西北大學 化工設計概論期中論文 院 系 專業 姓名 學號 化工學院 化學工程與工藝 張洪姣 2008115023 引言多年來， 靜態流程模擬技術在石油化工過程的設計和已有的生產裝置操作方案的有 選方面發揮了非常重要的作用， 已為石油化工行業廣泛接受。 但由于化工穩定狀態過程 只是相對的、暫時的，實際過程總是存在各種各樣的波動、干擾及條件變化，因而化工 過程的動態變化是必然且經常發生的，在這一背景下，動態模擬在近 20 多年來尤其進 入 90 年代后獲得了長足的發展和廣泛的應用。 進入 80 年代以來，眾多動態模擬軟件紛紛推出，如美國普度大學的 BOSS、英國 劍橋大學的 QUASLIN、美國威士康星大學的 POLYRED 等。然而，商品化、通用性較 好的動態模擬軟件還是出自專業化的化工過程模擬公司。 80 年代后期， 如 美國 ASPEN TECH 公 司 推 出 了 著 名 的 動 態 模 擬 軟 件 SPEED Up 。 90 年 代 中 期 ， 加 拿 大 HYPROTECH 公司在其穩定模擬軟件 HYSIM 的基礎上，又推出了動態模擬原軟件 HYSIS 。 HYSIS 同時兼有穩定模擬和動態模擬的功能， 用戶可以方便的實現在穩定和 動態之間切換。 ChemCAD 是由 Chemstations 公司推出的一款極具應用 和推廣價值的軟件, 它主要用于化工生產方面的工藝開發、優化設計和技術改造。由于 ChemCAD 內置的 專家系統數據庫集成了多個方面且非常詳盡的數據,使得 ChemCAD 可以應用于化工生 產的諸多領域,而且隨著 Chemstations 公司的深入開發, ChemCAD 的應用領域還將不 斷拓展。 軟件介紹 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。ChemCAD的應用范圍包含了化學工業細分出來的多個方面,如煉油、 石化、氣體、氣電共生、工業安全、特化、制藥、生化、污染防治、清潔生產等。它可 以對這些領域中的工藝過程進行計算機模擬并為實際生產提供參考和指導。 ChemCAD內置了功能強大的標準物性數據庫, 它以AIChE的DIPPR數據庫為基 礎,加上電解質共約2000多種純物質,并允許用戶添加多達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,從5.3版開始還提 供了200多種原油的評價數據庫,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 。 ChemCAD 各 模 塊 共 同 擁 有 軟 件 的 基 本 功 能 （ COMMON FEATURES） ，圖形接口一致且容易使用，并且提供AIChE的DIPPR純物質物性數據庫、完 整的熱力學計算方法及參數、數據擬合功能、各式設備選型、在線相關工具等功能。根 據單元操作的特性分為CC-STEADYSTATE-化工穩態過程仿真模塊、CC-DYNAMICS-化工動 態過程仿真模塊、 CC-THERM換熱器設計及選型模塊、 CC-BATCH-間歇蒸餾模塊、 CC-RECON現場資料擬合模塊和CC-SAFETYNET-緊急排放系統及管網計算模塊。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。其中針對反應器和分離塔，提供了多種計算方法，通過Window交互操 作功能， ChemCAD還可以和其它應用程序交互作用： 使用者可以迅速而容易地在ChemCAD 和其它應用程序之間傳送模擬數據。ChemCAD在三個不同層次上支持這種交互操作性， 這些新的功能可以把過程模擬的效益大大擴展到工程工作的其它階段中去。 軟件應用在工程設計中,無論是建立一個新廠或是對老廠進行改造, ChemCAD都可以用來 選擇方案,研究非設計工況的操作以及工廠處理原料范圍的靈活性。工藝設計模擬研究 不僅可以避免工廠設備交付前的費用估算錯誤,還可用模擬模型來優化工藝設計,同時通 過一系列的工況研究,來確保工廠能在較大范圍的操作條件內良好運行。即使是在工程 設計的最初階段,也可用這個模型來估計工藝條件變化對整個裝置性能的影響。對于老 廠,由ChemCAD建立的模型可作為工程技術人員用來改進工廠操作以提高產量產率、 減 少能量消耗、降低生產成本的有力工具。可模擬確定操作條件的變化以適應原料、產品 要求和環境條件的變化,也可模擬研究工廠合理化方案以消除“瓶頸”問題,或模擬采用先 進技術改善工廠狀況的可行性,如采用改進的催化劑、新溶劑或新的工藝過程操作單元。 現結合工程設計實例討論ChemCAD軟件在化工課程設計中的應用。 1. 設計任務及條件： 設計任務及條件 務及條件 某廠以甲醇、 氧氣和一氧化碳為原料， 通過液相羰基氧化法反應生成含碳酸二甲酯 和甲醇的混合物。經萃取精餾、普通精餾等工序獲得純度較高的碳酸二甲酯。產品混合 物經過精餾分離出的甲醇返回循環使用。 現要求設計一采用萃取精餾的方法， 利用鄰二 甲苯做萃取劑從碳酸二甲酯中分離出甲醇的精餾裝置。 要求從塔頂餾出的甲醇中， 甲醇 的含量高于99.5%（mol %，下同） ，釜液中碳酸二甲酯含量要求>98%。設計分離方案： 來自液相氧化羰基化反應器的產品進入萃取精餾塔， 經過精餾分離， 塔頂回收高純度的 甲醇，塔釜液（主要成分是鄰二甲苯）進入碳酸二甲酯產品塔，經經分離提純后塔頂得 到符合規定質量指標的產品碳酸二甲酯。 2. 過程模擬： 過程模擬 2.1.1 選擇和定義組分 啟動ChemCAD 6.0后，點擊頂層菜單中的Thermophysical，彈出下拉菜單選擇 select component，點擊出現圖框可以直接在列表中選擇所需的物質。 2.1.2 繪制流程圖 點擊設備面板選擇所需設備，進、出料線，并用單元連接線連接。在ChemCAD中， 有 2 類蒸餾單元模塊，一類是簡捷精餾模型SHORTCUT Column，一般用來給嚴格計算提 供初值；另一類是嚴格計算型，包括TOWR Column、TOWR PLUS Column、SCDS Column 模 塊。其中 TOWR 是精確的規范塔模塊。TOWR PLUS 是帶有側線物流和側線供熱和急冷以 及泵回路的復雜塔模塊，SCDS 即嚴格聯立校正精餾模塊，主要用Newton Raphon 數學 收斂方法來模擬非理想K值化學系統。根據這3種嚴格計算模塊的各自特點，本系統選 用SCDS。如圖所示，①設備即苯回收塔，塔塔頂分離出苯；②設備即乙苯產品塔!塔頂 分離出乙苯。 2.1.3 選擇熱力學模型 點擊頂層菜單中的Thermophysical，彈出下拉菜單，點擊K-values，如圖。同理，點擊 enthalpy選擇焓模型。物性計算準確與否是模擬計算成功的關鍵。根據經驗本系統選用 UNIT狀態方程進行K值和焓的計算。 2.1.4 定義進料物流 點擊進料，。如下左圖。 2.1.5 詳細定義各單元操作 雙擊流程圖上每個單元操作的圖標，提供所需工藝數據。如上右圖。 2.1.6 進行模擬運算 右擊單元操作，運行設備。 2.2 模擬計算結果與比較 將模擬計算結果進行整理如表，結果符合要求。 Job Name: Untitled Stream No. 4 Stream Name Date: 05/14/2011 Time: 14:18:44 1 2 3 4 Temp C 200.0000* 69.9024 140.1860 118.2896 Pres MPa 0.1200* 0.1200 0.1200 0.1200 Enth MJ/h -5067.5 -24325. -7380.1 -7040.9 Vapor mole 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 Total kmol/h 200.0000 109.0945 206.9055 16.7644 Total kg/h 21233.3995 4148.9323 21729.9290 1549.6692 Total std L 23.9980 5.0156 23.9898 1.1977 Total std V 4482.73 2445.21 4637.51 375.75 Flowrates in Methyl Alcohol 0.0000 3203.5067 0.6934 0.6934 Trioxane 0.0000 125.4690 1315.7947 1279.6722 1,2-Dimethylbe 21233.3995 819.9564 20413.4409 269.3036 Stream No. 5 6 Stream Name Temp C 150.4104 80.0000* Pres MPa 0.1200 0.5000* Enth MJ/h 25.879 -31424. Vapor mole fraction 0.00000 0.00000 Total kmol/h 190.1411 116.0000 Total kg/h 20180.2608 4645.4640 Total std L m3/h 22.7921 5.0074 Total std V m3/h 4261.76 2599.98 Flowrates in kg/h Methyl Alcohol 0.0000 3204.2000 Trioxane 36.1224 1441.2640 1,2-Dimethylbenz 20144.1381 0.0000 2.3 結論 將化工流程模擬軟件ChemCAD用于甲醇回收塔和DMC分離塔模擬， 計算結果可靠。 結論與展望 化工過程穩態模擬經過了近50年的發展，已經廣泛的應用于煉油、石油化工、精 細化工、電池工業等化工領域，如常減壓、加氫、催化裂化、氣體分餾、芳烴分離、乙 烯、環氟乙烷、天然氣、油田氣分離、合成氮、燃料電池等過程。在醫藥、農藥、造紙 和環保等行業也一定應用。目前對于石油餾分和烴類物質的計算已經相當準確、可靠， 達到了無需小試、巾試，模擬結果可直接用于工業裝置設計的程度。 未來計算機過程模擬軟件呈現以下發展趨勢：①軟件開發的標準化；②可擴展性； 多接口能力；③模型計算精確化；④從穩態模擬到動態全生命周期模擬；⑤與計算流體 動力學的縫合，功能多樣化；⑥高度集成，模擬--監視--控制一體化；⑦管理控制網絡 化；⑧并行計算。 隨著計算機技術，數值計算方法與優化理論的發展，使得更復雜、更精確的 計算模型不斷涌現，模擬結果更加接近實驗。工程過程模擬技術必將為化學工業 帶來更大的進步。 參考資料 [1] 王 莉.化工軟件ChemCAD簡介及其數據實時性顯示的實現，2010,(19). [2] Chemstations公司.ChemCAD使用手冊，2004，(10). [3] 陸恩錫，張慧娟.化工過程模擬及相關高新技術(Ⅱ)化工過程動態模擬 [J]. 化工進展，2000，(01). [4] 王亮，呂文祥，黃德先.動態流程模擬及其在精餾塔的操作分析中的應用 [J]. 計算機與應用化學,1006，(01). [5] 張良佺.多組分復雜體系精餾塔故障診斷及生產優化研究[J].計算機與應 用 化學，2007，(04). [6] 陳良，張海燕.化工過程模擬實驗室的建設規劃與研究[J].化工時刊， 2008， (06). [7] 李芳，張翠歌，唐定興.CHEMCAD 在化工原理課程中的應用-化工數據獲取[J]. 滁州學院學報,2010，(05). [8] 梁屹珉.ChemCAD 軟件中的模擬反應模塊的使用,2008,(06).

標簽：求是化工大神