Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ và đề xuất sơ đồ điều khiển tự động công đoạn sản xuất cồn nhiên liệu bằng Zeolite 3A

Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ và đề xuất sơ đồ điều khiển tự động công đoạn sản xuất cồn nhiên liệu bằng Zeolite 3A Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ và đề xuất sơ đồ điều khiển tự động công đoạn sản xuất cồn nhiên liệu bằng Zeolite 3A luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

VŨ MINH ĐỨC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HĨA HỌC 2004 - 2006 Hà Nội 2006 NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÔNG ĐOẠN TINH CHẾ CỒN KHÔ BẰNG ZEOLITE 3A VŨ MINH ĐỨC HÀ NỘI 2006 MỤC LỤC Mở đầu Phần I: Tổng quan Trang Chương I - Tình hình sử dụng nhiên liệu giới 1.1 Dầu mỏ 1.2 Thành phần dầu mỏ 1.3 Phân loại 1.4 Tầm quan trọng kinh tế dầu mỏ 2 Chương II - Cồn nhiên liệu 2.1 Sử dụng cồn làm nhiên liệu 2.2 Tính chất hóa lý loại cồn nhiên liệu 2.2.1 Metanol 2.2.2 Etanol 2.2.3 Propanol 2.2.4 Butanol 2.3 Phương pháp sản xuất cồn 2.3.1 Hydrat hóa etylen 2.3.2 Lên men 2.3.3 Quá trình khử nước 2.3.4 Sử dụng 5 11 11 13 16 17 19 19 20 21 22 Chương III - Ảnh hưởng hàm lượng cồn đến chất lượng nhiên liệu 3.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng cồn tới thành phần khói thải 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng cồn đến tiêu tốn nhiên liệu 24 24 25 Chương IV - Các phương pháp làm cồn nhiên liệu giới 4.1 Phương pháp chưng cất đẳng phí 4.2 Phương pháp bốc thẩm thấu 4.3 Công nghệ hấp phụ Rây phân tử 26 26 27 28 Phần II - Nghiên cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động tinh chế cồn khan Zeolite 3A Chương V - Chất hấp phụ 5.1 Khái niệm Zeolite 5.2 Đặc trưng Zeolite 3A 30 30 30 33 5.3 Khả ứng dụng 34 Chương VI - Quá trình hấp phụ bề mặt xốp 6.1 Khái niệm hấp phụ 6.2 Hấp phụ vật lý - hấp phụ hóa học 6.2.1 Hấp phụ vật lý 6.2.2 Hấp phụ hóa học 6.3 Đẳng nhiệt hấp phụ 6.3.1 Khái niệm chung 6.3.2 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ - Lý thuyết năng– Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Dubinhin 6.3.3 Ngưng tụ mao quản 6.3.4 Đẳng nhiệt Freudlic 6.3.5 Đẳng nhiệt Langmuir 6.3.6 Đẳng nhiệt BET 6.4 Hấp phụ dung dịch – Phương trình Gipxo 35 35 35 35 35 36 36 36 39 40 41 43 45 Chương VII - Cơ sở điều khiển trình 7.1 Khái niệm điều khiển trình 7.2 Quá trình biến trình 7.3 Phân loại trình 7.4 Chức điều khiển 47 47 47 50 51 Chương VIII - Xây dựng đặc tính động học đối tượng xây dựng điều khiển 8.1.3 Khảo sát xây dựng đối tượng điều khiển 8.1.1 Phương pháp giải tích 8.1.2 Phương pháp thực nghiệm chủ động 8.1.3 Khi tín hiệu vào hàm l(t) 8.2 Xác định thông số tối ưu biến điều chỉnh 8.2.1 Chất lượng trình điều chỉnh 8.2.2 Chỉ tiêu chất lượng hệ thống trạng thái độ 55 55 55 55 55 57 57 57 Chương IX - Công nghệ sản xuất cồn khan phương pháp Rây phân tử 9.1 Sơ đồ cơng nghệ q trình hấp phụ tái sinh Zeolite 9.2 Sơ đồ điều khiển 9.2.1 Tháp hấp phụ 60 60 61 61 9.2.1.1 Dòng nguyên liệu 9.2.1.2 Zeolite vỏ tháp 9.2.2 Tái sinh Zeolite 9.2.2.1.Dòng cồn 9.2.2.2.Zeolite vỏ tháp tái sinh 61 62 62 63 63 Chương X - Mơ hình công đoạn tinh chế cồn khan Zeolite 3A 10.1 Mơ hình thiết bị gia nhiệt 10.1.1.Mơ hình tham số rải 10.1.1.1.Phương trinh cân nhiệt thiết bị 10.1.1.2.Phương trình cân nhiệt thành ống 10.1.2.Mơ hình tham số tập trung tồn thiết bị 10.2 Mơ hình tháp hấp phụ 10.2.1.Mơ hình tham số rải 10.2.1.1.Phương trình cân lượng nước 10.2.1.2.Phương trình hấp phụ 10.2.1.3.Phương trình cân nhiệt tháp 10.2.2.Mơ hình tham số tập trung tồn tháp hấp phụ 10.3 Mơ hình tháp nhả hấp phụ 10.3.1.Mơ hình tham số rải 10.3.1.1.Phương trình cân lượng nước 10.3.1.2.Phương trình nhả hấp phụ 10.3.1.3.Phương trình cân nhiệt tháp 10.3.2.Mơ hình tham số tập trung toàn tháp hấp phụ 10.4 Lựa chọn luật điều khiển cho thiết bị điều khiển 64 64 64 65 65 68 69 71 71 71 72 79 82 83 83 84 85 90 92 Kết Luận 94 Tài Liệu Tham Khảo 95 Phụ Lục I II III Tính tốn cơng nghệ thiết bị gia nhiệt Tính tốn cơng nghệ tháp hấp phụ Chương trình mơ thiết bị gia nhiệt, tháp hấp phụ, tháp nhả hấp phụ Tóm Tắt Luận Văn MỞ ĐẦU Nguồn nhiên liệu mà hàng ngày sử dụng động cơ, lò đốt đến từ nguồn dầu mỏ thiên nhiên ngày khan làm cho giá loại nhiên liệu tăng lên ngày Nhiều chiến tranh nổ nhằm giải quyền kiểm soát nguồn dầu mỏ ngày cạn kiệt Từ năm 30 kỉ trước, nhiều nước giới người ta bắt đầu nghiên cứu tìm loại nhiên liệu có khả tái sinh nhằm giảm dần phụ thuộc vào dầu mỏ trình nghiên cứu bước đầu có kết số nước Brazil, Mỹ Trong Việt Nam, động sử dụng nhiên liệu tái sinh ý tưởng Việc sản xuất nhiên liệu tái sinh diễn đơn lẻ phịng thí nghiệm hiệu thấp, suất thấp không đáp ứng yêu cầu cơng nghiệp hóa, đại hóa kinh tế Việc nghiên cứu để đưa sơ đồ điều khiển tự động trình tinh chế cồn khan phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu yêu cầu thực tế tình hình Trong khn khổ đồ án này, tác giả xin trình bày kết nghiên cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động công đoạn tinh chế cồn khan công nghệ Rây phân tử, sử dụng chất hấp phụ Zeolite 3A PHẦN I - TỔNG QUAN CHƯƠNG I - TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Dầu mỏ [10, 22, 28] Dầu mỏ hỗn hợp hydrocacbon khác Do nhẹ nước nên dầu xuất lộ thiên nhiều nơi, lồi người tìm thấy dầu hàng ngàn năm trước Cơng Nguyên Tuy nhiên đến kỷ 19 người ta bắt đầu khai thác dầu theo mơ hình cơng nghiệp, xuất phát từ việc tìm kiếm chất đốt cho đèn dầu cá voi đắt tiền người giàu có khả dùng nến làm mỡ lại có mùi khó ngửi Vì thế kỷ 19 số nhà khoa học phát triển nhiều phương pháp để khai thác dầu cách thương mại Năm 1855 nhà hóa học người Mỹ Benjamin Silliman đề nghị dùng axit sunphuric làm dầu mỏ dùng để làm chất đốt Người ta bắt đầu tìm mỏ dầu lớn Những khoan dầu tiến hành thời gian từ 1875 đến 1859 Lần khoan dầu diễn Wietz, Đức, khoan dầu toàn giới biết đến Edwin L Drake vào ngày 27 tháng năm 1859 Oil Creek, Pennsylvania Drake khoan dầu theo lời yêu cầu nhà công nghiệp người Mỹ George H Bissel tìm thấy mỏ dầu lớn độ sâu 21,2 m 1.2 Thành phần dầu mỏ [10, 13] Thành phần dầu mỏ phân tách phương pháp chưng cất phân đoạn Các sản phẩm thu từ việc lọc dầu kể đến dầu hỏa, benzen, xăng, sáp parafin, nhựa đường v v Trong điều kiện thông thường, bốn alkan nhẹ – CH (mêtan), C H (êtan), C H (prôpan) C H 10 (butan) - dạng khí, sơi nhiệt độ 161,60C, -88,60C, -420C -0,50C Các chuỗi khoảng C 5-7 sản phẩm dầu mỏ nhẹ, dễ bay Chúng sử dụng làm dung môi, chất làm bề mặt sản phẩm làm khô nhanh khác Các chuỗi từ C H 14 đến C 12 H 26 bị pha trộn lẫn với sử dụng đời sống với tên gọi xăng Dầu hỏa hỗn hợp chuỗi từ C 10 đến C 15 , dầu điezen/ dầu sưởi (C 10 đến C 20 ) nhiên liệu nặng sử dụng cho động tàu thuỷ Tất sản phẩm từ dầu mỏ điều kiện nhiệt độ phịng chất lỏng Các dầu bơi trơn mỡ (dầu nhờn, kể Vadơlin) nằm khoảng từ C 16 đến C 20 Các chuỗi C 20 tạo thành chất rắn, bắt đầu sáp parafin, sau hắc ín nhựa đường bitum Khoảng nhiệt độ sôi sản phẩm dầu mỏ chưng cất phân đoạn điều kiện áp suất khí tính theo độ C là: - Xăng ête: 400 ÷ 700C (được sử dụng dung mơi) - Xăng nhẹ: 600 ÷ 1000C (nhiên liệu cho ơtơ) - Xăng nặng: 1000 ÷ 1500C (nhiên liệu cho ơtơ) - Dầu hỏa nhẹ: 1200 ÷ 1500C (nhiên liệu dung mơi gia đình) - Dầu hỏa: 1500 – 3000C (nhiên liệu cho máy bay) - Dầu điezen: 2500 - 3500C (nhiên liệu cho động điêzen/ dầu sưởi) - Dầu bôi trơn:> 3000C (dầu bôi trơn động cơ) - Các thành phần khác: hắc ín, nhựa đường, nhiên liệu khác 1.3 Phân loại dầu mỏ Ngành công nghiệp dầu mỏ phân chia “dầu thô” theo khu vực mà xuất phát (ví dụ “West Texas Intermediate” (WTI) hay “Brent”) thông thường theo tỷ trọng độ nhớt tương đối (“nhẹ”, “trung bình” hay “nặng”), nhà hóa dầu cịn nói đến chúng “ngọt”, chứa lưu huỳnh, “chua”, chứa đáng kể lưu huỳnh phải nhiều cơng đoạn để sản xuất theo thơng số hành Các thùng (Barrel) tiêu chuẩn giới là: - Hỗn hợp Brent, bao gồm 15 loại dầu mỏ từ mỏ thuộc hệ thống mỏ Brent Ninian khu vực lịng chảo Đơng Shetland biển Bắc Dầu mỏ đưa vào bờ thông qua trạm Sullom Voe Shetlands Dầu mỏ sản xuất Châu Âu, châu Phi dầu mỏ khai thác phía tây khu vực Trung Cận Đông đánh giá theo giá dầu này, tạo thành chuẩn (brenchmark) đánh giá dầu - West Texas Intermediate (WTI) cho dầu mỏ Bắc Mỹ - Dubai sử dụng làm chuẩn cho khu vực châu Á – Thái Bình Dương dầu mỏ Trung Cận Đông - Tapis (từ Malaysia, sử dụng làm tham chiếu cho dầu mỏ nhẹ Viễn Đông) - Minas (từ Indonesia, sử dụng làm tham chiếu cho dầu mỏ nặng Viễn Đông) 1.4 Tầm quan trọng kinh tế dầu mỏ Dầu mỏ nhiên liệu quan xã hội đại dùng để sản xuất điện nhiên liệu tất phương tiện giao thông vận tải Hơn nữa, dầu sử dụng công nghiệp hóa dầu để sản xuất chất dẻo (plastic) nhiều sản phẩm khác Vì dầu thường ví “vàng đen” Tuỳ theo nguồn tính tốn, trữ lượng dầu mỏ giới nằm khoảng từ 1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004) đến 1.260 tỉ thùng (theo Oeldorado 2004 Exxon Mobil) Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy có khả khai thác mang lại hiệu kinh tế với kỹ thuật tăng lên năm gần đạt mức cao vào năm 2003 CHƯƠNG II - CỒN NHIÊN LIỆU 2.1 Sử dụng cồn làm nhiờn liu [10, 13, 27, 28,31] Không có việc sử dụng cồn nhiên liệu cho xe ôtô Năm 1872 Nikolaus Otto phát minh động đốt trong, dầu mỏ chưa sử dụng Ethanol nồng độ 90-95% sử dụng nhiên liệu đặc biệt Dòng xe thuộc model T hÃng Ford thiết kế để sử dụng dầu thô, cồn hay kết hợp hai Cồn sử dụng làm nhiªn liƯu ë mét sè qc gia chiÕn tranh giới II Mỹ thời kì giá dầu tăng vọt năm 1970 Các alcohol nói chung ethanol nói riêng làm nhiên liệu tốt cho xe ôtô Lí làm cho cồn nhiên liệu chưa khai thác đầy đủ dầu lửa rẻ, sử dụng khai thác dễ dàng Tuy nhiên, ngày nguồn dầu thô ngày bị thu hẹp không đủ cho nhu cầu ngày cao người, khác biệt giá xăng cồn đà bị thu hẹp Nhiên liệu cho động đốt trong, dù sử dụng ethanol hay kết hợp với xăng làm chất oxy hóa nguồn lượng có giá trị lớn Cả ethanol methanol có giá trị sử dụng làm nhiên liệu lớn Trong nguồn nhiên liệu truyền thống dầu mỏ khí đốt ngày cạn kiệt ethanol biết đến nhiên liệu phơc håi víi ngn tõ rØ ®­êng, tinh bét … Khi có 10% cồn nhiên liệu trộn lẫn với dầu mỏ ta có hỗn hợp gọi E10 hay gasohol, 85% cồn nhiên liệu trộn lẫn vào dầu mỏ ta gọi E85 Hiện giới có ba quốc gia phát triển chương trình cồn nhiên liệu mục tiêu quan trọng: Brazil, Colombia (Từ nguồn nguyên liệu rỉ đường) Mỹ (Từ ngũ cốc tổng hợp) Ethanol dùng cho công nghiệp thường tổng hợp từ dầu mỏ với phản ứng đặc trưng phản ứng ethylene nước với có mặt axit sufuric làm xúc tác Sản phẩm 84 Thit lp cỏc phng trỡnh vi phân 10.3.1.1Phương trình cân lượng nước Xét phân tố thể tích dV dịng có dN mol hơi, lưu lượng chảy qua W Lượng nước dV thay đổi theo thời gian nguyên nhân sau:  Lượng nước chảy vào khỏi dV với dòng  Lượng nước bị nhả hấp phụ dV: dx.(∂q/∂x) = dx.q’  Lượng nước thay đổi khuếch tán (tính theo định luật Fick) Phương trình: dN dq ' ∂c ∂2c ∂c = dN D − W dx − dx dt ∂t ∂x ∂x hay ∂c ∂2c dx ∂c dx dq ' = D −W − ∂t dN ∂x dN dt ∂x (10.33) 10.3.1.2.Phương trình nhả hấp phụ Lượng nước bị nhả hấp phụ dV theo thời gian tỉ lệ với lượng nước Zeolite = hiệu số lượng nước hấp phụ bão hoà dV lượng nước nhả hấp phụ Phương trình: dq ' = khp (qs '− q ') dt (10.34) Trong qs'=∂qs/∂x, lượng nước hấp phụ bão hoà qs xác định theo phương trình Langmuir: qs = q∞ bp + bp (10.35) Giá trị q∞ phụ thuộc vào loại Zeolite (12kg nước/100kg zeolit đổi số mol) Hằng số b phụ thuộc nhiệt độ theo phương trình: 85 b = b0 e −∆H  1   −  R  T T0  (10.36) Trong đó: b0 giá trị b nhiệt độ T0 Áp suất riêng phần tỉ lệ với áp suất tổng nồng độ nước: p = pΣ c (10.37) 10.3.1.3.Phương trình cân nhiệt tháp Trong dV coi nhiệt độ hỗn hợp zeolit nhau, tổng nhiệt dung zeolit dV dG, diện tích trao đổi nhiệt với nước làm mát dF Biến thiên nhiệt độ dV tỉ lệ nghịch với nhiệt dung dG tỉ lệ thuận với nhiệt lượng cấp vào dV bao gồm:  Nhiệt lượng dòng mang vào  Nhiệt lượng sinh nhả hấp phụ  Nhiệt lượng trao đổi với nóng gia nhiệt  Bỏ qua trao đổi nhiệt khuếch tán Phương trình: dG ∂T ∂T dq ' = −WC p dx + ∆H dx + ktn dF (Tn − T ) ∂t ∂x dt hay ∂T dx ∂T dx dq ' dF = −WC p + ∆H + ktn (Tn − T ) ∂t dG ∂x dG dt dG (10.38) Mơ hình tháp nhả hấp phụ: Mơ hình tham số rải biến trạng thái c(x,t), q’(x,t), T(x,t), tn theo phương trình (10.33) ÷ (10.8) tham số N, G, F, hàm theo x 86 Wn dV’ W dV Wn dV’ dx Rút gọn mơ hình tham số tập trung cho đoạn tháp Wn dV’ W dV Wn dV’ cv Tv Ts L c T Xét đoạn tháp có chiều cao L, coi phân tố thể tích (dx=L), coi đại lượng biến đổi tăng/giảm không lớn theo x: ∂c c − cv = ∂x L ∂ c =0 ∂x ∂T T − Tv = ∂x L 87 Lượng nước bị hấp phụ, số mol hỗn hợp hơi, tổng nhiệt dung zeolit, nhiệt dung nước làm mát đoạn tháp q, N, G, Gn Diện tích trao đổi nhiệt đoạn tháp F Các giá trị c, T, Tn lấy cuối đoạn tháp Các giá trị cv, Tv, Tnv lấy đầu đoạn tháp Các phương trình (10.33) ÷ (10.38) chuyển thành: dc = (W.C v − (W − dq / dt ).C ) / N dt (10.39) dq = khp (qs − q ) dt (10.40) W C p dT (T − Tv ) + ∆H dq − ktn F (α Ts − T ) =− dt G G dt G qs = q∞ b = b0 e bp + bp (10.41) (10.42) −∆H  1   −  R  T T0  (10.43) p = pΣ c (10.44) Trong ∆Ttb hiệu số nhiệt độ trung bình nước làm lạnh tháp Vì chênh lệch nhiệt độ vào đoạn tháp không lớn nên ∆Ttb tính theo cơng thức sau: ∆Ttb = Ts − Tv + T (10.45) Thay phương trình từ (10.42) ÷ (10.25) vào (10.39) ÷ (10.41) xếp lại được: khp q∞ dc W = − c− dt N N dq = khp q∞ dt b0 e −∆H  1  − R  T T0 + b0 e    b0 e + b0 e pΣ c −∆H  1  − R  T T0 −∆H  1  − R  T T0    pΣ c    pΣ c −∆H  1  − R  T T0    pΣ c + khp N q+ W cv N (10.46) − khp q (10.47) 88 dT khp q∞ ∆H = dt G b0 e −∆H  1   −  R  T T0  + b0 e pΣ c −∆H  1   −  R  T T0  − khp ∆H G q− k F k F 2WCP + ktn F 2WCP − ktn F T + tn Tn + Tv + tn Tnv 2G 2G 2G 2G pΣ c (10.48) Các hệ phương trình (10.39) ÷ (10.45) (10.46) ÷ (10.48) mơ hình (xấp xỉ) tham số tập trung cho đoạn tháp độ cao L, L nhỏ mô hình xác Mơ hình tháp nhả hấp phụ mơ tả hệ phương trình vi phân có kết mơ phần mềm Matlab sau: Hình 10.4 – Mơ nồng độ phần mol H2O hỗn hợp khỏi tháp nhả hấp phụ lượng H2O lại Zeolite điều kiện nhiệt độ áp suất ổn định Từ mô phỏng, với lưu lượng cồn khan tuyệt đối 0,3 lượng sản phẩm, điều kiện nhiệt độ áp suất ổn định trình nhả hấp phụ có hiệu 20.000 giây đầu 89 Hình 10.5 – Mơ nhiệt độ hỗn hợp cồn khỏi tháp nhả hấp phụ điều kiện lưu lượng cồn vào tháp không đổi, áp lực nóng gia nhiệt cho khơng đổi 2,5 bar Từ mô phỏng, ta thấy muốn trì trình nhả hấp phụ 105 ± C sau 7500 giây ta phải khép bớt van nóng, tốc độ nhả hấp phụ giảm dần nên lượng nhiệt cấp phải giảm Nâng cao độ xác mơ hình  Mơ hình coi N, G số Trường hợp cần mơ hình có độ xác cao bổ sung quan hệ sau: N= γ pΣV RT (10.49) = G GZ + NCP (10.50) 90 Trong V thể tích tháp, T nhiệt độ, pΣ, γ hệ số hiệu chỉnh cho khí thực tháp, Gz nhiệt dung zeolit, G tổng nhiệt dung tháp, N số mol khí tháp  Mơ hình bỏ qua tổn thất áp suất dòng qua đoạn tháp, áp suất đoạn tháp áp suất đầu vào (pΣ = pΣv) Khi sâu nghiên cứu lập mô hình cho tồn hệ thống, có mối liên hệ đầu vào đầu thiết bị khơng thể bỏ qua tổn thất áp suất thiết bị, bổ sung biến áp suất đoạn tháp pr xác định theo công thức: p= pΣv − WRtl Σr (10.51) Với Rtl trở thuỷ lực đoạn tháp Áp suất trung bình đoạn tháp: = pΣ pΣv + pΣr = pΣv − 0,5WRtl (10.52) 10.3.2.Mơ hình tham số tập trung toàn tháp hấp phụ Chia tháp hấp phụ thành đoạn có độ dài Li thoả mãn điều kiện mơ hình tham số tập trung cho đoạn tháp Mỗi đoạn tháp có mơ Đại lượng đầu đoạn đại lượng đầu vào cho đoạn Mỗi đoạn tháp biểu diễn khối sau: W,v Tham số: L, khp, ktn, F, (N), (G), ∆H,… cv, Tv, pΣv TS Biến số: c, q, T,, pΣ, (N), (G) Ta có sơ đồ khối cho tồn tháp hai trường hợp: Hỗn hợp nước làm mát chảy xuôi chiều: c, T, pΣr 91 W, v (đại lượng không đổi dọc theo tháp) Tham số: L, khp, ktn, F (N),(G), ∆H,… cv, Tv, pΣv c1, T1, pΣr1 Biến số: c, q, T, TS, pΣ, (N), (G) TS Tham số: L, khp, ktn, F (N),(G), ∆H,… Biến số: c, q, T, TS, pΣ, (N), (G) TS1 c2, T2, pΣr2 TS2 Hỗn hợp nước làm mát chảy ngược chiều: W, v (đại lượng không đổi dọc theo tháp) Tham số: L, khp, ktn, F, (N), (G), ∆H,… cv, Tv, pΣv Tham số: L, khp, ktn, F, (N), (G),∆H,… c1, T1, pΣr1 Biến số: c, q, T, pΣ, (N), (G) c2, T2, pΣr2 Biến số: c, q, T, TS, pΣ, (N), (G) TS1 TS TS2 Trường hợp đơn giản chia tháp thành đoạn mơ hình đoạn tháp mơ hình tồn tháp với biến trạng thái Nếu chia tháp thành n đoạn số biến trạng thái mơ hình 3n Tuyến tính hố Mơ hình tháp hấp phụ mơ hình phi tuyến Nếu cần chuyển sang mơ hình tuyến tính để thuận tiện cho việc khảo sát, thiết kế điều khiển làm sau: Lựa chọn biến đầu vào phân làm loại:  Các biến coi biến đầu vào 92  Các biến coi tham số thay đổi theo thời gian (nên chọn đầu vào ít/chậm thay đổi) Đối với biến đầu vào coi tham số thay đổi theo thời gian ta không cần biến đổi, nhiên phải có biện pháp xác định tham số này, kịp thời phát thay đổi để hiệu chỉnh lại mơ hình Đối với biến đầu vào lại biến trạng thái u, r,… ta tuyến tính hố cách: Lựa chọn điểm làm việc: u0, r0,… Tuyến tính hố theo công thức xấp xỉ: dF (u , r , ) = ∂F ∂F du + dr + ∂u ∂r F (u , r , ) − F (u0 , r0 , ) =∆F ≈ ⇒ F (u , r , ) ≈ F (u0 , r0 , ) + ∂F ∂F ( u0 , r0 , ) ∆u + ( u0 , r0 , ) ∆r + ∂u ∂r ∂F ∂F ( u0 , r0 , ) ∆u + ( u0 , r0 , ) ∆r + ∂u ∂r ∆u=u-u0 ∆r=r-r0 … Thay biến u, r, ∆u, ∆r,… thu mơ hình tuyến tính với biến đầu vào biến trạng thái Khi ta chuyển sang mơ hình dạng hàm truyền, kết mơ khơng xác Ta phải dựa vào thực nghiệm để khảo sát dải ∆u, ∆r để mơ hình dạng hàm truyền Laplace có sai số nhỏ 10.4.Lựa chọn luật điều khiển [6, 7] Sau phân tích sơ đồ cơng nghệ, sơ đồ điều khiển mơ q trình ta thấy để cơng đoạn tinh chế cồn khan phương pháp hấp phụ Rây phân tử làm việc liên tục, ổn định thuận tiện cho người vận hành sử dụng nên lựa chọn luật điều khiển cho thiết bị sau: 93  Đối với van V-1, V-9, V-10 nên dùng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng đồng thời, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng  Đối với van V-2, V-5, V-6 van dùng để điều khiển lưu lượng: Quá trình cảm biến áp, cảm biến nồng độ nhanh thời gian trễ nhỏ nên dùng luật điều khiển PI  Đối với van V-3, V-4, V-7, V-8 van on/off có đặc tính động học cảm biến thiết bị chấp hành nhanh so với trình nên sử dụng luật P để điều khiển 94 KẾT LUẬN Với nhiệm vụ “Nghiên cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động công đoạn tinh chế cồn khan công nghệ Rây phân tử”, luận văn đạt kết sau: Nghiên cứu tổng quan, đánh gia lợi ích việc sử dụng cồn làm nhiên liệu thay cho nhiên liệu sản xuất từ dầu mỏ, ảnh hưởng cồn nhiên liệu đến mơi trường Từ thấy việc sử dụng cồn làm nhiên liệu giải pháp hữu hiệu Vì cần sâu nghiên cứu vấn đề So sánh, phân tích phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu, sâu nghiên cứu phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu Rây phân tử sử dụng chất hấp phụ Zeolite 3A Đề xuất dây chuyền công nghệ sử dụng Zeolite 3A làm chất hấp phụ tách nước pha nhả hấp phụ phần cồn khan sản phẩm Nghiên cứu tự động hóa dây chuyền công nghệ sản xuất cồn khan Zeolite 3A:  Đề xuất sơ đồ điều khiển tự động  Thiết lập mơ hình điều khiển cho thiết bị dây chuyền  Mơ q trình thiết bị dây chuyền hỗ trợ cho việc vận hành ổn định dây chuyền thiết bị  Đề xuất luật điều khiển cho thiết bị điều khiển dây chuyền Những kết bước đầu mang tính định hướng tính chất sở Mặc dù cố gắng, khn khổ luận văn thạc sỹ, tác giả chưa có điều kiện thực nghiệm để kiểm chứng sâu mô tỉ mỉ dây chuyền thiết bị làm cho đề tài xây dựng nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đỗ Văn Đài, Nguyễn Bin, Phạm Xuân Toản, Đỗ Ngọc Cử (2000), Cơ sở trình thiết bị cơng nghệ hóa học Tập 1, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đỗ Văn Đài, Nguyễn Bin, Phạm Xuân Toản, Đỗ Ngọc Cử, Đinh Văn Huỳnh, (2000), Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa học Tập 2, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm (1997), Kỹ thuật hệ thống cơng nghệ hóa học Tập 1, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội La Văn Bình, (2001), Nhiệt động hóa kỹ thuật, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Bin, (2004), Tính tốn q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm Tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Minh Hệ, (2002), Điều khiển tự động, Trường ĐHBK Hà Nội Hoàng Minh Sơn, (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội Cao Mai Duyên, (1999), Nghiên cứu q trình hấp phụ than hoạt tính dung dịch - ứng dụng để xử lý kim loại hòa tan nước, Luận văn tốt nghiệp cao học, Trường ĐHBK, Hà Nội Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Văn Thủy, (2001), Tự động hóa q trình chưng cất tinh dầu, Đồ án Tốt Nghiệp, Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Trường ĐHBK Hà Nội 96 10 Vương Chí Cường, (2006), Tính tốn hệ thống sản xuất cồn nhiên liệu suất 4,5 triệu lít/năm, Đồ án Tốt Nghiệp, Bộ mơn Q trình thiết bị hóa thực phẩm, Trường ĐHBK Hà Nội 11 Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Đinh Văn Huỳnh, Phạm Xuân Toản, [Trần Xoa], [Nguyễn Trọng Khng], (2005), Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 12 [Trần Xoa], [Nguyễn Trọng Khuông], Phạm Xuân Toản, (1999), Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 13 Nguyễn Hữu Trịnh, Hoàng Đỗ Quyên, (2006), Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu xăng pha cồn, Hội nghị Khoa học lần thứ 20, ĐHBK Hà Nội, phân ban CNHH 14 Tạ Ngọc Đôn, (2006), Dự án nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ sản xuất cồn tuyệt đối từ cồn công nghiệp, Trường ĐHBK Hà Nội 15 Nhà máy khí hóa lỏng Dinh Cố, (2006), Mơ tả hệ thống tháp hấp phụ tách nước, Bà Rịa – Vũng Tàu Tiếng Anh 16 William F Ginder, (1983), Method of removing water from ethanol, U.S Patent 4407662 17 John wiley & Sons, (1974), Zeolite Molecular Sieves, United States of America 18 M.J Carmo and J.C Gubulin, (1997), Ethanol – water adsorption on commercial 3A Zeolites: Kinetic and Thermodynamic data, Brazil J Chem Eng Vol 14 no 19 James M Becnel, Charles E Holland, James McIntyre, Michael A Matthews, James A Ritter, (2002), Fundamentals of Fixed bed 97 adsorption process: Analysis of Adsorption Breakthrough and Desorption Elution Curves, University of South Carolina, Columbia 20 European patent application, (2005), Method and apparatus for converting mixture of water and ethanol into fuel, EP 544 277A1 21 Deparment of Chemical Engineering, (2004), Dynamics and control of a pilot scale distillation column, Indian Institue of Technology, Indian, pp 482-487 22 Goran Carlsson, Nykvarn, Matin Hellsten, (1993), Ethanol fuel and its use as a diesel fuel, United States Patent, US005183476A 23 Brett P Cairns and Ian A Furzer, (2006), Multicomponent threephase azetropic distillation Extensive experimental data and simulation results, Department of Chemical Engineering, University of Sydney, Australia 24 Johann G Stichlmair and Juan- Ramon Herguijuela, (1992), Separation region and processes of Zeotropic and azeotropic ternary distillation, University of Essen, Germany 25 Witold Kwapinski, Markus Winterberg, Evangelos Tsotsas, and Dieter Mewes, (2004), Modeling of the Wall Effect in Packed Bed Adsorption, Chem Eng Technol.2004, 27, No.11, pp 11791186 26 I-L Chien, C.J Wang, D.S.H Wong, C.-H Lee, S-H Cheng, R.F Shih, W.T Liu, C.S Tsai, (2000), Experimental investigation of conventional control strategies for a heterogeneous azeotropic distillation column, Journal of Process Control 10, pp 333-340 27 www.wikipedia.org 98 28 www.ethanol.org 29 www.gracedavision.com 30 http://www.techdirt.com/articles/20060227/0241241.shtml (EthanolfFuelsRebuttal.pdf) 31 www.deh.gov.au/atmosphere/fuelquality/publications/standar d (IFQC-Report.pdf) 32 http://www.energy.ca.gov/pier/renew/biomass/bioch_en/ethanol.ht ml 33 http://www.e85fuel.com/pdf/ethanol_guidebook.pdf 34 http://www.ethanol-gec.org/information/briefing/1.pdf (RL30369.pdf) ... Việc nghiên cứu để đưa sơ đồ điều khiển tự động trình tinh chế cồn khan phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu yêu cầu thực tế tình hình Trong khn khổ đồ án này, tác giả xin trình bày kết nghiên cứu. .. luận văn nghiên cứu phát triển nhằm tự động hóa ổn định q trình hấp phụ cồn pha hơi, nhả hấp phụ cồn khan sản phẩm 29 PHẦN II-NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TINH CHẾ CỒN KHAN BẰNG... cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động công đoạn tinh chế cồn khan công nghệ Rây phân tử, sử dụng chất hấp phụ Zeolite 3A 2 PHẦN I - TỔNG QUAN CHƯƠNG I - TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ