简述各种化工流程模拟软件的特点及优缺点.docx
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简述各种化工流程模拟软件的特点及优缺点
简述各种化工流程模拟软件的特点及优缺点
简述几种化工流程模拟软件的功能特点及优缺点
摘要：
化工过程模拟是计算机化工应用中最为基础、发展最为成熟的技术。
本文综合介绍了几种主要的化工流程模拟软件的功能及特点，并对其进行了简单的比较。
关键词：
化工流程模拟，模拟软件，AspenPlus,Pro/Ⅱ,HYSYS,ChemCAD
l化工过程概述
化工流程模拟（亦称过程模拟）技术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，通过应用计算机辅助计算手段，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。
它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术的结合产物，是近几十年发展起来的一门新技术[1]。
现在化工过程模拟软件应用范围更为广泛，应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合[2]。
化工过程模拟技术是计算机化工应用中最基础、发展最为成熟的技术之一，化工过程模拟与实验研究的结合是当前最有效和最廉价的化工过程研究方法，它可以大大节约实验成本，加快新产品和新工艺的开发过程。
化工过程模拟可以用于完成化工过程及设备的计算、设计、经济评价、操作模拟、寻优分析和故障诊断等多种任务。
[3]当前人们对化工流程模拟技术的进展、应用和发展趋势的关注与日俱增。
商品化的化工流程模拟系统出现于上世纪70年代。
目前，广泛应用的化工流程模拟系统主要有ASPENPLUS、Pro/Ⅱ、HYSYS和ChemCAD。
2AspenPlus
2.1AspenPlus简述
“如果你不能对你的工艺进行建模，你就不能了解它。
如果你不了解它，你就不能改进它。
而且，如果你不能改进它，你在21世纪就不会具有竞争力。
”----AspenWorld1997
AspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。
该项目称为“过程工程的先进系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。
该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。
全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是AspenPlus的用户。
2.2AspenPlus特点
（1）产品具有完备的物性数据库物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。
人们普遍认为Aspen
的物性数据与AspenPlus系统连接。
（2）产品线比较长，集成能力很强。
AspenPlus是Aspen工程套件（AES）的一个组份。
AES是集成的工程产品套件，有几十种产品。
以AspenPlus的严格机理模型为基础，形成了针对不同用途、不同层次的AspenTech家族软件产品，并为这些软件提供一致的物性支持。
如：
PolymersPlus：
在AspenPlus基础上专门为模拟高分子聚合过程而开发的层次产品，已成功地用于聚烯烃、聚酯等过程。
AspenDynamics：
在使用AspenPlus计算稳态过程的基础上，转入此软件可接着计算动态过程。
PetroFrac：
专门用于炼油厂的模拟软件。
AspenHX-NET：
AspenPlus可以为夹点技术软件直接提供其所需要的各流段的热焓、温度和压力等参数。
B-JAC/HTFS：
换热器详细设计（包括机械计算）的软件包，AspenPlus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成，转入设备设计计算。
AspenZyqad：
这是一个工程设计工作流集成平台，可以供多种用户环境下将概念设计、初步设计、工程设计直到设备采购、工厂操作全过程生命周期的各项工作数据、报表及知识集成共享。
AspenPlus有接口可与之自动集成。
AspenOnline在线工具，将AspenPlus离线模型与DCS或装置数据库管理系统联结，用实际装置的数据，自动校核模型，并利用模型的计算结果指导生产。
（3）唯一将序贯（SM）模块和联立方程（EO）两种算法同时包含在一个模拟工具中。
序贯算法提供了流程收敛计算的初值，采用联立方程算法，大大提高了大型流程计算的收敛速度，同时，让以往收敛困难的流程计算成为可能。
节省了工程师计算的时间。
（4）结构完整，除组分、物性、状态方程之外，还包含以下单元操作模块：
对于气/液系统，AspenPlus包含：
通用混合、物流分流、子物流分流和组分分割模块。
闪蒸模块：
两相、三相和四相通用加热器、单一的换热器、严格的管壳式换热器、多股物流的热交换器。
液液单级倾析器 基于收率的、化学计量系数和平衡反应器，连续搅拌釜、柱塞流、间歇及排放间歇反应器，单级和多级压缩和透平，物流放大、拷贝、选择和传递模块压力释放计算，精馏模型简捷精馏严格多级精馏多塔模型石油炼制分馏塔板式塔、散堆和规整填料塔的设计和校核。
对于固体系统，AspenPlus包含：
文丘里涤气器、静电除尘器、纤维过滤器、筛选器、旋风分离器、水力旋风分离器、离心过滤器、转鼓过滤器、固体洗涤器、逆流倾析器、连续结晶器等。
（5）模型/流程分析功能：
AspenPlus提供一套功能强大的模型分析工具，最大化工艺模型的效益：
收敛分析：
自动分析和建议优化的撕裂物流、流程收敛方法和计算顺序，即使是巨大的具有多个物流和信息循环的流程，收敛分析非常方便。
calculatormodels计算模式：
包含在线FORTRAN和Excel模型界面。
灵敏度分析：
非常方便地用表格和图形表示工艺参数随设备规定和操作条件的变化而变化。
案例研究：
用不同的输入进行多个计算，比较和分析。
设计规定能力:
自动计算操作条件或设备参数，满足规定的性能目标。
数据拟合：
将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确的和有效的真实装置模型。
优化功能：
确定装置操作条件，最大化任何规定的目标，如收率、能耗、物流纯度和工艺经济条件。
2.3AspenPlus功能
AspenPlus软件具有以下几种功能：
工程工作流：
AspenPlus在整个工艺生命周期，优化工程工作流。
回归实验数据：
用简单的设备模型，初步设计流程用详细的设备模型，严格地计算物料和能量平衡，确定主要设备的大小在线优化完整的工艺装置。
AspenPlusofflineandAspenRT-OptAspenPlus根据模型的复杂程度，支持规模工作流。
可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的整厂流程。
分级模块和模板功能是模型的开发和维护非常简单。
工程能力：
AspenPlus提供了单元操作模型到装置流程模拟。
这些模型的可靠性和增强功能已经经过20多年经验的验证和数以百万计例子的证实。
AspenPlus在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。
它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。
利用AspenPlus，公司可以设计、模拟、瓶颈诊断和管理有效益的生产装置。
3Pro/Ⅱ
3.1Pro/Ⅱ简述
Pro/Ⅱ是美国SimSci公司的产品。
该软件自80年代进入中国后，在我国的石油,石化设计院得到了广泛的应用，受到广大用户的好评，已成为各设计院不可或缺的主要设计工具之一，发挥出良好的效益。
在得到国内石油石化设计院的认可的同时，Pro/Ⅱ软件也得到了国内各高校和科研机构的认可，已经成为各高校化工专业和科研机构的最常用的流程模拟研究工具之一。
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SimSci的计算模型已成为国际标准，公司拥有一批技术专家从事售后支持，可以解答用户遇到的疑难问题，这方面要优于其它软件公司；说明书中有大量的实用例子；使用户更加容易使用软件。
Pro/Ⅱ有标准的ODBC接口，可同换热器计算软件或其它大型计算软件相连，另外还可与WORD、EXCEL数据库相连，计算结果可在多种方式下输出。
3.2Pro/Ⅱ功能特点
适用的行业：
油/气加工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工/制药；
模拟应用：
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；
Pro/Ⅱ典型的化学工艺模型：
合成氨、共沸精馏和萃取精馏、结晶、脱水工艺、无机工艺、液-液抽提、苯酚精馏、固体处理；
聚合物：
自由基聚合、一般目的的聚合（苯乙烯）、低密度聚合（乙烯）、聚合（甲基丙烯酸甲脂）、聚合（乙烯基乙酸脂）、链增长聚合、聚酯、酰胺-尼龙6，尼龙6/6，尼龙6/12、共聚、聚合（苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂）、聚合（乙烯-乙烯基乙酸脂）；
炼油：
原油预热、常压蒸馏、减压塔、FCC主分馏塔、焦碳塔、气体装置、汽油稳定、石脑油分离和气提、反应精馏、变换和甲烷化反应器、酸水分离器、硫和HF酸烷基化、脱异丁烷塔；
化工：
乙烯分离塔、C3分离塔、芳烃分离塔、环己烷装置、MTBE分离制造厂、萘转化、烯烃生产、氧化生产、丙烯氯化；
气体加工：
胺脱硫、多级冷冻、压缩机组、脱乙烷塔和脱甲烷塔、膨胀装置、气体脱氢、水合物生成/抑制、多级、平台操作、冷冻回路、透平膨胀机优化制药：
间歇精馏、间歇反应；
一般化的闪蒸模型：
闪蒸、阀、压缩机/膨胀机、泵、管线、混合器/分离器；
精馏模型：
Inside/out，SURE，CHEMDIST算法、两/三相精馏、四个处值估算器、电解质、反应精馏和间歇精馏、简捷模型、液-液抽提、填料塔的设计和核算、塔板的设计和核算、热虹吸再沸器；
换热器模型：
管壳式、简单式和LNG换热器、区域分析、加热/冷却曲线；
反应器模型：
转化和平衡反应、活塞流反应器、连续搅拌罐式反应器、在线FORTRAN反应动力学、吉布斯自由能最小、变换和甲烷化反应器、沸腾釜式反应器、Profimatics重整和加氢器模型界面、间歇反应器；
聚合物模型：
连续搅拌釜反应器、活塞流反应器、擦膜蒸发器；
固体模型：
结晶器/溶解器、逆流倾析器、离心分离器、旋转过滤器、干燥器、固体分离器、旋风分离器；
组分数据库：
2000多纯组分库、以DIPPR为基础的库、固体性质、1900多组分/种类电解质库、非库组分、虚拟组分和性质化验描述、用户库、根据结构确定性质、多个化验混合、用于聚合物的VanKrevelen方法；
混合物数据：
用于3000多VLE二元作用在线二元参数、用于300多LLE二元作用在线二元参数、2200在线共沸混合物用于参数估算、专用数据包、酒精脱水、天然气脱水、带有三乙烯乙二醇、来自GPA（GPSWAT）的酸水包、气体和液体氨处理、硫醇等。
4HYSYS
4.1HYSYS简述
HYSYS软件是世界著名油气加工模拟软件工程公司加拿大的Hyprotech开发的大型专家系统软件，2002年7月该公司成为AspenTech公司的一部分。
HYSYS软件分动态和稳态两大部分。
其动态和稳态主要用于油田地面工程建设设计和石油石化炼油工程设计计算分析。
其动态部分可用于指挥原油生产和储运系统的运行。
对于油田地面建设该软件可以解决油田地面工程建设和石油石化炼油方面的问题。
4.2HYSYS软件功能
HYSYS软件与同类软件相比具有非常好的操作界面，方便易学，软件智能化程度高。
HYSYS由于使用了面向目标的新一代编程工具，使集成式的工程模拟软件成为现实。
在这种集成系统中，流程、单元操作是互相独立的、流程只是各种单元操作这种目标的集合，单元操作之间靠流程中的物流进行联系。
在工程设计中稳态和动态使用的是同一个目标，然后共享目标的数据，不需进行数据传递。
因此在这种最先进且易于使用的系统中用户能够得到最大的效益。
HYSY在系统中设有人工智能系统，它在所有过程中都能发挥非常重要的作用。
当输入的数据能满足系统计算要求时，人工智能系统会驱动系统自动计算。
当数据输入发生错误时，该系统会告诉你哪里出了问题。
HYSYS软件中含有数据回归包和严格物性计算包。
数据回归包提供了强有力的回归工具。
用实验数据或库中的标准数据通过该工具用户可得到焓、气液平衡常数K的数学回归方程（方程的形式可自定）。
用回归公式可以提高运算速度，在特定的条件下还可使计算精度提高。
严格物性计算包的功能强大，它的基础数据也是来源于世界富有盛名的物性数据系统，并经过Hyprotech公司的严格校验。
这些数据包括20,000个交互作用参数和4,500多个纯物质数据。
此外，HYSYS软件还有功能强大的物性预测系统，DCS接口，事件驱动，参数优化器，窄点分析工具，方案分析工具，各种塔板的水力学计算和任意塔的计算等功能并且提供了附加模块。
5ChemCAD
5.1ChemCAD简述
ChemCAD是由Chemstations公司推出的一款极具应用和推广价值的软件，它主要用于化工生产方面的工艺开发、优化设计和技术改造。
由于ChemCAD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，使得ChemCAD可以应用于化工生产的诸多领域，而且随着Chemstations公司的深入开发，ChemCAD的应用领域还将不断拓展。
5.2ChemCAD功能
ChemCAD的应用范围包含了化学工业细分出来的多个方面，如炼油、石化、气体、气电共生、工业安全、特化、制药、生化、污染防治、清洁生产等。
它可以对这些领域中的工艺过程进行计算机模拟并为实际生产提供参考和指导。
ChemCAD内置了功能强大的标准物性数据库，它以AIChE的DIPPR数据库为基础，加上电解质共约2000多种纯物质，并允许用户添加多达2000个组分到数据库中，可以定义烃类虚拟组分用于炼油计算，也可以通过中立文件嵌入物性数据，从5.3版开始还提供了200多种原油的评价数据库,是工程技术人员用来对连续操作单元进行物料平衡和能量平衡核算的有力工具。
使用它，可以在计算机上建立和现场装置吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态和动态运行，为工艺开发、工程设计以及优化操作提供理论指导。
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，研究非设计工况的操作以及工厂处理原料范围的灵活性。
工艺设计模拟研究不仅可以避免工厂设备交付前的费用估算错误，还可用模拟模型来优化工艺设计，同时通过一系列的工况研究，来确保工厂能在较大范围的操作条件内良好运行。
即使是在工程设计的最初阶段，也可用这个模型来估计工艺条件变化对整个装置性能的影响。
对于老厂,由ChemCAD建立的模型可作为工程技术人员用来改进工厂操作以提高产量产率、减少能量消耗、降低生产成本的有力工具。
可模拟确定操作条件的变化以适应原料、产品要求和环境条件的变化,也可模拟研究工厂合理化方案以消除“瓶颈”问题,或模拟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。
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。
ChemCAD提供了大量的操作单元供用户选择，使用这些操作单元，基本能够满足一般化工厂的需要。
对反应器和分离塔，提供了多种计算方法。
ChemCAD还可以模拟多种单元操作。
ChemCAD可以将每个单元操作组织起来，形成整个车间或全厂的流程图，进而完成整个模拟计算。
在热力学选项方面，ChemCAD提供了大量的最新的热平衡和相平衡的计算方法，包含39种K值计算方法、13种焓计算方法。
这些计算方法可以应用于天然气加工厂、炼油厂以及石油化工厂，可以处理直链烃以及电解质、盐、胺、酸水等特殊系统。
它的热力学数据库收录有8000多对二元交互作用参数供NRTL、UNIQUAC、MARGULES、WILSON和VANLAAR活度系数方法来使用。
也可以采用ChemCAD提供的回归功能回归二元交互作用参数。
此外，ChemCAD提供了热力学专家系统帮助用户选择合适的K值和焓值计算方法。
ChemCAD可以处理多相系统，也可以考虑汽相缔合的影响。
ChemCAD有处理固体功能。
对含氢系统，ChemCAD采用一种特殊方法进行处理，可以可靠预测含氢混合物的反常泡点现象。
ChemCAD提供了标准、共享、用户三种组分数据库，允许用户添加多达2000个组分到数据库中，可以定义烃类虚拟组分用于炼油计算，也可以通过中立文件嵌入物性数据。
ChemCAD还具有容易使用、高度集成、界面友好等特点。
ChemCAD拥有最短的学习曲线。
6其它软件
6.1HTFS
HTFS原是英国AEA工程咨询公司的一个子公司，1997年AEA公司和加拿大Hyprotech公司合并，Hyprotech成为AEA的一个子公司，原HTFS公司由Hyprotech接管、合并。
HTFS系列软件创始于1967年，在世界同行业中始终处于领先地位，具有30多年的发展史。
HTFS2001中共7个部分：
ACOL6.20，TASC5.00，FRAN2.01，APLE2.10，MUSE3.20，FIHR2.00，PIPE5.20。
HTFS.ACOL是一个功能非常强大空冷计算程序，可以模拟光管或翅片管束，管外界质可以是空气或其他气体。
可以模拟计算以下系统：
空冷，烟气余热回收系统、空调系统、空气除湿系统、制冷系统等。
HTFS.TASC是世界上非常优秀的管壳式换热器软件，早在80年代初就已进入中国。
原会员用户遍及化工及石化业。
以计算准确性和工程实用性而闻名。
新一代的TASC功能更强，将所有管壳式换热器集为一体，将传热和机械强度计算融为一体。
可用于多组分，多相流冷凝器，罐式重沸器、降液膜蒸发器，多台换热器组等。
并提供管束排列图。
HTFS.FRAN是水加热器模拟计算软件，NTFS.APLE-板式换热器设计及校核软件拟计算软件，HTFS.MUSE-板翅式换热器模拟计算软件，HTFS.FIHR-加热炉模拟计算软件，HTFS.PIPE工艺管线模拟计算软件。
6.2WinSimDESIGNII
WinSimDESIGNII是由WinSimInc.公司开发的过程模拟软件，可以为碳化氢及学石化产品及天然气制程，天然气的管道注入,氨水，甲醇，氢气设备提供了严格的制程模拟。
它是在windows环境下开发的第一款过程模拟软件。
经过二十九年的开发和改进，DESIGNII已经成为流程模拟变革的先驱。
许多DESIGNII的革新，如在线FORTRAN和严格塔计算，均已确立了流程模拟的标准。
由此，ESIGNII就成了WinSimDESIGNII的基础。
DESIGNII是强大的流程模拟计算工程，它可以为大量的管线和单元操作做热量平衡和物料平衡。
DESIGNII的简便而精确的模块，使工艺工程师把注意力集中在工程上而不是计算机操作上。
WinSimDESIGNII提供自由格式文字窗口，只需要很少量的输入数据和DESIGNII命令。
DESIGNII提供了一些先进的特性如：
热交换器和分离器的核算及设计计算。
WinSimDESIGNII包括了879种纯组分的数据库以及直到C20的绝大部分碳氢化。
也包括了38种已知特性的世界原油数据。
WinSimDESIGNII应用于物性，两相管线模型，膨胀机和解吸油装置，乙二醇装置，胺吸收装置，采油和运输，严格油品塔模型，热交换器的设计与核算分离器的设计与核算，气液相和液液相的数据回归等方面。
6.3其它
我国化工过程模拟研究相对起步较晚，约始于上世纪60年代末。
70年代末化工部第五设计院在国内率先推出了大型烃类分离模拟系统，上世纪八十年代后期，兰州石化设计院和大连理工大合作开发的合成氨模拟程序、青岛化工学院的ECSS系统、北京设计院的CCSOS等都具有较高水平，这批程序在设计中应用。
对提高设计效率和水平起着重要作用，但在应用深度和广度，软件的商品化程度等各方面，与国外模软件相比。
还存在较大差距[4]。
7各种主要软件的比较[5-9]
AspenPlus用严格和最新的计算方法，进行单元和全过程的计算，提供准确的单元操作模型，还可以评估已有装置的优化操作或新建、改建装置的优化设计。
它的功能齐全、规模庞大。
Pro/Ⅱ适宜用于化工复杂过程的模拟，能够完成新工艺设计，综合工艺流程模拟，不同装置配里评估，优化和改进现有装置，依据环境评估，消除工艺装置瓶颈。
优化产能、增进收益。
HYSYS最先进的集成式工程环境，具有强大的动态模拟功能，提供了一组功能强大的物性计算包和数据回归包，具有物性预测系统和内置人工智能[7]。
ChemCAD是大型化工流程模拟软件，具有强大的模型计算和分析功能，可以求解几乎所有的单元操作；集成了设备标定模块及工具模块，支持动态模拟，可以在作工艺计算的同时进行经济评价，有高度灵活的数据回归系统。
WinSimDESIGNII内置了Fortran语言。
VisualBasic，Visualc++和ExeelVBA界面，是高价值的稳态过程模拟软件。
ECSS是我国自行开发的模拟系统软件，功能十分丰富。
它可以用来进行物性推算，单级过程模拟、反应过程模拟、工艺流程系统模拟、塔及换热器设计、经济评价等。
ASPEN在传统化工领域表现更好，有其它软件不可比拟的优点，如开放式的设计，计算最精确，数据库建设最完善，计算时考虑的方面非常全面，但却因此较难学习。
PROII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，可以用于设备核算，短流程操作，或精馏核算。
它基本上覆盖了其它主要软件的所有优点。
HYSYS主要用于炼油，动态模拟是它的优势。
chemcad界面操作让人感觉非常简单，使用起来比较顺手，但由于物性较少，使用不方面，相对较差[10]。
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