采用CHEMCAD软件强化_化工分离过程_课程教学

采用ChemCAD模拟乙酸丁酯催化反应精馏过程齐向娟Ξ　李士雨　天津大学化工学院　天津　300072摘要　采用美国Chemstation公司开发的化工流程模拟软件ChemCAD,模拟催化反应精馏法制备乙酸丁酯过程。

模拟过程中选用NRTL模型计算物系热力学性质,选用化学平衡反应器模型(EREA)模拟化学反应过程,选用同时校正法精馏塔模型(SCDS)模拟反应精馏过程。

关键词　反应精馏　ChemCAD　模拟　乙酸丁酯1　概述反应精馏是将化学反应与精馏分离结合在同一设备中进行的一种耦合过程。

同传统生产工艺相比,反应精馏具有选择性高、转化率高、生产能力高、产品纯度高、投资少、操作费用低和能耗低等特点,因而受到人们极大的关注[1]。

为了有效地设计、放大、操作和控制反应精馏过程,对其有效地进行计算机模拟是非常必要的。

然而,由于反应精馏过程特殊的复杂性,模拟计算存在很大难度,文献中比较多的作法是对特定的过程编写特定的计算机模拟程序[2-5]。

近年来,通用流程模拟软件也扩充了反应模块,反应精馏过程也可运用通用流程模拟软件模拟,但是,不同流程模拟软件的使用方法不尽相同。

ChemCAD是美国Chemstation公司开发的化工流程模拟软件,国际上约有300多个高校、800多个企业购买并使用该软件。

鉴于Chem2 CAD模拟反应精馏过程的案例尚少,本文以反应精馏法制备乙酸丁酯过程为背景,研究了利用ChemCAD模拟反应精馏过程的方法,通过比较实验结果和AspenPlus、Hysys软件的模拟计算结果验证ChemCAD模拟结果的可靠性,给出了ChemCAD模拟反应精馏过程的方法和案例。

2　过程模拟乙酸丁酯是一种重要的有机化工原料,广泛用于溶剂、涂料、医药、香料等工业[2,6]。

乙酸丁酯一般通过乙酸和正丁醇的酯化反应制得,该可逆反应一般需要强酸作催化剂,受化学平衡所限,至少应有1种反应产物连续采出,制备过程中反应精馏塔的使用可以提高反应转化率,同时实现分离目的,如图1所示。

目录第1章 CHEMCAD简介 (1)1.1 CHEMCAD的功能 (1)1.2 CHEMCAD的单元操作模块 (1)1.3 CHEMCAD的热力学方法 (2)1.4 CHEMCAD的其它特点 (2)1.5 使用CHEMCAD进行流程模拟步骤及示例 (6)本章作业 (41)第1章 CHEMCAD简介本章简要介绍CHEMCAD的功能、所包含的模拟单元模块、热力学数据库及物性估算模块以及CHEMCAD的其它特点，通过一个实例，展示了CHEMCAD的使用方法和部分功能。

本章既可作为CHEMCAD的入门章，同时，本章提供的实例涉及到了CHEMCAD的多种功能，故其也可作为后面学习时的参考。

1.1 CHEMCAD的功能CHEMCAD是美国Chemstation公司推出的一个可用于稳态和非稳态过程的化工过程模拟软件包。

利用CHEMCAD，化学工程师可以进行工程设计、操作优化、技术改造和新工艺的开发，还可通过过程模拟与分析，消除工艺和设备中的瓶颈，降低成本。

工程设计在工程设计中，无论是建设新厂还是对老厂进行改造，ChemCAD都可以用来选择方案，研究非设计工况的操作及工厂原料处理的灵活性。

通过一系列的工况模拟，可以优化工艺设计、避免错误、估计工艺条件变化对整个装置性能的影响，以确保工厂能在较大范围的操作条件内良好运行。

ChemCAD可以对板式塔（包含筛板、泡罩、浮阀）、填料塔、管线、换热器、压力容器、孔板、调节阀和安全阀(DIERS)进行设计和核算。

这些模块共享流程模拟中的数据，用户完成工艺计算后，可以方便地进行各种主要设备的核算和设计。

ChemCAD还提供了设备价格估算功能，用户可以对设备的价格进行初步估算。

优化操作对于老厂，由ChemCAD建立的模型可作为工程技术人员改进工厂操作、提高产品产率以及减少能量消耗的有力工具，可以用来确定在原料、产品要求和环境条件发生变化时操作条件应该发生的变化。

技术改造ChemCAD也可模拟研究工厂合理化方案，以消除“瓶颈”问题；或模拟研究采用先进技术改善工厂状况的可行性，如采用改进的催化剂、新溶剂或新的工艺过程操作单元。

前言计算机辅助化工过程实际已成为化工设计的基本手段，有效的利用化工模拟设计软件进行化工设计工作可以极大的提高工作效率。

讲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，《化工过程分析与合成》为我们介绍了美国Chemstations公司化工流程模拟软件Chemcad.ChemCAD的应用范围包含了化学工业细分出来的多个方面,如炼油、石化、气体、气电共生、工业安全、特化、制药、生化、污染防治、清洁生产等。

它可以对这些领域中的工艺过程进行计算机模拟并为实际生产提供参考和指导。

ChemCAD是一个具有强大功能的化工计算机模拟软件，可广泛应用于化学和石油工业、炼油等领域的工艺过程的模拟应用软件，是工程技术人员用来对连续、半连续或间歇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和现场装置吻合的数据模型,并通过运算模拟装置的稳态和动态运行,为工艺开发、工程设计以及优化操作提供理论指导。

在工程设计中,无论是建立一个新厂或是对老厂进行改造, ChemCAD都可以用来选择方案,研究非设计工况的操作以及工厂处理原料范围的灵活性。

工艺设计模拟研究不仅可以避免工厂设备交付前的费用估算错误,还可用模拟模型来优化工艺设计,同时通过一系列的工况研究,来确保工厂能在较大范围的操作条件内良好运行。

即使是在工程设计的最初阶段,也可用这个模型来估计工艺条件变化对整个装置性能的影响。

对于老厂,由ChemCAD建立的模型可作为工程技术人员用来改进工厂操作以提高产量产率、减少能量消耗、降低生产成本的有力工具。

可模拟确定操作条件的变化以适应原料、产品要求和环境条件的变化,也可模拟研究工厂合理化方案以消除“瓶颈”问题,或模拟采用先进技术改善工厂状况的可行性,如采用改进的催化剂、新溶剂或新的工艺过程操作单元。

CHEMCAD提供了大量的工作单元供用户选择，使用这些才做单元，基本能够满足一般化工厂的需要。

化工过程数值模拟及软件课程设计1. 引言化工过程数值模拟和软件设计是现代化工工业制造技术发展的重要方面。

通过数值模拟和软件设计，可以提高化工产品的品质和提高生产效率，减少生产成本。

因此，这门课程对于学生在化工行业中的发展至关重要。

2. 课程设计目的本课程主要旨在让学生熟悉化工过程数值模拟和软件设计的原理、方法和工具，培养学生应用所学知识和技能进行实际工程设计和研究的能力。

3. 课程教学内容3.1 化工过程数值模拟本内容包括了常见的化工过程的数值模拟，如流体力学模拟、热力学模拟、反应动力学模拟等。

学生将学习数值模拟的基本原理、方法和计算工具的使用。

3.2 软件设计本内容不仅包括了常见的软件设计方法和工具，还包括了与化工相关的软件设计，如化工数据库、化工仿真软件等。

学生将学习基本的软件设计理论、方法和工具，能够在化工行业中进行实际软件设计及应用。

4. 课程教学方法本课程采用“理论讲授+实践操作”的教学方式。

课堂理论讲授主要让学生掌握化工过程数值模拟和软件设计的基本理论知识。

实践操作通过指导学生使用化工过程数值模拟软件和软件设计工具进行仿真和设计，锻炼学生的实际操作能力。

5. 课程考核方式本课程采用考核方式为“实验报告+期末论文”，其中实验报告中将会考察学生的实验操作能力和实验结果分析能力，期末论文中将会考察学生的综合能力及数据处理和分析能力。

6. 课程教材本课程教材包括：•《化工过程数值模拟与优化》•《化工过程计算模拟》•《化工过程仿真与优化设计》除此之外，本课程还将提供各类化工过程数值模拟软件和软件设计工具的使用手册和教学资料。

7. 课程总结本课程旨在通过理论讲授和实践操作，让学生掌握化工过程数值模拟和软件设计的基本理论知识和实际操作能力。

同时，通过实验报告和期末论文的考核方式，提高学生的综合能力及数据处理和分析能力。

希望本次课程能够对学生在未来的职业发展中产生实际的指导意义和帮助。

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 、U PLM (UNIFAC for Polymers)、 W ilson 、T . K. Wilson 、HRNM Mo dified Wilson 、Van Laar 、Non-Rando m Two Liquid (NRTL) 、Margules 、GMAC (Chien-Null) 、Scatchard-Hildeb rand (Regular Solution)等。

焓计算方法包括 Redlich-Kwong 、 Soave-Redlich-Kwong 、Peng-Robinson、API Soave-Redlich-Kwong 、Lee-Kesler、Bene dict-Webb-Rubin-Starling 、Latent Heat 、Electrolyte 、Heat of Mixing by Gamma 等。

CHEMCAD.2-数据库简介：CHEMCAD是一种流程模拟软件，广泛用于化工工艺的设计、优化和分析。

CHEMCAD 的核心是其数据库，其中包含了大量的化学物质和工艺流程模型。

本文将介绍CHEMCAD.2数据库的特点和功能。

特点：1. 大量的化学物质数据：CHEMCAD.2数据库包含了数千种化学物质的物理化学性质数据，包括密度、粘度、热容、蒸汽压等。

这些数据是基于实验结果和文献资料进行整理和归纳的，可以帮助工程师准确地模拟各种化学反应和物质转化过程。

2. 多种工艺模型：CHEMCAD.2数据库还包含了众多的工艺流程模型，涵盖了各个领域的化工工艺，包括油田开发、炼油、化肥生产、聚合物生产等。

这些模型是基于化工工程学原理和实际生产经验构建的，可以帮助工程师快速地搭建流程模拟和优化模型。

3. 可更新的数据：CHEMCAD.2数据库定期更新，以保持其中的数据和模型的准确性。

用户可以通过软件的更新功能，获取最新的物理化学性质数据和工艺模型，确保模拟结果的可靠性。

4. 用户自定义数据：CHEMCAD.2数据库还允许用户自定义和添加数据，以满足特定工艺的需求。

用户可以根据实验数据和自己的知识，添加新的物质数据或修改现有数据，以获得更准确的模拟结果。

功能：1. 物性计算：CHEMCAD.2数据库可以根据用户输入的物质组成和条件，计算相应的物理化学性质，如密度、粘度、蒸汽压等。

这些计算结果可以作为模拟的输入和输出，帮助工程师理解和分析工艺过程。

2. 流程模拟：CHEMCAD.2数据库提供了丰富的化学反应和工艺流程模型，可以帮助工程师构建复杂的流程模拟模型。

用户可以将不同的模块和单元组合起来，实现整个工艺流程的模拟和优化。

3. 优化分析：CHEMCAD.2数据库还提供了多种优化算法，用于寻找最佳的工艺参数。

用户可以设置优化目标和变量范围，让软件自动调整参数，以得到最优的工艺设计。

4. 可扩展性：CHEMCAD.2数据库支持与其他软件和数据库的集成，可以与CAD软件、ERP系统和数据库管理系统等进行数据交换和共享。

引言概述：化工CAD是一种应用于化学工程领域的计算机辅助设计软件工具。

它为化工工程师提供了一种快速、准确且高效的设计和分析方法，可以大大提高化工产品的研发和生产效率。

本文将深入探讨化工CAD的工作原理、主要功能以及在不同领域的应用案例。

正文内容：一、工作原理1.1 CAD基础化工CAD基于计算机辅助设计（CAD）技术，利用计算机进行设计、建模和模拟。

它通过生成三维模型来代替传统的手绘图纸，实现了设计的数字化和自动化。

1.2 化工领域应用化工CAD的工作原理是基于化学工程的原理和计算方法，结合了化学反应、热力学和流体力学等原理。

它可以模拟和分析各种化工过程，包括反应器设计、设备布置和工艺优化等。

二、主要功能2.1 设计和建模化工CAD可以实现各种化工设备和装置的设计和建模。

它提供了各种建模工具和库，可以快速创建各种化工场景，并进行参数调整和优化。

2.2 流体模拟和分析化工CAD还可以进行流体模拟和分析，预测流体的流动和混合效果。

通过模拟分析，可以优化管道设计、提高混合效率和降低能耗。

2.3 热力学计算化工CAD还具有热力学计算功能，可以对各种化工反应进行热力学分析和计算。

通过分析反应热量、反应速率等参数，可以优化反应器设计和控制策略。

2.4 设备布局和优化化工CAD还可以进行设备布局和优化。

它可以根据工艺要求和场地限制，自动调整设备的位置和布局，提高生产效率和安全性。

2.5 可视化呈现化工CAD可以生成各种图形和动画，直观地展示工艺流程和设备运行状况。

这种可视化呈现可以帮助工程师和决策者更好地理解和评估设计方案。

三、应用案例3.1 石油化工化工CAD在石油化工领域广泛应用。

它可以模拟和优化炼油厂、化工装置等各种石化工艺，提高产品质量和生产效率。

3.2 医药化工化工CAD在医药化工领域有重要应用。

它可以辅助设计和优化药物合成过程，提高药物产率和质量，并保证生产的安全性。

3.3 环保工程化工CAD在环保工程中也发挥重要作用。