1、PAGE 1 PAGE 17Chemcad在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1 CHEMCAD軟件概述1.1公司介紹CHEMCAD系列軟件是美國Chemstations公司開發(fā)的化工流程模擬軟件。使用它，可以在計(jì)算機(jī)上建立與現(xiàn)場(chǎng)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)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。美國Chem CAD 是一整套電腦輔助化工設(shè)計(jì)模擬分析軟件系統(tǒng)。適用于化工、石油、天然氣、制藥等行業(yè)的設(shè)計(jì)及模擬分析。Chem CAD系統(tǒng)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而更加完善和先進(jìn)。1983 年發(fā)表了第一代產(chǎn)品Chem CAD ,1988年4季度推出了第2 代產(chǎn)品Chem CA

2、D 共發(fā)行數(shù)千套軟件, 用于世界42個(gè)國家各著名公司和設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu), 如杜邦公司、巴斯夫公司, 美國道化學(xué)公司、西德拜爾公司、帝國化學(xué)工業(yè)公司(英)、飛馬石油公司(美) 等, 并幫助這些機(jī)構(gòu)創(chuàng)造了極大財(cái)富。1993 年7 月又推出第三代Chem CAD, 它在計(jì)算速度和效率上更躍進(jìn)一步。具有窗口型輸入方式, 使用極為方便。1.2軟件功能化工課程設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)輔助化工過程設(shè)計(jì)以成為化工設(shè)計(jì)的基本手段，有效地利用化工模擬設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行化工設(shè)計(jì)工作可以極大地提高工作效率。將模擬軟件用于過程設(shè)計(jì)或過程模擬，對(duì)于當(dāng)代的化工過程工程師已是一件很普通的工

3、作。1.2.1使用CHEMCAD可以做的工作主要有以下幾項(xiàng)：A.設(shè)計(jì)更有效的新工藝和設(shè)備使效益最大化 B.通過優(yōu)化/脫瓶頸改造減少費(fèi)用和資金消耗 C.評(píng)估新建/舊裝置對(duì)環(huán)境的影響 D.通過維護(hù)物性和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的中心數(shù)據(jù)庫支持公司信息系統(tǒng)1.2.2CHEMCAD中的單元操作： CHEMCAD提供了大量的操作單元供用戶選擇，使用這些操作單元，基本能夠滿足一般化工廠的需要。 對(duì)反應(yīng)器和分離塔，提供了多種計(jì)算方法。ChemCAD可以模擬以下單元操作：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)等50多個(gè)單元

4、操作。1.2.3熱力學(xué)物性計(jì)算方法： 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，和13種焓計(jì)算方法。K值方法主要分為活度系數(shù)法和狀態(tài)方程法等四類，其中活度系數(shù)法包含有UNIFAC 、UPLM (UNIFAC for Polymers)、 Wilson 、T. K. Wilson 、HRNM Modified Wilson 、Van Laar 、Non-Random Two Liquid (NRTL) 、Margules 、GMAC (Chien-Null) 、Scatchard-Hildebrand (Regular Solution)等。焓計(jì)算方法包括

5、Redlich-Kwong 、Soave-Redlich-Kwong 、Peng-Robinson 、API Soave-Redlich-Kwong 、Lee-Kesler 、Benedict-Webb-Rubin-Starling 、Latent Heat 、Electrolyte 、Heat of Mixing by Gamma 等。1.2.4使用CHEMCAD主要有以下步驟：A.畫出您的流程圖 B.選擇組分 C.選擇熱力學(xué)模型 D.詳細(xì)指定進(jìn)料物流E.詳細(xì)指定各單元操作 F.運(yùn)行G.計(jì)算設(shè)備規(guī)格H.研究費(fèi)用評(píng)估方案 I.評(píng)定環(huán)境影響 J.分析結(jié)果/按需優(yōu)化 K.生成物料流程圖/報(bào)告1.2

6、.5CHENCAD的應(yīng)用領(lǐng)域A、蒸餾/萃取(間歇 &連續(xù))B、各種反應(yīng)(間歇 &連續(xù))C、含電解質(zhì)的工藝D、熱力學(xué)-物性計(jì)算E、汽/液/液平衡計(jì)算F、設(shè)備設(shè)計(jì)G、換熱器網(wǎng)絡(luò)H、環(huán)境影響計(jì)算I、安全性能分析J、投資費(fèi)用估算K、火炬總管系統(tǒng)L、公用工程網(wǎng)絡(luò)1.2.6 CHEMCAD的其它特點(diǎn) 1. 設(shè)有專家系統(tǒng)( Expert System ) ?？蓭椭褂谜哌x擇各種參數(shù)如K 值、燃焙及其它熱力學(xué)狀態(tài)方程式;2. 有功能完善的數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)?？商幚韱谓M分、多組分的平衡及其它任何熱力學(xué)物性的模擬分析;3. 有計(jì)算并繪制液一液平衡三角形相圖的功能, 對(duì)芳香烴類分離的計(jì)算分析也明顯優(yōu)于其它軟件系統(tǒng);4.

7、自動(dòng)計(jì)算能力強(qiáng), 能解決傳統(tǒng)序貫?zāi)K不能解決的問題;5.能處理電解質(zhì)及固一液一氣三相共存的操作系統(tǒng);6. 有完整的和收斂快速的蒸餾、萃取軟件包( 包括連續(xù)蒸餾、三相蒸餾、間歇蒸餾、萃取等) 。對(duì)非理想狀態(tài)的物料有兩種方法, 可以得到高質(zhì)量的收斂效果;7. 龐大的V L E 二元相互作用參數(shù)數(shù)據(jù)庫, 具有數(shù)千組不同的 NRTL , UNIQUAC , WILSON 二元相互作用參數(shù);8. 獨(dú)一無二的圖形交互式用戶界面, 計(jì)算速度比其它任何軟件都快;9. 一整套設(shè)備設(shè)計(jì)功能, 包括塔盤( 篩板泡罩、閥門) , 填料、管道、殼體、管式換熱器、空冷器、壓力容器、隔板、控制閥等。這也是其它軟件所缺乏的;

8、安裝在一般個(gè)人電腦或PC 網(wǎng)絡(luò)上,均可執(zhí)行設(shè)計(jì)或評(píng)估過程程序, 不需要大型電腦主機(jī);10. 具有“ 健全的化學(xué)組分物性數(shù)據(jù)庫” ,包含1571 個(gè)組分;系統(tǒng)價(jià)格/ 性能比優(yōu)良, 是用戶最佳效益的選擇。ChemCAD還具有容易使用、高度集成、界面友好等特點(diǎn)。它安裝簡(jiǎn)便，支持各種輸入設(shè)備，并具有詳盡的幫助系統(tǒng)和強(qiáng)大的計(jì)算和分析功能。 另外，ChemCAD提供了網(wǎng)絡(luò)版，最多25人同時(shí)并發(fā)使用。ChemCAD網(wǎng)絡(luò)版價(jià)格低廉，最適合于學(xué)校教學(xué)及大型公司使用。2 模擬計(jì)算在CHEMCAD蒸餾單元中，共有四種塔模塊，包括TOWR Column，TOWR PLUS Column，SCDS Column和SHO

9、RTCUT Column 。其中，TOWR是精確的規(guī)范塔模塊，TOWR PLUS是帶有側(cè)線物流和側(cè)線供熱和急冷以及泵回路的復(fù)雜塔模塊，SCDS則是可以及時(shí)修正的塔模塊。本實(shí)驗(yàn)所用的精餾塔模塊主要是SCDS Column，下面介紹一下各個(gè)模塊的特點(diǎn)：2.1 SCDS簡(jiǎn)介 SCDS是汽液平衡模型,它模擬部分簡(jiǎn)單的塔的計(jì)算,如;蒸餾塔,吸收塔,再沸吸收塔,和分餾塔.副產(chǎn)品和副熱/冷器也可以出現(xiàn)在SCDS的嚴(yán)格模型中,默佛里塔板效率也常在SDCS中模擬與輸出，SCDS操作塔根據(jù)無限層和5個(gè)輸入流,4個(gè)副產(chǎn)品,這里沒有限制SCDS在流程圖里的數(shù)目. SCDS強(qiáng)調(diào)規(guī)格的多樣性,比如,總摩爾流比率,熱負(fù)荷,

10、回流比,蒸出速率,溫度,分餾摩爾數(shù),分餾回收,成份比率及產(chǎn)品中部分物流的比率.這些模型能夠模擬嚴(yán)格的兩相或三相蒸餾系統(tǒng).如果計(jì)算三相系統(tǒng),用戶可以選擇將一相液體加入冷凝器,然后回流其它相.SCDS的主要構(gòu)成是模擬化學(xué)系統(tǒng)中非理想K值.它用于Newton-Raphon數(shù)學(xué)收斂和計(jì)算并引出嚴(yán)格的方程式,包括DK/DX(引出主要混合物的K值).方面,即有效模擬化工系統(tǒng).SDCS的運(yùn)行時(shí)間通常大于其它特殊TOWR模組,當(dāng)組分超過10種且較為復(fù)雜時(shí).2.2 TOWR簡(jiǎn)介： TOWR是一種精確的多級(jí)氣液平衡模塊，它可以模擬任何單塔計(jì)算，其中包括蒸餾塔、吸收塔、再沸吸收塔和汽提塔。TOWR還可以精確的模擬測(cè)

11、線產(chǎn)品和側(cè)面供熱和降溫。TOWR最多可以處理5種進(jìn)料流和4種側(cè)線產(chǎn)品。在工藝流程圖中，對(duì)TOWR的數(shù)量沒有限制。 TOWR提供了各種技術(shù)規(guī)范便于用戶使用。用戶可以指定冷凝器，再沸器或塔板條件。各種技術(shù)規(guī)范，諸如整體摩爾流動(dòng)速度，熱負(fù)荷，回流比，沸騰比，溫度，摩爾分率，回收率，相對(duì)流動(dòng)速度，產(chǎn)品的重量和分子量等在TOWR中都有明確的說明。通常，TOWR的收斂速度比主板計(jì)算模塊SCDS要快。2.3 TOWR.PLUS簡(jiǎn)介： 當(dāng)所模擬的裝置或物流數(shù)量較多，就可以使用TOWR.PLUS。它可模擬帶有側(cè)線汽提塔，泵回路，側(cè)線供熱、急冷和側(cè)線產(chǎn)品的塔。它是為模擬塔而設(shè)計(jì)的，但它也可以模擬任何單塔計(jì)算，其中

12、包括蒸餾塔，吸收塔，再沸吸收塔和汽提塔。側(cè)線汽提塔，泵回路都看作是TOWR.PLUS模塊的一部分并且與主塔計(jì)算同時(shí)進(jìn)行，不需要再循環(huán)計(jì)算。冷凝器中自由水的分離可以由用戶設(shè)定從任意塔板上流出。一個(gè)工藝流程圖中最多允許50個(gè)塔單元操作。TOWR.PLUS提供了一系列技術(shù)規(guī)范以方便用戶使用。用戶可以指定冷凝器，再沸器或任何塔板條件。各種技術(shù)規(guī)范，諸如整體摩爾流動(dòng)速度，熱負(fù)荷，回流比，再沸比，溫度，體積流速，摩爾流速，質(zhì)量流速，任何體積分?jǐn)?shù)中的TBP/D86溫度，溢流，氣液比，產(chǎn)品分?jǐn)?shù)，分子質(zhì)量，氣體壓力，沸點(diǎn)，閃電和回收率都可以在TOWR.PLUS模塊中指定。2.4 SHORTCUT簡(jiǎn)介： SHOR

13、TCUT蒸餾模塊是用Fenske-Underwood-Gilliland方法模擬具有一股進(jìn)料和兩股出料的簡(jiǎn)單蒸餾塔。進(jìn)料位置可以通過Fenske或Kirkbride平衡計(jì)算得之。但是SHORTCUT蒸餾模塊計(jì)算方法不適合塔設(shè)計(jì)，在這種情況下多用TOWR和TOWR.PLUS模塊3 應(yīng)用舉例3.1設(shè)計(jì)條件處理量(萬噸/年)（8000h）8 （8/8000 = 1kg/h）進(jìn)料組成(質(zhì)量分率)52% (苯) 48%(甲苯)操作壓力常壓進(jìn)料狀態(tài)露點(diǎn)分離要求塔頂苯含量95% 塔釜苯含量2%完成日期3.2設(shè)計(jì)要求根據(jù)化工原理課程設(shè)計(jì)的要求，板式精餾裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下主要內(nèi)容： A設(shè)計(jì)方案的說明：對(duì)所給或

14、選定的整個(gè)精餾裝置的流程、操作條件和主要設(shè)備的型式等進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。 B精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算：確定精餾塔所需的塔板數(shù)以及塔的主要尺寸。 C裝置的輔助設(shè)備，如再沸器、冷凝器等的選擇或計(jì)算。D描繪精餾裝置的工藝流程圖和精餾塔的的設(shè)備工藝條件圖，編寫板式塔精餾裝置設(shè)計(jì)的說明書。3.3應(yīng)用軟件模擬設(shè)計(jì)3.3.1步驟保存文件*.cc6 點(diǎn)擊程序左上角的工具欄“file”，在出現(xiàn)的菜單中點(diǎn)擊“New”，即可出現(xiàn)如下的對(duì)話框在對(duì)話框中，填入文件名 “chemical”，點(diǎn)擊“保存”，即可出現(xiàn)以下繪畫畫面（2）畫流程圖先進(jìn)行簡(jiǎn)捷計(jì)算。單擊第七行第七列的塔（shortcut模塊），然后在左面空白出單擊左鍵，即可畫得

15、一精餾塔。同理，畫出進(jìn)料管線“紅色箭頭”與出料管線“藍(lán)色管線”，用標(biāo)有“stream”的折線連接，如下圖（3）設(shè)置單位將“Simulation/Graphic”鎖定在Simulation，下拉菜單“Format”“Engineering Units” 可出現(xiàn)如下畫面：如選擇“Si”制，將“Presure”設(shè)置為“kpa”，單擊“ok”。（4）選擇組分點(diǎn)擊工具欄“Thermophysical”“componentlist”，出現(xiàn)以下畫面：在“searchfor”中填入“”，點(diǎn)擊“add”即可在左面的空白區(qū)看見“benzene”，表示已經(jīng)選中第一組分苯。同理選中第二組分甲苯 41，點(diǎn)擊“ok”。（

16、5）選擇熱力學(xué)模型點(diǎn)擊“thermophysical” “k-values”，出現(xiàn)畫面：如選SRK方程，點(diǎn)擊“ok”，即可。同樣,點(diǎn)擊“thermophysical”“enthalpy”，選擇SRK方程，點(diǎn)擊“ok”即可。（6）詳細(xì)定義進(jìn)料物流 雙擊紅色箭頭后方框內(nèi)的流股1，填寫數(shù)據(jù)如下所示： 其中溫度、壓力和氣象組成三者可任選兩個(gè)填入，注意：不可三者都填。將苯和甲苯的進(jìn)料流量組成填入，設(shè)置完后單擊即可。（7）詳細(xì)定義各單元操作 雙擊塔1（設(shè)備1），可得如下畫面，其中在“Light key split”中填入，在“Heavy key split”中填入，在R/Rmin中填入一個(gè)倍數(shù)，如1.5。

17、單擊OK。（8）運(yùn)行模擬計(jì)算，并顯示計(jì)算結(jié)果，按住圓內(nèi)的，點(diǎn)右鍵，選擇運(yùn)行：再雙擊圓內(nèi)的，出現(xiàn)如下畫面，顯示計(jì)算結(jié)果可知運(yùn)算的的理論板數(shù)為塊，進(jìn)料板是第塊，單擊Overall Mass Balance kmol/h kg/h Input Output Input OutputBenzene 133.338 133.338 10415.602 10415.602Toluene 104.342 104.342 9614.132 9614.132Total 237.680 237.680 20029.734 20029.734 Shortcut Distillaton SummaryEquip. N

18、o. 1 Name Mode 2 Light key component 1.0000Light key split 0.9573Heavy key component 2.0000Heavy key split 0.0427Reflux ratio 1.5000Number of stages 161.0055Min. No. of stages 8.0463Feed stage 81.0028Condenser duty MJ/h -10267.8535Reboiler duty MJ/h 2547.0806Reflux ratio, minimum 1.8834Calc. Reflux

19、ratio 1.5000（9）嚴(yán)格計(jì)算簡(jiǎn)捷計(jì)算所得結(jié)果可作為嚴(yán)格計(jì)算的初值選擇第七行第四列的模塊CDS column #1，畫出流程圖以下操作步驟完全與上述相同，只是第（7）步畫面不同于前者，如下：點(diǎn)擊Specifications，例如選擇冷凝器6，填入組分Specification（） ；選擇再沸器6，填入組分Specification（）。點(diǎn)擊General ，填入No.of stages（理論板數(shù)）14 ，F(xiàn)eed stages （進(jìn)料板）7。OK（10）運(yùn)行 列出物料衡算表 Scds Rigorous Distillation SummaryEquip. No. 2 Name No.

20、of stages 14 1st feed stage 7 Condenser mode 6 Condenser spec. 0.9573Cond. comp i 1 Reboiler mode 6 Reboiler spec. 0.0235Rebl. comp i 1 Cond duty MJ/h -16170.7314Reblr duty MJ/h 8458.3379Reflux mole kmol/h 382.3582Reflux ratio 2.7948Reflux mass kg/h 30096.5410Column diameter m 1.9812Tray space m 0.6

21、096No of sections 1 No of passes (S1) 1 Weir side width m 0.2159Weir height m 0.0508System factor 1.0000（11）設(shè)備尺寸計(jì)算 點(diǎn)擊 Sizing Trays，在Select unitops 中填入2，OK 。選擇塔板類型，Valve Tray（浮閥塔板），OK。出現(xiàn)如下畫面：如選板間距0.6m，點(diǎn)擊ok，出現(xiàn)如下數(shù)據(jù)（只列出第二塊板的設(shè)計(jì)結(jié)果）CHEMCAD 5.2.0 Page 1Job Name: chemical2 Date: 04/18/2003 Time: 15:04:35Vapo

22、r load is defined as the vapor from the tray below.Liquid load is defined as the liquid on the tray. Equip. 2 Tray No. 2 Tray Loadings Vapor Liquid 40835.939 kg/h 30067.238 kg/h 14673.854 m3/h 37.018 m3/h Density 2.783 kg/m3 812.229 kg/m3 System factor 1.000 Valve type : V-1 Valve material : S.S. Va

23、lve thickness, gage 12.000 Deck thickness, gage 14.000 Tower internal diameter, m 1.981 Tray spacing, m 0.610 No. of tray liquid passes 1 Downcomer dimension, Width m Length m Area m2 Side 0.216 1.235 0.182 Avg. weir length m 1.235 Weir height, m 0.051 Flow path length m 1.549 Flow path width m 1.755 Tray area, m2 3.083 Tray active area m2 2.719 % flood 69.004 Hole area m2 0.517 Approx # of valves 436 Tray press loss, m 0.104 Tray press loss, atm 0.008 Dry press drop, m 0.061