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(yè)發(fā)展速度很快，使得化工工藝設(shè)計面臨了更大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，基于計算機輔助設(shè)計的化工設(shè)計軟件蓬勃發(fā)展，其中占主導(dǎo)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(shù)、化學(xué)工程、系統(tǒng)工程等多學(xué)科理論在計算機上實現(xiàn)的綜合性模擬系統(tǒng)，把復(fù)雜的化工過程描述為簡單的數(shù)學(xué)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(chǎn)中所需要的結(jié)果。

關(guān)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(shè)計中的應(yīng)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(shè)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(chǎn)中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過選擇合適的模擬軟件，用數(shù)學(xué)模型將其在計算機上“再現(xiàn)”、并實現(xiàn)優(yōu)化的過程。模擬過程中往往涉及到壓力、溫度等化工數(shù)據(jù)，以及有關(guān)的工藝操作條件和一些必要的設(shè)備參數(shù)等。化工工藝設(shè)計計算是在既定的設(shè)計要求的基礎(chǔ)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(shè)備的工藝尺寸，從而進行其它設(shè)計計算。

1.1 化工過程模擬系統(tǒng)的組成

化工模擬系統(tǒng)主要包括輸入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢查系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)代的模擬系統(tǒng)既可以采用數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換。圖形輸入無需記憶格式和關(guān)鍵字，比較方便，已經(jīng)成為主要的輸入方式。數(shù)據(jù)輸入完成后，由數(shù)據(jù)檢查系統(tǒng)進行流程拓撲分析和數(shù)據(jù)檢查，這一階段的檢查只分析數(shù)據(jù)的合理性而不涉及正確性。若發(fā)現(xiàn)錯誤或是數(shù)據(jù)輸入不完整，即返回輸入系統(tǒng)，提示用戶進行修改。數(shù)據(jù)檢查完之后進入調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)是程序中所有模塊調(diào)用以及程序運行的指揮中心，調(diào)度系統(tǒng)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(guān)重要的。

1.2 化工過程模擬的功能

（1）科學(xué)研究，開發(fā)新工藝。

20世紀六、七十年代以前，煉油、化工行業(yè)主要依靠各種規(guī)模的小試和中試來完成新流程的開發(fā)研究，在過程模擬技術(shù)的快速發(fā)展的今天，除了在某些必要環(huán)節(jié)進行實驗研究和驗證外，大部分過程已經(jīng)逐漸完全利用模擬技術(shù)來完成。

（2）設(shè)計。

在化工領(lǐng)域中新裝置的設(shè)計離不開過程模擬。過程模擬技術(shù)在工程設(shè)計中應(yīng)用，國外開始于20世紀60年代末，而國內(nèi)開始的較晚，大量應(yīng)用時已到了80年代。隨著各種模擬軟件的不斷開發(fā)完善，絕大多數(shù)石油化工和煉油過程模擬的結(jié)果已經(jīng)可以直接運用于工業(yè)裝置的設(shè)計。而無需小試或著中試。

（3）改造。

在各種化工行業(yè)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(chǎn)品分布和處理量發(fā)生了改變，那么原有的塔、換熱器、泵、管線等舊設(shè)備能否繼續(xù)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(chǔ)上才能得到解決。

（4）生產(chǎn)調(diào)優(yōu)，故障診斷。

流程模擬可以尋求最佳工藝條件，找到工藝參數(shù)與經(jīng)濟效益的最佳匹配，從而實現(xiàn)節(jié)能、降耗、增效的目的。

2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢

第一個化工模擬程序是由美國的M.W. Kellogg公司開發(fā)的Flexible Flowsheeting。80年代，化工過程模擬軟件蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴大，專業(yè)性更強，準確性也有了大幅度的提高。同時，其發(fā)展也初步趨向商業(yè)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(fā)了PFS-84化工流程模擬系統(tǒng)、 ECSS化工之星應(yīng)用等，應(yīng)用前景廣泛。

目前，化工過程穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛，未來計算機過程模擬軟件將會呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢。（1）軟件開發(fā)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(xué)的結(jié)合，功能多樣化；（5）高度集成，模擬-監(jiān)視-控制一體化；（6）管理控制網(wǎng)絡(luò)化；（7）并行計算。

隨著計算模型發(fā)展的不斷復(fù)雜化和精確化，模擬結(jié)果可信度更高，必將促進化學(xué)工業(yè)更好更快的發(fā)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(yè)等領(lǐng)域中應(yīng)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(cè)重于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，各具特色。

3.1 ChemCAD的特點及應(yīng)用

ChemCAD是一款全流程化工流程模擬軟件。其主要優(yōu)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(shè)計要求，對初學(xué)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(shè)備標定模塊及工具模塊；（3）動態(tài)模擬，可進行生產(chǎn)指導(dǎo)和調(diào)優(yōu)；（4）經(jīng)濟評價功能，通過程模擬和參數(shù)調(diào)整，可以找到最佳的操作條件，從而對實際生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

3.2 Hysys的特點及應(yīng)用

Hysys的應(yīng)用范圍比較廣泛，主要應(yīng)用領(lǐng)域有確定開工方案、計算間歇生產(chǎn)過程、研究控制方案、分析瓶頸問題等，同時還廣泛應(yīng)用于制藥、天然氣加工、精細化工、石油煉制、石油化工等領(lǐng)域，在化工流程模擬領(lǐng)域占有重要的地位。在目前三大著名模擬軟件供應(yīng)商中，Hysys是唯一采用新一代面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ逤++在Windows環(huán)境下開發(fā)的軟件[2]。因此它可以提供功能強大的數(shù)據(jù)回歸包和物性計算包，具有強大的動態(tài)模擬功能。

4 結(jié)語

（1）各種軟件側(cè)重于不同的應(yīng)用范圍，比如PRO/II多應(yīng)用于煉油工業(yè)；Aspen和Hysys則更多側(cè)重在石油化工領(lǐng)域；ChemCAD則多被多家公司、大學(xué)、研究單位采用，并被廣泛應(yīng)用于各大高校化工原理過程設(shè)計中。（2）在設(shè)計計算方面，Aspen plus數(shù)據(jù)庫建設(shè)最完善，因此計算最精確； Hysy計算結(jié)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(wěn)態(tài)模擬軟件，而Hysys一集穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬為一體，其系統(tǒng)內(nèi)部性質(zhì)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(yīng)用與開發(fā)[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2007（9）：1285-1288.

[2] 郭廣智.石油化工動態(tài)模擬軟件HYSYS[J].石油化工設(shè)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(nèi)江科技，2009（9）：36，13.