23七月20231化工流程模擬技術概述華誼（集團）公司2011年3月

化工模擬優化技術的發展是建立在化學工業的發展、人類對化工過程認識的深入及計算機技術的迅速發展等的歷史背景下的。 近現代以來，化學工業朝著綜合化方向發展，流程結構日益復雜，裝置規模日趨大型化，化工行業的資源短缺、環境污染等問題變得越來越重要。 同時，人們對化工過程的認識也越來越深入，1915年美國的A.DLittle首次提出的單元操作的概念，上世紀50年代，傳遞過程理論誕生，隨后，化工過程系統工程應運而生。自1965年以來，大型電子計算機出現，計算方法得到迅速發展。這一切為現代化工過程模擬優化技術的發展奠定了堅實的基礎。

化工過程模擬系統開始產生于上世紀后半葉，其標志性事件就是化工流程模擬軟件的出現與開發。化工流程模擬軟件是由化學工程學、化工熱力學、系統工程、應用數理統計、計算方法及計算機技術等多學科理論在計算機上實現的綜合性模擬系統。

1960年代，美國HOUSTON大學開發出Chess（ChemicalEngineeringSimulationSystem）系統，該軟件采用FORTRAN語言編寫，共有16種單元操作模塊，98種物料的物性數據。60年代末，美國Monsanto（孟山都）公司開發出Flowtran（FlowsheetTranslator）系統，該軟件也采用FORTRAN語言編寫，共有30種單元操作模塊，180種物料的物性數據。

1976-1981年，美國麻省理工大學化工系開發出ASPEN（AdvancedSystemforProcessEngineering）系統，該系統采用FORTRAN語言編寫，共有36種單元操作模塊，500種氣液物料的物性數據，120種固體物料的物性，可用于模擬計算、優化、成本估算和經濟評估等。1988年美國Simsci模擬公司開發出PRO/Ⅱ，對PROCESS做重大改進。1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向對象的編程工具C++語言，在Windows環境下開發出完全交互式的HYSYS軟件，2002年7月，Hyprotech公司與AspenTech公司合并，HYSYS成為AspenTech公司的產品。

我國的化工過程模擬系統開發起步較晚，但通過引進軟件、硬件等縮短了差距，應用情況目前已接近國際水平，但軟件系統的研究開發與國外相比仍有較大差距，國內幾乎沒有通用的化工過程模擬軟件，但80年代以來已經開發出一些專用的具有一定水平的化工專家系統。可見，從上世紀7、80年代以來，化工過程模擬系統已經進入快速的普及、推廣時期。一方面，化工模擬理論和技術方面的發展，使軟的應用范圍更加廣泛，另一方面，軟件及計算機輔助工具的發展，即研究手段的進步，使工程師更易掌握、使用這種軟件，更容易地進行各種技術方案的研究。近年來，人工神經網絡技術，作為一種典型的經驗建模工具，由于其具有更強的過濾能力，巨大的并行處理能力，良好的自適應能力及強大的模式識別能力等諸多優于傳統的經驗建模系統的獨特性質，被廣泛地應用于復雜化工系統中的建模、優化中，取得了顯著的效果。

AspenPlus是Aspen工程套件的首個產品，自發布以來，經過20多年的不斷改進、提高與擴充，先后發布了十多個版本，已成為舉世公認的大型流程模擬標準軟件。全球各主要化工、石化和煉油等過程工業制造企業與著名工程公司均是AspenPlus的用戶。同時，以AspenPlus的嚴格機理模型為基礎，還逐步發展起來了一系列針對不同用途、不同層次的軟件產品，此即為Aspen工程套件(AspenEngineeringSuite,簡稱AES)。AspenPlus軟件做為目前最流行的國際通用性化工流程模擬軟件，其廣泛應用于科研、生產和工程中。該軟件的主要特征是：序貫和聯立方程的模擬方法、最快的速度和最高的可靠性及龐大的純組分和混合物的數據庫；其主要功能是：數據回歸和數據擬合、物性分析、靈敏度分析、設計和校核及多變量優化。

利用該軟件，可以進行以下具體的工作：（1）物料平衡、熱平衡，熱負荷、流率、組成及物性等設計基礎數據的計算；(2)設備單元主要工藝參數，并可進行冷換設備核算及塔板水力學估算；(3)流程合成和工藝包開發；(4)原料及加工路線的篩選與評價；(5)工藝參數優化和消除裝置“瓶頸”；（6）裝置操作優化，擴產與節能；（7）參數顯著性分析，提供總流程的優化LP模型參數和“影子價格”等參數；(8)操作參數的靈敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依據；（10）利用動態模擬功能分析控制參數的動態特性，如自控和開、停工方案及火炬排放系統的設計等。23七月20237內容概論過程系統工程的基本概念過程系統工程包含的內容過程系統工程研究方法穩態模擬基礎知識23七月20238概論60年代過程系統工程產生和發展的理論準備時期70年代過程系統工程走上實用的時期80年代過程系統工程普及時代23七月20239過程系統工程的基本概念過程系統工程是將系統工程學的理論和方法應用于過程工業領域的確一門邊緣學科，是化學工程的一個分支。過程系統工程的基本內容就是從過程系統的整體目標出發，根據系統內部各個組成部分的特性及其相互關系，確定在規劃、設計、操作和控制等方面的最優策略。23七月202310研究開發市場調查設備設計設備制造建設工程試運轉操作運行過程設計外協檢查經營管理控制環境的變化23七月202311過程系統工程包含的內容過程系統分析過程系統集成過程系統優化過程系統設計23七月202312過程系統輸入輸出過程系統分析示意圖（待求）23七月202313過程系統（待求）輸入輸出過程系統集成示意圖23七月202314過程系統優化過程系統優化或系統優化可分為參數優化和結構優化參數優化：在一確定的系統流程中對其操作參數進行優化。結構優化：改變過程系統中設備類型或其相互間的聯結，以優化過程系統。23七月202315過程系統設計過程系統的設計原則上講，是過程系統集成與過程系統分析交替過程的整體。包括三個主要的步驟：過程系統集成、分析與優化23七月202316過程系統經濟評價綜合參數優化需求計算設備尺寸、費用結構優化最終的過程系統熱量物料衡算決策變量優化23七月202317數學模擬數學模擬：對數學模型求解的過程優點：經濟、靈活、可以減少中間試驗，可獲得實驗條件下難以得到的性能信息，可以利用已有的理論成果來研究復雜過程系統的性能。23七月202318過程系統模型

過程系統模型是借助有關概念、變量、規則、邏輯關系、數學表達式、圖形和表格等對系統的總體描述。23七月202319數學模型的類型與建立按建模的方法分為：機理模型和經驗模型按建模是否考慮時間分為：動態模型和穩態模型按建模是否考慮空間分為：集中參數模型和分布參數模型按過程的特征分為：確定模型和隨機模數學模型的建立過程稱為模型化，模型化的最基本要求，數學模型與所研究的過程系統具有客觀的一至性。23七月202320過程系統模型組成及表示過程單元模型過程系統結構過程系統結構表示：有向圖表示、矩陣表示23七月202321穩態模擬的基本知識數學模型的基本類型與主要形式穩態模擬所研究問題的基本類型穩態模擬的基本方法穩態模擬軟件化工過程物性系統化工過程的數學模型23七月202322數學模型的基本類型集中參數模型與分布參數模型確定模型與隨機模型機理模型與經驗模型23七月202323穩態模擬所研究的基本問題標準型問題設計型問題最優化問題23七月202324單元模塊輸入流股向量輸出流股向量標準型問題23七月202325單元模塊輸入流股向量輸出流股向量設計型問題控制模塊設備參數向量要求的輸出向量特性23七月202326過程模擬模型給定輸入物理特性最優化問題經濟模擬模型給定的參數控制變量約束條件優化程序約束條件23七月202327公用工程及原料量成本數據物料與能量衡算設備尺寸計算成本估算經濟評價輸入條件設備尺寸計算投資費用數據收益流程模擬的一般步驟23七月202328穩態模擬的基本方法序貫模塊法（SM）聯立方程法（EO）最優聯立模塊法23七月202329流程模擬系統軟件模擬系統開發者結構特點ASCEND美國Carnegie-Mellon聯立方程法模擬與優化ASPENPLUS美國ASPEN公司序貫模塊法模擬與優化CAPES日本序貫模塊法有優化費用CHESS美國Washington大學CONCEPTIII英國CAD中心序貫模塊法交互作用方式DESIGN2000美國ChemShare序貫模塊法FLOWPACKII英國德國ICI-LINDE序貫模塊法批處理與交互FLOWSIM美國Connecticut大學聯立方程法圖形輸入FLOWTRAN美國MonsantoCo.序貫模塊法有費用和尺寸GMB美國BadgerCo.序貫模塊法交互作用方式23七月202330流程模擬系統軟件模擬系統開發者結構特點HYSIM加拿大HYPROTECHCo.序貫模塊法交互作用方式PRO/II美國Simulation公司序貫模塊法批處理與交互QUASLIN英國CAD中心聯立方程法模擬與優化SIMMOD美國Illinois大學序貫模塊聯立模塊法模擬與優化SPEEDUP英國Imperial大學PASCAL編程SYMBOL英國Cambridge大學聯立方程法線性化法ECSS青島化工學院序貫模塊法MicroSAPROSS蘭州設計院序貫模塊法合成氨專用系統程大連理工大學華東理工大學23七月202331流程模擬系統的基本結構計算方法庫單元模塊庫物性數據庫熱力學性質庫輸入輸出管理系統執行程序求解優化經濟分析23七月202332物性系統的作用根據模擬計算的進程與要求向程