nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống tự động hóa quá trình chưng cất - giai đoạn 1

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
TRUNG TÂM NEPTECH






BÁO CÁO NGHIỆM THU








NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH
THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ
QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT



TS. Lê Phan Hoàng Chiêu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 11/ 2008

Trang 1
TỔNG QUAN
I. Lý do hình thành đề tài
Công nghệ hoá học là một lĩnh vực được đầu tư phát triển mạnh ở nước ta và là
một trong những ngành ưu tiên phát triển của Công nghiệp Thành phố bao gồm công
nghiệp nhựa, cao su, hoá chất, sơn, chất dẻo… Công nghệ hoá chứa đựng hầu hết các
quá trình cơ bản như vận chuyển lưu chất, truyền nhiệt, chưng cất, tách ly, sấy, phản
ứng, có liên quan mật thiết với các ngành công nghệ dầu khí, vật liệu, môi trường, sinh
học, chế biến thực phẩm
, nông sản…
Trong công nghệ hoá học, tự động hoá điều khiển các quá trình có tác động trực
tiếp nhanh chóng đến chất lượng sản phẩm, năng suất và hiệu quả sản xuất của nhà
máy. Đổi mới và cải tiến hệ thống tự động hoá điều khiển các quá trình luôn mang lại
hiệu quả kinh tế cao nhất do chi phí đầu tư thấp hơn nhiều lần so với đầu tư thay đổi
công nghệ hay chế tạo thiết bị mới. Hầu hết hệ thống tự động hoá điều khiển các dây
chuyền công nghệ hoá học đều được thiết kế chế tạo và chuyển giao bởi các chuyên

gia nước ngoài. Để tiếp nhận, vận hành, cải tiến tiến đến thiết kế các hệ thống tự động
hoá các dây chuyền sản xuất, trong nước cần có một đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào
tạo chuyên sâu hơn về cả hai lĩnh vực công nghệ hoá học và tự động điều khiển. Hiện
tại, trong nước chưa đào tạo chuyên ngành tự động hoá quá trình hoá công nghệ.
Hiện nay các cơ sở đào tạo (Đại học, Cao đẳng) trong nước còn gặp nhiều khó
khăn trong việc giảng dạy về tự động hoá các quá trình, đặc biệt là thiếu các m
ô hình
thí nghiệm cho sinh viên thực hành để làm quen và tiếp cận với thực tế. Các mô hình
thí nghiệm hiện nay trong nhà trường chỉ mới ở mức độ điều khiển bằng tay, quan sát
thông số công nghệ trên các đồng hồ hiển thị; còn thiếu hẳn phần kiểm soát và tự động
điều khiển. Với điều kiện học tập còn thiếu như hiện nay, sinh viên chưa được tiếp cận
với hệ thống điều khiển gặp rất nhiều khó khăn khi làm
việc trong phòng điều khiển
của các nhà máy. Do đó việc trang bị các mô hình thí nghiệm tự động hoá là nhu cầu
rất bức thiết hiện nay của các cơ sở nhằm nâng cao chất lượng đào tạo cán bộ kỹ thuật.
Phần lớn các thiết bị thực nghiệm về tự động hoá các quá trình công nghệ hoá
học đều được nhập khẩu qua các Công ty cung cấp thiết bị phòng thí nghiệm. Hiện tại,
giá thành các thiết bị này còn khá cao, chưa phù hợp với khả năng đầu tư của các Cơ
sở đào tạo trong nước. Thiết bị thí nghiệm tự động hoá được chia thành hai nhóm

chính:
- Điều chỉnh cục bộ từng thông số công nghệ như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,
mức
- Tự động hoá điều khiển toàn bộ các quá trình sản xuất như: chưng cất, cô đặc,
sấy, …

Trang 2
Hiện nay, Trường Sư phạm Kỹ thuật Thủ Đức có trang bị các thiết bị thí
nghiệm điều chỉnh mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ của hãng Siemen. Các thiết bị này
sau đó được lắp thêm hệ thống truyền tín hiệu với máy tính và được cài đặt phần mềm

giao diện WinCC của hãng Siemen.
Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia “Điều khiển số và kỹ thuật hệ thống” đặt
tại trường Đại học Bách khoa TPHCM có trang bị 02 m
odul thí nghiệm tự động hoá
quá trình chưng cất và trao đổi nhiệt phục vụ cho nghiên cứu . Các thiết bị này do hãng
Edibon và Lab-Volt cung cấp bao gồm tháp chưng cất và hệ thống điều khiển kết nối
với máy tính có phần mềm giao diện.
Trang bị những mô hình thực nghiệm được thiết kế chế tạo trong nước với giá
thấp cho các trường Đại học, Cao đẳng sẽ góp phần nâng cao chất lượng đào tạo
nguồn nhân lực đáp ứng ngày càng nhiều hơn nhu cầu hiện đại hoá nền sản xuất trong
nước.
Ngoài các ý nghĩa thiết thực nói trên, đề tài còn góp phần nâng cao năng lực
chế tạo thiết bị đào tạo cho ngành tự động hoá của Thành Phố.
II. Mục tiêu đề tài
- Trang bị m
ô hình thực nghiệm “tự động hoá các quá trình” được thiết kế chế tạo
trong nước với giá thấp cho các trường Đại học, Cao đẳng và các Cơ sở đào tạo khác.
- Nghiên cứu xây dựng các bài thí nghiệm về tự động hoá quá trình, từng bước
hoàn thiện các nội dung chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành “Tự động hoá sản
xuất hoá chất”.
- Đào tạo kỹ năng nghiên cứu thiết kế, lắp đặt, vận hành hệ thống tự động hoá điều
khiển các quá trình cho đội ngũ cán bộ kỹ thuật.
III. Nội dung
đề tài
Hướng đến mục tiêu trên, đề tài được xây dựng với các nội dung cơ bản:
1. Nghiên cứu khảo sát đánh giá mô hình thí nghiệm tự động hoá các quá
trình hoá học công nghệ hiện có tại các Trường Đại học, Cao Đẳng trong
TPHCM.
2. Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị chưng cất hai cấu tử.
3. Thiết kế, chế tạo lắp đặt m

ô hình hệ thống tự động hóa quá trình chưng cất
cho thí nghiệm.
4. Xây dựng các bài thí nghiệm tự động hóa các quá trình công nghệ hóa học.


CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CÁC HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM HIỆN CÓ
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại. Từ những năm của nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay, điều
khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp khai
thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hoá dầu, hoá chất, dược phẩm, thực
phẩm, nh
à máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong lĩnh vực
đó có một đặc thù chung, được gọi là các hệ thống điều khiển quá trình.
Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo
lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và
thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn vận
hành.
Một hệ thống thí nghiệm
quá trình bao gồm các thành phần cơ bản là bộ điều
khiển, thiết bị đo, thiết bị chấp hành. Để thiết kế hệ thống điều khiển và vận hành
chung, sinh viên cần nắm được cấu trúc cơ bản và đặc tính của mỗi thành phần này.
Nhằm mục tiêu từng bước hướng dẫn sinh viên tiếp cận với hệ thống điều
khiển, các trường Đại học, Cao đẳng trong nước đã đầu tư các hệ thống thí
nghiệm
dưới đây.
1.1. Thiết bị thí nghiệm quá trình chưng cất.
a. Sơ đồ nguyên lý:

1
2
7
5
4
3
TI
2
TI
FE
3
4
TI
6
TITI
7
TI
TI
5
TI
TITI
TITI
TI
1
1. Thiết bị gia nhiệt
2. Nồi đun
3. Cột chưng cất
4. Bình chứa sản phẩm
5. Thiết bị ngưng tụ
6. Thiết bị chia dòng

7. Ống sinh hàn











Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm
quá trình chưng cất

Trang 3
b. Mô tả:
Thiết bị thí nghiệm chưng cất do hãng EDIBON cung cấp. Đây là thiết bị chưng
cất gián đoạn được chế tạo với mục tiêu chính là làm thí nghiệm về quá trình chưng
cất. Ngoài ra, hệ thống thiết bị còn cho phép làm thí nghiệm làm quen với các thiết bị
tự động hoá như cảm biến, bộ điều khiển PLC.
c. Nội dung các bài thí nghiệm:
1. Ảnh hưởng việc tính toán không có hoàn lưu.
2. Sự cân bằng năng lượng tr
ong hệ thống chưng cất.
3. Khảo sát sự khác nhau của 02 thí nghiệm:
- Nồng độ của sản phẩm chưng cất khi không thay đổi tỉ lệ hoàn lưu.
- Nồng độ của sản phẩm chưng cất khi thay đổi tỉ lệ hoàn lưu.
4. Tính toán hiệu suất của quá trình chưng cất.
5. Điều khiển hệ thống thông qua hộp giao diện điều khiển.

6. Ghi nhận giá trị của các cảm biến trong hệ thống.
7. Hiệu chỉnh các cảm biến trong hệ thống.
8. Thao tác trên các thiết bị chấp hành của hệ thống.
9. Mô tả các tác động bên ngoài lên hệ thống trong trường hợp không có hệ
thống tự động hóa.
10. Sử dụng PLC.
11. Ứng dụng PLC cho hệ thống chưng cất (UDDC).
12. Cấu trúc P
LC.
13. Xác định ngõ vào và ngõ ra của PLC.
14. Những ngôn ngữ chương trình PLC.
15. Điều khiển ổn định quá trình.
16. Biểu diễn và đánh giá kết quả nhận được.
17. Khả năng xây dựng một quá trình mới dựa trên UDDC
18. Luyện tập lập trình PLC





Trang 4
1.2. Thiết bị thí nghiệm trao đổi nhiệt
a. Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm trao đổi nhiệt
b. Mô tả:
Thiết bị do hãng Lab-Vol cung cấp, gồm bình nước, 2 bơm. Một bơm tuần hoàn
nước qua thiết bị đun 6 Kw, bơm thứ 2 tuần hoàn nước trong ống, thiết bị trao đổi
nhiệt và trở lại bồn chứa. Nội dung các bài thí nghiệm
này nhằm giới thiệu cho sinh
viên biết 2 loại cảm biến nhiệt là thermocouple và RTD và các phương pháp điều
khiển nhiệt độ.
c. Các bài thí nghiệm.
1. Đo nhiệt độ dùng thermocouple.
2. Đo nhiệt độ dùng RTD
3. Hiệu chỉnh bộ phận chuyển đổi của Thermocouple
4. Hiệu chỉnh bộ truyền tín hiệu của RTD
5. Thời gian đáp ứng giữa Thermocouple và RTD.
6. Đặc tính của quá trình nhiệt độ (Temperature process characteristics)
7. Quá trình cơ bản của v
i sử lí (Basic opration of mỉcropocesor based
controller)
T
T

8. Vận hành của kê
nh đo nhiệt độ
9. Nhiệt độ quá trình – điều khiển tỉ lệ
10. Điều khiển nhiệt độ PI

Trang 5
11. Điều khiển nhiệt độ- PD
12. Điều khiển nhiệt độ- PID
13. Hiệu chỉnh vị trí van (valve positioner)
14. Vòng điều khiển nhiệt độ, quá trình làm lạnh.
15. Phần tử nhiệt độ, vòng kiểm soát lưu lượng
16. Phần tử nhiệt độ/ vòng soát mức
17. Điều khiển tầng
18. Vòng điều khiển Feedforward
Nhận xét: Hệ thống thiết bị thí nghiệm chưng cất và trao đổi nhiệt chưa được sử dụng.
1.3. Các thiết bị điều chỉn
h các thông số công nghệ
a. Sơ đồ nguyên lý, thiết bị
- Điều khiển nhiệt độ

1. Bộ phận làm
lạnh
2. Bơm ly tâm
3. Van tay (để làm rỗng thùng)
4. Van điện từ
5. Bộ chuyển đổi lưu lượng
6. Cạm biến nhiệt độ

Hình 3: Sơ đồ th
iết bị điều khiển nhiệt độ


Trang 6
- Điều khiển áp suất
Nguồn
230VAC-
24V
PS 307 5A

CPU 315
(S7-300)
CPU
315-
2DP

8DI
8DO
24V/
0.5A
2 AI

0/4-
20mA
AI
2x12 bit

2 AO
0/4-
20mA
AO
2x12bit



BỒN 1



BỒN 2
VAN
TỈ LE
Ä

BƠM
VAN TỈ
Ä
CB ÁP SUẤT
BỘ LỌC

Hình 4: Sơ đồ ngun lý điều khiển áp suất









Hình 5: Sơ đồ th
iết bị điều khiển áp suất
4
6
5

3
1
7
8
2
1. Trạm PLC gồm modun
CPU315 modun DI/DO AI, AO.
2. Bơm li tâm
3. Bảng điều khiển
4. Các cảm biến mức LIS1,
LIS2.
5. Cảm biến áp suất
6. Các van tuyến tính
7. Bình kín
8. Thiết bò chuyển đổi lưu
lượng

Trang 7
- Điều khiển mức, lưu lượng

Hình 6: Sơ đồ ngun lý điều khiển mức, lưu lượng













01: Thùng chứa.
02: Bơm li tâm.
03: Van tay (để làm rỗng thùng).
04: Van tràn (để điều chỉnh sự lưu thông).
05: Van điện từ ( mở nguồn)ø.
06: Dụng cụ chỉ báo bằng cơ.
07: Bộ chuyển đổi lưu lượng DN8 , thể
hiện bằng số.
08: Van tỉ lệ DN8 (PWM, 4-20 mA).
09: Các van tay
10: Cảm biến mức nước.
11: Thùng chứa có vách ngăn ở

giữa(reactor).
12: Cột mức (điều chỉnh độ cao).
13: Ống tràn cuả thùng chứa(reactor).
14: Bộ chuyển đổi mức nước (0-100cm =
0-100mbar).
15: Van điện từ ngõ ra.
16: Van tay của ngõ ra. (làm rỗng thùng).
PS CPU DI DO AO AI
BỘ ĐO MỨC
BỘ
ĐO
LƯNG
V3
ON/OFF
BƠM
V2 (0%-100 %)
Van tuyến tính
LIS1
V1
ON/OFF
Start/
Stop
4-20mA
PQW288 PIW272
I0.0
I0.1
4-20mA
1-100cm
Bồn 1
Bồn 2

Q0.2
Q0.1

BỘ
ĐO
LƯU
LƯỢNG
V4
Van xả

Trang 8

17: Van tay để làm rỗng thùng (reactor).
18: Dụng cụ đo mức (0-100% = 0-100cm).
19: Công tắc điều khiển van tỉ lệ(auto-0-
man).
20: Công tắc điều khiển bơm (auto- 0 -
man).
21: Công tắc cung cấp nguồn.
22: Nút nhấn Start/Stop.
23: Cái chiết áp điều chỉnh van tỉ lệ bằng
tay.
24: Nguồn cung cấp 230V/24V -5A.
25: CPU 314(S7_300, SIEMENS).
26: Module vào/ra số, 8DI và 8DO, 24V.
27: Module vào Analog,2A,0/4-20mA.
28: Module ra Analog,2A,0/4-20mA.

Hình 7: Sơ đồ th
iết bị điều khiển mức, lưu lượng
b. Mơ tả:
Đây là hệ thống thí nghiệm điều chỉnh các thơng số cơng nghệ bao gồm đo và
ổn định: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ. Mỗi thiết bị thí nghiệm được điều khiển bởi
một bộ controller và nối mạng với nhau đưa về máy tính để điều khiển - giám
sát
thơng qua phần mềm WINCC. Được ứng dụng trong việc thí nghiệm các mơn học
như: đo lường; lý thuyết điều khiển tự động; điều khiển số; mạng truyền thơng cơng
nghiệp (SCADA) cho các học viên đại học và sau đại học.
c. Nội dung các bài thí nghiệm: gồm 3 phần
- Bài thí nghiệm giới thiệu cho sinh viên biết về các thiết bị cảm biến đo
lường: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ. Khảo sát đáp ứng q độ, vẽ đặc
tuyến của các phần tử
- Bài thí nghiệm về điều khiển tự động, sinh viên tự viết phần mềm
cho bộ
PLC S7-300 sử dụng thuật tốn hiệu chỉnh PI, PID. Sử dụng phương pháp
thực nghiệm tìm hàm truyền xác định thơng số bộ hiệu chỉnh, quan sát đáp
ứng q độ với các thơng số PID khác nhau trên phần mềm g
iám sát
WinCC. Các van tay được sử dụng để tạo ra nhiễu dưới dạng hàm nấc,
bậc…
- Thiết kế chương trình mơ phỏng giám sát. Sinh viên tự thiết kế chương trình

giám sát sử dụng WinCC theo một giao diện mẫu



Trang 9















Hình 8: Giao diện trạm
nhiệt độ

Hình 9: Giao diện trạm, mức và lưu lượng


Trang 10

1.4. H thng thớ nghim iu khin thụng s cụng ngh
a. S nguyờn lý:












Hỡnh 10: S nguyờn lý baứi thớ nghieọm hn hụùp

Hỡnh 11: S nguyờn lý bi thớ nghim iu khin nhit .

Trang 11

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm điều khiển áp suất



Hình 13: Sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm điều khiển mức, lưu lượng
b. Mô tả:
Các hệ thống thí nghiệm do hãng FESTO chuyển giao. Cũng tương tự như các
hệ thống được trang bị ở trường Sư phạm Kỹ thuật bao gồm đo và xử lý quá trình

Trang 12
mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ. Mỗi hệ thống được điều khiển bởi một bộ controller,
tất cả đều được nối mạng với nhau và đưa về máy tính để điều khiển - giám sát thông
qua phần mềm chuyên dụng của hãng FESTO.
c. Nội dung các bài thí nghiệm
Các bài thí nghiệm trên hệ thống này chia ra làm 2 phần:
- Các bài thí nghiệm giới thiệu cho sinh viên biết về các thiết bị cảm b
iến đo
lường: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ.

- Bài thí nghiệm về tự động điều khiển quá trình: sinh viên sử dụng phần
mềm đã viết sẵn để làm các bài thí nghiệm mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt
độ. Thay đổi thông số của bộ hiệu chỉnh quan sát đáp ứng quá độ.








Hình 14: Giao diện thí
nghiệm khảo sát các phần tử










Hình 15: Giao diện thí
nghiệm khảo sát thông số PID


Trang 13

Trang 14

1.5. Kết quả khảo sát các thiết bị hiện có
- Hệ thống thiết bị thí nghiệm được phân thành 02 nhóm:
+ Thí nghiệm điều chỉnh (ổn định) từng thông số công nghệ cơ bản như nhiệt độ,
áp suất, lưu lượng, mức trên từng thiết bị riêng lẻ và trên một thiết bị chung.
+ Thí nghiệm điều chỉnh từng quá trình công nghệ (trao đổi nhiệt, chưng cất, ).
- Hệ thống thí nghiệm có giá thành cao do chi phí chế tạo các thiết bị công nghệ
(tháp chưng cất, bồn c
hứa, thiết bị trao đổi nhiệt,…) khá cao so với việc chế tạo trong
nước. Ngoài ra chi phí về phần mềm, xây dựng nội dung các bài thí nghiệm, vận
chuyển, lắp đặt, chuyển giao cũng làm cho giá thành tăng cao.
- Nội dung thí nghiệm cho học viên tập trung vào các phần chính:
+ Tìm hiểu cơ cấu, lắp đặt, kết nối, h
iệu chỉnh, vận hành các thiết bị tự động hoá
như cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết bị điều khiển PLC, phần mềm mô phỏng và
giám sát quá trình.
+ Vận hành hệ thống tự động điều chỉnh các thông số công nghệ, khảo sát và
đánh giá đáp ứng quá độ với các thông số PID cho trước.
- Nội dung thí nghiệm chưa quan tâm đến những vấn đề quan trọng trong tính toán
thiết kế hệ thống tự động điều khiển các quá trình như xây dựng mô hình thực
nghiệm,
chọn lựa cấu trúc điều khiển, hiệu chỉnh các thông số PID bằng thực nghiệm, đánh giá
chất lượng điều khiển quá trình.
Trên cơ sở khảo sát, đánh giá các thiết bị hiện có và nghiên cứu tài liệu của các
hãng như Edibon, Festo,…đề tài đề xuất các nội dung nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ
thống t
hiết bị thí nghiệm nhằm ba mục tiêu chính là giảm giá thành, tăng cường khai
thác các thiết bị thí nghiệm, xây dựng nội dung thí nghiệm phù hợp với chương trình
đào tạo:
1. Xây dựng một hệ thống tự động hoá quá trình chưng cất như là thiết bị dùng
chung cho cả 02 nhóm thí nghiệm điều chỉnh từng thông số công nghệ cơ bản (nhiệt

độ, áp suất,
…) và điều chỉnh các quá trình công nghệ (trao đổi nhiệt, chưng cất, ngưng
tụ,…).
2. Thiết kế, chế tạo tháp chưng cất, thiết bị ngưng tụ và các thiết bị công nghệ
khác nhằm giảm giá thành. Chọn mua các thiết bị tự động hoá như cảm biến, van
tuyến tính, PLC,…phù hợp có giá thành thấp.
3. Tính toán, thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống chưng cất cồn đáp ứng yêu
cầu năng suất và chất lượng sản phẩm ở quy m
ô pilot.
4. Xây dựng các bài thí nghiệm có thể thực hiện trên hệ thống thiết bị thí nghiệm
phù hợp với chương trình đào tạo cho 03 nội dung: khái niệm về hệ thống tự động hoá
các quá trình công nghệ, tính toán thiết kế hệ thống điều chỉnh các thông số công nghệ,
chọn lựa và vận hành các thiết bị tự động hoá
.

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
2.1. Quy trình công nghệ
Mâm 1
Mâm 2
Mâm 3
Mâm 4
Mâm 5
Mâm 6
3 3
2 2
14 14
T3
T5
15 15
T1

T4
4 4
6 6
1 1
5
5
P2
R
P1
1
R
2
T2
R
1


Hình 16: Sơ đồ quy trì
nh công nghệ
Hỗn hợp Etanol - nước đư
ợc đưa vào nồi đun (T3) cho đến khi đạt giá trị mức
trên và được gia nhiệt bằng điện trở trong nồi đun đến nhiệt độ sôi. Dòng liệu được
bơm nhập liệu (P1) đưa qua điện trở (R1) đun nóng tới giá trị cài đặt đi vào tháp ở đĩa
nhập liệu. Tại đĩa nhập liệu xảy ra quá trình chưng do sự tiếp xúc pha giữa pha hơi từ
nồi đun đi l
ên và pha lỏng từ đĩa nhập liệu xuống, hơi từ nồi đun sẽ lôi kéo các cấu tử
dễ bay hơi trong dòng nhập liệu đi lên làm cho nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng lên
trên càng tăng và dòng lỏng từ trên xuống càng giảm thành phần các cấu tử dễ bay hơi.
Lượng hơi tiếp tục đi qua phần cất của tháp tới đỉnh thá
p và qua thiết bị ngưng tụ (T5).

Sau khi qua hệ thống ngưng tụ, một phần chất lỏng đi tới bình chứa sản phẩm đỉnh,
phần khác được bơm hoàn lưu (P2) về đĩa trên cùng của tháp. Tại đây tiếp tục xảy ra
quá trình cất do sự tiếp xúc pha giữa pha hơi từ phần chưng đi lên và pha lỏng từ dòng
hoàn lưu về, pha hơi tiếp tục lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi làm tăng nồng độ sản
phẩm đỉnh.
Một phần sản phẩm đáy được ra khỏi tháp.

Trang 15
2.2. Tính toán thiết kế
 Yêu cầu thiết kế
Thiết kế hệ thống chưng cất cho mục đích tách hỗn hợp 02 cấu tử với các yêu cầu
công nghệ:
Yêu cầu:
+ Nguyên liệu: Hỗn hợp Etanol - nước
+ Suất lượng nhập liệu: 165 ml/phút
+ Nồng độ nhập liệu: 20
0
rượu
+ Nồng độ sản phẩm đỉnh: 89
0
rượu
Điều kiện làm việc:
+ Nhiệt độ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.
+ Áp suất làm việc: 700 mbar
 Tính toán thiết kế
1. Tính suất lượng và thành phần các dòng.
Cách tính được thực hiện theo trình tự sau:
- Từ nhiệt độ t  khối lượng riêng

rượu

,

nước

- Từ độ rượu ban đầu của dòng nhập liệu và dòng sản phẩm đỉnh  nồng độ
phân mol x (mol/mol) và nồng độ phân khối lượng


%x
-
Khối lượng trung bình của hỗn hợp Etanol - nước:


46. 18 1
M
xx


-
Suất lượng của dòng nhập liệu và dòng sản phẩm đỉnh (F,D):

6
3
.60. .10
/
F
ml Kg
F
ph m


F
Kmol h
M










F
(Kg/h)
-
Tương tự tính D (Kmol/h) 
D
(Kg/h)
-
Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D +W
-
Cân bằng vật chất cho etanol: F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W

-

Tính được W (Kmol/h)  W (Kg/h); x
W

2. Tính tỉ số hoàn lưu
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
*
min
*
DF
F
F
xy
R
yx





Trang 16
Với
*
F
y
được tìm dựa vào đồ thị cân bằng pha của hệ Etanol-nước
Tỉ số hoàn lưu làm việc:
min
1, 3 0, 3RR



3. Tính số mâm lý thuyết và thực tế:
Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
11
D
R
x
yx
R
R




Phương trình đường làm việc của đọan chưng:
w
1
11
Rf f
yxx
R
R






Với f là chỉ số nhập liệu,
F

f
D


Từ các phương trình tính toán, vẽ giản đồ
 tổng số mâm lý thuyết (số mâm phần
cất, số mâm nhập liệu, số mâm phần chưng).
Giả thuyết hiệu suất hoạt động của tháp
 số mâm thực.
4. Tính đường kính tháp:
Xem đường kính đoạn chưng bằng đường kính đoạn tháp.

  
0,0188 IX.89, .181, 2
tb
yy
tb
g
D
mCT P STT
w



:
tb
g Lượng hơi trung bình đi trong tháp.
y
:
tb

 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
y
:
tb
w Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (Kg/m
2
s)
Trong đó: g
đ :
Lượng hơi đi ra ở đĩa trên cùng.
g
đ


1DR
g
1 :
Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất.
11
11
11 11
11 1
11
0,18
.
.0,1 0,18.0,6
D
D
dd
gGD

gG
gy Gx Dx
gy G
gr g r





 







1
r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất.


11
.1
AB
rryr y
1

r
d
: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp



.1
dDAB D
ryrr y

Tốc độ hơi trung bình:
Tốc độ giới hạn của hơi trong tháp.

Trang 17

gh
W0,05 /
X
Y
ms




Trong đó:

:
X
 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
:
Y

Tính:

X

11
tb TB
XA B
x
x

 
với
2
x
F
D
x
tb
x 



46.
4611
tb
tb
tb tb
x
x
xx

 8


.1.
.273
22,4.
tb A tb B
Y
yM y M
T



gh
W0,05
X
Y




Để Tránh tạo bọt
yg
W0,8.W
h
Đường kính đoạn c
hưng và đoạn cất:
D
cất

Y

0,0188
.W
tb
Y
tb
g



5. Tính chiều cao tháp
H = (N
tt
-1)H
đ
+1 (mm)
Tra bảng IX.5 trang 170, [6]
 khoảng cách giữa các đĩa H
đ

Tra bảng IX.22 trang 230, [6]
 chiều dày đĩa
 Tính được chiều cao thân tháp.
Chọn đáy nắp tiêu chuẩn, chiều cao của đáy, nắp, chiều cao của nồi đun
 Tổng chiều cao của tháp

Trang 18
2.3.5. Kết quả tính toán
STT Thông số Kết quả Đơn vị
1 Số mâm thực tế 6 mâm
2 Đường kính đoạn
chưng, đoạn cất
150 mm
3 Khoảng cách giữa các
mâm
140 mm
4 Chiều cao thân tháp 800 mm
5 Tổng chiều cao của
tháp
1550 mm
6 Số lỗ trên mâm 15 lỗ
2.3. Chọn lựa các thiết bị phụ
Dựa vào tính toán thiết kế tháp chưng cất, có thể chọn một số thiết bị phụ sau:
STT Thiết bị Thông số Đơn vị
1 Nồi đun (d,l) 300x600 mm
2 Bình chứa liệu (w,l,h) 400x500x280 mm
3 Hệ thống ngưng tụ sản
phẩm đỉnh
Số vòng xoắn:
Đường kính vòng xoắn:


22
100

Vòng
mm
4 Bình chứa sản phẩm
đỉnh (d,l)
20x245 mm
5 Đường kính đường ống 13 mm
2.4. Vận hành thử nghiệm
Hệ thống thiết bị chưng cất sau khi lắp đặt được vận hành thử nghiệm để xác định các
thông số làm việc. Thiết bị được thử nghiệm chưng cất hệ 02 cấu tử Etanol-nước với
các yêu cầu công nghệ sau:

Trang 19
 Nồng độ nhập liệu: 20
0
rượu.
 Nhiệt độ nhập liệu: chế độ lỏng sôi.
 Áp suất làm việc: 700 mbar
 Nồng độ sản phẩm đỉnh: 89
0
rượu.
 Lưu lượng sản phẩm đỉnh: 104ml/phút.
Khi chạy thử nghiệm, các thông số của chế độ làm việc được xác định theo bảng sau:
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Mức trong nồi đun 200 mm
2 Nhiệt độ nồi đun 110
0
C
3 Nhiệt độ hơi ở đỉnh
tháp
83

0
C
4 Lưu lượng nhập liệu 165 ml/phút
5 Lưu lượng dòng hoàn
lưu
130 ml/phút
6 Mức sản phẩm đỉnh 200 mm
7 Công suất bơm 36 W
Tháp chưng cất được lắp đặt có thể sử dụng để chưng cất hệ 02 cấu tử khác đáp
ứng yêu cầu công nghệ và chất lượng sản phẩm.










Trang 20
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ
QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
3.1. Khảo sát hệ thống chưng cất
Tháp chưng cất được sử dụng để tách hỗn hợp đồng nhất ra các chất thành
phần. Nguyên liệu được máy bơm (P1) bơm từ bồn chứa (T1), nung nóng trong thiết bị
gia nhiệt (T2) bằng điện trở đến nhiệt độ sôi và đi vào tháp chưng cất ở đĩa nạp liệu.
Chất lỏng ở đáy tháp bốc hơi nhờ nhiệt lượng của điện trở trong đáy thá
p (T3) và đi
lên phía trên tháp dưới dạng hơi. Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ

(T5) và hơi được ngưng tụ nhờ nước lạnh. Pha lỏng ngưng tụ chảy vào bình tách lỏng
(T4), từ đây được máy bơm (P2) bơm vào phần trên của tháp để tưới dưới dạng hoàn
lưu, một phần thoát ra ngoài ở dạng sản phẩm đỉnh. Dòng hoàn lưu chảy xuống phía
dưới tháp. Một phần sản phẩm đáy được đưa r
a khỏi tháp.
Mâm 1
Mâm 2
Mâm 3
Mâm 4
Mâm 5
Mâm 6
3 3
2 2
14 14
T3
T5
15 15
T1
T4
4 4
6 6
1 1
5
5
P2
P1
T2
q
2
G ,C ,t

l
q
3
q
1
R1
R2
R3
ll
v
G ,C
dd
G ,t
ng ng
v
G
hl
P
th
t
th
t
ng
R
t
l
R
L
th
L

b
Hình 17: Sơ đồ hệ thống chưng cất



Trang 21
Ký hiệu các đại lượng công nghệ:
- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ nhập liệu: G
l
, C
l
, t
l
v
.
- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sản phẩm đỉnh: G
đ
, C
đ
, t
đ
.
- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sản phẩm đáy: G
đa
, C
đa
, t
đa
.
- Lưu lượng hoàn lưu: G

hl

- Lưu lượng, nhiệt độ dòng nước lạnh: G
ng
, t
ng
.
- Nhiệt lượng cấp cho R
1
,R
2
,R
3
: q
1
, q
2
, q
3
.
- Nhiệt độ dòng liệu vào tháp: t
l
R

- Nhiệt độ và áp suất ở đỉnh tháp: t
th
, P
th
.
- Mức lỏng ở đáy tháp và bình tách lỏng: L

th
, L
b

Khảo sát hệ thống chưng cất như là đối tượng điều khiển dùng để tách hỗn hợp
hai cấu tử có nồng độ cấu tử dễ bay hơi C
l
, nồng độ sản phẩm đỉnh C
đ
và sản phẩm
đáy C
đa
.
3.1.1. Nhiệm vụ điều khiển.
Chi phí năng lượng chiếm phần lớn trong giá thành sản phẩm chưng cất, do đó
nhiệm vụ tự động hóa tháp chưng cất thường được đặt ra như là điều khiển tối ưu và từ
đó xây dựng nhiệm vụ tự động điều chỉnh từng đại lượng riêng biệt. Tuỳ thuộc vào
chức năng của tháp chưng cất, có thể sử dụng các thông số tối ưu khác nha
u. Đối với
tháp sản xuất chỉ một sản phẩm chính (thí dụ sản phẩm đỉnh) có thể đặt ra các nhiệm
vụ sau:
 Nhiệm vụ 1: tối thiểu tiêu thụ năng lượng cho sản xuất sản phẩm chính với
nồng độ cho trước và giới hạn năng suất:
t
ññññ
GGCC  ,
0

 Nhiệm vụ 2: tối đa năng suất theo sản phẩm chính (G
đ

) với thành phần và
tiêu hao năng lượng bị giới hạn:

c
qq ,
0
ññ
CC
Các yếu tố ảnh hưởng lên chất lượng quá trình chưng cất đư
ợc xác định nhờ
phương trình cân bằng vật chất và nhiệt lượng của tháp.
 Cân bằng vật chất theo dòng hỗn hợp tách và sản phẩm:

1
ñañl
GGG 
 Phương trình cân bằng vật chất theo cấu tử dễ bay hơi có dạng:

Trang 22


2*
ñañaññll
CGC*GC*G 
 Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun.


3
3 thbh
qr*V q

V- dòng hơi ở phần dưới của tháp.
r
bh
– nhiệt hoá hơi sản phẩm đáy.
q
th
– thất thoát nhiệt ra môi trường.
 Phương trình cân bằng vật chất ở đáy tháp.

4
ñalo
th
th
GVG
dt
dL
*S



G
lo
– dòng lỏng ở đáy tháp
S
th
– mặt cắt đáy tháp.
 Phương trình cân bằng vật chất cho bình tách lỏng.

5
ñhl1

b
b
GGV
dt
dL
*S



V
1
– dòng hơi phần trên của tháp.
S
b
– mặt cắt của bồn tách lỏng.
 Phương trình cân bằng nhiệt lượng gia nhiệt dòng liệu.




6*
thllll2
qCp*G 
RV
ttq

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ.





7*
thngngngng11
qCp*Gr*V 
VR
tt

 Phương trình cân bằng vật chất theo pha hơi ở phần trên của tháp.

8
hlñ1
th
GG-V
dt
dP
 f


Các biến số trong hệ phương trình (1- 8) có thể được chia thành: nhiễu cơ bản,
tác động điều chỉnh và đại lượng đầu ra.
Dòng liệu vào tháp trong công nghiệp thường được đưa từ các thiết bị phía
trước của dây chuyền công nghệ. Do đó dao động lưu lượng, thành phần và nhiệt độ
nhập liệu là các nhiễu cơ bản trong quá trình chưng cất. Ngoài ra nguồn gốc nhiễu có
thể là dao động điện áp cung cấp cho các điện trở, nhiệt độ chất m
ang nhiệt và tác
nhân lạnh, sự mất nhiệt vào môi trường (q
th
). Nhiễu có thể ổn định được chỉ là nhiệt độ
nhập liệu; lưu lượng nạp liệu G
l

có thể kiểm soát; thành phần nạp liệu ít khi được kiểm
soát. Các nhiễu còn lại không kiểm soát được.

Trang 23
Tác động điều chỉnh có thể là điện áp cấp cho điện trở R
2
, R
3
; lưu lượng nước
lạnh G
ng
, dòng hoàn lưu G
hl
, sản phẩm đỉnh G
đ
và sản phẩm đáy G
đa
.
Nồng độ sản phẩm đỉnh C
đ
, mức trong tháp L
th
và bình tách lỏng L
b
, áp suất
trong tháp P
th
là các đại lượng đầu ra của quá trình.
Với mô hình toán học theo phương trình 1–8, tháp chưng cất là đối tượng phức
tạp có số lượng lớn các đại lượng quan hệ tương hỗ.

Kênh điều chỉnh được chọn trên cơ sở phân tích đặc tính tĩnh và đặc tính động
theo những kênh khác nhau.
3.1.2. Đặc tính tĩnh của tháp chưng cất.
Trạng thái của hệ được xác định bằng 4 đại lượng không phụ thuộc. Thông
thường đó là lưu lượng nhập liệu G
l
, thành phần liệu C
l
, lưu lượng sản phẩm đỉnh G
đ
,
và dòng hơi ở phần dưới của tháp V.
Xét đặc tính tĩnh của tháp theo biểu đồ V – G
đ
với điều kiện G
l
= const và C
l
=
const. Biểu đồ trên hình vẽ thể hiện các đường đẳng trị của nồng độ cấu tử dễ bay hơi
trong sản phẩm đỉnh (C
đ
= const) và sản phẩm đáy (C
đa
= const); Ġ là ký hiệu của nồng
độ giới hạn trong bài toán tối ưu.

Hình 18: Biểu đồ V – Gđ với Gl = const và Cl = const.

Trang 24