Đồ án Nghiên cứu khảo sát các thông số công nghệ của quá trình cô đặc

GIỚI THIỆU Đặt vấn đề: Đồ án quá trình thiết bị đã làm trước đây là thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch xút một nồi liên tục năng suất 4 tấn/h. Nhưng trong thực tế khi vận hành, các quá trình diễn ra không ổn định do các yếu tố nhiễu như nhiệt độ dòng nhập liệu, nồng độ dòng nhập liệu, nhiệt độ của môi trường, hệ số truyền nhiệt K ,…, giá trị thông số công nghệ thực sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị tính toán trong một khoảng nhỏ nào đó nhưng lại có ảnh hưởng lớn quá trình cô đặc. Cụ thể áp suất trong nồi cô đặc nếu không đạt 0.3 atm chỉ sai số khoảng 10% thì nhiệt độ sẽ không đạt dẫn đến dung dịch vào nồi không sôi, ta phải tốn thêm nhiệt lượng để cung cấp cho nồi đồng thời các thông số hóa lý của dung dịch, hơi đều thay đổi thì kết quả tính toán sẽ không chính xác . Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm , làm phá vỡ cân bằng vật chất, năng lượng. Hoặc nồng độ dòng nhập liệu nếu không đạt 10 %kl như yêu cầu thì khi vào nồi cô đặc ta lại phải tốn năng lượng để dung dịch tiếp tục sôi đạt nồng độ mong muốn. Nếu không có sự kiểm tra, theo dõi, điều chỉnh mà quá trình lại xảy ra liên tục thì việc cần tăng năng lượng cung cấp, thời gian lưu của dung dịch, cũng như những thay đổi cần thiết để đáp ứng lại các yếu tố nhiễu trên thì quá trình sẽ không diễn ra như mong muốn, chất lượng sản phẩm không ổn định ảnh hưởng trực tiếp đến các khâu sau của quá trình sản xuất. Xuất phát từ mục tiêu đó, đồ án chuyên ngành đặt ra là phải đi sâu vào thông số công nghệ , tìm hiểu làm sao có thể ổn định được các thông số, điều chỉnh được chúng. Và trong thực tế tại các xí nghiệp hóa chất và thực phẩm Việt Nam vấn đề này lại rất bức thiết, đa phần các thiết bị máy móc được nhập từ nước ngoài có lắp các thiết bị điều chỉnh tự động, do đó đòi hỏi người kỹ sư hóa chất phải có kiến thức không những về quá trình thiết bị mà còn phải hiểu biết về tự động. Do đây là một lĩnh vực còn mới, và thời gian tìm hiểu có giới hạn cho nên mục đích tự động hóa toàn bộ hệ thống là không đạt được, em chỉ có thể tìm hiểu các thông số công nghệ, lựa chọn các kênh điều chỉnh để ổn định thông số công nghệ và kết quả đạt được chỉ xét về chất còn giá trị về lượng sẽ được tính toán kỹ trong đề tài tốt nghiệp sắp tới của em. Mục đích đồ án: Nghiên cứu khảo sát các thông số công nghệ của quá trình cô đặc. Thiết kế hệ thống điều khiển các đại lượng này. Đối tượng: Thiết bị cô đặc xút: một nồi liên tục, làm việc trong điều kiện chân không, năng suất 4 tấn / giờ. Nội dung: Xác định nhiệm vụ điều khiển. Chọn lựa những đại lượng điều khiển, kiểm tra. Xác định những tác động điều chỉnh. Chọn lựa kênh điều chỉnh. Chọn lựa công cụ điều khiển và kiểm tra. Các bản vẽ yêu cầu: Quy trình khảo sát và chọn lựa kênh điều chỉnh. Sơ đồ điều khiển quá trình. SƠ LƯỢC VỀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Giới thiệu về cô đặc: Trong lĩnh vực hoá chất và thực phẩm có nhiều phương pháp làm tăng nồng độ của một dung dịch như cô đặc, kết tinh, chưng cất, trích ly, … Dựa vào đặc tính hóa lý của từng loại dung dịch mà chúng ta lựa chọn phương pháp thích hợp, và đối với dung dịch xút người ta thường áp dụng phương pháp cô đặc. Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi, quá trình tiến hành ở trạng thái sôi. Có nhiều phương pháp cũng như loại thiết bị cô đặc , ở đây dung dịch xút nồng độ nhỏ hơn 40% khối lượng có độ nhớt nhỏ(không quá 8.10-3 Ns/m2) và không kết tinh nên ta dùng nồi cô đặc loại thẳng đứng, tuần hoàn tự nhiên, buồng đốt trong, cô đặc ở áp suất chân không. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống: Dung dịch xút (10%kl,30oC, 1atm) từ bồn chứa được bơm lên bồn cao vị( mặt thoáng cách mặt đất 3 m) . Từ đây dung dịch sẽ tự chảy qua thiết bị gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi 75oC ở 0.3 atm, lưu chất cấp nhiệt là hơi nước bão hòa ở 3 atm. Dung dịch vào trong thiết bị(vận tốc khoảng 0.0036m3/s) được tiếp tục cấp nhiệt gián tiếp nhờ vào hơi nước bão hòa như trên để tiếp tục sôi, dung dịch sôi tuần hoàn đối lưu tự nhiên trong ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm tạo hỗn hợp lỏng hơi. Nhờ khoảng không gian hơi trong buồng bốc hỗn hợp được tách ra hai dòng lưu chất. Dòng lỏng tiếp tục sôi cho đến khi đạt (nồng độ 35%kl, 101oC ở 0.344atm )sẽ được tháo ra ngoài nhờ bơm ly tâm với vận tốc khoảng 0.8 l/s. Còn dòng hơi thứ( ở 0.3 atm, 68.7oC, 15m3/s)trong buồng bốc được dẫn đến thiết bị ngưng tụ baromet. Tại thiết bị này, hơi thứ được ngưng tụ thành nước theo ống baromet xả xuống bể cùng với dòng nước làm mát. Phần khí không ngưng và hơi nước chưa ngưng tụ được đưa qua bộ phận thu hồi bọt. Tại đây bơm chân không sẽ hút khí không ngưng ra ngoài, còn phần lỏng được dẫn về ống baromet. Các giả thiết khi tính cân bằng vật chất và năng lượng: Hệ thống đang xét đã ổn định. Dung dịch vào nồi có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi trong nồi khi cô đặc. Nước ngưng ra khỏi thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độ bằng nhiệt độ hơi bão hòa ở áp suất tương ứng. Sự truyền nhiệt là ổn định theo thời gian. Trong đồ án sử dụng thuyết bền và các điều kiện ổn định để tính toán cơ khí cho thiết bị, sử dụng phương trình becnuli để tính, lựa chọn các thiết bị phụ Bảng tổng kết các thông số công nghệ: KẾT QUẢ TÍNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ Lưu chất Đại lượng Kí hiệu Đơn vị TBCĐ TBBaromet TBGN Thông số Giá trị Thông số Giá trị Thông số Giá trị Dung dịch vào Dung dịch Hơi thứ Dung dịch Lưu lượng G Kg/h 14000 10000 14000 Nồng độ x %kl 10 10 Aùpsuất p at 0.3 0.29 0.3 Nhiệt độ t 0C 75 131.9 30 Ra Dung dịch Dung dịch Lưu lượng G Kg/h 4000 14000 Nồng độ x %kl 35 10 Nhiệt độ t 0C 101 75 Chất thứ Ra Hơi thứ Không khí Lưư lượng G Kg/h 10000 101.232 Aùp suất p at 0.3 0.184 Nhiệt độ t 0C 68.7 57.7 Tải Nhiệt Vào Hơi nước Nước Hơi đốt Lưu lượng G Kg/h 11961 178920 78727 Aùp suất p at 3 0.29 3 Nhiệt độ t 0C 132.9 30 132.9 Ra Nước Nước Nước Lưu lượng G Kg/h 11961 78727 Nhiệt độ t t 132.9 57.7 132.9 KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ PHỤ STT Thiết bị Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị 1 Baromet Mức độ đun nóng P 0.73 Số bậc Hb 4 Số ngăn n 8 Khoảng cách atb mm 300 Đường kính trong Dt mm 1000 Vận tốc hơi w m/s 40 Chiều cao h mm 5680 Bề rộng tấm ngăn b mm 550 Chiều dày tấm ngăn mm 4 Đường kính lỗ d mm 5 Tổng diện tích lỗ f m2 77.15 Gờ hg mm Đường kính ống d mm 200 Chiều cao ống H m 8 Vận tốc nước wn m/s 0.6 Chiều cao nước h m 7.5 2 Bồn cao vị Chiều cao h m 6 Đường kình ống d mm 54 Chiều dài ống l m 15 Vận tốc lưu chất v m/s 2 3 Máy bơm Cột áp H(m) Công suất N(kw) Ống dẫn Vận tốc w(m/s) d(mm) l(m) Chân không 7.5 Bơm nước 1.32 0.86 200 15 1.6 Nhập liệu 4.11 0.1073 50 15 1.8 Tháo sản phẩm 2.325 0.034 35 10 0.967 4 Ống dẫn d(mm) l(mm) v(m/s) Hơi thứ 820 15 30 Hơi đốt 402 15 20 Nhập liệu 54 15 2 Tháo sản phẩm 40 10 1 KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ Xác định nhiệm vụ điều khiển: Mục tiêu điều khiển quá trình cô đặc là sản phẩm thu được phải đạt nồng đo, năng suất theo yêu cầu đồng thời phải đảm bảo được cân bằng vật chất và nhiệt lượng. Để đạt được mục tiêu trên ta phải khảo sát toàn bộ hệ thống cô đặc, xác định các thông số cần kiểm tra và điều chỉnh, xác định các yếu tố nhiễu cũng như lựa chọn các kênh điều chỉnh, lựa chọn các thiết bị điều khiển và kiểm tra. Chọn lựa các thông số điều khiển: Chất lượng sản phẩm trong công nghiệp hóa học và thực phẩm phụ thuộc vào các đại lượng phản ánh diễn biến bình thường ổn định của quá trình. Do đó khi thiết kế hệ thống điều chỉnh đầu tiên ta phải xác định những đại lượng cần kiểm tra và điều chỉnh, làm rõ những điểm đưa vào tác động điều khiển và kênh đi qua chúng theo đối tượng. Đại lượng kiểm tra được chọn sao cho số lượng của chúng nhỏ nhất nhưng phải đảm bảo phản ánh đầy đủ diễn biến quá trình công nghệ. Trên cơ sở đó ta cần xét : Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến của quá trình cô đặc: Trong cuộc sống mọi quá trình hóa lý xảy ra đều không ổn định, đều phải chịu tác động của môi trường xung quanh, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến một quá trình, cụ thể quá trình cô đặc xảy ra trong nồi với điều kiện chân không sẽ chịu ảnh hưởng của các yếu tố ( ta gọi là các yếu tố nhiễu) và chúng được chia ra làm hai loại: Cho phép ổn định : Lưu lượng , nồng độ , nhiệt độ dòng nhập liệu:Gđ, xđ, tđ Aùp suất của hơi đốt :Pđ. Đây là các yếu tố ta có thể kiểm soát được chúng, có thể ổn định được chúng. Đối với dòng nhập liệu các thông số cơ bản lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sẽ có ảnh hưởng đến chất lượng dòng thành phẩm, cũng như ảnh hưởng đến diễn biến của quá trình cô đặc. Xét lưu lượng dòng nhập liệu: Nếu lưu lượng đúng như đã tính là 14 tấn/giờ và các yếu tố khác đều ổn định thì quá trình cô đặc xảy ra đúng như ta dự đoán, chất lượng dòng thành phẩm được bảo đảm nhưng nếu: Nhỏ hơn 14 tấn/giờ (trong khoảng cho phép ): quá trình cô đặc xảy ra nhanh, có thể không đủ xút cho quá trình cấp nhiệt của hơi đốt , điều này có thể ảnh hưởng sự sôi trong nồi, hơi bốc lên nhiều, ảnh hưởng đến độ chân không, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Trong trường hợp xấu nhất tức là khi lưu lượng quá ít có thể gây cháy ống truyền nhiệt, cháy sản phẩm, kết quả là quá trình cô đặc sẽ không diễn ra như mong muốn. Lớn hơn 14 tấn/giờ (trong khoảng cho phép ) : lúc này lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp sẽ không đủ để làm bay hơi dung môi, nồng độ dòng thành phẩm không đạt. Trường hợp xấu nhất là khi lưu lượng quá lớn sẽ gây ngập nồi, giảm khoảng không gian bốc hơi, ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi, quá trình cô đặc không diễn ra được. Xét nồng độ dòng nhập liệu: Nồng độ dòng nhập liệu ban đầu là 10 %kl khi tính toán ta đã cho là nồng độ này ổn định do đó khi vào trong nồi sự sôi sẽ xảy ra nhưng nếu: Nồng độ nhỏ hơn 10% kl: sự sôi vẫn diễn ra (trong khoảng cho phép), nếu quá nhỏ thì thời gian lưu của dòng thành phẩm sẽ không đủ để đạt nồng độ theo yêu cầu (nhỏ hơn) vì đây là quá tình cô đặc liên tục. Nồng độ lớn hơn 10%kl: dòng nhập liệu vào nồi không sôi được, phải tốn thêm một lượng nhiệt để nâng nhiệt độ dòng lên khi đó quá trình cô đặc mới diễn ra. Điều này không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng dòng thành phẩm nhưng sẽ gây tôn thất nhiệt của hơi đốt. Xét đến nhiệt độ dòng nhập liệu: Quá trình cô đặc chủ yếu là dựa vào đặc tính sôi của dung dịch hay là dựa vào đặc tính nhiệt độ. Do đó yếu tố nhiệt độ là có ảnh hưởng nhiều đến quá trình cô đặc. Theo tính toán nhiệt độ dòng nhập liệu khi vào tháp là 75oC thì sự sôi sẽ xảy ra . Mặc dù đã có gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu, nhưng thiết bị gia nhiệt cũng là một đối tượng công nghệ, cũng bị ảnh hưởng các yếu tố bên ngoài, cụ thể ở đây là nhiệt độ dòng nhập liệu tại bồn chứa. Do không xét đến thiết bị gia nhiệt cho nên ta xem như chỉ xét nhiệt độ dòng nhập liệu sao khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt: Nếu thấp hơn 75oC: Xút sẽ không sôi khi vào nồi, ta lại phải tốn nhiệt của hơi đốt, lại phải tăng thời gian lưu, ảnh hưởng đến chất lượng dòng thành phẩm (nồng độ thấp hơn) Nều nhiệt độ cao hơn: nếu cao hơn trong khoảng cho phép thì không ảnh hưởng nhiều đến quá trình cô đặc. Sự thất trong thực tế không có trường hợp nhiệt độ quá cao vì bồn chứa xút đã làm giảm nhiệt độ dòng nhập liệu từ khâu khác chuyển đến và thiết bị gia nhiệt cũng không thể nâng nhiệt lên quá cao. Đối với hơi đốt vì sử dụng hơi nước bảo hòa để cấp nhiệt cho nên thông số áp suất là có ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu quả truyền nhiệt , lưu lượng hơi đốt cũng có ảnh hưởng nhưng không nhiều. Xét áp suất : Nếu áp suất thấp tức nhiệt độ hơi đốt thấp sẽ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền nhiệt, không đủ nhiệt lượng để cung cấp cho dung dịch sôi, nồng độ dung dịch không đạt, cho dù ta có tăng lưu lượng hơi đốt lên cũng không thể đáp ứng đủ cho quá trình truyền nhiệt vì động lực của qua 1trình truyền nhiệt là do chênh lệch nhiệt độ của hai dòng “nóng” và “lạnh”. Nếu áp suất cao: nếu cao ở mức cho phép thì không ảnh hưởng nhiều nhưng nếu quá cao sẽ ảnh hưởng đến thiết bị, do tạo áp lực cao bề dày buồng đốt sẽ không đáp ứng được tính bền từ đó dẫn đến hư hỏng thiết bị, nghiêm trọng có thể gây nổ. Do đó khi sử dụng hơi đốt người ta thường phải kiểm tra áp lực để tránh gây tai nạn chết người. Xét lưu lượng hơi đốt: Yếu tố này không ảnh hưởng nhiều .Nếu lưu lượng thấp sẽ không đủ hơi cấp nhiệt cho dung dịch, nhưng thường khi tính toán ta đã dự trù phần này (bề mặt truyền nhiệt luôn dư 10 – 15 %). Nếu lưu lượng cao thì không ảnh hưởng nhiều nhưng như vậy sẽ gây tổn thất nhiệt, cũng có thể làm tăng áp lực cho buồng đốt. Không thể ổn định: Các thông số này ta không thể kiểm soát được, khi tính toán ta chỉ dựa theo kinh nghiệm, các công thức thực nghiệm để tính toán do đó không thể chính xác được, không thể tránh khỏi sai số lớn.Ta có thể xét đến hai thông số có ảnh hưởng nhiều đến quá trình cô đặc: Nhiệt tổn thất: Qtt Hệ số truyền nhiệt: K Xét thông số nhiệt tổn thất Qt: Khi tính ta cho nhiệt tổn thất ra môi trường là 5 % lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp tuy nhiên đây chỉ là con số thực nghiệm không thể tính được do đó để kiểm soát nó là rất khó và chúng ta không thể điều chỉnh được, chỉ có thể giảm đến mức thấp nhất (cách nhiệt). Xét hệ số truyền nhiệt K: Khi tính toán ta dựa theo công thức thực nghiệm , các thông số rcáu lại là từ thực nghiệm do đó không thể chính xác được . Theo thời gian lớp cáu tăng lên sẽ ảnh hưởng đến hệ số K và sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của hơi đốt , ảnh hưởng đến chất lượng dòng thành phẩm. Thông số này ta không thể kiểm soát, điều chỉnh được. Đại lượng cần điều chỉnh: Có nhiều đại lượng đặc trưng cho mục đích điều khiển, ta không thể nào đáp ứng hết các đại lượng đó cho nên phải tìm các thông số, đại lượng nào của quá trình cô đặc có ý nghĩa quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến mục đích điều khiển, và tìm cách điều chỉnh chúng. Ta gọi các đại lượng này là đại lượng cần điều chỉnh.Và để đạt mục tiêu điều khiển của quá trình cô đặc ta có thể xét các đại lượng sau: Nồng độ sản phẩm:xc Aùp suất trong nồi: Pc Mức dung dịch trong nồi: L Nhiệt độ dòng nhập liệu vào nồi cô đặc: tđ Xét nồng độ sản phẩm : Nồng độ sản phẩm chính là nồng độ mà ta muốn dung dịch phải đạt sau quá trình cô đặc , và ta cũng mong muốn nồng độ này ổn định trong suốt quá trình, nếu có sự xáo trộn nồng độ này thì chất lượng xút sẽ không đạt yêu cầu cho các công đoạn sau. Xét áp suất trong nồi : Quá trình cô đặc tiến hành trong điều kiện chân không mục đích là để giảm nhiệt độ bốc hơi tránh ảnh hưởng chất lượng sản phẩm . Do dung dịch xút không chịu ảnh hưởng nhiều từ thông số nhiệt độ cho nên mục đích này là không quan trọng mà chủ yếu là để giảm được kích thước thiết bị . Dù có tiến hành trong điều kiện nào thì áp suất trong nồi cũng phải được ổn định vì nó có ảnh hưởng đến nhiệt độ bốc hơi, ảnh hưởng đến khả năng tách dung môi của dung dịch. Nếu áp suất quá thấp ( chân không cao ) thì quá trình bốc hơi diễn ra dễ dàng hơn nhưng nó có ảnh hưởng đến tính bền của thiết bị và ảnh hưởng đến khả năng ngưng tụ của thiết bị Baromet lúc ấy kéo theo độ chân không trong thiết bị sẽ không ổn định Nếu áp suất quá cao ( chân không thấp ) thì khả năng bốc hơi của dung môi sẽ giảm ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm và cũng ảnh hưởng đến tính bền của thiết bị Do đó ta phải ổn định thông số này vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tách dung môi . Xét mức dung dịch trong nồi: Thông số này cũng quan trọng vì nếu mức dung dịch quá thấp sự sôi diễn ra tại vị trí thấp, không sử dụng hết diện tích bề mặt truyền nhiệt, cũng có thể gây cháy ống truyền nhiệt. Còn nếu mức dung dịch quá cao cũng không được vì sẽ làm giảm khoảng không gian bốc hơi, gây ngập nồi trào bọt, gây tắt ngẽn đường ống hơi của thiết bị Baromet . Lúc đó sẽ ảnh hưởng đến áp suất trong nồi có thể quá trình cô đặc không xảy ra được. Xét nhiệt độ dòng nhập liệu: Như đã phân tích ở trên, nhiệt độ các dòng đều có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cô đặc do đó nhiệt độ dòng nhập liệu phải được kiểm soát. Các thông số cần kiểm tra: Aùp suất trong nồi: Pc Lưu lượng nhiệt độ dòng nhập liệu: Gđ, tđ Mức chất lỏng trong bồn chứa: L Aùp suất trong nồi như đã phân tích là thông số rất quan trọng và nó luôn biến đổi trong một khoảng hẹp do đó ta có thể theo dõi kiểm tra nó, hiển thị thông số tại chỗ hay trong bàn điều khiển. Lưu lượng, nhiệt độ dòng nhập liệu: cũng như áp suất trong nồi, đây là các thông số ta có theo dõi hiển thị ra. Mức chất lỏng trong bồn: ta phải theo dõi thường xuyên, có thể vì một lý do nào đó áp suất trong bồn vẫn ổn định nhưng mức chất lỏng lại thay đổi có thể quá cao hoặc quá thấp, nếu ta không hiển thị thì có thể dẫn đến tình trạng hư hỏng thiết bị như đã phân tích ở trên. Các tác động điều chỉnh: Ta đã xác định được các đại lượng cần kiểm tra và điều chỉnh, vấn đề đặt ra là phải kiểm tra và điều chỉnh như thế nào, đại lượng nào ta cần tác động đến để điều chỉnh và kiểm tra. Quá trình cô đặc có rất nhiều thông số, đại lượng , ta phải chọn lựa đại lượng nào có ảnh hưởng lớn nhất đến các đại lượng cần điều chỉnh để tác động vào chúng và xác định các mối quan hệ phụ thuộc để lựa chọn kênh điều chỉnh. Tác động điều chỉnh được đưa vào nhờ bộ phận thừa hành làm thay đổi dòng vật chất hoặc năng lượng. Khi thiết kế hệ thống điều chỉnh, chọn một hoặc nhiều chỉ tiêu hiệu suất của quá trình, xác lập những giới hạn cần thiết, xác lập những đặc tính tĩnh và động của đối tượng điều khiển. Khi phân tích những đặc tính tĩnh cho phép đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau của các đại lượng và làm rõ những đại lượng điều chỉnh có tác động lớn nhất đến quá trình. Đối với những đại lượng không phụ thuộc thì điều chỉnh chúng riêng biệt theo từng vòng điều chỉnh tương ứng. Trong đối tượng nếu có các điều chỉnh phụ thuộc thì sử dụng các vòng điều chỉnh có tính đến mức độ tác động của tín hiệu điều khiển lên các đại lượng điều chỉnh. Do mô hình thiết bị chưa được xác định nên những đặc tính tĩnh và động không được xác lập. Điều này dẫn đến những tác động điều chỉnh được lựa chọn chỉ mang tính kinh nghiệm, và dựa trên những hiểu biết về công nghệ. Một số tác động điều chỉnh có thể lựa chọn: Lưu lượng dòng nhập liệu: Lưu lượng dòng nhập liệu có ảnh hưởng đến áp suất cô đặc, mức dung dịch trong nồi, nồng độ sản phẩm,… như đã phân tích ở phần trên. Lưu lượng hơi đốt: Quá trình cô đặc chủ yếu là thực hiện quá trình truyền nhiệt và tác nhân truyền nhiệt chính là hơi đốt. Lưu lượng hơi đốt có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình. Ở đây hơi đốt được sử dụng để gia nhiệt cho dòng nhập liệu và cung cấp cho nồi cô đặc, lưu lượng hơi đốt có ảnh hưởng đến nhiệt độ dòng nhập liệu khi vào nồi cô đặc và ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong nồi làm thay đổi mức lỏng, nồng độ sản phẩm. Lưu lượng dòng sản phẩm: Lưu lượng dòng sản phẩm có ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm, mức dung dịch trong nồi, áp suất trong nồi,… Lưu lượng nước lạnh của thiết bị ngưng tụ: Aùp suất trong nồi được duy trì chính là nhờ vào thiết bị ngưng tụ Baromet, lượng hơi thứ có được ngưng tụ hoàn toàn hay không chính là nhờ vào lượng nước lạnh được cung cấp. Do đó lưu lượng nước lạnh có ảnh hưởng nhiều nhất đến áp suất trong nồi. Có nhiều thông số tác động đến đại lượng này như áp suất, trong nồi, nhiệt độ lưu lượng dòng nhập liệu, áp suất lưu lượng hơi đốt, lưu lượng dòng sản phẩm,…Ta có thể chọn một trong các thông số đó làm đại lượng tác động điều chỉnh. Ở đây thông số lưu lượng dòng sản phẩm là có ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ sản phẩm cho nên ta chọn nó làm đại lượng tác động điều chỉnh. Còn các đại lượng khác cũng có ảnh hưởng nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Lưu lượng sản phẩm :Gc Aùp suất trong nồi : áp suất trong nồi có ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm và do ta đã chọn lưu lượng dòng thành phẩm để điều chỉnh nồng độ cho nên ta phải ta phải ổn định áp suất trong nồi. Quá trình bốc hơi của dung môi nước sẽ tạo áp suất trong nồi và để tạo được chân không lượng hơi tách ra phải được ngưng tụ triệt để , tạo độ ổn định chân không . Do đó thông số có ảnh hưởng nhiều nhất đến áp suất trong nồi chính là lưu lượng dòng nước cấp cho thiết bị Baromet . Các thông số khác của quá trình ngưng tụ như lưu lượng hơi hút ,vận tốc nước ngưng cũng có ảnh hưởng nhưng tác động không trực tiếp. Mức dung dịch trong nồi L: Cũng như áp suất trong nồi , mức dung dịch trong nồi cũng cần phải được ổn định. Mức dung dịch có liên quan đến nhiều yếu tố nhưng ta chọn thông số lưu lượng dòng nhập liệu là có ảnh hưởng trực tiếp nhất. Nhiệt độ dòng nhập liệu : Khi các yếu tố đã được ổn định thì ta phải tính sao cho đảm bảo cân bằng vật chất và năng lượng . Điều này đòi hỏi lượng hơi đốt cung cấp phải đủ nhiệt lượng để thực hiện quá trình cô đặc . Với lưu lượng các dòng đã ổn định, áp suất đã ổn định thì yếu tố nhiệt độ dòng nhập liệu phải được ổn định để đảm bảo cân bằng nhiệt lượng. Nhiệt độ dòng nhập liệu từ nhiệt độ ổn định trong môi trường được nâng lên đến nhiệt độ sôi khi vào thhiết bị cô đặc là 75oC nhờ hơi đốt được cung cấp từ lò hơi, do đó để ổn định nhiệt độ này ta phải lựa chọn thông số là lưu lượng hơi đốt để tác động điều chỉnh. CHỌN LỰA KÊNH ĐIỀU CHỈNH Như đã phân tích ở trên các thông số công nghệ của quá trình được ổn định bằng hệ thống điều chỉnh tự động, để đơn giản ta dùng hệ thống một vòng: lấy tín hiệu tác động điều chỉnh để điều chỉnh thống số cần ổn định. Có rất nhiều phương án để ổn định các thông số đầu ra, ta có thể xét vài phương án sau: Phương án 1: STT Thông số cần ổn định Tác động điều chỉnh 1 Nồng độ sản phẩm xc Lưu lượng sản phẩm Gc 2 Aùp suất cô đặc Pc Lưu lượng nước lạnh vào TBNT Gnl 3 Mức dung dịch trong nồi L Lưu lượng dòng nhập liệu Gđ 4 Nhiệt độ dòng nhập liệu tđ Lưu lượng hơi đốt GD của TBGN Phương án 2: STT Thông số cần ổn định Tác động điều chỉnh 1 Nồng độ sản phẩm xc Lưu lượng hơi đốt GD của nồi 2 Aùp suất cô đặc Pc Lưu lượng hơi hút của bơm chân không 3 Mức dung dịch trong nồi L Lưu lượng dòng thành phẩm Gc 4 Nhiệt độ dòng nhập liệu tđ Lưu lượng dòng nhập liệu Gđ Phương án 3: STT Thông số cần ổn định Tác động điều chỉnh 1 Nồng độ sản phẩm xc Lưu lượng dòng nhập liệu Gđ 2 Aùp suất cô đặc Pc Lưu lượng dòng thành phẩm Gc 3 Mức dung dịch trong nồi L Lưu lượng hơi đốt GD của nồi 4 Nhiệt độ dòng nhập liệu tđ Lưu lượng hơi đốt GD của TBGN Trong các phương án trên thì phương án 1 là khả thi nhất vì các thông số đầu vào đều tác động trực tiếp đến thông số đầu ra, và có ảnh hưởng nhanh nhất vì đối với: Nồng độ sản phẩm: Có nhiều thông số tác động đến đại lượng này như áp suất, trong nồi, nhiệt độ lưu lượng dòng nhập liệu, áp suất lưu lượng hơi đốt, lưu lượng dòng sản phẩm,…Ta có thể chọn một trong các thông số đó làm đại lượng tác động điều chỉnh. Ở đây thông số lưu lượng dòng sản phẩm là có ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ sản phẩm cho nên ta chọn nó làm đại lượng tác động điều chỉnh. Còn các đại lượng khác cũng có ảnh hưởng nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Aùp suất trong nồi : Aùp suất trong nồi có ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm và do ta đã chọn lưu lượng dòng thành phẩm để điều chỉnh nồng độ cho nên ta phải ta phải ổn định áp suất trong nồi. Quá trình bốc hơi của dung môi nước sẽ tạo áp suất trong nồi và để tạo được chân không lượng hơi tách ra phải được ngưng tụ triệt để , tạo độ ổn định chân không . Do đó thông số có ảnh hưởng nhiều nhất đến áp suất trong nồi chính là lưu lượng dòng nước cấp cho thiết bị Baromet . Các thông số khác của quá trình ngưng tụ như lưu lượng hơi hút ,vận tốc nước ngưng cũng có ảnh hưởng nhưng tác động không trực tiếp. Mức dung dịch trong nồi L: Cũng như áp suất trong nồi , mức dung dịch trong nồi cũng cần phải được ổn định. Mức dung dịch có liên quan đến nhiều yếu tố nhưng ta chọn thông số lưu lượng dòng nhập liệu là có ảnh hưởng trực tiếp nhất. Nhiệt độ dòng nhập liệu : Khi các yếu tố đã được ổn định thì ta phải tính sao cho đảm bảo cân bằng vật chất và năng lượng . Điều này đòi hỏi lượng hơi đốt cung cấp phải đủ nhiệt lượng để thực hiện quá trình cô đặc . Với lưu lượng các dòng đã ổn định, áp suất đã ổn định thì yếu tố nhiệt độ dòng nhập liệu phải được ổn định để đảm bảo cân bằng nhiệt lượng. Nhiệt độ dòng nhập liệu từ nhiệt độ ổn định trong môi trường được nâng lên đến nhiệt độ sôi khi vào thhiết bị cô đặc là 75oC nhờ hơi đốt được cung cấp từ lò hơi, do đó để ổn định nhiệt độ này ta phải lựa chọn thông số là lưu lượng hơi đốt để tác động điều chỉnh. CÁC KÊNH ĐIỀU CHỈNH  Hệ thống điều chỉnh tự động một vòng: Sơ đồ cấu trúc: ĐTĐK BPTH CBĐL TBĐC Z y y u x xĐC ĐTĐK: đối tượng điều khiển. CBĐL: cảm biến đo lường. TBĐC: thiết bị điều chỉnh. BPTH: bộ phận thừa hành. y: đại lượng điều chỉnh. x: tác động điều chỉnh. xDC: tín hiệu điều khiển. u: giá trị chủ đạo . Đối tượng điều khiển: Đây chính là một thiết bị cụ thể, một bồn chứa, một máy bơm, một tháp chưng cất, một nồi cô đặc,… Cảm biến đo lường: Đây chính là dụng cụ đo lường cảm biến, nó xác định được giá trị đầu ra y có thể hiện hoặc không. Khi có được giá trị đầu ra thì mới có thể biết được cần phải điều chỉnh như thế nào để đạt ổn định, không một vòng điều chỉnh nào mà có thể thiếu cảm biến đo lường. Chúng ta sẽ xét kỹ nó ở các vòng điều khiển cụ thể. Thiết bị điều chỉnh: Thiết bị đảm bảo tự động duy trì đại lượng công nghệ gần với giá trị chủ đạo được gọi là bộ điều chỉnh ( bộ điều tốc ) trong hệ thống điều chỉnh . Ở đầu vào bộ điều chỉnh đưa đến giá trị hiện tại yT và giá trị chủ đạo ( giá trị đã cho ) uz. Sai lệch giữa yT và uz dẫn đến sự thay đổi đại lượng ra của bộ điều chỉnh xP. xP = f(yT – uz) Sự phụ thuộc này trong một đại lượng tương đối lớn ( khi u = 0 ) x = f(y) được gọi là qui luật điều chỉnh . Mỗi bộ điều chỉnh cụ thể có qui luật điều chỉnh riêng Khi nhận được giá trị cụ thể từ cảm biến đo lường thiết bị điều chỉnh sẽ tính toán, chuyển đổi ra tín hiệu có thể điều chỉnh để tác động đến bộ phận thừa hành. Nói cách khác đây chính là bộ phận chuyển đổi tín hiệu. Bộ phận thừa hành: Thiết bị của hệ thống tự động điều khiển hoặc điều chỉnh tác động lên quá trình tương ứng với thông tin điều khiển nhận được gọi là thiết bị thừa hành . Được sử dụng để thay đổi lượng chảy hoặc lưu lượng lưu chất hay năng lượng và đưa đại lượng điều chỉnh gần giá trị cho trước. Thiết bị thừa hành được lắp đặt trên ống dẫn công nghệ. Tính chất của thiết bị thừa hành có ảnh hưởng đến chất lượng điều chỉnh. Thông thường thiết bị thừa hành bao gồm cơ cấu thừa hành dạng khí nén điện hoặc thủy lực và cơ quan điều chỉnh. Trong công nghiệp hóa chất hệ thống thường sử dụng cơ cấu thừa hành khí nén dạng màng và pittông, còn cơ quan điều chỉnh là van điều chỉnh và bướm diều tiết . Phổ biến nhất là cơ cấu thừa hành khí nén dạng màng ( tấm chắn ) Thang nối Lò xo Màng Pittông Vỏ ( thân ) Cửa van (chắn ) Thanh nối Bướm tiết lưu ( tấm chắn ) Đế Thiết bị thừa hành bao gồm cơ cấu thừa hành khí nén dạng màng và cơ cấu diều chỉnh được gọi là van điều chỉnh khí nén Theo dạng bộ phận đóng của cặp cửa van – đế , van điều chỉnh khí nén được chia thành loại một đế và hai đế . Thường mở: van mở hoàn toàn khi không có áp suất không khí (còn gọi là không khí đóng ). Thường đóng: ngược lại Một đế : sử dụng trong thiết bị thừa hành có kích thước nhỏ ở môi trường có áp suất thấp ( cửa van không cân bằng do tác động lực của môi trường ) . Hai đế : có cửa van cân bằng và được sử dụng trong thiết bị thừa hành có kích thước lớn với áp suất môi trường cao . Van dạng thường mở được sử dụng trong trường hợp có sự cố ngưng cấp không khí thì theo điều kiện công nghệ kênh mở an toàn hơn. Thí dụ khi điều chỉnh hơi đốt nhiệt độ cho lò phản ứng trong đó có thể đông đặc vật liệu thì sử dụng dạng thường mở. Khi hệ htống cấp không khí bị hư thì van mở hoàn toàn và nhiệt độ trong lò không khí bị hạ thấp đến giá trị không cho phép. Thiết bị này nhận tín hiệu từ thiết bị điều chỉnh sẽ tác động đến giá trị x đầu vào của thiết bị cần điều chỉnh, x thay đổi theo yêu cầu của thiết bị thừa hành để đạt yêu cầu mong muốn của giá trị y. Tóm lại, hệ thống điều chỉnh một vòng lấy một tín hiệu đầu ra điều chỉnh một tín hiệu đầu vào. Vấn đề đặt ra là lấy tín hiệu đầu vào nào để điều chỉnh tín hiệu đầu ra , thường người ta lấy tín hiệu đầu vào có ảnh hưởng nhiều nhất đến tín hiệu đầu ra. Trong hệ thống cô đặc đang xét tín hiệu đầu ra y chính là các thông số cần điều chỉnh ổn định: nồng độ sản phẩm, áp suất cô đặc, mức dung dịch, nhiệt độ dòng nhập liệu. Còn các tín hiệu đầu vào chính là các thông số nhiễu đã xét ở trên. Như đã phân tích ở phần trước ta chọn phương án 1 để điều chỉnh hệ thống cô đặc, và do không xét các giá trị cụ thể cho nên việc lựa chọn các thiết bị trong vòng điều chỉnh chỉ mang tính tổng quát không chính xác. Lựa chọn thiết bị: TBĐC: Trong tự động hóa sản xuất hóa chất thường xuyên sử dụng bộ điều chỉnh khí nén do chúng an toàn với cháy nổ, làm việc tin cậy , phát triển nội lực vừa đủ lớn ( vài trăm kg ) . Hạn chế của chúng là quán tính cao ( trong một số trường hợp thời gian truyền tín hiệu lên đến vài chục giây ) và giới hạn tầm xa tác động ( đến 300 m ) . Tốc độ tác động của bộ điều chỉnh khí nén chấp nhận được do phần lớn các đại lượng công nghệ thay đổi đủ chậm . Do đó toàn bộ thiết bị điều chỉnh của hệ cô đặc ta chọn bộ điều chỉnh khí nén . TBTH: Như đã phân tích trong công nghiệp hóa chất ta chọn thiết bị thừa hành khí nén dạng màng , còn cơ quan điều chỉnh là van điều chỉnh cho toàn bộ hệ thống cô đặc . Chỉ riêng cảm biến đo lường của từng kênh là khác nhau ta sẽ lựa chọn cụ thể cho từng đại lượng . Kênh 1 : nồng độ sản phẩm xc – lưu lượng sản phẩm Gc Sơ đồ: ĐTĐK BPTH CBĐL TBĐC Z xc xc u Gc xĐC CBĐL: Đo nồng độ sản phẩm ta không dùng cơ cấu thử mẫu mà xác định sự chênh lệch tín hiệu nhiệt độ hơi thứ và tín hiệu nhiệt độ dòng sản phẩm sau đó qua cơ cấu tính toán suy ra nồng độ sản phẩm. Cơ sở của phương pháp này là so nồng độ sản phẩm có quan hệ đơn trị với chêng lệch nhiệt độ trên. Do đó cảm biến đo lượng chính là cảm biến đo lường nhiệt độ. Ta chọn dụng cụ do nhiệt độ là cặp nhiệt điện vì ở đây cần độ chính xác cao Sơ đồ cấu tạo: TBĐ 1 2 to 3 to t Cặp nhiệt điện cấu tạo bởi hai dây dẫn khác nhau, nối với nhau tại một điểm chung. Mạch đo có sự kết hợp cặp nhiệt điện với dụng cụ đo điện ( milivolt kế hay điện thế kế ), gọi là nhiệt kế nhiệt điện. Hoạt động theo nguyên lý của hiệu ứng nhiệt điện, gọi là hiệu ứng Seebeck: hai dây dẫn khác nhau nối với nhau một đầu chung , nếu đốt nóng chung thì ở hai đầu tự do sẽ sing ra một hiệu điện thế hay còn gọi là sức điện động. Sức điện động này tỉ lệ thuận với nhiệt độ ở đầu chung. Đo sức điện động này ta sẽ xác định nhiệt độ tương ứng ở đầu chung. Đó chính là cơ sở của phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi nhất là cặp nhiệt điện loại S: một nhiệt điện cực làm bằng hợp kim platin (90%) và rôđi (10%), còn điện cực kia làm bằng platin tinh khiết , khoảng đo nhiệt độ: 0 – 1600 oC . Với nhiệt độ cần đo của thiết bị cô đặc ta chọn cặp nhiệt điện loại này là thích hợp. Kênh 2: Aùp suất cô đặc Pc – Lưu lượng nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ Gnl: ĐTĐK BPTH CBĐL TBĐC Z Pc Pc u Gnl xĐC CBĐL: Chọn áp kế biến dạng loại hộp xôáp kiểu xiphông vì đây là loại áp kế có cấu trúc đơn giản và tin cậy, kích thước nhỏ, dễ đọc, chính xác cao và có khoảng đo cao, được sử dụng nhiều để đo và ghi lại áp suất và chân không. Sơ đồ: l(y) P(x) Hộp xiphông là 1 dạng hộp xếp biến dạng đều, thường làm bằng kẽm, thép hoặc đồng. Aùp suất đo có thể tác động từ phía ngoài xiphông hoặc từ phía trong nhưng thông thường người ta sử dụng áp kế xiphông chịu áp lực từ phía ngoài . Hộp xiphông được đặt trong vỏ hộp kim loại . Nguyên lý hoạt động: Do tác động của áp suất, hộp xiphông bị nén co lại làm dịch chuyển cần đẩy và từ đó làm cho kim chỉ thị quay lệch một góc α . Để tăng độ đàn hồi của xiphông đồng thời tăng độ bền cơ học của nó , bên trong hộp xiphông có đặt lò xo hình trụ. Aùp kế xiphông thường được sử dụng như áp kế đo áp suất dư, áp kế đo áp suất chân không hoặc được sử dụng như một áp kế đa năng – vừa đo áp suất dư vừa đo áp suất chân không. Manomet loại này có cấp chính xác tới 1.0 ¸ 1.5 , còn áp kế chân không, áp kế áp suất dư và chân không có cấp chính xác tới 2.5 Kênh 3: Mức dung dịch trong nồi L – lưu lượng nhập liệu Gđ ĐTĐK BPTH CBĐL TBĐC Z L L u Gđ xĐC Chọn mức kế thủy tĩnh phao chìm làm cảm biến đo lường . Sơ đồ: l(x) α(y) Nguyên lý hoạt động : Dựa trên sự thay đổi áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng khi mức thay đổi . Riêng áp kế phao chìm thì áp lực dựa trên việc đo áp suất không khí hoặc khí sục qua lớp chất lỏng có mức thay đổi .  Kênh 4 : Nhiệt độ dòng nhập liệu tđ – lưu lượng hơi đốt GD Sơ đồ: ĐTĐK BPTH CBĐL TBĐC Z tđ tđ u GD xĐC Tương tự ta chọn cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ dòng nhập liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Văn Bôn (Chủ biên ), Nguyễn Đình Thọ, ”Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 5 –Giáo trình Quá trình và thiết bị truyền nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Tp.HCM, 2000, 383 tr. [2].Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam, “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 10 – Ví dụ và bài tập”, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 468 tr. [3].Nhiều tác giả, ”Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, tập I “, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1992, 626 tr. [4].Nhiều tác giả, ”Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, tập II “, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1998, 447 tr. [5].Hồ Lê Viên, ”Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất “, Nhà xuất bản giáo dục, 1978, 287 tr. [6].Nguyễn Đức Lợi ,”Tự động hóa hệ thống lạnh “, Nhà xuất bản giáo dục,2001, 287 tr. [7].TS. Nguyễn Văn Hòa, ”Cơ sở Tự động hóa “, Nhà xuất bản giáo dục, 2000, 271tr. [8].PTS. Trần Văn Ngu, ”Bài giảng Môn học chuyên đề Dụng Cụ Đo “, Tài liệu nội bộ Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 1996, 233tr. [9].TS. Lê Phan Hoàng Chiêu, ”Tài liệu Tự Động Hoá Trong Công Nghệ Hoá Học “, Tài liệu nội bộ Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.