本学期所承担的一门课上，前面两周耗用十多个学时，应邀来访的Hochschule Mannheim教授通过实际操作PRO/II讲解了精馏塔的过程模拟。由于之前不明确其讲授内容，缺少必要铺垫，因而跟上的同学寥寥。这里编译以下材料，以帮助理解过程仿真的内容和意义。

计算机流程模拟

模拟是过程工程中的一项基本工作，下述定义阐释了其本质特性：模拟过程通过数学模型准确再现过程系统操作过程中一些特定方面的行为特性，通过此模型进行试验，可以理解过程系统的行为特性，也可评估改变系统某些操作策略带来的影响。

模拟离不开模型化，即建立与实验数据相吻合的模型。之后结合软件技术方可通过模型进行“虚拟实验”。另外，模拟的结果在一定程度上准确，只是接近而非现实本身。因此，必须时刻注意评估模拟器给出的结果的可靠性。

过程工程中的模拟工作需要特定的科学知识，从而准确描述各种纯净物或复杂混合物的物理性质，针对种类繁多的反应器和操作单元建立模型，以及求解庞大的代数或微分方程组的数值方法。与化学过程工业（CPI）相关，目前有一系列的专业化的模型化、模拟工作，称为计算机辅助过程工程（CAPE），欧洲化工协会每年召开相关领域的国际学术会议（ESCAPE）。

过程工程中的主要模拟工作是流程模拟（flowsheeting）。流程模拟最初定义为通过计算机辅助方式运行一个化工过程，以显现其中的热质平衡，计算装置尺度和费用情况。这种定义反映出流程模拟工作与过程设计的紧密联系，但最近30年间，模型化和模拟技术均有惊人的进步，流程模拟的内涵也更加丰富。如今，流程模拟不单单用于设计新的过程，也用于现有装置的革新改造、过程的操作和控制管理，以及研究开发过程。

对一个复杂工厂，最好采用模拟方式去理解众多单元所构成的系统。考虑以往这方面的发展情况，流程模拟的定义可以拓展为：通过计算机模拟方式，对一个过程工厂中物料与能量流股的进行系统描述，用于新工厂的设计或现有工厂的性能改进，也可用于辅助执行某种厂区范围上的控制策略，或管理工厂操作。
按上述定义，流程模拟中最优先的考虑是研究整个系统的行为特性。各个单元的模型必须服从系统的整体目标。流程模拟的目的虽有设计、操作之分，新的过程开发设计也需要一个现有工厂的过程操作的知识作用基础。

设计中流程模拟的第一目标，是系统地调研满足给定问题的不同设计方案。系统性方法为现代设计过程所倚重，其主要优点在于，在各单元的详细设计之前即可设定优化目标。从几种优选的设计方案中选择一种作为蓝本，再进一步过程集成、确定尺寸及优化。此外，结合定态与动态的流程模拟结果，可帮助理解过程的动态变化，并以此确保某种厂区范围上的控制策略的贯彻。流程模拟化中要注意把握模型的约束条件，这有助于设计者在缺乏数据或时间紧迫情况下仍可提交可靠的结果。

操作中的流程模拟可以映射出现有工厂过程在各种扰动下的行为特性，在业界有更多需求。模拟器上的数学模型需要与工厂数据相协调，模型精度则服从目标需要，如单元性能的监控、维护和提高，或用于过程控制工作。

物质与能量平衡仍是流程模拟的最重要结果。流股报告显现各单元的给定情况下，原材料转变为产品的途径。此外，动态流程模拟可以反映不同位置处各种库存的变化，以及能量流的动态情况。收益率的经济分析对每个设计至关重要，唯有流程模拟可准确考虑流程中物质、能量传输的费用，是解决此问题的唯一方式。

计算机模拟的应用

当前的信息技术革命以及模拟技术的进步，极大推动了过程工程的发展。一个新出现的模式中，过程的生命循环的所有阶段，从想法产生到实验室研究、不同尺度的放大，到过程设计和操作，均与模拟工作密切相联。图1说明了这种途径，模拟过程置于研发、设计、操作等三种主要的工程行为之间的核心。各项工作表面上并不相联，但共同遵循大量“第一定律”模型，如热力学、化学动力学、传递现象等，模拟模型的理论知识及计算方式的特性是这个统一体的立足点。

在很大程度上，过程模拟包括了其他计算机为工具的工作，如分子尺度上的分子模拟和微团尺度上的计算流体力学CFD。这里，过程模拟的含义限于使用流程模拟软件，俗称过程模拟器。

研究开发

过程模拟能够指导实验研究，虽不能省略实验但可以将实验工作量最小化。实际上，模拟模型还需要精准的实验数据进行校验。实验可以证明模型的有效性，而模型不能用以验证试验结果！实验数据的统计分析方式在很大程度上已过时，模拟软件包所包含的严谨模型——特别是热力学领域——能更好地指导实验研究。例如，新型过程的可行性研究中，试验室进行的简单汽液平衡(VLE)实验可用于提高结果的可靠性。相反在缺乏实验数据时，工业的VLE测量数据可用于校验模拟器中的热力学模型。

各种具有可持续性的创新过程的研究往往从试验室规模开始，过程设计中借助模拟寻求可行的方案，可以节省大量的实验工作。我们可称之为计算机辅助实验研究。模型与模拟也可以作为计算机辅助过程放大的基础，一些模型可能原封不动地用于实验室到工厂的不同规模，另一些模型在不同尺度上则需要加入特定要素予以修正。

模拟方式可以探索一些实验方法难以研究的新颖问题，例如，过程模拟结合计算流体力学可以替代费用不菲的样机。若干年内，虚拟工厂的流程模拟很可能会包含各种单元的准确水力模型。

过程设计

全球化和可持续发展趋势使得过程设计面临挑战，需要高效地运用原材料与能源，灵活而负责任地应对市场变化，安全清洁地进行生产。显然，这些特点应在概念设计阶段得以体现，而不应之后再花钱去修补。过程模拟可以极大地帮助概念设计，诸如：开发新型的可持续技术方法，以最小化能源、原材料的需求，直至零排放无污染；早期的概念设计阶段考虑集成可控性，确保操作的绝对安全和操作弹性；对现有技术的不断改进，修补、式样翻新、消除薄弱环节等。

过程操作

上世纪90年代出现了实时优化和计算集成加工技术，模拟因此有了很大机会直接用于加工过程。除了模型化的过程控制，计算机对装置运行的系统性监控也形成值得提及的预防性维护措施。加工过程与供应链的集成，也只有通过复杂的计算机系统方可得以实现，模拟于其中承担中心角色。

总之，过程模拟是研发、设计与加工过程中的关键因素。
 
复杂工厂的模拟

目前，可以通过商业化的流程模拟软件作为计算机处理工具，用于模拟复杂的过程工厂，称之为工厂模拟模型（PSM）。图2为一个经简化的复杂工厂的总体结构，此类情况在基本化工或石化工业中经常会遇到。其中存在几个大的内部循环回路，每个回路都包含大量的物流、能量流或过程控制环。为简化研究过程，工厂可以划分为多个可以独立进行分析子流程，命名为A、B、C，子流程的模拟模型分别调制至收敛，再并入总体模型。
 

 

 

 

 

定态的PSM可用于操作和设计，包括过程修补或消除薄弱环节（图3）；高复杂程度的动态PSM可用于支持过程控制系统的设计，也可用于操作工培训和实时优化。PSM应该真实反映工厂的行为特性，如原材料、公用工程和产品物料和能量流股网络及其指标的变化情况。应关注的目标有
 提交物料和能量流股的综合报告；
 确定反应体系与分离系统的相互关联；
 调研各种副产物及杂质的产生与分离；
 支持预防性维护；
 研究如何消除废料，防止环境污染；
 评估工厂的灵活性，能否应对原料或产业政策出现的调整？
 验证过程仪表的有效性，提高过程控制的安全性；
 过程记录文件升级，准备未来的投资；
 优化工厂的经济性能。

 

为实现其目标，一个PSM必须符合工厂在特定的“试运行”期间所收集的数据。附加的数据校正程序可以增强工厂数据的可靠性，最小化测量误差，提供不能检测指标的估计值。
 
模拟产生的基本文件是流股报告，这有助于理解操作中的主要问题，也提供了一个工厂内不同工序之间的定量关联，尤其适用于技术服务和厂区管理的需要。PSM的一个显著特点，在于其诊断价值。例如某些组分的物料平衡关系出现间断，可解释为响应设备环节出现异常，可通过故障诊断进行跟踪（图2中标阴影的设备）；塔24的再沸器的设计不良因而产生一种杂质，波及反应器20影响了其选择性。

因此，PSM的发展是解决工业模拟问题的恰当途径。软件技术的发展，如今已经可以实现定态与动态模型的集成，当然这需要具有资质员工的投入。最近，相应的通用模拟工具已经开始运用在精炼、石化工业，定制满足特定过程的需要。

方法论层次上指出了如何进行一个问题的模拟（图4），概括如下

 

1 定义
实际的过程流程图PFD需经过转换，从而与软件的功能、模拟的目标相适应，针对模拟建立的流程在这里称为过程模拟图PSD。PSD总体上不同于PFD，比如从模拟观点，一些简单操作单元的温度、压力变化，可以集总于更复杂的单元组。相反，复杂的单元组如多个蒸馏塔或反应器，也可以作为小型流程进行模拟。主要问题的分析是必要的，为此定义模拟问题的步骤如下
 转换PFD为PSD，必要时将流程化分为子流程；
 对模拟流程的每个单元，分析模拟模型；
 定义化学组成，包括自定义组分和石油馏分；
 针对总体流程、子流程和关键的单元，分析热力学模型；
 分析复杂单元的指标确定模式（自由度分析）。

2 输入
流程输入问题与软件技术有关，这项工作通常有图形用户界面（GUI）的支持。步骤为
 绘制流程；
 选择组分，从标准数据库中选择或自定义；
 设定输入物流；
 设定操作单元（自由度分析）；
 选择热力学模型，核定模型参数；
 确定计算次序；
 初始化断裂流股和复杂的单元。这时的指标设定中，准确未必意味着合理。

3  执行
当流程与单元两种水平上均满足收敛条件，模拟就成功了。用户要特别注意故障排除的收敛记录。这里的步骤
 检查收敛的算法与参数，必要时对此进行调整；
 检查收敛的误差及变量的数值范围；
 重复收敛记录。

4 结果
模拟可提交大量结果，最重要的有
 流股报告（物料与热量平衡），包含流程中流股的汇聚关系；
 单元报告，包括物料与热量平衡，单元中流股的汇聚关系；
 各单元性能的评估；
 物理性质图表；
结果的图形表征可采用不同形式，通常高级软件自带分析工具，并可与通用的制表软件交换数据。一些详细结果，如内部流动情况、特性汇总表，可以输出到特定的设计软件包。

5  分析
通过流程模拟的分析工具，可以从模拟结果中提炼更有价值的信息。灵敏度分析应用最多，这通常要记录检测指标随操作变量的变化情况，可以直接分析相应的结果，如趋势图、关联式或预优化结果。Case Study可用于研究多个流程变量结合情况。最后模拟工作还可以通过Multivarible Controller进行改进。更高级的流程模拟软件具有可控性分析作为独立单元，或进行厂区控制策略的研究。

历史回顾

过程模拟始于1966年，美国洛杉矶的一家小公司Simulation Science推出了蒸馏塔模拟的商业软件，这也是流程模拟软件包PROCESS （软件PRO/II的前身）的核心，可以看作过程模拟器的鼻祖。三年后，美国休斯敦的ChemShare发布了DESIGN（后续版本有DEIGN II和WINSIM），一个可用于油气开采的有效的流程模拟程序。这期间精炼与石化工业的迅速膨胀推动了各种计算机软件包的出现。

上世纪的七、八十年代公认为是科学计算的黄金岁月，如今所使用的各种运算法则均出现于当时开发的程序中，FORTRAN程序语言在科学家和工程师间广为流行。模拟工作在高速昂贵的大型机上运行，用户通过遥远的终端连接，输入文件通过纸带，以80列格式的打孔输入指令。后来的数据输入可以通过在屏幕上编制文件，执行的工作指令可以编码为特定的汇编语言。在这期间，一些主要的工程管理部门，以及精炼、石化工业的大公司，均开发了内部的流程模拟程序，多数采用序贯模式结构，也有一些采用联立方程法，如伦敦皇家学院的SPEEDUP和荷兰DSM的TISFLO。

1973年的首次石油危机激发了过程模拟的新的兴趣点，即采用煤、生物质作为替代形式的原材料，美国能源部与MIT因此在1976年联合推出了ASPEN程序（后续版本为ASPEN Plus）。高速计算机系统的出现，催生出许多从事模型化与模拟的小公司。科学计算工作逐渐由单独程序演化为针对工业产品的大型设计软件包。有几个在大型机上的通用的定态流程模拟软件，自1980年通过在国际网络上分时分享，这期间形成的全球计算机分时网络成为今天互联网的先驱。

1982年出现了PC机，虽然其流程模拟的能力很弱，但个性化工具的想法足以激发热情，开发了ChemCAD（ChemStations公司）和Hysys（Hyprotech公司）。大型机具有的垄断优势逐渐沦丧。之后工作站的出现（1985），多任务操作系统如UNIX问世，科学计算的革命延续至今。经过这巨变历程中生存的科学软件公司寥寥无几，经历考验的FORTRAN方式在“面向对象的程序设计”的新环境下处境严峻。

自90年代PC机成为主流，操作系统相对稳定（UNIX和Windows迄今仍占主导地位），新一代模拟软件的开发成为可能。图形用户界面成为软件开发的中心部份，之前超级计算机的功能可以在桌面上实现。

如今的过程模拟工作集中采用为数不多的几个软件，另一方面，工业用户的模型化需要远非通用软件所可以满足。解决这种冲突，需要专门的软件公司与CAPE用户领域的高度合作，这将进一步开拓互联网技术。

过程模拟与计算工具与技术的发展紧密相联（图5），更需要从事过程研究的人们参与其间。

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