nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống tự động hóa quá trình chưng cất - giai đoạn 1

Thiết bị thí nghiệm tự động hoá được chia thành hai nhóm chính: - Điều chỉnh cục bộ từng thông số công nghệ như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức.... Một hệ thống điều khiển quá trình c

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

TRUNG TÂM NEPTECH

BÁO CÁO NGHIỆM THU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ

QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

TS Lê Phan Hoàng Chiêu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Trong công nghệ hoá học, tự động hoá điều khiển các quá trình có tác động trực tiếp nhanh chóng đến chất lượng sản phẩm, năng suất và hiệu quả sản xuất của nhà máy Đổi mới và cải tiến hệ thống tự động hoá điều khiển các quá trình luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất do chi phí đầu tư thấp hơn nhiều lần so với đầu tư thay đổi công nghệ hay chế tạo thiết bị mới Hầu hết hệ thống tự động hoá điều khiển các dây chuyền công nghệ hoá học đều được thiết kế chế tạo và chuyển giao bởi các chuyên gia nước ngoài Để tiếp nhận, vận hành, cải tiến tiến đến thiết kế các hệ thống tự động hoá các dây chuyền sản xuất, trong nước cần có một đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào tạo chuyên sâu hơn về cả hai lĩnh vực công nghệ hoá học và tự động điều khiển Hiện tại, trong nước chưa đào tạo chuyên ngành tự động hoá quá trình hoá công nghệ

Hiện nay các cơ sở đào tạo (Đại học, Cao đẳng) trong nước còn gặp nhiều khó khăn trong việc giảng dạy về tự động hoá các quá trình, đặc biệt là thiếu các mô hình thí nghiệm cho sinh viên thực hành để làm quen và tiếp cận với thực tế Các mô hình thí nghiệm hiện nay trong nhà trường chỉ mới ở mức độ điều khiển bằng tay, quan sát thông số công nghệ trên các đồng hồ hiển thị; còn thiếu hẳn phần kiểm soát và tự động điều khiển Với điều kiện học tập còn thiếu như hiện nay, sinh viên chưa được tiếp cận với hệ thống điều khiển gặp rất nhiều khó khăn khi làm việc trong phòng điều khiển của các nhà máy Do đó việc trang bị các mô hình thí nghiệm tự động hoá là nhu cầu rất bức thiết hiện nay của các cơ sở nhằm nâng cao chất lượng đào tạo cán bộ kỹ thuật

Phần lớn các thiết bị thực nghiệm về tự động hoá các quá trình công nghệ hoá học đều được nhập khẩu qua các Công ty cung cấp thiết bị phòng thí nghiệm Hiện tại, giá thành các thiết bị này còn khá cao, chưa phù hợp với khả năng đầu tư của các Cơ

sở đào tạo trong nước Thiết bị thí nghiệm tự động hoá được chia thành hai nhóm chính:

- Điều chỉnh cục bộ từng thông số công nghệ như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức

- Tự động hoá điều khiển toàn bộ các quá trình sản xuất như: chưng cất, cô đặc, sấy, …

Hiện nay, Trường Sư phạm Kỹ thuật Thủ Đức có trang bị các thiết bị thí nghiệm điều chỉnh mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ của hãng Siemen Các thiết bị này sau đó được lắp thêm hệ thống truyền tín hiệu với máy tính và được cài đặt phần mềm giao diện WinCC của hãng Siemen

Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia “Điều khiển số và kỹ thuật hệ thống” đặt tại trường Đại học Bách khoa TPHCM có trang bị 02 modul thí nghiệm tự động hoá quá trình chưng cất và trao đổi nhiệt phục vụ cho nghiên cứu Các thiết bị này do hãng Edibon và Lab-Volt cung cấp bao gồm tháp chưng cất và hệ thống điều khiển kết nối với máy tính có phần mềm giao diện

Trang bị những mô hình thực nghiệm được thiết kế chế tạo trong nước với giá thấp cho các trường Đại học, Cao đẳng sẽ góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực đáp ứng ngày càng nhiều hơn nhu cầu hiện đại hoá nền sản xuất trong nước

Ngoài các ý nghĩa thiết thực nói trên, đề tài còn góp phần nâng cao năng lực chế tạo thiết bị đào tạo cho ngành tự động hoá của Thành Phố

II Mục tiêu đề tài

- Trang bị mô hình thực nghiệm “tự động hoá các quá trình” được thiết kế chế tạo trong nước với giá thấp cho các trường Đại học, Cao đẳng và các Cơ sở đào tạo khác

- Nghiên cứu xây dựng các bài thí nghiệm về tự động hoá quá trình, từng bước hoàn thiện các nội dung chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành “Tự động hoá sản xuất hoá chất”

- Đào tạo kỹ năng nghiên cứu thiết kế, lắp đặt, vận hành hệ thống tự động hoá điều khiển các quá trình cho đội ngũ cán bộ kỹ thuật

III Nội dung đề tài

Hướng đến mục tiêu trên, đề tài được xây dựng với các nội dung cơ bản:

1 Nghiên cứu khảo sát đánh giá mô hình thí nghiệm tự động hoá các quá trình hoá học công nghệ hiện có tại các Trường Đại học, Cao Đẳng trong TPHCM

2 Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị chưng cất hai cấu tử

3 Thiết kế, chế tạo lắp đặt mô hình hệ thống tự động hóa quá trình chưng cất cho thí nghiệm

4 Xây dựng các bài thí nghiệm tự động hóa các quá trình công nghệ hóa học

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CÁC HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM HIỆN CÓ

Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại Từ những năm của nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay, điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hoá dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong lĩnh vực

đó có một đặc thù chung, được gọi là các hệ thống điều khiển quá trình

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn vận hành

Một hệ thống thí nghiệm quá trình bao gồm các thành phần cơ bản là bộ điều khiển, thiết bị đo, thiết bị chấp hành Để thiết kế hệ thống điều khiển và vận hành chung, sinh viên cần nắm được cấu trúc cơ bản và đặc tính của mỗi thành phần này

Nhằm mục tiêu từng bước hướng dẫn sinh viên tiếp cận với hệ thống điều khiển, các trường Đại học, Cao đẳng trong nước đã đầu tư các hệ thống thí nghiệm dưới đây

1.1 Thiết bị thí nghiệm quá trình chưng cất

a Sơ đồ nguyên lý:

1 2

T I

F E 3

4

T I 6

T I

T I 7

b Mô tả:

Thiết bị thí nghiệm chưng cất do hãng EDIBON cung cấp Đây là thiết bị chưng cất gián đoạn được chế tạo với mục tiêu chính là làm thí nghiệm về quá trình chưng cất Ngoài ra, hệ thống thiết bị còn cho phép làm thí nghiệm làm quen với các thiết bị

tự động hoá như cảm biến, bộ điều khiển PLC

c Nội dung các bài thí nghiệm:

1 Ảnh hưởng việc tính toán không có hoàn lưu

2 Sự cân bằng năng lượng trong hệ thống chưng cất

3 Khảo sát sự khác nhau của 02 thí nghiệm:

- Nồng độ của sản phẩm chưng cất khi không thay đổi tỉ lệ hoàn lưu

- Nồng độ của sản phẩm chưng cất khi thay đổi tỉ lệ hoàn lưu

4 Tính toán hiệu suất của quá trình chưng cất

5 Điều khiển hệ thống thông qua hộp giao diện điều khiển

6 Ghi nhận giá trị của các cảm biến trong hệ thống

7 Hiệu chỉnh các cảm biến trong hệ thống

8 Thao tác trên các thiết bị chấp hành của hệ thống

9 Mô tả các tác động bên ngoài lên hệ thống trong trường hợp không có hệ thống tự động hóa

15 Điều khiển ổn định quá trình

16 Biểu diễn và đánh giá kết quả nhận được

17 Khả năng xây dựng một quá trình mới dựa trên UDDC

18 Luyện tập lập trình PLC

1.2 Thiết bị thí nghiệm trao đổi nhiệt

c Các bài thí nghiệm

1 Đo nhiệt độ dùng thermocouple

2 Đo nhiệt độ dùng RTD

3 Hiệu chỉnh bộ phận chuyển đổi của Thermocouple

4 Hiệu chỉnh bộ truyền tín hiệu của RTD

5 Thời gian đáp ứng giữa Thermocouple và RTD

6 Đặc tính của quá trình nhiệt độ (Temperature process characteristics)

7 Quá trình cơ bản của vi sử lí (Basic opration of mỉcropocesor based controller)

8 Vận hành của kênh đo nhiệt độ

9 Nhiệt độ quá trình – điều khiển tỉ lệ

10 Điều khiển nhiệt độ PI

Trang 5

11 Điều khiển nhiệt độ- PD

12 Điều khiển nhiệt độ- PID

13 Hiệu chỉnh vị trí van (valve positioner)

14 Vòng điều khiển nhiệt độ, quá trình làm lạnh

15 Phần tử nhiệt độ, vòng kiểm soát lưu lượng

16 Phần tử nhiệt độ/ vòng soát mức

17 Điều khiển tầng

18 Vòng điều khiển Feedforward

Nhận xét: Hệ thống thiết bị thí nghiệm chưng cất và trao đổi nhiệt chưa được sử dụng

1.3 Các thiết bị điều chỉnh các thông số công nghệ

a Sơ đồ nguyên lý, thiết bị

- Điều khiển nhiệt độ

- Điều khiển áp suất

Nguồn 230VAC- 24V

PS 307 5A

CPU 315 (S7-300) CPU 315- 2DP

8DI 8DO 24V/

0.5A

2 AI 0/4- 20mA

AI 2x12 bit

2 AO 0/4- 20mA

AO 2x12bit

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý điều khiển áp suất

Hình 5: Sơ đồ thiết bị điều khiển áp suất

3 Bảng điều khiển

4 Các cảm biến mức LIS1, LIS2

5 Cảm biến áp suất

6 Các van tuyến tính

7 Bình kín

8 Thiết bị chuyển đổi lưu lượng

Trang 7

- Điều khiển mức, lưu lượng

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mức, lưu lượng

01: Thùng chứa

02: Bơm li tâm

03: Van tay (để làm rỗng thùng)

04: Van tràn (để điều chỉnh sự lưu thông) 05: Van điện từ ( mở nguồn)ø

06: Dụng cụ chỉ báo bằng cơ

07: Bộ chuyển đổi lưu lượng DN8 , thể hiện bằng số

08: Van tỉ lệ DN8 (PWM, 4-20 mA) 09: Các van tay

10: Cảm biến mức nước

11: Thùng chứa có vách ngăn ở giữa(reactor)

12: Cột mức (điều chỉnh độ cao)

13: Ống tràn cuả thùng chứa(reactor) 14: Bộ chuyển đổi mức nước (0-100cm = 0-100mbar)

15: Van điện từ ngõ ra

16: Van tay của ngõ ra (làm rỗng thùng)

V 4

V an xả

17: Van tay để làm rỗng thùng (reactor) 18: Dụng cụ đo mức (0-100% = 0-100cm) 19: Công tắc điều khiển van tỉ lệ(auto-0- man)

20: Công tắc điều khiển bơm (auto 0 man)

-21: Công tắc cung cấp nguồn

22: Nút nhấn Start/Stop

23: Cái chiết áp điều chỉnh van tỉ lệ bằng tay

24: Nguồn cung cấp 230V/24V -5A 25: CPU 314(S7_300, SIEMENS)

26: Module vào/ra số, 8DI và 8DO, 24V 27: Module vào Analog,2A,0/4-20mA 28: Module ra Analog,2A,0/4-20mA

Hình 7: Sơ đồ thiết bị điều khiển mức, lưu lượng

b Mơ tả:

Đây là hệ thống thí nghiệm điều chỉnh các thơng số cơng nghệ bao gồm đo và

ổn định: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ Mỗi thiết bị thí nghiệm được điều khiển bởi một bộ controller và nối mạng với nhau đưa về máy tính để điều khiển - giám sát thơng qua phần mềm WINCC Được ứng dụng trong việc thí nghiệm các mơn học như: đo lường; lý thuyết điều khiển tự động; điều khiển số; mạng truyền thơng cơng nghiệp (SCADA) cho các học viên đại học và sau đại học

c Nội dung các bài thí nghiệm: gồm 3 phần

lường: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ Khảo sát đáp ứng quá độ, vẽ đặc tuyến của các phần tử

PLC S7-300 sử dụng thuật tốn hiệu chỉnh PI, PID Sử dụng phương pháp thực nghiệm tìm hàm truyền xác định thơng số bộ hiệu chỉnh, quan sát đáp ứng quá độ với các thơng số PID khác nhau trên phần mềm giám sát WinCC Các van tay được sử dụng để tạo ra nhiễu dưới dạng hàm nấc, bậc…

giám sát sử dụng WinCC theo một giao diện mẫu

Trang 9

Hình 8: Giao diện trạm nhiệt độ

Hình 9: Giao diện trạm, mức và lưu lượng

1.4 Hệ thống thí nghiệm điều khiển thông số công nghệ

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm điều khiển áp suất

Hình 13: Sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm điều khiển mức, lưu lượng

b Mô tả:

Các hệ thống thí nghiệm do hãng FESTO chuyển giao Cũng tương tự như các

hệ thống được trang bị ở trường Sư phạm Kỹ thuật bao gồm đo và xử lý quá trình

mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ Mỗi hệ thống được điều khiển bởi một bộ controller, tất cả đều được nối mạng với nhau và đưa về máy tính để điều khiển - giám sát thông qua phần mềm chuyên dụng của hãng FESTO

c Nội dung các bài thí nghiệm

Các bài thí nghiệm trên hệ thống này chia ra làm 2 phần:

- Các bài thí nghiệm giới thiệu cho sinh viên biết về các thiết bị cảm biến đo lường: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ

mềm đã viết sẵn để làm các bài thí nghiệm mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt

độ Thay đổi thông số của bộ hiệu chỉnh quan sát đáp ứng quá độ

Hình 14: Giao diện thí nghiệm khảo sát các phần tử

Hình 15: Giao diện thí nghiệm khảo sát thông số PID

Trang 13

1.5 Kết quả khảo sát các thiết bị hiện có

+ Thí nghiệm điều chỉnh (ổn định) từng thông số công nghệ cơ bản như nhiệt độ,

áp suất, lưu lượng, mức trên từng thiết bị riêng lẻ và trên một thiết bị chung

+ Thí nghiệm điều chỉnh từng quá trình công nghệ (trao đổi nhiệt, chưng cất, )

(tháp chưng cất, bồn chứa, thiết bị trao đổi nhiệt,…) khá cao so với việc chế tạo trong nước Ngoài ra chi phí về phần mềm, xây dựng nội dung các bài thí nghiệm, vận chuyển, lắp đặt, chuyển giao cũng làm cho giá thành tăng cao

+ Tìm hiểu cơ cấu, lắp đặt, kết nối, hiệu chỉnh, vận hành các thiết bị tự động hoá như cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết bị điều khiển PLC, phần mềm mô phỏng và giám sát quá trình

+ Vận hành hệ thống tự động điều chỉnh các thông số công nghệ, khảo sát và đánh giá đáp ứng quá độ với các thông số PID cho trước

thiết kế hệ thống tự động điều khiển các quá trình như xây dựng mô hình thực nghiệm, chọn lựa cấu trúc điều khiển, hiệu chỉnh các thông số PID bằng thực nghiệm, đánh giá chất lượng điều khiển quá trình

Trên cơ sở khảo sát, đánh giá các thiết bị hiện có và nghiên cứu tài liệu của các hãng như Edibon, Festo,…đề tài đề xuất các nội dung nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm nhằm ba mục tiêu chính là giảm giá thành, tăng cường khai thác các thiết bị thí nghiệm, xây dựng nội dung thí nghiệm phù hợp với chương trình đào tạo:

1 Xây dựng một hệ thống tự động hoá quá trình chưng cất như là thiết bị dùng chung cho cả 02 nhóm thí nghiệm điều chỉnh từng thông số công nghệ cơ bản (nhiệt

độ, áp suất,…) và điều chỉnh các quá trình công nghệ (trao đổi nhiệt, chưng cất, ngưng tụ,…)

2 Thiết kế, chế tạo tháp chưng cất, thiết bị ngưng tụ và các thiết bị công nghệ khác nhằm giảm giá thành Chọn mua các thiết bị tự động hoá như cảm biến, van tuyến tính, PLC,…phù hợp có giá thành thấp

3 Tính toán, thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống chưng cất cồn đáp ứng yêu cầu năng suất và chất lượng sản phẩm ở quy mô pilot

4 Xây dựng các bài thí nghiệm có thể thực hiện trên hệ thống thiết bị thí nghiệm phù hợp với chương trình đào tạo cho 03 nội dung: khái niệm về hệ thống tự động hoá các quá trình công nghệ, tính toán thiết kế hệ thống điều chỉnh các thông số công nghệ, chọn lựa và vận hành các thiết bị tự động hoá

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

2.1 Quy trình công nghệ

Mâm 1 Mâm 2 Mâm 3 Mâm 4 Mâm 5 Mâm 6

R P1

dễ bay hơi trong dòng nhập liệu đi lên làm cho nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng lên trên càng tăng và dòng lỏng từ trên xuống càng giảm thành phần các cấu tử dễ bay hơi Lượng hơi tiếp tục đi qua phần cất của tháp tới đỉnh tháp và qua thiết bị ngưng tụ (T5) Sau khi qua hệ thống ngưng tụ, một phần chất lỏng đi tới bình chứa sản phẩm đỉnh, phần khác được bơm hoàn lưu (P2) về đĩa trên cùng của tháp Tại đây tiếp tục xảy ra quá trình cất do sự tiếp xúc pha giữa pha hơi từ phần chưng đi lên và pha lỏng từ dòng hoàn lưu về, pha hơi tiếp tục lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi làm tăng nồng độ sản phẩm đỉnh Một phần sản phẩm đáy được ra khỏi tháp

Trang 15

2.2 Tính toán thiết kế

 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế hệ thống chưng cất cho mục đích tách hỗn hợp 02 cấu tử với các yêu cầu công nghệ:

Yêu cầu:

+ Nguyên liệu: Hỗn hợp Etanol - nước

+ Suất lượng nhập liệu: 165 ml/phút

+ Nồng độ nhập liệu: 200 rượu

Điều kiện làm việc:

+ Nhiệt độ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

+ Áp suất làm việc: 700 mbar

 Tính toán thiết kế

1 Tính suất lượng và thành phần các dòng

Cách tính được thực hiện theo trình tự sau:

- Từ nhiệt độ t  khối lượng riêng rượu , nước

phân mol x (mol/mol) và nồng độ phân khối lượng x %

- Khối lượng trung bình của hỗn hợp Etanol - nước:

- Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D +W

- Cân bằng vật chất cho etanol: F.xF = D.xD + W.xW

Với y*F được tìm dựa vào đồ thị cân bằng pha của hệ Etanol-nước

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R  1, 3Rmin  0, 3

Trong đó: gđ : Lượng hơi đi ra ở đĩa trên cùng

X

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi

x x

Tra bảng IX.5 trang 170, [6]  khoảng cách giữa các đĩa Hđ

Tra bảng IX.22 trang 230, [6]  chiều dày đĩa

 Tính được chiều cao thân tháp

Chọn đáy nắp tiêu chuẩn, chiều cao của đáy, nắp, chiều cao của nồi đun

 Tổng chiều cao của tháp

5 Tổng chiều cao của

tháp

1550 mm

2.3 Chọn lựa các thiết bị phụ

Dựa vào tính toán thiết kế tháp chưng cất, có thể chọn một số thiết bị phụ sau:

Trang 19

 Nồng độ nhập liệu: 200 rượu

 Nhiệt độ nhập liệu: chế độ lỏng sôi

 Áp suất làm việc: 700 mbar

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: 890 rượu

 Lưu lượng sản phẩm đỉnh: 104ml/phút

Khi chạy thử nghiệm, các thông số của chế độ làm việc được xác định theo bảng sau:

1 Mức trong nồi đun 200 mm

3 Nhiệt độ hơi ở đỉnh

tháp

4 Lưu lượng nhập liệu 165 ml/phút

5 Lưu lượng dòng hoàn

lưu

130 ml/phút

Tháp chưng cất được lắp đặt có thể sử dụng để chưng cất hệ 02 cấu tử khác đáp ứng yêu cầu công nghệ và chất lượng sản phẩm

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ

QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 3.1 Khảo sát hệ thống chưng cất

Tháp chưng cất được sử dụng để tách hỗn hợp đồng nhất ra các chất thành

phần Nguyên liệu được máy bơm (P1) bơm từ bồn chứa (T1), nung nóng trong thiết bị

gia nhiệt (T2) bằng điện trở đến nhiệt độ sôi và đi vào tháp chưng cất ở đĩa nạp liệu

Chất lỏng ở đáy tháp bốc hơi nhờ nhiệt lượng của điện trở trong đáy tháp (T3) và đi

lên phía trên tháp dưới dạng hơi Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ

(T5) và hơi được ngưng tụ nhờ nước lạnh Pha lỏng ngưng tụ chảy vào bình tách lỏng

(T4), từ đây được máy bơm (P2) bơm vào phần trên của tháp để tưới dưới dạng hoàn

lưu, một phần thoát ra ngoài ở dạng sản phẩm đỉnh Dòng hoàn lưu chảy xuống phía

dưới tháp Một phần sản phẩm đáy được đưa ra khỏi tháp

Mâm 1 Mâm 2 Mâm 3 Mâm 4 Mâm 5 Mâm 6

Ký hiệu các đại lượng công nghệ:

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ nhập liệu: Gl, Cl , tlv

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sản phẩm đỉnh: Gđ, Cđ , tđ

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sản phẩm đáy: Gđa, Cđa , tđa

- Lưu lượng hoàn lưu: Ghl

- Lưu lượng, nhiệt độ dòng nước lạnh: Gng, tng

- Nhiệt lượng cấp cho R1,R2,R3: q1, q2, q3

- Nhiệt độ dòng liệu vào tháp: tlR

- Nhiệt độ và áp suất ở đỉnh tháp: tth, Pth

- Mức lỏng ở đáy tháp và bình tách lỏng: Lth, Lb

Khảo sát hệ thống chưng cất như là đối tượng điều khiển dùng để tách hỗn hợp

đáy Cđa

3.1.1 Nhiệm vụ điều khiển

Chi phí năng lượng chiếm phần lớn trong giá thành sản phẩm chưng cất, do đó nhiệm vụ tự động hóa tháp chưng cất thường được đặt ra như là điều khiển tối ưu và từ

đó xây dựng nhiệm vụ tự động điều chỉnh từng đại lượng riêng biệt Tuỳ thuộc vào chức năng của tháp chưng cất, có thể sử dụng các thông số tối ưu khác nhau Đối với tháp sản xuất chỉ một sản phẩm chính (thí dụ sản phẩm đỉnh) có thể đặt ra các nhiệm

tiêu hao năng lượng bị giới hạn:

c

q

q

 0 ,ñ

l G G

 Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử dễ bay hơi có dạng:

 2

* ñaña ñ ñ l

V- dòng hơi ở phần dưới của tháp

rbh – nhiệt hoá hơi sản phẩm đáy

qth – thất thoát nhiệt ra môi trường

 Phương trình cân bằng vật chất ở đáy tháp

Trang 23

Tác động điều chỉnh có thể là điện áp cấp cho điện trở R2, R3; lưu lượng nước lạnh Gng, dòng hoàn lưu Ghl, sản phẩm đỉnh Gđ và sản phẩm đáy Gđa

Nồng độ sản phẩm đỉnh Cđ, mức trong tháp Lth và bình tách lỏng Lb, áp suất trong tháp Pth là các đại lượng đầu ra của quá trình

Với mô hình toán học theo phương trình 1–8, tháp chưng cất là đối tượng phức tạp có số lượng lớn các đại lượng quan hệ tương hỗ

Kênh điều chỉnh được chọn trên cơ sở phân tích đặc tính tĩnh và đặc tính động theo những kênh khác nhau

3.1.2 Đặc tính tĩnh của tháp chưng cất

Trạng thái của hệ được xác định bằng 4 đại lượng không phụ thuộc Thông thường đó là lưu lượng nhập liệu Gl, thành phần liệu Cl, lưu lượng sản phẩm đỉnh Gđ,

và dòng hơi ở phần dưới của tháp V

Xét đặc tính tĩnh của tháp theo biểu đồ V – Gđ với điều kiện Gl = const và Cl = const Biểu đồ trên hình vẽ thể hiện các đường đẳng trị của nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh (Cđ = const) và sản phẩm đáy (Cđa = const); Ġ là ký hiệu của nồng

độ giới hạn trong bài toán tối ưu

Hình 18: Biểu đồ V – Gđ với Gl = const và Cl = const

Lời giải của bài toán 1 là điểm A Ở đó thành phầm sản phẩm bằng với giá trị cho

trước Ġ

Hình 19: Biểu đồ V – Gđ Lưu lượng hơi có giá trị nhỏ nhất V = V* hoặc ở điểm A’ khi giá trị tối ưu V*

nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất cho phépVd

* V

V 

Trang 25

Hình 21: Biểu đồ V – Gđ Quá trình xây dựng biểu đồ V – Gđ ở những giá trị Gl và Cl cho thấy vùng làm việc và các điểm tương ứng với chế độ tối ưu của tháp dịch chuyển theo biểu đồ Gia tăng lượng nạp liệu làm cho vùng làm việc co lại và tồn tại giá trị giới hạn G* mà ở đó vùng làm việc chuyển thành một điểm

Hình 22: Biểu đồ V – Gđ Như vậy để duy trì chế độ làm việc tối ưu của tháp trong điều kiện nhiễu khác nhau, cần phải tự động hiệu chỉnh giá trị đặt cho bộ điều chỉnh PID theo các nhiễu đó

Ở chế độ tĩnh, nồng độ thay đổi theo chiều cao tháp Nơi có độ nhạy lớn nhất với nhiễu và tác động điều chỉnh là các đĩa trung gian ở phần trên và phần dưới của tháp, thường được gọi là đĩa kiểm tra có hệ số khuếch đại cao nhất so với ở các đĩa khác trong tháp

Đối với nhiễu từ phía nguyên liệu, nồng độ trên đĩa kiểm tra là đại lượng trung gian có độ trễ nhỏ hơn nồng độ sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Do đó, nồng độ trên

đĩa kiểm tra thường được sử dụng làm đại lượng điều chỉnh thay cho nồng độ sản phẩm Giữa nồng độ ở đĩa kiểm tra và nồng độ sản phẩm có mối liên hệ với nhau Như vậy, ổn định nồng độ ở đĩa kiểm tra sẽ làm ổn định nồng độ sản phẩm

3.1.3 Đặc tính động của tháp

Động học sự biến đổi nồng độ với từng mức độ tách trong tháp phụ thuộc vào

ba yếu tố:

 Thay đổi thể tích dòng lỏng khi lưu lượng của nó thay đổi

 Thay đổi nồng độ do vận tốc dòng hơi thay đổi

 Thay đổi nồng độ trong thể tích dòng lỏng trên đĩa

Tính toán tất cả các yếu tố trên là không thể do mô tả toán học quá phức tạp Hai yếu tố đầu thường được bỏ qua, sự biến đổi nồng độ chỉ giới hạn phụ thuộc vào yếu tố thứ ba

Sự biến đổi nồng độ pha lỏng trên đĩa phụ thuộc vào sự thay đổi nồng độ hoặc vận tốc các dòng chảy bằng phương trình vi phân bậc nhất Khi kết nối tiếp một số đĩa thì hằng số thời gian của chúng có liên hệ với nhau và khó tính được bằng các phương pháp trực tiếp Giá trị hằng số thời gian phụ thuộc vào góc nghiêng của đường cong cân bằng pha, thời gian lưu trên đĩa, vận tốc các dòng trong tháp và lưu lượng nạp liệu

Để đánh giá ảnh hưởng của các thông số này lên giá trị hằng số thời gian, khảo sát một thí dụ đơn giản tháp với một và hai bậc tách

Khảo sát thiết bị có một bậc tách

Hình 23: Thiết bị chưng cất một bậc tách

Trang 27

Giả định rằng thành phần hơi trong vùng biến đổi nồng độ là hàm tuyến tính của thành phần lỏng:

CV = a + bCL (10) Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử dễ bay hơi có dạng:

ñ ñ ña ña l l

L

CGCGCGdt

L ñ

L ña l l

L

bC(aGCGCGdt

g

g: lượng chất lỏng trên đĩa

Xây dựng hàm truyền kênh “nồng độ nhập liệu-nồng độ sản phẩm đáy” Viết lại phương trình (11) theo sai lệch đại lượng đối với giá trị đặt

ña ña

0 l

dt

d g

lo ñ

ñ ña ña

0

l

l

CC

GCG-C

G

Ta suy ra phương trình:

0)

Sau khi biến đổi Laplace, ta có hàm truyền:

1)

(

)()

X

P Y P

W

) 12 (

ña G

g T

Khảo sát thiết bị có hai bậc tách như hình vẽ

Hình 24: Thiết bị chưng cất hai bậc tách Giả định sự phụ thuộc giữa nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và pha hơi được viết theo phương trình (10) Khi đó phương trình cân bằng vật chất (trong đó Glo được ký hiệu là L) cho các đĩa có dạng:

V L

L

V L dt

d

1 2 ña ña l l

1

Trang 29

)14(ñ ñ 2 1

L

L

b a V L dt

d

1 2

1 ña l l

1

)(

)

L

b a L

b a

V

dt

d

2 ñ

2 1

2 12 1

1

)1(

)1(

Y K Y P

T

Y K KX Y P

bV

g T

)(

(

)(

)

(

2 1

2

bLV b

L P g bV P

g

B L P g G P

ñGG

G

(18)

)(

()(

2 1

bLV b

L P g bV P

g

Vb G P

1(

)(

)()(

)20()1)(

1(

)1(

)(

)()(

2 2

2

1 1

K P

X

P Y P W

P T P T

P T K P

X

P Y P W

b a

b a

c

với thời gian lưu trung bình tTB (khi b=1)

Cũng giống như tháp một đĩa, gia tăng góc nghiêng đường cân bằng pha sẽ làm giảm hằng số thời gian và hệ số khuếch đại của tháp

Nếu b gần bằng 1 thì hằng số thời gian lớn nhất gần bằng thể tích chất lỏng trong tháp chia cho lưu lượng nạp liệu Gia tăng chỉ số hồi lưu

ñG

Khi chỉ số hồi lưu khá lớn thì đáp ứng của tất cả các đĩa gần như giống nhau Khi chỉ số hồi lưu nhỏ, đoạn đầu quá trình quá độ của các đĩa sẽ khác nhau ở giá trị trễ Kết quả thực nghiệm đặc tính quá độ của tháp cho thấy, khi thành phần nhập liệu dao động thì thành phần trên các đĩa gần đĩa nạp liệu bắt đầu biến đổi nhanh và đường cong quá độ được hồi quy bằng phương trình bậc nhất Thành phần hỗn hợp ở phần dưới và phần trên của tháp bắt đầu thay đổi với độ trễ vượt hơn βn lần thời gian lưu trên đĩa

Ở đây:

3.2 Tạo nhiễu cho hệ thống thí nghiệm

Hệ thống thiết bị thí nghiệm làm việc trong điều kiện ổn định, không chịu tác động của nhiễu Chế độ vận hành theo thiết kế, giá trị các đại lượng vào ổn định, hệ thống không cần điều khiển

Để thực hành các thí nghiệm về tự động điều khiển, cần đưa hệ thống làm việc trong điều kiện có nhiễu Trong công nghiệp, nhiễu có ảnh hưởng lớn nhất lên hoạt động của tháp là sự biến đổi các thông số như: lưu lượng, nhiệt độ, nồng độ

Trang 31

Do đó, đề tài xây dựng cơ cấu tạo nhiễu theo các đại lượng sau:

- Nhiệt độ nhập liệu

Nhiễu lưu lượng được hình thành thường do dao động điện áp nguồn của bơm làm cho lưu lượng dòng lưu chất thay đổi Trong hệ thống chưng cất nhiễu lưu lượng được tạo ra bằng cách thay đổi tức thời công suất bơm P2 tại một thời điểm nào đó rồi

quay lại giá trị cũ Nhiễu có dạng hàm nấc được đưa vào hệ thống

3.3 Xây dựng cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh

Kết quả nghiên cứu đặc tính tĩnh và động của tháp chưng cất là cơ sở để xác

định mục tiêu điều khiển và chọn lựa các đại lượng điều chỉnh

3.3.1 Mục tiêu điều khiển

Mục tiêu điều khiển quá trình chưng cất là thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cho trước với năng suất xác định và lượng nhiệt tiêu thụ ít nhất

3.3.2 Đại lượng điều chỉnh

Đại lượng điều chỉnh chính của quá trình là nồng độ sản phẩm đỉnh Độ sạch (nồng độ) sản phẩm đỉnh chịu ảnh hưởng của tác động nhiễu như thành phần, lưu lượng, nhiệt độ nguyên liệu; thông số của tác nhân nóng và lạnh; áp suất trong thiết bị

và các đại lượng khác

Hệ thống tự động hóa được xây dựng nhằm đảm bảo ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh và duy trì cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng trong cụm thiết bị chưng chất Cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong tháp được phản ánh bằng các đại lượng công nghệ như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, mức lỏng trong các thiết bị của hệ thống chưng cất

Tác động điều khiển cơ bản là lưu lượng dòng hoàn lưu vào tháp, lưu lượng nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ, lưu lượng sản phẩm đỉnh và đáy, năng lượng cung cấp cho các điện trở gia nhiệt

Lưu lượng hoàn lưu tác động tương đối nhanh lên nồng độ sản phẩm đỉnh, đồng thời cũng tác động lên nồng độ sản phẩm đáy nhưng có độ trễ lớn hơn và ở mức độ thấp hơn Nhiệt lượng cung cấp ở đáy tháp cơ bản làm biến đổi nồng độ sản phẩm đáy nhưng ít làm biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh

Như vậy, nhiệm vụ cơ bản của hệ thống là điều chỉnh các đại lượng công nghệ sau:

Trong công nghiệp, dao động dòng nhập liệu vào tháp là nhiễu lớn nhất của quá trình Do đó cần lập hệ thống tự động điều chỉnh lưu lượng Cảm biến lưu lượng và van điều chỉnh được lắp trên ống dẫn phía trước thiết bị gia nhiệt, làm cho dòng nhập liệu đi qua chỉ dưới dạng pha lỏng Vòng điều chỉnh lưu lượng nhập liệu còn tác động đến hoạt động của các vòng điều chỉnh khác tốt hơn

Trang 33

Gvan : Lưu lượng đi qua van tuyến tính

2- Điều chỉnh nhiệt độ nhập liệu

Dòng nhập liệu phải được cấp vào tháp ở nhiệt độ sôi Nhiệt độ nhập liệu được duy trì ở giá trị không đổi nhờ hệ thống tự động điều chỉnh (HTĐ) điều khiển việc cấp nhiệt cho điện trở trong thiết bị gia nhiệt Chất lượng điều chỉnh nhiệt đo được nâng cao khi cảm biến và van được lắp gần thiết bị gia nhiệt

U2 : Điện áp cung cấp cho điện trở R2

3- Điều chỉnh áp suất trong tháp

Sức cản thuỷ lực của tháp gần như không đổi Do đó, áp suất trong tháp chỉ cần

ổn định ở một vị trí, thường là ở phần trên của tháp Nếu hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thì áp suất được điều chỉnh bằng cách thay đổi tác nhân lạnh đi vào thiết bị ngưng tụ

Trong công nghiệp, hơi không ngưng tụ hoàn toàn hoặc trong hơi có chứa khí

ngưng tụ và van thoát khí Vùng làm việc của các van này phải khác nhau, ở van đầu nằm trong giới hạn khoảng 0÷75% tác động điều chỉnh, còn van kia ở 50÷100% Khí không ngưng chỉ được thoát ra từ bồn chứa dòng hồi lưu khi lưu lượng tác nhân lạnh

đi vào thiết bị ngưng tụ rất lớn và tiếp tục làm tăng áp suất trong tháp

Van điều chỉnh có thể lắp trên đường hồi lưu hoặc đường ra của sản phẩm đỉnh Dưới góc độ tĩnh, điều này có giá trị như nhau Tuy nhiên, để gia tăng chất lượng điều khiển, van điều chỉnh nồng độ cần lắp đặt trên đường hồi lưu vào tháp Khi đó, cân bằng vật chất trong bình tách lỏng được đảm bảo bằng hệ thống điều chỉnh mức có van điều chỉnh trên đường ra của sản phẩm đỉnh

Theo nguyên tắc pha khi tách hỗn hợp 2 cấu tử, nếu áp suất trong tháp không đổi thì nồng độ sản phẩm đỉnh và nhiệt độ có mối liên hệ đơn trị Do đó, có thể ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh gián tiếp bằng cách điều chỉnh nhiệt độ phần cất của tháp

Trong trường hợp số đĩa của tháp không lớn hoặc nhiệt độ sôi của hai cấu tử không sai lệch nhiều thì độ trễ trong đối tượng điều khiển sẽ đạt vài chục phút hoặc lớn hơn Vì vậy, điều chỉnh nhiệt độ ở phần cất của tháp tạo ra sai lệch lớn giữa giá trị tức thời với giá trị cài đặt do tác động điều khiển đưa vào có độ trễ lớn Để gia tăng chất lượng điều chỉnh, cảm biến nhiệt độ được lắp ở vị trí được gọi là “đĩa kiểm tra”

có nhiệt độ phản ứng nhạy nhất với lưu lượng hoàn lưu và đảm bảo độ trễ ít nhất khi

có nhiễu ở thành phần nhập liệu Tuy nhiên, sử dụng nhiệt độ sản phẩm để điều chỉnh nồng độ có một nhược điểm lớn do quan hệ giữa nhiệt độ và nồng độ phụ thuộc vào dao động áp suất trong tháp và sai số của dụng cụ đo kiểm tra

Trang 35

Nồng độ sản phẩm có thể điều chỉnh trực tiếp nhờ các thiết bị phân tích thành phần như phân tích sắc ký, phân tích khí, tỉ trọng kế và các phương pháp khác Để gia tăng độ nhạy của hệ thống điều chỉnh nồng độ, có thể đo hàm lượng tạp chất trong sản phẩm mục tiêu Mẫu thử được lấy tại đĩa kiểm tra nhưng gần phía trên tháp hơn so với

vị trí lắp cảm biến nhiệt độ Tuy nhiên cần lưu ý là thiết bị phân tích thành phần trong công nghiệp có độ tin cậy thấp hơn dụng cụ đo nhiệt độ

Gđ

Khi dao động thành phần nhập liệu thấp, nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp được ổn định bằng cách duy trì không đổi điện áp vào điện trở Sự tạo hơi từ đáy xác định chế độ thuỷ động của tháp Hơi tạo ra quá nhiều có thể dẫn đến hiện tượng “ngập lụt” trong tháp Tuy nhiên, nếu hơi không đủ thì năng suất của tháp giảm

Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống ổn định bao gồm từng vòng riêng biệt là tác động nhiễu có thể làm thay đổi đáng kể chế độ làm việc của tháp; độ trễ các quá trình trong tháp tương đối lớn là nguyên nhân làm tăng sai lệch động của các đại lượng công nghệ trước khi các bộ điều chỉnh bắt đầu bù trừ được ảnh hưởng của nhiễu

Thí dụ, khi ổn định nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp mà không tính đến trạng thái thực tiễn trong hệ thì có thể dẫn đến tình trạng bội hao hơi đốt do tác động của độ quá nguội dòng hoàn lưu và các nhiễu khác trong quá trình

Không có tác động bù nhiễu từ phía dòng liệu làm cho sai lệch động trong điều chỉnh nồng độ sản phẩm đỉnh lớn, bởi vì bộ điều chỉnh nồng độ (hoặc nhiệt độ) ở cuối tháp chỉ nhận được tín hiệu sai lệch của đại lượng điều chỉnh với giá trị đặt sau khi thành phần lỏng đã thay đổi trong toàn tháp

Trong công nghiệp, để gia tăng chất lượng điều chỉnh, có thể đưa vào hệ thống điều chỉnh các đại lượng chính một số vòng điều chỉnh bổ sung tạo nên cấu trúc điều

Trang 37

chỉnh nhiều vòng như điều chỉnh tầng, điều chỉnh hỗn hợp,… Việc đưa những vòng bổ sung vào hệ thống điều chỉnh để khử nhiễu theo lưu lượng và thành phần nhập liệu có thể gia tăng chất lượng sản phẩm mục tiêu hoặc tăng năng suất và cả làm giảm tiêu thụ năng lượng cho quá trình

Do sản phẩm đề tài là thiết bị thí nghiệm với tác động nhiễu đơn giản, kiểm soát được Do đó bước đầu đào tạo sinh viên bằng hệ thống một vòng điều chỉnh 06 đại lượng công nghệ riêng biệt

- Bộ điều chỉnh chính có nhiệm vụ ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh là bộ điều chỉnh nhiệt độ (5) phần trên của tháp

- Bộ điều chỉnh lưu lượng (1) ổn định lưu lượng nhập liệu

- Bộ điều chỉnh nhiệt độ (2) ổn định nhiệt độ nhập liệu

- Bộ điều chỉnh áp suất (3) ổn định áp suất trong tháp đảm bảo duy trì cân bằng vật chất theo pha hơi

- Bộ điều chỉnh mức (4,6) ổn định mức đảm bảo duy trì cân bằng vật chất theo pha lỏng trong bình tách lỏng và đáy tháp

FC 1

Mâm 1 Mâm 2 Mâm 3 Mâm 4 Mâm 5 Mâm 6

LC 4

LC 6

TC

PC 3

R

P2

TI TI TI TI

Trang 39