Chemcad在化工课程设计中的应用
摘要：介绍了化工流程模拟软件Chemcad的特点、作用，以精馏过程的工艺设计为实例说明其应用。
关键词：Chemcad软件，设计，应用
天津景茂科技发展有限公司是一家专业从事精馏设备和工业废气治理的高新技术企业并具有进出口资质。同时为国家AAA诚信企业。
化工课程设计是学习化工设计基础知识、培养学生化工设计能力的重要教学环节。计算机辅助化工过程设计以成为化工设计的基本手段，有效地利用化工模拟设计软件进行化工设计工作可以极大地提高工作效率。将模拟软件用于过程设计或过程模拟，对于当代的化工过程工程师已是一件很普通的工作。基于此，本院购进美国Chemstations公司化工流程模拟软件Chemcad。本文主要介绍该软件特点、模块功能作用，并以精馏过程的工艺设计实例较详细地对该软件的应用进行说明。
1.CHEMCAD软件概述：
CHEMCAD系列软件是美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件。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、优化操作和技术改造提供理论指导。
1.1使用CHEMCAD可以做的工作主要有以下几项：
A.设计更有效的新工艺和设备使效益最大化
B.通过优化/脱瓶颈改造减少费用和资金消耗
C.评估新建/旧装置对环境的影响
D.通过维护物性和实验室数据的中心数据库支持公司信息系统
1.2CHEMCAD中的单元操作：
CHEMCAD提供了大量的操作单元供用户选择，使用这些操作单元，基本能够满足一般化工厂的需要。 对反应器和分离塔，提供了多种计算方法。ChemCAD可以模拟以下单元操作：
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、膨胀机等50多个单元操作。
1.3热力学物性计算方法：
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，和13种焓计算方法。K值方法主要分为活度系数法和状态方程法等四类，其中活度系数法包含有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。焓计算方法包括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。
1.4使用CHEMCAD主要有以下步骤：
A.画出您的流程图
B.选择组分
C.选择热力学模型
D.详细指定进料物流
E.详细指定各单元操作
F.运行G.计算设备规格
H.研究费用评估方案
I.评定环境影响
J.分析结果/按需优化
K.生成物料流程图/报告
1.5CHENCAD的应用领域
A、蒸馏/萃取(间歇 &连续)
B、各种反应(间歇 &连续)
C、含电解质的工艺
D、热力学-物性计算
E、汽/液/液平衡计算
F、设备设计
G、换热器网络
H、环境影响计算
I、安全性能分析
J、投资费用估算
K、火炬总管系统
L、公用工程网络
1.6 CHEMCAD的其它特点
ChemCAD还具有容易使用、高度集成、界面友好等特点。它安装简便，支持各种输入设备，并具有详尽的帮助系统和强大的计算和分析功能。
另外，ChemCAD提供了网络版，最多25人同时并发使用。ChemCAD网络版价格低廉，最适合于学校教学及大型公司使用。
2 CHEMCAD蒸馏单元的模拟计算
在CHEMCAD蒸馏单元中，共有四种塔模块，包括TOWR Column，TOWR PLUS Column，SCDS Column和SHORTCUT Column 。其中，TOWR是精确的规范塔模块，TOWR PLUS是带有侧线物流和侧线供热和急冷以及泵回路的复杂塔模块，SCDS则是可以及时修正的塔模块。本实验所用的精馏塔模块主要是SCDS Column，下面介绍一下各个模块的特点：
2.1 SCDS简介
SCDS是汽液平衡模型,它模拟部分简单的塔的计算,如;蒸馏塔,吸收塔,再沸吸收塔,和分馏塔.副产品和副热/冷器也可以出现在SCDS的严格模型中,默佛里塔板效率也常在SDCS中模拟与输出，SCDS操作塔根据无限层和5个输入流,4个副产品,这里没有限制SCDS在流程图里的数目.
SCDS强调规格的多样性,比如,总摩尔流比率,热负荷,回流比,蒸出速率,温度,分馏摩尔数,分馏回收,成份比率及产品中部分物流的比率.
这些模型能够模拟严格的两相或三相蒸馏系统.如果计算三相系统,用户可以选择将一相液体加入冷凝器,然后回流其它相.
SCDS的主要构成是模拟化学系统中非理想K值.它用于Newton-Raphon数学收敛和计算并引出严格的方程式,包括DK/DX(引出主要混合物的K值).方面,即有效模拟化工系统.SDCS的运行时间通常大于其它特殊TOWR模组,当组分超过10种且较为复杂时.
2.2TOWR简介：
TOWR是一种精确的多级气液平衡模块，它可以模拟任何单塔计算，其中包括蒸馏塔、吸收塔、再沸吸收塔和汽提塔。TOWR还可以精确的模拟测线产品和侧面供热和降温。TOWR最多可以处理5种进料流和4种侧线产品。在工艺流程图中，对TOWR的数量没有限制。
TOWR提供了各种技术规范便于用户使用。用户可以指定冷凝器，再沸器或塔板条件。各种技术规范，诸如整体摩尔流动速度，热负荷，回流比，沸腾比，温度，摩尔分率，回收率，相对流动速度，产品的重量和分子量等在TOWR中都有明确的说明。
通常，TOWR的收敛速度比主板计算模块SCDS要快。
2.3 TOWR.PLUS简介：
当所模拟的装置或物流数量较多，就可以使用TOWR.PLUS。它可模拟带有侧线汽提塔，泵回路，侧线供热、急冷和侧线产品的塔。它是为模拟塔而设计的，但它也可以模拟任何单塔计算，其中包括蒸馏塔，吸收塔，再沸吸收塔和汽提塔。侧线汽提塔，泵回路都看作是TOWR.PLUS模块的一部分并且与主塔计算同时进行，不需要再循环计算。冷凝器中自由水的分离可以由用户设定从任意塔板上流出。一个工艺流程图中最多允许50个塔单元操作。
TOWR.PLUS提供了一系列技术规范以方便用户使用。用户可以指定冷凝器，再沸器或任何塔板条件。各种技术规范，诸如整体摩尔流动速度，热负荷，回流比，再沸比，温度，体积流速，摩尔流速，质量流速，任何体积分数中的TBP/D86温度，溢流，气液比，产品分数，分子质量，气体压力，沸点，闪电和回收率都可以在TOWR.PLUS模块中指定。
2.4 SHORTCUT简介：
SHORTCUT蒸馏模块是用Fenske-Underwood-Gilliland方法模拟具有一股进料和两股出料的简单蒸馏塔。进料位置可以通过Fenske或Kirkbride平衡计算得之。但是SHORTCUT蒸馏模块计算方法不适合塔设计，在这种情况下多用TOWR和TOWR.PLUS模块
3应用举例（一）
3.1设计条件
|
处理量(万吨/年)（8000h） |
16 （16×/8000 = 2× |
|
进料组成(质量分率) |
52% (苯) 48%(甲苯) |
|
操作压力 |
常压 |
|
进料状态 |
露点 |
|
分离要求 |
塔顶苯含量≥95% 塔釜苯含量≤2% |
|
完成日期 |
|
3.2设计要求
根据化工原理课程设计的要求，板式精馏装置的设计应包括以下主要内容：
A设计方案的说明：对所给或选定的整个精馏装置的流程、操作条件和主要设备的型式等进行简要的论述。
B精馏塔的设计计算：确定精馏塔所需的塔板数以及塔的主要尺寸。
C装置的辅助设备，如再沸器、冷凝器等的选择或计算。
D描绘精馏装置的工艺流程图和精馏塔的的设备工艺条件图，编写板式塔精馏装置设计的说明书。
3.3应用软件模拟设计
3.3.1步骤
（1） 保存文件*.ccx
点击程序左上角的工具栏“file”，在出现的菜单中点击“New”，即可出现如下的对话框
在对话框中，填入文件名 “chemical”，点击“保存” ，即可出现以下绘画画面
（2）画流程图
先进行简捷计算。单击第七行第七列的塔（shortcut模块），然后在左面空白出单击左键，即可画得一精馏塔。同理，画出进料管线“红色箭头”与出料管线“蓝色管线”，用标有“stream”的折线连接，如下图
（3）设置单位
将“Simulation/Graphic”锁定在Simulation，下拉菜单“Format” “Engineering Units”
可出现如下画面：
如选择“Si”制，将“Presure”设置为“kpa”，单击“ok”。
（4）选择组分
点击工具栏“Thermophysical” “component list”，出现以下画面：
在“search for”中填入“４０”，点击“add”即可在左面的空白区看见“４０ benzene”，表示已经选中第一组分苯。同理选中第二组分甲苯 41，点击“ok”。
（5）选择热力学模型
点击“thermophysical” “k-values”，出现画面：
如选SRK方程，点击“ok”，即可。
同样,点击“thermophysical” “enthalpy”，选择SRK方程，点击“ok”即可。
（6）详细定义进料物流
双击红色箭头后方框内的流股1，填写数据如下所示：
其中温度、压力和气象组成三者可任选两个填入，注意：不可三者都填。将苯和甲苯的进料流量组成填入，设置完后单击ＯＫ即可。
（7）详细定义各单元操作
双击塔1（设备1），可得如下画面，其中在“Light key split”中填入
，在“Heavy key split”中填入
，在R/Rmin中填入一个倍数，如1.5。单击OK。
（8）运行模拟计算，并显示计算结果
按住圆内的１，点右键，选择运行：
再双击圆内的１，出现如下画面，显示计算结果
可知运算的的理论板数为１４块，进料板是第７块，单击ＯＫ
Overall Mass Balance kmol/h kg/h
Input Output Input Output
Benzene 133.338 133.338 10415.602 10415.602
Toluene 104.342 104.342 9614.132 9614.132
Total 237.680 237.680 20029.734 20029.734
Shortcut Distillaton Summary
Equip. No. 1
Name
Mode 2
Light key component 1.0000
Light key split 0.9573
Heavy key component 2.0000
Heavy key split 0.0427
Reflux ratio 1.5000
Number of stages 161.0055
Min. No. of stages 8.0463
Feed stage 81.0028
Condenser duty MJ/h -10267.8535
Reboiler duty MJ/h 2547.0806
Reflux ratio, minimum 1.8834
Calc. Reflux ratio 1.5000
（9）严格计算
简捷计算所得结果可作为严格计算的初值
选择第七行第四列的模块ＳCDS column #1，画出流程图
以下操作步骤完全与上述相同，只是第（7）步画面不同于前者，如下：
点击Specifications，例如选择冷凝器6，填入组分Specification（
） ；选择再沸器6，填入组分Specification（
）。
点击General ，填入No.of stages（理论板数）14 ，Feed stages （进料板）7。OK
（10）运行 列出物料衡算表
Scds Rigorous Distillation Summary
Equip. No. 2
Name
No. of stages 14
1st feed stage 7
Condenser mode 6
Condenser spec. 0.9573
Cond. comp i 1
Reboiler mode 6
Reboiler spec. 0.0235
Rebl. comp i 1
Cond duty MJ/h -16170.7314
Reblr duty MJ/h 8458.3379
Reflux mole kmol/h 382.3582
Reflux ratio 2.7948
Reflux mass kg/h 30096.5410
Column diameter m 1.9812
Tray space m 0.6096
No of sections 1
No of passes (S1) 1
Weir side width m 0.2159
Weir height m 0.0508
System factor 1.0000
（11）设备尺寸计算 点击 Sizing Trays，在Select unitops 中填入2，OK 。
选择塔板类型，Valve Tray（浮阀塔板），OK。出现如下画面：
如选板间距0.6m，点击ok，
出现如下数据（只列出第二块板的设计结果）
CHEMCAD 5.2.0 Page 1
Job Name: chemical2 Date:04/18/2003 Time:15:04:35
Vapor 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.
Valve 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
Downcomer clearance m ................ 0.044
Downcomer head loss m ................ 0.006
Downcomer backup m ................ 0.184
Downcomer residence time, sec ................ 3.265
Liquid holdup m3 ................ 0.151
Liquid holdup kg ................ 122.406
Design pressure, atm ................ 1.000
Joint efficiency ................ 0.850
Allowable stress atm ................ 932.230
Corrosion allowance m ................ 0.001
Column thickness m ................ 0.000
Bottom thickness m ................ 0.000
3.3.2 TPXY图 XY图
点击Plot TPXY，出现如下画面：
填入组分如上，第一组分苯，第二组分甲苯，大气压1atm，No. of point 10点
OK ，即可出现如下：
温度—组成图
苯—甲苯组成图（X—Y相图）
4 应用举例（二）
4.1设计任务及条件
某厂以苯和乙烯为原料，通过液相烷基化反应生成含乙苯和苯的混合物。经水解、水洗等工序获得烃化液。烃化液经过精馏分离出的苯返回循环使用，而从脱除苯的烃化液中分离出乙苯作为生产苯乙烯的原料。现要求设计一采用常规精馏的方法，从烃化液中分离出苯的精馏装置。要求从塔顶馏出的苯液中，乙苯的含量低于０.５％（摩尔分数，下同）。釜液中苯含量要求小于０.２％。塔顶馏出液及釜液要求降至４０
，其它条件如下所述。
4.1.1烃化液的流量及组成
烃化液参数如下表所示。
烃化液流量及组成表
|
组分名称 |
苯 |
甲苯 |
乙苯 |
二甲苯 |
二乙苯 |
三乙苯 |
焦油 |
水 |
|
|
组成 |
摩尔分数 |
0.5982 |
0.00602 |
0.3091 |
0.00906 |
0.06278 |
0.00311 |
0.00556 |
0.00608 |
|
流量 |
质量流量／（kg/h） |
14082.9 |
|||||||
|
摩尔流量 /（kmol/h） |
154.63 |
||||||||
|
温度/ |
60 |
||||||||
4.1.2公用工程条件
A 加热蒸汽等级：０.９Mpa(绝)。
B 循环冷却水：３０。
C 电容量可满足需要。
4.2分离工艺流程
通过考察实际生产装置，结合设计条件和要求拟定原则，工艺流程方案如图５-１所示。由Ｐ-１０１ 泵将烃化液从中间罐Ｖ-１０１中引出， 送至进料预热器Ｅ-１０１，在 Ｅ-１０１中与釜液换热回收热量被预热至９５，进入Ｔ-１０１塔中。Ｔ-１０１塔所需热量由再沸器Ｅ-１０２加入驱动精馏过程后，其热量由冷凝器Ｅ-１０３从塔顶移出，使塔顶蒸汽全部冷凝。凝液经回流泵Ｐ-１０３Ａ／Ｂ一部分送至Ｔ-１０１塔顶作为回流，余下部分作为产品送至冷却器Ｅ-１０５，冷却至４０，然后进入产品罐Ｖ-１０４中。 Ｔ-１０１塔排出的釜液经Ｅ-１０１与进料换热后，由 Ｅ-１０４再次冷却至４０，然后进入产品罐Ｖ-１０４中。
4.3过程模拟
在所画流程图中，3号塔（苯—乙苯塔）塔顶分离出苯，塔底分离出乙苯；5号塔（乙苯—二乙苯）顶分离出乙苯，塔底分离出二乙苯
流程图
乙苯—二乙苯塔模拟结果
|
物料名称 |
进料 |
塔顶馏液 |
釜液 |
|||||
|
生产值 |
Aspen plus计算值 |
Chemcad计算值 |
生产值 |
Aspen plus计算值 |
Chemcad计算值 |
|||
|
组成（摩尔分率） |
苯 |
1.195142E-7 |
0.00028 |
1.5E-7 |
1.153661E-7 |
|
4.49E-15 |
1.809147E-20 |
|
甲苯 |
0.001301378 |
0.00184 |
5.3E-5 |
0.001673199 |
|
2.32E-9 |
2.226303E-10 |
|
|
乙苯 |
0.7920002 |
0.99652 |
0.99994 |
0.9960001 |
0.11548 |
0.1109 |
0.07799914 |
|
|
二甲苯 |
0.02325865 |
0.00129 |
2.51E-6 |
0.002326426 |
0.09606 |
0.1004 |
0.09652166 |
|
|
二乙苯 |
0.1611802 |
0.0007 |
5.2E-8 |
1.078943E-12 |
0.69276 |
0.69332 |
0.7253126 |
|
|
三乙苯 |
0.007984558 |
|
1.5E-20 |
1.47715E-21 |
0.03428 |
0.034346 |
0.0359306 |
|
|
焦油 |
0.01427464 |
|
8.9E-30 |
2.636403E-20 |
0.06142 |
0.061403 |
0.06423603 |
|
|
水 |
1.999823E-7 |
|
1.3E-7 |
2.571199E-7 |
|
2.17E-13 |
1.398E-18 |
|
4.3.2 3塔结果尺寸设计结果如下（只列出塔顶第一块板的结果）
Equip. 3 Tray No. 2
Tray Loadings Vapor Liquid
10803.227 kg/h 3471.463 kg/h
3343.239 m3/h 4.295 m3/h
Density 3.231 kg/m3 808.327 kg/m3
System factor ................ 1.000
Valve type : V-1
Valve material : S.S.
Valve thickness, gage ................ 12.000
Deck thickness, gage ................ 14.000
Tower internal diameter, m ................ 1.067
Tray spacing, m ................ 0.610
No. of tray liquid passes ................ 1
Downcomer dimension, Width m Length m Area m2
Side 0.083 0.570 0.032
Avg. weir length m ................ 0.570
Weir height, m ................ 0.051
Flow path length m ................ 0.902
Flow path width m ................ 0.921
Tray area, m2 ................ 0.894
Tray active area m2 ................ 0.830
% flood ................ 59.010
Hole area m2 ................ 0.158
Approx # of valves ................ 133
Tray press loss, m ................ 0.073
Tray press loss, MPa ................ 0.001
Dry press drop, m ................ 0.044
Downcomer clearance m ................ 0.044
Downcomer head loss m ................ 0.000
Downcomer backup m ................ 0.134
Downcomer residence time, sec ................ 3.571
Liquid holdup m3 ................ 0.029
Liquid holdup kg ................ 23.157
Design pressure, MPa ................ 0.120
Joint efficiency ................ 0.850
Allowable stress MPa ................ 94.458
Corrosion allowance m ................ 0.001
Column thickness m ................ 0.002
Bottom thickness m ................ 0.009
4.3.3 5号塔顶板
Equip. 5 Tray No. 2
Tray Loadings Vapor Liquid
55563.566 kg/h 50590.883 kg/h
17039.765 m3/h 66.503 m3/h
Density 3.261 kg/m3 760.725 kg/m3
System factor ................ 1.000
Valve type : V-1
Valve material : S.S.
Valve thickness, gage ................ 12.000
Deck thickness, gage ................ 14.000
Tower internal diameter, m ................ 2.286
Tray spacing, m ................ 0.600
No. of tray liquid passes ................ 1
Downcomer dimension, Width m Length m Area m2
Side 0.311 1.568 0.335
Avg. weir length m ................ 1.568
Weir height, m ................ 0.051
Flow path length m ................ 1.664
Flow path width m ................ 2.064
Tray area, m2 ................ 4.104
Tray active area m2 ................ 3.434
% flood ................ 72.248
Hole area m2 ................ 0.652
Approx # of valves ................ 551
Tray press loss, m ................ 0.114
Tray press loss, MPa ................ 0.001
Dry press drop, m ................ 0.065
Downcomer clearance m ................ 0.044
Downcomer head loss m ................ 0.012
Downcomer backup m ................ 0.206
Downcomer residence time, sec ................ 3.744
Liquid holdup m3 ................ 0.237
Liquid holdup kg ................ 180.619
Design pressure, MPa ................ 0.100
Joint efficiency ................ 0.850
Allowable stress MPa ................ 94.458
Corrosion allowance m ................ 0.001
Column thickness m ................ 0.000
Bottom thickness m ................ 0.000
5 结束语
CHEMCAD工程模拟软件为辅助教学、化工原理课程设计、毕业设计等提供了可靠的帮助。