Dung dịch đệm là dung dịch có pH không biến đổi trong các trƣờng hợp sau: - Khi pha loãng
- Khi thêm vào một lƣợng nhỏ axit hoặc bazo. Dung dịch đó có nồng độ axit và bazo liên hợp với nó cao và xấp xỉ bằng nhau là tốt nhất.
2.2 Phương pháp trung hòa
Kiểm soát độ pH là một vấn đề phổ biến trong nhiều quy trình công nghiệp. Ý tƣởng cơ bản để kiểm soát sự thay đổi pH trong các dòng chất lỏng là làm cho nó càng gần 7 càng tốt.
Hơn nữa, muốn nƣớc thải đƣợc xử lý tốt bằng phƣơng pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về 6.67.6
Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, bazo hoặc oxit bazo để trung hòa nƣớc thải. Một số hóa chất dùng để trung hòa nhƣ: CaCO3, CaO, Ca(OH)2, HCl, HNO3…
Ngoài ra có thể tận dụng nƣớc thải có tính axit trung hòa nƣớc thải có tính kiềm hoặc ngƣợc lại.
2.2.1 Trung hòa bằng cách trộn nước thải chứa axit với nước thải chứa kiềm
Phƣơng pháp này cho xử lý nƣớc thải chứa axit hoặc chứa kiềm trong khu công nghiệp đƣợc tập trung lại để xử lý vì chế độ thải của các nhà máy không giống nhau. Nƣớc thải chứa axit thƣờng đƣợc thải một cách điều hòa ngày đêm và có nồng độ nhất định. Nƣớc thải chứa kiềm lại đƣợc thải theo chu kỳ, một hoặc hai lần trong một ca tùy thuộc vào chế độ công nghệ.
2.2.2 Trung hòa bằng cách cho thêm hóa chất vào nước thải
Phƣơng pháp này dùng để trung hòa nƣớc thải có chứa axit. Ngƣời ta phân biệt 3 loại nƣớc thải có chứa axit sau:
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
- Nƣớc thải chứa axit mạnh: HCl, HNO3, các muối canxi của chúng dễ tan trong nƣớc.
- Nƣớc thải chứa axit mạnh: H2SO4, H2CO3, các muối canxi của chúng khó tan trong nƣớc.
2.2.3 Trung hòa nước thải chứa axit bằng cách lọc qua lớp vật liệu lọc trung hòa
Đối với nƣớc thải chứa HCl, HNO3 và cả nƣớc thải H2SO4 với hàm lƣợng dƣới 5mg/l và không chứa muối kim loại nặng có thể dùng phƣơng pháp lọc qua lớp vật liệu lọc: đá vôi, magiezit,…
2.3 Bể trung hòa
Trong công nghiệp, sự trung hòa thƣờng đƣợc tiến hành trong một bể khuấy trộn, với thời gian trễ tối thiểu là 5 phút. Nếu thuốc thử có chứa chất rắn nhƣ vôi, thời gian trễ có thể lên đến 20 phút để vôi đƣợc hòa tan. Nếu không đủ thời gian trễ yêu cầu, các hạt rắn vôi sẽ tiếp tục phản ứng làm tăng độ pH cuối cùng của nƣớc thải vƣợt quá điểm kiểm soát. Điều tƣơng tự cũng xảy ra khi thuốc thử là một chất khí nhƣ NH3 hoặc CO2, nó cũng cần có thời gian để hòa tan.
Hình dạng của các bể trung hòa cũng là một yếu tố quan trọng, lý tƣởng nhất là thể tích chứa chất lỏng là hình khối. Trong một số quy trình trung hòa có thể yêu cầu nhiều hơn một bể. Bể ở thƣợng nguồn có thể cho phép tự trung hòa một số các chất thải, do đó tiết kiệm đƣợc thuốc thử. Trong khi đó bể ở hạ lƣu có tác dụng giảm bớt sự dao động của pH.
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
H2.4 Hệ thống điều khiển Ash pond, trong đó tái chế nước thải cho đến khi pH của nó đạt chỉ tiêu kỹ thuật
Chất thải đƣợc trung hòa trong một góc trộn của Ash pond, sau đó nó tràn xuống bể, ở đây không có quá trình trộn nên chất cặn rắn đƣợc lắng xuống. Vài giờ sau đó, pH của nó lại đƣợc đo tại cửa xả, nếu chất thải có pH nằm trong thông số kỹ thuật cho phép, nó đƣợc thải ra môi trƣờng. Nếu không, bơm tuần hoàn sẽ hoạt động và đƣa nƣớc thải quay trở lại cho đến khi nó đạt đƣợc thông số kỹ thuật yêu cầu.
2.4 Khuấy trộn chất lỏng
Quá trình trộn là cần thiết cho sự thống nhất của các thành phần trong bể. Trộn với tốc độ cao là cần thiết vì nó sẽ giảm thiểu thời gian trễ. Hình sau cho thấy 2 mô hình dòng chảy trong bể khuấy:
H2.5 mô hình dòng chảy trong bể khuấy, A- là mô hình được khuyến khích, B- là mô hình không mong muốn
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
Dòng nƣớc thải đƣợc đƣa đến một bể chứa, để tiến hành khuấy trộn với thuốc thử nhằm thay đổi độ pH. Nếu nƣớc thải có tính axit với độ pH=4, thì dòng thuốc thử sẽ là bazo với độ pH>10.
Độ pH đƣợc kiểm soát trong một bể. Với mô hình A- Ở đó, dòng nƣớc thải và dòng thuốc thử đƣợc chảy vào từ phía trên của bể. Sau đó, chất lỏng đƣợc khuấy trộn để thống nhất độ pH trong bể. Cuối cùng nƣớc thải đƣợc xả ra từ đáy của bể. Còn với mô hình B, trong khi dòng chảy vào từ dƣới đáy bể phải chảy đƣợc lên phía trên của bể, làm tăng gấp đôi thời gian trễ của phản ứng trung hòa độ pH.
Nhƣ đã biết để giảm thời gian trễ, tốc độ trộn cao là cần thiết. Một máy trộn xuyên tâm tốc độ thấp, sẽ giữ chất rắn lơ lửng, do đó tạo thời gian trễ nhiều, vì vậy ngƣời ta thƣờng sử dụng một chân vịt hoặc trục tuabin để khuấy trộn.
Nhìn chung, mức độ trộn ngƣợc có thể đƣợc xác định theo công suất bơm của máy khuấy, và có liên quan đến dòng chảy và thể tích của bể trung hòa. Tuy nhiên, thực tế thì mức độ trộn ngƣợc chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố nhƣ: cấu trúc của máy khuấy, tuabin, sự tiết lƣu của bể trung hòa và vị trí của ống dẫn nƣớc vào và của đầu đo điện cực.
Kinh nghiệm cho thấy, cách tốt nhất để xác định mức độ trộn ngƣợc là dựa trên tỷ lệ thời gian trễ với thời gian ổn định, nếu tỷ lệ này bằng 0.05 là điều khiển tốt nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình sau mô tả công suất bơm khuấy trên mỗi đơn vị thể tích theo tọa độ logarith. Mỗi đƣờng cong ứng với một thời gian trễ khác nhau, dựa trên số liệu thực nghiệm với bể có sức chứa: 200,1000,10000,18000gal (756, 3780, 37800, 68040 lit). Áp dụng cho bể hình khối có vách ngăn, tỷ lệ đƣờng kính cánh quạt với đƣờng kính bể dao động từ 0.25- 0.4.
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
H2.6 ảnh hưởng của thời gian trễ đến cường độ trộn
Theo tiêu chuẩn thì chiều cao cột chất lỏng nên bằng 100-150% chiều rộng hoặc là đƣờng kính của bể. và các thành mạch nên có vách ngăn để ngăn không cho chất lỏng quay.
2.5 Dải điều chỉnh van thuốc thử
Dải điều chỉnh van là tỷ số giữa lƣu lƣợng chất thử lớn nhất với lƣu lƣợng nhỏ nhất. Hai van song song có thể đƣợc sử dụng, nhƣng nó không đƣợc mở cùng một lúc. Khi van lớn hơn mở ra thì van nhỏ hơn phải đóng lại.
Các van có tỷ lệ kích thƣớc từ 20:1 trở lên, phải đƣợc thực hiện theo trình tự thích hợp, với tỷ lệ bằng nhau của các đƣờng đặc tính- nhƣ trong hình vẽ sau:
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
Trình tự của 2 van nhƣ trong hình vẽ trên, về cơ bản là một đặc tính duy nhất có dải điều chỉnh van xấp xỉ 1000:1, với một phần nhỏ chồng lên nhau ở giữa. Các dấu chấm trên đƣờng đặc tính là các giới hạn để hiệu chuẩn định vị van. Van nhỏ hơn đƣợc điều khiển trong phạm vi từ 0-52%, còn van lớn hơn đƣợc điều khiển trong phạm vi từ 48%- 100% của tín hiệu điều khiển.
Bởi vì tính tuyến tính là cần thiết đối với hầu hết các vòng pH. Mục đích là cho dòng chảy vào sẽ tuyến tính theo đầu ra điều khiển. Hình sau mô tả tỷ lệ phần trăm của 1 dòng chảy đặc trƣng có dải điều chỉnh van 1000:1. Và đƣờng cong hypecbol đặc trƣng đƣợc bù lại theo quan hệ:
( ) (1 ) / 100 m f m L L m
Trong đó: m là đầu ra bộ điều khiển, L là hệ số tuyến tính hóa. Nhƣ trong hình vẽ, để bù đầy đủ thì L=0.1
H2.8 Đường hypecbol có thể được bù bằng van có dải điều chỉnh 1000:1
Một cách khác đơn giản hơn để mở rộng dải điều chỉnh van là sử dụng một bộ điều khiển vị trí van (VPC) để điều khiển mở van lớn, trong khi bộ điều khiển pH sẽ điều khiển mở van nhỏ. VPC so sánh đầu ra của bộ điều khiển pH để thiết lập giá trị đặt bằng 50%, và di chuyển các van lớn hơn để điều khiển mở chậm chúng. Trong khi đó van nhỏ
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
hơn đƣợc điều khiển ngắn hạn, có xu hƣớng quay trở lại mở ở 50% tín hiệu điều khiển. Hình sau mô tả một vòng điều khiển phản hồi VPC cơ bản.
H2.9 Bộ điều khiển VPC-3 điều khiển mở van nhỏ 50%
Đôi khi, bộ điều khiển vị trí van VPC sẽ điều khiển đóng van lớn và nhƣ vậy sẽ ảnh hƣởng đến độ pH, vì lúc này dòng chảy đột ngột nhỏ lại. Hệ thống này cũng không đủ nhanh để phản ứng với sự thay đổi tải trọng bên ngoài phạm vi của van nhỏ.
Khi độ pH của nƣớc thải thay đổi ở cả 2 bên trung tính, thì các van axit và van bazo phải hoạt động theo thứ tự: van axit đƣợc mở trong khoảng từ 50-100%, còn van bazo đƣợc mở trong khoảng từ 50-0 của đầu ra bộ điều khiển. Định vị kỹ thuật số thông minh đƣợc khuyến khích trên tất cả các van đƣợc sử dụng trong điều khiển độ pH, cho dù có theo trình tự hay không.
2.6 Ống dẫn thuốc thử
Nếu chỉ đơn giản là thuốc thử rơi xuống mặt nƣớc trong bể thì nó sẽ không đƣợc phân tán đều. Thật vậy, khi ta đo độ pH và di chuyển ngẫu nhiên sẽ thấy đƣợc điều này. Để đọc độ pH đƣợc ổn định, ngƣời ta trộn dòng thuốc thử nhỏ với dòng nƣớc lớn hơn nhiều. Do đó, thuốc thử nên thêm vào bể tại thời điểm dòng vào. Khi van thuốc thử mở ra, dòng thuốc thử nên đƣợc đƣa ngay vào khu vực trộn, và ngƣợc lại dòng sẽ ngừng khi van thuốc thử đóng lại.
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
Đƣờng ống dẫn thuốc thử đôi khi đƣợc rửa với nƣớc. Tuy nhiên, trong 2 trƣờng hợp phổ biến sau thì điều này sẽ gây ảnh hƣởng không tốt:
+) Axit sunfuric đậm đặc sẽ không ăn mòn, do đó cho phép gang, thép mềm có thể đƣợc sử dụng cho các loại van và đƣờng ống. Nhƣng khi pha loãng nó sẽ ăn mòn mạnh vật liệu.
+) Với vữa vôi, nƣớc rửa có chứa CO2 sẽ phản ứng với vôi tạo thành canxi cacbonat CaCO3 rất cứng, cuối cùng nó sẽ đóng cặn trong đƣờng ống và rất khó loại bỏ đƣợc.
Vôi rất ít tan trong nƣớc, vì vậy nó đƣợc coi nhƣ bùn, và đƣờng ống phải đƣợc thiết kế cẩn thận sao cho tránh bị đóng cặn. Hình vẽ sau minh họa cách thực hiện, một thiết bị chuyển mạch mức( LS) đƣợc sử dụng trên bể bùn.
H2.10 Hệ thống điều khiển quá trình trung hòa vôi cơ bản
Nạp vôi vào bộ phận tiếp liệu và đồng thời mở van nƣớc khi ở mức thấp, và ngừng cấp khi ở mức cao, bằng cách ấy ta thêm vôi và nƣớc theo một tỷ lệ thích hợp.
Bơm tuần hoàn luôn luôn chạy, làm cho bùn chuyển động liên tục. Khi cần thiết, van bi- một loại van điều khiển sẽ kéo bùn từ các nhánh cho bể trung hòa. Và khi bơm tuần hoàn đóng lại, các chất rắn sẽ rơi xuống, tránh bị đóng cặn.
2.8 Các giai đoạn có thể có của hệ thống điều khiển độ pH (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc dùng thuốc thử trong phạm vi 1% là một kỳ vọng tốt nhất. Nó sẽ đƣa độ pH của nƣớc thải từ pH=4 hoặc 10 về pH= 71, hoặc đƣa đô pH của nƣớc đệm nhẹ từ 3 hoặc 11 về pH=71, và nƣớc thải có đệm từ pH=2 hoặc 12 về pH=6-9.
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
Khi nhu cầu thuốc thử lớn hoặc đệm ít hơn thì một giai đoạn duy nhất có thể không đủ. Khi van không chính xác, làm độ pH của nƣớc thải có thể quay vòng quá đơn giản, và nhƣ vậy cần đến giai đoạn thứ hai. Trong trƣờng hợp độ pH của dung dịch là 0-1 hoặc 13-14 thì cần thêm một giai đoạn thứ ba.
Nói cách khác, để khắc phục những biến đổi dòng chảy và các vấn đề trễ của van, ngƣời ta sử dụng một hệ thống gồm 3 bể, tăng dần về kích thƣớc bể, nhƣ trong hình vẽ sau. Trong mỗi giai đoạn xử lý đều có vòng pH khép kín.
H2.11 Ba giai đoạn của hệ thống điều khiển độ pH
Dòng nƣớc thải đƣợc đƣa vào bể đầu tiên. Ở bể đầu tiên này sử dụng một van lớn để điều khiển dòng thuốc thử chảy vào với mục đích trung hòa hầu hết dòng nƣớc thải chảy đến. Điểm đặt ở giai đoạn này là pH=1 hoặc pH=13. Vì mục đích của hệ thống 3 bể này là trung hòa qua từng giai đoạn.
Sau đó, nƣớc thải từ bể đầu đƣợc đƣa trực tiếp vào bể thứ hai. Bể thứ hai này có thể lớn gấp 20 lần so với bể đầu và sử dụng một van nhỏ hơn van của bể đầu là 20 lần. Điểm đặt ở giai đoạn này là pH=3 hoặc pH=11.
Cuối cùng, nƣớc thải từ bể thứ hai đƣợc đƣa trực tiếp vào bể thứ 3. Kích thƣớc của bể thứ 3 này là lớn gấp 20 lần bể thứ 2 và sử dụng van nhỏ hơn van của bể thứ 2 là 20
Chƣơng 2 Đặc tính của đối tƣợng pH
lần( tức là nhỏ hơn van đƣợc sử dụng trong bể đầu là 400 lần). Điểm đặt cho bể cuối này là pH=7 đến pH=8.
Bể đầu tiên có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ và sử dụng van lớn, mục đích là để kiểm soát độ pH ở giá trị 1 hoặc 13. Khi nƣớc thải lần lƣợt chảy qua các bể, thì pH của nó gần với giá trị pH=7÷8. Do đó, ở bể cuối cùng chỉ cần một điều chỉnh nhỏ sẽ có đƣợc giá trị pH mong muốn. Vì vậy ở giai đoạn thứ 3 này ta có thể chỉ cần sử dụng một van nhỏ và tăng kích thƣớc của bể mà không ảnh hƣởng đến giá trị pH.
Việc sử dụng 3 bể để điều khiển độ pH sẽ tốn kém hơn nhiều so với sử dụng một bể, nhƣng nó lại cực kỳ hiệu quả.
Chƣơng 3 Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển
Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Đặc điểm của quá trình điều khiển độ pH cho các quá trình công nghiệp rất khác nhau, mức độ phi tuyến cao. Đối với các hệ thống mà đầu vào biến đổi theo thời gian, yêu cầu đáp ứng đầu ra có độ chính xác cao thì nhiệm vụ điều khiển rất phức tạp.
Nếu đƣợc thiết kế tốt, hệ thống điều khiển sẽ mang lại chất lƣợng tốt với cấu trúc đơn giản. Ngƣợc lại ngay cả với những hệ thống có cấu trúc phức tạp sẽ không mang lại chất lƣợng tốt hoặc sẽ bị lỗi trong quá trình vận hành nếu không đƣợc thiết kế tốt- điển hình là hệ thống điều khiển feedforward.
Do pH là đối tƣợng có tính phi tuyến lớn, nên để điều khiển nồng độ pH có thể dùng các phƣơng pháp nhƣ PID, bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov, điều khiển mờ…. Sau đây, em xin giới thiệu các phƣơng pháp này:
3.1 Thuật toán PID trong điều khiển các thiết bị công nghiệp 3.1.1 Giới thiệu về thuật toán PID 3.1.1 Giới thiệu về thuật toán PID
Thuật toán điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là thuật toán đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển công nghiệp. Tùy theo các ứng dụng cụ thể mà thuật toán tổng quát PID có thể có các dạng PI, PD,..., PID. Khi bài toán đòi hỏi độ chính xác cao, tính ổn định, thời gian làm việc lâu thì ngƣời ta sử dụng thuật toán điều khiển PID.
Trƣớc hết ta khảo sát bộ PID làm việc thế nào trong hệ kín. Biến e là thành phần sai