常用化工流程模擬軟件發(fā)展概述

李洪濤，何英華，朱麗娜，姜道華，劉 龍

（石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江 大慶 163714）

常用化工流程模擬軟件發(fā)展概述

李洪濤，何英華，朱麗娜，姜道華，劉 龍

（石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江 大慶 163714）

化工流程模擬軟件在化工過程的設(shè)計、研究、優(yōu)化等方面發(fā)揮著十分重要的作用。本文概述了國內(nèi)外化工流程模擬軟件的發(fā)展情況，對目前應(yīng)用最廣泛的化工流程模擬軟件進(jìn)行了簡介和對比。

化工流程模擬；模擬技術(shù)；軟件；發(fā)展

化工過程流程模擬是以工藝過程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法來描述化工過程，通過計算機(jī)輔助計算，進(jìn)行過程物料衡算、熱量衡算、設(shè)備尺寸估算和能量分析，作出環(huán)境和經(jīng)濟(jì)評價?；ち鞒棠M軟件是實(shí)現(xiàn)化工過程流程模擬的重要工具。從20世紀(jì)50年代中期發(fā)展至今，化工流程模擬軟件已經(jīng)成為化工流程模擬技術(shù)的核心?，F(xiàn)在化工過程模擬軟件應(yīng)用范圍很廣泛，可應(yīng)用于化工過程的設(shè)計、測試、優(yōu)化和過程的整合等?；み^程模擬與實(shí)驗研究的結(jié)合是目前最有效和最廉價的化工過程研究方法，能夠大大節(jié)約實(shí)驗成本，加快新產(chǎn)品和新工藝的開發(fā)過程[1]。

1 國內(nèi)外流程模擬軟件發(fā)展

國外化工穩(wěn)態(tài)過程模擬始于20世紀(jì)50年代中后期。1958年美國M.W.Kellogg公司推出了世界上第一個化工模擬程序——Flexible Flowsheeting。經(jīng)過不斷發(fā)展，進(jìn)入80年代后化工過程模擬走向了成熟期。模擬軟件的開發(fā)、研制走向?qū)I(yè)化、商品化。影響廣泛的Aspen Plus、Pro/Ⅱ在這一時期涌現(xiàn)和壯大。90年代后，各有關(guān)公司競相推出動態(tài)模擬軟件，如Hysys等[2]。

國內(nèi)流程模擬軟件的開發(fā)和應(yīng)用工作起步并不晚，早在20世紀(jì)60年代中期， 蘭州石化設(shè)計院就開始了流程模擬軟件的開發(fā)。到70年代前期，北京石化工程公司、洛陽石化工程公司和北京設(shè)計院等，相繼開發(fā)了一批油品分餾塔、多組分精餾塔、冷換設(shè)備、塔板水力學(xué)計算等工藝計算程序。這批程序在設(shè)計中的應(yīng)用， 對于提高設(shè)計效率和設(shè)計水平起過重要作用。到了20世紀(jì)80年代中期， 我國先后引進(jìn)國外流程模擬軟件Pro/Ⅱ和Aspen Plus進(jìn)行了大量的二次開發(fā)工作，使程序更方便并切合實(shí)際設(shè)計需要。 國內(nèi)一些單位也自行開發(fā)了一些模擬軟件或供教學(xué)用的類似軟件，但真正商業(yè)化的、能夠稱得上模擬軟件的很少。在專用模擬軟件方面，蘭州石化設(shè)計院的合成氨模擬程序、北京設(shè)計院的催化裂化模擬程序具有較高水平，對于改進(jìn)裝置條件、提高經(jīng)濟(jì)效益起了較好的作用。另外，青島化工學(xué)院計算機(jī)與化工研究所于1987年正式推出了ECSS化工之星模擬系統(tǒng)，該軟件也獲得了較好的推廣應(yīng)用。ECSS的基本思想是對計算機(jī)的硬件要求低，算法多，適應(yīng)范圍廣，并可根據(jù)各種模擬要求方便地進(jìn)行二次開發(fā)[3]。但與國外模擬軟件相比，國內(nèi)流程模擬系統(tǒng)無論在技術(shù)水平、應(yīng)用范圍、人機(jī)界面、商品化程度等方面，均存在很大差距[4]。

2 常用流程模擬軟件介紹

目前，普遍應(yīng)用的化工流程模擬軟件主要包括美國AspenTech公司的Aspen Plus和Hysys、美國SimSci公司的Pro/Ⅱ、英國PSE公司的gPROMS、美國Chemstations公司ChemCAD、美國WinSim 公司的DesignⅡ以及加拿大Virtual Materials Group的VMGSim等。其中，Aspen Plus、Hysys、Pro/Ⅱ、ChemCAD在化工、煉油、油氣加工、石化等領(lǐng)域中最著名，應(yīng)用也最為廣泛。

2.1 Aspen Plus

Aspen Plus簡稱Aspen，是一個大型通用流程模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)是美國麻省理工學(xué)院(MIT)于20世紀(jì)70年代后期研制開發(fā)的，由AspenTech公司在80年代初推向市場將其商品化。Aspen Plus憑借著其他軟件所無法比擬的優(yōu)勢，迅速在全球推廣，各大化工、石化、煉油等企業(yè)及著名的工程公司都是Aspen Plus的用戶。經(jīng)過30多年的發(fā)展和提高，該軟件先后推出了多個版本，其中最經(jīng)典的版本是Aspen Plus7.3，而最新的版本是2014年2月發(fā)布的Aspen Plus8.5。

Aspen Plus基于流程圖的過程穩(wěn)態(tài)模擬，包括56種單元操作模型，含5000種純組分、5000對二元混合物、3314種固體化合物、40000個二元交互作用參數(shù)的數(shù)據(jù)庫[5]。在實(shí)際運(yùn)用中可以建立流程、模擬模型、設(shè)計規(guī)定、靈敏度分析、物性分析、物性估計以及物性數(shù)據(jù)回歸等。在Aspen Plus的運(yùn)行環(huán)境中，只要具備合理的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、實(shí)際的操作條件和嚴(yán)格的平衡模型，就能夠模擬實(shí)際裝置，并幫助設(shè)計和優(yōu)化現(xiàn)有的裝置和流程。

Aspen Plus應(yīng)用領(lǐng)域很全面，可以對高級精餾過程進(jìn)行模擬，如共沸蒸餾、反應(yīng)蒸餾以及電解質(zhì)過程等。另外，還可以對煉油過程進(jìn)行模擬，如常減壓、催化等裝置的分離過程的模擬。對于能量集成和優(yōu)化，Aspen Plus也有著很大的優(yōu)越性。

2.2 Hysys

Hysys原本是加拿大Hyprotech公司的產(chǎn)品，2002年Hyprotech公司被美國Aspen Tech公司收購，于是Hysys成為AspenTech公司旗下產(chǎn)品。兩年后Aspen Tech公司推出了收購后的第一個版本Hysys 2004。Hysys以油氣加工模擬而著稱，該軟件分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩類，軟件的智能化程度很高，易于掌握。Hysys可用于對工業(yè)裝置進(jìn)行安全分析和預(yù)測，進(jìn)行操作規(guī)律和控制方案的研究及連鎖控制調(diào)試，分析裝置操作、生產(chǎn)過程中的瓶頸問題，確定安全的開工方案，計算間歇生產(chǎn)過程的安全問題，計算特殊的非穩(wěn)態(tài)過程，安全生產(chǎn)指導(dǎo)和調(diào)優(yōu)，在線優(yōu)化及先進(jìn)控制，生產(chǎn)培訓(xùn)等。

Hysys 在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，國內(nèi)用戶總數(shù)已超過50家。Hysys可以進(jìn)行油氣水的分離計算，解決管道集輸流程問題，也廣泛用于模擬和優(yōu)化天然氣加工裝置，如含水天然氣加壓后外輸、天然氣脫硫等。

2.3 Pro/Ⅱ

實(shí)驗組經(jīng)新輔助放化療后，CR 9例，PR 29例，PD 3例，SD 12例；新輔助放化療前后患者臨床分期變化情況?；熐埃孩蚱?34例，Ⅲ 19例；化療后：Ⅰ期 24例，Ⅱ期 25例，Ⅲ 4例。見表1。

Pro/Ⅱ歷史悠久，由美國SimSci公司開發(fā)，最早起源于該公司1967年開發(fā)的全球首個蒸餾模擬器SP0。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[6]。

Pro/Ⅱ可用于設(shè)計新工藝，評估改變的裝置配置，改進(jìn)現(xiàn)有裝置，依據(jù)環(huán)境規(guī)則進(jìn)行評估和證明，消除裝置工藝瓶頸，優(yōu)化和改進(jìn)裝置產(chǎn)量和效益。在實(shí)用性上，Pro/Ⅱ軟件廣泛地應(yīng)用于油/氣加工、煉油、化工、化學(xué)工程、建筑、聚合物、精細(xì)化工/制藥等行業(yè)，由于該軟件針對煉油化工行業(yè)的開發(fā)思路進(jìn)行了擴(kuò)展，Pro/Ⅱ在煉油化工行業(yè)要比其它同類軟件更具優(yōu)勢。

現(xiàn)在Pro/Ⅱ可以模擬整個生產(chǎn)廠從包括管道、閥門到復(fù)雜的反應(yīng)與分離過程在內(nèi)的幾乎所有裝置和流程。天然氣脫硫、三甘醇脫水、多級壓縮與冷卻、輕烴分離與精制、氣體分餾、水合物形成預(yù)測與抑止、冷凍循環(huán)、透平膨脹機(jī)優(yōu)化等氣體處理應(yīng)用也很廣泛。

2.4 ChemCAD

ChemCAD軟件是由美國Chemstations公司推出的一款化工流程模擬軟件。該軟件內(nèi)置的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫集成了多個方面且非常詳盡的數(shù)據(jù)，可以在計算機(jī)上建立與現(xiàn)場裝置吻合的數(shù)據(jù)模型，并通過運(yùn)算模擬裝置的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)運(yùn)行，應(yīng)用于化工生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。

ChemCAD主要對化學(xué)和石油工業(yè)、煉油、油氣加工等領(lǐng)域中的工藝過程進(jìn)行計算機(jī)模擬。其功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)物性數(shù)據(jù)庫，提供了大量的熱平衡和相平衡計算方法，包含39種值計算方法和13種焓計算方法；提供了50多個操作單元供用戶選擇，可以滿足不同設(shè)計方面的需要，是用于物料平衡和能量平衡核算的有力工具[7]。ChemCAD將穩(wěn)態(tài)模擬、動態(tài)模擬、間歇操作、安全設(shè)計、管網(wǎng)分析等計算功能，與換熱器設(shè)計、塔器設(shè)計、容器設(shè)計等多項裝置的設(shè)計功能，完全集成于單一的軟件接口，相互支持、靈活運(yùn)用，使工藝設(shè)計、計算分析更精確完善，完全不存在數(shù)據(jù)傳遞或軟件接口出錯的問題，極大地提高了工程仿真的計算效率，也使效益實(shí)現(xiàn)最大化。

ChemCAD能夠應(yīng)用于各類精餾、萃取、各種連續(xù)和間歇反應(yīng)，進(jìn)行熱力學(xué)、物性計算，此外還可以實(shí)現(xiàn)對舊裝置的改造和評估。在工程設(shè)計中，無論是建立一個新廠或是對老廠進(jìn)行改造，ChemCAD都可以用來選擇方案。 ChemCAD也可用模擬研究工廠合理化方案以消除“瓶頸”問題，或采用先進(jìn)技術(shù)改善工廠狀況的可行性， 如采用改進(jìn)的催化劑、新溶劑或新的工藝過程操作單元。

2.5 常用流程模擬軟件性能對比

流程模擬軟件通常由以下幾個部分構(gòu)成:

①物性數(shù)據(jù)庫:在模擬計算中，頻繁進(jìn)行各種熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)計算，物性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確直接影響模擬結(jié)果的可靠性；

②單元模塊庫:依照結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο缶幊趟枷?，將各個過程操作單元編制成可獨(dú)立運(yùn)行的子程序或?qū)ο竽K，存放到單元模塊庫，通過系統(tǒng)管理程序調(diào)用；

③輸入、輸出:輸入和輸出是任何軟件系統(tǒng)都必不可少的組成部分。輸入包括單位定義、數(shù)據(jù)錄入、流程圖輸入、解算和輸出方式定義等；輸出包括數(shù)表和圖表輸出，有些模擬軟件還采用實(shí)時信號輸出，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時仿真。

④計算和管理系統(tǒng):根據(jù)用戶的輸入定義完成系統(tǒng)的模擬計算、優(yōu)化計算等功能。

⑤網(wǎng)絡(luò)通訊:幾個大型的流程模擬軟件系統(tǒng)都包括了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的信息交換功能，包括客戶機(jī)/服務(wù)器、基于Web等多種形式，實(shí)現(xiàn)分布式計算和企業(yè)級的數(shù)據(jù)交換。

2.5.2 流程模擬軟件性能差異

一般認(rèn)為，Pro/Ⅱ在煉油工業(yè)應(yīng)用更為準(zhǔn)確些，因其數(shù)據(jù)庫中有不少經(jīng)驗數(shù)據(jù)；而Aspen在化工領(lǐng)域表現(xiàn)更好，有人比喻Pro/Ⅱ是經(jīng)驗派，Aspen是學(xué)院派。Hysys主要用于煉油,動態(tài)模擬是它的優(yōu)勢。

Aspen是智能型的，用于化工領(lǐng)域流程模擬比較大或長的流程，而且數(shù)據(jù)庫比較全，是開放式的；而且Aspen適應(yīng)范圍最廣，電解質(zhì)、固體、燃燒等模塊是其它軟件難以比擬的；其計算最精確，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)也相對最完善。Hysys則在油氣工程領(lǐng)域有著極高的精度和準(zhǔn)確性。Pro/Ⅱ在石化上應(yīng)用較多，積累了豐富的經(jīng)驗，可以用于設(shè)備核算，流程短，或精餾核算。ChemCAD的界面操作讓人感覺非常簡單，使用起來比較順手，但是物性較少，例如5.0版本只有2000種常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。這就使得ChemCAD的使用不太方便，體驗相對較差，網(wǎng)上到處都可以下載，設(shè)計院通常不太使用，僅在高校中有一定的市場。

從易收斂性上看，ChemCAD＞Hysys＞Pro/Ⅱ。從貼近工業(yè)實(shí)際看，Pro/Ⅱ＞Hysys＞ChemCAD。這些工程模擬仿真軟件中，Aspen、Pro/Ⅱ、Hysys為國內(nèi)絕大多數(shù)設(shè)計院所使用。

3 結(jié)語

化工流程模擬技術(shù)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各化工領(lǐng)域、各類工業(yè)裝置的研究、設(shè)計、改造中，并且?guī)砹嗣黠@的經(jīng)濟(jì)效益，熟練使用化工模擬軟件已經(jīng)成為一個化工設(shè)計人員最基本的功課?？梢哉f，化工模擬軟件的發(fā)展影響和關(guān)聯(lián)著整個化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。不同的流程模擬軟件各有千秋，科研和設(shè)計工作者可以針對各軟件的特點(diǎn)，充分發(fā)揮出每種軟件的優(yōu)勢，達(dá)到最佳的模擬效果，從而提高工藝設(shè)計水平、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。另外，國外幾大流程模擬軟件長期以來一直處于壟斷地位，我國應(yīng)加大研發(fā)和推廣力度，早日開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)和廣闊市場的流程模擬軟件。

[1] 劉世艷.流程模擬技術(shù)在化工領(lǐng)域的運(yùn)用[J].大眾科技，2005(4):66-67.

[2] 陸恩錫，張慧娟.化工過程模擬—原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

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[7] 李惠茗.常用化工流程模擬軟件淺析[J].甘肅石油和化工，2010(9):45-48.

[8] 陳聲宗.化工過程開發(fā)與設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Development Overview on Common Chemical Process Simulation Software

LI Hong-tao, HE Ying-hua, ZHU Li-na, JIANG Dao-hua, LIU Long
(Daqing Chemical Research Center, Research Institute of Petroleum Processing, Daqing 163714, China)

In the chemical process design, research, optimization, chemical process simulation soft was played a very important role.The development of chemical process simulation software in China and abroad was summarized, the current most widely used chemical process simulation softwares were introduced and compared.

chemical process simulation; process simulation technology; software; development

TQ 018

A

1671-9905(2015)01-0029-03

2014-11-03