Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Phân tích, cải thiện và thiết kế an toàn cho hệ thống cô đặc chân không đường mía một nồi bán liên tục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

TRẦN THANH MINH TÂM

PHÂN TÍCH, CẢI THIỆN VÀ THIẾT KẾ AN TOÀN CHO HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG ĐƯỜNG MÍA MỘT NỒI

Mã ngành: 8520301

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2023

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Bùi Ngọc Pha

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại 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:

1 PGS.TS Lê Thị Kim Phụng – Chủ tịch hội đồng 2 PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh – Thư ký

3 TS Trịnh Hoài Thanh – Phản biện 1 4 TS Hoàng Tiến Cường – Phản biện 2 5 PGS.TS Nguyễn Đình Quân - Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN THANH MINH TÂM MSHV: 2170752 Ngày, tháng, năm sinh: 10/05/1999 Nơi sinh: Cà Mau

I TÊN 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 (Analyzing, improving and designing safety for semi-continuous single-effect vacuum sugar concentration system)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Phân tích nguy hiểm và khả năng vận hành (HAZOP) cho hệ thống cô đặc chân không hiện tại, từ đó đưa ra phương án cải thiện hệ thống, bao gồm thiết bị và điều khiển

- Tiến hành lập trình trên phần mềm Tia Portal để điều khiển vận hành hệ thống - Thiết kế giao diện vận hành, giám sát an toàn và thu thập dữ liệu thông qua phần mềm Tia Portal

- Tiến hành cô đặc thực nghiệm đường

- Nghiên cứu và đề xuất thiết kế an toàn cho hệ thống bao gồm các vòng điều khiển và phương án sửa đổi thiết bị theo hướng an toàn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Tháng 9/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Bùi Ngọc Pha

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Bùi Ngọc Pha

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Bùi Ngọc Pha

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

PGS TS Nguyễn Quang Long

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Bùi Ngọc Pha đã hướng dẫn và chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Nhờ có những lời nhận xét, góp ý kịp thời và chính xác của thầy mà tôi có được định hướng đúng đắn cho bài luận văn của mình Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô phòng thí nghiệm Quá Trình và Thiết bị đã tạo điều khiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Lời tiếp theo, tôi cũng muốn dành sự tri ân chân thành đến tập thể các giảng viên trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nói chung và khoa Kỹ thuật Hóa học nói riêng, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng bổ ích cả về học thuật cũng như kinh nghiệm sống phong phú Những kiến thức đó chính là nền tảng vững chắc để tôi bước tiếp con đường tương lai mình đã chọn

Hơn thế nữa, tôi xin dành lời cảm ơn đối với ngôi trường này, trường Đại học Bách Khoa Tôi cảm thấy may mắn khi được trưởng thành dưới ngôi trường này, tôi biết được mình là ai, tôi nhận ra được điểm mạnh yếu của bản thân mình để phát huy hay cải thiện Tôi hoàn thiện bản thân không chỉ về tri thức mà cả về con người, cách ứng xử

Tiếp theo đây, tôi muốn dành đến lời cảm ơn đặc biệt nhất đối với gia đình của tôi, đặc biệt là cha mẹ của mình đã giúp đỡ tôi vô điều kiện về mọi mặt, cả về tinh thần cũng như kinh tế Gia đình chính là niềm cảm hứng cũng như động lực để tôi phát triển bản thân mình Đằng sau một ước mơ, hoài bão to lớn của tôi chính là sự hi sinh, đồng hành của cha mẹ

Lời sau cùng, mặc dù đã cố gắng và nỗ lực rất nhiều nhưng luận văn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ dẫn, góp ý của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện tốt hơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2022 Học viên

Trần Thanh Minh Tâm

TÓM TẮT

Tự động hóa quá trình bốc hơi trong hệ thống thiết bị cô đặc đã mang lại hiệu quả cao về năng suất và chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, hầu hết những nghiên cứu trước đây về hệ thống thiết bị cô đặc chỉ tập trung vào việc duy trì các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất mà bỏ qua yếu tố an toàn cho con người, thiết bị và sản phẩm Dựa trên phân tích nguy hiểm và khả năng vận hành (HAZOP), luận văn đã đưa ra phương án cải thiện hệ thống cô đặc chân không tại phòng thí nghiệm, bao gồm thiết bị và điều khiển Sau đó, việc thiết kế giao diện và lập trình thông qua phần mềm Tia Portal được tiến hành Ngoài ra, luận văn còn đề xuất thiết kế an toàn cho hệ thống, bao gồm các vòng điều khiển và phương án sửa đổi thiết bị theo hướng an toàn Cuối cùng, quá trình cô đặc thực nghiệm với đối tượng là đường mía đã được tiến hành và số liệu được ghi nhận thông qua giao diện giám sát Kết quả thực nghiệm đường cho thấy: 8.33 kg dung dịch đường 26% ban đầu sẽ thu được 3.3 kg đường 65% khi nhập liệu một lần và 24.72 kg dung dịch đường 26% sẽ thu được 9.8 kg đường 65% khi phát triển thành phương thức nhập liệu bán liên tục Chất lượng điều khiển được đánh giá tốt với thời gian xác lập ngắn hơn 657s so với quy trình trước đó, độ vọt lố bằng 0, sai lệch tĩnh gần như bằng 0, khả năng đáp ứng nhanh và ổn định khi có nhiễu tác động Kết quả của luận văn sẽ là công cụ hữu ích phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu khi tiếp cận hướng mới của điều khiển tự động là thiết kế an toàn cho hệ thống thiết bị cô đặc nói riêng và các thiết bị công nghệ hóa học nói chung

Automating the evaporation process in the system of concentrators has brought about high efficiency in productivity and product quality However, most of the previous studies on condensing equipment systems only focused on maintaining technological parameters such as temperature and pressure, ignoring safety factors for people, equipment and products Based on the hazard analysis and operability (HAZOP), the thesis has proposed a plan to improve the vacuum concentration system in the laboratory, including equipment and controls Then, interface design and programming through Tia Portal software was carried out In addition, the thesis also proposes a safe design for the system, including control loops and a plan to modify the device in a safe direction Finally, the experimental concentration process with the object of cane sugar was conducted and the data was recorded through the monitoring interface The sugar experimental results show that: initial 8.33 kg of 26% sugar solution would yield 3.3 kg of 65% sugar when feed-in one time and initial 24.72 kg of 26% sugar solution would yield 9.8 kg of 65% sugar when implementing semi-continuous feed-in method The control quality is evaluated as good with a 657s shorter setup time than the previous process, zero overshoot, almost zero static error, and fast and stable response to noise The result of the thesis will be a useful tool for the learning and research process when approaching the new direction of automatic control – the design of safe control systems – for evaporator equipment in specific and chemical equipment in general

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Thanh Minh Tâm Sinh ngày 10 tháng 05 năm 1999

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

Xin cam đoan: 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 (Analyzing, improving and designing safety for semi-continuous single-effect vacuum sugar concentration system)” do

giảng viên TS Bùi Ngọc Pha hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng, thông tin chi tiết tại mục “Tài liệu tham khảo” của đề tài này

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của giảng viên hướng dẫn Tác giả sẽ hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của đề tài

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2022 Học viên

Trần Thanh Minh Tâm

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN iii

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.1.2 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 5

1.1.3 Phân loại thiết bị cô đặc nhiệt 5

1.1.4 Hệ thống cô đặc chân không bán liên tục 7

1.2 Hệ thống cô đặc nước đường 7

1.2.1 Công nghệ cô đặc nước đường 7

1.2.2 Đặc điểm nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc đường 9

1.2.3 Biến đổi hóa học trong quá trình cô đặc 9

1.2.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa 10

1.3 Điều khiển quá trình 10

1.3.1 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 11

1.3.2 Sách lược điều khiển phản hồi 11

1.3.3 Bộ điều khiển 13

1.4 Hệ thống an toàn của quá trình 16

1.4.1 Các lớp bảo vệ của một quá trình 16

1.4.2 Hệ thống thiết bị an toàn 18

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG ĐƯỜNG MÍA MỘT NỒI BÁN LIÊN TỤC 20

2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị cô đặc chân không hiện tại 20

2.1.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị cô đặc chân không 20

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 21

2.2 Phân tích nguy hiểm và khả năng vận hành (HAZOP) cho hệ thống 21

2.2.1 Mục đích của phân tích HAZOP 21

2.2.2 Phân tích HAZOP 22

2.3 Phân tích và cải thiện hệ thống thiết bị cô đặc chân không 26

2.3.1 Về phần thiết bị 26

2.3.2 Về phần quy trình vận hành 31

2.4.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống cô đặc 38

2.6 Đề xuất thiết kế an toàn cho hệ thống 51

2.6.1 Đề xuất các vòng điều khiển an toàn cho hệ thống 51

2.6.2 Đề xuất phương án cải thiện thiết bị cho hệ thống 55

2.7 Đánh giá khả năng vận hành của hệ thống khi gặp sự cố ngắt nước thủy cục 57

2.7.1 Ảnh hưởng tức thời 57

2.7.2 Ảnh hưởng về sau 57

2.8 Quy trình tìm thông số bộ điều khiển PID 59

2.8.1 Các bước thực hiện 60

2.8.2 Đánh giá chất lượng điều khiển 68

2.9 Thiết kế giao diện giám sát an toàn 70

2.9.1 Mục đích của thiết kế giao diện giám sát an toàn 70

2.9.2 Ý nghĩa của các mốc cảnh báo 71

3.1.2 Nhập liệu một lần 84

3.1.3 Nhập liệu nhiều lần (bán liên tục) 85

3.2 Cân bằng năng lượng 86

3.2.1 Tổn thất nhiệt độ trong quá trình bốc hơi 86

3.2.2 Tính toán thời gian cô đặc 89

3.3 Thực nghiệm cô đặc đường mía 100

3.3.1 Nguyên liệu, thiết bị và dụng cụ 100

Hình 1-2: Cơ chế của bộ điều khiển ON/OFF lý tưởng 13

Hình 1-3: Cơ chế của bộ điều khiển ON/OFF có dải chết 13

Hình 1-4: Sơ lược các cấp an toàn của nhà máy 17

Hình 2-1: Sơ đồ hệ thống thiết bị cô đặc 20

Hình 2-2: Hệ thống cô đặc chân không 26

Hình 2-3: a Dung dịch đường sau khi nhập liệu xong; b Dung dịch đường sau 30 phút cô đặc 27

Hình 2-4: Cách lắp van điện đúng chiều 28

Hình 2-5: Nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra của hệ thống cô đặc trước đây 28

Hình 2-7: Giàn phân phối lỏng sau khi đã sửa 29

Hình 2-8: Chênh lệch nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi tháp giải nhiệt khi sử dụng hệ thống phân phối lỏng mới 30

Hình 2-9: Đồ thị đáp ứng áp suất khi có hiện tượng tăng áp suất và sôi bùng 31

Hình 2-10: Đồ thị đáp ứng áp suất của hệ thống với thời gian hút chân không giảm xuống còn hơn 9 phút 32

Hình 2-11: Đồ thị đáp ứng áp suất của hệ thống khi dung dịch đường sôi sau khi chân không đạt setpoint 33

Hình 2-12: Đồ thị đáp ứng áp suất của hệ thống khi sử dụng hai bơm trong suốt quá trình cô đặc 33

Hình 2-13: Đồ thị đáp ứng áp suất của hệ thống khi luân phiên bật tắt điện trở và bơm phụ 34

Hình 2-14: Đồ thị đáp ứng áp suất dao động đáng kể quanh giá trị setpoint (thang đo áp suất chân không) 37

Hình 2-15: Đồ thị đáp ứng áp suất sau khi cải thiện (thang đo áp suất tuyệt đối) 38

Hình 2-16: Lưu đồ P&ID của hệ thống 39

Hình 2-17: Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển nhiệt độ đáy dung dịch cô đặc TIC-04 40

Hình 2-23: Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển mực nước tháp giải nhiệt LC-02 44

Hình 2-24: Cảm biến mực chất lỏng dạng phao điện từ 44

Hình 2-25: Sơ đồ quy trình vận hành nhập liệu một lần 47

Hình 2-26: Sơ đồ quy trình vận hành nhập liệu nhiều lần 50

Hình 2-27: Lưu đồ P&ID khi đã thêm các vòng điều khiển an toàn (màu đỏ) 52

Hình 2-28: Hình minh họa cho tấm ổn định mực chất lỏng 56

Hình 2-29: a Xoáy nước trong hệ thống hiện tại; b Hình minh họa tấm phá xoáy 57

Hình 2-30: Bình chứa nước của nồi đun trong hệ thống cô đặc hiện tại 58

Hình 2-31: Chọn miền thời gian để xác định hàm truyền 67

Hình 2-32: Công cụ PID tuner tính toán hàm truyền cho hệ thống 67

Hình 2-33: Công cụ PID tuner tính toán thông số điều khiển PID 68

Hình 2-34: Ảnh hưởng của quá trình nhập liệu đến áp suất 69

Hình 2-35: Ảnh hưởng của việc dung dịch bắt đầu sôi đến áp suất 70

Hình 2-36: Giao diện toàn hệ thống 72

Hình 2-37: Sơ đồ khối quan sát các bước của quy trình vận hành 73

Hình 2-38: Giao diện chọn chế độ vận hành hệ thống 73

Hình 2-39: Danh sách cảnh báo các vấn đề của hệ thống 74

Hình 2-40: Giao diện cài đặt các thông số cho quá trình vận hành 74

Hình 2-41: Giao diện quan sát các thông số công nghệ 75

Hình 2-42: Dừng khẩn cấp hệ thống 75

Hình 2-43: Chức năng điều khiển ON/OFF của van cấp nước vào tháp giải nhiệt 76

Hình 2-44: Chức năng điều khiển ON/OFF của bơm 2 (bơm phụ) 76

Hình 2-45: Chức năng điều khiển PID của bơm 1 (bơm chính) 77

Hình 2-46: Nhắc nhở trước khi vận hành hệ thống 79

Hình 2-47: Cảnh báo mực chất lỏng ở mức cao trong tháp giải nhiệt 80

Hình 2-48: Cảnh báo mực chất lỏng ở mức thấp trong tháp giải nhiệt 80

Hình 2-49: Cảnh báo nhiệt độ tháp giải nhiệt cao 81

Hình 2-50: Cảnh báo nhiệt độ sản phẩm cao 82

Hình 2-51: Cảnh báo áp suất buồng bốc cao 82

Hình 2-52: Nhắc nhở lượng dung dịch nhập liệu đã đủ 83

Hình 3-1: Đồ thị phân bố nhiệt độ theo chiều cao thiết bị tính từ đáy ống truyền nhiệt 95Hình 3-2: Đường cát trắng 100

Hình 3-5: a Đo độ dẫn nước thủy cục; b Đo độ dẫn nước cất; c Đo độ dẫn nước RO 103Hình 3-6: Hệ thống lọc nước RO tại trường Đại học Bách Khoa HCM 103Hình 3-7: Dung dịch đường 26% sau khi pha xong 104Hình 3-8: a Hiệu chỉnh Brix kế về vạch 0; b Độ Brix của dung dịch đường sau khi pha xong (26 oBx) 105Hình 3-9: Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa nồng độ đường và nhiệt độ đáy 109Hình 3-10: Áp suất ổn định tại 0.2 at TĐ trong suốt quá trình cô đặc, 111Hình 3-11: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian cô đặc (nhập liệu một lần) 112Hình 3-12: Đồ thị đáp ứng áp suất của hệ thống khi nhập liệu bán liên tục 114Hình 3-13: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian cô đặc (nhập liệu bán liên tục) 115

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1: Áp suất buồng bốc theo thời gian 60Bảng 3-1: Bảng tóm tắt các thông số tính toán cô đặc nhập liệu một lần 93Bảng 3-2: Bảng tóm tắt các thông số tính toán cô đặc nhập liệu bán liên tục 98Bảng 3-3: Mối liên hệ giữa nhiệt độ đáy và nồng độ dung dịch đường theo tính toán107Bảng 3-4: Mối liên hệ giữa nhiệt độ đáy và nồng độ dung dịch đường thực nghiệm 108Bảng 3-5: Thông số thực nghiệm cô đặc đường theo mẻ, nhập liệu một lần 111Bảng 3-6: Thông số thực nghiệm cô đặc đường theo mẻ, nhập liệu bán liên tục 114

PHẦN MỞ ĐẦU

1 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

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

2 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

- Mục tiêu cụ thể:

+ 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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cô đặc chân không một nồi bán liên tục - Phạm vi nghiên cứu:

+ Đối tượng cô đặc: Đường mía

+ Phạm vi địa lý: Phòng thí nghiệm quá trình và thiết bị hóa chất trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

+ Thời gian nghiên cứu: Tháng 9/2022 đến nay

- 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

6 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn gồm 3 chương Cụ thể:

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

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

+ 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 100oC, 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

- Ưu điểm:

+ 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

- Nhược điểm:

+ 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

1.2 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 12-15oBx) đến

nồng độ cao (khoảng 65oBx) [6] Tuy nhiên nếu cô đặc nước mía tới nồng độ quá cao

(>70oBx) 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

(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

1.2.2 Đặc điểm nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc đường 1.2.2.1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- 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

1.2.2.2 Đặc điểm sản phẩm

Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm:

- Dung môi: nước

- Các chất hòa tan: có nồng độ cao

1.2.3 Biến đổi hóa học trong quá trình cô đặc

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

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

1.3 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

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

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 Bộ điều khiển

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= {uumin, e<0max, e≥0

Thuật toán trên có nhược điểm rất lớn là tín hiệu điều khiển thường xuyên thay đổi giữa hai giá trị, dễ dẫn đến phá hỏng thiết bị chấp hành Do đó người ta khắc phục bằng cách sử dụng một dải chết, hạn chế phá hỏng thiết bị chấp hành

u= {

umin, e<-δumax, e>+δu, -δ≤e≤+δ

Hình 1-2: Cơ chế của bộ điều khiển ON/OFF lý tưởng

Ưu điểm: Chi phí thấp cho bộ điều khiển cũng như thiết bị chấp hành, sử dụng với

các bài toán đơn giản, không cần độ chính xác cao [7]

1.3.3.2 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) hay còn gọi là bộ điều khiển ba khâu: vi phân, tích phân, tỷ lệ PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình trong công nghiệp Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai lệch bằng cách hiệu chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I), vi phân (D) Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Trong đó bộ điều khiển PI là phổ biến nhất, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

Thành phần tỷ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) tỷ lệ với sai lệch điều khiển tại thời điểm hiện tại Đáp ứng tỷ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỷ lệ Thành phần tỷ lệ được tính theo công thức:

P=K e(t)

Với Kp là độ lợi tĩnh hay hệ số khuếch đại, e(t) là sai số tại thời điểm đang xét Sai số chính bằng hiệu giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp trong quá trình quá độ Hàm truyền của thành phần tỷ lệ là:

Thành phần tỷ lệ không thể triệt tiêu sai số xác lập (là sai số ở trạng thái xác lập hay sai số khi thời gian tiến tới vô cùng) trong mọi trường hợp Nếu Kp tăng, tốc độ đáp ứng của hệ tăng lên, sai số xác lập giảm, tăng tiếp Kp, nếu chưa có vọt lố thì thời gian

xác lập giảm, nếu có vọt lố thì thời gian xác lập tăng Khi Kp quá lớn sẽ làm cho hệ mất ổn định

KC (s)=

Sự tác động của thành phần tích phân làm cho sai lệch tĩnh xấp xỉ bằng không khi kết hợp với bộ điều khiển tỷ lệ Trường hợp này người ta gọi là bộ điều khiển PI (tỷ lệ - tích phân) Khi nào còn sai số thì còn tín hiệu điều khiển do thành phần tích phân tạo nên, và khi hệ số tích phân càng lớn, sai số xác lập càng nhỏ nhưng độ vọt lố sẽ tăng Tuy nhiên thành phần tích phân cũng có một nhược điểm là hiện tượng bão hòa tích phân xảy ra khi biến điều khiển đi vào những vùng bão hòa hay cơ cấu chấp hành có hạn chế gây ra sai số xác lập

Sự xuất hiện của thành phần vi phân cho phép cải thiện chất lượng điều khiển theo cách dự báo trước xu hướng của sai lệch điều khiển và đưa ra tác động chống lại xu hướng đó Tốc độ thay đổi sai số của quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc

D=K d de(t)dt

Trong đó Kd là hệ số vi phân Hàm truyền của bộ điều khiển vi phân là: C (s)=K s d d

Thành phần vi phân làm hệ đáp ứng chậm hơn nhưng ổn định hơn Điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố, Kd càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ Tuy nhiên đôi khi làm hệ mất ổn định do thành phần vi phân khá nhạy với nhiễu Thành phần vi phân không thể sử dụng một mình mà phải kết hợp với các thành phần tỷ lệ và tích phân [7]

1.4 Hệ thống an toàn của quá trình 1.4.1 Các lớp bảo vệ của một quá trình

Một cách để thể hiện các lớp bảo vệ là hình dưới đây, mỗi lớp bảo vệ sẽ được kích hoạt khi mà các cấp phía dưới thất bại trong việc kiểm soát quá trình

Hình 1-4: Sơ lược các cấp an toàn của nhà máy

Cấp an toàn cơ bản nhất của một nhà máy là quá trình an toàn và thiết kế thiết bị Nếu một quá trình mà ngay bản thân nó đã an toàn thì sự cố sẽ hiếm khi xảy ra

Hệ thống điều khiển cơ bản nên được thiết kế để duy trì các thông số của nhà máy như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức… trong giới hạn an toàn Trong hầu hết các nhà máy vận hành liên tục, hệ thống điều khiển sẽ kiểm soát các thông số xung quanh trạng thái ổn định Đối với hệ thống theo mẻ, sự thay đổi của các thông số trong hệ thống sẽ được điều khiển ở một tốc độ phù hợp và an toàn, tránh hiện tượng vọt lố

Nếu thông số của quá trình vượt quá khoảng an toàn theo thiết kế, hệ thống cảnh báo sẽ được kích hoạt cho nhân viên vận hành, nhằm đưa ra sự can thiệp kịp thời Việc thiết kế hệ thống cảnh báo cần được thực hiện một cách cẩn thận, không nên có quá nhiều cảnh báo và để nhân viên vận hành có thể nhận diện tình huống một cách rõ ràng Việc có quá nhiều báo động có thể khiến cho nhân viên vận hành bị rối và tăng sự cố

Ứng phó khẩn cấp từ cộng đồngỨng phó khẩn cấp từ nhà máy

Hệ thống xả áp

Hệ thống ngừng khẩn cấp tự động Cảnh báo nguy hiểm và sự can thiệp của người vận hành

Hệ thống điều khiển cơ bảnThiết kế nhà máy

Trong trường hợp mà người vận hành không thể đưa hệ thống quay về trạng thái an toàn, ví dụ như trong trường hợp mà người vận hành không thể can thiệp, hoặc khi thông số đã bị sai lệch đi quá xa và có nguy cơ xảy ra tai nạn, thì hệ thống ngừng khẩn cấp tự động (còn gọi là trip) sẽ được kích hoạt Hệ thống trip có thể được kích hoạt bởi hệ thống điều khiển của quá trình hoặc tự kích hoạt Hệ thống trip thường bao gồm việc cắt dòng vào và cắt nguồn nhiệt, xả áp và quét (purge) hệ thống bằng chất trơ Việc thiết kế hệ thống ngừng khẩn cấp cần đảm bảo không tạo ra thêm sự cố khác và không làm tình trạng xấu đi Ví dụ như trong một số quá trình nhiệt độ cao hoặc tỏa nhiệt, hệ thống sẽ an toàn hơn khi tiếp tục một dòng nhập liệu trong khi cắt các dòng khác

Nếu hệ thống ngừng khẩn cấp không làm việc kịp thời, trường hợp quá áp có thể xảy ra, khi đó, hệ thống xả áp sẽ được kích hoạt Nếu hệ thống xả được thiết kế và bảo trì tốt, khi xảy ra sự cố, vật chất bên trong quá trình sẽ được xả về hệ thống chứa, lỏng sẽ được thu hồi và xử lý, khí sẽ được đưa tới đuốc (flare) để đốt

Nếu việc phóng thích vật chất trong quá trình ra ngoài đã không thể ngăn chặn được, hệ thống ứng phó khẩn cấp cần phải sẵn có Nhân sự của nhà máy cần được huấn luyện kỹ càng để phản ứng với những trường hợp khẩn cấp Những nhà máy lớn còn có hẳn một đội nhân sự dành riêng để ứng phó với các trường hợp khẩn cấp như hỏa hoạn hay rò rỉ vật chất

Trong trường hợp tai nạn quá lớn, vượt quá tầm kiểm soát của bản thân nhà máy, sự hỗ trợ từ bên ngoài cần được đưa tới kịp thời Cộng đồng xung quanh cần có kế hoạch ứng phó với những sự cố lớn như vậy và cần được huấn luyện bài bản để đối mặt với những mối nguy từ sự cố của nhà máy [4]

1.4.2 Hệ thống thiết bị an toàn

Hệ thống thiết bị an toàn (SIS) thường được sử dụng trong ngành quá trình công nghiệp để ứng phó với các sự kiện nguy hiểm [8] Các hệ thống này thường là lớp bảo

vệ đầu tiên được sử dụng để kiểm soát các sai lệch nguy hiểm tiềm ẩn của quá trình được giám sát Thông thường, hệ thống thiết bị an toàn SIS bao gồm 3 hệ thống phụ:

S (cảm biến): được tạo thành từ một tập hợp các yếu tố đầu vào (cảm biến, đầu dò, bộ truyền tín hiệu, v.v.) theo dõi sự tiến triển của các thông số đại diện cho hành vi của quá trình (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, v.v.) Nếu ít nhất một trong các thông số này vượt quá mức ngưỡng và vẫn ở đó, thì độ lệch này sẽ hình thành nhu cầu hoặc lời kêu gọi phát ra từ EUC

LS (bộ xử lý logic): bao gồm một tập hợp các phần tử logic (ví dụ: Bộ điều khiển logic có thể lập trình, PLC) thu thập thông tin từ hệ thống phụ S và thực hiện quá trình ra quyết định ra lệnh cho hệ thống phụ thứ ba

FE (phần tử cuối): hệ thống con này hoạt động trực tiếp (van tắt khẩn cấp) hoặc gián tiếp (van điện từ, báo động) tác động đến quá trình để loại bỏ sự sai lệch và đưa hệ thống về trạng thái an toàn [9]

Để đảm bảo hệ thống an toàn có thể được kích hoạt khi có tình trạng bất thường trong quy trình, hệ thống cần được kiểm tra và bảo trì nếu cần thiết Dựa trên thông tin rằng hệ thống đang ở một trạng thái nhất định, việc bảo trì được tiến hành để giữ cho hệ thống hoạt động tốt và ngăn ngừa sự cố Đối với các hệ thống có điều kiện không thể được phát hiện tự động bằng cách giám sát trạng thái thì kiểm tra định kỳ cần được tiến hành [10]

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG ĐƯỜNG MÍA MỘT NỒI BÁN LIÊN TỤC

2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị cô đặc chân không hiện tại 2.1.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị cô đặc chân không

Hình 2-1: Sơ đồ hệ thống thiết bị cô đặc [11]

Chú thích

4- Quạt 5- Tháp giải nhiệt 6- Thiết bị đo mức 7- Ejector 8- Buồng bốc 9- Thiết bị ngưng tụ 10- Buồng đốt 11- Bồn chứa lỏng ngưng

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Nước thủy cục thông qua van điện (VĐ3) đi vào tháp giải nhiệt (5), chiều cao mực nước trong tháp được kiểm soát nhờ vào thiết bị đo mức (6) Sau khi đạt mức, nước sẽ được bơm chính (3) và bơm phụ (2) đưa vào thiết bị ngưng tụ (9), đi qua Ejector (7) và trở lại tháp giải nhiệt

Ejector (7) hút không khí từ bồn chứa lỏng ngưng (11) tới thiết bị ngưng tụ (9) và thiết bị cô đặc để tạo chân không cho hệ thống Quạt (4) thổi không khí vào tháp giải nhiệt (5) để làm bốc hơi nước và giải nhiệt cho nước

Sau khi có áp chân không đủ sâu, nguyên liệu sẽ thông qua van điện (VĐ1) chảy vào buồng đốt (10) và được gia nhiệt bởi hơi đốt từ nồi hơi (1) Buồng đốt (10) gồm có các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch nhập liệu đi trong ống, hơi nước bão hòa đi ngoài ống Sau khi trao đổi nhiệt, hơi nước ngưng tụ sẽ trở về nồi hơi để tiếp tục quá trình cấp nhiệt Vị trí van (2) và van (3) là nơi tháo liệu

2.2 Phân tích nguy hiểm và khả năng vận hành (HAZOP) cho hệ thống 2.2.1 Mục đích của phân tích HAZOP

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các sự cố lên hệ thống - Đề xuất phương án an toàn, thiết lập vòng điều khiển an toàn

- Tạo nhắc nhở, hướng dẫn người vận hành nắm bắt được thông tin ngay khi hệ thống xảy ra vấn đề để đưa ra hướng xử lý phù hợp

2.2.2 Phân tích HAZOP

Thông số

Hiện

2.2.2.1 Áp suất buồng bốc

Cao

Điều này ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm vì nồng độ sản phẩm được theo dõi thông qua nhiệt độ sôi

ở áp suất cố định, áp

suất càng cao nhiệt độ sôi càng cao Mức độ ảnh hưởng cao

Hệ thống bị rò rỉ

Không khí bị rò rỉ vào trong hệ thống, giảm khả năng hoạt động của thiết bị ngưng tụ, khiến áp suất tăng dẫn đến nhiệt độ sôi dung dịch tăng

Áp suất không ổn định, bơm phải làm việc với cường độ cao hơn so với khi không có sự rò rỉ để cấp nước cho ejector

Biến tần bị lỗi

Nước cấp cho ejector và thiết bị ngưng tụ bị gián đoạn, gây ảnh hưởng đến áp chân không

Một số trường hợp bơm bị quá tải, biến tần sẽ TRIP (dừng bơm và báo lỗi)

Trường hợp này có thể khắc phục bằng cách reset biến tần Đối với hệ thống hiện tại, việc dừng để RESET bơm tiêu tốn từ 1 ÷ 3 phút

Bơm

nước/biến tần bị hư

Không có nước cấp cho ejector và thiết bị ngưng tụ, không tạo và duy trì được áp chân không

Cảm biến áp suất bị hư

Bộ điều khiển không nhận được tín hiệu hoặc nhận tín hiệu sai dẫn tới không điều khiển được áp suất của hệ thống

Theo dõi thông số nhiệt độ của dung dịch cô đặc và so sánh với khảo sát nhiệt độ dung dịch cô đặc theo thời gian thu được trước đó Nếu nhiệt độ đo được hiện tại cao hơn đáng kể nhưng tín hiệu áp suất vẫn hiển thị ở giá trị bình thường, khả năng cao cảm biến áp suất hoặc nhiệt độ đã bị hư Song song với đó cần theo dõi và so sánh giá trị của cảm biến áp suất với áp kế được lắp đặt trên buồng bốc 2.2.2.2

Mực chất lỏng trong

Cao Mực chất lỏng cao sẽ ảnh hưởng đến khả năng tuần hoàn của dung dịch Đồng thời, mực chất lỏng cao còn

Cảm biến mức chất lỏng bị hư/lỗi

Bộ điều khiển không nhận được tín hiệu hoặc nhận tín hiệu sai dẫn đến không điều khiển được van điện một cách chính xác khiến mực chất lỏng dâng cao hơn cần thiết

Quan sát mực chất lỏng thông qua kính quan sát và so sánh với tín hiệu mà cảm biến gửi về

Thông số

Van điện bị rò rỉ/hư

Nguyên liệu bị rò rỉ, chảy vào buồng đốt khiến mực chất lỏng dâng cao

Đóng/mở van tay trên đường nhập liệu, quan sát mực chất lỏng Nếu mực chất lỏng không thay đổi khi đóng van tay thì van điện đã bị lỗi, cần tiến hành sửa chữa/thay thế

Buồng đốt bị rò rỉ

Nước ngưng của hơi đốt bị rò rỉ vào buồng đốt, nếu vết nứt đủ lớn có thể hút cả nước ở nồi đun lên khiến mực chất lỏng tăng

Cần tắt điện trở nồi đun, khóa van tay nhập liệu và quan sát mực chất lỏng và bọt không khí thông qua kính quan sát

Thấp

Mực chất lỏng quá thấp dung dịch sẽ khó tuần hoàn, ống truyền nhiệt bị khô, sản phẩm bị kết tinh, đóng cặn trong thiết bị Mức độ ảnh hưởng cao

Cảm biến mức chất lỏng bị hư/lỗi

Mực chất lỏng chưa đạt mức cần thiết đã gửi tín hiệu về bộ điều khiển, van điện đóng ngừng cấp dung dịch

Quan sát mực chất lỏng thông qua kính quan sát và so sánh với tín hiệu mà cảm biến gửi về

2.2.2.3 Mực nước nồi đun

Thấp

Mực nước nồi đun quá thấp làm điện trở không được bao trùm bởi nước dẫn đến quá nhiệt và cháy điện trở, không có hơi đốt cấp cho buồng đốt Mức độ ảnh hưởng cao

Người vận hành quên cấp nước cho nồi đun

Nước cấp cho nồi đun được vận hành hoàn toàn thủ công

Cần thường xuyên quan sát mực nước nồi đun để đảm bảo hệ thống vận hành bình thường và tránh hư hỏng thiết bị

Thông số

Hiện

2.2.2.4 Nhiệt độ buồng đốt

Cao Nhiệt độ buồng đốt cao trong trường hợp áp suất buồng bốc vẫn ổn định: nhiệt độ sôi của dung dịch tại áp suất cài đặt cao hơn mức mong muốn Như vậy, quá trình cô đặc đã vượt quá điểm mong muốn, nồng độ cao, độ nhớt cao làm dung dịch tuần hoàn kém và có nguy cơ kết tinh sản phẩm trong buồn đốt Mức độ ảnh hưởng cao

Cảm biến nhiệt độ bị hư/lỗi

Cảm biến nhiệt độ bị hư/lỗi, bộ điều khiển nhiệt độ đáy không có dữ kiện để ra quyết định tắt điện trở, quá trình cô đặc bị kéo dài vượt quá điểm mong muốn

Tăng nhiệt độ sôi do tăng áp suất (2.2.2.1)

Áp suất buồng bốc cao làm nhiệt độ sôi dung dịch tăng ở cùng một nồng độ Nhiệt độ tăng cao sẽ chạm đến giá trị cài đặt của bộ điều khiển nhiệt độ dung dịch đáy (62.5°C), khiến cho quá trình cô đặc bị dừng lại trước khi đạt được nồng độ mong muốn, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Thấp Không có sự sôi xảy ra, không cô đặc được dung dịch Mức độ ảnh hưởng trung bình

Cao

Chênh lệch nhiệt độ giữa nước giải nhiệt và hơi thứ giảm, thiết bị ngưng tụ làm việc kém hiệu quả, áp suất buồng bốc tăng dần Mức độ ảnh hưởng cao

Bơm không hoạt động

Nước giải nhiệt không có sự lưu thông nên tăng dần nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ (tham khảo phần 2.2.2.1: bơm nước/biến tần bị hư/lỗi, cảm biến áp suất bị hư/lỗi)

Trong trường hợp này có thể cân nhắc phương án tạm thời: thay thế liên tục lượng nước giải nhiệt bằng cách mở van xả V8 Lúc này mực nước sẽ hạ dần và bộ điều khiển mực nước tháp giải nhiệt sẽ điều khiển van điện đóng mở, cấp thêm nước thủy cục vào tháp

Thông số

Hiện

Hệ thống phân phối lỏng bị nghẹt

Nước không được phân phối đều, đệm bị khô, giảm diện tích tiếp xúc pha, giảm khả năng bay hơi giải nhiệt

Quan sát hệ thống phân phối lỏng

2.2.2.6 Mực nước trong tháp giải nhiệt

Cao Nước dâng cao sẽ chạm đến quạt tháp giải nhiệt, tràn đổ ra ngoài, nguy cơ chập điện Mức độ ảnh hưởng cao

Cảm biến mức nước tháp giải nhiệt bị lỗi

Tín hiệu sai gửi về bộ điều khiển

làm mở van nước cấp vào Lúc này, người vận hành cần khóa van tay V12 cấp nước cho tháp giải nhiệt và xác định nguyên nhân Theo dõi tín hiệu của cảm biến mức để xác định hoặc loại trừ nguyên nhân do cảm biến lỗi Van điện bị rò

rỉ/hư

Không ngăn được dòng nước dù tín hiệu đóng được gửi đến Thấp Mức nước quá thấp sẽ

dẫn đến không khí bị lôi cuốn vào hệ thống nước giải nhiệt, bao gồm: bơm, thiết bị ngưng tụ, ejector và đường ống, gây va đập thủy lực, hư hỏng thiết bị Mức độ ảnh hưởng cao

Cảm biến mức nước tháp giải nhiệt bị lỗi

Tín hiệu sai gửi về bộ điều khiển làm đóng van nước cấp vào

Van điện bị rò

rỉ/hư Van không mở được khi có tín hiệu mở từ bộ điều khiển