化工流程模擬軟件的介紹與對比

劉 寬，王鐵剛，曹祖賓，王 莉

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

化工流程模擬軟件是指以工藝過程的機理和熱力學方程為基礎，采用數學方法來描述化工過程，通過建立模擬，應用計算機輔助進行物料平衡、熱量平衡等計算，來指導實際過程，以獲得經濟效益的一類軟件的總稱。它是化學工程、化工熱力學、系統工程、計算方法以及計算機應用技術的結合產物，是近幾十年發展起來的一門新技術。

美國AspenTech公司的Aspen Plus和Hysys以及美國SimSci公司的Pro/II是國內目前在化工、煉油、油氣加工、石化等領域中應用最廣泛，商業化最好、知名度最高的三款化工流程模擬軟件。

1 ASPEN PLUS

1.1 簡介

Aspen Plus是大型通用穩態化工流程模擬軟件，廣泛應用于化工過程的各個方面。其中 Aspen是Advanced System for Process Engineering的簡稱，Plus是指經過提高并得到工業部門支持的版本。該模擬系統是美國麻省理工學院（MIT）于70年代后期研制開發的，由AspenTech公司在80年代初推向市場將其商品化。此軟件功能強大，基本上覆蓋了所有可能的化工過程，并且擁有一個強大的數據庫,保證了模擬結果的精確可靠，尤其是電解質、固體和燃燒等模塊是其它軟件所無法比擬的，全球各大化工、石化、煉油等企業及著名的工程公司都是Aspen Plus的用戶。

1.2 界面

Aspen Plus的界面包括三部分：一是流程圖窗口(Process Flowsheet Window)；二是數據輸入瀏覽窗口（Data Browser)；三是控制面板（Control Panel) 。Data Browser是Aspen Plus非常重要的部分，所有已知條件的輸入和模擬的結果都是在這個窗口進行顯示，其中Data Browser下的組分（Components)、屬性(Properties)、物流(Streams)和單元操作(Blocks)是必須填寫的(有符號提示)。

1.3 物性數據

物性方法和組分數據是得到精確可靠的模擬結果的關鍵。

Aspen Plus擁有一套完整的基于狀態方程法和活度系數法的物性方法(共105種)。

Aspen Plus擁有一個強大的數據庫，包括5000多種純組分的物性數據，可以通過 begins with、contains、equals等進行搜索。以及電解質水溶液數據庫、固體數據庫、二元交互作用數據庫、PURE10數據庫、無機物數據庫、燃燒數據庫、固體數據庫和水溶液數據庫。

Aspen Plus也是唯一獲準與世界上數據量最大、應用最廣泛和最權威的化工數據庫 DECHEMA數據庫接口的軟件。

Components模塊下的 Petroleum窗口可以進行油品的輸入。Nonconventional窗口可以進行非常規組分的輸入。

用戶也可以把自己的物性數據與Aspen Plus系統連接［1］。

1.4 操作步驟

⑴創建模板⑵選擇運行類型⑶選用單元操作模塊⑷連結流股⑸設定全局特性⑹輸入化學組分信息⑺選用物性計算方法⑻輸入外部流股信息⑼輸入單元模塊參數⑽運行模擬過程并查看結果（順序不固定）。

其中連結流股中，Aspen Plus有 material物流、heat 物流和 work物流。連結時，紅色箭頭必須連接，藍色箭頭可選擇連接。

1.5 特點

根據模擬軟件在算法上的不同，可分序貫模塊法（SM）、聯立方程法（EO）和試圖綜合以上兩種算法的聯立模塊法(亦稱雙層法)。Aspen Plus是唯一將兩種算法同時包含在一個模擬工具中的軟件（Aspen Plus11.1新功能）。例如HYSYS和 PROII均只使用序貫模塊法（圖1,表1）。

圖1 序貫模塊法與聯立方程法［2］Fig.1 Sequential modular approach and stimulataneous equations method

序貫模塊法的算法簡單，使用方便，但是要循環迭代，浪費時間。聯立方程法的算法高級，收斂速度快，但是容易出現不收斂的現象，而且需要較好的初值。

Aspen Plus先用序貫模塊法提供流程收斂計算的初值，再用聯立方程算法，提高了流程計算的收斂速度，節省了模型的運行時間，讓以往收斂困難的流程計算成為可能。這對處理大型、復雜或帶內部循環的流程尤其重要。

表1 序貫模塊法與聯立方程法的比較［3］Table 1 Comparison of sequential modular approach and stimulataneous equations method

2 HYSYS

2.1 簡介

Hysys是集穩態和動態模擬于一身的化工模擬軟件。原為加拿大 Hyprotech公司的產品，隨著該公司被美國 AspenTech公司收購，Hysys就成了AspenTech公司旗下的產品， Hysys2004就是Aspen買下Hysys后推出的第一個版本。

Hysys是面向油氣生產、氣體處理和煉油工業的模擬、設計、性能監測的流程模擬軟件。其動態和穩態主要用于油田地面工程建設設計和石油石化煉油工程設計計算分析,其動態部分可用于指揮原油生產和儲運系統的運行。HYSYS在油氣工程領域就有著極高的精度和準確性。

2.2 界面

Hysys界面主要由模擬基礎管理器和模擬環境兩部分構成，前者負責定義基礎數據（組分和物性包等），后者負責流程的搭建和模擬，必須先完成基礎管理器才能進入模擬環境。

2.3 物性數據

物性包(Property Package)：

共34種物性方法，有物性包過濾器功能，它可以方便地幫助使用者選取物性方法（表2）。

添加組分（Add Component）：

⑴庫組分（Library Component）：4500 多個純物質數據，可以通過Sim Name、Full Name、Formula進行搜索。（V7以上版本Hysys集成了Plus的數據庫及物性方法）

⑵假組分（Hypotheticals）：用戶定義非庫組分（non-library），并輸入物性數據。其中包括UNIFAC Component Builder功能。

⑶油管理器（Oil Manager）可以進行石油的輸入和切割。

表2 物性包過濾器Table 2 Property package filter

2.4 操作步驟

⑴選擇單位集 ⑵添加流體包 ⑶添加組分 ⑷建立流程圖 ⑸輸入數據和連接物流（順序不固定）

其中在流程圖中：Hysys擁有材料物流(Material Stream)和能量物流 (Energy Stream)。

2.5 特點

根據化工流程模擬結果的不同，可將流程模擬分為穩態模擬［4］和動態模擬［5］。動態模擬功能是Hysys最大的優勢，AspenTech公司也推出過一款有動態模擬系統的軟件 Aspen Dynamics［6］。

⑴穩態流程模擬是化工流程模擬研究中開發最早、應用最普遍和發展最成熟的一種技術。穩態模擬的過程對象是輸入輸出關系，不隨著時間的推移而變化。

⑵動態模擬就是輸入隨時間變化，輸出也是隨時間變化的。

實際生產過程中不可能出現穩態，所以穩態模擬的過程中，勢必要用到一些經驗數據，可以認為是一種理想的運行狀態。在實際生產過程中，過程參數不停的波動，最理想的狀態也是一種動態的平衡，因此，穩態模擬工具不可能描述這種動態狀態。動態模擬可以了解裝置經受動態負荷的情況，對實際生產更有指導意義(表3)。

表3 動態模擬與穩態模擬的比較Table 3 Comparison of dynamic simulation with steady state simulation

Hysys的動態模擬是建立在原有穩態流程模擬收斂的基礎上，首先點擊動態模式(Dynamics Mode)，再定義單元操作的動態數據(如分離器的幾何尺寸、液位高度等)，安裝控制儀表，才可以開始動態模擬。

動態模擬過程中，可以隨時調整溫度、壓力等工藝變量，觀察它們對產品的影響以及變化規律，還可以隨時停下來，轉回靜態。

3 PRO/II

3.1 簡介

Pro/II是穩態化工流程模擬軟件。最早起源于1967年 SimSci公司開發的世界上第一個蒸餾模擬器SP05，1973年SimSci推出基于流程圖的模擬器，1979年又推出基于PC機的流程模擬軟件Process，后來對 Process進行了大量改進，90 年代更名為PRO/II。自此，PRO/II獲得了長足的發展，在全球范圍內廣泛推廣。在所有同類軟件中，PRO/II的歷史最悠久，發展時間最長，積累了大量的工程實際經驗，其數據庫中使用了不少經驗數據，其計算結果與實際情況吻合度高［7］。

3.2 物性數據

熱力學數據（Thermodynamic Date）：

共43種熱力學方法，分普遍化方法、液相活度系統方法、專用數據包方法三大類。

Selection of Property Calculation System可以幫助選擇熱力學方法。與Hysys的物性包過濾器功能相似。

組分選擇（Component Selection）：

⑴純組分庫,：Pro/II擁有超過2000種組分數的純組分庫（數據庫以美國化工學會開發的DIPPR為基礎）。可以通過 Full Name、SIMSCI Name、Chemical Formula進行搜索。

⑵自定義組分（User-defined）可以定義非純組分庫內的物質。

⑶利用基團貢獻法（UNIFAC）搭建非數據庫組分，估計各種物性。（Plus與Hysys均有此方法）

3.3 操作步驟

⑴設置單位制 ⑵選擇熱力學方法 ⑶定義組分⑷建立流程圖 ⑸定義進料物流組成 ⑹提供單元操作條件 ⑺運行并查看結果（順序不固定）

PRO/II的流程圖中只有材料物流 (Streams)。

3.4 特點

Pro/II的PROVISION 界面十分友好、靈活、易用。還有一個非常實用的特點：界面色彩功能。雖然同類軟件也有相似功能，但是PRO/II的色彩系統最徹底、最高效、最直觀。

界面色彩可以方便快捷地引導使用者建立工藝流程圖。輸入時，線框、圖標以及圖形都會被紅、綠、蘭、黃、灰、黑六種顏色之一圈住。這些顏色代表著不同的意義。

⑴在建立Pro/II模型時（打開軟件后即可出現提示）：

紅色：必須輸入的數據或狀態；

綠色：默認數據，可選擇輸入；

藍色：用戶已輸入的數據；

黃色：有問題的數據，警告所輸入的數據超過了正常范圍；

灰色：不可用數據；

黑色：無需輸入數據。

⑵在運行Pro/II模擬時，單元圖標的顏色是改變的：

綠色：單元正在求解；

藍色：單元收斂；

紅色：單元不收斂，需重新設置參數。

另外Pro/II能與Excel良好兼容（選擇Tools下的Spreadsheet），不需要接口直接輸出Excel并生成Excel文件，而且輸出的文檔也有顏色。同類軟件Hysys能與PDF兼容（選擇Tools下的Reports），可用于打印，但不能直接生成 PDF文件,只能直接生成文本文檔。

例如：輸出的 Excel表格在彩色上：物流表（Stream Properties）是藍色；組分表（Component Rates）是綠色；塔設備表（Distillation）是灰色等。（此處顏色無特殊意義）

4 對 比

⑴應用領域：Aspen Plus使用范圍最為廣泛，主要應用于化工。Hysys和Pro/II主要用于煉油和石化。

⑵學習難度：Plus考慮因素非常多，學習難度最大；Pro/II擁有色彩系統方便學習，相對簡單；Hysys介于兩者之間。

⑶流程圖界面：Hysys的PFD界面（彩色）比較美觀；Aspen Plus界面（灰白）比較古板；PRO界面（藍白）介于兩者之間。

⑷數據準確性：Plus更加嚴格一些，結果最精確。其他兩者也能得出理想的結果。

⑸應用范圍： Pro/II的數據庫使用了更多經驗數據，在煉油工業中應用更為廣泛。［8］

⑹收斂速度：Plus收斂速度較慢，Hysys較快，PRO/II介于兩者之間。［9］

⑺中文輸入： Hysys可以用中文和英文兩種方法輸入，而Plus和Pro/II只能用英文輸入。

⑻編程語言：Hysys采用C++編程，Plus和Pro/II均使用FORTRAN編程。

⑼模擬文件后綴名：Aspen Plus的模擬文件后綴名是apw，Hysys的是HSC，Pro/II的是prz。

5 結束語

ASPEN PLUS、HYSYS、PRO/II都是實用、準確、有效的化工流程模擬軟件，它們本身并沒有優劣之分，關鍵在于運用，以及操作者自身的理論知識水平和實際經驗。它們在功能上有很多共通之處，也有不少差異。正確地使用流程模擬軟件是工廠提高經濟效益、降低生產成本、提高工藝設計水平、消除裝置“瓶頸”的主要手段之一［10］。

［1］ 王彩紅,林雄超,董敏,等.ASPEN PLUS在化工實驗教學和科研中的應用[J].化工時刊,2009,23(6):73-75.

［2］ 張宇.化工流程模擬在常減壓裝置的應用[D].大慶：大慶石油學院.2008.

［3］ 楊友麒.化工過程模擬[J].化工進展，1996(5):65-70.

［4］ Lorenz T B. Chemical Process simulation[J].Chem Engng Prog，1989(10):50-61.

［5］ Patterson G K, Rudolph B R. DYNSYL:A general purpose dynamic simulator for chemical Processes[J]. Comput Chem Engng,1980,4：l-20.

［6］ 楊光輝.化工流程模擬技術及應用[J].山東化工,2008,37:35-38.

［7］ 魏忠, 揚宇暉. 利用PRO/ II 軟件對常減壓蒸餾流程的模擬[J]. 沈陽化工（當代化工）, 2000, 29(3): 171-174.

［8］李惠茗.常用化工流程模擬軟件淺析[J].甘肅石油和化工,2010(03)：47.

［9］ 李士富,韓志杰.基本負荷天然氣液化及在化工設計課程中的應用[J].計算機與應用化學,2004,21(5):781-785.

［10］劉燕萍.流程模擬優化技術在石油化工工業的應用[J].石油煉制與化工,1997,28(6):48-51.