韓延亭++宋宗全

摘 要：近年來(lái)，化工行業(yè)發(fā)展速度很快，使得化工工藝設(shè)計(jì)面臨了更大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的化工設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)工程、系統(tǒng)工程等多學(xué)科理論在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的綜合性模擬系統(tǒng)，把復(fù)雜的化工過(guò)程描述為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，只需在計(jì)算機(jī)上模擬改變各種有效條件，即可得到實(shí)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(hào)：TQ018 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（b）-0015-01

1 化工過(guò)程模擬簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)軟件在化工工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以簡(jiǎn)單地概括為以下三個(gè)方面：化工工藝流程的模擬、化工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)計(jì)算以及工藝流程圖的繪制?；すに嚵鞒痰哪M實(shí)際上就是把化工實(shí)際生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)選擇合適的模擬軟件，用數(shù)學(xué)模型將其在計(jì)算機(jī)上“再現(xiàn)”、并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的過(guò)程。模擬過(guò)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(jì)計(jì)算是在既定的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)化工操作單元進(jìn)行物料衡算和能量衡算，并由此進(jìn)一步確定原材料的消耗及設(shè)備的工藝尺寸，從而進(jìn)行其它設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.1 化工過(guò)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(kù)?，F(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(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。圖形輸入無(wú)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(jìn)行流程拓?fù)浞治龊蛿?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(cuò)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(jìn)行修改。數(shù)據(jù)檢查完之后進(jìn)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(yùn)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(jī)動(dòng)，是否為用戶提供了更大方便，對(duì)于模擬軟件的性能是至關(guān)重要的。

1.2 化工過(guò)程模擬的功能

（1）科學(xué)研究，開(kāi)發(fā)新工藝。

20世紀(jì)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(lái)完成新流程的開(kāi)發(fā)研究，在過(guò)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證外，大部分過(guò)程已經(jīng)逐漸完全利用模擬技術(shù)來(lái)完成。

（2）設(shè)計(jì)。

在化工領(lǐng)域中新裝置的設(shè)計(jì)離不開(kāi)過(guò)程模擬。過(guò)程模擬技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用，國(guó)外開(kāi)始于20世紀(jì)60年代末，而國(guó)內(nèi)開(kāi)始的較晚，大量應(yīng)用時(shí)已到了80年代。隨著各種模擬軟件的不斷開(kāi)發(fā)完善，絕大多數(shù)石油化工和煉油過(guò)程模擬的結(jié)果已經(jīng)可以直接運(yùn)用于工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)。而無(wú)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(guò)程中，過(guò)程模擬也起著非常重要的作用。改造過(guò)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(gè)非常大的問(wèn)題，這些問(wèn)題都必須在過(guò)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(jì)效益的最佳匹配，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、增效的目的。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

第一個(gè)化工模擬程序是由美國(guó)的M.W. Kellogg公司開(kāi)發(fā)的Flexible Flowsheeting。80年代，化工過(guò)程模擬軟件蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，專業(yè)性更強(qiáng)，準(zhǔn)確性也有了大幅度的提高。同時(shí)，其發(fā)展也初步趨向商業(yè)化。

20世紀(jì)60年代末，我國(guó)開(kāi)始了化工過(guò)程模擬的初步研究。1979年，我國(guó)建立了第一套化工工藝流程模型，即PFS-121。隨后又成功開(kāi)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(guò)程穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛，未來(lái)計(jì)算機(jī)過(guò)程模擬軟件將會(huì)呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢(shì)。（1）軟件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化；（2）可擴(kuò)展性，多接口能力；（3）模型計(jì)算精確化；（4）與計(jì)算流體動(dòng)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(jì)算。

隨著計(jì)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(jìn)化學(xué)工業(yè)更好更快的發(fā)展。

3 化工過(guò)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(guó)Chemstations公司的ChemCAD、美國(guó)SimSci-Esscor公司的PRO/II以及美國(guó)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(diǎn)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(diǎn)是界面友好、集成度高、操作簡(jiǎn)單。ChemCAD可以滿足一般的模擬需要和設(shè)計(jì)要求，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)比較適用。該軟件具有以下主要功能。（1）強(qiáng)大的模型計(jì)算和分析功能；（2）集成的設(shè)備標(biāo)定模塊及工具模塊；（3）動(dòng)態(tài)模擬，可進(jìn)行生產(chǎn)指導(dǎo)和調(diào)優(yōu)；（4）經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)功能，通過(guò)程模擬和參數(shù)調(diào)整，可以找到最佳的操作條件，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

3.2 Hysys的特點(diǎn)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(kāi)工方案、計(jì)算間歇生產(chǎn)過(guò)程、研究控制方案、分析瓶頸問(wèn)題等，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于制藥、天然氣加工、精細(xì)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(kāi)發(fā)的軟件[2]。因此它可以提供功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)回歸包和物性計(jì)算包，具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)模擬功能。

4 結(jié)語(yǔ)

（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(guò)程設(shè)計(jì)中。（2）在設(shè)計(jì)計(jì)算方面，Aspen plus數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)最完善，因此計(jì)算最精確； Hysy計(jì)算結(jié)果較快且準(zhǔn)確性也較高；而ChemCAD在計(jì)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(dòng)態(tài)模擬為一體，其系統(tǒng)內(nèi)部性質(zhì)可以隨著時(shí)間而變化。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫紅先，趙聽(tīng)友，蔡冠梁.化工模擬軟件的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2007（9）：1285-1288.

[2] 郭廣智.石油化工動(dòng)態(tài)模擬軟件HYSYS[J].石油化工設(shè)計(jì)，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.