化工模拟软件-ChemCAD.doc

化工模拟软件ChemCAD化工流程模拟就是用数学模拟表达一个由许多单元过程组成的化工过程，然后用计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型，得到有关化工过程性能的信息。ChemCAD就是其中一种。一 ChemCAD的发展ChemCAD是由美国Chemstations公司1984年开发的全流程化工模拟软件。ChemCAD是一个用于化学和石油工业、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。 用户已有四千多家 。Chem CAD可作稳态模拟和动态模拟，如表1所示：表1：Chem CAD模拟用途Chem CAD中各模块共同拥有软件的基本功能（COMMON FEATURES），图形接口一致且容易使用，并且提供AIChE的DIPPR纯物质物性数据库、完整的热力学计算方法及参数、数据拟合功能、各式设备选型、在线相关工具等功能。根据单元操作的特性分为CC-STEADYSTATE-化工稳态过程仿真模块、CC-DYNAMICS-化工动态过程仿真模块、CC-THERM换热器设计及选型模块、CC-BATCH-间歇蒸馏模块、CC-RECON-现场资料拟合模块和CC-SAFETYNET-紧急排放系统及管网计算模块。Chem CAD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。其中针对反应器和分离塔，提供了多种计算方法，通过Window交互操作功能，Chem CAD还可以和其它应用程序交互作用：使用者可以迅速而容易地在Chem CAD和其它应用程序之间传送模拟数据。Chem CAD在三个不同层次上支持这种交互操作性，这些新的功能可以把过程模拟的效益大大扩展到工程工作的其它阶段中去。Chem CAD的特点有：安装简单，支持各种输出设备，切面体贴用户，详尽的帮助系统，作业和工况管理方便，使用灵活，强大的计算和分析功能，即时生成工艺流程图，多种报告格式，即成了设备标定模块及工具模块，支持动态模拟，经济评价功能，数据回归系统等等。Chem CAD界面如图1所示：图1：Chem CAD界面其中从上向下分别是标题栏，菜单栏，工具栏，左上方空白处为工作区，左下方空白处为提示区。二 ChemCAD的应用现在分别针对Chem CAD中反应器，换热器，精馏塔进行详细分析：2.1 反应器2.1.1 模拟反应器的模型和特点在标准的ChemCAD软件中，常用的反应器有化学计量反应器(Stoichiometric reater)、平衡反应器(Equilibriumreacter)、Gibbs反应器(Gibbs reacter)和动力学反应器(Kinetic reacter)等反应器模块。这些反应器模型能基本满足一般化学反应过程的工艺计算。主要反应器类型如图l所示。 图2：化学反应器的类型其中化学计量反应器用于单一反应，该反应器采用用户给定的化学计量系数和反应程度等条件，可以模拟得到反应过程的物料平衡和能量平衡的一系列热力学数据。平衡反应器可用于单一或多反应，该反应器采用用户给定的平衡或转化率，可以模拟得到用户需指定关键组分的平衡或转化率，通过解平衡方程及质量和能量平衡计算可以得到产率、组成、热条件等。Gibbs反应器用于混合物反应，该反应器用线性代数确定独立反应体系；该模块基于Gibbs自由能最小化来估算反应程度，并假设反应速度相同、催化剂性能完好。动力学反应器是用动力学速率表达式模拟反应动力学的精确模型，并根据反应器的结构特点分为平推流式反应器模型和连续搅拌釜式反应器模型；当定量给出反应速率、反应程度和反应器容积时，动力学反应器模型可计算反应器尺寸。 表2：Chem CAD反应器功能分类2.1.2 模拟反应过程的实现采用ChemCAD软件来模拟化学反应过程的操作比较简单。首先要建立反应过程模拟流程，输入反应组成和必要的热力学、动力学参数，选定热力学和动力学模型，软件运行后可得到反应过程设计的基本数据。现对化学平衡反应器模拟过程进行详细分析：以丙烯与双氧水制环氧丙烷为例，其主反应与副反应方程为：模拟图如图3所示：图3：模拟图其中进反应器前的处理归为原料预处理，不做详细说明。模拟效果如表3，表4所示：由表可知，在平衡反应器中反应充分进行，生成产物PO以及副产物丙二醇和丙二醇单甲醚，从反应结果数据可知，Chem CAD是对事实的模拟，它对化工的发展起到了巨大的推动作用。 表3：反应器进口处物料 表4：反应器出口处物料2.2 换热器2.2.1 模拟换热器的模型和特点 换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。在Chem CAD中根据用途将换热器分为:单股物流和两股物流的，其中，单股物流分为：管壳式，板式，翅片式，空冷器，热质同时传递；而两股物流的可分为：管壳式，不同进出口方向型，液相进气液出型，釜式和U型管式。如图4所示：单股物流：管壳式： 板式： 翅片式： 空冷器： 热质同时传递： 两股物流：管壳式： 不同进出口方向型： 液相进气液出型 ： 釜式： U型管式 : 图4：换热器2.2.2 模拟换热过程的实现换热器在模拟过程中的作用是使物料从一个温度变为我们所需的温度，模拟图如图5所示：图5：换热器模拟图模拟结果如表5,6所示： 图5：物流1温度压力 图6：物流2温度压力从模拟效果可看出：此换热器按照规定将物料从20加热到40，模拟效果很好，且符合真实现象。2.3 精馏塔2.3.1 模拟精馏塔的模型和特点典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、再沸器、冷凝器等。精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为回流液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降，进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。进料口以上的塔段，把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。两段操作的结合，使液体混合物中的两个组分较完全地分离，生产出所需纯度的产品。精馏之所以能使液体混合物得到较完全的分离，关键在于回流的应用。回流包括塔顶高浓度易挥发组分液体和塔底高浓度难挥发组分蒸气两者返回塔中。汽液回流形成了逆流接触的汽液两相，从而在塔的两端分别得到相当纯净的单组分产品。塔顶回流入塔的液体量与塔顶产品量之比，称为回流比，它是精馏操作的一个重要控制参数，它的变化影响精馏操作的分离效果和能耗。Chem CAD模拟分离过程：简捷分离，严格精馏，吸收过程。精馏塔是实现分离最常用的分离装置。分离是利用混合物中各组分性质的差异，从而进行有效分离。精馏塔是利用各组分之间相对挥发度的差异对物料进行分离的。Chem CAD中精馏塔有：Shortcut塔 ，Tower塔 ，SCDS塔，Tower Plus塔 ，如图6所示： 图6：精馏塔类型其中，Shortcut塔用于简捷分离运算，而Tower塔 ，SCDS塔，Tower Plus塔用于严格分离计算。在使用Chem CAD模拟时，先使用Shortcut塔，规定回流比R，分离的轻关键组分和重关键组分，进行模拟，模拟得到总板数和进料板数，焓值，及实际回流比，在把精馏塔换为严格计算的精馏塔，如：SCDS塔，把Shortcut塔模拟的数值按要求填入，进行模拟，若收敛，则模拟成功。2.3.2模拟精馏过程的实现模拟过程如图7所示：Shortcut塔模拟图Shortcut塔模拟结果：SCDS塔模拟图图7：精馏塔模拟过程模拟结果如图7，8所示： 表7：塔顶物流质量分率 表8：塔釜物流质量分率从模拟结果可知：塔顶丙烯的质量分率达到98.3%，比简捷计算的结果低，更切近事实，更可信。二 ChemCAD的前景ChemCAD为常用的通用流程模拟系统，指并非针对特定流程开发的，对不同流程均可使用的，带有通用性的化工流程模拟系统。它备有通用的，可供用户选择的各种单元操作方法，个中物理性质和热力学性质计算方法，系统分解和收敛方法，工程费用和操作费用的资料以及数值方法程序库等等。ChemCAD对于连续的化工生产装置，稳态过程的流程模拟已经有成功的应用，石化炼油装置对于产品组成的调整都必须以模拟计算结果为根据；而对于中小型化工生产车间，单元操作模型也能有很好的应用。ChemCAD不仅适用于教学，而且对化工设计的模拟有很大的帮助，是化工人不可或缺的模拟工具。参考文献：1傅承碧 ，徐铁军 流程模拟软件ChemCAD在化工中的应用北京：中国石化出版社，2011.3.2李国庭 ，陈焕章，黄文焕，崔群 化工设计概论北京：化学工业出版社，2008.7.3邬慧雄 ChemCAD典型应用实例 （下）北京：化学工业出版社，2006.8.4梁屹珉 ChemCAD软件中的模拟反应模块的使用期刊：广东化工，2008.6.25.5陈虹， 李敏， 王涛， 张婷 化工过程模拟软件的应用进程期刊：四川理工学院学报，2010.10.20.6贾蓉，罗金生，张立杰 应用ChemCAD软件模拟反应精馏过程期刊：化工生产与技术 7http：wwwbipteducnxxszclhgChemcad_webindexchemcadhtml Chemcad软件 8http：wwwtechnostarcncomproducfchemcadhead_indexhtm Chemcad化工制程工艺模拟软件 9http：wwwseptechcrgmainl4，htm 计算机模拟计算与优化设计