常用化工流程模擬軟件的比較

薛科創(chuàng)

常用化工流程模擬軟件的比較

薛科創(chuàng)

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710302）

作為一名化工設(shè)計人員，掌握化工流程模擬軟件是必須的能力。Aspen Plus，Pro/II，ChemCAD是化工設(shè)計人員經(jīng)常使用的三大化工模擬軟件。講述了Aspen Plus，Pro/II，ChemCAD的發(fā)展過程以及特點，使化工設(shè)計人員在選擇化工模擬軟件時，有一定的針對性，可以發(fā)揮每個軟件獨特的優(yōu)點，更好的進(jìn)行化工設(shè)計。

模擬；軟件；Aspen Plus；Pro/II；ChemCAD

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機變得更加普遍，作為一名化工人員，不但要會解決化工問題，而且要會利用計算機解決化工問題，使化工生產(chǎn)達(dá)到事倍功半的效果。而用計算機解決化工問題，就是利用計算機進(jìn)行化工生產(chǎn)的模擬。化工過程模擬是利用計算機實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程的“再現(xiàn)”，采用數(shù)學(xué)方法來描述化工過程，通過應(yīng)用計算機輔助計算手段，進(jìn)行化工過程物料衡算、熱量衡算、設(shè)備尺寸估算和能量分析，進(jìn)行環(huán)境和經(jīng)濟評價[1]。通過化工模擬過程，將模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)結(jié)合，可以指導(dǎo)實驗，大大節(jié)約成本，加快新產(chǎn)品和新工藝的開發(fā)，而且還可以節(jié)約化工設(shè)計人員的時間；同時化工流程模擬還可以對化工生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益，過程優(yōu)化，環(huán)境評價進(jìn)行全面的分析和精確評估；并可以對化工過程的規(guī)劃、研究、開發(fā)及技術(shù)的可靠性做出分析[2]。

由于化工模擬是在計算機上進(jìn)行的化工計算過程，必然要用到一些化工模擬軟件。它們一般由物性數(shù)據(jù)庫、單元操作模塊、輸入和輸出部分、解算和管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信五部分構(gòu)成。目前，最著名的化工流程模擬軟件有 Aspen Plus，Pro/II，ChemCAD[3]，雖然這幾種模擬軟件具有一般模擬軟件的組成部分，但它們又有自己獨特的地方。

1 三類化工模擬軟件的比較

1.1 Aspen Plus的發(fā)展歷史

Aspen Plus是AspenTech公司開發(fā)的化工模擬軟件，全名稱之為“過程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”[4](Advanced System for Process Engineering，簡稱ASPEN)。在七十年代后期，美國能源部聯(lián)合麻省理工學(xué)院組織會戰(zhàn)，決定開發(fā)第三代流程模擬軟件，這項工程于 1981年完成，在 1982年成立的AspenTech公司，并將該產(chǎn)品進(jìn)行商品化，命名為Aspen Plus。該軟件到目前已有30多年的歷史，經(jīng)過多次的升級和提高，先后推出了十多個版本，經(jīng)過經(jīng)典版本Aspen Plus 7.3之后，AspenTech公司陸續(xù)發(fā)布了Aspen Plus 8.0、Aspen Plus 8.4、直到2014年2月，AspenTech公司發(fā)布了Aspen Plus 8.5。

1.2 Aspen Plus的特點

（1）完備的物性數(shù)據(jù)庫[5]：Aspen Plus有兩個通用的數(shù)據(jù)庫Aspen CD（AspenTech公司自己開發(fā)的數(shù)據(jù)庫）和DIPPR（美國化工協(xié)會物性數(shù)據(jù)設(shè)計院的數(shù)據(jù)庫），此外還擁有多個專業(yè)的數(shù)據(jù)庫。在這些數(shù)據(jù)庫中，包含了將近6 000種化合物的物性、900種離子或分子電解質(zhì)的參數(shù)、3 314種固體模型參數(shù)、此外，還有2 450種無機物的熱化學(xué)參數(shù)以及涉及5 000多個二元混合物的交互參數(shù)4 000多個。這足以說明Aspen Plus的數(shù)據(jù)庫是非常強大的，為模擬提供了足夠的數(shù)據(jù)保障。

（2）豐富的單元操作模塊：Aspen Plus擁有50多個單元操作模塊[6]，將這些模塊有機組合，可以模擬用戶所需的流程。此外，Aspen Plus是其它所有模擬軟件工程套件的核心。以Aspen Plus的嚴(yán)格模擬為基礎(chǔ)，形成了針對不同用途、不同層次的AspenTech家族軟件產(chǎn)品，并為這些軟件提供一致的物性支持。例如：AspenTech公司的Petro Frac軟件是在Aspen Plus進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上，專門用于煉油廠的模擬軟件。

（3）計算方法的獨特[7]：唯一將序貫?zāi)K算法（SM）和聯(lián)立方程（EO）算法同時包含在同一個模擬工具中。采用序貫?zāi)K算法可以為流程的收斂計算提供初值，采用聯(lián)立方程算法，可以大大提高了大型流程計算的收斂速度，同時，讓以往收斂困難的流程計算成為可能。節(jié)省了化工設(shè)計時間，降低了成本。

（4）多樣的流程/模型分析功能：Aspen Plus不僅能對流程進(jìn)行模擬，還可以采用靈敏度分析模塊和工況分析模塊對模擬的結(jié)果進(jìn)行評價[8]。

1.3 ChemCAD的發(fā)展歷史

ChemCAD是由美國的Chemstations公司開發(fā)的化工流程模擬軟件，它廣泛的應(yīng)用于化學(xué)和石油工業(yè)、煉油工業(yè)、是對化工生產(chǎn)的工藝開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)改造的有力軟件[9]。經(jīng)過計算機工程師的不斷研究，Chemstations公司已經(jīng)推出了ChemCAD的多個版本，在2014年3月10日，該公司推出了最新版本：ChemCAD 6.5。

1.4 ChemCAD的特點

（1）安裝簡單，對系統(tǒng)要求低[10]：相對于Aspen Plus，ChemCAD的安裝非常簡單，只要正確的安裝了加密鎖，就可以直接安裝，一般不需要特殊設(shè)置，而 Aspen Plus的安裝涉及到其他插件的安裝和軟件的設(shè)置，相當(dāng)麻煩，有一步設(shè)置錯誤，就不能通過安裝。

（2）物性選擇豐富：ChemCAD的提供了計算“K”值、焓值、熵值、密度、粘度和表面張力的多種選擇。在熱力學(xué)選項方面，ChemCAD提供了大量的最新的熱平衡和相平衡的計算方法，包含39種K值計算方法、13種焓值計算方法[11]。這些計算方法可以應(yīng)用于天然氣加工廠、煉油廠以及石油化工廠，可以處理直鏈烴以及電解質(zhì)、鹽、胺、酸水等特殊系統(tǒng)。此外，ChemCAD的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫提供了1 800多個純組分的性質(zhì)參數(shù)和2 200對二元交互參數(shù)。

（3）完備的單元操作設(shè)備：在單元操作模塊方面，ChemCAD能和Aspen Plus媲美，ChemCAD提供了超過 40個的單元操作模塊供用戶選擇，此外，還提供了過濾器、結(jié)晶器、除塵器、研磨、篩分等13個固體單元操作模塊。

（4）強大的計算和分析功能[12]：ChemCAD可以求解幾乎所有的單元操作，對非常復(fù)雜的循環(huán)回路也可以輕松處理。和Aspen Plus一樣，ChemCAD也具有先進(jìn)的靈敏度分析功能、先進(jìn)的優(yōu)化功能。靈敏度分析模塊可以定義2個自變量和多至12個因變量，優(yōu)化模塊可以求解含有10個自變量的函數(shù)的最大值和最小值。

1.5 Pro/II的發(fā)展歷史

Pro/II是美國SimSci公司開發(fā)的化工流程模擬軟件，最早起源于世界上的第一個蒸餾模擬器SP0[13]，1973年，SimSci公司在SP0的基礎(chǔ)上推出了流程模擬器，1979年這個流程模擬軟件進(jìn)一步的發(fā)展，即Pro/II的前身，很快，Pro/II成為該領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了迅速的發(fā)展，客戶遍布全球各地。目前，Pro/II最新的版本是9.2。

1.6 Pro/II的特點

（1）豐富的物性數(shù)據(jù)庫： Pro/II同樣擁有豐富的物性數(shù)據(jù)庫，2 000多純組分庫、1 900多組分電解質(zhì)庫[14]，這方面和和Aspen Plus相比有點遜色，但是，Pro/II用戶可以自己定義數(shù)據(jù)庫中沒有的組分，把通過實驗得到的物性數(shù)據(jù)添加到自己的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。

（2）完全的單元操作模塊：不僅包括一般模型，如閃蒸、閥、壓縮機、膨脹機、管道、泵、混合器和分離器，而且包括更復(fù)雜的模型如：蒸餾塔、換熱器、嚴(yán)格管殼式換熱器（包括整合的HTRI模型）、加熱爐、空冷器、冷箱模型、反應(yīng)器、固體處理單元等等。

（3）開放的架構(gòu)：Pro/II帶有一個靈活的OLE自動化層，允許用戶對Pro/II模擬數(shù)據(jù)的信息進(jìn)行讀寫操作。您可以從PRO/II模擬數(shù)據(jù)庫文件中提取數(shù)據(jù)到OLE兼容的程序中進(jìn)一步處理，如Excel、Lotus123或一個用VB編寫的應(yīng)用程序。實際上，Pro/II本身也是用OLE層從它各個數(shù)據(jù)輸入窗口獲取和保存數(shù)據(jù)的?，F(xiàn)在，Pro/II用戶還可以獲取模擬數(shù)據(jù)并可用于自己的應(yīng)用程序中。

此外，Pro/II還提供了讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)的能力以及軟件與第三方程的接口，這些在其他軟件中是沒有的。在Pro/II中，除了可以輸入數(shù)據(jù)外，還可以采集來自某個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或可讀的文本文件的數(shù)據(jù)[15]，這樣用戶可以自動的獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)或者變化的數(shù)據(jù)。

2 結(jié) 論

“工欲善其事，必先利其器”。作為一個化工設(shè)計人員，必須會使用化工模擬軟件進(jìn)行化工設(shè)計，這樣不但可以節(jié)約成本，節(jié)約時間，而且還可以對自己的設(shè)計進(jìn)行評價、優(yōu)化。在所有的化工流程模擬軟件中，Aspen Plus、ChemCAD、Pro/II是化工模擬軟件的佼佼者，是化學(xué)工作者的首選軟件。了解這三種化工模擬軟件的特點，可以使化工設(shè)計人員在選擇化工模擬軟件時，有一定的針對性，可以發(fā)揮每個軟件獨特的優(yōu)點，更好的進(jìn)行化工設(shè)計。

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Comparison of Common Chemical Process Simulation Softwares

XUE Ke-chuang
( School of Chemical Engineering, Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi’an 710302, China)

As a chemical engineering design personnel, grasping the chemical process simulation software is necessary ability. Aspen Plus, Pro/II, ChemCAD are main chemical engineering simulation softwares that were often used by chemical engineering design personnel. In this paper, the development process and characteristics of the Aspen Plus,Pro/II and ChemCAD were described, which can help the engineering design personnel select the chemical simulation software better.

Simulation; Software; Aspen plus; Pro/II; ChemCAD

TQ 018

A

1671-0460（2014）05-0759-02

2014-04-07

薛科創(chuàng)（1985-），男，陜西興平人，助教，碩士，2011年畢業(yè)于西北大學(xué)材料化學(xué)專業(yè)，研究方向：催化劑的設(shè)計與合成，從事教師工作。E-mail：xuekechuang@126.com。