Luận văn thạc sĩ về thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất rượu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Vũ Tuấn Kiệt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Tài
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Cho Tháp Chưng Cất Rượu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT
• 1.1. Quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất rượu
• 1.2. Chọn mô hình tháp chưng cất phù hợp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm chưng cất
• 2.2. Xây dựng quy trình điều khiển cho hệ thống chưng cất
• 2.3. Phương án điều khiển cho hệ thống
• 2.4. Các bộ điều khiển có thể sử dụng trong hệ thống
• 2.5. Độ trễ của hệ thống
• 2.6. Phương pháp ước lượng thời gian trễ của hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
• 3.1. Mô phỏng hệ thống chưng cất rượu
• 3.2. Bài toán nhận dạng mô hình có tham số
• 3.3. Thuật toán đệ quy ước lượng tham số
• 3.4. Tiêu chí đánh giá chất lượng của bộ điều khiển
• 3.5. Thiết bị và hệ thống thực tế
• 3.6. Xác định nồng độ sản phẩm đỉnh
• 3.7. Giao diện điều khiển và giám sát
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab
• 4.2. Triển khai điều khiển hệ thống thực tế
• 4.3. Kết luận và hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống chưng cất

Hệ thống chưng cất là một quá trình quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến rượu, đặc biệt là trong việc tách ethanol từ hỗn hợp nước. Quá trình này dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp. Hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất cần phải được thiết kế để đảm bảo rằng nồng độ sản phẩm đạt yêu cầu. Một tháp chưng cất điển hình bao gồm nồi hơi, bình ngưng và các mâm, nơi mà việc tách biệt các cấu tử được thực hiện. Việc hiểu rõ quy trình này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm đầu ra.

1.1 Khái niệm về chưng cất

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi. Trong quá trình này, các cấu tử dễ bay hơi sẽ được tách ra và thu hồi dưới dạng sản phẩm. Sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi trong tháp chưng cất là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao. Hệ thống cần phải được điều khiển một cách chính xác để đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng có nồng độ cao nhất có thể.

II. Quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất rượu

Quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất rượu bắt đầu từ việc bơm hỗn hợp ethanol và nước vào nồi đun. Hỗn hợp này được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, sau đó được đưa vào tháp chưng cất. Tại đây, hơi sẽ đi lên và gặp chất lỏng từ dòng hồi lưu, tạo ra sự tiếp xúc giữa hai pha. Quy trình chưng cất này cần được điều khiển một cách chính xác để tối ưu hóa nồng độ sản phẩm. Các yếu tố như nhiệt độ, lưu lượng dòng hồi lưu và dòng nhập liệu đều có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm chưng cất

Một số yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm chưng cất bao gồm hệ số hồi lưu, lưu lượng và nhiệt độ dòng nhập liệu. Hệ số hồi lưu cao giúp tăng nồng độ sản phẩm, trong khi lưu lượng dòng nhập liệu cần được điều chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng, nếu quá cao hoặc quá thấp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao chất lượng sản phẩm.

III. Giải pháp thực hiện

Để nâng cao hiệu suất của hệ thống chưng cất, việc áp dụng các bộ điều khiển như PID kết hợp với bộ dự báo Smith và Cascade là rất cần thiết. Các bộ điều khiển này sẽ giúp cải thiện chất lượng điều khiển, giảm thiểu tác động của thời gian trễ và tối ưu hóa quy trình chưng cất. Mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy rằng việc sử dụng các bộ điều khiển này mang lại hiệu quả cao hơn so với việc vận hành bằng tay hoặc bán tự động. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc áp dụng công nghệ hiện đại trong việc điều khiển hệ thống chưng cất.

3.1 Mô phỏng hệ thống chưng cất rượu

Mô phỏng hệ thống chưng cất rượu trên phần mềm Matlab giúp đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển trong việc duy trì nồng độ sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ dự báo Smith giúp cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển, giảm thiểu ảnh hưởng của thời gian trễ. Điều này cho phép hệ thống hoạt động ổn định hơn và đạt được nồng độ sản phẩm mong muốn một cách hiệu quả.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn này đã nghiên cứu và thiết kế một hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất rượu, áp dụng các công nghệ hiện đại nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trong thiết kế hệ thống điều khiển sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các giải pháp tối ưu hơn trong tương lai. Hệ thống này không chỉ có giá trị trong ngành công nghiệp chế biến rượu mà còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác liên quan đến chưng cất và tách biệt cấu tử.

4.1 Hướng phát triển tiếp theo

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp điều khiển thông minh hơn, áp dụng công nghệ tự động hóa và trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quy trình chưng cất. Việc nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất cũng sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và hiệu suất của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ethanol là nguồn nhiên liệu sinh học tái tạo quan trọng, đóng vai trò chiến lược trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào dầu mỏ với tỷ lệ phối trộn lên đến 15% trong động cơ đốt trong hiện đại, đồng thời là dung dịch sát khuẩn thiết yếu đạt chuẩn y tế từ 70% đến 96%. Tuy nhiên, quá trình chưng cất ethanol trong công nghiệp luôn đối mặt với bài toán phức tạp do tính chất phi tuyến mạnh, sự tương tác đa biến và đặc biệt là thời gian trễ nhiệt kéo dài xấp xỉ 40 giây trên đường ống và bồn gia nhiệt. Việc vận hành thủ công hoặc sử dụng các vòng điều khiển phản hồi đơn lẻ thường dẫn đến hiện tượng dao động nhiệt độ lớn, làm suy giảm hiệu suất tách và gây lãng phí từ 15% đến 25% năng lượng tiêu thụ tại nồi đun đáy tháp.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán kiểm soát chất lượng sản phẩm đỉnh bằng cách thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp cho tháp chưng cất cồn mâm xuyên lỗ gồm 6 mâm. Mục tiêu cốt lõi là triển khai thành công bộ dự báo Smith Predictor nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của độ trễ nhiệt dòng nhập liệu, kết hợp cấu trúc điều khiển nối tiếp Cascade để ổn định lưu lượng dòng hồi lưu, đảm bảo nồng độ sản phẩm đỉnh luôn đạt mức đặt mong muốn. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện từ ngày 06/02/2023 đến ngày 11/06/2023 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả thu được mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm hơn 57% thời gian xác lập nhiệt độ và duy trì sai số nồng độ cồn đầu ra dưới mức 1,5%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa các định luật nhiệt động lực học quá trình và lý thuyết điều khiển tự động hiện đại. Hệ thống sử dụng mô hình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng liên tục trên từng mâm chưng cất, mô tả sự truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi dựa trên độ bay hơi tương đối của hỗn hợp ethanol và nước. Trong đó, hệ số hồi lưu tối ưu được xác định nằm trong khoảng từ 1,1 đến 1,5 lần hệ số hồi lưu tối thiểu nhằm tối thiểu hóa tổng chi phí năng lượng nồi đun và bình ngưng.

Bên cạnh đó, lý thuyết điều khiển quá trình có trễ với thuật toán dự báo Smith Predictor được ứng dụng để ước lượng trước đáp ứng ngõ ra không trễ, bù trừ hiệu quả độ trễ pha sinh ra từ quán tính nhiệt. Cấu trúc điều khiển Cascade được tích hợp nhằm phân tách các vòng điều khiển nhanh và chậm, sử dụng ngõ ra của bộ điều khiển nồng độ chính làm giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng phụ. Hệ thống còn ứng dụng mô hình chuỗi thời gian tự hồi quy có biến ngoại sinh ARX cùng thuật toán logic mờ để nhận dạng và ước lượng trực tuyến tham số thời gian trễ thực tế của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập tập dữ liệu thực nghiệm gồm 1.200 mẫu đo lường liên tục với chu kỳ quét cố định 100 mili-giây từ các cảm biến nhiệt độ PT100 chuẩn công nghiệp và cảm biến lưu lượng xung. Phương pháp chọn mẫu phân tầng phi ngẫu nhiên được thực hiện trên các dải dải nhiệt độ vận hành từ 30°C đến 100°C và dải công suất gia nhiệt từ 0% đến 100% nhằm bao quát toàn bộ trạng thái chuyển tiếp và trạng thái xác lập của tháp. Lý do lựa chọn thuật toán nhận dạng đệ quy bình phương tối thiểu RLS là khả năng cập nhật ma trận trọng số trực tuyến theo thời gian thực mà không làm tràn bộ nhớ vi xử lý.

Quy trình nghiên cứu được chia làm hai giai đoạn trong 5 tháng: Giai đoạn 1 tiến hành mô hình hóa toán học 6 mâm tháp và kiểm thử thuật toán trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink; Giai đoạn 2 lập trình điều khiển trực tiếp trên phần cứng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp mô-đun mở rộng 8 kênh ngõ vào tương tự và 4 kênh ngõ ra tương tự, điều khiển biến tần Hyundai N100 Plus và rơ-le bán dẫn SSR 4-20mA trên tháp thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thử nghiệm thực tế và mô phỏng đã mang lại những kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, bộ dự báo Smith Predictor đã xử lý triệt để thời gian trễ nhiệt 40 giây của dòng nhập liệu. So với bộ điều khiển PID truyền thống có độ vọt lố lên tới 18,5% và thời gian xác lập 145 giây, hệ thống tích hợp Smith Predictor đã triệt tiêu độ vọt lố xuống dưới 4,2% và rút ngắn thời gian xác lập xuống còn 62 giây, tương đương mức cải thiện tốc độ đáp ứng hơn 57%.

Thứ hai, cấu trúc điều khiển Cascade cho dòng hồi lưu thể hiện tính ổn định vượt trội trước các biến động áp suất và lưu lượng đầu vào. Sai số xác lập của lưu lượng hồi lưu được kiểm soát chặt chẽ trong khoảng ±1,2%, giảm đáng kể so với mức dao động ±8,3% khi chỉ sử dụng PID đơn vòng thông thường.

Thứ ba, thuật toán ước lượng thời gian trễ trực tuyến thích nghi chính xác với độ biến thiên thực tế, bám sát giá trị trễ thực tế với sai số nhỏ hơn 2,5 giây. Nồng độ ethanol thành phẩm thu được tại đỉnh tháp đạt mức ổn định từ 90% đến 94% cồn tinh khiết khi nhiệt độ đỉnh hơi được duy trì chuẩn xác tại ngưỡng 78,3°C.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ dự báo Smith đạt hiệu suất vượt trội là nhờ cơ chế mô phỏng song song mô hình đối tượng bên trong thuật toán, giúp tín hiệu điều khiển phản hồi tức thời mà không phải chờ đợi phản ứng trễ từ hệ thống vật lý. Trong khi đó, bộ điều khiển Cascade tạo ra hai vòng khép kín: vòng trong xử lý nhanh chóng các nhiễu loạn cơ học của bơm và van tuyến tính, còn vòng ngoài duy trì chuẩn xác nhiệt độ và nồng độ chất lỏng.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa qua biểu đồ đáp ứng thời gian thực và bảng so sánh các chỉ số chất lượng động học. Biểu đồ đường trên giao diện SCADA thể hiện rõ sự trùng khớp trên 95% giữa đường cong nhiệt độ mô hình ước lượng và tín hiệu cảm biến PT100. So với các công trình điều khiển tháp chưng cất trước đây vốn chỉ dừng lại ở mô phỏng lý thuyết hoặc vận hành điều khiển mờ đơn giản, nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi tuyệt đối khi nhúng thành công giải thuật bù trễ phức tạp lên dòng PLC công nghiệp phổ thông với chi phí phần cứng tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng quy mô ứng dụng của hệ thống chưng cất ethanol, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị cụ thể:

1. Nâng cấp cảm biến đo nồng độ trực tuyến: Ban quản lý kỹ thuật cần lắp đặt cảm biến đo nồng độ khúc xạ quang học trực tiếp tại đường ống sản phẩm đỉnh thay cho phương pháp suy diễn gián tiếp qua nhiệt độ hơi, hướng tới mục tiêu kiểm soát sai số nồng độ dưới 0,5%, thời gian hoàn thành trong vòng 3 tháng tới.

2. Tối ưu hóa điều khiển mức nồi đun tự động: Kỹ sư điều khiển cần thay thế van tay xả đáy bằng van điều khiển tuyến tính điều khiển liên tục theo cảm biến mức vi sai, duy trì mức dung dịch đáy tháp ổn định tại 50% thể tích làm việc, thời gian triển khai dự kiến 4 tháng do bộ phận tự động hóa nhà máy thực hiện.

3. Tích hợp giải thuật mờ tự chỉnh định tham số PID: Viện nghiên cứu và nhóm phát triển cần tích hợp module Fuzzy-Auto Tuning trên PLC S7-1200 nhằm tự động thích nghi thông số khi nhiệt độ môi trường biến thiên trên 10°C, đặt mục tiêu tiết kiệm thêm 8% điện năng nồi đun trong giai đoạn 6 tháng tiếp theo.

4. Xây dựng giao diện SCADA giám sát qua mạng công nghiệp: Doanh nghiệp sản xuất cần triển khai hệ thống thu thập dữ liệu qua chuẩn truyền thông Profinet và OPC UA, giảm 50% thời gian xử lý sự cố vận hành, tiến hành trong 2 tháng dưới sự phụ trách của kỹ sư chuyển giao công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu chuyên khảo mang giá trị học thuật và ứng dụng cao cho các nhóm đối tượng:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Nắm vững phương pháp xây dựng mô hình toán học cân bằng vi phân cho tháp mâm chưng cất và kỹ thuật lập trình giải thuật Smith Predictor, ARX trên công cụ MATLAB và PLC.

2. Kỹ sư tự động hóa và kỹ sư quá trình tại các nhà máy hóa chất, thực phẩm: Tham khảo sơ đồ đấu nối chi tiết tủ điện điều khiển, cách cấu hình module analog, biến tần Hyundai N100 Plus và kinh nghiệm xử lý trễ nhiệt cho các hệ thống đường ống công nghiệp.

3. Doanh nghiệp sản xuất cồn sinh học và dược phẩm: Định hướng giải pháp chuyển đổi từ tháp nấu thủ công truyền thống sang hệ thống tự động hóa khép kín, nâng cao nồng độ cồn thành phẩm lên trên 90% và giảm chi phí nhiên liệu gia nhiệt từ 15% đến 20%.

4. Giảng viên các trường đại học kỹ thuật: Ứng dụng toàn bộ cấu trúc mô hình thực nghiệm và giáo trình điều khiển tháp chưng cất 6 mâm làm bài thí nghiệm thực hành chuyên sâu cho sinh viên đại học và sau đại học.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần áp dụng bộ dự báo Smith cho dòng nhập liệu của tháp chưng cất? Quá trình gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu có thời gian trễ nhiệt lên tới 40 giây. Bộ dự báo Smith loại bỏ độ trễ này ra khỏi vòng hồi tiếp chính, giúp hệ thống không bị dao động và giảm độ vọt lố từ 18,5% xuống dưới 4,2%.

2. Cấu trúc điều khiển Cascade mang lại lợi ích gì cho lưu lượng dòng hồi lưu? Điều khiển Cascade kết hợp hai vòng lặp giúp dập tắt nhanh chóng các dao động lưu lượng do áp suất bơm gây ra ở vòng trong trước khi ảnh hưởng đến nhiệt độ tháp ở vòng ngoài, giữ sai số lưu lượng dưới mức ±1,2%.

3. Hệ số hồi lưu tối ưu của hệ thống được tính toán như thế nào? Hệ số hồi lưu tối ưu được xác định bằng 1,1 đến 1,5 lần hệ số hồi lưu tối thiểu, giúp cân bằng hoàn hảo giữa độ tinh khiết cồn trên 90% tại đỉnh và mức tiêu hao điện năng tại nồi đun đáy tháp.

4. Cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-1200 có đáp ứng tốt thuật toán thời gian thực không? CPU 1214C DC/DC/DC cùng 2 mô-đun ngõ vào tương tự và 1 mô-đun ngõ ra tương tự đáp ứng chu kỳ quét dưới 50 mili-giây, hoàn toàn đáp ứng độ chính xác tính toán cho các giải thuật đệ quy và lọc tín hiệu.

5. Việc đo nồng độ gián tiếp qua nhiệt độ đỉnh hơi có nhược điểm gì? Nhiệt độ đỉnh hơi phản ánh nhanh sự biến thiên nhiệt nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển. Vì vậy, hệ thống cần được duy trì áp suất ổn định để đảm bảo tương quan đơn trị giữa điểm sôi 78,3°C và nồng độ ethanol 94%.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán điều khiển tự động cho tháp chưng cất ethanol 6 mâm xuyên lỗ thông qua 5 đóng góp nổi bật:

• Xây dựng thành công mô hình toán học cân bằng vật chất và năng lượng động học sát với thực tế vận hành của tháp chưng cất cồn.
• Nhúng thành công thuật toán bù trễ Smith Predictor trên PLC Siemens S7-1200, rút ngắn hơn 57% thời gian xác lập nhiệt độ dòng nhập liệu.
• Thiết lập vòng điều khiển nối tiếp Cascade cho dòng hồi lưu, duy trì độ ổn định lưu lượng với sai số cực nhỏ dưới 1,5%.
• Hoàn thiện tủ điện điều khiển công nghiệp tích hợp biến tần Hyundai, rơ-le SSR và hệ thống cảm biến PT100 chuẩn xác.
• Đảm bảo chất lượng sản phẩm cồn y tế đầu ra đạt độ tinh khiết cao từ 90% đến 94%, mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng rãi.

Hệ thống điều khiển này sẵn sàng để chuyển giao công nghệ và ứng dụng thực tế trong các nhà máy sản xuất ethanol sinh học quy mô vừa và nhỏ trong 12 tháng tới. Các doanh nghiệp và kỹ sư quan tâm có thể trực tiếp ứng dụng kiến trúc điều khiển này để nâng cấp dây chuyền sản xuất ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ethanol được công nhận là một nguồn nguyên liệu tái tạo bền vững quan trọng cho các ngành công nghiệp hiện đại. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để thay thế xăng cho nhiều chất cháy bên trong, và nó có thể được trộn với xăng với bất kỳ nồng độ nào. Hầu hết các động cơ ô tô hiện có có thể pha trộn tới 15% ethanol sinh học với dầu nhớt/xăng, do đó có thể làm giảm đáng kể sự phụ thuộc vào dầu thô của các nước trên thế giới. Ngoài ra, trong lĩnh vực y tế, ethanol còn được dùng để sát khuẩn tay, vết thương và dụng cụ y tế.

Hơn nữa, trong những thời điểm xảy ra dịch bệnh, việc sát khuẩn là một trong nhiều bước để giúp chúng ta phòng chống dịch bệnh lây lan. Trong đề tài này, hệ thống được thiết kế để điều khiển hệ thống chưng cất và cho ra sản phẩm với nồng độ đặt. Tổng quan về hệ thống chưng cất 1. Khái niệm về hệ thống chưng cất Chưng cất là quá trình dùng đê tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí - lỏng thành cầc câu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khí ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các câu tử khác nhau).

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất, và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Trong chương này ta chỉ xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi đó quá trình chưng cất sẽ cho [1]: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé.

[1] 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài – TS. Bùi Ngọc Pha - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Các phương pháp chưng cất thường được sử dụng Do sự đa dạng của các chất được tìm thấy trong tự nhiên và các pha khác nhau của chúng (chủ yếu là chất lỏng và hơi), tồn tại các phương pháp chưng cất khác nhau để phân tách đa dạng hỗn hợp, đạt được chất lượng sản phẩm khác nhau.

[2] - Chưng cất chân không: Một hệ thống áp suất thấp được sử dụng để thu được nhiệt độ thấp hơn độ sôi của các chất trong hỗn hợp. Thông thường sử dụng một máy bơm chân không để tạo ra trạng thái áp suất thấp. [2] - Chưng cất phá hủy: Chất được nung ở nhiệt độ cao để phân hủy, các sản phẩm có thể được tách ra bằng cách phân đoạn, hoạt động của nó tương tự như sản phẩm được sử dụng trong gỗ và than. [2] - Chưng cất chiết xuất: Các chất tách khác nhau được thêm vào hỗn hợp azeotropic, làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các thành phần hỗn hợp để cho phép tách chúng.

[2] - Chưng cất phân đoạn: Hỗn hợp lỏng được tách ra bằng cách đun nóng, xét ở nhiệt độ cao trao đổi và tỷ lệ mol chất lỏng và hơi. Phần chưng cất này dùng để tách hỗn hợp phức hợp/ chất có nhiệt độ sôi khác nhau nhưng gần nhau. Thường xuyên coi là một hoạt động liên tục, có dòng cấp liệu liên tục qua khay tiếp liệu. Phần phía trên khay ăn được đặt tên là phần chỉnh lưu, phía dưới khay ăn là được gọi là phần tước.

[2] - Chưng cất liên tục: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp khi có số lượng chất lỏng nhỏ hoặc khi yêu cầu thu được các sản phẩm khác nhau từ một tải hỗn hợp duy nhất. Hoạt động này không không có trạng thái ổn định do thành phần hỗn hợp thay đổi theo thời gian; ngoài ra, nó chỉ cho phép làm giàu hoặc chỉnh lưu sản phẩm chưng cất (nhẹ hơn). [2] Nhìn chung, các phương pháp chưng cất khác nhau đều có nguyên tắc hoạt động giống nhau, chủ yếu là do các biến vật lý tương tác trong quá trình, chẳng hạn 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài – TS.

Bùi Ngọc Pha như nhiệt độ, thành phần, áp suất và năng lượng đốt nóng. Một cột chưng cất điển hình được tạo thành bởi một nồi hơi, một bình ngưng và n khay. Lò hơi là phần tử cung cấp năng lượng đốt nóng cần thiết để làm bay hơi hỗn hợp trong đó. Các bình ngưng cung cấp sự làm mát cần thiết để ngưng tụ hơi, một phần của hơi này quay trở lại cột để làm giàu hỗn hợp, phần còn lại thu được dưới dạng sản phẩm chưng cất.

Phần thân cột bao gồm một bộ khay, nơi mà việc tách một phần hỗn hợp được thực hiện do sự tuần hoàn của dòng chất lỏng và dòng hơi. Quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất rượu Hỗn hợp Ethanol – nước ở nhiệt độ khoảng 30oC tại bình chưa nguyên liệu được bơm vào nồi đun đến khi ổn định và đạt được giá trị lưu lượng và nhiệt độ được cài đặt. Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt bằng điện trở nhập liệu hoặc điện trở thùng chứa đến nhiệt độ sôi rồi được đưa vào tháp chưng cất thông qua ống nạp liệu đến đĩa nhập liệu. Trong tháp, hơi sau khi bốc lên sẽ gặp chất lỏng từ trên xuống (bao gồm chất lỏng từ dòng hồi lưu và dòng nhập liệu) tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha lỏng – khí với nhau.

Pha lỏng chuyển động theo ống chảy truyền đi xuống; càng xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì bị lôi cuốn bởi hơi bay lên từ nồi đun. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa (mâm xuyên lỗ) từ dưới lên thì cầu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hơi Ethanol với nồng độ cao. Hơi này đi qua thiết bị ngưng tụ, được ngưng tụ hoàn toàn và được chứa trong bình tách lỏng. Để tăng hiệu quả chưng cất, một phần chất lỏng đã ngưng tụ được sẽ hồi lưu về tháp ở mâm trên cùng.

Ở đáy tháp, các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi hết, còn lại ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn (nước). Độ tinh khiết của sản phẩm chưng cất hoặc sản phẩm đáy bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố cơ bản [1]: - Một là Feed Split: Lấy nhiều sản phẩm chưng cất hơn có xu hướng làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm chưng cất và tăng độ tinh khiết của đáy. Bắt đáy nhiều hơn có xu hướng tăng sản phẩm chưng cất độ tinh khiết và giảm độ tinh khiết của sản phẩm đáy. [1] 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.

Nguyễn Trọng Tài – TS. Bùi Ngọc Pha - Hai là Fractionation: Tăng tỷ lệ hồi lưu (hoặc tỷ lệ đun sôi) sẽ làm giảm các tạp chất trong cả sản phẩm chưng cất và sản phẩm đáy. Chọn mô hình tháp chưng cất phù hợp Trong nội dung đề tài, tháp mâm xuyên lỗ được sử dụng vì một số ưu điểm: - Hiệu suất khá cao và ổn định - Chi phí tương đối thấp và phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm - Dễ dàng chế tạo và vệ sinh tháp - Bên cạnh đó, tháp mâm xuyên lỗ cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định: - Yêu cầu lắp đặt khá cao về mặt cơ khí, mâm lắp đặt phải rất phẳng - Khó sử dụng cho tháp có đường kính quá lớn vì chất lỏng phân bố không đều trên bề mặt mâm Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc nhau. Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tại một mâm thích hợp nào đó và chảy xuống do trọng lực qua mỗi mâm bằng ống chảy chuyền.

Pha hơi hoặc khí đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng các khe hở trên mâm do câu tạo khác nhau của mâm tạo nên. Quá trình chung cả tháp được xem như là tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm hai pha tiếp xúc giao dòng. [1]  Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất mâm: Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hiệu suất mâm, tuy nhiên, việc xác định hiệu suất vẫn còn dựa nhiều vào kinh nghiệm. Yêu cẩu quan trọng nhất để đạt được hiệu suất cao là các mâm hoạt động đúng, chủ yếu là sự tiếp xúc giữa hai pha.

Bất cứ một sự sai lầm nào trong hoạt động của tháp như tạo bọt hoặc lội cuốn chất lỏng lên mâm trên quá nhiều, sự phân bố pha hơi qua mâm kém, chảy tắt, chảy rò, đều làm giảm hiệu suất Hiệu suất mâm là hàm số theo tốc độ truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi. [1] Hiệu suất không thay đổi nhiều theo lưu lượng hơi trong khoảng giữa điểm chảy rò và điểm ngập lụt. Tăng lưu lượng hơi sẽ tăng chiều cao lớp chất lỏng bọt, tàng diện tích bề mặt truyền khối, lượng pha lỏng cũng tăng diện tích bề mặt truyền khối. Hiệu suất sẽ giảm nhẹ khi gần đến điểm lụt do hiện tượng lôi cuốn.

[1] 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài – TS. Bùi Ngọc Pha 2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm chưng cất  Hệ số hồi lưu Hệ số hồi lưu (R) ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống, đặc biệt là nồng độ sản phẩm chưng cất. Hệ số này giúp cải thiện hoạt động chính của hệ thống bởi vì để có được sản phẩm đỉnh với nồng độ cao, tháp chưng cần có sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi trên từng mâm, từ đó nồng độ các cấu tử dễ bay hơi (rượu) trong pha lỏng (từ dòng hồi lưu và dòng nhập liệu) sẽ bị lôi cuốn bởi hơi từ đáy tháp đi lên. Vì vậy, điều khiển được hệ số hồi lưu đồng nghĩa với việc điều khiển được nồng độ sản phẩm đầu ra.