MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

Giai đoạn một được thực hiện trong môi trường tĩnh, các vấn đề cần giải quyết bao gồm thiết kế, lựa chọn thông số cho các dòng vật chất và các thiết bị nhằm đảm bảo yêu cầu về chất và lư

z

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

-o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

SVTH: Vương Quốc Tuấn MSSV: 1613939

GVHD: ThS Nguyễn Kim Trung

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

-o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

SVTH: Vương Quốc Tuấn MSSV: 1613939

GVHD: ThS Nguyễn Kim Trung

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Số:……./BKDT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Vương Quốc Tuấn MSSV: 1613939

Ngành: Kỹ Thuật Chế Biến Dầu Khí Lớp: HC16KSTN

I TÊN ĐỀ TÀI

MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE

BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

II NHIỆM VỤ:

- Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ sản xuất Styrene từ Ethylbenzene

- Định cỡ các thiết bị quan trọng trong quy trình

- Xây dựng hệ thống điều khiển

- Đề xuất, giải quyết các vấn đề liên quan đến cấu trúc điều khiển

- Kiểm tra tính ổn định của hệ thống thông qua mô phỏng động

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH:

V HỌ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Kim Trung

TP Hồ Chí Minh, Ngày….Tháng….Năm 2020

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt: ………

Đơn vị: ………

Ngày bảo vệ: ………

Điểm tổng kết: ………

Nơi lưu trữ: ………

ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm (GV ký và ghi rõ họ tên)

iii

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

Ngày tháng năm (GV ký và ghi rõ họ tên)

iv

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến giảng viên hướng dẫn- TS Nguyễn Kim Trung, giảng viên khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến tâp thể các thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

đã truyền đạt các kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian vừa qua và nhiệt tình giúp đỡ em trong mọi mặt, cũng như luôn tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt đề tài Các thầy cô không chỉ hướng dẫn em những kiến thức chuyên ngành, mà còn dạy em nhiều bài học về cuộc sống, dạy em cách xử lý những tình huống bất ngờ, những

sự cố xảy ra, cách sống và cách cư xử trong xã hội Trong suốt hơn bốn tháng qua, em tin rằng những kiến thức, những kỹ năng mà mình học được dưới mái trường Bách Khoa đã thay đổi em rất nhiều và em tin rằng đây là những kinh nghiệm, những bài học vô cùng cần thiết đối với quá trình học tập, nghiên cứu hay làm việc của em trong tương lai Lời cảm ơn cuối con xin được dành cho Bố Mẹ Cảm ơn Bố Mẹ đã sinh thành, dưỡng dục và bao dung con Cảm ơn Gia Đình đã luôn bên cạnh động viên, chăm sóc và khích lệ con trong suốt quá trình học tập

Trong quá trình báo cáo khó tránh khỏi sai sót, rất mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để em có thể học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm và hoàn thành tốt báo cáo luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm

Sinh viên thực hiện

Vương Quốc Tuấn

v

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mô phỏng động có vai trò vô cùng quan trọng trong công việc thiết kế và xây dựng quy trình công nghệ, đặc biệt là các yếu tố liên quan đến hệ thống điều khiển và vận hành

Với mục tiêu ứng dụng lợi ích của mô phỏng động trong thiết kế quy trình, đề tài “Mô

phỏng động quy trình sản xuất Styrene bằng phần mềm Hysys” hướng đến nghiên cứu,

trau dồi khả năng sử dụng phần mềm mô phỏng để giải quyết bài toán thiết kế Trong đó, các yếu tố về xây dựng và tối ưu hệ thống điều khiển được xem là tâm điểm chính của đề tài Tiến trình mô phỏng bao gồm nhiều giai đoạn Giai đoạn một được thực hiện trong môi trường tĩnh, các vấn đề cần giải quyết bao gồm thiết kế, lựa chọn thông số cho các dòng vật chất và các thiết bị nhằm đảm bảo yêu cầu về chất và lượng của sản phẩm chính, mặc khác là tối ưu năng lượng trong cụm phản ứng, hạn chế sản phẩm phụ sinh ra, đồng thời gia tăng hiệu suất phân tách của cụm chưng cất Giai đoạn hai tiến hành định cỡ và thiết kế hệ thống điều khiển sao cho phù hợp với từng thiết bị trong quy trình Giai đoạn

ba là quá trình tinh chỉnh thông số điều khiển trong môi trường động Giai đoạn cuối cùng tiến hành khảo sát và đánh giá tính bền vững của hệ thống trước tác động của nhiễu cùng khả năng phục hồi của hệ Kết quả khảo sát cho thấy nhiễu lưu lượng của dòng Ethylbenzene có tác động đáng kể nhất đến hệ thống, thời gian trung bình để loại bỏ hoàn toàn là 150 phút Nhiễu lưu lượng dòng Steam đứng thứ hai với 100 phút Nhiễu nồng độ ảnh hưởng không đáng kể và dễ dàng loại bỏ sau 74 phút

Nhìn chung, mô hình cho kết quả rất tốt Các thông số vận hành và tính chất của sản phẩm đều đạt yêu cầu Hệ thống điều khiển linh hoạt, đáp ứng nhanh, dễ dàng phục hồi về trạng thái thiết đặt dưới tác động của nhiễu và vận hành rất ổn định

vi

ABSTRACT

Dynamic simulation plays an important role in the design and construction of chemical processes, especially those related to control system and operation With the goal of applying the benefits of dynamic simulation in process design, the study which named "Dynamic simulation of Styrene production process with Hysys software" tried to apply a simulation software to solve design problems In particular, the factors of building and optimizing the control system are considered as the main focus of the topic The simulation process consisted of several stages The first stage was carried out in a static environment, issues to be solved include design, parameter selection for material flows and equipments to ensure the quality and quantity requirements of the main product, another was to optimize the energy in the reaction cluster, limit the by-products generated and increase the separation efficiency of the distillation cluster In the second stage, sizing equipments and designing the control system were carried out The third phase was the process of fine-tuning control parameters in a dynamic environment The final stage conducted a survey and evaluation of the system's sustainability against the effects of noise and its resilience The survey results show that Ethylbenzene flowrate disturbance had the most significant impact on the system, the average time to completely eliminate the disturbance was 150 minutes Steam flowrate disturbance ranked as the second significant impact with the average time to completely eliminate the disturbance was 100 minutes Composition disturbance was negligible and was easily to be removed after 74 minutes

Overall, the model was complete with good performence Operating parameters and properties of the main product were satisfactory The control system was flexible with fast response, easy to recover to the setting state under the impact of disturbances and very stable

vii

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

ABSTRACT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Ý nghĩa đề tài 3

1.4 Phạm vi đề tài 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về Styrene 4

2.2 Quá trình Dehydro hóa xúc tác Ethylbenzene 6

2.2.1 Điều kiện phản ứng 6

2.2.2 Công nghệ sản xuất 7

2.3 Lý thuyết cơ sở điều khiển 10

2.3.1 Mục đích điều khiển quá trình 10

2.3.2 Biến quá trình 11

2.3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển 11

2.3.4 Sách lược điều khiển 12

2.3.5 Bộ điều khiển 15

2.3.6 Bậc tự do điều khiển 18

2.4 Xây dựng hệ thống điều khiển 19

2.4.1 Quy trình thiết kế 19

2.4.2 Thiết lập điều khiển 21

CHƯƠNG 3: TIẾN TRÌNH MÔ PHỎNG 23

3.1 Thiết kế xây dựng mô hình tĩnh 23

3.1.1 Hệ nhiệt động phản ứng 23

viii

3.1.2 Xây dựng cụm quy trình 25

3.1.3 Thông số quy trình 26

3.2 Định cỡ thiết bị 28

3.3 Thiết lập hệ thống điều khiển 31

3.3.1 Bậc tự do điều khiển 31

3.3.2 Cấu trúc điều khiển 35

3.4 Khảo sát mô hình động 41

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43

4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 43

4.2 Thông số thiết bị 45

4.3 Thông số điều khiển 53

4.4 Kết quả khảo sát mô hình động 56

4.4.1 Nhiễu lưu lượng dòng nguyên liệu Ethylbenzene 56

4.4.2 Nhiễu lưu lượng dòng Steam 69

4.4.3 Nhiễu nồng độ dòng nguyên liệu (95% Ethylbenzen-5% Styrene) 76

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

5.1 Kết luận 80

5.2 Kiến nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Ứng dụng của Styrene trong sản xuất và đời sống 4

Hình 2.2 Dự đoán sản lượng tiêu thụ Styrene đến năm 2025 5

Hình 2.3 Công nghệ BASF sản xuất Styrene bằng dehydro đẳng nhiệt 8

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ dehydro đoạn nhiệt 9

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi 12

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền thẳng 13

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng 14

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỉ lệ kết hợp phản hồi 14

Hình 2.9 Khả năng đáp ứng của bộ điều khiển P 15

Hình 2.10 So sánh giữa P và PI 16

Hình 2.11 So sánh giữa PI và PID 17

Hình 2.12 Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển 20

Hình 3.1 Tháp chưng cất tiêu chuẩn 31

Hình 3.2 Tháp Stabilizer 32

Hình 3.3 Hệ thống điều khiển cho bồn tách ba pha 35

Hình 3.4 Hệ thống điều khiển cho Heater/ Cooler 36

Hình 3.5 Hệ thống điều khiển cho máy bơm 36

Hình 3.6 Hệ thống điều khiển cho máy nén 37

Hình 3.7 Hệ thống điều khiển cho tháp Stabilizer 38

Hình 3.8 Hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất T-101 và T-102 40

Hình 4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất Styrene 44

Hình 4.2 (a) +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 56

Hình 4.2 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 57

Hình 4.2 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 57

x

Hình 4.3 (a) +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 58Hình 4.3 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 59Hình 4.3 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 59Hình 4.4 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 60Hình 4.4 (a) +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 61Hình 4.4 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 61Hình 4.5 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 62Hình 4.5 (a) +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 62Hình 4.5 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 63Hình 4.6 (a) -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 63Hình 4.6 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 64Hình 4.6 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 64Hình 4.7 (a) -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 65Hình 4.7 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 65Hình 4.7 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 66Hình 4.8 (a) -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 66Hình 4.8 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 67

xi

Hình 4.8 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút 67Hình 4.9 (a) -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 68Hình 4.9 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 68Hình 4.9 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút 69Hình 4.10 (a) +10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 69Hình 4.10 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 70Hình 4.10 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 70Hình 4.11 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút 71Hình 4.11 (a) +10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút 72Hình 4.11 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút 72Hình 4.12 (a) -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 73Hình 4.12 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 73Hình 4.12 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 74Hình 4.13 (a) -10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút 74Hình 4.13 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút 75Hình 4.13 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút 75Hình 4.14 (a) Nồng độ nguyên liệu giảm từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút 76

xii

Hình 4.14 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính khi giảm nồng

độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút 76Hình 4.14 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 khi thay đổi nồng

độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút 77Hình 4.15 (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính khi giảm nồng

độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 60 phút 77Hình 4.15 (a) Nồng độ nguyên liệu giảm từ 1 xuống 0.95 trong 60 phút 78Hình 4.15 (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 khi thay đổi nồng

độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút 78

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số điều khiển 22

Bảng 3.1 Thông số mô hình tĩnh 26

Bảng 3.2 Thông số định cỡ của từng thiết bị 29

Bảng 3.3 Bậc tự do của một số quá trình 32

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của các thiết bị trong quy trình 45

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật tháp chưng cất 45

Bảng 4.3 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của lò phản ứng PFR-100 46

Bảng 4.4 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của lò phản ứng PFR-101 47

Bảng 4.5 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của lò phản ứng PFR-102 48

Bảng 4.6 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của bồn tách bap ha V-100 49

Bảng 4.7 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của tháp Stabilizer 50

Bảng 4.8 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của tháp T-101 51

Bảng 4.9 Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của tháp T-102 52

Bảng 4.10 Bảng các cặp biến điều khiển 53

Bảng 4.11 Bảng các thông số điều khiển 54

Bảng 4.12 Kết quả khảo sát mô hình động dưới ảnh hưởng của nhiễu 79

là cơ cấu điều khiển sao cho linh hoạt khi thay đổi môi trường vận hành Thực tế đó gây khó khăn cho việc dự đoán, đánh giá yếu tố kinh tế, đặc biệt là xác định tính hiệu quả của một dự án để ra quyết định đầu tư xây dựng

Sự ra đời của phần mềm mô phỏng đã giải quyết phần nào những khó khăn nêu trên Với phần mềm mô phỏng, ta có thể lên kế hoạch cho một dự án với quy trình tính toán nhẹ nhàng hơn trước đây, mô phỏng hoạt động của nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy Ngoài ra, với những tính năng của các phầm mềm mô phỏng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưu cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là có thể áp dụng được cho hầu hết các lĩnh vực sản xuất Là một kỹ sư công nghệ, việc thông thạo trong sử dụng phần mềm mô phỏng là lợi thế rất lớn khi làm việc trong các nhà máy chuyên về vận hành và giám sát quy trình

Hiện nay, mô phỏng là bước bắt buộc khi xây dựng một chuỗi quy trình Quá trình

mô phỏng được chia làm hai hướng chính: mô phỏng tĩnh và mô phỏng động Mô phỏng tĩnh như tên gọi là xây dựng hệ thống trong môi trường ổn định, sử dụng các công thức từ nền tảng lý thuyết và loại bỏ các yếu tố nhằm giúp hệ đạt trạng thái lý tưởng Khác với

mô phỏng tĩnh, mô phỏng động nhắm đến sự chính xác và hướng gần với thực tế hơn bằng cách bổ sung các biến nhiễu, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành như ma

2

sát, trở lực Với mô phỏng động, ta có thể đánh giá được tính ổn định của cả hệ thống và liệu rằng chúng có thực sự an toàn, sản phẩm tạo thành có đạt chất lượng mong muốn hay không nhằm đưa ra giải pháp phù hợp cho quy trình Những lợi ích mà mô phỏng động mang lại bao gồm:

- Khả năng đánh giá trực quan hệ thống

- Khảo sát nhiễu, xác định rủi ro tiềm ẩn

- Kiểm tra và tối ưu hệ thống

- Giả lập kịch bản để giải quyết vấn đề,…

Từ những lợi ích nêu trên, ta có thể thấy tầm quan trọng của mô phỏng động đối với việc thiết kế và vận hành quy trình là vô cùng to lớn Đây được xem là công cụ giúp tối

ưu hóa và tăng năng suất làm việc của người kỹ sư, đảm bảo tính an toàn và sự ổn định trong thiết kế và xây dựng hệ thống Chính vì lẽ đó, việc học tập và nghiên cứu mô phỏng động là điều hoàn toàn cần thiết đối với kỹ sư công nghệ

Đề tài luận văn “Mô phỏng động quy trình sản xuất Styrene bằng phần mềm Hysys”

hướng đến ứng dụng mô phỏng trong việc thiết kế và xây dựng quy trình công nghệ, đặc biệt chú trọng giải quyết các vấn đề liên quan đến cấu trúc điều khiển, tối ưu và khảo sát tính bền vững của hệ thống

1.2 Mục tiêu đề tài

Trên cơ sở đặc điểm và tính chất của nguyên vật liệu, các chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm,

từ đó xây dựng mô hình động cho quy trình sản xuất Styrene từ phương pháp Dehydro hóa Ethylbenzene Mô hình phải đạt được các yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm, hệ thống phải hoạt động ổn định

Các vấn đề về lựa chọn hệ điều khiển sẽ được bàn luận, đánh giá Nghiên cứu thiết lập cấu trúc điều khiển phù hợp, linh hoạt trong vận hành sản xuất Cấu trúc phải dễ điều khiển và đạt ổn định trong khoảng thời gian ngắn từ lúc khởi động hệ Tiến hành quá trình tối ưu và xác định các nhiễu gây ra cho quy trình vận hành

Mô phỏng tĩnh được xây dựng làm nền tảng cho thiết kế quy trình, được tối ưu về nhiệt và tính kinh tế Mô phỏng động dùng để đánh giá tính hiệu quả của cấu trúc điều

3

khiển Mô phỏng động sẽ được thực hiện bằng cách thêm vào các van điều khiển, chuyển

từ môi trường mô phỏng tĩnh sang môi trường động và cuối cùng đưa ra một số nhiễu cho

hệ thống dưới dạng tín hiệu xung để kiểm tra khả năng điều khiển và khả năng phục hồi của hệ thống điều khiển (như thay đổi nhiệt độ đầu vào hoặc lưu lượng của một dòng) Hệ thống sau đó sẽ được phân tích để xem nó sẽ phản ứng tốt như thế nào với những thay đổi được giới thiệu

Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuất và vận hành quy trình Đánh giá tiềm năng của hệ thống

- Học tập, nâng cao kiến thức về vận hành thông qua mô phỏng động, từ đó rút

ra kinh nghiệm trong công việc sau này

1.4 Phạm vi đề tài

- Nghiên cứu tập trung vào xây dựng mô hình động kết hợp với cấu trúc điều khiển Tiến hành các bước khảo sát và đánh giá hệ thống, từ đó tối ưu và cải thiện quy trình

- Các kích thước cơ bản của thiết bị được tính toán thông qua phần mềm mô phỏng, những yếu tố nặng về cơ khí, máy móc, thiết kế quá chi tiết sẽ không được đề cập đến trong phạm vi nghiên cứu

Một số loại nhựa và nhựa phổ biến nhất được sản xuất từ Styrene gồm Polystyrene, Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), nhựa Styrene Acrylonitrile (SAN) và cao su Styrene Butadiene (SBR) ABS và SAN là nguyên liệu chính để sản xuất hộp đựng thực phẩm, bao bì, đá cẩm thạch tổng hợp,… Bên cạnh đó, Styrene còn được dùng để làm vật liệu đóng gói, vật liệu cách điện cho hệ thống điện, cách nhiệt cho nhà, làm sợi thủy tinh, ống nhựa và vô số mặt hàng khác trong ngành thực phẩm [30]

Hình 2.1 Ứng dụng của Styrene trong sản xuất và đời sống

5

Hình 2.2 Dự đoán sản lượng tiêu thụ Styrene đến năm 2025

(Nguồn: www.icis.com) Sản lượng và nhu cầu về Styrene gia tăng hàng năm, nhất là trong các lĩnh vực nhựa, cao su và vật liệu đóng gói Trung bình có khoảng 30 triệu tấn Styrene được sản xuất và tiêu thụ vào năm 2019 Sản lượng tiêu thụ ước tính đạt 35 triệu tấn vào năm 2025 với mức tăng 2% một năm cho thấy nhu cầu về Styrene trong sản xuất công nghiệp là vô cùng lớn

Có năm phương pháp chính để tổng hợp Styrene, gồm:

Trong tất cả các phương pháp trên, phương pháp 1 được xem là tối ưu nhất Quá trình dehydro xúc tác sử dụng nguyên liệu đầu vào rẻ tiền, chi phí thiết bị cùng vận hành thấp, sản phẩm có độ tinh khiết cao nên mang lại lợi nhuận lớn, phù hợp cho đầu tư sản xuất Thực tế, đây là phương pháp sản xuất Styrene phổ biến nhất, chiếm đến 90% sản lượng trên toàn thế giới [9]

2.2 Quá trình Dehydro hóa xúc tác Ethylbenzene

2.2.1 Điều kiện phản ứng [9]

Phản ứng được thực hiện trong pha khí, sử dụng hơi nước để gia nhiệt và chất xúc tác là oxit sắt Phản ứng thu nhiệt mạnh, có thể tiến hành ở điều kiện đoạn nhiệt hoặc đẳng nhiệt, cả hai phương pháp này đều được áp dụng trong thực tế

Phản ứng chính diễn ra thuận nghịch, chuyển hóa nhiệt Ethylbenzene thành Styrene

và hydro:

C6H5CH2CH3  C6H5CH=CH2 + H2 (1) ∆H (600°C) = 124.9 kJ/mol Các phản ứng phụ:

7

Thiết bị sử dụng có dạng hình ống, được nhồi đầy xúc tác, nguyên liệu trước khi vào được gia nhiệt bằng lò đốt hoặc trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm Điều kiện hoạt động điển hình trong các lò phản ứng thương mại là là 620°C với áp suất thấp Năng suất tổng thể phụ thuộc vào lượng tương đối của chuyển đổi xúc tác thành Styrene và cracking nhiệt các sản phẩm phụ Ở trạng thái cân bằng trong điều kiện điển hình, mức độ chuyển hóa của Ethylbenzene có thể đạt đến khoảng 80% Tuy nhiên, thời gian và nhiệt độ cần thiết để đạt được trạng thái cân bằng làm tăng cracking nhiệt và giảm năng suất, dẫn đến

độ chuyển hóa chỉ đạt từ 50-70 wt%, với sản lượng 88-95 mol%

Thông thường, nếu không sử dụng xúc tác, quá trình tiến hành ở nhiệt độ 700-800℃,

độ chuyển hóa sau một vòng phản ứng là 20-30%, hiệu suất thấp chỉ đạt từ 50 đến 60% Xúc tác có vai trò làm tăng độ chuyển hóa và chọn lọc của phản ứng Nhiệt độ phản ứng khi sử dụng xúc tác vào khoảng 550-650℃, ở áp suất 0.1-0.3 MPa (trong các công nghệ cũ) và thấp hơn 0.1 MPa trong các công nghệ mới Xúc tác sử dụng thường chứa 40-90% sắt(III) oxit, 5-30% kali oxit cùng các phụ gia, chất cải tiến như Cr, Ce, Mo,…

Hơi nước được hòa trộn chung cùng với nguyên liệu trước khi cho vào lò phản ứng với vai trò cung cấp nhiệt (đặc biệt khi quá trình tiến hành ở chế độ đoạn nhiệt), giảm nhiệt lượng cung cấp cho một đơn vị thể thể tích, giảm áp suất riêng phần của hydrocacbon, do vậy làm phản ứng chuyển dịch về phía tạo thành Styrene, làm giảm lượng cốc tạo thành và duy trì hoạt tính của xúc tác Thông qua điều chỉnh tỉ lệ

H2O/Ethylbenzene ta có thể điều chỉnh tỉ lệ và cơ cấu sản phẩm tạo thành

2.2.2 Công nghệ sản xuất [4]

2.2.2.1 Công nghệ dehydro hóa đẳng nhiệt

Hãng BASF là người tiên phong trong phát triển công nghệ dehydro đẳng nhiệt Thiết bị phản ứng có dạng ống chùm, chiều cao ống từ 2.5-4m, đường kính ống 10-20 cm

và chứa đầy xúc tác bên trong Quy trình công nghệ của họ được trình bày ở hình dưới

8

Hình 2.3 Công nghệ BASF sản xuất Styrene bằng dehydro đẳng nhiệt

a) Thiết bị gia nhiệt b) Lò đốt c) Lò phản ứng

d) Thiết bị trao đổi nhiệt e) Thiết bị ngưng tụ

Các điều kiện công nghệ như sau:

 Nhiệt độ nguyên liệu trước khi vào lò phản ứng: 580℃

 Nhiệt độ chất tải nhiệt: đầu vào 750℃, đầu ra 630℃

9

2.2.2.2 Công nghệ dehydro hóa đoạn nhiệt

Khác với công nghệ đẳng nhiệt, trong công nghệ này, quá trình chuyển hóa diễn ra trong một chuỗi thiết bị phản ứng có dạng hình ống được đặt nối tiếp nhau:

 Thiết bị phản ứng đầu tiên làm việc ở áp suất 0,15 ÷ 0,2 Mpa, có vai trò chuyển hóa sơ bộ Ethylbenzene thành Styrene, độ chuyển hóa khoảng 40%

 Các thiết bị phản ứng tiếp theo dùng để tối ưu độ chọn lọc giữa sản phẩm chính và sản phẩm phụ, độ chuyển hóa thông thường từ 45-55%

 Kết thúc chuỗi phản ứng, độ chuyển hóa tổng đạt trên 60%

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ dehydro đoạn nhiệt

d) Bộ phận làm mát e) Thiết bị ngưng tụ f) Thiết bị trao đổi nhiệt Nhiệt độ phản ứng của quy trình dao động từ 600 đến 650℃ Tỉ lệ hơi nước/ Ethylbenzene thường rất lớn (trên 10) nhằm hạn chế sản phẩm phụ và tạo cốc trên xúc tác Bên cạnh đó, vì áp suất phản ứng bị giảm theo chiều dày của lớp xúc tác, thiết bị phản ứng được thiết kế đặc biệt, thường sử dụng loại thiết bị xuyên tâm cho công suất lớn với đường kính thiết bị từ 6,3 ÷ 6,5m Kích thước thiết bị nhỏ gọn và độ chuyển hóa cao là

10

một lợi thế lớn của công nghệ đoạn nhiệt Thực tế, có đến 75% nhà máy Styrene trên thế giới áp dụng công nghệ khử hydro đoạn nhiệt trong sản xuất

=> Vì những ưu điểm nêu trên, ta lựa chọn công nghệ đoạn nhiệt cho tiến trình mô phỏng

2.3 Lý thuyết cơ sở điều khiển

2.3.1 Mục đích điều khiển quá trình [5]

Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để điều chỉnh, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu về hiệu suất, chất lượng sản phẩm không ngừng nâng cao, điều khiển quá trình trở thành một bộ phận không thể thiếu trong nhà máy Toàn bộ chức năng của hệ thống điều khiển nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

- Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện

- Đảm bảo năng suất và chức lượng sản phẩm: đảm bảo lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm

- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm 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 sự thay đổi của thị trường

Năm mục đích trên đồng thời cũng là là tiêu chí đánh giá tính ổn định và hiệu quả của một hệ thống điều khiển

11

2.3.2 Biến quá trình [41]

Trong điều khiển, cần quan tâm các loại biến sau, gồm:

- Biến cần điều khiển (Controlled Variable, CV): là biến ra hoặc biến trạng thái của quá trình được điều khiển sao cho gần giá trị mong muốn (Setpoint, SP) hoặc bám theo một giá trị, tín hiệu mẫu

- Biến được điều khiển (Controlled Variable, CV): là một biến ra dùng gián tiếp để thay cho biến cần điều khiển trong một số trường hợp nếu phép đo trực tiếp biến cần điều khiển quá chậm, quá thiếu chính xác hay quá tốn kém khi đó nó có thể được đo và điều khiển gián tiếp qua đại lượng khác

- Biến điều khiển (Manipulated Variable, MV): là những biến vào của quá trình dùng để can thiệp trực tiếp từ bên ngoài vào quá trình, qua đó tác động tới biến ra theo yêu cầu mong muốn

- Biến nhiễu (Disturbance Variable, DV) là những biến vào của quá trình, tác động tới quá trình nhưng ta không can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan tâm

Việc xác định rõ loại biến sẽ giúp ích cho việc xây dựng hệ thống điều khiển, lựa chọn chiến lược điều khiển hiệu quả, đồng thời đánh giá tốt hơn những tác động có thể xảy ra đối với quá trình cần điều khiển

2.3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển [45]

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển bao gồm:

- Đối tượng điều khiển (Process): các quá trình, các thiết bị trong nhà máy, phân xưởng

- Bộ điều khiển (Controller): thiết bị làm nhiệm vụ nhận giá trị đầu vào (giá trị

đo, giá trị cài đặt) và đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên thuật toán (luật điều khiển) cài đặt sẵn

- Thiết bị đo/ truyền tín hiệu (Sensor/ Transmitter): thu thập, đo lường biến quá trình và xuất tín hiệu về bộ điều khiển

12

- Thiết bị chấp hành (Control element): nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, tiến hành kiểm soát các biến điều khiển để đạt được thông số vận hành theo yêu cầu của quá trình

2.3.4 Sách lược điều khiển [45]

2.3.4.1 Điều khiển phản hồi (Feedback control)

Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc đo liên tục giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Do cấu trúc khép kín nên điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín Thuật toán điều khiển có dạng:

𝑒(𝑡) = 𝑦𝑠𝑝(𝑡) – 𝑦𝑚(𝑡)

Trong đó:

e(t): sai lệch giá trị (error signal)

ysp (t): giá trị đặt (setpoint)

ym (t): giá trị đo của quá trình

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi

Ưu điểm: Điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định Một vai trò quan trọng nữa của điều khiển phản hồi là khả năng bền vững với sự sai lệch của mô hình Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển phản hồi có khả năng triệt tiêu sai lệch điều khiển điều mà các sách lược điều khiển khác không thể làm được

Nhược điểm: Ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định một đối tượng không ổn định, song một vòng điều khiển

13

kín chứa một đối tượng ổn định cũng có thể trở nên mất ổn định Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo nên khi các giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không còn được đảm bảo nếu không có các thuật toán lọc nhiễu thích hợp Một nhược điểm nữa là bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng, nghĩa là chỉ khi có ảnh hưởng của nhiễu được thể hiện trong giá trị biến được điều khiển thì mới

có tác động trở lại, điều này là không thể chấp nhận được đối với những quá trình có tính đáp ứng chậm (như quá trình nhiệt, quá trình phản ứng) Như vậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bị ảnh hưởng

2.3.4.2 Điều khiển truyền thẳng (Feedforward control)

Điều khiển truyền thẳng dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu, bộ điếu khiển sẽ dựa trên thông tin này để tính toán giá trị của bộ điều khiển Sách lược điều khiển này còn gọi là sách lược bù nhiễu hay vòng điều khiển mạch hở

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền thẳng

Giá trị u(t) được hình thành đựa trên giá trị đo được của nhiễu, biến cần điều khiển không được đo Ưu điểm của sách lược này là tác động nhanh, ngăn chặn được ảnh hưởng của nhiễu Tuy nhiên sách lược không triệt tiêu được nhiễu không biết trước/ không đo được dẫn đến đáp ứng kém chính xác và cho chất lượng điều khiển không cao

2.3.4.3 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng

Kết hợp mạch truyền thẳng và mạch phản hồi để tận dụng những ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của từng sách lược điều khiển:

- Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng của các nhiễu đo được

14

- Mạch phản hồi sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo ra bởi các nhiễu không

đo được và ổn định hệ thống

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng

2.3.4.4 Điều khiển tỉ lệ (Ratio control)

Nguyên tắc của sách lược này là duy trì tỷ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt R nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ ba Do biến cần điều khiển không được đo nên có thể xem sách lược này là một trường hợp riêng

Điều khiển tỷ lệ thuần túy khó có thể cho chất lượng điều khiển cao Trong thực tế người ta kết hợp điều khiển tỷ lệ với điều khiển phản hồi bằng cách lấy giá trị đặt tỷ lệ R được tính toán và điều chỉnh thường xuyên từ bộ điều khiển phản hồi, giá trị này được làm giá trị đặt cho bộ điều khiển tỷ lệ Điều khiển tỉ lệ được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp hóa chất, tác dụng là duy trì thông số vận hành và tương quan giữa các biến quá trình

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỉ lệ kết hợp phản hồi

15

2.3.5 Bộ điều khiển [45]

Hiện nay, điều khiển trong công nghiệp là loại điều khiển vòng lặp đóng với các bộ điều khiển được ứng dụng rộng rãi gồm có 3 loại: bộ điều khiển Proportional Control (P only), bộ điều khiển Proportional Integral Control (PI), bộ điều khiển Proportiontal Integral Derivative Control (PID)

2.3.5.1 Bộ điều khiển P only

Hay bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID Thuật toán khuếch đại tỉ lệ đưa ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch quan sát được

u(t) = u̅ + kce(t)

Trong đó:

u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển

u̅: độ dịch (manual setting)

e(t): sai lệch điều khiển

kc: hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

Hình 2.9 Khả năng đáp ứng của bộ điều khiển P

16

Thông thường, nếu hệ ổn định thì hệ số khuếch đại càng lớn sai lệch điều khiển với thay đổi giá trị đặt hoặc nhiễu quá trình càng nhỏ, song tác động tỉ lệ không đảm bảo sai lệch tiến tới 0 trong mọi trường hợp.Tuy nhiên, hệ số khuếch đại càng lớn sẽ làm cho tín hiệu điều khiển thay đổi mạnh hơn, đồng thời cũng làm cho hệ nhạy cảm hơn với ảnh hưởng của nhiễu đo Đối với một số quá trình, việc chọn hệ số khuếch đại quá lớn thậm chí có thể làm hệ mất ổn định

2.3.5.2 Bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân là dạng được sử dụng phổ biến nhất trong họ PID So với bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (còn gọi là tác động tích phân) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh Tác động tích phân đưa ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát được e(t)

u(t) = u̅ + kc(e(t) + 1

τi: thời gian tích phân (integral time, reset time)

u̅: giá trị đầu ra của bộ điều khiển tại t=0

Hình 2.10 So sánh giữa P và PI

17

Nhìn vào biểu thức ta có thể thấy rõ vai trò triệt tiêu sai lệch tĩnh của thành phần tích phân Chừng nào sai lệch điều khiển chưa tiệm cận đến 0 thì tín hiệu điều khiển sẽ còn thay đổi trong một thời gian và hệ thống chưa thể đến trạng thái xác lập Hay nói cách khác, nếu hệ kín ổn định và đi tới trạng thái xác lập thì sai lệch điều khiển sẽ phải biến mất Thời gian tích phân càng nhỏ thì tác động tích phân càng lớn, tức là sai lệch điều khiển càng nhanh chóng bị triệt tiêu

2.3.5.3 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID đưa ra tín hiệu điều khiển dựa theo cả ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Thuật toán PID lý tưởng được biểu diễn trên miền thời gian:

u(t) = u̅ + kc(e(t) + 1

kc - hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

τi: thời gian tích phân

τd: thời gian vi phân

u̅: giá trị đầu ra của bộ điều khiển tại điểm làm việc khi (khi e(t)=0)

Hình 2.11 So sánh giữa PI và PID

18

Thuật toán PID mở rộng thuật toán PI thêm thành phần vi phân nhằm cải thiện đặc tính động học của hệ thống Thành phần vi phân tỉ lệ với sự thay đổi của sai lệch điều khiển quan sát được e(t) hay đạo hàm e(t) theo thời gian Bản chất của tác động vi phân là đoán trước chiều hướng và tốc độ thay đổi của biến được điều khiển và đưa ra phản ứng thích hợp, nên nó có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín với thay đổi của giá trị đặt hoặc tác động của nhiễu tải Khi hệ thống tiến tới trạng thái xác lập, sai lệch e(t) là một hằng số thì thành phần này không tác dụng nữa

2.3.6 Bậc tự do điều khiển [38]

CDF (Control Degrees of Freedom) là số lượng tối đa các vòng điều khiển đơn tác động độc lập có thể sử dụng, hay nói cách khác là số lượng tối đa biến đầu vào có thể can thiệp độc lập để tác động tới đầu ra Xác định được số bậc tự do của một mô hình cho phép kiểm chứng tính nhất quán, khả năng giải được và mô phỏng được của một mô hình Cũng trên cơ sở phân tích bậc tự do ta mới có thể đưa ra các sách lược điều khiển đúng đắn

 Vai trò của CDF:

+ Cài đặt lưu lượng dòng Điều khiển mức lỏng Điều khiển áp suất hơi

+ Điều khiển chất lượng sản phẩm (nồng độ sản phẩm)

+ Điều chỉnh yếu tố an toàn, môi trường và các tiêu chuẩn khác

+ Đạt được chế độ vận hành tối ưu (tối thiểu năng lượng, tối đa hiệu suất sản phẩm)

 Cách xác định CDF:

Các CDF thông thường là các biến lưu lượng dòng Để điều khiển được lưu lượng dòng, phương pháp đơn giản nhất là điều chỉnh độ mở của van tương ứng với dòng đó cho phù hợp với giá trị lưu lượng cần thiết

Theo quan điểm động học:

CDF= C-P+2 Trong đó: C là số cấu tử

P là số phase

19

Theo quan điểm thiết kế hệ thống:

CDF= C+2 Bậc tự do quá trình:

Bậc tự do quá trình= số dòng chảy-số ràng buộc tồn tại (Konda, 2006)

Phương trình cân bằng vật chất và năng lượng tổng thể không được xét là ràng buộc Bậc tự do hệ tĩnh: bỏ qua ràng buộc về tích lũy

và cài đặt hệ thống điều khiển bằng cách sử dụng phương pháp dựa trên mô hình được thể hiện trong biểu đồ hình 2.12

Hệ thống phân cấp mà Seborg đưa ra có cấu trúc rõ ràng và dễ hiểu Thông qua từng nhiệm vụ, ta có thể làm rõ những vấn đề, những yêu cầu về chức năng của hệ thống, từ đó tiến hành hoạch định phù hợp Bước 1 có vai trò quan trọng, cung cấp mục tiêu cùng nền tảng cho quá trình thiết kế Sau khi làm rõ mục tiêu và các ràng buộc công nghệ, ta có thể tiến hành các bước tiếp theo Quy trình thiết kế sau đó có thể quy thành ba bước chính:

- Xác định và chọn các biến điều khiển, biến vận hành và phương pháp đo lường

- Chọn chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển

- Chỉ định và cài đặt bộ điều khiển

Chiến lược kiểm soát thích hợp sẽ đáp ứng các mục tiêu kiểm soát trong khi đáp ứng các ràng buộc của quy trình Thiết kế điều khiển là một phạm trù nghệ thuật Trong đó kinh nghiệm, thông tin và sự tỉ mỉ được xem là các yếu tố quyết định đến thành công của quá trình thiết kế Mô phỏng bằng máy tính được sử dụng như phương tiện cung cấp các ước tính sơ bộ về thông số điều khiển

20

Hình 2.12 Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển

Cuối cùng, phần cứng và các thiết bị của hệ thống điều khiển sẽ được lựa chọn, đặt hàng và lắp đặt trong nhà máy Trong thời gian đầu hoạt động, hệ thống tiếp tục được tinh chỉnh, tối ưu nhằm đạt đến trạng thái vận hành tốt nhất

1 Phân tích chức năng hệ thống

2 Xây dựng mô hình quá trình

7 Chỉnh định và đưa vào vận hành

6 Phát triển phần mềm ứng dụng

5 Lựa chọn giải pháp hệ thống

4 Thiết kế thuật toán điều khiển

3 Thiết kế cấu trúc điều khiển

Kinh nghiệm từ các dự án khác

Hệ thống điều khiển

Thông tin, hỗ trợ

từ nhà cung cấp

21

2.4.2 Thiết lập điều khiển [45]

2.4.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển

Nếu sự chênh lệch có thể cho phép, nên sử dụng điều khiển tỷ lệ

Nếu nhiễu đáng kể hoặc thời gian chết đáng kể hoặc công suất quá trình nhỏ, nên sử dụng điều khiển PI

Nếu nhiễu không đáng kể trong quá trình, và công suất của quá trình lớn và không

có thời gian chết, thì một bộ điều khiển PID có thể thích hợp

Điều khiển PI là bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong các nhà máy Trong khi điều khiển PID đòi hỏi thiết lập các điều kiện cần thiết để sử dụng có hiệu quả

2.4.2.2 Lựa chọn luật điều khiển

 Vòng điều khiển lưu lượng:

Quá trình và cảm biến lưu lượng đều khá nhanh và thời gian trễ nhỏ, đặc tính động học của đối tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển Vì thế hầu như ta chỉ cần sử dụng luật PI

 Vòng điều khiển mức:

Đặc tính động học của cảm biến và của thiết bị chấp hành rất nhanh so với quá trình Quá trình có đặc tính tích phân, nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật PI cho điều khiển chặt (với thời gian tích phân tương đối lớn) Thành phần vi phân ít khi được sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo mức thường bị ảnh hưởng của nhiễu

 Vòng điều khiển áp suất chất khí:

Quá trình và cảm biến nói chung đều nhanh hơn thiết bị chấp hành Quá trình cũng

có đặc tính tích phân tương tự như bài toán điều khiển mức, tuy nhiên yêu cầu cao hơn về

độ chính xác vì lý do an toàn Luật PI được sử dụng là chủ yếu, trong đó thành phần tích phân được đặt tương đối nhỏ

 Vòng điều khiển nhiệt độ:

Đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành Đối với một số bài toán, quá trình còn có thể có đặc tính dao động

22

hoặc thậm chí không ổn định (ví dụ điều khiển nhiệt độ thiết bị phản ứng, nhiệt độ trong tháp chưng luyện) Phép đo nhiệt độ chậm nhưng ít chịu ảnh hưởng của nhiễu Vì thế ta nên sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp hệ ổn định hơn

 Vòng điều khiển thành phần:

Các vòng điều khiển thành phần thường có đặc tính tương tự như vòng điều khiển nhiệt độ Quá trình thường là phần tử chậm nhất trong vòng kín, sau đến cảm biến; thiết bị chấp hành thường nhanh nhất Bộ điều khiển PID cũng thường được sử dụng

2.4.2.3 Thông số điều khiển [28]

Dưới đây là bảng các thông số điều khiển cho các vòng điều khiển đã nói ở trên, các thông số điều khiển này tương đối chính xác cho đa số các quá trình và có thể thay đổi để tìm ra thông số điều khiển phù hợp nhất

Bảng 2.1 Các thông số điều khiển

Có hai phương pháp thường được sử dụng:

+ ATV (Auto Tuning Variation): trong hệ có dead time được sử dụng rất phổ biến + Ziegler-Nichols: phát triển cho hệ cơ-điện, dựa trên nguyên tắc “giảm biên độ ¼” Phương pháp điều khiển chặt chẽ, chỉ sử dụng cho hệ có dead time nhỏ hoặc không có Phần mềm Hysys có công cụ hỗ trợ điều chỉnh tự động (Autotuner) cho phép người

sử dụng nhanh chóng lấy được các thông số điều khiển chính xác Và trong khuôn khổ đề tài luận văn, ta sẽ sử dụng công cụ này để phục vụ cho quá trình tính toán các thông số điều khiển

23

CHƯƠNG 3: TIẾN TRÌNH MÔ PHỎNG

3.1 Thiết kế xây dựng mô hình tĩnh

3.1.1 Hệ nhiệt động phản ứng

Quá trình Dehydro đoạn nhiệt Ethylbenzene là một hệ phản ứng với cơ chế phức tạp Ngoài sản phẩm chính là Styrene sinh ra từ phản ứng thu nhiệt, các sản phẩm phụ điển hình có thể kể đến là Toluene, Benzene và các chất khí như Methane, Ethylene Để thuận tiện cho tiến trình mô phỏng, ta lựa chọn ba phản ứng (1), (2), (3) từ cơ sở lý thuyết

và tiến hành tính toán các thông số động học

Ba phản ứng dùng trong mô phỏng:

C6H5CH2CH3  C6H5CH=CH2 + H2 (1) ∆H (600°C) = 124.9 kJ/mol

C6H5CH2CH3 => C6H6 + C2H4 (2) ∆H = 101.8 kJ/mol

C6H5CH2CH3 + H2 => C6H5CH3 + CH4 (3) ∆H = – 64.5 kJ/mol Trong đó phản ứng (1) diễn ra thuận nghịch, thu nhiệt mạnh, bị hạn chế bởi cân bằng động học Phản ứng (2) thu nhiệt, phản ứng (3) tỏa nhiệt Lượng nhiệt sinh ra trong phản ứng (3) có thể cung cấp một phần năng lượng cho hệ phản ứng Quá trình tiến hành trong chuỗi thiết bị phản ứng dạng ống, được nhồi đầy xúc tác, đoạn nhiệt

Gói nhiệt động (Fluid Package) lựa chọn là Peng-Robinson do tính phổ biến trong công nghiệp dầu khí, các cấu tử có mặt trong hệ ít phân cực và điện ly yếu trong nước Thông số động học của hệ được trích từ công trình nghiên cứu của Hermann [12] sau khi loại bỏ tác động của phản ứng ngược chiều:

𝑟1 = −7.491 × 10−2 𝑚𝑜𝑙 𝐸𝐵

𝑔𝑐𝑎𝑡 𝑠 𝑘𝑃𝑎𝑒𝑥𝑝 [

−21,874 𝐽/𝑚𝑜𝑙(1.987𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝑇𝐽 ] (𝑝𝐸𝐵−

𝑟3 = −8.519 × 10−2 𝑚𝑜𝑙 𝐸𝐵

𝑔𝑐𝑎𝑡 𝑠 𝑘𝑃𝑎𝑒𝑥𝑝 [

−21,869 𝐽/𝑚𝑜𝑙(1.987𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝑇𝐽 ] (𝑝𝐸𝐵𝑝𝐻2)

𝑟3 = −8.209 × 107 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐸𝐵

𝑚𝑔𝑎𝑠3 ℎ𝑟 𝑏𝑎𝑟𝑒𝑥𝑝 [

−91,500 𝐽/𝑚𝑜𝑙(8.314𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝑇𝐽 ] (𝑝𝐸𝐵𝑝𝐻2)

Cần lưu ý các phương trình này chỉ đúng với hệ số lỗ trống là 0.445, phương trình r1

thiết lập dưới dạng Simple Rate, hai phương trình còn lại là Kinetic

Để quá trình phản ứng đạt hiệu quả cao về độ chuyển hóa và hiệu suất, cần tuân thủ các ràng buộc như sau [47]:

- Nhiệt độ của lò phản ứng nên được duy trì ở mức 605oC hoặc cao hơn để có được tốc độ phản ứng tốt

- Để ngăn chặn lượng lớn sản phẩm phụ hình thành, nhiệt độ lò phản ứng không được vượt quá 700oC

- Áp suất phù hợp cho lò phản ứng nằm trong khoảng từ 1.2 đến 2 bar Áp suất vận hành quá cao sẽ không thực tế vì hạn chế động học của quá trình

25

- Tỷ lệ tối thiểu giữa hơi nước quá nhiệt và Ethylbenzne trong dòng nguyên liệu

là 10 và tối đa là 13 Hơi nước có tác dụng tạo môi trường và cung cấp nhiệt lượng cho phản ứng Lượng hơi nước nhiều hay ít sẽ quyết định đến áp riêng phần của hệ, lượng sản phẩm phụ tạo thành cũng như yếu tố kinh tế nên cần cân nhắc lựa chọn kĩ lưỡng

- Lò phản ứng được thiết kế cách nhiệt tốt, xúc tác dùng cho hệ phải bảo đảm chức năng và có độ bền cao Lúc vận hành cần thường xuyên theo dõi, phân tích và thay thế chất xúc tác khi bị mất hoạt tính

3.1.2 Xây dựng cụm quy trình

3.1.2.1 Cụm nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào của quá trình gồm dòng Ethylbenzene nguyên chất ở nhiệt độ

110oC, áp suất 1.2 bar và dòng hơi nước quá nhiệt có nhiệt độ 198.6oC trong cùng điều kiện áp suất Tỉ lệ lưu lượng mol giữa hơi nước và Ethylbenzene ban đầu là 12

Sau khi thiết lập thông số nhập liệu, ta sử dụng bơm tăng áp và máy nén để vận chuyển hai dòng vào thiết bị trộn Mixer hoạt động ở áp suất 1.6 bar, dòng ra từ thiết bị được gia nhiệt đến 606.8oC trước khi tiến vào cụm phản ứng

Lượng Ethylbenzene nhập liệu sẽ được tính toán lại khi biết các thông số của dòng Ethylbenzene hồi lưu từ cụm phân tách, đồng thời cũng sẽ có sự điều chỉnh về tỉ lệ giữa các dòng nhập liệu

3.1.2.2 Cụm phản ứng

Cụm này bao gồm một chuỗi ba lò phản ứng được đặt nối tiếp nhau Trước mỗi lò

có một thiết bị gia nhiệt với nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho phản ứng

Độ chuyển hóa tổng của quá trình phải đạt trên 70% Sau khi phản ứng kết thúc, dòng sản phẩm sẽ được làm nguội xuống 25oC bằng thiết bị trao đổi nhiệt

Thông số thiết kế của lò phản ứng được trích dẫn từ tài liệu [40]