化工过程模拟软件及特点

韩延亭++宋宗全

摘 要：近年来，化工行业发展速度很快，使得化工工艺设计面临了更大的挑战。为了应对这些挑战，基于计算机辅助设计的化工设计软件蓬勃发展，其中占主导地位的是化工流程模拟软件。化工流程模拟软件是由计算机技术、化学工程、系统工程等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统，把复杂的化工过程描述为简单的数学模型，只需在计算机上模拟改变各种有效条件，即可得到实际生产中所需要的结果。

关键词：模拟软件 ChemCAD PRO/II Aspen Plus

中图分类号：TQ018 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0015-01

1 化工过程模拟简介

计算机软件在化工工程设计中的应用可以简单地概括为以下三个方面：化工工艺流程的模拟、化工工艺过程设计计算以及工艺流程图的绘制。化工工艺流程的模拟实际上就是把化工实际生产中的现场数据，通过选择合适的模拟软件，用数学模型将其在计算机上“再现”、并实现优化的过程。模拟过程中往往涉及到压力、温度等化工数据，以及有关的工艺操作条件和一些必要的设备参数等。化工工艺设计计算是在既定的设计要求的基础上，对化工操作单元进行物料衡算和能量衡算，并由此进一步确定原材料的消耗及设备的工艺尺寸，从而进行其它设计计算。

1.1 化工过程模拟系统的组成

化工模拟系统主要包括输入系统、数据检查系统、调度系统以及数据库。现代的模拟系统既可以采用数据文件的方式输入，也可以用图形界面，而且这两种方式之间可以进行相互转换。图形输入无需记忆格式和关键字，比较方便，已经成为主要的输入方式。数据输入完成后，由数据检查系统进行流程拓扑分析和数据检查，这一阶段的检查只分析数据的合理性而不涉及正确性。若发现错误或是数据输入不完整，即返回输入系统，提示用户进行修改。数据检查完之后进入调度系统，调度系统是程序中所有模块调用以及程序运行的指挥中心，调度系统考虑的是否周全完善，编制的是否灵活机动，是否为用户提供了更大方便，对于模拟软件的性能是至关重要的。

1.2 化工过程模拟的功能

（1）科学研究，开发新工艺。

20世纪六、七十年代以前，炼油、化工行业主要依靠各种规模的小试和中试来完成新流程的开发研究，在过程模拟技术的快速发展的今天，除了在某些必要环节进行实验研究和验证外，大部分过程已经逐渐完全利用模拟技术来完成。

（2）设计。

在化工领域中新装置的设计离不开过程模拟。过程模拟技术在工程设计中应用，国外开始于20世纪60年代末，而国内开始的较晚，大量应用时已到了80年代。随着各种模拟软件的不断开发完善，绝大多数石油化工和炼油过程模拟的结果已经可以直接运用于工业装置的设计。而无需小试或着中试。

（3）改造。

在各种化工行业旧装置的改造过程中，过程模拟也起着非常重要的作用。改造过程中，由于产品分布和处理量发生了改变，那么原有的塔、换热器、泵、管线等旧设备能否继续使用就是一个非常大的问题，这些问题都必须在过程模拟的基础上才能得到解决。

（4）生产调优，故障诊断。

流程模拟可以寻求最佳工艺条件，找到工艺参数与经济效益的最佳匹配，从而实现节能、降耗、增效的目的。

2 国内外发展趋势

第一个化工模拟程序是由美国的M.W. Kellogg公司开发的Flexible Flowsheeting。80年代，化工过程模拟软件蓬勃发展，应用范围不断扩大，专业性更强，准确性也有了大幅度的提高。同时，其发展也初步趋向商业化。

20世纪60年代末，我国开始了化工过程模拟的初步研究。1979年，我国建立了第一套化工工艺流程模型，即PFS-121。随后又成功开发了PFS-84化工流程模拟系统、 ECSS化工之星应用等，应用前景广泛。

目前，化工过程稳态模拟发展迅速且应用广泛，未来计算机过程模拟软件将会呈现如下的发展趋势。（1）软件开发的标准化；（2）可扩展性，多接口能力；（3）模型计算精确化；（4）与计算流体动力学的结合，功能多样化；（5）高度集成，模拟-监视-控制一体化；（6）管理控制网络化；（7）并行计算。

随着计算模型发展的不断复杂化和精确化，模拟结果可信度更高，必将促进化学工业更好更快的发展。

3 化工过程模拟软件介绍

目前，在炼油、化工、油气加工、石油工业等领域中应用较为广泛的化工流程模拟软件主要有美国Chemstations公司的ChemCAD、美国SimSci-Esscor公司的PRO/II以及美国AspenTech公司的Hysys和Aspen Plus等。这几种软件侧重于不同的应用领域，各具特色。

3.1 ChemCAD的特点及应用

ChemCAD是一款全流程化工流程模拟软件。其主要优点是界面友好、集成度高、操作简单。ChemCAD可以满足一般的模拟需要和设计要求，对初学者来说比较适用。该软件具有以下主要功能。（1）强大的模型计算和分析功能；（2）集成的设备标定模块及工具模块；（3）动态模拟，可进行生产指导和调优；（4）经济评价功能，通过程模拟和参数调整，可以找到最佳的操作条件，从而对实际生产起到一定的指导作用。

3.2 Hysys的特点及应用

Hysys的应用范围比较广泛，主要应用领域有确定开工方案、计算间歇生产过程、研究控制方案、分析瓶颈问题等，同时还广泛应用于制药、天然气加工、精细化工、石油炼制、石油化工等领域，在化工流程模拟领域占有重要的地位。在目前三大著名模拟软件供应商中，Hysys是唯一采用新一代面向对象的编程工具C++在Windows环境下开发的软件[2]。因此它可以提供功能强大的数据回归包和物性计算包，具有强大的动态模拟功能。

4 结语

（1）各种软件侧重于不同的应用范围，比如PRO/II多应用于炼油工业；Aspen和Hysys则更多侧重在石油化工领域；ChemCAD则多被多家公司、大学、研究单位采用，并被广泛应用于各大高校化工原理过程设计中。（2）在设计计算方面，Aspen plus数据库建设最完善，因此计算最精确； Hysy计算结果较快且准确性也较高；而ChemCAD在计算上往往存在一定误差；PRO/II则介于二者之间。（3）ChemCAD、PRO/II和Aspen Plus都属于稳态模拟软件，而Hysys一集稳态和动态模拟为一体，其系统内部性质可以随着时间而变化。

参考文献

[1] 孙红先，赵听友，蔡冠梁.化工模拟软件的应用与开发[J].计算机与应用化学，2007（9）：1285-1288.

[2] 郭广智.石油化工动态模拟软件HYSYS[J].石油化工设计，1997（3）：29-33.

[3] 杜彬，张伟.Aspen Plus软件模拟脱除液化气中二硫化物的精馏操作[J].内江科技，2009（9）：36，13.