3.1.2.1. Xác định thông số công nghệ:
Nhập liệu 0.8 m3/h.
Nồng độđầu vào tháp C1 85% ethanol, 5 % methanol
Nồng độ sản phẩm chính ởđáy tháp C2 dưới 0.5 % methanol. Nhập liệu 0.8 m3/h.
3.1.2.2. Xây dựng lưu trình:
Trên thanh Menu chọn File/New để tạo mới một file mô phỏng.
Chọn các thiết bị cần thiết cho qui trình dựa vào các biểu tượng của thiết bị có trên thanh PFD. Nếu thanh này chưa xuất hiện trên màn hình thì kích chuột vào nút PFD Hide/Display trên thanh công cụ.
Chọn tháp chưng cất (Distillation), nhập sốđĩa cho tháp (bao gồm cả Reboiler và Condenser). Chọn thiết bị trao đổi nhiệt (Simple HX). Và chọn Valve.
Sau khi chọn xong các thiết bị, ta chọn “Stream” trên thanh PFD để nối các thiết bị này lại.
Hệ thống chưng cất hiện nay ở trung tâm Lọc Hóa Dầu: Nhập liệu như 0.8 m3/h.
Sản phẩm đáy 0.05 m3/h, lượng ethanol không vượt quá 1 % wt.
Hình 3.2: Mô phỏng hệ thống trên Pro II.
3.1.2.3. Chọn đơn vị cho hệ thống:
Chọn đơn vị cho hệ thống: Từ biểu tượng Unit of Measure trên thanh công cụ ta tiến hành chọn hệ đơn vị cho hệ thống. Hệ đơn vị được sử dụng là
Hình 3.3:Chọn đơn vị cho hệ thống.
Chọn cấu tử cho hệ: Kích chuột vào biểu tượng Component Selection , chọn Select from lists trên hộp thoại hiện.
Hình 3.4: Chọn cấu tử cần thiết.
Hộp thoại Component Selection-List/Search hiện ra cho chép ta chọn cấu tử cần thiết đối với hệ thống cần mô phỏng.
Hình 3.6:. Các cấu tử lựa chọn.
3.1.2.4. Chọn mô hình nhiệt động:
Kích vào Input/Thermo để chọn mô hình nhiệt động trong danh sách sẵn có. Trong trường hợp mô phỏng quá trình chưng cất ethanol - nước ta sử dụng mô hình nhiệt động là UNIFAC vì đường cân bằng lỏng hơi thu được từ mô hình này sát với thực tế nhất. Kích vào Modify để thay đổi các hệ tính toán cho phù hợp với từng hệ thống.
Hình 3.7: Chọn mô hình nhiệt động.
3.1.2.5. Dòng nguyên liệu:
Kích đôi vào dòng nguyên liệu S1, nhập trạng thái của dòng nhập liệu gồm có: nhiệt độ, áp suất.
Hình 3.8:. Nhập trạng thái dòng nguyên liệu.
Sau khi xác định trạng thái dòng nhập liệu, ta kích vào nút Flowrate and Composition rồi nhập giá trị lưu lượng và thành phần vào cửa sổ mới hiện lên.
3.1.2.6. Thiết bị trao đổi nhiệt:
Hình 3.10: Nhập thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
Bước đầu tiên ta xác định dòng nóng – lạnh cho Heat Exchanger. Tiếp tục với Specification để xác định nhiệt độ dòng sản phẩm ra. Cuối cùng là xác định Pressure Drop.
Valve:
Chọn áp suất ra của valve là 1atm, sau khi tính được phân bố áp suất theo tháp sẽ tiến hành hiệu chỉnh lại.
3.1.2.7. Tháp chưng cất (Distillation):
Click đôi vào T1, xuất hiện cửa sổ Column:
Hình 4: Cửa sổ nhập thông số cho tháp chưng cất.
Nhấp chọn ô Feeds and products, xuất hiện cửa sổ Column - Feeds and Products, tại đây ta xác định dòng nguyên liệu vào đĩa nào của tháp (tức xác định vị trí mâm nhập liệu). Sau đó xác định giá trị dự đoán tỉ lệ các dòng ra (Bottom, Overhead).
Hình 3.13: Dựđoán tỉ lệ dòng.
Tiếp tục với ô Presure Profile xuất hiện cửa sổ Column - Pressure Profile. Tại đây ta có hai lựa chọn Pressure Specification Mode là :
Overall: nhập các giá trị áp suất đĩa trên cùng và tổn thất áp suất (giá trị này ta có thể nhập Pressure Drop per Tray hoặc Pressure drop Column).
Hình 3.14: Nhập thông số áp suất trong tháp.
Tiếp theo ta chọn kiểu cho nồi đun và thiết bị ngưng tụ. Ở ô Reboiler ta chọn kiểu Kettle (nồi đun Kettle), còn ở ô Condenser ta chọn Bubble Temperature (ngưng tụ hoàn toàn ở nhiệt độ sôi).
Cuối cùng là mục Perfomance Specification. Ta có cửa sổ Specification and Variales, tại đây ta nhập các thông số cho hàm tính toán của tháp bao gồm các tham số và biến số.
3.1.2.8. Mô phỏng cho tháp thứ hai :
Tương tự các bước như tháp thứ nhất
Hình 3.18: Nhập thông số cho hàm tính toán của tháp.
3.1.2.9. Chạy chương trình:
Nhấn nút Run trên thanh công cụ thể bắt đầu chạy mô phỏng, kết quả mô phỏng sẽ hội tụ nếu sơđồ hiện tất cả màu xanh. Nếu một thiết bị nào đó còn có màu đỏ thì chương trình chưa hội tụ. Kích nút “Check Data” trên thanh Run Palette để kiểm tra lỗi trên sơ đồ. Sau khi kết quả đã hội tụ, ta kích nút (Generate text report) để xem kết quả mô phỏng, kết quả này đã được lưu lại trên file có dạng *.out.
3.1.2.10. Kết quả mô phỏng: Xác định Rtối ưu và sốđĩa: Xác định Rtối ưu và sốđĩa:
Do tháp thứ nhất đã được tính toán thiết kế rồi nên ta chỉ tính toán tháp C2. Thực hiện theo qui trình trên và thay đổi dần sốđĩa xác định giá trị V= N(R + 1) tỉ
lệ với thể tích làm việc của thiết bị tìm được R sau cho thể tích làm việc của thiết bị. Bảng 3.1: Số liệu xác định Rtối ưu: R N V=N(R+1) 25.7 27 745.5 25.87 26 698.62 26.76 25 694 28 24 696 30.17 23 716.91 32.69 22 741.18 35.44 21 765.24 690 700 710 720 730 740 750 760 770 V Series1
Vậy ta chọn R= 26.76 ứng với số đĩa lý thuyết là 25, với hiệu suất làm việc của tháp là 70% . Sử dụng công cụ optimizer xác định mâm nhập liệu tối ưu ( năng lượng cung cấp cho nồi đung nhỏ nhất ) là mâm thứ 8.
3.1.2.11. Kết quả mô phỏng bằng Pro II:
Kết quả mô phỏng bằng ProII hiển thị bằng tiếng Anh nên chỉ trình bài các thông số quang trọng trong bản sau.
Bảng 3.2: Thông số công nghệ của hệ thống chưng cất:
STT Thông số làm việc Giá trị thông số Đơn vị Ghi chú
1 Số mâm 27 Không kể nồi đun và TBNT 2 Nhiệt độ đáy 82.7 oC 3 Nhiệt độ đỉnh 69.5 oC 4 Áp suất đỉnh 1 atm 5 Lưu lượng nhập liệu C2 0.75 m3/h 6 Vị trí mâm nhập liệu 8 7 Nồng độ nhập liệu C2 90.6 %wt 8 Nồng độ ethanol đáy C2 94,89 %wt 9 Nồng độ methanol đáy C2 0.5 %wt 10 Nhiệt độ nhập liệu vào C2 76.921 oC Lỏng sôi 11 Chỉ số hồi lưu ( R ) 26.76 12 Lưu lượng sản phẩm đáy C2 660 lít/h 13 Lưu lượng xả đáy C1 50 lít/h
Thuyết minh bản vẽ:
Nhập liệu vào dòng số 1 qua thiết bị trao đổi nhiệt E-00 qua dòng số 2 vào tháp chưng cất C1. Thiết bị E-01 gia nhiệt cồn ở đáy tháp tạo dòng hơi cho tháp chưng cất, hơi cồn bay lên đỉnh tháp đi ngang qua mâm xuyên lỗ, hơi đi qua dòng số 6 đến thiết bị E-02 ngưng tụ theo dòng số 7 về bồn trung gian B-01. Từ B-01 cồn được chia làm 2 phần, một phần hoàn lưu về tháp C1 theo dòng số 8, một phần vào tháp C2, mực chất lỏng ởđáy tháp được điều chỉnh bởi van xả đáy. Quá trình diễn ra tương tựở tháp C2, cồn đi từ tháp bồn B-01 qua thiết bị E-05 giữ cồn ở trạng thái lỏng sôi vào tháp ở mâm thứ 8 thiết bị E-03 hoạt động tạo dòng hơi cho tháp chưng, hơi trên đỉnh tháp đi qua thiết bị E-04 ngưng tụ chảy vào bồn B-02, một phần hoàn lưu về tháp C2, một phần làm sản phẩm đỉnh. Sản phẩm đáy lấy ra thông qua van xả đáy của C2. Hơi nước gia nhiệt vào thiết bị trao đổi nhiệt qua hệ thống đường ống, nước ngưng tụ đưa về nồi hơi tiếp tục quá trình gia nhiệt, nước giải nhiệt cũng đi qua các thiết bị rồi quay trở lại để tái sử dụng
3.3. Thiết kế bản vẽ P&ID:
3.3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển:
3.3.1.1. Lý thuyết điều khiển quá trình:
Điều khiển quá trình:
Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tựđộng hóa công nghiệp. Ngày nay bất cứ một nhà máy nào cũng không thể vận hành nếu thiếu hệ thống điều khiển tựđộng. Quá trình toàn cầu hóa hiện nay tạo ra nhiều thị trường tiêu dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao
Hình 3.21: Các biến của hệ thống điều khiển quá trình.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước trong khi có tác động của nhiễu và thông tin không chính xác về đối tượng, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Hình 3.22:Phân loại biến quá trình.
Biến vào: đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình. Ví dụ: lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/ngắt của rơle…
Biến ra: đại lượng hoặc điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài. Ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao…
Biến cần điều khiển (controlled variable, CV): liên quan trực tiếp và quan trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Những biến cần điều khiển thông dụng nhất liên quan tới chất lượng sản phẩm bao gồm: nhiệt độ, áp suất và nồng độ, thành phần hợp chất. Đại lượng tiêu biểu nhất
cho năng suất thông thường là lưu lượng. Các đại lượng liên quan tới vận hành an toàn và ổn định của hệ thống bao gồm: mức, áp suất và nhiệt độ. Biến cần điều khiển là một biến ra cần được duy trì tại một giá trị đặt hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo. Một đại lượng cần điều khiển có thể không đo được hoặc không dễ dàng điều khiển một cách trực tiếp.
Biến điều khiển (manipulated variable, MV): là một biến vào có thể can thiệp được theo ý muốn để tác động đến biến cần điều khiển. Biến điều khiển có thể là
bất cứ biến quá trình nào mà có thể tác động dễ dàng và làm thay đổi trạng thái quá
trình một cách nhanh chóng. Trong điều khiển quá trình thì hầu hết các đại lượng điều khiển là lưu lượng chất lỏng hoặc khí. Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành được sử dụng phổ biến nhất là van điều khiển, quạt gió, máy bơm. Nhìn lưu đồ công nghệ, ở đâu có van điều khiển hoặc các loại van tiết lưu khác thì lưu lượng qua đó có thể coi là một biến điều khiển tiềm năng.
Nhiễu: là các biến quá trình độc lập còn lại không can thiệp được, không kiểm
soát được vì một lý do nào đó (do yêu cầu của quá trình công nghệ đứng trước hoặc đứng sau)
Trong một quy trình công nghệ, một biến điều khiển của quá trình này có khi là biến cần điều khiển của một quá trình khác hoặc một biến điều khiển, biến cần điều khiển của quá trình này có khi lại đóng vai trò là nhiễu cho một quá trình đứng trước hoặc đứng sau.
Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình:
Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru:
Vận hành ổn định: đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc ít phải thay đổi chếđộ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽđược kéo dài.
Vận hành ổn định: làm ổn định năng suất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Vận hành ổn định: giúp người vận hành ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn.
Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn:
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ con người, các thiết bị máy móc và môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ, áp suất nằm trong một giới hạn an toàn cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữổn định tại gần một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Bài toán điều khiển ở đây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống. Ví dụ như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh, khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng.
Bảo vệ môi trường:
Một hệ thống vận hành an toàn, không để xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành.
Nâng cao hiệu quả kinh tế:
Đểđạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng suất phải thích ứng được với yêu cầu thị
trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu. Bài toán đặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm.
Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm thiểu chi phí cho các tác động điều khiển. Một trong những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thểđưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép.
Các thành phần cơbản của hệ thống điều khiển:
Các dụng cụ đo lường cần thiết cho các nhà máy công nghiệp hiện đại hoạt động an toàn và chính xác. Chúng được sử dụng để điều khiển quá trình nhằm đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm cũng nhưđể ngừng hoạt động của nhà máy trước khi các sự cố xảy ra.
Để duy trì hoạt động an toàn đòi hỏi các dụng cụđo phải:
Giữ cho các biến quá trình nằm trong giới hạn vận hành an toàn. Phát hiện các nguy cơ xảy ra nguy hiểm khi chúng xuất hiện
Cung cấp các cảnh báo hoặc dừng hệ thống khi cần nhằm bảo vệ môi trường và cộng đồng nơi chúng ta làm việc.
Đểđạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, các dụng cụđo lường phải: Duy trì chất lượng.
Đảm bảo độ tin cậy và tính lặp lại của quá trình.
Hình 3.23: Các thành phần cơbản của một hệ thống điều khiển.
Thiết bị đo:
Thiết bị đo có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kĩ thuật