Aspen Plus与VisualC++混合编程在化工模拟中的应用

蔡振兴

青岛科技大学化工学院 （山东青岛 266042）

工作研究

Aspen Plus与VisualC++混合编程在化工模拟中的应用

蔡振兴

青岛科技大学化工学院 （山东青岛 266042）

化工过程模拟软件Aspen Plus在化工流程的设计、校核方面得到了广泛的应用，显著提高了化工工艺流程设计、校核的效率和水平。Aspen Plus支持ActiveX自动控制技术，并符合CAPE-OPEN接口标准。借助VisualC++编程环境，实现了对Aspen Plus数据库的调用、单元模块的开发、以及与水力学软件的集成。

Aspen Plus VisualC++CAPE-OPEN 水力学

Aspen Plus是一款通用的化工过程模拟、设计、校核与优化软件，经过几十年不断地改进与优化，目前可支持物料和热量平衡、相平衡、化学平衡和反应动力学平衡的计算。Aspen Plus拥有丰富的物性数据库、准确可靠的热力学估算模型和适用广泛的过程单元模型，可用于大部分化学工业流程的模拟。在工业流程设计或者校核阶段，当掌握足够的热力学操作数据，如温度、压力、流量、组成的情况下，就可以对工厂实际流程进行理论性的模拟计算。

Aspen Plus具有很强的扩展性，支持ActiveX对象连接与嵌入技术，外部软件可通过ActiveX接口实现对Aspen Plus的自动控制；同时Aspen Plus的单元模块和物性数据库支持CAPE-OPEN接口标准，可以方便地进行组件的添加与迁移。Visual C++是由微软公司开发的一种高级可视化的计算机程序开发语言，具有强大的数据处理能力和运算稳定性。本文借助Visual C++语言，成功地实现了对Aspen Plus运算结果、物性数据库的调取，并开发了部分化工过程单元模块，同时实现了Aspen Plus与水力学软件的集成。

1 Aspen Plus的自动控制技术

1.1 Aspen Plus的自动控制服务器

Aspen Plus提供了一种基于ActiveX的自动控制服务器，将Aspen Plus的部分功能进行封装、可视化处理，并公开部分接口以供其他程序的调用与嵌入。Aspen Plus的自动控制服务器实现了其自身构件的重用，并实现了与其他外部软件的相互通信。Aspen Plus自动控制服务器提供了丰富的对象集合，每个对象集合又包括齐全的属性集合与函数集合，具有很强的封装性与易用性。借助VisualC++编程环境，就可以方便地实现对Aspen Plus对象的访问，继而调用接口函数获取相应的内部数据。

1.2 Aspen Plus所提供的对象集合

在VisualC++编译器中，通过“项目→添加类→TypeLib中的MFC类”命令，进入类型库选择窗口。在文件列表中，选中Aspen Plus自动控制服务器提供的“happ.tlb”类型库文件，随后将“happ.tlb”文件提供的所有对象导入到程序中。Aspen Plus的自动控制服务器提供了20余种ActiveX对象，其主要对象及其含义如表1所示。

表1 Aspen Plus提供的主要对象

1.3 Aspen Plus自动控制服务器的使用

Visual C++编译器会自动将Aspen Plus提供的对象封装为“类”，以方便程序的声明与调用，表1给出了部分对象的封装类。在程序中，可以通过声明CHAPEngine的实例，实现对Aspen Plus文件的打开、运行及保存；通过声明CHapp IP的实例实现对Aspen Plus内部数据列表的抓取，继而借助CHNode获取数据列表的某个节点，进行对应数据的写入或者读取。

借助Aspen Plus自动控制服务器提供的众多对象接口，可以实现特定流程组分或组成的改变、流股或单元模块物性的获取、进料位置的改变以及流程的反复迭代与优化。同时还可以将Aspen Plus中的数据导出到其他软件中，如将指定塔板的气液数据导出到水力学软件中，进行水力学方面的核算。

2 与水力学软件的集成

Aspen Plus提供了对泡罩、筛板等5种常规塔板的水力学核算功能，但是中国化工行业却有60余种不同类型的板式塔塔板构型；同时，Aspen Plus仅支持水力学的核算功能，不方便研究人员进行塔板的设计工作。但是Aspen Plus却拥有最丰富的物性数据库和最严格的板式塔求解算法，通过指定Aspen Plus精馏塔模块功能，可以实现逐层塔板气液质量流量、体积流量、黏度、表面张力、温度的求解。如果将这些数据导出到其他水力学软件中，即可便捷、准确地实现塔板水力学的设计与核算。

借助Aspen Plus的自动控制服务器，即可实现水力学数据的导出功能。首先在Aspen Plus中根据工厂实际操作参数设定组分、组成、温度、压力，选择合适的精馏塔模型和热力学方程，对精馏塔进行过程模拟并成功收敛。随后通过Aspen Plus提供的IHAPEngine和IHNode对象，获取水力学数据列表分支，逐个获取每层塔板的气液数据，并将这些数据导出到水力学软件中。通过自动控制技术，大大地提高了水力学设计校核的效率和准确性。

3 Aspen Plus单元模块和数据库的扩展

3.1 CAPE-OPEN接口标准

CAPE-OPEN最早是由欧盟发起并制定的，意为“开放的计算机辅助过程工程”。经过近20年的发展，CAPE-OPEN接口标准已涵盖到化工过程模拟软件的单元操作模块、物性数据库模块、数值求解模块、错误反馈模块以及动力学模块等。开发者只要遵循CAPE-OPEN接口标准，无论采用何种编程语言或者编程环境，都可以实现模拟软件各个组件间的通信与协作。CAPE-OPEN极大地避免了不必要的重复性工作，促进了技术的交流与进步。

Aspen Plus是CAPE-OPEN接口标准的制定者和推动者之一，其单元模块和物性数据库亦遵循了CAPE-OPEN标准。Aspen Plus在CAPE-OPEN的基础上，又进一步扩展了单元模块和物性数据库的相关接口。开发者可以根据CAPE-OPEN技术手册和Aspen Plus的模型手册，开发可以运行在Aspen Plus环境中的单元模块，或者对Aspen Plus的物性数据库进行扩展和调用。

3.2 Aspen Plus单元模块的开发

按照CAPE-OPEN标准，过程模拟软件的组件被分为单元操作模块（UnitOperation）、数值求解器（Numerical solvers）、热力学和物性包（Thermodynamic and physicalproperties）以及模拟执行器（Simulator executive）等几大部分，共同组成了一个完整的过程模拟软件。它们之间的关系如图1所示。

图1 CAPE-OPEN组件结构布局

Aspen Plus支持Fortran过程单元模块、Excel过程单元模块、基于CAPE-OPEN COM技术的过程单元模块以及由建模工具导入4种用户自定义的过程单元模块等的开发。Aspen Plus的开发商AspenTech公司充分遵循了CAPE-OPEN标准，并在此基础上进行了进一步的扩展。当Aspen Plus提供的化工过程单元模型不能满足实际模拟需要时，用户可以根据现有的数据、公式开发自定义单元模块，并无障碍地迁移到Aspen Plus的模拟环境中。Aspen Plus系统框架提供了强大的扩展能力，可以集成所有符合CAPE-OPEN标准的过程单元模块，同时过程单元模块被封装为动态链接库文件，有助于保护设计者的开发成果。

基于CAPE-OPEN标准的Aspen Plus过程模块开发，采用了面向对象编程的COM和COM+技术，模型以动态链接库组件的形式存在，可以在任何支持CAPE-OPEN接口标准的模拟软件中使用。相对于Fortran过程模块和Excel过程模块，CAPE-OPEN模块不必依附于其他运行环境，与Aspen Plus的关联度小，开发、编译、调试、迁移等都非常简单。CAPE-OPEN CoLan协会提供了相应的接口标准文件，在VisualC++编译环境下，就可以快速地开发出一个健全的化工过程单元模块。首先开发者在Visual C++中选择“ATL项目”，随后从CoLan协会提供的“CAPE-OPEN-11.tlb”类型库文件中导入CAPE-OPEN单元模块接口，便快捷地完成了一个具有完备外部接口的单元模块。最后，开发者在指定的函数实现体内添加对应的数据和实现算法，便完成了一个符合CAPE-OPEN标准的单元模块。

3.3 Aspen Plus物性数据库的扩展

Aspen Plus在化工工艺过程模拟中具有强大的优势，拥有最丰富的物性数据库、状态方程和数据关联式。但是Aspen Plus着眼于整个工艺过程，对于特定的设备，尤其是反应器一般采用的是“均匀假设”。而CFD软件可以对反应器等装置的内部细节进行模拟，可以清楚地看到温度、压力、物质组成在反应器内部的分布。但是CFD软件主要针对单个设备，无法对整个大的流程进行模拟。

Fluent和Aspen Plus联合推出了Aspen Plus Toolkit（APT），通过CAPE-OPEN标准将两个软件的数据进行互联，实现了跨平台操作。Fluent通过APT可以从Aspen Plus的物性数据库和模拟结果中获取所需的数据，结合自身算法进行相应地计算，随后将结果显示或者导出。该技术通过软件集成，极大地增强了化工操作的模拟水平，因此获得了2004年“R&D 100Award”大奖。

借助APT工具，初步实现了Fluent与Aspen Plus的集成。但是这个工具仅仅是一种初级的、用户无法自定义的连接技术；对于其他软件如MATLAB，Aspen Plus并没有提供类似的连接工具。用户完全可以根据CAPE-OPEN热力学和物性包部分的规定，开发更加实用、稳健、强大的Aspen Plus数据库与其他软件的连接工具。浙江大学耿大钊等开发的MATLAB与Aspen Plus的接口工具箱MAP，就部分地采用了这种思想。

4 结论

本文对Aspen Plus的扩展功能进行了分析，并结合Visual C++编程语言对Aspen Plus的ActiveX自动控制技术、CAPE-OPEN单元模块的开发、物性数据库的互联进行了简单的阐述。通过Aspen Plus提供的接口，可以开发符合自身需求的化工单元模块，实现与流体力学软件Fluent的互联，同时还可以方便地对模拟过程进行调控、对模拟结果进行读取。借助VisualC++语言，实现了对Aspen Plus的二次开发，扩展了化工过程的计算求解功能，提高了化工过程的模拟运算水平。

Application of Mixed Programming Based on Aspen Plus and Visual C++in Chemical Simulation

Cai Zhenxing

The Aspen Plus simulation software has been widely used in design and check of chemical process,and it could significantly improve the efficiency and level of chemical process design and check.Aspen Plus supports ActiveX automatic control technology and it is in accordance with the CAPE-OPEN interface standard.By using Visual C++,the invocation and unitmodule development of Aspen Plus database,the integration of Aspen Plus and hydraulics software have been achieved.

Aspen Plus;Visual C++;CAPE-OPEN;Hydraulics

（略）

TQ 02

2013年12月

蔡振兴 男 1990年生 硕士研究生 研究方向为化工过程模拟