Canbangvcnl Tin học ứng dụng trong công nghệ hóa học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
___o0o___

TIN HỌC TRONG CƠNG NGHỆ
HĨA HỌC – THỰC PHẨM
(Computer for Chem. and Food Engineering)

PGS. TS. TRỊNH VĂN DŨNG
BỘ MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ
HÓA – THỰC PHAÅM – SINH HỌC


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
2- Thực hiện bằng
ng MT (Excel)
3- Ứng
ng dụng
ng trong Công nghệ Hóa – Thực phẩm – Sinh học
4- Bài taäp


1- Đặt vấn đề
•Các quá trình và thiết bị
công nghệ Hoá-TP-SH

• Mô hình vật lý

•Thay đổi ý tưởng

và công thức

• Thí nghiệm mới

•Mô hình toán học

Số liệu thực nghiệm
Sai

Thơng số cơng nghệ
 = f()

• So sánh
• Đúng
•Sử dụng cho tính toán, phân
tích, thiết kế … và điều khiển


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Cân bằng
ng vật chất – năng lượng
ng cần giải quyết trước tiên khi giải
bài toán công nghệ: Hóa – Thực phẩm – Sinh học
Thiết lập cân bằng vật chất và năng lượng:
- Những q trình
- Thiết bị cơng nghệ
Trong các thiết bị này: Tác nhân  sản phẩm
được kết nối: trao đổi nhiệt

phân riêng
truyền khối
bơm tuần hoàn …
tạo thành một hệ thống


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Để tính tốn thiết bị phản ứng:
• Lựa chọn dạng và kết cấu thiết bị;
• Thiết lập cân bằng vật chất;
• Chọn phương pháp cấp và tách nhiệt rồi thiết lập cân bằng nhiệt;
• Xác định thể tích vùng phản ứng và của thiết bị;


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Cơ sở để thiết lập cân bằng vật chất: định luật bảo toàn vật chất.
nmy j
Pha y nS y i



nV i 



Pha xnS x i

nmx j

n

Vi



nR j



  nS i   nR j   nC i


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
nmy j

1- Đặt vấn đề



nV i 



Pha y nS y i
Pha xnS x i

nmx j



nR j



Cân bằng vật chất – năng lượng có thể được thiết lập:
Cho từng nguyên tố hóa học, mỗi nhóm chức, gốc tự do
Cho mỗi cấu tử hay tất cả các cấu tử;
Cho từng pha hoặc cho tất cả các pha;
Cho một đoạn của thiết bị hay cả thiết bị;
Cho một hoặc một cụm thiết bị;
Cho một phân xưởng, một nhà máy, một ngành …
Cơ sở để thiết lập cân bằng vật chất là định luật bảo toàn vật chất.
Đây thường
ng là một hệ phương trình tuyến tính


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Bài toán 1: Phân tích một hỗn hợp phản ứng cho thấy gồm 7 cấu
tử: ZnCl2, BaS, Na2SO4, ZnS, BaCl2, NaCl, BaSO4.
Hãy thành lập phương trình tỷ lượng của các phản ứng trong thiết
bị?
Bài toán 2: Khảo sát phản ứng giữa C và O trong điều kiện thiếu
oxy:

a) Xác định số phản ứng độc lập?
b) Chọn cấu tử đặc trưng?


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Bài toán 1: Phân tích một hỗn hợp phản ứng cho thấy gồm 7 cấu
tử: ZnCl2, BaS, Na2SO4, ZnS, BaCl2, NaCl, BaSO4.
Hãy thành lập phương trình tỷ lượng của các phản ứng trong thiết
bị?


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề

Phương trình tỷ lượng:

a1A1 + a2A2 + … + aiAi ⇌ b1B1 + b2B2 + … + bjBj
a1A1 + a2A2 + … + aiAi + b1B1 + b2B2 + … + bjBj = 0
v1ZnCl2 + v2BaS + v3Na2SO4 + v4 ZnS + v5BaCl2 + v6NaCl + v7BaSO4 = 0

Trong đó: vi (i = 1, 7) hệ số của
phương trình tỷ lượng cần tìm.

ZnCl2, BaS, Na2SO4, ZnS,
BaCl2, NaCl, BaSO4

GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề

Phương trình tỷ lượng:

v1ZnCl2 + v2BaS + v3Na2SO4 + v4 ZnS + v5BaCl2 + v6NaCl + v7BaSO4 = 0

Thieát lập phương trình cân bằng vật chất

Chất ZnCl2
Cân bằng theo
x1
Kẽm (Zn)
1
Clo (Cl)
2
Bari (Ba)
0
Sunfit (S)
0
0
Sunfat (SO4)
Natri (Na)
0

BaS
x2
0
0

1
1
0
0

Na2SO4
x3
0
0
0
0
1
2

ZnS
x4
1
0
0
1
0
0

BaCl2
x5
0
2
1
0
0

0

NaCl
x6
0
1
0
0
0
1

BaSO4
x7
0
0
1
0
1
0


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Bài toán 2: Khảo sát q trình lên men theo sơ đồ:
C3H4O3 + NADH + H+ ⇌ C3H6O3 + NAD+
Pyruvic
Acid Lactic
C3H4O3 + CoA-SH + NAD+ ⇌ CH3CO-S-CoA + CO2 + NADH + H+
Pyruvic

Acid Acetyl-CoA

Cơ chất + Dinh dưỡng Nito + O2  Sản phẩm + CO2 + H2O
Sản phẩm có thể: sản phẩm trao đổi chất
sinh khối


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Bài toán 2: Khảo sát q trình lên men theo sơ đồ bên?

Cơ chất + Dinh dưỡng Nito + O2  Sản phẩm + CO2 + H2O


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Bài toán 2: Khảo sát phản ứng giữa C và O trong điều kiện thiếu
oxy:
a) Xác định số phản ứng độc lập?
b) Chọn cấu tử đặc trưng?
Các phản ứng có thể xảy ra:
C + O2  CO2
2C + O2  2CO
C + CO2  2CO
2CO + O2  2CO2

(1)
(2)

(3)
(4)


GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề

C + O2  CO2
2C + O2  2CO
C + CO2  2CO
2CO + O2  2CO2

Ma trận hệ số tỷ lượng:

Chất
Phản ứng
1
2
3
4

(1)
(2)
(3)
(4)

CO2

CO

C

O2

1
0

2

0
2
2
-2




0



0



GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề

C + O2  CO2
2C + O2  2CO
C + CO2  2CO
2CO + O2  2CO2

Hạng của ma trận:
1
0

2

0
2
2
-2




0



0




Các phản ứng độc lập:

1
0

0

0
2
2
-2




2








1
0



C + O2  CO2
2C + O2  2CO

(1)
(2)
(3)
(4)
0
2








(1)
(2)







GIẢI BÀI TOÁN
CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯNG
1- Đặt vấn đề
Bài toán 3: Khảo sát phản ứng Fisher – Trofsa?
Tìm số phản ứng độc lập?
Các phản ứng:
•

•
•
•
•
•
•
•

CO + 3H2  CH4 + H2O
2CO + 2H2  CH4 + CO2
3CH4 + CO  C4H10 + H2O
C4H10 + 2CO + 4H2  C6H14 + 2H2O
2C6H14 + 2CO + 3H2  C14H30 + 2H2O
2C14H30 + 8CO + 15H2  C36H74 + 8H2O
2C4H10 + 2CO + 4H2  2C3,5H7OH + 3CH4
3CH4 + 3CO + 4H2  C6H14 + 3H2O

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)


C4H10

C6H14

C14H30

C36H74

2C3,5H7OH

CO2

H2O

CO

H2

CO + 3H2  CH4 + H2O
2CO + 2H2  CH4 + CO2
3CH4 + CO  C4H10 + H2O
C4H10 + 2CO + 4H2  C6H14 + 2H2O
2C6H14 + 2CO + 3H2  C14H30 + 2H2O
2C14H30 + 8CO + 15H2  C36H74 + 8H2O
2C4H10 + 2CO + 4H2  2C3,5H7OH + 3CH4
3CH4 + 3CO + 4H2  C6H14 + 3H2O
CH4

•
•
•
•
•

•
•
•

1
1

0
0

0
0

0
0

0
0

0
0

0
1

1
0








0
0
0
3

1

0
1

0
0
1

0
0
0
0
2

0
0
0
0
0

1
2
2
8
0













0

0

3








0
0

0


0
0


0

0
0
0
1
0

1

0

0

(1)
(2)
(3)
(4)

(5)
(6)
(7)
(8)


•
CO + 3H2  CH4 + H2O
•
2CO + 2H2  CH4 + CO2
•
3CH4 + CO  C4H10 + H2O
•
C4H10 + 2CO + 4H2  C6H14 + 2H2O
•
2C6H14 + 2CO + 3H2  C14H30 + 2H2O
•
2C14H30 + 8CO + 15H2  C36H74 + 8H2O
•
2C4H10 + 2CO + 4H2  2C3,5H7OH + 3CH4
•
3CH4 + 3CO + 4H2  C6H14 + 3H2O
Hạng ma traän:
1
0
0
0
0
0
0

1

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
-1

-3

-4

-9

0

1

0

0

0

0

0

4

0
0

0
0

1
0

0
1

0
0

0
0

0
0

6 -6 -13
14 -14 -29

0

0

0

0

1

0

0

36 -36 -73

0

0

0

0

0

1

0

2,5 -35 -65

0

0

0

0

0

0

1

-1

-1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0


•
CO + 3H2  CH4 + H2O
•
2CO + 2H2  CH4 + CO2
•
3CH4 + CO  C4H10 + H2O
•
C4H10 + 2CO + 4H2  C6H14 + 2H2O
•
2C6H14 + 2CO + 3H2  C14H30 + 2H2O
•
2C14H30 + 8CO + 15H2  C36H74 + 8H2O
•
2C4H10 + 2CO + 4H2  2C3,5H7OH + 3CH4
•
3CH4 + 3CO + 4H2  C6H14 + 3H2O
Hạng ma traän:
1
1


 3
0
A  
0
0
3

 3



2

0 
4 
 rank( A )  7
3

15 
4 

4 

0

0

0 0 0 0 1 1 3

0

0

0 0 0 1 0 2

1

0

0 0 0 0 1 1

1 1

0 0 0 0 2 2

0 2 1 0 0 0 2 2
0

0 2 1 0 0 8 8

2 0

0 0 2 0 0 2

0

0 0 0 0 3 3

1

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)