基于OriginLabTalk的精馏塔理论塔板数计算

基于OriginLabTalk的精馏塔理论塔板数计算张巍青余静张宜飞赵强赵媛媛化学与化工学院指导教师：于涛化学与化工学院摘要：开发了一种使用Origin软件对精馏实验数据进行图解法处理的方法，以苯——甲苯混合液实验体系为例，对实验数据进行处理，通过LabTalk脚本语言绘制出梯级图，以图解法分别求解出实验所需理论塔板数和加料板位置。结果表明该方法具有方便、快捷、准确性高的特点，并且可以有效提高学生的计算机数据处理能力。关键词：精馏实验；精馏计算；图解法；Origin软件前言精馏是工业生产中一种重要的传质单元操作，利用液体混合物中各组分间挥发度的差异，以热能为媒介，实现混合物的高纯度分离，广泛应用于石油、化工、轻工、食品、冶金等行业。因此，精馏实验也是化工原理实验中最重要的实验之一，在计算精馏塔理论板数时，一般采用逐板计算法（Lewis—Mathson法）或图解法（McCabe－Thiele法）[1]。其中逐板计算法以双组分精馏的平衡线方程和操作线方程为基础，在计算过程中交替使用这两个方程求算塔内气液相组成，从而确定精馏所需理论板数。图解法的基本原理与逐板计算法完全相同，只是分别用相平衡曲线和操作线代替了逐板计算法中的相平衡方程和操作线方程，并用画直角梯形线的方法代替了繁杂的计算。图解法的优点在于简便和直观，但准确性和可靠性也相对较差。而借助计算机软件辅助进行数据与图形处理，不仅可以减少人为误差、提高效率和精确度，还可有效地锻炼学生计算机应用能力，培养其科学研究素养[2-3]。Origin是美国OriginLab公司开发的一种图形可视化和数据分析软件，具有强大的数据分析和绘图功能[4]。本文利用Origin7.0软件的LabTalk脚本语言，开发出一种二元精馏塔理论塔板数的计算方法。1.材料与方法1.1OriginLabTalkOrigin除了提供使用方便的图框、工具之外，还提供了编程语言，便于用户进行自定义操作，这种编程语言就是LabTalk。LabTalk是一种功能完整的编程语言，它能够实现Origin软件中的所有操作，其语法结构类似于C语言，但又不完全相同。LabTalk还包含了带有功能选择和参数的DOS类型命令，并具有和VB相似的对象属性和方法[4]。另外LabTalk可以自定义对象，从而增加了灵活性，令用户在使用Origin时更加自由。1.2计算流程图1LabTalk图解法计算精馏塔理论板数流程图1.3LabTalk脚本程序//定义函数库voidPlot_Data(stringstrTemplate,stringstrData){GraphPagegraph;BOOLbOK=graph.Create(strTemplate,CREATE_VISIBLE);if(!bOK)return;GraphLayergrlay=graph.Layers(0);Curvecv(strData);intnPlot=grlay.AddPlot(cv);if(nPlot=0){grlay.DataPlots(nPlot);grlay.Rescale();}doubleCPx(doublea1,doubleb1,doublea2,doubleb2){return(b2-b1)/(a1-a2);}doubleCPy(doublea1,doubleb1,doublea2,doubleb2)给定xD、xW、xF、R、q定义函数库拟合气液平衡数据，绘制平衡曲线调整坐标轴范围，绘制对角线、参考线绘制精馏操作线、q线、提馏操作线绘制精馏段梯级线结果显示if(xaxD)绘制提馏段梯级线if(xbxW)NoNoYesYes{return(a1*b2-a2*b1)/(a1-a2);}}//参数赋值xF=cell(2,3);xD=cell(5,3);xW=cell(8,3);R=cell(11,3);q=cell(14,3);//绘制气液平衡曲线Plot_Data(Line,Data2_b);//调整坐标轴范围，绘制对角线、参考线X1=0;X2=1;Y1=0;Y2=1;draw–l{0,0,1,1};draw–l{xD,xD,xD,0};draw–l{xF,xF,xF,0};draw–l{xW,xW,xW,0};//绘制精馏操作线、q线、提馏操作线k1=R/(R+1);b1=xD/(R+1);Draw-l{0,b1,xD,xD};kq=q/(q-1);bq=xF-kq*xF;Draw–l{xF,xF,0,bq};k2=(cpy(k1,b1,kq,bq)-xW)/(cpx(k1,b1,kq,bq)-xW);b2=xW*(1-k2);Draw–l{xW,xW,cpx(k1,b1,kq,bq),cpy(k1,b1,kq,bq)};//确定d点横坐标，绘制参考线xd=cpx(k1,b1,kq,bq);Draw-l{cpx(k1,b1,kq,bq),0,cpx(k1,b1,kq,bq),cpy(k1,b1,kq,bq)};//绘制梯级线（i、j分别为总理论板数、进料板层数）xa=xD;ya=xD;for(i=1;;i++){xb=Data1_b(ya);if(xaxd){Draw–l{xa,ya,xb,ya};yb=k1*xb+b1;Draw–l{xb,ya,xb,yb};xa=xb;ya=yb;j=i;if(xaxd){yb=k2*xb+b2;Draw–l{xb,ya,xb,yb};ya=yb;}}elseif(xaxW){Draw–l{xa,ya,xb,ya};yb=k2*xb+b2;if(xbxW)break;Draw–l{xb,ya,xb,yb};xa=xb;ya=yb;}}//结果显示type-b理论板层数为$(i)，自塔顶往下第$(j)层为加料板;2.问题示例对于一常压操作的连续精馏塔，分离含苯为0.44（摩尔分数，下同）的苯-甲苯混合液，其气液平衡数据如表1所示，要求塔顶产品中含苯不低于0.975，塔底产品中含苯不高于0.0235，操作回流比为3.5，原料液化率为1/3，试确定理论板层数和加料板位置[1]。将混合液气液平衡数据、回流比、进料q值以及苯在原料液、馏出液、釜残液中的摩尔分数等参数输入软件，执行LabTalk脚本程序，所绘出的梯级图如图2所示。由图可知，理论板层数为14块(包括再沸器)，自塔顶往下第7层为加料板。如果采用手工绘制，则由于在绘制曲线和折线时的不标准和不规范，得到的理论板数和加料板位置可能会不准确。若应用于工业生产，会降低精馏塔的分离效率，增加精馏过程的能耗[5]。表1苯-甲苯混合液气液平衡数据液相中苯的摩尔分数x00.130.2580.4120.5810.781气相中苯的摩尔分数y00.2620.4560.6330.7770.91图2LabTalk图解法计算精馏塔理论板数梯级图3.结论(1)Origin软件用于图解法绘制精馏实验梯级图，只需要将格式化后的数据输入软件，经过LabTalk脚本语言的处理，即可得到专业的梯级图，且避免了手工在坐标纸上绘制时所产生的误差。在此基础上，用户还可以根据自己的需要，利用Origin强大的作图功能，对图像进行一定的处理，使之更加美观。(2)在绘制梯级线时，采用插值法让软件自动定位梯级线与平衡线交点坐标，与使用ScreenReader工具来手工确定梯级点的方法[6]相比，更为精确，从而进一步保证了所绘制梯级线的准确度。(3)本方法可以使学生从繁杂的数据计算和手工绘图作业中解放出来，专注于对精馏实验原理的掌握和结果的分析讨论，有利于达到更好的实验教学效果。同时还可有效锻炼学生的计算机应用能力，提高学生的学习兴趣和效率。参考文献[1]陈常贵，柴诚敬，姚玉英.化工原理（下册）[M].天津：天津大学出版社.2004．[2]曹靓妹，李文新，许附．多通道数据采集系统软件设计及其在测试中的应用[J]．工业控制计算机，2006，19(3)：29-30．[3]王琳，商周，王学伟．数据采集系统的发展与应用[J]．电测与仪表，2004，41(8)：4-8．[4]周剑平．精通Origin7.0[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．[5]马玉龙，周新花，郑洁修．计算精馏塔理论塔板数和适宜加料板位置的新方法(I)[J]．武汉大学学报，1993，3：97-102．[6]崔正伟，刘硕，田军月．用origin图解法处理精馏实验探讨[J]．化学工程与装备，2010，10：24-25．