nghiên cứu điều khiển phân kênh quá trình hấp thụ trong công nghiệp hóa chất

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS. TS. HOÀNG XUÂN BÌNH. Các số liệu kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài liệu tham khảo Học viên Phan Đức Dũng i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin được gửi lời cảm ơn đến Nhà máy sản xuất phân bón DAP Đình Vũ đã tạo điều kiện trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu.Tác giả đã có nhiều thuận lợi khi được xuống thực tế cũng như được cung cấp nhiều tài liệu thống kê trong quá trình vận hành, rất hữu ích trong việc mô hình hóa đối tượng. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Hoàng Xuân Bình, người có kinh nghiệm giảng dạy lâu năm trong lĩnh vực điều khiển quá trình với kiến thức chuyên sâu đã chỉ dẫn nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, các bạn học đã góp ý, hỗ trợ tác giả trong suốt thời gian qua. ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu iv Danh mục các bảng iv Danh mục các hình v Lời mở đầu 1 Chương 1-TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 3 1.1. Vài nét về axit sunfuric 3 1.1.1. Đặc điểm 3 1.1.2. Vai trò 4 1.2. Nguyên liệu và đặc điểm sử dụng nguyên liệu 4 1.2.1. Nguyên liệu 4 1.2.2. Đặc điểm sử dụng nguyên liệu 9 1.3. Nhiên liệu và năng lượng 10 1.4. Giới thiệu các phương pháp sản xuất axit sunfuric 11 1.4.1. Phương pháp tiếp xúc 12 1.4.2. Phương pháp tinh chế khô 13 1.4.3. Phương pháp tinh chế khô - tiếp xúc kép 15 1.5. Giới thiệu các công đoạn sản xuất axit sunfuric 15 1.6. Một số phản ứng hóa học trong quá trình sản xuất axit sunfuric 16 Chương 2 - DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT CỦA NHÀ MÁY DAP ĐÌNH VŨ 18 2.1. Mô tả chung về nhà máy 18 iii 2.2. Sơ đồ công nghệ quy trình sản xuất axit sunfuric 24 2.2.1. Tóm tắt quy trình 24 2.2.2. Danh mục các thiết bị trong dây chuyền 26 2.3. Các công đoạn sản xuất axit sunfuric 35 2.3.1. Công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh 35 2.3.2. Công đoạn lò đốt lưu huỳnh 40 2.3.3. Công đoạn nồi hơi 44 2.3.4. Công đoạn tiếp xúc và chuyển hóa 45 2.3.5. Công đoạn sấy không khí và hấp thụ 53 2.3.6. Công đoạn kho axit 59 2.4. Các chỉ tiêu công nghệ trong các công đoạn sản xuất axit 60 Chương 3 - XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN HẤP THỤ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 63 3.1. Thực trạng hệ thống điều khiển công đoạn hấp thụ axit sunfuric 63 3.2. Các quá trình cân bằng trong bể tuần hoàn V0141 64 3.2.1. Xác định các biến quá trình 64 3.2.2. Cân bằng vật chất toàn phần 65 3.2.3. Cân bằng vật chất thành phần 69 3.3. Cấu trúc điều khiển bể axit tuần hoàn V0141 71 3.3.1. Cấu trúc điều khiển phi tập trung 71 3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển mức R h 74 3.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển nồng độ R x 79 3.4. Xây dựng cấu trúc điều khiển phân kênh toàn phần cho bể V0141 82 3.4.1. Phương pháp phân kênh 82 3.4.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển phân kênh toàn phần cho bể tuần iv hoàn V0141 87 Kết luận và kiến nghị 91 Tài liệu tham khảo 92 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v Chữ viết tắt Giải thích CTHH Công thức hóa học BFW Boiler Feedwater Preheater DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố 6 2.1 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh 37 2.2 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh 38 2.3 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn lò đốt lưu huỳnh 42 2.4 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn lò đốt lưu huỳnh 43 2.5 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn tiếp xúc và chuyển hóa lưu huỳnh 51 2.6 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn tiếp xúc và chuyển hóa lưu huỳnh 51 2.7 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn sấy không khí và hấp thụ 56 2.8 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn sấy không khí và hấp thụ 57 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Hình 1.1. Các phương pháp sản xuất axit sunfuric 12 1.2 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc 13 1.3 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô 14 vi 1.4 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric 16 2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric 26 2.2 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh 35 2.3 Bể nấu chảy lưu huỳnh V0111 36 2.4 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt 40 2.5 Cân bằng về khối lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt 41 2.6 Lò đốt lưu huỳnh F0121 42 2.7 Cân bằng giữa lượng nước cấp với lượng hơi nước bão hòa 44 2.8 Cân bằng khối lượng trong công đoạn tiếp xúc 45 2.9 Tháp tiếp xúc và các thiết bị trao đổi nhiệt 48 2.10 Thiết bị quá nhiệt thấp 5A (E0155) và thiết bị tận dụng nhiệt 5A/C (E0156) 50 2.11 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hấp thụ 53 2.12 Cân bằng khối lượng trong bộ phận sấy khí 53 2.13 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của tháp hấp thụ 53 2.14 Thùng chứa axit chung V0141 54 2.15 Từ trái qua tháp sấy T0141, tháp hấp thụ cuối T143, tháp hấp thụ trung gian T0142 55 3.1 Sơ đồ công nghệ công đoạn hấp thụ 63 3.2 Sơ đồ bể tuần hoàn V0141 64 3.3 Các biến quá trình của bể tuần hoàn V0141 65 3.4 Dạng hình học của thùng 303 66 3.5 Mặt cắt của thùng 303 với h R 67 3.6 Mặt cắt của thùng 303 với 67 3.7 Sơ đồ khối mô hình bể tuần hoàn V0141 70 3.8 Cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển đơn biến 72 3.9 Mạch vòng điều chỉnh mức của bể V0141 với mức tính theo % 75 vii 3.10 Mạch vòng điều chỉnh mức 76 3.11 Mô hình mô phỏng vòng điều khiển mức 77 3.12 Đáp ứng mức theo tín hiệu đặt khi chưa có bộ điều khiển mức 78 3.13 Giá trị nồng độ axit bị nhiễu khi điều khiển mức 78 3.14 Mô hình mô phỏng bể V0141 với 2 vòng điều khiển độc lập 80 3.15 Đáp ứng mức với phương pháp điều khiên phi tập trung 80 3.16 Đáp ứng nồng độ với phương pháp điều khiên phi tập trung 81 3.17 Mô hình phân kênh phản hồi trạng thái 83 3.18 Sơ đồ tổng quát phân kênh truyền thẳng 83 3.19 Sơ đồ phân kênh từng phần 84 3.20 Sơ đồ phân kênh toàn phần 85 3.21 Sơ đồ phân kênh động toàn phần - tổng quát 86 3.22 Sơ đồ phân kênh SVD 86 3.23 Mô hình cấu trúc điều khiển với các bộ điều khiển phân kênh 88 3.24 Đáp ứng mức với phương pháp điều khiển phân kênh 89 3.25 Đáp ứng nồng độ với phương pháp điều khiển phân kênh 89 viii ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất. Nội dung của lĩnh vực điều khiển phân kênh kết nối chặt chẽ nền tảng của lý thuyết điều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ. Một trong những phương pháp khá phổ biến và cho hiệu quả cao là phương pháp điều khiển phân tán (phân kênh) DCS (Distributed Control System). Điều khiển phân kênh không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp. Khác với những ngành công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy lọc dầu, hóa dầu hay sản xuất axit nào cũng không thể vận hành chính xác được nếu thiếu hệ thống điều khiển phân tán. Ngày nay, do đặc thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trên một diện tích lớn và có rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu hết các nhà máy sản xuất hóa chất hiện đại đều sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS.Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống nhỏ hơn nằm phân tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ đảm bảo quá trình điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự quản lý của các hệ thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín hiệu với các hệ thống chủ. Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý trực tiếp các thiết bị tại hiện 1 [...]... hydrocacbon có trong lu huỳnh cấp vào Khí ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt 5 A đi vào tháp hấp thụ cuối cùng trớc khi đợc thải vào khí quyển thông qua ống thải khí của nhà máy Trong tháp hấp thụ cuối ,SO3 trong dòng khí phản ứng với nớc trong axit 98.5% tuần hoàn Trong các tháp trung gian và hấp thụ cuối cùng, SO3 trong dòng khí phản ứng với nớc trong axit 98,5% tuần hoàn Nhiệt độ của axit hấp thụ tăng lên... tục đợc chuyển hóa thành SO3 Nhiệt độ khí đi vào lớp xúc tác thứ 4 này đợc kiểm soát bằng cách phân chia một phần khí đi tắt xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt trung gian lạnh Từ lớp xúc tác chuyển hóa thứ 4, khí đợc làm lạnh trong thiết bị tận dụng nhiệt 4D.Sau đó khí sẽ đi vào lớp xúc tác chuyển hóa thứ 5 là lớp cuối cùng để chuyển hóa nốt SO2 thành SO3 Chất xúc tác Cesi đợc sử dụng trong hai lớp... hiệu suất trong lớp xúc tác tiếp theo bằng cách đa chúng qua thiết bị trao đổi nhiệt trung gian 22 lạnh và thiết bị tận dụng nhiệt 3B Nhiệt độ của khí đi ra đợc điều chỉnh nhằm ngăn chặn quá trình hình thành giọt axit trong thiết bị trao đổi nhiệt thờng xảy ra do hàm lợng hydrocacbon khác nhau trong lu huỳnh cấp vào Khí đã đợc làm mát rời khỏi thiết bị tận dụng nhiệt 3B sẽ đi tới tháp hấp thụ trung... gian và hấp thụ cuối cùng, SO3 trong dòng khí phản ứng với nớc trong axit 98,5% tuần hoàn Nhiệt độ của axit hấp thụ tăng lên do nhiệt sinh ra trong quá trình hấp thụ và lợng nhiệt cảm ứng của dòng khí đi vào các tháp Axit ra khỏi tháp hấp thụ trung gian và tháp hấp thu cuối cùng sẽ chảy trở lại bể bơm chứa axit Hệ thống axit có một thùng chứa bơm axit gồm một tờng tiêu năng và hai bơm Thiết kế này làm... tác chuyển hóa 4 và 5 nhằm đạt đợc sự chuyển hóa 99,9% theo yêu cầu Dòng khí đi ra khỏi lớp xúc tác thứ 5 đi vào thiết bị quá nhiệt nhiệt độ thấp 5A tại đó nó đợc làm mát bằng hơi nớc quá nhiệt áp suất trung bình từ nồi hơi nhiệt thừa Sau đó khí sẽ đi tới thiết bị trao đổi nhiệt 5C/5 A và đợc làm mát 23 bằng nớc cấp nồi hơi Nhiệt độ của khí đi ra đợc điều chỉnh nhằm tránh hình thành giọt axit trong thiết... Lu hunh nguyờn t Lu hunh l mt trong nhng nguyờn t cú nhiu trong t nhiờn Lu hunh chim khong 0,1% khi lng v trỏi t Lu hunhc ỏnh giỏ l mt trong nhng nguyờn t quan trng nht v cú nhiu ng dng trong cụng 5 nghip Núc s dng ch yu trong cỏc ngnh cụng nghip sn xut axit sunfuric (chim khong 50% tng lng lu hunh sn xut ra), trong nụng nghip (chim khong 10-15% tng lnglu hunh sn xut ra) Trong t nhiờn lu hunh dng n cht... khí sunfua dioxit SO2 đợc chuyển hóa thành sunfua trioxit SO3 với sự có mặt của chất xúc tác Vanadi và xúc tác Cesi cuối của lớp Phản ứng chuyển hóa sinh nhiệt và nhiệt độ khí tăng khi qua lớp xúc tác Khí này phải đợc làm lạnh để tăng hiệu suất của quá trình oxi hóa sunfua dioxit khi đi qua lớp xúc tác tiếp theo Hỗn hợp khí sau khi qua lớp xúc tác đầu tiên tới thiết bị quá nhiệt nhiệt độ cao 1B tại đó... quá nhiệt nhiệt độ cao 1B tại đó chúng sẽ đợc làm mát bằng cách gia nhiệt cho hơi nớc quá nhiệt suất trung bình Nhiệt độ hỗn hợp khí đầu vào tại lớp 2 đợc điều chỉnh trong phạm vi chính xác bằng cách phân chia một phần của dòng hơi nớc đi tắt xung quanh thiết bị quá nhiệt 1B Dòng khí đã đợc làm mát sẽ đi từ thiết bị quá nhiệt 1B tới lớp xúc tác thứ 2 tại đó việc chuyển hoá thêm từ SO2 thành SO3 sẽ diễn... tới tháp hấp thụ cuối cùng Axit tháp hấp thụ cuối cùng sẽ quay trở lại cùng ngăn chứa Sản phẩm axit 98,5% đợc tách ra ngợc dòng của thiết bị làm lạnh axit cuối cùng và chảy tới thiết bị làm mát sản phẩm axit tới bể chứa của chủ đầu t Một phần axit ra của tháp sấy đợc thêm vào ngăn chứa này để kiểm soát nồng độ axit Lợng axit thừa của ngăn chứa này sẽ chảy bên dới tờng tiêu năng tới tháp hấp thụ trung... tỏc V2O5 *in 10 Trong quỏ trỡnh sn xut axit sunfuric in c dựng vn hnh mỏy múc, thit b hot ng *Nc Ncc s dng trong quỏ trớnh hp th SO 3, lm lnh dung dch ti tun hon trong thỏp hp th *Khớ nộn Khớ nộn c s dng cho cỏc dng c o lng v iu khin t ng trong dõy chuyn sn xut axit sunfuric 1.3 Gii thiu cỏc phng phỏp sn xut axit sunfuric Mc dự cú nhiu phng phỏp sn xut axit sunfuric khỏc nhau nhng trong thc t cỏc . nghiệp hóa chất để giải quyết các vấn đề xen kênh trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. 2. Mục đích nghiên cứu của để tài Nghiên cứu điều khiển phân kênh quá trình hấp thụ. kế phân kênh để loại bỏ nhiễu, làm cho tín hiệu trong hệ thống đảm bảo về độ chính xác. Vì những lí do trên, tôi chọn đề tài Nghiên cứu điều khiển phân kênh quá trình hấp thụ trong công nghiệp. của đề tài Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất. Nội dung của lĩnh vực điều khiển phân kênh kết