Chức năng:
Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng hơi nước có sự thay đổi thể tích.
Hình 3.16. Khối Simulink Steam-Heating Tank thể tích thay đổi
Tên khối: STEAM-HEATING TANK VARIABLE HOLDUP
Số đầu vào: 5
o lần lượt là nhiệt độ hơi nước và nhiệt độ dòng vào.
o Valve 1, Valve 2 là giá trị độ mở van xác định lưu lượng chảy vào và ra khỏi bình .
o Max Flow là giá trị lưu lượng vào tối đa. Max Flow có thể là một hằng hoặc là một hàm tùy ý.
Số đầu ra: 4
o V là giá trị thể tích bình chứa.
o T là nhiệt độ chất lỏng trong bình sau khi gia nhiệt.
o In Flow là giá trị lưu lượng thể tích thực của dòng đầu vào. o Out Flow là giá trị lưu lượng thể tích thực của dòng đầu ra.
Các tham số của khối:
Density of the fluid: Khối lượng riêng của chất lỏng trong bình, đơn vị tính
Specific heat of the fluid: Nhiệt dung riêng của chất lỏng trong bình, đơn vị tính J/kgK.
Product of overall heat transfer coefficient and area: Tích trong công thức truyền nhiệt, đơn vị tính W/K.
Valve coefficient:
Hệ số cỡ van tính cho van đầu ra, đơn vị tính .
Initial volume: Thể
tích ban đầu của chất lỏng, đơn vị tính
Initial temperature:
Nhiệt độ ban đầu của chất lỏng trong bình, đơn vị tính oK
Hình 3.17. Tham số khối Steam-Heating Tank với thể
tích thay đổi
Mô hình động học cho quá trình:
√
3.2.3.2. Truyền nhiệt thông qua jacket
Chức năng:
Mô phỏng quá trình làm mát bằng bình jacket giữ thể tích bình không đổi. Sơ đồ hệ thống quá trình được biểu diễn trong hình dưới:
Fi,Ti x w V Fo,T Fji,Tji Fjo,Tjo Hình 3.18. Hệ thống làm mát bằng jacket giữ V=const
Hình 3.19. Khối Simulink Cooling
Jacket
Mô tả khối:
Tên khối: COOLING JACKET
Số đầu vào: 6
o lần lượt là nhiệt độ các dòng vào bình và jacket
o Valve 1, Valve 2 là giá trị độ mở van xác định lưu lượng chảy vào bình và jacket.
o là giá trị lưu lượng tối đa vào bình và jacket.
Số đầu ra: 4
o là nhiệt độ chất lỏng sau khi ra khỏi bình và jacket tương ứng. o là giá trị lưu lượng thể tích thực của dòng đầu vào bình và
jacket tương ứng.
Volume of the Tank, Volume of the Jacket: Thể tích của chất lỏng trong bình và jacket tương ứng, đơn vị tính
Density of the liquid in the tank, Density of the liquid in the jacket: Thể tích của bình, đơn vị tính
Specific heat of the liquid in the tank, Specific heat of the liquid in the jacket: Nhiệt dung riêng của chất lỏng trong bình và jacket, đơn vị tính kJ/kgK.
Heating transfer constant:
Tích trong công thức truyền nhiệt.
Hình 3.20. Tham số khối Cooling Jacket
Initial temperature of the Tank and Initial Temperature of the Jacket: Nhiệt độ ban đầu của chất lỏng trong bình và jacket, đơn vị tính oK
Mô hình động học cho quá trình:
( )
3.2.4. Các quá trình phản ứng hóa học
Sơ đồ hệ thống quá trình chung cho các quá trình phản ứng:
Hình 3.21. Quá trình phản ứng hóa học
3.2.4.1. Phản ứng đẳng nhiệt
Chức năng:
Mô phỏng quá trình phản ứng hóa học đẳng nhiệt, thể tích là hằng số.
Mô tả khối:
Hình 3.22. Khối Simulink Isothermal First-Order Reaction
Tên khối: ISOTHERMAL FIRST-ORDER REACTION
Số đầu vào: 3
o In Valve là giá trị độ mở van cho phép xác định lưu lượng vào o là giá trị lưu lượng tối đa chảy vào bình.
Số đầu ra: 3
o là nồng độ của chất tham gia và chất tạo thành sau phản ứng. o là lưu lượng thực của dòng chảy vào.
Các tham số của khối:
Reactor Volume: Thể tích của bình phản ứng, đơn vị tính Rate Constant: Hằng số tốc độ phản ứng, , đơn vị tính Initial Outlet Concentration of Component A, Initial Outlet Concentration of Component B: Nồng độ ban đầu của chất A và B tương ứng trong dung dịch, đơn vị tính
Hình 3.23. Tham số khối First-Order Reaction
Mô hình động học cho quá trình:
3.2.4.2. Phản ứng cân bằng
Chức năng:
Mô phỏng quá trình phản ứng hóa học hai chiều cân bằng đẳng nhiệt, thể tích là hằng số.
Mô tả khối:
Hình 3.24. Khối Simulink Equilibrium Reaction
Tên khối: EQUILIBRIUM REACTION
Số đầu vào: 3
o là nồng độ chất A của dòng chảy vào.
o In Valve là giá trị độ mở van cho phép xác định lưu lượng vào o là giá trị lưu lượng tối đa chảy vào bình.
Số đầu ra: 3
o là nồng độ của chất A, B tương ứng sau phản ứng. o là lưu lượng thực của dòng chảy vào.
Các tham số của khối:
Reactor Volume: Thể tích của bình phản ứng, đơn vị tính
Rate Constant for Forward Reaction, Rate Constant for Backward Reaction:
Hằng số tốc độ phản ứng, , của phản ứng thuận và nghịch tương ứng, đơn vị tính
Initial Outlet Concentration of Component A, Initial Outlet Concentration of Component B: Nồng độ ban đầu của chất A và B tương ứng trong dung dịch, đơn vị tính
Hình 3.25. Tham số khối Equilibrium Reaction
Mô hình động học cho quá trình:
3.2.4.3. Chuỗi các phản ứng
Chức năng:
Mô phỏng quá trình xảy ra chuỗi các phản ứng hóa học dưới điều kiện đẳng nhiệt, thể tích không đổi.
Mô tả khối:
Hình 3.26. Khối Simulink Consecutive Reaction
Tên khối: CONSECUTIVE REACTION
Số đầu vào: 3
o là nồng độ chất A của dòng chảy vào.
o In Valve là giá trị độ mở van cho phép xác định lưu lượng vào o là giá trị lưu lượng tối đa chảy vào bình.
Số đầu ra: 4
o là nồng độ của chất A,B,C tương ứng sau phản ứng. o là lưu lượng thực của dòng chảy vào.
Các tham số của khối:
Reactor Volume: Thể tích của bình phản ứng, đơn vị tính
Rate Constant for Reaction 1, Rate Constant for Reaction 2: Hằng số tốc độ phản ứng, , của các phản ứng 1, 2 tương ứng, đơn vị tính
Initial Outlet Concentration of Component A, Initial Outlet Concentration of Component B, Initial Outlet Concentration of Component C: Nồng độ ban đầu của chất A, B và C tương ứng trong dung dịch, đơn vị tính
Hình 3.27. Tham số khối Consecutive Reaction
Mô hình động học cho quá trình:
3.2.4.4. Phản ứng không đẳng nhiệt
Chức năng:
Mô phỏng quá trình phản ứng làm mát bình phản ứng không đẳng nhiệt, giữ thể tích bằng hằng số.
Mô tả khối:
Hình 3.28. Khối Simulink Non-Isothermal Reaction Cooling
Tên khối: NON-ISOTHERMAL REACTION COOLING
Số đầu vào: 5
o là nồng độ chất A của dòng chảy vào.
o là nhiệt độ dòng chảy vào và nhiệt độ cuộn làm lạnh tương ứng. o là giá trị độ mở van xác định lưu lượng dòng chảy vào. o là giá trị lưu lượng tối đa chảy vào bình.
Số đầu ra: 3
o là nồng độ của chất A sau phản ứng. o là nhiệt độ của dung dịch trong bình.
o là lưu lượng thực của dòng chảy vào.
Các tham số của khối:
Pre-exponent Constant: Hằng số trước mũ, , đơn vị tính
Activation Energy for the reaction: Năng lượng hoạt hóa cho phản ứng, đơn
Gas Constant: Hằng số khí, đơn vị kJ/molK Reactor Volume: Thể tích của bình phản ứng, đơn vị tính Density: Khối lượng riêng của chất lỏng trong bình.
Specific heat: Nhiệt dung riêng của chất lỏng trong bình.
Product of heat transfer coefficient and area: Tích trong công thức truyền nhiệt, đơn vị
kJ/Ks
Hình 3.29.Tham số khối Non-Isothermal Reaction Cooling
Heat of the reaction: Nhiệt của phản ứng, đơn vị kJ/kg
Initial Concentration: Nồng độ ban đầu của chất A
Initial Temperature: Nhiệt độ ban đầu của bình.
Mô hình động học cho quá trình:
Bảng dưới đây tóm tắt lại các mô hình động học quá trình đã xây dựng được dưới dạng cây thư mục đã được tạo ra trong Simulink:
Bảng 3.2. Thư viện mô hình các quá trình và các tham số của nó
Quá trình Mô hình Tham số
Chemical Reactors
Consecutive Reaction
-Reactor Volume
-Rate Constant of Reaction 1,2 -Initial Outlet Concentration of Component A,B,C
Equilibrium Reaction
-Reactor Volume
-Rate Constant for Forward Reaction -Rate Constant for Backward Reaction -Initial Outlet Concentration of
Component A,B
Isothermal-First Order Reaction
-Reactor Volume -Rate Constant
- Initial Outlet Concentration of Component A,B
Non-Isothermal Reaction Cooling
-Pre-exponent Constant
-Activation Energy for the Reaction -Gas Constant
-Reaction Volume -Density
-Specific Heat
-Product of Heat Transfer Coefficient and Area
-Heat of the Reaction -Initial Concentration -Initial Temperature Non-Isothermal
Reaction Heating
Heat Transfer
Cooling Jacket Model
-Volume of the Tank,Jacket
-Density of the Liquid in the Tank,Jacket -Specific heat of the liquid in the
Tank,Jacket.
-Heating Transfer Constant
-Initial Temperature of the Tank, Jacket
Steam-Heating Tank Variable Holdup
-Density of the fluid -Specific heat of the fluid -Product of overall heat transfer coefficient and area.
-Valve coefficient
-Initial Volume, Initial Temperature. Steam-Heating Tank
with Constant Holdup
-Density of the fluid
-Specific heat of the fluid -Product of overall heat transfer coefficient and area.
- Initial Temperature.
Mixing Processes Stirred Blending Tank Model -Density of liquid -Volume -Initial composition. Storage Liquid Systems
Single Tank Model 1
-Across Sectional Area of Tank -Valve Coefficient
-Initial Level
Single Tank Model 2
-Across Sectional Area of Tank -Density of Liquid
-Valve Coefficient -Initial Level
Two Tanks Model
- Across Sectional Area of Tank1, 2 - Valve Coefficient 1, 2
- Initial Level 1, 2
Valve Model Valve Model
-Gain
-Time Constant -Initial Valve Opening
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM CÁC MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH
4.1. Các hệ thống tích trữ chất lỏng 4.1.1. Hệ thống một bình mức một đầu vào 4.1.1. Hệ thống một bình mức một đầu vào Các giá trị tham số:
Giả sử ta có các thông số cho bình mức như sau: Diện tích bề mặt cắt ngang của bình: Hệ số cỡ van:
Chiều cao bình ban đầu:
Độ mở van vào ban đầu:
Các giá trị đầu vào khối:
Giả sử ta mô phỏng kiểm nghiệm cho quá trình này với các giá trị đầu vào: In Valve: 1
Out Valve: 1
Max Flow:
Phƣơng trình động học quá trình:
Phương trình mô hình động học cho quá trình một bình mức một đầu vào:
Trong đó √
Thay các giá trị tham số và các giá trị đầu vào sau khi van xác lập ta được:
Trạng thái ban đầu:
√ Tại trạng thái xác lập:
√ hay ̅ ̅ ̅
Mô hình mô phỏng trên simulink:
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng Simulink
Kết quả mô phỏng cho các đầu ra:
Hình 4.4. Lưu lượng ra(m3/s)
Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình được xây dựng là chính xác.
4.1.2. Hệ thống hai bình mức tƣơng tác Các giá trị tham số:
Giả sử ta có các thông số cho bình mức như sau: Diện tích bề mặt cắt ngang của bình 1 : Diện tích bề mặt cắt ngang của bình 2 : Hệ số cỡ van:
Hệ số cỡ van:
Chiều cao bình 1 ban đầu: Chiều cao bình 1 ban đầu:
Độ mở van vào ban đầu:
Các giá trị đầu vào khối:
Giả sử ta mô phỏng kiểm nghiệm cho quá trình này với các giá trị đầu vào: Valve 1: 1
Valve 2: 1 Valve 3: 1
Max Flow:
Phƣơng trình động học quá trình:
Trong đó √ √ Thay các giá trị tham số và các giá trị đầu vào sau khi các van đã ở vị trí xác lập:
√
√ √ Trạng thái ban đầu:
√ √ Tại trạng thái xác lập: √ √ √ Tính ra ta được: ̅ ̅ ̅ ̅ ̅
Mô hình mô phỏng trên simulink:
Kết quả mô phỏng cho các đầu ra:
Hình 4.6. Đáp ứng mức nước (m) Hình 4.7. Đáp ứng mức nước (m)
Hình 4.8. Lưu lượng vào (m3/s) Hình 4.9. Lưu lượng (m3/s)
Hình 4.10. Lưu lượng (m3/s)
4.2. Các quá trình pha trộn Các giá trị tham số: Các giá trị tham số:
Giả sử ta có các thông số cho quá trình pha trộn như sau: Khối lượng riêng của chất lỏng:
Thể tích dung dịch:
Thành phần chất ban đầu:
Độ mở van vào ban đầu:
Các giá trị đầu vào khối:
Giả sử ta mô phỏng kiểm nghiệm cho quá trình này với các giá trị đầu vào: Valve 1: 0.5 Valve 2: 0.5 X1: 0.2 X2: 1 Max Flow 1: Max Flow 2: Phƣơng trình động học quá trình:
Phương trình mô hình động học cho quá trình pha trộn:
Trong đó
Thay các giá trị tham số và các giá trị đầu vào sau khi van xác lập ta được:
Trạng thái ban đầu:
Tại trạng thái xác lập:
hay ̅ ̅ ̅
Mô hình mô phỏng trên simulink:
Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng Simulink
Kết quả mô phỏng cho các đầu ra:
Hình 4.13. Lưu lượng vào (kg/s) Hình 4.14. Lưu lượng vào (kg/s)
Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình được xây dựng là chính xác.
4.3. Các quá trình truyền nhiệt
Truyền nhiệt thông qua cuộn gia nhiệt bằng hơi nƣớc có sự thay đổi thể tích bình
Các giá trị tham số:
Giả sử ta có các thông số cho quá trình này như sau: Khối lượng riêng của chất lỏng: Nhiệt dung riêng của chất lỏng:
Tích của hệ số truyền nhiệt tổng thể và diện tích truyền nhiệt: Hệ số van:
Thể tích ban đầu: Nhiệt độ ban đầu:
Độ mở van vào ban đầu:
Các giá trị đầu vào khối:
Giả sử ta mô phỏng kiểm nghiệm cho quá trình này với các giá trị đầu vào: Nhiệt độ của hơi nước gia nhiệt:
Nhiệt độ của của dòng chảy vào: Valve 1: 0.5
Valve 2: 0.5
Max Flow:
Phƣơng trình động học quá trình:
Phương trình mô hình động học cho quá trình gia nhiệt thể tích không đổi:
Trong đó √
Thay các giá trị tham số và các giá trị đầu vào sau khi van xác lập ta được:
√
Trạng thái ban đầu:
√ Tại trạng thái xác lập: √ hay ̅ hay ̅
Mô hình mô phỏng trên simulink:
Hình 4.15. Sơ đồ mô phỏng Simulink
Kết quả mô phỏng cho các đầu ra:
Hình 4.18. Đáp ứng lưu lượng vào(m3/s) Hình 4.19. Đáp ứng lưu lượng ra(m3/s)
Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình được xây dựng là chính xác.
4.4. Các quá trình phản ứng 4.4.1. Phản ứng đẳng nhiệt 4.4.1. Phản ứng đẳng nhiệt Các giá trị tham số:
Giả sử ta có các thông số cho lò phản ứng như sau: Thể tích lò phản ứng:
Hằng số tốc độ phản ứng:
Nồng độ ban đầu của chất A: Nồng độ ban đầu của chất B: Độ mở van vào ban đầu:
Các giá trị đầu vào khối:
Giả sử ta mô phỏng kiểm nghiệm cho quá trình này với các giá trị đầu vào: Nồng độ chất A trong dòng vào:
In Valve: 0.75 Max Flow:
Phƣơng trình động học quá trình:
Phương trình mô hình động học cho quá trình phản ứng đẳng nhiệt bậc nhất:
Trong đó
Thay các giá trị tham số và các giá trị đầu vào sau khi van xác lập ta được:
Trạng thái ban đầu:
Tại trạng thái xác lập:
Giải ra ta được: ̅ ̅ ̅
Mô hình mô phỏng trên simulink:
Kết quả mô phỏng cho các đầu ra:
Hình 4.21. Nồng độ chất A(kg/m3) Hình 4.22. Nồng độ chất B(kg/m3)
Hình 4.23. Lưu lượng vào(m3/s)
Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình được xây dựng là chính xác.
4.4.2. Phản ứng cân bằng Các giá trị tham số: Các giá trị tham số:
Giả sử ta có các thông số cho lò phản ứng như sau: Thể tích lò phản ứng:
Hằng số tốc độ phản ứng thuận: Hằng số tốc độ phản ứng nghịch: Nồng độ ban đầu của chất A: Nồng độ ban đầu của chất B: Độ mở van vào ban đầu:
Các giá trị đầu vào khối:
Giả sử ta mô phỏng kiểm nghiệm cho quá trình này với các giá trị đầu vào: