第10章 計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)中應(yīng)用

第十章

計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用第一節(jié)常用化工設(shè)計(jì)軟件概述第二節(jié)化工流程模擬軟件一、常用化工流程模擬軟件簡(jiǎn)介二、ASPENPLUS

三、PRO／Ⅱ第三節(jié)其他化工設(shè)計(jì)軟件一、化工裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件二、計(jì)算機(jī)繪圖軟件【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，初步掌握ASPENPLUS流程模擬軟件的特點(diǎn)和使用，了解ProII等其他設(shè)計(jì)軟件的特點(diǎn)和應(yīng)用，了解化工裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，能夠用典型的計(jì)算機(jī)繪圖軟件繪制各種工藝流程圖。第一節(jié)常用化工設(shè)計(jì)軟件概述計(jì)算機(jī)輔助化工設(shè)計(jì)主要包括物性數(shù)據(jù)檢索、計(jì)算機(jī)輔助過(guò)程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)等。表10-1常用化工設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介軟件分類軟件名稱應(yīng)用范圍主要功能流程模擬軟件ASPENPLUS穩(wěn)態(tài)流程模擬，也可以做一些動(dòng)態(tài)模擬。物料平衡、熱量平衡PRO／ⅡHYSYSECCS（國(guó)產(chǎn)軟件）CHEMCADASPENDYNAMICS&CUSTOMMODELER動(dòng)態(tài)流程模擬可以進(jìn)行裝置安全分析和預(yù)測(cè)、裝置操作規(guī)律的研究、安全生產(chǎn)指導(dǎo)和調(diào)優(yōu)、在線優(yōu)化與先進(jìn)控制等。HYSYSDYNAMICS流程的組織與合成軟件PINCH夾點(diǎn)分析軟件基于過(guò)程綜合與集成的夾點(diǎn)技術(shù)的計(jì)算軟件。應(yīng)用工廠現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)據(jù)或ASPENPLUS模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)為輸入，設(shè)計(jì)能耗最小、操作成本最低的化工廠和煉油廠過(guò)程流程。設(shè)備分析和模擬軟件FRI塔器水力學(xué)計(jì)算軟件塔設(shè)計(jì)、校核計(jì)算等PFR加熱爐模擬軟件包括通用加熱爐、烴蒸氣轉(zhuǎn)化爐、裂解爐等傳熱計(jì)算軟件包。ANSYS非線性動(dòng)態(tài)和靜態(tài)有限元分析包括計(jì)算流體功能SW6鋼制壓力容器、管殼式換熱器、塔設(shè)計(jì)計(jì)算軟件采用國(guó)標(biāo)ASPENB-JAC管殼式換熱器設(shè)計(jì)符合ASME、TEMA標(biāo)準(zhǔn)VESSEL容器設(shè)計(jì)、局部應(yīng)力分析符合ASME標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)專業(yè)軟件SINET工藝系統(tǒng)和設(shè)備尺寸選型計(jì)算及管網(wǎng)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)管線和管網(wǎng)系統(tǒng)尺寸和工藝設(shè)備尺寸PIPENET管路設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件解決管網(wǎng)內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)水力計(jì)算。并有專門針對(duì)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的模擬軟件。PIPEPHASE精確模擬穩(wěn)態(tài)多相流程軟件應(yīng)用于油氣管路網(wǎng)絡(luò)和管路系統(tǒng)VisualFLOW泄壓系統(tǒng)的模擬計(jì)算與設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單的火炬泄壓閥核算到設(shè)計(jì)最復(fù)雜的泄壓系統(tǒng)INPLANT管網(wǎng)水力學(xué)計(jì)算嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)模擬程序用來(lái)設(shè)計(jì)，核算和分析裝置管線ASPENFIareNet火炬管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算可以完成單一或多重火炬系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)、計(jì)算以及消除瓶頸安全環(huán)保專業(yè)軟件ADMS大氣擴(kuò)散模擬軟件CADNA／A環(huán)境噪聲模擬軟件DNVSAFETI&LEAK安全分析評(píng)估軟件SAFETI是世界上著名的定量風(fēng)險(xiǎn)分析QRA的標(biāo)準(zhǔn)，LEAK軟件是收集完整的事故發(fā)生頻率的專家系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)，其計(jì)算結(jié)果提供給SAFETI進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)軟件ICARUS2000投資估算、預(yù)算和項(xiàng)目進(jìn)度管理軟件包括工程與設(shè)備設(shè)計(jì)、工程經(jīng)濟(jì)、項(xiàng)目控制及管理的多功能軟件，世界上知名的煉油和石化公司與工程設(shè)計(jì)公司都用此軟件作為其成本計(jì)算、投資估算預(yù)算及報(bào)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。ICARUSProcessEVALUATOR（IPE）在可行性研究時(shí)即可使用，有與ASPENPLUS、PRO/Ⅱ等大型工藝流程模擬軟件的接口。ICARUSProjectManager（IPM）在詳細(xì)設(shè)計(jì)初期使用，較適用于煉油廠和石化工廠的改造或較小的項(xiàng)目。ASPENPIMS過(guò)程工業(yè)用的經(jīng)濟(jì)計(jì)劃軟件包采用線性規(guī)劃（1inearprogramming，LP）技術(shù)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃優(yōu)化、后勤及供應(yīng)鏈管理、技術(shù)評(píng)價(jià)、工廠各單元規(guī)模估算及擴(kuò)產(chǎn)研究等過(guò)程工業(yè)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。工藝裝置設(shè)計(jì)軟件PDS以裝置為核心的集成化設(shè)計(jì)解決方案能夠應(yīng)用于工藝、配管、儀表、結(jié)構(gòu)、電氣等專業(yè)，工程師在計(jì)算機(jī)上建立完整的材料、元件及設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，。AUTOPLANT專門為針對(duì)三維工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段提供的軟件解決方案緊密整合于項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，直接和工藝流程與儀表設(shè)計(jì)系統(tǒng)共享工程資料。通過(guò)與全自動(dòng)三維配管優(yōu)化系統(tǒng)、全自動(dòng)管路標(biāo)注系統(tǒng)、實(shí)時(shí)漫游模擬系統(tǒng)、工廠知識(shí)管理系統(tǒng)等的相互補(bǔ)充，提供了針對(duì)工廠全生命周期的集成軟件解決方案。第二節(jié)化工流程模擬軟件一、常用化工流程模擬軟件簡(jiǎn)介二、ASPENPLUS1976年美國(guó)能源部在麻省理工學(xué)院（MIT）組織，由MIT主持，聯(lián)合50多個(gè)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)。ASPENPLUS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(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，也是目前國(guó)際上功能最強(qiáng)的商品化流程模擬軟件。官方網(wǎng)站：http：//www．AspenTech．com。RunIDToolBarTitleBarMenuBarSelectModebuttonModelLibraryModelMenuTabsProcessFlowsheetWindowNextButtonStatusArea圖10-1ASPENPLUS用戶界面㈠ASPENPLUS主要特性①ASPENPLUS有一個(gè)公認(rèn)的跟蹤記錄，在一個(gè)工藝過(guò)程的制造的整個(gè)生命周期中提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益，制造生命周期包括從研究與開發(fā)經(jīng)過(guò)工程到生產(chǎn)。②ASPENPLUS使用最新的軟件工程技術(shù)通過(guò)它的MicrosoftWindows圖形界面和交互式客戶-服務(wù)器模擬結(jié)構(gòu)，使得工程生產(chǎn)力最大。③ASPENPLUS擁有精確模擬范圍廣泛的實(shí)際應(yīng)用所需的工程能力，這些實(shí)際應(yīng)用包括從煉油到非理想化學(xué)系統(tǒng)到含電解質(zhì)和固體的工藝過(guò)程。④ASPENPLUS是AspenTech的集成聰明制造系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)核心部分，該技術(shù)能在整個(gè)過(guò)程工程基本設(shè)施范圍內(nèi)捕獲過(guò)程專業(yè)知識(shí)并充分利用。⑤在實(shí)際應(yīng)用中，ASPENPLUS可以幫助工程師解決快速閃蒸計(jì)算、設(shè)計(jì)一個(gè)新的工藝過(guò)程、查找一個(gè)原油加工裝置的故障或者優(yōu)化一個(gè)乙烯全裝置的操作等工程和操作的關(guān)鍵問(wèn)題。㈡ASPENPLUS主要功能及運(yùn)行方法⑴Windows交互性界面：界面包括工藝流程圖形視圖，輸入數(shù)據(jù)瀏覽視圖，獨(dú)特的“NEXT”專家向?qū)到y(tǒng)，來(lái)引導(dǎo)用戶進(jìn)行完整的、一致的流程的定義。⑵圖形向?qū)В簬椭脩艉苋菀椎匕涯M結(jié)果創(chuàng)建成圖形顯示。⑶EO模型：方程模型有著先進(jìn)參數(shù)管理和整個(gè)模擬的靈敏分析或者是模擬特定部分的分析。序貫?zāi)K法和面向方程的解決技術(shù)允許用戶模擬多嵌套流程。ASPENPLUS流程模擬軟件主要功能：⑷ActiveX（OLEAutomation）控件：可以和微軟Excel和VisualBasic方便的連接，支持OLE（對(duì)象鏈接與嵌入）功能。⑸全面的單元操作：包括氣/液，氣/液/液，固體系統(tǒng)和用戶模型。⑹ACMModelExport選項(xiàng)：用戶可以在AspenCustomModeler（ACM）創(chuàng)建模擬模型和編譯。⑺熱力學(xué)物性：內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)包含有8500種組分物性數(shù)據(jù)，包括有機(jī)物，無(wú)機(jī)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(shù)據(jù)。利用Aspenplus可進(jìn)行物性分析、物性估計(jì)、物性數(shù)據(jù)回歸。⑻收斂分析：自動(dòng)分析和建議優(yōu)化的撕裂物流、流程收斂方法和計(jì)算順序，即使是巨大的具有多個(gè)物流和信息循環(huán)的流程，收斂分析非常方便。⑼Calculatormodels計(jì)算模式：包含ad-hoc計(jì)算與內(nèi)嵌的FORTRAN和Excel模型接口。⑽靈敏度分析：靈敏度分析功能在DataBrowser頁(yè)面下的SensitivityForm表單中設(shè)定，其目的是測(cè)定某個(gè)變量對(duì)目標(biāo)值的影響程度。分別定義分析變量（Sampledvariables）和操縱變量（Manipulatedvariables），設(shè)定操縱變量的變化范圍，即可執(zhí)行靈敏度分析。⑾案例研究：用不同的輸入進(jìn)行多個(gè)模擬，比較和分析。

⑿DesignSpecification功能：自動(dòng)計(jì)算操作條件或設(shè)備參數(shù)，滿足指定的性能目標(biāo)。⒀數(shù)據(jù)擬合：將工藝模型與真實(shí)的裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確保精確的和有效的真實(shí)裝置模型。⒁優(yōu)化功能：確定裝置操作條件，最大化任何規(guī)定的目標(biāo)。⒂開放的環(huán)境：可以很容易地和內(nèi)部產(chǎn)品互相整合，或者是第三方軟件。⒃詳細(xì)的換熱器設(shè)計(jì)和核算。⒄Heatx使Aspenplus具有與下面兩個(gè)軟件的接口：軟件1：TASC/AspenHetrantheAspenB-JACandHTFS（管殼式換熱器設(shè)計(jì)，multitude換熱器，套管換熱器）；軟件2：ACOL/AspenAerotrantheAspenB-JACandHTFS（空冷器設(shè)計(jì)）。ASPENPLUS基本流程模擬主要運(yùn)行方法

①定義流程②規(guī)定全局計(jì)算信息③規(guī)定組分④選擇物性方法⑤規(guī)定物流⑥單元操作模型的參數(shù)設(shè)置⑦運(yùn)行模擬程序，生成報(bào)告。例10.1：常壓操作連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：進(jìn)料組份：水63.2%、甲醇38.6%（質(zhì)量分率）；處理量：水甲醇混合液55t/h；進(jìn)料熱狀態(tài)：飽和液相進(jìn)料；進(jìn)料壓力：125kPa；操作壓力：110kPa；單板壓降：≤0.7kPa；塔頂餾出液：甲醇量大于99.5%（質(zhì)量分率）塔底釜液：水量大于99.5%；（質(zhì)量分率）?；亓鞅龋鹤赃x；全塔效率：ET=52%熱源：低壓飽和水蒸汽；我們通過(guò)這個(gè)實(shí)例學(xué)習(xí)AspenPlus精餾模擬應(yīng)用。設(shè)計(jì)任務(wù)：確定理論塔板數(shù)、確定合適的回流比。本例選擇DSTWU簡(jiǎn)捷精餾計(jì)算模型。

表10-3DSTWU規(guī)定與估算內(nèi)容規(guī)定目的其他結(jié)果輕重關(guān)鍵組分的回收率最小回流比和最小理論級(jí)數(shù)進(jìn)料位置、冷凝器、再沸器的熱負(fù)荷。理論級(jí)數(shù)必需回流比回流比必需理論級(jí)數(shù)解：1、定義模擬流程

1）創(chuàng)建精餾塔模塊圖10-2模型庫(kù)窗口圖10-3DSTWU模型下的三個(gè)等效模塊圖10-4

精餾塔模型2）繪制物流圖10-5選擇流股類型結(jié)果圖10-6繪制物流

3）模塊和物流命名圖10-7模塊和物流命名

2、模擬設(shè)置圖10-8初始化設(shè)置頁(yè)面1）定義數(shù)據(jù)輸入輸出單位2）定義用戶與工程信息圖10-9Accounting選擇項(xiàng)卡頁(yè)面3、定義組份圖10-10進(jìn)料參數(shù)輸入頁(yè)面圖10-11find工具的查找結(jié)果圖10-12定義組分結(jié)果4、確定物性計(jì)算方法圖10-13特性方法選擇頁(yè)面圖10-14確定物性計(jì)算方法5、定義流股條件圖10-15定義每個(gè)組分流量或分率6、定義單元模型圖10-16定義冷凝器類型7、模擬計(jì)算與結(jié)果查看圖10-17運(yùn)行信息顯示頁(yè)圖10-18運(yùn)行結(jié)果顯示頁(yè)圖10-19計(jì)算結(jié)果顯示頁(yè)8、靈敏度分析圖10-20靈敏度分析窗口a.建立新靈敏度分析任務(wù)圖10-21建立新靈敏度分析任務(wù)名稱對(duì)話框

圖10-22靈敏度分析任務(wù)窗口

b.定義測(cè)量變量（Define）圖10-23變量輸入對(duì)話框

圖10-24定義變量N的屬性

圖10-25定義后的窗口圖10-26定義結(jié)果窗口c.定義操作變量（Vary）圖10-27定義操作變量d、定義顯示結(jié)果（Tabulate）圖10-28定義顯示結(jié)果e、計(jì)算結(jié)果顯示圖10-29計(jì)算結(jié)果顯示2）圖形顯示圖10-30N-R曲線圖圖10-31編輯坐標(biāo)屬性圖10-32N-RCURVELT圖表2)輕關(guān)鍵組分回收率對(duì)理論塔板數(shù)影響圖10-33輕關(guān)鍵組分回收率對(duì)理論塔板數(shù)影響分析的設(shè)置圖10-34輕關(guān)鍵組分回收率對(duì)理論塔板數(shù)影響分析的計(jì)算結(jié)果