Matlab應用于化工畢業(yè)設計的全過程計算

賀楚華 姚 陳 侯三英 史 浪 杜可杰

(南華大學 化學化工學院，湖南 衡陽 421001)

化工畢業(yè)設計是化學工程與工藝專業(yè)一門重要的實踐課程，主要內容包括技術路線的選擇、工藝流程設計、物料衡算、能量衡算、設備選型及計算、安全生產和“三廢”治理方案的制定、技術經(jīng)濟評價及相關圖紙的繪制等[1]?；ぎ厴I(yè)設計中的物料衡算、能量衡算一般采用手工計算，部分學生計算采用Aspen P1us、Pro Ⅱ等化工流程模擬軟件計算。采用手工計算，計算工作量大，容易出錯，采用化工流程模擬軟件計算，雖然能快速解決工藝計算問題，但對學生掌握化工基礎知識和專業(yè)知識作用不夠。

Matlab是由美國MathWorks公司開發(fā)的一種以矩陣為基礎的交互式程序語言，具有強大的數(shù)值、圖形和符號計算功能。近幾年來，在指導學生化工畢業(yè)設計過程中，要求學生采用Matlab編程進行化工畢業(yè)設計的全過程計算，取得了較好的教學效果。

1 物料衡算

物料衡算是化工工藝設計最基本、最重要的內容之一，通過物料衡算，求出進出各設備物料量、組成，結合能量衡算，以確定各設備的工藝尺寸、設備選型、經(jīng)濟技術分析等，物料衡算依據(jù)質量守恒定律進行，其基本表達式為[2]：

∑F=∑D+A+∑B

(1)

式中：F是進入體系的物料質量，D是離開體系的物料質量，A是體系內積累的物料質量，B是因跑冒滴漏等原因損失的物料質量。

物料衡算一般包括反應過程及分離過程計算，分離過程包括閃蒸、精餾、吸收、蒸出、萃取、液-固分離、氣-固分離、液-液分離和干燥等，其計算可按文獻[3,4]等方法進行。

對于反應過程，可假設總收率(針對某組分)，根據(jù)產品產量計算該組分的投料量，其他原料的投料量按投料比確定，根據(jù)轉化率、選擇性計算出反應器出料物流的組成、流率。如果已知反應動力學方程，則根據(jù)反應過程工藝操作參數(shù)計算出反應器出料物流的組成、流率。

對于閃蒸過程，可根據(jù)物料衡算式(M方程)、相平衡關系式(E方程)、總和方程(S方程)、熱量衡算式(H方程)計算出氣相、液相的流率、組成。

對于精餾過程，先采用簡捷計算法(Fenske-Underwood-Gilliland)，以確定理論板數(shù)、進料位置、回流比等參數(shù)，再根據(jù)MESH方程進行嚴格計算(采用泡點法、同時收斂法等方法)，以計算塔頂、塔釜的流率、組成及冷凝器、再沸器的熱負荷。

對于吸收、蒸出過程，可采用平均吸收(蒸出)因子法或平均有效吸收(蒸出)因子法等方法計算出理論板數(shù)等工藝參數(shù)，再采用根據(jù)MESH方程進行嚴格計算(采用流率加和法、同時收斂法等)，以計算塔頂、塔底的流率、組成。

對于萃取過程計算，可采用集團計算法或等溫流率加和法計算萃取相、萃余相的流率、組成。

對于液-液分離過程，可采用液液平衡式、物料平衡式及總和方程計算兩相的流率、組成，考慮到兩相分離不徹底，或未完全達到平衡，可設置分離效率，計算出分離后兩相實際的流率、組成。

對于固液分離(如過濾或離心)，可根據(jù)物料平衡式等計算得到濾餅、母液、洗滌液的流率、組成。

對于干燥過程，可根據(jù)物料平衡式計算得到產品、氣相及損失物流的流率、組成。

2 能量衡算

能量衡算的基本依據(jù)是能量守恒定律，通過能量衡算，確定工藝單元中物料輸送機械(如泵)和其他操作機械所需要的功率，確定反應、精餾、蒸餾、蒸發(fā)、干燥等各個單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率。對于單元設備的熱量衡算，可采用以下方程[2]：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

(2)

式中：Q1是各股物流帶入設備的熱量，Q2是加熱劑或冷卻劑傳入給設備和物料的熱量，Q3是過程的熱效應(如反應熱等)，Q4是各股物流帶出設備的熱量，Q5是消耗在設備上的熱量，Q6是設備向環(huán)境散失的熱量。

3 設備設計計算、選型

化工設備種類繁多，主要有：(1)分離塔類設備如填料塔、浮閥塔、泡罩塔、轉盤塔等；(2)反應器類設備如攪拌釜反應器、管式反應器、流化床反應器、固定床反應器等；(3)換熱器類設備如管殼式、套管式、螺旋盤管式、板式、擴展表面式(板翅式、管翅式)、蓄熱式(回旋式、固定格室式)換熱器等；(4)蒸發(fā)類設備如中央循環(huán)管式蒸發(fā)器、懸筐式蒸發(fā)器、外熱式蒸發(fā)器、強制循環(huán)蒸發(fā)器等循環(huán)型蒸發(fā)器，以及升膜蒸發(fā)器、降膜蒸發(fā)器、升-降膜蒸發(fā)器、刮板薄膜蒸發(fā)器等單程型蒸發(fā)器；(5)氣體輸送設備如軸流風機和離心風機等通風機，羅茨鼓風機、離心鼓風機等鼓風機，往復式、螺桿式、活塞式、離心式壓縮機等壓縮機，往復式、水環(huán)式、液環(huán)、旋片、噴射真空泵等真空泵；(6)液體輸送設備如離心泵、旋渦泵、混流泵、軸流泵等葉片式泵，以及活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、計量泵、齒輪泵、螺桿泵、羅茨泵、液環(huán)泵等容積式泵；(7)過濾設備如板框壓濾機、廂式壓濾機、轉鼓真空過濾機、盤式過濾器、帶式過濾器等；(8)干燥設備如箱式干燥器、帶式干燥器、氣流干燥器、流化床干燥器、旋轉閃蒸干燥器、回轉干燥器、真空干燥器等；(9)固相物料的加料設備如星形加料器、螺旋給料器等；(10)儲罐如立式儲罐、臥式儲罐、球形儲罐等；(11)離心設備如三足式離心機、吊袋離心機、全自動(刮刀卸料)離心機、臥螺離心機等；(12)結晶設備如冷卻式結晶器(內循環(huán)、外循環(huán))、蒸發(fā)結晶器、OSLO冷卻結晶器、真空結晶器等；(13)旋風分離器如CLT/A型旋風分離器、XLP型旋風分離器和擴散式旋風分離器等；(14)旋液分離器。

化工畢業(yè)設計要求學生對工藝過程的至少一個主要設備進行詳細計算，一般選擇非標設備進行詳細計算，如果整個工藝設計未涉及非標設備，可選擇反應釜、換熱器等設備進行詳細計算。設備不同，計算內容各不相同[6,7]。

例如，對于立式列管式固定床反應器，主要計算反應器的體積、直徑、殼體直徑、列管數(shù)、筒體厚度等工藝尺寸以及反應器的附件如支座、氣體分布器、人孔、接管等。

對于篩板精餾塔，主要計算最小回流比、最少理論板數(shù)、實際回流比、理論板數(shù)、實際板數(shù)、進料位置、塔徑、塔高、堰長、溢流堰高度、弓形降液管寬度、降液管底隙高度、篩孔的孔心距、開孔數(shù)、氣體通過篩板壓降、霧沫夾帶量、漏液的驗算、液泛的驗算、塔板負荷性能、接管尺寸等。

對于儲罐選型，主要計算包括容積、儲罐內徑、高度、壁厚、設備臺數(shù)等。

對于壓縮機選型，主要計算或確定排氣量、軸功率、電動機功率、用水量、冷卻水消耗量、制冷能力、壓縮機臺數(shù)等。

對于離心泵選型，主要計算或確定的參數(shù)包括流量、揚程、有效氣汽蝕余量、泵的臺數(shù)、備用率等 。

對于真空泵選型，主要計算或確定的參數(shù)有真空度、抽氣速率、極限真空、抽氣時間、真空泵臺數(shù)等。

計算中涉及到圓整問題, 可采用ceil函數(shù)(向上圓整)。例如某設備的長度計算值為1 930 mm，將其圓整為100 mm的整數(shù)倍，程序如下：

L1=1930%長度計算值，mm。

L2=ceil(D1/100)*100%長度圓整值，mm。

運行結果：

L2=2000

涉及到將計算直徑圓整到公稱直徑問題，可采用while語句。例如某反應釜的筒體直徑計算值D1=1 350 mm，壓力容器的公稱直徑(mm)為300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500等，則圓整筒體直徑為公稱直徑程序如下：

D1=1350;%筒體直徑計算值，mm。

D0=[300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,1 000,1 100,1 200,1 300,1 400,1 500];% 壓力容器的公稱直徑，mm。

i=0

D2=0

whileD2==0

i=i+1;

ifD1< D0(i)

D2=D0(i);

end

end

D=D2%筒體直徑圓整為公稱直徑的值，mm。

運行結果：

D=1400

對于設備選型，可采用find函數(shù)。例如離心泵的流量為73 m3/h，揚程12.0 m，設有3種離心泵可供選擇：(1)ISW80-160型離心泵的流量(m3/h)-揚程(m)為35-35、50-32、65-28，電機功率7.5 kW。(2) ISW80-100(Ⅰ)型離心泵的流量(m3/h)-揚程(m)為70-13.6、100-12.5、130-11，電機功率5.5 kW。(3)ISW80-125(Ⅰ)型離心泵的流量(m3/h)-揚程(m)為70-23.5、100-20、130-14，電機功率11 kW。選擇合適的離心泵，并確定電機功率，程序如下：

A=[1,35,35,7.5;1,50,32,7.5;1,65,28,7.5;2,70,13.6,5.5;2,100,12.5,5.5;2,130,11,5.5;3,70,13.6,11;3,100,20,11;3,130,14,11]%矩陣A第1列為設備型號(以數(shù)字表示)，第2列為流量(m3/h)，第3列為揚程(m)，第4列為電機功率(kW)。

B=A(find(A(:,2)>73&A(:,3)>12.0),:) %流量、揚程大于規(guī)定值的設備型號及參數(shù)。

C=B(find(min(B(:,1))), :)% 選擇的設備型號及參數(shù)。

D=[C(1,1), C(1,4)] %選擇的設備型號及電機功率。

運行結果：

C=2.0000 100.0000 12.5000 5.5000

D=2.0000 5.5000

即選擇的設備型號為ISW80-100(Ⅰ)型(以數(shù)字2表示))，電機功率5.5 kW。

4 管道設計計算

管道的設計計算包括管徑、公稱直徑的計算、管道壓降計算、管道保溫層厚度計算、管道的熱變形與熱應力計算。

5 技術經(jīng)濟分析

技術經(jīng)濟分析包括投資估算、產品生產成本估算、經(jīng)濟評價和不確定性分析。

投資估算由基本建設投資、流動資金、建設期貸款利息組成，工藝裝置(工藝界區(qū))投資估算可采用規(guī)模指數(shù)法或單價法計算。

產品生產成本估算包括原材料費用、燃料費用、動力費用、工人工資及附加費、車間經(jīng)費、聯(lián)產、副產品費、企業(yè)管理費、銷售費用。

經(jīng)濟評價有靜態(tài)分析法、動態(tài)分析法，靜態(tài)分析法主要計算投資回收期、年凈利潤等數(shù)據(jù)，動態(tài)分析法主要計算凈現(xiàn)值、凈現(xiàn)值率、內部收益率等數(shù)據(jù)。

不確定性分析包括盈虧平衡分析和敏感度分析，主要計算盈虧平衡點時的產量、總銷售收入和敏感度分析計算。

在物料衡算中如果計算出最終產品的產量(簡稱計算產量)與題目要求的產品產量(簡稱目標產量)不一致，則以總收率為迭代變量，迭代計算至計算產量與目標產量之差的絕對值小于規(guī)定值為止。

有些分離過程如精餾、吸收、萃取等過程的嚴格計算，變量多，方程復雜，有些方程是非線性，需要迭代計算，特別是非理想性較強的物系，需要有較高的收斂技巧。

有些參數(shù)如比熱容、活度系數(shù)方程參數(shù)等很難查到，可通過Aspen P1us查詢或物性估算得到。

涉及到查圖，如史密斯關聯(lián)圖等，需要將圖中的曲線擬合成公式，再進行計算。

在進行設備選型計算時，可預先建立矩陣，矩陣中各元素為設備型號(以數(shù)字表示)、設備參數(shù)(包括長、寬、高或直徑)及設備價格等，再根據(jù)工藝計算的結果進行設備選型。

6 結語

采用Matlab軟件進行化工畢業(yè)設計計算，結果準確。應用編寫的程序，更改產品的年產量，能迅速得到不同年產量的計算結果，以經(jīng)濟效益為目標，能優(yōu)化工藝參數(shù)。近幾年的教學實踐表明，學生掌握化工專業(yè)知識更扎實，計算機的應用能力及解決復雜工程問題的能力得到了提高，化工畢業(yè)設計的質量也得到了較大的提升。