phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về thiết bị phản ứng có khuấy trộn liên tục CSTR. Nội dung chƣơng này đi trình bày cơ sở lý thuyết CSTR, động học quá trình 2 chung của CSTR, tóm tắt các công trình nghiên cứu về điều khiển phi tuyến cho CSTR và đề xuất hƣớng nghiên cứu. Chƣơng 2: Thiết kế phản ứng thủy phân anhydride acetic (CSTR-acetic) trong phòng thí nghiệm. Nội dung chƣơng này trình bày phần tính toán thiết kế CSTR-acetic, xây dựng động học quá trình (CSTR-acetic) và mô phỏng kiểm chứng thiết kế CSTR-acetic.
Mô phỏng đánh giá điều khiển tuyến tính phản hồi đầu ra dùng bộ điều khiển PID cho CSTR-acetic. Chƣơng 3: Nghiên cứu điều khiển mô hình dự báo đa biến phi tuyến NMPC ứng dụng cho CSTR. Nội dung chƣơng này trình bày đề xuất thuật điều khiển tuyến tính hóa mô hình cho NMPC, ứng dụng cho CSTR-acetic và mô phỏng kiểm chứng. Chƣơng 4: Thực nghiệm.
Nội dung Chƣơng 4 đi xây dựng CSTR-acetic trong phòng thí nghiệm gồm tính chọn thiết bị đo và ghép nối với bộ điều khiển AC 800M của ABB. Thí nghiệm với điều khiển tuyến tính PID và lập trình điều khiển dự báo phi tuyến NMPC với thuật điều khiển tuyến tính hóa đề xuất trong Chƣơng 3. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC CSTR 1. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học 1.
Định nghĩa thiết bị phản ứng Phản ứng hóa học là cốt lõi của quá trình hóa học. Thiết bị phản ứng hóa học nhận các nguyên liệu đầu vào, qua biến đổi lý hóa của các phản ứng hóa học tạo nên các sản ph m đầu ra. Lý thuyết cơ bản về phản ứng hóa học a) Cân b ng hóa học: Khi một phản ứng hóa học xảy ra, nó sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp các chất tham gia trong phản ứng. Khi phản ứng đƣợc cân b ng thì tỉ lệ các thành phần này sẽ đạt đến giá trị không đổi đƣợc đặc trƣng bởi các hệ số cân b ng [1].
Khái quát chung về cân b ng phản ứng, ta có cân b ng hóa học khi: aj j 0, (1.1) j 1 trong đó, a j là hệ số tỷ lƣợng thành phần thứ j trong phản ứng, j là hóa thế thành phần thứ j trong phản ứng, o và j s RT ln j, (1.2) trong đó, 0 s là hệ số hóa thế ban đầu, R h ng số chất khí lý tƣởng 8,314 (J/mol K), T là nhiệt độ phản ứng (K), j là áp suất riêng phần thành phần j. Lý thuyết cân b ng hóa học sẽ đƣợc sử dụng khi xét các phản ứng xảy ra trong luận án. b) Tốc độ phản ứng: 4 Tốc độ phản ứng đƣợc định nghĩa là sự biến thiên khối lƣợng mol của các chất tham gia phản ứng trong một thể tích nhất định [1]. Khái quát chung về tốc độ phản ứng, ta có phƣơng trình sau: 1 dM i ri , (1.3) aiV dt trong đó, ri là tốc độ phản ứng của chất i, đƣợc tính kmol/m3s, ai là hệ số lƣợng chất i , V là thể tích dung dịch phản ứng, M i là số mol chất i kmol.
Ngoài ra, tốc độ phản ứng chất i c n đƣợc viết dƣới dạng: ri k ' .4) trong đó, là bậc phản ứng ( 1 nếu là phản ứng bậc một; 2 nếu là phản ứng bậc hai); Ci nồng độ chất i kmol/m3; k ' là h ng số tốc độ phản ứng, đôi khi ngƣời ta c n gọi là đặc tính tần phản ứng. k ' đƣợc tính theo công thức sau: ' E# k k0 exp , (1.5) RT trong đó, k0 là hệ số trƣớc hàm mũ của mỗi phản ứng; E # là năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng (J/mol). Lý thuyết tốc độ phản ứng sẽ đƣợc áp dụng để tính toán thiết kế thiết bị phản ứng CSTR [PL1]. c) Độ chuyển hóa: Độ chuyển hóa một phần của cấu tử hoặc nhiều cấu tử tham gia phản ứng đã đƣợc chuyển hóa để tạo thành sản ph m.
Thông thƣờng độ chuyển hóa đƣợc tính theo một chất phản ứng, đƣợc chọn trong tƣơng quan tỷ lƣợng hóa học với chất khác [1]. Độ chuyển hóa yk là tỷ số của hàm lƣợng chất i so với chất ban đầu, đặc trƣng cho tốc độ biến đổi hàm lƣợng chất i : Ci1 Ci 2 yk .6) Ci1 trong đó, Ci1 là nồng độ chất i ban đầu, Ci 2 là nồng độ chất i đầu ra. 5 Độ chuyển hóa phụ thuộc rất lớn đối với nhiệt độ phản ứng. Nhƣ vậy cần phải điều chỉnh nhiệt độ phù hợp để phản ứng đƣợc hoàn thành.
Phân loại phản ứng hóa học và thiết bị phản ứng 1. Phân loại phản ứng hóa học: Trong các quá trình công nghiệp, các phản ứng hóa học đƣợc chia làm các loại nhƣ sau: - Phản ứng hoàn toàn: là phản ứng mà ít nhất 1 trong các chất tham gia phản ứng hết [2]. - Phản ứng không hoàn toàn: là phản ứng trong đó không có một chất tham gia phản ứng nào mất hẳn khi phản ứng dừng lại, các chất phản ứng còn tuy với một lƣợng nhỏ. Phản ứng thuận nghịch thuộc loại phản ứng không hoàn toàn [2].
- Phản ứng đồng thể: là phản ứng chỉ xảy ra trong cùng một pha. Phản ứng đồng thể chỉ có thể xảy ra trong pha khí hoặc pha lỏng mà không xảy ra trong pha rắn vì khi một chất rắn đồng thể tham gia phản ứng hóa học thì nó trở thành dị thể [2]. - Phản ứng dị thể: là phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt phân chia hai pha, không xảy ra trong thể tích của một pha nào [2]. - Phản ứng đồng pha: là phản ứng mà hệ hóa học chỉ làm thành một pha từ đầu đến cuối [2].
- Phản ứng dị pha: là phản ứng mà hệ hóa học làm thành hai hay nhiều pha khác nhau [2]. - Phản ứng thu nhiệt và phản ứng phát nhiệt: Phản ứng thu nhiệt là phản ứng cần cấp nhiệt, cần thiết bị gia nhiệt cho phản ứng nếu không đủ nhiệt phản ứng sẽ không hoàn thành, tốc độ phản ứng chậm. Sản ph m phản ứng không đúng với yêu cầu. Phản ứng phát nhiệt là phản ứng cần thiết bị làm mát thu nhiệt để duy trì nhiệt độ phản ứng nếu không thì tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh theo nhiệt độ mất cân b ng phản ứng (tƣơng đƣơng với phản hồi dƣơng) [2].
Các phản ứng đƣợc xét đến trong luận án là các phản ứng thu nhiệt và đồng pha, tức là chỉ diễn ra trong pha lỏng và không xuất hiện các pha khác trong quá trình phản ứng. Phân loại thiết bị phản ứng: Dựa vào phƣơng thức tiến hành công nghệ phản ứng hóa học (quá trình gián đoạn (batch process), quá trình liên tục (continuous process), quá trình bán liên tục (semibatch process) mà ngƣời ta chia thiết bị phản ứng ra thành các loại sau: - Thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR): là một thiết bị phản ứng có thiết bị khuấy trộn; nguồn cấp vào và sản ph m đầu ra liên tục, phản ứng đƣợc điều khiển thông qua việc gia nhiệt hoặc làm mát lớp vỏ ngoài thiết bị (gọi là jacket) [2]. - Thiết bị phản ứng theo mẻ: là thiết bị phản ứng theo chu kỳ, mỗi chu kỳ nguyên liệu cùng các thành phần cần thiết đƣợc nạp vào thiết bị và đƣợc khuấy trộn, điều khiển phản ứng để đƣợc sản ph m yêu cầu, sau đó sản ph m sẽ đƣợc tháo hết khỏi thiết bị và bắt đầu một chu kỳ mới [2]. - Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR): là thiết bị phản ứng dạng hình trụ hoặc nhiều ống, các thành phần phản ứng đƣợc cấp liên tục vào một đầu ống, hỗn hợp phản ứng qua PFR đƣợc mô hình hóa nhƣ một dòng chảy qua một loạt các vi phân thể tích dV rất mỏng, trong đó mỗi dV đó nhƣ một CSTR có thành phần đồng đều [2].
Thiết bị phản ứng đƣợc chọn trong luận án là thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục (CSTR). Động học chung thiết bị phản ứng có thể tích không đổi Trƣớc khi tìm hiểu về động học của thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục CSTR, ta cần tìm hiểu về động học chung của thiết bị phản ứng có thể tích không đổi, từ đó tìm ra các phƣơng trình cân b ng trong hệ có thể tích không đổi. Xét thiết bị phản ứng hóa học nhƣ Hình 1.1 với thể tích V không đổi, lƣu lƣợng chất đƣa vào thiết bị phản ứng là F1i , với chất tham gia phản ứng i = 1…n, [kmol/s], lƣu lƣợng sản ph m đƣa ra khỏi thiết bị phản ứng là F2i [kmol/s]; thiết bị phản ứng đƣợc cung cấp một công suất nhiệt là [kW] để duy trì nhiệt độ phản ứng ở giá trị không đổi nh m bảo đảm tốc độ phản ứng. Để các chất trong phản ứng đƣợc đồng đều, ta sử dụng cánh khuấy đƣợc quay bởi động cơ điện có công suất là 7 P [W].
Giả thiết ta có i chất tham gia phản ứng và xảy ra M phản ứng, các phản ứng trong thiết bị phản ứng sẽ tuân theo các phƣơng trình cân b ng sau: P F1i F2i F Hình 1.1 Nguyên lý thiết bị phản ứng [58].1 Phương tr nh c n b ng khối ượng Sự biến thiên khối lượng vật chất trong hệ thể tích cố định sẽ bằng tổng đại số lưu lượng khối đầu ra và đầu vào [1]. Định luật trên đƣợc viết lại nhƣ sau: dmi F1i V (ai1r1 ai 2 r2 .7) dt Phƣơng trình (1.7) đƣợc viết gọn lại nhƣ sau: M dmi F1i V aij rj F2i , (1.8) dt j 1 trong đó, mi là khối lƣợng chất i trong phản ứng (i = i…n); V là thể tích l phản ứng và là h ng số; r j là tốc độ phản ứng (j = 1…M); aij là hệ số tỷ lƣợng chất i trong phản ứng j.2 Phương tr nh c n b ng thành phần của phản ứng Sự biến thiên lượng chất A tích lũy trong bình phản ứng bằng lượng chất A đưa vào bình trừ đi lượng chất A đưa ra khỏi bình, trừ với lượng chất A tham gia phản ứng [1]. Định luật trên đƣợc viết lại nhƣ sau [1]: 8 dCi V Fi1Ci1 Fi 2Ci 2 rV (1.9) dt với Ci1 là nồng độ chất i đầu vào, Ci 2 là nồng độ chất i đầu ra Giả thiết phản ứng là bậc 1, khi đó r k 'Ci (lúc này Ci Ci 2 ), thay vào phƣơng trình trên ta có: dCi V Fi1Ci1 Fi 2Ci 2 Vk 'Ci 2 , (1.