ChemCAD教程 第 1 章 CHEMCAD 简介

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 1 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、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。 1.2 CHEMCAD 的单元操作模块 ChemCAD 提供了大量的单元操作模块供用户选择，对反应器和分离塔，提供了多种 计算方法。这些单元操作模块基本能够满足一般化工厂的需要。 ChemCAD 可以模拟以下单元操作： Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 2 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； 结晶罐、离心机、旋风分离器、湿式旋风分离器、文氏洗气器、袋式过滤机、真空过 滤机、压碎机、研磨机、静电收集器、干燥机、洗涤机、沉淀分离器； 间歇蒸馏、间歇反应器、PID 控制模块、流量控制阀、计录器模块(选项)。 ChemCAD 也可将每个单元操作串接起来，完成某一工段、车间或全工厂流程模拟。 随着版本更新，ChemCAD 不断扩充模块功能，或改进算法，或更新热力学数据库。 1.3 CHEMCAD 的热力学方法 ChemCAD 提供了标准、共享、用户三种组分数据库。标准数据库以 AIChE 的 DIPPR 数据库为基础，加上电解质共约 2000 多种纯物质。ChemCAD 允许用户添加多达 2000 个组 分到数据库中，可以定义烃类虚拟组分用于炼油计算，也可以通过中立文件嵌入物性数据。 ChemCAD 热力学数据库收录有 8000 多对二元交互作用参数供 NRTL、UNIQUAC、 MARGULES、WILSON 和 VAN LAAR 活度系数方法来使用。也可以采用 ChemCAD 提供 的回归功能回归二元交互作用参数。 ChemCAD 提供了热力学和传递性质计算软件包，可以计算 K 值、焓、熵、密度、粘 度、导热系数和面张力等物性。 ChemCAD 提供了大量的最新的热平衡和相平衡的计算方法，包含近 50 种 K 值计算方 法、10 余种焓计算方法。这些计算方法可以应用于天然气加工厂、炼油厂以及石油化工厂， 可以处理直链烃以及电解质、盐、胺、酸水等特殊系统。 ChemCAD 可以处理多相系统，也可以考虑汽相缔合的影响。ChemCAD 有处理固体 功能。对含氢系统，ChemCAD 采用一种特殊方法进行处理，可以可靠预测含氢混合物的反 常泡点现象。 ChemCAD 提供了热力学专家系统，可以帮助用户选择合适的 K 值和焓值计算方法。 ChemCAD 对于不同单元或不同塔板可以应用不同的热力学方法或不同的二元交互作 用参数。 1.4 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。 安装简单 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 3 ChemCAD 可以在 Windows95、98、XP、NT、2000 下运行，安装时不需要进行特别 的配置，只要正确安置了加密锁(或密钥)，一般都能正常运行。一个计算机的初学者也可独 立完成整个系统的安装。 支持各种输出设备 ChemCAD 支持各种输出设备，用以生成流程、单元操作图表、符号、工艺和 绘图的硬拷贝。可以输出到点阵打印机、激光打印机、支持 Adobe Postscript 语言的任何设 备以及绘图机等，也可以直接输出到文件，还可以将输出转换为 AutoCAD 的 DXF 格式。 如果 AutoCAD 和 ChemCAD 都安装在同一个计算机上，用户可以规定包含 AutoCAD 的位 置，所有由 ChemCAD 产生的 DXF 文件都会自动存到 AutoCAD 目录中。 界面友好 ChemCAD 一直以操作简单、界面友好而著称，目前的 ChemCAD 版本运行于 Windows95、98、XP、NT、2000 环境。根据 Microsoft Window 设计标准采用了 Microsoft 工具包及 Window Help 系统，使得 ChemCAD 对用户来说，外观及感觉和用户熟悉的其它 Window 程序十分相似。 ChemCAD 把屏幕分成 4 个区，顶行是状态区，显示作业目录、版本号等；第二行显 示顶层菜单，这些菜单项经过精心安排，从左至右正是使用 ChemCAD 进行模拟计算的逐个 主要步骤。每个顶层菜单下是一套弹出式菜单，这些菜单包括了 ChemCAD 内嵌的各个功能， 使用这些菜单可以完成模拟计算中所需进行的绝大部分工作。 主屏幕由流程窗口占据；屏 幕最下面一行被称为 One Line Help，为当前操作提供简单描述。屏幕布置简洁，以菜单系 统为基础，输入简明扼要，如此友好的图形人机对话界面使初学者很容易上手。 通过 Window 交互操作功能，使用者可以迅速而容易地在 ChemCAD 和其它应用程序 之间传送模拟数据：（1）模拟数据的拷贝/粘贴/联接。例如，通过拷贝 / 粘贴 / 联接功能 可以把一个塔的剖面和进出口流股模拟结果粘贴到一个 Excel 报表中去，以便进一步分析。 这就免去了手工抄写产生错误。（2）对模拟对象和数据的目标联接嵌入 OLE 自动界面。例 如，通过OLE自动界面可以用Visual Basic程序去控制你的模拟。可以用Visual Basic或Visual Basic for Applications ( VBA)程序编一个文档化的界面来存取和控制过程模型。（3）OLE 目 标的嵌入。例如，用 Visual Basic for Applications ( VBA)宏语言编一个工厂操作工用的界面 来联接 ChemCAD 的模型，使模型的某些计算结果直接显示在屏幕界面上来指导操作工操 作。 详尽的帮助系统 ChemCAD 的 Hand-Holding 可以象一个真正的老师一样，“手把手地”指导用户如何开 始和完成一个模拟计算的过程，指导用户完成流程生成步骤，提示组分输入，调用热力学专 家系统，一直到运算开始。完成问题的每一步时，ChemCAD 都会查对那一步完成的情况。 上文提到的“One line help”也是 ChemCAD 的一个特点。另外，随时随地的“F1”帮助可以解 答用户的大部分疑问。 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 4 输入系统采用了专家检测系统，使用户不必费心检查输入是否有遗漏或语句错误。专 家系统会自动指引你下一步应当输入什么数据，并显示每一步骤是否已正确地完成。 热力学方法的选择是模拟计算的一个难点，不正确的热力学方法将使得计算结果毫无 意义，ChemCAD 提供了一套热力学专家系统，输入温度和压力范围，ChemCAD 根据组分 及输入数据推荐一个合适的热力学方法，极大地方便了用户。 访问 CHEMCAD 网站，即 www.chemstations.net，可以了解 CHEMCAD 最新进展，获 得技术支持。 作业和工况管理方便 作业和工况管理功能使用户可以方便地恢复、拷贝或删除流程；对每个项目，可以输 入帐号和一些描述性语言，使得用户在开始项目时可以明确选择所需要的流程；ChemCAD 甚至还可以记录每个项目所花费的时间。 在 ChemCAD 系统中，每一个作业只对应于一个文件，不象其他流程模拟软件系统一 个作业一大堆文件。 使用灵活 使用 ChemCAD 用户可以定义新增组分、图标和符号，用户也可以利用简单的计算机 语言建立自己的设备模型和计算程序。ChemCAD 还考虑到多个用户使用同一台计算机时的 情况，不同的用户可以在不同的目录中定义自己的组分、图标和符号，互不干扰。 强大的计算和分析功能 ChemCAD 可以求解几乎所有的单元操作，对非常复杂的循环回路也可以轻松处理。 在 ChemCAD 中，用户可以指定断裂流股，可以通过 RUN 指令方便地控制计算顺序，这对 全流程模拟的收敛非常有利，可以加速循环的收敛。ChemCAD 的自动计算功能具备先进的 交互特性，允许用户不定义物流的流率来确定物流的组成。ChemCAD 还具有先进的优化和 分析功能。灵敏度分析模块可以定义 2 个自变量和多至 12 个因变量，优化模块可以求解有 10 个自变量的函数的最大最小值。 即时生成 PFD 图 ChemCAD 为用户形成工艺流程图（PFD）提供了集成工具。使用它，可以迅速有效 地建立 PFD。对指定流程，可以建立多个 PFD。如果以某种方式改变了流程，此改变情况 会自动影响到所有相关的 PFD，如果重新进行了计算，新结果也会自动传送到所有相关的 PFD。在 PFD 中，可以方便地加入数据框（热量和物料平衡数据）、单元数据框（单元操作 规定和结果）、标题、文字注释、公司代号等等。 格式可选 ChemCAD 允许用户按照要求输出报告。在报告中，可以选择输出的流股、单元操作， 对流股中包含的数据也可以进行定义。对蒸馏塔，可以输出包括回流比、温度、压力、每块 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 附注 “Wangyan”设置的“Accepted” Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 5 板上的汽液相流率等详细数据；对换热器，可以输出加热曲线。报告的格式也可以进行定义， 可以由用户决定小数点后的位数等。 集成了设备标定模块及工具模块 ChemCAD 集成了对蒸馏塔、管线、换热器、压力容器、孔板和调节阀进行设计和核 算的功能模块，包括专门进行空气冷却器和换热器设计和核算的 CC-Therm 模块。这些模块 共享流程模拟中的数据，使得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。 ChemCAD 在工具菜单中含有 CO2 固体预测、水合预测、减压阀和数据回归多个功能 模块。其中 CO2 固体预测模块计算 CO2 固体形成的逸度和初始温度；水合预测模块估算有 关烃和气体形成水合物的条件，同时也计算以游离水为基准的水合相组成；减压阀模块计算 紧急和正常情况下泄压阀的性能，包括燃烧模型和泄压模型； 支持动态模拟 Chemstations 公司开发了大量的动态操作单元，包括动态蒸馏模拟 CC-DCOLM，动态 反应器模拟 CC-ReACS，间歇蒸馏模拟 CC-Batch，这些模块都完全集成到 ChemCAD 中， 共享 ChemCAD 的数据库、热力学模型、公用工程和设备核算模块。 在动态模拟过程中，用户可以随时调整温度、压力等各种工艺变量，观察它们对产品 的影响和变化规律。还可以随时停下来，转回静态。ChemCAD 提供了 PID 控制器、传递函 数发生器、数控开关、变量计算表等进行动态模拟的控制单元，利用它们可以完成对流程中 任何指定变量的控制。利用动态模拟，用户可以： （1）确定开停工方案 使装置安全、平稳地开车启动或停工是生产中的关键技术。用 ChemCAD 可以模拟开 停工过程，看到开停工过程中的各种工艺参数的变化，从而研究各种开停工方案。 （2）计算特殊的非稳态过程 当系统内部压力、温度不稳时，用稳态软件不能计算系统紧急放空，只能靠 ChemCAD Dynamical 的过程传递函数，利用微分逼近的原理来完成。利用这一新型工具，工程师可以 解决许多前人无法解决的工程难题。 （3）生产指导和调优 由于 ChemCAD 的动态计算完全采用严格的热力学模型，所以能准确完全地模拟装置 的动态操作过程，还可将装置的工艺参数调到各种极限状态，以确定装置的优化状态或分析 装置出现生产问题的原因。 经济评价功能 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 6 运用 CHEMCAD 可以在作工艺计算的同时进行经济评价，用户能够估算基建费用和 操作费用，并进行过程的技术经济评价。ChemCAD 的技术经济评价方法与工业界应用的方 法密切结合。经济评价可以使用于工作的任何阶段，从工艺过程的研究开发、设计、工厂建 设以至工厂操作等过程。 在使用全部经济评价系统功能时，CHEMCAD 自模拟结果取出计算设备尺寸所需数 据，然后进行全面的经济核算。用户还可将自身的价格指标和计算关系式存入系统，作为计 算的依据。 数据回归系统 ChemCAD 拥有高度灵活的数据回归系统，此系统可使用实验数据求取物性参数，可 以用于纯组分性质回归、二元交换作用参数回归、电解质回归、反应速率常数回归等。数据 回归系统能够通过输入易测性质（例如沸点）来估算短缺的物性参数，可估算活度系数模型 中的二元参数。当模拟流程中含有缺少实验数据的新化学品时，这种特性特别有用。 网络版 ChemCAD 提供了网络版(无论 Windows NT/95 网络系统或 Novell 网络系统均适用)， 可提供多人使用模式，价格低廉，最适合于学校教学及大型公司使用。 1.5 使用 CHEMCAD 进行流程模拟步骤及示例 使用 CHEMCAD 进行流程模拟一般按以下 11 个步骤进行： 1. 开启新任务（CHEMCAD 将用户所要进行的流程模拟计算称为“任务”） 2. 选择工程单位（缺省为英制） 3. 建立模拟流程图 4. 选择组分 5. 选取热力学性质计算模型 6. 定义流股 7. 输入设备参数 8. 运行模拟 9. 查看结果 10. 生成输出文档 11. 生成 PFD 图 实际的模拟过程不一定严格按照上述步骤进行，用户可以根据模拟问题特点与模拟要 求灵活安排模拟进程。 下面通过示例介绍 ChemCAD 图形用户界面以及使用 ChemCAD 进行流程模拟的步 骤。 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 7 例 1-1 对图 1-1 所示的稳态冷凝过程寻找适宜的操作条件，要求：（1）气相产物（流 股 5）的临界露点不得高于 20℉；（2）流股 9 中丙烷的含量不得超过 1%。 图 1-1 稳态冷凝过程模拟 解： 运行 CHEMCAD，首先出现图 1-2 所示的界面。 图 1-2 CHEMCAD 启动画面 工具栏 菜单栏 标题栏 8 画面从上至下可分为五个区域 （1）最上面一行称为标题栏，它包含了 CHEMCAD 的图标、当前版本及文件名，右 方则是 Windows 的最小化、还原及关闭窗口按钮。 （2）标题栏下面一行称为菜单栏，它包含了 CHEMCAD 的第一级命令按钮： File----用于定义输出格式，新建或打开 CHEMCAD 工作文件，打印以及获得 CHEMCAD 的一般信息。 View----允许用户决定工具栏和状态栏的开启和关闭状态。 Help----允许用户能够启动在线帮助功能。 （3）第三行称为工具栏，它包含了一些工具按钮，为菜单栏中命令的执行提供快捷 方式。 （4）工具栏下方最大的白色区域给出了 CHEMCAD 软件的简单介绍。 （5）最下一行为状态条，给出即时帮助信息和状态信息。 当前窗口只是 CHEMCAD 的最初顶层窗口。CHEMCAD 还拥有许多其它的窗口，例 如启动和运行模拟的窗口，产生 PFD 的窗口，创建和编辑图标的窗口等等。后面将对这些 窗口及其功能逐一介绍。 第 1 步：开启新任务 打开 file 菜单，选择 New job，则会出现图 1-3 所示对话框： 图 1-3 新建工程文件对话框 9 这一对话框提示用户为新建的工作文件建立文件名，选择或新建其存储位置（文件夹 名）。现将新建的工作文件命名为 example1-1，点击“保存”按钮，CHEMCAD 自动退出该 对话框并进入 CHEMCAD 的主工作窗口（图 1-4 所示）。 图 1-4 CHEMCAD 的主工作窗口 界面中第一行称为标题栏（或称标题条），它包含了 CHEMCAD 图标、版本号、当前 工作文件名称等信息。 第二行为菜单栏（菜单条），它包含了 15 个命令按钮： 按钮名称 功能 File 用于文件管理和打印控制。 Edit 可用于编辑流程图及其相关内容；编辑功能包括 Redraw、Undo、 Redo、Cut、Copy、Paste、Delete、Flip 和 Rotate 90º等。 View 用于控制多种显示和绘图选项。 Format 用于选择工程单位、设置图形选项和输入位图图形。 Run simulation/Edit Flowsheet 用于在编辑流程和运行模拟视图之间作转换。 ThermoPhysical 用于选择组分，当前工作中 K 值和焓值计算方法，同时，还可 工具栏 菜单栏 标题栏 工作区 10 浏览和编辑 ChemCAD 数据库，建立蒸馏曲线、定义固相等。 Specifications 用于输入、编辑和管理流股及单元操作的数据。这一功能可以 在流程图中通过双击流股或单元操作直接实现。 Run 运行模拟，同时还可定义数学解法的参数。 Results 浏览计算结果。 Plot 将计算结果通过图形可视化。 Output 准备报告和 PFD（Process Flow Diagrams）图。 Sizing 对不同设备作设计计算（sizing calculation）和核算（rating calculations）。 Tools 提供专用工具，如数据回归等。 Window 控制窗口和图表的显示。 Help 用于启动 CHEMCAD 的帮助或指导系统。 第三行为工具栏（工具条），包含了许多工具按钮，提供了有关命令的快捷执行方式。 工具栏以下的矩形区域称为活动区域“active area”或工作区，它是进行模拟的主工作 区，可以在这个区域建立模拟流程图，生成 PFD 图等。该区域有一个浮动的图形面板，称 为主面板，提供了各种单元操作模型，供创建模拟流程图使用。 最下一行为状态条，提供即时帮助信息和状态信息。 第 2 步：选择工程单位 用鼠标左键点击菜单条中 Format 命令，出现图 1-5 所示下拉式菜单。 11 图 1-5 Format 下拉式菜单 点击 Engineering Units 选项，出现图 1-6 所示对话框： 图 1-6 选择工程单位 英制单位是 CHEMCAD 工程单位的缺省选项。用户可以图 1-6 下部按钮中选择系统所 列的 English、Alt SI、SI 和 Metric 中的任意一组工程单位，或者在各量对应的工程单位下拉 框中选择各自的工程单位。 本例选用 English 单位。 12 第 3 步：绘制模拟流程图 绘制模拟流程图时，用户会用到图 1-7 所示的图形面板，即主面板。 图 1-7 主面板 主面板的大小和形状可以通过菜单条中 View/Palette Settings 来调整。 用鼠标左键点中主面板顶部红条，可将其拖曳到合适的位置。 默认情况下，主面板中除最后一行外，每行各有 7 个图形对象。第 1 行中，第 1 个图 形对象用于激活鼠标，以选择活动区域中已经绘制的模拟设备或物料流股，第 2 个图形对象 用于旋转活动区域中已经绘制的模拟设备，接下来 5 个图形对象允许用户在活动区域中自行 绘制图形。第 2 行中，第 1 个图形对象“ab”用于添加文字信息，第 2 个图形对象为流股连 接线。第 4 行最后一个图形对象为进料流股，第 6 行最后一个图形对象为出料流股，最后一 行第 1 个图形对象为 EXCEL 单元，允许用户添加自己的程序模块，其余各图形对象为不同 的单元操作模型。 将鼠标放在图形对象上，会出现图形对象的描述信息。可以通过鼠标左键点击图形对 象来选择它；点中并拖动，可将其放在活动区域任一位置；双击也可将其放入活动区域。用 鼠标右键点击图形对象，如果该图形对象中包含不同形状的图形，则会显示子面板，用户可 以在子面板中选择合适的图形；再次用鼠标右键点击同一个图形对象，子面板消失。 每个图形对象均含有流股联结点，流股输入点为蓝色，流股输出点为红色。 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 13 CHEMCAD 有两个运行状态，即模拟状态和绘图状态。模拟状态用于模拟计算，不能 对模拟流程图编辑；绘图状态可以编辑模拟流程图，不能进行模拟计算。当前状态为绘图状 态。通过点击菜单条中 RUN SIMULATION 命令或工具栏中 S/G 按钮，可以进行状态切换。 现在开始绘制模拟流程图。 添加进料流股：在主面板上找到进料流股图形对象（第 4 行最后一个），如图 1-8 所示， 用鼠标左键选中该对象，拖动其到活动区域适当位置，松开鼠标，即将进料流股添加入模拟 流程图。 图 1-8 添加进料流股 （a） 如果想查看对象的编辑选项，则可将鼠标置于图标（流程图上的图标，而 不是主面板上的图标）上，单击鼠标右键； （b） 移动或改变对象图标的大小：左键单击图标，当四个小黑框出现时，拖动 其中的一个小黑框，则图标会随着鼠标的拖动而扩大或缩小。 添加两个换热器： 1. 将鼠标指向主面板中换热器图形对象，直到信息标签出现，通过标签信息确认鼠标 指向的是换热器对象； 2. 右键单击该对象，则换热器子面板出现，如图 1-9 所示； 3. 将鼠标指向图 1-9 所示的双向换热器类型的图标； 4. 单击该图标，则主面板消失，流程图上出现小方框； Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 14 5. 将光标定位于进料流股图标右侧适当位置，单击鼠标左键，换热器图标将出现在流 程图上，同时主面板出现； 6. 将鼠标再次指向主面板中换热器图形对象，这次，我们想要一个同主面板上图标一 样的单侧换热器，因此，不再需要启动子面板； 7. 单击该图标，则主面板消失，流程图上出现小方框； 8. 将光标定位于第一个换热器图标右侧适当位置，单击鼠标左键，换热器图标将出现 在流程图上，同时主面板出现。 图 1-9 换热器子面板 经以上步骤绘制的模拟流程图如图 1-10 所示。 图 1-10 添加换热器后的模拟流程图 类似地，在模拟流程图上再添加一个闪蒸罐和一个阀门，图 1-11 所示。 下面选择精馏塔模型。在 CHEMCAD 的主面板中提供了多种可供选择使用的精馏塔 模型，如“Tower”、“SCDS”等；这些精馏塔模型采用了不同的算法，如“Tower”塔采用 Inside-Out 算法、“SCDS”塔采用同时校正法，在帮助文档中有每一种模型的详细说明（任 何时候，只要点击菜单栏中 HELP命令按钮，就可以得到在线帮助）。本例题中，选择“Tower” 塔模型，该单元设备在主面板中的位置如图 1-12 所示。 15 图 1-11 添加闪蒸罐和阀门后的模拟流程图 图 1-12 “Tower”在主面板中的位置 由于题目中的精馏塔只有一个再沸器而没有塔顶冷凝器，主面板中的“Tower”图标 同时含有再沸器和冷凝器，所以，用鼠标右键点击“Tower”图标使其子面板出现，如图 1-13 所示，选择合适的“Tower”图标，并将其添加在模拟流程图上。 16 图 1-13 “Tower”子面板 这时，模拟流程图如图 1-14 所示。 图 1-14 添加“Tower”后的模拟流程图 最后，将三个产品流股的图标置于模拟流程图上。产品流股的图标在主面板上的位置 如图 1-15 所示。 17 图 1-15 产品流股图标在主面板中的位置 当以上工作完成时，流程图如图 1-16 所示。 图 1-16 添加产品流股后的模拟流程图 接下来的工作是添加流股连接线，连结模拟流程图上的设备，组成工艺流程。流股连 接线在主面板上的位置如图 1-17 所示。 18 图 1-17 流股连接线在主面板中的位置 在模拟流程图上使用流股连结线连接设备时应注意以下几个原则： 1. 流股连接线的两端必须都同时连接单元设备，不能只连一端；CHEMCAD 将进料 流股和产品流股均作单元设备处理，流股连接线可与其相联。 2. 每一个单元设备都有流股输入、输出位置，一旦在模拟流程图中画出单元设备图 标，这些输入、输出的位置就确定了，使用流股连接线连接设备时，CHEMCAD 会自动指向这些位置。在模拟过程中，流股总是从一个单元的输出位置指向另一 个单元的输入位置。但在画流程图时，流股连接线可以从前一个设备的输出位置 画向后一个设备的输入位置，也可从后一设备的输入位置画向前一设备的输出位 置，二者是等价的。 3. 开始画流股时，鼠标会变成一个小的十字叉。当鼠标靠近一个输入或输出位置时， 它又会变成一个小的黑色箭头。如果这就是你想要开始流股的位置，则这时候用 户就可以左键单击鼠标了。 4. 设置单元设备流股过程中，鼠标显示为黑色小箭头。当鼠标靠近一个输入或输出 位置时，就会有标签提示当前位置。 5. 一旦确定标签提示的位置就是用户所需要的位置，则用户就可以单击鼠标左键完 成流股的绘制。 6. 在绘制流股过程中，主面板会消失。当用户在流程图上任何一个不是设备输入输 出点的位置单击鼠标左键时，主面扳会再次出现。也就是说，用户绘制流股时不 用都点击流股图标框。 7. 只要遵守以上原则，则用户可以在绘制流程图单元设备和连结单元设备流股之间 不断切换。 8. 绘制流股时，CHEMCAD 只无条件允许用户改变一次流股方向，以后每一次改变 流股方向，用户都需要在改变方向的位置单击鼠标左键。 9. 要想结束流股绘制，用户只需在流股绘制过程双击鼠标左键。 下面根据以上原则，连结单元设备的流股： Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 19 点击主面板上流股图标框，主面板消失，鼠标变为小的十字叉。将鼠标移近进料流股 箭头的端点，当属标变为黑色箭头时，单击鼠标左键；向右移动鼠标，直到第一个换热器左 段进料口图标出现，单击鼠标左键。CHEMCAD 将直接画出流股并在流程图自动标注放置 流股 ID；自动标注的流股 ID 号按顺序增加，因此，这时的流股 ID 是 1；用户可以通过点 击鼠标右键，选择“编辑流股”菜单对其进行修改。类似地，按顺序画出其余流股。 如果用户需要删除或者重新规定流股流向，可以在相应流股上单击鼠标右键，调出“流 股编辑菜单”，使用“delete”和“Re-draw”命令可以实现删除和重画功能。 当所有流股都规定完毕时，在流程图上的空白处单击鼠标，主面板重新出现。 可用鼠标左键按住设备或流股调整位置，也可用鼠标右键点击流股或设备对其编辑修 改，也可用鼠标左键选中设备，拖拽设备四周的黑色方块调整设备大小。最后，完成模拟流 程图绘制，如图 1-18 所示。若想继续进行，则要转入模拟模式。因此，点击菜单栏上的“RUN SIMULATION”菜单（或者工具栏上的 S/G 按钮），主面板消失，图形输入与修改功能变的 不可用。 图 1-18 绘制完成的模拟流程图 第 4 步：选择组分 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 20 用鼠标左键单击菜单栏上“ThermoPhysical”菜单，则出现如图 1-19 所示下拉式菜单。 图 1-19 ThermoPhysical 下拉菜单 点击“Component list”选项，出现如图 1-20 所示对话框，可以在 CHEMCAD 标准数 据库中选择组分。 该对话框左上部白色区域是已被选中的组分（Selected Components），其右侧是 CHEMCAD 组分数据库（Component Databank）中的组分。 图 1-20 添加组分对话框 有两种方法可以在 CHEMCAD 组分数据库（Component Databank）中找到所需的组分： 一是使用该区域纵向滚动条，以浏览方式寻找；二是使用搜索功能，在“Search for”文本 框中输入组分序号、或组分名称、或分子式，即可找到所需组分，CHEMCAD 支持模糊查 询，输入的组分名称或分子式可以是所需组分名称或分子式的一部分，如果未能准确定位， 可单击“Search for”文本框右侧 Next 按钮继续查找。 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 21 下面介绍如何向模拟流程中添加组分。 只有列在 Selected Components 区域中的组分才是模拟系统中的组分，通过图 1-20 左 下角的四个小按钮、一个大按钮，即 Delete 按钮、Clear 按钮、Add 按钮、Insert 按钮和 Copy components from another job 按钮，可以向 Selected Components 区域中添加组分。添加组分 使用 Add 按钮、Insert 按钮和 Copy components from another job 按钮；删除组分使用 Delete 按钮和 Clear 按钮。这几个按钮的功能描述如下： Delete 按钮：删除已选组分列表中一个组分，在 Selected Components 区域选中所要删 除组分，然后单击“delete”按钮； Clear 按钮：清除已选组分列表中的所有组分，点击这个按钮时，Selected Components 区域中所列的所有组分将被清除； Add 按钮：在 Component Databank 中选中所需组分，单击 Add 按钮，会将选中的组分 添加到组分列表的尾部。用户也可在 Component Databank 中双击所需组分完成这一操作。 Insert 按钮：与 Add 按钮功能类似，只是在 Selected Components 区域组分列表的某个 位置插入组分，而不是向列表的尾部添加。在 Component Databank 中选中所需组分，单击 Insert 按钮即可。 Copy components from another job 按钮：用来从另外一个 CHEMCAD 工作文件调入组 分。当点击这个按钮时，用户会进入浏览对话框，找到另外一个 CHEMCAD 工作文件，该 工作文件中的组分会被添加在 Selected Components 区域。 本例题中所要选择的组分是： 46 氮气（Nitrogen） 2 甲烷（Methane） 3 乙烷（Ethane） 4 丙烷（Propane） 5 1-丁烷（1-butane） 6 N-丁烷（n-butane） 7 1-戊烷（1-pentane） 8 N-戊烷（n-pentane） 10 N-已烷（n-hexane） 下面以氮气为例演示如何添加组分。 用鼠标左键点击“Search for”文本框，键入“46”或“N2”或“nitrogen”，键入过程 中，系统就会自动将光标定位于该组分。双击该组分或单击“Add”按钮，氮气组分就被添 加到已选组分列表中。 22 依次向模拟系统添加甲烷（Methane）、乙烷（Ethane）、丙烷（Propane）、1-丁烷（1-butane）、 N-丁烷（n-butane）、1-戊烷（1-pentane）、N-戊烷（n-pentane）、N-已烷（n-hexane）等组分。 添加完毕后，图 1-20 变成图 1-21。 图 1-21 完成组分添加后添加组分对话框 点击“OK”按钮可以保存上述操作结果。 第 5 步：选取热力学性质计算模型 选择合适的热力学性质计算模型是模拟成功与否的关键。CHEMCAD 系统中包含了近 50 种计算 K 值的模型和 10 余种计算焓值的模型。有时候，恰当的选择这些模型是很困难的， 用户可在 CHEMCAD 帮助中 Thermodynamics 部分查找各热力学方法的详细介绍；另外， CHEMCAD 提供了一个 K 值专家系统，即 ThermoPhysical 菜单中的 Thermo Wizard，可以 帮助用户作出合理选择，这部分内容在 on-line manual 中也有详细介绍。 本例题中选用“Peng-Robinson”方法来计算 K 值和焓值。 选择 K 值方法：点击菜单条上的“ThermoPhysical”命令按钮出现如图 1-19 所示下拉 式菜单，选中其中“K-value”选项，弹出如图 1-22 所示对话框。 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 Wangyan 高亮 23 图 1-22 K-value 对话框 单击对话框左上角的“Global K-value option”下拉框，选择“Peng-Robinson”方法， 点击“OK”按钮，保存设置并返回模拟窗口。 选取焓值计算模型：再次点击“ThermoPhysical”菜单，选择“Enthalpy”选项，则弹 出“Enthalpy options”对话框弹出。可以注意到，“Peng-Robinson”方法已经处于选中状态， 这是系统自动根据 K 值计算方法设置的。当然，用户可以在任何时候改变这些设置。在本 例题中，焓值计算方法采用“Peng-Robinson”模型，因此，点击“OK”按钮，保存设置并 返回模拟窗口。 本例题的热力学设置到此结束。 第 6 步：定义流股 可以通过点击菜单条上的“Specifications”菜单或直接双击流股完成流股定义工作， 这里采用后一种方法。双击流股 1，弹出图 1-23 所示对话框。 关于该对话框，需要注意以下几点： 1 第一格，称为“Stream Name”，允许用户为流股输入一个不超过 16 个字符的标签或 名字。 2 根据自由度分析，流股独立变量数为 C+2，其中 C 为组分数。这 C+2 个独立变量通 常是 C-1 个组成、1 个总流率、1 个温度和 1 个压力。ChemCAD 提供了温度（Temp）、压力 （Pres）、气相分率（Vapor Fraction）、焓值（Enthalpy）、总流率（Total flow）、各组分流率 或分率等诸多输入项。这些输入项并不要求全部输入。通常情况下，温度（Temp）、压力（Pres）、 气相分率（Vapor Fraction）三个变量中只规定任意两个；焓值是状态函数，通过计算得到， 只有当流股总流率为 0 时才输入流股焓值，相当于为单元设备规定热负荷。 24 图 1-23 规定流股对话框 3 “Total Flow Units”和“Comp Units”联合使用，为用户提供了多种定义流股组成 的方法。如果“Comp Units”设定为 mole、mass 或 volume fraction，则“Total Flow Units” 对话框变得可编辑。若“Comp Units”选为“Flow”或“Amount”选项，则“Total Flow Units” 变为各组分流量之和，所以，“Total Flow Units”对话框不可编辑。 如果输入总流率“Total Flow”，则在组分输入处输入组分分率；如果在组分输入处输 入组分流率，则总流率不需输入，ChemCAD 会自动计算。 若组分分率之和不到 1.0，系统会进行自动归一化处理或退出对话框。 4 在对话框的左上角是“flash”按钮。任何时候点击此按钮，系统都应用当前规定的 组分及其热力学性质进行该流股的闪蒸计算。该按钮使系统可以在任意时刻进行闪蒸计算而 无需退出当前对话框。 在设定好的工程单位下，输入以下数据：温度 75，压强 200，各组分流率分别为： 氮气（Nitrogen） 100.19 甲烷（Methane） 4505.48 乙烷（Ethane） 514 丙烷（Propane） 214 1-丁烷（1-butane） 19.2 N-丁烷（n-butane） 18.18 1-戊烷（1-pentane） 26.4 25 N-戊烷（n-pentane） 14 N-已烷（n-hexane） 14 点击“OK”按钮，保存输入。 第 7 步：输入设备参数 定义第一个换热器 同定义流股相似，可以通过点击菜单条上的“Specifications”菜单或直接双击单元设 备完成该项工作。这里采用后一种方法，双击第一个换热器，弹出图 1-24 所示对话框。 图 1-24 双侧换热器规定屏 数据输入屏分三页显示：“Specifications”，“Misc. Settings”和“Cost Estimations”，在 后面章节中再详细介绍。 在“Specifications”输入屏输入以下数据： 换热器两侧压降均为 5 psia，因此，分别在流股 1（Stream 1）和流股 4（Stream 4）的 压降框中键入 5。 换热器出口温度是其露点温度，因此，选中流股 2 的气相分率（Vapor fraction stream 2） 框，键入 1。 以上完成了该单元设备的输入。点击“OK”按钮，保存输入并关闭对话框。 26 定义第二个换热器 选择第二个换热器并双击，单侧换热器的输入菜单将会出现，如图 1-25 所示。 图 1-25 单侧换热器规定屏 该设备压降为 5psi，故在压降框“Pressure Drop”中键入 5。 换热器的出口温度将决定闪蒸罐液体移出量的多少，相应的，也将决定系统气相产品 的露点温度。因此，这一规定是该设计中的关键参数（key parameters）。作为第一次尝试， 我们估计出口温度为-5℉。因此，流股 3 的温度框“Temperature of stream 3”中键入-5。 以上完成了该单元设备的输入。点击“OK”按钮，保存输入并关闭对话框。 定义闪蒸罐 本例题中，闪蒸罐在入口流股条件下操作，这种情况恰好是闪蒸罐的默认设置。因此， 该单元设备不需要做任何输入。 定义阀门 需要输入阀门的出口压力。双击阀门图标，在其弹出的参数设置对话框出口压力框 “outlet pressure”中输入 125。点击“OK”按钮，保存输入并关闭对话框。 定义冷凝精馏塔 27 双击精馏塔的图标，精馏塔参数设置屏弹出，分 5 页显示，如图 1-26 所示。 在第一页（General）上，需要输入塔顶压力：125psia；塔的压降：5psia；理论板数： 12；进料流股的位置：第 1 层塔板（图 1-26 所示）。 图 1-26 精馏塔规定屏 在“Specifications”页中继续输入。本例题中，精馏塔既没有塔顶冷凝器又没有侧线 采出，因此，我们只需对再沸器做规定。 首先规定再沸器的样式（mode）。单击再沸器选项的下拉菜单，通过移动滚动条，可 以浏览所有可选项。本例题已知精馏塔的塔釜采出流率，故再沸器选项为 4，即“Bottom mole flowrate”，选中后右侧文本框，要求输入塔釜采出流率，输入 30。 “Convergence”页面用于调整收敛性，可以在该页面内输入一些过程数据的估计值或 初值，如果不输入，ChemCAD 会自动设定初值计算，故该页面上所有的输入框都是可选的。 为了示范，本题分别输入塔顶和塔釜两个温度估算值，即 50℉和 150℉。 到此完成了塔的所有输入。点击“OK”按钮，保存输入。这时候，有可能得到一些警 告信息：本题的警告信息是“你还没有输入估计的馏出速率”。警告信息通常可以被忽略掉， 因此点击“OK”按钮，返回模拟窗口。 流程图的所有输入规定到此全部结束。 28 第 8 步：运行模拟 点击菜单条“Run”菜单，选择“Run all”运行模拟，如图 1-27 所示。 图 1-27 运行模拟菜单 系统会重新核定系统数据输入并在屏幕上给出错误和/或警告信息。按照前面所述输 入，本例题中没有错误信息，但有警告信息。忽略这些警告，点击“OK”按钮，程序将运 行模拟。 运行结束，“CC5 Message Box”消息框将弹出，并显示“Recycle calculation has converged”，表示计算收敛。点击“OK”按钮，关闭该对话框。 第 9 步：查看模拟结果 模拟结束后，可以通过菜单条上“Results”和“Plot”命令浏览模拟结果。 检查产品流股临界露点 如果第二个换热器规定的出口温度合适，则气相产物（流股 5）的临界露点 （cricondentherm dewpoint）将是 20℉或更低。临界露点温度是混合物在任何压力下的最高 露点温度。确定气相产品最高露点温度的简单方法就是绘制出气相产品的所有露点温度，即 相包络图（envelope）。 在 CHEMCAD 中绘制任何图形都使用菜单条上的“Plot”菜单。选择并点击该菜单， 在出现的下拉菜单中选择“Envelopes”并单击，将会出现流股选择对话框，点击流股 5（离 开换热器 1 底部的气相产品流股），则流股 5 出现在对话框中。点击“OK”按钮关闭对话框， 出现图 1-28 所示新对话框。 Wangyan 高亮 29 图 1-28 包络图绘制对话框 由于只想看到露点线，因此这一对话框中不需做任何输入。但为了让图形变得更加有 趣，我们向普通相图内添加另外两条气相