CHEMCAD在化工工藝設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用

汪 斌，張春勇，胡秀英， 舒 莉

(江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

CHEMCAD在化工工藝設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用

汪 斌，張春勇，胡秀英， 舒 莉

(江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 常州 213001)

CHEMCAD化工流程模擬軟件，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。本文主要介紹該軟件功能和應(yīng)用方法，結(jié)合苯和甲苯精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算，討論其在化工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。將CHEMCAD模擬值與文獻(xiàn)值進(jìn)行比較，相對(duì)誤差小，符合較好。

過程模擬；CHEMCAD；化工工藝設(shè)計(jì)

“化工設(shè)計(jì)”課程綜合運(yùn)用了物理化學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工制圖和化工儀表等專業(yè)課程基礎(chǔ)知識(shí)來進(jìn)行化工流程的工藝設(shè)計(jì)乃至擴(kuò)大到整個(gè)化工廠設(shè)計(jì)，將學(xué)生培養(yǎng)成合格的工程技術(shù)人才。要培養(yǎng)合格的工程技術(shù)人才，必須強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)工程計(jì)算軟件的訓(xùn)練，提高各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的工程實(shí)踐訓(xùn)練的質(zhì)量[1-3]。

CHEMCAD是常用的模擬系統(tǒng)軟件之一，它具有容易使用、高度集成、界面友好等特點(diǎn)，同時(shí)CHEMCAD擁有最短的學(xué)習(xí)時(shí)間。秦傳高等[4]針對(duì)苯、甲苯和異丙苯混合體系，用CHEMCAD模擬其精餾過程，得出了塔板上各組分的的液相組成和回流比與理論塔板數(shù)的關(guān)系曲線，確定合適的操作條件，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。宣亞文等[5]采用CHEMCAD，對(duì)甲醇、乙醇、丙酮、水四元體系精餾塔的建模與控制進(jìn)行模擬，計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場所給的設(shè)計(jì)值十分吻合。

本文簡單介紹CHEMCAD軟件基本功能，并且以精餾塔設(shè)計(jì)型計(jì)算為例說明CHEMCAD在化工設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用。

1 CHEMCAD 基本功能[6]

CHEMCAD是一個(gè)用于對(duì)化學(xué)和石油工業(yè)、煉油、油氣加工等領(lǐng)域中的工藝過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用軟件，是工程技術(shù)人員用來對(duì)連續(xù)操作單元進(jìn)行物料平衡和能量平衡核算的有力工具。使用它，可以在計(jì)算機(jī)上建立與現(xiàn)場裝置吻合的數(shù)據(jù)模型，并通過運(yùn)算模擬裝置的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)運(yùn)行，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計(jì)以及優(yōu)化操作提供理論指導(dǎo)。CHEMCAD特點(diǎn)如下：

1.1 具有豐富靈活的物性數(shù)據(jù)庫

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫以AIChE的DIPPR數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，加上電解質(zhì)共約2000多種純物質(zhì)。CHEMCAD允許用戶添加多達(dá)2000個(gè)組分到數(shù)據(jù)庫中，可以定義烴類虛擬組分用于煉油計(jì)算，也可以通過中立文件嵌入物性數(shù)據(jù)CHEMCAD提供了大量的最新的熱平衡和相平衡的計(jì)算方法，包含39種K值計(jì)算方法、13種焓計(jì)算方法。CHEMCAD熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫收錄8000多對(duì)二元交互作用參數(shù)。CHEMCAD對(duì)于不同單元或不同塔板可以應(yīng)用不同的熱力學(xué)方法或不同的二元交互作用參數(shù)。

1.2 完整的單元操作模塊

CHEMCAD包含50多個(gè)單元操作，可將每個(gè)單元操作組織起來，形成整個(gè)車間或全廠的流程圖，進(jìn)行整個(gè)模擬計(jì)算。單元模塊蒸餾、汽提、吸收、萃取、共沸、三相共沸、共沸蒸餾、三相蒸餾、電解質(zhì)蒸餾、反應(yīng)蒸餾、反應(yīng)器、熱交換器、壓縮機(jī)、泵、加熱爐、控制器、透平、膨脹機(jī)、結(jié)晶罐、離心機(jī)、旋風(fēng)分離器、濕式旋風(fēng)分離器、文氏洗氣器、袋式過濾機(jī)、真空過濾機(jī)、壓碎機(jī)、研磨機(jī)、靜電收集器、洗滌機(jī)、沉淀分離器、間歇蒸餾、間歇反應(yīng)器、PID控制模塊、流量控制閥、記錄器模塊(選項(xiàng))。

1.3 分析工具

CHEMCAD提供了一些重要的模擬分析工具。如：流程優(yōu)化、靈敏度分析、工況分析等。

2 CHEMCAD在化工設(shè)計(jì)中應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)型計(jì)算

設(shè)計(jì)任務(wù)：在常壓連續(xù)篩板精餾塔中精餾分離含苯41%的苯、甲苯混合液。要求塔頂餾出液中含甲苯量不大于4%，塔底釜液中含甲苯量不低于96%(以上均為質(zhì)量分率)。

已知參數(shù)：苯、甲苯混合液處理量4t/h；進(jìn)料熱狀態(tài)自選；回流比自選；塔頂壓強(qiáng)4kPa(表壓)，熱源低壓飽和水蒸汽，單板壓降不大于0.7kPa；其他計(jì)算中所用物性數(shù)據(jù)由CHEMCAD內(nèi)置或計(jì)算。

在模型庫中選擇Shortcut column模型進(jìn)行設(shè)計(jì)型簡捷計(jì)算，如圖1所示。

圖1 DSTWU模型圖

對(duì)苯和甲苯體系選擇SRK方法進(jìn)行計(jì)算。選取進(jìn)料熱狀態(tài)為飽和液體，物料的流量4000kg/h，苯含量為41%，甲苯為59%。

Shortcut column模型進(jìn)行的是設(shè)計(jì)型計(jì)算，在這里定義回流比，取最小回流比的2倍。定義輕重關(guān)鍵組分的回收率來確定分離要求，經(jīng)計(jì)算可得輕關(guān)鍵組分的回收率為0.943，重關(guān)鍵組分的回收率為0.027。冷凝器的壓力定義為105kPa，塔壓降為5 kPa，冷凝器使用全凝器，其余設(shè)置由系統(tǒng)默認(rèn)確定。

計(jì)算出的塔的設(shè)計(jì)參數(shù)同文獻(xiàn)值的結(jié)果誤差不大，如表1。

表1 模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)值對(duì)比表

2.2 靈敏度分析

圖2 塔板數(shù)隨回收率變化關(guān)系圖

在精餾塔操作型計(jì)算中，選擇不同輕組分回收率對(duì)塔板數(shù)的大小有很大影響。定義輕關(guān)鍵組分回收率的變化范圍，取為0.950～0.999，計(jì)算點(diǎn)數(shù)取50個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行靈敏度分析，靈敏度分析計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，輕組分的回收率在0.950～0.999之間變動(dòng)時(shí)，隨著它的的增大塔板數(shù)隨之增大。當(dāng)回收率大于0.990以后隨著回收率的增大理論塔板數(shù)急劇增大。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該結(jié)合分離要求和經(jīng)濟(jì)因素選擇一個(gè)合理回收率。

3 結(jié)束語

CHEMCAD具有豐富而靈活的物性數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，備有50多種化工單元操作模型，能方便地構(gòu)成各種化工生產(chǎn)流程。對(duì)提高學(xué)生解決復(fù)雜工程方面的能力和設(shè)計(jì)水平大有益處。

[1] 顧雄毅，沈榮春，朱開宏.流程模擬系統(tǒng)在化工設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工高等教育, 2009, 106(2):72-74.

[2] 李國庭, 陳煥章, 黃文煥.化工設(shè)計(jì)概論[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2015.

[3] 袁 俊,楊建明, 趙鋒偉,等. 熱集成變壓精餾分離乙二胺水溶液的模擬[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2015,(02):235-238.

[4] 秦傳高，何承全.應(yīng)用ChemCAD軟件模擬苯的精餾過程[J].化工技術(shù)與開發(fā), 2009, 38(4):44-46.

[5] 宣亞文，姚新建，武文，等. 甲醇、乙醇、丙酮、水四元體系精餾塔的建模與控制[J]. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2008，25(11):1365-1368.

[6] 柴誠敬，王軍，張纓. 化工原理課程設(shè)計(jì)[M]. 天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社. 2006.

CHEMCADAppliedinTeachingofChemicalEngineeringDesign

WangBin,ZhangChunyong,HuXiuying,ShuLi

(School of Chemistry & Environmental Engineering,Jiangsu Teachers University of Technology, Changzhou 213001,China)

CHEMCAD, a process simulator soft, is applied in chemical engineering design, which improves a theory instruction for the craft development, the engineering design, the optimized operation and the technological transformations. The functions and application methods of CHEMCAD and its simulation for benzene recovering column, which applied to discuss CHEMCAD applied in teaching of chemical engineering design. The CHEMCAD simulation results for benzene column were compared with the values of document, all that were accord and the errors were comparatively small.

process simulation; CHEMCAD; chemical engineering design

2017-09-16

江蘇理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(11610411515)的資助

汪 斌(1974—)，安徽蕪湖人，副教授，主要從事手性藥物中間體拆分研究。

TQ 015.9

A

1008-021X(2017)22-0129-02

(本文文獻(xiàn)格式：汪斌，張春勇，胡秀英，等.CHEMCAD在化工工藝設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(22)：129-130.)