Sau khi ta tính toán được các giá trị thể tích của các thiết bị nói trên. Tiến hành chạy Hysys để hiệu chỉnh các kích thước trên mang tính kinh tế hơn và các kích thước về bơm, thiết bị trao đổi nhiệt cũng được xác lập. Ta được kết quả sau:
TBPƯ reR p R 1 R 2 V (m3) 0 ,975 2 8,74 5 6,976 Đường kính (m) ,939 0 ,9 2 ,643 3 Chiều cao (m) 1 ,408 4 ,35 5 ,465
Đối với thiết bị tách loại với lưu lượng 246.4 (m3/h) ta được kết quả như sau:
Thiết bị tách PP Thời gian lưu (h) 25.74
Số ngăn 1 Diện tích 1 ngăn (m2) 14,2 Tổng diện tích (m2) 14,2 Đường kích hạt (mm) 1 Diện tích túi (m2 ) 1,48 Đường kính túi (m) 0,3 Số túi / ngăn 78 Tốc độ dòng khí(m/s) 0,005 Bước túi(m) 0,02 5.2. CÁC THIẾT BỊ PHỤ KHÁC Các máy bơm
Có 3 máy bơm kí hiệu lần lượt P-100, P-101, dùng bơm dòng Propylene nguyên liệu, và xúc tác.Với độ tăng áp qua các bơm là 11 bar. Khi chạy Hysic ta thu được các thông số kĩ thuật của bơm như sau.
Thiết bị P-100 P-101
Áp suất toàn phần (m) 219,8 55,56 Công suất toàn phần (kcal/h) 2573 0,135
Hiệu suất bơm ( %) 75 75
Tốc độ quay của bơm(rpm) 1800 1800
NPSH 279 126
Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt E-01 làm lạnh dòng propylene trước khi vào thiết bị trộn xúc tác trước khi vào thiết bị tiền phản ứng (PreR);
Thiết bị trao đổi nhiệt E-02, gia nhệt dòng propylen trước khi đi vào thiết bị phản ứng thứ nhất ( R1 );
Thiết bị trao đổi nhiệt E-03, gia nhiệt dòng propylene trước khi vào thiết bị phản ứng thứ hai ( R2 )
Thiết bị trao đổi nhiệt E-04, hóa hơi propylene lỏng chưa phản ứng trước khi vào thiết bị tách;
Khi tiến hành mô phỏng ta biết được lưu lượng của dòng nước làm lạnh và làm nóng dòng propylene qua các thiết bị trao đổi nhiệt E-01, E-02, E-03, E-04 lần lượt là 2200 (kg/h), 292.7(kg/h), 730(kg/h), 134720(kg/h). Ta tiến hành thiết kế để tính toán các thông số thiết bị trao đổi nhiệt như sau:
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Heat exchanger. Double click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt - trong phần Connections.
Dòng vật chất đi trong ống là dòng Propylen, dòng đi ngoài ống là dòng nước gia nhiệt (Chọn dòng vật chất đi trong ống hay ngoài ống phụ thuộc nhiều yếu tố: nhiệt độ, loại lưu chất… Nhưng thông thường dòng đi trong ống là dòng lạnh, dòng đi ngoài ống là dòng nóng).
Hình 35 : Xây dựng thiết bị trao đổi nhiệt
Trong phần Parameters chọn cách thức trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Model )là trong phạm vi mô phỏng tĩnh (Steady state rating). Nhập tổn thất áp suất cho dòng đi trong ống và ngoài ống.
Hình 36 : Xác lập tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt
Hình 37 : Xác lập lưu lượng hơi thấp áp
Ta hoàn tất việc nhập thông số cho thiết bị trao đổi nhiệt. Hysic tự tính các thông số kích thước thiết bị. Tương tự ta thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt còn lại.
Bảng 13 : Thông số kích thước thiết bị.
Thiết bị E - 01 E - 02 E - 03 E- 04
Loại ( TEMA) AES
Đường kính vỏ thiết bị, mm 197 796 2554 1091
Số ống 30 160 480 320
Bố trí ống Kiểu tam giác
Đường kính ngoài ống, mm 18 20 24 20
Đường kính trong của ống, mm
14 16 18 16
Chiều dài ống, m 2 3 6 4
Bề mặt trao đổi nhiệt (m2) 10 60 217 80
Số pass ống 2 2 2 2
Tổn thất áp ngoài ống, KPa 200 200 500 500
CHƯƠNG 6
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CỦA QUÁ TRÌNH[31]
6.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trong ngành điều khiển tự động có hai loại chính đó là điều khiển có khả năng đóng hoặc mở (discrete control) và điều khiển quá trình (process control).
6.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển
6.1.1.1. Điều khiển đóng mở
Điều khiển đóng mở là hệ thống điều khiển tự động thường được sử dụng cho các nhà máy lắp ráp. Trong ngành công nghiêp hoá học nói chung cũng như trong ngành công nghệ lọc dầu và chế biến khí nói riêng, điều khiển đóng mở tuy không phổ biến nhưng cũng là không thể thiếu và có vai trò quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng start up, shutdown, an toàn nhà máy.
Những đầu vào, đầu ra của loại điều khiển này chỉ ở một trong hai trạng thái đóng hay mở (on hay off). Phương pháp điều khiển của loại này là logic, với cổng OR, AND, NAND vv....Cách đây 40 năm bộ điều khiển của loại này là một hệ thống rơle và rơle thời gian đặt trong tụ bảng. Với sự phát triển của ngành điện tử, bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Control) ra đời làm cho hệ thống rơle trở nên lỗi thời.
6.1.1.2. Điều khiển quá trình
Trong các nhà máy lọc dầu, hoá dầu, chế biến khí, người ta sử dụng chủ yếu loại điều khiển này. Quá trình sản xuất là liên tục, các thông số điều khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, độ pH, nồng độ vv...
Thiết bị đầu vào thường là từ các bộ chuyển đổi tín hiệu cho ra tín hiệu tương tự dạng chuẩn như 4-20 mA hoặc 3-15 psig. Thiết bị đầu ra thông thường là các van điều khiển. Phương pháp điều khiển thường là thuật toán điều khiển tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân (Differential) viết tắt là PID. [3]
6.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy hiện đại
Do đặt thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trong một diện tích lớn và có rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu hết các nhà máy lọc dầu hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System). Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống nhỏ hơn nằm phân tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ đảm bảo quá trình điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự quản lý của các hệ thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín hiệu với các hệ thống chủ. Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý trực tiếp các thiết bị tại hiện trường như van, cảm biến, mô tơ...
Tập hợp tất cả các dữ liệu từ các hệ thống phân tán ở từng phân xưởng sẽ được gởi lên các hệ thống cấp cao hơn, các hệ thống này thường được tập trung ở phòng
điều khiển trung tâm của nhà máy, nơi mà các kỹ sư vận hành và nhà quản lý trực tiếp đưa ra những quyết định về chế độ hoạt động của nhà máy.
Ra đời từ giữa những năm 70, hệ thống điều khiển phân tán DCS đã mang đến một cuộc cách mạng thực sự cho phòng điều khiển trung tâm của các nhà máy lọc dầu bằng cách số hoá những vòng điều khiển và biểu diễn thông tin của quá trình lên màn hình điều khiển.
Hình 38 : Mô hình hệ thống điều khiển DCS
Những lợi thế mà DCS mang lại có thể kể ra như
Đảm bảo an toàn cao trong quá trình hoạt động.
Lưu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động phục vụ cho công tác thống kê, nghiên cứu, hoạch định chiến lược.
Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy.
Các module tính toán cho phép triển khai các chiến lược điều khiển nhằm mục đích tối ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế.
Giao diện thân thiện với người vận hành bằng ngôn ngữ và hình ảnh...
6.1.3.BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
6.1.3.1. Vai trò của bộ điều khiển PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần gồm khâu khuyếch đại P (Proportional), khâu tích phân I (Integral) và khâu vi phân D (Differential).
Hình 39 : Sơ đồ hoạt động của khâu PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng theo nguyên lý hồi tiếp, đặc biệt là trong ngành công nghiệp quá trình, trong đó nổi bật nhất là lĩnh vực dầu khí. Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản về cấu trúc của nó lẫn nguyên lý làm việc. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) giữa giá trị đặt SP và giá trị thực tế PV về không sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng.
Bộ điều kiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra theo phương trình sau u(t) = kp[ e(t) + i T 1 dt t e t ∫ 0 ) ( + Td dt t de( ) ] Trong đó
Kp là hệ số khuyếch đại, đặt trưng cho khâu tỉ lệ. Ti là hằng số tích phân, đặt trưng cho khâu tích phân. Td là hằng số vi phân, đặt trưng cho khâu vi phân. Đây là ba thông số đặt trưng cho bộ điều khiển PID.
Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào ba thông số này. Muốn có hệ thống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các thông số Kp, Ti, Td cho phù hợp
6.1.4. Lựa chọn khâu tác động và các thông số đặt trưng cho PID
Nhiệm vụ của việc thiết kế bộ điều khiển PID cho một quá trình cụ thể là Lựa chọn khâu tác động
Tính toán các thông số đặt trưng cho từng khâu
Không phải bao giờ cũng dùng cả ba khâu này trong một vòng điều khiển. Thông thường tác động P + I được dùng để điều khiển các thông số thay đổi nhanh như điều khiển mức, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng.
Tác động P+I +D được dùng để điều khiển các thông số thay đổi chậm như điều khiển nhiệt độ, điều khiển độ pH, điều khiển nồng độ.
Việc lựa chọn các thông số đặt trưng cho mỗi khâu thông thường được căn cứ vào hàm truyền của quá trình.
Ngày nay có một số bộ điều khiển hiện đại có thể tự động lựa chọn các khâu điều khiển và kể cả việc thiết đặt các thông số đặt trưng cho từng khâu.
Bảng sau trình bày kinh nghiệm lựa chọn khâu điều kiển và các thông số đặc trưng cho mỗi khâu ứng với từng quá trình cụ thể ứng dụng trong mô phỏng động của phần mềm HysysDynamic
Bảng 14 : Khoảng kinh nghiệm các khâu của PID[32]
Qúa trình Kp Ti (phút) Td (phút)
Điều khiển nhiệt độ 2-10 2-10 0-5
Điều khiển áp suất 2-10 2-10 Không sử dụng
Điều khiển mức (khâu P) 2 Không sử dụng Không sử dụng
Điều khiển mức (khâu PI) 2-10 1-5 Không sử dụng
Điều khiển lưu lượng 0.4-0.65 0.05-0.25 Không sử dụng Trên đây là bốn quá trình điều khiển cơ bản, tất cả các vòng điều khiển trong thực tế đều là sự cấu thành của các thành phần trên. Khâu PID rất ít được sử dụng trong thực tế điều khiển quá trình, hầu hết tất cả các quá trình đều có thể điều khiển được bằng khâu PI nếu lựa chọn đúng các thông số đặt trưng.
6.1.5. Hệ thống điều khiển trong nhà máy sản xuất POLYPROPYLEN
Hệ thống điều khiển của nhà máy rất phức tạp. Gồm có các bộ điều khiển nhiệt độ , áp suất, nồng độ, khối lượng riêng, lưu lượng…Có thể biểu diễn theo sơ đồ sau.
Hình 40 : Sơ đồ hệ thống điều khiển trong nhà máy sản xuất PP
6.1.5.1. Bộ điều khiển lưu lượng : Gồm các thiết bị điều khiển lưu lượng :
Dòng nguyên liệu Propylen Dòng nguyên liệu hydro Dòng Xúc tác
Các dòng Propylen vào các thiết bị trao đổi nhiệt. Dòng nước làm lạnh, nước gia nhiệt.
6.1.5.2. Bộ điều khiển nhiệt độ
Gồm các thiết bị điều khiển :
Nhiệt độ các dòng Propylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt. Nhiệt độ các thiết bị phản ứng
Nhiệt độ dòng Polypropylen – Propylen ra khỏi thiết bị hóa hơi Propylen.
6.1.5.3. Bộ điều khiển nồng độ
Điều khiển nồng độ Propylen trong thiết bị phản ứng thông qua điều khiển độ chuyển hóa của phản ứng ( thực tế điều khiển khối lượng riêng của hệ nhũ tương của các thiết bị phản ứng )
6.1.5.4. Bộ điều khiển mức
Thiết bị điều khiển mức PP trong thiết bị tách.
Thiết bị điều khiển tốc độ dòng khí Propylen ra khỏi thiết bị
6.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ THÔNG SỐ DÒNG VẬT CHẤTBẰNG HYSIS BẰNG HYSIS
( Ở đây ta chỉ lấy một ví dụ về cách điều khiển các thông số dòng vật chất qua thiết bị trao đổi nhiệt )
Cụ thể ta xét quá trình và phương pháp điều khiển nhiệt độ dòng Propylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt trước khi vào thiết bị phản ứng thứ hai ( R2 )
Gồm có các bước sau :
6.2.1. Tiến hành và hoàn tất mô phỏng tỉnh quá trình trao đổi nhiệt của dòngPropylen : Propylen :
Hình 41 : Thiết bị trao đổi nhiệt 6.2.2. Xây dựng hệ thống điều khiển PID cho thiết bị :
Gồm có các thiết bị điều khiển như sau :
FIC-100 : Thiết bị điều khiển lưu lượng hơi thấp áp vào thiết bị trao đổi nhiệt thông qua độ mở van VLV-101.
FIC-101 : Thiết bị điều khiển lưu lượng dòng Propylen vào thiết bị trao đổi nhiệt thông qua điều khiển độ mở van VLV-100.
TIC-100 : Thiết bị điều khiển nhiệt độ dòng Propylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt thông qua điều khiển độ mở van VLV-101.
Hình 42 : Hệ thống điều khiển thiết bị trao đổi nhiệt
Cách thức thiết lập một thiết bị điều khiển:
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Control Ops → PID Controller.
Hình 43 : Xây dựng hệ thống điều khiển
Trong phần Connections tại mục Process Variable Source chọn biến điều khiển là nhiệt độ dòng PRO11 như sau
Hình 44 : Xác lập biến điều khiển
Tại mục Output Target Object chọn đối tượng thay đổi (là độ mở van VLV- 102).
Trong phần Parameters điền các thông số Kc, Ti, Td, khoảng giá trị nhiệt độ tối thiểu, tối đa.
Tương tự ta thiết lập các thiết bị điều khiển còn lại FIC-100, FIC-101. Sau khi
xây dựng hệ thống các thiết bị điều khiẻn ta kích chuột vào nút Dynamics Assistant
trên thanh công cụ và chọn Make Change→ Finish.
Sau đó vào Tool → Chọn Databook (hoặc Ctrl D), Tại mục Variables → insert
các dòng vật chất như sau :
Hình 45 : Quá trình điều khiển
Tại mục Strip Chats ta đánh dấu tick vào các mục đã chọn và kích vào Strip Charts để hiển thị đường biều diễn sự thay đổi nhiệt độ, lưu lượng… khi các biến còn lại thay đổi.
Cuối cùng kích vào nút Intergrator active trên thanh công cụ (hoặc vào
Simulation → Intergrator) để chuyển qua trạng thái mô phỏng động. Ta xem như hoàn tất việc mô phỏng động của một thiết bị. Tương tự ta có thể mô phỏng động sự thay đổi các thông số của tất cả các thiết bị còn lại.
Hình 46 : Hệ thống điều khiển thiết bị trao đổi nhiệt
Tương tự ta có thể tiến hành mô phỏng động để xây dựng hệ thống điều khiển các thiết bị còn lại. Vì số liệu còn chưa chính xác so với thực tế nên chưa thể mô phỏng động toàn bộ nhà máy cùng một lúc mà chỉ có thể xây dựng hệ thống điều khiển của từng thiết bị và từng khu vực trong nhà máy.
Tài liệu tham khảo của Chương I [1] http://UOP.com/products/UOP Propylene Recovery Unit.
Thế Nghĩa, Tình hình và triển vọng phát triển ngành Hóa dầu trên thế giới, Tập Chí Công Nghiệp Hoá Chất, số 08 – 2003, [http://www.vinachem.com.vn/.
[2] http://www.airliquide.com/en/business/products/Propylene.
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Propylene.
[4] Người dịch Nguyễn Đức Chung, Hoá Học Hữu Cơ Hiện Đại. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1981.
GS.TS. Phan Minh Tân, Tổng hợp hữu cơ và Hoá dầu, tập I. NXB - ĐHQG TP.Hồ Chí Minh.
[5] Handbook-Propylene Polymers.pdf.
[6] http://www.airliquide.com/en/business/products/Hydrogen.
[7],[ 8 ], [ 9 ] Hoàng Nhâm, Hoá học vô cơ, tập I. Nhà xuất bản Giáo dục, 2000.
[10] Handbook-Propylene Polymers.
[11], [12] http://en.wikipedia.org/wiki/Polypropylene.
[13] Jean – Maire BÉCHET – Polypropylènes.
[14] http://www.pslc.ws/mactest/pp.htm.
[15] Jean – Maire BÉCHET – Polypropylènes.
[16] http://www.polysurfacesbookstore.com/keyword/id=Polypropylene.
[17],[18], [19], [20] Handbook-Propylene Polymers.pdf.