MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH BAY HƠI

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH BAY HƠI

Giới thiệu chung

Bay hơi là quá trình chuyển đổi chất lỏng thành hơi ở bề mặt của chất lỏng, trong khi bốc hơi xảy ra khi toàn bộ khối lượng chất lỏng được đun sôi.

Trong một cốc nước, các phân tử thường không có đủ nhiệt năng để thoát khỏi chất lỏng Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng đủ, chất lỏng sẽ nhanh chóng chuyển thành dạng hơi Các phân tử va chạm và chuyển hóa năng lượng cho nhau ở nhiều mức độ khác nhau, tùy thuộc vào cách chúng va chạm Đặc biệt, những phân tử gần bề mặt có thể tích lũy đủ năng lượng để bay hơi.

Quá trình bay hơi thường dùng để:

 Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch (làm đậm đặc)

 Tách các chất hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)

 Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

 Lấy nhiệt từ môi trường lạnh khi thay đổi trạng thái của tác nhân làm lạnh…

1.1.2 Bản chất vật lý của quá trình bay hơi Để các phân tử của một chất lỏng bay hơi được, chúng phải ở gần bề mặt, di chuyển theo hướng thích hợp, và có đủ động năng để vượt qua được lực liên kết phân tử ở trạng thái lỏng Khi chỉ có một phần nhỏ các phân tử đáp ứng những điều trên, tốc độ bay hơi sẽ giảm xuống Vì động năng của một phân tử tỷ lệ thuận với nhiệt độ của nó, sự bay hơi diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao Khi các phân tử chuyển động nhanh hơn thoát ra, các phân tử còn lại sẽ có động năng trung bình thấp hơn, và nhiệt độ của chất lỏng giảm xuống Hiện tượng này còn được gọi là sự bay hơi để làm mát Đây là lý do tại sao việc làm bay hơi mồ hôi làm mát cơ thể con người Sự bay hơi cũng có xu hướng diễn ra nhanh hơn với lưu lượng lớn hơn giữa pha khí và pha lỏng, và trong

Chương 1 Tổng quan về quá trình bay hơi

Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bay hơi của chất lỏng có áp suất hơi cao hơn bao gồm nhiệt độ, áp suất khí quyển và sự chuyển động của không khí Ví dụ, quần áo sẽ khô nhanh hơn vào những ngày có gió do quá trình bay hơi diễn ra mạnh mẽ hơn so với những ngày lặng gió Ở mức độ phân tử, không có ranh giới rõ ràng giữa trạng thái lỏng và trạng thái hơi; thay vào đó, tồn tại một lớp Knudsen, nơi mà các pha trở nên không xác định Lớp này chỉ dày vài phân tử, nhưng ở quy mô vĩ mô, bề mặt chuyển pha vẫn rõ ràng và dễ nhận thấy.

Các chất lỏng không bay hơi ở nhiệt độ và môi trường nhất định, như dầu ăn ở nhiệt độ phòng, không có xu hướng chuyển năng lượng cho nhau, dẫn đến việc không thể cung cấp đủ năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình hóa hơi Tuy nhiên, các chất lỏng này vẫn diễn ra hiện tượng bốc hơi, chỉ là quá trình này diễn ra chậm hơn nhiều và khó quan sát hơn.

 Sự cân bằng bay hơi

Trong một hệ kín, khi sự bay hơi xảy ra, các phân tử sẽ tích lũy thành hơi trên bề mặt chất lỏng Mặc dù hầu hết các phân tử quay trở lại chất lỏng, tần suất này tăng lên khi khối lượng riêng và áp suất của hơi tăng Khi đạt trạng thái cân bằng giữa quá trình thoát và quay trở lại, hơi được xem là "bão hòa", dẫn đến không có sự thay đổi về khối lượng riêng, áp suất hơi hay nhiệt độ của chất lỏng Đối với hệ thống gồm hơi và lỏng của một chất tinh khiết, trạng thái cân bằng này liên quan trực tiếp đến áp suất hơi của chất, theo các mối quan hệ Clausius-Clapeyron.

Tốc độ bay hơi của một chất lỏng trong hệ mở phụ thuộc vào áp suất hơi tại nhiệt độ tương ứng, được xác định bởi công thức liên quan đến entanpy bay hơi và hằng số khí Khi chất lỏng được đun nóng, nó sẽ bắt đầu sôi khi áp suất hơi đạt đến áp suất môi trường xung quanh.

Khả năng bay hơi của một phân tử trong chất lỏng phụ thuộc vào động năng mà nó có thể đạt được Ngay cả khi ở nhiệt độ thấp, phân tử vẫn có thể bay hơi nếu nó sở hữu động năng vượt quá mức tối thiểu cần thiết.

 Sự hấp thụ nhiệt: Sự bay hơi là một quá trình hấp thụ nhiệt

1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi

Nồng độ các chất bay hơi trong không khí ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của chúng; khi nồng độ của một chất bay hơi trong không khí cao, quá trình bay hơi của chất đó sẽ diễn ra chậm hơn.

- Nồng độ các chất khác trong không khí: Nếu không khí đã bão hòa với các chất khác, khả năng tiếp nhận chất bay hơi sẽ thấp hơn

Lưu lượng không khí ảnh hưởng đến nồng độ các chất trong dòng khí Khi dòng khí sạch liên tục di chuyển trên một bề mặt, nồng độ chất đó sẽ ít tăng lên theo thời gian, dẫn đến việc chất bay hơi nhanh hơn Hiện tượng này xảy ra do sự giảm lớp ranh giới tại bề mặt bay hơi nhờ vào tốc độ dòng chảy, cùng với việc giảm khoảng cách khuếch tán trong lớp cố định.

Lực liên kết phân tử trong trạng thái lỏng càng mạnh, thì càng cần nhiều năng lượng để phân tử thoát khỏi bề mặt chất lỏng, điều này được thể hiện qua entanpy bay hơi.

- Áp suất: Sự bay hơi xảy ra nhanh hơn nếu có ít lực trên bề mặt để giữ các phân tử lại

Chất có diện tích bề mặt lớn hơn sẽ có khả năng bay hơi nhanh hơn, do có nhiều phân tử ở bề mặt có thể thoát ra dễ dàng.

Nhiệt độ của chất ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi; chất có nhiệt độ cao hơn sẽ có động năng trung bình của các phân tử lớn hơn, dẫn đến quá trình bay hơi diễn ra nhanh chóng hơn.

- Khối lượng riêng: Chất lỏng có khối lượng riêng càng lớn thì sẽ bay hơi càng chậm

Dung dịch thường bao gồm dung môi và chất rắn hòa tan Qua quá trình tách nhiệt đơn giản, dung môi có thể bị bay hơi, dẫn đến việc đặc lại dung dịch và tăng nồng độ của nó Mục đích của việc tách nhiệt có thể đa dạng, nhưng chủ yếu nhằm cô đặc dung dịch, thu hồi dung môi hoặc chất hòa tan.

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, dung dịch thường chứa lượng nước vượt quá yêu cầu Để loại bỏ nước khỏi thực phẩm dạng lỏng, phương pháp hiệu quả nhất là bốc hơi Thiết bị bay hơi đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, giúp tách nước ra khỏi các thành phần khác.

Quá trình bay hơi si-rô đường

Si-rô đường là một loại si-rô thực phẩm chứa đường và mạch nha, được sản xuất từ quá trình thủy phân tinh bột như lúa mì, ngô hoặc khoai tây Việc bổ sung si-rô đường vào sản phẩm giúp ngăn chặn sự kết tinh của sucrose, tăng khả năng hấp thụ độ ẩm từ không khí, đồng thời cải thiện độ nhớt và độ ngọt Chính vì những đặc tính này, si-rô đường thường được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bánh kẹo.

Si-rô đường được sản xuất thông qua hai phương pháp chính: thủy phân axit và thủy phân enzym Trong thủy phân axit, axit được sử dụng làm chất xúc tác để tách các liên kết hóa học trong phân tử tinh bột mà không làm ảnh hưởng đến tính chất của đường Ngược lại, trong thủy phân enzym, các enzym như α-amylase, β-amylase và glucoamylase được thêm vào hỗn hợp tinh bột và nước, giúp phân tách tinh bột thành các tinh thể và phân tử đường khác nhau.

Si-rô được sản xuất bằng cách loại bỏ các tạp chất thủy phân để đạt được hàm lượng đường mong muốn Sau đó, si-rô sẽ được bay hơi nhằm tăng nồng độ đường lên mức yêu cầu Để đo lường hàm lượng đường trong dung dịch si-rô, người ta sử dụng phép đo phần trăm khối lượng chất rắn trong dung dịch.

1.2.2 Quá trình bay hơi si-rô đường

Trên hình 1.1 là một hệ thống làm bay hơi si-rô đường [1]

B ể tá ch h ơi B ể tá ch h ơi B ể tá ch h ơi

Khâu làm nóng sơ bộ Công đoạn 1 Công đoạn 2 Công đoạn 3

Hình 1.1 Hệ thống bay hơi si-rô đường

- Các đường ống có chứa hơi nước kí hiệu là (S_in)

- Các đường ống chứa hơi được tách ra từ dung dịch sau khi được bay hơi kí hiệu là (V)

- các đường ống chứa si-rô kí hiệu là (c và F)

- Khâu làm nóng sơ bộ gồm có ba thiết bị trao đổi nhiệt

- Khâu làm bay hơi gồm ba công đoạn bay hơi

- Thiết bị nén lại hơi nhiệt kí hiệu là (TVR)

8 a) Hơi nước cung cấp cho hệ thống (S_in)

Tất cả hơi nước (S_in) trong hệ thống này đều được cung cấp từ một nguồn duy nhất, kết nối với các bộ phận khác trong nhà máy Hơi nước đi vào hệ thống thông qua ba van V1, V2 và V3, đóng vai trò quan trọng trong quá trình cung cấp hơi Bên cạnh đó, khâu làm nóng sơ bộ cũng được thực hiện để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.

Khâu làm nóng sơ bộ bao gồm ba thiết bị trao đổi nhiệt, được biểu thị bằng ba hình vuông Si-rô ban đầu được chứa trong bể và được bơm vào khâu này Thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên sử dụng hơi ngưng tụ từ công đoạn bay hơi đầu tiên, trong khi thiết bị thứ hai sử dụng hơi cấp từ thiết bị nén lại hơi nhiệt (TVR) Thiết bị trao đổi nhiệt thứ ba sử dụng hơi sơ cấp (S_in) thông qua van điều khiển bằng tay (V1) để tiệt trùng si-rô.

Thiết bị nén hơi nhiệt bao gồm hai máy phun hơi lớn và nhỏ, thực hiện quá trình nén hơi bằng cách hút lại toàn bộ hơi từ dung dịch tách ra trong công đoạn bay hơi đầu tiên Hơi nén được cung cấp nhiều hơn cho công đoạn bay hơi so với khâu làm nóng sơ bộ Nhiệt sơ cấp được cấp vào các máy phun, với máy phun lớn sử dụng bốn phần năm lượng hơi sơ cấp và máy phun nhỏ một phần năm, cho thấy máy phun lớn tiêu thụ gấp bốn lần lượng hơi nén so với máy phun nhỏ.

Khâu làm bay hơi bao gồm ba công đoạn Mỗi công đoạn bay hơi có một thiết bị trao đổi nhiệt và một bể tách hơi

Công đoạn bay hơi thứ nhất là bước khởi đầu quan trọng, trong đó sử dụng hơi sơ cấp và hơi được nén lại từ quy trình này thông qua một máy phun hơi lớn hơn, nằm trong thiết bị nén hơi nhiệt (TVR).

Trong công đoạn bay hơi thứ 2, nhiệt hơi từ công đoạn đầu tiên được tận dụng hiệu quả bằng cách dẫn trực tiếp vào thiết bị trao đổi nhiệt của công đoạn này.

- Công đoạn bay hơi thứ 3, chỉ sử dụng hơi sơ cấp (S_in) thông qua van (V3) cấp vào cho thiết bị trao đổi nhiệt

- Các kí hiệu vòng tròn là các cảm biến đo nồng độ và lưu lượng, áp suất của hơi cung cấp cho các công đoạn bay hơi

Có thể thực hiện quay vòng si-rô sau khi bay hơi cho bể chứa nếu nồng độ si-rô quá thấp so với giá trị đặt Khi đó, sản phẩm cần phải trải qua quá trình này một lần nữa Nếu mức trong bể chứa thấp, việc nén si-rô trở lại với nồng độ cao hơn sẽ làm tăng nồng độ của dung dịch si-rô.

Quá trình bay hơi diễn ra chậm và độ trễ là một trong những lý do khiến việc điều khiển trở nên khó khăn Các cảm biến đo tính chất si-rô, được lắp đặt trước khâu làm nóng sơ bộ và sau quá trình thứ ba, gặp khó khăn trong việc phân tích tính chất ở từng giai đoạn bay hơi Bằng cách điều chỉnh lưu lượng hơi đến công đoạn bay hơi thứ ba và phân tích ảnh hưởng của nó đến nồng độ của ba giai đoạn, ta có thể ước lượng được các thông số quan trọng Theo nghiên cứu, thời gian trễ đo nồng độ là 165 giây, với hệ số tỷ lệ 0.12 và hằng số thời gian khoảng 80 giây cho công đoạn bay hơi thứ ba Hệ số này được tính dựa trên tỷ số giữa sự thay đổi tín hiệu kích thích và tín hiệu điều khiển, cho phép giả định rằng ba công đoạn bay hơi có tính chất tương tự nhau.

Sự thay đổi nồng độ dung dịch được ghi nhận trước công đoạn bay hơi thứ ba sau khoảng thời gian 400 đến 500 giây, trong khi lưu lượng si-rô được đo sau khoảng thời gian tương tự.

Trong 35 giây, tất cả các thông số của quá trình thực được liệt kê trong phụ lục P1 Cần lưu ý rằng khi hệ thống bắt đầu hoạt động, lưu lượng, nồng độ trong dung dịch và mức trong bể tách hơi không cố định mà sẽ thay đổi theo thời gian Điều này đồng nghĩa với việc các thông số cũng sẽ biến động, và các giá trị được đề cập có thể được lấy xấp xỉ.

Lưu lượng si-rô được điều chỉnh bằng tay hoặc thông qua hệ thống điều khiển mức trong bình chứa trước khi đưa vào quá trình bay hơi Mục đích của việc kiểm soát mức này là duy trì một lượng si-rô ổn định, nhằm ngăn chặn sự biến động đột ngột về nồng độ si-rô trong hệ thống bay hơi.

1.2.3 Mục đích của quá trình bay hơi si-rô đường

Quá trình bay hơi si-rô đường nhằm loại bỏ dung môi, cụ thể là nước, từ dung dịch si-rô đường lỏng để thu được si-rô có nồng độ cao hơn Độ đậm đặc của si-rô được xác định bằng cảm biến nồng độ, và hệ thống điều khiển lưu lượng hơi nước nóng vào quá trình bay hơi để đạt được nồng độ si-rô theo yêu cầu.

Trong quá trình bay hơi, nồng độ si-rô (c_out) là biến cần điều khiển, trong khi lưu lượng hơi nước cấp vào hệ thống (S_in) là biến điều khiển Các biến đầu vào khác bao gồm nồng độ dung dịch si-rô ban đầu (c_in) và lưu lượng dung dịch si-rô ban đầu (F_in) Do sự thay đổi của các đầu vào có thể gây ra nhiễu cho quá trình bay hơi, việc đo lường các nhiễu này là rất cần thiết.

Kết luận

Để đánh giá hiệu quả điều khiển liên quan đến nhiễu đầu vào trong hệ thống quá trình bay hơi si-rô đường, cần thực hiện theo một trình tự cụ thể.

 Xây dụng mô hình của hệ thống quá trình bay hơi (mô hình hóa)

 Áp dụng sách lược điều khiển hiện vào mô hình

 Nhận xét kết quả mô phỏng

Ban đầu, mục tiêu là nghiên cứu và mô hình hóa hệ thống quá trình bay hơi, bao gồm việc tìm hiểu các thành phần khác nhau của quá trình và phần mềm liên quan Để xác minh mô hình, các tín hiệu đầu vào được mô phỏng và phân tích cách thức hoạt động của mô hình Cuối cùng, các chiến lược điều khiển được thiết kế và nhận xét về hiệu quả của từng chiến lược được đưa ra.

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH BAY HƠI SI-RÔ ĐƯỜNG

Mô hình toán học

Hệ thống bay hơi chủ yếu nhằm mục đích loại bỏ dung môi từ dung dịch thông qua quá trình bay hơi Các phương trình quan trọng trong thiết bị bay hơi bao gồm phương trình cân bằng thành phần và phương trình cân bằng năng lượng.

 Các phương trình cân bằng thành phần:

- S in là lưu lượng của hơi nước đi vào thiết bị trao đổi nhiệt

- S out là lưu lượng của hơi nước đi ra từ thiết bị trao đổi nhiệt

- F in là lưu lượng của si-rô đi vào hệ thống bay hơi

- F out là lưu lượng của si-rô đi ra từ hệ thống bay hơi

- V là lưu lượng hơi của si-rô đi ra từ bể tách hơi

- C in là nồng độ của si-rô đi vào hệ thống bay hơi

- C out là nồng độ của si-rô đi ra từ hệ thống bay hơi

Các phương trình cân bằng thành phần đơn giản chỉ ra rằng các thành phần đi vào hệ thống cần được thoát ra, liên quan đến hơi nước và dung dịch.

Kể từ khi hơi nước và chất lỏng không hòa trộn, các phương trình cân bằng thành phần liên quan đến lưu lượng và nồng độ trở nên quan trọng Phương trình (2.3) chỉ ra rằng lưu lượng chất rắn hòa tan trong dung dịch phải giữ nguyên trong hệ thống bay hơi.

 Phương trình cân bằng năng lượng:

S in h Sin + F in h Fin = S out h Sout + V h V + F out h Fout + W losses (2.4)

Chương 2 Mô hình hóa quá trình bay hơi si-rô đường

- h Fin là enthalpy của si-rô đi vào hệ thốngbay hơi

- h Fout là enthalpy của si-rô đi ra từ hệ thống bay hơi

- h Sin là enthalpy của hơi nước đi vào thiết bị trao đổi nhiệt

- h Sout là enthalpy của hơi nước ra từ hệ thống bay hơi

- h V là enthalpy của hơi tách từ si-rô đi ra từ bể tách hơi

- S in là lưu lượng của hơi nước đi vào thiết bị trao đổi nhiệt

- F in là lưu lượng của si-rô đi vào hệ thống bay hơi

- V là lưu lượng hơi của si-rô đi ra từ bể tách hơi

- S out là lưu lượng của hơi nước đi ra từ thiết bị trao đổi nhiệt

- F out là lưu lượng của si-rô đi ra từ hệ thống

- W losses là tổn thất nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt

Phương trình cân bằng năng lượng xác định rằng năng lượng của lưu lượng đi vào phải bằng năng lượng của lưu lượng đi ra trong quá trình bay hơi, bao gồm cả tổn thất nhiệt W losses trong hệ thống.

Một phương trình bổ sung cho việc truyền nhiệt có thể được xác định, trong đó năng lượng truyền nhiệt Wth giữa hơi nước và chất lỏng được xấp xỉ bằng một phương trình cụ thể.

- W th là năng lượng truyền nhiệt

- U là hệ số truyền nhiệt

- A là diện tích truyền nhiệt

- T in và T out là nhiệt độ của hơi đi vào và đi ra

 Lưu lượng hơi thoát ra của si-rô tách ra từ bể tách hơi

Bằng việc kết hợp các phương trình (2.1), (2.2) và (2.4), ta có thể xác định lưu lượng hơi thoát ra từ bể tách hơi trong hiệu ứng bay hơi thông qua phương trình dưới đây.

. in out in out out out out

Do tổn thất nhiệt rất thấp, ta có thể xấp xỉ giá trị trong phương trình (2.6) bằng không Tử số trong biểu thức thứ hai nhỏ hơn nhiều so với mẫu số, điều này xảy ra vì enthalpy của hơi lớn hơn nhiều so với enthalpy của si-rô, như thể hiện trong hình 2.1.

Như vậy lưu lượng hơi thoát ra của si-rô tách ra từ bể tách hơi xấp xỉ với lưu lượng của hơi nước

Hình 2 1 Quan hệ giữa nhiệt độ với nhiệt lượng của hơi nước và si-rô

Để làm bay hơi nước trong si-rô, cần nhiều nhiệt lượng hơn so với việc tăng nhiệt độ của si-rô đến điểm sôi, như thể hiện trong hình 2.1 Do đó, phương trình (2.7) có thể được viết lại như sau:

V kS in (2.8) Với k là hằng số nhỏ hơn một Hằng số này có thể cũng có tính đến tổn thất nhiệt

 Lưu lượng hơi nước cấp vào quá trình bay hơi

Trong quá trình bay hơi, lưu lượng hơi nước vào hệ thống không được đo sau khi gia nhiệt Tuy nhiên, giá trị này có thể được tính toán khi hệ thống đạt trạng thái ổn định, dựa vào lưu lượng và nồng độ si-rô vào và ra khỏi quá trình bay hơi.

Từ các phương trình (2.1), (2.3) và (2.8) đưa ra phương trình (2.9) là lưu lượng hơi nước cần thiết để có được nồng độ yêu cầu

 in  in out in out

Để tối ưu hóa mô hình toàn bộ hệ thống quá trình bay hơi với ba công đoạn, cần sử dụng một lượng hơi nước phù hợp Lưu lượng hơi nước này được tính toán dựa trên phương trình (2.14), mở rộng từ phương trình (2.9) cho toàn bộ hệ thống Các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển A066 và A061, ký hiệu là u66 và u61, đóng vai trò quan trọng trong quá trình tính toán, chi tiết được trình bày trong phần phục lục P.2.

 Hàm truyền của lưu lượng hơi đi ra từ bể tách hơi

Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo một quá trình bị trễ, với mối quan hệ tuyến tính giữa năng lượng truyền nhiệt và lưu lượng dòng hơi Hàm truyền của lưu lượng hơi thoát ra từ bể tách hơi được biểu diễn qua một phương trình cụ thể.

- k là hệ số của hàm truyền

Hàm truyền từ lưu lượng hơi nước đến lưu lượng hơi có hệ số tương tự như hệ số k trong phương trình (2.8).

 Hàm truyền của nồng độ và lưu lượng của si-rô trong bể tách hơi

Sau khi ra khỏi bộ trao đổi nhiệt, si-rô sẽ đi vào bể tách hơi, nơi hoạt động như một bể khuấy hoàn toàn với cửa vào và cửa ra Khi nồng độ thay đổi, si-rô phải đi qua bể tách hơi để nâng tổng nồng độ trước khi được điều chỉnh qua hệ thống Quá trình này được mô tả bằng phương trình vi phân.

+ Hàm truyền của nồng độ si-rô trong bể tách hơi:

- q lưu lượng thể tích vào bể

+ Hàm truyền của lưu lượng si-rô trong bể:

Mô hình khối van được thiết kế đơn giản, với các tín hiệu điều khiển xác định độ mở van (phần trăm) của tổng số hơi cấp vào từng công đoạn bay hơi Lưu lượng hơi vào thiết bị nén và sau đó vào công đoạn bay hơi thứ ba được xác định bởi các phương trình (2.15) và (2.16) Cả A066 và A061 đều có giới hạn trên cho giá trị điều khiển, đảm bảo tổng giá trị không vượt quá một.

 Mô hình của thiết bị nén lại hơi nhiệt (TVR)

Mô hình thiết bị nén nhiệt sử dụng các phép xấp xỉ để tối ưu hóa hiệu suất Máy phun hơi hoạt động bằng cách hút hơi từ quá trình bay hơi đầu tiên và nhận nguồn hơi nước sơ cấp để vận hành hiệu quả.

16 chúng có tỉ lệ kích thước 4: 1 Lưu lượng hơi ra của máy phun hơi, được đưa ra bởi các phương trình sau

Mô hình simulink của quá trình bay hơi

Hình 2.2 Mô hình simulink của hệ thống bay hơi si-rô đường

Một mô hình hệ thống bay hơi đã được phát triển trong Simulink, dựa trên lưu lượng dòng chảy Mô hình giả định rằng các si-rô đạt đến điểm sôi khi đi qua từng thiết bị bay hơi, do đó không phụ thuộc vào nhiệt độ hay áp suất.

Mô hình Simulink cho hệ thống quá trình bay hơi si-rô đường được trình bày trong hình 2.2, bao gồm các giai đoạn chính: khâu làm nóng sơ bộ, khâu bay hơi với ba công đoạn bay hơi, và khâu nén lại hơi nhiệt (TVR).

Trong hệ thống, hai đầu vào chính là lưu lượng hơi nước qua các van điều khiển (V2) và (V3) do bộ điều khiển A061 và A066 điều chỉnh, cùng với lưu lượng si-rô vào (F_in) và nồng độ si-rô vào (c_in) Các đầu ra của hệ thống bao gồm lưu lượng si-rô ra (F_out) và nồng độ si-rô ra (c_out) Giữa các công đoạn bay hơi, có một khối trễ thể hiện thời gian dịch chuyển dung dịch qua ống dẫn, trong khi các đại lượng không sử dụng được kết nối với một khâu kết thúc.

Các tham số mô phỏng của quá trình được viết trong chương trình matlab ở phục lục P.3

2.2.1 Khâu làm nóng sơ bộ

Các thiết bị trao đổi nhiệt trong quá trình làm nóng sơ bộ không thuộc về mô hình và được biểu diễn bằng hai khối trễ, như thể hiện trong hình 2.2 Hai khối trễ này nằm trước công đoạn bay hơi thứ nhất, với thời gian trễ của lưu lượng si-rô là 15 giây và thời gian trễ của nồng độ si-rô là 200 giây.

2.2.2 Khâu làm bay hơi Để mô hình hóa hệ thống bay hơi với ba công đoạn bay hơi, mô hình simulink đại diện cho một công đoạn bay hơi được thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3 Mô hình simulink của một công đoạn bay hơi

Bao gồm có ba khối: Khối bay hơi, khối tính toán nồng độ, khối mô hình trạng thái của hàm truyền

Trong quá trình hoạt động của khối bay hơi, các đầu vào bao gồm lưu lượng hơi nước vào (S_in), lưu lượng si-rô vào (F_in) và nồng độ si-rô vào (c_in) Lưu lượng hơi ngưng tụ (S_out) được xác định bằng lưu lượng hơi nước đi vào thiết bị bay hơi theo phương trình (2.2) Các tín hiệu đầu ra bao gồm lưu lượng hơi tách ra từ dung dịch (V), lưu lượng si-rô ra (F_out) và nồng độ si-rô ra (c_out).

Khối bay hơi chứa các đại lượng đầu vào và đầu ra trong thiết bị trao đổi nhiệt và được thể hiện trong hình 2.4

Các đầu vào cho khối mô hình bao gồm lưu lượng hơi nước (S_in), lưu lượng si-rô vào (F_in) và nồng độ si-rô vào (c_in) Khối hàm truyền trạng thái của thiết bị trao đổi nhiệt (G V) được thiết lập theo phương trình (2.11), trong đó thời gian trễ được biểu diễn bằng các khối trễ trong hình 2.3 Để ngăn nồng độ vượt quá 100%, lưu lượng hơi (V) trong si-rô được tính toán cẩn thận Cuối cùng, lưu lượng si-rô ra (F_out) được xác định theo phương trình (2.1).

Khối mô hình trạng thái của hàm truyền nồng độ trong bể tách hơi (Flash Tank

Dynamica Nồng Độ đại diện cho sự kết hợp của si rô trong bể bay hơi, được thiết lập theo phương trình (2.13) Sự biến đổi lưu lượng si rô qua bể tách hơi được mô tả bằng một khối không gian trạng thái, được gọi là.

Trong bài viết này, chúng tôi thảo luận về 19 khối mô hình trạng thái của hàm truyền lưu lượng trong hệ thống Flash Tank Flow Dynamics, được thiết lập theo phương trình (2.14) Để tính nồng độ của si-rô (c_out) sau khi hơi nước đã bay hơi dung dịch, chúng tôi sử dụng khối tính nồng độ như mô tả trong hình 2.5, với nồng độ được tính theo phương trình (2.3).

Hình 2.5 Khối tính nồng độ

2.2.3 Thiết bị nén lại hơi nhiệt

Thiết bị nén lại hơi nhiệt (TVR) được sử dụng để xử lý việc nén hơi nhiệt và bao gồm hai máy phun hơi nước, như mô tả trong hình 2.6 và các phương trình (2.17), (2.18), (2.19) Lưu lượng hơi nước (S_in) chảy vào hai máy phun được thể hiện trong hình 1.1, trong khi (V) là lưu lượng hơi thoát ra từ công đoạn bay hơi đầu tiên Lưu lượng hơi nước vào công đoạn đầu tiên và thứ hai được ký hiệu là (S_1) và (S_2) Hệ số (LG) và (SG) phản ánh mối quan hệ giữa lượng hơi của hai máy phun Như đã đề cập, máy phun lớn hơn tiêu tốn bốn phần năm lượng hơi nước, trong khi máy phun nhỏ hơn chỉ một phần năm Các vòi phun lấy hơi từ công đoạn đầu tiên khi được cấp hơi sơ cấp từ van, miễn là có đủ hơi Nếu không đủ hơi, đầu phun lớn hơn sẽ mất bốn phần năm lưu lượng hơi (V), dẫn đến việc không có hơi cho công đoạn thứ hai Các hơi nén lại được đưa vào bộ phận làm nóng sơ bộ, nhưng do bộ phận này không nằm trong mô hình, tín hiệu sẽ được kết nối với một khối kết thúc.

Hình 2.6 Thiết bị nén lại hơi nhiệt TVR

Tham số ảnh hưởng đến mô hình

Để xây dựng một mô hình phản ánh chính xác quá trình thực tế, cần chuyển đổi toàn bộ kiến thức về quá trình thành mô hình Mô hình này phải được điều chỉnh dựa trên các tham số quan trọng như độ trễ, hệ số tỷ lệ và hằng số thời gian trong hệ thống.

Do thiếu các phép đo hệ số tỷ lệ của hàm truyền, k trong phương trình (2.11), mô hình thiết bị trao đổi nhiệt được thiết lập thành một Mặc dù điều này không thực tế, nhưng hiệu suất nhiệt, tổn thất nhiệt và các khía cạnh khác của các công đoạn bay hơi vẫn có thể được xấp xỉ Nhìn chung, cả ba công đoạn được mô phỏng với các tính chất tương tự do khó khăn trong việc đo lường các biến trong mô hình.

Mô hình này dựa trên lưu lượng si-rô và hơi nước, trong đó khâu làm nóng sơ bộ không được tính vào mô hình nhưng thực tế sử dụng hơi nước từ nguồn cấp Mặc dù không xác định được chính xác lượng hơi nước chảy qua các công đoạn, nhưng áp suất của hơi nước cung cấp đã được biết Để chuyển đổi giữa áp suất hơi nước và lưu lượng hơi, bốn trường hợp trạng thái ổn định đã được phân tích Bảng 2.1 liệt kê các giá trị trạng thái ổn định của bốn trường hợp này Sử dụng phương trình (2.10), lưu lượng hơi nước cần thiết để đạt được nồng độ ra chính xác trong mô hình đã được tính toán.

21 hơi trung bình từ bốn trường hợp sau đó được coi là giá trị trung bình dòng hơi S0 0.54 kg / s

Hệ số tỷ lệ hơi nước là một phép tính xấp xỉ tuyến tính giúp xác định áp suất hơi cần thiết để tạo ra dòng hơi nước Trung bình, hệ số này đạt 0.043 (kg/s)/bar, như được trình bày trong bảng 2.1 Khi áp suất hơi cung cấp được chuyển đổi sang lưu lượng, hệ số tỷ lệ này đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán.

Bảng 2.1 Giá trị của bốn trường hợp khi quá trình đang chạy ở trạng thái ổn định

Trường hợp 1 2 3 4 Giá trị trung bình Đơn vị

Lưu lượng hơi nước 0.532 0.552 0.552 0.526 0.541 Kg/s

Hệ số tỷ lệ hơi nước 0.042 0.044 0.044 0.042 0.043 (kg/s)/bar

2.3.2 Độ trễ của quá trình

Sự thay đổi lưu lượng si-rô trong dung dịch lan truyền nhanh hơn nhiều so với sự thay đổi nồng độ, với thời gian 35 giây so với 400 - 500 giây để đạt đến công đoạn thứ ba Để đảm bảo tính chính xác của hệ thống, thời gian trễ ngắn hơn được tập trung vào, với độ trễ của bộ làm nóng sơ bộ là 15 giây và độ trễ của mỗi công đoạn là 10 giây, tổng cộng là 35 giây cho đến khi lưu lượng si-rô vào công đoạn cuối cùng Thời gian trễ trong mô hình được minh họa trong hình 2.7.

Mô hình với tất cả độ trễ của quá trình cho thấy tổng thời gian trễ khi thay đổi nồng độ là 400 giây Trong đó, 200 giây được giả định xảy ra trong khâu làm nóng sơ bộ, và 90 giây ở giữa mỗi công đoạn Thêm vào đó, mỗi công đoạn còn có thêm 10 giây, dẫn đến tổng cộng thời gian trễ là 400 giây.

400 giây từ si-rô dung dịch đến khi bắt đầu công đoạn thứ ba

Thời gian cần thiết để thay đổi lưu lượng hơi nước ảnh hưởng đến nồng độ si-rô là 165 giây Trong đó, thời gian trễ sau công đoạn này là 155 giây, bao gồm 10 giây thời gian trễ trong chính công đoạn đó.

2.3.3 Hệ số tỷ lệ của hệ thống

Hệ số tỷ lệ là 0.12 trong lưu lượng hơi nước và nồng độ ra của công đoạn thứ ba Để điều chỉnh mô hình công đoạn này, cần đạt được hệ số tỷ lệ tương tự như trong tài liệu [1] Nếu không xác định chính xác nồng độ và lưu lượng si-rô trong dung dịch tại từng thời điểm, các đáp ứng có thể được kiểm tra Các giá trị trung bình từ bốn trường hợp trong bảng 2.1 cho thấy tín hiệu điều khiển A061 ở mức 0.37 tương ứng với các đáp ứng trong mô hình cho hệ số tỷ lệ 0.165.

Các đáp ứng tương tự như đã đề cập trước đây có một hằng số thời gian khoảng 80 giây Mỗi công đoạn được điều chỉnh với ba chức năng để cung cấp hiệu quả tối ưu.

Hai khối đại diện cho các tham số của bể tách hơi đã được thiết lập với các hằng số thời gian giống nhau, cả về lưu lượng và nồng độ, với hằng số thời gian được đặt ở mức 15 giây do lưu lượng thấp trong thực tế Hằng số thời gian của tham số trong khối bay hơi được điều chỉnh lên 60 giây, dẫn đến tổng thời gian liên tục khoảng 79 giây Sự tương đồng này được thể hiện rõ khi so sánh đáp ứng mô hình với đáp ứng đặt đầu tiên, như minh họa trong hình 2.8.

Hình 2.8 Đặc tính của hàm truyền G V

Kết luận

Chương này mô hình hóa hệ thống quá trình bay hơi si-rô đường, xác định nồng độ ra của si-rô (c_out) ở công đoạn thứ ba là biến cần điều khiển Biến điều khiển là lưu lượng hơi nước cấp vào từng công đoạn (S_in) và các đầu vào của hệ thống bao gồm lưu lượng si-rô (F_in) và nồng độ si-rô (c_in) Để đạt được nồng độ si-rô theo yêu cầu sau quá trình bay hơi, cần điều chỉnh lưu lượng hơi nước cấp vào từng công đoạn trong hệ thống.

Chương 3 Thiết kế sách lược điều khiển và mô phỏng

THIẾT KẾ SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG

Thiết kế sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp với các mạch vòng điều khiển

Hệ thống điều khiển tầng được thực hiện thông qua bộ điều khiển A089, cho phép kiểm soát lưu lượng dòng hơi vào thiết bị nén lại hơi nhiệt A089 hoạt động song song với bộ điều khiển A061, trong khi tín hiệu điều khiển từ A066 cung cấp thông tin đo lường cho A089 Nhờ đó, hai công đoạn đầu tiên có thể được điều chỉnh hiệu quả thông qua A061.

Toàn bộ quá trình được xem như một hộp đen, trong đó chỉ sử dụng cảm biến để điều chỉnh nồng độ si-rô, đo lưu lượng và nồng độ dung dịch si-rô, cũng như áp suất hơi nước cung cấp Nhiều tham số chưa được biết và độ trễ quá lâu có thể làm giảm độ tin cậy của quá trình Để cải thiện chiến lược điều khiển, một hệ thống điều khiển truyền thẳng đã được triển khai, dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô hoặc lưu lượng hơi nước cung cấp, nhằm nâng cao chất lượng hệ thống khi có sự thay đổi.

3.3.1 Điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô vào kết hợp với mạch vòng ngoài a) Sơ đồ cấu trúc của sách lược điều khiển Để cải thiện việc điều khiển của quá trình bay hơi này Ta sẽ thêm một bộ điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng của si-rô vào kết hợp với mạch vòng ngoài (bộ điều khiển A066) của sách lược điều khiển tầng Bằng cách này các thay đổi của hai tín hiệu vào có thể được bù vào khi nó tham gia vào quá trình Đầu ra của bộ điều khiển truyền thẳng giúp điều khiển lưu lượng của hơi nước đến công đoạn thứ ba Sơ đồ cấu trúc của sách lược điều khiển truyền thẳng kết hợp với mạch vòng ngoài được minh họa trên hình 3.11

Tín hiệu truyền thẳng có ảnh hưởng đến quá trình bay hơi trong công đoạn thứ ba, vì vậy cần làm trễ tín hiệu theo thời gian si-rô cho hai công đoạn đầu Thời gian trễ được thiết lập là 35 giây đối với lưu lượng.

400 giây cho nồng độ Đặt hệ số tỷ lệ truyền thẳng là k ff = 0.78 hoặc k ff = 0,41

Hình 3.11 minh họa cấu trúc của sách lược điều khiển truyền thẳng, dựa trên việc đo lường nồng độ và lưu lượng si-rô, kết hợp với mạch vòng ngoài Bộ điều khiển truyền thẳng sử dụng hai đầu vào chính là nồng độ và lưu lượng của si-rô để tối ưu hóa quy trình điều khiển.

Hình 3.12 Cấu trúc của bộ điều khiển truyền thẳng với đầu vào là nồng độ và lưu lượng

Do thời gian trễ dài trong hệ thống, các bộ điều khiển cần thời gian để điều chỉnh theo sự thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của si-rô Để cải thiện hiệu suất, các giá trị ban đầu đã được thiết lập cho các bộ điều khiển, bổ sung cho đầu ra của bộ điều khiển A066 Đầu ra của bộ điều khiển truyền thẳng (u ff) tỷ lệ thuận với lưu lượng si-rô ban đầu, như được thể hiện trong phương trình (3.4) Sự thay đổi về lưu lượng và nồng độ ban đầu được sử dụng để tính toán tín hiệu điều khiển cho hệ thống.

Hệ số tỷ lệ (k ff) của bộ điều khiển truyền thẳng đã được điều chỉnh để phù hợp với tín hiệu điều khiển của A066, trong khi tín hiệu của hệ thống cũng có thể bị giới hạn Trước khi si-rô vào thiết bị trao đổi nhiệt, các tính chất của si-rô được đo Hệ thống điều khiển truyền thẳng ảnh hưởng đến lưu lượng hơi vào thiết bị và cần tính đến lưu lượng si-rô tiêu hao trong quá trình làm nóng sơ bộ và hai công đoạn đầu tiên Độ trễ của lưu lượng qua hai công đoạn đầu tiên là L F = 35 giây cho lưu lượng si-rô ban đầu (F 0) và độ trễ nồng độ là L c = 400 giây cho nồng độ ban đầu (c 0) Khi lưu lượng si-rô thay đổi, tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển cũng thay đổi tương ứng, và tín hiệu điều khiển sẽ thay đổi khi nồng độ si-rô biến động.

Hệ thống điều khiển truyền thẳng sử dụng nồng độ và lưu lượng của dung dịch si-rô đường làm đầu vào để tính toán lưu lượng hơi nước Đầu ra của hệ thống được xác định theo phương trình (3.4), và sơ đồ khối của bộ điều khiển được minh họa trong hình 3.13 Các tín hiệu (c) và (F) đại diện cho nồng độ và lưu lượng của si-rô, trong khi (k_ff) là hệ số tỷ lệ của bộ điều khiển Do có độ trễ trong hệ thống, tín hiệu sẽ được kết nối với khối trễ Mô hình Simulink của sách lược điều khiển cũng được trình bày để minh họa quy trình này.

Hình 3.13 Điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô vào kết hợp với mạch vòng ngoài

Mô hình Simulink cho sách lược điều khiển truyền thẳng được xây dựng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô, kết hợp với mạch vòng ngoài (bộ điều khiển A066), như thể hiện trong hình 3.13 Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp này.

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng của sách lược điều khiển khi nồng độ si-rô vào thay đổi

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng của sách lược điều khiển khi lưu lượng hơi nước thay đổi

Kết quả mô phỏng được trình bày trong hình 3.14 và 3.15, cho thấy sự đáp ứng nồng độ si-rô của sách lược điều khiển truyền thẳng Điều này dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô vào, kết hợp với mạch vòng ngoài của sách lược điều khiển tầng khi nồng độ si-rô vào hoặc lưu lượng hơi nước cấp cho hệ thống thay đổi.

3.3.2 Điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si rô vào kết hợp với mạch vòng trong a) Sơ đồ cấu trúc của sách lược điều khiển Để cải thiện hệ số thay đổi trong si-rô, có thể thêm vào một bộ điều khiển truyền thẳng kết hợp với bộ điều khiển A089

Sơ đồ cấu trúc của sách lược điều khiển truyền thẳng, dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô kết hợp với mạch vòng trong (bộ điều khiển A089), được thể hiện trên hình 3.15 Cấu trúc này cho phép bù đắp cho sự thay đổi của đầu vào trong giai đoạn đầu của quá trình bay hơi.

Hình 3.16 Cấu trúc của sách lược điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ, lưu lượng si-rô vào kết hợp với mạch vòng trong

Hệ thống điều khiển truyền thẳng dựa trên phương trình (3.4) cung cấp giá trị bù cho tín hiệu điều khiển của A089, với các tín hiệu đi qua một khâu trễ đại diện cho thời gian siro từ cảm biến đến công đoạn đầu tiên, được đặt là 15 giây cho lưu lượng và 200 giây cho nồng độ Hệ số tỷ lệ cho sách lược này đã được điều chỉnh để đạt mức thấp tương đương với A066 mà không cần hệ thống truyền thẳng để kích hoạt A066, với các giá trị k ff được đặt là 0,54 hoặc 0,15.

39 b) Mô hình simulink của sách lược điều khiển

Hình 3.17 Điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô vào kết hợp với mạch vòng trong

Mô hình Simulink cho sách lược điều khiển truyền thẳng được xây dựng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô, kết hợp với mạch vòng trong sử dụng bộ điều khiển A089, như được thể hiện trong hình 3.16 Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của hệ thống điều khiển này.

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng của sách lược điều khiển khi nồng độ si-rô vào thay đổi

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng của sách lược điều khiển khi lưu lượng hơi nước thay đổi

Kết quả mô phỏng của sách lược điều khiển được trình bày trong hình 3.18 và 3.19 Đáp ứng nồng độ si-rô của sách lược điều khiển truyền thẳng dựa trên việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô vào, kết hợp với mạch vòng trong của sách lược điều khiển tầng, khi có sự thay đổi về nồng độ si-rô vào hoặc lưu lượng hơi nước cấp cho hệ thống bay hơi.

Kết luận

Dựa trên kết quả mô phỏng từ các chiến lược điều khiển, để nâng cao chất lượng quá trình bay hơi si-rô đường, chúng ta nhận thấy rằng chiến lược điều khiển truyền thẳng, kết hợp việc đo nồng độ và lưu lượng si-rô cùng với hai mạch vòng điều khiển, mang lại đáp ứng nồng độ ra tốt nhất.

Tiêu đề	Mô Hình Hóa Và Điều Khiển Quá Trình Bay Hơi
Tác giả	Đỗ Văn Định
Người hướng dẫn	PGS.TS. Trần Trọng Minh, TS. Đỗ Trọng Hiếu
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Tự Động Hóa Công Nghiệp
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	1,93 MB