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1、化工设计概论,第11章：计算机辅助化工设计,三、计算机辅助化工过程设计,在20世纪20年代以前，化工过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。,在20世纪20年代60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。,在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。,为什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？,计算机软、硬件技术的发展,化工单元操作等理论的不断成熟,数学计算技术的发展,计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：,第一代商品化软件系统,20世纪60年代，以美国各高校联合开
2、发的CHESS软件系统为代表。,Chem.Eng.Simulation System,20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。,第二代商品化软件系统,Flowsheet Translator,第三代商品化软件系统,20世纪80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 两大软件系统代表。,Advanced System for Process Eng.,我国最早由寰球、化工部八院等单位于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或Process II软件系统进行计算机辅助化工过程设计。,天津大学拥有正版
3、的ASPEN和Process II 软件系统（教学版）。,计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：,（1）、单元操作模块的种类数；（2）、物性数据库的大小及数据的估算方法；（3）、能处理的流股数量和组份数量；（4）、计算技术方法（求解方法）；（5）、能处理的流股相态；（气、液、固、胶体、电解质等）（6）、软件系统的人性化界面及开放程度；（7）、流程图形输入及识别技术。等等,计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：,、设计工作效率高,、规范性好,、设计水平高（可进行优化设计）,第一节 常用化工设计软件概述第二节 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
4、、PRO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 常用化工设计软件概述,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10-1 常用化工设计软件简介,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,1976年美国能源部在麻省理工学院（MIT）组织，由MIT主持，联合5
5、0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。,Aspen Plus软件的发展史,Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为
6、了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该软件经过近20年来不断地改进、扩充和提高,已先后推出了十个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。,Aspen Plus软件的发展史,以Aspen Plus严格机理模型为基础,还逐步发展起来了针对不同用途、不同层次的Aspen工程套件(Aspen Engineering Suite,简称AES)产品系列。Aspen Plus是工程套件的核心,可广泛地应用于新工艺开发、装置设计优化，以及脱瓶颈分析与改造。此稳态模拟工具具有丰富的物
7、性数据库，可以处理非理想、极性高的复杂物系；并独具联立方程法和序贯模块法相结合的解算方法，以及一系列拓展的单元模型库。此外还具有灵敏度分析、自动排序、多种收敛方法，以及报告等功能。,Aspen 工程系列软件,计划/研发,概念设计,工艺设计,详细设计,施工/开车,操作/资产管理,经济评价/投资估算/进度管理,热交换器设计,稳态、动态模拟和优化,物性数据和模型,在线应用,工艺知识和数据管理,COMThermo/Aspen Properties/Aspen OLI/DETHERM,Hysys/Aspen Plus/Optimizer/Dynamics/Custom Modeler/Aspen Web
8、Models,Hetran/Aerotran,HTFS/Aspen Hetran/Aerotran/Teams,RTO Option/Aspen OnLine,Concept(DISTIL/HX-Net)/Aspen Split/Pinch/Water/Utilities,Pinch/Water/Utilities,Aspen ICARUS,Axsys/Aspen Zyqad,Aspen FCC/CatRef/Hydrocracker/Hydrotreater/Traflow/FlareNet,Polymers Plus/Aspen Plus/Dynamics/Custom Modeler,B
9、aSYS(BDK/Process Manuals/Process Tools)/Aspen Plus/Batch Plus/Chromatography/Aspen ADSIM,医药/精细化工,石油精制/管道,聚合物,工艺合成和分析,按功能分类,生命周期,Aspen Plus的单元操作模型及其主要功能,Aspen Plus的单元操作模型及其主要功能,Aspen Plus的单元操作模型及其主要功能,图10-1 ASPEN PLUS用户界面,ASPEN PLUS主要特性,ASPEN 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
10、过工程到生产。ASPEN 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。,ASPEN 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。ASPEN 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围内捕获过程专业知识并充分利用。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。,
11、ASPEN PLUS主要功能及运行方法,Windows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。图形向导：帮助用户很容易地把模拟结果创建成图形显示。EO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流程模拟软件主要功能：,ActiveX（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。全面的单元操作：包括气/液，气/
12、液/液，固体系统和用户模型。ACM Model Export选项：用户可以在Aspen Custom Modeler（ACM）创建模拟模型和编译。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。,收敛分析：自动分析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。Calculator models 计算模式：包含ad-hoc计算与内嵌的FORTRAN和Excel模型接口。灵敏度分
13、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。案例研究：用不同的输入进行多个模拟，比较和分析。,Design Specification功能：自动计算操作条件或设备参数，满足指定的性能目标。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。优化功能：确定装置操作条件，最大化任何规定的目标。开放的环境：可以很容易地和内部产品互
14、相整合，或者是第三方软件。详细的换热器设计和核算。,Heatx使 Aspen plus 具有与下面两个软件的接口：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）；软件2：ACOL/Aspen Aerotran the Aspen B-JAC and HTFS（空冷器设计）。,ASPEN PLUS基本流程模拟主要运行方法,定义流程 规定全局计算信息规定组分 选择物性方法规定物流 单元操作模型的参数设置 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：
15、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：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10-3 DSTWU规定与估算内容,解：1、定义模拟流程,1）创建精馏塔模块,图10-2 模型库窗口,图10-3 DSTWU
16、模型下的三个等效模块,图10-4 精馏塔模型,2）绘制物流,图10-5 选择流股类型结果,图10-6 绘制物流,3）模块和物流命名,图10-7 模块和物流命名,2、模拟设置,图10-8 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10-9 Accounting选择项卡页面,3、定义组份,图10-10 进料参数输入页面,图10-11 find 工具的查找结果,图10-12 定义组分结果,4、确定物性计算方法,图10-13 特性方法选择页面,图10-14 确定物性计算方法,5、定义流股条件,图10-15 定义每个组分流量或分率,6、定义单元模型,图10-16 定义冷凝器类型
17、,7、模拟计算与结果查看,图10-17 运行信息显示页,图10-18 运行结果显示页,图10-19 计算结果显示页,8、灵敏度分析,图10-20 灵敏度分析窗口,a.建立新灵敏度分析任务,图10-21建立新灵敏度分析任务名称对话框,图10-22 灵敏度分析任务窗口,b.定义测量变量（Define）,图10-23 变量输入对话框,图10-24 定义变量 N的属性,图10-25 定义后的窗口,图10-26 定义结果窗口,c.定义操作变量（Vary）,图10-27 定义操作变量,d、定义显示结果（Tabulate）,图10-28 定义显示结果,e、计算结果显示,图10-29 计算结果显示,2）图形显
18、示,图10-30 N-R 曲线图,图10-31 编辑坐标属性,图10-32 N-RCURVELT 图表,2)轻关键组分回收率对理论塔板数影响,图10-33 轻关键组分回收率对理论塔板数影响分析的设置,图10-34 轻关键组分回收率对理论塔板数影响分析的计算结果,图10-35 轻关键组分回收率对理论塔板数影响的作图分析,三、PRO,图10-36 PROII用户界面主窗口,第三节 其他化工设计软件,一、化工装置及系统设计软件,换热器设计软件,图10-37 HTRI用户界面主窗口 图10-38 HTFS.TASC用户界面主窗口,二、计算机绘图软件,1PIDCAD简介,图10-39 PIDCAD的工作界面,图10-40 主设备对话框,图10-41 图纸上绘出的设备,图10-42 小型设备图库,图10-43 小型设备对话框,图10-44 在图纸上绘制的小型设备,
