Chương 1: Nghiên cứu tổng quan. Chương 2: Thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa. Chương 3: Chưng cất thực nghiệm hệ Ethanol-nước. Chương 4: Phân tích kết quả và bàn luận.
❖ Mục tiêu, phương hướng đề tài: Xây dựng mô hình giải pháp hệ thống điều khiển cho thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm. ❖ Tóm tắt nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển tự động các thông số công nghệ của thiết bị chưng cất: Lưu lượng nhập liệu, nhiệt độ nhập liệu, áp suất trong tháp chưng cất, nồng độ sản phẩm đỉnh (thông qua nhiệt độ), mức lỏng ở bình tách lỏng, mức lỏng ở đáy tháp. Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát và vận hành hệ thống chưng cất. vi NGUYỄN HỒNG HẢI ABSTRACT In chemical engineering, automation controls processes that have a direct and immediate impact on plant quality, productivity, and production efficiency.
Improving and renewing the automatic control system of processes always brings high economic efficiency because the investment cost is much lower than the investment in changing technology or manufacturing new equipment. Most of the automatic control systems for chemical technology lines are designed, manufactured and transferred by foreign experts. In order to receive, operate and learn more about the automatic system in the production process, it is necessary to have a team of technical staff who are more intensively trained in both the fields of chemical technology and control. Currently, specialized training in process automation is not popular.
For the current process and equipment laboratories, only have access to experimental equipment, there is still very little control in the control system, especially there is no control system for mechanical processes. such as distillation, reaction, concentration. Currently, domestic training institutions still face many difficulties in teaching about process automation, especially the lack of experimental models for students to practice to familiarize themselves with and approach reality. The current experimental models in the school are only at the level of manual control, observing technological parameters on display clocks; lack of control and automatic control.
With the current learning conditions, students who do not have access to control systems face many difficulties when working in control rooms of factories. Therefore, the equipping of automated experimental models is a very urgent need today of the facilities in order to improve the quality of technical staff training. Controlling the distillation process is also one of the important conditions for system operation. Various methods have been used to simulate the process as well as control the distillation process at the laboratory and industrial scale.
However, these control studies also focus mainly on ethanol- water distillation. In addition, research on the above device is still being carried out in order to increase the understanding of the process and thereby control the process stably and efficiently. vii NGUYỄN HỒNG HẢI Current studies are only at the level of simulating control variables through mathematical models[9]. Surveying the parameters of the controller, building a control system solution model on a real system helps us to operate the parameters in the process with greater accuracy and reliability.
With the direction of Dr. Author Bui Ngoc Pha selected the topic "Research and build an automatic control system for laboratory-scale distillation equipment" The thesis consists of four chapters: Chapter 1: Overview. Chapter 2: Design and manufacture automation systems. Chapter 3: Experimental distillation of the Ethanol-water system.
Chapter 4: Results analysis and discussion. ❖ Objectives and directions of the topic: Building a control system solution model for laboratory-scale distillation equipment. ❖ Summary of the topic: Research and design automatic control system of technological parameters of distillation equipment: Input flow, input temperature, pressure in the distillation tower, peak product concentration (through temperature) , liquid level in the liquid separator, liquid level at the bottom of the tower. Design the control interface, monitor and operate the distillation system.
viii NGUYỄN HỒNG HẢI LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Hồng Hải Sinh ngày 25 tháng 03 năm 1998 Học viên lớp cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Hóa Học - Khóa 2021 - Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Hiện đang công tác tại PTN Quá Trình và Thiết Bị - Khoa Kỹ Thuật Hóa Học - Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm” do thầy giáo TS. Bùi Ngọc Pha hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng, thông tin chi tiết tại mục “Tài liệu tham khảo” của đề tài này. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của giảng viên hướng dẫn. Tác giả sẽ hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của đề tài. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022 Nguyễn Hồng Hải ix NGUYỄN HỒNG HẢI MỤC LỤC 1.
Mục tiêu, nội dung của đề tài:. Hệ thống chưng cất ethanol-nước:. Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Ethanol-nước:. Lý thuyết điều khiển quá trình:.
Quá trình và các biến quá trình:. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình. Tính toán thiết kế:.
Tính suất lượng và thành phần các dòng. Tính số mâm Lý thuyết và Thực tế:. Tính đường kính tháp. THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA.
Khảo sát hệ thống chưng cất. Điều khiển hệ thống chưng cất. Cấu trúc hệ thống tự động hóa. Đại lượng điều chỉnh:.
Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển tự động:. Lý thuyết tính toán thông số PID. Xác định các thông số của bộ điều khiển PID. Xác định hàm truyền và thông số hiệu chỉnh của thông số công nghệ quá trình chưng cất.
Chưng cất thực nghiệm hệ ethanol-nước. Dữ liệu ban đầu:. 45 x NGUYỄN HỒNG HẢI 3. Khảo sát thực tế:.
Kết quả và bàn luận. Khó khăn và giải pháp:. Đánh giá chất lượng điều khiển:. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO:.
Code lập trình hệ thống. Một số thí nghiệm khảo sát thông số công nghệ:. Thông số nhiệt độ dòng nhập liệu vào tháp:. Thông số lưu lượng dòng nhập liệu vào tháp:.
Thông số áp suất trong tháp. 88 xi NGUYỄN HỒNG HẢI PHỤ LỤC HÌNH Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống chưng cất. 3 Hình 2: Quá trình và phân loại biến quá trình. 6 Hình 3: Cách thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình.
11 Hình 4: Đồ thị đáp ứng của bộ điều khiển On/Off. 13 Hình 5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID. 14 Hình 6: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết. 18 Hình 7: Sơ đồ hệ thống chưng cất.
21 Hình 8: Sơ đồ P&ID hệ thống chưng cất. 24 Hình 9: Vòng điều khiển lưu lượng nhập liệu. 26 Hình 10: Vòng điều khiển nhiệt độ nhập liệu. 27 Hình 11: Vòng điều khiển áp suất trong tháp.
28 Hình 12: Vòng điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh. 29 Hình 13: Vòng điều khiển mức lỏng trong bình tách lỏng. 30 Hình 14: Vòng điều khiển mức lỏng ở đáy tháp. 30 Hình 15: Minh hoạ cho đáp ứng quá độ.
31 Hình 16: Cấu trúc với khâu phản hồi rơ-le. 35 Hình 17: Sơ đồ khối Matlab Simmulink cho hàm truyền lưu lượng nhập liệu. 42 Hình 18: Đồ thị mô phỏng thông số PID tối ưu cho lưu lượng nhập liệu. 42 Hình 19 : Sơ đồ khối Matlab Simmulink cho hàm truyền nhiệt độ nhập liệu.
43 Hình 20: Đồ thị mô phỏng thông số PID tối ưu cho lưu lượng nhập liệu. 44 Hình 21: Giao diện chính điều khiển và giám sát thiết bị chưng cất. 45 Hình 22: Giao diện điều khiển và giám sát thiết bị chưng cất đang chạy tự động. 46 Hình 23: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ nhập liệu.
86 Hình 24: Sơ đồ khối công nghệ của thông số nhiệt độ nhập liệu. 86 xii NGUYỄN HỒNG HẢI Hình 25: Giao diện khảo sát nhiệt độ nhập liệu vào tháp. 87 Hình 26: Sơ đồ điều khiển lưu lượng nhập liệu. 87 Hình 27: Sơ đồ khối công nghệ của thông số lưu lượng nhập liệu.
88 Hình 28: Giao diện khảo sát lưu lượng nhập liệu vào tháp. 88 Hình 29: Sơ đồ điều khiển áp suất trong tháp. 89 Hình 30: Sơ đồ khối công nghệ của thông số áp suất trong tháp. 89 Hình 31: Giao diện khảo sát áp suất trong tháp.
Mục tiêu, nội dung của đề tài: ❖ Mục tiêu, phương hướng đề tài: Xây dựng mô hình giải pháp hệ thống điều khiển cho thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm. ❖ Tóm tắt nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển các thông số công nghệ của thiết bị chưng cất (Lưu lượng nhập liệu, nhiệt độ nhập liệu, áp suất trong tháp chưng cất, nồng độ sản phẩm đỉnh - thông qua nhiệt độ, mức lỏng ở bình tách lỏng, mức lỏng ở đáy tháp) Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát và vận hành hệ thống chưng cất. Hệ thống chưng cất ethanol-nước: Lý thuyết về chưng cất: a) Phương pháp chưng cất: Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi cao (nhiệt độ sôi thấp), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi cao). Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Etanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít Etanol. Các phương pháp chưng cất được phân loại theo: 1 NGUYỄN HỒNG HẢI - Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. - Nguyên lý làm việc: chưng cất gián đoạn (chưng đơn giản) và chưng cất liên tục. * Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau: ➢ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
