1 đ hl 8thV-GG
3.3.2. Đại lượng điều chỉnh
Đại lượng điều chỉnh chính của quá trình là nồng độ sản phẩm đỉnh. Độ sạch (nồng độ) sản phẩm đỉnh chịu ảnh hưởng của tác động nhiễu như thành phần, lưu lượng, nhiệt độ nguyên liệu; thơng số của tác nhân nĩng và lạnh; áp suất trong thiết bị
và các đại lượng khác.
Hệ thống tựđộng hĩa được xây dựng nhằm đảm bảo ổn định nồng độ sản phẩm
đỉnh và duy trì cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng trong cụm thiết bị chưng chất. Cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong tháp được phản ánh bằng các đại lượng cơng nghệ như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, mức lỏng trong các thiết bị của hệ thống chưng cất.
Tác động điều khiển cơ bản là lưu lượng dịng hồn lưu vào tháp, lưu lượng nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ, lưu lượng sản phẩm đỉnh và đáy, năng lượng cung cấp cho các điện trở gia nhiệt.
Lưu lượng hồn lưu tác động tương đối nhanh lên nồng độ sản phẩm đỉnh, đồng thời cũng tác động lên nồng độ sản phẩm đáy nhưng cĩ độ trễ lớn hơn và ở mức độ
thấp hơn. Nhiệt lượng cung cấp ởđáy tháp cơ bản làm biến đổi nồng độ sản phẩm đáy nhưng ít làm biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh.
Như vậy, nhiệm vụ cơ bản của hệ thống là điều chỉnh các đại lượng cơng nghệ
sau:
1- Điều chỉnh lưu lượng nhập liệu.
Trong cơng nghiệp, dao động dịng nhập liệu vào tháp là nhiễu lớn nhất của quá trình. Do đĩ cần lập hệ thống tự động điều chỉnh lưu lượng. Cảm biến lưu lượng và van điều chỉnh được lắp trên ống dẫn phía trước thiết bị gia nhiệt, làm cho dịng nhập liệu đi qua chỉ dưới dạng pha lỏng. Vịng điều chỉnh lưu lượng nhập liệu cịn tác động
đến hoạt động của các vịng điều chỉnh khác tốt hơn.
W (P)R R Z X = Gvan y = Ge Hình 26: Sơ đồ hệ thống điều khiển lưu lượng Gl Gl : Lưu lượng ở cảm biến.
Gvan : Lưu lượng đi qua van tuyến tính.
2- Điều chỉnh nhiệt độ nhập liệu.
Dịng nhập liệu phải được cấp vào tháp ở nhiệt độ sơi. Nhiệt độ nhập liệu được duy trì ở giá trị khơng đổi nhờ hệ thống tựđộng điều chỉnh (HTĐ) điều khiển việc cấp nhiệt cho điện trở trong thiết bị gia nhiệt. Chất lượng điều chỉnh nhiệt đo được nâng cao khi cảm biến và van được lắp gần thiết bị gia nhiệt.
W (P)R R Z X = U2 y = te R Hình 27: Sơđồ hệ thống điều khiển nhiệt độ tR l : Nhiệt độ nhập liệu. tRl U2 : Điện áp cung cấp cho điện trở R2. 3- Điều chỉnh áp suất trong tháp.
Sức cản thuỷ lực của tháp gần như khơng đổi. Do đĩ, áp suất trong tháp chỉ cần
ổn định ở một vị trí, thường là ở phần trên của tháp. Nếu hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ
hồn tồn thì áp suất được điều chỉnh bằng cách thay đổi tác nhân lạnh đi vào thiết bị
ngưng tụ.
Trong cơng nghiệp, hơi khơng ngưng tụ hồn tồn hoặc trong hơi cĩ chứa khí trơ thì bộ điều chỉnh áp suất tác động lên cả hai van: van tháo nước lạnh từ thiết bị
ngưng tụ và van thốt khí. Vùng làm việc của các van này phải khác nhau, ở van đầu nằm trong giới hạn khoảng 0÷75% tác động điều chỉnh, cịn van kia ở 50÷100%. Khí khơng ngưng chỉ được thốt ra từ bồn chứa dịng hồi lưu khi lưu lượng tác nhân lạnh
đi vào thiết bị ngưng tụ rất lớn và tiếp tục làm tăng áp suất trong tháp.
RZ Z
X = Gng y = Pth
Hình 28: Sơ đồ hệ thống điều khiển áp suất
Pth : Áp trong tháp.
Gng : Lưu lượng nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ
4- Điều chỉnh nồng độ sản phẩm đỉnh.
Nếu sản phẩm mục tiêu là sản phẩm đỉnh thì đại lượng cơng nghệ cơ bản của tháp là nồng độ ở phần cất của tháp. Nồng độ sản phẩm đỉnh được điều chỉnh bằng cách thay đổi dịng hồn lưu vào tháp.
Van điều chỉnh cĩ thể lắp trên đường hồi lưu hoặc đường ra của sản phẩm đỉnh. Dưới gĩc độ tĩnh, điều này cĩ giá trị như nhau. Tuy nhiên, để gia tăng chất lượng điều khiển, van điều chỉnh nồng độ cần lắp đặt trên đường hồi lưu vào tháp. Khi đĩ, cân bằng vật chất trong bình tách lỏng được đảm bảo bằng hệ thống điều chỉnh mức cĩ van
điều chỉnh trên đường ra của sản phẩm đỉnh.
Theo nguyên tắc pha khi tách hỗn hợp 2 cấu tử, nếu áp suất trong tháp khơng
đổi thì nồng độ sản phẩm đỉnh và nhiệt độ cĩ mối liên hệđơn trị. Do đĩ, cĩ thểổn định nồng độ sản phẩm đỉnh gián tiếp bằng cách điều chỉnh nhiệt độ phần cất của tháp.
Trong trường hợp số đĩa của tháp khơng lớn hoặc nhiệt độ sơi của hai cấu tử
khơng sai lệch nhiều thì độ trễ trong đối tượng điều khiển sẽ đạt vài chục phút hoặc lớn hơn. Vì vậy, điều chỉnh nhiệt độở phần cất của tháp tạo ra sai lệch lớn giữa giá trị
tức thời với giá trị cài đặt do tác động điều khiển đưa vào cĩ độ trễ lớn. Để gia tăng chất lượng điều chỉnh, cảm biến nhiệt độđược lắp ở vị trí được gọi là “đĩa kiểm tra” cĩ nhiệt độ phản ứng nhạy nhất với lưu lượng hồn lưu và đảm bảo độ trễ ít nhất khi cĩ nhiễu ở thành phần nhập liệu. Tuy nhiên, sử dụng nhiệt độ sản phẩm đểđiều chỉnh nồng độ cĩ một nhược điểm lớn do quan hệ giữa nhiệt độ và nồng độ phụ thuộc vào dao động áp suất trong tháp và sai số của dụng cụđo kiểm tra.
Nồng độ sản phẩm cĩ thể điều chỉnh trực tiếp nhờ các thiết bị phân tích thành phần như phân tích sắc ký, phân tích khí, tỉ trọng kế và các phương pháp khác. Để gia tăng độ nhạy của hệ thống điều chỉnh nồng độ, cĩ thểđo hàm lượng tạp chất trong sản phẩm mục tiêu. Mẫu thửđược lấy tại đĩa kiểm tra nhưng gần phía trên tháp hơn so với vị trí lắp cảm biến nhiệt độ. Tuy nhiên cần lưu ý là thiết bị phân tích thành phần trong cơng nghiệp cĩ độ tin cậy thấp hơn dụng cụđo nhiệt độ.
RZ Z X = Gh l W (P ) y = tth Hình 29: Sơđồ hệ thống điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh tth : Nhiệt độ hơi ởđỉnh tháp. Ghe : Lưu lượng dịng hồn lưu. 5- Điều chỉnh mức lỏng trong bình tách lỏng.
Cân bằng vật chất trong bình được duy trì bằng cách tháo sản phẩm đỉnh. Sản phẩm đỉnh được tháo ra nhờ bộđiều chỉnh mức trong bình tách lỏng.
RZ Z X = Gd W (P ) y = Lb Hình 30: Sơđồ hệ thống điều khiển mức trong bình tách lỏng Lb : Mức trong bình tách lỏng. Gđ : Lưu lượng sản phẩm đỉnh. 6- Điều chỉnh mức lỏng ởđáy tháp.
Cân bằng vật chất trong phần chưng của tháp được duy trì bằng cách tháo sản phẩm đáy. Hệ thống điều chỉnh mức ở đáy tháp cĩ van điều chỉnh lắp trên đường tháo sản phẩm đáy.
Khi dao động thành phần nhập liệu thấp, nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp
được ổn định bằng cách duy trì khơng đổi điện áp vào điện trở. Sự tạo hơi từđáy xác
định chếđộ thuỷđộng của tháp. Hơi tạo ra quá nhiều cĩ thể dẫn đến hiện tượng “ngập lụt” trong tháp. Tuy nhiên, nếu hơi khơng đủ thì năng suất của tháp giảm.
RZ Z X = Gd a W (P ) y = Lth Hình 31: Sơ đồ hệ thống điều khiển mức lỏng ởđáy tháp Lth : Mức lỏng ởđáy tháp. Gđa : Lưu lượng sản phẩm đáy. Gđa 3.3.3. Cấu trúc hệ thống tựđộng hĩa.
Các đại lượng cơng nghệ trong tháp cĩ thể được điều chỉnh với các nhiều cấu trúc khác nhau như hệ một vịng, hỗn hợp, tầng,…
Cấu trúc cơ bản được sử dụng trong đề tài này là hệ thống một vịng điều chỉnh từng đại lượng riêng biệt. Hệ thống điều chỉnh này cĩ cấu trúc đơn giản nhất nhưng cĩ chất lượng điều khiển thấp. Các vịng điều chỉnh từng đại lượng cĩ liên hệ với nhau thơng qua quá trình chưng cất và đảm bảo duy trì cân bằng vật chất và năng lượng.
Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống ổn định bao gồm từng vịng riêng biệt là tác
động nhiễu cĩ thể làm thay đổi đáng kể chếđộ làm việc của tháp; độ trễ các quá trình trong tháp tương đối lớn là nguyên nhân làm tăng sai lệch động của các đại lượng cơng nghệ trước khi các bộđiều chỉnh bắt đầu bù trừđược ảnh hưởng của nhiễu.
Thí dụ, khi ổn định nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp mà khơng tính đến trạng thái thực tiễn trong hệ thì cĩ thể dẫn đến tình trạng bội hao hơi đốt do tác động của độ
quá nguội dịng hồn lưu và các nhiễu khác trong quá trình.
Khơng cĩ tác động bù nhiễu từ phía dịng liệu làm cho sai lệch động trong điều chỉnh nồng độ sản phẩm đỉnh lớn, bởi vì bộ điều chỉnh nồng độ (hoặc nhiệt độ) ở cuối tháp chỉ nhận được tín hiệu sai lệch của đại lượng điều chỉnh với giá trị đặt sau khi thành phần lỏng đã thay đổi trong tồn tháp.
Trong cơng nghiệp, để gia tăng chất lượng điều chỉnh, cĩ thểđưa vào hệ thống
điều chỉnh các đại lượng chính một số vịng điều chỉnh bổ sung tạo nên cấu trúc điều
chỉnh nhiều vịng nhưđiều chỉnh tầng, điều chỉnh hỗn hợp,… Việc đưa những vịng bổ
sung vào hệ thống điều chỉnh để khử nhiễu theo lưu lượng và thành phần nhập liệu cĩ thể gia tăng chất lượng sản phẩm mục tiêu hoặc tăng năng suất và cả làm giảm tiêu thụ
năng lượng cho quá trình.
Do sản phẩm đề tài là thiết bị thí nghiệm với tác động nhiễu đơn giản, kiểm sốt
được. Do đĩ bước đầu đào tạo sinh viên bằng hệ thống một vịng điều chỉnh 06 đại lượng cơng nghệ riêng biệt.
- Bộ điều chỉnh chính cĩ nhiệm vụ ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh là bộ điều chỉnh nhiệt độ (5) phần trên của tháp.
- Bộđiều chỉnh lưu lượng (1) ổn định lưu lượng nhập liệu. - Bộđiều chỉnh nhiệt độ (2) ổn định nhiệt độ nhập liệu.
- Bộđiều chỉnh áp suất (3) ổn định áp suất trong tháp đảm bảo duy trì cân bằng vật chất theo pha hơi.
- Bộđiều chỉnh mức (4,6) ổn định mức đảm bảo duy trì cân bằng vật chất theo pha lỏng trong bình tách lỏng và đáy tháp.
FE FC FC 1 Mâm 1 Mâm 2 Mâm 3 Mâm 4 Mâm 5 Mâm 6 3 3 2 2 14 14 TI TI TI T3 T5 TI 15 15 TC 2 TI TI T1 T4 4 4 6 6 1 1 5 5 LC 4 LC 6 TC 5 P1 PC 3 R P2 TI TI TI TI 1 R2 R3 T2 Hình 32: Sơđồ hệ thống tựđộng hĩa
3.4. Xây dựng mơ hình thực nghiệm và tính tốn thơng số hiệu chỉnh PID
3.4.1. Phương pháp tính tốn