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第一章ChemCAD软件简介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。1.1认识ChemCAD1.1.1ChemCAD能为您做什么?ChemCAD是一个化工生产计算机模拟软件，在工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造中都能发挥很大的作用。(1)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。(2)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。(3)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。1.1.2ChemCAD单元操作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：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。1.1.3ChemCAD热力学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。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。1.1.4ChemCAD物性库ChemCAD提供了标准、共享、用户三种组分数据库。（1）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。（2）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。（3）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。1.1.5ChemCAD设备设计和核算ChemCAD提供了对多种设备进行设计和核算的功能模块。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。1.2ChemCAD的其它特点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。（1）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。（2）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。（3）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。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。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VisualBasicforApplications(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。(4)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。(5)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。(6)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。(7)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。(8)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。(9)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。(10)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。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；(11)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。利用动态模拟，用户可以：①确定开停工方案使装置安全、平