Bài thực hành môn Mô hình hóa, mô phỏng và tối ưu hóa các quá trình hóa học - Bài thực hành số 1: Khảo sát động học của một bình phản ứng lý tưởng khuấy liên tục

Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
BÀI THC HÀNH S1  
KHO SÁT ĐỘNG HC CA MT BÌNH PHN NG LÝ  
TƯỞNG KHUY LIÊN TC  
Mc đích ca bài thc hành này là mô phng, gii quyết các bài toán trong CNHH. Cth:  
1. Xác định các đim hot đng dng ca mt hthng phn ng pha lng lý tưởng  
khuy liên tc.  
2. Kho sát các đặc trưng (ma trn và giá trriêng kết hp) ca hthng được tuyến tính  
hóa.  
3. Kho sát các đáp ng thi gian ca hthng vi mt số điu kin ban đầu khác nhau.  
Tài liu tham kho :  
[1] F. Viel et al., Global stabilization of Exothermic Chemical Reactors under Input  
Constraints, Automatica, 1997. pp. 1437-1448.  
1. Mô ththng phn ng :  
Hkho sát trong bài thí nghim này là mt hphn ng lý tưởng khuy liên tc (CSTR),  
được mô tnhư trong hình dưới đây:  
A
.
QJ  
A, B  
υA A υB B  
.
Bình phn ng được cung cp bi cht phn ng A li vào và có trao đổi nhit vi jacket QJ  
Bên trong bình phn ng xy ra phn ng hóa hc phát nhit bc 1 dng AÆB vi tc độ  
phn ng gistuân theo lut tác động khi lượng  
r = k(T)xA  
v
(1)  
vói xA là nng độ ca cu tA k(T) động hc phn ng, gisử được mô hình theo lut  
thc nghim Arrhenius :  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
k  
T
1
(2)  
k(T) = k exp  
0
Vi k0 là hng số động hc phn ng và k1 là nhit độ hot hóa. T là nhit độ bên trong bình  
phn ng. Ở đầu ra ca bình phn ng, chúng ta thu hi cht phn ng A và sn phm B.  
Nghiên cu cân bng năng lượng và vt cht ca hphn ng mtrên, chúng ta nhn được  
phương trình vi phân thường ODE sau [1] :  
xA = −k(T)x + d(xin x )  
A
A
A
xB = k(T)x dx  
T = bk(T)xA + d(T T) + e(Tw T)  
A
B
(3)  
in  
vi t  
[
0, + ∞ . d e tương ng là các hng s(giá trdương) kết hp vi tspha loãng và  
)
hstruyn nhit vi jacket. b là hng sdương liên quan đến mc độ phát nhit ca phn  
ng. Tin là nhit độ dòng vào và Tw là nhit độ jacket.  
2. Yêu cu :  
Câu hi 1 : Phương trình vi phân ( 1) là tuyến tính hay phi tuyến ? Ti sao ?  
Hphương trình ODE (3) có thể được viết li dưới dng tương đương :  
xA = −k(T)x + d(xin x )  
A
A
A
xB = k(T)x dx  
T = bk(T)xA qT + u  
A
B
(4)  
Trong phương trình (4), q=d+e u=d Tin+e Tw đầu vào input (có ththay đổi được). Bng  
dưới đây cho các dliu các tham sca hphn ng nghiên cu :  
b (K.L/mol)  
d (min-1)  
q (min-1)  
k0 (min-1)  
k1 (K)  
209.2  
1.1  
1.25  
7.2 1010  
8700  
1
xiAn (mol/l)  
u (K/min)  
355  
Ký hiu Xe =  
(
xAe , xBe ,Te đim hot động dng ca hthng phn ng (steadystate) các  
)
điu kin đầu vào u = ue = 355 (K/min) vi các thông skhác gicố định.  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
Câu hi 2 : Viết phương trình toán hc mô tcác đim hot động dng? Đơn gin các phương  
trình này, chra rng ta nhn được phương trình sau:  
bk(Te )dxiAn  
(5)  
0 =  
qTe + 355  
k(Te ) + d  
Phương trình (5) là tuyến tính hay phi tuyến ? Vì sao ?  
bk(Te )dxiAn  
Câu hi 3 : Đặt F  
(
Te  
)
=
qTe + 355. Dùng Matlab vi lnh plot, hãy biu din  
k(Te ) + d  
Te )) và nhn xét đường cong F  
vsnghim ca F Te = 0 ?  
quan hệ  
(
Te ,F  
(
(
Te có my giao đim vi trc hoành. Kết lun  
)
(
)
Câu hi 4 : Tính giá trscác đim hot động dng này dùng Matlab vi lnh fsolve ? Ghi li  
kết qunhn được trong mt bng theo cu trúc sau để tin theo dõi.  
Đim dng  
Giá trị  
x Ae  
xBe  
Te  
Câu hi 5 : Phương trình (4) có thể được viết dưới dng biu din sau :  
xA  
in  
f (X ,u)  
k(T)xA + d(xA xA )  
1
xB = f (X ,u) = k(T)x dx  
T
{
2
A
B
(6)  
f3 (X ,u)  
bk(T)xA qT + u  
142 43  
14444244443  
f ( X ,u)  
f ( X ,u)  
X
Tuyến tính hóa phương trình (6) dùng chui Taylor (bqua các thành phn bc hai và cao  
hơn) theo công thc sau :  
678  
X Xe = A(X Xe ) + B(u ue )  
(7)  
f  
X  
f  
u  
vi A =  
B =  
.
X =Xe ,u=ue  
X =Xe ,u=ue  
Hãy xác định giá trsca ma trn A và các giá trriêng kết hp vi nó ti các đim dng đã  
có trong câu hi 4 dùng các lnh Matlab diff eig. Nhn xét vdu ca các giá trriêng  
này ?  
Câu hi 6 : Gi mt phng to bi  
(
T, xa là mt phng pha (phase plane). Biu din các đim  
)
hot động dng đã tính được trong câu hi 4 trên mt phng pha này dùng lnh plot và kí hiu  
trên figure nhn được các đim này là P ?  
i
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
Câu hi 7 : Quay li phương trình (4), dùng lnh ode ca Matlab, tính nghim ca nó vi các  
điu kin ban đầu tùy chn khác nhau (ti thiu 5 điu kin ban đầu) ? Vi mi nghim tìm  
thy, hãy biu din chúng trên mt phng pha ca câu hi 6 ? (chú ý vchúng trên cùng mt  
figure dùng lnh hold).  
Câu hi 8 : Kết lun về động hc ca hthng : chúng có luôn hi tvcác nghim dng P ?  
i
Nhn xét (không cn gii thích) du ca các giá trriêng trong câu hi 5 và vic hi t/không  
hi tnày ?  
Câu hi 9 : (Câu hi mrng) Quan sát phương trình ODE (4), hãy chra rng các điu  
kin đẳng nhit  
tương ng ?  
(
T = const  
)
động hc ca các biến còn li  
(
xA , xB luôn hi tti các giá trị  
)
Câu hi 10 : (Câu hi mrng) Da vào tính cht đã biết câu hi 9, hãy đề xut mt biu  
thc toán hc đơn gin cho đầu vào u để toàn hthng hi tvmt đim hot động mong  
mun Xd =  
(
xAd , xBd ,Td biết rng động hc ca nhit độ (được áp đặt) dưới dng sau  
)
T = K(Td T)  
(8)  
vi K = const > 0 , luôn hi tvTd . Xác nhn kết qudùng Matlab vi biu thc toán hc  
ca u tìm được.  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
pdf 4 trang baolam 29/04/2022 3100
Bạn đang xem tài liệu "Bài thực hành môn Mô hình hóa, mô phỏng và tối ưu hóa các quá trình hóa học - Bài thực hành số 1: Khảo sát động học của một bình phản ứng lý tưởng khuấy liên tục", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_thuc_hanh_mon_mo_hinh_hoa_mo_phong_va_toi_uu_hoa_cac_qua.pdf