热力学物性包开发入门1

前言

别的不说了，纯粹是因为热爱，偶然间知道了CAPE-OPEN标准，同时喜欢化工和编程，自然就沉迷化工流程模拟开发了，在这里记录一下自己的学习过程。

CAPE-OPEN是基于COM组件来的，在C++中ATL，Active Template Library活动（动态）模板库，是一种微软程序库，支持利用C++语言编写ASP代码以及其它ActiveX程序。通过活动模板库，可以建立COM组件，然后通过ASP页面中的脚本对COM对象进行调用。这种COM组件可以包含属性页、对话框等控件。

热力学物性包是什么

上图是Aspen、HYSYS、PROII等流程模拟软件的简单计算过程图，接下来逐步分解它的一个计算过程和构成。

首先一个最简单的工艺流程应该包含三个元素：一个进口物流，一个单元模块，一个出口物流，我们称进出口物料这个对象为界面流股，单元模块就是单元模块，包括混合器、换热器、塔器、泵等。

整个计算过程主要有下面三个步骤：

进口流股闪蒸：主要参数有组成、温度、压力
单元模块根据进料计算，计算完毕之后设置出口流股
出口流股闪蒸：主要参数有组成、温度、压力

在每一步计算的过程中，是离不开状态方程的，也就是我们说的热力学部分，实际上我们在模拟的时候输入的参数，比如组分、温度、压力这些并不是直接就赋予到状态方程中去计算了，单元模块也不是直接会调用热力学部分进行计算，而是引入了一个中间层：物流对象。

为什么需要中间层呢？在实际计算过程中，整个流程可能根据分区/工段的不同，而采用的物性方法不同，所以需要不同的物流对象来访问不同的热力学部分（物性集）。

每个流股或单元模块都会产生一个物流对象，这个物流对象中存储着对应的物性集。

界面流股也会储存一部分参数，比如组成、温度、压力，但实际上大部分参数例如密度、焓等都会储存在物流对象中，这并不冲突。

上图是在我们新建一个模拟文件时，物性包是如何被访问和调用的。

在创建一个流程或者工段的时候，软件首先会访问物性包管理者（PropertyPackageManager），物性包管理者有一个物性包（FluidPackage/PropertyPackage）的列表，比如NRTL、SRK、UNIFAC等；

我们选择了一个需要的物性包之后，软件会将这个物性包加载到物流对象模板中，从而产生出指定了物性包的物流对象；

这个时候我们的流程就可以去调用一个个物流对象进行计算，需要注意的是，该过程在一个流程/工段的模拟过程中只会进行一次，也就是创建流程的时候才会进行一次（添加组分，更改物性包都算新建流程的概念，因为会更新物流对象）。

在正常的模拟计算过程中，计算流程是如下图这样的：

工艺流程和物流对象首先进行交互，向物流对象发送初始参数，例如流量、组分、温度、压力等，这个时候物流对象就有了属性，有哪些组分、具有哪个状态方程、允许的相态是什么，物流对象是不具有计算功能的，只是一个参数的存储和中转站；

物流对象紧接着将所有参数交给热力学部分，通过热力学部分中的相平衡/闪蒸模块、焓计算、密度计算等等，去按照要求计算所需要的值，计算完毕之后再返回给物流对象，物流对象存储之后再反馈给界面流股，也就是工艺流程中的计算结果。

在整个过程中热力学部分是固定的，在创建过程中是一次性创建好的，但是物流对象是随着工艺流程/工段中流股或单元模块的改变而改变的。

现在来回答标题的问题，热力学物性包是什么？它是一个含有一个流程/工段中所有组分，以及所设定的状态方程，固定的，不随流程而改变的数据集。

物性包的导出及使用

以Aspen V11和COFE V3.7为例

需要提前说明的是Aspen对CAPE-OPEN的物性包支持度或者说是兼容度是很差的，甚至在高版本的软件中已经取消了物性包的导入功能（我反正是没找到）

虽然说Aspen目前（V11版本）来看是支持导出的，但是其物性包在其他软件中并不好用，本文只是做一个示例，其他严格执行CAPE-OPEN标准的软件如COFE、DWSIM等还是很好的

如果是针对Aspen来进行物性包开发的话，Aspen官方提供了一套叫做User Model的接口，可以通过软件的帮助文件学习一下，但是如果是针对跨平台开发，或者定制开发，建议还是使用CAPE-OPEN标准

虽然但是，Aspen对CAPE开发的单元模块是支持或兼容度很高的，在这里可以引用其他软件开发的单元模块：

那么物性包的导入导出有什么意义呢？比如我们使用Aspen导出一个含有组分、状态方程的一个物性包，使用COFE软件导入那么意味着在COFE软件中构建的流程里，我们使用的单元模块是COFE软件的，但是计算过程中的热力学方法使用的是我们Aspen中的；

或者在不同的软件里使用同一个CAPE开发的单元模块，这样可以达到对某些流程的高度自定义，可以更接近真实流程，可以输入更多的修正值，让模拟计算结果更加准确。

Aspen的物性包导出：

注：在第一个分节热力学物性包是什么里我们已经讲了，所以导出物性包时请务必已经选择好了组分和状态方程

可以看到，Aspen导出的物性包其实就是一个 *.cota 文件，同时会默认放在这个路径里，这是约定俗成的，其他的软件读取的时候也会直接在该路径下去找该文件

对于COFE，导入我们刚才导出的物性包如下：

这样就可以在COFE里使用Aspen的状态方程和组分物性数据了

但是实际上会出问题的，因为我们已经说了，Aspen对CAPE的兼容是很差的，推荐使用其他软件来使用，本文这里仅作示例

物性包的开发

前文我们已经了解过了，物性包实际上就是ATL项目，也就是动态链接库，推荐使用VisualStudio来开发，当然用其他的IDE也行，不过配置环境是非常麻烦的

打开VS2022，选择创建新项目：

名字自定义，点击创建：

直接点确定，这样就创建好了一个ATL项目，可以看到部分源文件和头文件已经自动添加进来了：

创建好项目之后就要开始添加接口了，那么添加什么接口，怎么添加，这些CAPE标准里都有相对应的文档，可以通过这个链接去下载到CAPE-OPEN的所有文档：

CAPE-OPEN官网：

解压之后可以得到所有的标准文档，本文是热力学物性包开发，对应的文档名称为：

1	CO_Thermo_1.1_Specification_311.pdf

打开文档，可以看到标准的调用时序图：

可以看到 :PME 为最高也就是初始一级，全称为Process Model Environment，意为流程建模环境，也就是我们的工艺流程部分，次级就是S1:Stream，也就是我们上文中的界面流股，再接下来到 :PMEPropertySystem 也就是中间层：物流对象，物流对象再去调用更深层次的计算。在整个过程中要实现热力学部分所用到的接口如下图所示：

可以看到第一个接口就是 ICapeThermoPropertyPackageManager ，这就是上文所说的物性管理者，他包含了两个接口，一个是获取物性包列表，一个是选择物性包，那么，我们第一个接口自然就是物性包管理者了。

接下来我们添加第一个接口：

名字自定义，点击添加：

这里默认即可，直接点击完成

这样我们就添加了一个简单的接口，这里的报错不用管，是因为我们定义了接口，但没有使用，接下来直接编译一下，看看源文件是否齐全：

可以看到报了一个错误：error MSB8011: 未能注册输出。请尝试启用“逐用户重定向”

不要慌，我们需要手动开启逐用户重定向：

然后再重新生成一下：

可以看到已经编译通过了，1已跳过不用担心，是因为我们创建接口但没有调用导致的

接下来就可以直接去写调用接口的部分了，但是我们自己手写是非常麻烦且繁琐的，CAPE-OPEN直接给了一个现成的模板，可以直接去使用，通过下列链接去下载示例：

CAPE-OPEN示例：

下载好直接直接对exe文件进行解压，解压后可以看到文件夹中有一个 *.tlb 文件，对于COM组件开发来讲，tlb文件就是规定了的接口，直接将该tlb文件复制到我们的项目根目录下：

接下来我们就可以直接导入我们需要的接口：

在类视图中找到我们刚才添加的 CFluidPackageManager ，点击添加实现接口：

位置选择文件，选择刚才复制过来的标准文件，打开：

左侧就是CAPE-OPEN的所有接口，找到我们所需要的 ICapeThermoPropertyPackageManager ，点击导入

可以看到已经导入进来了，重新编译一下：

正常编译通过，可以看到导入了下面两个类：

到这里的话，流程模拟软件已经可以访问我们写的这个所谓的物性包了，尽管我们这个物性包里什么都没有，但是软件要真正的访问到我们写的这个物性包，还需要有一个敲门砖，也就是我们得告诉模拟软件，你可以访问我。

那么如何告诉模拟软件你可以访问我这个物性包呢，CAPE进行了规定，可以在自己的模块中写入固定的UUID，写入这个ID之后，其他软件就可以通过注册表来找到这个物性包，我们不需要去理解为什么是这个ID，这是CAPE-OPEN规定好的，例如：

在项目目录资源文件中可以看到，有我们创建的 *.rgs 文件，这就是注册表文件：

那么这个文件中的内容怎么写，CAPE-OPEN也提供了标注的模板，可以在我们刚才下载的示例里找到：

首先这部分：

'Implemented Categories'
{
	{678C09A1-7D66-11D2-A67D-00105A42887F}
	{CF51E383-0110-4ed8-ACB7-B50CFDE6908E}
}
CapeDescription 
{ 
    val Name =  s 'CPP Ideal Property Package Manager'
	val Description = s 'CO-LaN Example Ideal Thermo Property Package Manager CPP implementation'
	val CapeVersion = s '1.1'
	val ComponentVersion = s '1.0.0.0'
	val VendorURL = s 'http://www.colan.org/'
	val About = s 'CPP Ideal Property Package Manager - Copyright 2011 CO-LaN'
}

写入的位置如下：

'Implemented Categories' 部分就是我们该模块的ID，是固定的，不能修改的

CapeDescription 部分的内容是可以自己定义的，这部分是对模块的描述部分

更改完之后重新编译，需要注意的是，这里编译之后就会将我们解决方案生成的dll文件直接注册到注册表里，以方便流程模拟软件去调用。

物性包的调用

经过上述的注册之后，现在我们这个一穷二白的物性包已经可以被其他软件访问到了，比如使用COFE来尝试调用一下：

可以看到，COFE已经成功找到了我们的物性包，并且描述也展示到了，看到 Written By laugh 成就感满满的！

同样DWSIM也可以调用到我们的物性包！：

PROII也可以调用到，这里就不多赘述了

虽然说我们的物性包里现在啥都没有，但这已经是一个非常好的开头了，接下来我们就学习如何给我们一穷二白的物性包里添加东西。