Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục

Luận án chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục” trong đó có đủ 4 trạng thái có điều kiện ràng buộc với định hướng ứng dụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

MAI THỊ ĐOAN THANH

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng

dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết

quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác

Tác giả luận án

Mai Thị Đoan Thanh

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 1

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

5 Bố cục của luận án 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 4

1.1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ PHẢN ỨNG HÓA HỌC 4

1.1.1 Định nghĩa thiết bị phản ứng 4

1.1.2 Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học 4

1.2 PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 6

1.2.1 Phân loại phản ứng hóa học: 6

1.2.2 Phân loại thiết bị phản ứng: 7

1.3 ĐỘNG HỌC CHUNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ THỂ TÍCH KHÔNG ĐỔI 7

1.3.1 Phương trình cân b ng khối lượng 8

1.3.2 Phương trình cân b ng thành phần của phản ứng 8

1.3.3 Phương trình cân b ng năng lượng 9

1.4 ĐỘNG HỌC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC (CSTR – CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) 10

1.4.1 Khái quát chung về thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục 10 1.4.2 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp 11 1.4.3 Động học quá trình của một thiết bị phản ứng 12 1.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR 13

1.5.1 Phân tích các biến 13 1.5.2 Xác định bậc tự do của mô hình 14 1.5.3 Đánh giá tính xen kênh và tính phi tuyến 15 1.6 TÓM TẮT NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ GẦN ĐÂY VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 16

1.6.1 Những công trình nghiên cứu về động học quá trình thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR 16

1.6.2 Những công trình nghiên cứu về điều khiển phản hồi tuyến tính dùng bộ PID và các biến thể 16

1.6.3 Những công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến 18 1.6.4 Những công trình nghiên cứu có phương trình cân b ng năng lượng của nước trong jacket 20

1.6.5 Các công trình nghiên cứu dùng MPC để điều khiển thiết bị phản ứng CSTR 20 1.7 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CSTR 21 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 23

2.1 PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC 23 2.2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 26

2.2.1 Lựa chọn kích thước hình học 26

2.2.2 Tính toán thông số vận hành 27

2.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KIỂM TRA THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 30

2.3.1 Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn khởi động 31 2.3.2 Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng 33 2.4 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG PHẢN HỒI ĐẦU RA VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 34

2.5.1 Xét trường hợp khi có nhiễu tác động 36

2.5.2 Nhiễu lưu lượng đầu ra F2 10% 36

2.5.3 Nhiễu đồng thời 37

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 38

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ SONG TUYẾN BẤT ĐỊNH VÀ ÁP DỤNG VÀO ĐIỀU KHIỂN HỆ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC THỦY PHÂN ANHYDRIDE ACETIC 40

3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 41

3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển dự báo 41

3.1.2 Các phương pháp điều khiển dự báo cơ bản 46

3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO THÍCH NGHI CHO HỆ SONG TUYẾN KHÔNG DỪNG VÀ BẤT ĐỊNH 55

3.2.1 Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho hệ song tuyến 55

3.2.2 Ứng dụng vào điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thủy phân anhydride acetic 63

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 77

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 78

4.1 MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM 78

4.2 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 78

4.3 TRÌNH TỰ THỰC NGHIỆM 80

4.4 LẬP TRÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN AC 800M 81

4.4.1 Cấu hình phần cứng 81

4.4.2 Thiết kế và xây dựng giao diện 84

4.5 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA HỆ 86

4.5.1 Thí nghiệm lấy đặc tính bơm B1, B2: 86

4.5.2 Nhận dạng vòng hở hệ thống 88

4.6 MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VÓI THÔNG SỐ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 93

4.6.1 Sự phụ thuộc của nồng độ chất phản ứng vào nhiệt độ lò phản ứng T 93

4.6.2 Mô phỏng hệ điều khiển 94

4.7 THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 98

4.7.1 Chỉnh định thông số bộ điều khiển PID b ng thực nghiệm 98

Quá trình chỉnh định gồm các bước sau: 98

4.7.2 Tiến hành thí nghiệm 99

4.7.3 Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm99 4.7.4 Lập sơ đồ điều khiển: 101

4.7.5 Kết quả thí nghiệm với điều khiển PID 101

4.8 THÍ NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN NMPC 103

4.8.1 Sơ đồ điều khiển trong AC800M 105

4.8.2 Kết quả thí nghiệm điều khiển NMPC 103

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11010 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN… 117

T T nhiệt độ môi chất nóng trong jacket đầu vào và đầu ra

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

AGPC Alternative Generalized Predictive Control

CSTR Continuous Stirred Tank Reactor

CV Control Valse

DMC Dynamic Matrix Control

GPC Generalized predictive control

MIMO Multiple Input Multiple Output

MAC Model Algorithmic Control

NMPC Nonlinear-Model Predictive Control

PCS Process Control System

PFR Plug Flow Reactor

PV Preset Value

P&ID Process and Intrumentation Diagram

PID Proportional Integral Derivative

SP Setpoint

SISO Single Input Single Output

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số ban đầu thiết bị phản ứng 26Bảng 2.2 Thông số thiết bị phản ứng CSTR 29

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng 8

Hình 1.2 Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR 111

Hình 1.3 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp 11

Hình 1.4 Mô hình cấu trúc điều khiển của thiết bị phản ứng 14

Hình 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc của C A2 theo T và k' theo T 15

Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển PID kết hợp với logic mờ 17

Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển dùng bộ điều khiển ANN 18

Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp NNAGPC 19

Hình 2.1 Cấu trúc phân tử phản ứng thủy phân anhydride acetic 24

Hình 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất acid acetic b ng phương pháp thủy phân acetic anhydide 25

Hình 2.3 Cấu trúc mô hình thiết bị phản ứng 27

Hình 2.4 Giản đồ công nghệ (PD-Process Diagram) thiết bị phản ứng khuấy trộn ……… 31

Hình 2.5 Đáp ứng nhiệt độ phản ứng Ttrong giai đoạn khởi động 32

Hình 2.6 Đáp ứng nồng độ sản ph m đầu ra C A2 trong giai đoạn khởi động 32

Hình 2.7 Mô hình mô phỏng thiết bị phản ứng trong giai đoạn phản ứng 33

Hình 2.8 Mô hình mô phỏng điều khiển phản hồi PID thiết bị phản ứng CSTR 34 Hình 2.9 Bộ tham số PID điều khiển nhiệt độ 35

Hình 2.10 Bộ tham số PID điều khiển mức 35

Hình 2.11 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2khi nhiễuC A1 10%; T1 10% (C A2 đạt 4,192 kg/m3, sai lệch 12,6%) 36

Hình 2.12 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch h khi F2 10% tác động 37

Hình 2.13 Sai lệch nồng độ đầu ra và mức dung dịch khi 4 nhiễu tác độngđồng thời38 Hình 3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ điều khiển dự báo 42

Hình 3.2 Nguyên lý làm việc theo vòng quét của bộ điều khiển dự báo 45

Hình 3.3 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi thay đổi giá trị đặt 10% 69

Hình 3.4 Sai lệch nồng độ đầu ra C A2 khi thay đổi giá trị đặt 10%(phóng to) 69

Hình 3.5 Tín hiệu điều khiển u1điều khiển nồng độ C A2bám lượng đặt 10% 69

Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển u1 điều khiển nồng độ C A2bám lượng đặt 10% (phóng to) 69

Hình 3.7 Đáp ứng h (mức) khi thay đổi giá trị đặt cho C A2 10% 70

Hình 3.8 Đáp ứng h (mức) khi thay đổi giá trị đặt cho C A2 10% (phóng to) 70

Hình 3.9 Tín hiệu điều khiển u2 điều khiển quá trình mức khi C A2 thay đổi lượng đặt 70

Hình 3.10 Tín hiệu điều khiển u2 điều khiển quá trình mức khi C A2 thay đổi lượng đặt (phóng to) 71

Hình 3.11 Đáp ứng của hệ khi nhiễu C A1 10%;T1 10% 72

Hình 3.12 Đáp ứng của hệ khi nhiễu F2 tăng 10% 73

Hình 3.13 Đáp ứng của hệ khi nhiễu F2 giảm 10% 74

Hình 3.14 Đáp ứng của hệ khi F2giảm 10%, C A1 tăng 10% và T1 tăng 10% 75

Hình 3.15 Đáp ứng của hệ khi F2 giảm 10%, C A1 giảm 10%, T1 tăng 10% 76

Hình 4.1 Sơ đồ P&ID mô hình thí nghiệm thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR cho sản ph m acid acetic 79

Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm hoàn chỉnh 80

Hình 4.3 Cấu hình phần cứng cho Compact Control Builder AC 800M 81

Hình 4.4 Khai báo các biến chương trình điều khiển PID 82

Hình 4.5 Gán biến Analog Input 82

Hình 4.6 Gán biến Analog Output 82

Hình 4.7 Tạo graphic display để xây dựng giao diện 83

Hình 4.8 Các hình vẽ sẵn có trong thư viện 83

Hình 4.9 Giao diện hoàn chỉnh 84

Hình 4.10.Cài đặt thông số cho Trend Display 85

Hình 4.11.Đồ thị Trend Display 85

Hình 4.12.Đồ thị đặc tính bơm với tín hiệu điều khiển 4 – 20 mA 87

Hình 4.13.Đồ thị đặc tính bơm với chiết áp 30% - 80% 88

Hình 4.14.Mô hình hàm truyền tác động nước gia nhiệt lên nhiệt độ phản ứng 88

Hình 4.15.Nhận dạng G11 88

Hình 4.16.Mô hình hàm truyền tác động lưu lượng đầu vào lên nhiệt độ 89

Hình 4.17.Nhận dạng GD21 89

Hình 4.18.Mô hình hàm truyền tác động nhiệt độ T1 lên nhiệt độ phản ứng 90

Hình 4.19.Nhận dạng GD11 90

Hình 4.20.Mô hình hàm truyền tác động của các biến lên nhiệt độ phản ứng 91

Hình 4.21.Mô hình hàm truyền tác động lưu lượng đầu ra lên mức 91

Hình 4.22.Nhận dạng G22 91

Hình 4.23.Mô hình hàm truyền tác động lưu lượng đầu vào lên mức 92

Hình 4.24.Nhận dạng GD21 92

Hình 4.25.Mô hình hàm truyền tác động của các biến lên mức 93

Hình 4.26.Nồng độ chất phản ứng theo thời gian ở nhiệt độ 40oC 94

Hình 4.27.Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 94

Hình 4.28.Thông số PID bộ điều khiển nhiệt độ 95

Hình 4.29.Thông số PID bộ điều khiển mức 95

Hình 4.30.Đáp ứng của mức h dưới tác động của bộ điều khiển 95

Hình 4.31.Đáp ứng của nhiệt độ dưới tác động của bộ điều khiển 96

Hình 4.32.Đáp ứng của nồng độ CA2 96

Hình 4.33.Đáp ứng của nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi T1-10% 97

Hình 4.34.Đáp ứng của nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi F2+10% 97

Hình 4.35.Đáp ứng nồng độ CA2 và nhiệt độ T khi T1-10% và F2 +10% 98

Hình 4.36.Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển AC800M với mô hình thí nghiệm 100

Hình 4.37.Điều khiển PID cho mức và nhiệt độ thiết bị phản ứng 101

Hình 4.38.Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển PID 101

Hình 4.39 Điều khiển NMPC cho mô hình thiết bị phản ứng 103

Hình 4.40 Chương trình điều khiển NMPC nạp vào bộ điều khiển AC800M 104Hình 4.41 Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển NMPC (từ 16h đến 17h)105Hình 4.42 Các đáp ứng khi điều khiển b ng bộ điều khiển NMPC (từ 16h20 đến

17h20) 106

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Công nghiệp hóa chất chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất công nghiệp, sản

ph m của nó rất đa dạng phục vụ hầu như tất cả công nghiệp chế biến Thiết bị phản ứng hóa học là cốt lõi của quá trình sản xuất các sản ph m hóa học phục vụ cho chế biến dược ph m, thực ph m, hóa chất cơ bản, phân bón… Trong đó thiết bị phảnứng

có khuấy trộn liên tục (CSTR – Continuous Stirred Tank Reactor) được dùng phổ biến vì nó có năng suất cao Tuy nhiên đặc tính động học của hệ CSTR là hệ đa biến phi tuyến tác động xen kênh Trong công nghiệp hầu như sử dụng điều khiển phản hồi đầu ra tuyến tính với bộ điều khiển PID, điều này dẫn đến chất lượng sản phấm chưa đạt như mong muốn Để khắc phục tồn tại này, người ta phải dùng chuỗi các thiết bị CSTR nối tiếp nhau dẫn đến chi phi đầu tư lớn và gây phức tạp hệ thống sản xuất

Trong những năm gần đây nhiều công trình nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho CSTR, mở ra hướng triển khai vào sản xuất Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đa phần điều khiển tuyến tính hoặc phi tuyến với nghiên cứu hệ điều khiển đơn biến chưa xét đến đầy đủ cân b ng về khối lượng và cân b ng năng lượng cho jacket Kết quả nghiên cứu thường ứng dụng cho các thiết bị phản ứng n m ở đầu dây chuyền, chủ yếu là khảo sát các thay đổi giá trị đặt nồng độ, chưa xét đến nhiễu tác động Mặt khác, các thuật điều khiển NMPC chưa chỉ ra được khả năng ứng dụng cài đặt vào các bộ điều khiển trong công nghiệp

Luận án chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng điều khiển dự báo phi tuyến

cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục” trong đó có đủ 4 trạng thái có điều

kiện ràng buộc với định hướng ứng dụng cho thiết bị phản ứng đầu cuối, tập trung vào mục tiêu khử các nhiễu để đảm bảo chất lượng đầu ra Đồng thời thuật toán điều khiển NMPC đề xuất cần được đơn giản hóa sao cho dễ dàng ứng dụng được vào sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Thiết kế hệ điều khiển dự báo phi tuyến NMPC đa biến cho thiết bị phản ứng CSTR nâng cao chất lượng sản ph m và có thể dễ dàng ứng dụng vào sản xuất

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục ở cuối dây chuyền Continuous Stirred Tank Reactor) thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic)

(CSTR-3.2 Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế điều khiển cho thiết bị phản ứng CSTR

3.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các công trình công bố về điều khiển phi tuyến CSTR

- Nghiên cứu thiết kế mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic trong phòng thí nghiệm

- Nghiên cứu động học quá trình và điều khiển tuyến tính cho CSTR-acetic Đánh giá hệ điều khiển b ng mô phỏng

- Nghiên cứu thiết kế NMPC (Nonlinear-Model Predictive Control) ứng dụng cho thiết bị phản ứng CSTR-acetic Đánh giá hệ điều khiển b ng mô phỏng

- Xây dựng mô hình CSTR thủy phân anhydride acetic trong phòng thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm theo điều khiển tuyến tính và phi tuyến sử dụng bộ điều khiển công nghiệp AC 800M của hãng ABB

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đã xây dựng được và đề xuất ứng dụng điều khiển dự báo NMPC cho CSTR thủy phân anhydride acetic

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án mở ra khả năng ứng dụng điều khiển phi

tuyến NMPC cho thiết bị CSTR trong thực tế sản xuất

chung của CSTR, tóm tắt các công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến cho CSTR và đề xuất hướng nghiên cứu

Chương 2: Thiết kế phản ứng thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic) trong phòng thí nghiệm Nội dung chương này trình bày phần tính toán thiết kế CSTR-acetic, xây dựng động học quá trình (CSTR-acetic) và mô phỏng kiểm chứng thiết kế CSTR-acetic Mô phỏng đánh giá điều khiển tuyến tính phản hồi đầu ra dùng bộ điều khiển PID cho CSTR-acetic

Chương 3: Nghiên cứu điều khiển mô hình dự báo đa biến phi tuyến NMPC ứng dụng cho CSTR Nội dung chương này trình bày đề xuất thuật điều khiển tuyến tính hóa mô hình cho NMPC, ứng dụng cho CSTR-acetic và mô phỏng kiểm chứng

Chương 4: Thực nghiệm Nội dung Chương 4 đi xây dựng CSTR-acetic trong phòng thí nghiệm gồm tính chọn thiết bị đo và ghép nối với bộ điều khiển AC 800M của ABB Thí nghiệm với điều khiển tuyến tính PID và lập trình điều khiển dự báo phi tuyến NMPC với thuật điều khiển tuyến tính hóa đề xuất trong Chương 3

s là hệ số hóa thế ban đầu,R h ng số chất khí lý tưởng 8,314 (J/mol K),

T là nhiệt độ phản ứng (K), j là áp suất riêng phần thành phần j

Lý thuyết cân b ng hóa học sẽ được sử dụng khi xét các phản ứng xảy ra trong luận

án

b) Tốc độ phản ứng:

Tốc độ phản ứng được định nghĩa là sự biến thiên khối lượng mol của các chất tham gia phản ứng trong một thể tích nhất định [1] Khái quát chung về tốc độ phản ứng, ta có phương trình sau:

1

,

i i

i

dM r

trong đó, r i là tốc độ phản ứng của chất i, được tính kmol/m 3 s, a i là hệ số lượng chất

i, V là thể tích dung dịch phản ứng,M i là số mol chất i kmol

Ngoài ra, tốc độ phản ứng chất i c n được viết dưới dạng:

Độ chuyển hóa một phần của cấu tử hoặc nhiều cấu tử tham gia phản ứng

đã được chuyển hóa để tạo thành sản ph m Thông thường độ chuyển hóa được tính theo một chất phản ứng, được chọn trong tương quan tỷ lượng hóa học với chất khác [1] Độ chuyển hóa y k là tỷ số của hàm lượng chất i so với chất ban đầu, đặc trưng cho tốc độ biến đổi hàm lượng chấti:

Độ chuyển hóa phụ thuộc rất lớn đối với nhiệt độ phản ứng Như vậy cần phải điều chỉnh nhiệt độ phù hợp để phản ứng được hoàn thành.

1.2 Phân loại phản ứng hóa học và thiết bị phản ứng

1.2.1 Phân loại phản ứng hóa học:

Trong các quá trình công nghiệp, các phản ứng hóa học được chia làm các loại như sau:

- Phản ứng hoàn toàn: là phản ứng mà ít nhất 1 trong các chất tham gia phản

ứng hết [2]

- Phản ứng không hoàn toàn: là phản ứng trong đó không có một chất tham

gia phản ứng nào mất hẳn khi phản ứng dừng lại, các chất phản ứng còn tuy với một lượng nhỏ Phản ứng thuận nghịch thuộc loại phản ứng không hoàn toàn [2]

- Phản ứng đồng thể: là phản ứng chỉ xảy ra trong cùng một pha Phản ứng

đồng thể chỉ có thể xảy ra trong pha khí hoặc pha lỏng mà không xảy ra trong pha rắn

vì khi một chất rắn đồng thể tham gia phản ứng hóa học thì nó trở thành dị thể [2]

- Phản ứng dị thể: là phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt phân chia hai pha,

không xảy ra trong thể tích của một pha nào [2]

- Phản ứng đồng pha: là phản ứng mà hệ hóa học chỉ làm thành một pha từ

đầu đến cuối [2]

- Phản ứng dị pha: là phản ứng mà hệ hóa học làm thành hai hay nhiều

pha khác nhau [2]

- Phản ứng thu nhiệt và phản ứng phát nhiệt: Phản ứng thu nhiệt là phản ứng

cần cấp nhiệt, cần thiết bị gia nhiệt cho phản ứng nếu không đủ nhiệt phản ứng sẽ không hoàn thành, tốc độ phản ứng chậm Sản ph m phản ứng không đúng với yêu cầu Phản ứng phát nhiệt là phản ứng cần thiết bị làm mát thu nhiệt để duy trì nhiệt

độ phản ứng nếu không thì tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh theo nhiệt độ mất cân

b ng phản ứng (tương đương với phản hồi dương) [2]

Các phản ứng được xét đến trong luận án là các phản ứng thu nhiệt và đồng pha, tức là chỉ diễn ra trong pha lỏng và không xuất hiện các pha khác trong quá trình phản ứng

1.2.2 Phân loại thiết bị phản ứng:

Dựa vào phương thức tiến hành công nghệ phản ứng hóa học (quá trình gián đoạn (batch process), quá trình liên tục (continuous process), quá trình bán liên tục (semibatch process) mà người ta chia thiết bị phản ứng ra thành các loại sau:

- Thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR): là một thiết bị phản ứng có

thiết bị khuấy trộn; nguồn cấp vào và sản ph m đầu ra liên tục, phản ứng được điều khiển thông qua việc gia nhiệt hoặc làm mát lớp vỏ ngoài thiết bị (gọi là jacket) [2]

- Thiết bị phản ứng theo mẻ: là thiết bị phản ứng theo chu kỳ, mỗi chu kỳ

nguyên liệu cùng các thành phần cần thiết được nạp vào thiết bị và được khuấy trộn, điều khiển phản ứng để được sản ph m yêu cầu, sau đó sản ph m sẽ được tháo hết khỏi thiết bị và bắt đầu một chu kỳ mới [2]

- Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR): là thiết bị phản ứng dạng hình trụ hoặc

nhiều ống, các thành phần phản ứng được cấp liên tục vào một đầu ống, hỗn hợp phản ứng qua PFR được mô hình hóa như một dòng chảy qua một loạt các vi phân thể tích dV rất mỏng, trong đó mỗi dV đó như một CSTR có thành phần đồng đều [2]

Thiết bị phản ứng được chọn trong luận án là thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR)

1.3 Động học chung thiết bị phản ứng có thể tích không đổi

Trước khi tìm hiểu về động học của thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR, ta cần tìm hiểu về động học chung của thiết bị phản ứng có thể tích không đổi, từ đó tìm ra các phương trình cân b ng trong hệ có thể tích không đổi

Xét thiết bị phản ứng hóa học như Hình 1.1 với thể tích V không đổi, lưu lượng chất đưa vào thiết bị phản ứng làF 1i , với chất tham gia phản ứng i = 1…n,

[kmol/s], lưu lượng sản ph m đưa ra khỏi thiết bị phản ứng là F 2i [kmol/s]; thiết bị

phản ứng được cung cấp một công suất nhiệt là  [kW] để duy trì nhiệt độ phản ứng ở giá trị không đổi nh m bảo đảm tốc độ phản ứng Để các chất trong phản ứng được đồng đều, ta sử dụng cánh khuấy được quay bởi động cơ điện có công suất là

P [W] Giả thiết ta có i chất tham gia phản ứng và xảy ra M phản ứng, các phản ứng

trong thiết bị phản ứng sẽ tuân theo các phương trình cân b ng sau:

F

P

Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng [58]

1.3.1 Phương tr nh c n b ng khối ượng

Sự biến thiên khối lượng vật chất trong hệ thể tích cố định sẽ bằng tổng đại

số lưu lượng khối đầu ra và đầu vào [1] Định luật trên được viết lại như sau:

1.3.2 Phương tr nh c n b ng thành phần của phản ứng

Sự biến thiên lượng chất A tích lũy trong bình phản ứng bằng lượng chất A đưa vào bình trừ đi lượng chất A đưa ra khỏi bình, trừ với lượng chất A tham gia phản ứng [1] Định luật trên được viết lại như sau [1]:

với C i1 là nồng độ chất i đầu vào, C i2 là nồng độ chất i đầu ra

Giả thiết phản ứng là bậc 1, khi đó rk C' i (lúc này C i C i2 ),thay vào phương trình trên ta có:

1.3.3 Phương tr nh c n b ng năng ượng

Biến thiên năng lượng của hệ có thể tích cố định sẽ b ng nhiệt cấp đầu vào trừ đi công năng sinh ra trong hệ, cộng với công suất của d ng đầu vào trừ đi công suất của d ng đầu ra [58] Định luật trên được viết lại như sau [58]:

^ ij 1.

Khái quát chung về thiết bị phản ứng khuấy trộn iên tục

Trên Hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục thu nhiệt:

Phần chính của thiết bị phản ứng CSTR bao gồm: Bình phản ứng có thể tích

V chứa dung dịch phản ứng, được khuấy trộn đều b ng cánh khuấy và quay bởi

động cơ điện, dung dịch phản ứng cấp vào bình có lưu lượng F1, nồng độ C A1 và nhiệt độ T1, sản ph m hoàn thành được lấy ra có lưu lượng F2, nồng độ C A2 và nhiệt độ T, điều khiển lưu lượng ra dùng van hoặc bơm; Vỏ thiết bị được gọi là jacket chứa môi chất tải nhiệt (làm lạnh đối với phản ứng phát nhiệt hoặc làm nóng đối với phản ứng thu nhiệt), nhiệt được truyền qua thành bình phản ứng, điều chỉnh công suất nhiệt cấp cho phản ứng thông qua lưu lượng môi chất (có thể dùng van điều chỉnh hoặc bơm) Thiết bị phản ứng này xảy ra trong bình có một pha lỏng nên gọi là phản ứng đồng thể

Hình 1.2 Nguyên lý thiết bị phản ứng CSTR 1.4.2 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp

Theo [14], để tạo ra một sản ph m công nghiệp thì thường ta thiết kế ra một chuỗi n các thiết bị phản ứng liên tục CSTR như trên Hình 1.3 (thông thường từ 4-

10 thiết bị) Lý do, nếu dùng một thiết bị phản ứng để đưa ra sản ph m thì phải duy trì thời gian phản ứng lâu không đảm bảo năng suất và chất lượng của sản ph m

Hình 1.3 Cấu trúc phổ biến CSTR trong công nghiệp

Tức là sản ph m đầu vào cho thiết bị thứ nhất có lưu lượng F v1, nồng độ C v1, nhiệt độ T v1 qua các chuỗi thiết bị phản ứng, ta có lưu lượng F vi, nồng độ C vi, nhiệt

độ T vi đến thiết bị cuối cùng có lưu lượng F vn, nồng độ C vn, nhiệt độ T vn Thông số đầu vào của thiết bị thứ nhất thay đổi theo nguyên liệu nhưng các thông số sản

ph m đầu ra là không đổi Do vậy, nồng độ của thiết bị phản ứng cuối cùng là

không đổi, hoặc thay đổi không đáng kể Trong khi đó các thiết bị thứ i trong dây chuyền, lượng đặt là có thể thay đổi theo công nghệ Thiết bị phản ứng được xét đến trong luận án là thiết bị phản ứng n m cuối dây chuyền công nghệ, có nồng độ sản

ph m đầu ra không đổi, tuy nhiên, các nhiễu đầu vào thay đổi liên tục Động học quá trình của thiết bị phản ứng cuối dây chuyền công nghệ cũng tuân theo các phương trình cân b ng hóa học được xét đến ở mục 1.3 và được triển khai cụ thể trong mục 1.4.3:

1.4.3 Động học quá tr nh của một thiết bị phản ứng

Xét phản ứng thu nhiệt:

Cân bằng thành phần [1],[58]:

' 2

trong đó, V (m3) là thể tích dung dịch; C A1 và C A2 (mol/l, kg/m3 hoặc tính theo %)

là nồng độ đầu vào và ra của chất phản ứng; T1(K) là nhiệt độ đầu vào của chất phản ứng; T(K) là nhiệt độ phản ứng được duy trì không đổi; F1 và F2(m3/s) là lưu

lượng vào và ra của chất phản ứng; '

k là hệ số tốc độ phản ứng:

#

' 0

E RT

trong đó, Q kW( )là công suất nhiệt cấp cho bình phản ứng, Q K A T T ( T j2);K Tlà

hệ số truyền nhiệt (W/m2K); A diện tích truyền nhiệt (m2); T K( ) nhiệt độ dung dịch bình phản ứng; T j2( )K là nhiệt độ môi chất nóng trong jacket; ρ (kg/ m3) là

khối lượng riêng của chất phản ứng; C p( /J kg K ) là nhiệt dung riêng của chất phản ứng

Cân bằng năng lượng cho jacket [1],[58]:

Quá trình trao đổi nhiệt của jacket tới dung dịch phản ứng sẽ qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu là trao đổi nhiệt giữa dung dịch nóng tới vỏ thiết bị phản ứng,

kế tiếp từ vỏ thiết bị phản ứng tới dung dịch phản ứng Tuy nhiên, sự truyền nhiệt từ

jacket sang vỏ thiết bị phản ứng không đáng kể nên trong luận án ta giả thiết bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt này và xem như chỉ có một quá trình trao đổi nhiệt, bỏ qua các tổn thất nhiệt từ vỏ jacket ra môi trường, ta có phương trình cân b ng như sau:

F m s là lưu lượng môi chất cấp cho jacket

Cân bằng khối lượng [1],[14]:

Dựa trên yêu cầu công nghệ của CSTR và các phương trình động học từ (1.19) đến (1.22) ta đi xây dựng được mô hình điều khiển trên Hình 1.4 (là hệ đa biến)

Đại lượng cần điều khiển quan trọng nhất là nồng độ đầu ra (theo phương trình động học cân b ng thành phần (1.19)) Tuy nhiên đo được nồng độ nhanh và trực tiếp là khó thực hiện, do vậy người ta thường nội suy nồng độ sản ph m theo nhiệt độ của phản ứng Như vậy đại lượng điều khiển là nhiệt độ (theo phương trình cân b ng năng lượng trong thiết bị phản ứng (1.20)) Để điều khiển nhiệt độ phản ứng (nồng độ sản ph m) ta thực hiện điều khiển công suất nhiệt cấp cho phản

ứng (thường qua lưu lượng dòng môi chất F j- phương trình cân b ng năng lượng của jacket (1.21), tức là F j là đại lượng tác động) Như vậy ta có cặp đôi điều khiển

j

F - T C( A2)

Hình 1.4 Mô hình cấu trúc điều khiển của thiết bị phản ứng

Đại lượng cần điều khiển thứ 2 là mức h dung dịch trong bình phản ứng (theo phương trình cân b ng khối lượng (1.22)) Để điều khiển cân b ng khối lượng

ta có hai lựa chọn:

- Chọn lượng tác động F2 thì ta có cặp đôi điều khiểnF2 h, lúc đó F1 là biến nhiễu Nếu chọn lượng tác động F1 thì ta có cặp đôi điều khiểnF1 h, lúc đó 2

F là biến nhiễu Khi chọn cơ cấu chấp hành là van thì thông thường chọn lượng tác động làF1

Các đại lượng còn lại được xác định là nhiễu: T1 (nhiệt độ dung dịch đầu

vào), C A1 (nồng độ chất đầu vào), T j1 (nhiệt độ đầu vào nước gia nhiệt) Biến tự do không kiểm soátT j2

1.5.2 Xác định bậc tự do của mô h nh

Như trên, ta có tổng cộng 10 biến quá trình và 4 phương trình độc lập bao gồm:

- Phương trình cân b ng mức,

- Phương trình cân b ng thành phần,

- Phương trình cân b ng nhiệt phản ứng,

- Phương trình cân b ng nhiệt jacket,

Số bậc tự do của mô hình là 10 – 4 = 6, đúng b ng số biến vào (2 biến điều khiển

và 4 biến nhiễu), như vậy mô hình thu được đã đảm bảo được tính nhất quán, ta có thể thiết kế được tối đa 6 v ng điều chỉnh (2 vòng phản hồi và 4 vòng bù nhiễu) [1]

Tuy nhiên do số biến điều khiển (bậc tự do điều khiển) là hai, nên chỉ có 2 trong 3 biến ra (h C, A2,T) có thể điều khiển độc lập một cách đồng thời Để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định thì mức h (v ng điều khiển mức) trong thiết bị phản ứng nhất định phải điều khiển ổn định

1.5.3 Đánh giá tính xen kênh và tính phi tuyến

Mô hình điều khiển thiết bị phản ứng có tính phi tuyến, cụ thể:

- Phi tuyến vào-ra: hệ số tốc độ phản ứng là hàm mũ của nhiệt độ

# '

0

E

RT

k k e

, quan hệ giữa nồng độ và nhiệt độ phản ứng

Tính phi tuyến này được trình bày trên Hình 1.5

Hình 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc của C A2 theo T và k' theo T[58]

- Phi tuyến cấu trúc: Có tích hai biến cần điều khiển nhiệt độ-nồng độ, tích của biến điều khiển và biến cần điều khiển lưu lượng đầu ra–nồng độ

- Tác động xen kênh: Đại lượng cần điều khiển h lại có quan hệ với các đại lượng của điều khiển cân b ng thành phần và cân b ng năng lượng

1.6 Tóm tắt những công trình công bố gần đây về điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR

Động học và điều khiển thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, cụ thể như sau:

1.6.1 Những công trình nghiên cứu về động học quá trình thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR

Các nghiên cứu lý thuyết cơ bản về động học quá trình hóa học, động học thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục, thể hiện ở các phương trình cân b ng: cân

b ng khối lượng, cân b ng thành phần, cân b ng năng lượng, và đề xuất các phương pháp cơ bản có thể điều khiển quá trình hóa học và thiết bị phản ứng CSTR Các phương trình động học đã được chu n hóa thành kiến thức cơ bản và trong luận án

đã sử dụng những kiến thức này [1],[2],[10],[14],[18],[22],[43],[58]

1.6.2 Những công trình nghiên cứu về điều khiển phản hồi tuyến tính dùng bộ PID và các biến thể

Trong các công trình nghiên cứu này, các tác giả tập trung vào giải quyết

vấn đề hệ bám lượng đặt (nồng độ đầu ra) và thường dùng 2 phương tr nh c n

b ng, đó là: phương trình cân b ng thành phần và phương trình cân b ng năng

lượng trong thiết bị phản ứng ((1.19), (1.20)) Đối tượng là các thiết bị phản ứng

n m trong dãy các thiết bị phản ứng, trừ thiết bị đầu cuối (xem Hình 1.3) Lúc đó hệ

là phi tuyến đơn biến SISO: Lượng tác động vào là công suất nhiệt Q cấp cho thiết

bị phản ứng, đại lượng đầu ra là nồng độ C A2

Đồng thời, các công trình chỉ quan tâm tới đảm bảo ổn định bám giá trị đặt trong điều kiện làm việc kiểm soát tất cả các nhiễu đầu vào Các tác giả điều khiển

thiết bị phản ứng b ng các phương pháp:

- Phản hồi tuyến tính PID truyền thống: Với phương pháp điều khiển này,

hệ đạt sự ổn định tiệm cận với biến thiên giá trị đặt trong một vùng nhỏ, khi thay

đổi giá trị đặt lớn hệ không c n đảm bảo ổn định nữa Vì thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR là một hệ phi tuyến nên hệ chỉ đảm bảo ổn định tại điểm cân

b ng với biến thiên nhỏ [35] Do vậy, các công trình nghiên cứu tiếp theo, các tác giả sử dụng phản hồi tuyến tính PID với các biến thể:

- PID kết hợp với điều khiển logic mờ fuzzy: Dựa trên các kinh nghiệm

vận hành và khảo sát các thiết bị phản ứng làm việc trong một vùng biến thiên giá trị đặt lớn, các tác giả lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển PID kết hợp với logic mờ [12],[15],[16],[20],[28],[37],[39],[54] Việc kết hợp PID với điều khiển logic mờ fuzzy, hệ đã khắc phục được hạn chế của việc điều khiển b ng PID truyền thống, đó là đảm bảo ổn định và bám giá trị đặt khi thay đổi giá trị đặt lớn nhưng

với độ chính xác không cao, đồng thời các tài liệu này chưa nghiên cứu tác động của các nhiễu Kết luận của các tác giả với thuật điều khiển này không thích hợp

với thiết bị phản ứng đầu cuối vì độ chính xác nồng độ không đảm bảo

Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển PID kết hợp với logic mờ [39]

- PID kết hợp với điều khiển thích nghi: Phương pháp này thiết kế phản

hồi phi tuyến dựa trên phân tích thiết bị CSTR, nhận dạng theo phương pháp ELM (External Linear Model) dựa trên đáp ứng của hệ phi tuyến và tuyến tính hóa xấp xỉ,

từ đó thiết kế được bộ điều khiển có hàm truyền bậc hai [32],[49] Sau đó dựa trên sai lệch hệ điều khiển, tự chỉnh định các tham số bộ điều khiển, với lượng đặt biến thiên 10% Phương pháp này đơn giản và cho kết quả tốt, tuy nhiên nếu lượng đặt thay đổi lớn hơn 10% thì độ chính xác nồng độ không đảm bảo và thời gian nhận dạng kéo dài

Điều khiển logic mờ

Bộ điều khiển PID

kI kD

kC

Quá trình de/dt

E

EC-

- PID kết hợp với điều khiển mạng nơ-ron: Các tác giả thiết kế một mô

hình mẫu (reference model), dùng bộ điều khiển ANN (Artificial Neural Network Controller) có hai đầu vào là: Sai lệch so với lượng đặt và sai lệch so với mô hình mẫu B ng cách thay đổi trọng số trong mạng nơ-ron ta được đáp ứng sai lệch đầu

ra bám lượng đặt trong dải 20% Vì vậy so với PID, PID mờ, PID thích nghi,

phương pháp này có độ chính xác cao hơn, tuy nhiên các nghiên cứu này chưa tính tới thay đổi các nhiễu đầu vào và quá trình truyền nhiệt trong jacket [13],[53]

Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển dùng bộ điều khiển ANN [13]

1.6.3 Những công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến

Bên cạnh các công trình nghiên cứu dùng thuật toán PID hoặc các biến thể của PID, cũng có nhiều công trình nghiên cứu dùng phương pháp điều khiển phi

tuyến, tuy nhiên, các tác giả cũng chỉ xét thiết bị phản ứng CSTR được mô tả mô hình gồm 2 phương tr nh c n b ng, đồng thời, các tác giả cũng chỉ quan tâm tới đảm bảo ổn định bám ượng đặt trong điều kiện làm việc kiểm soát tất cả các nhiễu đầu vào và ra ổn định Ở đây có nhiều phương pháp được các tác giả sử dụng

như:

- Thiết kế theo hàm Lyapunov để ổn định thiết bị phản ứng CSTR xung

quanh điểm làm việc [24] Nghiên cứu đã kết hợp điều khiển phản hồi đầu ra kèm theo sử dụng bộ quan sát cho tất cả các biến được sử dụng

- Phương pháp NNAGPC điều khiển dự báo tổng quát dựa trên mô hình

xấp xỉ mạng nơ-ron (Neural Network Approximate Generalized Predictive Control) [25] là sự kết hợp của mạng nơ-ron nhân tạo ANN (Artificial Neural Network) với điều khiển dự báo tổng quát ước lượng APC (Approximate Generalized Predictive

Tín hiệu đặt

Mô hình mẫu

Bộ điều khiển ANN Miền điều khiển

- +

Sai lệchSai lệch

+

-

Control) Thuật toán này dựa trên việc sử dụng ANN làm mô hình dự báo phi tuyến cho CSTR Kỹ thuật lập mô hình này được thực hiện b ng cách sử dụng dữ liệu từ thông tin đầu vào/đầu ra của hệ thống mà không yêu cầu kiến thức về các tham số CSTR Các đầu ra của các nơ-ron dự báo là các giá trị tương lai của các biến kiểm soát cần thiết bởi các thuật toán tối ưu hóa Sự lựa chọn cấu trúc mạng nơ-ron phụ thuộc vào hiệu suất cần thiết và đào tạo của nó được thực hiện off-line b ng cách sử dụng thuật toán Levenberg-Marquardt

Ưu điểm của mô hình ANN là có một mô hình phi tuyến với hiệu năng tốt

mà không cần phải biết các thông số thay đổi của CSTR Tuy nhiên, do mạng ron được đặc trưng bởi một phương trình phi tuyến, nên sự ổn định vòng kín rất khó xác định Vì vậy nó chỉ đáp ứng với một đối tượng cụ thể Kết quả mô phỏng: hệ làm việc xung quanh điểm cân b ng với các nhiễu tác động, nồng độ sản ph m có sai lệch nhỏ (2,5%)

nơ-Hình 1.8 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp NNAGPC [25]

- Phương pháp MNNs (multilayer neural networks) dùng mạng nơ-ron

nhiều lớp nhận dạng hệ thống [52] Trong bài báo này, điều khiển thích nghi được dùng cho một lớp các hệ thống phi tuyến nói chung, ban đầu sử dụng điều khiển phản hồi tuyến tính IFLC (implicit feedback linearization control), sau đó, MNNs được đưa vào để tiếp tục xử lý IFLC lý tưởng này để ước lượng khoảng cách phản hồi tuyến tính Bộ điều khiển thích nghi đảm bảo đầu ra của hệ thống bám được lượng đặt với độ chính xác 2,5% và sai lệch hội tụ đến 0, trong khi đảm bảo sự ổn định của hệ thống vòng kín

- Phương pháp IDA-PBC (Interconnection and Damping

assignment-passivity based control) điều khiển phi tuyến tựa thụ động b ng cách mô tả sai lệch giữa hàm mong muốn và các hàm trữ năng v ng lặp kín, dùng phương trình ma trận tuyến tính theo tiêu chu n Lyapunov [26] được viết như là một mô hình Hamilton, kèm với các điều kiện ổn định riêng và chung Cách tiếp cận này đã được áp dụng thành công cho các mô hình nhỏ, tuy nhiên để tổng quát hóa nó cho các hệ thống lớn đ i hỏi phải nghiên cứu thêm

1.6.4 Những công trình nghiên cứu có phương tr nh c n b ng năng ượng của nước trong jacket

Một số công trình nghiên cứu có quan tâm đến việc điều khiển mạch vòng gia nhiệt jacket (thường dùng cho thiết bị phản ứng phát nhiệt, trong đó đặc tính

truyền nhiệt là phi tuyến) b ng việc đưa thêm một phương trình cân b ng năng lượng jacket với các phương pháp như: điều khiển mờ đa biến [21], phản hồi trạng thái [38], tuyến tính hóa hệ thống và khai triển chuỗi Taylor [30], điều khiển PI van bão h a để điều khiển lưu lượng nước gia nhiệt vào jacket [40], tác động của quá trình thiết kế trên đa trạng thái của nước làm mát trong jacket trong thiết bị phản ứng phát nhiệt CSTR [11],[36]

Tuy nhiên các tài liệu này chưa xét đầy đủ tác động xen kênh giữa mức (cân

b ng khối lượng) và nhiệt độ, nồng độ (cân b ng năng lượng), đồng thời các lượng vào không thay đỗi (nhiễu đầu vào không có)

1.6.5 Các công trình nghiên cứu dùng MPC để điều khiển thiết bị phản ứng CSTR

Với mỗi phương pháp điều khiển phi tuyến ở trên chỉ phù hợp cho một lớp đối tượng nhất định.Tuy nhiên, phương pháp điều khiển mô hình dự báo (MPC) có thể dùng cho lớp đối tượng khá rộng, vì vậy có khá nhiều công trình dùng MPC để điều khiển thiết bị phản ứng Tuy nhiên hầu hết các công trình đều dùng mô hình dự báo tuyến tính, với hệ ban đầu là phi tuyến, các tác giả đã tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc, sau đó áp dụng mô hình dự báo lên mô hình tuyến tính hóa tại từng điểm làm việc [7],[27],[46],[47],[56] Nhược điểm của phương pháp này là với

nhiều điểm làm việc khác nhau thì sẽ có nhiều bộ điều khiển dự báo tuyến tính khác nhau Tài liệu [34] tác giả xây dựng mô hình dự báo cho thiết bị phản ứng phát nhiệt b ng cách điều khiển PI với mô hình tuyến tính có tham số biến đổi theo thời gian, điều này không xử lý được các điều kiện ràng buộc Phương pháp này chỉ gọi

là mô hình dự báo với cửa sổ dự báo vô hạn được kết hợp thêm với bộ quan sát Luenberger để trở thành bộ điều khiển phản hồi đầu ra Bản chất của phương pháp này chưa phải là điều khiển mô hình dự báo vì chưa dự báo tín hiệu ra, chỉ có thể gọi là bộ điều khiển tuyến tính trượt dọc trên trục thời gian

- Áp dụng thuật toán nhận dạng mạng nơ-ron để dự báo, áp dụng điều khiển

dự báo tuyến tính [9] hoặc xây dựng bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái với

mô hình dự báo mờ sau đó kết hợp thêm với bộ quan sát trạng thái Đây cũng là một giải pháp để giải quyết những vấn đề phi tuyến, vì sử dụng mô hình dự báo mờ nên

nó chỉ thích ứng với những quá trình có động học chậm và thời gian xử lý chậm [45] Nhận xét chung về các công trình nghiên cứu phi tuyến cho CSTR, các tài liệu

đã đảm bảo được yêu cầu đặt ra, tuy nhiên chưa xét đầy đủ động học của CSTR, chưa xét đến ảnh hưởng các nhiễu Trên thực tế thiết bị phản ứng liên tục gồm chuỗi các phản ứng nối tiếp nhau nên đầu vào sẽ thay đổi Vì vậy cần phải xem xét các nhiễu đầu vào, vì nó sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản ph m đầu ra Kết quả nghiên cứu chỉ công bố ở đặc tính mô phỏng, chưa thấy chứng minh qua thực nghiệm của thiết bị phản ứng cụ thể

- Xây dựng mô hình đầy đủ cho thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR:

phương trình cân b ng thành phần, cân b ng năng lượng và cân b ng khối lượng

- Thiết kế mô hình thiết bị CSTR cho một sản ph m cụ thể, thực hiện phản

ứng thủy phân anhydride acetic

- Thiết kế điều khiển tuyến tính phản hồi PID và đánh giá kết quả điều khiển

- Thiết kế điều khiển mô hình dự báo phi tuyến NMPC cho thiết bị phản ứng

khuấy trộn liên tục CSTR bền vững với nhiễu (tải, biến đổi chậm) với mục tiêu triển khai được trong công nghiệp cho mô hình phản ứng thủy phân anhydride acetic

- Xây dựng mô hình thử nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu điểu khiển

quá trình thiết bị phản ứng CSTR

1.8 Kết luận Chương 1

Nội dung Chương 1 trình bày lý thuyết về phản ứng hóa học, về động học chung của thiết bị phản ứng, động học cơ bản của thiết bị phản ứng khuấy trộn Phân tích các kết quả của các công trình công bố về điều khiển thiết bị phản ứng liên quan Đề xuất hướng nghiên cứu điều khiển mô hình dự báo phi tuyến trên cơ

sở mô hình đầy đủ có tác động xen kênh và nhiễu đầu vào, với định hướng tìm giải pháp đơn giản có thể ứng dụng vào thực tế nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản

ph m

Nội dung tóm tắt của Chương 1 đã được tác giả công bố trong bài báo số {1}

2.1 Phản ứng thủy phân anhydride acetic trong công nghệ sản xuất acid acetic

Anhydride acetic có công thức phân tử C4H6O3, là chất lỏng linh động, không màu, mùi hắc khó chịu, gây bỏng da acetic anhydride được sử dụng chính trong sự acetyl hóa tạo ra những nguyên liệu quan trọng về mặt thương mại Nó được ứng dụng rộng rãi trong sự chuyển hóa cellulose thành cellulose acetat, nhựa plastic [56] Đặc biệt, nó đóng vai tr quan trọng trong sự ester hóa hoàn toàn mà acid acetic không thực hiện được

Acid acetic (hay c n gọi là etanoic acid) là chất hữu cơ dạng lỏng, là một hợp chất hữu cơ điển hình của dãy đồng đẳng mono cacbocylic acid, có công thức

CH3COOH, là một trong những sản ph m hữu cơ cơ bản và quan trọng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ tổng hợp hữu cơ - hóa dầu [56] Ngày xưa con người

đã biết sử dụng acid acetic làm dấm ăn Hiện nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, acid acetic được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công

nghiệp như: sản xuất anhydride acetic, muối acetat, cloacid acetic, hợp chất nhựa,

dược ph m, thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu, hóa chất ngành ảnh, thực ph m và phụ

gia cho thực ph m (ví dụ: dấm ăn, nước dầm hoa quả, nước sốt), ngoài ra nó được

dùng để điều chế nhiều loại hợp chất hữu cơ khác Do có tầm quan trọng như vậy

nên nhu cầu sử dụng axit axetic là rất lớn, đ i hỏi ngành sản xuất acid acetic phải có

bước phát triển cùng với nhu cầu đó

Xét phản ứng thủy phân anhydride acetic với phương trình phản ứng như

sau [8],[41],[50],[51],[63] anhydride acetic gặp nước sẽ bị thủy phân chậm thành

acid acetic theo cơ chế được mô tả ở phản ứng sau:

Anhydride acetic là một este của acid acetic Hình 2.1 là cấu trúc phân tử

phản ứng hydro hóa anhydride acetic [56]:

Hình 2.1 Cấu trúc phân tử phản ứng thủy phân anhydride acetic

Đây là phản ứng đồng thể và là phản ứng thủy phân este Cặp electron của

nguyên tử oxi trong nước bẻ gãy (cracking) liên kết C-O giữa gốc axit CH3COO- và

gốc ancol CH3CO+ Phân tử H2O tách thành OH- và H+, OH- liên kết với gốc

CH3CO+ và H+ liên kết với gốc CH3COO- tạo thành hai phân tử CH3COOH Để

đảm bảo phản ứng hoàn thành cần cấp nhiệt lượng đủ và khuấy trộn đồng đều dung

dịch Thiết bị phản ứng có thể dùng theo mẻ hay liên tục [41] Trong luận án này sẽ

nghiên cứu thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục, tức là hoạt chất cấp vào và sản

ph m được lấy ra liên tục

Với mục đích xây dựng mô hình thiết bị phản ứng thủy phân anhydride

acetic trong phòng thí nghiệm, để thiết kế điều khiển, nên luận án chọn mô hình

thực nghiệm quy mô nhỏ với số liệu phản ứng thủy phân anhydride acetic và quy trình công nghệ như sau:

Hình 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất acid acetic bằng phương pháp thủy

phân acetic anhydide

Mô hình quy trình công nghệ sản xuất acid acetic b ng phương pháp thủy phân acetic anhydide bao gồm: một bể chứa dung dịch ban đầu với dung dịch được giữ ở 50C để không chuyển hóa acetic anhydide, sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng Khi vận hành phải trải qua 2 giai đoạn: giai đoạn khởi động để bơm đầy dung dịch vào bình phản ứng, giai đoạn phản ứng là khi bắt đầu gia nhiệt cho bình phản ứng qua lớp jacket

Tính toán theo [51] anhydride acetic có nồng độ ban đầu

T C (313K), anhydride acetic sẽ tạo thành Acid acetic Sau thời gian t, nồng

độ anhydride acetic còn lại là C A2 0,047mol l/ 4,794kg m/ 3tương ứng là

9,3962% so với nồng độ ban đầu Sai lệch sản ph m đầu ra cho phép C A2 5% Thông số của phản ứng tra tại sổ tay công nghệ hóa học [6] như: Hệ số tốc độ phản ứng k , năng lượng hoạt hóa của phản ứng 1 E#, nhiệt phản ứng H , khối lượng

T=400C

Gia nhiệt Khuấy

trộn 3

riêng chất phản ứng , nhiệt dung riêng của chất phản ứng C p được thống kê trong

6 A=0,029 m2 Diện tích truyền nhiệt

7 H=0,08 m Mức dung dịch trong thiết bị phản ứng

E =53408 J/mol Năng lượng hoạt hóa của phản ứng

9 R=8,314 J/mol.K H ng số chất khí lý tưởng

10 H =142000 J/kg Nhiệt của phản ứng

11 C p=4200 J/kg.K Nhiệt dung riêng của chất phản ứng

12 =1000 kg/m3 Khối lượng riêng môi chất phản ứng

Nhiệt độ dung dịch đầu vào

15 C pj=4200 J/kgK Nhiệt dung riêng nước gia nhiệt