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CHEMCAD在化工工艺设计教学中应用.doc

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CHEMCAD 在化 工 工 艺 设计 教 学 中 应用 汪斌 张 春勇 胡秀英 舒莉 江 苏 理工 学 院化 学 与环 境 学院 摘 要: CHEMCAD 化工流程模拟 软件, 为工艺开发、 工程设计、 优化操作和技术改造提供 理论指导。 本文主要介绍该软件功能和应用方法, 结合苯和甲苯精馏塔设计计算, 讨论其在化工工艺设计中的应用。 将 CHEMCAD 模拟值与文献值进行比较, 相对误 差小, 符合较好。 关键词 : 过程模拟; CHEMCAD; 化工工艺设计; 作 者简 介: 汪斌 (1974 —) , 安徽芜湖人, 副教授, 主要从事手性药物中间体拆 分研究。 基 金: 江苏理工学院教 学改革与研究项目 (11610411515) 的资助 CHEMCAD Applied in Teaching of Chemical Engineering Design Wang Bin Zhang Chunyong Hu Xiuying Shu Li School of Chemistry Abstract : 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. Keyword : process simulation; CHEMCAD; chemical engineering design; “ 化工设计 ”课程综合运用了物理化学、化工原理、化学反应工程、化工制图 和化工仪表等专业课程基础知识来进行化工流程的工艺设计乃至扩大到整个化 工厂设计, 将学生培养成合格的工程技术人才。 要培养合格的工程技术人才, 必 须强化学生应用当代先进工程计算软件的训练, 提高各个教学环节中的工程实 践训练的质量[1-3] 。 CHEMCAD 是常用的模拟系统软件之一, 它具有容易使用、 高度集成、 界面友好等 特点, 同时 CHEMCAD 拥有最短的学习时间。秦传高等[4]针对苯、甲苯和异丙苯 混合体系, 用CHEMCAD 模拟其精馏过程, 得出了塔板上各组分的的液相组成和 回流比与理论塔板数的关系曲线, 确定合适的操作条件, 对实际生产有一定的 指导意义。宣亚文等[5]采用CHEMCAD, 对甲醇、乙醇、丙酮、水四元体系精馏 塔的建模与控制进行模拟, 计算的结果与现场所给的设计值十分吻合。 本文简单介绍CHEMCAD 软件基本功能, 并且以精馏塔设计型计算为例说明 CHEMCAD 在化工设计教学中应用。 1 CHEMCAD 基本功能[6] CHEMCAD 是一个用于对化学和石油工业、 炼油、 油气加工等领域中的工艺过程进 行计算机模拟的应用软件, 是工程技术人员用来对连续操作单元进行物料平衡 和能量平衡核算的有力工具。 使 用它, 可以在计算机上建立与现场装置吻合的数 据模型, 并通过运算模拟装置的稳态或动态运行, 为工艺开发、 工程设计以及优 化操作提供理论指导。CHEMCAD 特点如下: 1.1 具有 丰富灵 活的 物性 数据 库 标准数据库以AICh E 的DIPPR 数据库为基础, 加上电解质共约2000 多种纯物质。 CHEMCAD 允许用户添加多达 2000 个组分到数据库中, 可以定义烃类虚拟组分用 于炼油计算, 也可以通过中立文件嵌入物性数据 CHEMCAD 提供了大量的最新的 热平衡和相平衡的计算方法, 包含39 种K 值计算方法、13 种焓计算方法。 CHEMCAD 热力学数据库收录 8000 多对二元交互作用参数。 CHEMCAD 对于不同单元 或不同塔板可以应用不同的热力学方法或不同的二元交互作用参数。 1.2 完整 的单元 操作 模块 CHEMCAD 包含50 多个单元操作, 可将每个单元操作组织起来, 形成整个车间或 全厂的流程图, 进行整个模拟计算。单元模块蒸馏、汽提、吸收、萃取、共沸、三相共沸、共沸蒸馏、三相蒸馏、电解质蒸馏、反应蒸馏、反应器、热交换器、 压缩机、泵、加热炉、控制器、透平、膨胀机、结晶罐、离心机、旋风分离器、 湿式旋风分离器、 文氏 洗气器、 袋式过滤机、 真空过 滤机、 压碎机、 研磨机、 静 电收集器、 洗涤机、 沉 淀分离器、 间歇蒸馏、 间歇反应器、PID 控制模块、 流量 控制阀、记录器模块 (选项) 。 1.3 分析 工具 CHEMCAD 提供了一些重要的模拟分析工具。如:流程优化、灵敏度分析、工况分 析等。 2 CHEMCAD 在化工设 计中应用 2.1 设计 型计算 设计任务:在常压连续筛板精馏塔中精馏分离含苯 41%的苯、甲苯混合液。要求 塔顶馏出液中含甲苯量不大于4%, 塔底釜液中含甲苯量不低于96% ( 以上均为质 量分率) 。 已知参数:苯、甲苯混合液处理量 4t/h;进料热状态自选;回流比自选;塔顶压强 4k Pa ( 表压) , 热源 低压饱和水蒸汽, 单板压降不大于 0.7k Pa;其 他计算中所 用物性数据由CHEMCAD 内置或计算。 在模型库中选择Shortcut column 模型进行设计型简捷计算, 如图 1 所示。 图1 DSTWU 模型图 下载原图 对苯和甲苯体系选择 SRK 方法进行计算。 选取进料热状态为饱和液体, 物料的流 量4000kg/h, 苯含量为 41%, 甲苯为59%。 Shortcut column 模型进行的是设计型计算, 在这里定义回流比, 取最小回流比 的2 倍。 定义轻重关键组分的回收率来确定分离要求, 经计算可得轻关键组分的 回收率为0.943, 重关键组分的回收率为 0.027 。冷凝器的压力定义为 105k Pa, 塔压降为5 k Pa, 冷凝器使用全凝器, 其余设置由系统默认确定。 计算出的塔的设计参数同文献值的结果误差不大, 如表1。 表1 模拟计算值与文献值对比表 下载原表 2.2 灵敏 度分析 图2 塔板数随回收率变化关系图 下载原图 在精馏塔操作型计算中, 选择不同轻组分回收率对塔板数的大小有很大影响。 定 义轻关键组分回收率的变化范围, 取为0.950~0.999, 计算点数取50 个点, 进 行灵敏度分析, 灵敏度分析计算结果如 图2 所示。 由图2 可以看出, 轻组分的回收率在0.950~0.999 之间变动时, 随着它的的增大 塔板数随之增大。 当回收率大于 0.990 以后随着回收率的增大理论塔板数急剧增 大。在设计过程中应该结合分离要求和经济因素选择一个合 理回收率。 3 结束语 CHEMCAD 具有丰富而灵活的物 性数据库数据, 备有50 多种化工单元操作模型, 能方便地构成各种化工生产流程。 对提高学生解决复杂工程方面的能力和设计水 平 大有益处。 参考文献 [1] 顾雄毅, 沈荣春, 朱开宏.流程模拟系统在化工设计教学中的应用[J].化工 高等教育, 2009, 106 (2) :72-74. [2] 李国庭, 陈焕章, 黄文焕.化工设计概论[M].北京:化学工业出版社.2015. [3] 袁俊, 杨建明, 赵 锋伟, 等. 热集成变压精馏分离乙二胺水溶液的模拟[J]. 计算机与应用化学, 2015, (02) :235-238. [4] 秦传高, 何承全.应用Chem CAD 软件模拟苯 的精馏过程[J].化工技术与开发, 2009, 38 (4) :44-46. [5] 宣亚文, 姚新建, 武文, 等. 甲醇、 乙醇、 丙酮、 水四元体系精馏塔的建模与 控制[J]. 计算机与应用化学, 2008, 25 (11) :1365-1368. [6] 柴诚敬, 王军, 张缨.化工原理课程设计[M].天津:天津科学技术出版 社.2006.
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