用VB逐板法计算精馏塔理论塔板数_李浩杰.pdf

第30 卷第2 期 2013 年 2 月 28 日 计算机与应用化李 C om Put e r sa n d A PPli ed C hem ist r y V O1 30 , N o . 2 F eb r u ar y2 8, 20 13 用 V B 逐板法计算精馏塔理论塔板数 李浩杰., 王延伟 0 (河南工程学院材料与化学工程系, 河南, 郑州, 45000 7 ) 摘要: v B即 sual Ba s i c ) 是高级程序设计语言, 其程序流程控制结构中的循环结构适合逐板计算法中类似迭代原理的计算, 再 加上集成开发环境中丰富的界面设计功能可以提供优良的用户界面, 因此, 是采用逐板法求解精馏塔理论塔板数行之有效的 实现工具 全文介绍了用 V B 逐板法计算针对于二元物系精馏塔理论塔板数的过程, 给出了相应的 V B 程序代码, 并指出在 叭s u a l Ba s i c 编辑器中生成独立的可执行文件(. e x e), 用户只需在该文件中输入相关参数, 即刻就能显示出全部的计算结果 该 操作方法简单实用, 便于掌握, 应用广泛 通过对理想与非理想二元物系的实例进行操作验证, 并由 M A T LA B 图解法比对校 验, 所得结果准确无误 关键词: V B ; 逐板法; 精馏塔; 理论塔板数 中图分类号: 仰 3一 l文献标识码: A文章编号: 1001一160( 2012)02一 183一 191 D O I: 10 . 117 19/ eom . a P P # chel n 20 130217 1引言 精馏塔理论塔板数 (包括精馏段和提馏段) 的求取 原理是交替地应用相平衡和物料衡算的关系 l ,由此, 衍生出常用的逐板计算法和图解法两种 其中, 图解法 直观 ! 简单,目前, 在精馏计算中仍多为采用, 但当理 论塔板数较多时,图解则不易准确, 误差较大, 而且, 图解法提供的数据结果十分有限相行之下, 逐板计算 法则是计算理论塔板数的基本方法, 思路清晰, 计算出 的理论塔板数 ! 进料板位置结果准确, 与此同时, 还可 一并得到各层理论塔板的气 ! 液相组成等, 为精馏塔的 设计和控制提供准确 ! 详细的数据依据,因此, 应用相 当广泛 但手工逐板计算任务量大, 容易出错, 操作之 时十分不便 将逐板法用计算机高级程序语言 V B编程,再在 V i s u alB a s i c 编辑器里单击菜单栏中/文件(D0并选择 /生 成工程l. e x e (K),0 , 生成独立的可执行应用文( .e x e ) 1 2 , 3 , 便可弥补手工逐板计算的不足, 实现一劳永逸 操作时 只需将与逐板计算有关的参数 (塔底 ! 进料和塔顶组成 枷 ! x F 和 x D, 进料状态q 值, 回流 比R 以及相对挥发 度 a 或气液平衡数据) 输入界面系统,即刻便可得到详 细的各类计算结果, 直观快速而又准确无误 该方法对 化工原理的教学 !化工设计和生产都有重要的意义 2逐板计算法的原理和步骤 2 . 1相关方程 (l )理想状态的二元物系相平衡方程: 不明显, 计算表明, 在x = O一l的全部范围内变化并不大, 通常可用一平均值即定值a 来表示 ( 2 ) 非理想状态的二元物系相平衡方程: k+ Z k + 2 :=艺f l j= k i=k 一 玩 一为 (里二生 (2) 其中,x k! x k +1 ! J笋J x k +2 !和 八 !八小 y k +2分别是 最靠近y 的三个插值点和相应的函数值 对于非理想状态,a 随x 的变化较大,即a 不再是 定值 通常情况下, 己知若干个x 一 y 气液平衡数据, 可 用 /一元三点插值 0 公式来求取x 的值 4 - 6 ( 3 ) 精馏段操作线方程: _- _R一勺y = 二丁 一万人一 下尸万 找 +l找 十 1 ( 4 ) 提留段操作线方程: (3) y 二兰红2 匕 勺 一冤 冲 (x 一 x甲 )+ x甲 ( 4 ) ( 5 ) 进料方程: q 沪1时 , _ ._q_ ,介少= 一一丁人一,一丁 q 一lq 一1 (5) 叮 = l时, x = 介(6) ( 6 ) 两操作线的交点1 7 , 8 : q 护l时, !.产!.少 ,尹R q 了. ! J户.! 勺 = x D (q 一l )+ x F (R + l) 无= 一一2 址一 - a 一 (a 一l)y 对于理想状态, a 随温度t (或液相组成x ) (l) 为 = q + R xo q + 众 F q + R 的变化 q = l时, 收稿日期: 201 2一 09一 02;修回日期: 201 2一 12一 0 4 作者简介: 李浩杰(19 8 9一), 男, 河南人, 在读本科生, Em a ll :功xua n hi 1 2 6- co m 通讯作者: 王延伟教授 , Em a i l : h j y x 123 4 13 9 . c o m 184 计算机与盛用化毋 2013, 30(2) 勺 二介 二 众 尸十x n R + l (9) (10) ( 7 ) 最小回流比: _ x D一y e y e一x e ZJ逐板计算法的过程 (l ) 对于塔顶采用的是全凝器, 而且是泡点回流, 则 自第一块板上升的蒸气组成为: y l = x D(12) ( 2 ) 由相平衡关系可知, 第一块板下降的液体组成x l 与y,平衡,以此便可求得x l 此外,自第二块板上升的 蒸气组成 儿与x l 符合精馏段操作线方程 (公式(3 ) ), 据 此关系可求得为,以此类推, 交替使用相平衡方程和精 馏段操作线方程,可计算出逐层板上的两相组成, 直到 第n 块理论塔板恰好出现介 -勺为止, 则第 n 块理论板 即为加料版 精馏段所需的理论板数为( n 一 1 ) ( 3 ) 精馏段过程计算完成后, 同理, 再交替使用提馏 段操作线方程 (公式( 4 ) 与相平衡方程, 继续重复计算, 直到枷 -勺 为止 ( 4 ) 由于再沸器内是部分气化, 种 与加 平衡, 相当 于一层理论板, 故总理论塔板数应从以上得出的数目减 1 因此, 不包括再沸器的全塔所需理论塔板数为(N 一 l ) ( 5 ) 上述理论板计算的过程代码主要是用 VB 语言 中的 W hl le 循环结构来完成的, 加上界面设计, 便制成 V B 程序 再将V B 程序在 巧su a l Ba s i c 编辑器里编译成 可执行文件,即可直接独立使用 3V B 程序代码 巧sualBa s i c 编辑器中, 分别以理想和非理想二元物 系为例, 在对象窗口设计用户界面, 效果见下文图 1 和 图2; 在代码窗口编写代码, 并进行调试 1 1理想二元物系的代码 Pr iva t eSu b C on皿叨dl 夕 l icko .适用于理想的二元物系相平衡 D 而 m !, n!, a!, b !, x !, y!, k !, s!, X c!. X w !, 郑, X d! D 汕 i% , 2% , g% x w二 场putB0 x ( . ,塔 底 产 品 中 易挥 发 组 分 的 摩 尔 分 数 x w 二 f f 0 ) A A A = SPI i t ( CC (0) , 0,0 ) x ( l)= 涌 d( A人A ( 0 ) ,22,Le n (AAA ( 0 ) )一 21 ) .注意:文本框中第一个空行代 表 2 个字符长度,以后每一个空行为 4个字符长度 ! y(I)= M i d ( A AA (l),7, Len(AAA (1)一 6) Fori= 2 T On Ph C C C 二SPli t( C C (i一 l) , 0,0 ) BB B 二Spl i t( C C C (0) , 0: - ,) x(i )= M i d( B B B (l) , 7,L e u (B B B (l) ) 一 6) y(i )= M i d(C CC (l) , 7,L e n (C C C (l) ) 一 6) N eX t i x w=I n P ut Bo x (0塔 底 产 品 中 易挥 发 组 分 的 摩 尔 分 数 X w 二 0 i一IT o即h . 将初始 x ( ) 和 y ( )的数值进行交换 t (i )= x( i ):x( i )= y ( i ):y( i)= t (i ) N ex t i X e = ehazhi ( x, y,Y e, nph) i r x c x lT h e n.类型一: q 不等于 l时, 第一块理论板液相组成大于 两操作线的交点液相组成 T e x t l. 及xt二T e x t l,T e x t nr 骡 辍 翌墨翌遍鲤卿 理论塔板数 为1 4 丁 七 七 r e6司 目吐en山 m比 1 5 1 4 书尹, : /z 尹 洲 z/尹 0 . 9 0 . 5 0 7 1 0 0 . 6 0 5 0 4 袱 声 F ig.3 图 3 0 .10 20 30 . 40 50 .60 . 70 . 80 . 91 0 X M 川几 A B 七a s ed 脚 Ph f o rid e a l bi n a r ys y s t em a幻 d t h e exa止甲le一 1 r e su l t. 理想二元物系的M 川几A B 图解和例 1 的结果 图解法确定精馏塔理论塔板数 g口phi c s olut ion 协 .卜 的 r C tic a lp=a t enu mb e r of 叹 石 C a ti on co苦 um n. L - 任. . r - - l . r . - - n . q曰 飞,- n - ; . 0 n U n 理论塔板数 为7 而非理想物系的情况中,由于平衡关系的形式不固定, 其曲线通常有两种, 一种是平衡曲线在高浓度段出现向 上凹, 其挟点可能在进料线与平衡线的交点上, 也可能 在精馏段操作线与平衡线的切点上; 另一种是平衡曲线 在低浓度段出现向上凹, 其挟点可能在进料线与平衡线 的交点上, 也可能在提馏段操作线与平衡线的切点上 因而, 对于非理想物系, 求解最 3 回流比只 面 n找出挟点 e ( x e ,y e )坐标是关键, 可用 3 次样条插值逼近平衡曲线的 方法 l 6 ,7, 或用图解法作图= , 9一 ,0 来找出挟点, 从而求出 最小回流比凡伍, 但用程序实现此过程, 繁琐不易, 这 里只作提示 ( 7 )V i sualBa s i c 编辑器有丰富的界面设计功能, 能满 足需求进行形象化的界面设计, 再加上 V B 语言中的循 环结构, 为更好地解决逐板计算奠定了基础 此外, V B 语言有一定可视化输出图像的功能, 伴随着逐板计算的 同时, 也可以生成图解法的梯形图效果, 这里篇幅有限, 不再赘述 0 .10 2O J0 . 40 j0 石0 70 ,80夕1. 0 X r . . . 胜L - , , L . . . 吐L I . . , 十. . . 吐卜. ! . 卜1 . . 胜r 胜 - 弓护上, . . u u . . 山O n 9 0 0 月6 2 工 工4 J q 嘴2 n - q . ,- ; C n n o 1 qU OqU O /q 卜 F ig.4M A T L A B 一as e d g r aPh f o rn on一 id e a lbin 娜sy st e ma nd th e e x a加p e一 r e s曰L 图 4非理想二元物系的 M AT LA B 图解和例 2 的结果 ( 3 ) 在生成的可执行文件中包含 2 个界面, 一个是针 对于二元理想物系, 另一个是针对于二元非理想物系, 点击应用程序中每个界面上的/切换界面 0 按钮,即可完 成 2 个界面之间的相互切换 同时, 程序的输入操作采 用逐步引导的方式, 即/开始 0 后有相应的输入提示,当 输错或运行结果不符时同样会有错误警示,以便注意 ( 4 ) 对于理想的二元物系, 有固定的相对挥发度a , 即有固定形式的相平衡方程; 对于非理想的二元物系, 相对挥发度a 不再是定值, 即没有固定形式的相平衡方 程, 需要用若干个x一 y 气液平衡数据拟合平衡关系式 其实, 二元理想物系的情况可以看成是二元非理想物系 里的一种特殊情况 在 V B 程序非理想物系的情况中, 拟合气液平衡关系式是用自定义的函数,. c ha z hi0完成的 (5 ) V B程序中对于非理想物系的情况, 在拟合气液 平衡数据关系时, 用 /一元三点插值 0 的算法解决, 通 过若干实例证明, 该算法在气液平衡数据关系的拟合中 还是具有一定的通用性和可行性的 4 - 5 J ( 6 ) 回流比R 是精馏的核心, 因此, 确定最小回流比 兔 n有重要的意义 VB程序里针对于理想物系的情况 中, 通过求解出进料方程与平衡关系方程的交点即挟点 e ( x e ,y e )坐标, 代入式(1 1 卿 可得到最小回流比尺 ms n 1 ,s 6结论 (l )本应用程序适用于理想和非理想的二元物系精 馏计算, 但提供的相关输入参数必须是合理的!完备的, 这些在程序的操作中均有提示 ( 2 ) 用v B基于逐板法计算精馏塔理论塔板数, 经过 实例验证, 准确无误, 简便实用 在应用程序中, 用户 只需按照提示输入所需的相关参数, 即刻就能显示出详 尽的计算结果 ( 3 ) 此 V B 程序的不足之处是, 在非理想情况的程 序里, 未能将最小回流比心 n求出, 因此, 计算精馏段 理论塔板数中, 当输入的回流比R 小于等于最小回流比 凡血时会造成程序进入死循环而系统无法 自 行提示, 只 会表现出未响应状态 又由于随着回流比R 从最小回流 比风 血 起逐渐增大, 当回流比R 稍稍增大, 理论塔板数 即从无限大急剧减小 根据这个特点, 故作者从维护程 序的角度人为设定了一个精馏段塔板数的上限, 即 1 0 0 层, 这个上限可以根据用户的需要自行更改, 当然, 为 了简便, 也可以删除这一环节 R ef e r e n ces : 1T a n T E , D ou M ei a n d Z h ou MH , e ta l .T 五 e Pr i neiP le of C he而 cal En脚 eerl ng( V o l . 2).3r d ed.B ei ji ng: Che面ealh i dust r ypr e ss, 2006. 2Shen XJ, Z h即g YZa n d ji XL , et a l . V i su a l B asie Progr a m D esi g n .Bei ji n g: Chi na叭 / a t er P ow e rPress,2005. 3Li u B WVi s u al Ba s i e Prog r anuni ng Co明 e. B ei ji n g: T s i nghua U ni ver s i t y Press, 2009. 4Shi J Ra n dL uoC丫 G 哪 hie soIutiont or e et i f i eationeolU I n n t h eor e ti ealPl a t enum ber s 妙 usi n g E x eel .Com Puter s a n d Ap p li ed C he而 st r y l2005, 22( 7): 561一 565. 5X uK e, L i u J Tand Peng Wqet al. 6 m ph i e so l u t i on t o r e et盆 6eat io nc o l u比 口 山e 化t ieal Plat enum be r sb yus ing E x eej . C he而ealEngl ne e r , 2010, (6): 16一 19. 6Z houCEN u m er i eal A l go r i t h 立 拐 onseie n ee a n d E ngineer i ng ( V i s u alBa s i e 汕ti on).B ej ji n g: T s i n ghua U n i ver s i t y Pr ess, 2002. 7C he nyU n a nd L iu HR . T he d eveloPm ent of t h e n ewm etho do f ealeula t毗t h e num ber of i dea lPl a t e s. C om Pu t er s皿d A PPli ed 2013, 30(2) 李浩杰, 等: 用 V B逐板法计算精馏塔理论塔板数 19 1 C hem is你 2007, 24(5): 681一 684. 8Peng XP a n d 乍 触 n Q i n g . T h e eal eul a t i on of t h eor e t i eal Pl a t e num bersf o rr e etif iea t ioneolu亘口usi n gdeduetionf o nnula. Co呷 ut er sa n dA ppl i ed c he r ms t T y ,2008, 25(5): 622一 626. 9习 恤 o Y Y ,C he nC G a n d Z en gM J, e t al .T he Pr i neiPl e ofC h e 面 eal Engi ne e n ng(V O I . 2).T i a n j i n: T i a n j i n U n i v e r si t y Pr e ss, 1999- 10C henMH , C ongD2a ndFa ngTN , et al. T he P r in eiPle of Chem i cal Engi n eer i n g(V O I. 2).Zr d ed.Bei ji ng: C hem iealInd u st r y Pr e ss, 2000. 11H u a n g J P a nd Z hao L ing. G r a Phieal m e t hod based on M A T LA B f o r ealeula t ingt h eor e t ieal st a ge nunlber of r e etif i eationeolu n i n. Joum alofX i nyangN or m alU ni v e r s i t y ,20ll, 24(4): 529一 532. 12 Li J J. A PPl i eat i ons of M 八 TLA Bi nehem i cal engi neer i n g ealeu la t iona ndvis u alization. H ebei C hem ieal E ngineer i ngand Indust r y ,2007, ( 5): 45一 46. 13 V / a ng XH , L e i M ing a n d Z hao W en ,et al.D eveloPm ent of graPh dem o nst rati on m od u l e f o r ch e m i eal e n g i neenng u n i t s O P er a t ion usingM 户 TLA B . Com Put e r sa n dA PPl i edChem i s咚2001, 18(4): 373一 376. 14 R ua nS 丫 叭 角 刀 9 Y L a n d Sang Q F M 八 TLA B Program D esi g n . Bei ji n g: Pu b li shi n g H ou s eofEl eet r o ni esI n d u s t r y ,200 4 . 15 Z ha n g M ei.A nalysis and ealeu l a t ion of the m inim um r e f l u xI . a t io in t h ebinar yideal liquida n deont u uous reet i f i eat ion. Jo u r na lof Li a n yll l lga n g C ol l egeofChe而cal介cl i n ol og y ,1995, 1(21):14一 18. 16Z heng XX .Aeonv enient m et h o df o r caleulat ion of t h e r口 m im um ref l ex r a ti o i n bi na r yr eeti f i ea t i on .Jour n al o f Y u z h ou U i n ver s i t y , 1996, 13(l): 7一 11. 17y 七5 C . Aeonvenie n t m et h o df o r t h e ealeulation of t h e m ini幻 um ref l u xr a t io. Journal of C hengd uU ni v er s i t yof S eiencea n d T e ch n ol og y ,1994, (2): 20一 24. 中文参考文献 l谭天恩, 窦梅, 周明华, 等. 化工原理 (下册) 7 间 . 3 版. 北京: 化学工业 出版社, 200 6 . 2沈样玖, 郑有增, 姬秀荔, 等. 叭s u a l Ba s i c 程序设计M 8 . 北京: 中国水利水电出版社, 200 5 . 3刘炳文. 巧su s l B a s i c 程序设计教程= M 8 . 北京: 清华大学出版社, 2009. 4时景荣, 罗传义. 用 Ex c e l 图解法求精馏塔理论塔板数闭. 计算 机与应用化学, 2005, 22( 7):561一 565. 5许可, 刘军坛, 彭伟功, 等. 基于 Ex c e l的精馏塔理论塔板数的 图解法闭. 化学工程师, 20 1 0, (0 ) : 1 6 一 19 . 6周长发. 科学与工程数值算法 (V i su a lBa s i c 版) M 2 . 北京: 清华 大学出版社,2002. 7陈的, 刘红茹. 计算精馏塔理论塔板数新方法的开发 J . 计算 机与应用化学, 2007, 24(5): 651一 654. 8彭小平, 颜清. 递推公式计算精馏塔的理论塔板数l J 计算机 与应用化学, 2008, 25(5): 622一 626# 9姚玉英, 陈常贵, 曾敏静, 等. 化工原理 (下册) = M l. 天津: 天津 大学出版社, 1 9 9 9 . 1 0陈敏恒, 从德滋, 方图南, 等. 化工原理 (下册) = M . 2 版. 北 京: 化学工业出版社, 2 0 0 0 . 1 1黄建平, 赵凌. 用 M a t l a b图解计算精馏塔理论级数明. 信阳师 范学院学报,2011, 24(4): 529一 532 # 1 2李俊杰. N, J LA B在化工计算及其可视化中的应用闭. 河北化 工, 2007, ( 5): 45一6. 1 3王晓红, 雷鸣, 赵文, 等. 基于 M 户 JLA B的化工单元操作图形 演示模块的开发7 J . 计算机与应用化学, 200 1 , 1 8 ( 4 ): 373一 37 6 . 1 4阮沈勇, 王永利, 桑群芳.M 产 JLA B 程序设计 M l. 北京: 电子工 业出版社,2004 . 巧 张梅. 双组分理想液连续精馏中最小回流 比的分析和计算 J . 连云港化工高专学报, 1995, l(21): 14一 18. 1 6郑旭煦. 二元精馏最小回流比的一种通用算法闭. 渝州大学学 报, 1996, 13(1): 7一 11. 1 7叶世超. 三次样条函数拟合平衡曲线求最小回流比闭. 成都科 技大学学报, 199 4 , ( 2 ): 20一 2 4 . P late一 b y 一 P la te ca lcu la t i o n m e th o d to th eo ret i c a l P late n u m b er of rect i f i ca t i o n c olu m n b y u sin g V B LiH ao j i e and W ang Y s nw ei (D e P ar t m entofM a t e r i al s a n d C h e 而ealE n g i n eer i n g, H enan lnsti tute ofE ngi n eer i n g, Z h en g z h ou 450007, H en a n, C hi n a ) A bst r aet:V B( V isualBa s i e) 1 5a nad v a n eed Pr o gr anl l刀 i ng l a n guage.A PParent l y ,t h e l oO Pst r u et u r e f r o m i t sPr o g r am f low eont rolst r u et o r e 1 5 suit a ble f o r t h e eal eula t ion of sim ila rto it e r a t ive Pr i neiP le i nt h e pla t e一 by一 Plate ea l cula t ion m et h o d , 幼 d t h e abU n d i 功t f e at o res of inter f ace desig nin t h e in t eg r ated d e velo Pm