Tổng quan
Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta Nó đã đóng góp một phần vào sự tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân và phần quan trọng hơn là góp phần lớn về mặt xã hội, giải quyết việc làm ổn định cho hàng triệu nông dân trồng mía và hơn 2 vạn công nhân làm việc trong các nhà máy
Tuy nhiên ngành đường Việt Nam hiện đang gặp áp lực cạnh tranh từ Hiệp định thương mại ATIGA cũng như áp lực đến từ đường lậu Thái Lan giá rẻ Đánh giá một cách khách quan, ngành đường Việt Nam vẫn chưa đủ sức cạnh tranh cả về quy mô lẫn chất lượng sản phẩm so với nhiều nước trên thế giới Để có thể giữ vững vị thế trong bối cảnh này, các doanh nghiệp mía đường Việt Nam buộc phải giải được bài toán nâng cao chất lượng sản phẩm nhưng phải hạ giá thành sản xuất Một trong những cách giải quyết được ông Phạm Hồng Dương, Phó Chủ tịch thường trực Hiệp hội Mía đường Việt Nam đưa ra là tái cơ cấu ngành mía đường theo hướng đầu tư khoa học công nghệ [1] và áp dụng tự động hóa cũng là giải pháp công nghệ được triển khai
Quá trình bốc hơi thông qua hệ thống cô đặc là một bước quan trọng trong quy trình sản xuất đường mía, và thiết bị cô đặc chân không một nồi lần đầu tiên được Howard phát minh vào năm 1813 Về bản chất, hệ cô đặc một nồi còn nhiều hạn chế tuy nhiên nó đã được khắc phục phần nào bằng cách áp dụng điều khiển tự động qua các nghiên cứu của thầy Pha và cộng sự (2021) [2], thầy Hải và cộng sự (2021) [3]
Mặc dù vậy, những công trình nghiên cứu trước đây về hệ thống cô đặc tại phòng thí nghiệm chỉ tập trung xoay quanh vấn đề tự động hóa quá trình cô đặc chân không đường mía hoạt động gián đoạn trên thiết bị thực [2] Hay một nghiên cứu khác, nhóm tác giả xây dựng mô hình toán học và mô phỏng quá trình thông qua công cụ
MATLAB/SIMULINK để thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ thống cô đặc chân không đường mía hoạt động liên tục Kết quả nghiên cứu đang được nhóm tác giả ứng dụng trên thiết bị thực để phát triển quá trình cô đặc gián đoạn thành cô đặc liên tục nhằm nâng cao năng suất, tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất [3]
Tuy nhiên, những nghiên cứu trên chỉ tập trung chủ yếu vào một trong năm mục đích chính của điều khiển quá trình là “Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm” bằng cách duy trì các thông số công nghệ như áp suất, nhiệt độ dao động trong phạm vi yêu cầu Do vậy, đối với nghiên cứu lần này, ngoài việc đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm, hệ thống điều khiển còn thực hiện thêm một chức năng khác nữa là “Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn” Việc tăng năng suất mà không đi cùng với yếu tố an toàn cho con người, cho thiết bị cũng như cho sản phẩm, không lường trước những sự cố có thể xảy ra sẽ gây ra những tổn thất nặng nề, đáng tiếc [4]
Nhìn thấy tầm quan trọng của áp dụng điều khiển tự động cho hệ thống cô đặc chân không trong quy trình sản xuất đường mía và nhu cầu của việc lường trước những sự cố có thể xảy ra cho hệ thống Từ đấy, em quyết định chọn đề tài “PHÂN TÍCH, CẢI THIỆN VÀ THIẾT KẾ AN TOÀN CHO HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG ĐƯỜNG MÍA MỘT NỒI BÁN LIÊN TỤC” nhằm cải thiện lại phần cứng và phần mềm của một hệ thống cô đặc đã có sẵn ở phòng thí nghiệm quá trình thiết bị hóa chất tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung: Phân tích, đánh giá hệ thống thiết bị cô đặc chân không có sẵn từ đó đề ra phương án cải thiện hệ thống thiết bị theo hướng an toàn hơn nhằm hạn chế sự cố, giảm thiểu thiệt hại, đảm bảo năng suất Đồng thời dựa vào phân tích HAZOP thiết kế an toàn cho hệ thống
+ Tìm hiểu đôi nét về công nghệ mía đường
+ Tìm hiểu và tổng hợp lý thuyết về quá trình và thiết bị cô đặc
+ Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển quá trình và an toàn quá trình
+ Tìm hiểu, phân tích và đánh giá hệ thống cô đặc chân không hiện tại, lường trước những rủi ro có thể xảy ra từ đó đưa ra phương án cải thiện hệ thống, bao gồm thiết bị và điều khiển
+ Nghiên cứu và đề xuất các vòng điều khiển an toàn cho quá trình
+ Tiến hành lập trình trên phần mềm Tia Portal để điều khiển vận hành hệ thống + Thiết kế giao diện vận hành, giám sát và thu thập dữ liệu thông qua phần mềm Tia Portal
+ Tiến hành cô đặc thực nghiệm đường
+ Thu nhận kết quả đạt được, đánh giá những mặt còn hạn chế của hệ thống cô đặc chân không Từ đó phát triển hướng nghiên cứu mới cho đề tài.
Phương pháp thực hiện
- Phương pháp thu thập thông tin
Sản phẩm của đề tài
- Hệ thống thiết bị cô đặc chân không đường mía một nồi bán liên tục đã được cải thiện, phục vụ quá trình học tập và nghiên cứu
- Hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển PLC S7-300 cho thiết bị cô đặc chân không đã được cải thiện
- Giao diện giám sát và vận hành hệ thống thiết bị cô đặc chân không đường mía một nồi bán liên tục.
Kết cấu của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn gồm
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Hệ thống cô đặc chân không đường mía một nồi bán liên tục
Chương 3: Thực nghiệm cô đặc đường mía
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan hệ thống cô đặc
Cô đặc là phương pháp dùng để tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất của cấu tử khó hay dễ bay hơi để lựa chọn phương pháp nhiệt (đun nóng) hay phương pháp làm lạnh kết tinh để tách một phần dung môi
Trong luận văn này, em sử dụng dùng phương pháp nhiệt Dưới tác dụng của nhiệt, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất trên mặt thoáng dung dịch
1.1.2 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để thắng lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc
1.1.3 Phân loại thiết bị cô đặc nhiệt
Theo cấu tạo, thiết bị cô đặc được chia làm 3 nhóm:
- Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:
+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài
+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức Thiết bị trong nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:
+ Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài
+ Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài
- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi xuống Thiết bị nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, hoa quả ép…Gồm:
+ Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ
+ Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ
Theo phương pháp thực hiện, thiết bị cô đặc được chia thành:
- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao
- Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 o C, áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục
- Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế
- Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy [5]
1.1.4 Hệ thống cô đặc chân không bán liên tục
- Mục đích: Để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxi
+ Nhập liệu đơn giản: Nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị, nhập liệu theo từng mẻ một
+ Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng
+ Có thể cô đặc dung dịch đến các nồng độ khác nhau theo phương pháp gián đoạn từng mẻ hoặc liên tục
+ Làm việc ở trạng thái không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng độ, thời gian cô đặc
+ Thiết bị phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không.
Hệ thống cô đặc nước đường
1.2.1 Công nghệ cô đặc nước đường
Cô đặc đường mía là công đoạn tiếp theo sau quá trình làm sạch nước mía Mục đích của quá trình là làm bốc hơi nước mía có nồng độ ban đầu (khoảng 12-15 o Bx) đến nồng độ cao (khoảng 65 o Bx) [6] Tuy nhiên nếu cô đặc nước mía tới nồng độ quá cao (>70 o Bx) sẽ xuất hiện các tinh thể đọng lại (trong đường ống và bơm), tăng độ nhớt gây khó khăn cho quá trình lọc
Trong thực tế, cô đặc nước đường một nồi hoạt động theo mẻ thường được làm việc theo một trong ba phương pháp sau:
(1) Cho dung dịch nhập liệu vào một lần ban đầu rồi cho bốc hơi, mực dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu
(2) Dung dịch nhập liệu cho vào ban đầu đến một mức nhất định, sau đó vừa cho bốc hơi vừa tiếp tục dung dịch vào để giữ cho mức dung dịch trong thiết bị không đổi
(3) Dung dịch ban đầu được cho vào thiết bị đến một mức nhất định, sau đó vừa cho bốc hơi vừa cho tiếp dung dịch vào để giữ cho khối lượng riêng dung dịch không đổi, vì khối lượng riêng dung dịch tăng khi nồng độ tăng do đó mức dung dịch trong thiết bị sẽ giảm
Trong phương pháp cô đặc dùng nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không [5]
Thiết bị cô đặc ở đây được thiết kế mô phỏng theo các thiết bị cô đặc sử dụng trong công nghiệp Dung dịch được cô đặc theo từng mẻ Dung dịch sôi trong nồi cô đặc do hơi nước bên ngoài vỏ ống truyền nhiệt vào nồi Hơi thứ bốc lên trong nồi cô đặc được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (TBNT) ống chùm Thiết bị tạo chân không được sử dụng để tạo chân không cho toàn hệ thống
Hệ thống gồm các thiết bị sau:
- Thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm
- Thiết bị ngưng tụ loại ống chùm
- Bình chứa hơi thứ ngưng tụ
- Thiết bị tạo chân không ejector
1.2.2 Đặc điểm nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc đường
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
- Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccarozơ Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc
Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít
Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:
- Các chất hòa tan: có nồng độ cao
1.2.3 Biến đổi hóa học trong quá trình cô đặc
- Sự chuyển hóa đường saccarozơ
Nếu nước mía trong có tính axit và các chất không đường tạo axit thì trong quá trình bốc hơi, đường saccarozơ bị thủy phân tạo thành hỗn hợp glucozơ và fructozơ làm tổn thất đường Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc trị số pH của nước mía, nhiệt độ, thời gian lưu của nước mía, nồng độ dung dịch đường Thông thường, khi nhiệt độ càng cao, trị số pH càng thấp, thời gian lưu càng dài thì tốc độ chuyển hóa càng nhanh, tổn thất đường càng nhiều
- Sự phân hủy saccarozơ và tăng cường độ màu
Trong quá trình bốc hơi độ màu nước luôn tăng đậm Nguyên nhân chủ yếu là do phản ứng tạo caramen của đường saccarozơ và sự phân hủy đường khử Lượng caramen tạo thành phụ thuộc vào trị số pH, nhiệt độ và thời gian lưu của nước mía và chỉ cần một
10 lượng caramen rất nhỏ cũng làm cho nước mía có màu đậm Ngoài ra, đường khử kết hợp với axit amin tạo thành chất màu melanoidin làm tăng màu sắc của nước mía
- Sự biến đổi độ kiềm
Nước mía trong khi vào thiết bị cô đặc thường có pH trung tính hoặc kiềm nhẹ, nhưng trong quá trình bốc hơi, độ kiềm nước mía vẫn phát sinh biến đổi (tăng hoặc giảm)
- Sự biến đổi độ tinh khiết
+ Độ tinh khiết tăng: Do chất không đường bị phân hủy Do sự phân hủy amit và muối cacbonat tạo ra CO2, NH3
+ Độ tinh khiết giảm: Trong quá trình bốc hơi, tổn thất đường saccarozơ do chuyển hóa làm độ tinh khiết giảm [6]
1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
- Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên
- Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu
- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
Điều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường Điều khiển quá trình được ứng dụng nhiều trong các quá trình sản xuất, trong cách ngành công nghiệp như hóa dầu, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm…Việc sử dụng kỹ thuật điều khiển tự động mang lại chất lượng sản phẩm tốt hơn, giảm thiểu nhân công và xa hơn là mang lại hiệu quả về kinh tế
1.3.1 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ làm việc một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ con người, máy móc, thiết bị, và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố
Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu
Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường [7]
1.3.2 Sách lược điều khiển phản hồi
Dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển, so sánh nó với giá trị đặt, dựa vào sai lệch giữa biến được điều khiển và giá trị đặt để xác định tín hiệu tác động vào biến điều khiển Do cấu trúc khép kín nên sách lược điều khiển này còn được gọi là điều khiển vòng kín
Hình 1-1: Cấu trúc của sách lược điều khiển phản hồi
Loại bỏ nhiễu bất định, hệ thống điều khiển phản hồi có thể giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu không đo được hoặc ảnh hưởng của các thông số bất định trong mô hình
Bền vững với sai lệch mô hình Nếu được thiết kế tốt thì ngay cả tồn tại sai lệch mô hình ở một mức độ nào đó, bộ điều khiển phản hồi vẫn có khả năng triệt tiêu sai lệch điều khiển Đối với các quá trình nếu không biết được mô hình, ta chỉ có thể biết được đầu ra thông qua nó và đây là thông tin duy nhất ta có thể dựa vào nó để tiến hành điều khiển, do vậy chỉ có thể sử dụng điều khiển phản hồi
- Nhược điểm: Để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt thì phép đo đại lượng phản hồi cần có độ chính xác cần thiết Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo Một khi các giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không được đảm bảo nếu như không có thuật toán lọc nhiễu thích hợp
Khi mô hình của quá trình không chính xác, không thể thiết kế bộ điều khiển có chất lượng tốt Mặc dù điều khiển phản hồi đã dung sai với sai lệch mô hình ở một mức độ nào đó, nó không thể giải quyết hoàn toàn vấn đề này
Hình 1-3: Cơ chế của bộ điều khiển
ON/OFF có dải chết
Bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng, nghĩa là chỉ khi ảnh hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giá trị biến được điều khiển thì nó mới tác động trở lại Nhiều quá trình có đặc tính động học chậm (ví dụ các quá trình nhiệt, quá trình phản ứng), ảnh hưởng của nhiễu chỉ sau một khoảng thời gian lớn mới có thể quan sát được Như vậy trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bị ảnh hưởng rồi [7]
1.3.3.1 Bộ điều khiển ON/OFF
Bộ điều khiển ON/OFF là bộ điều khiển sử dụng tín hiệu điều khiển có 2 giá trị duy nhất là 1 (ON) và 0 (OFF), tưởng ứng với hai trạng thái của van mở/đóng hoàn toàn, hoặc máy bơm chạy/dừng… u= {u min , e