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基于 C的精馏塔设计计算在教学过程中的应用 周传江 1 田文德 2 范银海 3 (1. 青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042; 2. 青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042) 摘 ,计算量大,采用传统手算的方式难以达到 要:精馏塔设计过程中公式多(多为半经验公式) 较好的设计效果。
本文利用 C语言强大的计算与界面友好的功能,通过剖析二元混合物(苯与甲 苯)精馏塔的设计计算,给出了计算机辅助设计精馏塔过程的具体思路和方法。
论文中还充分展 现了采用 C计算机语言进行图解法设计的优越性,从而增强用户使用过程的直观性和可视性,对 工程问题做出更快捷的估算。
关键词: 精馏塔设计 二元 计算机辅助设计 C 工程问题1 引言 我国精馏塔技术的发展,经历了一个漫长的过程。
新中国成立以后到十二五规划,陆续建 1起了现代化的石油化工装置 。
同时国内对精馏技术进行了不断的改进,并相继引入了一些新的方法和标准规范。
特别是由于计算机技术的发展,精馏塔设计过程中计算量极大的逐板计算法,已能快速而方便地得到满意结果。
但该方法目前多采用
VB 或 C 语言来实施,程序繁复冗长,学 2生掌握起来具有一定的困难 。
C为一种新型的计算机语言,拥有强大的计算功能并具有较好灵活性与简单性,用户界面友好清晰,开发效率高,是进行计算机辅助教学软件开发的首选语言。
本文以 C语言为开发工具,在 Microsoft Visual studio 平台上对精馏单元操作中典型的实例进行了算法分析,给出了在 C编程环境下的具体实现方法。
在编程过程中我们发现:利用C能够巧妙灵活的解决精馏过程中复杂的迭代计算,如逐板计算求理论塔板数、泡露点的计算等,而且还可以通过图形的形式将计算结果直观的呈现出来,如阶梯图、负荷性能图等。
2 精馏过程的计算机辅助设计计算 精馏是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的单元操作之一,也是化工原理教学中的重点和难点。
精馏过程中的计算往往比较繁琐,具体涉及到试差、迭代、微分、数据圆整等数据处 3理方法 ,采用手算的方法不仅效率低且精度受限。
而低中级语言编写的计算机程序,又存在着周期长、占用内存大、运行结果不直观等缺点。
通过 C语言开发的精馏塔设计计算软件旨在:能够满足教师在教学过程中方便地完成计算演示;使学生能够系统的掌握精馏单元操作,并对课后习题进行结果验算;同时也能对其进一步开发,用于学校网站建设。
2.1 精馏塔设计总体结构框图 精馏塔设计过程大致分七大部分,它们之间的关系如图 1 所示。
其中的核心部分为图解法求理论板数,复杂部分为:流体力学验算和塔板负荷性能图的绘制。
出于篇幅考虑,本文将仅对图 1 中的图解法求理论塔板数和塔板负荷性能图介绍相应的计算机辅助设计计算过程。
精馏塔的设计计算 确定设 选择塔 塔高、塔 塔板结 流体力 负荷性 工程 计方案 板类型 径等工 构设计 学验算 能图 评价 艺尺寸 理论板数的计算 单板效率 压强降 液泛 雾沫夹带 图 1 精馏塔设计结构图 Fig. 1 The diagram of distillation tower computation2.2 图解法求解精馏塔理论板数 一般地,精馏过程包括设计和操作两类计算,化工原理课程中重点介绍精馏塔的设计计算。
精馏过程的设计计算可描述为:在给定进料状况(包括流量、组成、热状况)、产品要求(流量和组成)和一定的操作条件(回流比)的前提下,计算分离所需的理论板数、塔高、塔径及溢流装置的尺寸等。
图解法求理论板数是用平衡曲线和操作线分别代替平衡方程和操作线方程,用简便的图解法代替繁杂的计算而已。
虽然图解法的准确性较差,但因其简便,目前在两组分精馏塔的设计计算中仍被广泛采用。
图解法求精馏塔理论板数主要包括平衡线、操作线和画阶梯三部分,它们在 C中实现时, 4主要通过 Graphics 与 GDI 通信 。
基本过程如下:为位图 Bitmap 创建一个对象变量存储对Graphics 对象用以显示坐标体系;通过 PointF确定两点利用 DrawLine方法画出操作线及 q 线;利用“以直代曲”的方法画出平衡曲线,并在平衡曲线与操作线之间画直角梯级。
为坐标系创建 Graphics 对象 在 C编程中,首先新建一个窗体并通过 Bitmap 定义位图的大小尺寸,在该位图下通过调节坐标点的相对位置调用 DrawLine()绘出直角坐标系中的 X 轴和 Y 轴,采用 if 语句的循环模式标出坐标刻度。
另外,还可以利用绘制多边形的方法画出三角形并用黑色填充,调整位置显示表明两坐标轴的方向;为了表明各坐标轴的意义,可以绘制文本,在位图上绘制文本与绘制形状类似,需调用 DrawString方法,它具有强大的字处理能力,可以定义文本的字号、颜色和样式等等。
这样就可以绘制包括对角线、X1.0 和 Y1.0 在内的相关直线,简单地 x-y 图制作完毕。
绘制操作线与 q 线 操作线方程和 q 线方程在 x-y 图上均为直线。
1 根据塔顶的分离要求和回流比, ○ 求出精馏段操作线的截距点(0,XD/R1)和点(XDXD),连接这两点绘出精馏段操作线方程。
○根据进 2料热状况 q 值、进料组成 XF 及精馏段操作线方程,连接点(XFXF)和点(XDq-1XFR1)/qR, XF Rq XD/qR 绘出 q 线方程。
○根据塔釜的分离要求和 q 线与精馏段操作线交点, 3连接点(XwXw)和点(XDq-1XFR1)/qR, XF Rq XD/qR绘出提馏段操作线方程。
在 C编程中的具体实现方法:由于以上三条线都能找到确定的两点,计算出它们分别相对于坐标原点的坐标,然后调用 DrawLine()绘制各条直线。
也可使其具有不同的颜色,便于观察视图。
DrawLine()的基本语法如下: Object.DrawLinepenx1y1x2y2 Object 是一个 Graphics 对象,pen 是一个 pen 对象,可以用于定义颜色、线宽和线条样式。
X1 和 y1 是线条起点坐标,x2 和 y2 是终点坐标。
绘制平衡曲线并画阶梯,图解演示 每一级气、液两相的操作关系,限制着每一级塔板的分离要求。
故在操作线与平衡线之 。
间画阶梯,所画阶梯的个数即为理论塔板数(分凝器相当于一块理论板) 在 C中的实现方法:采用“以直代曲”的思想处理平衡线,已知二元混合的相对挥发度,从坐标原点(0,0)开始,取步长为一定的小量,求得此时的坐标点,然后利用回环赋值的方法求出所有在(1,1)内的点,依次连接两点得到一条近似光滑的平衡曲线。
从点(XDXD)开始在精馏段操作线与平衡线之间轮流作水平线与垂直线构成直角梯形,阶梯跨越两操作线交点时,改在提馏段操作线与平衡线间作直角梯级直到梯级的垂直线达到或跨越点(XwXw)为止。
以上所有线段的画法与操作线画法类似,在此不加赘述。
另外定义一个计数变量 i,每画一次水平线(或垂直线)时 ii1。
当阶梯跨越两操作线的交点时,输出 i 即为理论进料位置。
当 X Xw 5时,输出 i 即为全塔理论板数 。
图解演示,图 2 给出了苯与甲苯二元混合物图解法求理论板数的过程演示,仅供参考。
首先选定塔顶冷凝器类型,然后输入工艺参数:回流比 R进料热状况 q 值,XF,XD,Xw 和相对挥发度。
点击“操作线”按钮,在界面上显示出平衡线曲线和操作线及产品分离要求,同时该按钮由原来的红色变为绿色 。
然后点击“画阶梯”按钮,在平衡线与操作线之间画出直角阶梯图,在按钮变颜色的同时输出进料板位置及全塔理论板数。
如果对所设计的参数不满意可以调整数据进行修正,也可以通过“初始化”按钮重新设计计算。
图 2 图解过程演示界面 Fig. 2 Demonstration interface of graphical method 该过程采用 C提供的图形功能来完成,用户可以非常方便和快捷地通过它设计出一个图形用户界面。
在该过程中,用户确定出窗体的外观和各个子元素(包括按钮、文本框、复选框等) 6的位置 ,然后利用程序编辑器来编写其执行
代码,从而可以使窗体完成特定的运算。
2.3 塔板负荷性能图 负荷性能图对检验精馏塔的设计是否合理、了解塔的操作状况以及改进塔板操作性能都具 7有一定的指导意义 。
通常是在直角坐标系中,以气相负荷 Vs 对液相负荷 Ls 标绘各种极限条件下的 V—L 关系曲线,从而得到塔板的适宜气、液流量范围图形。
在编程过程中:通过复选框解决精馏段与提馏段的差异;通过在任意窗体下定义全局变量的形式将其他各个分块的计算数值直接调入该窗体下的各个目标函数进行计算,将各个目标函数调用 DrawLine()画出直线或曲线,并根据气、液流量确定操作点 P,确定出适宜的流量区域。
在后台计算出操作弹性, 图 并显示在文本框内。
3 给出精馏段塔板负荷性能图并计算出该条件下的操作弹性,旨在能够引起大家的开发热情。
图 3 精馏段塔板负荷性能图 Fig. 3 Distillation of the performance diagram3 结论 精馏塔设计计算不仅工作量大而且处理方法多变,采用多媒体教学的方法难以使学生很好地把握计算的核心。
Visual C作为一种灵活性很强的高级语言,可以大大简化这一计算过程,将核心问题直接转化为计算
代码,加深学生对计算过程的理解。
Visual C作为一种新型的计算机语言其突出的优越性体现在:简单性、界面良好、曲线拟合快、具有 C的灵活性和强大功能。
对学生的计算机能力和数学知识要求不高,但却可以大大提高学生将计算机应用于工程计算的能力,从而进一步突出了化工原理中的工程概念。
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