开源的流程模拟软件

前言

比来很多朋友的Aspen都过期了。借此机遇，先容一下两款开源的流程模拟软件，DWSIM和COCO。虽然没法跟贸易化的Aspen相比，但作为免费的、社区自觉编写和保护的，实在很是了不起。流程模拟软件的系统复杂，模块丰富，代码量很是大，是分歧专业的人协力编写、保护的，所以要去构建一个流程模拟软件是很是艰难的使命。假如你自己写过一些模块，应当能体味，要把分歧的模块串成一个软件的难度。我曾听过介入Aspen的部分模块专家的演讲，他提到很多算法的点子都实在很逗留在他们念书时，由于系统庞浩劫以更新保护。所以开源软件，能做到根基架构出流程模拟软件，是实属不易的。

化工流程模拟软件

化工的模拟计较软件最常用的是三类，流程模拟软件、物理场模拟软件（传热、力学等物理场计较的软件）、工程计较软件。流程模拟软件是很多人化工从业职员最轻易打仗到的一类。化工流程模拟软件，是用来模拟化工进程的软件，经常用在化工设想和操纵优化中。很多朋友也用来查询物性数据、模拟一些多相系统的热力学了性质。但化工流程模拟软件不限于化工，我已经发现一些搞制冷，热工、火电、核工的朋友也用。跟自己建模相比，流程模拟软件最大上风是简双方便，然后有丰富的物性、热力学数据。也是由于这样的缘由，支流的流程模拟软件都是贸易化的，有专门的公司在保护。一些大型化学、化工企业，常常也有内部的流程模拟法式大概软件，但没有贸易化和公然。所以下面仅列出了支流、贸易化的流程模拟软件：

• 美国SimSci-Esscor公司的PRO/II
• 美国AspenTech公司的Aspen Plus，Aspen Hysys
• 英国PSE公司的gPROMS
• 美国Chemstations公司ChemCAD
• 美国WinSim Inc. 公司的Design II
• 加拿大Virtual Materials Group的VMGSim
• 美国Honeywell公司的Unisim（在反把持前，跟Hysys本来似乎是一家，所以旧版本似乎很像）
• 附带一个全球的其他化工相关的软件列表：全球的其他化工相关软件（贸易、开源都有）

可以清楚地看到，流程模拟软件范畴美国一家独大，然后英国和加拿大各有一家企业。一些老牌化工大国，能够企业内部有自己的法式，但也没有构成贸易化的流程模拟软件。在我国，只要青岛科技大学已经自己开辟过流程模拟软件，批评中网友说是没有开辟、测试完。由于开辟和保护的本钱，贸易流程模拟软件常常很是贵。所以国内，很多化工从业职员利用的常常是盗版的流程模拟软件。在越来越重视版权的时代，流程模拟软件的获得本钱也越来越高。近期很多人的Aspen过期，实在就带来了很多麻烦。

上面提到的流程模拟软件可以依照法式架构分为两类，模块化结构和方程结构。模块化结构的焦点算法是序贯模块算法。序贯模块法的思惟来自于单元操纵集成，就是把分歧的单元操纵经过高低流的流股集成在一路。由因而分歧的单元操纵的拼接而成，所以模块化结构是自下而上的结构（bottom-up structure）。方程结构的流程模拟软件，将分歧的单元操纵的方程调集在了一路，虽然概况看仍然是分歧的模块的拼接，可是背景看到的是方程的调集整体，是自上而下的结构。所以序贯模块法的流程模拟软件法式设想时，是分分歧的单元操纵模块去自力的设想较法，很是合适工程师直觉。该算法的上风是算法比力硬朗（鲁棒性）、牢靠；轻易编程和保护；改变流程结构方便，可以轻易地增加删除模块。这里重点讲一下序贯模块算法的弱点：

• 结构刚性，只能从进口计较出口；只合适模拟计较，但不合适设想和优化。停止模拟计较时，进口工况已知，但出口不知。序贯模块法可以自然地从进口起头算起。停止设想和优化时，常常晓得的是出口情况，不知进口情况。由于序贯模块法的结构是刚性的，只能从进口到出口。所以需要供给一个初始值，但有的时辰初始值离方针值太远，存在的收敛性、不能满足约束等题目。但方程结构的，可以自在地把改变变量的属性，输入变量和输出变量可以自在地变更。
• 处置回流、复杂拓扑结构的收集有题目。在处置流股的回流题目时，需要切断流股，需要对预切断的流股停止初始化，初始值会带来收敛性的题目。当收集的毗连方式出格复杂，即拓扑结构复杂，也会带来运算上的题目。

第一代流程模拟软件，都是模块化结构，含Aspen Plus，Aspen Hysys，PRO/II，ChemCAD，Unisim（很多第一代流程模拟软件，现在也供给了一些基于方程结构的接口，像Aspen的自界说模块等）。第二代流程模拟软件，是方程结构导向的，代表是英国的gPROMS和加拿大的VMGSim，它们的优化性能、计较的速度和收敛性都有所改良。*Aspen有的模块是方程结构的，比如Custom Modeler。这里要先容的开源流程模拟软件都是基于序贯模块法设想的。

开源化工流程模拟软件

留意：由因而开源软件，所以软件的计较成果仅供参考，请留意利用时能够会带来的风险。

益于收集时代，在Github等平台上，很多同好可以合作开辟软件。这里要先容的就是贸易流程模拟软件的替换挑选，开源的流程模拟软件。开源的流程模拟软件是免费的，可以自行下载安装。假如你不足力停止开辟，也可以加入开辟者团队，写作完成平常开辟和保护；也可以捐钱给开辟者团队。希望我国能早日有自立常识产权的工程专业软件！！！

这里要先容的开源软件都是遵守CAPE-OPEN标准编写的。CAPE-OPEN，（Computer-Aided Process Engineering）是一个制定计较机帮助进程工程标准的非盈利构造，主如果欧洲一些学者、化工企业、化工软件商组成。他们制定了一套通用的流程模拟软件的标准，方便分歧的流程模拟软件跨平台利用，比如跟Matlab大概其他流程模拟软件。遵守它们标准的法式或软件，都实现了响应的接口。值得一提，支流的贸易流程模拟软件软件，也都介入了CAPE-OPEN的项目。这里首要先容DWSIM和COCO，两者都是遵守CAPE-OPEN标准的软件，所以它们的热力学和单元操纵模块可以被支流的流程模拟软件挪用，像Aspen、gPROMS等。

DWSIM

作为一个开源软件来说，DWSIM的功用是比力全的，根基满足了平常的需求。与下文要先容的COCO相比，热力学模子更多更全，由于可以从第三方公然数据库导入物性数据，扩大了适用范围。单元操纵版块的功用也比COCO更全。他的开辟者是来自巴西Daniel Medeiros，有丰富的工程征询经历。

DWSIM特征：

• 遵守CAPE-OPEN标准
• 支持多变量优化、敏感性分析
• 支持经过Python自界说单元操纵。可以用来扩大成模拟静态进程。
• 支持从第三方来导入物性数据，下文提到了一些公然的物性数据库。
• 支持多核 CPU和GPU并行计较 (CUDA/OpenCL)。这对于模拟的流程系统庞大，大概要停止复杂的优化来说，是很是棒的功用。

软件框架

• 热力学模子: CoolProp, Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong, Lee-Kesler, Lee-Kesler-Plöcker, UNIFAC, Modified UNIFAC (Dortmund), UNIQUAC, NRTL, Extended UNIQUAC, Chao-Seader, Grayson-Streed, Raoult's Law, IAPWS-IF97 Steam Tables, IAPWS-08 Seawater, Black-Oil and Sour Water;
• 单元操纵:夹杂器，分流器，分手器，泵，紧缩机，管道，阀门，收缩器，换热器，孔板，反应器，塔器，固体分手器，过滤器等。
• 适用工具: 相图，水合物计较，压力平安阀计较，纯组分物性查询，临界点查询，容器计较等。
• 工具:数据回归，自界说化合物等。
• 进程分析: 多变量有约束优化、敏感性分析。
• 可以加插件。

DWSIM官方百科

DWSIM项目标github链接

DWSIM项目在sourceforge链接，可以提交ticket报错。

帮助：Support - DWSIM - Chemical Process Simulator

案例：https://dwsim.fossee.in/flowsheeting-project/completed-flowsheet

软件下载：

Win https://sourceforge.net/projects/dwsim/files/DWSIM/，Mac https://sourceforge.net/projects/dwsim/files/DWSIM/

教程视频（部分需要科学上网）：

• 官方教程，比力全
• 印度理工建造的课本 ，由于有口音，但比力全
• 基于Python说话的自界说模块，由于python的库出格多，这实在翻开了无穷能够

其他教程：

• 操纵接口经过Python实现静态模拟。这样就从而实现了，控制器调试、整定，进程优化等功用
• 自界说物资和物性数据导入。可以从一些公然的物性数据库导入物性数据，包括韩国的Korean KDB Thermo Database, 德国、英国同好建造的物性猜测数据库Cheméo Database, 德国的UNIFAC/MODFAC Structure Data of Dortmund Data Bank Online Interface
• 操纵热力学模块发生相图
• 跟机械进修框架TensorFlow联用，从而实现了黑箱模子，用野生智能来模拟一些强非线性进程
• 部分化工模拟和计较的书中的案例，已经被上文印度理工（孟买）这个组建造好，可以下载

COCO

CAPE-OPEN to CAPE-OPEN的缩写，即遵守CAPE-OPEN标准的开源软件。COCO可以用于稳态进程模拟，支持常见的热力学模子，自带430种化工常见物资。开辟者主如果荷兰、德国、英国的学者组成，有很强的化学、化工布景。开辟者有Jasper van Baten（首席开辟者，欧洲化工顶尖大学，荷兰代尔夫特理工博士），Richard Baur，Harry Kooijman，Ross Taylor，Frank Eckert，William M. Barrett Jr。

DWSIM特征：

• 轻量级，简洁
• 遵守CAPE-OPEN标准，可以被其他流程模拟软件挪用

软件框架

COCO由四个部分组成，即COFE，TEA，COUSCOUS，CORN。（作者取的名字很心爱lol）

• COFE（Flowsheet Environment），是图形用户界面模块，用来显现模拟的化工进程的流程图，基于序贯模块算法。
• TEA（Thermodynamics for Engineering APPlications），是热力学模块，算法来历于开辟团队中两个成员的开源软件ChemSep（一款开源的柱分手模拟软件） ，涵盖430种常用的物资。
• COUSCOUS（Unit-operations Simple package） ，是单元操纵模块，含分手器、夹杂器、换热器、泵、反应器等模块。
• CORN（Reaction Numerics package），自界说反应模块。用户可以自界说反应动力学，含一些根基的反应器，平推流、全混流等。

此外还有一些可以增加的插件和模块，从而实现更多的功用，像水模块、微软电子表格输入模块。

• 案例文件：COCO - Download Sample Flowsheets
• 帮助：https://www.cocosimulator.org/index_support.html
• 软件下载：https://www.cocosimulator.org/index_download.html
• 在COCO里面利用DWSIM教程：http://dwsim.sourceforge.net/tutorials/ppackage_cofe/tut6.htm，http://dwsim.sourceforge.net/tutorials/scriptuo_cofe/tut7.htm