Matlab應(yīng)用于化工畢業(yè)設(shè)計(jì)的全過(guò)程計(jì)算

賀楚華 姚 陳 侯三英 史 浪 杜可杰

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

化工畢業(yè)設(shè)計(jì)是化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的實(shí)踐課程，主要內(nèi)容包括技術(shù)路線(xiàn)的選擇、工藝流程設(shè)計(jì)、物料衡算、能量衡算、設(shè)備選型及計(jì)算、安全生產(chǎn)和“三廢”治理方案的制定、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)及相關(guān)圖紙的繪制等[1]?；ぎ厴I(yè)設(shè)計(jì)中的物料衡算、能量衡算一般采用手工計(jì)算，部分學(xué)生計(jì)算采用Aspen P1us、Pro Ⅱ等化工流程模擬軟件計(jì)算。采用手工計(jì)算，計(jì)算工作量大，容易出錯(cuò)，采用化工流程模擬軟件計(jì)算，雖然能快速解決工藝計(jì)算問(wèn)題，但對(duì)學(xué)生掌握化工基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)作用不夠。

Matlab是由美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的數(shù)值、圖形和符號(hào)計(jì)算功能。近幾年來(lái)，在指導(dǎo)學(xué)生化工畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求學(xué)生采用Matlab編程進(jìn)行化工畢業(yè)設(shè)計(jì)的全過(guò)程計(jì)算，取得了較好的教學(xué)效果。

1 物料衡算

物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)最基本、最重要的內(nèi)容之一，通過(guò)物料衡算，求出進(jìn)出各設(shè)備物料量、組成，結(jié)合能量衡算，以確定各設(shè)備的工藝尺寸、設(shè)備選型、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析等，物料衡算依據(jù)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行，其基本表達(dá)式為[2]：

∑F=∑D+A+∑B

(1)

式中：F是進(jìn)入體系的物料質(zhì)量，D是離開(kāi)體系的物料質(zhì)量，A是體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量，B是因跑冒滴漏等原因損失的物料質(zhì)量。

物料衡算一般包括反應(yīng)過(guò)程及分離過(guò)程計(jì)算，分離過(guò)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(jì)算可按文獻(xiàn)[3,4]等方法進(jìn)行。

對(duì)于反應(yīng)過(guò)程，可假設(shè)總收率(針對(duì)某組分)，根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量計(jì)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(zhuǎn)化率、選擇性計(jì)算出反應(yīng)器出料物流的組成、流率。如果已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，則根據(jù)反應(yīng)過(guò)程工藝操作參數(shù)計(jì)算出反應(yīng)器出料物流的組成、流率。

對(duì)于閃蒸過(guò)程，可根據(jù)物料衡算式(M方程)、相平衡關(guān)系式(E方程)、總和方程(S方程)、熱量衡算式(H方程)計(jì)算出氣相、液相的流率、組成。

對(duì)于精餾過(guò)程，先采用簡(jiǎn)捷計(jì)算法(Fenske-Underwood-Gilliland)，以確定理論板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比等參數(shù)，再根據(jù)MESH方程進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算(采用泡點(diǎn)法、同時(shí)收斂法等方法)，以計(jì)算塔頂、塔釜的流率、組成及冷凝器、再沸器的熱負(fù)荷。

對(duì)于吸收、蒸出過(guò)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(jì)算出理論板數(shù)等工藝參數(shù)，再采用根據(jù)MESH方程進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算(采用流率加和法、同時(shí)收斂法等)，以計(jì)算塔頂、塔底的流率、組成。

對(duì)于萃取過(guò)程計(jì)算，可采用集團(tuán)計(jì)算法或等溫流率加和法計(jì)算萃取相、萃余相的流率、組成。

對(duì)于液-液分離過(guò)程，可采用液液平衡式、物料平衡式及總和方程計(jì)算兩相的流率、組成，考慮到兩相分離不徹底，或未完全達(dá)到平衡，可設(shè)置分離效率，計(jì)算出分離后兩相實(shí)際的流率、組成。

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

對(duì)于干燥過(guò)程，可根據(jù)物料平衡式計(jì)算得到產(chǎn)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(guò)能量衡算，確定工藝單元中物料輸送機(jī)械(如泵)和其他操作機(jī)械所需要的功率，確定反應(yīng)、精餾、蒸餾、蒸發(fā)、干燥等各個(gè)單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率。對(duì)于單元設(shè)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(shè)備的熱量，Q2是加熱劑或冷卻劑傳入給設(shè)備和物料的熱量，Q3是過(guò)程的熱效應(yīng)(如反應(yīng)熱等)，Q4是各股物流帶出設(shè)備的熱量，Q5是消耗在設(shè)備上的熱量，Q6是設(shè)備向環(huán)境散失的熱量。

3 設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算、選型

化工設(shè)備種類(lèi)繁多，主要有：(1)分離塔類(lèi)設(shè)備如填料塔、浮閥塔、泡罩塔、轉(zhuǎn)盤(pán)塔等；(2)反應(yīng)器類(lèi)設(shè)備如攪拌釜反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器等；(3)換熱器類(lèi)設(shè)備如管殼式、套管式、螺旋盤(pán)管式、板式、擴(kuò)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(lèi)設(shè)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(qiáng)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(shè)備如軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)等通風(fēng)機(jī)，羅茨鼓風(fēng)機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)等鼓風(fēng)機(jī)，往復(fù)式、螺桿式、活塞式、離心式壓縮機(jī)等壓縮機(jī)，往復(fù)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(shè)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(jì)量泵、齒輪泵、螺桿泵、羅茨泵、液環(huán)泵等容積式泵；(7)過(guò)濾設(shè)備如板框壓濾機(jī)、廂式壓濾機(jī)、轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)、盤(pán)式過(guò)濾器、帶式過(guò)濾器等；(8)干燥設(shè)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(zhuǎn)閃蒸干燥器、回轉(zhuǎn)干燥器、真空干燥器等；(9)固相物料的加料設(shè)備如星形加料器、螺旋給料器等；(10)儲(chǔ)罐如立式儲(chǔ)罐、臥式儲(chǔ)罐、球形儲(chǔ)罐等；(11)離心設(shè)備如三足式離心機(jī)、吊袋離心機(jī)、全自動(dòng)(刮刀卸料)離心機(jī)、臥螺離心機(jī)等；(12)結(jié)晶設(shè)備如冷卻式結(jié)晶器(內(nèi)循環(huán)、外循環(huán))、蒸發(fā)結(jié)晶器、OSLO冷卻結(jié)晶器、真空結(jié)晶器等；(13)旋風(fēng)分離器如CLT/A型旋風(fēng)分離器、XLP型旋風(fēng)分離器和擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器等；(14)旋液分離器。

化工畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生對(duì)工藝過(guò)程的至少一個(gè)主要設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，一般選擇非標(biāo)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，如果整個(gè)工藝設(shè)計(jì)未涉及非標(biāo)設(shè)備，可選擇反應(yīng)釜、換熱器等設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。設(shè)備不同，計(jì)算內(nèi)容各不相同[6,7]。

例如，對(duì)于立式列管式固定床反應(yīng)器，主要計(jì)算反應(yīng)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(yīng)器的附件如支座、氣體分布器、人孔、接管等。

對(duì)于篩板精餾塔，主要計(jì)算最小回流比、最少理論板數(shù)、實(shí)際回流比、理論板數(shù)、實(shí)際板數(shù)、進(jìn)料位置、塔徑、塔高、堰長(zhǎng)、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(kāi)孔數(shù)、氣體通過(guò)篩板壓降、霧沫夾帶量、漏液的驗(yàn)算、液泛的驗(yàn)算、塔板負(fù)荷性能、接管尺寸等。

對(duì)于儲(chǔ)罐選型，主要計(jì)算包括容積、儲(chǔ)罐內(nèi)徑、高度、壁厚、設(shè)備臺(tái)數(shù)等。

對(duì)于壓縮機(jī)選型，主要計(jì)算或確定排氣量、軸功率、電動(dòng)機(jī)功率、用水量、冷卻水消耗量、制冷能力、壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)等。

對(duì)于離心泵選型，主要計(jì)算或確定的參數(shù)包括流量、揚(yáng)程、有效氣汽蝕余量、泵的臺(tái)數(shù)、備用率等 。

對(duì)于真空泵選型，主要計(jì)算或確定的參數(shù)有真空度、抽氣速率、極限真空、抽氣時(shí)間、真空泵臺(tái)數(shù)等。

計(jì)算中涉及到圓整問(wèn)題, 可采用ceil函數(shù)(向上圓整)。例如某設(shè)備的長(zhǎng)度計(jì)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(zhǎng)度計(jì)算值，mm。

L2=ceil(D1/100)*100%長(zhǎng)度圓整值，mm。

運(yùn)行結(jié)果：

L2=2000

涉及到將計(jì)算直徑圓整到公稱(chēng)直徑問(wèn)題，可采用while語(yǔ)句。例如某反應(yīng)釜的筒體直徑計(jì)算值D1=1 350 mm，壓力容器的公稱(chēng)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(chēng)直徑程序如下：

D1=1350;%筒體直徑計(jì)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(chēng)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(chēng)直徑的值，mm。

運(yùn)行結(jié)果：

D=1400

對(duì)于設(shè)備選型，可采用find函數(shù)。例如離心泵的流量為73 m3/h，揚(yáng)程12.0 m，設(shè)有3種離心泵可供選擇：(1)ISW80-160型離心泵的流量(m3/h)-揚(yáng)程(m)為35-35、50-32、65-28，電機(jī)功率7.5 kW。(2) ISW80-100(Ⅰ)型離心泵的流量(m3/h)-揚(yáng)程(m)為70-13.6、100-12.5、130-11，電機(jī)功率5.5 kW。(3)ISW80-125(Ⅰ)型離心泵的流量(m3/h)-揚(yáng)程(m)為70-23.5、100-20、130-14，電機(jī)功率11 kW。選擇合適的離心泵，并確定電機(jī)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(shè)備型號(hào)(以數(shù)字表示)，第2列為流量(m3/h)，第3列為揚(yáng)程(m)，第4列為電機(jī)功率(kW)。

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

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

D=[C(1,1), C(1,4)] %選擇的設(shè)備型號(hào)及電機(jī)功率。

運(yùn)行結(jié)果：

C=2.0000 100.0000 12.5000 5.5000

D=2.0000 5.5000

即選擇的設(shè)備型號(hào)為ISW80-100(Ⅰ)型(以數(shù)字2表示))，電機(jī)功率5.5 kW。

4 管道設(shè)計(jì)計(jì)算

管道的設(shè)計(jì)計(jì)算包括管徑、公稱(chēng)直徑的計(jì)算、管道壓降計(jì)算、管道保溫層厚度計(jì)算、管道的熱變形與熱應(yīng)力計(jì)算。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析包括投資估算、產(chǎn)品生產(chǎn)成本估算、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和不確定性分析。

投資估算由基本建設(shè)投資、流動(dòng)資金、建設(shè)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(jià)法計(jì)算。

產(chǎn)品生產(chǎn)成本估算包括原材料費(fèi)用、燃料費(fèi)用、動(dòng)力費(fèi)用、工人工資及附加費(fèi)、車(chē)間經(jīng)費(fèi)、聯(lián)產(chǎn)、副產(chǎn)品費(fèi)、企業(yè)管理費(fèi)、銷(xiāo)售費(fèi)用。

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)有靜態(tài)分析法、動(dòng)態(tài)分析法，靜態(tài)分析法主要計(jì)算投資回收期、年凈利潤(rùn)等數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析法主要計(jì)算凈現(xiàn)值、凈現(xiàn)值率、內(nèi)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(jì)算盈虧平衡點(diǎn)時(shí)的產(chǎn)量、總銷(xiāo)售收入和敏感度分析計(jì)算。

在物料衡算中如果計(jì)算出最終產(chǎn)品的產(chǎn)量(簡(jiǎn)稱(chēng)計(jì)算產(chǎn)量)與題目要求的產(chǎn)品產(chǎn)量(簡(jiǎn)稱(chēng)目標(biāo)產(chǎn)量)不一致，則以總收率為迭代變量，迭代計(jì)算至計(jì)算產(chǎn)量與目標(biāo)產(chǎn)量之差的絕對(duì)值小于規(guī)定值為止。

有些分離過(guò)程如精餾、吸收、萃取等過(guò)程的嚴(yán)格計(jì)算，變量多，方程復(fù)雜，有些方程是非線(xiàn)性，需要迭代計(jì)算，特別是非理想性較強(qiáng)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(guò)Aspen P1us查詢(xún)或物性估算得到。

涉及到查圖，如史密斯關(guān)聯(lián)圖等，需要將圖中的曲線(xiàn)擬合成公式，再進(jìn)行計(jì)算。

在進(jìn)行設(shè)備選型計(jì)算時(shí)，可預(yù)先建立矩陣，矩陣中各元素為設(shè)備型號(hào)(以數(shù)字表示)、設(shè)備參數(shù)(包括長(zhǎng)、寬、高或直徑)及設(shè)備價(jià)格等，再根據(jù)工藝計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)備選型。

6 結(jié)語(yǔ)

采用Matlab軟件進(jìn)行化工畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果準(zhǔn)確。應(yīng)用編寫(xiě)的程序，更改產(chǎn)品的年產(chǎn)量，能迅速得到不同年產(chǎn)量的計(jì)算結(jié)果，以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，能優(yōu)化工藝參數(shù)。近幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生掌握化工專(zhuān)業(yè)知識(shí)更扎實(shí)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力得到了提高，化工畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量也得到了較大的提升。