Mô hình hóa tháp chưng cất 2 thành phần 3 tầng cho công nghệ dầu khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Mô hình hóa tháp chưng cất 2 thành phần 3 tầng cho công nghệ dầu khí trình bày kết quả xây dựng mô hình toán học của tháp chưng cất 2 thành phần dựa trên cấu hình LV và mô phỏng mô hình toán học này dựa trên phần mềm Matlab Simulink.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình hóa tháp chưng cất 2 thành phần 3 tầng cho công nghệ dầu khí

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 21 MÔ HÌNH HÓA THÁP CHƯNG CẤT 2 THÀNH PHẦN 3 TẦNG CHO CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ MODELLING THE TWO COMPOSITION – THREE STAGE DISTILLATION COLUMNS FOR PETROCHEMICAL TECHNOLOGY Nguyễn Quốc Định Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nqdinh@dut.udn.vn Tóm tắt - Mô hình quá trình tháp chưng cất là một mô hình đa biến, Abstract - The model of distillation column process, actually, is a tác động xen kênh và tính phi tuyến mạnh. Xây dựng mô hình toán model of multivariable, inter-channel effects and strong tháp chưng cất là vấn đề quan trọng trong việc đưa ra sách lược nonlinearity. Modelling distillation column is important to provide điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống tháp the most appropriate control strategies in order to improve chưng cất. Bài báo trình bày kết quả xây dựng mô hình toán học performance of distillation columns. This paper presents the của tháp chưng cất 2 thành phần dựa trên cấu hình LV và mô mathematical model of two composition distillation columns. The phỏng mô hình toán học này dựa trên phần mềm Matlab Simulink. simulation schema has been developed on the Matlab - Simulink. Từ kết quả mô phỏng có thể nhận thấy ảnh hưởng của các thành From the obtained simulation results, we can see how the phần L, V đến các thành phần cấu tử trong tháp chưng cất. Nghiên compositions L, V affect other composition of distillation columns. cứu này sẽ là tiền đề cho việc ứng dụng các phương pháp điều Moreover, this research results will be the first step for applying the khiển thông minh nhằm nâng cao chất lượng điều khiển tháp intelligent control methods, such as fuzzy, neural netwoks or GA, chưng cất 2 thành phần. to enhance the control quality of this kind of distillation columns. Từ khóa - tháp chưng cất; mô hình hóa; động học; thành phần; Key words - Distillation column, modelling, dynamic, composition, phân tách. separation. 1. Đặt vấn đề tại đó nhiệt được truyền vào để hóa hơi 1 phần chất lỏng Ngày nay cũng với sự phát triển vượt bậc của nền công cấu tử nhẹ còn trong dung dịch từ đáy tháp. nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp rất Tháp chưng cất hai thành phần có cấu tạo gồm 3 bộ cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao. Chưng cất là phận chính (Hình 1): thiết bị đun sôi, thân tháp và thiết bị phương pháp được thực hiện để phân tách hỗn hóa học ngưng tụ. gồm nhiều thành phần thành những dòng sản phẩm tinh khiết hơn. Sự phân tách dựa trên sự khác nhau về “tính chất dễ bay hơi” giữa những thành phần hóa học khác nhau. Để thực hiện được sự chưng cất người ta dùng tháp chưng cất. Các cấu tử dễ bay hơi (cấu tử nhẹ) được rời đi khỏi đỉnh tháp, còn cấu tử khó bay hơi hơn (cấu tử nặng) được rời đi từ đáy tháp. Chưng cất được phân thành chưng cất nhiều thành phần và chưng cất hai thành phần. Chưng cất nhiều thành phần là quá trình phân tách hỗn hợp nhiều chất hóa học thành nhiều dòng sản phẩm. Chưng cất hai thành phần là chưng cất có dòng nguyên liệu vào tháp được tách thành 2 dòng sản phẩm. Ngoài ra còn phân theo chưng cất liên tục hay chưng cất theo mẻ. Nghiên cứu động học để xây dựng mô hình toán tháp chưng cất là vấn đề quan trọng trong việc điều khiển và giám sát tháp chưng cất. Nhiều công trình đã nghiên cứu về động học tháp chưng cất, kể cả trong phòng thí nghiệm và cả trong các nhà máy. Theo [4], tác giả Đặng Văn Chí Hình 1. Sơ đồ tháp chưng cất hai thành phần (2012) đã đề xuất giải pháp dùng mạng neuron để ước lượng nồng độ thành phần đỉnh tháp, đáy tháp và vùng cấp Thiết bị ngưng tụ là bộ trao đổi nhiệt để hóa lỏng hơi liệu để cho ra XD và YB. Ngoài ra, năm 2011, Asha Rani và rời khỏi đỉnh tháp. Chất lỏng từ thiết bị ngưng tụ rơi xuống cs đã sử dụng bộ ước lượng Adaline và LM so với kết quả bể chứa sản phẩm ngưng tụ. Sản phẩm đỉnh được rời đi từ thực trong tháp chưng cất phản ứng và chưng cất nhiều bể này. Một dòng chất lỏng hồi lưu được cấp trở lại vào thành phần [5]. đỉnh tháp để hóa lỏng hơi các cấu tử nặng còn lẫn trong đỉnh khay. 2. Xây dựng mô hình toán tháp chưng cất hai thành Thân tháp được cấu tạo từ các khay, các khu vực ở giữa phần các đĩa gọi là các tầng. Đánh số thứ tự từ đáy tháp “1” đến Thiết bị đun sôi là một bộ trao đổi nhiệt đặt tại đáy tháp, đỉnh “N”, khay cấp là F. Những khay này sẽ tạo điều kiện
22 Nguyễn Quốc Định cho các cấu tử nhẹ ở thể hơi đi lên đỉnh tháp và cấu tử nặng Các phương trình toán động học trong thể lỏng đi xuống đáy tháp. Phương trình cân bằng khối lượng tại các đĩa Bảng 1. Các kí hiệu Tại thiết bị ngưng tụ: Kí hiệu Nghĩa kí hiệu dM D = Vn − (L + D ) (6) F Lưu lượng dòng nạp liệu (kmol/ph) dt Tại đĩa thứ n trên cùng: zF Phần mol của hợp chất nhẹ trong dòng nguyên liệu nạp (%) dM n = Vn −1 − Vn + L − Ln (7) dt D Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (kmol/ph) Tại đĩa thứ i bất kì: B Lưu lượng dòng sản phẩm đáy (kmol/ph) dM i = Vi −1 − Vi + Li +1 − Li (8) N Số đĩa lý thuyết dt Ln, Vn Tốc độ dòng mol toàn phần của pha lỏng và pha hơi Tại đĩa cấp liệu F: tương ứng khi rời khỏi đĩa N (kmol/ph) dM f = V f −1 − V f + L f +1 − L f + F (9) xD Phần mol chất nhẹ trong sản phẩm đỉnh (%) dt xB Phần mol chất nhẹ trong sản phẩm đáy (%) Tại đĩa ở đáy tháp chưng cất: dM 1 xi, yi Phần mol hợp chất nhẹ của pha lỏng, pha hơi trên đĩa = VB − V1 + L2 − L1 (10) thứ i (%) dt L Dòng hồi lưu ở đỉnh tháp (kmol/ph) Tại nồi tái đun: dM B V Dòng hơi hồi lưu vào đáy tháp (kmol/ph) = −VB + L1 − B (11) dt Mi Lượng chất lỏng đọng lại trên đĩa thứ i (kmol) Phương trình cân bằng về nồng độ thành phần Để đơn giản trong việc mô tả hệ thống, ta đưa ra các giả Tại thiết bị ngưng tụ: thiết sau (Các giả thiết này không làm ảnh hưởng đến tính dM D xD tổng quát mô hình hóa tháp chưng cất): = Vn yn − (L + D ) x D (12) dt • Các đĩa lọc trong tháp làm việc với hiệu suất 100%. Tại đĩa thứ n trên cùng: • Lượng lỏng trên đĩa không thay đổi trong chế độ dM n xn = Vn −1 yn −1 − Vn yn + LxD − Ln xn (13) quá độ. dt • Chất lỏng trong tháp ở nhiệt độ sôi, hơi ở trạng thái Tại đĩa thứ i bất kì: bão hòa. dM i xi = Vi −1 yi −1 − Vi yi + Li +1 xi +1 − Li xi (14) • Chưng cất được thực hiện trong điều kiện cân bằng dt pha lỏng - hơi. Tại đĩa cấp liệu F: • Tổn thất nhiệt từ tháp ra môi trường xung quanh dM f x f = V f −1 y f −1 − V f y f + L f +1 x f +1 − L f x f + Fz f được bỏ qua. dt Phương trình toán ở trạng thái xác lập [1], [3] (15) Ở trạng thái cân bằng pha, nồng độ thành phần phải Tại đĩa ở đáy tháp chưng cất: được cân bằng trong cả pha hơi và pha lỏng: dM 1 x1 = VB yB − V1 y1 + L2 x2 − L1 x1 (16) dt yi PT = xi Pi γ i (1) Tại nồi tái đun: Hằng số cân bằng pha: dM B xB y = −VB y B + L1 x1 − BxB (17) Ki = i (2) dt xi Từ các phương trình trên, ta có: Nhiệt độ ở đáy tháp thỏa mãn phương trình: d ( M i xi ) dx d Mi Nc Nc = M i i + xi dt dt dt (18) ∑ i =1 Ki xi = ∑ y =1 i =1 i (3) = Li +1 xi +1 − Li xi + Vi −1 yi −1 − Vi yi Do đó: Hệ số bay hơi tương đối được dùng để đánh giá khả năng phân tách của các cấu tử trong công đoạn chưng: dxi 1 ⎛ d ( M i xi ) d Mi ⎞ = ⎜ − xi ⎟ yj / xj dt M i ⎝ dt dt ⎠ α jk = (4) dxi 1 yk / xk = ( Li +1 xi +1 − Li xi + Vi −1 yi −1 − Vi yi ) Phương trình cân bằng về nồng độ thành phần: dt Mi (19) FzF = DxD + BxB 1 (5) − ( Li +1 xi − Li xi + Vi −1 xi − Vi xi ) Mi
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 23 Từ đây ta có phương trình toán học tổng quát của tháp dx3 M3 = V2 y2 − L3 x3 − Dx 3 (27) chưng cất: dt ⎧ dX Trong đó: ⎪ = f (X, U) ⎨ dt (20) L3 = L ⎪Y = g (X, U) ⎩ D=V-L Trong đó: dx3 M3 = Vy 2 − Vx 3 (28) Biến trạng thái: X = [xB, x1, x2, …, xN, xD]T dt Véctơ đầu vào: U = [L V]T Áp dụng phép khai triển Taylor và kết hợp phương trình Véctơ đầu ra: Y =[xD, xB]T (22), tuyến tính hóa các phương trình trên: dx1 Mô hình toán tháp chưng cất hai thành phần 3 tầng M1 = ( − B − Vk1 ) Δx1 + ( L + F )Δx2 + ( x2 − x1 )ΔL Ở đây, bài báo minh họa một tháp chưng cất đơn giản dt với 3 tầng và nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của mô + ( x1 − y1 )ΔV + ( x2 − x1 )ΔF hình động học của tháp 3 tầng này. dx2 Chúng ta tách 2 thành phần, áp suất không đổi và giữ M2 = Vk1Δx1 − ( L + F + Vk2 )Δx2 + LΔx3 dt hơi ở mức cao không đáng kể, điều khiển hoàn hảo về mức + ( x3 − x2 )ΔL + ( y1 − y2 )ΔV bằng cách sử dụng cấu hình LV, dòng chảy toàn bộ không đổi (thay cho cân bằng năng lượng), cân bằng lỏng – hơi + ( z F − x2 )ΔF + F ΔzF của tất cả các tầng, bỏ qua dòng chảy động học trong tháp. dx Từ phương trình (4), ta có: M 3 3 = Vk2 Δx2 − V Δx3 dt αx yi, xi, Li,Vi là các giá trị ở trạng thái ổn định của hệ tại y= (21) 1 + (α − 1) x thời điểm hoạt động thứ i. Và bằng cách viết x thay cho Δ Áp dụng khai triển Taylor để tuyến tính hóa phương x, mô hình trạng thái của tháp ở dạng vi phân: trình (4): ⎧ dx Δy1 α ⎪ = Ax + Bu + Ed = ≈ k1 ⎨ dt (29) Δx1 (1 + (α − 1) x1 ) 2 ⎪ y = Cx (22) ⎩ Δy2 α = ≈ k 2 Trong đó: Δx2 (1 + (α − 1) x2 ) 2 x = [x1 x2 x3]T là biến trạng thái; Các phương trình trạng thái của tháp chưng cất hai thành phần có 3 tầng như sau: u = [L V]T là biến đầu vào; Thiết bị đun sôi đáy tháp: y = [ xD xB]Tlà biến đầu ra; dx d = [ F, zF ]T là nhiễu của mô hình. M 1 1 = L2 x2 − Bx1 − V1 y1 (23) dt Các ma trận: Trong đó: ⎡(− B− Vk1 ) / M1 ( L + F ) / M1 0 ⎤ L2 = L + F A = ⎢⎢ Vk1 / M 2 (− L − F − Vk2 ) / M 2 L/ M 2 ⎥⎥ ; V1 = V ⎢⎣ 0 Vk2 / M 3 −V / M 3 ⎥⎦ B = L+ F – V ⎡ ( x2 − x1 ) / M1 ( x1 − y1 ) / M1 ⎤ dx1 ⎢ ⎥ M1 = ( L + F ) x2 − ( L + F -V) x1 − Vy1 (24) B = ⎢( x3 − x2 ) / M 2 ( y1 − y2 ) / M 2 ⎥; dt ⎢0 0 ⎥ Đĩa cấp liệu: ⎣ ⎦ dx ⎡ ( x2 − x1 ) / M1 0 ⎤ M 2 2 = Fz F + V1 y1 + L3 x3 − V2 y2 − L2 x2 (25) ⎢ ⎥ dt E = ⎢( zF − x2 ) / M 2 F / M 2 ⎥; Trong đó: ⎢0 0 ⎥ ⎣ ⎦ L2 = L + F ⎡ 0 0 1 ⎤ L3 = L C=⎢ ⎥ ⎣1 0 0 ⎦ V1= V2 = V dx 3. Mô phỏng hệ thống tháp chưng cất hai thành phần 3 M 2 2 = Fz F + Vy1 + Lx3 − Vy2 − ( L + F ) x2 (26) dt tầng Thiết bị ngưng tụ: Từ hệ phương trình (29) ta xây dựng mô hình tháp chưng cất hai thành phần 3 tầng như Hình 2.
24 Nguyễn Quốc Định này được xác định trên mô phỏng Matlab - Simulink). Dap ung thanh phan xD, xB cua thap 0.7 xD xB 0.6 0.5 Phan mole chat nhe (%) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Time (phut) Hình 3. Đáp ứng thành phần xD ,xB của tháp chưng cất Hình 2. Mô hình tháp chưng cất hai thành phần 3 tầng 4. Kết luận Từ những nghiên cứu về nguyên lý hoạt động, động học Các dữ liệu về tháp được lấy từ nghiên cứu của của tháp chưng cất hai thành phần, ta đã xây dựng được mô Sigurd Skogestad [2] về động học và điều khiển tháp hình toán cho tháp chưng cất thành phần gồm n đĩa lý chưng cất. thuyết và từ đó đưa ra cấu hình LV cụ thể cho tháp chưng Bảng 2. Các tham số mô hình của tháp chưng cất cất hai thành phần 3 tầng, hai thành phần 3 tầng Thực hiện mô phỏng tháp chưng cất hai thành phần 3 N Nt NF F ZF α D L V xD xB Mi tầng cho thấy thành phần cấu tử xD và xB thay đổi theo dòng phản hồi L và V. 2 3 2 1 0.5 10 0.5 3.55 3.55 0.9 0.1 1 Bảng 3. Các dữ liệu thành phần 3 tầng ở trạng thái cân bằng TÀI LIỆU THAM KHẢO của tháp [1] Page S. Buckley, William L.Luyben, Joseph P. Shunta, Design of distillation column control systems, Publishers Creative Services Tầng I Li Vi xi yi Inc, New York, 1985. Bình ngưng 3 3.05 0.9 [2] Sigurd Skogestad: “Dynamics and control of Distillation Columns”,Chemical Engineering, Norwegian University of Science Đĩa cấp liệu 2 4.05 3.55 0.4737 0.9 and Technology N-7034 Trondheim, Norway, 1997. [3] William L.Luyben: Process Modeling, Simulation, and Control for Nồi hơi 1 3.55 0.1 0.5263 Chemical Engineers, McGraw – Hill, 1990. [4] Đặng Văn Chí, Nghiên cứu các giải pháp để nâng cao chất lượng Kết quả mô phỏng với d = [1, 0.5]T , u = [3.05, 3.55]T sản phẩm và hiệu suất làm việc của tháp chưng cất trong công Nhận xét kết quả mô phỏng: Từ đáp ứng thành phần xD, nghiệp dầu mỏ, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường đại học Mỏ - Địa xB của tháp chưng cất như trên Hình 3, ta có thể thấy rằng chất, 2012. [5] Asha Rani, Vijander Singh, J.R.P Gupta, “Soft sensor based on adaptive xD, xB đã nhanh chóng tiến đến giá trị xác lập với sai số nhỏ linear network for distillation process”, International journal of nằm trong phạm vi cho phép (< 5% giá trị xác lập, sai số computer applications(0975-8887), Volume 36-No. 1, 2011. (BBT nhận bài: 14/12/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/12/2016)