Tiểu luận Tự động hóa quá trình sấy khô khí

mục lục Lời mở đầu 3 I. Quá trình công nghệ sấy khô khí 4 I.1. Mục đích của việc sấy khô khí 4 I.2. Phương pháp sấy khô khí 4 I.2.1. Sơ đồ nguyên lí sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ 5 I.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ hơi nước 5 I.2.3. Các thông số của quá trình 6 II. Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng của quá trình điều chỉnh tự động 7 II.1. Sơ đồ thông số của quá trình công nghệ 7 II.2. Mô hình toán học của sự điều chỉnh hàm ẩm của khí khô 8 II.3. Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ 11 III. Đo và điều chỉnh tự động qúa trình công nghệ sấy khô khí 14 III.1. Điều chỉnh hàm ẩm của khí khô 15 III.2. Điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ 15 III.3. Điều chỉnh nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ 16 III.4. Điều chỉnh áp suất làm việc của tháp hấp thụ 16 III.5. Điều chỉnh nhiệt độ nạp liệu 16 III.6. Điều chỉnh bằng máy tính 17 IV. Thiết lập hệ tự động điều chỉnh quá trình công nghệ 18 V. Các thiết bị đo lường 20 V.1. Dụng cụ đo nhiệt độ 20 V.2. Dụng cụ đo mức 20 V.3. Dụng cụ đo lưu lượng 21 V.4. Dụng cụ đo hàm ẩm 21 V.5. Dụng cụ đo áp suất 21 Kết luận 23 Tài liệu tham khảo 24 Lời mở đầu Đất nước ta đang trên con đường con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Ngày nay, tất cả các nhà máy và xí nghiệp thuộc các nghành kinh tế quốc dân, trong đó có nghành dầu khí, đều đã và đang được trang bị các hệ thống tự động ở mức cao. Những hiệu quả mà tự động hóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế đất nước là không thể phủ nhận. Đó là: nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân viên nhất là ở những công đoạn có tính độc hại cao ... Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các qui trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hóa thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ qui trình công nghệ nói chung. Hệ thống tự động hóa bảo đảm cho qui trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn của từng công đoạn trong qui trình công nghệ. Chất lượng của sản phẩm và năng suất lao động của các phân xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hóa này. ở nước ta, dầu khí đã được phát hiện từ những năm đầu thập kỉ 70. Tuy nhiên, phải đến năm 1986, tấn dầu đầu tiên mới được khai thác tại mỏ dầu Bạch Hổ. Kể từ đó đến nay, sản lượng dầu khí chúng ta khai thác được ngày một nhiều thêm. Riêng năm 1997, chúng ta đã khai thác được 10,1 triệu tấn dầu. Sự đóng góp của nghành dầu khí đối với sự phát triển kinh tế đất nước trong thời gian vừa qua là rất có ý nghĩa, nhưng điều này sẽ trở lên kém hiệu quả nếu thiếu đi các hệ thống tự động hóa. Vai trò của các hệ thống tự động hóa là đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực chế biến dầu khí. Tiểu luận này thực hiện việc tự động hóa quá trình sấy khô khí. Đây là một công đoạn đầu tiên, không thể thiếu trong việc chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ. Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Minh Hệ, người thầy đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở cần thiết của môn học tự động hóa các quá trình công nghệ hóa học-thực phẩm. I. Quá trình công nghệ sấy khô khí: I.1. Mục đích của sấy khô khí: Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hoà hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hoá học của khí. Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tương ứng với một hàm lượng hơi nước cực đại có thể có nhất định. Hàm lượng ẩm tương ứng với hơi nước bão hoà tối đa được gọi là hàm lượng ẩm cân bằng. Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành các hiđrat (các tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra, sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh (H2S và các chất khác) sẽ là tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình. I.2. Phương pháp sấy khô khí: Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Trong công nghiệp, một trong những phương pháp sấy khô khí hay được dùng là hấp thụ bằng các chất lỏng hút ẩm. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như tại trong các nhà máy chế biến khí. Chất hấp thụ-sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono-, di- và trietylglycol. Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi nước trong khí và trong chất hấp thụ. Giá trị điểm sương của khí, về nguyên tắc được đảm bảo bằng dung dịch của các glycol. Lượng ẩm có thể được tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ-sấy khô được xác định bằng khả năng hút ẩm của các chất hấp thụ, nhiệt độ và áp suất, sự tiếp xúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lượng chất hấp thụ tuần hoàn trong hệ và độ nhớt của nó. I.2.1. Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ: II III IV VI 3 5 1 2 I 7 V 4 6 8 Hình 1: Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng hấp thụ 1- Thiết bị hấp thụ; 2,4- Thiết bị trao đổi nhiệt; 3- Thiết bị thổi khí; 5- Thiết bị giải hấp thụ; 6- Thiết bị tái sinh hơi; 8- Bồn chứa DEG; I- Khí ẩm; II- Khí đã sấy khô; III- Khí thổi ra; IV- Hơi nước đi vào khí quyển; V- DEG bổ sung; VI- DEG tái sinh. Trong sơ đồ trên, khí ẩm (I) được đưa vào phần dưới của thiết bị hấp thụ 1, còn glycol đậm đặc thì được đưa vào đĩa trên cùng của thiết bị này. Khí sấy khô (II) sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn glycol đã hấp thụ nước thì đi ra ở phía dưới. Khí đã sấy khô, sau đó, được đưa đi sử dụng, còn glycol tiếp tục được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 2 và đi vào hệ thống thổi khí 3, tại đây sẽ tách phần hyđrocacbon đã bị hấp thụ. Tiếp theo glycol được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và thiết bị giải hấp 5. Từ phía trên của thiết bị 5, sẽ lấy ra hơi nước (IV), phần còn lại ở phía dưới chính là glycol tái sinh được làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4, 2 và sinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây sẽ đi vào thiết bị hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ được bổ sung một lượng glycol mới khi cần thiết). I.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ hơi nước: Để đặc trưng cho lượng hơi nước được hấp thụ trên lượng hơi nước có trong khí ẩm, người ta đưa ra đại lượng hệ số tách hay còn gọi là hiệu quả hấp thụ. Người ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ và giảm áp suất của quá trình hấp thụ sẽ làm giảm hiệu quả hấp thụ. Còn khi tăng lưu lượng riêng của dung môi sẽ làm tăng hiệu quả hấp thụ. ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả hấp thụ là số đĩa lí thuyết của tháp hấp thụ: Khi tăng số đĩa lí thuyết lên 6-8 đĩa (tương ứng với khoảng 30 đĩa thực) thì lưu lượng riêng của dung môi sẽ giảm khi các điều kiện khác không đổi, điều này dẫn đến việc giảm chi phí vận hành. Nhưng nếu số đĩa lí thuyết tăng lên nữa thì ảnh hưởng của nó đến hiệu quả quá trình là không rõ rệt. Hiệu quả hấp thụ còn phụ thuộc vào tỉ trọng và khối lượng phân tử của dung môi; nếu tỉ trọng và khối lượng riêng của dung môi thay đổi, nhưng tỉ số giữa chúng là không đổi thì hệ số hấp thụ cũng không đổi. Sử dụng dung môi có khối lượng phân tử nhỏ sẽ làm tăng khả năng hấp thụ hơi nước, đồng thời làm tăng hiệu quả của quá trình. I.2.3. Các thông số của quá trình: ở các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đến điểm sương cân bằng là không thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với chất hấp thụ (glycol) có nồng độ đã tính toán tại đĩa trên cùng, còn ở các mâm dưới nồng độ các glycol sẽ giảm đi do sự hấp thụ nước. Do đó, trong các thiết bị công nghiệp, điểm sương thực tế của khí sấy sẽ cao hơn từ 5 đến 110C so với điểm sương cân bằng. Thông thường sự sấy khí bằng các glycol được thực hiện đến điểm sương không thấp hơn –250C đến –300C. Muốn sấy triệt để hơn thì cần phải dùng dung dịch glycol có nồng độ đậm đặc hơn. Khi đó, sẽ phát sinh thêm khó khăn do có sự gia tăng sự tiêu hao glycol cùng với khí khô. Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sấy hấp thụ được xác định bằng sự tiêu hao cho phép do bay hơi và trong thực tế, nhiệt độ này vào khoảng 380C. Còn nhiệt độ giới hạn dưới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hút ẩm của chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhớt của glycol. Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc với glycol vào khoảng 100C. Khi hàm lượng nước trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hưởng của sự tiêu hao chất hấp thụ đến độ hạ điểm sương sẽ giảm. ảnh hưởng của sự tiêu hao chất hấp thụ đến mức độ sấy khí giảm khi đạt đến giá trị nhất định nào đó. Nồng độ glycol là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến điểm sương của khí. Khi tăng nồng độ của glycol thì độ hạ điểm sương sẽ mạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy. Nồng độ glycol trong chất hấp thụ được xác định bằng nhiệt độ tái sinh nó. ở nhiệt độ 164,40C, DEG bị phân huỷ một phần, còn ở 206,70C, TEG cũng sẽ phân huỷ. Nếu tái sinh glycol ở áp suất khí quyển thì thực tế sẽ không thu được dung dịch có nồng độ lớn hơn 97- 98% khối lượng, vì nhiệt độ ở phía dưới thiết bị giải hấp lớn hơn các nhiệt độ nêu trên nên chúng sẽ bị phân hủy. Do vậy, glycol thường được tái sinh trong chân không. * Tại tháp hấp thụ 1: Nhiệt độ tiến hành: 200C. áp suất tiến hành: 2- 6 MPa. Lưu lượng riêng chất hấp thụ: 30- 35 lít TEG/1 kg nước. Nồng độ chất hấp thụ tái sinh: 99,0-99,5% kl (TEG). Điểm sương của khí: -180C đến -250C. * Tại tháp giải hấp 5: Nhiệt độ đáy tháp giải hấp: 190- 2040C. áp suất tiến hành: 10- 13 kPa. II. Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng của quá trình điều chỉnh tự động (tháp hấp thụ): II.1. Sơ đồ thông số của của quá trình hấp thụ khí ẩm: Hình 2: Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm ở sơ đồ trên: - Các tác động điều chỉnh : - Các tác động nhiễu : - Các thông số đặc trưng của quá trình: Trong đó: : Thể tích khí ẩm đi vào tháp hấp thụ(m3/h). : Lưu lượng chất hấp thụ (glycol) tái sinh (m3/h). : Thể tích khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ (m3/h). : Dung dịch glycol đã bão hoà hơi nước (m3/h). : Hàm ẩm của khí cần sấy khô (kg/m3). : Hàm ẩm của khí khô (kg/m3). : Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ (m). II.2. Mô hình toán học của quá trình điều chỉnh hàm ẩm của khí khô: Tháp hấp thụ được sử dụng để sấy khô khí là tháp đệm. Như chúng ta đã biết, bản chất vật lí của quá trình hấp thụ là do sự hình thành cân bằng pha giữa hai pha khí-lỏng do sự khuếch tán của các chất từ pha nọ sang pha kia. Động lực của quá trình khuếch tán là sự chênh lệch áp suất riêng phần giữa các cấu tử trong pha lỏng và pha khí. Nếu áp suất riêng phần của các cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (chất lỏng hấp thụ khí). Trong thực tế, động lực quá trình khuếch tán trong tính toán được tính qua nồng độ các cấu tử (vì áp suất riêng phần tỉ lệ thuận với nồng độ). Trong khi đó, năng suất làm việc của tháp đệm được xác định bằng tốc độ khí đi qua tiết diện tự do của tháp; tốc độ khí phụ thuộc vào khả năng cho phép lớn nhất của khí qua tháp. Năng suất sẽ lớn nhất khi lượng khí cho phép đi qua tháp lớn nhất hay đạt trị số tới hạn. Trong tháp đệm, chất lỏng hấp thụ đi vào tháp ở phía trên, còn khí ẩm men theo bề mặt của đệm đi lên. Trạng thái này xảy ra khi vận tốc khí rất bé. Với sự tăng vận tốc khí, do lực ma sát phần của phim giữa hai pha bị giảm đi và một lớp bọt xuất hiện. Nếu tăng vận tốc tiếp, chất lỏng sẽ bị kéo lên. Trạng thái này được gọi là điểm sặc và nó biểu diễn giới hạn phụ tải trên. Tuỳ thuộc vào tỷ số của vận tốc pha khí với vận tốc điểm sặc , có thể chia ra các phạm vi sau: - : phạm vi màng. Bề mặt tiếp xúc pha trong phạm vi này có thể coi bằng bề mặt của đệm đem dùng. - : điểm phanh. ở trên bề mặt phim, có xoáy tạo thành do ma sát và đó là nguyên nhân dẫn tới kéo một phần chất lỏng. - pham vi quá độ. - điểm tan. Chất lỏng tạo thành một lớp bọt xốp. Bề mặt tiếp xúc pha không phụ thuộc vào bề mặt lớp đệm. - phạm vi nhũ tương. Các tháp đệm trong thực tế thường làm việc ở miền nhũ tương vì ở đây diện tích tiếp xúc pha là lớn nhất và có lợi hơn cả về mặt năng suất. Đây là chế độ thuỷ động tốt nhất. Việc xây dựng mô hình toán học của quá trình điều chỉnh tự động dựa trên cơ sở thừa nhận lớp đệm là một hệ đồng thể trong đó người ta quan sát một phân tố đủ lớn với sự không đồng nhất của lớp đệm, mặt khác phân tố nghiên cứu cũng đủ bé so với quy mô biến đổi nồng độ và nhiệt độ. Hình 3: Sơ đồ dòng ra và dòng vào tháp hấp thụ Các giả thiết: - Quá trình xảy ra trong điều kiện đẳng nhiệt. - Thể tích của hơi nước bị tách ra khỏi khí ẩm là không đáng kể. - Chất hấp thụ (glycol) chỉ hấp thụ hơi nước. - Hệ số khuếch tán không thay đổi trong toàn bộ không gian tháp. - Vận tốc dòng không đổi đối với tất cả các tiết diện vuông góc với trục. Khi đó, áp dụng phương trình bảo toàn vật chất cho đối tượng trong thời gian , ta có: Trong đó: Nồng độ của hơi nước trong pha khí và pha lỏng. : Thành phần để ý đến vận tốc chuyển khối. Vận tốc của pha khí trong tháp đệm. Trong trường hợp này, nếu chỉ chú ý đến khuếch tán dọc (theo chiều cao của tháp hấp thụ), phương trình (1) sẽ có dạng: ở đây: Hệ số trộn dọc. Viết phương trình (2) cho cả chất khí và chất lỏng, ta có: Với: Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng. Nồng độ hơi nước trong pha hơi. Nồng độ hơi nước trong pha lỏng. : Chiều cao của tháp hấp thụ. Hệ số trộn dọc của pha hơi và pha lỏng. Thể tích khí trong một đơn vị thể tích đệm. Thể tích lỏng trong một đơn vị thể tích đệm. Diện tích tiếp xúc pha. Hệ số cấp khối khí-lỏng và lỏng-khí. Điều kiện biên của (*) là: ở : ở Bên cạnh đó, ta cũng có: ở đây: lưu lượng riêng chất hấp thụ (kg glycol/kg nước). Ta cũng có: Trong đó: Khối lượng phân tử của chất hấp thụ (glicol). Nồng độ của dung môi glicol trong dung dịch chất hấp thụ tái sinh. : Chiều cao của tháp hấp thụ (m). : Nồng độ của nước trong dung dịch bão hoà đi ra ở đáy tháp. Ta nhận thấy hệ phương trình (*), và các phương trình từ (5) đến (16) ở trên là hệ phi tuyến. Giải hệ phương trình trên bằng các phương pháp thông thường là rất khó khăn, tốt hơn hết là giải gần đúng bằng máy tính số. Kết quả là chúng ta sẽ thu được các hàm và . Từ đó, chúng ta có thể xác định được sự biến thiên nồng độ của nước trong pha khí và pha lỏng dọc theo chiều cao của tháp đệm. Đồng thời, cũng nhờ vậy, chúng ta sẽ xác định gần đúng được hàm truyền của đối tượng cần điều chỉnh (ở đây, hàm truyền thường có dạng rất phức tạp). II.3. Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ: Gọi H là mức chất lỏng trong tháp (m) S là diện tích thiết diện của tháp (m2) Viết phương trình vi phân dựa theo định luật bảo toàn năng lượng theo thời gian dt, ta có: Trong đó, W là lượng dung môi bão hoà đi ra khỏi đáy tháp hấp thụ (m3/h). Từ (19), ta có: ở trạng thái cân bằng thì: Phương trình (20) là phương trình tuyến tính. Từ phương trình (14), ta suy ra: Thế (22) vào (20), ta có: Phương trình (23) là phương trình tuyến tính. Ta có: Chia cả hai vế cho S*H0, ta có: Gọi là các độ mở van. Ta có: Thế (26) và (27 vào (25), ta có: Đặt: Thế (29), (30), (31), (32), (33) vào (28), ta có: 3.1. Xét ảnh hưởng của tác động đầu vào : Ta có: Sử dụng phép biến đổi Laplace cho (35), ta có hàm truyền của tác động đầu vào là: Khi tác động đầu vào , ta có: Khi đó, ta có: Hình 4 3.2. Xét ảnh hưởng của tác động đầu vào : Ta có: Sử dụng phép biến đổi Laplace cho (37), ta có hàm truyền của tác động đầu vào là: Khi tác động đầu vào , ta có: Sử dụng phép biến đổi Laplace ngược, ta có: 1 t t Hình 5 III. Đo và điều chỉnh tự động quá trình công nghệ sấy khô khí: Sơ đồ đo và điều chỉnh các thông số của quá trình hấp thụ được sử dụng rất phổ biến vì nó đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn. Sự ổn định quá trình được thực hiện bằng cách loại trừ các tác dụng kích thích chủ yếu, làm giảm mối liên hệ bên trong và bên ngoài hệ thống điều khiển tự động. Dựa vào sơ đồ thông số của quá trình công nghệ, ta nhận thấy các thông số cần điều chỉnh là: Hàm ẩm của khí khô thành phẩm. Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ. Ngoài ra, chúng ta còn phải ổn định các thông số khác như nhiệt độ và áp suất làm việc của tháp, nhiệt độ dòng khí ẩm nguyên liệu. Cũng theo sơ đồ thông số của quá trình công nghệ, sự thay đổi hàm ẩm của khí ẩm nguyên liệu là kích thích chính khiến quá trình hấp thụ thường không ổn định, làm cho hệ điều chỉnh phức tạp. Để điều chỉnh các thông số nêu trên, người ta sử dụng hai nguyên tắc: Theo độ sai lệch của các đại lượng điều chỉnh. Theo tác dụng kích thích. Điều này cho phép hiệu chỉnh tự động hoạt động đồng thời của các bộ điều chỉnh có kể đến tác dụng kích thích (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, hàm ẩm của khí ẩm) và làm giảm sự chậm trễ của quá trình điều khiển. III.1. Điều chỉnh hàm ẩm của khí khô: Trong quá trình hấp thụ, để đo hàm ẩm của khí cần sấy khô và khí khô, người ta dùng các ẩm kế tóc bằng điện. Như chúng ta đã biết, mục đích của quá trình hấp thụ là nhằm để tách một lượng nước nhất định ra khỏi khí ẩm, làm cho khí chứa lượng hơi nước tối thiểu, cần thiết cho các quá trình chế biến khí sau này. Vì vậy, chất lượng của khí khô thu được cần phải tốt. Muốn vậy, hàm ẩm của nó phải ổn định. Để ổn định hàm ẩm của khí khô, người ta có thể tác động vào các yếu tố: lượng khí ẩm đi vào tháp, lượng khí khô đi ra khỏi tháp, lượng và nồng độ chất hấp thụ tái sinh hoặc nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ. Thường thì đối với một dây chuyền công nghệ, người ta cố định nồng độ của chất hấp thụ. Tuỳ thuộc vào chế độ vận hành của tháp, người ta tác động vào lưu lượng các dòng vào, dòng ra tháp hay nhiệt độ làm việc của tháp. Để tối ưu hoá quá trình công nghệ, người ta sẽ tác động vào lưu lượng khí ẩm hay lưu lượng chất hấp thụ tái sinh sao cho chế độ vận hành của tháp là ở chế độ thuỷ động tốt nhất (chế độ nhũ tương) ở một nhiệt độ làm việc xác định (thường là thấp). Thông thường, giải pháp tối ưu trong trường hợp này là người ta thay đổi tốc độ của dòng chất hấp thụ tái sinh ở một nhiệt độ làm việc xác định của tháp. III.2. Điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp: Để đo mức chất lỏng trong tháp hấp thụ, người ta sử dụng phương pháp đo mức bằng điện dung. Để tháp vận hành tốt, mức chất lỏng thường phải được giữ ở một mức cố định. Để ổn định mức chất lỏng trong tháp hấp thụ, người ta có thể tác động vào lưu lượng chất hấp thụ tái sinh hay lưu lượng chất lỏng đi ra ở đáy tháp hấp thụ hoặc nhiệt độ làm việc của tháp. Tuy nhiên, qúa trình điều chỉnh lượng chất hấp thụ tái sinh sẽ không phải là phương pháp tối ưu do việc này sẽ ảnh hưởng đến hàm ẩm của khí khô đi ra. Đồng thời, việc thay đổi nhiệt độ làm việc của tháp có thể liên quan đến việc làm tăng khả năng bay hơi chất hấp thụ, giảm hiệu quả của quá trình hấp thụ và ảnh hưởng xấu đến chất lượng của khí khô thành phẩm, tăng lượng chất hấp thụ tái sinh và vì vậy, tăng chi phí sản xuất trong giá thành sản phẩm. Do đó, người ta tiến hành sự điều chỉnh lượng chất lỏng đi ra khỏi đáy tháp chất hấp thụ. Quá trình điều chỉnh này được thực hiện nhờ cảm biến đo mức và van tự động. Khi mức chất lỏng thay đổi, cảm biến, một mặt, sẽ truyền tín hiệu đo về trung tâm xử lí (máy tính trung tâm) và mặt khác, sẽ tác động vào cơ cấu chấp hành điều khiển van tự động. III.3 Điều chỉnh nhiệt độ làm việc của tháp: Nhiệt độ làm việc của tháp được đo bằng cặp nhiệt điện. Như chúng ta đã biết, quá trình hấp thụ là một quá trình toả nhiệt nên khi hấp thụ hơi nước bằng chất lỏng sẽ xảy ra sự toả nhiệt và nhiệt độ các dòng lưu chất sẽ tăng lên, dẫn đến cường độ quá trình sẽ giảm và ở một điều kiện xác định nào đó quá trình hấp thụ sẽ dừng lại và bắt đầu quá trình giải hấp, bay hơi hơi nước và chất hấp thụ. Nhiệt độ làm việc ảnh hưởn g rất nhiều đến hiệu quả hấp thụ hơi nước từ khí ẩm. Nhiệt độ tăng làm giảm khả năng hấp thụ hơi nước trong khí ẩm. Nhiệt độ tăng quá cao có thể làm bay hơi nhiều chất hấp thụ. Thông thường, khi hàm ẩm của dòng nguyên liệu thay đổi không nhiều (trong một giới hạn xác định nào đó), người ta thường giữ cho nhiệt độ làm việc là không đổi, thường là thấp nhằm hạn chế sự bay hơi chất hấp thụ. Thường thì lượng nhiệt toả ra khi chất hấp thụ (glycol) hấp thụ nước là không lớn, nên không phải lấy nhiệt này ra khỏi tháp hấp thụ. Để ổn định nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ, người ta có thể tác động vào các dòng khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ hoặc dòng dung dịch bão hoà hơi nước đi ra ở đáy tháp hấp thụ. Thông thường, người ta thường tác động vào tốc độ dòng khí khô. III.4. Điều chỉnh áp suất làm việc của tháp hấp thụ: Người ta đo áp suất bằng một hệ thống tự động đo áp suất. áp suất làm việc có ảnh hưởng khá lớn đến khả năng hấp thụ hơi nước trong khí ẩm. Khi giảm áp suất của quá trình hấp thụ, sẽ làm giảm yếu tố hấp thụ và ngược lại. Do vậy, cần phải ổn định áp suất làm việc. Để ổn định áp suất làm việc, người ta thường tác động vào tốc độ dòng khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ. III.5. Điều chỉnh nhiệt độ nạp liệu: Nhiệt độ của dòng nguyên liệu đi vào tháp hấp thụ phải cao nhằm tránh sự ngưng tụ hơi nước trên thành ống dẫn, tạo thành hyđrat. Nhiệt độ của dòng nguyên liệu đi vào tháp hấp thụ không phải là một thông số chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, nó lại ảnh hưởng rất lớn đến chế độ vận hành của tháp, đến khả năng tách hơi nước khỏi khí ẩm. Thông thường, người ta thường điều chỉnh sao cho nhiệt độ này bằng nhiệt độ làm việc của tháp. Quá trình ổn định nhiệt độ của nguyên liệu được duy trì nhờ một thiết bị trao đổi nhiệt và một bộ điều chỉnh nhiệt độ. Trong thiết bị này, khí ẩm sẽ trao đổi nhiệt với dòng lưu chất (có thể là lạnh hay nóng). III.6. Hệ thống điều khiển tối ưu bằng máy tính: Tiêu chuẩn tối ưu của quá trình hấp thụ là lựa chọn tự động tải tối ưu của tháp hấp thụ để xử lí lượng khí nguyên liệu nạp đã cho trong thời gian chu kì xác định với giá thành nhỏ nhất và chất lượng đảm bảo. Để thực hiện được điều này, người ta lập một chương trình phần mềm cho máy tính sao cho hệ thống tự động tối ưu phải tính toán và duy trì tự động tải lượng tối ưu của tháp hấp thụ tuỳ thuộc vào hàm ẩm của khí nguyên liệu và kế hoạch sản xuất, dự tính và điều khiển tốc độ dòng hơi, dòng lỏng trong tháp và dòng chất hấp thụ tái sinh sao cho quá trình làm việc ở mọi chế độ đều nằm trong miền tối ưu của vùng làm việc bảo đảm cho chất lượng của sản phẩm (hiệu chỉnh theo hàm ẩm của khí khô). Khi hấp thụ hơi nước trong khí nguyên liệu, hệ thống điều khiển tự động cần phải tối ưu hoá tất cả các khâu công nghệ. Ngoài ra, hệ thống điều khiển tự động còn phải ổn định tất cả các thông số còn lại như áp suất hơi, nhiệt độ làm việc của tháp, mức chất lỏng trong tháp, nhiệt độ nguyên liệu trước khi đi vào tháp hấp thụ. Máy tính điều khiển thực hiện các nhiệm vụ sau: - Nhận các tín hiệu đo từ các cảm biến truyền về, phân tích chúng. - Tính toán lượng khí nguyên liệu tối ưu của tháp và đặt nhiệm vụ cho bộ điều chỉnh lưu lượng nguyên liệu. - Tính toán lượng chất hấp thụ tái sinh tối ưu và đặt nhiệm vụ cho bộ điều chỉnh lưu lượng chất hấp thụ. - Tính toán nhiệt độ và áp suất làm việc ở chế độ tối ưu của tháp, trên cơ sở đó, đặt nhiệm vụ cho bộ điều chỉnh lưu lượng dòng khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ. - Chuyển một thuật toán điều khiển này sang một thuật toán điều khiển khác tương ứng với sự thay đổi nhiệm vụ tối ưu hóa khi chuyển từ chế độ khởi động sang định mức và từ định mức về trạng thái dừng. Ngoài ra, máy tính còn phải thực hiện các hoạt động bình thường theo yêu cầu kiểm tra tự động tính đúng đắn và hoàn hảo của máy, in kết quả, thông báo tình trạng không hoàn hảo.. IV. Thiết lập hệ tự động điều chỉnh quá trình công nghệ: Hoạt động của hệ tự động điều chỉnh được thể hiện trong hình 6. Trong sơ đồ, khí ẩm nguyên liệu được ổn định nhiệt độ nạp liệu tại thiết bị trao đổi nhiệt trước khi đi vào tháp hấp thụ. Lưu lượng khí ẩm được điều chỉnh nhờ một bộ điều chỉnh lưu lượng đặt trên đường ống nạp liệu. Dung dịch chất hấp thụ tái sinh đi vào đỉnh tháp hấp thụ. Lưu lượng của nó được điều chỉnh nhờ một bộ điều chỉnh lưu lượng. Khí ẩm sau khi tách một lượng ẩm nhất định chuyển thành khí khô sẽ đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ. Hàm ẩm của khí khô sẽ được kiểm tra nhờ ẩm kế tóc bằng điện. Sau đó, tín hiệu chất lượng này được đưa về máy tính trung tâm. Nếu hàm ẩm của khí khô thay đổi, máy tính sẽ thực hiện quá trình tính toán và đặt nhiệm vụ điều chỉnh tự động cho các bộ điều chỉnh chức năng (ở đây là các bộ điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất) nhằm ổn định hàm ẩm của khí khô. Lưu lượng dòng khí khô đi ra ở đỉnh tháp được điều chỉnh nhờ một bộ điều chỉnh lưu lượng. Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ được điều chỉnh nhờ một bộ điều chỉnh lưu lượng điều chỉnh lưu lượng dung dịch bão hoà đi ra ở đáy tháp. Nhiệt độ và áp suất làm việc của tháp được điều chỉnh nhờ các bộ điều chỉnh nhiệt độ và áp suất. V. Các thiết bị đo lường: Trong công nghệ sấy khô khí, người ta cần phải đo và kiểm tra thường xuyên : áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, độ ẩm, mức. Đó là những quá trình liên tục. Các tín hiệu đo từ các cảm biến được gửi về trung tâm xử lí số liệu. Do đó, đảm bảo đo chính xác các thông số này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy khô khí. Dưới đây là các dụng cụ đo được dùng trong công nghệ sấy: V.1. Dụng cụ đo nhiệt độ: Để đo nhiệt độ dòng chảy trong đường ống và trong tháp hấp thụ, người ta thường sử dụng cảm biến đo là cặp nhiệt điện (hoặc nhiệt kế điện trở). Loại cặp nhiệt độ được sử dụng là cặp nhiệt điện Platin và Rodi, kí hiệu PtRh 30/6 do Nga chế tạo. Đây là cặp nhiệt có dây dương là hợp kim 70%Pt + 30%Rh và dây âm 94%Pt + 6%Rh. Giới hạn đo của loại cảm biến này đạt đến 16000C. Nguyên lí làm việc: cặp nhiệt điện chuyển tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Hiện tượng này như sau: Nếu lấy hai đầu dây dẫn có bản chất kim loại khác nhau nối chặt lại với nhau ở hai đầu rồi đốt nóng một đầu thì trong vòng dây sẽ xuất hiện dòng điện. Dòng điện này được gọi là dòng nhiệt điện. Sự xuất hiện dòng nhiệt điện này được giải thích bằng hiện tượng khuếch tán điện tử tự do. Khi hai dây dẫn khác nhau được gắn tiếp xúc với nhau, thì do hai dây có số lượng điện tử tự do khác nhau nên tại điểm tiếp xúc có sự khuếch tán điện tử tự do. Dây nào có điện tử tự do nhiều hơn thì số lượng điện tử tự do của nó khuếch tán sang dây kia sẽ nhiều hơn sự khuếch tán ngược lại, vì vậy, bản thân nó sẽ thiếu điện tử tự do và mang điện tích dương. Phía bên dây còn lại sẽ thừa điện tích tự do nên mang điện tích âm. Như vậy, tại điểm tiếp xúc, sẽ xuất hiện sức điện động mà điện trường của nó chống lại sự khuếch tán điện tử từ dây có số lượng điện tử tự do nhiều hơn sang dây có ít hơn. Nhiệt độ càng tăng thì hoạt tính của các điện tử càng tăng, khả năng khuếch tán tăng lên, giá trị sức điện động tăng lên. V.2. Dụng cụ đo mức: Để đo mức dung dịch trong tháp hấp thụ, người ta sử dụng phương pháp đo mức bằng điện dung. Nguyên lí hoạt động của mức kế điện dung dựa trên mối liên hệ giữa điện dung của tụ điện và mức dịch thể trong bể. Cảm biến đo là tụ điện chuyển đổi sự thay đổi mức của dịch thể sang sự thay đổi điện dung của tụ. Về mặt cấu tạo, phần tử nhậy cảm điện dung được thực hiện dưới dạng các điện cực hình trụ tròn đặt đồng trục hay các điện cực phẳng đặt song song với nhau. Cấu tạo của các phần tử nhạy cảm điện dung được xác định theo tính chất hoá lí của chất lỏng. V.3. Dụng cụ đo lưu lượng: Người ta đo lưu lượng các dung dịch vào và ra tháp hấp thụ bằng thiết bị đo lưu lượng theo sự chênh lệch áp suất thay đổi. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị này dựa trên sự thay đổi áp suất của dòng chảy ở hai bên của tấm chắn. Người ta tiến hành đặt một thiết bị thụ hẹp ở trong một ống dẫn có dòng lưu thể đi qua. ở đây, thiết bị thu hẹp đóng vai trò là cảm biến đo. Khi có dòng chất lỏng chảy qua lỗ thu hẹp, tốc độ của nó tăng lên so với tốc độ ở trước khi qua lỗ thu hẹp. Như vậy, tại vùng đặt thiết bị thu hẹp, có hiện tượng chuyển đổi thế năng sang động năng của dòng chảy. Do đó, áp suất dòng chảy ở cửa ra của lỗ thu hẹp giảm xuống tạo ra sự chênh áp suất phía trước và phía sau lỗ thu hẹp. áp kế vi sai đo được sự chênh áp này, từ đó, có thể đo được lưu lượng của dòng chảy. Ưu điểm của các dụng cụ loại này là đơn giản, chắc chắn, không có tiếng ồn, dễ chế tạo hàng loạt, đo được ở mọi môi trường với áp suất và nhiệt độ bất kì, giá thành thấp. V.4. Dụng cụ đo hàm ẩm của khí: Để đo hàm ẩm của khí, người ta sử dụng ẩm kế tóc bằng điện. Nguyên lí hoạt động của thiết bị này dựa vào sự thay đổi độ dài của chùm tóc và sự thay đổi tương ứng với chùm tóc của lõi pherit trong biến áp dẫn đến điện áp của các cuộn dây cảm ứng thay đổi khi hàm ẩm của khí thay đổi. Thiết bị chỉ thị đo tác động theo nguyên lí cầu cân bằng. V.5. Dụng cụ đo áp suất: Trong công nghiệp chế biến khí nói chung và trong quá trình hấp thụ nói riêng, người ta thường sử dụng hệ thống tự động đo áp suất. Cấu trúc của một hệ thống đo áp suất tự động bao gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo. Cảm biến đo được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là các cảm biến đàn hồi (lò xo một ống vòng, màng đàn hồi, màng hộp đàn hồi...). Nguyên lí làm việc của nó dựa vào tính chất của các vật thể đàn hồi. Dưới tác động cảu áp suất, các vật thể đàn hồi biến dạng sinh ra lực đàn hồi chống lại sự tác động của lực áp suất. Khi hai lực cân bằng thì quá trình biến dạng kết thúc hình thành mối liên hệ giữa độ biến dạng của vật thể đàn hồi và áp suất tác động lên nó. Đây là một trong những đặc trưng cơ bản của cảm biến đàn hồi. Đặc tính của các cảm biến đàn hồi có thể là tuyến tính hay phi tuyến tính tuỳ thuộc vào cấu trúc và hình thức tác động lên nó. Thông thường, khi thiết kế các cảm biến, cố gắng nhận được đặc tính tuyến tính của nó, hoặc tìm các biện pháp để tuyến tính hoá nếu gặp phải đặc tính phi tuyến tính. Điều kiện chuẩn làm việc của cảm biến đo là 200C. Bộ chuyển đổi dùng ở đây là biến áp vi sai. Kết luận Để thực hiện tiểu luận, em đã tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ sấy khô khí bằng chất hấp thụ, các hệ thống điều chỉnh tự động. Qua đó, em đã hiểu được ảnh hưởng của các tác động điều chỉnh (lưu lượng các dòng ra và vào tháp hấp thụ), tác động nhiễu lên các thông số đặc trưng cho chất lượng sản phẩm, ở đây hàm ẩm của khí khô và mức chất lỏng trong tháp hấp thụ. Tiểu luận tập trung vào việc nghiên cứu sự tự động hoá công nghệ chế biến khí, nhất là việc điều chỉnh các thông số đặc trưng của quá trình sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Đặc biệt em đã nghiên cứu việc áp dụng máy tính số vào việc điều chỉnh này. Tuy nhiên, do trình độ bản thân và thời gian làm tiểu luận có hạn, tiểu luận đã không tránh khỏi những thiếu sót. Một trong số đó là mô hình toán học của sự điều chỉnh hàm ẩm của khí khô. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng em chỉ đưa ra được mô hình toán học mang tính khái quát, định tính. Trong khi đó, một mô hình toán học đầy đủ, chi tiết hơn là rất cần thiết cho sự hiểu biết sâu sắc hơn về quá trình công nghệ cũng như việc điều khiển và tối ưu hoá quá trình công nghệ. Em hy vọng rằng sau này em sẽ có thời gian để nghiên cứu quá trình công nghệ một cách đầy đủ hơn, sâu sắc hơn và hoàn thiện việc tự động hoá quá trình công nghệ này. Tài liệu tham khảo [1]. Tự động hoá các quá trình công nghệ hóa học-thực phẩm Biên soạn: TS. Nguyễn Minh Hệ Trường đại học Bách khoa Hà nội (2002) [2]. Cơ sở tự động hoá, tập 1. Tác giả: TS. Nguyễn Minh Tuyển Nhà xuất bản giáo dục (2000) [3]. Tự động hoá và mô hình hoá quá trình lọc dầu Biên soạn: TS. Đào Văn Tân Trường đại học Mỏ-Địa chất Hà nội (2000) [4]. Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ Tác giả: MA. Berlin-VG.Gortrencốp-HP.Volcốp Trường đại học kĩ thuật thành phố Hồ Chí Minh. [5]. Công nghệ chế biến khí Tác giả: TS. Nguyễn Thị Thanh Hiền Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật (2002) [6]. Những quá trình và thiết bị cơ bản của nghành công nghệ hóa học Tác giả: A.G. Casatkin Nhà xuất bản giáo dục (1966) [7]. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, tập 2 Tác giả: GS.TS. Nguyễn Bin (chủ biên) [8]. Gas conditioning and processing, volume 1 Author: John M. Campbell Campbell Petroleum Series [9]. Kĩ thuật hệ thống công nghệ hóa học, tập 1 Tác giả: Nguyễn Minh Tuyển, Phạm Văn Thiêm Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật (2001) [10]. Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 2 Tác giả: GS. TS. Nguyễn Bin