báo cáo tiểu luận về batch reactor

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA BATCH REACTOR Thiết bị phản ứng gián đoạn mang đến những vấn đề hay nhất trong việc mô hình hóa và điều khiển quá trình do bản chất động học vốn

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA

BATCH REACTOR

Thiết bị phản ứng gián đoạn mang đến những vấn đề hay nhất trong việc mô hình hóa và điều khiển quá trình do bản chất động học vốn có của nó, mặc dù đa số các quá trình quy mô lớn điều được vận hành liên tục, nhưng thiết bị phản ứng gián đoạn vẫn được sử dụng để sản xuất các chế phẩm, dược phẩm ở quy mô nhỏ.Nhờ ứng dụng rộng rãi của mô hình toán học đã giúp việc tự động và tối ưu hóa quá trình gián đoạn dễ dàng hơn bao giờ hết

I. Giới thiệu thiết bị

- Kích thước của thiết bị rất đa dạng Vật liệu chế tạo cũng đa dạng từ thép, thép không gỉ cho đến các loại hợp kim Dung dịch hoặc hỗn hợp chất rắn được đưa vào ở trên đầu thiết bi Nếu sản phẩm là chất lỏng thường được lấy

ra ở đáy, còn chất khí và hơi thì được lấy ra ở đỉnh

- Một thiết bị phản ứng gián đoạn điển hình gồm: một bình phản ứng, cánh khuấy cùng với bộ phận trao đổi nhiệt

a. Bộ phận khuấy (stir):

- Gồm một trục quay được gắn ở giữa thiết bị với động cơ ở trên đỉnh thiết bị

- Trên trục có gắn các cánh khuấy Có nhìêu loại cánh khuấy khác nhau, thường chiếm 2/3 đường kính thíêt bị phản ứng

- Có nhiều cánh khuấy khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng, yêu cầu, môi trường làm việc…

b. Vách ngăn (Baffle):

- Đa số các loại thiết bị phản ứng gián đoạn đều có gắn cố định các vách ngăn trên thành thiết bị để phá vỡ hoặc định hướng dòng chảy mà được gây ra bởi cánh khuấy Nhờ đó mà hiệu quả khuấy trộn được tăng lên

- Có nhiều loại vách ngăn khác nhau

c. Bộ phận trao đổi nhiệt

- Các quá trình bên trong thiết bị thường tỏa hoặc hấp thụ nhiệt trong lúc xảy

ra phản ứng Thậm chí đối với các quá trình khuấy đơn thuần cũng đã sản sinh ra nhiệt Để giữ cho nhiệt độ trong thiết bị được ổn định (tránh gây ra cháy nổ hoặc biến tính sản phẩm), nhiệt sẽ được thêm vào hoặc lấy ra bằng cách sử dụng các loại vỏ áo hoặc các ống truyền nhiệt bên trong hoặc bên ngòai bình Bên ngoài thường được sử dụng nhiều hơn vì dễ vệ sinh Họat động của thiết bị có thể được đánh giá bởi 3 thông số: nhiệt độ, áp suất và chất tải nhiệt

- Có 3 loại vỏ áo phổ biến:

 Single external jacket: vỏ áo đơn ngoài

Batch reactor with single external cooling jacket

• Vỏ áo được thíêt kế bao bọc xung quanh bình phản ứng Chất tải nhiệt được đưa vào với tốc độ cao qua các vòi (nozzle) Dung dịch trong vỏ áo được tuần hòan liên tục để ổn định nhiệt độ

 Half coil jacket: vỏ áo nửa ống

Batch reactor with half coil jacket

• Vỏ áo được làm bằng cách hàn các ống truyền nhiệt xung quanh thiết bị, dung dịch truyền nhiệt chảy trong các ống này và được tuần hoàn liên tục

 Dimple Jackets

II. Mô tả hoạt động của hệ thống

- Cho các chất phản ứng vào thiết bị Để phản ứng diễn ra nhanh hơn, ta sẽ

mở van V-1 để hơi nước đi vào thiết bị, lượng nước ngưng sẻ được tách bằng một cái bẫy hơi V-4, hơi chưa ngưng sẽ được hoàn lưu hoặc đưa về lò hơi Một số phản ứng chỉ nên diễn ra đến một nhiệt độ nhất định, lúc đó ta

có thể cài đặt trước một nhiệt độ , khi điến nhiệt độ đó van V-1 sẽ đóng lại

và Van V-2 và V-3 sẽ mở ra để dòng nước làm nguội đi qua

- Ngoài ra khi đun nóng chênh lệch nhiệt độ sẽ giảm, nên van V-1 sẻ đóng dần

để điều tiết lưu lượng hơi vào

III. Mô hình hóa

a Mô phỏng quá trình phản ứng chính

- Xét phản ứng tạo chất chống đông ethylene glycol và diethylene glycol từ oxirane và nước

- Phản ứng:

A: oxirane (Ethylene oxide) B: water

C: Ethylene glycol D: Diethylene glycol

- Nhiệt phản ứng:

- Động học phản ứng được mô tả như sau:

Với và

- Giả thuyết: phản ứng xảy ra trong pha lỏng, khuấy trộn ổn định

- Vì không có dòng vào và ra trong quá trình phản ứng nên phương trình cân bằng vật chất tổng cộng trở thành:

(1)

- Phản ứng pha lỏng nên ta xem là hằng số nên từ phương trình (1), ta suy ra

V là hằng số

- Cân bằng vật chất cho cấu tử A:

- Cân bằng vật chất cho cấu tử B:

- Cân bằng vật chất cho cấu tử C:

- Cân bằng vật chất cho cấu tử D:

- Cân bằng năng lượng cho quá trình:

(2)

- Với quá trình đoạn nhiệt và , phương trình (2) trở thành:

- Các thông số mô phỏng:

2.881 929.2 1

1 33

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 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 phỏng quá trình phản ứng có trao đổi nhiệt

a. Cấp nhiệt bằng hơi nước bảo hòa:

- Phương trình cân bằng vật chất cho phần áo:

- Lượng nước ngưng tụ:

- q được tính gần đúng theo công thức:

- Phương trình (2) trở thành:

Thông số Giá trị Đơn vị

2.881 929.2

1 33

Code matlab:

clear all

hold off

%Cap nhiet trong 200s dau

[t1,X1]=ode45(@myfun2,[0 150],[1 33 0 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

0 1.0000 33.0000 0 0 360.0000

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