Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của bài giảng bao gồm các nội dung: mô hình toán cho hệ khuấy lý tưởng; chuỗi thiết bị khuấy lý tưởng; thiết bị khuấy gián đoạn; thiết bị đẩy lý tưởng; các bài toán thực tế; phương trình dòng....
Mơ hình hóa, mơ tối ưu hóa q trình hóa học Modeling, simulation and optimization for chemical process Instructor: Hoang Ngoc Ha Email: ha.hoang@hcmut.edu.vn Bộ môn QT&TB Curriculum/syllabi Seminar group CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Outline • General introduction – Structure and operation of chemical engineering systems – What is a chemical process? – Motivation examples • • • Part I: Process modeling Part II: Computer simulation Part III: Optimization of chemical processes CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction • Structure of chemical engineering system (Copyright © by Prof Paul Sides at CMU, USA) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction • Conservation laws: – Give some balance equations such as mass balance (or the molar number by species), energy balance and momentum equation of the system under consideration • Equilibrium thermodynamics – The extensive variables/intensive variables – The laws of thermodynamics • Reaction engineering – Reaction mechanism – The rate of a chemical reaction • Transport processes – How materials and energy move from one position to another (heat conductivity, diffusion and convection…) • Biological processes – Transform material from one form to another (enzyme process) or remove pollutants (environmental engineering) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction • References (complements) : Sandler S I (1999) Chemical and Engineering Thermodynamics Wiley and Sons, 3rd edition H.B Callen Thermodynamics and an introduction to thermostatics JohnWiley & Sons Inc, 2nd ed New York, 1985 De Groot S R and P Mazur (1962) Non-equilibrium thermodynamics Dover Pub Inc., Amsterdam Vũ Bá Minh (tập 4) Kỹ thuật phản ứng NXB ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2004 Nguyễn Bin, (tập 5) Các q trình hóa học NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction • Conservation laws: – Give some balance equations such as mass balance (or the molar number by species), energy balance and momentum equation of the system under consideration • Equilibrium thermodynamics – The extensive variables/intensive variables – The laws of thermodynamics • Reaction engineering – Reaction mechanism – The rate of a chemical reaction • Transport processes – How materials and energy move from one position to another (heat conductivity, diffusion and convection…) • Biological processes – Transform material from one form to another (enzyme process) or remove pollutants (environmental engineering) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction Operation of a chemical engineering plant (Σ) Dynamical behavior Copyright © by T Marlin CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction Oil and gas production plant CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction The system may be Isolated: There is no transfer of mass or energy with the environment ∑ Closed: There may be transfer of mechanical energy and heat ∑ Open: There is mass transfer with the environment ∑ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General introduction Question: determinate physical volume of the following systems? Gas QJ υ A A → υB B CuuDuongThanCong.com A, B https://fb.com/tailieudientucntt Examples of mathematical modeling of chemical process Distributed reaction systems (reactor tubular for example) Inlet material and/or energetic flux CuuDuongThanCong.com (Σ) V, Ω dV n chemical species P k νk Sk = Outlet material and/or energetic flux https://fb.com/tailieudientucntt Examples of mathematical modeling of chemical process Mass conservation by species Total material flux dmk dt = d dt R V ρk dV = R ∂ρk dV V ∂t R Jk = vk ρk ν Mk rv dV V k R R − Ω Jk · dΩ = − V div(Jk )dV Gauss theorem ⇒ CuuDuongThanCong.com ∂ρk ∂t = −div(Jk ) + νk Mk rv https://fb.com/tailieudientucntt Examples of mathematical modeling of chemical process ∂( ρ= ∂ρ ∂t P P k ρk ) ∂t = −div( k ρk = −div(vρ) Jck = ρk v Jdk = ρk (vk − v) CuuDuongThanCong.com P k Jk ) v= ∂v ∂t P k Jk ρ v = ρ−1 → − + v · ∇v = vdiv(v) Dv Dt ⇒ Jk = Jdk + Jck https://fb.com/tailieudientucntt Examples of mathematical modeling of chemical process dU dt = R ∂ρu dV V ∂t ∂ρu ∂t =− = −divJu R Ω Ju · dΩ Ju = ρuv + pv + Jq = ρ (u + pv) v + Jq | {z } =h P c k hk Jk CuuDuongThanCong.com Jq P d h J k k k https://fb.com/tailieudientucntt Examples of mathematical modeling of chemical process Seminar: Nonisothermal CSTR Batch reactor pH systems Distillation column CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Examples of mathematical modeling of chemical process Seminar: Nonisothermal CSTR Batch reactor pH systems Distillation column CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng Sự vận chuyển thiết bị phản ứng hỗn hợp phản ứng, bao gồm: Dòng vật liệu (khối lượng/nồng độ) Dòng nhiệt (năng lượng) Dòng động lượng (xung) ⇒ Được đặc trưng mật độ dòng Γ (lượng/thể tích) Có dòng đối lưu, dòng dẫn, dòng cấp dòng phát sinh Dòng đối lưu dòng dẫn tồn độc lập đồng thời pha Sự vân chuyển xảy qua lớp biên hai pha dòng cấp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng Các trình vận chuyển thiết bị Dòng đối lưu Sự thay đổi vị trí khơng gian mật độ dòng gọi đối lưu (dòng vận chuyển vĩ mơ) Mật độ dòng đối lưu biểu thị − → → v j c = Γ− (lượng/thời gian/diện tích) Dòng dẫn (khuếch tán) Chuyển động phân tử lòng pha khí pha lỏng chuyển động vi mô tạo thành dòng dẫn −−→ − → j d = −DgradC CuuDuongThanCong.com (lượng/thời gian/diện tích) https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng Các q trình vận chuyển thiết bị (tt) Dòng cấp Sự vận chuyển đại lượng đặc trưng từ pha sang pha khác gọi cấp Các trình xảy pha thường mơ tả đại lượng quảng tính − → j = ²f ∆Γ ² (lượng/thời gian/diện tích) - hệ số cấp, f - bề mặt riêng (xét đơn vị thể tích) ∆Γ- động lực CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng Các q trình vận chuyển thiết bị (tt) Dòng phát sinh Dòng phát sinh vật chất phản ứng hóa học Gj = Pm i=1 νji ri Dòng phát sinh cuả nhiệt phản ứng hóa học Gi = (−∆Hi )ri Dòng phát sinh động lượng chênh lệch áp suất Được hình thành thay đổi áp suất hệ, tức có tác dụng xung lực −−→ G = gradP CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng Xét trường hợp hệ tổng quát (đồng thể hay dị thể) có phản ứng hóa học Inlet material and/or energetic flux CuuDuongThanCong.com dV n chemical species P j νij Sj = Outlet material and/or energetic flux https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng ∂Γ ∂t Phương trình cân tổng qt có dạng phương trình vi phần riêng phần Damköhler thiết lập (1936) −−→ − → = −div( v Γ) + div(δ gradΓ) − ²f ∆Γ + G − → jc Γ = ρ Cj CuuDuongThanCong.com − → jd Dòng cấp − → ρCp T ρ v https://fb.com/tailieudientucntt Dòng phát sinh Phương trình dòng ∂Γ ∂t ∂ρ ∂t −−→ − → = −div( v Γ) + div(δ gradΓ) − ²f ∆Γ + G Viết lại phương trình cân − → ? −−→ = −div( v ρ) + div(D gradρ) − β ? f ∆ρ + G −−→ ∂Cj → − = −div( v C ) + div(D gradC ) j ∂t j −βj f ∆Cj + Gj −−→ ∂ρCp T → − = −div( v ρCp T ) + div(αT gradρCp T ) ∂t ? −α f ∆ρCp T + G − −−→ − ∂ρ→ v → − → − → −div( v ◦ ρ v ) + div(ν gradρ v ) ∂t = → − −γf ∆(ρ v ) + G CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình dòng ∂Γ ∂t −−→ − → = −div( v Γ) + div(δ gradΓ) − ²f ∆Γ + G Example: xem chương 5, tập (sách Các trình, thiết bị TRONG CƠNG NGHỆ HĨA CHẤT VÀ THỰC PHẨM, Nguyễn Bin) Mơ hình toán cho hệ khuấy lý tưởng Chuỗi thiết bị khuấy lý tưởng Thiết bị khuấy gián đoạn Thiết bị đẩy lý tưởng Các toán thực tế CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Outline General introduction Structure and operation of chemical engineering systems What is a chemical process? Motivation examples Part I: Process modeling Part II: Computer simulation Part III: Optimization of chemical processes Ref.: Burden R L and Faires J D Numerical analysis CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... Minh (tập 4) Kỹ thuật phản ứng NXB ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2004 Nguyễn Bin, (tập 5) Các q trình hóa học NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt General