Bài thực hành môn Mô hình hóa, mô phỏng và tối ưu hóa các quá trình hóa học - Bài thực hành số 2: Khảo sát một hệ phản ứng dạng ống lý tưởng trạng thái dừng

Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
BÀI THC HÀNH S2  
KHO SÁT MT HPHN NG DNG NG LÝ TƯỞNG  
TRNG THÁI DNG  
Mc đích ca bài thc hành này là mô phng, gii quyết các bài toán trong CNHH. Cth:  
1. Tìm nghim sca mt hthng được mô tbng phương trình vi phân đạo hàm  
riêng dùng phương pháp sai phân hu hn.  
2. Tính toán xp xnghim dùng phương pháp ni suy Lagrange.  
3. So sánh nghim xp xvi nghim gii tích (nghim chính xác).  
4. Kết lun về ảnh hưởng ca số đim nút chn trên các nghim s.  
Tài liu tham kho ca bài thc hành:  
[1] Martin Ruszkowski et al., Passivity based control of transport reaction systems, AIChE  
Journal, 2005.  
1. Mô ththng phn ng ng:  
Hkho sát trong bài thc hành này là mt hphn ng dng ng (tubular reactor) lý tưởng  
phân b, được mô tnhư trong hình dưới đây:  
Dòng A vào  
Dòng ra  
R
AÆB  
0
L
x
Hthng trên được gii hn din ra các điu kin đẳng nhit, T=const., và sthay đi ca  
các đại lượng vt lý (nng đ,…) chtheo phương truc x, bqua sthay đi theo phương bán  
kính. Hxem xét được cung cp li vào bng cht phn ng A. Bên trong ng xy ra phn  
ng bc 1 dng AÆB vi tc độ phn ng :  
σ = −kc  
(1)  
vói k là hng sc là nng độ (cc b) ca cu thóa hc A.  
Câu hi 1 (Mô hình hóa đng hc) : Nghiên cu cân bng vt cht ca hệ đẳng nhit trên, chỉ  
ra rng sbiến thiên ca nông độ c được chi phi bi phương trình vi phân đạo hàm riêng  
sau [1]:  
c  
t  
2c  
x2  
c  
x  
(2)  
= D  
υ +σ  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
Trong phương trình (2) t  
skhuếch tán. □  
[
0, + ∞  
)
, x∈  
[
0, L ; υ D ln lượt là vn tc dòng đi lưu và hệ  
]
2. Gii hn ca bài thc hành:  
Trong bài thc hành này chúng ta chnghiên cu các nghim dng, tc là các nghim không  
phthuc vào thi gian :  
c  
t  
(3)  
= 0 c = c(x)  
Nghim nếu có ca phương trình (2) vi (3) cn bsung điu kin biên (đựợc gi là ĐK biên  
Hulburt) :  
c(0) = c  
0
(4)  
c(x)  
x  
= 0  
x=L  
Bng dưới đây cho các dliu các tham sca hphn ng nghiên cu :  
υ (cm/s)  
D (cm2/s)  
L (cm)  
k (1/s)  
R (cm)  
c0 (t) (mol/cm3)  
(Sinh viên tùy chn giá trcác tham ssao cho phù hp. Có đim ưu tiên cho vic chn la  
tt, sáng to)  
Câu hi 2 :  
a) Chng minh rng hthng nghiên cu (2) vi điu kin dng (3) trthành :  
2c  
x2  
c  
x  
(5)  
(6)  
D
υ kc = 0  
có phương trình đặc trưng là :  
aλ2 + bλ + c = 0  
υ
D
k
vi a = 1, b = −  
c = −  
?
D
b) Chng minh rng phương trình (6) luôn có hai nghim thc phân bitλ1 vàλ2 ?  
c) Suy ra nghim tường minh chính xác ca (5) vi điu kin biên (4) ?  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
3. Nghim sdùng phương pháp sai phân hu hn bước trung tâm:  
Trước tiên chúng ta xác định biu din đại sca phương trình vi phân (5) mà chúng ta sẽ  
nhn được bi ri rc hóa nó dùng phương pháp sai phân hu hn ti tng đim nút.  
Gi h là bước ri rc không gian sao cho khong  
[
0, L được chia thành N khong con có  
]
L
cùng chiu dài h, có nghĩa rngh = . Chúng ta ký hiu xi là các đim ri rc :  
N
x0 = 0, x1 = h, x2 = 2h,..., xN = L  
Các đim này phân bhình hc như sau :  
xN = L  
x2 = 2h  
x = h  
...  
x0 = 0  
x
x
1x  
123  
x
x
x
xN+1  
h
Tiếp theo, để đơn gin cách trình bày chúng ta skí hiu c0 = c(0),c1 = c(h),...,cN = c(Nh) .  
Ti các đim trung gian x1, x2 ,..., xN1 chúng ta sdng các biu thc sau để xp xỉ đạo hàm  
bc hai và bc 1 như sau :  
2c  
ci+1 + ci1 2ci  
, i =1,..., N 1  
(7)  
(8)  
x2  
h2  
x=xi  
ci+1 c  
2h  
c  
x  
i1 , i =1,..., N 1  
x=xi  
Chúng ta đưa vào tp đim ri rc trên mt đim o xN+1 (và ký hiucN+1 = c((N +1)h) , xem  
sơ đồ phân bcác đim bên trên) cho mc đích ri rc hóa ti đim biên xN , cth:  
2c  
cN+1 + cN1 2cN  
(9)  
x2  
h2  
x=xN  
cN+1 cN1  
2h  
c  
x  
(10)  
x=xN  
Và mt điu kin biên trong (4) được xp xthành:  
cN+1 cN1  
2h  
c  
x  
= 0 cN+1 = cN1  
(11)  
x=xN  
Sau cùng, để thuân li cho biu din chúng ta ký hiu :  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
Bài thc hành môn hc Mô hình hóa, mô phng và ti ưu hóa các quá trình hóa hc  
c
c(h)  
1
c(2h)  
c2  
C =  
=
(12)  
M
M
c(Nh)  
cN  
Câu hi 3 :  
a) Dùng xp x(7)Æ(10), chra rng phương trình (5) ti đim ri rc i trthành :  
1
υ 1  
2
h2  
k
1
υ 1  
(13)  
+
c −  
+
c +  
ci+1 = 0, i =1,..., N  
i1  
i
h2 D 2h  
D
h2 D 2h  
b) Tính đến các điu kiên biên (11), chra rng phương trình (9) có thviết dưới dng hệ  
tuyến tính sau :  
AC = b  
(14)  
vi C là vector được cho trong (12). Xác định các ma trn A, b ?  
c) Tìm nghim ca h(14) vi Matlab :  
Bước 1 : Khai báo các ma trn A, b.  
Bước 2 : Ma trn A khnghch ?  
Bước 3 : Tìm nghim dùng lnh đã hc trong bài thc hành s1.  
d) Viết biu thc nghim dùng ni suy kiu đa thc Lagrange. Biu din đồ ha biên  
dng phân bca nng độ c và so sánh vi nghim gii tích đã có câu hi 2 (c).  
Câu hi 4 (Câu hi mrng)  
1. Biết rng biu thc smol ca A trong ng phn ng được cho bi :  
L
N = πR2 c(x)dx  
(15)  
(16)  
0
Dùng qui tc hình thang, chng minh rng (15) có thxp xnhư sau :  
N1 (ci + ci+1)  
N = πR2h  
2
i=0  
Lp trình tính giá trsca (16) vi giá trcác ci đã tìm thy trong (14).  
2. Quan sát nh hưởng ca số đim nút (tăng/gim N) trên độ chính xác nghim  
sbng mô phng ? Kết lun.  
Copyright © by Hoàng Ngc Hà  
pdf 4 trang baolam 29/04/2022 2800
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 2: Khảo sát một hệ phản ứng dạng ống lý tưởng trạng thái dừng", 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