计算机在化工设计中的应用

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能加调费

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8计算机在化工设计中的应用

・流程模拟软件

•化工过程计算软件

•化工厂三维软模型设计CAD技术

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§8-1流程模拟软件

/Aspen

，ProII

/Chemcad

/Hysys

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一、PRO/II

•PRO〃I流程模拟程序，广泛地应用于化学过程的

严格的质量和能量平衡。

•美国SIMSCI公司是工业应用软件和相关服务的主

要提供商。这些软件被广泛的应用在石油、石化、

工业化工以及工程和制造相关专业。SIMSCI设计

的软件产品可以降低用户的成本、提高效益、提

高产品质量、增强管理决策。

•PR0/H适用于：油/气加工、炼油、化工、化学、

工程和建筑、聚合物、精细化工/制药等行业，主

要用来模拟设计新工艺、评估改变的装置配置、

改进现有装置、依据环境规则进行评估和证明、

迪除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益

20:27等。4

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口PRO/II功能及特征

•PRO□软件自80年代进入中国后，已得到

广大用户的好评，发挥出良好的效益。特

别是一些大的石化和化工设计院的应用，

更能说明它的独具功能和特点。这些单位

有：北京炼油设计院BDL石化北京工程

公司BPEC、寰球院、天辰院（2000年购

买）、吉化院（2000年购买）、抚顺院、

乌石化院、大庆油田院、大庆天然气公司

等数十家单位（近年购买）。

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、国内应用情况

•1.2001年5月新发行的PR0IIV5.5在功能上有很大

进步，可以提供在线模拟。

2.在实用性上，PROII要比其它同类软件更具优势，主

要是该软件的开发思路就是针对炼油化工行业，SIMSCI

的计算模型已成为国际标准，公司拥有一批技术专家从事

售后支持，可以解答用户所遇到的疑难问题，这方面要优

于其它软件公司；说明书中有大量的实用例子；使用户更

加容易使用软件。这已被大院所认可。

3.PROII有标准的ODBC通道，可同换热器计算软件或

其它大型计算软件相连，另外还可与WORD、EXCEL、

数据库相连，计算结果可在多种方式下输出。

4.原使用ASPEN软件的单位如：BPEC、BDI、化工化

一院（天辰）、环球公司等，认为PROII更具有工程实用

性。一些化工院和石化院正准备购买PROII软件。

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、软件功能特点

•适用的行业:油/气加工、炼油、化工、化

学工程、建筑、聚合物、精细化工/制药

・模拟应用:设计新工艺、评估改变的装置

配置、改进现有装置、依据环境规则进行

评估和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和

改进装置产量和效益

•PRO/H典型的化学工艺模型:合成氨、共

沸精储和萃取精储、结晶、脱水工艺、无

机工艺、液-液抽提、苯酚精储、固体处理

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・聚合物:自由基聚合、一般目的的聚合（苯乙烯）、低密

度聚合（乙烯）、聚合（甲基丙烯酸甲脂）、聚合（乙烯

基乙酸脂）、链增长聚合、聚酯、酰胺■尼龙6,尼龙6/6,

尼龙6/12、共聚、聚合（苯乙烯■甲基丙烯酸甲脂）、聚

合（乙烯■乙烯基乙酸脂）

•炼油:原油预热、常压蒸储、减压塔、FCC主分储塔、

焦碳塔、气体装置、汽油稳定、石脑油分离和气提、反应

精储、变换和甲烷化反应器、酸水分离器、硫和HF酸烷

基化、脱异丁烷塔等

•化工:乙烯分离塔、C3分离塔、芳烽分离塔、环己烷装

置、MTBE分离制造厂、蔡转化、烯烽生产、氧化生产、

丙烯氯化

•气依加工,•胺脱硫、多级冷冻、压缩机组、脱乙烷塔和脱

甲烷塔、膨胀装置、气体脱氢、水合物生成/抑制、多级、

平台操作、冷冻回路、透平膨胀机优化

■制药：间歇精储、间歇反应

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•」般化的闪蒸模型：饕、阀、压缩机/膨胀机、泵、管

线、混合器/分离器方面Mixer/splitter

•精镭模型:Inside/out.SURE,CHEMDIST算法、两/三相

精微、四个初值估算器、电解质、反应精储和间歇精储、

简单模型、液■液抽提、填料塔的设计和核算、塔板的设

计和核算、热虹吸再沸器

•换热器模型：管亮式、简单式和LNG换热器、严格空冷

器模型、区域分析、加热/冷却曲线

•反应器模型:转化和平衡反应、活塞流反应器、连续搅拌

罐式反应器、在线FORTRAN反应动力学、吉布斯自由

能最小、变换和甲烷化反应器、沸腾釜式反应器、

Pro行matics重整和力□氢器模型界面、曲歙反应器

•聚合物模型:连续搅拌釜反应器、活塞流反应器、擦膜蒸

发器

・固体模型:结晶器/溶解器、逆流倾析器、离心分离器、

旋转过滤器、干燥器、固体分离器、旋风分离器

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•组分数据库：2000多纯组分库、以DIPPR

为基础的库、固体性质、1900多组分/种类

电解质库、非库组分、虚拟组分和性质化

验描述、用户库、根据结构确定性质、多

个化验混合、用于聚合物的VanKrevelen

方法

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•混合物数据:用于3000多VLE二元作用在

线二元参数、2200在线共沸混合物用于参

数估算、专用数据包、酒精脱水、天然气

脱水、带有三乙烯乙二醇、来自GPA

(GPSWAT)的酸水包、气体和液体氨处理、

硫醇等

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热力学计算方法60多种:

•操作单元:

•闪蒸罐，缩略图，间歇精储器，蒸镭器，液一液

抽提精储器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器,

减压设备，溶解器，膨胀机，闪蒸，带有固体的

闪蒸，LNG多股流换热器，精确核算型换热器，

简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线,

混合器，相包络，管道，聚合物反应器，泵，回

流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器，转换反应

器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器,

全混流反应器，间歇式反应器，固态颗粒分离器,

分裂器，单变量控制器，多变量的控制器，物流

计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义操

作单元,（电解质模块,SIMSCI外接的模块）等.

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用户扩展功能

・用户自定义物流属性包;增加用户组份数据;

增加热力学计算方法；增加自定义操作单元

模块120个;增加自定义计算模型7个;增

加自定义电解质模型20个等

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•分析H具

•工况研究，优化器，单相变量控制器，多

相变量控制器，加热/冷却曲线等

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PROH软件除基本包以外,还提供给用户有如下模

块:

界面模块

•・HTFS、PRO/H-HTFSInterface自动从PRO/II数据

库检索物流物性数据，并用该数据创建一个HTFS输入文

件。HTFS然后能输出该文件，以访问各种物流物性数据。

•・HTRI、PRO/H-HTRIInterface从PRO/H数据库检

索数据，并创建一个用于各种HTRI程序的HTRI输入文

件。来自PRO/II热物理性质计算的物流性质分配表提供

给HTRI的严格换热器设计程序。这减少在两个程序之间

输入数据的重复。

•■LinnhoffMarch,来自PRO/H的严格质量和能量平

衡结果能传送给SuperTarget™塔模块，以分析整个分离

过程的熊重效率。所建议的改进方案然后就能在随后的

PRO/II运行中求出值来。

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应用模块

・Batch,搅拌釜反应器和间歇蒸储模型能够独立运

行或作为常规PRO/II流程的一部分运行。操作可通过一

系列的操作方案来说明，具有无比的灵活性。

■Electrolytes,该模块严密结合了由OLISystems,Inc

开发的严格电解质热力学算法。TheElectrolyteUtility

Package（电解质应用包），作为该模块的一就分，进一

步扩展了一些功能，如生成用户电解质模型和创建、维护

私有类数据库。

,Polymers,能模拟和分析从单体提纯和聚合反应到

分离和后处理范围内的工业聚合工艺。对于PRO/H的独

到之处是通过一系列平均分子重量分率来描述聚合物组成,

可以准确模拟聚合物的混合和分储。

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•常用版本：

•ProIIv6.01

,最新版本：

•ProIIV7-1

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、CHEMCAD

•CHEMCAD是一个用于对化学和石油工业、

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，是工程技术人员

用来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。

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应用:

*工程设计

•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，同时通过进行一系列的工况研究，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。

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•优化操作

•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、提高产量的产率以

及减少能量消耗的有力工具。可用模拟的方法来

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。该模型可指导工厂的操作以降低

费用、提高产率。这样的例子在一些流程模拟软

件应用较好的化工装置可以举出很多。

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*技术改造

•ChemCAD也可用模拟研究工厂合理化方案以消

除“瓶颈”问题，或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：

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单元榛作

•蒸储、汽提、吸收、萃取、共沸、三相共沸、共

沸蒸储、三相蒸储、电解质蒸得、反应蒸得

•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、洗涤机、沉淀分离器

•间歇蒸储、间歇反应器、PID控制模块、流量控制

阀、记录器模块（选项）

•以上共50多个单元操作，当然ChemCAD可将每个单

元操作组织起来，形成整个车间或全厂的流程图,

进而完成整个模拟计算。

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•ChemCAD的热力学和传递性质包对过程系

统提供了计算K值、焰、嫡、密度、粘度、

导热系数和表面张力的多种选择。

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热力学选项esignofChemicalEngineering

•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、13种焰计算方法。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,

可以处理直链煌以及电解质、盐、胺、酸水等特殊系统。

•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VANLAAR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提供了热力学专家系统帮助用户选择合适的K值

和焰值计算方法。

•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。

。•7提供了标准、共享、用户三种组分数据库。

ChemCAD24

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•标准物性数据库

•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。

•用户数据库

•ChemCAD允许用户添加多达2000个组分到数据库中,

可以定义烽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。

•原油评价数据库

•从5.3版开始，ChemCAD提供了200多种原油的评价

数据库。

•ChemCAD提供了对多种设备进行设计和核算的功能

模块。

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设备设计和核算

•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，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。

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ChemCAD还具有容易使用、高度集成、界面友好等特

点。ChemCAD拥有最短的学习曲线。

•安装简单

•ChemCAD可以在Windows95、98和NT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。

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•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、工艺流程图和绘图的硬拷贝。

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。

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界面友好

•ChemCAD一直达携作简单、界面友好而著称，目前的

ChemCAD5.3版运行于Window95/NT>Windows2000环境。

根据MicrosoftWindow设计标准采用了Microsoft工具包

及WindowHelp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OneLineHelp,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。

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•通过Window交互操作功能，第5版最大的好

处是可使ChemCAD和其它应用程序交互作用:

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。第5版在三个

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。

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■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VisualBasic程序去控制

你的模拟。可以用VisualBasic或VisualBasicfor

Applications(VBA)程序编一个文档化的界面来存取和

控制过程模型。

•③OLE目标的嵌入

•例如，用VisualBasicforApplications(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。

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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

linehelp”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。

■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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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报告格式可选

•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

蒸储塔，可以输出包括回流比、温度、压

力、每块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。

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集成了设备标定模块及工具模块

•ChemCAD集成了对蒸镭塔、管线、换热器、压力容

器、孔板利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管壳式换热器设计和

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。

20:2738

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•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烽

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；

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支持动态模拟

•Chemstations公司开发了大量的动态操作单元，

包括动态蒸镭模拟CC-DC0LUMN,动态反应器模拟

CC-ReACS,间歇蒸储模拟CC-Batch,聚合反应器动

态模拟CC-Polymer,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。

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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

20:2741

当系统内部压力、温度不稳时,用稳态倏加杀褊材窗濠罐紧

急放空，只能靠ChemCADDynamical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。

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经济评价功能

•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。

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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）来估算缺少的物性参数,

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。

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化工模拟软件的对比

•一般认为，PROH在炼油工业应用更为准

确些，因其数据库中有不少经验数据；而

ASPEN在化工领域表现更好。

•有人比喻：PROH是经验派，ASPEN是学

院派。

20:2746

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•2.学习aspenplus必备知识：

•化工原理：讲化工过程的单元操作

•热力学方法：讲述物性计算方法

•化工系统工程：讲述如何对化工系统进行

建模，分析、求解

如果简单掌握前两点就可以了，如果想进

一步深入，还需看看第三点。

20:2747

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•3.

•HYSYS主要用于炼油。动态模拟是它的优势。

ASPEN是智能型的，用于化工领域流程模拟，比

较大或长的流程，而且数据库比较全，开方式的。

它和HYSYS现在是一家。

•PRO/II可以用于设备核算，流程短，或精储核

舁。

•chemcad相对较差，网上到处都可以下载。仅用

于学校使用。

20:2748

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•4.

•aspenplus的计算是最精确的，数据库的

建设也是最完善的。不过由于它考虑的方

面非常全面，所以学起来比较费劲。

•chemcad的界面操作让人感觉非常简单，

使用起来比较顺手。但是数据库不是太大,

5.0版本，就只有2000中常用物质的物性数

据。

•PRO/II在这两方面都在中间。

20:2749

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•5.

•从易收敛性上看，

chemcad>hysys>proiio

从贴近工业实际看，

proii>hysys>chemcad

20:2750

esignofChemicalEngineering

.•1.।•*；y|li.*ti<ii।•A>|J»'•

遛麒麻*IMfflBiB

肝姓相解跚岫帼&林祸Aspen

恸卿！ted眦城瞬硼，邂融佑蹦灿糊魄

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