh chóng đến chất lượng sản phẩm, suất hiệu sản xuất nhà máy Cải tiến đổi hệ thống điều khiển tự động q trình ln mang lại hiệu kinh tế cao chi phí đầu tư thấp nhiều so với đầu tư thay đổi công nghệ hay chế tạo thiết bị Hầu hết hệ thống điều khiển tự động dây chuyền cơng nghệ hóa học thiết kế chế tạo chuyển giao chuyên gia nước Để tiếp nhận, vận hành tìm hiểu chuyên sâu hệ thống tự động trình sản xuất nước cần có đội ngũ cán kỹ thuật đào tạo chuyên sâu hai lĩnh vực công nghệ hóa học điều khiển tự động Hiện nay, việc đào tạo chun ngành tự động hóa q trình cơng nghệ chưa phổ biến Đối với phịng thí nghiệm trình thiết bị nay, tiếp cận với trang thiết bị thí nghiệm, hạn chế hệ thống điều khiển, đặc biệt chưa có hệ thống điều khiển cho trình chưng cất, phản ứng, đặc Hiện sở đào tạo nước cịn gặp nhiều khó khăn việc giảng dạy tự động hố q trình, đặc biệt thiếu mơ hình thí nghiệm cho sinh viên thực hành để làm quen tiếp cận với thực tế Các mơ hình thí nghiệm nhà trường mức độ điều khiển tay, quan sát thông số công nghệ đồng hồ hiển thị; cịn thiếu hẳn phần kiểm sốt tự động điều khiển Với điều kiện học tập nay, sinh viên chưa tiếp cận với hệ thống điều khiển gặp nhiều khó khăn làm việc phịng điều khiển nhà máy Do việc trang bị mơ hình thí nghiệm tự động hố nhu cầu thiết sở nhằm nâng cao chất lượng đào tạo cán kỹ thuật Điều khiển trình chưng cất điều kiện quan trọng để vận hành hệ thống Nhiều phương pháp khác sử dụng để mơ q trình điều khiển q trình chưng cất quy mơ phịng thí nghiệm công nghiệp Tuy nhiên nghiên cứu điều khiển tập trung chủ yếu cho trình chưng cất hệ ethanol-nước Ngồi ra, nghiên cứu thiết bị tiếp tục thực nhằm tăng hiểu biết sâu trình từ điều khiển q trình cách ổn định hiệu v NGUYỄN HỒNG HẢI Các nghiên cứu mức mô biến điều khiển thơng qua mơ hình tốn học[9] Việc khảo sát thơng số điều khiển, xây dựng mơ hình giải pháp hệ thống điều khiển hệ thống thực giúp vận hành thơng số q trình xác độ tin cậy cao Với định hướng TS Bùi Ngọc Pha tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mơ phịng thí nghiệm” Bản luận văn gồm chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Chương 2: Thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa Chương 3: Chưng cất thực nghiệm hệ Ethanol-nước Chương 4: Phân tích kết bàn luận ❖ Mục tiêu, phương hướng đề tài: Xây dựng mơ hình giải pháp hệ thống điều khiển cho thiết bị chưng cất quy mơ phịng thí nghiệm ❖ Tóm tắt nội dung đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tự động thông số công nghệ thiết bị chưng cất: Lưu lượng nhập liệu, nhiệt độ nhập liệu, áp suất tháp chưng cất, nồng độ sản phẩm đỉnh (thông qua nhiệt độ), mức lỏng bình tách lỏng, mức lỏng đáy tháp Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát vận hành hệ thống chưng cất vi NGUYỄN HỒNG HẢI ABSTRACT In chemical engineering, automation controls processes that have a direct and immediate impact on plant quality, productivity, and production efficiency Improving and renewing the automatic control system of processes always brings high economic efficiency because the investment cost is much lower than the investment in changing technology or manufacturing new equipment Most of the automatic control systems for chemical technology lines are designed, manufactured and transferred by foreign experts In order to receive, operate and learn more about the automatic system in the production process, it is necessary to have a team of technical staff who are more intensively trained in both the fields of chemical technology and control automatic control Currently, specialized training in process automation is not popular For the current process and equipment laboratories, only have access to experimental equipment, there is still very little control in the control system, especially there is no control system for mechanical processes such as distillation, reaction, concentration Currently, domestic training institutions still face many difficulties in teaching about process automation, especially the lack of experimental models for students to practice to familiarize themselves with and approach reality The current experimental models in the school are only at the level of manual control, observing technological parameters on display clocks; lack of control and automatic control With the current learning conditions, students who not have access to control systems face many difficulties when working in control rooms of factories Therefore, the equipping of automated experimental models is a very urgent need today of the facilities in order to improve the quality of technical staff training Controlling the distillation process is also one of the important conditions for system operation Various methods have been used to simulate the process as well as control the distillation process at the laboratory and industrial scale However, these control studies also focus mainly on ethanolwater distillation In addition, research on the above device is still being carried out in order to increase the understanding of the process and thereby control the process stably and efficiently vii NGUYỄN HỒNG HẢI Current studies are only at the level of simulating control variables through mathematical models[9] Surveying the parameters of the controller, building a control system solution model on a real system helps us to operate the parameters in the process with greater accuracy and reliability With the direction of Dr Author Bui Ngoc Pha selected the topic "Research and build an automatic control system for laboratory-scale distillation equipment" The thesis consists of four chapters: Chapter 1: Overview Chapter 2: Design and manufacture automation systems Chapter 3: Experimental distillation of the Ethanol-water system Chapter 4: Results analysis and discussion ❖ Objectives and directions of the topic: Building a control system solution model for laboratory-scale distillation equipment ❖ Summary of the topic: Research and design automatic control system of technological parameters of distillation equipment: Input flow, input temperature, pressure in the distillation tower, peak product concentration (through temperature) , liquid level in the liquid separator, liquid level at the bottom of the tower Design the control interface, monitor and operate the distillation system viii NGUYỄN HỒNG HẢI LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Hồng Hải Sinh ngày 25 tháng 03 năm 1998 Học viên lớp cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Hóa Học - Khóa 2021 - Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Hiện cơng tác PTN Quá Trình Thiết Bị - Khoa Kỹ Thuật Hóa Học - Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mô phịng thí nghiệm” thầy giáo TS Bùi Ngọc Pha hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng, thông tin chi tiết mục “Tài liệu tham khảo” đề tài Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu giảng viên hướng dẫn Tác giả hồn tồn chịu trách nhiệm tính trung thực đề tài TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022 Nguyễn Hồng Hải ix NGUYỄN HỒNG HẢI MỤC LỤC TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu, nội dung đề tài: 1.2 Hệ thống chưng cất ethanol-nước: 1.3 Quy trình cơng nghệ chưng cất hỗn hợp Ethanol-nước: 1.4 Lý thuyết điều khiển trình: 1.4.1 Quá trình biến trình: 1.4.2 Mục đích chức điều khiển trình 1.4.3 Các thành phần hệ thống điều khiển q trình 11 1.5 Tính tốn thiết kế: 15 1.5.1 Tính suất lượng thành phần dịng 16 1.5.2 Tính số mâm Lý thuyết Thực tế: 17 1.5.3 Tính đường kính tháp 18 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 21 2.1 Khảo sát hệ thống chưng cất 21 2.2 Điều khiển hệ thống chưng cất 22 2.2.1 Cấu trúc hệ thống tự động hóa 22 2.2.2 Đại lượng điều chỉnh: 25 2.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển tự động: 31 2.3.1 Lý thuyết tính tốn thơng số PID 31 2.3.2 Xác định thông số điều khiển PID 36 2.3.3 Xác định hàm truyền thông số hiệu chỉnh thông số công nghệ trình chưng cất 39 Chưng cất thực nghiệm hệ ethanol-nước 45 3.1 Dữ liệu ban đầu: 45 x NGUYỄN HỒNG HẢI 77 NGUYỄN HỒNG HẢI 78 NGUYỄN HỒNG HẢI 79 NGUYỄN HỒNG HẢI 80 NGUYỄN HỒNG HẢI 81 NGUYỄN HỒNG HẢI 82 NGUYỄN HỒNG HẢI 83 NGUYỄN HỒNG HẢI 84 NGUYỄN HỒNG HẢI 85 NGUYỄN HỒNG HẢI PL2 Một số thí nghiệm khảo sát thơng số cơng nghệ: Thơng số nhiệt độ dịng nhập liệu vào tháp: Sơ đồ hệ thống thiết bị: T 3 U U TC Hình 23: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ nhập liệu Bồn chứa liệu Điện trở dùng tạo nhiễu theo nhiệt độ vào thiết bị Máy bơm Van điều chỉnh lưu lượng: sử dụng để tạo nhiễu theo lưu lượng nhập liệu Thiết bị gia nhiệt Bộ điều khiển nhiệt độ Sơ đồ cơng nghệ: Sơ đồ khối: Hình 24: Sơ đồ khối công nghệ thông số nhiệt độ nhập liệu Tv – Nhiệt độ lưu chất vào thiết bị T – Nhiệt độ thiết bị 86 NGUYỄN HỒNG HẢI G – Lưu lượng dòng lưu chất U – Điện áp cung cấp cho điện trở gia nhiệt Hình 25: Giao diện khảo sát nhiệt độ nhập liệu vào tháp Thông số lưu lượng dòng nhập liệu vào tháp: Sơ đồ thiết bị: FC FE W Hình 26: Sơ đồ điều khiển lưu lượng nhập liệu 1- Máy bơm 2- Van tuyến tính 3- Cảm biến lưu lượng F – Lưu lượng nhập liệu 87 F NGUYỄN HỒNG HẢI G – lưu lượng đến van tuyến tính W – Cơng suất máy bơm Nhiễu tạo cách thay đổi W đủ cho F lệch khỏi giá trị cài đặt Sơ đồ khối: Hình 27: Sơ đồ khối cơng nghệ thơng số lưu lượng nhập liệu Hình 28: Giao diện khảo sát lưu lượng nhập liệu vào tháp Thông số áp suất tháp Sơ đồ thiết bị: 88 NGUYỄN HỒNG HẢI Hình 29: Sơ đồ điều khiển áp suất tháp 1: Đáy tháp chưng cất 2: Thiết bị ngưng tụ P: áp suất đỉnh tháp F: lưu lượng nước lạnh U: Điện áp cho điện trở đáy tháp Nhiễu tạo cách thay đổi U giá trị 𝛥U đủ cho P lệch khỏi giá trị cài đặt Sơ đồ khối: Hình 30: Sơ đồ khối công nghệ thông số áp suất tháp 89 NGUYỄN HỒNG HẢI Hình 31: Giao diện khảo sát áp suất tháp 90 NGUYỄN HỒNG HẢI PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Hồng Hải Ngày, tháng, năm sinh: 25/03/1998 Nơi sinh: Đak Lak Địa liên lạc: Hịa An, Krơng Pắc, Đak Lak Q TRÌNH ĐÀO TẠO (Bắt đầu từ Đại học đến nay) 2016-2020, học đại học Chuyên Ngành Quá Trình Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh 2020-2022, học thạc sĩ Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC (Bắt đầu từ làm đến nay) 2021 – 2022 : Công ty cổ phần Máy Thiết Bị Y Tế Việt Nam 2022 – : Công Ty cổ phần Dầu Thực Vật Tân Bình 91