Matlab应用于化工毕业设计的全过程计算

2021-01-08贺楚华侯三英杜可杰

化工时刊 2021年4期

贺楚华姚陈侯三英史浪杜可杰

(南华大学化学化工学院，湖南衡阳 421001)

化工毕业设计是化学工程与工艺专业一门重要的实践课程，主要内容包括技术路线的选择、工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、设备选型及计算、安全生产和“三废”治理方案的制定、技术经济评价及相关图纸的绘制等[1]。化工毕业设计中的物料衡算、能量衡算一般采用手工计算，部分学生计算采用Aspen P1us、Pro Ⅱ等化工流程模拟软件计算。采用手工计算，计算工作量大，容易出错，采用化工流程模拟软件计算，虽然能快速解决工艺计算问题，但对学生掌握化工基础知识和专业知识作用不够。

Matlab是由美国MathWorks公司开发的一种以矩阵为基础的交互式程序语言，具有强大的数值、图形和符号计算功能。近几年来，在指导学生化工毕业设计过程中，要求学生采用Matlab编程进行化工毕业设计的全过程计算，取得了较好的教学效果。

1 物料衡算

物料衡算是化工工艺设计最基本、最重要的内容之一，通过物料衡算，求出进出各设备物料量、组成，结合能量衡算，以确定各设备的工艺尺寸、设备选型、经济技术分析等，物料衡算依据质量守恒定律进行，其基本表达式为[2]：

∑F=∑D+A+∑B

(1)

式中：F是进入体系的物料质量，D是离开体系的物料质量，A是体系内积累的物料质量，B是因跑冒滴漏等原因损失的物料质量。

物料衡算一般包括反应过程及分离过程计算，分离过程包括闪蒸、精馏、吸收、蒸出、萃取、液-固分离、气-固分离、液-液分离和干燥等，其计算可按文献[3,4]等方法进行。

对于反应过程，可假设总收率(针对某组分)，根据产品产量计算该组分的投料量，其他原料的投料量按投料比确定，根据转化率、选择性计算出反应器出料物流的组成、流率。如果已知反应动力学方程，则根据反应过程工艺操作参数计算出反应器出料物流的组成、流率。

对于闪蒸过程，可根据物料衡算式(M方程)、相平衡关系式(E方程)、总和方程(S方程)、热量衡算式(H方程)计算出气相、液相的流率、组成。

对于精馏过程，先采用简捷计算法(Fenske-Underwood-Gilliland)，以确定理论板数、进料位置、回流比等参数，再根据MESH方程进行严格计算(采用泡点法、同时收敛法等方法)，以计算塔顶、塔釜的流率、组成及冷凝器、再沸器的热负荷。

对于吸收、蒸出过程，可采用平均吸收(蒸出)因子法或平均有效吸收(蒸出)因子法等方法计算出理论板数等工艺参数，再采用根据MESH方程进行严格计算(采用流率加和法、同时收敛法等)，以计算塔顶、塔底的流率、组成。

对于萃取过程计算，可采用集团计算法或等温流率加和法计算萃取相、萃余相的流率、组成。

对于液-液分离过程，可采用液液平衡式、物料平衡式及总和方程计算两相的流率、组成，考虑到两相分离不彻底，或未完全达到平衡，可设置分离效率，计算出分离后两相实际的流率、组成。

对于固液分离(如过滤或离心)，可根据物料平衡式等计算得到滤饼、母液、洗涤液的流率、组成。

对于干燥过程，可根据物料平衡式计算得到产品、气相及损失物流的流率、组成。

2 能量衡算

能量衡算的基本依据是能量守恒定律，通过能量衡算，确定工艺单元中物料输送机械(如泵)和其他操作机械所需要的功率，确定反应、精馏、蒸馏、蒸发、干燥等各个单元操作中所需要的热量或冷量以及传递速率。对于单元设备的热量衡算，可采用以下方程[2]：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

(2)

式中：Q1是各股物流带入设备的热量，Q2是加热剂或冷却剂传入给设备和物料的热量，Q3是过程的热效应(如反应热等)，Q4是各股物流带出设备的热量，Q5是消耗在设备上的热量，Q6是设备向环境散失的热量。

3 设备设计计算、选型

化工设备种类繁多，主要有：(1)分离塔类设备如填料塔、浮阀塔、泡罩塔、转盘塔等；(2)反应器类设备如搅拌釜反应器、管式反应器、流化床反应器、固定床反应器等；(3)换热器类设备如管壳式、套管式、螺旋盘管式、板式、扩展表面式(板翅式、管翅式)、蓄热式(回旋式、固定格室式)换热器等；(4)蒸发类设备如中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、强制循环蒸发器等循环型蒸发器，以及升膜蒸发器、降膜蒸发器、升-降膜蒸发器、刮板薄膜蒸发器等单程型蒸发器；(5)气体输送设备如轴流风机和离心风机等通风机，罗茨鼓风机、离心鼓风机等鼓风机，往复式、螺杆式、活塞式、离心式压缩机等压缩机，往复式、水环式、液环、旋片、喷射真空泵等真空泵；(6)液体输送设备如离心泵、旋涡泵、混流泵、轴流泵等叶片式泵，以及活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵、齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、液环泵等容积式泵；(7)过滤设备如板框压滤机、厢式压滤机、转鼓真空过滤机、盘式过滤器、带式过滤器等；(8)干燥设备如箱式干燥器、带式干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、旋转闪蒸干燥器、回转干燥器、真空干燥器等；(9)固相物料的加料设备如星形加料器、螺旋给料器等；(10)储罐如立式储罐、卧式储罐、球形储罐等；(11)离心设备如三足式离心机、吊袋离心机、全自动(刮刀卸料)离心机、卧螺离心机等；(12)结晶设备如冷却式结晶器(内循环、外循环)、蒸发结晶器、OSLO冷却结晶器、真空结晶器等；(13)旋风分离器如CLT/A型旋风分离器、XLP型旋风分离器和扩散式旋风分离器等；(14)旋液分离器。

化工毕业设计要求学生对工艺过程的至少一个主要设备进行详细计算，一般选择非标设备进行详细计算，如果整个工艺设计未涉及非标设备，可选择反应釜、换热器等设备进行详细计算。设备不同，计算内容各不相同[6,7]。

例如，对于立式列管式固定床反应器，主要计算反应器的体积、直径、壳体直径、列管数、筒体厚度等工艺尺寸以及反应器的附件如支座、气体分布器、人孔、接管等。

对于筛板精馏塔，主要计算最小回流比、最少理论板数、实际回流比、理论板数、实际板数、进料位置、塔径、塔高、堰长、溢流堰高度、弓形降液管宽度、降液管底隙高度、筛孔的孔心距、开孔数、气体通过筛板压降、雾沫夹带量、漏液的验算、液泛的验算、塔板负荷性能、接管尺寸等。

对于储罐选型，主要计算包括容积、储罐内径、高度、壁厚、设备台数等。

对于压缩机选型，主要计算或确定排气量、轴功率、电动机功率、用水量、冷却水消耗量、制冷能力、压缩机台数等。

对于离心泵选型，主要计算或确定的参数包括流量、扬程、有效气汽蚀余量、泵的台数、备用率等。

对于真空泵选型，主要计算或确定的参数有真空度、抽气速率、极限真空、抽气时间、真空泵台数等。

计算中涉及到圆整问题, 可采用ceil函数(向上圆整)。例如某设备的长度计算值为1 930 mm，将其圆整为100 mm的整数倍，程序如下：

L1=1930%长度计算值，mm。

L2=ceil(D1/100)*100%长度圆整值，mm。

运行结果：

L2=2000

涉及到将计算直径圆整到公称直径问题，可采用while语句。例如某反应釜的筒体直径计算值D1=1 350 mm，压力容器的公称直径(mm)为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，则圆整筒体直径为公称直径程序如下：

D1=1350;%筒体直径计算值，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];% 压力容器的公称直径，mm。

i=0

D2=0

whileD2==0

i=i+1;

ifD1< D0(i)

D2=D0(i);

end

D=D2%筒体直径圆整为公称直径的值，mm。

运行结果：

D=1400

对于设备选型，可采用find函数。例如离心泵的流量为73 m3/h，扬程12.0 m，设有3种离心泵可供选择：(1)ISW80-160型离心泵的流量(m3/h)-扬程(m)为35-35、50-32、65-28，电机功率7.5 kW。(2) ISW80-100(Ⅰ)型离心泵的流量(m3/h)-扬程(m)为70-13.6、100-12.5、130-11，电机功率5.5 kW。(3)ISW80-125(Ⅰ)型离心泵的流量(m3/h)-扬程(m)为70-23.5、100-20、130-14，电机功率11 kW。选择合适的离心泵，并确定电机功率，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]%矩阵A第1列为设备型号(以数字表示)，第2列为流量(m3/h)，第3列为扬程(m)，第4列为电机功率(kW)。

B=A(find(A(:,2)>73&A(:,3)>12.0),:) %流量、扬程大于规定值的设备型号及参数。

C=B(find(min(B(:,1))), :)% 选择的设备型号及参数。

D=[C(1,1), C(1,4)] %选择的设备型号及电机功率。

运行结果：

C=2.0000 100.0000 12.5000 5.5000

D=2.0000 5.5000

即选择的设备型号为ISW80-100(Ⅰ)型(以数字2表示))，电机功率5.5 kW。