化工流程模拟软件的介绍与对比

刘 宽，王铁刚，曹祖宾，王 莉

（1. 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 113006）

化工流程模拟软件是指以工艺过程的机理和热力学方程为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过建立模拟，应用计算机辅助进行物料平衡、热量平衡等计算，来指导实际过程，以获得经济效益的一类软件的总称。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。

美国AspenTech公司的Aspen Plus和Hysys以及美国SimSci公司的Pro/II是国内目前在化工、炼油、油气加工、石化等领域中应用最广泛，商业化最好、知名度最高的三款化工流程模拟软件。

1 ASPEN PLUS

1.1 简介

Aspen Plus是大型通用稳态化工流程模拟软件，广泛应用于化工过程的各个方面。其中 Aspen是Advanced System for Process Engineering的简称，Plus是指经过提高并得到工业部门支持的版本。该模拟系统是美国麻省理工学院（MIT）于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。此软件功能强大，基本上覆盖了所有可能的化工过程，并且拥有一个强大的数据库,保证了模拟结果的精确可靠，尤其是电解质、固体和燃烧等模块是其它软件所无法比拟的，全球各大化工、石化、炼油等企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。

1.2 界面

Aspen Plus的界面包括三部分：一是流程图窗口(Process Flowsheet Window)；二是数据输入浏览窗口（Data Browser)；三是控制面板（Control Panel) 。Data Browser是Aspen Plus非常重要的部分，所有已知条件的输入和模拟的结果都是在这个窗口进行显示，其中Data Browser下的组分（Components)、属性(Properties)、物流(Streams)和单元操作(Blocks)是必须填写的(有符号提示)。

1.3 物性数据

物性方法和组分数据是得到精确可靠的模拟结果的关键。

Aspen Plus拥有一套完整的基于状态方程法和活度系数法的物性方法(共105种)。

Aspen Plus拥有一个强大的数据库，包括5000多种纯组分的物性数据，可以通过 begins with、contains、equals等进行搜索。以及电解质水溶液数据库、固体数据库、二元交互作用数据库、PURE10数据库、无机物数据库、燃烧数据库、固体数据库和水溶液数据库。

Aspen Plus也是唯一获准与世界上数据量最大、应用最广泛和最权威的化工数据库 DECHEMA数据库接口的软件。

Components模块下的 Petroleum窗口可以进行油品的输入。Nonconventional窗口可以进行非常规组分的输入。

用户也可以把自己的物性数据与Aspen Plus系统连接［1］。

1.4 操作步骤

⑴创建模板⑵选择运行类型⑶选用单元操作模块⑷连结流股⑸设定全局特性⑹输入化学组分信息⑺选用物性计算方法⑻输入外部流股信息⑼输入单元模块参数⑽运行模拟过程并查看结果（顺序不固定）。

其中连结流股中，Aspen Plus有 material物流、heat 物流和 work物流。连结时，红色箭头必须连接，蓝色箭头可选择连接。

1.5 特点

根据模拟软件在算法上的不同，可分序贯模块法（SM）、联立方程法（EO）和试图综合以上两种算法的联立模块法(亦称双层法)。Aspen Plus是唯一将两种算法同时包含在一个模拟工具中的软件（Aspen Plus11.1新功能）。例如HYSYS和 PROII均只使用序贯模块法（图1,表1）。

图1 序贯模块法与联立方程法［2］Fig.1 Sequential modular approach and stimulataneous equations method

序贯模块法的算法简单，使用方便，但是要循环迭代，浪费时间。联立方程法的算法高级，收敛速度快，但是容易出现不收敛的现象，而且需要较好的初值。

Aspen Plus先用序贯模块法提供流程收敛计算的初值，再用联立方程算法，提高了流程计算的收敛速度，节省了模型的运行时间，让以往收敛困难的流程计算成为可能。这对处理大型、复杂或带内部循环的流程尤其重要。

表1 序贯模块法与联立方程法的比较［3］Table 1 Comparison of sequential modular approach and stimulataneous equations method

2 HYSYS

2.1 简介

Hysys是集稳态和动态模拟于一身的化工模拟软件。原为加拿大 Hyprotech公司的产品，随着该公司被美国 AspenTech公司收购，Hysys就成了AspenTech公司旗下的产品， Hysys2004就是Aspen买下Hysys后推出的第一个版本。

Hysys是面向油气生产、气体处理和炼油工业的模拟、设计、性能监测的流程模拟软件。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。HYSYS在油气工程领域就有着极高的精度和准确性。

2.2 界面

Hysys界面主要由模拟基础管理器和模拟环境两部分构成，前者负责定义基础数据（组分和物性包等），后者负责流程的搭建和模拟，必须先完成基础管理器才能进入模拟环境。

2.3 物性数据

物性包(Property Package)：

共34种物性方法，有物性包过滤器功能，它可以方便地帮助使用者选取物性方法（表2）。

添加组分（Add Component）：

⑴库组分（Library Component）：4500 多个纯物质数据，可以通过Sim Name、Full Name、Formula进行搜索。（V7以上版本Hysys集成了Plus的数据库及物性方法）

⑵假组分（Hypotheticals）：用户定义非库组分（non-library），并输入物性数据。其中包括UNIFAC Component Builder功能。

⑶油管理器（Oil Manager）可以进行石油的输入和切割。

表2 物性包过滤器Table 2 Property package filter

2.4 操作步骤

⑴选择单位集 ⑵添加流体包 ⑶添加组分 ⑷建立流程图 ⑸输入数据和连接物流（顺序不固定）

其中在流程图中：Hysys拥有材料物流(Material Stream)和能量物流 (Energy Stream)。

2.5 特点

根据化工流程模拟结果的不同，可将流程模拟分为稳态模拟［4］和动态模拟［5］。动态模拟功能是Hysys最大的优势，AspenTech公司也推出过一款有动态模拟系统的软件 Aspen Dynamics［6］。

⑴稳态流程模拟是化工流程模拟研究中开发最早、应用最普遍和发展最成熟的一种技术。稳态模拟的过程对象是输入输出关系，不随着时间的推移而变化。

⑵动态模拟就是输入随时间变化，输出也是随时间变化的。

实际生产过程中不可能出现稳态，所以稳态模拟的过程中，势必要用到一些经验数据，可以认为是一种理想的运行状态。在实际生产过程中，过程参数不停的波动，最理想的状态也是一种动态的平衡，因此，稳态模拟工具不可能描述这种动态状态。动态模拟可以了解装置经受动态负荷的情况，对实际生产更有指导意义(表3)。

表3 动态模拟与稳态模拟的比较Table 3 Comparison of dynamic simulation with steady state simulation

Hysys的动态模拟是建立在原有稳态流程模拟收敛的基础上，首先点击动态模式(Dynamics Mode)，再定义单元操作的动态数据(如分离器的几何尺寸、液位高度等)，安装控制仪表，才可以开始动态模拟。

动态模拟过程中，可以随时调整温度、压力等工艺变量，观察它们对产品的影响以及变化规律，还可以随时停下来，转回静态。

3 PRO/II

3.1 简介

Pro/II是稳态化工流程模拟软件。最早起源于1967年 SimSci公司开发的世界上第一个蒸馏模拟器SP05，1973年SimSci推出基于流程图的模拟器，1979年又推出基于PC机的流程模拟软件Process，后来对 Process进行了大量改进，90 年代更名为PRO/II。自此，PRO/II获得了长足的发展，在全球范围内广泛推广。在所有同类软件中，PRO/II的历史最悠久，发展时间最长，积累了大量的工程实际经验，其数据库中使用了不少经验数据，其计算结果与实际情况吻合度高［7］。

3.2 物性数据

热力学数据（Thermodynamic Date）：

共43种热力学方法，分普遍化方法、液相活度系统方法、专用数据包方法三大类。

Selection of Property Calculation System可以帮助选择热力学方法。与Hysys的物性包过滤器功能相似。

组分选择（Component Selection）：

⑴纯组分库,：Pro/II拥有超过2000种组分数的纯组分库（数据库以美国化工学会开发的DIPPR为基础）。可以通过 Full Name、SIMSCI Name、Chemical Formula进行搜索。

⑵自定义组分（User-defined）可以定义非纯组分库内的物质。

⑶利用基团贡献法（UNIFAC）搭建非数据库组分，估计各种物性。（Plus与Hysys均有此方法）

3.3 操作步骤

⑴设置单位制 ⑵选择热力学方法 ⑶定义组分⑷建立流程图 ⑸定义进料物流组成 ⑹提供单元操作条件 ⑺运行并查看结果（顺序不固定）

PRO/II的流程图中只有材料物流 (Streams)。

3.4 特点

Pro/II的PROVISION 界面十分友好、灵活、易用。还有一个非常实用的特点：界面色彩功能。虽然同类软件也有相似功能，但是PRO/II的色彩系统最彻底、最高效、最直观。

界面色彩可以方便快捷地引导使用者建立工艺流程图。输入时，线框、图标以及图形都会被红、绿、兰、黄、灰、黑六种颜色之一圈住。这些颜色代表着不同的意义。

⑴在建立Pro/II模型时（打开软件后即可出现提示）：

红色：必须输入的数据或状态；

绿色：默认数据，可选择输入；

蓝色：用户已输入的数据；

黄色：有问题的数据，警告所输入的数据超过了正常范围；

灰色：不可用数据；

黑色：无需输入数据。

⑵在运行Pro/II模拟时，单元图标的颜色是改变的：

绿色：单元正在求解；

蓝色：单元收敛；

红色：单元不收敛，需重新设置参数。

另外Pro/II能与Excel良好兼容（选择Tools下的Spreadsheet），不需要接口直接输出Excel并生成Excel文件，而且输出的文档也有颜色。同类软件Hysys能与PDF兼容（选择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档。

例如：输出的 Excel表格在彩色上：物流表（Stream Properties）是蓝色；组分表（Component Rates）是绿色；塔设备表（Distillation）是灰色等。（此处颜色无特殊意义）

4 对 比

⑴应用领域：Aspen Plus使用范围最为广泛，主要应用于化工。Hysys和Pro/II主要用于炼油和石化。

⑵学习难度：Plus考虑因素非常多，学习难度最大；Pro/II拥有色彩系统方便学习，相对简单；Hysys介于两者之间。

⑶流程图界面：Hysys的PFD界面（彩色）比较美观；Aspen Plus界面（灰白）比较古板；PRO界面（蓝白）介于两者之间。

⑷数据准确性：Plus更加严格一些，结果最精确。其他两者也能得出理想的结果。

⑸应用范围： Pro/II的数据库使用了更多经验数据，在炼油工业中应用更为广泛。［8］

⑹收敛速度：Plus收敛速度较慢，Hysys较快，PRO/II介于两者之间。［9］

⑺中文输入： Hysys可以用中文和英文两种方法输入，而Plus和Pro/II只能用英文输入。

⑻编程语言：Hysys采用C++编程，Plus和Pro/II均使用FORTRAN编程。

⑼模拟文件后缀名：Aspen Plus的模拟文件后缀名是apw，Hysys的是HSC，Pro/II的是prz。

5 结束语

ASPEN PLUS、HYSYS、PRO/II都是实用、准确、有效的化工流程模拟软件，它们本身并没有优劣之分，关键在于运用，以及操作者自身的理论知识水平和实际经验。它们在功能上有很多共通之处，也有不少差异。正确地使用流程模拟软件是工厂提高经济效益、降低生产成本、提高工艺设计水平、消除装置“瓶颈”的主要手段之一［10］。

［1］ 王彩红,林雄超,董敏,等.ASPEN PLUS在化工实验教学和科研中的应用[J].化工时刊,2009,23(6):73-75.

［2］ 张宇.化工流程模拟在常减压装置的应用[D].大庆：大庆石油学院.2008.

［3］ 杨友麒.化工过程模拟[J].化工进展，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］ 杨光辉.化工流程模拟技术及应用[J].山东化工,2008,37:35-38.

［7］ 魏忠, 扬宇晖. 利用PRO/ II 软件对常减压蒸馏流程的模拟[J]. 沈阳化工（当代化工）, 2000, 29(3): 171-174.

［8］李惠茗.常用化工流程模拟软件浅析[J].甘肃石油和化工,2010(03)：47.

［9］ 李士富,韩志杰.基本负荷天然气液化及在化工设计课程中的应用[J].计算机与应用化学,2004,21(5):781-785.

［10］刘燕萍.流程模拟优化技术在石油化工工业的应用[J].石油炼制与化工,1997,28(6):48-51.