基于Origin LabTalk 的精馏塔理论塔板数计算

基于Origin LabT alk 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

1.1Origin LabTalk

Origin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1 LabTalk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

void Plot_Data(string strTemplate, string strData)

{GraphPage graph;

BOOL bOK=graph.Create(strTemplate,CREA TE_VISIBLE);

if(!bOK) return;

GraphLayer grlay=yers(0);

Curve cv(strData);

int nPlot=grlay.AddPlot(cv);

if(nPlot>=0)

{grlay.DataPlots(nPlot); grlay.Rescale();}

double CPx(double a1, double b1, double a2, double b2)

{return (b2-b1)/(a1-a2);}

double CPy(double a1, double b1, double a2, double b2)

{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 (xa>xd)

{Draw –l {xa,ya,xb,ya}; yb=k1*xb+b1;

Draw –l {xb,ya,xb,yb}; xa=xb; ya=yb; j=i;

if (xa

{yb=k2*xb+b2; Draw –l {xb,ya,xb,yb}; ya=yb;} }

else if (xa>xW)

{Draw –l {xa,ya,xb,ya}; yb=k2*xb+b2;

if (xb

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