论化工原理精馏过程的计算机辅助计算

2022-09-11

引言

化工原理包括诸多方面的内容如化工、轻工业、制药等等, 他在工程类专业中是将理论基础与专业技术课程相连接的纽带。其具有公式较多、计算较为复杂、相关概念也颇多的特点。如今随着计算机技术的发展, 在化工设计过程中多采用计算机辅助设计, 让化工设计工作更加简单高效。但是在设计实际操作过程中, 依照具体的公式和理论知识进行设备的设计与计算时, 仍然较为繁琐复杂, 要想熟练运用很有难度。因此, 大家都在寻求一种既简单又准确无误的实用型方法。计算机辅助教计算可以解决这一问题。MATLAB是解决该问题的具体方法, 它是一种较为高级的语言, 能够进行强大的计算和复杂的图形处理, 使用此方法来解决精馏过程的计算机辅助计算, 既简单又直观形象, 可以算是一种较为有成效的计算机辅助计算方式。

一、精馏过程的计算机辅助计算的总体设计图

精馏是化工和石油工业中较为重要的一部分, 也是其化工理论中比较困难的一部分。精馏过程中的计算关系到很多内容方面的知识, 如迭代、微分、积分等数值方法的运用, 在较大规模的计算过程中, 以往的手工计算难以达到实际预计的效果, 所以, 为了解决此问题, MATLAB应运而生, 它的出现不仅将精馏过程的计算简化, 还体现出其操作过程可视化的优势, 让化工设计工作者掌握具体的思路与计算方法, 提高工作效率。

精馏过程涉及到的内容较多, 其中概括为六个部分, 我们用图表的形式加以表示 (图1) , 在此我们着重讨论下图解法和间歇精馏介绍相应的计算机辅助计算过程。

二、图解法求解精馏塔理论板数

在精馏过程中关系到的计算包括设计计算和操作计算两种类型, 在化工原理中重点是设计计算。精馏设计过程的计算涉及到以下内容:1、给出进料状况, 其中包括料的流量、料的组成以及其热状况。2、产品的要求, 主要是流量和组成。3、一定的操作条件, 主要是指回流比。这样三个条件下进行下一步的分离所需的理论板数的计算。目前, 该问题通常采用的是逐板计算法来求得结果。基于其图解形式比较形象直观明了, 让人比较容易理解接受, 所以在化工设计过程中也采用此方法。图解法求精馏塔理论板数牵扯到以下三部分内容:平衡线、操作线和阶梯。在MAT-LAB的操作中, 绘图是用plot函数。除此之外还要依次解决离散平衡数据拟合、相平衡计算等问题, 下面我们逐一进行解决:

离散平衡数据拟合:在精馏塔设计计算过程中, 其中的物系气压平衡数据的准确程度直接关系到最后计算结果的正确程度, 在化工设计过程中为了简化其复杂性, 一般直接给出相对发挥度或者相平衡关系, 导致最后的结果不够准确。在如今的化工设计过程中往往给出一组离散平衡数据点表示相平衡关系。这些数据准确度很高, 但是就是具有离散性的特点, 不便于直接被应用。在MATLAB中刚好可以解决这一问题, 通过polyfit函数可以将其拟合成多项曲线, 其应用格式为:p=polyfit (x, y, n) 其中 (x, y) 代表的是离散的平衡数据, n代表的是拟合的多项式级数, p包含了已拟合的多项式的系数。应用此方法比较简便, 对我们化工设计者来说是比较实用的方法, 不仅可以提高我们的设计的精确度, 同时也能提高我们的工作效率。

相平衡计算:在化工设计的整个过程中, 需要从塔顶到塔釜依次求出各个理论板上气液相组成, 通常塔顶的馏出液的组成是已知的, 这样只要带入对应的相平衡相组成。该问题的计算过程就是一个非线性方程求解的问题, 我们可以表示如下: 这其中x, y分别代表平衡气液相组成, f表示相平衡函数关系, c是组分数。这样就转化为一个非线性方程式求解的问题, 在MATLAB中采用的是fsolve函数, 其格式为: , 这其中表示平衡液相组成初值, y表示给定的气相组成。Options表示算法参数, 最后求的液相组成。。

图解例题演示过程如下:

图解过程的演示其实就是运用MATLAB, 进行绘图编程设计的整个过程, 在实际的操作过程中我们就采用例题演示整个计算机辅助计算过程。

如在一常压连续精馏塔中将甲苯混合物中苯分离出来, 其中已知每小时可以处理50kmol料液, 料液中苯占有40% (摩尔分数, 下同) , 馏出液中苯占有95%, 塔釜残液中苯的含量要小于5%。物系的相对挥发度值为2.47, 回流比值是5, 需要计算的是理论板数值。

在该题求解过程中采用的是Auto CAD图解方法.首先, 绘制出边长为1的正方形, 然后绘制出其对角线;其次, 根据相对平衡方程式、精馏段操作线方程及提馏段操作线方程, 接着我们绘出相平衡曲线, 精馏段操作线我们用AC表示, 提馏段操作线我们用BC表示;再次, 用PL命令从A点出发, 做水平线或垂线分别相交于相平衡线和ACBC两操作线, 一直到过点B;最后, 用ID命令就可查询每块板的气液组成。我们可以用图表示如下 (图2) :

三、间歇精馏

间歇精馏具有批量小、见效快的优势正逐步被人关注, 在间歇精馏过程中釜液和馏出液的组成是随时间改变而改变的, 为了防止这一现象的发生, 确保馏出液的组成部发生变化, 就需要加大回流比, 其中气化量是间歇精馏计算中较为重要的计算值, 在化工原理中的计算公式是:

其中, V、F、R依次表示化量、进料量和回流比, 代表进料组成、馏出液组成、残留液组成和操作最后的釜液组成。但是这其中随着R的改变而改变, 通常R是已经给出的数值, 从而进一步求得相对应的釜液组成。在MATLAB中采用的是一元非线性回归, 进一步得出相应的关系曲线, 然后利用特定的数值积分算法球的气化量。上述中的Polfit函数可以解决这一问题其格式为:q=quad (fun, a, b) .其中fun为被积函数, (a, b) 为被积变量的上下限, q为积分值。最后我们得到的气化量结果如图3所示:

总结

基于化工原理精馏计算过程公式较多、计算起来较复杂、计算量大的特点, 传统的计算方法很难达到理想的效果, MATLAB的出现, 彻底解决了这一问题, 它不仅将精馏计算过程进行了简化, 还能更加直观形象地展现计算过程。让我们化工设计工作者的设计水平不断提高, 与此同时, 计算机的辅助作用也提高了我们对计算机的应用能力和工作效率。本文从精馏过程的计算机辅助计算的总体设计图, 图解法求得精馏塔理论板数和间歇精馏三方面进行论述分析, 作为化工设计工作者, 算是自己的心得体会, 希望对化工设计工作者有所借鉴参考价值。

摘要：精馏过程是化工生产过程中最重要的一部分也是最复杂的一部分, 因其计算公式较多, 计算起来也较繁琐, 在化工设计过程中按照以往的计算方式难以达到理想的效果。本文就精馏过程中的代表性的案例, 借助于计算机进行计算的全过程演示, 希望借此提高大家对精馏过程的认识与了解。

关键词：化工原理,精馏过程,计算机,辅助计算