Điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
---------------------------

PHẠM THỊ THANH LOAN

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU

Ngành:

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

62520216

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS Hoàng Minh Sơn
2. PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong

bất cứ công trình khoa học nào.

Tác giả luận án

Phạm Thị Thanh Loan


i

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC…………………………………………………………………….

i

DANH LỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………….

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………...

vii

LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………

x

MỞ ĐẦU……………………………………………………………………...

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT…………………………

6

1.1. Khái quát về tháp chưng cất…………….……………………………..

6

1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất.……………………………...

6

1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất ………………………………….………..

8

1.3.1. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết ……….

9

1.3.2. Phương pháp thực nghiệm ……………………………………….

15

1.4. Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm..…...………………………....

16

1.4.1. Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất …………………………

16

1.4.1.1. Khái quát về cấu trúc điều khiển tháp chưng cất ..…………

17

1.4.1.2. Cấu hình LV ………………………………………………..

18

1.4.1.3. Cấu hình DB...........................................................................

19

1.4.1.4. Cấu hình DV...........................................................................

20

1.4.1.5. Các đặc điểm của cấu hình điều khiển ………………..…....

21

1.4.2. Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm...…………

25

1.4.2.1. Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung ………………

26

1.4.2.2. Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung ……………………...

28

1.5. Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô và xử lý khí ở Việt Nam .......

31

Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO THÁP CHƯNG
CẤT C-02………………………………………………………..

34

2.1. Mục đích xây dựng mô hình…………………………………………...

34

2.2. Khái quát về tháp C-02……………….………………………………...

35


ii

2.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của tháp C-02…………………………...

35

2.2.2. Nguyên tắc hoạt đông của cụm tháp ổn định C-02……………….

35

2.2.3. Bình tích V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum)……………...

38

2.2.4. Thiết bị ngưng tụ E-02 (Stabilizer Consender)…….…………..…

38

2.2.5. Bình gia nhiệt E-03 (Stabilizer Reboiler)………………………...

39

2.3. Xây dựng mô hình phi tuyến cho tháp C-02…………………………...

39

2.3.1. Các giả thiết đơn giản hóa……………………………………..…

41

2.3.2. Các phương trình toán động học………………………………….

43

2.3.3. Thông số của tháp C02…………………………………………...

47

2.3.4. Khảo sát động học của tháp C02…………………………………

57

2.4. Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02…………………………..

63

2.4.1. Mô hình với biến đầu ra là nồng độ sản phẩm……………………

63

2.4.2. Mô hình với đầu ra là nhiệt độ tháp………………………………

68

2.5. Kết luận……………………………………………………………...…

78

Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT
C-02………………………………………………………………..

80

3.1. Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02……….……………….....

80

3.1.1. Ma trận khuếch đại tương đối RGA …………………………..…

82

3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của vòng điều khiển mức…………………..

83

3.1.3. Khảo sát đáp ứng động khi thay đổi lưu lượng nguồn cấp ………

85

3.1.4. Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu………………………………..

87

3.1.5. So sánh đáp ứng tuyến tính và phi tuyến…………………………

90

3.1.6. So sánh giữa các cấu hình………………………………………..

91

3.1.7. Cấu hình L(V/F)………………………………………………….

92

3.1.8. Nhận xét…………………………………………………………..

94

3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho tháp C-02………………………………….

94

3.2.1. Các yêu cầu và mục đích điều khiển …………………………….

94

3.2.2. Hệ thống điều khiển hiện tại của tháp C-02……………………...

95

3.2.3. Cấu trúc điều khiển đơn biến ………………….……………….... 100


iii

3.2.4. Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)………………………....

103

3.2.4.1. Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC trong điều khiển tháp
chưng…………………………………………………….… 103
3.2.4.2. Xây dựng bộ điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02…...

104

3.3. Kết luận………………………………………………………………...

115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 117
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS…………….... 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………...... 120
PHỤ LỤC……………………………………………………………………... 128


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Mô tả

Đơn vị

xD

Nồng độ mol của pha lỏng trên đỉnh tháp

phần mol

xB

Nồng độ mol của pha lỏng dưới đáy tháp

phần mol

yD

Nồng độ mol của pha hơi trên đỉnh tháp

phần mol

yB

Nồng độ mol của pha hơi dưới đáy tháp

phần mol

xi,j

Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng trên đĩa i

phần mol

yi,j

Nồng độ mol cấu tử j pha hơi trên đĩa i

phần mol

xD,j

Nồng độ mol của cấu tử j trong pha lỏng đỉnh tháp

phần mol

xB,j

Nồng độ mol của cấu tử j trong pha lỏng đáy tháp

phần mol

yD,j

Nồng độ mol của cấu tử j trong pha hơi đỉnh tháp

phần mol

yB,j

Nồng độ mol của cấu tử j trong pha hơi đáy tháp

phần mol

zF

Nồng độ phần mol dòng cấp liệu

phần mol

Hi

Enthalpy của dòng hơi tại đĩa thứ i

kcal/kmol

hi

Enthalpy của dòng lỏng tại đĩa thứ i

kcal/kmol

hD

Enthalpy của pha lỏng trong sản phẩm đỉnh

kcal/kmol

hB

Enthalpy của pha lỏng trong sản phẩm đáy

kcal/kmol

L

Lưu lượng hồi lưu đỉnh tháp

kmol/s

Li

Lưu lượng lỏng ở đĩa thứ i

kmol/s

LR

Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng cất

kmol/s

LS

Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng chưng

kmol/s

Mi

Lượng chất lỏng trên đĩa thứ i
Lượng chất lỏng trong bình ngưng ở đỉnh tháp

kmol

Lượng chất lỏng trong nồi tái đun đáy tháp

kmol

Trữ lượng pha hơi trên đĩa thứ i

kmol

MD
MB
MiV

kmol

o

Ti

Nhiệt độ tại đĩa thứ i

VR

Lưu lượng dòng hơi trên vùng cất

kmol/s

VS

Lưu lượng dòng hơi trên vùng chưng

kmol/s

Vn

Dòng hơi đỉnh tháp

kmol/s

VB

Dòng hồi lưu hơi đáy tháp

kmol/s

B

Lưu lượng sản phẩm đáy

kmol/s

C


v
D

Lưu lượng sản phẩm đỉnh

kmol/s

F

Lưu lượng của dòng cấp liệu

kmol/s

L

Lưu lượng hồi lưu

kmol/s

V

Lưu lượng hơi cấp nhiệt

kmol/s

N

Số lượng các đĩa lọc

Đĩa

NT

Số đĩa lý thuyết

Đĩa

T

Nhiệt độ tuyệt đối của hệ

o

Qc

Lưu lượng nhiệt thu hồi trong bình ngưng (Condenser)

J/s

QR

Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi tái đun (Reboiler)

J/s

Re

Tỉ số dòng hồi lưu đỉnh

%

FC

Bộ điều khiển lưu lượng

LC

Bộ điều khiển mức

LT

Bộ chuyển đổi mức

FI

Hiển thị lưu lượng

LI

Hiển thị mức

PC

Bộ điều khiển áp suất

PT

Bộ chuyển đổi áp suất

PI

Hiển thị áp suất

TC

Bộ điều khiển nhiệt độ

TT

Bộ chuyển đổi nhiệt độ

TI

Bộ hiển thị nhiệt độ

LAHH

Cảnh báo mức quá cao

PAHH

Cảnh báo áp suất quá cao

LALL

Cảnh báo mức quá thấp

GPP

Gas Processing Plant

MF

Minimum Facilities

AMF

Absolute Minimum Facilities

nF

Chỉ số đĩa cấp liệu tại đĩa f

Nc

Số lượng các cấu tử trong hỗn hợp

Kj

Hằng số cân bằng pha của hydrocacbon

NF

Vị trí đĩa cấp liệu

αj,k

Độ bay hơi tương đối của cấu tử j so với cấu tử k

C


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng

Trang

2.1

Các thông số sản phẩm của tháp C-02……………………………....

38

2.2

Số liệu vận hành tháp C02……………………………………….….

48

2.3

Các thông số của tháp……………………………………………….

48

2.4

Xác định vị trí cấp liệu………………………..……………………..

50

2.5

Kết quả thông số tháp C-02 thu được từ Aspen…………………….

51

2.6

Kết quả enthalpy của pha lỏng, pha hơi trên từng đĩa………………

55

2.7

So sánh kết quả với số liệu thực tế khi F thay đổi…………………..

62

2.8

Giá trị thành phần cấu tử nhẹ tại trạng thái xác lập…………………

66

2.9

Giá trị nhiệt độ tháp tại trạng thái xác lập…………………………...

71

2.10

Tỷ số giữa sai lệch của nhiệt độ và L, V tại các đĩa đáy tháp………..

74

2.11

Tỷ số giữa sai lệch của nhiệt độ và L, V tại các đĩa đỉnh tháp……....

75

2.12

Tham số của bộ điều khiển PID cho hai vòng điều khiển thành phần

78

3.1

Ảnh hưởng của các yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình điều khiển…..

91

3.2

Thay đổi của sản phẩm tháp khi tăng F ứng với các cấu hình khác
nhau………………………………………………………………….

93

3.3

Nồng độ sản phẩm tháp……………………………………………..

96

3.4

Yêu cầu về chất lượng sản phẩm…………………………………....

104


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình

Trang

1.1

Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất………………………….

7

1.2

Sơ đồ đặc tả các bài toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm

17

1.3

Cấu hình LV……………………………………………………...

19

1.4

Cấu hình DB……………………………………………………...

20

1.5

Cấu hình DV……………………………………………………...

21

2.1

Sơ đồ công nghệ tháp C-02………………………………………

37

2.2

Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị ngưng……………………….

43

2.3

Mô tả các dòng vật chất tại đĩa n…………………………………

44

2.4

Mô tả các dòng vật chất tại đĩa i………………………………….

45

2.5

Mô tả các dòng vật chất tại đĩa cấp liệu f………………………...

45

2.6

Mô tả các dòng vật chất đĩa thứ nhất…………………………….

46

2.7

Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị gia nhiệt…………………….

47

2.8

Mô hình mô phỏng tháp C02………………….………………….

48

2.9

Thông số của tháp C-02 ……..…………………………………...

49

2.10

Kết quả khối sản phẩm đỉnh……………………………………...

49

2.11

Kết quả khối sản phẩm đáy………………………………………

50

2.12

Độ bay hơi tương đối của cấu tử nhẹ (C3H8) so với cấu tử nặng
(C5+)………………………………………………………………

50

2.13

Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02……………………

52

2.14

Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02, đầu ra là nhiệt độ

56

2.15

Sơ đồ mô phỏng tháp C02…………………………….………….

58

2.16

Đáp ứng của sản phẩm đỉnh tháp yD với các số liệu vận hành …..

58

2.17

Thay đổi của sản phẩm đỉnh tháp khi tăng F lên 1% với bộ điều
khiển PID…………………………………………………………

58

2.18

Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp……………

59

2.19

Động học dòng lỏng……………………………………………...

59


viii

2.20

Thay đổi của dòng ngoài: tăng 0.1% L và V riêng biệt…………..

60

2.21

Đáp ứng của sản phẩm đỉnh khi thay đổi L và V riêng biệt………

61

2.22

Ảnh hưởng của dòng trong: tăng L và V một giá trị 10% L...........

61

2.23

Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp..……………………………………....

62

2.24

Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp khi F tăng 3%......................................

62

2.25

Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A, B, E……………………...

67

2.26

Lưu đồ thuật toán xác định các ma trận A’, B’, E’.........................

72

2.27

Đáp ứng của nhiệt độ đỉnh tháp với bộ điều khiển PID………….

76

2.28

Đáp ứng của nhiệt độ đáy tháp với bộ điều khiển PID…………..

77

2.29

Ảnh hưởng của nhiễu lưu lượng cấp lên nhiệt độ đỉnh tháp……..

77

2.30

Tương tác giữa hai vòng điều khiển……………………………...

77

3.1

Lưu đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng của bộ điều khiển mức…..

84

3.2

Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1%…………………..…

85

3.3

Đáp ứng của sản phẩm tháp khi tăng V lên 1%..............................

85

3.4

Thay đổi trong sản phẩm đỉnh khi tăng F 1%................................

86

3.5

Lưu đồ thuật toan khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu…………….

88

3.6

Ảnh hưởng của lưu lượng cấp lên sản phẩm đỉnh……………..…

89

3.7

Ảnh hưởng của thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đỉnh…….…

89

3.8

Ảnh hưởng của lưu lượng cấp lên sản phẩm đáy………………...

89

3.9

Ảnh hưởng của thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đáy………..

89

3.10

Đáp ứng sản phẩm đỉnh (a), logarithm thành phần sản phẩm đỉnh
(b) khi tăng L lên 0.1%; 1%; 10%; 50% …………………………

91

3.11

Thay đổi của nồng độ sản phẩm đỉnh khi tăng F lên 1% ………..

92

3.12

Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình LV ….

93

3.13

Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình
L(V/F)…………………………………………………………….

93

3.14

Sơ đồ cấu trúc điều khiển tháp C-02……………………………..

96

3.15

Sơ đồ điều khiển áp suất tháp C-02 …………………………...…

97

3.16

Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp C-02 …………………………….

98


ix

3.17

Sơ đồ điều khiển mức đáy tháp C-02 ……………………………

99

3.18

Điều khiển hai điểm sử dụng bộ điều khiển PI…………………..

101

3.19

Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.25% ở t = 10 và zF
giảm 6.25% ở t = 150………...…………………………………..

3.20

101

Đáp ứng của sản phẩm tháp khi thay đổi giá trị đặt yD từ 0.9931
lên 0.996 ở t = 10 ……………………………………………..….

102

3.21

Sơ đồ mô phỏng cấu hình L(V/F) ……………………………..…

102

3.22

Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.25% ở t = 10 …………

103

3.23

Sơ đồ mô phỏng MPC cho tháp C-02…………………………….

112

3.24

Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với λ = 0.1;
Nu = 1 .............................................................................................

3.25

Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3; λ
= 0.1 ...............................................................................................

3.26

Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3;
Nu = 5…………………………………………………………….

112

113

113

3.27

Đáp ứng của sản phẩm đỉnh với lưu lượng hồi lưu .......................

114

3.28

Đáp ứng của sản phẩm đáy với lưu lượng hơi cấp nhiệt ...............

114

3.29

Đáp ứng của sản phẩm đỉnh với mô hình mẫu ..............................

114

3.30

Đáp ứng của sản phẩm đáy với mô hình mẫu ...............................

114

3.31

Đáp ứng sản phẩm tháp và tín hiệu điều khiển với Nu = 3; Ny =
10…………………………………………………………………

115


x

LỜI CẢM ƠN

Bản luận án của NCS đến nay đã được hoàn thành, trước hết:
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy giáo hướng dẫn khoa
học PGS.TS Thái Duy Thức, PGS.TS Hoàng Minh Sơn, PGS.TS. Nguyễn Đức
Khoát đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho NCS trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn TS. Nguyễn Chí Tình và tất cả các Thầy, Cô trong Bộ môn
Tự động hóa Mỏ và dầu khí, Phòng đào tạo sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất
đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian nghiên cứu.
Tác giả xin cảm ơn Thầy PGS. TS Đào Văn Tân về sự định hướng và giúp
đỡ trong quá trình tìm hiểu về tài liệu có liên quan.
Tác giả xin cảm ơn các cán bộ trong bộ môn Quá trình và Thiết bị hóa học
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội về việc sử dụng phần mềm mô phỏng Aspen.
Tác giả xin cảm ơn các cán bộ Phòng Điều khiển trung tâm – Nhà máy xử lý
khí Dinh Cố đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình lấy các số liệu thực nghiệm có
liên quan.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, các bạn bè
đồng nghiệp không ngừng động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
NCS hoàn thành bản luận án này.


1

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc dầu và chế
biến khí, được sử dụng để tách một hỗn hợp hóa học thành các dòng sản phẩm tinh
khiết hơn dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của từng cấu tử.
Các tháp chưng cất chiếm một phần đáng kể trong nguồn vốn đầu tư của các
nhà máy hóa chất và lọc dầu [2], [35], [36], đồng thời cũng là một thành phần tiêu
tốn nhiều năng lượng. Phần năng lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông
qua quá trình tối ưu vận hành tháp chưng, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng bộ
điều khiển để duy trì các điều kiện vận hành tối ưu [66]. Đã có rất nhiều tài liệu,
công trình nghiên cứu liên quan tới vấn đề điều khiển, vận hành tháp chưng cất
được công bố trong những năm qua [3], [4], [35], [36], [73], [75], [81]. Tuy nhiên,
việc nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất trong
điều kiện Việt Nam còn chưa được đầy đủ.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Sự biến động mạnh của giá xăng dầu và các sản phẩm khí trong những năm gần
đây (như năm 2014) đòi hỏi các nhà máy lọc dầu, xử lý khí phải nâng cao hiệu suất
hoạt động cũng như cải thiện chất lượng điều khiển để giảm thiểu chi phí và tối ưu
lợi nhuận.
Thực tế hiện nay hệ thống điều khiển cho các tháp chưng cất ở Việt Nam đang
có cấu trúc điều khiển vòng đơn, đôi khi có kết hợp điều khiển tầng. Độ tin cậy về
chất lượng sản phẩm, tính ổn định của hệ thống không cao vì tồn tại tương tác chéo
giữa các vòng điều khiển, tính kháng nhiễu kém. Hiện tại vòng điều khiển nhiệt độ
của tháp chưng cất ở một số nhà máy (như nhà máy xử lý khí Dinh Cố) đang phải
vận hành bằng tay càng làm giảm hiệu quả hoạt động của nhà máy. Hơn nữa, hệ
thống điều khiển chỉ chú ý tới chỉ tiêu chất lượng sản phẩm và ổn định dòng sản
phẩm, chưa chú ý tới mối tương quan giữa chất lượng sản phẩm và công suất cấp
nhiệt, do đó lợi nhuận chưa được như mong muốn. Trước thực tế này, các nhà máy


2

lọc dầu và xử lý khí đang đặt ra yêu cầu phải cải tiến hệ thống điều khiển nhằm
nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng suất làm việc của các tháp chưng cất.
Cho đến nay, chưa có công trình hay đề tài khoa học nào nghiên cứu đầy đủ và
chi tiết về hệ thống điều khiển của tháp chưng cất ở Việt Nam. Việc nghiên cứu xây
dựng mô hình toán học, lựa chọn cấu trúc điều khiển và tính toán xây dựng bộ điều
khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho tháp chưng cất
mang tính cấp thiết và thời sự.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xây dựng được mô hình toán học cho tháp chưng bao gồm mô hình tuyến
tính, mô hình phi tuyến với các cấu hình khác nhau dựa trên phương pháp tiếp cận
mới. Từ mô hình thu được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp
và thiết kế bộ điều khiển nhằm điều khiển tối ưu quá trình chưng cất trong công
nghiệp lọc dầu và xử lý khí hóa lỏng để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất
làm việc cho tháp chưng cất.
4. Đối tượng nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu một đối tượng tháp chưng cất điển hình là tháp C02 của nhà máy xử lý khí Dinh Cố. Tháp C-02 có cấu tạo và chức năng đặc trưng
của một tháp chưng cất phân đoạn tại Việt Nam. Trong nhà máy xử lý khí Dinh Cố,
C-02 có vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng sản phẩm khí hóa lỏng
cung cấp cho thị trường trong nước. Hiện tại, hệ thống điều khiển cho tháp có cấu
trúc vòng đơn với vòng điều khiển nhiệt độ đáy tháp phải vận hành bằng tay, vì vậy
nhà máy cũng đang đặt ra yêu cầu cấp bách trong việc nâng cao chất lượng và năng
suất làm việc của tháp.
5. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tháp chưng cất, cơ sở lý thuyết quá trình chưng cất, các phương
pháp xây dựng mô hình tháp chưng cất, các cấu trúc điều khiển và phương pháp
điều khiển tháp chưng cất.
- Tổng quan về hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-02, các nguyên tắc cơ bản
và phương pháp điều khiển.

3

- Xây dựng mô hình toán cho tháp C-02 dựa trên phương pháp lý thuyết kết
hợp số liệu mô phỏng và các số liệu vận hành của tháp, kiểm chứng mô hình với các
số liệu thực tế.
- Nghiên cứu các cấu trúc điều khiển, lựa chọn cấu trúc phù hợp cho tháp C-02.
Mô phỏng với các số liệu của tháp chưng cất thực để khẳng định giải pháp lựa chọn.
- Nâng cao chất lượng sản phẩm với cấu trúc mới, sử dụng cấu trúc điều khiển
đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích, tổng hợp các tài liệu, các công trình đã công bố trong và ngoài
nước để xác định mục tiêu của luận án.
- Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp các số liệu mô phỏng và số liệu vận
hành để xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C-02. Sử dụng Matlab và
Aspen để mô phỏng hệ thống, lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp và đề xuất các
giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm của tháp.
7. Ý nghĩa khoa học của luận án
- Đưa ra một cách tiếp cận phù hợp trong việc xây dựng mô hình toán học cho
các quá trình đa biến, kết hợp sử dụng phương pháp lý thuyết, phần mềm mô phỏng
và số liệu thực nghiệm.
- Phát triển phương pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác định các cặp
biến vào/ra cho quá trình đa biến áp dụng cho một đối tượng cụ thể là tháp chưng
cất C-02.
- Bộ điều khiển đa biến – điều khiển dự báo theo mô hình đã được áp dụng
cho tháp C-02 nhằm nâng cao năng suất làm việc của tháp.
8. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Việc xây dựng mô hình cho tháp chưng cất dựa trên phương pháp tiếp cận
mới cho phép rút ngắn thời gian nghiên cứu cũng như tối thiểu chi phí cho hoạt
động này. Cải tiến cấu trúc điều khiển, nếu áp dụng có thể đưa chế độ điều khiển tự

động vào thay thế chế độ bằng tay hiện tại.


4

- Đưa ra giải pháp điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm có
xem xét đến yếu tố chi phí vận hành ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
- Việc hiệu chỉnh tham số làm việc phù hợp từ mô hình và cấu trúc thu được
góp phần nâng cao tính ổn định, chất lượng sản phẩm và lợi nhuận cho nhà máy.
- Kết quả của đề tài có thể phát triển và áp dụng cho các tháp khác trong Nhà
máy xử lý khí Dinh Cố và các tháp khác có chức năng tương tự.
9. Luận điểm bảo vệ và điểm mới của đề tài
Luận điểm bảo vệ
- Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng trên cơ sở phương pháp tiếp cận
mới kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu thực tế. Mô hình
có ý nghĩa quan trọng, cho phép tiến hành các nghiên cứu trong cấu trúc và điều
khiển nhằm rút ngắn thời gian và giảm thiểu chi phí.
- Cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 đã được xác định thông qua quá
trình phân tích dựa trên lý thuyết và số liệu thực tế, cấu trúc này đảm bảo chất lượng
trên cơ sở bù nhiễu.
- Bài toán nâng cao chất lượng sản phẩm cho tháp chưng và nhà máy được giải
quyết hiệu quả trên cơ sở thiết kế lại cấu trúc điều khiển hoặc phương pháp điều
khiển hiện đại – điều khiển dự báo theo mô hình.
Điểm mới của luận án
- Xây dựng mô hình cho tháp chưng trên cơ sở cách tiếp cận mới kết hợp
phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu thực tế.
- Tính toán xác định cấu trúc điều khiển thích hợp cho một tháp C-02 trên cơ sở
kháng nhiễu, sử dụng phương pháp phân tích SVD xác định biến vào/ra, đề xuất cấu
trúc mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
- Sử dụng bộ khiển dự báo để nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho tháp

chưng cất C-02.
10. Bố cục luận án


5

Nội dung luận án được trình bày trong 3 chương với 11 bảng biểu và 62 hình vẽ
bao gồm phần mở đầu, nội dung luận án, kết luận chung và kiến nghị, danh mục các
công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Chương 1 trình bày về các thông tin cơ bản cũng như tầm quan trọng của tháp
chưng cất trong ngành công nghiệp dầu khí. Bên cạnh đó, tổng quan về các công
trình nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng mô hình tháp chưng cất, bài toán điều
khiển tháp chưng với vấn đề lựa chọn cấu hình điều khiển và thiết kế bộ điều khiển
của các tác giả trên thế giới nghiên cứu trong những năm qua cũng được trình bày
trong chương này.
Chương 2 đi sâu vào bài toán nghiên cứu xây dựng mô hình cho tháp chưng cất.
Mô hình toán học thu được bằng phương pháp lý thuyết có nhiều ưu điểm và đã
được nhiều tác giả thiết lập và sử dụng. Tuy nhiên, việc xác định các tham số cụ thể
của mô hình lý thuyết thường gặp khó khăn tron thực tế. NCS đưa ra phương án xây
dựng mô hình cho tháp chưng cất bằng cách sử dụng Aspen - một phần mềm phân
tích và thiết kế của công nghiệp hóa dầu kết hợp với các số liệu vận hành thực tế
của tháp để đưa ra mô hình. Mô hình được kiểm chứng và sử dụng để khảo sát chế
độ làm việc xác lập, chế độ động, cũng như các ảnh hưởng của các dòng trong tháp,
đồng thời được sử dụng để xác định cặp đôi biến vào/ra cho tháp C-02.
Trên cơ sở mô hình toán học của tháp C02 thu được ở chương 2, cấu hình điều
khiển và bộ điều khiển được xây dựng và lựa chọn trong chương 3 nhằm nâng cao
hiệu suất và chất lượng sản phẩm tháp. Thông qua việc phân tích các yếu tố ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm như nhiễu lưu lượng nguồn cấp, nhiễu thành phần
nguồn cấp, tương tác giữa các vòng điều khiển, ảnh hưởng của bộ điều khiển mức
cho từng cấu hình dựa trên mô hình thu được trong chương 2, cấu hình phù hợp

nhất cho tháp C-02 đã được NCS xác định. Cấu trúc điều khiển tháp chưng cất bao
gồm cấu trúc đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung được áp dụng
điều khiển tháp C-02. Chất lượng sản phẩm được cải thiện với đề xuất cải tiến cấu
hình điều khiển hiện tại trong cấu trúc đơn biến và áp dụng cấu trúc đa biến sử dụng
bộ điều khiển dự báo theo mô hình.


6

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT
1.1. Khái quát về tháp chưng cất
Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc dầu và chế
biến khí, được sử dụng để tách một hỗn hợp hóa học thành các dòng sản phẩm tinh
khiết hơn [1], [36]. Được phát minh bởi Alexandrian Chemists vào thế kỷ thứ nhất,
tháp chưng cất dạng mẻ (batch distillations columns) được sử dụng chủ yếu trong
lĩnh vực sản xuất rượu và dầu ăn. Năm 1860 tháp chưng cất liên tục (continuous
distillations columns) được ra đời khi ngành công nghiệp dầu khí đòi hỏi sự cải tiến
trong cấu trúc tháp chưng nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của tháp. Loại tháp
chưng cất này trở nên ngày càng phổ biến trong các nhà máy hóa chất, lọc dầu và
xử lý khí hiện nay.
Các tháp chưng cất chiếm một phần đáng kể trong nguồn vốn đầu tư của các
nhà máy hóa chất và lọc dầu, thông thường khoảng 40-50% tổng giá trị đầu tư [35],
[36]. Chi phí vận hành của chúng chiếm phần lớn trong chi phí vận hành của nhiều
quá trình. Tháp chưng cất đồng thời cũng là một thành phần tiêu tốn nhiều năng
lượng: tại Mỹ, khoảng 7% năng lượng được tiêu tốn bởi tháp chưng cất. Phần năng
lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông qua quá trình tối ưu vận hành
tháp chưng cất, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng hệ thống điều khiển để duy
trì các điều kiện vận hành tối ưu. Trong đó, điều khiển chặt chẽ cho tháp chưng cất
giữ vai trò chính trong việc tiết kiệm chi phí, gia tăng lợi nhuận và nâng cao chất

lượng sản phẩm.
1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất
Tháp chưng cất hoạt động theo các nguyên lý nhiệt động học (hình 1.1). Cấp
liệu được đưa vào đĩa tiếp liệu, thiết bị đun sôi cung cấp nhiệt cho dòng cấp liệu.
Các thành phần trong hỗn hợp có nhiệt độ sôi thấp sẽ hóa hơi, đi từ dưới lên trên
đỉnh tháp qua các lỗ của đĩa. Các thành phần có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ di chuyển
về phía đáy tháp dưới dạng chất lỏng, chảy theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy


7

chuyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay
đổi theo sự thay đổi của nồng độ.
Nguồn cấp của tháp có thể là đa cấu tử hoặc 2 cấu tử với sản phẩm được lấy ra
từ trên đỉnh tháp, dưới đáy tháp hoặc bên sườn tháp. Đối tượng tháp chưng hỗn hợp
nhị phân, 2 sản phẩm sẽ được nghiên cứu và khảo sát trong luận án. Với đối tượng
này, phần hơi trên đỉnh tháp được làm lạnh và ngưng tụ qua quá trình trao đổi nhiệt
với chất làm lạnh trong Condenser và được đưa ra đường ống thành dòng sản phẩm
đỉnh. Chất lỏng đáy tháp được đưa vào trong bình chứa đệm, một phần được đưa
ngược lại tháp chưng gọi là dòng hồi lưu. Trong thời gian sản xuất, tháp chưng cất
thường được vận hành theo các cách:
- Tỷ số hồi lưu không đổi: Tỷ số giữa lưu lượng sản phẩm và lưu lượng hồi lưu
là không đổi trong khi nồng độ thành phần sản phẩm có thể thay đổi.
- Nồng độ thành phần không đổi: Lưu lượng hồi lưu đỉnh, đáy tháp được thay
đổi để đáp ứng với tác động của nhiễu khi có yêu cầu không đổi về nồng độ thành
phần.

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất 2 sản phẩm

8

- Tối ưu tỷ số hồi lưu: Tỷ số hồi lưu được xác định dựa trên một số tiêu chí tối
ưu. Cả tỷ số hồi lưu và nồng độ thành phần sản phẩm đều có thể thay đổi trong quá
trình làm việc của tháp
Mặc dù đã được khảo sát, nghiên cứu rất sâu sắc trên nhiều khía cạnh, tháp
chưng cất vẫn là một đối tượng nghiên cứu đầy tiềm năng vì:
- Tính đa dạng trong vận hành tháp chưng cất [36]: Skogestad và IJ. Halvorsen
đã chỉ ra mỗi loại tháp chưng có nhiều khả năng vận hành khác nhau dựa trên chức
năng, mục đích và dòng nguyên liệu vào của tháp. Tháp với hai dòng sản phẩm,
hỗn hợp lý tưởng (hỗn hợp nhị phân) là loại tháp dễ vận hành và điều khiển nhất.
Sự phức tạp trong điều khiển vận hành của tháp sẽ tăng lên khi hỗn hợp không lý
tưởng và tháp có liên kết nội với nhiều dòng vào/ra ở đỉnh, đáy hay sườn tháp. Hiểu
biết về động học, các chế độ hoạt động của tháp chưng cất cũng bị hạn chế đối với
loại tháp này. Vì quá trình là động nên việc tối ưu vận hành sẽ dẫn đến các vấn đề
về điều khiển và phương án chung để giải quyết vấn đề này vẫn chưa được thiết lập.
- Các sách lược điều khiển tháp chưng cất hiện nay thường khá đơn giản.
Skogestad và Postlethwaite I [73] đã nhấn mạnh quan điểm chất lượng điều khiển sẽ
không thể được cải thiện nếu thiếu thông tin về mô hình cũng như động học của
tháp. Đây là đặc điểm chung của các công ty, nhà máy nhỏ vì họ không được cung
cấp đầy đủ các nghiên cứu liên quan. Do đó, cần thiết phải có các phương pháp
nghiên cứu tin cậy để phát triển sách lược điều khiển cho tháp chưng cất.
- Các nhu cầu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm không ngừng tăng lên trong
khi bị giới hạn bởi các điều kiện ràng buộc vận hành. Đứng trên quan điểm điều
khiển, tất cả các thông tin có sẵn (giá trị đo, mô hình đối tượng, ràng buộc…) nên
được sử dụng để xác định tín hiệu điều khiển nhằm giữ giá trị đầu ra gần với giá trị
đặt [68]. Tương tác giữa các vòng điều khiển cũng cần được giảm xuống, tránh sự
lựa chọn cặp đôi các biến vào/ra cho quá trình đa biến. Vì vậy cần phải có các
phương pháp cải tiến để đáp ứng nhu cầu này.
1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất

9

Các loại mô hình được sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất là mô hình vật lý và
mô hình toán học:
- Mô hình vật lý: Các thiết bị của hệ thống được đơn giản hóa và thu nhỏ với
một tỷ lệ nhất định. Việc xây dựng mô hình loại này mất rất nhiều thời gian và kinh
phí, thường khó khả thi trong các nhà máy, dự án nhỏ.
- Mô hình toán học: Là một mô hình trừu tượng ở đó đặc tính của hệ thống thực
được phản ánh qua các phương trình toán học. Mô hình được sử dụng để điều khiển
các quá trình liên tục, phân tích các đặc tính động học của quá trình, thiết kế tối ưu
cho hệ thống hay tính toán các điều kiện làm việc tối ưu. Mô hình có thể được xây
dựng bằng phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm hoặc kết hợp phương
pháp lý thuyết và thực nghiệm, có tính linh hoạt cao và sẽ được đề cập tới trong
luận án.
1.3.1. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết
Phương pháp lý thuyết xây dựng mô hình dựa trên các định luật vật lý, hóa học
cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được
là một hệ phương trình vi phân và phương trình đại số. Mô hình lý thuyết xuất phát
từ các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng. Cân bằng khối
lượng có thể được cụ thể hóa bằng phương trình cân bằng tổng khối lượng hoặc cân
bằng thành phần [6], [35], [65], [67]. Ivar J. Halvorsen và Sigurd Skogestad;
William L.Luyben; Page S. Buckley; K.W. Mathisen, M. Morari và rất nhiều tác giả
khác đã công bố kết quả xây dựng mô hình tháp chưng cất bằng phương pháp này.
Phương pháp lý thuyết phụ thuộc nhiều vào quá trình cụ thể, đòi hỏi nhiều kinh
nghiệm thực tế.
Chưng cất là một quá trình động trong đó một hỗn hợp được phân tách, trữ
lượng tháp và nồng độ thành phần của các cấu tử thay đổi liên tục, vì thế mô hình
toán học của quá trình phải là động, bao gồm cả phương trình đại số và phương

trình vi phân. Một mô hình chi tiết cho tháp chưng cất bao gồm các phương trình
cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, trên mỗi đĩa, cân bằng nồng độ thành phần,


10

động học của các đĩa (thay đổi trữ lượng dòng lỏng), động học áp suất, mô hình của
bình ngưng và thiết bị gia nhiệt [36]. Tuy nhiên, cho đến nay các mô hình đã có đều
được đơn giản hóa với nhiều giả thiết như bỏ qua ảnh hưởng của cấu trúc tháp đến
cân bằng năng lượng, bỏ qua động học dòng lỏng, bỏ qua động học áp suất…
Các bước xây dựng mô hình:
- Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng vật chất,....
- Xây dựng các phương trình mô tả các quá trình cơ bản đối với tất cả các khâu,
phương trình liên hệ giữa các khâu.
- Xây dựng mô hình, lựa chọn phương pháp giải hệ phương trình.
Xây dựng một mô hình ở trạng thái xác lập hay một mô hình động cho tháp
chưng cất thường khá đơn giản. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, kết quả
nhận được là một số lượng lớn các phương trình vi phân và phương trình đại số.
Việc giải hệ phương trình này là một thách thức trong những năm đầu của mô hình
hóa tháp chưng. Mô hình tháp chưng đầu tiên được thiết lập vào những năm 1920
dựa trên phương pháp đồ họa (McCabe and Thiele) [35], được đơn giản hóa tối đa
và chỉ dừng lại với mô hình ở trạng thái xác lập. Mô hình này dựa trên cơ sở các giả
thiết khá hạn chế, nhưng lại có chứa thông tin quan trọng về trạng thái xác lập của
tháp chưng cất.
Một trong những mô hình động đầu tiên được xây dựng bởi Marshall và
Pigford, sử dụng các phương trình tuyến tính đơn giản và giải chúng bằng phép biến
đổi Laplace.
Sự ra đời của máy tính số vào những năm 1975 cho phép giải quyết nhiều mô
hình phức tạp hơn. Rosenbrock [69] đã xây dựng mô hình động, phi tuyến mặc dù
còn khá đơn giản, cho tháp chưng hai cấu tử bằng máy tính số. Mô hình đã được tác

giả sử dụng trong việc phân tích chế độ động, thiết kế điều khiển tháp chưng hai
thành phần, lựa chọn cấu trúc điều khiển và phân tích tương tác giữa các vòng điều
khiển. Trong những năm tiếp theo, sự phát triển của máy tính số cho phép giải các
hệ phương trình đại số và phi tuyến phức tạp, nhiều bài báo đã công bố kết quả


11

nghiên cứu xây dựng mô hình tháp chưng động và ở trạng thái xác lập trong 40 năm
qua.
Buckley và cộng sự [75] đã xây dựng mô hình lý thuyết cho tháp chưng cất
trong đó động học dòng lỏng đã được đề cập đến. Mô hình được sử dụng để thiết kế
bộ điều khiển mức, áp suất cho tháp nhưng vấn đề điều khiển thành phần (lựa chọn
cấu hình điều khiển) chưa được thảo luận tới.
Động học thành phần của tháp chưng tương đối chậm. Tuy nhiên nó rất quan
trọng đối với các nghiên cứu điều khiển phản hồi để tập trung không chỉ vào trạng
thái động mà còn kết hợp hiệu ứng động học nhanh. Các hiệu ứng có thể bao gồm
khâu lưu giữ bậc không – ZOH và khâu chậm trễ gây ra bởi động học của dòng
lỏng. Skogestad và cộng sự [66] đã chỉ ra tầm quan trong của sự trễ gây ra bởi động
học của pha lỏng đối với đặc tính điều khiển phản hồi của tháp chưng cất.
Skogestad [68] trình bày phương pháp xây dựng mô hình đơn giản cho trạng
thái xác lập và quá trình động của tháp chưng cất. Với điều khiển phản hồi, một mô
hình chính xác của đối tượng thường không cần thiết. Thay vào đó, nên sử dụng
một mô hình đơn giản (tốt nhất là một mô hình tuyến tính) trong đó bao gồm các
yếu tố quan trọng nhất cho điều khiển phản hồi (đáp ứng ngược, hiệu ứng đa biến,
độ nhạy mô hình). Phân tích cho thấy mô hình ở trạng thái xác lập dự báo một cách
chính xác đáp ứng của đối tượng ở các chế độ động và tĩnh.
Trạng thái động của tháp chưng có thể được xấp xỉ với mô hình hai hằng số
thời gian bằng cách xem xét sự khác biệt cơ bản giữa các dòng chảy nội và dòng
bên ngoài. Các phân tích về mô hình của Skogestad [73] cho thấy có rất nhiều khả

năng để giữ cho sản phẩm có độ tinh khiết cao với độ hồi lưu lớn. Một ưu điểm của
mô hình là nó mô tả được trạng thái của tháp ở cả tần số thấp và cao, cung cấp
thông tin, dự đoán của các phản ứng ban đầu, hiệu ứng tuyến tính hóa của các thành
phần. Chất lượng điều khiển có thể không được như mong muốn nếu chỉ sử dụng
thông tin ở trạng thái xác lập. Tuy nhiên, trong trường hợp này kết quả thực nghiệm
cho thấy cả hai sản phẩm của tháp đều có độ tinh khiết cao.


12

Mặc dù các mô hình hai hằng số thời gian thường đơn giản, phù hợp với đáp

ứng động của một lớp lớn các tháp chưng cất nhưng nó không được áp dụng thường
xuyên vì: Có một số lượng lớn tháp chưng cất yêu cầu về độ tinh khiết thấp với độ
hồi lưu nhỏ thì một mô hình một hằng số thời gian là thỏa đáng; Mô hình này là
không phù hợp cho một số tháp có độ tinh khiết thấp, có sự khác biệt lớn trong thời
gian đáp ứng của đỉnh và đáy.
Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến cho tháp chưng, mô hình vòng hở
cũng như mô hình tháp với các cấu trúc LV, DV, L/D-V/B được Skogestad xây dựng
năm 1997 [68]. Mô hình này tương tự với một mô hình được đưa ra trong cuốn sách
của Morari và Zafiriou [52] ngoại trừ việc động học của các dòng lỏng, thông tin
quan trọng trong điều khiển phản hồi đã được xem xét tới trong mô hình. Mô hình
đã được sử dụng trong một số bài báo về điều khiển và động học tháp chưng [67],
[68], [69].
Các giả thiết được sử dụng khi xây dựng mô hình: hỗn hợp nhị phân, áp suất
không đổi, biến động tương đối liên tục, ngưng tụ toàn phần; lưu lượng mol không
đổi, không có trữ lượng hơi trên các đĩa, động học chất lỏng được tuyến tính hóa,
nhưng có xem xét tới ảnh hưởng của dòng hơi. Những thông tin về đối tượng khá
hạn chế, nhưng chúng chứa các thông tin quan trọng đối với động học và điều
khiển. Một số giả thiết đã được các tác giả sử dụng trong nghiên cứu của mình:

Bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa
Thông thường trữ lượng pha hơi trên mỗi đĩa là không đáng kể và thường bị bỏ
qua (MiV = 0). Với giả thiết này, sự thay đổi trong lưu lượng hơi ở đáy tháp sẽ ngay
lập tức làm thay đổi lưu lượng hơi trên đỉnh tháp. Giả thiết này sẽ gây tác động xấu
cho các cấu tử dễ bay hơi, tháp có áp suất cao hoặc tỷ trọng pha lỏng thấp [73].
Choe và Luyben đã chứng minh trữ lượng hơi trên mỗi đĩa chỉ cần thiết được đề cập
tới khi nó chiếm hơn 20% so với trữ lượng pha lỏng trong tháp.
Áp suất không đổi và bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa


13

Đây là một giả thiết rất phổ biến vì áp suất ở các tháp chưng cất thường được
điều khiển chặt. Vì áp suất không đổi nên thông tin lấy được từ mỗi đĩa sẽ ít hơn,
nhưng vẫn bao gồm nồng độ thành phần (xij), trữ lượng pha lỏng (Mi) và áp suất (pi)
(Critsis [73]). Từ xij, pi Doukas, Luyben và Howard đã tính được yij, Ti và hi, Li.
Áp suất không đổi nhưng trữ lượng hơi trên mỗi đĩa thay đổi.
Choe và Luyben [67] đã chứng minh giả thiết này có tác động gần tương tự như
trường hợp bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa.
Năng lượng trên mỗi đĩa là không đổi

d  M i hLi  / dt  0

(1.1)

Giả thiết này thường được sử dụng khi cần có phương trình cân bằng năng
lượng là một phương trình đại số. Tuy nhiên, trừ trường hợp d  M i hLi  / dt thực sự
bằng không, giả thiết này thường sai và không được sử dụng.
Enthalpy pha lỏng không đổi

dhLi / dt  0

(1.2)

Giả thiết này chỉ tốt đối với tháp chưng có các cấu tử có nhiệt độ sôi rất khác
nhau. Fuentes và Luyben [67] đã đưa ra kết luận sau các nghiên cứu của mình:
không nên bỏ qua enthalpy pha lỏng đặc biệt với các tháp chưng cất đa cấu tử hoặc
có thay đổi lớn về áp suất tháp.
Lưu lượng mol không đổi
Dòng hơi đi lên trong tháp là bằng nhau tại mỗi đĩa. Với các giả thiết về năng
lượng và áp suất tháp không đổi thì phương trình cân bằng năng lượng có thể được
đơn giản hóa hơn với giả thiết h Li  0 . Phương trình cân bằng năng lượng trở thành:

0  Vi 1  hV ,i 1  hL   Vi  hVi  hL 

(1.3)

Lúc này, phương trình cân bằng vật chất trở thành:

Vi  Vi 1 ; dM Li / dt  Li 1  Li

(1.4)