Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2

Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 2
CHƯƠNG 1: MÔ TẢ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXÍT SUNFURIC 3
1.1. Giới thiệu chung 3
1.2. Sản xuất axít sunfuric bằng phương pháp tiếp xúc 3
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ ĐỐI
TƯỢNG TỰ ĐỘNG HÓA 7
2.1. Lựa chọn đối tượng điều chỉnh 7
2.2. Lựa chọn thông số điều chỉnh 10
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT 12
3.1. Phương trình động học 12
3.2. Hàm truyền 14
CHƯƠNG 4: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 16
4.1. Giới thiệu 16
4.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển 16
4.3. Dụng cụ đo 17
KẾT LUẬN 19
TÀI LIỆU THAM KHẢO 20



Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học ngày càng phát triển, những thành công mà khoa học đem
lại ngày càng to lớn, sự đóng góp không nhỏ của khoa học đem lại cho con người
nhiều lợi ích, không những thay thế con người mà còn tạo ra các giá trị thiết thực về
kinh tế. Nhắc đến sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì không thể không đề cập đến
tự động hóa. Việc ứng dụng các quy trình tự động hóa vào quá trình sản xuất giúp
nâng cao năng suất lao động, tạo ra những sản phẩm chất lượng cao, ổn định, giá
thành thấp.
Chính vì những lợi ích to lớn của quá trình tự động hóa mang lại, con người đã
và đang cố gắng tìm hiểu và phát triển các phương pháp để hoàn thiện quá trình tự
động hóa trong dây chuyền sản xuất nhằm đạt được hiệu quả tối ưu nhất.
Tiểu luận này xin trình bày về: “Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO
2

trong dây truyền sản xất axít Sunfuric”.
Axít Sunfuric là một hóa chất thông dụng nhất, có nhiều ứng dụng trong công
nghiệp, vì vậy nó được sản xuất nhiều với quy mô công nghiệp. Trong công nghiệp
axít Sunfuric được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp oxy hóa tạo SO
3
sau đó
được hấp thụ bằng nước.
Nội dung của bài tiểu luận bao gồm các phần sau:
- Mô tả công nghệ sản xuất axít sunfuric
- Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động hóa
- Mô hình toán học quá trình trao đổi nhiệt
- Đo lường và điều khiển



Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 3

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXÍT SUNFURIC
1.1. Giới thiệu chung
Trên thế giới, axít sunfuric (H
2
SO
4
) được bắt đầu sản xuất từ những năm 940.
Đầu tiên, người ta điều chế bằng cách chưng sunfat sắt. Đến nửa cuối thế kỷ 15,
người ta đốt lưu huỳnh và diêm tiêu (muối Nitrat) trong các bình lớn có thấm nước
để điều chế axít sunfuric dùng trong y học. Năm 1740, nhà máy axít sunfuric mang
tính công nghiệp đầu tiên trên thế giới được xây dựng ở Anh, nhà máy này sản xuất
axít sunfauric dựa theo nguyên tắc đốt lưu huỳnh và Nitrat trong các bình kim loại,
sau đó dùng nước hấp thụ khí bay ra trong các phòng chì. Vì vậy, phương pháp này
thường được gọi là phương pháp phòng chì. Đầu thế kỷ 20, người ta dùng các tháp
đệm thay cho các phòng chì và từ đó hình thành phương pháp tháp, sản xuất với
công suất lớn hơn rất nhiều. Năm 1831, Peregrine Phillips đã đưa ra phương pháp
oxy hoá trực tiếp SO
2
thành SO
3
bằng không khí trên xúc tác Platin, hình thành lên
phương pháp tiếp xúc. Ngày nay, trên thế giới phương pháp tiếp xúc ngày càng phổ
biến và giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất axít sunfuric.
Tại Việt Nam, axít sunfuric được sử dụng với số lượng lớn, chủ yếu để sản xuất
phân bón. Từ những năm 1960, được sự giúp đỡ của Liên Xô, ta đã xây dựng được
nhà máy Supe phốt phát và hoá chất Lâm Thao sản xuất axít sunfuric bằng phương
pháp tiếp xúc. Với nhu cầu cấp thiết về lượng phân bón, Việt Nam đã và đang đầu

tư xây dựng các nhà máy sản xuất axít sunfuric nhằm cung cấp nguyên liệu cho
ngành hóa chất cơ bản và sản xuất phân bón.
1.2. Sản xuất axít sunfuric bằng phương pháp tiếp xúc
 Nguyên liệu:
Để sản xuất axít sunfuric có rất nhiều nguyên liệu khác nhau như: quặng Pyrit,
lưu huỳnh nguyên tố, các khí luyện kim loại mầu Hiện nay, nước ta sử dụng
nguyên liệu là lưu huỳnh ở dạng bột nguyên chất. Do đó, dây chuyền sản xuất axít
sunfuric từ bột lưu huỳnh sẽ đơn giản hơn do loại bỏ được công đoạn làm sạch khí
SO
2
. Sử dụng nguyên liệu trên sẽ giúp giảm chi phí đầu tư và tránh gây ô nhiễm
môi trường.


Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 4

 Các công đoạn sản xuất axít sunfuric theo công nghệ tiếp xúc đi từ lưu
huỳnh rắn:
a) Công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh:
Lưu huỳnh rắn từ kho chứa được đưa vào thiết bị nấu chảy lưu huỳnh. Lưu
huỳnh được gia nhiệt bằng hơi nước chảy lỏng tại nhiệt độ 140 - 145°C. Sau đó, qua
bể lắng lưu huỳnh lỏng để tách các cặn bẩn, rồi được đưa vào bể chứa lưu huỳnh
lỏng sạch. Bể lắng và bể chứa được trang bị hệ thống gia nhiệt nhằm duy trì nhiệt
độ lưu huỳnh lỏng tại 140 - 145°C.
b) Công đoạn đốt lưu huỳnh
Lưu huỳnh lỏng có nhiệt độ 140 - 145°C từ công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh được
bơm sang công đoạn đốt lưu huỳnh. Lưu huỳnh được phun vào lò đốt lưu huỳnh
dưới dạng sương mù. Không khí khô có nhiệt độ 50 – 60

0
C đưa vào lò đốt lưu
huỳnh theo phương tiếp tuyến. Trong lò đốt, xảy ra phản ứng cháy tạo SO2 theo
phương trình sau:
S + O
2
= SO
2
+ Q
Hỗn hợp khí ra khỏi lò đốt có nhiệt độ rất cao khoảng 1000 - 1050°C, hàm
lượng SO
2
khoảng 10 – 12% đi qua thiết bị thu hồi nhiệt, nhiệt độ hỗn hợp khí giảm
xuống còn 420 – 430°C. Sau đó, qua thiết bị lọc khí nóng trước khi tới công đoạn
tiếp xúc.
c) Công đoạn tiếp xúc
Hỗn hợp khí SO
2
sau lọc gió nóng có nhiệt độ khoảng 420 – 430°C đi vào tháp
chuyển hoá. Tại đây, xảy ra phản ứng oxy hoá SO
2
thành SO
3
, theo phản ứng sau:
SO
2
+ 1/2O
2
= SO
3

+ Q
Đây là phản ứng toả nhiệt, giảm thể tích. Cơ sở hoá lý của quá trình oxy hoá
SO
2
thành SO
3
trên xúc tác là rất phức tạp. Đây là công đoạn quan trọng nhất, khó
khăn nhất của toàn bộ dây chuyền công nghệ sản xuất axít sunfuric.

d) Công đoạn hấp thụ
Khí ra khỏi công đoạn tiếp xúc đưa đến công đoạn hấp thụ SO
3
được tách ra
khỏi hỗn hợp khí và chuyển nó thành axít sunfuric. Đầu tiên, hỗn hợp khí vào tháp
hấp thụ thứ nhất. Tháp này hấp thụ khoảng 30% lượng SO
3
và hạ nhiệt độ của hỗn
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 5

hợp khí xuống, trước khi đưa vào tháp hấp thụ thứ hai. Phản ứng tổng quát của công
đoạn này là:
nSO
3
+ H
2
O = H
2
SO

4
+ (n-1)SO
3
.
Tuỳ theo tỷ lệ mol giữa SO
3
và nước mà nồng độ axít thu được sẽ khác nhau.
Nếu : n > 1 , sản phẩm sẽ là oleum.
n < 1 , sản phẩm là axít loãng.
n = 1 , sản phẩm là mono hydrat.
Hiệu suất hấp thụ của 2 tháp khoảng 99,9%. Trước khi phóng không, hỗn hợp
khí được qua tháp tách giọt để tách hoàn toàn mù axít cuốn theo pha khí.


Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 6

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất axít sunfuric từ lưu huỳnh rắn
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 7

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ
ĐỐI TƯỢNG TỰ ĐỘNG HÓA
Điều chỉnh các quá trình công nghệ là một phần không thể thiếu trong bất kỳ
một quá trình công nghệ hoá học nào. Trong đó, cần thiết phải điều chỉnh các thông
số công nghệ như lưu lượng các dòng vật chất, áp suất, nhiệt độ, thành phần…
nhằm đảm bảo các yêu cầu công nghệ đặt ra. Để tiến hành điều khiển một quá trình
cần tiến hành qua các bước cơ bản sau:
- Tiến hành đo các giá trị mà ta cần điều chỉnh.
- So sánh giá trị đo đạc với giá trị đặt.
- Điều chỉnh thông qua các cơ cấu chấp hành.
Các hệ thống điều khiển tự động được phân loại dựa vào các thông tin ban đầu
như: điều chỉnh chỉnh định, điều chỉnh theo chương trình, điều chỉnh theo dõi, điều
chỉnh có cực trị, điều chỉnh thích nghi….
2.1. Lựa chọn đối tượng điều chỉnh
Với sơ đồ công nghệ sản xuất axít sunfuric, ta nhận thấy công đoạn tiếp xúc là
công đoạn quan trọng và khó khăn nhất. Công đoạn này quyết định tới công suất,
chất lượng sản phẩm của nhà máy. Vì vậy, trong các tài liệu có liên quan đến công
nghệ sản xuất axít sunfuric, quá trình oxy hoá SO
2
thành SO
3
được tìm hiểu rất kỹ

lưỡng nhằm tìm ra những điều kiện công nghệ thích hợp tiến hành quá trình để đạt
năng suất cao và giá thành hạ. Sau đây, ta sẽ tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng tới
quá trình này.
Phản ứng oxy hoá SO
2
:
S + O
2
= SO
2
+ Q
Đây là phản ứng giảm thể tích và toả nhiệt. Quan hệ giữa hằng số cân bằng và
nhiệt độ biểu thị bằng phương trình Vant – Hoff. Vì vậy nhiệt độ có ảnh hưởng lớn
đến hằng số cân bằng của phản ứng.
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt phản ứng và hằng số cân
bằng phản ứng oxy hoá SO
2

Nhiệt độ (°C)
Q
p
(KJ/mol)
K
p
0
940,246
-
400
951,046
442,9

Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 8

450
947,191
137,4
500
943,001
49,8
550
938,518
20,6
600
933,746
9,37
650
928,714
4,68
700
923,434
2,49

Theo bảng số liệu, nhiệt độ tăng từ 400
0
C lên 700
0
C thì nhiệt phản ứng và hằng
số cân bằng giảm.
Độ chuyển hoá: là tỷ lệ giữa lượng SO

2
đã bị oxy hoá thành SO
3
và tổng lượng
SO
2
ban đầu. Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì mức chuyển hoá đạt giá trị
cực đại. Phản ứng oxy hoá SO
2
là phản ứng toả nhiệt, giảm thể tích nên khi giảm
nhiệt độ và tăng áp suất, mức chuyển hoá cân bằng sẽ tăng. Mức chuyển hoá còn
phụ thuộc vào tỷ lệ SO
2
và O
2
trong hỗn hợp khí.
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của thành phần khí đến độ chuyển hoá của phản
ứng ( Nhiệt độ 475
°
C, áp suất 1 at)
Hàm lượng khí (% thể tích)
Mức chuyển hoá
SO
2

O
2

2
4

6
7
8
10
18,14
15,28
12,43
11,00
9,58
6,72
97,1
96,8
96,2
95,8
95,2
92,3

Tốc độ phản ứng: Là tốc độ oxy hoá SO
2
. Như chúng ta đã biết, phản ứng oxy
hoá SO
2
trong hệ đồng thể không xúc tác có năng lượng hoạt hoá rất lớn. Vì vây,
tốc độ phản ứng vô cùng chậm. Năm 1895, với sự có mặt của xúc tác oxit V
2
O
5

chứa hợp chất kim loại kiềm và silic đioxit SiO
2

đã làm tăng đáng kể phản ứng oxy
hoá này.
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 9

Trong điều kiện sản xuất, áp suất làm việc và nồng độ hỗn hợp đầu được quy
định trước và xem như không đổi. Như vậy, tại một mức chuyển hoá, tốc độ oxy
hoá SO2 phụ thuộc vào hằng số vận tốc phản ứng và hằng số cân bằng.
Như đã nói ở trên, hai hằng số này lại phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ,
hằng số vận tốc K tăng còn hằng số cân bằng K
p
giảm.








Hình 2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng oxy hóa SO
2

Như vậy, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng dần, đạt đến một giá trị cực
đại. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn chế độ nhiệt độ làm việc
của tháp chuyển hoá SO
2
. Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp trong quá trình chuyển hoá
không phải là một hằng số, mà phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của hỗn hợp khí và

mức chuyển hoá. Vì vậy, trong điều kiện thực tế chỉ có thể tiến hành phản ứng oxy
hoá SO
2
xung quanh đường nhiệt độ thích hợp. Người ta chia quá trình oxy hoá SO
2

thành nhiều đoạn (lớp), sau mỗi đoạn có làm lạnh hỗn hợp khí (gián tiếp hoặc trực
tiếp).
Vì quá trình oxy hoá SO
2
trong từng lớp xúc tác là đoạn nhiệt, nên mức chuyển
hoá càng lớn thì nhiệt độ sau lớp xúc tác càng cao. Để quá trình đạt hiệu suất cao
người ta tiến hành làm lạnh hỗn hợp khí của quá trình gần tới nhiệt độ thích hợp.
Sau khi làm lạnh, hỗn hợp khí lại vào lớp xúc tác thứ hai… Tại đây, mức độ chuyển
hóa và và nhiệt độ của hỗn hợp khí tăng, và phải đem đi làm lạnh. Quá trình cứ tiếp
diễn cho tới khi đạt mức chuyển hoá cần thiết.




Nhiệt độ °C
Tốc độ phản ứng
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 10

Tại Công ty Supe phốt phát và hoá chất Lâm Thao, với nồng độ SO
2
ban đầu
9%, các chỉ tiêu cho tháp chuyển hoá như sau:

Bảng 4. Các chỉ tiêu về nhiệt độ qua các lớp xúc tác của tháp tiếp xúc
Lớp xúc tác
Nhiệt độ vào
(
°
C)
Nhiệt độ ra
(
°
C)
Mức chuyển
hoá (%)
I
410
600
72,0
II
445
508
93,0
III
436
446
97,3
IV
426
428
98,0

Kết luận:

Đối tượng điều chỉnh là tháp chuyển hoá. Phải điều chỉnh sao cho nhiệt độ hỗn
hợp khí vào các tầng xúc tác của tháp chuyển hoá nằm trong khoảng nhiệt độ thích
hợp. Tại một mức chuyển hoá, tốc độ oxy hoá SO
2
phụ thuộc vào nhiệt độ.
Áp suất làm việc và nồng độ hỗn hợp đầu trước khi vào tháp chuyển hoá được
quy định trước và xem như không đổi.
2.2. Lựa chọn thông số điều chỉnh
Như phân tích ở trên, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ôxy hoá SO
2

thành SO
3
, như nồng độ hỗn hợp đầu, nhiệt độ, áp suất… Theo thực tế tại nhà máy
Supe Phốt Phát Lâm Thao, ta chấp nhận các số liệu của nhà máy như nồng độ hỗn
hợp khí vào, áp suất trong tháp tiếp xúc là hằng số và chúng được giữ cố định ( thực
tế, nồng độ hỗn hợp khí vào cũng được điều chỉnh).
Nồng độ của hỗn hợp khí vào, áp suất làm việc của tháp chuyển hoá, khả năng
làm việc của xúc tác chính là các nhiễu làm nhiệt độ bị thay đổi.
Thông số cần điều chỉnh ở đây chính là nhiệt độ của hỗn hợp khí vào các tầng
xúc tác trong tháp tiếp xúc. Chúng được đo trực tiếp ngay trên các lớp xúc tác, do
đó ta có thể điều khiển được hỗn hợp khí theo các khoảng nhiệt độ thích hợp đã biết
nhằm đạt được độ chuyển hoá là cao nhất.
Việc điều chỉnh chính xác nhiệt độ vào các lớp xúc tác chính là một tiêu chí cơ
bản đánh giá độ chuyển hoá của tháp tiếp xúc.

Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 11

Hình 2.2. Sơ đồ tự động hóa trong công đoạn chuyển hóa SO
2
1010
1010
t it
ti
1009
t it
1011
1011
p t
pi
1009

ti c
1002
1015
t it
1015
ti
ti
pt
1008
1007
ti c
1006
1006
t it
t it
ti c
1004 1004
t it
pi
1008
ti
1007
1005
1005
pt
pi
1001
1001
pi
pt

1003
1002
t it
t it
1015
1003
t it
ti c
ti
1015
ti
pi
1016
t it
1016
1016
1016
pt
1012
ti
1012
t it
1014
t it
ti
1014
pt
1013
t it
1013

1013
1013
ti
pi
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 12

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT
Ở các phân tích trên, hỗn hợp khí vào các tầng xúc tác phải có nhiệt độ phù hợp.
Vì vậy, sau mỗi tầng xúc tác, người ta đưa hỗn hợp khí đi làm nguội qua thiết bị
trao đổi nhiệt dạng ống trùm. Hỗn hợp khí chuyển hoá đi trong ống, không khí khô
đi ngoài ống. Điểm đo được đo ngay tại mặt trên của tầng xúc tác tiếp theo. Với quy
mô của một bài tiểu luận, lựa chọn điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khí sau tầng xúc
tác thứ nhất bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống trùm.










Hình 3.1. Tháp tiếp xúc với tư cách là đối tượng tự động hóa
Với những lập luận trên, đối tượng điều chỉnh là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống
chùm.
3.1. Phương trình động học
Đây là một hệ thống tự động phức tạp, để giải quyết bài toán đơn giản hơn, ta

cần phải có những giả thuyết sau:
a) Tổn thất nhiệt ra môi trường là không đáng kể.
b) Khối lượng hỗn hợp khí chuyển hoá trong thiết bị trao đổi nhiệt là không
đổi theo thời gian và bằng G.
c) Nhiệt độ hỗn hợp khí trao đổi trong thiết bị trao đổi nhiệt tại mọi điểm là
bằng nhau và bằng nhiệt độ ra θ
1R
.
d) Tốc độ trao đổi nhiệt giữa hỗn hợp khí chuyển hoá và không khí được xác
định gần bằng công thức : Q
S
= k. F. (θ
1R
- θ
2V
); Trong đó: k – Hệ số trao đổi
nhiệt và F - Diện tích truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt.
Hỗn hợp khí
SO
2
Không khí

Không khí

Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 13

e) Nhiệt dung riêng C
p

của các môi chất không đổi trong suốt quá trình trao
đổi nhiệt.
f) Khối lượng riêng ρ của các môi chất cũng không đổi trong suốt quá trình
trao đổi nhiệt.










Hình 3.2. Sơ đồ tự động điều chỉnh thiết bị trao đổi nhiệt
Trong đó:
W, θ
1V
- Lưu lượng, nhiệt độ vào của hỗn hợp khí chuyển hoá
G, θ
1R
, C
p
- Khối lượng, nhiệt độ và nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí chuyển
hoá trong thiết bị trao đổi nhiệt.
α - Độ mở của cơ cấu chấp hành ứng với dòng hỗn hợp khí chuyển hoá.
Từ sơ đồ điều chỉnh trên, ta lập phương trình biểu thị mối tương quan giữa nhiệt
độ ra với lưu lượng vào của hỗn hợp khí chuyển hoá.
Phương trình cân bằng nhiệt lượng (Xét trong khoảng thời gian nhỏ) :
Q

V1
– Q
RA1
- Q
TĐ
=
dt
d
(G.C.θ
1RA
) (1)
Phương trình cân bằng tĩnh học ( Thiết bị làm việc trong điều kiện ổn định):
Q
V10
– Q
RA10
- Q
TĐ0
= 0 (2)
Lấy phương trình (1) trừ phương trình (2), và ta có:
Q
V1
– Q
V10
= C
p
.θ
V1
.∆W (3)
Q

RA1
– Q
RA10
= W.C
p
.θ
1RA
– W
0
.C
p
.θ
1RA0
(4)


Không khí ra
G,
θ
1R
Không khí vào

θ
2V
TIC
TIT


W,θ
1V

W,θ
1R
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 14

Mặt khác:
W = W
0
+ ∆W
θ
1RA
= θ
1RA0
+ ∆θ
1RA

⇒ W.C
p
.θ
1RA
= W
0
.C
p
.θ
1RA0
+ W
0
.C

p
.∆θ
1RA
+ ∆W.C
p
.θ
1RA0
+ ∆W.C
p
.∆θ
1RA

Thay vào (4), ta được:
Q
RA1
– Q
RA10
= W
0
.C
p
.∆θ
1RA
+ ∆W.C
p
.θ
1RA0
(4’)
Theo giả thiết, ta có:
Q

TĐ
= K.F.(θ
1RA
- θ
2V
) (5)
Q
TĐ0
= K.F.(θ
1RA0
- θ
2V
) (5’)
⇒ Q
TĐ
- Q
TĐ0
= K.F.(θ
1RA
- θ
1RA0
) (5’’)
Thay vào, ta được:
C
p
.θ
V1
.∆W - W
0
.C

p
.∆θ
1RA
- ∆W.C
p
.θ
1RA0
- K.F.∆θ
1RA
=
dt
d
(G.C
p
.∆θ
1RA
)
Chuyển các yếu tố đầu ra sang bên trái, ta được:
G.C
p
.
dt
d
(∆θ
1RA
) + (W
0
.C
p
+ K.F).∆θ

1RA
= C
p
. (θ
V1
- θ
1RA0
).∆W
Ta có: Q
0
= W
0
.C
p
.(θ
V1
- θ
1RA0
) - Nhiệt lượng trao đổi của hỗn hợp khí chuyển
hoá trong trạng thái ổn định. Chia 2 vế cho Q
0
và đặt:
y
0RA1
RA1
=
θ
θ∆
;
A

Q
.C.G
0
0RA1
p
=
θ
;
B
Q
).F.KC.W(
0
0RA1P0
=
θ+
;
X
W
W
0
=
∆

⇒ Ta được: A.
dt
dy
+ B.y = X;
3.2. Hàm truyền
Dùng phép biến dổi Laplace:
(A.p + B).y(p) = X(p)

⇒ y(p) =
)Bp.A(
1
+
X(p)
Từ đó, ta có hàm truyền sau:
W(p) =
)
Bp.A(
1
+



Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 15

Nhận thấy rằng, trong thực tế sản xuất luôn luôn tồn tại yếu tố trễ thời gian vận
chuyển tác nhân theo kênh, do đó cần bổ xung vào hàm truyền thừa số :
τ−p
e
và như
vậy ta có:
W(p) =
τ−
+
p
e
)Bp.A(

1

Trong đó: τ - Thời gian trễ vận chuyển.


Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 16

CHƯƠNG 4: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
4.1. Giới thiệu
Không một thiết bị trong công nghệ hoá học nào làm việc tốt mà thiếu một hệ
thống đo lường và điều khiển. Việc kiểm tra các thông số như lưu lượng dòng vào -
ra, nhiệt độ, mức, áp suất… là rất cần thiết để quá trình làm việc ổn định và đúng
theo yêu cầu. Ngày nay, hầu hết các nhà máy đều có các hệ thống điều khiển hết
sức hiện đại nhằm tạo ra được sản lượng lớn và chất lượng cao, sản phẩm cạnh
tranh trên thị trường. Tại nhà máy Supe Phốt phát Lâm Thao, hay Supe Phốt phát
Long Thành đều được lắp đặt các hệ thống đo lường và điều khiển trên.
Đối với một hệ thống đo lường và điều khiển, có hai vấn đề cơ bản và quan trọng
nhất để đánh giá là độ chính xác của phép đo và độ tin cậy cao. Nếu đo lường có sai
số lớn sẽ kéo theo sự không hiểu biết đúng về đối tượng cần đo, từ đó việc điều
khiển không chính xác, và cuối cùng là sản phẩm tạo thành không đạt tiêu chuẩn
chất lượng đã đặt ra.
Trong bài tiểu luận này, tháp tiếp xúc làm việc dưới các yêu cầu công nghệ
cao,và là khu vực quan trọng nhất của nhà máy sản xuất axít sunfuric. Cần có hệ
thống đo lường và điều khiển có độ chính xác cao và độ tin cậy lớn. Sự làm việc ổn
định của tháp tiếp xúc cũng chính là sự làm việc ổn định của toàn nhà máy, sản
phẩm cũng đạt chất lượng cao.
4.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển
Trong sơ đồ hệ thống điều khiển cho thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt độ tại đầu ra

của hỗn hợp khí chuyển hoá được điều khiển. Nhiệt độ được đo bằng cặp nhiệt
điện, tín hiệu qua hệ thống chuyển đổi và đưa về tủ điều khiển. Tại đây, nhiệt độ đo
được được so sánh với nhiệt độ đặt.
ε = θ
R
- θ
M

Phần tiếp theo của hệ thống điều chỉnh là việc đưa ra các tác động điều chỉnh cần
thiết.
Nếu ε > 0, có nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị đặt. Do đó, van
được mở ra. Lưu lượng khí chuyển hoá cần làm nguội tăng lên.
Nếu ε < 0, có nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được nhỏ hơn giá trị đặt. Do đó, van
được đóng bớt lại. Lưu lượng khí chuyển hoá cần làm nguội giảm đi.
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 17

Nếu ε = 0, có nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được bằng giá trị đặt. Không có tác
động điều chỉnh.

Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển
4.3. Dụng cụ đo
Để đo được nhiệt độ hỗn hợp khí chuyển hoá vào các tầng xúc tác, cần có các
dụng cụ đo nhiệt độ tại lớp xúc tác. Trong thực tế, người ta sử dụng cặp nhiệt điện.
Năm 1821, Seebeck đã phát minh ra nhiệt điện kế dựa trên hiệu ứng nhiệt điện.
Nguyên tắc hoạt động của cặp nhiệt điện:
Nếu 2 sợi dây có bản chất khác nhau được hàn với nhau thì khi đốt nóng một
đầu sẽ tạo ra độ chênh lệch điện thế (suất điện động), dưới tác động của nó tạo ra
dòng điện trong mạch kín. Giá trị của suất điện động phụ thuộc vào loại vật liệu của
cặp nhiệt điện và nhiệt độ tại hai đầu nối.








Hình 4.2. Nguyên lý của cặp nhiệt điện

Giá trị đo θ
M
Tác động
điều

Điều
khiển

Quá trình
(Thiết bị)

Cặp
nhiệt

Chuyển
đổi
+
-
So sánh
Giá trị
đặt θ
R
Điều khiển tại
nhiệt độ θ 2
E
θ1,θ2
E
θ2,0
Đầu đo của cặp
nhiệt điện


Thành thiết bị





Dòng có
nhiệt độ θ 1
E

θ1,0

Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 18









Hình 4.3. Sơ đồ lắp ráp cặp nhiệt điện
Nguyên tắc đo nhiệt độ
Nếu nhiệt độ được tính toán bằng công thức : θ = a.X + b ,
Trong đó: θ là nhiệt độ.
X là suất điện động, đại lượng đại diện cho nhiệt độ.
a,b là hằng số.
a,b được xác định bởi các phương trình sau: 0 = a.X
1
+ b và 100 = a.X
2
+ b.
Khi đó, ta có thể xác định được nhiệt độ theo công thức:
1
2
1
0

X
X
)
X
X
.(100
)C
(
−
−
=
θ

Theo bảng 6.4, Tài liệu Chemical Engineering (Volume 3), ta lựa chọn cặp nhiệt
điện loại E ( Chromel/Constantan), khoảng nhiệt độ đo được khoảng 100 – 1100
0
K,
suất điện động biến đổi từ 0 đến 39184µV. Cặp nhiệt điện loại này thường được sử
dụng trong công nghệ sản xuất axít.
Khi đó: X
1
= 0 và X
2
= 39184µV.

ống bảo vệ kim
loại

Mối nối
Lớp bảo vệ dây kim loại

Thành thiết bị
hoặc thành ống
Dây chì (4 – 20mA)
Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 19

KẾT LUẬN
Sản xuất axít sunfuric trong công nghiệp là một lĩnh vực quan trọng trong nền
kinh tế của nước ta. Axít sunfuric là nguyên liệu cơ bản để sản xuất hàng loạt các
hóa chất cơ bản và là nguyên liệu sản xuất chính của ngành phân bón nước nhà.
Thông qua tìm hiểu và đánh giá các dây chuyền sản xuất axít sunfuric, có thể
nhận thấy được vai trò quan trọng của tháp tiếp xúc. Trong đó, ta đã phân tích được
các thông số công nghệ ảnh hưởng tới quá trình oxy hoá SO
2
thành SO
3
như áp suất,
nhiệt độ, nồng độ hỗn hợp khí chuyển hoá, tình trạng làm việc của xúc tác… Giải
quyết tốt vấn đề tự động hoá trong công đoạn chuyển hóa có tác dụng quyết định tới
toàn bộ quá trình sản xuất axít sunfuric.
Trong bài tiểu luận này, với nhiệm vụ đề ra là đo lường và điều khiển nhiệt độ
của hỗn hợp khí chuyển hoá vào các tầng xúc tác bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống
chùm, tác giả đã xác định được hàm truyền, sơ đồ hệ thống điều khiển, lựa chọn các
dụng cụ đo nhiệt độ.
Tuy nhiên, do kiến thức am hiểu về tự động hóa còn chưa sâu sắc, chưa có sự
trải nghiệm thực tế, nên trong bài tiểu luận chỉ lựa chọn điều khiển một thông số cơ
bản nhất của quá trình (ở đây là nhiệt độ).
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến TS. Nguyễn Minh Hệ, người đã giúp
đỡ tôi hiểu thêm các kiến thức cơ bản về tự động hoá các quá trình công nghệ hoá

học để tôi có thể hoàn thành tiểu luận này.


Tiểu luận: Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2 trong dây truyền sản xất axít Sunfuric

Đỗ Phú Khánh-CA140154-Lớp KTHH Trang 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TS. Nguyễn Minh Hệ, Tự động hóa các quá trình công nghệ Hóa - Thực
phẩm, Hà Nội, 2008.
2. TS. Nguyễn Thị Diệu Vân, Kỹ thuật hóa học đại cương, Nhà xuất bản Bách
Khoa Hà Nội,
3. J.F.Richardson, Chemical Engineering Volume 3, Chemical & Biochemical
& Process Control, 2009.