化工设计概论与化工制图计算机在化工设计中的应用课件

2020 2 27 设计概论与化工制图 1 设计概论与化工制图 2020 2 27 设计概论与化工制图 2 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 3 8 1流程模拟软件 AspenProIIChemcadHysys 2020 2 27 设计概论与化工制图 4 一 PRO II PRO II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 PRO II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 消除装置工艺瓶颈 优化和改进装置产量和效益等 2020 2 27 设计概论与化工制图 5 PRO II功能及特征 PROII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BDI 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 6 一 国内应用情况 1 2001年5月新发行的PROIIV5 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 7 二 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 II典型的化学工艺模型 合成氨 共沸精馏和萃取精馏 结晶 脱水工艺 无机工艺 液 液抽提 苯酚精馏 固体处理 2020 2 27 设计概论与化工制图 8 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 常压蒸馏 减压塔 FCC主分馏塔 焦碳塔 气体装置 汽油稳定 石脑油分离和气提 反应精馏 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 芳烃分离塔 环己烷装置 MTBE分离制造厂 萘转化 烯烃生产 氧化生产 丙烯氯化气体加工 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 间歇精馏 间歇反应 2020 2 27 设计概论与化工制图 9 一般化的闪蒸模型 闪蒸 阀 压缩机 膨胀机 泵 管线 混合器 分离器方面Mixer splitter精馏模型 Inside out SURE CHEMDIST算法 两 三相精馏 四个初值估算器 电解质 反应精馏和间歇精馏 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 管壳式 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 Profimatics重整和加氢器模型界面 间歇反应器聚合物模型 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 10 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 11 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 12 热力学计算方法 多种 操作单元 闪蒸罐 缩略图 间歇精馏器 蒸馏器 液 液抽提精馏器 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 13 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 0个 增加自定义计算模型 个 增加自定义电解质模型 个等 2020 2 27 设计概论与化工制图 14 分析工具工况研究 优化器 单相变量控制器 多相变量控制器 加热 冷却曲线等 2020 2 27 设计概论与化工制图 15 PROII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 II 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 II HTRIInterface从PRO II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 II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能量效率 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 16 应用模块 Batch 搅拌釜反应器和间歇蒸馏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 TheElectrolyteUtilityPackage 电解质应用包 作为该模块的一部分 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 II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馏 2020 2 27 设计概论与化工制图 17 常用版本 ProIIv6 01最新版本 ProIIV7 1 2020 2 27 设计概论与化工制图 18 二 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 19 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 20 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 21 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 22 单元操作 蒸馏 汽提 吸收 萃取 共沸 三相共沸 共沸蒸馏 三相蒸馏 电解质蒸馏 反应蒸馏反应器 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 沉淀分离器间歇蒸馏 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 23 ChemCAD的热力学和传递性质包对过程系统提供了计算K值 焓 熵 密度 粘度 导热系数和表面张力的多种选择 2020 2 27 设计概论与化工制图 24 热力学选项 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种焓计算方法 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 可以处理直链烃以及电解质 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值和焓值计算方法 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 ChemCAD提供了标准 共享 用户三种组分数据库 2020 2 27 设计概论与化工制图 25 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 可以定义烃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 2020 2 27 设计概论与化工制图 26 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 27 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 28 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AdobePostscript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 2020 2 27 设计概论与化工制图 29 界面友好 ChemCAD一直以操作简单 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 30 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 31 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 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VisualBasicforApplications VBA 程序编一个文档化的界面来存取和控制过程模型 OLE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 2020 2 27 设计概论与化工制图 32 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 Onelinehelp 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 33 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 34 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 35 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 36 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 37 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 对蒸馏塔 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 38 集成了设备标定模块及工具模块 ChemCAD集成了对蒸馏塔 管线 换热器 压力容器 孔板和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 2020 2 27 设计概论与化工制图 39 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烃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 2020 2 27 设计概论与化工制图 40 支持动态模拟 Chemstations公司开发了大量的动态操作单元 包括动态蒸馏模拟CC DCOLUMN 动态反应器模拟CC ReACS 间歇蒸馏模拟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 2020 2 27 设计概论与化工制图 41 利用动态模拟 用户可以 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 计算特殊的非稳态过程 2020 2 27 设计概论与化工制图 42 当系统内部压力 温度不稳时 用稳态软件不能计算系统紧急放空 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 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 2020 2 27 设计概论与化工制图 43 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