淺談化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈輝

中國(guó)化學(xué)工程第三建設(shè)有限公司 （江蘇南京 210000）

0 化工設(shè)計(jì)與流程模擬技術(shù)

化工設(shè)計(jì)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)工程，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一項(xiàng)產(chǎn)品，是將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品的一項(xiàng)創(chuàng)造性勞動(dòng)[1]。化工設(shè)計(jì)一般是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)或者物理過程設(shè)計(jì)出一種或者多種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程，并對(duì)工藝流程、設(shè)備布置、管道布置等以系統(tǒng)完整、科學(xué)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)美觀的方式進(jìn)行組合和優(yōu)化，同時(shí)對(duì)環(huán)境影響等社會(huì)因素進(jìn)行考慮。

化工流程模擬技術(shù)則是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而快速發(fā)展起來的一門化工設(shè)計(jì)新技術(shù)，是將化工單元操作、化工熱力學(xué)等化工專業(yè)知識(shí)同計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的產(chǎn)品[2]。化工流程模擬一般以化工理論為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型來描述化工過程，通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)化工過程重現(xiàn)。同時(shí)在模擬設(shè)計(jì)過程中，對(duì)化工過程中存在的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)量、熱量守恒計(jì)算，對(duì)工藝設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并從整體上對(duì)化工過程的能量利用、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[3-4]。

1 化工模擬技術(shù)的作用與發(fā)展

1.1 化工模擬技術(shù)的意義

化工模擬技術(shù)通過軟件模擬工藝流程、工藝設(shè)備、裝置配管等設(shè)計(jì)工作來實(shí)現(xiàn)工藝開發(fā)、配管建模、計(jì)算校核等目的。通過軟件模擬可以顯著提高設(shè)計(jì)人員工作效率、設(shè)計(jì)成品的質(zhì)量和數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)避免實(shí)驗(yàn)室、小試、中試等實(shí)體驗(yàn)證所帶來的人力、物力和時(shí)間成本[5]。

1.2 化工模擬技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的快速發(fā)展同時(shí)促進(jìn)了化工模擬技術(shù)的進(jìn)步。目前，化工模擬技術(shù)的發(fā)展具有以下特點(diǎn)：在通用化工流程模擬軟件發(fā)展和完善的同時(shí)，針對(duì)某種功能開發(fā)的專用模擬軟件開始出現(xiàn)并不斷發(fā)展壯大，如專門用于換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的HTRI，用于流體力學(xué)模擬分析的Fluent，用于管道應(yīng)力分析的CARSARⅡ和AutoPIPE，用于三維配管建模的PDMS 和PDS 等；模擬軟件從單一功能開始向集成化發(fā)展，一套流程模擬軟件可以覆蓋整個(gè)化工過程的全部活動(dòng)，如工藝包開發(fā)、流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型與設(shè)計(jì)、不同方案比較，典型軟件如Aspen One；模擬技術(shù)與人工智能相融合，這使流程設(shè)計(jì)、模型搭建、工藝優(yōu)化、模塊管理等更加簡(jiǎn)單方便和人性化。

2 化工流程模擬軟件

化工流程模擬軟件是化工模擬軟件中的重要組成部分，是化工設(shè)計(jì)院、工程公司進(jìn)行工藝包開發(fā)和工藝數(shù)據(jù)計(jì)算的主要工具，也是本文討論的重點(diǎn)。目前，國(guó)際上主流的化工流程模擬軟件有SimSci-Esscor 公司的 PRO/II，AspenTech 公司的 Aspen Plus，Chemstations 公司的 ChemCAD 等。其中，Aspen Plus，PRO/II 是化工設(shè)計(jì)院中最常用的兩種通用流程模擬軟件。

Aspen Plus 和PRO/II 兩款流程模擬軟件雖有各自特點(diǎn)，但進(jìn)行模擬操作的過程基本一致，主要包括模型建立、數(shù)據(jù)輸入、選擇計(jì)算方法、模擬分析、輸出結(jié)果等。對(duì)于普通設(shè)計(jì)人員來說，其中任意一款軟件已能夠滿足日常設(shè)計(jì)需求。為了更好地展示流程模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的作用，以Aspen Plus 進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模擬演示。考慮文章篇幅，不對(duì)軟件的基本操作進(jìn)行介紹。

3 Aspen Plus 實(shí)例模擬

Aspen Plus 源于20 世紀(jì)70 年代后期美國(guó)能源部在麻省理工學(xué)院組織開發(fā)的第三代流程模擬軟件項(xiàng)目（Advanced System for Process Engineering，簡(jiǎn)稱ASPEN）。為了將該軟件項(xiàng)目商業(yè)推廣，AspenTech公司于1982 年正式成立，并將軟件命名為Aspen Plus，目前其已經(jīng)成為世界上最著名的大型標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件之一。

Aspen Plus 的物性數(shù)據(jù)庫(kù)和基于狀態(tài)方程、活度系數(shù)方法的物性模型十分完備。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了約6 000 種純組分的物性數(shù)據(jù)，20 多種狀態(tài)方程模型，15 種活度系數(shù)模型等。系統(tǒng)完備、準(zhǔn)確的物性數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，對(duì)自定義未知組分物化性質(zhì)和復(fù)雜物系的處理起著十分重要的作用。

Aspen Plus 模型庫(kù)中包含50 種化工單元操作模塊，可以模擬各種化工單元操作流程，如從簡(jiǎn)單的精餾塔理論塔板數(shù)、塔徑、塔高計(jì)算到整個(gè)生產(chǎn)裝置的模擬。Aspen Plus 還提供自定義模式；用戶可在模型庫(kù)中自定義單元操作模塊，這顯著提高了軟件的可擴(kuò)展性。

以曾經(jīng)參與過的國(guó)外某個(gè)以天然氣為原料制備草甘膦并副產(chǎn)甲醇/甲醛項(xiàng)目中的閃蒸工段進(jìn)行演示，選取Aspen Plus 中Separators 模塊中的閃蒸模型進(jìn)行建模。為了便于演示，對(duì)項(xiàng)目中的物性數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，即：常壓下，通過閃蒸初步分離甲醇水溶液，其中水溶液質(zhì)量組分為32%的甲醇、68%的水，質(zhì)量流量為2 500 kg/h；要求閃蒸后兩相中氣相分率為0.3。

3.1 流程建立

首先，在軟件主界面選擇Separators 中Flash2建立流程模型，該模型是閃蒸模型中最簡(jiǎn)單的“一分二”，即進(jìn)口一股物流，出口為分離后的兩股物流，而作者在平時(shí)項(xiàng)目中所遇到的也是這種簡(jiǎn)單的閃蒸工序，該模塊已經(jīng)能夠滿足工作需求，如圖1 所示。

圖1 搭建流程

3.2 組分信息定義

閃蒸流程模型建立好后，輸入物流各組分信息，如圖2 所示。

圖2 物流信息輸入

3.3 熱力學(xué)方法定義

Aspen Plus 提供了眾多數(shù)據(jù)庫(kù)和熱力學(xué)方法供設(shè)計(jì)人員選用，合適的數(shù)據(jù)庫(kù)和熱力學(xué)方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有十分重要的影響，不同的物系必須根據(jù)其熱力學(xué)物性的不同選擇相對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)方法，具體可以參考物理化學(xué)相關(guān)專業(yè)書籍。案例中甲醇溶液為極性混合物體系，選擇NRTL-RK 方法進(jìn)行計(jì)算，如圖3 所示。

3.4 物流信息定義

進(jìn)口物流信息輸入，如流量、濃度、壓力、溫度等，將案例的數(shù)據(jù)填入，如圖4 所示。

圖3 熱力學(xué)方法定義

圖4 進(jìn)口物流信息輸入

3.5 進(jìn)行模擬

數(shù)據(jù)全部輸入完成后，點(diǎn)擊N 按鈕，進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖5，圖6 所示。

圖5 閃蒸模塊模擬結(jié)果

圖6 物流信息模擬結(jié)果

從模型模擬結(jié)果可以看出，要使出口物料達(dá)到氣相分率為0.3，需要的閃蒸溫度為87 ℃，熱負(fù)荷是397 kW。同時(shí)從物流信息結(jié)果可以看出，液相物流2中水的濃度提高，氣相物流3 中甲醇的濃度提高。通過Flash 2 模塊，還可以求得泡點(diǎn)溫度、露點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)。

通過閃蒸實(shí)例可以看出，僅僅通過軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)單模型，就可以計(jì)算出設(shè)計(jì)中所需要的許多數(shù)據(jù)，這大大減少了手工計(jì)算量，同時(shí)提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高了工作效率。雖然Aspen Plus 中單元操作模塊眾多，但一個(gè)或者幾個(gè)簡(jiǎn)單模塊已能夠滿足普通設(shè)計(jì)人員的工作需求。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和人工智能等新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，化工模擬技術(shù)發(fā)生了重大變革，開始向人性化、智能化方向發(fā)展，這不僅降低了普通設(shè)計(jì)人員使用模擬軟件的難度，也提高了模擬軟件的實(shí)用性。同時(shí)，模擬軟件從單純的流程模擬軟件發(fā)展成多種功能集成的系統(tǒng)軟件或?qū)ｉT軟件。化工流程模擬軟件已從過去在單純工藝計(jì)算和流程搭建上給予設(shè)計(jì)人員幫助，發(fā)展為在流程方案比選、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估等宏觀設(shè)計(jì)方面給予設(shè)計(jì)人員可靠性分析。作為一名化工設(shè)計(jì)人員，熟悉基本的化工模擬軟件，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的化工模擬，可以顯著提高工作效率、降低工作難度，節(jié)省時(shí)間和精力。