基于OriginLabTalk的精餾塔理論塔板數(shù)計算

1、基于Origin LabTalk 的精餾塔理論塔板數(shù)計算張巍青 余 靜 張宜飛 趙 強 趙媛媛化學與化工學院指導教師：于 濤化學與化工學院摘 要：開發(fā)了一種使用Origin軟件對精餾實驗數(shù)據(jù)進行圖解法處理的方法，以苯甲苯混合液實驗體系為例，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，通過LabTalk腳本語言繪制出梯級圖，以圖解法分別求解出實驗所需理論塔板數(shù)和加料板位置。結(jié)果表明該方法具有方便、快捷、準確性高的特點，并且可以有效提高學生的計算機數(shù)據(jù)處理能力。關(guān)鍵詞：精餾實驗；精餾計算；圖解法；Origin軟件前 言精餾是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的傳質(zhì)單元操作，利用液體混合物中各組分間揮發(fā)度的差異，以熱能為媒介，實現(xiàn)混合物的

2、高純度分離，廣泛應用于石油、化工、輕工、食品、冶金等行業(yè)。因此，精餾實驗也是化工原理實驗中最重要的實驗之一，在計算精餾塔理論板數(shù)時，一般采用逐板計算法（LewisMathson法）或圖解法（McCabeThiele法）1。其中逐板計算法以雙組分精餾的平衡線方程和操作線方程為基礎(chǔ)，在計算過程中交替使用這兩個方程求算塔內(nèi)氣液相組成，從而確定精餾所需理論板數(shù)。圖解法的基本原理與逐板計算法完全相同，只是分別用相平衡曲線和操作線代替了逐板計算法中的相平衡方程和操作線方程，并用畫直角梯形線的方法代替了繁雜的計算。圖解法的優(yōu)點在于簡便和直觀，但準確性和可靠性也相對較差。而借助計算機軟件輔助進行數(shù)據(jù)與圖形處理

3、，不僅可以減少人為誤差、提高效率和精確度，還可有效地鍛煉學生計算機應用能力，培養(yǎng)其科學研究素養(yǎng)2-3。Origin是美國OriginLab公司開發(fā)的一種圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件，具有強大的數(shù)據(jù)分析和繪圖功能4。本文利用Origin7.0軟件的LabTalk腳本語言，開發(fā)出一種二元精餾塔理論塔板數(shù)的計算方法。1. 材料與方法1.1 Origin LabTalkOrigin除了提供使用方便的圖框、工具之外，還提供了編程語言，便于用戶進行自定義操作，這種編程語言就是LabTalk。LabTalk是一種功能完整的編程語言，它能夠?qū)崿F(xiàn)Origin軟件中的所有操作，其語法結(jié)構(gòu)類似于C語言，但又不完全相同。

4、LabTalk還包含了帶有功能選擇和參數(shù)的DOS類型命令，并具有和VB相似的對象屬性和方法4。另外LabTalk可以自定義對象，從而增加了靈活性，令用戶在使用Origin時更加自由。1.2 計算流程給定xD、xW、xF、R、q定義函數(shù)庫擬合氣液平衡數(shù)據(jù)，繪制平衡曲線調(diào)整坐標軸范圍，繪制對角線、參考線繪制精餾操作線、q線、提餾操作線繪制精餾段梯級線結(jié)果顯示if (xaxD)繪制提餾段梯級線if (xbxW)NoNoYesYes圖1 LabTalk圖解法計算精餾塔理論板數(shù)流程圖1.3 LabTalk腳本程序/定義函數(shù)庫void Plot_Data(string strTemplate, strin

5、g strData)GraphPage graph;BOOL bOK=graph.Create(strTemplate,CREATE_VISIBLE);if(!bOK) return;GraphLayer grlay=graph.Layers(0);Curve cv(strData);int nPlot=grlay.AddPlot(cv);if(nPlot=0)grlay.DataPlots(nPlot); grlay.Rescale();double CPx(double a1, double b1, double a2, double b2) return (b2-b1)/(a1-a2);

6、double CPy(double a1, double b1, double a2, double b2)return (a1*b2-a2*b1)/(a1-a2);/參數(shù)賦值xF=cell(2,3); xD=cell(5,3); xW=cell(8,3); R=cell(11,3); q=cell(14,3); /繪制氣液平衡曲線Plot_Data(Line,Data2_b);/調(diào)整坐標軸范圍，繪制對角線、參考線X1=0; X2=1; Y1=0; Y2=1;draw l 0,0,1,1; draw l xD,xD,xD,0; draw l xF,xF,xF,0; draw l xW,xW,x

7、W,0;/繪制精餾操作線、q線、提餾操作線k1=R/(R+1);b1=xD/(R+1); Draw -l 0,b1,xD,xD;kq=q/(q-1); bq= xF-kq*xF; Draw l xF,xF,0,bq;k2=(cpy(k1,b1,kq,bq)-xW)/(cpx(k1,b1,kq,bq)-xW);b2=xW*(1-k2); Draw l xW,xW,cpx(k1,b1,kq,bq),cpy(k1,b1,kq,bq);/確定d點橫坐標，繪制參考線xd= cpx(k1,b1,kq,bq); Draw -l cpx(k1,b1,kq,bq),0,cpx(k1,b1,kq,bq),cpy(

8、k1,b1,kq,bq);/繪制梯級線（i、j分別為總理論板數(shù)、進料板層數(shù)）xa=xD; ya=xD;for(i=1;i+)xb=Data1_b(ya);if (xaxd)Draw l xa,ya,xb,ya; yb=k1*xb+b1;Draw l xb,ya,xb,yb; xa=xb; ya=yb; j=i;if (xaxW)Draw l xa,ya,xb,ya; yb=k2*xb+b2;if (xbxW) break;Draw l xb,ya,xb,yb; xa=xb; ya=yb;/結(jié)果顯示type-b 理論板層數(shù)為$(i)，自塔頂往下第$(j)層為加料板;2. 問題示例對于一常壓操作的

9、連續(xù)精餾塔，分離含苯為0.44（摩爾分數(shù)，下同）的苯-甲苯混合液，其氣液平衡數(shù)據(jù)如表1所示，要求塔頂產(chǎn)品中含苯不低于0.975，塔底產(chǎn)品中含苯不高于0.0235，操作回流比為3.5，原料液化率為1/3，試確定理論板層數(shù)和加料板位置1。將混合液氣液平衡數(shù)據(jù)、回流比、進料q值以及苯在原料液、餾出液、釜殘液中的摩爾分數(shù)等參數(shù)輸入軟件，執(zhí)行LabTalk腳本程序，所繪出的梯級圖如圖2所示。由圖可知，理論板層數(shù)為14塊(包括再沸器)，自塔頂往下第7層為加料板。如果采用手工繪制，則由于在繪制曲線和折線時的不標準和不規(guī)范，得到的理論板數(shù)和加料板位置可能會不準確。若應用于工業(yè)生產(chǎn)，會降低精餾塔的分離效率，增加

10、精餾過程的能耗5。表1 苯-甲苯混合液氣液平衡數(shù)據(jù)液相中苯的摩爾分數(shù)x00.130.2580.4120.5810.781氣相中苯的摩爾分數(shù)y00.2620.4560.6330.7770.91圖2 LabTalk圖解法計算精餾塔理論板數(shù)梯級圖3. 結(jié)論(1)Origin軟件用于圖解法繪制精餾實驗梯級圖，只需要將格式化后的數(shù)據(jù)輸入軟件，經(jīng)過LabTalk腳本語言的處理，即可得到專業(yè)的梯級圖，且避免了手工在坐標紙上繪制時所產(chǎn)生的誤差。在此基礎(chǔ)上，用戶還可以根據(jù)自己的需要，利用Origin強大的作圖功能，對圖像進行一定的處理，使之更加美觀。 (2)在繪制梯級線時，采用插值法讓軟件自動定位梯級線與平衡線交點坐標，與使用Screen Reader工具來手工確定梯級點的方法6相比，更為精確，從而進一步保證了所繪制梯級線的準確度。(3)本方法可以使學生從繁雜的數(shù)據(jù)計算和手工繪圖作業(yè)中解放出來，專注于對精餾實驗原理的掌握和結(jié)果的分析討論，有利于達到更好的實驗教學效果。同時還可有效鍛煉學生的計算機應用能力，提高學生的學習興趣和效率。參考文獻1陳常貴，柴誠敬，姚玉英.化工原理（下冊）M.天津：天津大學出版社.20042曹靚妹，李文新，許附多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計及其在測試中的應用J工業(yè)控制計算機，2006，19(3)：29-303王琳，商周，王學偉數(shù)據(jù)采集系