AutoCAD图解法求精馏塔理论塔板数

易 , 用户输入相关数据后 , 立即获 得图解结果 . 经实例验证 , 该法计算精度接近逐板计算法 .
关键词 : A utoCAD; V isua l L isp 程序; 精馏塔; 理论塔板数 中图分类号 : TP311 文献标识码 : B
0 引
言
[ 1]
经典的精馏塔理论塔板数求法有逐板计算法、 图解法两种
AutoCAD 图解法求精馏塔理论塔板数
刘爱科 , 陈亚军
( 1 西华师范大学应用化学研究所 , 四川 南充 637002 ; 1 , 2 2 637002 ) 2 西华师范大学计算机学院 , 四川 南充
摘
要 : 讨论了用 A utoCAD 图解法求精馏 塔理论 塔板数, 并给 出了 V isua l L isp 程序. 对话 框的引 入, 使操 作更容
3 计算实例
例 1 连续精馏分离含苯 0. 44(摩尔分数, 下同 ) 的苯 - 甲苯二元混合液 , 要求塔顶馏出液含苯 0 . 934 , 塔釜残留液含苯 0 . 023 5 , 已知进料为泡点液体, 相对挥发度为 2 . 46 , 回流比为 2 . 125 . 求全塔理论塔板数和 [ 1] 加料板位置 . 苯 - 甲苯在一标准大气压下的气液平衡数据见图 1( 为与逐板计算法进行精度比较 , 该数据
[ 1]
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5 结
论
经典的精馏塔理论塔板数求法有逐板计算法和图解法, 在实际应用中这两种方法都有较大的缺陷. 本文 讨论了利用 AutoCAD 内置算法生成平衡曲线求精馏塔理论塔板数的方法, 该方法避免了编写函数拟和程 序 , 原理简单、 拟和精度高 , 从而保证了图解法计算结果的准确性, 既适用于理想物系也适用于非理想物系. 本程序提供了自动图解过程 , 方便快捷. 但对初级用户, 亦可利用 AutoCAD 的辅助绘图功能手工完成图解过 程. AutoCAD 图解法不仅计算精度接近逐板计算法, 而且该法概念清晰, 结果直观 , 特别适合于教学. 此外, 基于 AutoCAD 的图解法同样适用于精馏塔最小回流比的求解 . ( 下转第 294 页 )
第 29卷 Vo l 29
第 3期 No 3
西华 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Ch in aW est N or m a lU niversity ( Natura l Sciences)
2008 年 9 月 Sep 2008
文章编号 : 1673 5072( 2008) 03 0288 03
1 原理与步骤
1 . 1 有关方程 方程 ( 1) 为气液相平衡方程 , 由多组气液平衡点数据拟和而成. 对非理想物系 , 很难用简单的函数来表 达气液平衡关系 . AutoCAD 图解法求解过程中 , 基于塔顶全冷凝假设可得第一层塔板上升的蒸气组成 y 1 与 塔顶回流液组成 x d 相同 . 将 y 1 代入方程 ( 1 ) 可求得第一层塔板上下降液体组成 x 1. 将 x 1 代入 ( 2 )式 ( 精馏段 操作线方程 ) 求得第二层塔板上升的蒸气组成 y 2. 依次类推向下计算, 直到第 n 层板上液相组成小于等于进 料板液相组成为止, 即 xn x f . 第 n 块板即为最佳进料板 . 跨过进料板 , 操作关系改为 ( 3 ) 式 ( 提馏段操作线 方程 ). 由提馏段第一层塔板上液相组成与精馏段第 n 层塔板的液相组成相等得: x 1 = x n. 与精馏段计算方 法类似 , 由方程 ( 3) 、 方程 ( 1 ) 依次向下计算, 直到 x m x w 为止. 所以 , 完成分离任务, 精馏塔所需理论塔板 数为 n + m - 1 (含塔釜 ) . y = f (x ). y n+ 1 = R 1 x + x. R+ 1 n R + 1 d
第 29 卷第 3 期
刘爱科 , 等 : AutoCAD 图解法求精馏塔理论塔板数
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开始绘制梯级 (如图 2 所示 ) , 代替交替使用平衡线与操作线方程的求解过程 , 由于 AutoCAD 的图元由计算 产生, 所以图解过程即是逐板计算过程, 所以该过程能达到逐板计算法相同的精度. 梯级的绘制首先在精馏段操作线与平衡线之间进行 , 当梯级跨过两操作线的交点时, 改在平衡线与提馏 段操作线间绘梯级, 直到某板的液相组成 xm < xw 为止. 梯级总数即为所求理论塔板数 , 跨过两操作线交点的 塔板即为最佳进料板
m [ 1]
( 1) ( 2) q n, W xw . qn, L + ! qn, F - qn, W ( 3) ( 4)
qn, L + ! qn, F x q n, L + ! qn, F - qn, W xf y= x. - 1 - 1 1 . 2 AutoCAD 图解法步骤 y m+ 1=
首先利用两点法 , 依次绘制精馏段操作线、 进料热状况参考线、 提馏段操作线. 由于 AutoCAD 绘图的精 确性, 可直接取点 ( xw , xw ) 做为提馏段操作线的下端点 . 然后运用样条曲线拟和气液平衡点得气液平衡曲 线
[ 1]
.
2 V isual L isp程序
上文给出了 AutoCAD 图解法的原理与求解步骤 . 基于以上原理与步骤, 利用 V isua l L isp 语言开发了求 解程序与 DCL对话框 . 程序主要代码如下 ( de fun CADT JF ( ) ( v l- load- com ) ( setvar " osmode" 0) ( comm and " erase" " all" " " ) ( comm and " rectangle" (' 0 0) (' 1 1) ) ( ZuoB iao) ; ; 函数 ZuoB iao 完成参考坐标纸的 绘制 ( setq dcl _ id ( load _ dia lo g " E: /P aper/CAD. DCL " ) ) ( if ( < dcl_ id 0) ( ex it) ) ( if ( not ( new _d ialog " cadtjf" dc l_id ) ) ( ex it) ) ( action_tile " accept" " ( data_set) " ) ( start_dia lo g) ( unload_dialog dcl_id) ( draw _CZX) ( draw _T iJI) ) ; ; ; 函数 data_se 从对话框获取数据 , 赋值给全 局变量 ( defun data_set( ) ( setq HG _xf ( atof ( get_tile " x f" ) ) ) ; ; 从对话框获得进料摩尔分率, 其它数据可类 似获得。 ) ; ; ; 函数 draw _CZX 获取数据 , 绘制操作线与平 衡线 ( defun draw _CZX ( ) ( comm and " sp line " ( list x1 y1) ( list x2 y2) ( list x3 y3 ) ( list x4 y4) ( list x5 y5) ( list x6 y6) ( list x7 y7) ( lis t x8 y8) ( list x9 y9) " " " " " " ) " ") ( setq drNumber ( + 1 dr N um ber) ) ( comm and " tex t" ( list ( - dr X 0 . 02) ( + dr Y 0 . 02) ) 0. 02 0 drNumber) ( if ( and ( < = drX ( car pp6) ) ( = key 1) ) ( setq drL in e1 drL in e2 key 0) )) ) ; ; ; 函数 JiaoD ian 用于求两曲线的交点 ( defun JiaoD ian( ) ; ; 为篇幅所限, 此部分读者可自行补充 ) " ") ( setq drZ drX) ( comm and " line" ( list 0 drY ) ( list 1 dr Y ) " ") ( setq drX ( car ( JiaoD ia n BalanceL in e ( ent la st) ) ) ) ( comm and " erase" ( entlast) " " ) ( comm and " lin e" ( list drZ drY) ( list drX drY ) ( setq Ba lanceL in e ( entlast) ) ; ; 以下代码绘制精馏段操 作线, 馏段操作线方程。 ) 线方程 , 提
; ; ; 函数 draw _T iJi绘制梯级求解理论塔板数 ( defun draw _T iJi( ) ( setqdr Y HG _xd dr X HG _xd dr N um ber 0 key 1) ( w hile ( > dr X HG _xw ) ( setq drZ drY) ( comm and " line" ( list drX 0) ( list dr X 1) " " ) ( setq dr Y ( cadr ( JiaoD ian drL ine1 ( en tlast) ) ) ) ( comm and " erase" ( entlast) " " ) ( comm and " lin e" ( list drX drZ) ( list drX drY )
4 程序说明及结果讨论
( 1) 该程序提供了数据对话框, 使操作 变得更容易. 该对话框 使用基于 AutoCAD 的 对话框控制语言 DCL 编写 . 程序运用 AutoCAD 内置的非均匀有理 B 样条算法拟和这些平衡数据点而绘制出的气液平衡曲 线
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, 避免了编写拟和函数, 拟和精度高. 在此基础上进行梯级图解 , 精度能接近逐板计算法 . [ 4] ( 2) 基于原理与步骤可手工绘图完成求解 . 手工绘图过程中运用 AutoCAD 辅助 功能, 如: # 正交 ∀、
290 由苯 - 甲苯的气液平衡方程 y =
西华师范大学学报 ( 自然科学版 )
2008年
2 46x 计算获得 ). 1+ ( 2 46- 1 )x 将完整的程序以 ∀ 1sp ∀为后缀保存在 D 盘根 目录下, 在 AutoCAD 命令窗 口输入命令 : ( load # d : /* .
lsp∀ ) , 弹出对话框 ( 见图 1) , 输入数据后确定, 立即获得图解结果 ( 见图 2). 全塔共需 12 块理论塔板, 进料 板位置为自塔顶向下第 5块理论板, 该结果与逐板计算法一致 .
# 自动捕捉 ∀、 # 极轴追踪 ∀能使绘图更快捷、 准确 . 而运用程序自动求解过程中 , 因图形几何关系由计算所得, 辅助功能不仅无益, 反而会干扰自动绘图 , 程序中添加了相关语句关闭辅助功能 . ( 3) 图 2 上梯级与平衡线的交点代表各理论板上气液相平衡数据. 与逐板计算法结果 比较, 气液平衡 数据误差随理论塔板数增大有变大的趋势 , 误差最大处在第 12 块理论板, 该误差仅为 ( 0 . 002 5 , 0. 002 7). 该误差由曲线拟和过程产生, 并随参与拟和的气液平衡数据的增多而减小. 可见 , 该法大大提高了手工图解 法的准确度 . 例 1 为理想物系的实例 . 通过实例验证 , 该法对逐板计算法无法处理的非理想物系亦适用.
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, 由于 AutoCAD 内置了非均匀有理 B 样条算法
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, 可以避免编写拟和函数 . 最后自精馏段操作线上端点
收稿日期 : 2008- 04- 20 作者简介 : 刘爱科 ( 1980- ), 男 , 湖南常德人 , 西华师范大学化学化工学院助教 , 硕士研究生 , 主要 从事化工仿 真教学与 研究工作 .
. 逐板计算法计算量大, 通常需要编写程序
拟和气液相平衡曲线 , 难度较大 ; 而利用图板、 铅笔的传统作图法, 很难满足工程设计的精度要求, 而且可重 现性差 . 随着 AutoCAD 应用于化工制图的普及, 本文讨论了利用 AutoCAD 图解法求精馏塔理论塔板数的方 法 , 并给出了 V isual L isp 程序 .