Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy sản xuất cồn, rượu từ sắn tại Phú Thọ là một trong những cơ sở công nghiệp quan trọng trong lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học và thực phẩm tại miền Bắc Việt Nam. Với công suất thiết kế khoảng 100 nghìn m³ ethanol/năm, nhà máy sử dụng nguyên liệu chính là sắn khô và mía, góp phần giải quyết việc làm cho khoảng 23.000 lao động nông nghiệp địa phương. Quá trình sản xuất cồn, rượu trải qua các bước chính như tách tạp chất, nghiền, nấu nguyên liệu, đường hóa, lên men, chưng cất và khử nước, trong đó tháp chưng cất đóng vai trò trung tâm trong việc tách ethanol ra khỏi hỗn hợp lên men.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung khảo sát, tính toán và xây dựng mô hình điều khiển tháp chưng cất trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cũng ứng dụng lý thuyết điều khiển tách kênh để thiết kế hệ thống điều khiển đa biến cho tháp chưng cất, giúp giảm thiểu sự tương tác giữa các biến điều khiển, từ đó cải thiện độ ổn định và chất lượng sản phẩm đầu ra. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nhà máy tại xã Cổ Triết, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ, với dữ liệu thu thập và mô phỏng trong giai đoạn 2013-2014.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp điều khiển tiên tiến cho tháp chưng cất, góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất ethanol đạt độ tinh khiết ≥ 99,7%, đồng thời giảm thiểu tổn thất nguyên liệu và năng lượng. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy sản xuất cồn, rượu sử dụng nguyên liệu tinh bột tại Việt Nam, hỗ trợ phát triển bền vững ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết chưng cất và cân bằng pha hơi-lỏng (VLE): Mô hình hóa quá trình trao đổi chất giữa pha hơi và pha lỏng trên các đĩa lý thuyết trong tháp chưng cất, sử dụng định luật Raoult và hệ số bay hơi tương đối để mô tả sự phân tách các thành phần trong hỗn hợp ethanol-nước.

  • Mô hình toán học tháp chưng cất liên tục: Xây dựng hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng thành phần trên từng đĩa, mô tả dòng vật chất và thành phần mol của các pha trong tháp. Mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển.

  • Lý thuyết điều khiển tách kênh (Decoupling Control): Áp dụng nguyên lý điều khiển đa biến để thiết kế bộ điều khiển tách kênh cho hệ thống có hai biến đầu vào và hai biến đầu ra, nhằm giảm thiểu sự tương tác giữa các kênh điều khiển, nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất.

  • Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PI: Sử dụng phương pháp xấp xỉ Ziegler-Nichols dựa trên mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ để xác định tham số bộ điều khiển PI phù hợp với đặc tính động học của tháp chưng cất.

Các khái niệm chính bao gồm: đĩa lý thuyết, hệ số bay hơi tương đối, cân bằng pha hơi-lỏng, mô hình trạng thái tuyến tính, bộ điều khiển PI, và bộ tách kênh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ nhà máy sản xuất cồn rượu tại Phú Thọ, bao gồm thông số kỹ thuật thiết bị, dữ liệu vận hành thực tế và kết quả thí nghiệm mô hình điều khiển tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học chi tiết của tháp chưng cất dựa trên cân bằng vật chất và cân bằng pha, tuyến tính hóa mô hình để phục vụ thiết kế điều khiển.

  • Thiết kế bộ điều khiển PI cho từng kênh dựa trên phương pháp xấp xỉ Ziegler-Nichols, xác định tham số từ đặc tính đáp ứng đầu ra dạng chữ S.

  • Thiết kế bộ tách kênh nhằm tách biệt ảnh hưởng giữa các biến đầu vào và đầu ra, giảm thiểu tương tác giữa các kênh điều khiển.

  • Mô phỏng hệ thống điều khiển tháp chưng cất trên phần mềm Matlab Simulink để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển tách kênh so với bộ điều khiển truyền thống.

  • Thực nghiệm mô hình điều khiển lưu lượng tại phòng thí nghiệm để minh họa nguyên lý điều khiển tách kênh và đánh giá hiệu quả điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thiết kế điều khiển, mô phỏng đến thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình toán học tháp chưng cất:
    Mô hình tuyến tính hóa tháp chưng cất với hai biến đầu vào (lưu lượng hồi lưu L và lưu lượng gia nhiệt V) và hai biến đầu ra (nồng độ sản phẩm đỉnh x_D và đáy x_B) được xây dựng thành công. Hệ số truyền đạt tại trạng thái ổn định G(0) được xác định với các phần tử G11, G12, G21, G22, phản ánh sự tương tác giữa các biến điều khiển. Ví dụ, G11 = 88.2 cho thấy độ nhạy cao của nồng độ đỉnh với lưu lượng hồi lưu.

  2. Thiết kế bộ điều khiển PI:
    Tham số bộ điều khiển PI được xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên đặc tính đáp ứng đầu ra dạng chữ S. Với kênh điều khiển sản phẩm đỉnh, tham số trễ L1 = 1.3147, hệ số khuếch đại kp1 = 0.76; với kênh sản phẩm đáy, L2 = 0.3585, kp2 = 0.1. Các tham số này giúp bộ điều khiển PI hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh.

  3. Ứng dụng bộ tách kênh:
    Thiết kế bộ tách kênh K12 và K21 dựa trên điều kiện bất biến của tín hiệu đầu ra đối với biến đầu vào không mong muốn, giúp giảm thiểu tương tác giữa hai kênh điều khiển. Mô phỏng cho thấy khi sử dụng bộ tách kênh, sai lệch nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy giảm đáng kể so với điều khiển đa biến truyền thống, cải thiện độ ổn định và chất lượng sản phẩm.

  4. Thí nghiệm mô hình điều khiển lưu lượng:
    Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy bộ điều khiển PI với tham số đã xác định hoạt động hiệu quả trong việc điều chỉnh lưu lượng, minh họa nguyên lý điều khiển tách kênh. Kết quả thực nghiệm phù hợp với mô phỏng, xác nhận tính khả thi của phương pháp điều khiển đề xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng điều khiển là do việc áp dụng lý thuyết điều khiển tách kênh giúp loại bỏ ảnh hưởng chéo giữa các biến điều khiển, từ đó mỗi kênh điều khiển hoạt động gần như độc lập. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PI đơn biến, phương pháp này nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống.

Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng đầu ra của nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy theo thời gian, so sánh giữa điều khiển đa biến truyền thống và điều khiển tách kênh. Bảng tổng hợp tham số bộ điều khiển và sai số điều khiển cũng minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Ý nghĩa của kết quả không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất tại nhà máy Phú Thọ mà còn có thể áp dụng cho các nhà máy sản xuất cồn, rượu khác sử dụng nguyên liệu tinh bột, góp phần phát triển ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học bền vững tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển tách kênh cho tháp chưng cất:
    Áp dụng bộ điều khiển tách kênh PI đã thiết kế vào hệ thống điều khiển thực tế tại nhà máy để nâng cao chất lượng sản phẩm và ổn định quá trình chưng cất. Thời gian thực hiện dự kiến trong 6 tháng, do phòng kỹ thuật nhà máy phối hợp với nhóm nghiên cứu thực hiện.

  2. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nguyên lý điều khiển tách kênh và vận hành hệ thống điều khiển mới cho đội ngũ kỹ thuật viên và công nhân vận hành. Mục tiêu nâng cao năng lực vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng:
    Nghiên cứu mở rộng mô hình điều khiển cho các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu như hệ thống lên men và nấu nguyên liệu, nhằm tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất. Thời gian nghiên cứu tiếp theo khoảng 12 tháng.

  4. Cập nhật và nâng cấp hệ thống DCS:
    Đề xuất nâng cấp hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000 với các module hỗ trợ giao tiếp Foundation Fieldbus để tích hợp các thiết bị điều khiển mới, tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống. Chủ thể thực hiện là ban quản lý nhà máy phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia tự động hóa trong ngành công nghiệp chế biến cồn, rượu:
    Giúp hiểu rõ nguyên lý vận hành và thiết kế hệ thống điều khiển tháp chưng cất, từ đó áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành nhà máy sản xuất ethanol:
    Cung cấp kiến thức về mô hình hóa và điều khiển quá trình, hỗ trợ trong việc giám sát và tối ưu hóa hoạt động của dây chuyền sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành tự động hóa, kỹ thuật hóa học:
    Là tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy về mô hình hóa quá trình và thiết kế hệ thống điều khiển đa biến trong công nghiệp.

  4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ nhiên liệu sinh học:
    Tham khảo phương pháp điều khiển và mô hình hóa tháp chưng cất để phát triển các công nghệ mới, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm nhiên liệu sinh học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tháp chưng cất lại quan trọng trong sản xuất cồn, rượu?
    Tháp chưng cất là thiết bị chính để tách ethanol ra khỏi hỗn hợp lên men, đảm bảo sản phẩm đạt độ tinh khiết cao (≥ 99,7%). Quá trình này quyết định chất lượng và hiệu suất sản xuất.

  2. Lý thuyết điều khiển tách kênh có ưu điểm gì so với điều khiển truyền thống?
    Điều khiển tách kênh giúp giảm thiểu sự tương tác giữa các biến điều khiển, làm cho mỗi kênh hoạt động độc lập, từ đó nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ thống.

  3. Phương pháp Ziegler-Nichols được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phương pháp này dùng để xác định tham số bộ điều khiển PI dựa trên đặc tính đáp ứng đầu ra dạng chữ S của hệ thống, giúp thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đặc tính động học thực tế.

  4. Mô hình toán học tháp chưng cất có những giả thiết nào?
    Giả thiết chính bao gồm: lượng hơi dư trên đĩa bỏ qua, nhiệt hóa hơi của các thành phần gần như bằng nhau, hiệu suất đĩa 100%, bỏ qua tổn thất nhiệt và động lực học ngưng tụ, gia nhiệt.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế nhà máy?
    Cần triển khai hệ thống điều khiển tách kênh PI đã thiết kế, đào tạo nhân viên vận hành, nâng cấp hệ thống DCS và thực hiện giám sát, đánh giá hiệu quả trong quá trình vận hành thực tế.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học tuyến tính hóa tháp chưng cất ethanol với hai biến đầu vào và hai biến đầu ra, phản ánh chính xác đặc tính vận hành của tháp.
  • Thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên phương pháp Ziegler-Nichols phù hợp với đặc tính động học của tháp, đảm bảo đáp ứng nhanh và ổn định.
  • Ứng dụng lý thuyết điều khiển tách kênh giúp giảm thiểu tương tác giữa các kênh điều khiển, nâng cao chất lượng sản phẩm và độ ổn định hệ thống.
  • Mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm xác nhận hiệu quả của giải pháp điều khiển đề xuất.
  • Đề xuất triển khai hệ thống điều khiển tách kênh tại nhà máy, đồng thời mở rộng nghiên cứu và nâng cấp hệ thống điều khiển để tối ưu hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất ethanol.

Next steps: Triển khai thực tế hệ thống điều khiển tách kênh, đào tạo nhân viên, và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất.

Call to action: Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành công nghiệp cồn, rượu nên áp dụng giải pháp điều khiển tách kênh để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ điều khiển tiên tiến.