2化工过程数值模拟及软件程的其他分支，使研究方法出现了一个革新。在上述方法的应用中，多方面体现了过程分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程）、过程简化（较复杂过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想。早在20世纪50年代，人们就利用计算机解算化工过程的数学模型，以模拟化工过程系统的性能，这是最早的化过程模拟技术。经过40年的发展，化工过程模拟已成为普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化，操作工的培训和老厂的技术改造。随着计算机产业的发展，计算机硬件的性价比不断提高，软件环境日益改善丰富，使过程模拟技术发展的势头有增无减。目前，过程模拟的发展趋势是将单纯过程模拟与其他应用软件结合在一起，集成化、网络化，成为整个企业创新、管理和应用的工具，创造着巨大的商业价值。对化工过程模拟而言，有不同层次的过程模拟，一个工厂的流程模拟的对象在十几米甚至上百米的规模范围，而其单元过程子系统则为几厘米至几米大小。进一步深入模拟每个单元过程设备的内部传递过程和反应过程，则模拟对象小到毫米亚微米级。而在计算分子物性或研制新的药品时，要模拟分子的性能，模拟的对象甚至小到纳米级。典型的化工模拟的层次如图1.1所示。模拟对象规模10-10m10m10°m10m10m电I模拟层次分子模拟传递过程及单元操作及流程模拟反应动力学模拟反应器模拟图1.1化工过程模拟层次1.2流程模拟化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馅塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，化工过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。这一方法是计算机技术在化工方面的最重要的应用之一。流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面的分析和精确评估。并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析。同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供了保证。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，化工过程模
第1章绪论3拟技术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工过程模拟中，其主要的代表有AspenPlus系统和PRO/E系统。国外已经有多年的开发流程模拟软件产品的经验，已经开发的流程模拟软件也很多。AspenTech公司的模型从诞生到现在已经有30多年的历史，国外软件公司在化工过程领域推出的专用和通用的流程模拟软件也已经达到60多种。在我国，经过多年的研究和技术储备，在单元设备的建模、控制和优化上已经取得了丰富的成果，在一些关键技术上已经达到了国际先进水平。但遗撼的是，我国在商品化和产业化方面与国外相比存在的差距非常大，至今还没有出现若干个可与国外产品抗衡的具有市场竞争力的石油化工流程模拟的软件产品。随着国内外市场竞争日趋激烈，要求石油化工企业对市场和生产环境的变化做出快速而有效的响应，以获得最大的经济效益。对我国石油化工企业而言，深化改革企业的运行机制和管理体制，运用信息技术改造和提升传统产业，使其保持可持续发展，对于增强企业在国内外市场的竞争能力具有十分重要的意义。世界各国的经验表明，流程模拟、先进控制写过程优化技术是提高企业的经济效益、降低生产成本、提高其在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综合竞争力的主要技术手段之一。所以，开展石油化工过程流程模拟结合实际生产过程中先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工行业广泛关注的问题。开发具有我国自主知识产权的流程模拟技术及其产品不仅具有广阔的市场前景和巨大的经济效益，而且可以打破国外产品在技术和市场上的垄断局面，对于我国石油化工行业的健康发展具有十分重要的意义。1.3单元模拟过程工业的处理过程是以质量、动量和能量的连续流动为特征。传统手段对这一过程的处理在很大程度上是依靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代过程工业普遍使用的流程模拟技术尽管更系统化和普遍地描述这一过程，使工艺工程师更深入地了解工艺链中的关联关系，但在流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑箱”模型。对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微观和深入的信息，单元模拟技术即是为了解决这一问题而产生的。在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系。为求解该方程组，采用离散原理，将单元设备划分为许多微元，并在微元上用代数方程近似偏微分方程，然后联立求解所有微元代数方程以及边界方程，得到各个微元上的参数，如速度、温度、压力、浓度等。当划分的微元无限小时，计算结果也就无限逼近实际问题的解。在实际过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、传热、反应过程相互耦合。为模拟这些复杂过程，可以对介质的每一相或每一组分分别求解N-S方程、各相或各组分通过各组N-S方程之间质量、力、热量的相互传递、相互影响。例如化学反应，反应物质量方程的一个消失量对应着生成物质量方程中的一个生成量，反应热对应着能量方程中的一个生成或消失量。同样，单元模拟技术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得
4化工过程数值模拟及软件空间和时间的速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布等。单元模拟技术可以提供传统手段难以获得的大量信息，如单元过程内部所有参数的空间分布和动态变化，通过这些信息可以深入理解单元过程内部的机理，在发生异常时亦有助于分析原因。因此，它是一种低成本的调优手段，当结构形式或结构参数变化后，单元过程内部随工艺参数和操作参数而变化的过程，可以在计算机上很方便地进行试验，直接用于优化和改造手段。而且单元模拟的计算不是经验性的，比较可靠。单元模拟主要有以下四方面的应用。（1）工程放大由于单元模拟技术采用机理性模型，原则上不限制结构形式、结构尺寸、工艺参数、操作参数，因此通过单元模拟技术可以跳过“实验室→小试→中试→工业”传统放大过程的某些环节，例如经过小试后直接进行工业装置放大验证。单元模拟技术作为一种工程放大手段，可以大量节省资金和时间，而且由于掌握了大量数据，放大的可靠性也较高。（2）技术创新，优化设计在传统开发环境中，大量的创新思路或创新设想无法或难以验证，而在单元模拟技术辅助的开发环境中，新设想的验证变得容易，因此有助于进行技术创新，此外，由于极低的重复成本，单元模拟技术使包含大量设计循环的优化设计成为可能。（3）诊断及扩能改造通过单元模拟技术不仅可获得对过程机理的深入理解，而且可判断过程的故障原因、关键部分以及扩能潜力，进一步可验证各种改造和扩能方案的效能。（4）生产调优以及控制用单元模拟技术建立核心装置仿真模型，用于操作调优验证或用于控制系统数据采集，可有效降低运行风险，提高装置效能。1.4单元模拟与流程模拟的关系单元模拟和流程模拟两者既有不同，又是相互联系的。两者的不同主要表现在以下几点。（1）流程模拟的处理对象是全工艺流程，本质上计算系统各单元过程之间的相互影响关系，其结果主要用于流程参数调优，提高生产效率。单元模拟的对象是单元过程，本质上是计算单元过程的内部状态，其结果主要有助于理解过程机理、设备调优以及故障诊断。（2）流程模拟本质上是半经验性的，因此需要一个具有各种单元过程模型的数据库，所能处理的单元过程类型以及工艺参数范围仅限于数据库中的已有数据，对于新型过程，或超出正常操作范围的工艺参数，流程模拟不能通过自身解决。单元模拟是机理性的，原则上不限制单元过程的类型，也不限制工艺参数的范围，因此可以用于研究新型单元过程，以及异常工艺、操作参数的影响。（3）流程模拟基本上是一维模拟，可以得到参数沿流程的变化，但不能获得参数的空间分布。单元模拟是三维动态模拟，不仅获得诸如速度、温度、压力、浓度在三维空间的分布，而且可获知这些参数的动态变化过程。在实际工业应用中，流程模拟和单元模拟是互补的。通过流程模拟得到的工艺参数可以作为单元模拟的输入参数或边界条件。通过单元模拟检验单元过程的状态，反过来可以
5第1章绪论用于修正流程模拟的参数。对于流程模拟不能处理的新型单元过程或超常工艺、操作参数，通过单元模拟检验或建模后可以扩充流程模拟的数据库。用流程模拟优化全流程参数以及确定全流程关键单元过程后，可用单元模拟对关键单元过程进一步优化。用流程模拟诊断系统故障部位后，可用单元模拟详细分析故障机理以及确定改造方案。因此，单元模拟与流程模拟是互补的两种基本工程手段，只是单元模拟实际工业应用的时间晚于流程模拟
第2童流程模拟技术2.1流程模拟的步骤2.1.1流程的建立化工流程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程，因此流程模拟的第一步就是要在计算机上建立需要模拟的流程。在这个过程中，用户根据需要模拟的实际过程，选择合适的模型去描述每一个单元操作过程；根据实际流程中的物流走向将单元操作的模块连接起来，形成完整的模拟所需要的工艺流程。现行的流程模拟软件都给用户提供了交互式图形界面用于流程的定义，同时还提供了多种单元操作的模型库可供用户选择。用户只需在模型库中选择所需的模型，并在流程图窗口绘制整个流程图就可以完成流程的建立。同时还可以根据需要在该窗口中对建立的流程进行修改。2.1.2变量的设置流程建立后，用户应该选择所需要进行的流程模拟的类型。根据模拟的需要完成必须的和可选的变量的输入。这其中包括模拟的名称、所用单位等变量的输入；也包括设计的物流的组分和组成的定义，热力学模型的选择，物性相关变量的输入及选择；还包括设备的尺寸以及操作的温度压力等操作参数的确定；用户也可以根据自已的需要选择输入报告的输出及格式。2.1.3程序的运行流程的定义和变量的设置完成后，用户就可以根据需要采用合适的方式运行流程模拟了。2.2AspenPlus流程模拟商业软件2.2.1AspenPlus流程模拟软件介绍AspenPlus起源于20世纪70年代后期，当时美国能源部在麻省理工学院（MIT）组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为“先进过程工程系统”（advancedsystemforprocessengineering，ASPEN）。这一大型项目于1981年底完成，1982年AspenTech公司成立并将其商品化，称为AspenPlus。AspenPlus是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程软件