PDF Mô hình hóa và tối ưu hóa trong công nghệ hóa học và thực phẩm

Mô hình hóa và tối ưu hóa trong công nghệ hóa học và thực phẩm

 

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH ................................................................................. 10
DANH MỤC BẢNG ............................................................................... 12
Chương 1: ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN VÀ ĐÁNH GIÁ SAI
SỐ ĐO LƯỜNG CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT ................ 17
1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG ...................................................... 17
1.1.1. Định nghĩa .................................................................................... 17
1.1.2. Các thông số cơ bản và sai số phép đo của đại lượng
ngẫu nhiên hay các thông số kỹ thuật .......................................... 17
1.1.2.1. Một số khái niệm cơ bản ................................................. 17
1.1.2.2. Sai số trong đo lường ...................................................... 17
1.1.2.3. Kỳ vọng toán học ............................................................ 18
1.1.2.4. Định luật cộng sai số ....................................................... 18
1.1.2.5. Ước lượng toán học ........................................................ 19
1.1.2.6. Phương sai ....................................................................... 19
1.1.2.7. Đoạn tin cậy và xác suất tin cậy ...................................... 26
1.2. KIỂM ĐỊNH GIẢ THIẾT THỐNG KÊ ........................................... 27
1.3. CƠ SỞ KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ SAI SỐ TRONG ĐO
LƯỜNG .......................................................................................... 28
1.2.1. Sai số phép đo trực tiếp.................................................................. 28
1.2.2. Sai số phép đo gián tiếp ................................................................. 28
1.4. TÍNH SAI SỐ ĐO LƯỜNG CÁC THÔNG SỐ NHIỆT
VẬT LÝ .......................................................................................... 30
1.4.1. Tính sai số đo lường xác định khối lượng riêng ............................ 30
1.4.1.1. Xác định sai số thiết bị đo gián tiếp ................................ 30
1.4.1.2. Xác định sai số thiết bị đo trực tiếp ................................ 31
1.4.2. Tính sai số đo lường nhiệt dung riêng ........................................... 31
1.4.2.1. Xác định sai số thiết bị đo gián tiếp ................................ 31
6
1.4.2.2. Xác định sai số thiết bị đo trực tiếp ................................ 33
1.4.3. Tính sai số đo lường hệ số dẫn nhiệt ............................................. 33
1.4.3.1. Xác định sai số thiết bị đo gián tiếp ................................ 33
1.4.3.2. Xác định sai số thiết bị đo trực tiếp ................................ 35
1.5. HỆ SỐ TƯƠNG QUAN ................................................................... 36
Chương 2: TIẾP CẬN HỆ THỐNG ĐỂ XÂY DỰNG MÔ TẢ
TOÁN CHO HỆ NGHIÊN CỨU .......................................... 39
2.1. KHÁI NIỆM ..................................................................................... 39
2.2. HỆ THỐNG CÁC LOẠI MÔ HÌNH ................................................ 39
2.2.1. Khái niệm mô hình ........................................................................ 39
2.2.2. Các loại mô hình ............................................................................ 39
2.2.2.1. Mô hình ngữ văn ............................................................. 39
2.2.2.2. Mô hình đồ họa ............................................................... 40
2.2.2.3. Mô hình vật lý (cũng có thể gọi là mô hình vật thể) ........... 41
2.2.2.4. Mô hình toán học ............................................................ 51
2.2.2.5. Mô hình số hóa................................................................ 53
2.3. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH HÓA ...................... 53
2.3.1. Hệ thống ......................................................................................... 53
2.3.2. Mô hình hóa ................................................................................... 55
2.3.2.1. Khái niệm về mô hình hóa .............................................. 55
2.3.2.2. Mô hình hóa toán học ..................................................... 55
2.3.2.3. Phân loại các mô hình toán học ...................................... 56
2.3.2.4. Mô tả toán học của đối tượng công nghệ ........................ 60
2.3.2.5. Các phương pháp xây dựng mô tả toán học – Mô
hình toán học .................................................................. 64
2.4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................................ 65
2.4.1. Khái niệm ....................................................................................... 65
2.4.2. Quy trình mô phỏng ....................................................................... 66
2.4.2.1. Xây dựng mô hình toán của hệ thống ............................. 66
7
2.4.2.2. Xây dựng thuật toán giải mô hình toán ........................... 66
2.4.2.3. Chạy chương trình, kiểm tra lỗi lập trình và thuật
toán ................................................................................ 66
2.4.2.4. Kiểm tra sự tương thích của mô hình toán ...................... 66
2.4.2.5. Thực hiện thử nghiệm và phân tích kết quả .................... 67
2.4.3. Ưu điểm và hạn chế của mô phỏng ............................................... 68
2.4.3.1. Ưu điểm .......................................................................... 68
2.4.3.2. Hạn chế ........................................................................... 68
2.5. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN HỆ THỐNG ........................................... 68
Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỐNG KÊ THỰC
NGHIỆM MÔ TẢ TOÁN CHO HỆ NGHIÊN CỨU ........... 71
3.1. KHÁI NIỆM ..................................................................................... 71
3.1.1. Mô hình hộp đen .......................................................................... 71
3.1.2. Phương pháp nhận dạng dạng hàm và xây dựng phương
trình hồi quy ................................................................................. 72
3.2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI
QUY THỰC NGHIỆM ................................................................... 73
3.3. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ..................................................... 83
3.3.1. Khái niệm ....................................................................................... 83
3.3.2. Mã hóa các biến thực thành biến ảo .............................................. 85
3.3.3. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm .................................... 86
3.4. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRỰC GIAO CẤP 1 ................... 87
3.4.1. Thực nghiệm yếu tố toàn phần ...................................................... 87
3.4.2. Thực nghiệm yếu tố từng phần ...................................................... 96
3.5. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRỰC GIAO CẤP 2 ................... 97
3.5.1. Các phương án cấu trúc có tâm...................................................... 98
3.5.2. Phương án quay của Box và Hunter ............................................ 110
3.5.3. Phương án thực nghiệm thông thường......................................... 120
3.5.4. Phương án thực nghiệm cổ điển để tìm tối ưu ............................. 124
8
Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ CHO HỆ
NGHIÊN CỨU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN
TÍCH THỨ NGUYÊN ........................................................ 131
4.1. KHÁI NIỆM ................................................................................... 131
4.1.1. Tại sao phải sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên
để xây dựng mô hình toán .......................................................... 131
4.1.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp phân tích thứ
nguyên ........................................................................................ 131
4.1.3. Các thứ nguyên cơ bản trong hệ hóa lý ..................................... 132
4.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN ...................................................... 133
4.2.1. Định lý  ...................................................................................... 133
4.2.2. Các bước mô hình hóa bằng phương pháp phân tích thứ
nguyên ........................................................................................ 134
4.3. MỘT SỐ BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN ........................................... 136
4.3.1. Bài toán 1 ..................................................................................... 136
4.3.2. Bài toán 2 ..................................................................................... 142
4.3.3. Bài toán 3 ..................................................................................... 150
Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ CHO HỆ
NGHIÊN CỨU DỰA TRÊN CÁC ĐỊNH LUẬT
BẢO TOÀN ........................................................................ 157
5.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................... 157
5.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ........................................... 157
5.2.1. Các bước xây dựng mô hình toán ................................................ 157
5.2.2. Xây dựng mô hình toán mô tả cho đối tượng công nghệ ............. 158
Chương 6: TỐI ƯU HÓA XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ......... 201
6.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................... 201
6.2. GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN TỐI ƯU .......................................... 202
6.2.1. Bài toán tối ưu một mục tiêu ....................................................... 202
9
6.2.2. Bài toán tối ưu đa mục tiêu .......................................................... 203
6.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU .................. 204
6.3.1. Phương án không tưởng và hiệu quả không tưởng ...................... 205
6.3.2. Phương án trội và phương án bị trội ............................................ 205
6.3.3. Phương án Pareto tối ưu .............................................................. 206
6.4. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VỚI CÁC CHUẨN TỐI
ƯU TỔ HỢP S VÀ R ................................................................... 206
6.4.1. Định lý Pareto tối ưu .................................................................... 206
6.4.2. Phương pháp điểm không tưởng .................................................. 207
6.4.3. Phương pháp vùng cấm ............................................................... 208
6.5. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU THEO PHƯƠNG PHÁP
CHẬP TUYẾN TÍNH ................................................................... 210
6.6. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VỚI CHUẨN TỐI ƯU TỔ
HỢP CÁC HÀM THỎA DỤNG MỜ ........................................... 212
6.7. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU THEO PHƯƠNG PHÁP
HARRINGTON ............................................................................ 215
6.8. CHỌN PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ........................................ 217
6.9. BÀI TẬP ÁP DỤNG ...................................................................... 219
6.9.1. Bài tập 1 ....................................................................................... 219
6.9.2. Bài tập 2 ....................................................................................... 231
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 241
PHỤ LỤC .............................................................................................. 246

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Akhnadarôva, X. & V. V. Khapharốp. (1994). Tối ưu hóa thực
nghiệm trong Hóa học & Kỹ thuật hóa học. (N. Cảnh & N. Đ. Soa,
Các biên tập viên) TP HCM: NXB ĐHBK TP HCM.
[2] Dang Thi Ngoc Dung & Nguyen Tan Dzung. (2011d). Multi-
Objective Optimization of Concentrated Vacuum Process to
Determine The Technological Mode of The Marmalade Gac
Production. Canadian Journal on Chemical Engineering &
Technology, 2(9), 162-170.
[3] Doan Thi Hong Hai & Nguyen Tan Dzung. (2016). The Multiobjective
Optimization by the Utopian Point Method to Determine
the Technological Mode of Infrared Radiation Drying Process of
Jackfruit Product in Viet Nam. Research Journal of Applied
Sciences, Engineering and Technology, 13(1), 75-84.
doi:10.19026/rjaset.13.2892
[4] Figura, P. L. & Teixeira, A. A. (2007). Physical properties –
Measurement and Applications (in Freeze – Drying). Springer
Science & Business Media.
[5] Fisher, R. (1929). Tests of Significance in Harmonic Analysis.
Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing
Papers of a Mathematical and Physical Character, 125(796), 54-
59. Retrieved from http://www.jstor.org/stable/95247
[6] Franks, F. (1998). Freeze-drying of Bioproducts: Putting Principles
into Practice. European Journal of Pharmaceutics and
Biopharmaceutics, 45(3), 221-229.
[7] George, J. P. & Datta, A. (2002). Development and Validation of
Heat and Mass Transfer Models for Freeze-drying of Vegetable
Slices. Journal of food engineering, 52(1), 89-93.
[8] Krokida, M. K., Karathanos, V. T. & Maroulis, Z. B. (1998). Effect
of Freeze drying Conditions on Shrinkage and Porosity of
Dehyrated Agricultural Products. Journal of Food Engineering,
35(4), 369-380.
[9] Kuu, W. Y., Hardwick, L. M. & Akers, M. J. (2005). Correlation of
Laboratory and Production Freeze Drying Cycles. International
journal of pharmaceutics, 302(1), 56-67.
242
[10] Khalloufi, S., ROBERT, J. L. & Ratti, C. (2005). Solid Foods
Freeze-Drying Simulation And Experimental Data. Journal of food
process engineering, 28(2), 107-132.
[11] Lê Xuân Hải (2008). Tối ưu đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp S
và R ứng dụng trong quá trình chiết tách chất màu anthocyanin.
Tạp chí Phát triển KH&CN, 11(9-2008).
[12] Nguyen Tan Dzung., (2017). Study dynamics of the freeze drying
process of royal Jelly in Viet Nam, Carpathian Journal of Food
Science and Technology 2017, 9(3), 35-46
[13] Nguyen Tan Dzung (2012a). Application of Multi-Objective
Optimization by The Utopian Point Method to Determining the
Technological Mode of Gac Oil Extraction. International Journal
of Chemical Engineering and Applications, 3(1), 18-24.
[14] Nguyen Tan Dzung (2011b). Application of Multi-Objective
Optimization by The Restricted Area Method to Determine the
Cold Drying Mode of Gac. Canadian Journal on Chemical
Engineering & Technology, 2(7), 136-143.
[15] Nguyen Tan Dzung (2012b). Building and Solving the
Mathematical Model of Heat Transfer to Determine the
Technological Mode for the Freezing Process of Basa Sausage in
Vietnam. APCBEES Procedia.
[16] Nguyen Tan Dzung (2012d). Optimization The Freeze Drying
Process of Penaeus Monodon to Determine The Technological
Mode. International Journal of Chemical Engineering and
Application, 3(3), 187-194. Retrieved from
http://www.ijcea.org/show-37-443-1.html
[17] Nguyen Tan Dzung (2012e). Optimization the Freezing Process of
Penaeus Monodon To Determine Technological Mode of Freezing
for Using in the Freeze Drying. International Journal of Chemical
Engineering and Applications, 187-194.
[18] Nguyen Tan Dzung (2012e). Optimization the Freezing Process of
Penaeus Monodon To Determine Technological Mode of Freezing
for Using in the Freeze Drying. Canadian Journal on Chemical
Engineering & Technology, 3(3), 45-53.
[19] Nguyen Tan Dzung (2014). Building the Method and the
Mathematical Model to Determine the Rate of Freezing Water
inside Royal Jelly in the Freezing Process. Research Journal of
243
Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(2), 403-412.
Retrieved from
http://www.airitilibrary.com/Publication/alDetailedMesh?docid=20
407467-201401-201506290026-201506290026-403-412
[20] Nguyen Tan Dzung (2016). Study of Determining the
Technological Mode in the Freeze Drying Process of Royal Jelly in
Viet Nam. Carpathian Journal of Food Science and Technology,
8(2), 38-46. Retrieved from http://chimiebiologie.
ubm.ro/carpathian_journal/Papers%20vol_htm_files/6.%2
0Nguyen%20Tan%20Dzung%20revised.pdf
[21] Nguyen Tan Dzung & Nguyen Quoc Dzung (2011c). Application
of Multi-Objective Optimization to Determine the Technological
Mode of Avocado Oil Extraction. Canadian Journal on Chemical
Engineering & Technology, 2(6), 106-112.
[22] Nguyen Tan Dzung & Le Hoang Du (2013). Building The
Mathematical Model To Determine The Technological Mode For
The Freezing Process Of Basa Fillet In ĐBSCL Of Vietnam By
Experimental Method. Journal of Engineering Technology and
Education, 9(5), 73-81. Retrieved from
http://www.engh.kuas.edu.tw/004_ne.php?types=detail&year=2013
&month=1; engh.kuas.edu.tw/files/ne/k9sxnp6t27.pdf
[23] Nguyen Tan Dzung, Le Duc Manh & Nguyen Van Suc (2015).
Study Technological Factors Effect on the Loss of Protein,
Carbohydrate and Lipid inside Royal Jelly in the Freeze Drying
Process. Current Research Journal of Biological Sciences, 7(2),
22-30. Retrieved from
https://doaj.org/article/d33b2b8aa8554e8c99e2b77ab9f14a6d
[24] Nguyen Tan Dzung, Nguyen Quoc Dzung, Trinh Van Dung & Le
Xuan Hai (2011a). Application of Multi-Objective Optimization by
S and R* Optimal Combination Criteria to Determine the Freeze
Drying Mode of Penaeus monodon. Journal of Chemical
Engineering & Process Technology, 2(2), 1-7. doiOI
10.4172/2157-7048.1000107
[25] Nguyen Tan Dzung, Trinh Van Dzung & Tran Duc Ba (2012c).
Building The Method To Determine The Rate of Freezing Water of
Penaeus Monodon. Carpathian Journal of Food Science and
Technology, 4(2), 28-35. Retrieved from http://chimiebiologie.
ubm.ro/carpathian_journal/Vol%204(2)%202012.pdf
244
[26] Nguyen Tien Luc, Le Hoang Du & Nguyen Tan Dzung (2013).
Optimization of The Smoking Process of Pangasius Fish Fillet to
Increase The Product Quality. Journal of Food Science and
Technology, 5(2):, 5(2), 206-212. Retrieved from
http://maxwellsci.com/jp/abstract.php?jid=AJFST&no=262&abs=23
[27] Nguyễn Cảnh (2004). Quy hoạch thực nghiệm. TP HCM: NXB
ĐHQG TP HCM.
[28] Nguyễn Đức Nghĩa (1999). Mô hình hóa và tối ưu hóa (Quy hoạch
tuyến tính và rời rạc). Hà Nội: NXB Giáo Dục.
[29] Nguyễn Minh Tuyển & Phạm Văn Thiêm (2001). Kỹ thuật hệ
thống Công nghệ hóa học (Vols. 1, 2). NXB KHKT.
[30] Nguyễn Tấn Dũng (2005). Nghiên cứu sấy thăng hoa tôm sú. TP
HCM: Đại học Bách khoa TP HCM.
[31] Nguyen Tan Dzung & et al (21–23/10/2009). Building a
Mathematical Model to Determine the Relationship Between Heat
Emission Coefficient and Pressure of the Freeze Drying
Environment of Solid Materials. Proceedings of the 11th
Conference on Science and Technology. Ho Chi Minh city: VNUHCMC.
[32] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2008a). Nghiên cứu khảo sát các
tính chất nhiệt vật lý thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và
tôm thẻ) ảnh hưởng đến quá trình cấp nhiệt tách ẩm trong sấy thăng
hoa. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy Sản (2).
[33] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2008b). Nghiên cứu xác định tỷ
lệ nước đông băng bên trong thực phẩm (mô hình dạng phẳng vô
hạn) theo nhiệt độ lạnh đông. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công
nghệ ĐHQG TP HCM, 11(09/2008). Retrieved from
http://www.vjol.info.vn/index.php/JSTD/article/view/1858
[34] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2008c). Nghiên cứu xác định tỷ
lệ nước đông băng và nhiệt độ lạnh đông thích hợp (mô hình dạng
trụ vô hạn) của vật liệu ẩm ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa. Tạp
chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG TP HCM, Vol.11
(12/2008).
[35] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2010a). Nghiên cứu xây dựng
mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông, xác định tỷ lệ nước đóng
băng và nhiệt độ lạnh đông tối ưu của VLA dạng hình trụ hữu hạn,
ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa. Tạp chí Phát triển Khoa học và
Công nghệ ĐHQG TP HCM, 13 (K5).
245
[36] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2010b). Tối ưu hóa đa mục tiêu
ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy thăng hoa tôm thẻ. Tạp chí
Khoa học và Công nghệ Thủy sản (1).
[37] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2010c). Tối ưu hóa đa mục tiêu
với chuẩn tối ưu tổ hợp R ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy
thăng hoa tôm bạc. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ
ĐHQG TP HCM, 15 (K2).
[38] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2010d). Tối ưu hóa đa mục tiêu
với chuẩn tối ưu tổ hợp S ứng dụng xác lập chế độ công nghệ sấy
thăng hoa cho thủy sản nhóm giáp xác: đại diện là tôm sú. Tạp chí
Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG TP HCM, 13 (K3).
[39] Nguyễn Tấn Dũng & các cộng sự (2010e). Xây dựng và giải mô
hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện sấy thăng hoa bằng
phương pháp phần tử hữu hạn. Tạp chí Khoa học Công nghệ,
48(6A), 23-35.
[40] Nguyễn Tấn Dũng, Trịnh Văn Dũng & Trần Đức Ba (2009).
Nghiên cứu thiết lập mô hình toán truyền nhiệt tách ẩm trong điều
kiện sấy thăng hoa. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ
ĐHQG TP HCM, 12(8/2009), 67-80. Retrieved from
vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2536/2396
[41] Pikal, M. J., Mascarenhas, W. J., Akay, H. U., Cardon, S., Bhugra, C.,
Jameel, F. & Rambhatla, S. (2005). The Nonsteady State Modeling of
Freeze Drying: In-process Product Temperature and Moisture Content
Mapping and Pharmaceutical Product Quality Application.
Pharmaceutical development and technology, 10(1), 17-32.
[42] Pikal, M. J., Shah, S., Roy, M. L. & Putman, R. (1990). The
Secondary Drying Stage of Freeze Drying: Drying Kinetics as a
Function of Temperature and Chamber Pressure. International
journal of pharmaceutics, 60(3), 203-207.
[43] Trịnh Văn Dũng (2008). Ứng dụng tin học trong hóa học – Thực
phẩm. TP HCM: NXB Đại học Quốc Gia TP HCM.
[44] Vu Duc Phuong & Nguyen Tan Dzung (2016). The Multi-objective
Optimization by the Restricted Area Method to Determine the
Technological Mode of Cold Drying Process of Carrot Product.
Research Journal of Applied Sciences, Engineering and
Technology, 13(1), 64-74. doi:10.19026/rjaset.13.2891
[45] Nguyễn Tấn Dũng (2016). Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP,
Kỹ thuật và Công nghệ sấy thăng hoa. NXB ĐHQG TP HCM.