化工過程模擬軟件及特點

韓延亭++宋宗全

摘 要：近年來，化工行業發展速度很快，使得化工工藝設計面臨了更大的挑戰。為了應對這些挑戰，基于計算機輔助設計的化工設計軟件蓬勃發展，其中占主導地位的是化工流程模擬軟件。化工流程模擬軟件是由計算機技術、化學工程、系統工程等多學科理論在計算機上實現的綜合性模擬系統，把復雜的化工過程描述為簡單的數學模型，只需在計算機上模擬改變各種有效條件，即可得到實際生產中所需要的結果。

關鍵詞：模擬軟件 ChemCAD PRO/II Aspen Plus

中圖分類號：TQ018 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（b）-0015-01

1 化工過程模擬簡介

計算機軟件在化工工程設計中的應用可以簡單地概括為以下三個方面：化工工藝流程的模擬、化工工藝過程設計計算以及工藝流程圖的繪制。化工工藝流程的模擬實際上就是把化工實際生產中的現場數據，通過選擇合適的模擬軟件，用數學模型將其在計算機上“再現”、并實現優化的過程。模擬過程中往往涉及到壓力、溫度等化工數據，以及有關的工藝操作條件和一些必要的設備參數等。化工工藝設計計算是在既定的設計要求的基礎上，對化工操作單元進行物料衡算和能量衡算，并由此進一步確定原材料的消耗及設備的工藝尺寸，從而進行其它設計計算。

1.1 化工過程模擬系統的組成

化工模擬系統主要包括輸入系統、數據檢查系統、調度系統以及數據庫。現代的模擬系統既可以采用數據文件的方式輸入，也可以用圖形界面，而且這兩種方式之間可以進行相互轉換。圖形輸入無需記憶格式和關鍵字，比較方便，已經成為主要的輸入方式。數據輸入完成后，由數據檢查系統進行流程拓撲分析和數據檢查，這一階段的檢查只分析數據的合理性而不涉及正確性。若發現錯誤或是數據輸入不完整，即返回輸入系統，提示用戶進行修改。數據檢查完之后進入調度系統，調度系統是程序中所有模塊調用以及程序運行的指揮中心，調度系統考慮的是否周全完善，編制的是否靈活機動，是否為用戶提供了更大方便，對于模擬軟件的性能是至關重要的。

1.2 化工過程模擬的功能

（1）科學研究，開發新工藝。

20世紀六、七十年代以前，煉油、化工行業主要依靠各種規模的小試和中試來完成新流程的開發研究，在過程模擬技術的快速發展的今天，除了在某些必要環節進行實驗研究和驗證外，大部分過程已經逐漸完全利用模擬技術來完成。

（2）設計。

在化工領域中新裝置的設計離不開過程模擬。過程模擬技術在工程設計中應用，國外開始于20世紀60年代末，而國內開始的較晚，大量應用時已到了80年代。隨著各種模擬軟件的不斷開發完善，絕大多數石油化工和煉油過程模擬的結果已經可以直接運用于工業裝置的設計。而無需小試或著中試。

（3）改造。

在各種化工行業舊裝置的改造過程中，過程模擬也起著非常重要的作用。改造過程中，由于產品分布和處理量發生了改變，那么原有的塔、換熱器、泵、管線等舊設備能否繼續使用就是一個非常大的問題，這些問題都必須在過程模擬的基礎上才能得到解決。

（4）生產調優，故障診斷。

流程模擬可以尋求最佳工藝條件，找到工藝參數與經濟效益的最佳匹配，從而實現節能、降耗、增效的目的。

2 國內外發展趨勢

第一個化工模擬程序是由美國的M.W. Kellogg公司開發的Flexible Flowsheeting。80年代，化工過程模擬軟件蓬勃發展，應用范圍不斷擴大，專業性更強，準確性也有了大幅度的提高。同時，其發展也初步趨向商業化。

20世紀60年代末，我國開始了化工過程模擬的初步研究。1979年，我國建立了第一套化工工藝流程模型，即PFS-121。隨后又成功開發了PFS-84化工流程模擬系統、 ECSS化工之星應用等，應用前景廣泛。

目前，化工過程穩態模擬發展迅速且應用廣泛，未來計算機過程模擬軟件將會呈現如下的發展趨勢。（1）軟件開發的標準化；（2）可擴展性，多接口能力；（3）模型計算精確化；（4）與計算流體動力學的結合，功能多樣化；（5）高度集成，模擬-監視-控制一體化；（6）管理控制網絡化；（7）并行計算。

隨著計算模型發展的不斷復雜化和精確化，模擬結果可信度更高，必將促進化學工業更好更快的發展。

3 化工過程模擬軟件介紹

目前，在煉油、化工、油氣加工、石油工業等領域中應用較為廣泛的化工流程模擬軟件主要有美國Chemstations公司的ChemCAD、美國SimSci-Esscor公司的PRO/II以及美國AspenTech公司的Hysys和Aspen Plus等。這幾種軟件側重于不同的應用領域，各具特色。

3.1 ChemCAD的特點及應用

ChemCAD是一款全流程化工流程模擬軟件。其主要優點是界面友好、集成度高、操作簡單。ChemCAD可以滿足一般的模擬需要和設計要求，對初學者來說比較適用。該軟件具有以下主要功能。（1）強大的模型計算和分析功能；（2）集成的設備標定模塊及工具模塊；（3）動態模擬，可進行生產指導和調優；（4）經濟評價功能，通過程模擬和參數調整，可以找到最佳的操作條件，從而對實際生產起到一定的指導作用。

3.2 Hysys的特點及應用

Hysys的應用范圍比較廣泛，主要應用領域有確定開工方案、計算間歇生產過程、研究控制方案、分析瓶頸問題等，同時還廣泛應用于制藥、天然氣加工、精細化工、石油煉制、石油化工等領域，在化工流程模擬領域占有重要的地位。在目前三大著名模擬軟件供應商中，Hysys是唯一采用新一代面向對象的編程工具C++在Windows環境下開發的軟件[2]。因此它可以提供功能強大的數據回歸包和物性計算包，具有強大的動態模擬功能。

4 結語

（1）各種軟件側重于不同的應用范圍，比如PRO/II多應用于煉油工業；Aspen和Hysys則更多側重在石油化工領域；ChemCAD則多被多家公司、大學、研究單位采用，并被廣泛應用于各大高校化工原理過程設計中。（2）在設計計算方面，Aspen plus數據庫建設最完善，因此計算最精確； Hysy計算結果較快且準確性也較高；而ChemCAD在計算上往往存在一定誤差；PRO/II則介于二者之間。（3）ChemCAD、PRO/II和Aspen Plus都屬于穩態模擬軟件，而Hysys一集穩態和動態模擬為一體，其系統內部性質可以隨著時間而變化。

參考文獻

[1] 孫紅先，趙聽友，蔡冠梁.化工模擬軟件的應用與開發[J].計算機與應用化學，2007（9）：1285-1288.

[2] 郭廣智.石油化工動態模擬軟件HYSYS[J].石油化工設計，1997（3）：29-33.

[3] 杜彬，張偉.Aspen Plus軟件模擬脫除液化氣中二硫化物的精餾操作[J].內江科技，2009（9）：36，13.