劉 寬，王鐵剛，曹祖賓，王 莉

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

化工流程模擬軟件是指以工藝過(guò)程的機(jī)理和熱力學(xué)方程為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述化工過(guò)程，通過(guò)建立模擬，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行物料平衡、熱量平衡等計(jì)算，來(lái)指導(dǎo)實(shí)際過(guò)程，以獲得經(jīng)濟(jì)效益的一類(lèi)軟件的總稱。它是化學(xué)工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)。

美國(guó)AspenTech公司的Aspen Plus和Hysys以及美國(guó)SimSci公司的Pro/II是國(guó)內(nèi)目前在化工、煉油、油氣加工、石化等領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，商業(yè)化最好、知名度最高的三款化工流程模擬軟件。

1 ASPEN PLUS

1.1 簡(jiǎn)介

Aspen Plus是大型通用穩(wěn)態(tài)化工流程模擬軟件，廣泛應(yīng)用于化工過(guò)程的各個(gè)方面。其中 Aspen是Advanced System for Process Engineering的簡(jiǎn)稱，Plus是指經(jīng)過(guò)提高并得到工業(yè)部門(mén)支持的版本。該模擬系統(tǒng)是美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）于70年代后期研制開(kāi)發(fā)的，由AspenTech公司在80年代初推向市場(chǎng)將其商品化。此軟件功能強(qiáng)大，基本上覆蓋了所有可能的化工過(guò)程，并且擁有一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù),保證了模擬結(jié)果的精確可靠，尤其是電解質(zhì)、固體和燃燒等模塊是其它軟件所無(wú)法比擬的，全球各大化工、石化、煉油等企業(yè)及著名的工程公司都是Aspen Plus的用戶。

1.2 界面

Aspen Plus的界面包括三部分：一是流程圖窗口(Process Flowsheet Window)；二是數(shù)據(jù)輸入瀏覽窗口（Data Browser)；三是控制面板（Control Panel) 。Data Browser是Aspen Plus非常重要的部分，所有已知條件的輸入和模擬的結(jié)果都是在這個(gè)窗口進(jìn)行顯示，其中Data Browser下的組分（Components)、屬性(Properties)、物流(Streams)和單元操作(Blocks)是必須填寫(xiě)的(有符號(hào)提示)。

1.3 物性數(shù)據(jù)

物性方法和組分?jǐn)?shù)據(jù)是得到精確可靠的模擬結(jié)果的關(guān)鍵。

Aspen Plus擁有一套完整的基于狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法的物性方法(共105種)。

Aspen Plus擁有一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括5000多種純組分的物性數(shù)據(jù)，可以通過(guò) begins with、contains、equals等進(jìn)行搜索。以及電解質(zhì)水溶液數(shù)據(jù)庫(kù)、固體數(shù)據(jù)庫(kù)、二元交互作用數(shù)據(jù)庫(kù)、PURE10數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)機(jī)物數(shù)據(jù)庫(kù)、燃燒數(shù)據(jù)庫(kù)、固體數(shù)據(jù)庫(kù)和水溶液數(shù)據(jù)庫(kù)。

Aspen Plus也是唯一獲準(zhǔn)與世界上數(shù)據(jù)量最大、應(yīng)用最廣泛和最權(quán)威的化工數(shù)據(jù)庫(kù) DECHEMA數(shù)據(jù)庫(kù)接口的軟件。

Components模塊下的 Petroleum窗口可以進(jìn)行油品的輸入。Nonconventional窗口可以進(jìn)行非常規(guī)組分的輸入。

用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與Aspen Plus系統(tǒng)連接［1］。

1.4 操作步驟

⑴創(chuàng)建模板⑵選擇運(yùn)行類(lèi)型⑶選用單元操作模塊⑷連結(jié)流股⑸設(shè)定全局特性⑹輸入化學(xué)組分信息⑺選用物性計(jì)算方法⑻輸入外部流股信息⑼輸入單元模塊參數(shù)⑽運(yùn)行模擬過(guò)程并查看結(jié)果（順序不固定）。

其中連結(jié)流股中，Aspen Plus有 material物流、heat 物流和 work物流。連結(jié)時(shí)，紅色箭頭必須連接，藍(lán)色箭頭可選擇連接。

1.5 特點(diǎn)

根據(jù)模擬軟件在算法上的不同，可分序貫?zāi)K法（SM）、聯(lián)立方程法（EO）和試圖綜合以上兩種算法的聯(lián)立模塊法(亦稱雙層法)。Aspen Plus是唯一將兩種算法同時(shí)包含在一個(gè)模擬工具中的軟件（Aspen Plus11.1新功能）。例如HYSYS和 PROII均只使用序貫?zāi)K法（圖1,表1）。

圖1 序貫?zāi)K法與聯(lián)立方程法［2］Fig.1 Sequential modular approach and stimulataneous equations method

序貫?zāi)K法的算法簡(jiǎn)單，使用方便，但是要循環(huán)迭代，浪費(fèi)時(shí)間。聯(lián)立方程法的算法高級(jí)，收斂速度快，但是容易出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象，而且需要較好的初值。

Aspen Plus先用序貫?zāi)K法提供流程收斂計(jì)算的初值，再用聯(lián)立方程算法，提高了流程計(jì)算的收斂速度，節(jié)省了模型的運(yùn)行時(shí)間，讓以往收斂困難的流程計(jì)算成為可能。這對(duì)處理大型、復(fù)雜或帶內(nèi)部循環(huán)的流程尤其重要。

表1 序貫?zāi)K法與聯(lián)立方程法的比較［3］Table 1 Comparison of sequential modular approach and stimulataneous equations method

2 HYSYS

2.1 簡(jiǎn)介

Hysys是集穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬于一身的化工模擬軟件。原為加拿大 Hyprotech公司的產(chǎn)品，隨著該公司被美國(guó) AspenTech公司收購(gòu)，Hysys就成了AspenTech公司旗下的產(chǎn)品， Hysys2004就是Aspen買(mǎi)下Hysys后推出的第一個(gè)版本。

Hysys是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)的模擬、設(shè)計(jì)、性能監(jiān)測(cè)的流程模擬軟件。其動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)主要用于油田地面工程建設(shè)設(shè)計(jì)和石油石化煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析,其動(dòng)態(tài)部分可用于指揮原油生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行。HYSYS在油氣工程領(lǐng)域就有著極高的精度和準(zhǔn)確性。

2.2 界面

Hysys界面主要由模擬基礎(chǔ)管理器和模擬環(huán)境兩部分構(gòu)成，前者負(fù)責(zé)定義基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（組分和物性包等），后者負(fù)責(zé)流程的搭建和模擬，必須先完成基礎(chǔ)管理器才能進(jìn)入模擬環(huán)境。

2.3 物性數(shù)據(jù)

物性包(Property Package)：

共34種物性方法，有物性包過(guò)濾器功能，它可以方便地幫助使用者選取物性方法（表2）。

添加組分（Add Component）：

⑴庫(kù)組分（Library Component）：4500 多個(gè)純物質(zhì)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)Sim Name、Full Name、Formula進(jìn)行搜索。（V7以上版本Hysys集成了Plus的數(shù)據(jù)庫(kù)及物性方法）

⑵假組分（Hypotheticals）：用戶定義非庫(kù)組分（non-library），并輸入物性數(shù)據(jù)。其中包括UNIFAC Component Builder功能。

⑶油管理器（Oil Manager）可以進(jìn)行石油的輸入和切割。

表2 物性包過(guò)濾器Table 2 Property package filter

2.4 操作步驟

⑴選擇單位集 ⑵添加流體包 ⑶添加組分 ⑷建立流程圖 ⑸輸入數(shù)據(jù)和連接物流（順序不固定）

其中在流程圖中：Hysys擁有材料物流(Material Stream)和能量物流 (Energy Stream)。

2.5 特點(diǎn)

根據(jù)化工流程模擬結(jié)果的不同，可將流程模擬分為穩(wěn)態(tài)模擬［4］和動(dòng)態(tài)模擬［5］。動(dòng)態(tài)模擬功能是Hysys最大的優(yōu)勢(shì)，AspenTech公司也推出過(guò)一款有動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的軟件 Aspen Dynamics［6］。

⑴穩(wěn)態(tài)流程模擬是化工流程模擬研究中開(kāi)發(fā)最早、應(yīng)用最普遍和發(fā)展最成熟的一種技術(shù)。穩(wěn)態(tài)模擬的過(guò)程對(duì)象是輸入輸出關(guān)系，不隨著時(shí)間的推移而變化。

⑵動(dòng)態(tài)模擬就是輸入隨時(shí)間變化，輸出也是隨時(shí)間變化的。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不可能出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，所以穩(wěn)態(tài)模擬的過(guò)程中，勢(shì)必要用到一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為是一種理想的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程參數(shù)不停的波動(dòng)，最理想的狀態(tài)也是一種動(dòng)態(tài)的平衡，因此，穩(wěn)態(tài)模擬工具不可能描述這種動(dòng)態(tài)狀態(tài)。動(dòng)態(tài)模擬可以了解裝置經(jīng)受動(dòng)態(tài)負(fù)荷的情況，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更有指導(dǎo)意義(表3)。

表3 動(dòng)態(tài)模擬與穩(wěn)態(tài)模擬的比較Table 3 Comparison of dynamic simulation with steady state simulation

Hysys的動(dòng)態(tài)模擬是建立在原有穩(wěn)態(tài)流程模擬收斂的基礎(chǔ)上，首先點(diǎn)擊動(dòng)態(tài)模式(Dynamics Mode)，再定義單元操作的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如分離器的幾何尺寸、液位高度等)，安裝控制儀表，才可以開(kāi)始動(dòng)態(tài)模擬。

動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中，可以隨時(shí)調(diào)整溫度、壓力等工藝變量，觀察它們對(duì)產(chǎn)品的影響以及變化規(guī)律，還可以隨時(shí)停下來(lái)，轉(zhuǎn)回靜態(tài)。

3 PRO/II

3.1 簡(jiǎn)介

Pro/II是穩(wěn)態(tài)化工流程模擬軟件。最早起源于1967年 SimSci公司開(kāi)發(fā)的世界上第一個(gè)蒸餾模擬器SP05，1973年SimSci推出基于流程圖的模擬器，1979年又推出基于PC機(jī)的流程模擬軟件Process，后來(lái)對(duì) Process進(jìn)行了大量改進(jìn)，90 年代更名為PRO/II。自此，PRO/II獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在全球范圍內(nèi)廣泛推廣。在所有同類(lèi)軟件中，PRO/II的歷史最悠久，發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，積累了大量的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)庫(kù)中使用了不少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合度高［7］。

3.2 物性數(shù)據(jù)

熱力學(xué)數(shù)據(jù)（Thermodynamic Date）：

共43種熱力學(xué)方法，分普遍化方法、液相活度系統(tǒng)方法、專用數(shù)據(jù)包方法三大類(lèi)。

Selection of Property Calculation System可以幫助選擇熱力學(xué)方法。與Hysys的物性包過(guò)濾器功能相似。

組分選擇（Component Selection）：

⑴純組分庫(kù),：Pro/II擁有超過(guò)2000種組分?jǐn)?shù)的純組分庫(kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)以美國(guó)化工學(xué)會(huì)開(kāi)發(fā)的DIPPR為基礎(chǔ)）?？梢酝ㄟ^(guò) Full Name、SIMSCI Name、Chemical Formula進(jìn)行搜索。

⑵自定義組分（User-defined）可以定義非純組分庫(kù)內(nèi)的物質(zhì)。

⑶利用基團(tuán)貢獻(xiàn)法（UNIFAC）搭建非數(shù)據(jù)庫(kù)組分，估計(jì)各種物性。（Plus與Hysys均有此方法）

3.3 操作步驟

⑴設(shè)置單位制 ⑵選擇熱力學(xué)方法 ⑶定義組分⑷建立流程圖 ⑸定義進(jìn)料物流組成 ⑹提供單元操作條件 ⑺運(yùn)行并查看結(jié)果（順序不固定）

PRO/II的流程圖中只有材料物流 (Streams)。

3.4 特點(diǎn)

Pro/II的PROVISION 界面十分友好、靈活、易用。還有一個(gè)非常實(shí)用的特點(diǎn)：界面色彩功能。雖然同類(lèi)軟件也有相似功能，但是PRO/II的色彩系統(tǒng)最徹底、最高效、最直觀。

界面色彩可以方便快捷地引導(dǎo)使用者建立工藝流程圖。輸入時(shí)，線框、圖標(biāo)以及圖形都會(huì)被紅、綠、蘭、黃、灰、黑六種顏色之一圈住。這些顏色代表著不同的意義。

⑴在建立Pro/II模型時(shí)（打開(kāi)軟件后即可出現(xiàn)提示）：

紅色：必須輸入的數(shù)據(jù)或狀態(tài)；

綠色：默認(rèn)數(shù)據(jù)，可選擇輸入；

藍(lán)色：用戶已輸入的數(shù)據(jù)；

黃色：有問(wèn)題的數(shù)據(jù)，警告所輸入的數(shù)據(jù)超過(guò)了正常范圍；

灰色：不可用數(shù)據(jù)；

黑色：無(wú)需輸入數(shù)據(jù)。

⑵在運(yùn)行Pro/II模擬時(shí)，單元圖標(biāo)的顏色是改變的：

綠色：?jiǎn)卧谇蠼猓?/p>

藍(lán)色：?jiǎn)卧諗浚?/p>

紅色：?jiǎn)卧皇諗?，需重新設(shè)置參數(shù)。

另外Pro/II能與Excel良好兼容（選擇Tools下的Spreadsheet），不需要接口直接輸出Excel并生成Excel文件，而且輸出的文檔也有顏色。同類(lèi)軟件Hysys能與PDF兼容（選擇Tools下的Reports），可用于打印，但不能直接生成 PDF文件,只能直接生成文本文檔。

例如：輸出的 Excel表格在彩色上：物流表（Stream Properties）是藍(lán)色；組分表（Component Rates）是綠色；塔設(shè)備表（Distillation）是灰色等。（此處顏色無(wú)特殊意義）

4 對(duì) 比

⑴應(yīng)用領(lǐng)域：Aspen Plus使用范圍最為廣泛，主要應(yīng)用于化工。Hysys和Pro/II主要用于煉油和石化。

⑵學(xué)習(xí)難度：Plus考慮因素非常多，學(xué)習(xí)難度最大；Pro/II擁有色彩系統(tǒng)方便學(xué)習(xí)，相對(duì)簡(jiǎn)單；Hysys介于兩者之間。

⑶流程圖界面：Hysys的PFD界面（彩色）比較美觀；Aspen Plus界面（灰白）比較古板；PRO界面（藍(lán)白）介于兩者之間。

⑷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：Plus更加嚴(yán)格一些，結(jié)果最精確。其他兩者也能得出理想的結(jié)果。

⑸應(yīng)用范圍： Pro/II的數(shù)據(jù)庫(kù)使用了更多經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在煉油工業(yè)中應(yīng)用更為廣泛。［8］

⑹收斂速度：Plus收斂速度較慢，Hysys較快，PRO/II介于兩者之間。［9］

⑺中文輸入： Hysys可以用中文和英文兩種方法輸入，而Plus和Pro/II只能用英文輸入。

⑻編程語(yǔ)言：Hysys采用C++編程，Plus和Pro/II均使用FORTRAN編程。

⑼模擬文件后綴名：Aspen Plus的模擬文件后綴名是apw，Hysys的是HSC，Pro/II的是prz。

5 結(jié)束語(yǔ)

ASPEN PLUS、HYSYS、PRO/II都是實(shí)用、準(zhǔn)確、有效的化工流程模擬軟件，它們本身并沒(méi)有優(yōu)劣之分，關(guān)鍵在于運(yùn)用，以及操作者自身的理論知識(shí)水平和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。它們?cè)诠δ苌嫌泻芏喙餐ㄖ?，也有不少差異。正確地使用流程模擬軟件是工廠提高經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本、提高工藝設(shè)計(jì)水平、消除裝置“瓶頸”的主要手段之一［10］。

［1］ 王彩紅,林雄超,董敏,等.ASPEN PLUS在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中的應(yīng)用[J].化工時(shí)刊,2009,23(6):73-75.

［2］ 張宇.化工流程模擬在常減壓裝置的應(yīng)用[D].大慶：大慶石油學(xué)院.2008.

［3］ 楊友麒.化工過(guò)程模擬[J].化工進(jìn)展，1996(5):65-70.

［4］ Lorenz T B. Chemical Process simulation[J].Chem Engng Prog，1989(10):50-61.

［5］ Patterson G K, Rudolph B R. DYNSYL:A general purpose dynamic simulator for chemical Processes[J]. Comput Chem Engng,1980,4：l-20.

［6］ 楊光輝.化工流程模擬技術(shù)及應(yīng)用[J].山東化工,2008,37:35-38.

［7］ 魏忠, 揚(yáng)宇暉. 利用PRO/ II 軟件對(duì)常減壓蒸餾流程的模擬[J]. 沈陽(yáng)化工（當(dāng)代化工）, 2000, 29(3): 171-174.

［8］李惠茗.常用化工流程模擬軟件淺析[J].甘肅石油和化工,2010(03)：47.

［9］ 李士富,韓志杰.基本負(fù)荷天然氣液化及在化工設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2004,21(5):781-785.

［10］劉燕萍.流程模擬優(yōu)化技術(shù)在石油化工工業(yè)的應(yīng)用[J].石油煉制與化工,1997,28(6):48-51.