浅谈化工模拟软件在化工设计中的应用

沈辉

中国化学工程第三建设有限公司 （江苏南京 210000）

0 化工设计与流程模拟技术

化工设计是科学与艺术相结合的一项工程，是理论与实践相结合的一项产品，是将实验室研究成果转化为工业产品的一项创造性劳动[1]。化工设计一般是根据化学反应或者物理过程设计出一种或者多种产品的生产工艺流程，并对工艺流程、设备布置、管道布置等以系统完整、科学合理、安全可靠、经济美观的方式进行组合和优化，同时对环境影响等社会因素进行考虑。

化工流程模拟技术则是随着计算机技术发展而快速发展起来的一门化工设计新技术，是将化工单元操作、化工热力学等化工专业知识同计算机软件相结合的产品[2]。化工流程模拟一般以化工理论为基础，采用数学模型来描述化工过程，通过计算机软件实现化工过程重现。同时在模拟设计过程中，对化工过程中存在的传热传质现象进行质量、热量守恒计算，对工艺设备进行选型设计，并从整体上对化工过程的能量利用、经济效益和环境影响等方面进行评价[3-4]。

1 化工模拟技术的作用与发展

1.1 化工模拟技术的意义

化工模拟技术通过软件模拟工艺流程、工艺设备、装置配管等设计工作来实现工艺开发、配管建模、计算校核等目的。通过软件模拟可以显著提高设计人员工作效率、设计成品的质量和数据计算的准确性，同时避免实验室、小试、中试等实体验证所带来的人力、物力和时间成本[5]。

1.2 化工模拟技术的发展

计算机软件技术的快速发展同时促进了化工模拟技术的进步。目前，化工模拟技术的发展具有以下特点：在通用化工流程模拟软件发展和完善的同时，针对某种功能开发的专用模拟软件开始出现并不断发展壮大，如专门用于换热器设计计算的HTRI，用于流体力学模拟分析的Fluent，用于管道应力分析的CARSARⅡ和AutoPIPE，用于三维配管建模的PDMS 和PDS 等；模拟软件从单一功能开始向集成化发展，一套流程模拟软件可以覆盖整个化工过程的全部活动，如工艺包开发、流程设计、设备选型与设计、不同方案比较，典型软件如Aspen One；模拟技术与人工智能相融合，这使流程设计、模型搭建、工艺优化、模块管理等更加简单方便和人性化。

2 化工流程模拟软件

化工流程模拟软件是化工模拟软件中的重要组成部分，是化工设计院、工程公司进行工艺包开发和工艺数据计算的主要工具，也是本文讨论的重点。目前，国际上主流的化工流程模拟软件有SimSci-Esscor 公司的 PRO/II，AspenTech 公司的 Aspen Plus，Chemstations 公司的 ChemCAD 等。其中，Aspen Plus，PRO/II 是化工设计院中最常用的两种通用流程模拟软件。

Aspen Plus 和PRO/II 两款流程模拟软件虽有各自特点，但进行模拟操作的过程基本一致，主要包括模型建立、数据输入、选择计算方法、模拟分析、输出结果等。对于普通设计人员来说，其中任意一款软件已能够满足日常设计需求。为了更好地展示流程模拟软件在化工设计中的作用，以Aspen Plus 进行了简单的模拟演示。考虑文章篇幅，不对软件的基本操作进行介绍。

3 Aspen Plus 实例模拟

Aspen Plus 源于20 世纪70 年代后期美国能源部在麻省理工学院组织开发的第三代流程模拟软件项目（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN）。为了将该软件项目商业推广，AspenTech公司于1982 年正式成立，并将软件命名为Aspen Plus，目前其已经成为世界上最著名的大型标准流程模拟软件之一。

Aspen Plus 的物性数据库和基于状态方程、活度系数方法的物性模型十分完备。系统数据库包含了约6 000 种纯组分的物性数据，20 多种状态方程模型，15 种活度系数模型等。系统完备、准确的物性数据和计算方法，对自定义未知组分物化性质和复杂物系的处理起着十分重要的作用。

Aspen Plus 模型库中包含50 种化工单元操作模块，可以模拟各种化工单元操作流程，如从简单的精馏塔理论塔板数、塔径、塔高计算到整个生产装置的模拟。Aspen Plus 还提供自定义模式；用户可在模型库中自定义单元操作模块，这显著提高了软件的可扩展性。

以曾经参与过的国外某个以天然气为原料制备草甘膦并副产甲醇/甲醛项目中的闪蒸工段进行演示，选取Aspen Plus 中Separators 模块中的闪蒸模型进行建模。为了便于演示，对项目中的物性数据进行了适当简化，即：常压下，通过闪蒸初步分离甲醇水溶液，其中水溶液质量组分为32%的甲醇、68%的水，质量流量为2 500 kg/h；要求闪蒸后两相中气相分率为0.3。

3.1 流程建立

首先，在软件主界面选择Separators 中Flash2建立流程模型，该模型是闪蒸模型中最简单的“一分二”，即进口一股物流，出口为分离后的两股物流，而作者在平时项目中所遇到的也是这种简单的闪蒸工序，该模块已经能够满足工作需求，如图1 所示。

图1 搭建流程

3.2 组分信息定义

闪蒸流程模型建立好后，输入物流各组分信息，如图2 所示。

图2 物流信息输入

3.3 热力学方法定义

Aspen Plus 提供了众多数据库和热力学方法供设计人员选用，合适的数据库和热力学方法对计算结果的准确性有十分重要的影响，不同的物系必须根据其热力学物性的不同选择相对应的热力学方法，具体可以参考物理化学相关专业书籍。案例中甲醇溶液为极性混合物体系，选择NRTL-RK 方法进行计算，如图3 所示。

3.4 物流信息定义

进口物流信息输入，如流量、浓度、压力、温度等，将案例的数据填入，如图4 所示。

图3 热力学方法定义

图4 进口物流信息输入

3.5 进行模拟

数据全部输入完成后，点击N 按钮，进行模拟计算，模拟结果如图5，图6 所示。

图5 闪蒸模块模拟结果

图6 物流信息模拟结果

从模型模拟结果可以看出，要使出口物料达到气相分率为0.3，需要的闪蒸温度为87 ℃，热负荷是397 kW。同时从物流信息结果可以看出，液相物流2中水的浓度提高，气相物流3 中甲醇的浓度提高。通过Flash 2 模块，还可以求得泡点温度、露点温度等数据。

通过闪蒸实例可以看出，仅仅通过软件建立一个简单模型，就可以计算出设计中所需要的许多数据，这大大减少了手工计算量，同时提高了计算的准确性，进而提高了工作效率。虽然Aspen Plus 中单元操作模块众多，但一个或者几个简单模块已能够满足普通设计人员的工作需求。

4 结语

随着计算机技术的快速发展和人工智能等新技术的不断出现，化工模拟技术发生了重大变革，开始向人性化、智能化方向发展，这不仅降低了普通设计人员使用模拟软件的难度，也提高了模拟软件的实用性。同时，模拟软件从单纯的流程模拟软件发展成多种功能集成的系统软件或专门软件。化工流程模拟软件已从过去在单纯工艺计算和流程搭建上给予设计人员帮助，发展为在流程方案比选、环境影响评价、经济效益评估等宏观设计方面给予设计人员可靠性分析。作为一名化工设计人员，熟悉基本的化工模拟软件，能够进行简单的化工模拟，可以显著提高工作效率、降低工作难度，节省时间和精力。