BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA BATCH REACTOR Thiết bị phản ứng gián đoạn mang đến vấn đề hay việc mô hình hóa điều khiển trình chất động học vốn có nó, đa số trình quy mô lớn điều vận hành liên tục, thiết bị phản ứng gián đoạn sử dụng để sản xuất chế phẩm, dược phẩm quy mô nhỏ.Nhờ ứng dụng rộng rãi mô hình toán học giúp việc tự động tối ưu hóa trình gián đoạn dễ dàng hết. I. Giới thiệu thiết bị - Kích thước thiết bị đa dạng. Vật liệu chế tạo đa dạng từ thép, thép không gỉ loại hợp kim. Dung dịch hỗn hợp chất rắn đưa vào đầu thiết bi. Nếu sản phẩm chất lỏng thường lấy đáy, chất khí lấy đỉnh. - Một thiết bị phản ứng gián đoạn điển hình gồm: bình phản ứng, cánh khuấy với phận trao đổi nhiệt. Bộ phận khuấy (stir): - Gồm trục quay gắn thiết bị với động đỉnh thiết bị. - Trên trục có gắn cánh khuấy. Có nhìêu loại cánh khuấy khác nhau, thường chiếm 2/3 đường kính thíêt bị phản ứng. - Có nhiều cánh khuấy khác tùy thuộc vào mục đích sử dụng, yêu cầu, môi trường làm việc…. a. b. Vách ngăn (Baffle): - Đa số loại thiết bị phản ứng gián đoạn có gắn cố định vách ngăn thành thiết bị để phá vỡ định hướng dòng chảy mà gây cánh khuấy. Nhờ mà hiệu khuấy trộn tăng lên. - Có nhiều loại vách ngăn khác nhau. c. Bộ phận trao đổi nhiệt - Các trình bên thiết bị thường tỏa hấp thụ nhiệt lúc xảy phản ứng. Thậm chí trình khuấy đơn sản sinh nhiệt. Để giữ cho nhiệt độ thiết bị ổn định (tránh gây cháy nổ biến tính sản phẩm), nhiệt thêm vào lấy cách sử dụng loại vỏ áo ống truyền nhiệt bên bên ngòai bình. Bên thường sử dụng nhiều dễ vệ sinh. Họat động thiết bị đánh giá thông số: nhiệt độ, áp suất chất tải nhiệt. - Có loại vỏ áo phổ biến: Single external jacket: vỏ áo đơn Batch reactor with single external cooling jacket Vỏ áo thíêt kế bao bọc xung quanh bình phản ứng. Chất tải nhiệt đưa vào với tốc độ cao qua vòi (nozzle). Dung dịch vỏ áo tuần hòan liên tục để ổn định nhiệt độ. Half coil jacket: vỏ áo nửa ống • Batch reactor with half coil jacket Vỏ áo làm cách hàn ống truyền nhiệt xung quanh thiết bị, dung dịch truyền nhiệt chảy ống tuần hoàn liên tục. Dimple Jackets • II. Mô tả hoạt động hệ thống - Cho chất phản ứng vào thiết bị. Để phản ứng diễn nhanh hơn, ta mở van V-1 để nước vào thiết bị, lượng nước ngưng sẻ tách bẫy V-4, chưa ngưng hoàn lưu đưa lò hơi. Một số phản ứng nên diễn đến nhiệt độ định, lúc ta cài đặt trước nhiệt độ , điến nhiệt độ van V-1 đóng lại Van V-2 V-3 mở để dòng nước làm nguội qua. - Ngoài đun nóng chênh lệch nhiệt độ giảm, nên van V-1 sẻ đóng dần để điều tiết lưu lượng vào. III. Mô hình hóa a. Mô trình phản ứng - Xét phản ứng tạo chất chống đông ethylene glycol diethylene glycol từ oxirane nước. - Phản ứng: A: oxirane (Ethylene oxide) B: water C: Ethylene glycol D: Diethylene glycol - Nhiệt phản ứng: - Động học phản ứng mô tả sau: Với - Giả thuyết: phản ứng xảy pha lỏng, khuấy trộn ổn định. Vì dòng vào trình phản ứng nên phương trình cân vật chất tổng cộng trở thành: (1) - Phản ứng pha lỏng nên ta xem số nên từ phương trình (1), ta suy V số. - Cân vật chất cho cấu tử A: - Cân vật chất cho cấu tử B: - Cân vật chất cho cấu tử C: - Cân vật chất cho cấu tử D: - Cân lượng cho trình: (2) - Với trình đoạn nhiệt , phương trình (2) trở thành: - Các thông số mô phỏng: Thông số Giá trị 2.881 929.2 33 360 Đơn vị K Code matlab: function F = myfun(t,X) % 338*exp(-9525/X(5)) F=[-338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; -338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; 338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2-2*338*exp(9525/X(5))*X(1)*X(3)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; 2*338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(3)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; 58.1*338*exp(9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2+21.7*2*338*exp(9525/X(5))*X(1)*X(3)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2]; end clear all hold off [t,X]=ode45(@myfun,[0 12000],[1 33 0 360]); plot(t,[ X(:,1) X(:,3) X(:,4)]) legend('EO','EG','DiEG') figure plot(t,X(:,5)) legend('T') Kết quả: t T 0.0000e+000 1.0000e+000 33.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 360.0000e+000 1.2802e+000 999.9498e-003 32.9999e+000 50.2418e-006 76.4924e-012 360.0029e+000 2.5604e+000 999.8995e-003 32.9999e+000 100.4918e-006 306.0202e-012 360.0058e+000 3.8406e+000 999.8492e-003 32.9998e+000 150.7500e-006 688.6596e-012 360.0088e+000 5.1208e+000 999.7990e-003 32.9998e+000 201.0164e-006 1.2245e-009 360.0117e+000 11.5218e+000 999.5475e-003 32.9995e+000 452.4710e-006 6.2041e-009 360.0263e+000 17.9229e+000 999.2959e-003 32.9993e+000 704.1306e-006 15.0249e-009 360.0409e+000 24.3239e+000 999.0440e-003 32.9990e+000 955.9955e-006 27.6964e-009 360.0555e+000 30.7249e+000 998.7919e-003 32.9988e+000 1.2081e-003 44.2282e-009 360.0702e+000 62.7301e+000 997.5283e-003 32.9975e+000 2.4715e-003 185.1299e-009 360.1436e+000 94.7352e+000 996.2594e-003 32.9963e+000 3.7401e-003 423.9951e-009 360.2173e+000 126.7403e+000 994.9852e-003 32.9950e+000 5.0140e-003 762.0546e-009 360.2914e+000 158.7455e+000 993.7057e-003 32.9937e+000 6.2931e-003 1.2006e-006 360.3657e+000 318.7711e+000 987.2261e-003 32.9872e+000 12.7690e-003 4.9448e-006 360.7423e+000 478.7968e+000 980.6061e-003 32.9806e+000 19.3825e-003 11.3977e-006 361.1270e+000 638.8225e+000 973.8403e-003 32.9738e+000 26.1389e-003 20.7372e-006 361.5203e+000 798.8481e+000 966.9229e-003 32.9669e+000 33.0439e-003 33.1544e-006 361.9225e+000 1.0988e+003 953.5245e-003 32.9535e+000 46.4101e-003 65.4577e-006 362.7016e+000 1.3988e+003 939.5274e-003 32.9395e+000 60.3618e-003 110.8172e-006 363.5159e+000 1.6988e+003 924.8827e-003 32.9249e+000 74.9463e-003 170.9851e-006 364.3680e+000 1.9988e+003 909.5357e-003 32.9095e+000 90.2163e-003 247.9935e-006 365.2614e+000 2.2988e+003 893.4253e-003 32.8934e+000 106.2305e-003 344.1953e-006 366.1995e+000 2.5988e+003 876.4833e-003 32.8765e+000 123.0544e-003 462.3162e-006 367.1864e+000 2.8988e+003 858.6326e-003 32.8586e+000 140.7619e-003 605.5917e-006 368.2266e+000 3.1988e+003 839.7859e-003 32.8398e+000 159.4363e-003 777.8346e-006 369.3253e+000 3.4988e+003 819.8450e-003 32.8198e+000 179.1715e-003 983.5281e-006 370.4883e+000 3.7988e+003 798.6993e-003 32.7987e+000 200.0727e-003 1.2279e-003 371.7222e+000 4.0988e+003 776.2226e-003 32.7762e+000 222.2600e-003 1.5174e-003 373.0344e+000 4.3988e+003 752.2715e-003 32.7523e+000 245.8688e-003 1.8597e-003 374.4334e+000 4.6988e+003 726.6845e-003 32.7267e+000 271.0517e-003 2.2637e-003 375.9288e+000 4.9988e+003 699.2793e-003 32.6993e+000 297.9803e-003 2.7404e-003 377.5313e+000 5.2988e+003 669.8520e-003 32.6699e+000 326.8451e-003 3.3029e-003 379.2533e+000 5.5988e+003 638.1772e-003 32.6382e+000 357.8556e-003 3.9671e-003 381.1080e+000 5.8988e+003 604.0137e-003 32.6040e+000 391.2347e-003 4.7517e-003 383.1099e+000 6.1988e+003 567.1002e-003 32.5671e+000 427.2209e-003 5.6789e-003 385.2747e+000 6.4988e+003 527.2019e-003 32.5272e+000 466.0243e-003 6.7739e-003 387.6166e+000 6.7988e+003 484.1321e-003 32.4841e+000 507.8037e-003 8.0642e-003 390.1469e+000 7.0988e+003 437.8032e-003 32.4378e+000 552.6198e-003 9.5770e-003 392.8715e+000 7.3988e+003 388.3148e-003 32.3883e+000 600.3470e-003 11.3381e-003 395.7849e+000 7.6988e+003 336.1983e-003 32.3362e+000 650.4485e-003 13.3532e-003 398.8566e+000 7.9988e+003 282.5174e-003 32.2825e+000 701.8832e-003 15.5993e-003 402.0242e+000 8.2988e+003 228.9179e-003 32.2289e+000 753.0640e-003 18.0181e-003 405.1909e+000 8.5988e+003 177.9861e-003 32.1780e+000 801.5381e-003 20.4758e-003 408.2033e+000 8.8988e+003 132.2618e-003 32.1323e+000 844.9221e-003 22.8161e-003 410.9107e+000 9.1988e+003 93.8390e-003 32.0938e+000 881.2784e-003 24.8826e-003 413.1879e+000 9.3412e+003 78.5852e-003 32.0786e+000 895.6875e-003 25.7273e-003 414.0925e+000 9.4835e+003 65.2432e-003 32.0652e+000 908.2790e-003 26.4778e-003 414.8839e+000 9.6258e+003 53.7488e-003 32.0537e+000 919.1182e-003 27.1330e-003 415.5660e+000 9.7681e+003 43.9780e-003 32.0440e+000 928.3257e-003 27.6963e-003 416.1459e+000 9.9104e+003 35.7593e-003 32.0358e+000 936.0662e-003 28.1745e-003 416.6338e+000 10.0527e+003 28.9240e-003 32.0289e+000 942.5006e-003 28.5754e-003 417.0396e+000 10.1950e+003 23.3001e-003 32.0233e+000 947.7925e-003 28.9074e-003 417.3736e+000 10.3373e+003 18.7055e-003 32.0187e+000 952.1143e-003 29.1801e-003 417.6464e+000 10.4793e+003 14.9699e-003 32.0150e+000 955.6274e-003 29.4027e-003 417.8683e+000 10.6213e+003 11.9501e-003 32.0120e+000 958.4666e-003 29.5833e-003 418.0477e+000 10.7633e+003 9.5269e-003 32.0095e+000 960.7445e-003 29.7286e-003 418.1916e+000 10.9054e+003 7.5851e-003 32.0076e+000 962.5696e-003 29.8453e-003 418.3069e+000 11.0322e+003 6.1766e-003 32.0062e+000 963.8934e-003 29.9301e-003 418.3906e+000 11.1590e+003 5.0253e-003 32.0050e+000 964.9752e-003 29.9995e-003 418.4590e+000 11.2858e+003 4.0879e-003 32.0041e+000 965.8561e-003 30.0560e-003 418.5147e+000 11.4126e+003 3.3240e-003 32.0033e+000 966.5739e-003 30.1021e-003 418.5601e+000 11.5348e+003 2.7205e-003 32.0027e+000 967.1409e-003 30.1386e-003 418.5959e+000 11.6569e+003 2.2258e-003 32.0022e+000 967.6057e-003 30.1685e-003 418.6253e+000 11.7791e+003 1.8214e-003 32.0018e+000 967.9856e-003 30.1930e-003 418.6494e+000 11.9013e+003 1.4903e-003 32.0015e+000 968.2967e-003 30.2130e-003 418.6690e+000 11.9260e+003 1.4310e-003 32.0014e+000 968.3524e-003 30.2166e-003 418.6726e+000 11.9506e+003 1.3740e-003 32.0014e+000 968.4060e-003 30.2201e-003 418.6759e+000 11.9753e+003 1.3192e-003 32.0013e+000 968.4574e-003 30.2234e-003 418.6792e+000 12.0000e+003 1.2667e-003 32.0013e+000 968.5068e-003 30.2266e-003 418.6823e+000 Đồ thị: Mô trình phản ứng có trao đổi nhiệt a. Cấp nhiệt nước bảo hòa: - Phương trình cân vật chất cho phần áo: - Lượng nước ngưng tụ: - q tính gần theo công thức: - Phương trình (2) trở thành: - Các thông số mô phỏng: Thông số Giá trị 2.881 929.2 V k S 33 300 424 50 Đơn vị K K Code matlab: clear all hold off %Cap nhiet 200s dau [t1,X1]=ode45(@myfun2,[0 150],[1 33 0 360]); %tu giay thu 200 tro di [t2,X2]=ode45(@myfun,[150 500],X1(end,:)); t=[t1;t2]; X=[X1;X2]; plot(t,[ X(:,1) X(:,3) X(:,4)]) legend('EO','EG','DiEG') figure plot(t,X(:,5)) legend('T') function F = myfun2(t,X) % 338*exp(-9525/X(5)) F=[-338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; -338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; 338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2-2*338*exp(9525/X(5))*X(1)*X(3)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; 2*338*exp(-9525/X(5))*X(1)*X(3)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2; 58.1*338*exp(9525/X(5))*X(1)*X(2)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2+21.7*2*338*exp(9525/X(5))*X(1)*X(3)*(X(2)+2*X(3)+2*X(4))^2+0.0187*(450-X(5))]; end Kết quả: t T 1.0000 33.0000 360.0000 1.2802 0.9999 32.9999 0.0001 0.0000 362.1321 2.5604 0.9999 32.9999 0.0001 0.0000 364.2143 3.8406 0.9998 32.9998 0.0002 0.0000 366.2479 5.1208 0.9997 32.9997 0.0003 0.0000 368.2339 9.2580 0.9994 32.9994 0.0006 0.0000 374.3419 13.3952 0.9988 32.9988 0.0012 0.0000 380.0051 17.5324 0.9980 32.9980 0.0020 0.0000 385.2598 21.6696 0.9970 32.9970 0.0030 0.0000 390.1400 25.9731 0.9954 32.9954 0.0046 0.0000 394.8531 30.2766 0.9935 32.9935 0.0065 0.0000 399.2286 34.5801 0.9909 32.9909 0.0091 0.0000 403.2972 38.8836 0.9877 32.9877 0.0123 0.0000 407.0876 43.8836 0.9830 32.9830 0.0170 0.0000 411.1769 48.8836 0.9773 32.9773 0.0227 0.0000 414.9635 53.8836 0.9702 32.9702 0.0297 0.0000 418.4813 58.8836 0.9618 32.9618 0.0381 0.0000 421.7608 63.8836 0.9520 32.9520 0.0479 0.0001 424.8287 68.8836 0.9406 32.9406 0.0593 0.0001 427.7087 73.8836 0.9276 32.9276 0.0722 0.0002 430.4218 78.8836 0.9129 32.9129 0.0868 0.0002 432.9859 83.8836 0.8965 32.8965 0.1031 0.0003 435.4165 88.8836 0.8784 32.8784 0.1211 0.0004 437.7266 93.8836 0.8586 32.8586 0.1408 0.0006 439.9269 98.8836 0.8370 32.8370 0.1622 0.0008 442.0260 103.8836 0.8138 32.8138 0.1851 0.0011 444.0302 108.8836 0.7890 32.7890 0.2096 0.0013 445.9441 113.8836 0.7628 32.7628 0.2355 0.0017 447.7704 118.8836 0.7352 32.7352 0.2627 0.0021 449.5097 123.8836 0.7064 32.7064 0.2910 0.0026 451.1613 128.8836 0.6766 32.6766 0.3202 0.0032 452.7229 133.8836 0.6460 32.6460 0.3502 0.0038 454.1910 138.8836 0.6148 32.6148 0.3807 0.0045 455.5613 143.8836 0.5833 32.5833 0.4115 0.0053 456.8287 148.8836 0.5517 32.5517 0.4422 0.0061 457.9879 153.8836 0.5203 32.5203 0.4727 0.0070 459.0339 158.8836 0.4894 32.4894 0.5027 0.0079 459.9626 163.8836 0.4591 32.4591 0.5320 0.0089 460.7707 168.8836 0.4298 32.4298 0.5604 0.0099 461.4566 173.8836 0.4016 32.4016 0.5876 0.0109 462.0204 178.8836 0.3746 32.3746 0.6136 0.0119 462.4643 184.1627 0.3476 32.3476 0.6395 0.0129 462.8069 189.4418 0.3222 32.3222 0.6639 0.0139 463.0270 194.7209 0.2985 32.2985 0.6866 0.0149 463.1333 200.0000 0.2765 32.2765 0.7077 0.0159 463.1358 200.0000 0.2765 32.2765 0.7077 0.0159 463.1358 203.4610 0.2627 32.2627 0.7208 0.0165 463.9503 206.9220 0.2491 32.2491 0.7338 0.0171 464.7522 210.3830 0.2358 32.2358 0.7465 0.0177 465.5396 213.8440 0.2228 32.2228 0.7589 0.0183 466.3106 221.3440 0.1956 32.1956 0.7848 0.0196 467.9168 228.8440 0.1702 32.1702 0.8090 0.0209 469.4211 236.3440 0.1467 32.1467 0.8312 0.0221 470.8099 243.8440 0.1254 32.1254 0.8514 0.0232 472.0735 251.3440 0.1063 32.1063 0.8695 0.0242 473.2068 258.8440 0.0894 32.0894 0.8855 0.0251 474.2091 266.3440 0.0746 32.0746 0.8994 0.0259 475.0836 273.8440 0.0619 32.0619 0.9114 0.0267 475.8373 281.3440 0.0511 32.0511 0.9216 0.0273 476.4803 288.8440 0.0419 32.0419 0.9303 0.0278 477.0232 296.3440 0.0343 32.0343 0.9375 0.0283 477.4772 303.8440 0.0279 32.0279 0.9434 0.0286 477.8541 311.3440 0.0227 32.0227 0.9484 0.0289 478.1658 318.8440 0.0184 32.0184 0.9524 0.0292 478.4217 326.3440 0.0149 32.0149 0.9557 0.0294 478.6304 333.8440 0.0120 32.0120 0.9584 0.0296 478.8003 341.0719 0.0097 32.0097 0.9605 0.0297 478.9341 348.2998 0.0079 32.0079 0.9623 0.0298 479.0433 355.5276 0.0064 32.0064 0.9637 0.0299 479.1321 362.7555 0.0052 32.0052 0.9648 0.0300 479.2042 369.6369 0.0043 32.0043 0.9657 0.0300 479.2604 376.5182 0.0035 32.0035 0.9664 0.0301 479.3065 383.3995 0.0028 32.0028 0.9670 0.0301 479.3442 390.2809 0.0023 32.0023 0.9675 0.0302 479.3750 397.0366 0.0019 32.0019 0.9679 0.0302 479.3998 403.7924 0.0016 32.0016 0.9682 0.0302 479.4202 410.5481 0.0013 32.0013 0.9685 0.0302 479.4369 417.3038 0.0010 32.0010 0.9687 0.0302 479.4506 424.0054 0.0009 32.0009 0.9689 0.0303 479.4618 430.7070 0.0007 32.0007 0.9690 0.0303 479.4710 437.4086 0.0006 32.0006 0.9692 0.0303 479.4785 444.1102 0.0005 32.0005 0.9692 0.0303 479.4847 450.7877 0.0004 32.0004 0.9693 0.0303 479.4897 457.4653 0.0003 32.0003 0.9694 0.0303 479.4939 464.1429 0.0003 32.0003 0.9694 0.0303 479.4973 470.8205 0.0002 32.0002 0.9695 0.0303 479.5001 478.1154 0.0002 32.0002 0.9695 0.0303 479.5026 485.4103 0.0001 32.0001 0.9696 0.0303 479.5046 492.7051 0.0001 32.0001 0.9696 0.0303 479.5062 500.0000 0.0001 32.0001 0.9696 0.0303 479.5075 Đồ thị: Giải nhiệt nước: - Nhiệt lượng trao đổi: b. - Phương trình (2) trở thành: - Phương trình cân lượng cho phía áo: Tài liệu tham khảo 1. Luyben, W. L. - Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers (1989) 2. G.A. Malhem, Kinetics of the Reactions of Ethylene Oxide with Water and Ethylene Glycol . 11 .7791e+003 1. 8 214 e-003 32.0 018 e+000 967.9856e-003 30 .19 30e-003 418 .6494e+000 11 .9 013 e+003 1. 4903e-003 32.0 015 e+000 968.2967e-003 30. 213 0e-003 418 .6690e+000 11 .9260e+003 1. 4 310 e-003 32.0 014 e+000. 0. 018 3 466. 310 6 2 21. 3440 0 .19 56 32 .19 56 0.7848 0. 019 6 467. 916 8 228.8440 0 .17 02 32 .17 02 0.8090 0.0209 469.4 211 236.3440 0 .14 67 32 .14 67 0.8 312 0.02 21 470.8099 243.8440 0 .12 54 32 .12 54 0.8 514 . 10 .3373e+003 18 .7055e-003 32. 018 7e+000 952 .11 43e-003 29 .18 01e-003 417 .6464e+000 10 .4793e+003 14 .9699e-003 32. 015 0e+000 955.6274e-003 29.4027e-003 417 .8683e+000 10 .6 213 e+003 11 .9501e-003 32. 012 0e+000