化工原理精馏过程的计算机辅助计算..doc

化工原理精馏过程的计算机辅助计算 田文德1 孙素莉2 刘晶晶1 （1.青岛科技大学化工学院，山东青岛，266042；2.青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛，266042） 摘 要：精馏过程为化工原理教学过程中的重点和难点部分，公式多，计算过程复杂，采用传统的板书讲解方式难以达到较好的授课效果。本文利用MATLAB语言强大的运算与图形表达功能，通过剖析精馏计算过程中的典型例题，给出了计算机辅助计算精馏过程的具体思路和方法。论文中还充分展现图解法解题的优越性，增强学生的 化工原理是过程工程类专业（包括化工、制药、轻化工程等）中衔接理论基础课和专业技术课的重要桥梁，重点培养学生的运用理论知识解决实际工程问题的能力，具有概念多、公式多、计算过程复杂、工程概念强等特点[1]。因此，在该门课程的讲授过程中，目前采用了板书、多媒体课件[2]以及课程设计等多种手段来强化学生对实际生产过程的理解。但学生在学习过程中，往往仍然感到运用繁杂的半经验公式和理论进行过程设备的设计和操作计算时过于复杂，难于切实掌握。那么，能不能寻找出一种合适的方法和工具，使学生自主地运用已学的各种理论知识，在不用过多关心计算细节的前提下，就能够比较容易地进行工程计算呢？计算机辅助教学是过程类专业教学体系与教学内容改革的重要组成部分，是解决上述问题的有效方法之一[3]。但该方法目前多采用FORTRAN或C语言来实施，程序繁复冗长，学生掌握起来具有一定的困难。MATLAB作为一种高级语言，拥有强大的运算和图形处理功能，用户界面友好，开发效率高[4-6]，是替代上述语言进行计算机辅助教学的一种良好方案。 本文以MATLAB语言为平台，以化工原理中的重要单元操作---精馏为对象，对其中的典型例题进行了算法分析，给出了在MATLAB编程环境中的具体实现。最终结果表明，采用MATLAB来实现精馏过程的计算机辅助计算，不仅计算过程简单，而且可以利用图形直观地表达计算结果，是工程类学生学习化工原理课程的一种有效辅助手段。 精馏过程的计算机辅助计算 精馏是石油和化学工业中的重要单元操作，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复杂，具体涉及到试差、迭代、微分、积分、数据拟合等数值计算方法，采用手工计算只能解决小规模问题。而使用C语言等低中级语言编写计算机程序，又存在着周期长、程序庞大、运行结果不直观等缺点。MATLAB编程语言简单，内嵌有丰富的数值计算方法，人机界面直观，输出结果可视化。将MATLAB作为精馏过程的计算机辅助计算平台，可以大大提高程序的开发效率，从而激发起学生学习以及进行二次开发的热情，进而提高课堂教学效果，使他们真正掌握利用计算机进行精馏计算的思路和方法。 总体结构设计 精馏过程的计算主要涉及到六大部分，它们之间的关系如图1所示。其中的核心和基础部分为图解法求理论板数，它除用于简单精馏外，还较多地用于复杂精馏和间歇精馏。因此，出于篇幅考虑，本文将只对图1中的图解法和间歇精馏介绍相应的计算机辅助计算过程。 ____________________________ 作者简介：田文德（1973-），男，山东菏泽人，博士。联系人：田文德，E-mail: tianwende@ 图1 精馏结构图 Fig. 1 The diagram of distillation computation 图解法求解精馏塔理论板数 一般地，精馏过程涉及到设计和操作两类计算，化工原理课程中重点介绍前者。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。目前，这一问题主要采用逐板计算法来解决[7]，由于其图解形式较为直观易懂，因此是目前化工原理教学过程中采用的主要方法[8]。图解法求精馏塔理论板数主要涉及到平衡线、操作线和阶梯三部分，它们在MATLAB中实现时，除采用plot函数来绘图外，还需解决离散平衡数据拟合、相平衡计算和图解过程演示等问题。 离散平衡数据拟合 精馏塔设计计算过程中，物系气液平衡数据的准确性直接影响到计算结果的可靠性。这些数据在实际的教学和考试过程中，有时为了简化问题，往往通过指定相对挥发度或相平衡关系式的形式来给出，但准确度不高。因此，现有的化工原理教材中，较多的情况是通过给出一组离散平衡数据点（饱和蒸汽压或气液相组成）来表示相平衡关系。这些数据通常来自实验，具有较高的准确度，但缺点是具有离散性，不利于直接使用。MATLAB中的polyfit函数可直接将这些离散数据拟合成多项式曲线，其调用格式为 其中，（x,y）为离散的平衡数据，n为要拟合的多项式级数，返回值p包含了已拟合好的多项式系数。由该式可以看出，利用这种方式进行计算机数据拟合