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Dale E. Seborg , Thomas Edgar - Process Dynamics and Control, 4th Edition Solution Manual

Note
-
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-
Pages
570
Publié le
04-02-2022
Écrit en
2016/2017

A solution manual file for the Process Dynamics and Control, 4th Edition Book by Dale E. Seborg and Thomas Edgar

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Cours











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Publié le
4 février 2022
Nombre de pages
570
Écrit en
2016/2017
Type
Autre
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Inconnu

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Aperçu du contenu

Chapter 2


2.1


a) Overall mass balance:

d (ρV )
= w1 + w2 − w3 (1)
dt

Energy balance:

d ρV (T3 − Tref ) 
C = w1C (T1 − Tref ) + w2C (T2 − Tref )
dt (2)
− w3C (T3 − Tref )
Because ρ = constant and V = V = constant, Eq. 1 becomes:

w3 = w1 + w2 (3)

b) From Eq. 2, substituting Eq. 3

d (T3 − Tref ) dT
ρCV = ρCV 3= w1C (T1 − Tref ) + w2C (T2 − Tref )
dt dt (4)
− ( w1 + w2 ) C (T3 − Tref )

Constants C and Tref can be cancelled:

dT3
ρV = w1T1 + w2T2 − ( w1 + w2 )T3 (5)
dt

The simplified model now consists only of Eq. 5.




Solution Manual for Process Dynamics and Control, 4th edition
Copyright © 2016 by Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar, Duncan A. Mellichamp,
and Francis J. Doyle III


2-1

, Degrees of freedom for the simplified model:

Parameters : ρ, V

Variables : w1, w2, T1, T2, T3
NE = 1
NV = 5

Thus, NF = 5 – 1 = 4

Because w1, w2, T1 and T2 are determined by upstream units, we assume
they are known functions of time:

w1 = w1(t)
w2 = w2 (t)
T1 = T1(t)
T2 = T2(t)

Thus, NF is reduced to 0.



2.2


Energy balance:

d ρV (T − Tref ) 
Cp = wC p (Ti − Tref ) − wC p (T − Tref ) − UAs (T − Ta ) + Q
dt

Simplifying

dT
ρVC p = wC p Ti − wC p T − UAs (T − Ta ) + Q
dt
dT
ρVC p = wC p (Ti − T ) − UAs (T − Ta ) + Q
dt


b) T increases if Ti increases and vice versa.

T decreases if w increases and vice versa if (Ti – T) < 0. In other words, if
Q > UAs(T-Ta), the contents are heated, and T >Ti.




2-2

,2.3


a) Mass Balances:

dh1
ρA1 = w1 − w2 − w3 (1)
dt

dh2
ρA2 = w2 (2)
dt

Flow relations:

Let P1 be the pressure at the bottom of tank 1.

Let P2 be the pressure at the bottom of tank 2.

Let Pa be the ambient pressure.

P1 − P2 ρg
Then w2 = = (h1 − h2 ) (3)
R2 g c R2

P1 − Pa ρg
w3 = = h1 (4)
R3 g c R3

b) Seven parameters: ρ, A1, A2, g, gc, R2, R3

Five variables : h1, h2, w1, w2, w3

Four equations

Thus NF = 5 – 4 = 1

1 input = w1 (specified function of time)
4 outputs = h1, h2, w2, w3




2-3

, 2.4


Assume constant liquid density, ρ . The mass balance for the tank is

d (ρAh + m g )
= ρ(qi − q )
dt

Because ρ, A, and mg are constant, this equation becomes

dh
A = qi − q (1)
dt

The square-root relationship for flow through the control valve is

1/ 2
 ρgh 
q = C v  Pg + − Pa  (2)
 gc 

From the ideal gas law,

(m g / M ) RT
Pg = (3)
A( H − h)

where T is the absolute temperature of the gas.

Equation 1 gives the unsteady-state model upon substitution of q from Eq. 2 and
of Pg from Eq. 3:

1/ 2
dh  (mg / M ) RT ρ gh 
A = qi − Cv  + − Pa  (4)
dt  A( H − h) gc 

Because the model contains Pa, operation of the system is not independent of Pa.
For an open system Pg = Pa and Eq. 2 shows that the system is independent of Pa.




2-4
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