Đồ án Điều khiển tháp chưng cất

- 1 - MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Tại Việt Nam ngành dầu khí là một ngành công nghiệp rất non trẻ, ngành công nghiệp lọc dầu là ngành mới bắt ñầu sản xuất ở Việt nam, hầu hết các thiết bị của ngành ñều là thiết bị nhập ngoại. Việc khai thác sử dụng các thiết bị ñều phụ thuộc nhiều vào nước ngoài, ñặc biệt là các thiết bị ñiều khiển, nên giá thành ñắt. Việc nghiên cứu, nắm vững quy trình công nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống ñiều khiển nhằm khai thác có hiệu quả và tìm cách tiếp cận thay thế dần các thiết bị ñiều khiển trong nước là một vấn ñề cần ñược quan tâm. Hướng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ñiều khiển hiện ñại ñang góp phần rất lớn trong việc tự ñộng hoá quá trình sản xuất, khai thác một cách triệt ñể và tối ưu hoá chất lượng sản phẩm, ñảm bảo an toàn và hiệu quả trong công nghiệp khai thác và chế biến dầu khí. 2. Mục ñích của ñề tài, ñối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ðề tài nhằm ñánh giá chung về hệ thống ñiều khiển hiện tại của công nghiệp chế biến khí ở Việt Nam, xây dựng mô hình toán học cho các tháp lọc và khảo sát ñặc tính của các tháp chưng cất và hoá lỏng khí. ðối tượng nghiên cứu ñược tiến hành trên tháp chưng cất hỗn hợp nhiều thành phần. Luận án chú trọng phân tích ñánh giá hệ ñiều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khí hiện nay tại Việt Nam. Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm và khả năng ứng dụng các bộ ñiều khiển ña biến ñể nâng cao chất lượng các ñặc tính ñiều khiển. Phạm vi nghiên cứu của ñề tài ñược tập trung vào hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất dùng trong công nghiệp lọc dầu và hóa lỏng khí. 3. Phương pháp nghiên cứu Dựa trên cơ sở nguyên lý hoạt ñộng, công nghệ tách phân ñoạn của tháp hóa lỏng khí mà các dữ liệu thu thập thống kê ñược từ thực tế nhà máy ñể thành lập mô hình toán học mô tả hành vi của tháp chưng cất. Sử dụng phần mềm Matlab ñể mô phỏng và phân tích hệ thống. Trên cơ sở phân tích ñặc ñiểm công nghệ, các ưu nhược ñiểm của hệ - 2 - thống ñiều khiển các tháp lọc dầu và hoá lỏng khí, các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm ñã ñạt ñược, ñề xuất phương án ứng dụng ñiều khiển tách kênh hệ ña biến ñể nâng cao chất lượng của quá trình ñiều khiển nhằm tạo ra sản phẩm dầu khí có chất lượng tốt hơn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài Các hệ thống ñiều khiển hiện tại ở nhà máy xử lý khí dựa trên cở sở của quá trình ñiều khiển riêng biệt từng ñại lượng, ít chú ý ñến ảnh hưởng qua lại của các ñại lượng ñược ñiều khiển trong cùng một ñối tượng. Vì vậy khi tác ñộng ñiều chỉnh một ñại lượng nào ñó trong tháp chưng cất thì cũng phải tìm cách ñiều chỉnh các ñại lượng liên quan trong tháp. ðể khắc phục ñiều ñó tác giả có ý tưởng ứng dụng ñiều khiển tách kênh vào hệ thống ñiều khiển tháp lọc dầu và hóa lỏng khí. Việc ứng dụng ñiều khiển tách kênh cho phép khắc phục ñược ảnh hưởng qua lại của các kênh trong các ñối tượng ñiều khiển ña biến như tháp chưng cất. Trên thực tế, chưa có nhiều công trình nghiên cứu về tháp chưng cất ñược công bố ở Việt Nam. Tác giả mong muốn ñóng góp một phần nghiên cứu khảo sát tháp chưng cất nhằm làm cơ sở cho việc ứng dụng lý thuyết ñiều khiển tách kênh trong việc nâng cao chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất. 5. Nhưng ñóng góp mới của luận án Xây dựng mô hình toán học mô phỏng ñặc tính tháp chưng cất theo hệ ña biến; phân tích ñánh giá ñược chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất và ứng dụng ñiều khiển tách kênh vào việc nâng cao chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất và hóa lỏng khí trong ñiều kiện Việt Nam. Việc ứng dụng ñiều khiển tách kênh trong công nghiệp dầu khí cho phép cải thiện chất lượng các sản phẩm của các tháp lọc dầu và hóa lỏng khí. 6. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở ñầu và kết luận, luận án gồm 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về công nghệ lọc hóa dầu và chế biến khí ở Việt Nam và trên thế giới. Trong chương này cũng trình bày các hệ thống ñiều khiển ñang ñược áp dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu và chế biến khí, qua ñó rút ra kết luận về vai trò của tháp chưng cất và hệ - 3 - thống ñiều khiển các tháp chưng cất, một trong những ñối tượng ñiều khiển quan trong ñược áp dụng trong công nghiệp chế biến khí. Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết ñể xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất ñể làm cơ sở cho việc khảo sát ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp. Căn cứ mô hình toán học và kết quả khảo sát các hệ thống ñiều khiển hiện tại ñể ñánh giá tổng quát về hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất. Chương 3 ñưa ra giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất bằng cách áp dụng lý thuyết ñiều khiển ña biến. Trong chương này cũng ñưa ra ñược kết quả khảng ñịnh việc áp dụng ñiều khiển tách kênh sẽ cải thiện ñược chất lượng của hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất hiện nay. Chương 4 là kết quả thực nghiệm áp dụng lý thuyết ñiều khiển tách kênh cho tháp chưng cất khảo sát bằng Matlab ở các chế ñộ làm việc khác nhau. Kết quả thực nghiệm ñã minh chứng cho phần lý thuyết ở chương 3. Chương 1 TỔNG QUAN ðiều khiển quá trình lọc dầu và chế biến khí là một bài toán phức tạp với khối lượng tính toán lớn. Giải bài toán này là nhằm ñáp ứng các chỉ tiêu ñặt ra cho các hoạt ñộng sản xuất kinh tế. ðiều quan trọng là các chỉ tiêu của các hoạt ñộng nhà máy thay ñổi dần theo thời gian ñối với việc ñiều khiển các quá trình. Vì vậy cần phân tích và ñánh giá hệ thống trong trạng thái ñộng. Mô hình toán học của các quá trình chế biến sản xuất dầu, khí rất phức tạp. Các hệ thống ñiều khiển tự ñộng ñược ñưa vào nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và ñảm bảo sự hoạt ñộng an toàn, hiệu quả của nhà máy. Qua việc phân tích công nghệ chế biến khí ta thấy các tháp dùng trong nhà máy chế biến khí chủ yếu là các tháp hình trụ nhiều ñĩa. Hệ thống ñiều khiển các tháp sử dụng các sách lược ñiều khiển phản hồi và ñiều khiển truyền thẳng. Các bộ ñiều khiển dùng các bộ P, PI kinh ñiển. Hệ thống ñiều khiển các tháp của nhà máy ñã duy trì ñược các chỉ tiêu, chất lượng theo yêu cầu. Tuy nhiên trong quá trình vận hành, khi thay ñổi dòng hồi lưu ñể duy trì giá trị ñặt của sản phẩm ñỉnh thì ñồng thời nó cũng ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm ñỉnh, do ñó làm ảnh hưởng ñến chất lượng sản phẩm nhà máy. Hay nói cách khác, các tháp sử dụng trong nhà - 4 - máy là các ñối tượng ña biến (ñối tượng nhiều ñầu vào nhiều ñầu ra MIMO). Các hệ thống ñiều khiển ñơn biến không ñáp ứng yêu cầu của các hệ MIMO này. Ngoài ra ở ñây cũng nhận thấy rằng chưng cất và các tháp chưng cất ñược dùng khá phổ biến nếu không nói là chủ yếu trong công nghệ hóa dầu và chế biến khí tự nhiên. Việc nghiên cứu và hoàn thiện các hệ thống ñiều khiển các tháp chưng cất là vấn ñề hết sức quan trọng, ñặc biệt ở Việt Nam, khi mà công nghiệp dầu mỏ và chế biến khí là hoàn toàn mới mẽ. Trong lĩnh vực này ñã có nhiều công trình ñược công bố. Nhiều nhà khoa học trên thế giới ñã và ñang có nhiều ñóng góp trong lĩnh vực nghiên cứu ñiều khiển tháp chưng cất. Ở Việt Nam các công trình nghiên cứu về hệ thống ñiều khiển tháp lọc dầu, chưng cất còn quá ít. Vì vậy trong luận án sẽ chú trọng nghiên cứu xây dựng mô hình ñể mô phỏng ñặc tính của tháp và ñề xuất giải pháp nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển các tháp lọc dầu và hóa lỏng khí ở Việt Nam. Chương 2. MÔ HÌNH HOÁ, MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ Người ta tiến hành mô hình hóa tháp chưng cất ñể khảo sát các ñặc tính của tháp. Các quá trình công nghiệp thường rất phức tạp, vì vậy dù mô hình tốt ñến mấy cũng chỉ có thể biểu diễn một cách xấp xỉ các ñặc tính của ñối tượng cần khảo sát. Một mô hình quá phức tạp sẽ gây nên khó khăn trong quá trình khảo sát, nhưng ngược lại một mô hình quá ñơn giản lại khó có thể phản ánh chính xác các ñặc tính quan trong của ñối tượng cần khảo sát. Tuy vậy mô hình tốt nhất là mô hình ñáp ứng ñược các yêu cầu về tính trung thực theo mục ñích sử dụng nhất ñịnh nào ñó. Việc cân nhắc lựa chọn mức ñộ chi tiết và chính xác trong mô hình hoá phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Yêu cầu và mục ñích sử dụng cụ thể của mô hình. - Chi phí mô hình hoá. - ðộ tin cậy của thông tin về ñối tượng hay quá trình. Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản, lâu ñời nhất, nhiều khi gần như là phương pháp duy nhất ñược sử dụng trong công nghiệp - 5 - dầu mỏ và chế biến khí tự nhiên. Người ta cần chưng cất không những dầu thô, khí ñồng hành, khí tự nhiên mà cả hỗn hợp các sản phẩm ra từ các lò phản ứng hoá học dùng trong các quá trình chế biến dầu mỏ cũng như trong lĩnh vực hoá dầu. Chưng cất ñược thực hiện trong các thiết bị chưng cất. Thiết bị chưng cất gồm tháp chưng cất và bình tách cùng các thiết bị bổ trợ như thiết bị làm lạnh, thiết bị ngưng tụ, lò gia nhiệt, ... Tháp chưng cất là thiết bị chủ yếu của phân xưởng chưng cất. Hầu hết các tháp chưng cất dùng trong công nghiệp lọc dầu và chế biến khí tự nhiên là tháp ñĩa hình trụ. Các tháp chế biến khí tự nhiên thường có từ 10 ñến 60 ñĩa. ðường kính của tháp chưng cất phụ thuộc vào lưu lượng nguyên liệu ñể chưng cất. Chiều cao của tháp phụ thuộc chủ yếu vào số ñĩa lọc. Khoảng cách giữa hai ñĩa liên tiếp khoảng 0,25-0,8m và có thể hơn. Ngoài ra cũng cần một không gian ñáng kể ở ñỉnh và ñáy tháp. Hình 2.6 mô tả sơ ñồ tháp chưng cất ñiển hình ñể tạo ra hai sản phẩm ñược lấy ra ở ñỉnh và ở ñáy tháp. Trên sơ ñồ các ký hiệu biểu thị ý nghĩa sau: F - Lưu lượng dòng nạp liệu (kmol/ph) zF - Thành phần nguyên liệu trong dòng nạp ( phần mol của hợp chất nhẹ) qF- Phần lỏng trong hỗn hợp nạp. D - Lưu lượng dòng sản phẩm ñỉnh (kmol/ph) B - Lưu lượng dòng sản phẩm ñáy (kmol/ph) xD- Thành phần (phần mol) sản phẩm ñỉnh (thành phần hợp chất nhẹ có ở ñỉnh tháp)(%) xB - Thành phần (phần mol) sản phẩm ñáy (thành phần hợp chất nhẹ có ở ñáy tháp)(%) L - Lưu lượng dòng hồi lưu(kmol/ph) V - Lưu lượng dòng ñược gia nhiệt ở ñáy(kmol/ph) VN - Lưu lượng dòng hơi ñỉnh tháp(kmol/ph) N - Số ñĩa lý thuyết i - Ký hiệu số thứ tự của ñĩa - 6 - xi, yi - Thành phần (phần mol) của pha lỏng và hơi trên ñĩa thứ i (thường dùng ñể chỉ thành phần hợp chất nhẹ, hợp chất dễ bay hơi, có trong pha lỏng và hơi). Hình 2.6. Sơ ñồ tháp chưng cất với cấu hình ñiều khiển LV ðể xây dựng mô hình tháp chưng cất ta sử dụng sơ ñồ tháp chưng cất như hình 2.6. Mô hình toán học của tháp chưng cất ñược xây dựng dựa trên các công thức mô tả quá trình chưng cất trong các tháp[8,10]. Xét hỗn hợp 2 thành phần A và B cần ñược tách thành 2 dòng sản phẩm bằng cách dùng phương pháp chưng cất truyền thống. Hỗn hợp ñược nạp vào tháp dưới dạng chất lỏng tại ñĩa nạp Nf với lưu lượng là F (kmol/ph) và phần mol của hỗn hợp nạp (của hợp chất A có trong hỗn hợp nạp) là zF. Phía trên ñỉnh dòng hơi ñược làm lạnh và ngưng tụ hoàn toàn, sau ñó nó ñược ñưa vào bình chứa hồi lưu. Việc làm lạnh hơi trên ñỉnh tháp ñược thực hiện bằng nước lạnh. Chất lỏng từ bình hồi lưu một phần ñược bơm trở lại vào tháp (ở ñĩa trên cùng N) với lưu lượng L (Dòng hồi lưu) một phần ñược lấy ñi dưới dạng sản phẩm chưng cất ở ñỉnh với lưu lượng D. MD là lượng chất lỏng lưu lại trong bình hồi lưu. Căn cứ sơ ñồ ta thấy xD là thành phần (phần mol) của cả 2 dòng hồi lưu và chưng cất (thành phần hợp chất A có trong sản phẩm ñỉnh). Ở ñáy tháp chưng cất, dòng sản phẩm chất lỏng (sản phẩm ñáy) ñược lấy ra với lưu lượng B và phần mol là xB (thành phần hợp chất A có trong sản phẩm ñáy). Dòng chất lỏng với lưu lượng V ñược lấy ra từ ñáy tháp và sau ñó ñược gia nhiệt và ñưa trở - 7 - lại ñáy tháp. Thành phần (phần mol) của dòng V ñưa trở lại tháp là xB. MB là lượng dư chất lỏng ở ñáy tháp. Tháp chứa N ñĩa tính từ ñáy tháp ñến ñỉnh tháp. Gọi Mi là lượng chất lỏng ñọng lại trên ñĩa thứ i. ðể ñơn giản trong việc mô tả thệ thống, ta ñưa ra các giả thiết sau[33,34]: 1. Lượng hơi dư trên mỗi ñĩa ñược bỏ qua. 2. Lượng mol nhiệt hoá hơi của cả hai thành phần A,B gần như nhau. ðiều này có nghĩa là 1 mol hơi ngưng tụ toả ra lượng nhiệt ñủ ñể hoá hơi một mol chất lỏng. 3. Tổn thất nhiệt từ tháp ra môi trường xung quanh ñược bỏ qua. 4. ðộ bay hơi tương ñối α của cả hai thành phần ñược xem là không ñổi trong toàn bộ tháp. 5. Mỗi ñĩa ñược xem là có hiệu suất 100% (có nghĩa là lượng hơi bay ra khỏi ñĩa cân bằng với chất lỏng ở trên ñĩa). Ba giả thiết ñầu có nghĩa là V=V1=V2=…=VN và không cần sự cân bằng năng lượng quanh mỗi ñĩa. Hai giả thiết cuối có nghĩa là quan hệ cân bằng hai pha hơi-lỏng có thể ñược dùng ñể tạo nên liên hệ phần mol của cấu tử A trong pha hơi rời khỏi ñĩa thứ i (yi) với phần mol của cấu tử A trong pha lỏng rời khỏi ñĩa ñó (xi) (công thức 2.10): 6. Bỏ qua ñộng học của quá trình ngưng tụ và gia nhiệt. 7. Bỏ qua sự cân bằng ñộng lượng ñối với mỗi ñĩa và giả thiết rằng lưu lượng mol chất lỏng lấy ñi khỏi mỗi ñĩa liên quan với chất lỏng dư lại trên ñĩa theo công thức Francis : λ τ )( 1,0100 −− −+ − += ii L ii ii VV MMLL (2.24) Trong ñó: - L0i là lưu lượng chất lỏng ñịnh mức ở ñĩa thứ i(kmol/ph); - M0i là giá trị mol ñịnh mức trên ñĩa thứ i(kmol); - λ là hằng số biểu thị ảnh hưởng của lưu lượng hơi lên lưu lượng chất lỏng(còn gọi là ảnh hưởng của hệ số K2); - τL là hằng số thời gian ñộng học trên mỗi ñĩa (phút). i i i x xy )1(1 −+= α α - 8 - Từ ñây ta triển khai phương trình trạng thái mô tả ñộng học của tháp chưng cất như sau: Ta có phương trình cân bằng (từ các công thức 2.20-2.23) mô tả lưu lượng dòng pha hơi trong tháp như sau: (2.25) qF là hằng số biểu thị phần lỏng trong hỗn hợp nạp và ñược xác ñịnh bởi chất lượng nhiệt của dòng nạp. Cụ thể: Dòng nạp ñã ñược làm lạnh qF >1 Dòng nạp là hỗn hợp lỏng bão hòa qF =1 Dòng nạp gồm cả pha hơi và lỏng 0< qF<1 Dòng nạp là hỗn hợp hơi bão hòa qF = 0 Dòng nạp là hỗn hợp hơi quá nhiệt qF <0 Lưu lượng dòng pha lỏng trong tháp: (2.26) ở ñây M*i là khối lượng ñịnh mức ở ñĩa thứ i (kmol), L* [kmol/ph] là lưu lượng dòng hồi lưu ñịnh mức ở phần ñỉnh tháp; L*B = L* + q*F* [kmol/ph] là lưu lượng dòng gia nhiệt ñịnh mức ở phần ñáy tháp. Dòng sản phẩm ñỉnh và ñáy tháp ñược biểu thị qua biểu thức: D = VT - LT; B = LB -VB Li và Vi ký hiệu phần lỏng và phần hơi của chất nhẹ ở ñĩa thứ i trong tháp. xi, yi là phần mol của pha lỏng và pha hơi của chất nhẹ ở ñĩa thứ i; Mi là khối lượng chất lưu lại trên ñĩa thứ i. ðể mô tả quan hệ cân bằng giữa 2 pha hơi và lỏng người ta dùng phương trình cân bằng sau: Trong biểu thức trên α ñược gọi là hệ số bay hơi tương ñối. Các phương trình cân bằng vật chất toàn phần trên các ñĩa khác nhau ñược biểu thị qua các phương trình vi phân sau:          ≤≤−+ << − + = = F ii B F ii T i NikhiMML NiNkhiMML NikhiL L 1 * * * * τ τ Ni x xy i i i ,...,2,1;)1(1 . = −+ = α α    ≤≤ <<−+ = FB FFB i NikhiV NiNkhiFqV V 1 )1( - 9 - (2.27) (2.28) ñĩa nạp (2.29) (2.30) ñĩa gia nhiệt (2.31) Ở ñây ta có LN = LT, VN = VT và MN = MT ở ñỉnh tháp; L1 = LB, V1 = VB, M1= MB ở ñáy tháp. Các phương trình cân bằng vật chất cho từng thành phần của hỗn hợp trong tháp ñược mô tả như sau: (2.32) (2.33) (2.34) (2.35) ñĩa gia nhiệt (2.36) Từ các phương trình trên ta có : (2.37) ðặt các biến trạng thái x=(x1, x2, ..., M1, M2,..., MN)T Các biến vào u = (LT, VB, B, D)T; các biến ra y = (xD, xB, MD, MB)T Từ ñây ta có mô hình toán học tổng quát của tháp chưng cất như sau: )(1)(1 111111 iiiiiiii i iiiiiiii i i xVxVxLxL M yVyVxLxL Mdt dx −+−−−+−= −+−−++       −= dt dM x dt xMd Mdt dx i i ii i i )(1 NNNN NN xDLyV dt xdM )(11 +−= −− NiNkhiyVyVxLxL dt xdM Fiiiiiiii ii <<−+−= −−++ 1111 FNNNNNNNN NN FxyVyVxLxL dt xdM FFFFFFFF FF +−+−= −−++ 1111 Fiiiiiiii ii NiyVyVxLxL dt xdM <<−+−= −−++ 11111 11122 11 BxyVxL dt xdM −−= DLV dt dM NN N −−= −1 NiNkhiVVLL dt dM Fiiii i <<−+−= −+ 11 FVVLL dt dM FFFF NNNN F +−+−= −+ 11 Fiiii i NikhiVVLL dt dM <<−+−= −+ 111 BVL dt dM −−= 12 1 - 10 - (2.38) ðây là mô hình phi tuyến. Tháp chưng cất là một ñối tượng phi tuyến. Ta dùng phần mềm Matlab 7.04 ñể mô phỏng và vẽ các ñặc tính của tháp. Tháp ñược mô phỏng với 4 biến ñầu vào, 4 biến ñầu ra và hai biến nhiễu. Dòng nạp liệu ñược cho trước và ñược xem là nhiễu ñầu vào. Bốn biến ñiều khiển ñầu vào là lưu lượng các dòng hồi lưu L, dòng ñược gia nhiệt V, dòng sản phẩm ñáy B, dòng sản phẩm ñỉnh D. Bốn biến ra ñược ñiều khiển là thành phần sản phẩm ñỉnh xD, thành phần sản phẩm ñáy xB, khối lượng sản phẩm lưu lại trong bình hồi lưu MD và trong bình gia nhiệt ở ñáy tháp MB. Trong hầu hết các trường hợp, tháp chưng cất ñược ổn ñịnh trước hết bằng 4 vòng ñiều khiển kín ñộc lập. Từ các phương trình(2.24 ñến 2.38) mô tả ñộng học tháp ñã nêu ta xây dựng mô hình mô phỏng tháp như hình 2.7. Trong ñó mô hình tháp ñược xây dựng trên phần mềm MatLab 7.01 dưới dạng các tệp m.file (xem phụ lục) Hình 2.7. Sơ ñồ mô phỏng tháp chưng cất ðể khảo sát ñộng học của tháp ta lấy các số liệu thực tế sau ñể ñưa vào mô hình: F - Lưu lượng dòng nạp liệu (kmol/ph) : 1 zF - Nồng ñộ dòng nạp liệu( phần mol) : 0,5 qF - Phần lỏng trong hỗn hợp nạp : 1 L0 - Lưu lượng dòng hồi lưu(kmol/ph) : 2,7 V0 - Lưu lượng dòng gia nhiệt(kmol/ph) : 3,2 N - Số ñĩa lý thuyết : 31     = = ),( ),( uxgy uxf dt dx - 11 - i - Ký hiệu số thứ tự của ñĩa xi, yi - Thành phần (phần mol) của pha lỏng và hơi trên ñĩa thứ i(thường dùng ñể chỉ thành phần cấu tử nhẹ có trong pha lỏng và hơi) α - Hệ số hoá hơi tương ñối giữa cấu tử nhẹ và cấu tử nặng trong hỗn hợp nạp liệu : 1,5 λ - Hằng số biểu thị ảnh hưởng của lưu lượng hơi lên lưu lượng chất lỏng (còn gọi là ảnh hưởng của hệ số K2): 0 τL – Hằng số thời gian ñộng học trên mỗi ñĩa (ph) = 0,063ph Yêu cầu ñảm bảo mức chất lỏng trong các bình ngưng và bình gia nhiệt không ñổi; Nồng ñộ các sản phẩm ở ñỉnh tháp và ở ñáy tháp ổn ñịnh ứng với giá trị cho trước: xD - Thành phần(phần mol) sản phẩm ñỉnh(thành phần cấu tử nhẹ): 98%; xB - Thành phần (phần mol) sản phẩm ñáy (thành phần cấu tử nhẹ): 2%. Từ các thông số trên ta xây dựng mô hình mô phỏng ñộng học của tháp như hình 2.7 và thiết kế các bộ ñiều khiển ổn ñịnh mức chất lỏng và thành phần các sản phẩm ñỉnh và ñáy tháp theo phương pháp ñơn biến. Chọn cấu hình ñiều khiển LV. Cấu hình ñiều khiển này phù hợp với yêu cầu duy trì thành phần các sản phẩm. Như vậy trong mô hình toán của tháp chưng cất (2.38) dòng nạp liệu F và nồng ñộ dòng nạp liệu zF ñược xem là nhiễu ñầu vào. Các biến vào lúc này là LT, VB, D, B và các biến ra là xD, xB, MD, MB. Mô hình có 4 biến vào, 4 biến ra. Kết quả khảo sát thành phần sản phẩm chưng cất như sau: - ðặc tính của tháp khi không có vòng ñiều khiển (vòng hở), dòng nạp liệu và nồng ñộ sản phẩm dòng nạp không ñổi: Khi không có ñiều khiển, ñặc tính ñầu ra của tháp thu ñược như hình 2.8 và hình 2.9. Thành phần sản phẩm ñỉnh tháp xD giảm từ 97,08% ñến 97,06% (yêu cầu 98%), trong khi thành phần sản phẩm ñáy tháp tăng từ 2,92% lên 2,93% (yêu cầu 2%). Thời gian quá ñộ với nồng ñộ sản phẩm ñỉnh tháp là 250 phút, với nồng ñộ sản phẩm ñáy tháp là 250 phút. - 12 - Hình 2.8. Sự thay ñổi thành phần sản phẩm ñinh xD khi không ñiều khiển Hình 2.9. Sự thay ñổi thành phần sản phẩm ñáy xB khi không ñiều khiển - ðặc tính của tháp khi không có vòng ñiều khiển, dòng nạp thay ñổi: Hình 2.10. Sự thay ñổi nồng ñộ sản phẩm ñỉnh tháp xD khi tăng dòng nạp Hình 2.11. Sự thay ñổi nồng ñộ sản phẩm ñáy tháp xB khi tăng dòng nạp Hình 2.12. Sự thay ñổi khối lượng sản phẩm ñáy MB khi tăng dòng nạp Hình 2.13. Sự thay ñổi nồng ñộ sản phẩ