Thiết kế, mô phỏng hệ thống thủy phân cá tra quy mô pilot, 500kgmẻ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUY TRÌNH CHẾ BIẾN PHỤ PHẨM CÁ TRA QUY MƠ PILOT 500KG/MẺ GVHD: TS Lê Phan Hoàng Chiêu Họ tên MSSV Chu Thị Lan Giang 1711104 Trần Thị Bích Hạnh 1711211 TP.HCM, Tháng 8/2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chu Thị Lan Giang Trần Thị Bích Hạnh Khoa: Kỹ thuật hóa học MSSV:1711104 MSSV:1711211 Lớp HC17MB Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Phan Hoàng Chiêu Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển trình chế biến phụ phẩm cá tra quy mô pilot 500kg/mẻ Nội dung: + Xây dựng quy trình cơng nghệ chế biến phụ phẩm cá tra quy mô pilot 500 kg/mẻ + Thiết lập cấu trúc hệ thống điều khiển trình chế biến phụ phẩm + Tính tốn thơng số điều khiển, mơ hệ thống máy tính + Chọn lựa thiết bị điều khiển Kết quả: + Thuyết minh quy trình cơng nghệ + Lưu đồ P&ID + Kết tính tốn, mơ hệ thống điều khiển + Danh mục thiết bị Ngày giao nhiệm vụ: 8/3/2021 Ngày hồn thành nhiệm vụ:15/8/2021 Chủ nhiệm mơn TP.HCM, Ngày 15 tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn PGS TS Trịnh Văn Dũng TS Lê Phan Hoàng Chiêu LỜI CẢM ƠN Lời em xin dành lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Phan Hoàng Chiêu, người trực tiếp hướng dẫn em suốt trình làm đề tài luận văn Nhờ tận tình hướng dẫn, bảo thầy vấn đề chuyên môn, chia sẻ động viên lúc khó khăn mà em hồn thành đề tài luận văn Tiếp theo em xin cảm ơn tất thầy cô trường Đại học Bách Khoa nói chung thầy khoa Kỹ thuật Hóa học nói riêng trang bị cho em kiến thức từ môn đại cương, môn tảng môn chuyên ngành từ lúc em vào trường ngày hôm Cảm ơn bạn lớp HC17MB, đặc biệt bạn lớp trưởng Vũ Hoàng Lộc giúp đỡ thời gian qua Đặc biệt bạn Trần Thị Bích Hạnh tơi đồng hành từ ngày đầu luận văn Và xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến cha mẹ ln động viên, nhắc nhở tạo điều kiện suốt thời gian học tập làm đề tài trường Lời sau cùng, nỗ lực để hoàn thành đề tài luận văn thiếu sót khơng tránh khỏi Nên em mong nhận góp ý từ q thầy bạn đọc luận văn này, xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Chu Thị Lan Giang TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong luận văn “Thiết kế, mô hệ thống điều khiển quy trình chế biến phụ phẩm cá tra quy mô pilot 500kg/mẻ” đề cập đến nội dung chính: nghiên cứu quy trình chế biến phụ phẩm cá tra, thiết kế quy trình sản xuất quy mô pilot, thiết kế hệ thống điều khiển cho quy trình Trong tập trung vào mơ điều khiển nhiệt độ trình thủy phân, điều khiển áp suất cô đặc, thiết kế giao diện giám sát điều khiển phần mềm Matlab Simulink Nhận thấy sản phẩm dịch thuỷ phân cho nhiều ứng dụng giá trị cao so với bột cá truyền thống như: dịch cao đạm ứng dụng vào sản xuất nước mắm, bột HA, thức ăn cho cá… Dựa vào kết nghiên cứu trước đó, chúng tơi đề quy trình thuỷ phân quy mơ pilot lựa chọn thiết bị cho quy trình sản xuất Tiếp theo, xác định thông số ảnh hưởng đến chất lượng vận hành, từ đưa phương thức điều khiển cho trình tiến hành mơ phần mềm Tuy nhiên giới hạn thời gian thực luận văn, xác định phương thức điều khiển, mô q trình chính: thuỷ phân đặc Ở trình, sinh viên lựa chọn thiết bị đo, thiết bị chấp hành điều khiển sử dụng vận hành sản xuất pilot thực tế Dựa vào thơng số hóa lý, truyền nhiệt, truyền khối phương trình mơ hình hóa, chúng tơi tiến hành mô điều khiển Matlab Simulink Mô điều khiển gia nhiệt với điều khiển PID Bằng phương pháp sai – sửa sai, tính tốn thơng số điều khiển mơ hình để q trình gia nhiệt hiệu cao Cuối cùng, thiết kế giao diện giám sát điều khiển số thiết bị (bồn thủy phân, đặc) Ở đây, sử dụng giao diện Matlab GUI để điều khiển, khảo sát thơng số q trình Giao diện cho thấy đáp ứng đồ thị hệ thống với thông số kP, kI, kD, thời gian khảo sát thời gian cần thủy phân để đạt độ DH mong muốn MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH VẼ vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: 1.1 TỔNG QUAN .1 Đặt vấn đề 1.1.1 Ngành nuôi trồng cá tra 1.1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Tổng quan nguyên liệu 1.4 Cơ sở lý thuyết 1.4.1 Công nghệ chế biến phụ phẩm .8 1.4.2 Tổng quan trình học, phản ứng .10 1.4.3 Tổng quan điều khiển trình 12 1.4.4 Lý thuyết mô 22 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ .27 2.1 Thuyết minh quy trình sản xuất phụ phẩm 27 2.2 Chọn thiết bị cho quy trình .28 2.2.1 Cân 28 2.2.2 Gầu tải 28 2.2.3 Máy nghiền 28 2.2.4 Máy hấp .29 2.2.5 Máy ép .30 2.2.6 Thiết bị ly tâm 31 2.2.7 Bồn đa chức .31 2.2.8 Máy sàng tách rắn 32 2.2.9 Thiết bị ngưng tụ 33 2.2.10 Bơm 34 2.2.11 Ejector 34 2.3 Thuyết minh quy trình 36 2.4 Cân vật chất lượng 41 2.4.1 Thông số vật lý nguyên liệu 41 2.4.2 Cân vật chất .42 2.4.3 Cân lượng 44 CHƯƠNG 3: 3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 57 Xác định thông số điều khiển phương thức điều khiển 57 3.1.1 Máy nghiền 57 3.1.2 Thiết bị hấp 57 3.1.3 Máy ép trục vít 58 3.1.4 Thiết bị ly tâm 59 3.1.5 Thiết bị thủy phân 59 3.1.6 Máy sàng tách rắn 60 3.1.7 Thiết bị cô đặc 61 3.1.8 Thiết bị giải nhiệt ống chùm 61 3.2 Lưu đồ P&ID 62 3.3 Mơ hình hóa thiết bị 64 3.3.1 Bồn thủy phân 64 3.3.2 Thiết bị cô đặc 69 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ MƠ PHỎNG 77 4.1 Các phương pháp tính tốn thơng số Kp, Ki, Kd 77 4.2 Mô phần mềm 80 4.2.1 Thiết bị thủy phân vỏ áo .80 4.2.2 Thiết bị cô đặc 89 4.3 Phần mềm giao diện khảo sát thông số .99 4.4 Thiết bị điều khiển (thiết bị đo, đk, phận thừa hành) 104 4.4.1 Thiết bị đo: .104 4.4.2 Bộ điều khiển: 106 4.4.3 Bộ phận thừa hành 107 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 112 5.1 Kết 112 5.2 Ứng dụng dịch cao đạm, mỡ cá, bột HA 114 5.3 Đề xuất nghiên cứu cải tiến .114 Phụ lục 116 Tài liệu tham khảo 124 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Các thành phần hệ thống điều khiển trình 13 Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền thẳng .14 Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi 15 Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng 16 Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỷ lệ 17 Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỷ lệ kết hợp phản hồi .17 Hình 1.7: Chất lượng điều khiển 18 Hình 2.1: Sơ đồ quy trình thủy phân 27 Hình 2.2: Máy nghiền 29 Hình 2.3: Máy hấp 30 Hình 2.4: Máy ép 30 Hình 2.5: Thiết bị ly tâm 31 Hình 2.6: Bồn đa chức 32 Hình 2.7: Máy sàng tách rắn S600 33 Hình 2.8: Bơm trục vít 34 Hình 2.9: Ejector 35 Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống thiết bị 36 Hình 2.11: Ảnh hưởng trạng thái nguyên liệu đến tỷ lệ Naa/Nts .37 Hình 2.12: Ảnh hưởng trạng thái nguyên liệu đến hàm lượng đạm NH3 38 Hình 2.13: Ảnh hưởng trạng thái nguyên liệu đến hiệu suất thu hồi Nitơ 38 Hình 3.1: Thơng số ảnh hưởng đến trình nghiền .57 Hình 3.2: Thơng số ảnh hưởng đến q trình hấp 57 Hình 3.3: Thơng số ảnh hưởng đến q trình ép 58 Hình 3.4: Thơng số ảnh hưởng đến trình ly tâm 59 Hình 3.5: Thơng số ảnh hưởng đến trình thủy phân 59 Hình 3.6: Thơng số ảnh hưởng đến trình sàng 60 Hình 3.7: Thơng số ảnh hưởng đến q trình đặc 61 Hình 3.8: Thơng số ảnh hưởng đến q trình ngưng tụ 62 Hình 3.9: Lưu đồ điều khiển P&ID 63 Hình 3.10: Lưu đồ P&ID điều khiển nhiệt độ bồn thủy phân 64 Hình 3.11: Lưu đồ P&ID điều khiển hệ thống cô đặc 69 Hình 4.1: Sơ đồ Simulink điều khiển nhiệt độ bồn thủy phân 600C 81 Hình 4.2: Đáp ứng 600C với KP = 17.8, KI = 0, KD = 81 Hình 4.3: Đáp ứng 600C với KP = 17.8, KI = 1, KD = 82 Hình 4.4: Hình đáp ứng nhiệt độ 600C KP = 17.8, KI = 1.111, KD = 83 Hình 4.5: Hệ số cấp nhiệt vỏ, W/m2.K .84 Hình 4.6: Lưu lượng gia nhiệt, m3/s 84 Hình 4.7: Nội vỏ áo, J/kg .85 Hình 4.8: Nhiệt độ vỏ áo, K 85 Hình 4.9: Nhiệt độ thành thiết bị, K .86 Hình 4.10: Hình đáp ứng nhiệt độ 900C KP = 20, KI = 0, KD = 87 Hình 4.11:Hình đáp ứng nhiệt độ bồn thủy phân 900C, KP = 20, KI = 0.01 88 Hình 4.12: Lưu lượng gia nhiệt giai đoạn bất hoạt enzyme .88 Hình 4.13: Sơ đồ Simulink điều khiển nhiệt độ thiết bị cô đặc 90 Hình 4.14: Hình đáp ứng nhiệt độ thiết bị cô đặc, Kp = 1000, Ki =50, KD =0 91 Hình 4.15: Nhiệt độ dịng cấp 92 Hình 4.16: Lưu lượng dịng cấp .92 Hình 4.17: Khối lượng riêng dịng cấp .93 Hình 4.18: Sơ đồ Simulink điều khiển nhiệt độ áp suất thiết bị đặc .94 Hình 4.19: Hình đáp ứng áp suất thiết bị cô đặc, Kp = 1000, Ki =10 95 Hình 4.20: Hình đáp ứng áp suất thiết bị cô đặc, Kp = 1000, Ki =15 96 Hình 4.21: Hình đáp ứng áp suất thiết bị cô đặc, Kp = 2000, Ki = 15 .96 Hình 4.22: Lưu lượng nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ ứng với giá trị 97 Hình 4.23: Hình đáp ứng nhiệt độ cô đặc, T sôi = 360.72K .98 Hình 4.24: Sự thay đổi nồng độ chất khô theo thời gian cô đặc .99 Hình 4.25: Thiết kế giao diện GUI .100 Hình 4.26: Giao diện hình Matlab GUI 100 Hình 4.27: Màn hình viết code GUI .102 Hình 4.28: Giao diện khảo sát thơng số hoạt động quy trình 103 Hình 4.29: Hoạt động giao diện GUI .103 Hình 4.30: Cảm biến RTD PT100 104 Hình 4.31: Cảm biến áp suất chân không PR-23RY .106 Hình 4.32: Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 107 Hình 4.33: Van cầu điều khiển khí nén tuyến tính 109 Hình 4.34: Bơm ly tâm pha Ebara .110 Hình 4.35: Biến tần Emerson SKBD200150 111 Hình 5.1: Đáp ứng hệ thống 60 độ C 113 Hình 5.2: Đáp ứng áp suất hệ thống cô đặc, Kp = 2000, Ki =15 113 Hình 5.3 Thiết bị vỏ áo 115 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Ảnh hưởng tham số KP, KI, KD, tiêu chất lượng 22 Bảng 2-1: Bảng cân vật chất quy trình 44 Bảng 2-2: Bảng cân lượng quy trình .56 Bảng 3-1: Bảng giá trị mơ hình thủy phân 67 Bảng 4-1: Thông số điều khiển theo phương pháp Ziegler - Nichols .77 Bảng 4-2: Thông số điều khiển theo phương pháp Ziegler - Nichols .78 Bảng 4-3: Các chức phần mềm GUI 101 DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Setpoint PID PI e P&ID Giá trị đặt (giá trị mong muốn biến điều khiển) Proportional - Integral - Derivative (tỷ lệ - tích phân - vi phân) Proportional Integral (tỷ lệ - tích phân) Error (Sai lệch, tính e = Setpoint – biến điều khiển) Piping and instrumentation diagram (Sơ đồ đường ống thiết bị) ... Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển trình chế biến phụ phẩm cá tra quy mô pilot 500kg/mẻ Nội dung: + Xây dựng quy trình cơng nghệ chế biến phụ phẩm cá tra quy mô pilot 500 kg/mẻ + Thiết lập... luận văn ? ?Thiết kế, mô hệ thống điều khiển quy trình chế biến phụ phẩm cá tra quy mơ pilot 500kg/mẻ” đề cập đến nội dung chính: nghiên cứu quy trình chế biến phụ phẩm cá tra, thiết kế quy trình... cần thiết hệ thống điều khiển trình nhằm đảm bảo thơng số vận hành an toàn, ổn định, đạt hiệu suất cao Đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trình thủy phân phụ phẩm cá tra quy mô pilot