常用化工流程模拟软件发展概述

李洪涛，何英华，朱丽娜，姜道华，刘 龙

（石油化工研究院大庆化工研究中心，黑龙江 大庆 163714）

常用化工流程模拟软件发展概述

李洪涛，何英华，朱丽娜，姜道华，刘 龙

（石油化工研究院大庆化工研究中心，黑龙江 大庆 163714）

化工流程模拟软件在化工过程的设计、研究、优化等方面发挥着十分重要的作用。本文概述了国内外化工流程模拟软件的发展情况，对目前应用最广泛的化工流程模拟软件进行了简介和对比。

化工流程模拟；模拟技术；软件；发展

化工过程流程模拟是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过计算机辅助计算，进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析，作出环境和经济评价。化工流程模拟软件是实现化工过程流程模拟的重要工具。从20世纪50年代中期发展至今，化工流程模拟软件已经成为化工流程模拟技术的核心。现在化工过程模拟软件应用范围很广泛，可应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合等。化工过程模拟与实验研究的结合是目前最有效和最廉价的化工过程研究方法，能够大大节约实验成本，加快新产品和新工艺的开发过程[1]。

1 国内外流程模拟软件发展

国外化工稳态过程模拟始于20世纪50年代中后期。1958年美国M.W.Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序——Flexible Flowsheeting。经过不断发展，进入80年代后化工过程模拟走向了成熟期。模拟软件的开发、研制走向专业化、商品化。影响广泛的Aspen Plus、Pro/Ⅱ在这一时期涌现和壮大。90年代后，各有关公司竞相推出动态模拟软件，如Hysys等[2]。

国内流程模拟软件的开发和应用工作起步并不晚，早在20世纪60年代中期， 兰州石化设计院就开始了流程模拟软件的开发。到70年代前期，北京石化工程公司、洛阳石化工程公司和北京设计院等，相继开发了一批油品分馏塔、多组分精馏塔、冷换设备、塔板水力学计算等工艺计算程序。这批程序在设计中的应用， 对于提高设计效率和设计水平起过重要作用。到了20世纪80年代中期， 我国先后引进国外流程模拟软件Pro/Ⅱ和Aspen Plus进行了大量的二次开发工作，使程序更方便并切合实际设计需要。 国内一些单位也自行开发了一些模拟软件或供教学用的类似软件，但真正商业化的、能够称得上模拟软件的很少。在专用模拟软件方面，兰州石化设计院的合成氨模拟程序、北京设计院的催化裂化模拟程序具有较高水平，对于改进装置条件、提高经济效益起了较好的作用。另外，青岛化工学院计算机与化工研究所于1987年正式推出了ECSS化工之星模拟系统，该软件也获得了较好的推广应用。ECSS的基本思想是对计算机的硬件要求低，算法多，适应范围广，并可根据各种模拟要求方便地进行二次开发[3]。但与国外模拟软件相比，国内流程模拟系统无论在技术水平、应用范围、人机界面、商品化程度等方面，均存在很大差距[4]。

2 常用流程模拟软件介绍

目前，普遍应用的化工流程模拟软件主要包括美国AspenTech公司的Aspen Plus和Hysys、美国SimSci公司的Pro/Ⅱ、英国PSE公司的gPROMS、美国Chemstations公司ChemCAD、美国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、炼油、油气加工、石化等领域中最著名，应用也最为广泛。

2.1 Aspen Plus

Aspen Plus简称Aspen，是一个大型通用流程模拟系统。该模拟系统是美国麻省理工学院(MIT)于20世纪70年代后期研制开发的，由AspenTech公司在80年代初推向市场将其商品化。Aspen Plus凭借着其他软件所无法比拟的优势，迅速在全球推广，各大化工、石化、炼油等企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。经过30多年的发展和提高，该软件先后推出了多个版本，其中最经典的版本是Aspen Plus7.3，而最新的版本是2014年2月发布的Aspen Plus8.5。

Aspen Plus基于流程图的过程稳态模拟，包括56种单元操作模型，含5000种纯组分、5000对二元混合物、3314种固体化合物、40000个二元交互作用参数的数据库[5]。在实际运用中可以建立流程、模拟模型、设计规定、灵敏度分析、物性分析、物性估计以及物性数据回归等。在Aspen Plus的运行环境中，只要具备合理的热力学数据、实际的操作条件和严格的平衡模型，就能够模拟实际装置，并帮助设计和优化现有的装置和流程。

Aspen Plus应用领域很全面，可以对高级精馏过程进行模拟，如共沸蒸馏、反应蒸馏以及电解质过程等。另外，还可以对炼油过程进行模拟，如常减压、催化等装置的分离过程的模拟。对于能量集成和优化，Aspen Plus也有着很大的优越性。

2.2 Hysys

Hysys原本是加拿大Hyprotech公司的产品，2002年Hyprotech公司被美国Aspen Tech公司收购，于是Hysys成为AspenTech公司旗下产品。两年后Aspen Tech公司推出了收购后的第一个版本Hysys 2004。Hysys以油气加工模拟而著称，该软件分为稳态和动态两类，软件的智能化程度很高，易于掌握。Hysys可用于对工业装置进行安全分析和预测，进行操作规律和控制方案的研究及连锁控制调试，分析装置操作、生产过程中的瓶颈问题，确定安全的开工方案，计算间歇生产过程的安全问题，计算特殊的非稳态过程，安全生产指导和调优，在线优化及先进控制，生产培训等。

Hysys 在国内应用非常广泛，国内用户总数已超过50家。Hysys可以进行油气水的分离计算，解决管道集输流程问题，也广泛用于模拟和优化天然气加工装置，如含水天然气加压后外输、天然气脱硫等。

2.3 Pro/Ⅱ

实验组经新辅助放化疗后，CR 9例，PR 29例，PD 3例，SD 12例；新辅助放化疗前后患者临床分期变化情况。化疗前：Ⅱ期 34例，Ⅲ 19例；化疗后：Ⅰ期 24例，Ⅱ期 25例，Ⅲ 4例。见表1。

Pro/Ⅱ历史悠久，由美国SimSci公司开发，最早起源于该公司1967年开发的全球首个蒸馏模拟器SP0。1973年，SimSci公司在SP0的基础上推出了流程模拟器， 1979年这个流程模拟软件进一步的发展，即Pro/Ⅱ的前身，很快，Pro/Ⅱ成为该领域的国际标准，得到了迅速的发展，客户遍布全球各地。目前，Pro/Ⅱ最新的版本是9.2[6]。

Pro/Ⅱ可用于设计新工艺，评估改变的装置配置，改进现有装置，依据环境规则进行评估和证明，消除装置工艺瓶颈，优化和改进装置产量和效益。在实用性上，Pro/Ⅱ软件广泛地应用于油/气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精细化工/制药等行业，由于该软件针对炼油化工行业的开发思路进行了扩展，Pro/Ⅱ在炼油化工行业要比其它同类软件更具优势。

现在Pro/Ⅱ可以模拟整个生产厂从包括管道、阀门到复杂的反应与分离过程在内的几乎所有装置和流程。天然气脱硫、三甘醇脱水、多级压缩与冷却、轻烃分离与精制、气体分馏、水合物形成预测与抑止、冷冻循环、透平膨胀机优化等气体处理应用也很广泛。

2.4 ChemCAD

ChemCAD软件是由美国Chemstations公司推出的一款化工流程模拟软件。该软件内置的专家系统数据库集成了多个方面且非常详尽的数据，可以在计算机上建立与现场装置吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态或动态运行，应用于化工生产的诸多领域，为工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造提供理论指导。

ChemCAD主要对化学和石油工业、炼油、油气加工等领域中的工艺过程进行计算机模拟。其功能强大的标准物性数据库，提供了大量的热平衡和相平衡计算方法，包含39种值计算方法和13种焓计算方法；提供了50多个操作单元供用户选择，可以满足不同设计方面的需要，是用于物料平衡和能量平衡核算的有力工具[7]。ChemCAD将稳态模拟、动态模拟、间歇操作、安全设计、管网分析等计算功能，与换热器设计、塔器设计、容器设计等多项装置的设计功能，完全集成于单一的软件接口，相互支持、灵活运用，使工艺设计、计算分析更精确完善，完全不存在数据传递或软件接口出错的问题，极大地提高了工程仿真的计算效率，也使效益实现最大化。

ChemCAD能够应用于各类精馏、萃取、各种连续和间歇反应，进行热力学、物性计算，此外还可以实现对旧装置的改造和评估。在工程设计中，无论是建立一个新厂或是对老厂进行改造，ChemCAD都可以用来选择方案。 ChemCAD也可用模拟研究工厂合理化方案以消除“瓶颈”问题，或采用先进技术改善工厂状况的可行性， 如采用改进的催化剂、新溶剂或新的工艺过程操作单元。

2.5 常用流程模拟软件性能对比

流程模拟软件通常由以下几个部分构成:

①物性数据库:在模拟计算中，频繁进行各种热力学性质和传递性质计算，物性数据的准确直接影响模拟结果的可靠性；

②单元模块库:依照结构化和面向对象编程思想，将各个过程操作单元编制成可独立运行的子程序或对象模块，存放到单元模块库，通过系统管理程序调用；

③输入、输出:输入和输出是任何软件系统都必不可少的组成部分。输入包括单位定义、数据录入、流程图输入、解算和输出方式定义等；输出包括数表和图表输出，有些模拟软件还采用实时信号输出，以便实现系统实时仿真。

④计算和管理系统:根据用户的输入定义完成系统的模拟计算、优化计算等功能。

⑤网络通讯:几个大型的流程模拟软件系统都包括了适应网络的信息交换功能，包括客户机/服务器、基于Web等多种形式，实现分布式计算和企业级的数据交换。

2.5.2 流程模拟软件性能差异

一般认为，Pro/Ⅱ在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少经验数据；而Aspen在化工领域表现更好，有人比喻Pro/Ⅱ是经验派，Aspen是学院派。Hysys主要用于炼油,动态模拟是它的优势。

Aspen是智能型的，用于化工领域流程模拟比较大或长的流程，而且数据库比较全，是开放式的；而且Aspen适应范围最广，电解质、固体、燃烧等模块是其它软件难以比拟的；其计算最精确，数据库的建设也相对最完善。Hysys则在油气工程领域有着极高的精度和准确性。Pro/Ⅱ在石化上应用较多，积累了丰富的经验，可以用于设备核算，流程短，或精馏核算。ChemCAD的界面操作让人感觉非常简单，使用起来比较顺手，但是物性较少，例如5.0版本只有2000种常用物质的物性数据。这就使得ChemCAD的使用不太方便，体验相对较差，网上到处都可以下载，设计院通常不太使用，仅在高校中有一定的市场。

从易收敛性上看，ChemCAD＞Hysys＞Pro/Ⅱ。从贴近工业实际看，Pro/Ⅱ＞Hysys＞ChemCAD。这些工程模拟仿真软件中，Aspen、Pro/Ⅱ、Hysys为国内绝大多数设计院所使用。

3 结语

化工流程模拟技术如今已经广泛应用于各化工领域、各类工业装置的研究、设计、改造中，并且带来了明显的经济效益，熟练使用化工模拟软件已经成为一个化工设计人员最基本的功课。可以说，化工模拟软件的发展影响和关联着整个化学工业的发展。不同的流程模拟软件各有千秋，科研和设计工作者可以针对各软件的特点，充分发挥出每种软件的优势，达到最佳的模拟效果，从而提高工艺设计水平、提高企业经济效益。另外，国外几大流程模拟软件长期以来一直处于垄断地位，我国应加大研发和推广力度，早日开发出具有自主知识产权和广阔市场的流程模拟软件。

[1] 刘世艳.流程模拟技术在化工领域的运用[J].大众科技，2005(4):66-67.

[2] 陆恩锡，张慧娟.化工过程模拟—原理与应用[M].北京:化学工业出版社，2011.

[3] 闫庆贺，赵艳微，李俊涛，等.当今国际市场商品化流程模拟类软件分类及性能分析[J].数字石油和化工，2007(10):2-13.

[4] 贾鹏林.中国石化流程模拟技术应用现状综述[J].中外能源，2011，10（16）:1-4.

[5] 郭鑫.浅谈化工流程模拟软件的应用[J].科技信息，2011(13):47.

[6] 薛科创.常用化工流程模拟软件的比较[J].当代化工，2014，43（5）:759-760.

[7] 李惠茗.常用化工流程模拟软件浅析[J].甘肃石油和化工，2010(9):45-48.

[8] 陈声宗.化工过程开发与设计[M].北京:化学工业出版社，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