第10章计算机在化工设计中的应用

1、 第十章 计算机在化工设计中的应用n 第一节 常用化工设计软件概述n 第二节 化工流程模拟软件 一、常用化工流程模拟软件简介 二、ASPEN PLUS 三、PROn 第三节 其他化工设计软件 一、化工装置及系统设计软件 二、计算机绘图软件【学习目标】 通过本章的学习，初步掌握ASPEN PLUS流程模拟软件的特点和使用，了解ProII等其他设计软件的特点和应用，了解化工装置及系统设计软件，能够用典型的计算机绘图软件绘制各种工艺流程图。第一节第一节 常用化工设计软件概述常用化工设计软件概述n计算机辅助化工设计主要包括物性数据检索、计算机辅助过程设计、计算机辅助设计和计算机辅助工程设计等。表表10

2、-1 10-1 常用化工设计软件简介常用化工设计软件简介软件分类软件分类软件名称软件名称应用范围应用范围主要功能主要功能流程模拟软流程模拟软件件ASPEN PLUSASPEN PLUS稳态流程模拟，也稳态流程模拟，也可以做一些动态模可以做一些动态模拟。拟。物料平衡、热量平衡物料平衡、热量平衡PROPROHYSYSHYSYSECCSECCS（国产软件）（国产软件）CHEMCADCHEMCADASPEN ASPEN DYNAMICS&DYNAMICS&CUSTOM CUSTOM MODELERMODELER动态流程模拟动态流程模拟可以进行装置安全分析和可以进行装置安全分析和预测、装

3、置操作规律的研预测、装置操作规律的研究、安全生产指导和调优、究、安全生产指导和调优、在线优化与先进控制等。在线优化与先进控制等。HYSYS HYSYS DYNAMICSDYNAMICS流程的组织与合成软件PINCH夹点分析软件基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件。应用工厂现场操作数据或ASPEN PLUS模拟计算的数据为输入，设计能耗最小、操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。设备分析和模拟软件FRI塔器水力学计算软件塔设计、校核计算等PFR加热炉模拟软件包括通用加热炉、烃蒸气转化炉、裂解炉等传热计算软件包。ANSYS非线性动态和静态有限元分析包括计算流体功能SW6钢制压力容器、管壳式换热器

4、、塔设计计算软件采用国标ASPEN B-JAC管壳式换热器设计符合ASME、TEMA标准VESSEL容器设计、局部应力分析符合ASME标准系统专业系统专业软件软件SINETSINET工艺系统和设备工艺系统和设备尺寸选型计算及尺寸选型计算及管网设计软件管网设计软件设计管线和管网系统尺寸设计管线和管网系统尺寸和工艺设备尺寸和工艺设备尺寸PIPENETPIPENET管路设计系统软管路设计系统软件件解决管网内流场稳态和动解决管网内流场稳态和动态水力计算。并有专门针态水力计算。并有专门针对消防系统设计开发的模对消防系统设计开发的模拟软件。拟软件。PIPEPHASEPIPEPHASE精确模拟稳态多精确模拟

5、稳态多相流程软件相流程软件应用于油气管路网络和管应用于油气管路网络和管路系统路系统Visual FLOWVisual FLOW泄压系统的模拟泄压系统的模拟计算与设计计算与设计从简单的火炬泄压阀核算从简单的火炬泄压阀核算到设计最复杂的泄压系统到设计最复杂的泄压系统INPLANTINPLANT管网水力学计算管网水力学计算严格稳态模拟程序用来设严格稳态模拟程序用来设计，核算和分析装置管线计，核算和分析装置管线ASPEN FIareNetASPEN FIareNet火炬管网稳态模火炬管网稳态模拟计算拟计算可以完成单一或多重火炬可以完成单一或多重火炬系统的稳态设计、计算以系统的稳态设计、计算以及消除瓶颈

6、及消除瓶颈安全环保安全环保专业软件专业软件ADMSADMS大气扩散模拟软大气扩散模拟软件件 CADNA CADNAA A环境噪声模拟软环境噪声模拟软件件DNV SAFETI&LEAKDNV SAFETI&LEAK安全分析评估软安全分析评估软件件SAFETISAFETI是世界上著名的定是世界上著名的定量风险分析量风险分析QRAQRA的标准，的标准，LEAKLEAK软件是收集完整的事软件是收集完整的事故发生频率的专家系统与故发生频率的专家系统与数据库，其计算结果提供数据库，其计算结果提供给给SAFETISAFETI进行风险分析。进行风险分析。经济分析经济分析与评价软与评价软件件IC

7、ARUS 2000ICARUS 2000投资估算、预算投资估算、预算和项目进度管理和项目进度管理软件软件包括工程与设备设计、工包括工程与设备设计、工程经济、项目控制及管理程经济、项目控制及管理的多功能软件，世界上知的多功能软件，世界上知名的炼油和石化公司与工名的炼油和石化公司与工程设计公司都用此软件作为程设计公司都用此软件作为其成本计算、投资估其成本计算、投资估算预算及报价的标准。算预算及报价的标准。ICARUS Process ICARUS Process EVALUATOREVALUATOR（IPEIPE）在可行性研究时即可使在可行性研究时即可使用，有与用，有与ASPEN PLUSASPE

8、N PLUS、PRO/PRO/等大型工艺流程模等大型工艺流程模拟软件的接口。拟软件的接口。ICARUS Project ICARUS Project Manager Manager （IPMIPM）在详细设计初期使用，较在详细设计初期使用，较适用于炼油厂和石化工厂适用于炼油厂和石化工厂的改造或较小的项目。的改造或较小的项目。ASPEN PIMSASPEN PIMS过程工业用的经过程工业用的经济计划软件包济计划软件包采用线性规划（采用线性规划（1inear 1inear programmingprogramming，LPLP）技术）技术来优化生产作业计划优来优化生产作业计划优化、后勤及供应链管理

9、、化、后勤及供应链管理、技术评价、工厂各单元规技术评价、工厂各单元规模估算及扩产研究等过程模估算及扩产研究等过程工业企业的运营计划。工业企业的运营计划。工艺装置工艺装置设计软件设计软件PDSPDS以装置为核心的以装置为核心的集成化设计解决集成化设计解决方案方案能够应用于工艺、配管、能够应用于工艺、配管、仪表、结构、电气等专仪表、结构、电气等专业，工程师在计算机上建业，工程师在计算机上建立完整的材料、元件及设立完整的材料、元件及设备数据库，。备数据库，。 AUTOPLANT AUTOPLANT专门为针对三维专门为针对三维工厂设计系统的工厂设计系统的详细设计阶段提详细设计阶段提供的软件解决方供的软

10、件解决方案案紧密整合于项目数据库，紧密整合于项目数据库，直接和工艺流程与仪表设直接和工艺流程与仪表设计系统共享工程资料。通计系统共享工程资料。通过与全自动三维配管优化过与全自动三维配管优化系统、全自动管路标注系系统、全自动管路标注系统、实时漫游模拟系统、统、实时漫游模拟系统、工厂知识管理系统等的相工厂知识管理系统等的相互补充，提供了针对工厂互补充，提供了针对工厂全生命周期的集成软件解全生命周期的集成软件解决方案。决方案。第二节第二节 化工流程模拟软件化工流程模拟软件一、常用化工流程模拟软件简介一、常用化工流程模拟软件简介二、二、ASPEN PLUSASPEN PLUS 1976年美国能源部在麻

11、省理工学院（MIT）组织，由MIT主持，联合50多个工业公司、政府部门和高等院校共同参与开发了ASPEN模拟系统。ASPEN PLUS是目前最为流行的大型通用稳态模拟系统之一，是举世公认的标准大型流程模拟软件，也是目前国际上功能最强的商品化流程模拟软件。 官方网站：http：/wwwAspen Techcom。 Run IDTool BarTitle BarMenu BarSelect ModebuttonModel LibraryModel MenuTabsProcessFlowsheetWindowNext ButtonStatus Area图图10-1 ASPEN PLUS10-1 AS

12、PEN PLUS用户界面用户界面ASPEN PLUS主要特性nASPEN PLUS有一个公认的跟踪记录，在一个工艺过程的制造的整个生命周期中提供巨大的经济效益，制造生命周期包括从研究与开发经过工程到生产。 nASPEN PLUS使用最新的软件工程技术通过它的Microsoft Windows图形界面和交互式客户-服务器模拟结构，使得工程生产力最大。 nASPEN PLUS拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力，这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。 nASPEN PLUS是AspenTech的集成聪明制造系统技术的一个核心部分，该技术能在整个过程工程基本设施范

13、围内捕获过程专业知识并充分利用。n在实际应用中，ASPEN PLUS可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题。ASPEN PLUS主要功能及运行方法nWindows交互性界面：界面包括工艺流程图形视图，输入数据浏览视图，独特的“NEXT”专家向导系统，来引导用户进行完整的、一致的流程的定义。n图形向导：帮助用户很容易地把模拟结果创建成图形显示。 nEO模型：方程模型有着先进参数管理和整个模拟的灵敏分析或者是模拟特定部分的分析。序贯模块法和面向方程的解决技术允许用户模拟多嵌套流程。ASPEN PLUS流程模

14、拟软件主要功能：nActiveX （OLE Automation）控件：可以和微软 Excel 和 Visual Basic 方便的连接，支持 OLE （对象链接与嵌入）功能。 n全面的单元操作：包括气/液，气/液/液，固体系统和用户模型。 nACM Model Export选项：用户可以在Aspen Custom Modeler （ ACM ）创建模拟模型和编译。n热力学物性：内置数据库包含有8500种组分物性数据，包括有机物，无机物，水合物和盐类；还有 4000 种二元混合物的37,000 组二元交互数据。利用Aspen plus可进行物性分析、物性估计、物性数据回归。n收敛分析：自动分析

15、和建议优化的撕裂物流、流程收敛方法和计算顺序，即使是巨大的具有多个物流和信息循环的流程，收敛分析非常方便。 nCalculator models 计算模式： 包含ad-hoc计算与内嵌的FORTRAN和Excel模型接口。n灵敏度分析：灵敏度分析功能在Data Browser页面下的Sensitivity Form表单中设定，其目的是测定某个变量对目标值的影响程度。分别定义分析变量（Sampled variables）和操纵变量（Manipulated variables），设定操纵变量的变化范围，即可执行灵敏度分析。n案例研究：用不同的输入进行多个模拟，比较和分析。 nDesign Spec

16、ification功能：自动计算操作条件或设备参数，满足指定的性能目标。 n数据拟合：将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确的和有效的真实装置模型。 n优化功能：确定装置操作条件，最大化任何规定的目标。 n开放的环境：可以很容易地和内部产品互相整合，或者是第三方软件。n详细的换热器设计和核算。nHeatx使 Aspen plus 具有与下面两个软件的接口： n软件1：TASC/Aspen Hetran the Aspen B-JAC and HTFS （ 管壳式换热器设计， multitude 换热器， 套管换热器 ）；n软件2 ：ACOL/Aspen Aerotran the Aspe

17、n B-JAC and HTFS（空冷器设计）。 ASPEN PLUS基本流程模拟主要运行方法 n定义流程 n规定全局计算信息n规定组分 n选择物性方法n规定物流 n单元操作模型的参数设置 n运行模拟程序，生成报告。例10.1：常压操作连续筛板精馏塔设计，设计参数如下：进料组份：水 63.2%、甲醇 38.6%（质量分率）； 处理量：水甲醇混合液 55t/h； 进料热状态：饱和液相进料； 进料压力：125 kPa； 操作压力：110 kPa； 单板压降：0.7 kPa； 塔顶馏出液：甲醇量大于 99.5 %（质量分率） 塔底釜液：水量大于 99.5 %；（质量分率）。回流比：自选； 全塔效率：

18、ET=52% 热源：低压饱和水蒸汽；我们通过这个实例学习Aspen Plus 精馏模拟应用。 设计任务：确定理论塔板数、确定合适的回流比。本例选择DSTWU简捷精馏计算模型。 表表10-3 DSTWU规定与估算内容规定与估算内容规定目的其他结果轻重关键组分的回收率最小回流比和最小理论级数进料位置、冷凝器、再沸器的热负荷。理论级数必需回流比回流比必需理论级数n解：1、定义模拟流程 1）创建精馏塔模块 图图10-2 10-2 模型库窗口模型库窗口图图10-3 DSTWU10-3 DSTWU模型下的三个等效模块模型下的三个等效模块图图10-410-4 精馏塔模型精馏塔模型2）绘制物流 图图10-5

19、10-5 选择流股类型结果选择流股类型结果图图10-6 10-6 绘制物流绘制物流 3）模块和物流命名 图图10-7 10-7 模块和物流命名模块和物流命名 2、模拟设置 图图10-8 10-8 初始化设置页面初始化设置页面1）定义数据输入输出单位 2）定义用户与工程信息 图图10-9 Accounting10-9 Accounting选择项卡页面选择项卡页面3、定义组份 图图10-10 10-10 进料参数输入页面进料参数输入页面图图10-11 find 10-11 find 工具的查找结果工具的查找结果图图10-12 10-12 定义组分结果定义组分结果4、确定物性计算方法 图图10-13

20、 10-13 特性方法选择页面特性方法选择页面图图10-14 10-14 确定物性计算方法确定物性计算方法5、定义流股条件 图图10-15 10-15 定义每个组分流量或分率定义每个组分流量或分率6、定义单元模型 图图10-16 10-16 定义冷凝器类型定义冷凝器类型7、模拟计算与结果查看 图图10-17 10-17 运行信息显示页运行信息显示页图图10-18 10-18 运行结果显示页运行结果显示页图图10-19 10-19 计算结果显示页计算结果显示页8、灵敏度分析 图图10-20 10-20 灵敏度分析窗口灵敏度分析窗口a. 建立新灵敏度分析任务 图图10-2110-21建立新灵敏度分

21、析任务名称对话框建立新灵敏度分析任务名称对话框 图图10-22 10-22 灵敏度分析任务窗口灵敏度分析任务窗口 b. 定义测量变量（Define） 图图10-23 10-23 变量输入对话框变量输入对话框 图图10-24 10-24 定义变量定义变量 N N的属性的属性 图图10-25 10-25 定义后的窗口定义后的窗口图图10-26 10-26 定义结果窗口定义结果窗口c. 定义操作变量（Vary） 图图10-27 10-27 定义操作变量定义操作变量d、定义显示结果（Tabulate） 图图10-28 10-28 定义显示结果定义显示结果e、计算结果显示 图图10-29 10-29 计算结果显示计算结果显示2）图形显示 图图10-30 N-R 10-30 N-R 曲线图曲线图图图10-31 10-31 编辑坐标属性编辑