计算机在化工领域的运用.docx
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计算机在化工领域的运用
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，是近几十年发展起来的一门新技术。
本节主要介绍AspenPlus、PRO/II、HYSYS和ChemCAD在化工模拟方面的运用。
1.1AspenPlus
AspenPlus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”（AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。
1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus。
AspenPlus拥有严格和最新的计算方法、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。
AspenPlus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AspenPlus的用户。
1.2PRO/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-HTFSInterface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，以访问各种物流物性数据。
（2）HTRI、PRO/II-HTRIInterface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）LinnhoffMarch，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。
（2）Electrolytes，该模块严密结合了由OLISystems，Inc开发的严格电解质
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。
②传递函数发生器可产生任何形式的过程传递函数，如一阶环节、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。
③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。
通过这种技术可以实现;①在线优化控制;②生产指导;③生产培训;④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。
HYSYS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：
胺脱硫、多级冷冻、压缩机组、脱乙烷
塔和脱甲烷塔、膨胀装置、气体脱氢、水合物生成/抑制、多级、
平台操作、冷冻回路、透平膨胀机优化。
1.3ChemCAD
ChemCAD系列软件是美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件。
使用它，可以在计算机上建立与现场装置吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态或动态运行，为工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造提供理论指导。
ChemCAD是一个用于对化学和石油工业、炼油、油气加工等领域中的工艺过程进行计算机模拟的应用软件，是工程技术人员用来对连续操作单元进行物料平衡和能量平衡核算的有力工具。
使用它，可以在计算机上建立与现场装置吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态或动态运行，为工艺开发、工程设计以及优化操作提供理论指导。
ChemCAD主要有以下功能特点：
（1）工程设计：
在工程设计中，无论是建立一个新厂或是对老厂进行改造，
ChemCAD都可以用来选择方案，研究非设计工况的操作及工厂处理原料范围的灵活性。
工艺设计模拟研究不仅可以避免工厂设备交付前的费用估算错误，还可用模拟模型来优化工艺设计，同时通过进行一系列的工况研究，来确保工厂能在较大范围的操作条件内良好运行。
即使是在工程设计的最初阶段，也可用这个模型来估计工艺条件变化对整个装置性能的影响。
（2）优化操作：
对于老厂，由ChemCAD建立的模型可作为工程技术人员用来改进工厂操作、提高产量的产率以及减少能量消耗的有力工具。
可用模拟的方法来确定操作条件的变化以适应原料、产品要求和环境条件的变化。
该模型可指导工厂的操作以降低费用、提高产率。
这样的例子在一些流程模拟软件应用较好的化工装置可以举出很多。
（3）技术改造：
ChemCAD也可用模拟研究工厂合理化方案以消除“瓶颈”问题，或采用先进技术改善工厂状况的可行性，如采用改进的催化剂、新溶剂或新的工艺过程操作单元。
ChemCAD还具有容易使用、高度集成、界面友好等特点。
ChemCAD拥有最短的学习曲线。
1.4四款软件的比较
简单总结以下几点：
（1）一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少经验数据；而AspenPlus在化工领域表现更好，AspenPlus与之比较有其它软件不可比拟的优点它基本上覆盖了以上各软件的所有优点。
有人比喻：
PROII是经验派，AspenPlus是学院派；
（2）HYSYS主要用于炼油，动态模拟是它的优势，SPEN是智能型的，用于化工领域流程模拟，比较大或长的流程，而且数据库比较全，开方式的，它和HYSYS同属一家公司；PRO/II可以用于设备核算，流程短，或精馏核算；ChemCAD由于物性较少，使用不方面，相对较差，网上到处都可以下载，设计院不太使用，高校中有一定市场；
（3）我觉得AspenPlus的计算是最精确的，数据库的建设也是最完善的。
由于它考虑的方面非常全面，所以学起来比较费劲。
ChemCAD的界面操作让人感觉非常简单，使用起来比较顺手。
但是数据库不是太大，我用的5.0版本，就只有2000中常用物质的物性数据。
PRO/II在这两方面都在中间。
（4）从易收敛性上看，ChemCAD>HYSYS>PRO/II
（5）从贴近工业实际看，PRO/II>HYSYS>ChemCAD四个都是工程模拟仿真软件，其中AspenPlus、PRO/II、HYSYS为国内绝大多数设计院所使用。
感觉AspenPlus适应范围最广，电解质、固体、燃烧等模块是其它软件难以比拟的；PRO/II在石化上应用较多，积累了丰富的经验；HYSYS则在油气工程领域就有着极高的精度和准确性。
2.计算机在化工规划和控制方面的应用
过程工业模型化系统（PIMS，即ProcessesIndustryModelingSystem）是美国AspenTech公司的产品，广泛使用于美洲60％的炼油厂、全世界170多个炼油厂。
AspenPIMS通过提供一个能运行于个人电脑且功能强大易于使用的线性规划软件工具，在世界范围内引起了一场炼油厂计划安排的革命。
简单控制系统和常用复杂控制系统都以经典控制理论为理论基础，是在广泛采用常规仪表的年代发展起来的。
随着现代控制理论与计算机控制技术等学科的发展，为了满足工业生产过程自动化的迫切要求，特别是对于特性复杂的过程，如具有不确定性（如环境结构和参数的未知性、时变性、随机性、突变性）、非线性、变量间的关联性、信息的不完全性和大纯滞后性等的过程，采用PID控制往往达不到满意的控制效果，需要有新的控制系统结构与控制算法，因此，自20世纪70年代以来，国内外大力致力于先进过程控制系统的研究和开发。
2.1AspenPIMS
PIMS是一个功能强大且易于使用的流程工业经济计划的线性规划模型系统，既可用来优化石油化工以及其他流程工业的运行和设计，又广泛应用于原油采购、生产计划制定、成品油出厂质量调合、技改技措项目的投资评估、短期计划或长期战略的规划。
PIMS扩展的综合诊断信息告诉用户模型中什么地方可能或已存在错误。
运行结果被报告成一个可供装置和工厂工程师阅读的文档。
也就是说，用户花很少的时间就能完成大量的工作，进而作出快速准确的经济决策，特别是全面复杂的优化。
ASPENPIMS是软件[1]是基于线性优化等算法实现的炼油和化工企业的工厂计划优化软件，目前被全球炼化企业广泛采用，在长期实践中得到行业认可。
操作系统采用Windows或WindowsNT。
它具有功能强大、菜单操作、技术先进的特点。
利用ASPENPIMS软件建立数学模型是一个系统工程，该模型能贯穿采购、生产、销售等企业生产经营全过程，并根据企业需要灵活地建立相应的数学模型，与其他流程优化软件相比，ASPENPIMS模型具有以下特点：
（1）ASPENPIMS系列软件功能强大，能根据企业实际需要灵活地建立数学模型，在一定程度上，它能促进企业生产管理水平的提高；
（2）实现物流性质自动传递；
（3）能将非线性问题进行线性化处理，更加贴近实际；
（4）利用δ-Base技术，可使装置进料性质与产品收率及性质关联起来；
（5）将装置的辅助材料及公用工程放入模型中，完善装置生产的优化；
（6）能提供库存管理指导；
（7）具有案例分析手段，包括多案例分析，可减轻应用人员的劳动强度。
ASPENPIMS软件在石化行业的应用有以下几方面：
构建原油优化的集总模型；编制年度计划和季度计划选择优化的供应、生产和销售方案；编制月度计划和调度计划；建立多周期模型，确定工厂合理的库存；根据需要编制专门模型，比如分析该厂效益瓶颈、对增建和扩建装置进行经济预估和比较、对原油的选择、对油品市场的开拓进行经济预估和比较、给出原油和成品的保本点等。
ASPENPIMS可以用来提高生产计划水平，优化原油采购，确定经济生产规模，选择合理的生产操作条件，寻找瓶颈制约因素，提高投资效益，利用影子价格，适应市场变化。
2.2APC
先进过程控制系统（AdvancedProcessControl，简称APC）是指具有比常规控制（PID）更好控制效果的控制策略的统称，是提高过程控制质量、解决复杂过程控制问题的理论和技术。
将现代控制理论移植到过程控制领域，充分发挥计算机的功能，世界各国在加强建模理论、辩识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面研究。
推出了从实际工业过程特点出发，寻求对模型要求不高、在线计算方便、对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法。
例如预测控制系统、推断控制、解耦控制、自适应控制系统、鲁棒控制系统、智能控制系统（专家系统、模糊控制……）等先进控制系统。
先进控制系统是指对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性的特点，而采用的预测控制、推理控制、软测量技术、解耦控制、自适应控制、模糊控制、专家控制和人工神经网络控制等系统。
概括起来，先进控制系统产生的原因主要有：
计算机技术的迅猛发展、现代控制理论的诞生、过程工业向大型化和精细化方向发展。
随着人工智能理论的突破性发展和控制理论和其它学科的交叉渗透，先进控制技术将会得到更深层次的发展，为企业带来更显著的经济效益。
APC的主要运行特点有：
稳定操作过程，卡边操作，动态实测模型，APC运行周期-分钟，产生显著经济效益（3%-5%）等。
表1列举了国外部分先进控制商业化软件。
美国的Setpoint公司的SMCA（SetpointMultivariableControlArchitecture）软件包在石油化工等领域得到了广泛应用。
美国的DMC公司推出了DMC软件包，它以动态矩阵控制理论为基础，性能优越、品质高。
美国的ContinentalControls公司研制的MVC软件包采用多变量模型预测控制算法，在乙苯等生产过程中得到了良好的应用。
美国的DOTProducts公司开发了非线性预测控制软件包PolymersNLC，已在20多家企业得到成功应用，取得了提高企业生产能力10％、压缩开车时间50％的成绩。
美国的PavillionTechnologies公司推出了ProcessPerfecter软件包，以非线性预测控制算法为基础，在水泥、化工和石油等行业得到良好应用。
美国著名的AspenTech公司研发了DMCPlus先进控制包，该软件包包含了工业过程建模、仿真、控制器组态和自动配置优化等功能，运用了多变量预测控制理论，已经在一千多个工程项目中得到成功应用。
美国的Honeywell公司推出了综合先进控制和实时优化理论的TPS软件包，它包含多变量控制和最优控制等算法，具有面向整个工厂的历史数据存储和信息管理的强大功能。
另外Honeywell公司还研发了多变量约束过程控制软件包RMPCT，在造纸、冶金和石化等领域得到了应用。
法国的Adersa公司开发了先控软件包IDCOM-HIECON，它面向连续过程的多变量模型预测控制。
英国的PredictiveControl公司的软件包CONNOISSEUR具有过程建模、控制器设计和数据分析等功能，包含自适应控制和基于约束的最优控制等算法，在水泥、化工、采矿、食品、冶金和石化等方面广泛应用。
表1国外先进控制软件
公司
软件包名称
简介
SetPointInc.
SMCA
多变量模型预测控制
DMCCorp.
DMC
动态矩阵控制
ContinentalControls
MVC
多变量模型预测控制
DOTProductsPolymers
NLC
非线性模型预测控制
AspenTech
DMCPlus
动态矩阵控制
Honeywell
TPS
工厂一体化先进控制
Adersa
RMPCT
IDCOM-HIECON
多变量约束过程控制
多变量模型预测控制
PredictiveControlLtd.
CONNOISSEUR
自适应控制、最优控制
PavillionTechnologies
ProcessPerfecter
非线性模型预测控制
DMCPlus是美国AspenTech公司的新一代控制器。
它集成了原DMC公司DMC控制器的内核技术。
DMCPlus的内核引擎包括三个重要部分，预测模块、线性优化模块与动态控制器模块。
DMCPlus主要有工业过程建模、仿真、控制器组态和自动配置优化等功能，运用了多变量预测控制理论，已经在一千多个工程项目中得到成功应用。
3．计算机在化工工艺绘图方面的运用
计算机在化工中一个重要的应用就是绘制各种化学、化工的专业图形。
在此主要介绍两种绘图软件，PDMS和AutoCAD。
PDMS主要用于化工配管设计，AutoCAD主要用于绘制实验流程图、零件图、设备装配图、工厂管线配置图，带控制点流程图等各种图形。
3.1PDMS
PDMS（PlantDesignManagementSystem，工厂三维布置设计管理系统）是英国CADCentre（现名AVEVA）公司的旗舰产品，自从1977年第一个PDMS商业版本发布以来，PDMS就成为大型、复杂工厂设计项目的首选设计软件系统。
PDMS为一体化多专业集成布置设计数据库平台，在以解决工厂设计最难点－管道详细设计为核心的同时，解决设备、结构土建、暖通、电缆桥架、支吊架各专业详细设计，各专业间充分关联联动。
PDMS三维模型可直接生成自动标注之分专业或多专业布置图、单管图、配管图（下料图）、结构详图、支吊架安装图等，并抽取材料等报表。
PDMS以数据库平台为核心进行多专业任意组合，可满足用户在设计各阶段按工程需要投入不同专业人员的要求。
据用户反馈数据，同传统设计手段相比，PDMS可提高设计效率50%以上，并使无差错设计和无碰撞施工成为可能实现的事实。
PDMS的主要内容：
结构：
以数据库为核心，不会发生数据和图形不统一的设计故障；修改三维模型后，相应的图纸标注自动更新；设计、碰撞检查及易用性：
易用易学，培训五天即可建模设计；在高效三维实体环境下进行布置设计，用户可任意控制模型显示、直观判断物体间距、发现碰撞及安装合理性，可极大地提高设计质量和速度；各专业模型间充分联动；具有自动配管功能；支持实时碰撞检查；同一项目，同一空间的任何专业模型均参与碰撞分析，可生成图形或文字碰撞报告；导入AVEVAPDMS之模型（如以AutoCAD或Microstation为平台的软件生成的三维模型）可命名并直接参与碰撞检查（碰撞检查报告中可显示模型名称）；
平面图生成：
自动生成配管平/立面布置图，自动标注；对模型表达及标注规则可自由定义：
管道表达可为全部双线带中心线，也可小管径为单线、大管径管为双线带中心线，管道中心线可由用选择自动生成或消隐，不需手工添加；隐藏线处理功能强大，可对模型进行任意剖切生成平面及轴测图，剖切面自动生成阴影线；并双向集成AutoCAD；
单管图生成：
AVEVAEngineeringIT拥有ISOGEN核心技术，高效生成唯一经大量实际工程验证之国际通用单管图，抽取时极少失败；可以通过界面全面控制所有ISOGEN单管图选项；可以生成配管图（下料图），对焊点、连接点、管段号和管件号历史可以有效维护；
在图形抽取和生成方面，AVEVA掌握了最核心的技术，所生成的图形为同类产品的最优。
特别是消隐，隐藏线处理方面不需手工，全部自动，同类产品无法做到。
标准库：
可以在可视化条件下，任意定义复杂元件，并在单管图中正确表达；标准库同三维模型为参考关系，始终完全统一。
PDMS以数据库为核心的图形数据一体化技术代表了全球三维工厂设计的主流和发展方向，主要功能特点：
（1）全比例三维实体建模，而且以所见即所得方式建模；
（2）通过网络实现多专业实时协同设计、真实的现场环境，多个专业组可
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