第10章計算機在化工設計中的應用

1、 第十章 計算機在化工設計中的應用n 第一節(jié) 常用化工設計軟件概述n 第二節(jié) 化工流程模擬軟件 一、常用化工流程模擬軟件簡介 二、ASPEN PLUS 三、PROn 第三節(jié) 其他化工設計軟件 一、化工裝置及系統(tǒng)設計軟件 二、計算機繪圖軟件【學習目標】 通過本章的學習，初步掌握ASPEN PLUS流程模擬軟件的特點和使用，了解ProII等其他設計軟件的特點和應用，了解化工裝置及系統(tǒng)設計軟件，能夠用典型的計算機繪圖軟件繪制各種工藝流程圖。第一節(jié)第一節(jié) 常用化工設計軟件概述常用化工設計軟件概述n計算機輔助化工設計主要包括物性數據檢索、計算機輔助過程設計、計算機輔助設計和計算機輔助工程設計等。表表10

2、-1 10-1 常用化工設計軟件簡介常用化工設計軟件簡介軟件分類軟件分類軟件名稱軟件名稱應用范圍應用范圍主要功能主要功能流程模擬軟流程模擬軟件件ASPEN PLUSASPEN PLUS穩(wěn)態(tài)流程模擬，也穩(wěn)態(tài)流程模擬，也可以做一些動態(tài)?？梢宰鲆恍﹦討B(tài)模擬。擬。物料平衡、熱量平衡物料平衡、熱量平衡PROPROHYSYSHYSYSECCSECCS（國產軟件）（國產軟件）CHEMCADCHEMCADASPEN ASPEN DYNAMICS&DYNAMICS&CUSTOM CUSTOM MODELERMODELER動態(tài)流程模擬動態(tài)流程模擬可以進行裝置安全分析和可以進行裝置安全分析和預測、裝

3、置操作規(guī)律的研預測、裝置操作規(guī)律的研究、安全生產指導和調優(yōu)、究、安全生產指導和調優(yōu)、在線優(yōu)化與先進控制等。在線優(yōu)化與先進控制等。HYSYS HYSYS DYNAMICSDYNAMICS流程的組織與合成軟件PINCH夾點分析軟件基于過程綜合與集成的夾點技術的計算軟件。應用工廠現場操作數據或ASPEN PLUS模擬計算的數據為輸入，設計能耗最小、操作成本最低的化工廠和煉油廠過程流程。設備分析和模擬軟件FRI塔器水力學計算軟件塔設計、校核計算等PFR加熱爐模擬軟件包括通用加熱爐、烴蒸氣轉化爐、裂解爐等傳熱計算軟件包。ANSYS非線性動態(tài)和靜態(tài)有限元分析包括計算流體功能SW6鋼制壓力容器、管殼式換熱器

4、、塔設計計算軟件采用國標ASPEN B-JAC管殼式換熱器設計符合ASME、TEMA標準VESSEL容器設計、局部應力分析符合ASME標準系統(tǒng)專業(yè)系統(tǒng)專業(yè)軟件軟件SINETSINET工藝系統(tǒng)和設備工藝系統(tǒng)和設備尺寸選型計算及尺寸選型計算及管網設計軟件管網設計軟件設計管線和管網系統(tǒng)尺寸設計管線和管網系統(tǒng)尺寸和工藝設備尺寸和工藝設備尺寸PIPENETPIPENET管路設計系統(tǒng)軟管路設計系統(tǒng)軟件件解決管網內流場穩(wěn)態(tài)和動解決管網內流場穩(wěn)態(tài)和動態(tài)水力計算。并有專門針態(tài)水力計算。并有專門針對消防系統(tǒng)設計開發(fā)的模對消防系統(tǒng)設計開發(fā)的模擬軟件。擬軟件。PIPEPHASEPIPEPHASE精確模擬穩(wěn)態(tài)多精確模擬

5、穩(wěn)態(tài)多相流程軟件相流程軟件應用于油氣管路網絡和管應用于油氣管路網絡和管路系統(tǒng)路系統(tǒng)Visual FLOWVisual FLOW泄壓系統(tǒng)的模擬泄壓系統(tǒng)的模擬計算與設計計算與設計從簡單的火炬泄壓閥核算從簡單的火炬泄壓閥核算到設計最復雜的泄壓系統(tǒng)到設計最復雜的泄壓系統(tǒng)INPLANTINPLANT管網水力學計算管網水力學計算嚴格穩(wěn)態(tài)模擬程序用來設嚴格穩(wěn)態(tài)模擬程序用來設計，核算和分析裝置管線計，核算和分析裝置管線ASPEN FIareNetASPEN FIareNet火炬管網穩(wěn)態(tài)模火炬管網穩(wěn)態(tài)模擬計算擬計算可以完成單一或多重火炬可以完成單一或多重火炬系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計、計算以系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計、計算以及消除瓶頸

6、及消除瓶頸安全環(huán)保安全環(huán)保專業(yè)軟件專業(yè)軟件ADMSADMS大氣擴散模擬軟大氣擴散模擬軟件件 CADNA CADNAA A環(huán)境噪聲模擬軟環(huán)境噪聲模擬軟件件DNV SAFETI&LEAKDNV SAFETI&LEAK安全分析評估軟安全分析評估軟件件SAFETISAFETI是世界上著名的定是世界上著名的定量風險分析量風險分析QRAQRA的標準，的標準，LEAKLEAK軟件是收集完整的事軟件是收集完整的事故發(fā)生頻率的專家系統(tǒng)與故發(fā)生頻率的專家系統(tǒng)與數據庫，其計算結果提供數據庫，其計算結果提供給給SAFETISAFETI進行風險分析。進行風險分析。經濟分析經濟分析與評價軟與評價軟件件IC

7、ARUS 2000ICARUS 2000投資估算、預算投資估算、預算和項目進度管理和項目進度管理軟件軟件包括工程與設備設計、工包括工程與設備設計、工程經濟、項目控制及管理程經濟、項目控制及管理的多功能軟件，世界上知的多功能軟件，世界上知名的煉油和石化公司與工名的煉油和石化公司與工程設計公司都用此軟件作為程設計公司都用此軟件作為其成本計算、投資估其成本計算、投資估算預算及報價的標準。算預算及報價的標準。ICARUS Process ICARUS Process EVALUATOREVALUATOR（IPEIPE）在可行性研究時即可使在可行性研究時即可使用，有與用，有與ASPEN PLUSASPE

8、N PLUS、PRO/PRO/等大型工藝流程模等大型工藝流程模擬軟件的接口。擬軟件的接口。ICARUS Project ICARUS Project Manager Manager （IPMIPM）在詳細設計初期使用，較在詳細設計初期使用，較適用于煉油廠和石化工廠適用于煉油廠和石化工廠的改造或較小的項目。的改造或較小的項目。ASPEN PIMSASPEN PIMS過程工業(yè)用的經過程工業(yè)用的經濟計劃軟件包濟計劃軟件包采用線性規(guī)劃（采用線性規(guī)劃（1inear 1inear programmingprogramming，LPLP）技術）技術來優(yōu)化生產作業(yè)計劃優(yōu)來優(yōu)化生產作業(yè)計劃優(yōu)化、后勤及供應鏈管理

9、、化、后勤及供應鏈管理、技術評價、工廠各單元規(guī)技術評價、工廠各單元規(guī)模估算及擴產研究等過程模估算及擴產研究等過程工業(yè)企業(yè)的運營計劃。工業(yè)企業(yè)的運營計劃。工藝裝置工藝裝置設計軟件設計軟件PDSPDS以裝置為核心的以裝置為核心的集成化設計解決集成化設計解決方案方案能夠應用于工藝、配管、能夠應用于工藝、配管、儀表、結構、電氣等專儀表、結構、電氣等專業(yè)，工程師在計算機上建業(yè)，工程師在計算機上建立完整的材料、元件及設立完整的材料、元件及設備數據庫，。備數據庫，。 AUTOPLANT AUTOPLANT專門為針對三維專門為針對三維工廠設計系統(tǒng)的工廠設計系統(tǒng)的詳細設計階段提詳細設計階段提供的軟件解決方供的軟

10、件解決方案案緊密整合于項目數據庫，緊密整合于項目數據庫，直接和工藝流程與儀表設直接和工藝流程與儀表設計系統(tǒng)共享工程資料。通計系統(tǒng)共享工程資料。通過與全自動三維配管優(yōu)化過與全自動三維配管優(yōu)化系統(tǒng)、全自動管路標注系系統(tǒng)、全自動管路標注系統(tǒng)、實時漫游模擬系統(tǒng)、統(tǒng)、實時漫游模擬系統(tǒng)、工廠知識管理系統(tǒng)等的相工廠知識管理系統(tǒng)等的相互補充，提供了針對工廠互補充，提供了針對工廠全生命周期的集成軟件解全生命周期的集成軟件解決方案。決方案。第二節(jié)第二節(jié) 化工流程模擬軟件化工流程模擬軟件一、常用化工流程模擬軟件簡介一、常用化工流程模擬軟件簡介二、二、ASPEN PLUSASPEN PLUS 1976年美國能源部在麻

11、省理工學院（MIT）組織，由MIT主持，聯合50多個工業(yè)公司、政府部門和高等院校共同參與開發(fā)了ASPEN模擬系統(tǒng)。ASPEN PLUS是目前最為流行的大型通用穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)之一，是舉世公認的標準大型流程模擬軟件，也是目前國際上功能最強的商品化流程模擬軟件。 官方網站：http：/wwwAspen Techcom。 Run IDTool BarTitle BarMenu BarSelect ModebuttonModel LibraryModel MenuTabsProcessFlowsheetWindowNext ButtonStatus Area圖圖10-1 ASPEN PLUS10-1 AS

12、PEN PLUS用戶界面用戶界面ASPEN PLUS主要特性nASPEN PLUS有一個公認的跟蹤記錄，在一個工藝過程的制造的整個生命周期中提供巨大的經濟效益，制造生命周期包括從研究與開發(fā)經過工程到生產。 nASPEN PLUS使用最新的軟件工程技術通過它的Microsoft Windows圖形界面和交互式客戶-服務器模擬結構，使得工程生產力最大。 nASPEN PLUS擁有精確模擬范圍廣泛的實際應用所需的工程能力，這些實際應用包括從煉油到非理想化學系統(tǒng)到含電解質和固體的工藝過程。 nASPEN PLUS是AspenTech的集成聰明制造系統(tǒng)技術的一個核心部分，該技術能在整個過程工程基本設施范

13、圍內捕獲過程專業(yè)知識并充分利用。n在實際應用中，ASPEN PLUS可以幫助工程師解決快速閃蒸計算、設計一個新的工藝過程、查找一個原油加工裝置的故障或者優(yōu)化一個乙烯全裝置的操作等工程和操作的關鍵問題。ASPEN PLUS主要功能及運行方法nWindows交互性界面：界面包括工藝流程圖形視圖，輸入數據瀏覽視圖，獨特的“NEXT”專家向導系統(tǒng)，來引導用戶進行完整的、一致的流程的定義。n圖形向導：幫助用戶很容易地把模擬結果創(chuàng)建成圖形顯示。 nEO模型：方程模型有著先進參數管理和整個模擬的靈敏分析或者是模擬特定部分的分析。序貫模塊法和面向方程的解決技術允許用戶模擬多嵌套流程。ASPEN PLUS流程模

14、擬軟件主要功能：nActiveX （OLE Automation）控件：可以和微軟 Excel 和 Visual Basic 方便的連接，支持 OLE （對象鏈接與嵌入）功能。 n全面的單元操作：包括氣/液，氣/液/液，固體系統(tǒng)和用戶模型。 nACM Model Export選項：用戶可以在Aspen Custom Modeler （ ACM ）創(chuàng)建模擬模型和編譯。n熱力學物性：內置數據庫包含有8500種組分物性數據，包括有機物，無機物，水合物和鹽類；還有 4000 種二元混合物的37,000 組二元交互數據。利用Aspen plus可進行物性分析、物性估計、物性數據回歸。n收斂分析：自動分析

15、和建議優(yōu)化的撕裂物流、流程收斂方法和計算順序，即使是巨大的具有多個物流和信息循環(huán)的流程，收斂分析非常方便。 nCalculator models 計算模式： 包含ad-hoc計算與內嵌的FORTRAN和Excel模型接口。n靈敏度分析：靈敏度分析功能在Data Browser頁面下的Sensitivity Form表單中設定，其目的是測定某個變量對目標值的影響程度。分別定義分析變量（Sampled variables）和操縱變量（Manipulated variables），設定操縱變量的變化范圍，即可執(zhí)行靈敏度分析。n案例研究：用不同的輸入進行多個模擬，比較和分析。 nDesign Spec

16、ification功能：自動計算操作條件或設備參數，滿足指定的性能目標。 n數據擬合：將工藝模型與真實的裝置數據進行擬合，確保精確的和有效的真實裝置模型。 n優(yōu)化功能：確定裝置操作條件，最大化任何規(guī)定的目標。 n開放的環(huán)境：可以很容易地和內部產品互相整合，或者是第三方軟件。n詳細的換熱器設計和核算。nHeatx使 Aspen plus 具有與下面兩個軟件的接口： n軟件1：TASC/Aspen Hetran the Aspen B-JAC and HTFS （ 管殼式換熱器設計， multitude 換熱器， 套管換熱器 ）；n軟件2 ：ACOL/Aspen Aerotran the Aspe

17、n B-JAC and HTFS（空冷器設計）。 ASPEN PLUS基本流程模擬主要運行方法 n定義流程 n規(guī)定全局計算信息n規(guī)定組分 n選擇物性方法n規(guī)定物流 n單元操作模型的參數設置 n運行模擬程序，生成報告。例10.1：常壓操作連續(xù)篩板精餾塔設計，設計參數如下：進料組份：水 63.2%、甲醇 38.6%（質量分率）； 處理量：水甲醇混合液 55t/h； 進料熱狀態(tài)：飽和液相進料； 進料壓力：125 kPa； 操作壓力：110 kPa； 單板壓降：0.7 kPa； 塔頂餾出液：甲醇量大于 99.5 %（質量分率） 塔底釜液：水量大于 99.5 %；（質量分率）?；亓鞅龋鹤赃x； 全塔效率：

18、ET=52% 熱源：低壓飽和水蒸汽；我們通過這個實例學習Aspen Plus 精餾模擬應用。 設計任務：確定理論塔板數、確定合適的回流比。本例選擇DSTWU簡捷精餾計算模型。 表表10-3 DSTWU規(guī)定與估算內容規(guī)定與估算內容規(guī)定目的其他結果輕重關鍵組分的回收率最小回流比和最小理論級數進料位置、冷凝器、再沸器的熱負荷。理論級數必需回流比回流比必需理論級數n解：1、定義模擬流程 1）創(chuàng)建精餾塔模塊 圖圖10-2 10-2 模型庫窗口模型庫窗口圖圖10-3 DSTWU10-3 DSTWU模型下的三個等效模塊模型下的三個等效模塊圖圖10-410-4 精餾塔模型精餾塔模型2）繪制物流 圖圖10-5

19、10-5 選擇流股類型結果選擇流股類型結果圖圖10-6 10-6 繪制物流繪制物流 3）模塊和物流命名 圖圖10-7 10-7 模塊和物流命名模塊和物流命名 2、模擬設置 圖圖10-8 10-8 初始化設置頁面初始化設置頁面1）定義數據輸入輸出單位 2）定義用戶與工程信息 圖圖10-9 Accounting10-9 Accounting選擇項卡頁面選擇項卡頁面3、定義組份 圖圖10-10 10-10 進料參數輸入頁面進料參數輸入頁面圖圖10-11 find 10-11 find 工具的查找結果工具的查找結果圖圖10-12 10-12 定義組分結果定義組分結果4、確定物性計算方法 圖圖10-13

20、 10-13 特性方法選擇頁面特性方法選擇頁面圖圖10-14 10-14 確定物性計算方法確定物性計算方法5、定義流股條件 圖圖10-15 10-15 定義每個組分流量或分率定義每個組分流量或分率6、定義單元模型 圖圖10-16 10-16 定義冷凝器類型定義冷凝器類型7、模擬計算與結果查看 圖圖10-17 10-17 運行信息顯示頁運行信息顯示頁圖圖10-18 10-18 運行結果顯示頁運行結果顯示頁圖圖10-19 10-19 計算結果顯示頁計算結果顯示頁8、靈敏度分析 圖圖10-20 10-20 靈敏度分析窗口靈敏度分析窗口a. 建立新靈敏度分析任務 圖圖10-2110-21建立新靈敏度分析任務名稱對話框建立新靈敏度分析任務名稱對話框 圖圖10-22 10-22 靈敏度分析任務窗口靈敏度分析任務窗口 b. 定義測量變量（Define） 圖圖10-23 10-23 變量輸入對話框變量輸入對話框 圖圖10-24 10-24 定義變量定義變量 N N的屬性的屬性 圖圖10-25 10-25 定義后的窗口定義后的窗口圖圖10-26 10-26 定義結果窗口定義結果窗口c. 定義操作變量（Vary） 圖圖10-27 10-27