Thiết kế PID Assignment chương 7 và đáp án

Assignment chương 7

Quy trình tách acetone ra khỏi dịng khơng khí sử dụng quy trình hấp thu được mơ tả ở hình 1. Dung mơi sử
dụng là nước hoặc một loại dung môi hữu cơ không bay hơi (non-volatile). Sử dụng kiến thức được học ở
môn học này và kiến thức về q trình hấp thụ ở mơn học q trình & thiết bị truyền khối, thiết kế hệ thống
điều khiển (basic process control system- BPCS) cho hệ thống này. Yếu tố gây nhiễu là lưu lượng tổng và
nhiệt độ dịng khí nhập liệu (feed gas). Trong q trình giải quyết vấn đề, nếu sinh viên cần biết thông tin gì
thì tự tìm qua Google Search hoặc sử dụng giả định / giả thiết phù hợp.
Sinh viên không cần vẻ hình hệ thống BPCS, chỉ cần mơ tả các vịng điều khiển được sử dụng: mô tả cặp
biến điều khiển – biến điều chỉnh, cơ chế điều khiển (feedback, feedforward, cascade?)

Hình 1. Quy trình hấp thụ để tách acetone ra khỏi dịng khơng khí


ĐÁP ÁN

Mơ tả quy trình:
Dịng khơng khí chứa một lượng nhỏ acetone (khoảng dưới 6% thể tích) cần được tách loại acetone sử dụng
quy trình hấp thụ. Dịng khơng khí nhập liệu (có chứa acetone, dịng “Feed Gas”) đi vào phần đáy cột hấp
thụ (Scrubber D-1) di chuyển lên phần trên của cột và tiếp xúc với dòng lỏng dung môi chảy từ trên xuống
(dung môi là nước hoặc một loại dung mơi hữu cơ khơng bay hơi). Q trình truyền nhiệt và truyền khối
giữa dịng khí và dịng lỏng (dung môi) xảy ra trong cột hấp thụ (Scrubber D-1): acetone sẽ bị hấp thu bởi
dung mơi, dịng khí sau khi được tách loại acetone sẽ đi ra ngoài ở đỉnh cột (dịng “Discharge Gas”). Dịng
dung mơi sau khi đã hấp thụ acetone sẽ đi đến cột chưng cất (Still D-2) để tách loại acetone (tái sinh dung
môi). Acetone đi ra ngồi như dịng sản phẩm đỉnh của cột chưng cất Still D-2 (dịng “Product Acetone”),
dịng dung mơi “Lean Solvent” (đã tách loại acetone) là sản phẩm đáy của cột chưng cất D-2 và hồi lưu trở
lại cột hấp thụ D-1.
Thiết kế BPCS cho quy trình này:

Thiết kế BPCS cho cột chưng cất D-2:
Sử dụng phương án thiết kế mẫu về hệ thống BPCS cho cột chưng cất như được miêu tả trong bài giảng

(slide 65-66 trong bài giảng chương 7, trang 436-437 trong tài liệu tham khảo “Process Technology
Equipment and Systems, 4th Edition”
Ghi chú 1: Nhiệt độ của dòng đỉnh ra khỏi thiết bị làm nguội & ngưng tụ E-3 cần được điều khiển (cố định ở
giá trị cài đặt) bằng cách sử dụng cascade control loop: temperature-to-flow cascade control loop trong đó
vịng điều khiển nhiệt độ (primary control loop) sẽ quyết định setpoint của vòng điều khiển lưu lượng dòng
nước làm mát (secondary control loop). Phương án này không được sử dụng trong thiết kế mẫu về hệ thống
BPCS cho cột chưng cất
Ghi chú 2: Các phương án thiết kế khác với đáp án đưa ra nhưng là phương án hợp lý đều được chấp nhận

Thiết kế BPCS cho cột hấp thụ D-1:

Một số giả thuyết và lập luận:
-

-

Giả sử sự bay hơi của cấu tử dung môi là khơng đáng kể, có thể bỏ qua. Có nghĩa là, hàm lượng của
cấu tử dung mơi trong dịng hơi đỉnh đi ra khỏi cột hấp thụ D-1 xem như = 0.
Dòng hơi đỉnh đi ra khỏi cột hấp thụ D-1 (dịng “Discharge Gas”) là dịng khơng khí chứa một hàm
lượng rất nhỏ acetone (“trace amount”). Có nghĩa là, dịng hơi đỉnh này chỉ chứa ba cấu tử: thành
phần chính là O2 và N2 (chính là khơng khí) và một hàm lượng rất nhỏ acetone. Trong dòng
“Discharge Gas” này, acetone là cấu tử nặng nhất, có nhiệt độ sơi lớn hơn rất nhiều so với hai cấu tử
còn lại (O2 và N2)
Hàm lượng acetone trong dịng hơi đỉnh chính là chỉ tiêu chất lượng cần đạt của cột hấp thụ D-1 (tiêu
chí: hàm lượng acetone ≤ giới hạn cho phép).


-

-

-

-

-

-

-

-

Dịng hơi đỉnh này thảy bỏ ra mơi trường (nó khơng phải là một sản phẩm có giá trị, cần đạt được chỉ
tiêu chất lượng nghiêm ngặt). Do đó, tiêu chí chất lượng liên quan đến hàm lượng acetone khơng cần
được kiểm sốt nghiêm ngặt. Có nghĩa là, khơng cần sử dụng vòng điều khiển thành phần (AC
control loop) để kiểm sốt thành phần của dịng hơi đỉnh này
Khi hoạt động cột hấp thụ, áp suất ở đỉnh cột sẽ cần được điều khiển (cố định ở giá trị cài đặt = P1)
bằng cách sử dụng pressure control loop: sử dụng lưu lượng của dòng hơi ra khỏi đỉnh cột như biến
điều chỉnh
Có thể giả sử nhiệt độ của dịng hơi ra khỏi đỉnh cột (= T1) chính là nhiệt độ điểm sương của dòng
“Discharge Gas” tương ứng với áp suất P1. Giả sử này là đúng nếu dòng lỏng và dòng hơi ở phần
đỉnh cột ở trạng thái cân bằng pha với nhau (là một giả sử hợp lý nếu cột hấp thụ là dạng cột đệm).
Có mối liên hệ trực tiếp giữa nhiệt độ điểm sương T1 và hàm lượng của cấu tử nặng nhất acetone
trong dòng hơi đỉnh. T1 càng cao thì hàm lượng của acetone trong dịng hơi đỉnh càng lớn và ngược
lại.
Do đó, ta có thể kiểm sốt hàm lượng acetone trong dịng hơi đỉnh bằng cách điều khiển nhiệt độ T1
(cố định ở giá trị cài đặt). Phương án này tương tự với phương án kiểm sốt thành phần dịng sản
phẩm đỉnh của cột chưng cất bằng cách điều khiển nhiệt độ ở đỉnh cột (nhiệt độ mâm đỉnh).
Điều khiển nhiệt độ của dòng hơi ra khỏi đỉnh cột (T1) bằng cách điều chỉnh nhiệt độ của dịng dung

mơi “Lean Solvent” nhập liệu (T2) vào cột hấp thụ ở đỉnh cột. Cụ thể hơn, có thể sử dụng cascade
control loop: temperature-to-temperature cascade control loop trong đó vịng điều khiển nhiệt độ của
biến T1 (primary control loop) sẽ quyết định setpoint của vòng điều khiển nhiệt độ của biến T2
(secondary control loop). Biến điều chỉnh của secondary control loop chính là lưu lượng nước làm
mát trong thiết bị trao đổi nhiệt E-1
Sự thay đổi về nhiệt độ và / hoặc lưu lượng tổng của dòng nhập liệu “Feed Gas” (chính là các yếu tố
gây nhiễu) sẽ dẫn đến sự thay đổi của nhiệt độ dòng đỉnh T1 (chính xác hơn, profile nhiệt độ bên
trong cột hấp thụ sẽ thay đổi). Có nghĩa là, hàm lượng acetone trong dòng hơi đỉnh sẽ thay đổi. Hàm
lượng acetone này sẽ được kiểm soát / điều khiển bằng cách điều khiển nhiệt độ dòng đỉnh T1, sử
dụng temperature-to-temperature cascade control loop như trình bày ở trên. Lưu ý là, cách thức điều
khiển này chỉ áp dụng được khi sự thay đổi về nhiệt độ và / hoặc lưu lượng tổng của dòng nhập liệu
“Feed Gas” là vừa phải.
Như vậy, cột hấp thụ Scrubber D-1 sẽ có các vịng điều khiển sau (bảng 1)

Bảng 1. Các vòng điều khiển trong cột hấp thụ Scrubber D-1
Vòng điều khiển mực chất
lỏng (LC)

Biến điều khiển
Mực chất lỏng ở
đáy cột

Vòng điều khiển áp suất (PC)

Áp suất ở đỉnh cột

Vòng điều khiển nhiệt độ (TC)

Nhiệt độ của dòng
hơi đỉnh

Biến điều chỉnh
Lưu lượng dòng lỏng (dung môi)
ra khỏi cột hấp thụ (sử dụng van
điều khiển trên dòng này)
Lưu lượng dòng hơi đỉnh ra khỏi
cột hấp thụ (sử dụng van điều
khiển trên dòng này)
Nhiệt độ của dòng dung môi
“Lean Solvent” nhập liệu vào cột
hấp thụ

Loại
Feedback
control loop
Feedback
control loop
Temperatureto-temperature
cascade control
loop