AspenPlus是Aspen公司开发的过程模拟软件。本章将简要介绍过程模拟系统及AspenTech公司的相关软件，并初步介绍Aspen Plus软件的功能特点。

1.1化工流程模拟简介

过程模拟（ProcessSimulation），是指建立过程系统中各装置的数学模型，以表示其系统特性，并通过适当求解技术，根据输入变量计算未知变量，从而实现对过程系统的模拟。化工流程模拟技术是以化工过程的机理模型为基础，采用数学方法描述化工过程，通过计算机辅助，进行过程物料和热量衡算、设备尺寸估算、能量分析以及环境和经济评价等。化工流程模拟技术是化学工程、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。

1.1.1发展历程

化工流程模拟系统的开发始于上世纪50年代末期，之后对该领域的研究日益深入。经过六十多年的发展，化工流程模拟系统已广泛应用于化工和油气处理过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、操作工培训及老厂技术改造等方面。总结化工流程模拟系统的发展历程，大致可分为四代：

第一代：20世纪60年代，是化工流程模拟系统的开发初期。1958年，美国Kellogg公司开发出第一个流程模拟系统Flexible Flowsheet，引起强大反响。这个时期，化工流程模拟技术规模较小，功能有限，主要用于工程设计中单元操作设备的工艺计算，工业上未广泛应用。

第二代：20世纪70年代，是化工流程模拟系统的成长壮大期。化工流程模拟技术逐步发展为装置的物料和热量衡算及全流程的模拟，具有更为齐全的化工单元模块和规模较大的数据库，使用高级程序语言编程，计算方法较先进。主要用于汽-液两相过程，并成为化工与石油化工企业的开发与设计手段。此时模拟软件的运行环境主要是大型计算机。这个时期出现了大批优秀的模拟软件，典型代表是Monsanto公司的FLOWTRAN软件、HYPROTECH公司的HYSIM及SimSci公司的PROCESS软件。

第三代：20世纪80年代，是化工流程模拟系统的成熟期。这个时期，稳态模拟在技术上日益成熟，功能和可靠性都不断加强，成本也急剧下降。化工流程模拟系统的应用范围不断拓宽，由以工程设计单位为主转向以生产企业为主，成为计算机辅助工程的核心以及计算机集成制造系统的基础。化工流程模拟在系统分解技术方面有所改进，可模拟汽-液-固三相过程，计算环境从大型机转向小型机、工作站和微机。这个时期的化工流程模拟系统，具有开放式结构，可随意组合单元，物性数据更丰富，应用领域更广泛，窗口图形技术使用更方便。这个时期的化工流程模拟系统，典型代表有Chemstations公司的ChemCAD、美国麻省理工学院的AspenPlus、SimSci公司的PRO/II以及WinSim公司的DESIGNII等。模拟软件的开发研制主要由专门的化工软件公司进行，AspenTech、SimSci和HYPROTECH公司成为著名的通用流程模拟软件供应商。

第四代：20世纪90年代至今，是化工流程模拟系统的深入发展期。化工流程模拟系统从单纯的离线稳态计算，发展到和工业装置紧密相连的动态模拟和在线实时优化，人工智能的开发也成为化工流程模拟技术的重要发展方向。化工流程模拟获得大范围的推广应用，过程模型化和模拟的价值已获得大家公认，目前已成为设计研究和生产部门最强有力的辅助工具。这一时期，动态模拟得到长足发展，新的模拟软件不断问世，如HYPROTECH公司的HYSYS（2002年被AspenTech公司收购）、Aspen Tech公司的CustomModeler和DYNAMICS 等。

我国化工流程模拟系统的开发和应用，起步于20世纪60年代中期，兰州石油化工设计院首先开始开发工作。到70年代前期，北京石化工程公司、洛阳石化工程公司和北京设计院相继成立计算机站，开发了一批油品分馏塔、多组分精馏塔、冷换设备及塔板水力学计算等工艺计算程序。80年代后期，兰州石化设计院和大连理工大学合作开发的合成氨模拟程序、北京设计院的催化裂化反应一再生模拟软件CCSOS和青岛化工学院（现青岛科技大学）开发的ECSS系统（国内唯一一套完整的通用流程模拟软件）等具有较高水平。这些软件应用于设计中，对改进装置条件、提高经济效益及提高设计效率和设计水平起到了较好的作用。

1983年，我国化工部计算中心引进AspenT ech公司的Aspen p lus软件，大大缩短了我国在流程模拟技术上与世界先进水平的差距。目前，国内的一些大型化工生产企业、石化公司、设计单位和科研院校也都引进了Aspenplus和PRO/II等国外的新款流程模拟软件，但在普及程度和应用深度上还不及国外发达国家。

1.1.2数学模型及求解方法

化工流程模拟中的数学模型，包括质量和能量守恒定律，相平衡关系，动量、热量和质量传递方程，反应的热力学平衡和动力学速率方程，以及一些经验公式等。

过程模拟可分为开式和控制式。开式模拟是根据过程输入求出过程中各装置的输出状态，而控制式模拟则是指定过程输出，从而确定各装置的设计或操作条件，目前常用流程模拟软件都可实现这两种模拟。常见输入变量包括进料条件（如进料温度、压力、流量、组成）、工艺操作条件（如设备操作温度、操作压力，间歇操作的周期）、设计规定（如产品纯度、组分回收率等）等，常见输出变量包括出料条件（如产品温度、压力、流量、组成）、设备参数（如塔板数、换热面积）、分布曲线（如精馏塔中各塔板上的温度、压力、汽-液相流量及组成、管式反应器中不同位置处的温度、组成）等。

求解方法分序贯模块（SM）和联立方程（EO）两种算法。序贯模块法把各装置的数学模型作为模块，按模块顺序求解，而联立方程法是将各模型方程联立求解。目前常用流程模拟软件多采用序贯模块法求解，AspenPlus是唯一将两种方法结合使用的软件。利用序贯模块法提供流程收敛计算的初值，利用联立方程算法提高收敛速度，可让难收敛的流程收敛，节省计算时间。

1.1.3化工流程模拟软件的功能

作为一种研究手段，流程模拟技术与实验研究同样可靠，并能进行一些用实验无法完成的研究工作，降低成本消耗，因此有时比实验研究更为有效。应用化工流程模拟技术，可以节省过去由试验（小试与中试）探索最佳工艺工况条件所消耗的大量资金、时间和人力。化工流程模拟技术能使用户从整个系统的角度来认识、分析及预测生产中深层次的问题，进行装置调优、流程剖析和过程综合，达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。利用流程模拟软件：

•    设计者可以快速比较不同方案，进行新流程开发、旧装置改造或确定实验方案，减少装置设计时间；

•    可指导生产，通过研究比较不同操作条件的影响，进行操作调优，确定工艺约束部位，消除瓶颈，或进行装置校核；

•    可进行动态模拟，为实时、在线优化提供基础。

总之，流程模拟软件不但可以辅助实现设备设计、经济分析、生产过程控制，也可为生产管理提供可靠的理论依据。化工流程模拟技术已成为化学工程设计、原有工程改造优化的强有力工具，得到世界各国重视。在当今能源紧张、自然资源短缺和市场竞争激烈的背景下，人们对化工流程模拟技术的进展、应用和发展趋势的关注更是与日俱增。