C語言在化工分離工程教學中的應用*

畢秋艷，馬 麗

(青海大學化工學院，青海 西寧 810016)

分離工程貫穿于化工生產的全過程，涉及到設計、建造、生產、儲運、分離等化工過程全生命周期的各個環節，廣泛應用于醫藥、材料、冶金、食品、生化、原子能與環境治理等領域。化工分離工程是一個覆蓋面極廣的綜合交叉學科，是理論性、實踐性和探索性很強的一門課程。其具有綜合性強、內容廣泛、工程應用背景強、計算過程復雜、多采用計算機編程求解等特點。如果只采用課堂教學的形式，難以將分離過程的工藝設計和平衡計算講解透徹，這也就將不利于實現課程教學與工程實際的緊密聯系，不能很好的適應現代化工技術的迅猛發展[1]。計算機輔助結合實踐教學則是加深、鞏固理論知識的有效途徑，是培養學生創新能力、科學思維方法、研究科學問題能力、處理工程問題能力以及提高學生綜合素質的載體。將理論知識結合計算機軟件輔助模擬計算，掌握、了解實際化工分析與分離過程、提純技術理論的轉化與應用，強化了學生將化工分離工程所學理論在實際化工生產中的應用，對化工技術的進步與發展起著至關重要的作用。

C語言是一門面向過程、抽象化的通用程序設計結構化語言，它有著清晰的層次，可按照模塊的方式對程序進行編寫，程序調試方便，且相較于其它編程語言其兼顧了高級匯編語言的優點，這使得C語言的處理能力和表現能力都具有較大優勢[2]。化工分離工程課程中單級平衡蒸餾、液液平衡、多組分相平衡計算和多組分多級分離的嚴格計算公式多且復雜，而且變量之間的關系往往是非線性的，經常需要進行迭代計算，手算很難完成[3]。這時可以通過C語言模塊程序編寫簡捷、快速的完成計算過程。平衡分離過程的計算既是教學的重點，也是教學的難點，本文以平衡分離過程的計算為例介紹C語言在化工分離工程教學中的應用。

1 等溫閃蒸過程及計算原理

1.1 等溫閃蒸

閃蒸是連續單平衡級的蒸餾過程，等溫閃蒸計算是求解在一定的溫度和壓力下，混合物分相后汽液兩相的組成和數量[4]。

1.2 計算原理

閃蒸過程如圖所示, 流率為F(kmol/h)、組成為zi(摩爾分數)的混合物經換熱器進入汽液分離罐, 在罐中經閃蒸分離出互成平衡的汽液兩相。汽相流率為V，組成為yi； 液相流率為L，組成為xi。閃蒸過程中壓力為P, 溫度為T。

計算示例：組成為60%(mol)苯，25%甲苯和15%對二甲苯的100 kmol/h的液體混合物，在101.325 kPa和100 ℃下閃蒸。通過C語言程序模塊編寫計算液相和汽相產物的流率和組成。假設物系為理想溶液。用安托尼方程計算蒸汽壓。

圖1 計算示例附圖

假設系統中存在C個組分，由每個組分的物料衡算可知：

Fzi=Lxi+VKixii=1,2,…c

(1)

(2)

又因為：L=F-V

(3)

(4)

(5)

(6)

ψ的取值范圍在0到1.0之間

(7)

(8)

(9)

Rachford-Rice方程：

(10)

牛頓迭代法計算方程：

(11)

導數方程：

(12)

2 計算程序與結果

2.1 計算程序

源程序代碼如下：

#include "stdarg.h"

#include"math.h"

#include "stdio.h"

#define T (100+273.15)//溫度定義，攝氏度轉換開爾文//

static double Z[3]={0.60,0.25,0.15},K[3];/各組分組成定義//

int main()//主函數//

{int i,now;

double p[3];

double f,f1,x,y,a,b,s,e;

double V,F,L,PO;

static double l[3]={20.7936,20.9065,20.9891},//安托尼方程中的常數A//

m[3]={2788.51,3096.52,3346.65},//安托尼方程中的常數B//

n[3]={52.36,53.67,57.84};//安托尼方程中的常數C//

//clrscr();

PO=101.3; //大氣壓//

printf("各組分的相平衡常數如下： ");

for(i=0;i<3;i++)

{p[i]=exp(l[i]-(m[i]/(T-n[i])));

K[i]=(p[i]/PO)/1000;

printf("K%d=%f ",i+1,K[i]);

} /*s,f,f1*/

printf(" 請輸入汽化分率初值");

scanf("%lf",&s);

printf("請輸入迭代精度");

scanf("%lf",&e);

{x=Z[i]/(1.0+s*(K[i]-1.0));//液相組成計算//

y=K[i]*Z[i]/(1.0+s*(K[i]-1.0));//汽相組成計算//

//printf("x=%f,y=%f ",x,y);

}

printf("迭代計算如下： ");//牛頓迭代計算//

F=100.00;now=1;

do {

printf("第%d迭代次數 ",now);

f=0.0;

printf("s=%lf ",s);

for(i=0;i<3;i++)

{

a=Z[i]*(K[i]-1.0);

b=1.0+s*(K[i]-1.0);

f+=a/b;

}

printf("f=%lf ",f);

f1=0.0;

for(i=0;i<3;i++)

{

x=(K[i]-1.0)*(K[i]-1.0)*Z[i];

y=(1.0+s*(K[i]-1.0))*(1.0+s*(K[i]-1.0));

f1+=x/y;

}

printf("f1=%lf ",f1);

s+=fabs(f)/fabs(f1);

printf("s=%lf ",s);

now++;

}

while(fabs(f)>e);

printf("當前汽化分率已滿足p-k-T的精確度，迭代結束. 各組分的汽相液相組成如下： ");//滿足迭代精度，即可結束迭代//

/*V,L,F,x,y*/

for(i=0;i<3;i++)

{

x=Z[i]/(1.0+s*(K[i]-1.0));

y=K[i]*Z[i]/(1.0+s*(K[i]-1.0));

printf("x%d=%f,y%d=%f ",i+1,x,i+1,y);

}

V=s*F;

printf("V=%fkmol ",V);

L=F-V;

printf("L=%fkmol ",L);//輸出結果//

return 0;

}

/*int main(int argc, char* argv[])

{

printf("Hello World! ");

return 0;

}*/

2.2 計算結果

圖2 運行結果圖

將上述程序輸入到VC++中，輸入進料條件、溫度、汽化分率初值及迭代精度后，運行結果如圖2所示。

通過C語言編寫的模塊程序對等溫閃蒸過程的計算可以看出：該計算程序模塊中用的牛頓迭代算法，收斂速度較一般的插值計算快，該程序模塊通用性強，在解決閃蒸問題的過程中，只需要輸入已知的參數便可以快速迭代(本例僅需迭代3次)計算得出相應的平衡汽液相組成，且計算結果精準，滿足迭代精度。

3 結 語

化工分離工程是一門不斷發展的應用學科，我們可以通過將化工模擬軟件和面向過程、抽象化的通用程序設計語言應用在課堂教學之中，不但有助于提高學生的學習興趣、加強學生對理論知識的理解和應用，同時能夠使課程教學與實際工程問題有機地結合，加強化工分離工程的實踐教學，提高學生分析和解決實際工程問題的能力，對于培養化工類學生的工程思維能力起著重要的作用。