[分享] 开源的流程模拟软件

最近很多朋友的Aspen都过期了。借此机会，介绍一下两款开源的流程模拟软件，DWSIM和COCO。虽然无法跟商业化的Aspen相比，但作为免费的、社区自发编写和维护的，其实非常了不起。流程模拟软件的体系复杂，模块丰富，代码量非常大，是不同专业的人合力编写、维护的，所以要去构建一个流程模拟软件是非常艰巨的任务。如果你自己写过一些模块，应该能体会，要把不同的模块串成一个软件的难度。我曾听过参与Aspen的部分模块专家的演讲，他提到很多算法的点子都其实很停留在他们读书时，因为体系庞大难以更新维护。所以开源软件，能做到基本架构出流程模拟软件，是实属不易的。

化工的模拟计算软件最常用的是三类，流程模拟软件、物理场模拟软件（传热、力学等物理场计算的软件）、工程计算软件。流程模拟软件是很多人化工从业人员最容易接触到的一类。化工流程模拟软件，是用来模拟化工过程的软件，常常用在化工设计和操作优化中。很多朋友也用来查询物性数据、模拟一些多相体系的热力学了性质。但化工流程模拟软件不限于化工，我曾经发现一些搞制冷，热工、火电、核工的朋友也用。跟自己建模相比，流程模拟软件最大优势是简单方便，然后有丰富的物性、热力学数据。也是因为这样的原因，主流的流程模拟软件都是商业化的，有专门的公司在维护。一些大型化学、化工企业，往往也有内部的流程模拟程序或者软件，但没有商业化和公开。所以下面仅列出了主流、商业化的流程模拟软件：

可以清楚地看到，流程模拟软件领域美国一家独大，然后英国和加拿大各有一家企业。一些老牌化工大国，可能企业内部有自己的程序，但也没有形成商业化的流程模拟软件。在我国，只有青岛科技大学曾经自己开发过流程模拟软件，评论中网友说是没有开发、测试完。因为开发和维护的成本，商业流程模拟软件往往非常贵。所以国内，很多化工从业人员使用的往往是盗版的流程模拟软件。在越来越重视版权的时代，流程模拟软件的获取成本也越来越高。近期很多人的Aspen过期，其实就带来了很多麻烦。

上面提到的流程模拟软件可以按照程序架构分为两类，模块化结构和方程结构。模块化结构的核心算法是序贯模块算法。序贯模块法的思想来自于单元操作集成，就是把不同的单元操作通过上下游的流股集成在一起。因为是不同的单元操作的拼接而成，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，将不同的单元操作的方程集合在了一起，虽然表面看依然是不同的模块的拼接，但是后台看到的是方程的集合整体，是自上而下的结构。所以序贯模块法的流程模拟软件程序设计时，是分不同的单元操作模块去独立的设计算法，非常符合工程师直觉。该算法的优势是算法比较健壮（鲁棒性）、可靠；容易编程和维护；改变流程结构方便，可以容易地添加删除模块。这里重点讲一下序贯模块算法的缺点：

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，现在也提供了一些基于方程结构的接口，像Aspen的自定义模块等）。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、计算的速度和收敛性都有所改善。*Aspen有的模块是方程结构的，比如Custom Modeler。这里要介绍的开源流程模拟软件都是基于序贯模块法设计的。

注意：因为是开源软件，所以软件的计算结果仅供参考，请注意应用时可能会带来的风险。

益于网络时代，在Github等平台上，很多同好可以协作开发软件。这里要介绍的就是商业流程模拟软件的替代选择，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。如果你有余力进行开发，也可以加入开发者团队，写作完成日常开发和维护；也可以捐款给开发者团队。希望我国能早日有自主知识产权的工程专业软件！！！

这里要介绍的开源软件都是遵循CAPE-OPEN规范编写的。CAPE-OPEN，（Computer-Aided Process Engineering）是一个制定计算机辅助过程工程标准的非盈利组织，主要是欧洲一些学者、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规范，方便不同的流程模拟软件跨平台使用，比如跟Matlab或者其他流程模拟软件。遵循它们规范的程序或软件，都实现了相应的接口。值得一提，主流的商业流程模拟软件软件，也都参与了CAPE-OPEN的项目。这里主要介绍DWSIM和COCO，两者都是遵循CAPE-OPEN规范的软件，所以它们的热力学和单元操作模块可以被主流的流程模拟软件调用，像Aspen、gPROMS等。

作为一个开源软件来说，DWSIM的功能是比较全的，基本满足了日常的需求。与下文要介绍的COCO相比，热力学模型更多更全，因为可以从第三方公开数据库导入物性数据，扩展了适用范围。单元操作版块的功能也比COCO更全。他的开发者是来自巴西Daniel Medeiros，有丰富的工程咨询经验。

DWSIM特性：

软件框架

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）：

其他教程：

CAPE-OPEN to CAPE-OPEN的缩写，即遵循CAPE-OPEN规范的开源软件。COCO可以用于稳态过程模拟，支持常见的热力学模型，自带430种化工常见物质。开发者主要是荷兰、德国、英国的学者组成，有很强的化学、化工背景。开发者有Jasper van Baten（首席开发者，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特性：

软件框架

COCO由四个部分构成，即COFE，TEA，COUSCOUS，CORN。（作者取的名字很可爱lol）

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