Tháp chưng cất là một thành phần rất phổ biến không chỉ trong công nghệ lọc hóa dầu nói riêng mà còn trong công nghệ hóa học nói chung. Tháp chưng cất là đối tượng nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học ứng dụng như hóa học, tổng hợp quá trình, phân tích động học quá trình và điều khiển quá trình,… Thực tế, ở mỗi một ngành, lĩnh vực liên quan đều đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về tháp chưng cất.
Nhìn nhận tháp chưng cất trên quan điểm của điều khiển quá trình thì tháp chưng cất cũng là một đối tượng điều khiển nhiều biến đầu vào và nhiều biến đầu ra. Để nghiên cứu ta xét cụ thể một tháp chưng cất hai sản phẩm có cấu hình như sau:
Hình 3.16. Sơ đồ một tháp chưng cất hai cấu tử
Như vậy, tháp chưng cất trên có các biến đầu vào, ra như sau: Các biến điều khiển: u = [L V D B VT]T
Các biến được điều khiển: y = [xD xB MD MB p]T
Nhiễu: d = [F xF]T
Trong đó:
L: lưu lượng hồi lưu đỉnh V: lưu lượng hơi hồi lưu D: lưu lượng sản phẩm đỉnh B: lưu lượng sản phẩm đáy
VT: lưu lượng hơi thoát khỏi đỉnh tháp xD: thành phần sản phẩm đỉnh
xB: thành phần sản phẩm đáy
MD: lượng/mức chất lỏng bình ngưng MB : lượng/mức chất lỏng đáy tháp
Luận văn Cao học
F: lưu lượng nguồn nguyên liệu vào zF: thành phần nguồn nguyên liệu vào.
Thông thường trong hầu hết các trường hợp, việc điều khiển mức và áp suất được thực hiện bởi 3 vòng điều khiển đơn (SISO). Nói cách khác ta có thể điều khiển ba đầu ra: y2 = [MD MB p]T
Với hai đại lượng còn lại xD và xB, đây là bài toán điều khiển thành phần sản phẩm của tháp chưng cất: y1 = [xD xB]T
Mô hình tuyến tính của hệ thống đã được điều khiển từng phần (sau khi khép mạch vòng điều khiển mức và áp suất) có thể được viết như sau:
y1 = Pu(s)u1 + Pd(s)d + Pr(s)y2
Ba vòng điều khiển y2 này thường có sự tương tác với nhau không lớn nên có thể được chỉnh định một cách độc lập với nhau. Tuy nhiên, mỗi đối tượng bình lại có hai đầu vào và một đầu ra. Do đó tồn tại nhiều sự lựa chọn cho đầu vào u2, cũng là cho u1, từ đó dấn đến có nhiều cấu hình điều khiển. Quy ước, mỗi một cấu hình điều khiển được đặt tên theo biến đầu vào u1 để điều khiển thành phần sản phẩm. Ví dụ như một cấu hình thông dụng, là cấu hình LV:
u1 = [L V]T và u2 = [D B VT]T
Khi đó hàm truyền từ u1 đến y1 trong cấu hình LV sẽ được ký hiệu là Pu(s) = GLV(s). Với năm đầu vào như trên, ta có thể lựa chọn ra được rất nhiều cấu hình khác nhau, nhưng phổ biến nhất vẫn là các cấu hình: LV, DV, DB, D/(L+D)V.
Trước khi nghiên cứu về các cấu hình điều khiển trên, ta cần hiểu rõ hơn về vấn đề điều khiển thành phần sản phẩm ở tháp chưng cất. Mục tiêu của tháp chưng cất là phân tách nguồn cấp thành hai sản phẩm có thành phần khác nhau, trên thực tế có 3 trường hợp khác nhau về điều khiển thành phần:
Không điều khiển thành phần
Điều khiển 1 thành phần: 1 vòng điều khiển thành phần được khép kín.
Điều khiển 2 thành phần: 2 vòng điều khiển thành phần được khép kín. Trường hợp không điều khiển thành phần cũng có trong thực tế công nghiệp, người vận hành khi đó phải điều chỉnh bằng tay các đại lượng đầu vào u1.