计算机在化工领域的运用

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1、化工计算机运用 1 计算机在化工领域的运用 随着计算机技术的发展，实验手段也发生了巨大的变化，人们将计算机技 术引入化工领域以达到缩短开发时间、节省开发费用、方便控制与管理、加快 问题解决步伐、确保工程可行性等目的，这使得计算机技术与化工领域的关系 日益密切、相辅相成、共同发展。从宏观的数据处理、过程模拟到微观层次的 结构计算，从仪器的实时控制到信息检索，计算机都发挥着极其重要的作用。 但就目前看，我国的化学工业水平与发达国家相比仍存在较大的差距。究 其原因，除了化工基础、起步时间和开发资金等客观因素外，制约化学工业发 展的一个瓶颈主要在于化工过程计算、 模型、 控制和优化的技术水平。 尤其

2、在近几十年来，计算机在化学化工领域中的应用、发展突飞猛进，其效率、成 果取得了令人瞩目的成绩。 本文主要从以下几个方面进行了阐述：化工流程模拟、过程规划与控制、 工艺绘图、独立式换热器设计、数据处理等。简单介绍在该化学领域中，一些 计算机软件的运用情况，为初学者提供一些参考。 1. 计算机在化工流程模拟方面的运用 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

3、展起来的一门新技术。 本节主要介绍 Aspen Plus、PRO /II 、HYSYS 和 ChemCAD 在化工模拟方面 的运用。 1.1 Aspen Plus Aspen Plus 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” （Advanced System for Process Engineering，简称 ASPEN） ，并于 1981 年底完成。1982 年为了将其商品化，成立了 Aspen Tech 公司，并称之为 Aspen Plus 。 Aspen Plus 拥有严格和

4、最新的计算方法、最完备的物性系统、完整的单元 操作模型库、电解质模拟系统、快速可靠的流程模拟功能、先进的流程收敛方 法，可以进行优化计算等。Aspen Plus 进行单元和全过程的计算，为企业提供 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，改建装置的优化工计算机运用 2 化设计应用于化工、炼油、石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保 护、动力、节能、食品等许多工业领域。 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 Aspen

5、 Plus 的用户。 1.2 PRO/II PRO/II 是美国 SimSci-Esscor 公司开发的化工流程模拟软件，已广泛应用于 油/气加工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工/ 制药等行业。 PROII 软件自 80 年代进入中国后，已得到广大用户的好评，发挥出良好的 效益。特别是一些大的石化和化工设计院的应用，更能说明它的独具功能和特 点。这些单位有：北京炼油设计院 BDI、石化北京工程公司 BPEC 、寰球院、 天辰院（2000 年购买） 、吉化院（2000 年购买） 、抚顺院、乌石化院、大庆油田 院、大庆天然气公司等数十家单位（近年购买） 。 PRO/II 软件功能特

6、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。PROII 软件除基本包以外，还提供给用户有如下模块： 界面模块 (1) HTFS、PRO/II-HTFS Interface 自动从 PRO/II 数据库检索物流物性数据， 并用该数据创建一个 HTFS 输入文件。 HTFS 然后能输出该文件，以访问各

7、种物流物性数据。(2) HTRI 、PRO/II-HTRI Interface 从 PRO/II 数据库检索数据，并创建一个 用于各种 HTRI 程序的 HTRI 输入文件。来自 PRO/II 热物理性质计算的物流性 质分配表提供给 HTRI 的严格换热器设计程序。这减少在两个程序之间输入数 据的重复。(3) Linnhoff March ，来自 PRO/II 的严格质量和能量平衡结果能传送给 SuperTarget(tm) 塔模块，以分析整个分离过程的能量效率。所建议的改进方案 然后就能在随后的 PRO/II 运行中求出值来。 应用模块 (1) Batch ，搅拌釜反应器和间歇蒸馏模型能够独

8、立运行或作为常规 PRO/II 流程的一部分运行。操作可通过一系列的操作方案来说明，具有无比的灵活性。化工计算机运用 3(2) Electrolytes，该模块严密结合了由 OLI Systems， Inc 开发的严格电解 质热力学算法。电解质应用包作为该模块的一部分，进一步扩展了一些功能， 如生成用户电解质模型和创建、维护私有类数据库。(3) Polymers，能模拟和分析从单体提纯和聚合反应到分离和后处理范围内 的工业聚合工艺。对于 PRO/II 的独到之处是通过一系列平均分子重量分率来 描述聚合物组成，可以准确模拟聚合物的混合和分馏。(4) Profimatics ， KBC Profi

9、matics 重整器和加氢器模型被添加到 PRO/II 单 元操作。对于 PRO/II 的独到之处是，由这些反应修改的基础组分和热力学性 质数据被自动录。 1.3 HYSYS HYSYS 原是加拿大 Hyprotech 公司产品，Hyprotech 公司创建于 1976 年， 是世界上最早开拓石油、化工方面的工业模拟、仿真技术的跨国公司。其技术 广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制 等领域。它在世界范围内石油化工模拟、仿真技术领域占主导地位。 Hyprotech 已有 17000 多家用户，遍布 80 多个国家，其注册用户数目超过世 界上任何一家过程模拟软件公司

10、。目前世界各大主要石油化工公司都在使用 Hyprotech 的产品，包括世界上名列前茅的前 15 家石油和天然气公司，前 15 家石油炼制公司中的 14 家和前 15 家化学制品公司中的 13 家。2002 年美国 AspenTech 公司将 Hyprotech 公司收购，HYSYS 就该是 AspenTech 公司旗下产品了，2004 年美国 Honeywell 公司从 AspenTech 公司买 下 HYSYS 软件的产权。HYSYS2004 为 AspenOne 的一部分，是 Aspen 买了 HYSYS 后推出的第一个版本。HYSYS 以具有十几年世界各地石油化工领域的应用历史的 HY

11、SIM 为其坚 实的基础。HYSYS 包含更多、更复杂的物性计算包及单元操作，为了能更快速、 准确得到计算结果，增加了强大的初始化及快速迭代计算工具。同时还增加了 系统优化、反应蒸馏、先进的变量计算表、用于控制研究的控制器和传递函数 发生器。 HYSYS 主要有以下特点： (1) 最先进的集成式工程环境。 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发生联系。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，不须进行数据传递。因 此在这种先进且易

12、于使用的系统中用户能够得到最大的效益，对复杂的工艺流 程往往要分成几个部分模拟。这主要基于：小流程分析方便，速度快；对 不同体系采用不同的热力学方法以取得更精确的结果，以往的软件基本采用的化工计算机运用 4 方法是先单独对小流程模拟，然后人工或软件通过文件将数据从一个流程传递 到另一个流程。这种数据的强制性传递必然引起流程内部数据的矛盾，其结果 是流程必须重新计算。集成式的工程环境则不同，它使人们能在一个模拟环境 中将流程分为若干个子流程，可大可小。这种集成环境的独到之处是子流程、 主流程之间的数据是相互共享的，不须传递。它们之间还可以采用不同的物性 计算包。从一个流程到另一个流程就象翻书一样

13、容易。(2) 强大的动态模拟功能。 动态模拟的方法及过程是流程稳态模拟收敛后，首先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，然后就可以进入动 态，开始动态模拟。动态模拟过程中，可以随时调整温度、压力等各种工艺变 量(这就是 Windows 的多任务)，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。由于动态和静态是相同对象的共享，所以动静之间的 转换非常容易。HYSYS 提供了 PID 控制器、传递函数发生器、数控开关、变 量计算表等进行动态模拟的控制单元。PID 控制器可完成对任何变量的控制。 传递函数发生器可产生任何形式的过程传递函数，如一阶

14、环节、二阶环节、 微分和积分环节。用它们可以模拟任何被控制对象及干扰源。数控开关在动 态过程中，可通过检查某操作条件而控制另一变量的开或关，进而达到对整体 装置的控制。4 每个变量计算表存储 26 * 50，即 130 个变量。这个表象一台在 线挂在实际装置上的控制机，可以引入流程中的任何变量，然后在表中处理(该 表可以进行各种函数及逻辑运算)，将其结果再送回流程，指定给某些变量，从 而达到控制某些变量的目的。(3) DCS 接口。HYSYS 通过动态链接库 DLL 与 DCS 控制系统链接。装置 的 DCS 数据可以进入 HYSYS ，而 HYSYS 的工艺参数也可以传回装置。通过 这种技术

15、可以实现;在线优化控制;生产指导; 生产培训; 仪表设计系统的 离线调试。(4) 工艺参数优化器。软件中增加了功能强大的优化器，它有五种算法供 您选择，可解决无约束、有约束、等式约束及不等式约束的问题。其中序列二 次型是比较先进的一种方法，可进行多变量的线性、非线性优化，配合使用变 量计算表，可将更加复杂的经济计算模型加入优化器中，以得到可获最大经济 效益的操作条件。除了上述的特点外，HYSYS 中还包括了事件驱动加物性计算包、干板开车、 内置人工智能、数据回归包、物性计算包、物性预测系统、事件驱动、窄点分 析工具、方案分析工具、各种塔板的水力学计算、任意塔的计算、非序贯模拟 技术等。 HYS

16、YS 软件是世界著名油气加工模拟软件工程公司开发的大型专家系统 软件。该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化工计算机运用 5 储运系统的运行。对于油田地面建设该软件可以解决以下问题：(1) 在油田地面工程建设中的应用 各种集输流程的设计、评估及方案优化 站内管网、长输管线及泵站 管道停输的温降 收发清管球及段塞流的预测 油气分离 油、气、水三相分离 油气分离器的设计计算 天然气水化物的预测 油气的相图绘制及预测油气的反析点 原油脱水 原油稳定装置设计、优化 天然气脱水（甘醇或分子筛）、脱硫装置设计、优化 天然气轻烃回收装置设计、优化 泵、压缩机的选型和计算(2) 在石油石化炼油方面的应用 常减压系统设计、优化； FCC 主分馏塔设计、优化； 气体装置设计与优化； 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、脱异丁烷塔等设计与优化； 在气体处理方面：可完成：