CHEMCAD在化工工藝設計教學中應用

汪 斌，張春勇，胡秀英， 舒 莉

(江蘇理工學院 化學與環境學院， 江蘇 常州 213001)

CHEMCAD在化工工藝設計教學中應用

汪 斌，張春勇，胡秀英， 舒 莉

(江蘇理工學院 化學與環境學院， 江蘇 常州 213001)

CHEMCAD化工流程模擬軟件，為工藝開發、工程設計、優化操作和技術改造提供理論指導。本文主要介紹該軟件功能和應用方法，結合苯和甲苯精餾塔設計計算，討論其在化工工藝設計中的應用。將CHEMCAD模擬值與文獻值進行比較，相對誤差小，符合較好。

過程模擬；CHEMCAD；化工工藝設計

“化工設計”課程綜合運用了物理化學、化工原理、化學反應工程、化工制圖和化工儀表等專業課程基礎知識來進行化工流程的工藝設計乃至擴大到整個化工廠設計，將學生培養成合格的工程技術人才。要培養合格的工程技術人才，必須強化學生應用當代先進工程計算軟件的訓練，提高各個教學環節中的工程實踐訓練的質量[1-3]。

CHEMCAD是常用的模擬系統軟件之一，它具有容易使用、高度集成、界面友好等特點，同時CHEMCAD擁有最短的學習時間。秦傳高等[4]針對苯、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的關系曲線，確定合適的操作條件，對實際生產有一定的指導意義。宣亞文等[5]采用CHEMCAD，對甲醇、乙醇、丙酮、水四元體系精餾塔的建模與控制進行模擬，計算的結果與現場所給的設計值十分吻合。

本文簡單介紹CHEMCAD軟件基本功能，并且以精餾塔設計型計算為例說明CHEMCAD在化工設計教學中應用。

1 CHEMCAD 基本功能[6]

CHEMCAD是一個用于對化學和石油工業、煉油、油氣加工等領域中的工藝過程進行計算機模擬的應用軟件，是工程技術人員用來對連續操作單元進行物料平衡和能量平衡核算的有力工具。使用它，可以在計算機上建立與現場裝置吻合的數據模型，并通過運算模擬裝置的穩態或動態運行，為工藝開發、工程設計以及優化操作提供理論指導。CHEMCAD特點如下：

1.1 具有豐富靈活的物性數據庫

標準數據庫以AIChE的DIPPR數據庫為基礎，加上電解質共約2000多種純物質。CHEMCAD允許用戶添加多達2000個組分到數據庫中，可以定義烴類虛擬組分用于煉油計算，也可以通過中立文件嵌入物性數據CHEMCAD提供了大量的最新的熱平衡和相平衡的計算方法，包含39種K值計算方法、13種焓計算方法。CHEMCAD熱力學數據庫收錄8000多對二元交互作用參數。CHEMCAD對于不同單元或不同塔板可以應用不同的熱力學方法或不同的二元交互作用參數。

1.2 完整的單元操作模塊

CHEMCAD包含50多個單元操作，可將每個單元操作組織起來，形成整個車間或全廠的流程圖，進行整個模擬計算。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、電解質蒸餾、反應蒸餾、反應器、熱交換器、壓縮機、泵、加熱爐、控制器、透平、膨脹機、結晶罐、離心機、旋風分離器、濕式旋風分離器、文氏洗氣器、袋式過濾機、真空過濾機、壓碎機、研磨機、靜電收集器、洗滌機、沉淀分離器、間歇蒸餾、間歇反應器、PID控制模塊、流量控制閥、記錄器模塊(選項)。

1.3 分析工具

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

2 CHEMCAD在化工設計中應用

2.1 設計型計算

設計任務：在常壓連續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%(以上均為質量分率)。

已知參數：苯、甲苯混合液處理量4t/h；進料熱狀態自選；回流比自選；塔頂壓強4kPa(表壓)，熱源低壓飽和水蒸汽，單板壓降不大于0.7kPa；其他計算中所用物性數據由CHEMCAD內置或計算。

在模型庫中選擇Shortcut column模型進行設計型簡捷計算，如圖1所示。

圖1 DSTWU模型圖

對苯和甲苯體系選擇SRK方法進行計算。選取進料熱狀態為飽和液體，物料的流量4000kg/h，苯含量為41%，甲苯為59%。

Shortcut column模型進行的是設計型計算，在這里定義回流比，取最小回流比的2倍。定義輕重關鍵組分的回收率來確定分離要求，經計算可得輕關鍵組分的回收率為0.943，重關鍵組分的回收率為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，其余設置由系統默認確定。

計算出的塔的設計參數同文獻值的結果誤差不大，如表1。

表1 模擬計算值與文獻值對比表

2.2 靈敏度分析

圖2 塔板數隨回收率變化關系圖

在精餾塔操作型計算中，選擇不同輕組分回收率對塔板數的大小有很大影響。定義輕關鍵組分回收率的變化范圍，取為0.950～0.999，計算點數取50個點，進行靈敏度分析，靈敏度分析計算結果如圖2所示。

由圖2可以看出，輕組分的回收率在0.950～0.999之間變動時，隨著它的的增大塔板數隨之增大。當回收率大于0.990以后隨著回收率的增大理論塔板數急劇增大。在設計過程中應該結合分離要求和經濟因素選擇一個合理回收率。

3 結束語

CHEMCAD具有豐富而靈活的物性數據庫數據，備有50多種化工單元操作模型，能方便地構成各種化工生產流程。對提高學生解決復雜工程方面的能力和設計水平大有益處。

[1] 顧雄毅，沈榮春，朱開宏.流程模擬系統在化工設計教學中的應用[J].化工高等教育, 2009, 106(2):72-74.

[2] 李國庭, 陳煥章, 黃文煥.化工設計概論[M]. 北京：化學工業出版社. 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]. 計算機與應用化學, 2015,(02):235-238.

[4] 秦傳高，何承全.應用ChemCAD軟件模擬苯的精餾過程[J].化工技術與開發, 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]. 計算機與應用化學，2008，25(11):1365-1368.

[6] 柴誠敬，王軍，張纓. 化工原理課程設計[M]. 天津：天津科學技術出版社. 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

江蘇理工學院教學改革與研究項目(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

(本文文獻格式：汪斌，張春勇，胡秀英，等.CHEMCAD在化工工藝設計教學中應用[J].山東化工，2017，46(22)：129-130.)