Xây dưng thư viện các mô hình đối tượng của quá trình xây dựng phục vụ nghiên cứu và giảng dạy

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ............................................................4 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.............11 1.1. Các khái niệm cơ bản ...................................................................................11 1.1.1. Quá trình và quá trình kỹ thuật ..........................................................11 1.1.2. Biến quá trình......................................................................................12 1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình ..........................................................12 1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình ..........................13 1.2.1. Thiết bị đo ............................................................................................14 1.2.2. Thiết bị điều khiển...............................................................................14 1.2.3. Thiết bị chấp hành...............................................................................15 1.3. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình ............................................16 1.4. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình..................................................16 1.4.1. Giao diện quá trình..............................................................................17 1.4.2. Điều khiển cơ sở ..................................................................................17 1.4.3. Điều khiển vận hành và giám sát .......................................................18 1.4.4. Điều khiển cao cấp ..............................................................................18 1.5. Các bƣớc phát triển hệ thống ......................................................................18 CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC ..........................................................21 2.1. Mô hình hóa lý thuyết ..................................................................................21 2.1.1. Tổng quan các bước tiến hành ...........................................................21 2.1.2. Nhận biết các biến quá trình...............................................................23 2.1.3. Những định luật cơ sở áp dụng cho việc mô hình hóa......................23 2.1.4. Phân tích bậc tự do của mô hình........................................................32 2.2. Mô hình hóa một số quá trình .....................................................................33 2.2.1. Các hệ thống tích trữ chất lỏng ..........................................................33 2.2.1.1. Hệ thống một bình mức...............................................................33 2.2.1.2. Hệ thống hai bình mức tương tác................................................36 2.2.2. Các quá trình pha trộn ........................................................................37 2.2.3. Các quá trình truyền nhiệt ..................................................................39 2.2.3.1. Truyền nhiệt thông qua cuộn gia nhiệt bằng hơi nước...............39 2.2.3.2. Truyền nhiệt thông qua jacket ......................................................41

- 1 -

-[\[\ -

TÁC GIẢ Nguyễn Ngọc Thắng

TÊN ĐỀ TÀI

Xây dưng thư viện các mô hình đối tượng của quá trình

xây dự ng ph c v ụ ụ nghiên cứu và giả ng d ạy

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Huy Phương

Hà Nội, năm 2011

M C L C Ụ Ụ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ 4

M Ở ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔ NG QUAN CHUNG V ĐI U KHI Ề Ề ỂN QUÁ TRÌNH 11

1.1 Các khái niệm cơ bản 11

1.1.1 Quá trình và quá trình kỹ thu t 11 ậ 1.1.2 Biến quá trình 12

1.1.3 Khái niệm điề u khiển quá trình 12

1.2 Cấu trúc cơ bả n của mộ t hệ thống điều khiển quá trình 13

1.2.1 Thiết bị đo 14

1.2.2 Thiết bị điều khiể n 14

1.2.3 Thiết bị chấp hành 15

1.3 Mục đích và chức năng điề u khiển quá trình 16

1.4 Phân cấp chức năng điều khi n ể quá trình 16

1.4.1 Giao diện quá trình 17

1.4.2 Điề u khi ển cơ sở 17

1.4.3 Điề u khi n v ể ận hành và giám sát 18

1.4.4 Điề u khi n cao c p 18 ể ấ 1.5 Các bước phát triển h th ng 18 ệ ố CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC 21

2.1 Mô hình hóa lý thuyết 21

2.1.1 T ổng quan các bướ c tiến hành 21

2.1.2 Nh n bi ậ ết các biến quá trình 23

2.1.3 Nh ững đị nh lu ậ t cơ s áp dụ ở ng cho vi ệc mô hình hóa 23

2.1.4 Phân tích bậc tự do c ủa mô hình 32

2.2 Mô hình hóa mộ ố quá trìnt s h 33

2.2.1 Các hệ thống tích trữ chất lỏng 33

2.2.1.1 H ệ thống một bình mức 33

2.2.1.2 H ệ thống hai bình mức tương tác 36

2.2.2 Các quá trình pha trộ n 37

2.2.3 Các quá trình truyề n nhi t 39 ệ 2.2.3.1 Truy n nhi ề ệt thông qua cuộ n gia nhi t b ệ ằng hơi nướ c 39

2.2.3.2 Truy n nhi ề ệt thông qua jacket 41

2.2.4 Các quá trình phản ứng hóa họ c 42

2.2.4.1 Ph ả n ứng đẳ ng nhi t 43 ệ 2.2.4.2 Ph ản ứng cân bằng 44

2.2.4.3 Chu ỗi các phả n ứng 45

2.2.4.4 Ph ản ứng không đẳ ng nhi t 46 ệ CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THƯ VIỆN MÔ HÌNH CÁC QUÁ TRÌNH 49

3.1 Giới thiệ u về S-Function 49

3.1.1 Nh ững phương pháp xây dự ng S-Function 50

3.1.2 C ấu trúc cơ bả n củ a m ột chương trình viế t bằng C -MEX S- Function 51

3.1.3 Nh ững phương thứ c gọi hàm S -Function 54

3.2 Xây dựng thư viện 56

3.2.1 Các hệ thống tích trữ chất lỏng 56

3.2.1.1 H ệ thống một bình mứ c m ột đầu vào 56

3.2.1.2 H ệ thống một bình mức hai đầu vào 59

3.2.1.3 H ệ thố ng hai bình m ức tương tác 60

3.2.2 Các quá trình pha trộ n 63

3.2.3 Các quá trình truyề n nhi t 65 ệ 3.2.3.1 Truy n nhi ề ệt thông qua cuộ n gia nhi t b ệ ằng hơi nướ c 65

3.2.3.1.1 Th ể tích bình không đổ i 65

3.2.3.1.2 Th ể tích bình thay đổ i 66

3.2.3.2 Truy n nhi ề ệt thông qua jacket 69

3.2.4 Các quá trình phản ứng hóa họ c 71

3.2.4.1 Ph ả n ứng đẳ ng nhi t 71 ệ 3.2.4.2 Ph ản ứng cân bằng 73

3.2.4.3 Chu ỗi các phả n ứng 75

3.2.4.4 Ph ản ứng không đẳ ng nhi t 77 ệ CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, KIỂM NGHIỆM CÁC MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH 81

4.1 Các hệ thống tích trữ chất lỏng 81

4.1.1 H ệ thố ng m ộ t bình m ứ c m ộ ầu vào t đ 81

4.1.2 H ệ thống hai bình mức tương tác 83

4.2 Các quá trình pha trộn 86

4.3 Các quá trình truyền nhi t 88 ệ 4.4 Các quá trình phả ứng hóa họn c 91

4.4.1 Ph ản ứ ng đ ẳ ng nhiệ t 91

4.4.2 Ph ản ứng cân bằng 93 4.4.3 Chu ỗi các phả n ứng 96 4.4.4 Ph ản ứng không đẳ ng nhi t 98 ệ

KẾ T LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KH O 103 Ả

PHỤ Ụ L C 104

DANH M ỤC CÁC BẢ NG BI ỂU, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 11

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản c a m t h thủ ộ ệ ống điều khiển quá trình 13

Hình 1.3 Các thành phần cơ bản c a m t h thủ ộ ệ ống điều khiển quá trình 13

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản c a m t thi t b 14 ủ ộ ế ị đo Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản c a m t thi t b ủ ộ ế ị điều khi n 14 ể Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản c a m t thi t b chủ ộ ế ị ấp hành 15

Hình 1.7 Sơ đồ phân cấp ch c năng đi u khiứ ề ển quá trình 16

Hình 1.8 Sơ đồ các bư c phát tri n h th ng 19 ớ ể ệ ố Hình 2.1 Hệ ố th ng một bình mức 33

Hình 2.2 Hệ ống hai bình mức tương tác th 36

Hình 2.3 Hệ ố th ng pha trộn được khuấy đều 37

Hình 2.4 Hệ ố th ng gia nhiệt thông qua cuộn gia nhi t bệ ằng hơi nước 39

Hình 2.5 Hệ ống làm mát bằng bình jacket th 41

Hình 2.6 Quá trình phả ứng đẳn ng nhi t b c nh t 43 ệ ậ ấ Hình 3.1 Hệ ố th ng một bình mức m t đ u ộ ầ vào mộ ầt đ u ra 57

Hình 3.2 Khối Simulink Single Tank 57

Hình 3.3 Tham số kh i Single Tank 58 ố Hình 3.4 Hệ ố th ng một bình mức hai đầu vào mộ ầt đ u ra 59

Hình 3.5 Khối Simulink Single Tank 2 59

Hình 3.6 Tham số kh i Single Tank 2 60 ố Hình 3.7 Hệ ố th ng hai bình mức 61

Hình 3.8 Khối Simulink Two Tanks 61

Hình 3.9 Tham số kh i Two Tanks 62 ố Hình 3.10 Hệ ố th ng pha trộn được khuấy đều 63

Hình 3.11 Khối Simulink Blending Tank 63

Hình 3.12 Tham số kh i Blending-ố Tank 64

Hình 3.13 Hệ ố th ng gia nhi t bệ ằng hơi nước gi ữV=const 65

Hình 3.14 Khối Simulink Steam-Heating Tank V=const 65

Hình 3.15 Tham số kh i Steam-Heating Tank V=const 66 ố Hình 3.16 Khối Simulink Steam-Heating Tank th ể tích thay đổi 67

Hình 3.17 Tham số kh i Steam-Heating Tank v i th ố ớ ể tích thay đổi 68

Hình 3.18 Hệ ống làm mát bằ th ng jacket gi ữV=const 69

Hình 3.19 Khối Simulink Cooling Jacket 69

Hình 3.20 Tham số kh i Cooling Jacket 70 ố Hình 3.21 Quá trình phả ứng hóa họn c 71

Hình 3.22 Khối Simulink Isothermal First-Order Reaction 71

Hình 3.23 Tham s khố ối First-Order Reaction 72

Hình 3.24 Khối Simulink Equilibrium Reaction 73

Hình 3.25 Tham số kh i Equilibrium Reaction 74 ố Hình 3.26 Khối Simulink Consecutive Reaction 75

Hình 3.27 Tham số kh i Consecutive Reaction 76 ố Hình 3.28 Khối Simulink Non-Isothermal Reaction Cooling 77

Hình 3.29.Tham số kh i Non-Isothermal Reaction Cooling 78 ố Hình 4.1 Sơ đồ mô ph ng Simulink h th ng mỏ ệ ố ột bình mức m t độ ầu vào 82

Hình 4.2 Đáp ứng m c nư c h(m) 82 ứ ớ Hình 4.3 Lưu lượng vào(m3/s) 82

Hình 4.4 Lưu lượng ra(m3/s) 83

Hình 4.5 Sơ đồ mô ph ng Simulink h thỏ ệ ống hai bình mức tương tác 84 Hình 4.6 Đáp ứng m c nư c (m) 85 ứ ớ Hình 4.7 Đáp ứng m c nư c (m) 85 ứ ớ

Hình 4.8 Lưu lượng vào (m3/s) 85 Hình 4.9 Lưu lượng (m3/s) 85 Hình 4.10 Lưu lượng (m3/s) 85 Hình 4.11 Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình khuấy tr n 87 ộ Hình 4.12 Thành phần ch t sau khi pha tr n 87 ấ ộ Hình 4.13 Lưu lượng vào (kg/s) 88 Hình 4.14 Lưu lượng vào (kg/s) 88 Hình 4.15 Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình truyền nhi t 90 ệ Hình 4.16 Đáp ứng th tích (m3) 90 ể Hình 4.17 Đáp ứng nhi t đ ệ ộ (K) 90 Hình 4.18 Đáp ứng lưu lượng vào(m3/s) 91 Hình 4.19 Đáp ứng lưu lượng ra(m3/s) 91 Hình 4.20 Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình phả ứng đẳn ng nhi t 92 ệ Hình 4.21 Nồng độ ch t A(kg/m3) 93 ấ Hình 4.22 Nồng độ ch t B(kg/m3) 93 ấ Hình 4.23 Lưu lượng vào(m3/s) 93 Hình 4.24 Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình phả ứng cân bằn ng 95 Hình 4.25 Nồng độ ch t A(kg/m3) 95 ấ Hình 4.26 Nồng độ ch t B(kg/m3) 95 ấ Hình 4.27 Lưu lượng vào(m3/s) 95 Hình 4.28 Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình chuỗi các phả ứn ng 97 Hình 4.29 Nồng độ ch t A(kg/m3) 98 ấ Hình 4.30 Nồng độ ch t B (kg/m3) 98 ấ Hình 4.31 Nồng độ ch t C (kg/m3) 98 ấ Hình 4.32 Lưu lượng vào(m3/s) 98 Hình 4.33 Sơ đồ mô phỏng Simulink cho quá trình phả ứng không đẳn ng nhi t 100 ệ

Hình 4.34 Nồng độ ch t A(kg/m3) 100 ấ Hình 4.35 Nhiệ ột đ dung d ch T(K) 100 ị Hình 4.36 Lưu lượng vào(m3/s) 101

Bảng 3.1 Các phương thức gọi hàm 54

Bảng 3.2 Thư viện mô hình các quá trình và các tham s cố ủa nó 79

M Ở ĐẦ U

1 Tính cần thiế t của đề tài

Điều khiển quá trình là một lĩnh vực mà áp dụng lý thuyết điều khi n t ng ể ự độ

một cách triệt để, gi i quy t r t nhi u vả ế ấ ề ấn đề đặt ra trong quá trình từ nguyên liệu đầu vào tớ ải s n phẩm đầu ra, liên quan tới chất lượng s n phả ẩm, an toàn cho người

và máy móc….Do đó điều khiển quá trình là một môn học không thể thiếu đố ới v i

một kỹ sư làm việc liên quan tới quá trình công nghệ

Trong khoảng 40 năm trở ạ l i, th giế ới đã chứng ki n s ế ự phát triển nhảy ọ ủa v t ckhoa học kĩ thuật T nh ng chiừ ữ ếc đèn bán dẫn thô sơ cồng kềnh đã biến thành

những con chíp bán dẫn tích hợp s ố lượng transitor vô cùng lớn v i kh ớ ả năng tính toán ngày càng siêu việt

Với khả năng tăng trưởng chóng mặ ề ặt công nghệ cũng như năt v m ng lực tính toán của các thiế ị điệ ử tích hợp đã làm thay đổi khá nhiềt b n t u v ề tư duy cũng như

m ra nhiở ều hướng phát triển mới Điều khi n t ể ự động là ngành đã gắn ch t v i xu ặ ớhướng phát triển này vớ ấi r t nhiều các phương pháp mới được nghiên cứu và triển khai dựa trên những thành tựu v ề công nghệ này

Hiện nay trên thế giới đã và đang nghiên cứu và phát triển các lý thuyết điều khi n mể ới mà không cần biết chính xác mô hình Tuy nhiên, các sách lược điều khi n dể ựa trên mô hình vẫn là đóng một vai trò vô cùng lớn và chưa thể thay th ếđược do những ưu điểm của nó như tính minh bạch và nhất quán Mô hình có thểkhông hoàn toàn chính xác do rất nhi u y u t ngo i cề ế ố ạ ảnh nhưng vẫn là một công cụquan tr ng trong viọ ệc nghiên cứu, đào tạo vận hành….Chính vì vậy việc mô hình hóa mô phỏng quá trình là rất quan trọng Do đó đề tài “Xây dựng thư việ n các mô hình đối tượ ng c a ủ quá trình công nghệ ph c v ụ ụ nghiên cứu và giả ng d y ạ ” là rất

c n thi t trong thầ ế ực tiễn thi u thế ốn điều kiện thí nghiệm quá trình như ở nước ta

2 L cị h sử nghiên cứu

Việc xây dựng các mô hình đã được làm từ khá sớm với khá nhiều b ph n ộ ầmềm thương mại Tuy nhiên việc xây dựng m t b toolbox trên Matlab thì vộ ộ ẫn còn chưa nhiều hoặc chưa được ph bi n Viổ ế Ở ệt Nam, toolbox này đã được anh Nghiêm Xuân Trường xây dựng khá thành công với các mô hình về đối tượng bình

m c tứ ại phòng thí nghiệm b ộ môn Điều Khi n T ể ự Động-Đại học Bách Khoa Hà

Nội

3 Mục đích nghiên cứu c a luủ ận văn, đố i tư ợ ng, phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là tạo ra m t b ộ ộ công cụ (toolbox) hay thư viện mô hình các quá trình tiêu biểu và thường g p nhặ ất trong điều khiển quá trình Luận văn cũng là một ngu n tham kh o hồ ả ữu ích cho việc phát triển tiếp thư viện với các hướng và phương pháp nghiên cứu của tác giả Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

nhắm vào các quá trình cơ bản giúp sinh viên hiểu rõ bản ch t cấ ủa môn học Có thểliệt kê ra ở đây là các quá trình mức, truy n nhi t, khu y trề ệ ấ ộn và các dạng ph n ứng ảhóa học

4 Nội dung chính của luận văn

Để ả gi i quy t n i dung c a đ ế ộ ủ ề tài, luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1: ổ T ng quan chung v đi u khi ề ề ển quá trình

Giới thi u mệ ột cách tổng quát các khái niệm và cấu trúc mộ ệt h thống điều khiển quá trình

Đề ậ c p t i ớ phương pháp mô hình hóa lý thuyết và xây dựng mô hình toán

học cho các quá trình được mô hình hóa

- Chương 3: Xây dựng thư viện các mô hình quá trình

Mô tả các khối đã được xây dựng

Tính toán, mô phỏng và kiểm nghi m k t qu ệ ế ả

Tác giả ận văn đã xây dựng đượ lu c m t ộ thư viện khá đầy đủ các quá trình cơ

b n nhả ất trong môn học điều khiển quá trình Điều này giúp sinh viên có thể ắm rõ nđược môn học v i viớ ệc áp dụng các sách lược điều khiển và tính toán bộ điều khi n ể

dựa trên mô hình

5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả đã tham kh o m t s ả ộ ố tài liệu trong nước cũng như nước ngoài để có cái nhìn tổng quan v ề điều khiển quá trình và tầm quan tr ng cọ ủa khâu mô hình hóa trong điều khi n Dể ựa trên các tài liệu tham khảo, tác giả đã chắ ọc được các quá t ltrình cơ bản nhất trong môn ọc điềh u khi n t ể ự động giúp sinh viên dễ dàng nắm được và hiểu rõ về quá trình Việc xây dựng mô hình dựa trên các mô hình toán học thu được, tham khảo toolbox đã được xây dựng của tác giả Nghiêm Xuân Trường

và nghiên cứu ph n ầ Developing S-Function trong phần help c a b ph n m m ủ ộ ầ ềMatlab phiên bản 2010

CHƯƠNG 1

1.1. Các khái niệm cơ bản

1.1.1. Quá trình và quá trình kỹ thu t ậ

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình Quá trình là một trình tự các diễn bi n vế ật lý, hóa học ho c sinh h c, ặ ọtrong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, v n chuy n ậ ể

hoặc lưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tớ i biến đổi, v n ậchuy n hoể ặc lưu trữ ậ v t chất và năng lượng, n m trong mằ ột dây chuyền công nghệ ho c mặ ột nhà máy sản xuất năng lượng

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng k thuỹ ật được đo

hoặc được can thiệp Khi nói tới quá trình kỹ thu t, ta hiậ ểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện k thuỹ ật như thiế ị đo và thiết b t b ịchấp hành

Các quá trình công nghệ có thể được phân loại d a theo nhiự ều quan điểm khác nhau:

D a theo s ự ố lượng biến vào ra: Quá trình đơn biến v i ch m t biớ ỉ ộ ến ra và quá trình đa biến v i nhi u bi n ra ớ ề ế

Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra ho c bi n tr ng ặ ế ạthái tiêu biểu), ta có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ

1.1.2 Biến quá trình

Biến cần điều khi n: Biể ến ra, đại lượng h tr ng t i s vệ ọ ớ ự ận hành an toàn, ổn

định ho c ch t lư ng s n ph m, cặ ấ ợ ả ẩ ần được duy trì tại m t giá tr t, hoộ ị đặ ặc bám theo một tín hiệu ch o ủ đạ

Biến điều khi n: Biể ến vào can thiệp được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khi n ể

Nhiễu: Biến vào không can thiệp được bao g m: ồ

Nhiễu ngo i sinh: nhiạ ệt độ, áp suất bên ngoài,…

o Nhiễu đo, nhiễ ạu t p

1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình được hiểu là ứng d ng k thuụ ỹ ật điều khi n t ể ự động trong điều khi n, vể ận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm b o ch t ả ấlượng s n ph m, hi u qu s n xuả ẩ ệ ả ả ất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

1.2 Cấu trúc cơ bả n của m t h ộ ệ thố ng đi ề u khiển quá trình

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ ự động hóa, các hệ ống điề t th u khi n ểquá trình công nghiệp có thể đơn giả ới tương đốn t i ph c tứ ạp, nhưng chúng đều d a ựtrên ba thành phần cơ bản là thiết b ị đo, thiết b chị ấp hành và thiết b ị điều khi n ểChức năng của mỗi thành phần h thệ ống và quan hệ ủa chúng đượ c c th hi n m t ể ệ ộcách trực quan với sơ đồ kh i trên Hình 1.3 ố

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản c a mủ ột hệ thống điều khiển quá trình

Hình 1.3 Các thành phần cơ bản c a mủ ột hệ thống điều khiển quá trình

1.2.1 Thiết bị đo

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản c a mủ ột thiế ị đot b Chức năng của thi t b ế ị đo là cung cấp một tín hiệu ra t l theo mỉ ệ ột nghĩa nào

đó với đại lượng đo Một thi t b ế ị đo gồm 2 thành phần cơ bả là cản m bi n (sensor) ế

và chuyển đổi đo (transducer) Mộ ảt c m bi n th c hi n chế ự ệ ức năng tự độ ng c m nh n ả ậđại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu Để có thểtruyền đi xa và sử ụng được trong các thiế ị điề d t b u khi n ho c d ng c ể ặ ụ ụ chỉ báo, tín

hi u ra t c m bi n ph i cệ ừ ả ế ả ần được khuếch đại, điều hòa và chuyển sang m t d ng ộ ạthích hợp M t b chuyộ ộ ển đổi đo chuẩn (transmitter) là một b chuyển đổi đo mà ộcho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường…) Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy vi c ng dệ ứ ụng công ngh ệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế

1.2.2 Thiết bị điề u khi n ể

Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản c a mủ ột thiế ị điềt b u khi n ể

Thiế ị điềt b u khi n hay b ể ộ điều khiển là một thi t b t ng th c hi n ch c ế ị ự độ ự ệ ứnăng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một h thệ ống điều khiển công nghiệp Trên cơ sở các tín hiệu đo và mộ ấu trúc điềt c u khiển đượ ực l a ch n, b ọ ộ điều khi n ể

th c hi n thuự ệ ật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thi p tr lệ ở ại quá trình kỹ thuật thông qua các thiế ịt b chấp hành

Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể ệ hi n luật điều khi n, m t ể ộthiế ị điềt b u khiển có thể được x p lo i lế ạ à thiế ị điềt b u khiển tương tự, thi t b ế ị điều khi n logic hoể ặc thiết bị điều khi n s ể ố

1.2.3 Thiết bị chấp hành

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản c a mủ ột thiế ị chấp hànht b

M t h ộ ệ thống/thi t b ế ị chấp hành nhận tín hiệu ra t b ừ ộ điều khiển và thực

hiện tác động can thi p t i biệ ớ ến điều khiển Các thiết b ị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm, quạt gió Thông qua các thiế ịt b chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn bi n cế ủa quá trình kỹthu t ậ

M t thi t b ộ ế ị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu

dẫn động và phầ ử chấp hành Cơ cấn t u dẫn động có nhiệm v chuyụ ển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhi t), trong khi ph n t ệ ầ ử chấp hành can thiệp trực tiếp vào biến điều khi n ể

1.3 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Đảm b o h th ng vả ệ ố ận hành ổn định, trơn tru: Gi cho h ữ ệ thống hoạt

động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển ch mế độ ột cách trơn tru,

đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu c a ch ủ ế độ ận hành, kéo dài tuổ v i th ọmáy móc, vận hành thu n ti n ậ ệ

Đảm bảo năng suất và chất lượng s n ph m: Đảả ẩ m bảo lưu lượng s n ả

ph m theo k ho ch s n xuẩ ế ạ ả ất và duy trì các thông số liên quan chất lượng s n ả

ph m trong phẩ ạm vi yêu cầu

Đảm b o vả ận hành hệ thống an toàn: Gi m thiả ểu các nguy cơ xảy ra s c ự ố

cũng như bảo v ệ cho con người, máy móc, thiết b ị và môi trường trong trường h p x y ra s c ợ ả ự ố

B o v ả ệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc h i, giạ ảm lượng nước s dử ụng và nước th i, h n ch lư ng bả ạ ế ợ ụi và khói, giảm tiêu th ụ nhiên liệu và nguyên liệu

Nâng cao hiệu qu kinh t : Đảả ế m bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổ ủi c a th trư ng ị ờ

1.4. Phân cấp chức năng điề u khiển quá trình

H ình 1.7 Sơ đồ phân cấp chức năng điều khiển quá trình

1.4.1 Giao diện quá trình

C p giao diấ ện quá trình bao gồm các chức năng đo lường, chuyển đổi/truyền tín hiệu cấp trường, hi n thệ ị, ghi chép giá trị ạ t i chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo

v Nệ ếu so sánh với mô hình phân cấ ự động hóa thì giao diện quá trình tương ứp t ng

v i c p c m bi n-ớ ấ ả ế chấp hành hoặc m t ph n c a cộ ầ ủ ấp trường Đây thực ra không là

nh ng chữ ức năng điều khiển, tuy nhiên không thể thiếu được trong h ệ thống điều khiển quá trình

1.4.2. Điề u khiển cơ sở

Điều khiển cơ sở là đi u khiề ển chuyên dụng cho thi t lế ập và duy trì một tr ng ạthái cụ ể ủ th c a thi t b hoế ị ặc quá trình Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộđiều khi n th c hi n mể ự ệ ột cách tự động hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong m t h ộ ệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khi n r i rể ờ ạc và điều khiển trình tự:

Điều ch nh ỉ

o Điều ch nh t ng ỉ ự độ

o Điều ch nh b ng tay ỉ ằ

Điều khi n r i r c ể ờ ạ

o Điều khi n thi t b ể ế ị

o Điều khiển liên động

Điều khiển trìn ựh t

o Khở ộng và dừi đ ng h th ng ệ ố

o Điều khi n ph i h p ể ố ợ

o Điều khi n theo m ể ẻ

Điều khiển an toàn

o Khóa liên động an toàn

1.4.3. Điề u khiển vận hành và giám sát

M t h ộ ệ thống điều khi n hiể ện đại không chỉ ừ d ng lại ở ức điề m u khi n t ng, ể ự độ

mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát Khác với điều khi n t ể ựđộng, điều khi n vể ận hành và giám sát có sự tham gia, can thi p tr c ti p c a con ệ ự ế ủngười để ự th c hi n vi c vệ ệ ận hành hệ ống đượ th c hi u qu ệ ả hơn Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu:

1.4.4. Điề u khiển cao c p ấ

Chức năng điều khi n cao cể ấp được hiểu là một chức năng điều khi n t ng ể ự độnhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc tr c ti p vự ế ới các tín hiệu vào/ra quá trình Chức năng điều khi n cao cể ấp có thể ự độ t ng tạo giá trị đặ t ho c ặcan thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở Thông thường, chức năng điều khiển cao cấp được đặt phía trên hoặc cùng cấp v i chớ ức năng vận hành, giám sát Mộ ệt h

thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khi n cao cể ấp như: Điều khiển công thức và quản lý mẻ

Điều khi n ch t lưể ấ ợng, điều khi n thể ống kê

Tối ưu hóa quá trình, điều khi n tể ối ưu hóa thời gian thực

1.5. Các bước phát triển h ệ thống

Việc xây ựd ng m t h thộ ệ ống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế ập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành Sơ đồ dưới đây miêu tả ộ, l m t cách khái quát các bư c phát triớ ển h th ng ệ ố

1.Phân tích chức năng hệ thống

2.Xây dựng mô hình quá trình

3.Thiết kế cấu trúc điều khiển

6.Phát triển phần mềm ứng dụng

4.Thiết kế thuật toán điều khiển

7.Chỉnh định và đưa vào vận hành

5.Lựa chọn giảipháp hệ thống

Kinh nghiệm từ các

dự án khác

Thông tin hỗ trợ từ , nhà cung cấp

Hình 1.8 Sơ đồ các bước phát triển h ệ thống

T ừ sơ đồ phát triển h ệ thống ta nh n th y vi c thi t k h ậ ấ ệ ế ế ệ thống dựa trên cơ

s ở mô hình đóng một vai trò cực kỳ quan tr ng ọ Các mô hình có thể được sử ụ d ng:

Hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ: Các mô hình động học và mô phỏng máy tính cho phép nghiên cứu các hành vi quá độ mà không có nhiễu quá trình Mô phỏng máy tính giúp ta thu được các thông tin giá trị ề hành vi v

động học và xác lập c a quá trình trưủ ớc khi xây dựng đối tư ng ợ

Đào tạo ngườ ận hành i v : Những b ph n mộ ầ ềm mô phỏng quá trình đóng

một vai trò cực kỳ quan trọng đố ới v i việc đào tạo đội ngũ lao động vận hành

những đơn vị máy móc phức tạp và giải quyết các tình huống kh n c p B ng ẩ ấ ằcách giao diện m t b ph n mộ ộ ầ ềm mô phỏng v i thi t b đi u khiớ ế ị ề ển quá trình tiêu chuẩ , ta có thể ạ ra môi trường đào tạo mang tính thựn t o c hành

Triể n khai m ột sách lược điề u khi n cho m ể ột quá trình mớ i: Một mô hình

động học quá trình cho phép nhiều sách lược điều khiển có thể th c thi ự Ví

d , mụ ột mô hình động học có thể giúp nhận diện các biến quá trình được điều khiển và biến quá trình được thao tác Việc điều khi n dể ựa trên mô hình

là một ph n ầ không thể thiếu trong các luật điều khi n ể

T ối ưu hóa điề u ki n ho ệ ạt động quá trình: Một mô hình rất có ích để tính toán lại các điều ki n hoệ ạt động tối ưu theo chu kì sao cho tối đa lợi ích và

t i thiố ểu chi phí Một mô hình trạng thái xác lập và các thông tin kinh tếđượ ử ụng để xác định điềc s d u ki n ho t đệ ạ ộng có lợi nh t ấ

y, v n i dung

Vì vậ ới ộ yêu cầu c a luủ ận văn, chương hai ta sẽ ến hành phân tích ti

và xây dựng mô hình toán học c a m t s ủ ộ ố quá trình dựa trên phương pháp mô hình hóa lý thuyết

thuyết triển khai dựa trên các nguyên lý hóa học, vật lý và sinh học Mô hình hóa

thự c nghi m ệ thu được bằng cách gán mô hình phù hợp v i d ớ ữ liệu thu được Cuối cùng là mô hình hóa bán thự c nghi m ệ là sự ế ợ k t h p của hai phương pháp mô hình hóa trên ớ yêu cầV i u của đề tài là xây dựng thư viện mô hình các quá trình, ta s ẽtiến hành phân tích và xây dựng mô hình cho thư viện dựa trên phương pháp mô hình hóa lý thuyết

2.1. Mô hình hóa lý thuyết

mô tả các quan hệ ph thuụ ộc khác Từ các phương trình này ta có thể ẫ d n xuất các dạng mô hình khác Công việc xây dựng mô hình lý thuyết bao gồm các bước chính sau:

Phân tích bài toán mô hình hóa:

Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử ụ d ng của mô hình, từ đó xác định m c đ chi ti t và đ ứ ộ ế ộ chính xác của mô hình cần xây d ng ự

Phân chia thành các quá trình con

Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình

Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình

Xây dựng các phương trình mô hình

Nhận biết các phầ ử cơ bản t n trong h th ngệ ố

Viết các phương trình cân bằng và các phương trình đạ ố khác dựa trên cơ i s

s ở các định lu t bậ ảo toàn, định lu t nhiậ ệt động h c, v n chuyọ ậ ển, cân bằng pha,…

Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về ạng phương dtrình vi phân chuẩ ắn t c

Tính toán các tham số ủa mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã cđược đ c t ặ ả

Kiểm chứng mô hình

Phân tích bậ ực t do của quá trình dựa trên số ợng các biến quá trình và số lưlượng các quan hệ ph thu c ụ ộ

Phân tích khả năng giải được của mô hình, kh ả năng điều khiển được

Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính

Phát triển mô hình

Phân tích các đặc tính của mô hình

Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp tùy theo mục đích s d ngử ụ

Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban đầu

Thực hi n chuệ ẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thi t kế ế điều khi n.ể

2.1.2 Nhận biết các biến quá trình

Các biến đặc trưng cho quá trình kỹ thu t hay g i t t lậ ọ ắ à các biến quá trình bao gồm bi n c ế ần điề u khi n, bi ể ến điề u khi ể n và nhiễu Xây dựng mô hình lý

thuy t tế ức là tìm cách mô tả đặc tính của quá trình thông qua quan hệ toán học giữa các biến quá trình vớ ự ỗ ợ ủa các i s h tr c tham s ố quá trình (tham s ố công nghệ)

Mặc dù cả ến quá trình và tham số quá trình đề bi u xu t hiấ ện trong các phương trình

mô hình, sự phân biệt giữa chúng là điều c n thiầ ết Khi ta nói tới biến quá trình tức

là ta nói tới những đại lượng đặc trưng của quá trình, sự thay đổ ủa chúng phải c n

ánh th c tr ng di n bi n cự ạ ễ ế ủa quá trình Trong khi đó, các tham số quá trình không được th c s ự ự coi là biến, b i hoở ặc chúng không thay đổi trong một quá trình và thiết

b ị công nghệ ho c s ặ ự thay đổi không phản ánh trạng thái diễn bi n cế ủa quá trình Các tham ố ủa mô hình sau này được tính toán từs c tham s ố quá trình Do đó những

việc cần làm:

Phân biệt gi a tham s công ngh ữ ố ệ và biến quá trình

Nhận biết các biến ra cần điều khi n theo mể ục đích điều khiển: thường là áp suất, nồng độ, m c ứ

Nhận biết các biến điều khi n tiể ềm năng: thường là lưu lượng, công suất nhiệt (can thiệp được qua van điều khiển, qua thay đổi điện áp…)

Các biến nhiễu quá trình

2.1.3 Nhữ ng đ ị nh luật cơ sở áp dụng cho việc mô hình hóa

Phương trình cân bằng v t ch t ậ ấ

Định lu t bậ ảo toàn vật chất áp dụng cho m t h ng hộ ệ độ ọc được th hi n qua ể ệphương trình cân bằng toàn phần:

trong đó lượng tích lũy bên trong hệ ố th ng

Phương trình cân bằng thành phần (vi t cho t ng c u t trong hế ừ ấ ửj ỗn h p): ợ

V i mớ ột quá trình bao gồm n c u tấ ử, ta có thể vi t tế ối n+1 phương trình cân bằng

vật chất nhưng chỉ có n phương trình độc lập với nhau

Phương trình cân bằng năng lượng

Định lu t bậ ảo toàn năng lượng áp dụng cho m t h nhiộ ệ ệt động học, hay còn được g i là đ nh lu t th nh t c a h nhi t đ ng l c h c đư c diọ ị ậ ứ ấ ủ ệ ệ ộ ự ọ ợ ễn đạt như sau:

trong đó:

UI nội năng của h ệ thống (J)

win lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s, hoặc kg/phút)

wout lưu lượng khối lượng dòng ra khỏi hệ thống (kg/s, hoặc kg/phút)

hin enthalpy ủa dòng vào (tính trên đơn vị khối lượ c ng, J/kg)

hout enthalpy của dòng ra (tính trên đơn vị khối lượng, J/kg)

q tổng lưu lượng nhiệt (công suấ ất c p nhi t) b sung cho h ệ ổ ệ thống thông qua

d n nhi t, bẫ ệ ức xạ nhi t hoệ ặc phả ứng hóa họn c (J/s hoặc J/phút)

Enthalpy trên một đơn vị kh i lưố ợng được định nghĩa là:

trong đó:

u nội năng tính trên một đơn vịkhối lượng (J/kg)

p áp suất lên thành ống ( N)

thể tích riêng (nghịch đ o c a khả ủ ối lượng riêng , m3/kg)

Đối với các chấ ỏt l ng, thành phần năng lượng không đáng kể, do vậy phương trình (3.21) trở thành

Enthalpy là một đại lượng ph ụ thuộc vào thành phần, nhiệt độ và áp suất, nhưng chủ ếu là vào nhiệt độ y h=f(P,T,x) Đây là một quan h phi tuyệ ến và tương

đối ph c tứ ạp Tuy nhiên, đối v i nhiớ ều bài toán mô hình hóa ta có thể ử ụng các s dcông thức đơn giản hóa, nếu như độ chính xác của mô hình không đòi hỏi quá cao

Vớ ịnh nghĩa nhiệt dung riêng tại đ i một áp suất không đ i:ổ

Và giả thi t enthalpy t i m t nhiế ạ ộ ệt độ quy chi u Tế ref là href, ta có thể viết

Phương trình truyền nhi t ệ

H u hầ ết các quá trình công nghệ liên quan tới quá trình truyền nhiệt Vì vậy bên

cạnh các phương trình cân bằng nhiệt lượng thì các phương trình mô tả truy n nhiề ệt

có vai trò hế ứt s c quan trọng trong mô hình hóa quá trình Hiện tượng truy n nhi t ề ệđược chia làm ba loại là dẫn nhiệt, đối lưu và bức x ạ

z khoảng cách theo chiều vuông góc với tiết diện

k h s d n nhi t (ph thuệ ố ẫ ệ ụ ộc vật liệu và nhiệt độ)

Đối lưu

Đối lưu là hình thức truy n nhiề ệt thông qua chuyển động của các dòng chảy

vĩ mô (một chi u hoề ặc luân chuyển), ví dụ ừ t m t b mộ ề ặt nóng tới một dòng chảy

ho c giặ ữa hai dòng chảy ngược chiều Trường h p truyợ ền nhiệt đối lưu giữa m t b ộ ề

mặt (tường, l p ch t l ng, h t r n) v i mớ ấ ỏ ạ ắ ớ ột dòng chảy đóng vai trò đặc bi t quan ệtrọng trong các quá trình công nghệ Công suất truyền nhi t qua m t b mệ ộ ề ặt được tính theo định lu t Newton: ậ

trong đó:

Ts nhiệ ột đ ớ l p b m t ề ặ

Tf nhiệ ột đ trung bình của dòng chảy

k h s truy n nhiệ ố ề ệt đối lưu (phụ thuộc vào đặc tính dòng chảy và đặc tính

nhiệt của lưu chất)

Trường hợp hai dòng chảy trao đổi nhiệt gián tiếp v i nhau qua m t b c ớ ộ ứ

tường (ví dụ thành ống d n), h s truy n nhi t t ng th ẫ ệ ố ề ệ ổ ể được xác định t h s d n ừ ệ ố ẫnhi t c a bệ ủ ức tường, b ề dày của bức tường và hệ ố s truy n nhiề ệt đối lưu Tuy nhiên đây là quan hệ tương đối ph c t p, ph thuứ ạ ụ ộc vào nhiều yế ố, vì thế cũng có thểu txác định thông qua thực nghiệm Công suất truy n nhiề ệt được tính qua công thức

h s ệ ố truyền nhiệt tổng th ể

nhiệ ột đ trung bình của dòng chảy th nh t ứ ấ

nhiệ ột đ trung bình của dòng chảy th hai ứ

B ức xạ

B c x ứ ạ là hiện tượng truyền năng lượng qua không gian thông qua sóng điện

t T i mừ ớ ột b mặt, năng lượng đó có thể đượề c h p thấ ụ, được ph n x hoả ạ ặc được truy n ti p Khi phề ế ần năng lượng đó được h p th s chuy n sang nhiấ ụ ẽ ể ệt lượng Gọi

h s h p thệ ố ấ ụ là , h s ph n x ệ ố ả ạ là và hệ ố truyề là s n , ta có quan hệ cơ bản sau đây:

Một “vật đen” được coi là mộ ật có khả năng hất v p th m nh nh t, tụ ạ ấ ức là có

h s h p th bệ ố ấ ụ ằng 1 Ngượ ạc l i m t vộ ật đen cũng có khả năng phát xạ ạ m nh nh t, ấ

tức là h s ệ ố phát xạ Năng lượng b c x c a m t vứ ạ ủ ộ ật đen tỉ ệ ới lũy thừ l v a bậc

4 của nhiệt độ và được tính theo định luật Stefan-Boltmann:

trong đó:

Wb công suất phát xạ trên một đơn vị ện tích di

h ng s Stefan-Boltmann ằ ố

T nhiệ ột đ tuyệ ốt đ i

Như vậy, h s ệ ố phát xạ ủ c a m t v t bộ ậ ất kì chính là tỉ ố ữa công suất phát s gi

x cạ ủa vật đó so với công suất phát xạ ủ c a vật đen:

Công suất phát xạ toàn phần c a m t v t qua m t diủ ộ ậ ộ ện tích sẽ được tính theo công thức:

Theo định luật Kirchhoff, công suất phát xạ ủ c a hai v t trậ ở ạng thái cân bằng nhiệ ột đ đặt cùng trong một môi trường s ẽ có quan hệ như sau:

Phương trình động h c ph n ọ ả ứng hóa học

T ố c đ ộ ph ả n ứng

Tốc độ ph n ả ứng riêng k là một tham s ph thu c nhiố ụ ộ ệt độ, thường được

bi u di n theo ể ễ Arrhenius dưới dạng một hàm lũy thừa:

Trong đó k0được coi là mộ ằt h ng s , ố E là năng lượng kích hoạt th ể hiện mức

độ ph thu c nhiụ ộ ệt độ và là hằR ng s ố khí lý tưởng C hai tham s kả ố 0và E được xác

định t th c nghiừ ự ệm Phương trình (2.17) thể hi n m t quan h phi tuy n m nh ệ ộ ệ ế ạCũng cần lưu ý rằng s ph thu c c a tự ụ ộ ủ ốc độ ph n ả ứng riêng vào nhiệt độ theo c p ấlũy thừa như trên chỉ đúng trong trường hợp lý tưởng (không hạn ch v ế ề không gian tiếp xúc và lưu lượng các c ấh t tham gia ph n ả ứng), cũng như không xảy ra qua trình chuy n khể ối (bốc hơi, ngưng tụ)

Tốc độ ph n ng t ng th ph ả ứ ổ ể ụ thuộc vào tốc độ ph n ả ứng riêng và nồng độ

của các chất tham gia ph n ả ứng Đố ới v i ph n ng ch ph ả ứ ỉ ụ thuộc chính tới m t chộ ất đầu vào ( ), tốc độ ph n ng t ng th ả ứ ổ ể cũng thường là một hàm lũy

thừa đối vớ ồng độ ủi n c a A:

Trong đó số mũ có thể là số nguyên hoặc phân số Trườn ng h p ợ n=1 còn được gọi là phả ứn ng b c nh t, n=2 ậ ấ được gọi là phả ứn ng bậc 2 Đố ới v i ph n ng ả ứ

có hai chất tham gia (A+B→C+D+…), ta có thể ử ụng công thứ s d c

Điểm cân bằ ng hóa h ọ c

Điểm cân bằng trong m t h th ng ph n ộ ệ ố ả ứng đạt đư c khi ợ

Trong đó:

h s ệ ố hóa học lượng pháp ủc a c u t ấ ử thứ i trong h n hỗ ợp (có dấu âm đố ới i vchất tham gia và dấu dương với sản ph m) ẩ

a c u t thế năng hóa học củ ấ ử thứ i

Thế năng hóa học c a m t c u t trong h n h p chủ ộ ấ ử ỗ ợ ất khí được xác định theo công thức

Trong đó:

c chu n c a c u t i

Pi áp suất riêng của c u t ấ ử thứ i

Phương trình cân bằng pha

Đối v i mộớ t h n h p gỗ ợ ồm hai pha (ví dụ pha lỏng và pha hơi), cân bằng pha được định nghĩa là trạng thái mà thế năng hóa học c a m i c u t hai pha b ng ủ ỗ ấ ử ở ằnhau:

Các bài toán tiêu biểu đặt ra liên quan tới điểm cân bằng pha là tính toán điểm sôi, điểm sương, hoặc đi m bể ốc cháy Quan hệ ấ m u ch t ố ở đây là quan hệ ữ gi a nhiệt độ, áp suất và cấ ử ỗu t h n hợp trong các pha Trong thự ế ngườc t i ta s d ng ử ụnhi u quan h ề ệ đơn giản ho c ph c tặ ứ ạp khác nhau phục v ụ các tính toán này Phần dưới đây tóm tắt m t s quan h ộ ố ệ thông dụng cho các quá trình có tồn t i hai pha ạ

lỏng và hơi

Đị nh lu t Dalton ậ

Định lu t Dalton ậ áp dụng cho th ể hơi có đặc tính “lý tưởng” Tại điều kiện

áp suất không quá cao, áp suất riêng Pi c a m i c u t ủ ỗ ấ ử chính bằng áp suất chung Pnhân với ph n mol c a c u t ầ ủ ấ ử đó trong hỗn h p yợ i

Đị nh lu t Raoult ậ

Định lu t Raoult áp dụậ ng cho ch t l ng ấ ỏ “lý tưởng”, thể ệ hi n qua quan h : ệ

Trong đó:

xi ph n mol c a c u t ầ ủ ấ ử thứ i trong pha lỏng

yi ph n mol c a c u t ầ ủ ấ ử thứ i trong pha hơi

Trong đó được gọi là h s hoệ ố ạt độ cho c u t ấ ử thứ i H s hoệ ố ạt độ ủa c

m t c u t s b ng 1 khi c u t ộ ấ ử ẽ ằ ấ ử đó có đặc tính lý tưởng Các hệ ố s hoạt độ phụthuộc vào thành phần và nhiệ ột đ

Độ bay hơi tương đố i

Trong m t ch t lộ ấ ỏng, độ bay hơi tương đố ủi c a m t c u t i so v i c u t ộ ấ ử ớ ấ ử jđược định nghĩa là:

Độ bay hơi tương đối là một tham s ố ít thay đổi trong nhiều quá trình, vì vậy

rất hay đượ ử ụng Ví dụ đố ới quá trìnhc s d i v hai c u tấ ử, ta có độ bay hơi tương đối

của cấ ử ễ bay hơi so vớ ấ ử khó bay hơi là:u t d i c u t

Biết , ta d ễ dàng xác định ph n mol c a c u t nh trong th ầ ủ ấ ử ẹ ể hơi theo công thức:

H s ệ ố cân bằng pha lỏng hơi (giá trị K)-

H s ệ ố cân bằng pha l ng-ỏ hơi hay g i tọ ắt là giá trị K cũng rất hay được s ử

dụng Nó được định nghĩa là phần mol c a m t c u t ủ ộ ấ ử trong pha hơi chia cho tỉ ệ l mol của chính cấ ử đó trong pha lỏu t ng

Giá trị K là mộ hàm phụt thuộc trước hết vào nhiệt độ và thành phần, sau đó là vào áp suất

2.1.4. Phân tích bậ c tự do của mô hình

Sau khi t t c ấ ả các phương trình mô hình được thi t l p, ta c n tiế ậ ầ ến hành mộ ốt s phân tích đơn giản để ể ki m chứng tính nhất quán và mộ ố tính chấ hác của mô t s t khình Trên cơ sở đó, ta có thể đưa ra phân tích và kiểm ch ng s l a chứ ự ự ọn các biến điều khiển và các biến được đi u khi n th c ề ể ự

Xác định được s b c t do c a mố ậ ự ủ ột mô hình cho phép kiểm chứng tính nhất quán, khả năng giải được và mô phỏng được của mô hình Cũng như trên cơ sởphân tích bậ ực t do ta m i có th ớ ể đưa ra các sách lược đi u khiề ển đúng đắn

V mề ặt toán học, số ậc tự b do c a m t h ủ ộ ệ thống được định nghĩa là:

Trong đó

là s lưố ợng biến quá trình mô tả ệ ố h th ng

là s lưố ợng m i quan h c l p giố ệ độ ậ ữa các biến

Một mô hình đảm bảo tính nhất quán là mô hình có số ậ ự b c t do b ng s biằ ố ến vào

S bố ậc tự do lớn hơn số ến vào: bi

o Mô hình còn thiếu phương trình cần xây dựng

o Thừ ố ến ra có thể điềa s bi u khiển độ ậc l p

S bố ậc tự do nh ỏ hơn số ến vào: bi

o Các phương trình mô hình chưa hoàn toàn độ ậc l p v i nhau ớ

o Quá trình được thi t k có lế ế ỗi, chưa đủ ố ến vào để điề s bi u khi n ể

2.2. Mô hình hóa mộ t số quá trình

Có 3 phương án cho quá trình tích trữ ch t l ng: ấ ỏ

1 Lưu lượng vào và ra có thể là hằng s Gi s ố ả ử lưu lượng ra

được gi b i mữ ở ột bơm định lượng tốc độ ằ h ng H qu quan trệ ả ọng là lưu lượng ra hoàn toàn độ ậc l p v i m c ch t l ng trong ph m vi rớ ứ ấ ỏ ạ ộng điều ki n ệ

v b n chề ả ất bình vận hành như một bộ tích phân lưu lượng

2 Đường thoát chấ ỏng đơn giản được coi như là mộ ự ảt l t s c n tr ở lưu lượng t ừbình (được phân bố ọc theo toàn bộ đườ d ng d n), hoẫ ặc nó có thể ch a m t ứ ộvan mà tạo ra m t s c n tr ộ ự ả ở lưu lượng đáng kể ạ điểm đó Trong trườ t i ng

hợp đơn giản nhất, lưu lượng được gi s ả ử có quan hệ tuyến tính vớ ực phát i lđộng là mức ch t lấ ỏng, tương tự đị nh lu t Ohm cho mậ ạch điện (E=IR)

trong đó là sự ả c n tr cở ủa đường ng S p x p lố ắ ế ại (2.34) cho ta phương trình lưu lượng-m c: ứ

Thay (2.35) vào (2.33) ta thu được phương trình vi phân bậc nhất:

3 Một biểu thức thực tế hơn cho lưu lượng khi một van đư c đ t cố địợ ặ nh ở

l i ra ch lố ất ỏng và giả ử dòng chảy có dòng xoáy Lực phát động cho lưu s lượng qua van là độ chênh áp suất :

Trong đó là áp suấ ại đáy bình và t t là áp suấ ại đầt t u cu i cố ủa đường thoát Giả ử ằ s r ng là áp suất môi trường Nếu van được coi như là cửa mở,

một phương trình cân bằng năng lượng cơ học, hoặc phương trình Bernoulli,

có thể được sử ụng để d thu đư c quan h sau: ợ ệ

trong đó là hằng số Giá trị ủa ph thu c ụ ộc vào loại van và độ

Mô hình này là phi tuyến vì chứa ph n t ầ ử căn bậc hai

Phân tích bậ ực t do của mô hình cho trường h p th ợ ứ3:

Ta phân tích chỉ cho trường h p th ợ ứ3:

là dương khi chả ừ bình 1 sang bình 2.

Xây dựng mô hình động học quá trình:

Phương trình cân bằng v t ch t t ng th : ậ ấ ổ ể

Những quan h ệ lưu ợ lư ng:

Thay (2.43) (2.44) vào phương trình (2.41) và (2.422) ta được mô hình động h c ọquá trình:

Phân tích bậ ực t do của mô hình:

Cho mục đích điều khiển, ta phân loại biến vào như sau:

biến điều khi n: ể điều khiển và điều khi n ể2.2.2. Các quá trình pha trộn

Sơ đồ ệ h th ng: ố

x1

xwV

Hình 2.3. H ệ thống pha trộn được khuấy đều

Các giả thi t: ế

Bình được khuấy đều

Bình hoạt động đẳng nhi t ệ

Chỉ có ch t lấ ỏng vào và ra bình và không có sự bay hơi

Xây dựng mô hình động học quá trình:

Phương trình cân bằng v t ch t t ng th : ậ ấ ổ ể

Phương trình cân bằng v t chậ ất thành phần :

Khai triển phép tính đạo hàm trong phương trình (2.48) cho :

Thay phương trình (2.47) vào phương trình (2.49) và rút gọn ta thu được c p ặphương trình:

Phân tích bậ c tự do của mô hình:

1 tham s ố:

7 bi n ế :

2 phương trình:

Vì vậy, b c t ậ ự do là Nh ng biữ ến quá trình được phân loại như sau:

2.2.3.1 Truyề n nhi ệt thông qua cuộ n gia nhi t b ệ ằng hơi nướ c

Sơ đồ ệ h th ng: ố

Hình 2.4. H ệ thống gia nhiệt thông qua cuộn gia nhiệt bằng hơi nước

Các giả thi t: ế

Nhiệ ộ trong bình là đồt đ ng nh t vấ ới giá trị

Thể tích chấ ỏng trong bình là hằt l ng s , tố ức là lưu lượng vào và lưu lượng ra

là như nhau