CHEMCAD在化工原理課程設(shè)計中的應(yīng)用－化工數(shù)據(jù)獲取

李 芳，張翠歌，唐定興

（安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖241000）

CHEMCAD在化工原理課程設(shè)計中的應(yīng)用－化工數(shù)據(jù)獲取

李 芳，張翠歌，唐定興

（安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖241000）

化工數(shù)據(jù)獲取是化工原理課程設(shè)計進(jìn)行計算的關(guān)鍵。介紹了流程模擬軟件CHEMCAD獲取汽液平衡數(shù)據(jù)及黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等物性數(shù)據(jù)的詳細(xì)過程；通過運(yùn)用CHEMCAD，可以提高設(shè)計效率和質(zhì)量，同時也能拓寬教師的選題范圍，有利于教學(xué)與實踐的結(jié)合。

課程設(shè)計；CHEMCAD；化工數(shù)據(jù)

0 引言

化工原理課程設(shè)計是學(xué)生在學(xué)完化工原理課程的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容后所安排的教學(xué)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計在提升化工原理教學(xué)質(zhì)量中具有重要的作用，可以加深學(xué)生對“三傳理論”和單元操作的理解能力，提高學(xué)生的工程設(shè)計能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力［1，2］?；ゎ悓W(xué)生在化工原理課程設(shè)計需要進(jìn)行物料衡算、能量衡算等基本計算，計算過程往往需要很多物性數(shù)據(jù)，學(xué)生一般要花費(fèi)相當(dāng)多的時間也不一定能得到，一方面是由于圖書資料的有限性，另一方面有的數(shù)據(jù)即使查到但由于不是要求的溫度下或者壓力下，對于大多數(shù)學(xué)生來說進(jìn)行數(shù)據(jù)估算比較困難。因此，一部分學(xué)生查不到數(shù)據(jù)而產(chǎn)生畏難的情緒最后采取編造數(shù)據(jù)、抄襲同學(xué)、網(wǎng)上下載等方式應(yīng)付課程設(shè)計，導(dǎo)致課程設(shè)計質(zhì)量的低下。化工數(shù)據(jù)難查也直接導(dǎo)致了教師選題范圍受限制，使實踐教學(xué)遠(yuǎn)離工程實際。因此，我們一直在思考怎么改變這種現(xiàn)狀，利用有限的資源充分調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮該環(huán)節(jié)的作用。

化工流程模擬軟件出現(xiàn)于上世紀(jì)50年代末現(xiàn)已成為進(jìn)行化工過程設(shè)計的強(qiáng)大工具。這類軟件包含強(qiáng)大的熱力學(xué)和單元操作模塊，并配有龐大的物性數(shù)據(jù)庫，既可進(jìn)行單個的設(shè)備計算，也可計算整個化工生產(chǎn)流程。目前應(yīng)用最廣的化工流程模擬軟件有ASPEN技術(shù)公司的ASPE PLUS和HYSYS、SimSci公司的PRO／II和CHEMSTATIONS公司的CHEMCAD［3］。在發(fā)達(dá)國家，至少在十年前就將這類軟件普遍用于本科生的教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)化工原理、化工熱力學(xué)、分離工程和化工設(shè)計課程及其他相關(guān)課程時，許多習(xí)題都是用化工模擬軟件完成的［4］。CHEMCAD軟件占空間少，安裝方便，使用簡單，較其它幾種模擬軟件更適合本科教學(xué)使用。筆者認(rèn)為對于普通高校的本科生來說，直接采用流程模擬軟件進(jìn)行課程設(shè)計有一定難度。在化工原理課程設(shè)計教學(xué)中，只要能得到一些計算所需的數(shù)據(jù)，手算可以完成設(shè)計任務(wù)，同時也能加深學(xué)生對設(shè)計過程的印象。下面以平衡數(shù)據(jù)及物性參數(shù)中的常用的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)獲取為例介紹CHEMCAD的用法。

1 汽液平衡數(shù)據(jù)

以化工專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中最常見的雙組分精餾塔的設(shè)計為例。某學(xué)生要求設(shè)計生產(chǎn)丙烯腈的工藝中的丙烯腈精餾塔，該塔進(jìn)料組分是HCN與丙烯腈。要進(jìn)行該塔的設(shè)計，首先需要的是汽液平衡數(shù)據(jù)，學(xué)生從手冊中難以得到。下面介紹通過CHEMCAD5.2獲取HCN與丙烯腈物系的平衡數(shù)據(jù)的過程。打開CHEMCAD5.2界面后，首先按圖1定義組分，然后點擊plot出現(xiàn)如圖2所示對話框，按圖1選擇好兩組分輸入壓力，點擊OK就可得到的汽液平衡相圖如圖3所示。

圖1 定義組分

圖2 TPXY選項

圖3 HCN與丙烯腈的汽液平衡相圖

2 物性數(shù)據(jù)

學(xué)生做換熱器、精餾塔德設(shè)計時，有時需要一定溫度一定壓力下冷熱流體的定壓比熱容、熱導(dǎo)率、密度、黏度、表面張力等物性參數(shù)，多數(shù)數(shù)據(jù)較難查取，即使查到，壓力溫度改變了，又需要較復(fù)雜的經(jīng)驗公式去求取，計算量非常大。下面以黏度與導(dǎo)熱系數(shù)為例通過CHEMCAD介紹獲取物性數(shù)據(jù)的方法。

2.1 黏度

以求1個大氣壓下的50℃的CHClF2的黏度為例。打開CHEMCAD5.2后，點擊頂層菜單中的define components，如圖1，直接輸入化學(xué)式CHClF2，點擊OK確定。點擊graphics palette出現(xiàn)工藝流程圖模板，建立流程圖如圖4所示，其中設(shè)備1為任意選擇的設(shè)備，按圖5定義好流股。在頂層菜單欄里plot菜單下面選擇properties然后按提示選擇流股1，出現(xiàn)圖6所示對話框點擊OK得到該物質(zhì)在50℃的黏度為1.395×10－5Pa.s

為了驗證CHEMCAD的可靠性，該數(shù)據(jù)與不同的經(jīng)驗方法及實驗值［5］相比較見表1。

圖4 流程圖

圖5 定義流股

圖6 性質(zhì)選擇

表1 不同方法獲得CHClF2黏度數(shù)據(jù)比較

由表1可以看出，CHEMCAD計算值與基團(tuán)貢獻(xiàn)法較接近實驗值的，兩者誤差控制在4%之內(nèi)。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

以求1個大氣壓下的50℃的異丁烷蒸汽的黏度為例。過程同2.1，唯一不同的是在圖6所示對話框中選擇蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)（vapor thermal conductivity）。最后可得到該物質(zhì)在50℃的導(dǎo)熱系數(shù)為1.93×10－2W.m－1.K－1，不同的經(jīng)驗方法及實驗值［5］與CHEMCAD計算值相比較見表2，由表2可見，與實驗值相比，只有Chung法優(yōu)于CHEMCAD計算值。

表2 不同方法獲得CHClF2黏度數(shù)據(jù)比較

從以上兩例可以看出，利用CHEMCAD獲得物性數(shù)據(jù)是能夠滿足課程設(shè)計需要，其誤差在工程計算允許誤差范圍內(nèi)。

［1］劉巧瑜，劉長海.課程設(shè)計在提升化工原理教學(xué)質(zhì)量中的作用［J］.廣西輕工業(yè)，2010，（2）：115－117.

［2］唐正嬌，孫煒，歐陽貽德.化工原理課程設(shè)計教學(xué)體會［J］.大學(xué)化學(xué)，2009，22（1）：23－26.

［3］齊向娟，李士雨，孫靈棟.ChemCAD在精餾塔動態(tài)模擬中的應(yīng)用［J］.計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2008，25（6）：752－756.

［4］鄔慧熊，汪 申.ChemCAD典型應(yīng)用實例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［5］馬沛生.化工數(shù)據(jù)手冊［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2008.

06－ 3

：A

：1673－1794（2010）05－0092－02

李 芳（1975－），女，碩士，研究方向：高分子改性及化學(xué)反應(yīng)工程。

安徽工程大學(xué)教學(xué)研究項目（2009yjy29）

2010－07－11