Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
---------------------------
PHẠM THỊ THANH LOAN
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN
TRONG CÔNG NGHIỆP LỌC HÓA DẦU
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62520216
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Hoàng Minh Sơn
2. PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát
HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong
bất cứ công trình khoa học nào.
Tác giả luận án
Phạm Thị Thanh Loan

i
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC……………………………………………………………………. i
DANH LỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………… vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………... vii
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………… x
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT………………………… 6
1.1. Khái quát về tháp chưng cất…………….…………………………….. 6
1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất.……………………………... 6
1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất ………………………………….……….. 8
1.3.1. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết ………. 9
1.3.2. Phương pháp thực nghiệm ………………………………………. 15
1.4. Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm..…...……………………….... 16
1.4.1. Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất ………………………… 16
1.4.1.1. Khái quát về cấu trúc điều khiển tháp chưng cất ..………… 17
1.4.1.2. Cấu hình LV ……………………………………………….. 18
1.4.1.3. Cấu hình DB........................................................................... 19
1.4.1.4. Cấu hình DV........................................................................... 20
1.4.1.5. Các đặc điểm của cấu hình điều khiển ………………..….... 21
1.4.2. Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm...………… 25
1.4.2.1. Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung ……………… 26
1.4.2.2. Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung ……………………... 28
1.5. Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô và xử lý khí ở Việt Nam ....... 31
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO THÁP CHƯNG
CẤT C-02……………………………………………………….. 34
2.1. Mục đích xây dựng mô hình…………………………………………... 34
2.2. Khái quát về tháp C-02……………….………………………………... 35

ii
2.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của tháp C-02…………………………... 35
2.2.2. Nguyên tắc hoạt đông của cụm tháp ổn định C-02……………….
2.2.3. Bình tích V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum)……………...
35
38
2.2.4. Thiết bị ngưng tụ E-02 (Stabilizer Consender)…….…………..… 38
2.2.5. Bình gia nhiệt E-03 (Stabilizer Reboiler)………………………... 39
2.3. Xây dựng mô hình phi tuyến cho tháp C-02…………………………... 39
2.3.1. Các giả thiết đơn giản hóa……………………………………..… 41
2.3.2. Các phương trình toán động học…………………………………. 43
2.3.3. Thông số của tháp C02…………………………………………... 47
2.3.4. Khảo sát động học của tháp C02………………………………… 57
2.4. Xây dựng mô hình tuyến tính cho tháp C-02………………………….. 63
2.4.1. Mô hình với biến đầu ra là nồng độ sản phẩm…………………… 63
2.4.2. Mô hình với đầu ra là nhiệt độ tháp……………………………… 68
2.5. Kết luận……………………………………………………………...… 78
Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT
C-02……………………………………………………………….. 80
3.1. Lựa chọn cấu trúc điều khiển cho tháp C-02……….………………..... 80
3.1.1. Ma trận khuếch đại tương đối RGA …………………………..… 82
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của vòng điều khiển mức………………….. 83
3.1.3. Khảo sát đáp ứng động khi thay đổi lưu lượng nguồn cấp ……… 85
3.1.4. Khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu……………………………….. 87
3.1.5. So sánh đáp ứng tuyến tính và phi tuyến………………………… 90
3.1.6. So sánh giữa các cấu hình……………………………………….. 91
3.1.7. Cấu hình L(V/F)…………………………………………………. 92
3.1.8. Nhận xét………………………………………………………….. 94
3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho tháp C-02…………………………………. 94
3.2.1. Các yêu cầu và mục đích điều khiển ……………………………. 94
3.2.2. Hệ thống điều khiển hiện tại của tháp C-02……………………... 95
3.2.3. Cấu trúc điều khiển đơn biến ………………….……………….... 100

iii
3.2.4. Điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)……………………….... 103
3.2.4.1. Tình hình nghiên cứu, áp dụng MPC trong điều khiển tháp
chưng…………………………………………………….… 103
3.2.4.2. Xây dựng bộ điều khiển MPC cho tháp chưng cất C-02…... 104
3.3. Kết luận………………………………………………………………... 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 117
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS…………….... 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………...... 120
PHỤ LỤC……………………………………………………………………... 128

iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Mô tả Đơn vị
xD Nồng độ mol của pha lỏng trên đỉnh tháp phần mol
xB Nồng độ mol của pha lỏng dưới đáy tháp phần mol
yD Nồng độ mol của pha hơi trên đỉnh tháp phần mol
yB Nồng độ mol của pha hơi dưới đáy tháp phần mol
xi,j Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng trên đĩa i phần mol
yi,j Nồng độ mol cấu tử j pha hơi trên đĩa i phần mol
xD,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha lỏng đỉnh tháp phần mol
xB,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha lỏng đáy tháp phần mol
yD,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha hơi đỉnh tháp phần mol
yB,j Nồng độ mol của cấu tử j trong pha hơi đáy tháp phần mol
zF Nồng độ phần mol dòng cấp liệu phần mol
Hi Enthalpy của dòng hơi tại đĩa thứ i kcal/kmol
hi Enthalpy của dòng lỏng tại đĩa thứ i kcal/kmol
hD Enthalpy của pha lỏng trong sản phẩm đỉnh kcal/kmol
hB Enthalpy của pha lỏng trong sản phẩm đáy kcal/kmol
L Lưu lượng hồi lưu đỉnh tháp kmol/s
Li Lưu lượng lỏng ở đĩa thứ i kmol/s
LR Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng cất kmol/s
LS Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng chưng kmol/s
Mi Lượng chất lỏng trên đĩa thứ i kmol
MD Lượng chất lỏng trong bình ngưng ở đỉnh tháp kmol
MB Lượng chất lỏng trong nồi tái đun đáy tháp kmol
MiV Trữ lượng pha hơi trên đĩa thứ i kmol
Ti Nhiệt độ tại đĩa thứ i o
C
VR Lưu lượng dòng hơi trên vùng cất kmol/s
VS Lưu lượng dòng hơi trên vùng chưng kmol/s
Vn Dòng hơi đỉnh tháp kmol/s
VB Dòng hồi lưu hơi đáy tháp kmol/s
B Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/s

v
D Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/s
F Lưu lượng của dòng cấp liệu kmol/s
L Lưu lượng hồi lưu kmol/s
V Lưu lượng hơi cấp nhiệt kmol/s
N Số lượng các đĩa lọc Đĩa
NT Số đĩa lý thuyết Đĩa
T Nhiệt độ tuyệt đối của hệ o
C
Qc Lưu lượng nhiệt thu hồi trong bình ngưng (Condenser) J/s
QR Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi tái đun (Reboiler) J/s
Re Tỉ số dòng hồi lưu đỉnh %
FC Bộ điều khiển lưu lượng
LC Bộ điều khiển mức
LT Bộ chuyển đổi mức
FI Hiển thị lưu lượng
LI Hiển thị mức
PC Bộ điều khiển áp suất
PT Bộ chuyển đổi áp suất
PI Hiển thị áp suất
TC Bộ điều khiển nhiệt độ
TT Bộ chuyển đổi nhiệt độ
TI Bộ hiển thị nhiệt độ
LAHH Cảnh báo mức quá cao
PAHH Cảnh báo áp suất quá cao
LALL Cảnh báo mức quá thấp
GPP Gas Processing Plant
MF Minimum Facilities
AMF Absolute Minimum Facilities
nF Chỉ số đĩa cấp liệu tại đĩa f
Nc Số lượng các cấu tử trong hỗn hợp
Kj Hằng số cân bằng pha của hydrocacbon
NF Vị trí đĩa cấp liệu
αj,k Độ bay hơi tương đối của cấu tử j so với cấu tử k

vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng Trang
2.1 Các thông số sản phẩm của tháp C-02…………………………….... 38
2.2 Số liệu vận hành tháp C02……………………………………….…. 48
2.3 Các thông số của tháp………………………………………………. 48
2.4 Xác định vị trí cấp liệu………………………..…………………….. 50
2.5 Kết quả thông số tháp C-02 thu được từ Aspen……………………. 51
2.6 Kết quả enthalpy của pha lỏng, pha hơi trên từng đĩa……………… 55
2.7 So sánh kết quả với số liệu thực tế khi F thay đổi………………….. 62
2.8 Giá trị thành phần cấu tử nhẹ tại trạng thái xác lập………………… 66
2.9 Giá trị nhiệt độ tháp tại trạng thái xác lập…………………………... 71
2.10 Tỷ số giữa sai lệch của nhiệt độ và L, V tại các đĩa đáy tháp……….. 74
2.11 Tỷ số giữa sai lệch của nhiệt độ và L, V tại các đĩa đỉnh tháp…….... 75
2.12 Tham số của bộ điều khiển PID cho hai vòng điều khiển thành phần 78
3.1 Ảnh hưởng của các yếu tố tới việc lựa chọn cấu hình điều khiển….. 91
3.2 Thay đổi của sản phẩm tháp khi tăng F ứng với các cấu hình khác
nhau………………………………………………………………….
93
3.3 Nồng độ sản phẩm tháp…………………………………………….. 96
3.4 Yêu cầu về chất lượng sản phẩm………………………………….... 104

vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình Trang
1.1 Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất…………………………. 7
1.2 Sơ đồ đặc tả các bài toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm 17
1.3 Cấu hình LV……………………………………………………... 19
1.4 Cấu hình DB……………………………………………………... 20
1.5 Cấu hình DV……………………………………………………... 21
2.1 Sơ đồ công nghệ tháp C-02……………………………………… 37
2.2 Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị ngưng………………………. 43
2.3 Mô tả các dòng vật chất tại đĩa n………………………………… 44
2.4 Mô tả các dòng vật chất tại đĩa i…………………………………. 45
2.5 Mô tả các dòng vật chất tại đĩa cấp liệu f………………………... 45
2.6 Mô tả các dòng vật chất đĩa thứ nhất……………………………. 46
2.7 Mô tả các dòng vật chất tại thiết bị gia nhiệt……………………. 47
2.8 Mô hình mô phỏng tháp C02………………….…………………. 48
2.9 Thông số của tháp C-02 ……..…………………………………... 49
2.10 Kết quả khối sản phẩm đỉnh……………………………………... 49
2.11 Kết quả khối sản phẩm đáy……………………………………… 50
2.12 Độ bay hơi tương đối của cấu tử nhẹ (C3H8) so với cấu tử nặng
(C5+)………………………………………………………………
50
2.13 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02…………………… 52
2.14 Lưu đồ thuật toán xác định mô hình tháp C-02, đầu ra là nhiệt độ 56
2.15 Sơ đồ mô phỏng tháp C02…………………………….…………. 58
2.16 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh tháp yD với các số liệu vận hành ….. 58
2.17 Thay đổi của sản phẩm đỉnh tháp khi tăng F lên 1% với bộ điều
khiển PID…………………………………………………………
58
2.18 Phân bố nồng độ sản phẩm tháp theo chiều cao tháp…………… 59
2.19 Động học dòng lỏng……………………………………………... 59

viii
2.20 Thay đổi của dòng ngoài: tăng 0.1% L và V riêng biệt………….. 60
2.21 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh khi thay đổi L và V riêng biệt……… 61
2.22 Ảnh hưởng của dòng trong: tăng L và V một giá trị 10% L........... 61
2.23 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp..…………………………………….... 62
2.24 Đáp ứng nhiệt độ đáy tháp khi F tăng 3%...................................... 62
2.25 Lưu đồ thuật toán xác định ma trận A, B, E……………………... 67
2.26 Lưu đồ thuật toán xác định các ma trận A’, B’, E’......................... 72
2.27 Đáp ứng của nhiệt độ đỉnh tháp với bộ điều khiển PID…………. 76
2.28 Đáp ứng của nhiệt độ đáy tháp với bộ điều khiển PID………….. 77
2.29 Ảnh hưởng của nhiễu lưu lượng cấp lên nhiệt độ đỉnh tháp…….. 77
2.30 Tương tác giữa hai vòng điều khiển……………………………... 77
3.1 Lưu đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng của bộ điều khiển mức….. 84
3.2 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1%…………………..… 85
3.3 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi tăng V lên 1%.............................. 85
3.4 Thay đổi trong sản phẩm đỉnh khi tăng F 1%................................ 86
3.5 Lưu đồ thuật toan khảo sát đáp ứng tần số với nhiễu……………. 88
3.6 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp lên sản phẩm đỉnh……………..… 89
3.7 Ảnh hưởng của thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đỉnh…….… 89
3.8 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp lên sản phẩm đáy………………... 89
3.9 Ảnh hưởng của thành phần nguồn cấp lên sản phẩm đáy……….. 89
3.10 Đáp ứng sản phẩm đỉnh (a), logarithm thành phần sản phẩm đỉnh
(b) khi tăng L lên 0.1%; 1%; 10%; 50% ………………………… 91
3.11 Thay đổi của nồng độ sản phẩm đỉnh khi tăng F lên 1% ……….. 92
3.12 Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình LV …. 93
3.13 Thay đổi của sản phẩm đỉnh khi F tăng 1.2% với cấu hình
L(V/F)…………………………………………………………….
93
3.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tháp C-02…………………………….. 96
3.15 Sơ đồ điều khiển áp suất tháp C-02 …………………………...… 97
3.16 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tháp C-02 ……………………………. 98

ix
3.17 Sơ đồ điều khiển mức đáy tháp C-02 …………………………… 99
3.18 Điều khiển hai điểm sử dụng bộ điều khiển PI………………….. 101
3.19 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.25% ở t = 10 và zF
giảm 6.25% ở t = 150………...………………………………….. 101
3.20
Đáp ứng của sản phẩm tháp khi thay đổi giá trị đặt yD từ 0.9931
lên 0.996 ở t = 10 ……………………………………………..…. 102
3.21 Sơ đồ mô phỏng cấu hình L(V/F) ……………………………..… 102
3.22 Đáp ứng của sản phẩm tháp khi F tăng 1.25% ở t = 10 ………… 103
3.23 Sơ đồ mô phỏng MPC cho tháp C-02……………………………. 112
3.24 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với λ = 0.1;
Nu = 1 .............................................................................................
112
3.25 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3; λ
= 0.1 ...............................................................................................
113
3.26 Đáp ứng sản phẩm đỉnh, đáy và tín hiệu điều khiển với Ny = 3;
Nu = 5…………………………………………………………….
113
3.27 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh với lưu lượng hồi lưu ....................... 114
3.28 Đáp ứng của sản phẩm đáy với lưu lượng hơi cấp nhiệt ............... 114
3.29 Đáp ứng của sản phẩm đỉnh với mô hình mẫu .............................. 114
3.30 Đáp ứng của sản phẩm đáy với mô hình mẫu ............................... 114
3.31 Đáp ứng sản phẩm tháp và tín hiệu điều khiển với Nu = 3; Ny =
10…………………………………………………………………
115

x
LỜI CẢM ƠN
Bản luận án của NCS đến nay đã được hoàn thành, trước hết:
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy giáo hướng dẫn khoa
học PGS.TS Thái Duy Thức, PGS.TS Hoàng Minh Sơn, PGS.TS. Nguyễn Đức
Khoát đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho NCS trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn TS. Nguyễn Chí Tình và tất cả các Thầy, Cô trong Bộ môn
Tự động hóa Mỏ và dầu khí, Phòng đào tạo sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất
đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian nghiên cứu.
Tác giả xin cảm ơn Thầy PGS. TS Đào Văn Tân về sự định hướng và giúp
đỡ trong quá trình tìm hiểu về tài liệu có liên quan.
Tác giả xin cảm ơn các cán bộ trong bộ môn Quá trình và Thiết bị hóa học
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội về việc sử dụng phần mềm mô phỏng Aspen.
Tác giả xin cảm ơn các cán bộ Phòng Điều khiển trung tâm – Nhà máy xử lý
khí Dinh Cố đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình lấy các số liệu thực nghiệm có
liên quan.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, các bạn bè
đồng nghiệp không ngừng động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
NCS hoàn thành bản luận án này.

1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc dầu và chế
biến khí, được sử dụng để tách một hỗn hợp hóa học thành các dòng sản phẩm tinh
khiết hơn dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của từng cấu tử.
Các tháp chưng cất chiếm một phần đáng kể trong nguồn vốn đầu tư của các
nhà máy hóa chất và lọc dầu [2], [35], [36], đồng thời cũng là một thành phần tiêu
tốn nhiều năng lượng. Phần năng lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông
qua quá trình tối ưu vận hành tháp chưng, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng bộ
điều khiển để duy trì các điều kiện vận hành tối ưu [66]. Đã có rất nhiều tài liệu,
công trình nghiên cứu liên quan tới vấn đề điều khiển, vận hành tháp chưng cất
được công bố trong những năm qua [3], [4], [35], [36], [73], [75], [81]. Tuy nhiên,
việc nghiên cứu xây dựng mô hình và hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất trong
điều kiện Việt Nam còn chưa được đầy đủ.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Sự biến động mạnh của giá xăng dầu và các sản phẩm khí trong những năm gần
đây (như năm 2014) đòi hỏi các nhà máy lọc dầu, xử lý khí phải nâng cao hiệu suất
hoạt động cũng như cải thiện chất lượng điều khiển để giảm thiểu chi phí và tối ưu
lợi nhuận.
Thực tế hiện nay hệ thống điều khiển cho các tháp chưng cất ở Việt Nam đang
có cấu trúc điều khiển vòng đơn, đôi khi có kết hợp điều khiển tầng. Độ tin cậy về
chất lượng sản phẩm, tính ổn định của hệ thống không cao vì tồn tại tương tác chéo
giữa các vòng điều khiển, tính kháng nhiễu kém. Hiện tại vòng điều khiển nhiệt độ
của tháp chưng cất ở một số nhà máy (như nhà máy xử lý khí Dinh Cố) đang phải
vận hành bằng tay càng làm giảm hiệu quả hoạt động của nhà máy. Hơn nữa, hệ
thống điều khiển chỉ chú ý tới chỉ tiêu chất lượng sản phẩm và ổn định dòng sản
phẩm, chưa chú ý tới mối tương quan giữa chất lượng sản phẩm và công suất cấp
nhiệt, do đó lợi nhuận chưa được như mong muốn. Trước thực tế này, các nhà máy

2
lọc dầu và xử lý khí đang đặt ra yêu cầu phải cải tiến hệ thống điều khiển nhằm
nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như năng suất làm việc của các tháp chưng cất.
Cho đến nay, chưa có công trình hay đề tài khoa học nào nghiên cứu đầy đủ và
chi tiết về hệ thống điều khiển của tháp chưng cất ở Việt Nam. Việc nghiên cứu xây
dựng mô hình toán học, lựa chọn cấu trúc điều khiển và tính toán xây dựng bộ điều
khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho tháp chưng cất
mang tính cấp thiết và thời sự.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Xây dựng được mô hình toán học cho tháp chưng bao gồm mô hình tuyến
tính, mô hình phi tuyến với các cấu hình khác nhau dựa trên phương pháp tiếp cận
mới. Từ mô hình thu được, phân tích đánh giá lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp
và thiết kế bộ điều khiển nhằm điều khiển tối ưu quá trình chưng cất trong công
nghiệp lọc dầu và xử lý khí hóa lỏng để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất
làm việc cho tháp chưng cất.
4. Đối tượng nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu một đối tượng tháp chưng cất điển hình là tháp C-
02 của nhà máy xử lý khí Dinh Cố. Tháp C-02 có cấu tạo và chức năng đặc trưng
của một tháp chưng cất phân đoạn tại Việt Nam. Trong nhà máy xử lý khí Dinh Cố,
C-02 có vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng sản phẩm khí hóa lỏng
cung cấp cho thị trường trong nước. Hiện tại, hệ thống điều khiển cho tháp có cấu
trúc vòng đơn với vòng điều khiển nhiệt độ đáy tháp phải vận hành bằng tay, vì vậy
nhà máy cũng đang đặt ra yêu cầu cấp bách trong việc nâng cao chất lượng và năng
suất làm việc của tháp.
5. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tháp chưng cất, cơ sở lý thuyết quá trình chưng cất, các phương
pháp xây dựng mô hình tháp chưng cất, các cấu trúc điều khiển và phương pháp
điều khiển tháp chưng cất.
- Tổng quan về hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-02, các nguyên tắc cơ bản
và phương pháp điều khiển.

3
- Xây dựng mô hình toán cho tháp C-02 dựa trên phương pháp lý thuyết kết
hợp số liệu mô phỏng và các số liệu vận hành của tháp, kiểm chứng mô hình với các
số liệu thực tế.
- Nghiên cứu các cấu trúc điều khiển, lựa chọn cấu trúc phù hợp cho tháp C-02.
Mô phỏng với các số liệu của tháp chưng cất thực để khẳng định giải pháp lựa chọn.
- Nâng cao chất lượng sản phẩm với cấu trúc mới, sử dụng cấu trúc điều khiển
đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích, tổng hợp các tài liệu, các công trình đã công bố trong và ngoài
nước để xác định mục tiêu của luận án.
- Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp các số liệu mô phỏng và số liệu vận
hành để xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất C-02. Sử dụng Matlab và
Aspen để mô phỏng hệ thống, lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp và đề xuất các
giải pháp nâng cao chất lượng sản phẩm của tháp.
7. Ý nghĩa khoa học của luận án
- Đưa ra một cách tiếp cận phù hợp trong việc xây dựng mô hình toán học cho
các quá trình đa biến, kết hợp sử dụng phương pháp lý thuyết, phần mềm mô phỏng
và số liệu thực nghiệm.
- Phát triển phương pháp tính toán cấu trúc điều khiển tối ưu, xác định các cặp
biến vào/ra cho quá trình đa biến áp dụng cho một đối tượng cụ thể là tháp chưng
cất C-02.
- Bộ điều khiển đa biến – điều khiển dự báo theo mô hình đã được áp dụng
cho tháp C-02 nhằm nâng cao năng suất làm việc của tháp.
8. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Việc xây dựng mô hình cho tháp chưng cất dựa trên phương pháp tiếp cận
mới cho phép rút ngắn thời gian nghiên cứu cũng như tối thiểu chi phí cho hoạt
động này. Cải tiến cấu trúc điều khiển, nếu áp dụng có thể đưa chế độ điều khiển tự
động vào thay thế chế độ bằng tay hiện tại.

4
- Đưa ra giải pháp điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm có
xem xét đến yếu tố chi phí vận hành ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
- Việc hiệu chỉnh tham số làm việc phù hợp từ mô hình và cấu trúc thu được
góp phần nâng cao tính ổn định, chất lượng sản phẩm và lợi nhuận cho nhà máy.
- Kết quả của đề tài có thể phát triển và áp dụng cho các tháp khác trong Nhà
máy xử lý khí Dinh Cố và các tháp khác có chức năng tương tự.
9. Luận điểm bảo vệ và điểm mới của đề tài
Luận điểm bảo vệ
- Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng trên cơ sở phương pháp tiếp cận
mới kết hợp phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu thực tế. Mô hình
có ý nghĩa quan trọng, cho phép tiến hành các nghiên cứu trong cấu trúc và điều
khiển nhằm rút ngắn thời gian và giảm thiểu chi phí.
- Cấu trúc điều khiển thích hợp cho tháp C-02 đã được xác định thông qua quá
trình phân tích dựa trên lý thuyết và số liệu thực tế, cấu trúc này đảm bảo chất lượng
trên cơ sở bù nhiễu.
- Bài toán nâng cao chất lượng sản phẩm cho tháp chưng và nhà máy được giải
quyết hiệu quả trên cơ sở thiết kế lại cấu trúc điều khiển hoặc phương pháp điều
khiển hiện đại – điều khiển dự báo theo mô hình.
Điểm mới của luận án
- Xây dựng mô hình cho tháp chưng trên cơ sở cách tiếp cận mới kết hợp
phương pháp lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu thực tế.
- Tính toán xác định cấu trúc điều khiển thích hợp cho một tháp C-02 trên cơ sở
kháng nhiễu, sử dụng phương pháp phân tích SVD xác định biến vào/ra, đề xuất cấu
trúc mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
- Sử dụng bộ khiển dự báo để nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho tháp
chưng cất C-02.
10. Bố cục luận án

5
Nội dung luận án được trình bày trong 3 chương với 11 bảng biểu và 62 hình vẽ
bao gồm phần mở đầu, nội dung luận án, kết luận chung và kiến nghị, danh mục các
công trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Chương 1 trình bày về các thông tin cơ bản cũng như tầm quan trọng của tháp
chưng cất trong ngành công nghiệp dầu khí. Bên cạnh đó, tổng quan về các công
trình nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng mô hình tháp chưng cất, bài toán điều
khiển tháp chưng với vấn đề lựa chọn cấu hình điều khiển và thiết kế bộ điều khiển
của các tác giả trên thế giới nghiên cứu trong những năm qua cũng được trình bày
trong chương này.
Chương 2 đi sâu vào bài toán nghiên cứu xây dựng mô hình cho tháp chưng cất.
Mô hình toán học thu được bằng phương pháp lý thuyết có nhiều ưu điểm và đã
được nhiều tác giả thiết lập và sử dụng. Tuy nhiên, việc xác định các tham số cụ thể
của mô hình lý thuyết thường gặp khó khăn tron thực tế. NCS đưa ra phương án xây
dựng mô hình cho tháp chưng cất bằng cách sử dụng Aspen - một phần mềm phân
tích và thiết kế của công nghiệp hóa dầu kết hợp với các số liệu vận hành thực tế
của tháp để đưa ra mô hình. Mô hình được kiểm chứng và sử dụng để khảo sát chế
độ làm việc xác lập, chế độ động, cũng như các ảnh hưởng của các dòng trong tháp,
đồng thời được sử dụng để xác định cặp đôi biến vào/ra cho tháp C-02.
Trên cơ sở mô hình toán học của tháp C02 thu được ở chương 2, cấu hình điều
khiển và bộ điều khiển được xây dựng và lựa chọn trong chương 3 nhằm nâng cao
hiệu suất và chất lượng sản phẩm tháp. Thông qua việc phân tích các yếu tố ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm như nhiễu lưu lượng nguồn cấp, nhiễu thành phần
nguồn cấp, tương tác giữa các vòng điều khiển, ảnh hưởng của bộ điều khiển mức
cho từng cấu hình dựa trên mô hình thu được trong chương 2, cấu hình phù hợp
nhất cho tháp C-02 đã được NCS xác định. Cấu trúc điều khiển tháp chưng cất bao
gồm cấu trúc đơn biến-phi tập trung và cấu trúc đa biến-tập trung được áp dụng
điều khiển tháp C-02. Chất lượng sản phẩm được cải thiện với đề xuất cải tiến cấu
hình điều khiển hiện tại trong cấu trúc đơn biến và áp dụng cấu trúc đa biến sử dụng
bộ điều khiển dự báo theo mô hình.

6
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT
1.1. Khái quát về tháp chưng cất
Tháp chưng cất là thành phần quan trọng nhất trong công nghiệp lọc dầu và chế
biến khí, được sử dụng để tách một hỗn hợp hóa học thành các dòng sản phẩm tinh
khiết hơn [1], [36]. Được phát minh bởi Alexandrian Chemists vào thế kỷ thứ nhất,
tháp chưng cất dạng mẻ (batch distillations columns) được sử dụng chủ yếu trong
lĩnh vực sản xuất rượu và dầu ăn. Năm 1860 tháp chưng cất liên tục (continuous
distillations columns) được ra đời khi ngành công nghiệp dầu khí đòi hỏi sự cải tiến
trong cấu trúc tháp chưng nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của tháp. Loại tháp
chưng cất này trở nên ngày càng phổ biến trong các nhà máy hóa chất, lọc dầu và
xử lý khí hiện nay.
Các tháp chưng cất chiếm một phần đáng kể trong nguồn vốn đầu tư của các
nhà máy hóa chất và lọc dầu, thông thường khoảng 40-50% tổng giá trị đầu tư [35],
[36]. Chi phí vận hành của chúng chiếm phần lớn trong chi phí vận hành của nhiều
quá trình. Tháp chưng cất đồng thời cũng là một thành phần tiêu tốn nhiều năng
lượng: tại Mỹ, khoảng 7% năng lượng được tiêu tốn bởi tháp chưng cất. Phần năng
lượng này có thể được giảm xuống đáng kể thông qua quá trình tối ưu vận hành
tháp chưng cất, bao gồm việc thiết kế tối ưu, xây dựng hệ thống điều khiển để duy
trì các điều kiện vận hành tối ưu. Trong đó, điều khiển chặt chẽ cho tháp chưng cất
giữ vai trò chính trong việc tiết kiệm chi phí, gia tăng lợi nhuận và nâng cao chất
lượng sản phẩm.
1.2. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất
Tháp chưng cất hoạt động theo các nguyên lý nhiệt động học (hình 1.1). Cấp
liệu được đưa vào đĩa tiếp liệu, thiết bị đun sôi cung cấp nhiệt cho dòng cấp liệu.
Các thành phần trong hỗn hợp có nhiệt độ sôi thấp sẽ hóa hơi, đi từ dưới lên trên
đỉnh tháp qua các lỗ của đĩa. Các thành phần có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ di chuyển
về phía đáy tháp dưới dạng chất lỏng, chảy theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy

7
chuyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay
đổi theo sự thay đổi của nồng độ.
Nguồn cấp của tháp có thể là đa cấu tử hoặc 2 cấu tử với sản phẩm được lấy ra
từ trên đỉnh tháp, dưới đáy tháp hoặc bên sườn tháp. Đối tượng tháp chưng hỗn hợp
nhị phân, 2 sản phẩm sẽ được nghiên cứu và khảo sát trong luận án. Với đối tượng
này, phần hơi trên đỉnh tháp được làm lạnh và ngưng tụ qua quá trình trao đổi nhiệt
với chất làm lạnh trong Condenser và được đưa ra đường ống thành dòng sản phẩm
đỉnh. Chất lỏng đáy tháp được đưa vào trong bình chứa đệm, một phần được đưa
ngược lại tháp chưng gọi là dòng hồi lưu. Trong thời gian sản xuất, tháp chưng cất
thường được vận hành theo các cách:
- Tỷ số hồi lưu không đổi: Tỷ số giữa lưu lượng sản phẩm và lưu lượng hồi lưu
là không đổi trong khi nồng độ thành phần sản phẩm có thể thay đổi.
- Nồng độ thành phần không đổi: Lưu lượng hồi lưu đỉnh, đáy tháp được thay
đổi để đáp ứng với tác động của nhiễu khi có yêu cầu không đổi về nồng độ thành
phần.
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất 2 sản phẩm

8
- Tối ưu tỷ số hồi lưu: Tỷ số hồi lưu được xác định dựa trên một số tiêu chí tối
ưu. Cả tỷ số hồi lưu và nồng độ thành phần sản phẩm đều có thể thay đổi trong quá
trình làm việc của tháp
Mặc dù đã được khảo sát, nghiên cứu rất sâu sắc trên nhiều khía cạnh, tháp
chưng cất vẫn là một đối tượng nghiên cứu đầy tiềm năng vì:
- Tính đa dạng trong vận hành tháp chưng cất [36]: Skogestad và IJ. Halvorsen
đã chỉ ra mỗi loại tháp chưng có nhiều khả năng vận hành khác nhau dựa trên chức
năng, mục đích và dòng nguyên liệu vào của tháp. Tháp với hai dòng sản phẩm,
hỗn hợp lý tưởng (hỗn hợp nhị phân) là loại tháp dễ vận hành và điều khiển nhất.
Sự phức tạp trong điều khiển vận hành của tháp sẽ tăng lên khi hỗn hợp không lý
tưởng và tháp có liên kết nội với nhiều dòng vào/ra ở đỉnh, đáy hay sườn tháp. Hiểu
biết về động học, các chế độ hoạt động của tháp chưng cất cũng bị hạn chế đối với
loại tháp này. Vì quá trình là động nên việc tối ưu vận hành sẽ dẫn đến các vấn đề
về điều khiển và phương án chung để giải quyết vấn đề này vẫn chưa được thiết lập.
- Các sách lược điều khiển tháp chưng cất hiện nay thường khá đơn giản.
Skogestad và Postlethwaite I [73] đã nhấn mạnh quan điểm chất lượng điều khiển sẽ
không thể được cải thiện nếu thiếu thông tin về mô hình cũng như động học của
tháp. Đây là đặc điểm chung của các công ty, nhà máy nhỏ vì họ không được cung
cấp đầy đủ các nghiên cứu liên quan. Do đó, cần thiết phải có các phương pháp
nghiên cứu tin cậy để phát triển sách lược điều khiển cho tháp chưng cất.
- Các nhu cầu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm không ngừng tăng lên trong
khi bị giới hạn bởi các điều kiện ràng buộc vận hành. Đứng trên quan điểm điều
khiển, tất cả các thông tin có sẵn (giá trị đo, mô hình đối tượng, ràng buộc…) nên
được sử dụng để xác định tín hiệu điều khiển nhằm giữ giá trị đầu ra gần với giá trị
đặt [68]. Tương tác giữa các vòng điều khiển cũng cần được giảm xuống, tránh sự
lựa chọn cặp đôi các biến vào/ra cho quá trình đa biến. Vì vậy cần phải có các
phương pháp cải tiến để đáp ứng nhu cầu này.
1.3. Mô hình hóa tháp chưng cất

9
Các loại mô hình được sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất là mô hình vật lý và
mô hình toán học:
- Mô hình vật lý: Các thiết bị của hệ thống được đơn giản hóa và thu nhỏ với
một tỷ lệ nhất định. Việc xây dựng mô hình loại này mất rất nhiều thời gian và kinh
phí, thường khó khả thi trong các nhà máy, dự án nhỏ.
- Mô hình toán học: Là một mô hình trừu tượng ở đó đặc tính của hệ thống thực
được phản ánh qua các phương trình toán học. Mô hình được sử dụng để điều khiển
các quá trình liên tục, phân tích các đặc tính động học của quá trình, thiết kế tối ưu
cho hệ thống hay tính toán các điều kiện làm việc tối ưu. Mô hình có thể được xây
dựng bằng phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm hoặc kết hợp phương
pháp lý thuyết và thực nghiệm, có tính linh hoạt cao và sẽ được đề cập tới trong
luận án.
1.3.1. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết
Phương pháp lý thuyết xây dựng mô hình dựa trên các định luật vật lý, hóa học
cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được
là một hệ phương trình vi phân và phương trình đại số. Mô hình lý thuyết xuất phát
từ các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng lượng. Cân bằng khối
lượng có thể được cụ thể hóa bằng phương trình cân bằng tổng khối lượng hoặc cân
bằng thành phần [6], [35], [65], [67]. Ivar J. Halvorsen và Sigurd Skogestad;
William L.Luyben; Page S. Buckley; K.W. Mathisen, M. Morari và rất nhiều tác giả
khác đã công bố kết quả xây dựng mô hình tháp chưng cất bằng phương pháp này.
Phương pháp lý thuyết phụ thuộc nhiều vào quá trình cụ thể, đòi hỏi nhiều kinh
nghiệm thực tế.
Chưng cất là một quá trình động trong đó một hỗn hợp được phân tách, trữ
lượng tháp và nồng độ thành phần của các cấu tử thay đổi liên tục, vì thế mô hình
toán học của quá trình phải là động, bao gồm cả phương trình đại số và phương
trình vi phân. Một mô hình chi tiết cho tháp chưng cất bao gồm các phương trình
cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, trên mỗi đĩa, cân bằng nồng độ thành phần,

10
động học của các đĩa (thay đổi trữ lượng dòng lỏng), động học áp suất, mô hình của
bình ngưng và thiết bị gia nhiệt [36]. Tuy nhiên, cho đến nay các mô hình đã có đều
được đơn giản hóa với nhiều giả thiết như bỏ qua ảnh hưởng của cấu trúc tháp đến
cân bằng năng lượng, bỏ qua động học dòng lỏng, bỏ qua động học áp suất…
Các bước xây dựng mô hình:
- Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng vật chất,....
- Xây dựng các phương trình mô tả các quá trình cơ bản đối với tất cả các khâu,
phương trình liên hệ giữa các khâu.
- Xây dựng mô hình, lựa chọn phương pháp giải hệ phương trình.
Xây dựng một mô hình ở trạng thái xác lập hay một mô hình động cho tháp
chưng cất thường khá đơn giản. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, kết quả
nhận được là một số lượng lớn các phương trình vi phân và phương trình đại số.
Việc giải hệ phương trình này là một thách thức trong những năm đầu của mô hình
hóa tháp chưng. Mô hình tháp chưng đầu tiên được thiết lập vào những năm 1920
dựa trên phương pháp đồ họa (McCabe and Thiele) [35], được đơn giản hóa tối đa
và chỉ dừng lại với mô hình ở trạng thái xác lập. Mô hình này dựa trên cơ sở các giả
thiết khá hạn chế, nhưng lại có chứa thông tin quan trọng về trạng thái xác lập của
tháp chưng cất.
Một trong những mô hình động đầu tiên được xây dựng bởi Marshall và
Pigford, sử dụng các phương trình tuyến tính đơn giản và giải chúng bằng phép biến
đổi Laplace.
Sự ra đời của máy tính số vào những năm 1975 cho phép giải quyết nhiều mô
hình phức tạp hơn. Rosenbrock [69] đã xây dựng mô hình động, phi tuyến mặc dù
còn khá đơn giản, cho tháp chưng hai cấu tử bằng máy tính số. Mô hình đã được tác
giả sử dụng trong việc phân tích chế độ động, thiết kế điều khiển tháp chưng hai
thành phần, lựa chọn cấu trúc điều khiển và phân tích tương tác giữa các vòng điều
khiển. Trong những năm tiếp theo, sự phát triển của máy tính số cho phép giải các
hệ phương trình đại số và phi tuyến phức tạp, nhiều bài báo đã công bố kết quả

11
nghiên cứu xây dựng mô hình tháp chưng động và ở trạng thái xác lập trong 40 năm
qua.
Buckley và cộng sự [75] đã xây dựng mô hình lý thuyết cho tháp chưng cất
trong đó động học dòng lỏng đã được đề cập đến. Mô hình được sử dụng để thiết kế
bộ điều khiển mức, áp suất cho tháp nhưng vấn đề điều khiển thành phần (lựa chọn
cấu hình điều khiển) chưa được thảo luận tới.
Động học thành phần của tháp chưng tương đối chậm. Tuy nhiên nó rất quan
trọng đối với các nghiên cứu điều khiển phản hồi để tập trung không chỉ vào trạng
thái động mà còn kết hợp hiệu ứng động học nhanh. Các hiệu ứng có thể bao gồm
khâu lưu giữ bậc không – ZOH và khâu chậm trễ gây ra bởi động học của dòng
lỏng. Skogestad và cộng sự [66] đã chỉ ra tầm quan trong của sự trễ gây ra bởi động
học của pha lỏng đối với đặc tính điều khiển phản hồi của tháp chưng cất.
Skogestad [68] trình bày phương pháp xây dựng mô hình đơn giản cho trạng
thái xác lập và quá trình động của tháp chưng cất. Với điều khiển phản hồi, một mô
hình chính xác của đối tượng thường không cần thiết. Thay vào đó, nên sử dụng
một mô hình đơn giản (tốt nhất là một mô hình tuyến tính) trong đó bao gồm các
yếu tố quan trọng nhất cho điều khiển phản hồi (đáp ứng ngược, hiệu ứng đa biến,
độ nhạy mô hình). Phân tích cho thấy mô hình ở trạng thái xác lập dự báo một cách
chính xác đáp ứng của đối tượng ở các chế độ động và tĩnh.
Trạng thái động của tháp chưng có thể được xấp xỉ với mô hình hai hằng số
thời gian bằng cách xem xét sự khác biệt cơ bản giữa các dòng chảy nội và dòng
bên ngoài. Các phân tích về mô hình của Skogestad [73] cho thấy có rất nhiều khả
năng để giữ cho sản phẩm có độ tinh khiết cao với độ hồi lưu lớn. Một ưu điểm của
mô hình là nó mô tả được trạng thái của tháp ở cả tần số thấp và cao, cung cấp
thông tin, dự đoán của các phản ứng ban đầu, hiệu ứng tuyến tính hóa của các thành
phần. Chất lượng điều khiển có thể không được như mong muốn nếu chỉ sử dụng
thông tin ở trạng thái xác lập. Tuy nhiên, trong trường hợp này kết quả thực nghiệm
cho thấy cả hai sản phẩm của tháp đều có độ tinh khiết cao.

12
Mặc dù các mô hình hai hằng số thời gian thường đơn giản, phù hợp với đáp
ứng động của một lớp lớn các tháp chưng cất nhưng nó không được áp dụng thường
xuyên vì: Có một số lượng lớn tháp chưng cất yêu cầu về độ tinh khiết thấp với độ
hồi lưu nhỏ thì một mô hình một hằng số thời gian là thỏa đáng; Mô hình này là
không phù hợp cho một số tháp có độ tinh khiết thấp, có sự khác biệt lớn trong thời
gian đáp ứng của đỉnh và đáy.
Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến cho tháp chưng, mô hình vòng hở
cũng như mô hình tháp với các cấu trúc LV, DV, L/D-V/B được Skogestad xây dựng
năm 1997 [68]. Mô hình này tương tự với một mô hình được đưa ra trong cuốn sách
của Morari và Zafiriou [52] ngoại trừ việc động học của các dòng lỏng, thông tin
quan trọng trong điều khiển phản hồi đã được xem xét tới trong mô hình. Mô hình
đã được sử dụng trong một số bài báo về điều khiển và động học tháp chưng [67],
[68], [69].
Các giả thiết được sử dụng khi xây dựng mô hình: hỗn hợp nhị phân, áp suất
không đổi, biến động tương đối liên tục, ngưng tụ toàn phần; lưu lượng mol không
đổi, không có trữ lượng hơi trên các đĩa, động học chất lỏng được tuyến tính hóa,
nhưng có xem xét tới ảnh hưởng của dòng hơi. Những thông tin về đối tượng khá
hạn chế, nhưng chúng chứa các thông tin quan trọng đối với động học và điều
khiển. Một số giả thiết đã được các tác giả sử dụng trong nghiên cứu của mình:
Bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa
Thông thường trữ lượng pha hơi trên mỗi đĩa là không đáng kể và thường bị bỏ
qua (MiV = 0). Với giả thiết này, sự thay đổi trong lưu lượng hơi ở đáy tháp sẽ ngay
lập tức làm thay đổi lưu lượng hơi trên đỉnh tháp. Giả thiết này sẽ gây tác động xấu
cho các cấu tử dễ bay hơi, tháp có áp suất cao hoặc tỷ trọng pha lỏng thấp [73].
Choe và Luyben đã chứng minh trữ lượng hơi trên mỗi đĩa chỉ cần thiết được đề cập
tới khi nó chiếm hơn 20% so với trữ lượng pha lỏng trong tháp.
Áp suất không đổi và bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa

13
Đây là một giả thiết rất phổ biến vì áp suất ở các tháp chưng cất thường được
điều khiển chặt. Vì áp suất không đổi nên thông tin lấy được từ mỗi đĩa sẽ ít hơn,
nhưng vẫn bao gồm nồng độ thành phần (xij), trữ lượng pha lỏng (Mi) và áp suất (pi)
(Critsis [73]). Từ xij, pi Doukas, Luyben và Howard đã tính được yij, Ti và hi, Li.
Áp suất không đổi nhưng trữ lượng hơi trên mỗi đĩa thay đổi.
Choe và Luyben [67] đã chứng minh giả thiết này có tác động gần tương tự như
trường hợp bỏ qua trữ lượng hơi trên mỗi đĩa.
Năng lượng trên mỗi đĩa là không đổi
 / 0i Lid M h dt  (1.1)
Giả thiết này thường được sử dụng khi cần có phương trình cân bằng năng
lượng là một phương trình đại số. Tuy nhiên, trừ trường hợp  /i Lid M h dt thực sự
bằng không, giả thiết này thường sai và không được sử dụng.
Enthalpy pha lỏng không đổi
/ 0Lidh dt  (1.2)
Giả thiết này chỉ tốt đối với tháp chưng có các cấu tử có nhiệt độ sôi rất khác
nhau. Fuentes và Luyben [67] đã đưa ra kết luận sau các nghiên cứu của mình:
không nên bỏ qua enthalpy pha lỏng đặc biệt với các tháp chưng cất đa cấu tử hoặc
có thay đổi lớn về áp suất tháp.
Lưu lượng mol không đổi
Dòng hơi đi lên trong tháp là bằng nhau tại mỗi đĩa. Với các giả thiết về năng
lượng và áp suất tháp không đổi thì phương trình cân bằng năng lượng có thể được
đơn giản hóa hơn với giả thiết Lih 0 . Phương trình cân bằng năng lượng trở thành:
   1 , 10 i V i L i Vi LV h h V h h     (1.3)
Lúc này, phương trình cân bằng vật chất trở thành:
1 1; /i i Li i iV V dM dt L L    (1.4)

14
Bỏ qua động học dòng lỏng
Giả thiết trữ lượng dòng lỏng tại mỗi đĩa là không đổi, nghĩa là idM /dt 0 .
Đây là giả thiết khá phổ biến vì động học thành phần chậm hơn nhiều so với động
học dòng lỏng và gần như không bị ảnh hưởng gì bởi động học dòng lỏng (Levy và
cộng sự [73]). Tuy nhiên, đối với mục đích điều khiển, các đáp ứng ban đầu rất
quan trọng vì thế buộc phải xem xét tới sự thay đổi của dòng lỏng trong tháp.
Tuyến tính hóa động học dòng lỏng
Giả thiết này thường được chấp nhận trong trường hợp hệ thống sử dụng bộ
điều khiển phản hồi. Rademaker et al [73] tuyến tính hóa phương trình cân bằng vật
chất:
1
1
i i iL V M    

(1.5)
Trong đó λ thể hiện sự ảnh hưởng ban đầu của lưu lượng dòng hơi lên lưu
lượng dòng lỏng. τ là hằng số thời gian động học dòng lỏng.
Lựa chọn các giả thiết để xây dựng mô hình
Với tất cả các giả thiết có thể để xây dựng mô hình tháp chưng cất, có 3 loại mô
hình thường được sử dụng [73]:
- Loại 1: Mô hình bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, vật chất,
thành phần. Các giả thiết: bỏ qua trữ lượng hơi và áp suất không đổi.
- Loại 2: Bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, vật chất, thành phần.
Các giả thiết: bỏ qua trữ lượng hơi; áp suất không đổi, lưu lượng mol không đổi.
- Loại 3: Bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, vật chất, thành phần.
Các giả thiết: bỏ qua trữ lượng hơi; áp suất không đổi, lưu lượng mol không đổi, bỏ
qua động học dòng lỏng. Đối với mục đích điều khiển thì mô hình này không được
sử dụng.

15
Với mô hình loại 2, Skogestad đã công bố các kết quả quan trọng trong nghiên
cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về động học và điều khiển tháp chưng. Bao
gồm điểm làm việc xác lập, khảo sát đáp ứng động, phân tích lựa chọn cấu trúc điều
khiển và bộ điều khiển cho tháp chưng cất [61], [63], [68]. Petter Lundstrom [61] sử
dụng mô hình để phân tích ưu điểm của bộ điều khiển đa biến tập trung so với bộ
điều khiển đơn biến phi tập trung. Một ưu điểm nổi bật là việc xử lý các ràng buộc
tự động không thể thực hiện bởi một bộ điều khiển tuyến tính cố định nhưng có thể
được thực hiện dựa trên quá trình tối ưu hóa trực tuyến (ví dụ bộ điều khiển MPC).
Henrik Manum [34] sử dụng mô hình để triển khai các giải pháp điều khiển đơn
giản cho bài toán điều khiển tối ưu tháp chưng cất.
Các ưu điểm của mô hình toán học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết là rất
rõ ràng. Tuy nhiên, độ chính xác của mô hình phụ thuộc rất lớn vào các tham số ban
đầu của mỗi tháp chưng cất. Cho đến nay, trong tất cả các công trình đã công bố
liên quan đến mô hình tháp đều coi như các tham số này đã có sẵn hoặc phải thu
thập từ thực nghiệm [78]. Vấn đề xác định tham số phục vụ việc xây dựng mô hình
sẽ được giải quyết trong luận án với đối tượng cụ thể là tháp chưng cất C-02 của
nhà máy xử lý khí Dinh Cố.
1.3.2. Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình) ước lượng mô hình dựa trên
cơ sở số liệu vào/ra thực nghiệm [5], [6], [7]. Phương pháp này đã được ứng dụng
thành công trong nhiều ngành công nghiệp từ những năm 1970.
Các yếu tố cơ bản của nhận dạng bao gồm: Số liệu vào/ra thực nghiệm; dạng
mô hình, cấu trúc mô hình; chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình; thuật toán xác
định tham số. Nhận dạng quá trình được tiến hành qua các bước:
- Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình
- Lựa chọn phương pháp nhận dạng; lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến
vào/ra
- Xác định các tham số mô hình; mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình

16
Xây dựng mô hình tháp chưng bằng phương pháp nhận dạng là một giải pháp
hợp lý và đã được công bố nhiều trên thế giới [68]. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện tại
chưa có công trình nghiên cứu nào xây dựng mô hình tháp chưng thông qua phương
pháp này. Lý do chính là việc can thiệp vào hệ thống thực, thu thập dữ liệu vào/ra là
việc vô cùng khó khăn vì một sơ suất nhỏ cũng sẽ ảnh hưởng rất lớn tới nhà máy về
mặt kinh tế cũng như an toàn sản xuất.
1.4. Điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm
Sau khi xác định được mô hình đối tượng, điều khiển tháp chưng cất được tiến
hành theo hai bước: Xác định cấu hình điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho
tháp chưng cất.
1.4.1. Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất
Một nhiệm vụ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điều khiển là xác định
cấu trúc điều khiển. Thiết kế cấu trúc điều khiển đề cập tới tất cả các quyết định về
cấu trúc bao gồm: lựa chọn biến vào/ra, biến đo, cấu hình điều khiển, bộ điều khiển.
Skogestad và Postlethwaite [75] tóm tắt các bước trong thiết kế cấu trúc điều khiển:
1. Lựa chọn các biến đầu ra (một tập hợp các biến được điều khiển để đạt được
các mục tiêu cụ thể).
2. Lựa chọn các biến vào và các biến đo (các biến điều khiển và biến đo cho
mục đích điều khiển).
3. Lựa chọn một cấu hình điều khiển (một cấu trúc kết nối giữa các biến đo,
biến điều khiển, biến được điều khiển..).
4. Lựa chọn loại bộ điều khiển (PID, tách kênh, ...).
Có thể dễ dàng nhận ra rằng việc thiết kế một cấu trúc điều khiển phức tạp hơn
nhiệm vụ tổng hợp một bộ điều khiển cho một tập nhất định các biến đo và cơ cấu
chấp hành. Với một số lượng lớn các phép đo, các biến vào/ra sẽ tạo ra một số
lượng lớn các tổ hợp giữa chúng, do đó việc phân tích khả năng điều khiển và thiết
kế thiết kế bộ điều khiển cho mỗi sự kết hợp có thể tốn rất nhiều thời gian. Công

17
việc thiết kế cấu trúc điều khiển trong luận án này chủ yếu là xem xét bước 3) với
biến vào/ra cơ bản đã được lựa chọn.
1.4.1.1. Khái quát về cấu trúc điều khiển tháp chưng cất
Sơ đồ đặc tả điều khiển cho tháp chưng cất hai sản phẩm được cho trên hình 1.2.
FC
TC
FC
FC
FC
SP
VT
STEAM SP
L
B
D
COOLANT
F
V
AC
LC
SP
TC
SP
PC
AC
LC
Hình 1.2. Sơ đồ đặc tả các bài toán điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm
Hầu hết các tháp chưng cất đều được xem xét như một đối tượng 5 x 5 [73].
5 5
( ) ( ) ( )dy s G s du s
 trong đó các đầu vào u và đầu ra y:
;
  
  
  
   
  
  
   
   
D
B
D
B
T
yL
xV
u D y M
B M
V p
(1.6)
Trong hầu hết các trường hợp, V và VT được điều khiển gián tiếp thông qua bình
ngưng và thiết bị gia nhiệt. Áp suất được giả thiết được điều khiển chặt bởi VT. Do

18
đó mức MD, MB sẽ được điều khiển bởi tổ hợp của các biến L, V, D, B. Hai biến đầu
ra còn lại là thành phần sản phẩm sẽ được điều khiển bởi hai biến điều khiển còn
lại. Sự kết hợp giữa chúng sẽ cho các cấu hình điều khiển khác nhau của tháp chưng
cất.
Các cấu hình chuẩn, được sử dụng bởi Shinskey [66] bao gồm các lưu lượng L,
V, D, B và tỷ số giữa chúng. Các biến được điều khiển này có ưu điểm là tương đối
dễ thực hiện và dễ hiểu để vận hành. Thông thường sử dụng L và D cho đỉnh tháp
và V, B cho đáy tháp.
Không có một cấu hình đơn nào phù hợp với tất cả các tháp chưng vì không thể
đưa ra được một hệ thống điều khiển giải quyết được các bài toán điều khiển cho
chúng [66]. Với một số lượng lớn cấu hình có thể cho một tháp chưng, rõ ràng cần
phải có một công cụ giúp các kỹ sư lựa chọn được một cấu hình tốt nhất cho tháp
của mình. Luyben [41] nhấn mạnh về sự đa dạng của tháp chưng, các quá trình và
các nhà máy và nghi ngờ về khả năng tìm được một công cụ lựa chọn cấu trúc điều
khiển. Tuy nhiên, Birky et al đã so sánh các luật của Page Buckley và Greg
Shinskey trên một tập hợp lớn các tháp chưng đã nghiên cứu và tìm ra 3 trong số 18
cấu trúc đề xuất. Đó là cấu hình LV, DV và DB.
Các bài báo khác đề cập tới lựa chọn cấu trúc như: Waller [81]; Skogestad [56];
Haver [24]. Cấu hình (L/V)(D/B) có nhiều ưu điểm về kháng nhiễu nhưng lại khó
thực hiện trong thực tế.
1.4.1.2. Cấu hình LV
Đây là cấu hình thông dụng nhất trong công nghiệp [75]. Ưu điểm chính của nó
là các biến điều khiển ảnh hưởng trực tiếp tới nồng độ thành phần sản phẩm đỉnh và
đáy tháp, và hầu như nó độc lập với vòng điều chỉnh mức. Nó cũng hoạt động tốt
trong trường hợp điều khiển một điểm.

19
FC
TC
TT
LC
LT
FC
FC
TC
TT
PC
PT
FC
LC
LT SP
VT
SP
STEAM SP
SP
L
B
D
COOLANT
F
V
Hình 1.3. Cấu hình LV
Với tháp chưng cất đòi hỏi độ tinh khiết cao, mô hình thường có tính tương tác
mạnh với giá trị của RGA (Relative Gain Array) lớn, ít nhất ở tần số thấp. Giá trị
của RGA lớn nghĩa là không thể sử dụng điều khiển tách kênh vì bộ điều khiển này
sẽ gây ra thay đổi lớn trong dòng trong (L và V) mà không ảnh hưởng đến dòng
ngoài (D và B), khi đó giá trị của biến điều khiển sẽ không bao giờ biết được một
cách chính xác. Skogestad [73] thiết kế bộ điều khiển PID với hằng số thời gian
vòng kín nhỏ hơn 10 phút và thấy chúng làm việc tốt miễn là thời gian trễ đo không
quá lớn (1 đến 2 phút). Hiệu suất sẽ xấu đi đáng kể nếu các vòng điều khiển vì lý do
nào đó không được điều chỉnh vì tính tương tác mạnh ở tần số thấp.
Cấu hình LV có thể là lựa chọn tốt nhất vì nó đơn giản. Tuy nhiên, nếu bộ điều
khiển không đủ nhanh và có tương tác mạnh giữa đỉnh và đáy tháp (điều khiển mức
sử dụng D và B trở nên khó khăn) thì nên chọn một cấu hình khác.
1.4.1.3. Cấu hình DB

20
Hình 1.4. Cấu hình DB
Một ví dụ minh họa cho việc RGA ở trạng thái xác lập không thực sự đáng tin
cậy là cấu hình DB. Đây là sách lược điều khiển gần như không thể sử dụng, được
chứng minh bởi Perry và Chilton; McCune và Gallier; Shinskey [66]; Skogestad
[73]; Häggblom và Waller [81] vì nó gần như vi phạm cân bằng vật chất ở trạng
thái tĩnh và vì RGA là vô hạn ở trạng thái xác lập. Tuy nhiên, Fishers [21] và
Skogestad đã sử dụng cấu trúc này trong cả mô phỏng và ứng dụng thực tế vì giá trị
của RGA đã tiến về 1 tại tần số thấp hơn nhiều cấu trúc LV đối với tháp chưng cất
hai sản phẩm có độ tinh khiết cao. Với các tháp như vậy thì dòng trong thường lớn,
vì vậy sử dụng L và V để điều khiển mức là hợp lý. Nhược điểm của cấu hình DB là
nó chỉ hoạt động khi cả hai vòng điều khiển thành phần đều được đóng.
1.4.1.4. Cấu hình DV
Trong cấu hình này, L và B được sử dụng để điều khiển mức.

21
FC
TC
TT
LC
LT
FC
FC
TCTT
PC
PT
FC
LC
LT
SP
VT
SP
STEAM SP
SP
L
B
D
COOLANT
F
V
Hình 1.5. Cấu hình DV
Cấu hình này có thể tốt hơn cấu hình LV trong điều khiển một điểm với độ hồi
lưu lớn vì điều khiển mức đỉnh đơn giản hơn [75]. Với điều khiển hai điểm thì cấu
hình này tương đối khó thực hiện khi sản phẩm đáy không tinh khiết hơn sản phẩm
đỉnh, nhưng tốt hơn khi sản phẩm đáy tinh khiết. Nhược điểm: bị ảnh hưởng bởi
vòng điều khiển mức.
1.4.1.5. Các đặc điểm của cấu hình điều khiển
Vì L và V có ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ thành phần sản phẩm đỉnh và đáy
tháp trong khi D và B chỉ có ảnh hưởng gián tiếp thông qua L và V, vì thế từ đầu có
vẻ như không có khác biệt gì nhiều trong điều khiển khi sử dụng các cấu trúc khác
nhau. Cách đơn giản nhất để nhận thấy sự khác nhau giữa chúng là xem xét tác
động của nhiễu lên các đầu ra. Ví dụ, khi tăng lưu lượng nguồn cấp, cấu hình LV sẽ
làm tăng D, cấu hình DV làm tăng B, với cấu hình (L/D, V/B) làm tăng cả D và B,
cấu hình DB thì cả D và B đều không đổi.

22
Tính kháng nhiễu
Nguồn cấp của tháp lấy trực tiếp từ đầu ra của một quá trình khác nên nguồn
nhiễu chính bao gồm:
- Lưu lượng nguồn cấp
- Thành phần nguồn cấp
- Enthalpy nguồn cấp (tỷ lệ hơi/lỏng, nhiệt độ)
- Áp suất hơi và nhiệt độ nước làm lạnh
Có một sự khác biệt lớn về tính kháng nhiễu giữa các cấu hình trong trường
hợp các vòng điều khiển thành phần đều hở. Sự khác nhau này có thể được phân
tích một cách chặt chẽ thông qua đặc tính tần số của hệ số khuếch đại nhiễu.
Skogestad et al [73]; Waller [81].
Các kết luận trên đều liên quan tới đặc tính tự chỉnh khi không sử dụng điều
khiển phản hồi. Tuy nhiên, chúng có thể sẽ không còn chính xác khi sử dụng điều
khiển phản hồi. Skogestad và Hovd [73] đã giới thiệu phương pháp khảo sát tần số
cho hệ số khuếch đại nhiễu vòng kín (Closed-loop disturbance gains CLDG ) trong
trường hợp điều khiển hai điểm. Với trường hợp điều khiển một điểm (ở đây sản
phẩm không được điều khiển không nhạy với nhiễu), Luyben và cộng sự [41] sử
dụng “ratin curves ” ở trạng thái tĩnh để chỉ ra cách điều chỉnh các dòng lỏng để giữ
cho thành phần không đổi. Lưu lượng được đề nghị điều chỉnh bằng tay với một
lượng nhỏ khi sử dụng điều khiển một điểm. Skogestad đã khảo sát hệ số khuếch
đại tĩnh trong trường hợp điều khiển một điểm cho sản phẩm đáy, L được điều
chỉnh bằng tay nếu ,( )D F L xBy z  nhỏ. Dựa trên kết quả áp dụng cho một vài tháp
điển hình họ kết luận cấu hình LV dường như là lựa chọn tốt nhất cho điều khiển
một điểm. Waller đã chỉ ra sự tương quan giữa các đặc tính của điều khiển một
điểm với các tham số nhiễu vòng hở của chúng, K T  . Tuy nhiên, điều này không
phải luôn đúng, ví dụ cấu hình LV thường nhạy với nhiễu hơi cấp khi không có
vòng điều khiển kín nhưng lại không nhạy với điều khiển một điểm.

23
Tính tương tác giữa các vòng điều khiển
Tương tác giữa các vòng điều khiển là yếu tố cần được xem xét khi lựa chọn
sách lược điều khiển. Một sự tương tác không mong muốn là trạng thái động của
một vòng điều khiển bị ảnh hưởng mạnh bởi một vòng điều khiển khác.
Sự tương tác có thể tồn tại ngay cả khi chất lượng sản phẩm của đỉnh và đáy
đều được điều chỉnh. Nếu chất lượng sản phẩm của chỉ một cấu tử được điều khiển
thì sự tương tác không gây ra vấn đề gì. Nếu cả hai vòng điều khiển chất lượng đều
là bộ điều khiển phản hồi vòng đơn, sự điều khiển của một vòng sẽ tác động tới
vòng kia và ngược lại. Ví dụ tác động hóa hơi của bình gia nhiệt tới việc điều khiển
chất lượng sản phẩm đáy sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm đỉnh. Tương tác
giữa các vòng điều khiển đơn có thể dẫn tới sự suy thoái đáng kể trong tác động của
hệ thống điều khiển tháp chưng, do đó cần phải giảm thiểu sự tương tác này.
Một khác biệt quan trọng khác giữa các cấu hình là tương tác giữa các vòng
điều khiển khi sử dụng các vòng điều khiển đơn và tính nhạy cảm với thay đổi đầu
vào khi sử dụng phương án tách kênh cho điều khiển hai điểm [81]. Hệ số khuếch
đại tương đối và ma trận khuếch đại tương đối có ứng dụng quan trọng trong việc
phân tích và thiết kế cấu trúc điều khiển phi tập trung.
Ma trận khuếch đại tương đối được giới thiệu lần đầu tiên bởi Bristol ở trạng
thái xác lập như một tỷ số của hệ số khuếch đại vòng hở và vòng kín giữa đầu vào
thứ j và đầu ra thứ i khi tất cả các đầu ra khác l iy  được điều khiển hoàn toàn sử
dụng các đầu vào m ju 
1
( ) i j
ij ij ij
i j m j
y u
s g G
y u


 
      
(1.7)
12 21
11 22
1
( ) 1
g g
G
g g
 
   
 
(1.8)
Công thức này cũng được sử dụng khi RGA là một hàm của tần số [75]. Trong cấu
hình LV, Skogestad và Morari [73] đưa ra công thức xấp xỉ ở trạng thái tĩnh”

24
(2 ) ( 1)
( )LV
B D
N L L
G
Bx Dy

 

(1.9)
Với cấu hình DV thì các thành phần của RGA thường nhỏ hơn:
(1 )
( ) 1 1DV D
B
D y
G
Bx
 
   
 
(1.10)
Giá trị này sẽ gần bằng 1 với tháp có sản phẩm đáy có độ tinh khiết cao và gần
bằng 0 nếu sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết cao. RGA cho cấu hình (L/D)(V/B) bị
giảm xuống tương đối so với cấu hình LV khi dòng trong lớn vì:
( / )( / )
( ) ( )/ 1L D V B LV L V
G G
D B
 
     
 
(1.11)
Hệ số khuếch đại tương đối nói lên mức độ tương tác giữa các kênh vào/ra. Khi
hai kênh điều khiển không có tương tác hai chiều thì 1ij  , còn khi hai kênh có
tương tác càng mạnh thì ij càng khác xa giá trị 1. Khi uj và yi không có quan hệ gì
thì 0ij  .
Các công trình của Shinskey về tính toán RGA ở trạng thái xác lập cho các cấu
trúc khác nhau là một bước trong một thủ tục có hệ thống [66]. Luật của ông là lựa
chọn ra cấu trúc mà giá trị các thành phần đường chéo của RGA nằm trong khoảng
từ 0.9 đến 4. Mặc dù RGA ở trạng thái xác lập không chứa thông tin về nhiễu và
chế độ động nhưng nó vẫn hữu ích vì nó được áp dụng cho hầu hết các cấu hình có
tương quan tốt RGA ở tần số cao và vì nó cũng tương quan với tính nhạy nhiễu
vòng hở.
Giải pháp điều khiển
Để hệ thống làm việc tốt thì áp suất và mức của tháp chưng cần được điều khiển
chặt đồng thời phải điều khiển cả hai thành phần sản phẩm đỉnh và đáy hoặc ít nhất
một biến có liên quan tới chất lượng sản phẩm vì mục đích của tháp chưng là phân
tách hỗn hợp trong nguồn cấp thành hai sản phẩm với nồng độ khác nhau. Tuy

25
nhiên, trong thực tế thường có 3 trường hợp điều khiển nồng độ thành phần tháp
chưng cất [30], [61], [66], [68], [73]:
1. Vòng hở: không có bộ điều khiển thành phần
2. Điều khiển một điểm: Chỉ một vòng điều khiển được khép kín (đóng)
3. Điều khiển hai điểm: cả hai vòng điều khiển đều được đóng
Trường hợp 1: với nhiễu thành phần nguồn cấp, giả thiết lưu lượng mol không
đổi nên thay đổi trong thành phần nguồn cấp không làm thay đổi lưu lượng, và
không được phát hiện bởi bộ điều khiển mức do đó hệ thống gần như không ổn
định, lúc này thành phần sản phẩm cần được giám sát liên tục để duy trì tính ổn
định cho hoạt động của tháp chưng cất.
Trường hợp 2 (thông thường sản phẩm đáy được điều khiển) [73]: Trong cấu
hình DV và DB, D được giữ không đổi do đó nhiễu sẽ có ảnh hưởng lớn đến sản
phẩm đỉnh đặc biệt ở tần số thấp. Do đó, cần phải đóng một vòng điều khiển liên
quan tới yD để có được bộ điều khiển chấp nhận được cho cấu hình này. Tuy nhiên,
ở cấu hình LV, khi xB được điều chỉnh thì ảnh hưởng của nhiễu sẽ giảm xuống đáng
kể (đặc biệt với nhiễu thành phần nguồn cấp) vì thành phần đỉnh và đáy liên quan
chặt chẽ đến nhau.
Trường hợp 3: Điều khiển hai điểm là trường hợp hoạt động kinh tế nhất của
tháp chưng. Với điều khiển hai điểm, ảnh hưởng của nhiễu sẽ nhỏ ở tần số thấp.
Tuy nhiên, thông thường có một vài tương tác giữa các vòng điều khiển (giá trị g12
và g21 khác 0) có thể gây khó khăn trong điều khiển. Cấu hình LV được sử dụng
trong trường hợp này với điều kiện vòng điều khiển thành phần cả đỉnh và đáy phải
đáp ứng đủ nhanh để chống lại ảnh hưởng của nhiễu nguồn cấp. Skogestad và
M.Morari [75] đã chứng minh hoạt động hiệu quả của cấu hình LV trong trường hợp
này với các vòng điều khiển nhiệt độ đỉnh và đáy tháp thay cho điều khiển thành
phần tháp.
1.4.2. Phương pháp điều khiển tháp chưng cất hai sản phẩm

26
Mặc dù đã được nghiên cứu hơn 30 năm qua nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần
giải quyết trong điều khiển tháp chưng cất [68] vì:
- Điều khiển tháp chưng cất là một vấn đề khó, ít nhất là trong việc tìm ra hệ
thống điều khiển phù hợp cho từng tháp.
- Hầu hết các công trình nghiên cứu về điều khiển tháp chưng đều bắt đầu với
một phương pháp điều khiển cho trước và sử dụng tháp chưng như một ví dụ áp
dụng. Rất ít công trình nghiên cứu bắt đầu từ một tháp chưng và so sánh các
phương pháp điều khiển để đưa ra phương án tối ưu
Hai cấu trúc điều khiển được sử dụng cho tháp chưng cất là cấu trúc đơn biến
phi tập trung và cấu trúc đa biến tập trung. Trong thực tế, rất nhiều tháp chưng cất
của các nhà máy lọc dầu, xử lý khí hiện nay đều có hệ thống điều khiển với cấu trúc
phi tập trung (hai vòng điều khiển đơn cho sản phẩm đỉnh và đáy tháp) [68]. Lý do
quan trọng nhất cho sự lựa chọn này là người vận hành dễ hiểu và dễ dàng thay đổi
các tham số của bộ điều khiển hoặc chuyển sang chế độ vận hành bằng tay để phù
hợp với thay đổi trong nhà máy cũng như thay đổi của môi trường.
1.4.2.1. Cấu trúc điều khiển đơn biến – phi tập trung
Với cấu trúc này, các yếu tố gây khó khăn trong điều khiển bao gồm: đối tượng
phi tuyến mạnh, đáp ứng chậm, nhiễu ảnh hưởng lớn đến sản phẩm, tương tác mạnh
giữa các vòng điều khiển. Một số phương án đã được sử dụng như:
- Điều khiển bền vững: Tháp chưng với sản phẩm có độ tinh khiết cao luôn tồn
tại những điều kiện ngặt nghèo và nhạy cảm với sai lệch mô hình. Skogestad et al.
[63] sử dụng mô hình tháp chưng được đơn giản hóa để nghiên cứu với cấu trúc LV
và DV. Skogestad, Morari, Lundstrom công bố kết quả qua việc sử dụng các mô
hình thực tế [61]. McDonald et al tập trung vào mô hình phi tuyến, nhưng chỉ mang
tính ước lượng.
- Điều khiển phi tuyến: Có rất ít bài báo về điều khiển phi tuyến. Levin và
Rouchon sử dụng bộ điều khiển phi tuyến [68] nhưng không phân tích tính bền

27
vững (như sai lệch khuếch đại đầu vào) và không so sánh với các phương pháp đơn
giản (như bộ điều khiển tuyến tính).
- Điều khiển thích nghi: Dahlqvist [89] đạt được kết quả tốt khi sử dụng điều
khiển thích nghi cho tháp chưng với cấu hình LV.
- Điều khiển tối ưu, điều khiển ràng buộc: Tran [20] sử dụng bộ điều khiển
DMC điều chỉnh giá trị đặt cho nhiệt độ đĩa. Điều khiển ràng buộc được thảo luận
bởi Maarleveld [43]. Lear et al. xem xét điều khiển tối ưu sử dụng các vòng đơn.
Các ứng dụng công nghiệp của DMC được đưa ra bởi Hokanson et al [28] trong
việc kết hợp bộ điều khiển mức và điều khiển thành phần.
Hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều sử dụng các bộ điều khiển truyền
thống PID. Tuy nhiên, trong các trường hợp hệ thống có tính phi tuyến mạnh, tồn
tại tương tác lớn giữa các biến, thời gian trễ lớn, tồn tại các ràng buộc cả đầu vào và
ra thì phương án sử dụng các vòng điều khiển đơn cho chất lượng điều khiển không
cao.
Những năm gần đây, mạng nơron nhân tạo đã được ứng dụng trong nhận dạng
và điều khiển tháp chưng cất với mục đích loại bỏ trễ phép đo, nâng cao chất lượng
sản phẩm [4]. Một bộ cảm biến mềm sử dụng mạng nơron nhân tạo cung cấp cho hệ
thống các phép đo tin cậy, nhanh chóng đồng thời dự báo và suy luận nồng độ thành
phần sản phẩm trong các tháp chưng cất đa cấu tử. Các kết quả cho thấy việc ứng
dụng cảm biến mềm sử dụng mạng nơron nhân tạo để điều khiển trực tiếp nồng độ
thành phần tháp chưng cất là một giải pháp đơn giản, chi phí thấp, giúp giám sát,
duy trì sự ổn định cho sản phẩm tháp.
Nhu cầu ngày càng tăng cho hoạt động hiệu quả, sử dụng năng lượng và
nguyên vật liệu trong các quá trình hóa học đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các trạng
thái động và tĩnh của các quá trình để thiết kế các hệ thống điều khiển hiệu quả hơn.
Các chương trình điều khiển được đòi hỏi phải chặt chẽ hơn để vận hành quá trình
càng gần tối ưu càng tốt bất chấp nhiễu và thay đổi môi trường.

28
Điều kiện vận hành tối ưu của các quá trình luôn bị giới hạn bởi các ràng buộc,
đặc biệt là trong quá trình chưng cất. Mỗi ràng buộc là một thành phần phi tuyến
mạnh, và thông thường nó không thể được xử lý một cách hiệu quả với cấu trúc phi
tập trung và bộ điều khiển tuyến tính. Tuy nhiên, cấu trúc điều khiển đa biến tập
trung có thể giải quyết tương đối triệt để vấn đề này.
1.4.2.2. Cấu trúc điều khiển đa biến-tập trung
Phương pháp điều khiển dự báo được sử dụng rộng rãi trong bài toán điều
khiển thành phần ở cấu trúc đa biến – tập trung. Nhiều công trình nghiên cứu đã
công bố các kết quả khả quan khi sử dụng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất.
Ý tưởng điều khiển dự báo (Model Predictive Control-MPC) được Jacques
Richalet phát triển trong đầu những năm 1970 và được ứng dụng trong công nghiệp
lần đầu tiên năm 1973.
Xuất phát từ lý thuyết MPC cổ điển, Cutler và Ramaker; Prett và Gillete Garcia
[68] sử dụng mô hình đáp ứng bước nhảy với thuật toán DMC để dự báo đáp ứng
đầu ra tương lai nhờ sự bám sát theo giá trị đặt trong phạm vi có thể. Đầu vào tối ưu
được tính toán giống như giải quyết vấn đề bình phương tối thiểu. Thuật toán DMC
được sử dụng thành công trong công nghiệp trong hơn một thập kỷ. Lucecke et al.
sử dụng Dynamic Matrix Control (DMC) điều khiển tháp chưng. Mô hình quá trình
được xấp xỉ về mô hình bậc nhất có trễ. Tuy nhiên Morari và Skogestad [66] đã chỉ
ra những đặc tính phản hồi của bộ điều khiển DMC bị hạn chế bởi hai giả thiết của
thuật toán này đồng thời chứng minh các hạn chế này được khắc phục bằng cách sử
dụng một thuật toán mới dựa trên bộ quan sát của Lee et al.
McDonald và Georgiou et al. [62] đưa ra kết quả mô phỏng sử dụng DMC với
cấu trúc LV. Patwardhan và Edgar [54] mô tả các ứng dụng thử nghiệm của điều
khiển dự báo phi tuyến với ước lượng trực tuyến cho tháp chưng.
Lundstrom và Skogestad [63] đã chứng minh chất lượng tốt của MPC thông
qua việc mô phỏng tháp chưng, ngay cả khi mô hình không chắc chắn. Mặc dù hầu
hết các ứng dụng của MPC trong công nghiệp đều sử dụng một mô hình được nhận

29
dạng trực tuyến, tuy nhiên, vì tính tương tác mạnh trong mô hình tháp chưng gây
khó khăn trong nhận dạng, thì nên sử dụng một mô hình off-line.
Quintero-Marmol và Luyben [38] sử dụng bộ quan sát để dự báo các thành
phần trong tháp chưng đa cấu tử theo nhiệt độ tháp. Bosley và Edgar nghiên cứu
việc sử dụng kết quả tối ưu hóa với Nonlinear Model Predictive Control (NMPC).
Quintero-Marmol và Luyben công bố kết quả nghiên cứu về hai dạng bộ điều khiển
dự báo cho tháp chưng cất đa cấu tử. Ở đây, việc ước lượng mô hình động và mô
hình ở trạng thái xác lập đều cho chất lượng điều khiển tốt mà chỉ cần sử dụng một
điểm đo nhiệt độ duy nhất.
H. Manum and S. Skogestad [34] xem xét việc xây dựng bộ MPC dựa trên một
mô hình không gian trạng thái được đề xuất bởi Muske & Rawlings với giả thiết
không có ràng buộc. Với sự phát triển mới này, các công cụ truyền thống có thể
được sử dụng để phân tích một cách sâu sắc các tác động của bộ điều khiển. Bộ điều
khiển có thể được mở rộng với việc theo dõi các yếu tố đầu vào, và nó bao gồm các
trạng thái ước lượng cần thiết khi không phải tất cả các trạng thái đều được đo. Kết
quả mô phỏng tháp chưng cho thấy chất lượng điều khiển được cải thiện một cách
đáng kể so với khi sử dụng các vòng điều khiển PID thông thường.
E.M.B. Aske, S. Strand [18] đề xuất thực hiện bài toán năng suất cực đại bằng
cách sử dụng một mô hình điều khiển dự báo (MPC). Sử dụng MPC để giải quyết
bài toán quy hoạch tuyến tính LP có lợi ích cho phép thực hiện kết hợp chế độ động.
Bộ điều khiển MPC đã được thử nghiệm trên một mô phỏng động của nhà máy khí
Karstø và cho chất lượng tốt đối với các sai lệch mô hình và thay đổi của nhiễu.
Kvernland, Skogestad [19] thực hiện và thử nghiệm bộ MPC cho lớp giám sát
và lớp phân cấp trên mô hình mô phỏng của tháp chưng cất Kaibel. Kết quả cho
thấy bộ MPC cải thiện được đáp ứng động cũng như tính bền vững trong điều kiện
đầu vào thay đổi so với phương pháp điều khiển phân cấp đang sử dụng.
Ivar Halvorsen [35] nghiên cứu mô phỏng điều khiển tháp chưng Kaibel với bộ
điều khiển dự báo (MPC). Tháp Kaibel tách hỗn hợp nguồn cấp thành bốn dòng sản

30
phẩm, quá trình chưng cất là một quá trình đa biến dẫn đến một vấn đề điều khiển
đa biến. Mục tiêu của hoạt động tối ưu tháp chưng là giảm thiểu tổng lưu lượng tạp
chất. Bộ điều khiển sử dụng điểm đặt của nhiệt độ được xác định bởi quá trình tối
ưu hóa off-line dựa trên một mô hình toán học. Bộ điều khiển MPC nói chung đạt
được kết quả tốt hơn (lưu lượng tạp chất ít) so với điều khiển phi tập trung khi tháp
chưng cất được tiếp xúc với nhiễu. Nó cũng chống lại quá trình tương tác tốt hơn so
với điều khiển phi tập trung.
Vu Trieu Minh, Wan Mansor [17] xây dựng mô hình toán học và mô phỏng cho
bình ngưng động học của dòng lỏng và các phương trình cân bằng khối lượng, cân
bằng năng lượng. Mô hình tuyến tính giảm bậc được sử dụng để thiết kế bộ điều
khiển dự báo MPC và xác minh khả năng của một bộ điều khiển MPC thông thường
trong giới hạn ràng buộc của đầu vào và đầu ra. Một bộ điều khiển MPC với các
vùng làm việc thay vì các điểm đặt được khảo sát để cải thiện chất lượng điều khiển
của quá trình ngưng tụ.
R. Sivakumar, K. Suresh Manic [74] đề xuất bộ điều khiển dự báo dựa trên mô
hình mờ cho bài toán điều khiển phi tuyến đa biến trong tháp chưng cất. Phương
pháp này dựa trên việc tuyến tính hóa mô hình mờ của quá trình được điều khiển,
được sử dụng để dự đoán kết quả đầu ra. Kỹ thuật tối ưu hóa được phát triển để
giảm thiểu sự khác biệt giữa mô hình dự báo và tầm dự báo mong muốn. Các kết
quả mô phỏng so sánh với bộ điều khiển thông thường khẳng định tiềm năng của
chiến lược đề xuất của bộ điều khiển dự báo dựa trên mô hình mờ.
Maarleveld, A. [43] sử dụng bộ điều khiển dự báo cho tháp chưng cất với các
phương pháp đề xuất để giảm thiểu khối lượng tính toán: giới hạn các dịch chuyển
đầu vào; giảm mô hình; giới hạn tầm điều khiển. Nghiên cứu cho thấy, việc ngăn
chặn sự khác biệt của các dịch chuyển tốt hơn là ngăn chặn trực tiếp các dịch
chuyển. Việc giảm tầm điều khiển không phải là tốt vì nó gây mất mát hiệu suất
cao; chặn dịch chuyển đầu vào tốt hơn giảm tầm điều khiển; giảm mô hình tốt hơn
đáng kể so với giảm tầm điều khiển. Một số cải tiến về mặt số hóa cũng đã được đề
cập nhằm làm giảm khối lượng tính toán.

31
K. Ramesh [39] sử dụng bộ điều khiển phi tuyến NMPC dựa trên mô hình
Hammerstein để điều khiển tháp chưng. Bộ lọc Kalman được sử dụng để tính toán
các biến trạng thái. Các nghiên cứu về bộ điều khiển vòng kín đã chỉ các thế mạnh
của NMPC trong việc điều khiển tháp chưng cất.
Luận án sẽ đề cập cả hai cấu trúc điều khiển cho tháp chưng cất C-02 và đưa ra
cấu trúc điều khiển phù hợp cho tháp.
1.5. Hoạt động nghiên cứu, khai thác dầu thô và xử lý khí ở Việt Nam
Là một nước xuất khẩu dầu thô đứng thứ 3 Đông Nam Á [86] và có những lợi
thế đặc biệt cho việc khai thác, Việt Nam coi dầu thô là một trong những mặt hàng
xuất khẩu chiến lược của mình.
Việt Nam có 600 triệu thùng dầu thô dự trữ. Năm 2004, sản xuất dầu thô trung
bình đạt 400.000 thùng dầu mỗi ngày, đưaViệt Nam trở thành nước sản xuất dầu
lớn thứ ba châu Á, xuất khẩu đạt hơn 190.000 thùng/ngày. Các thị trường xuất khẩu
bao gồm Mỹ, Nhật Bản, Singapore và Hàn Quốc.
Tuy nhiên, với mục tiêu đạt 16.8 triệu tấn dầu khí khai thác quy đổi và 9.8 tỉ
m3
khí , đảm bảo gia tăng trữ lượng 35-40 triệu tấn quy dầu trong năm 2015, Tập
đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đang phải đối mặt với nhiều thách thức.
Sản lượng khai thác dầu khí tại mỏ lớn nhất là Bạch Hổ đang sụt giảm mạnh do
tình trạng ngập nước ở một số giếng tầng móng Bạch Hổ tiếp tục có xu hướng gia
tăng. Các mỏ mới phát triển chưa cho hiệu quả cao trong khi các dự án đầu tư tìm
kiếm dầu khí ở nước ngoài cũng không hề thuận lợi.
Mặc dù là một nước xuất khẩu dầu thô lớn, Việt Nam vẫn còn phụ thuộc vào
nhập khẩu các sản phẩm xăng dầu do thiếu khả năng lọc dầu. Trong quý đầu của
năm 2014, nước ta sử dụng hơn 5 tỷ USD để nhập khẩu 15 triệu tấn sản phẩm xăng
dầu, khí hóa lỏng.
Nhà máy lọc dầu Dung Quất đặt ở tỉnh Quảng Ngãi, có năng suất khoảng
140.000 thùng dầu/ ngày đã bắt đầu đi vào hoạt động sau khi dự án khởi động được

32
hơn 6 năm [86]. Nhà máy được vận hành để sản xuất ra các sản phẩm khí hóa lỏng
(gas) LPG (900-1.000 tấn/ngày) xăng A90 (2.900-5.100 tấn/ngày) và A92-95
(2.600-2.700 tấn/ngày), dầu Diesel (7.000-9.000 tấn/ngày), LPG và các sản phẩm
khác như Propylene (320-460 tấn/ngày), xăng máy bay Jet-A1 và nhiên liệu cho
động cơ phản lực (650-1.250 tấn/ngày), dầu đốt lò F.O (1.000-1.100 tấn/ngày).
Nhà máy xử lý khí Dinh Cố đặt tại Bà Rịa-Vũng Tàu sản xuất khoảng 1020 tấn
LPG/ngày và khoảng 400 tấn Condensate/ngày [8]. Các sản phẩm khí khô, LPG và
Condensate được cung cấp cho nhà máy điện Bà Rịa, nhà máy đạm Phú Mỹ và
cung cấp cho các hộ tiêu thụ trong nước.
Các sản phẩm khí, xăng dầu được sản xuất ở Việt Nam chỉ chiếm một phần rất
nhỏ nhu cầu tiêu thụ trong nước đặt ra yêu cầu cấp bách về việc vận hành hiệu quả,
cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao năng suất cho nhà máy lọc dầu và xử lý
khí. Tuy nhiên, các nhà máy này đều do nước ngoài xây dựng và lắp đặt, tài liệu
chuyển giao công nghệ rất ít nên việc thiết lập các tham số và lựa chọn phương án
điều khiển tối ưu cho tháp chưng cất vẫn còn là một thách thức đối với các kỹ sư
điều khiển. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về tháp chưng ở Việt Nam còn rất hạn chế
[3], [4] đòi hỏi một nghiên cứu đầy đủ hơn để giải quyết vấn đề này.
Đứng trước tình hình thực tế của ngành công nghiệp dầu khí của nước ta, luận
án sẽ tập trung vào một số nghiên cứu dưới đây:
- Xây dựng mô hình toán học cho tháp chưng cất bằng phương pháp lý thuyết
với các giả thiết phù hợp. Các tham số cần thiết để thiết lập mô hình được lấy từ kết
quả của quá trình mô phỏng phần mềm phân tích trong ngành dầu khí Aspen và các
số liệu thực tế. Đây là một phương pháp tiếp cận mới để xây dựng mô hình tháp
chưng cất mà không cần tiếp cận đối tượng thực. Đối tượng tháp C-02 của nhà máy
xử lý khí Dinh Cố được lựa chọn để khảo sát tính toán vì nó có các đặc điểm đặc
trưng của tháp chưng cất tại Việt Nam, hơn nữa đây cũng là một tháp có vai trò
quan trọng trong nhà máy.

33
- Lựa chọn cấu hình điều khiển phù hợp cho tháp chưng cất C-02 thông qua việc
phân tích các ảnh hưởng của nhiễu, tính tương tác…dựa trên mô hình thu được. Lựa
chọn cặp biến vào/ra cho tháp C-02 phục vụ cho hoạt động điều khiển.
- Đề xuất cấu hình mới cho hệ thống điều khiển phi tập trung nhằm nâng cao
chất lượng sản phẩm; thiết kế bộ điều khiển MPC trong cấu trúc điều khiển đa biến
cho tháp C-02 để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tính tương tác và nâng cao
hiệu suất làm việc của tháp.

34
Chương 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO THÁP CHƯNG CẤT C-02
2.1. Mục đích xây dựng mô hình
Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu
của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc phải xây dựng. Với đối tượng tháp chưng
cất, mô hình có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc tính toán, xác định các tham
số tối ưu trước khi xây dựng tháp như: số đĩa lý thuyết, chiều cao, đường kính tháp,
vị trí cấp liệu... cũng như trong việc thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển cho
tháp. Một mô hình chính xác sẽ góp phần giảm thiểu chi phí đầu tư, nâng cao chất
lượng và hiệu suất làm việc đồng thời là cơ sở để kiểm chứng đối tượng thực.
Hiện tại, nhà máy xử lý khí Dinh Cố đang được vận hành ở chế độ GPP với
mục đích vận hành an toàn, ổn định và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Trước tình
hình giá xăng dầu và khí hóa lỏng diễn biến phức tạp, việc nâng cao hiệu quả kinh
tế thông qua quá trình phân tích, thay đổi cấu trúc điều khiển và áp dụng phương
pháp điều khiển hiện đại đang là một yêu cầu cấp thiết của nhà máy.
Điều kiện trước tiên để xây dựng được một hệ thống điều khiển đạt chất lượng
tốt là phải có một mô hình phù hợp, phản ánh tương đối đầy đủ các khía cạnh của
hệ thống thực. Loại mô hình tháp chưng cất được sử dụng phổ biến trên thế giới là
mô hình vật lý và mô hình toán học. Tuy nhiên, trong điều kiện Việt Nam, việc xây
dựng được một mô hình vật lý là không hề đơn giản vì nó đòi hỏi rất nhiều kinh
nghiệm, công sức và tiền bạc. Để đáp ứng yêu cầu đặt ra trong thực tế cũng như của
đề tài, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu, xây dựng mô hình toán học cho tháp C-02
của nhà máy xử lý khí Dinh Cố với mục đích:
- Phân biệt được bản chất và làm rõ các hiện tượng xảy ra trong tháp chưng.
- Dự báo các mối quan hệ của hệ thống thực từ mô hình.
- Xây dựng các quy luật cho các tháp chưng khác với chức năng tương tự.

35
- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ cho quá trình sản xuất, đưa ra các tham số hiệu
chỉnh tối ưu cho tháp khi điều kiện vận hành thay đổi.
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển.
- Phân tích, kiểm chứng các kết quả thiết kế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ công tác thiết kế, đào tạo, vận hành.
2.2. Khái quát về tháp C-02
2.2.1. Chức năng và nhiệm vụ của tháp C-02
Tháp ổn định C-02 được lắp đặt ở chế độ MF, khi giai đoạn GPP được lắp đặt
hoàn chỉnh thì nó có thể làm việc ở cả chế độ MF và GPP.
Nhiệm vụ chính của C-02 là tách riêng Butan và Propan ra khỏi C5+ thành 2 sản
phẩm riêng biệt đồng thời ổn định thành phần Condensate thương phẩm.
2.2.2. Nguyên tắc hoạt đông của cụm tháp ổn định C-02
Cụm tháp C-02 hoạt động theo nguyên lý của một tháp chưng cất phân đoạn.
Dòng Condensate từ bình V-15 (Deethanizer Bottom Buffer Drum) được đưa vào
đĩa thứ 10 của tháp C-02 ở nhiệt độ 680
C do đồng hồ chỉ thị nhiệt độ TI-1501 báo.
Dòng nhập liệu sẽ đi xuống đáy tháp, tại đó mức chất lỏng luôn được duy trì. Rơle
báo mức cao LAHH-1521 được đặt tại đây. Khi mức đáy tháp quá cao, rơle này tác
động đưa ra tín hiệu tác động đến van sự cố đầu vào của tháp. Thiết bị chuyển đổi
chênh áp sang dòng (PDT-1521) được lắp đặt để dò sự chênh áp cao trong tháp do
bọt khí gây ra.
Dòng chất lỏng chảy ở đáy tháp sẽ chảy đến thiết bị tái đun nóng E-03 (Stabilizer
Reboiler) và được đun sôi bằng dầu nóng lên tới nhiệt độ khoảng 1540
C sao cho nó
có thể giảm được thành phần Butan trong sản phẩm Condensate (nhỏ hơn 1%), phần
Butan được tách ra tại E-03 sẽ được hồi lưu lại tháp và dòng hơi này đi từ đáy tháp
lên đỉnh tháp xuyên qua các đĩa. Nhiệt độ hơi ở đáy tháp được kiểm soát bởi bộ điều
khiển nhiệt độ TIC-1523 và van TV-1523. Dòng Hydrocacbon lỏng còn lại trong E-
03 một phần được đưa ngược trở về tháp C-02 làm dòng hồi lưu, một phần qua E-04

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu

Similar to Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu (20)

More from https://www.facebook.com/garmentspace

More from https://www.facebook.com/garmentspace (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển tối ưu quá trình đa biến trong công nghiệp lọc hóa dầu