杜玉朋，王一飛，田 暉，王 瑋，趙玉潮，任萬(wàn)忠

(煙臺(tái)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)是我國(guó)現(xiàn)行高等教育中的重要組成部分。廣義上講，化學(xué)工程、化學(xué)工藝和化學(xué)工業(yè)均可簡(jiǎn)稱(chēng)為化工[1]。近年來(lái)隨著科技的進(jìn)步與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化工與其他學(xué)科之間不斷交叉融合，其范疇日益擴(kuò)大，例如化工與生物、環(huán)境、能源、材料等領(lǐng)域結(jié)合發(fā)展了生物化工、環(huán)境化工、能源化工和材料化工等學(xué)科。根據(jù)教育部最新頒布的《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)目錄(2020年版)》，化學(xué)工程與工藝、制藥工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程、能源化學(xué)工程、化學(xué)工程與工業(yè)生物工程、化工安全工程、涂料工程和精細(xì)化工等均屬于化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)。上述專(zhuān)業(yè)擁有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即研究對(duì)象均是與化工相關(guān)的過(guò)程工業(yè)，因而具有過(guò)程工業(yè)過(guò)程的典型特點(diǎn)，即生產(chǎn)過(guò)程中的物質(zhì)流與能量流均是連續(xù)的；生產(chǎn)工序由不同的過(guò)程單元組成，工段或設(shè)備間耦合非常明顯。過(guò)程工業(yè)上述典型特點(diǎn)決定了化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)高等教育中化工過(guò)程分析、合成與集成等教學(xué)內(nèi)容的突出重要性。

畢業(yè)設(shè)計(jì)是化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)最重要的一次綜合性實(shí)踐教學(xué)，對(duì)于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)至關(guān)重要?；ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)通常主要包括：項(xiàng)目可行性論證(選題)、工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及典型設(shè)備設(shè)計(jì)、圖紙繪制、車(chē)間設(shè)備與裝置總體布置設(shè)計(jì)，以及經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)(見(jiàn)圖1)，且各環(huán)節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣，任一環(huán)節(jié)的缺失或遺漏都將難以保證整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的完成。其中，工藝流程的設(shè)計(jì)更是重中之重，且這一環(huán)節(jié)通常需要借助計(jì)算機(jī)模擬與仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常用的工藝流程設(shè)計(jì)軟件主要有Aspen Plus、Hysys、Pro II、ECSS等。自2016年以來(lái)，筆者已連續(xù)指導(dǎo)我?；瘜W(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目十余項(xiàng)，全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽四屆，在化工過(guò)程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)與學(xué)科競(jìng)賽指導(dǎo)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。本文以丙烷脫氫制丙烯工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)為案例，旨在介紹Aspen Plus在本專(zhuān)業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與思考，以期能夠?yàn)榛ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)中工程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)工作提供參考。

圖1 化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)主要任務(wù)及常用設(shè)計(jì)工具

1 Aspen Plus軟件簡(jiǎn)介

Aspen Plus是上世紀(jì)七十年代由美國(guó)能源部組織開(kāi)發(fā)的一款通用流程模擬系統(tǒng)[2]。近年來(lái)，為了適應(yīng)化工過(guò)程多尺度集成建模發(fā)展的需要，美國(guó)能源部在本世紀(jì)初又領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)了通過(guò)CAPE-OPEN(Computer-Aided Process Engineering Open Simulation Environment)與單元裝備高精度CFD(Computational Fluid Dynamics)模型相集成的模擬系統(tǒng)[3]。目前，它已發(fā)展成為一個(gè)集生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。除了國(guó)際上各大化工、石化、煉油等過(guò)程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司外，國(guó)內(nèi)眾多高校亦是該軟件的長(zhǎng)期用戶(hù)，與同類(lèi)軟件相比，其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率非常高。

2 Aspen Plus軟件輔助畢業(yè)設(shè)計(jì)案例與教學(xué)心得體會(huì)

2.1 Aspen Plus工藝流程設(shè)計(jì)

丙烯是僅次于乙烯的重要化工原料，特別是近期新冠肺炎在全球范圍內(nèi)的爆發(fā)，大量防疫物質(zhì)(如口罩、防護(hù)服等)的原料均來(lái)自丙烯[4]。因此，近期國(guó)內(nèi)丙烯價(jià)格持續(xù)上漲，現(xiàn)已達(dá)到6600元/噸。當(dāng)前，丙烯主要來(lái)自石油催化裂化、石腦油蒸汽裂解、煤制烯烴，以及丙烷脫氫(PDH)等裝置。其中PDH裝置丙烯收率較高，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)已建成投入運(yùn)行的PDH裝置9套，其中6套采用UOP技術(shù)、3套采用Lummus技術(shù)，另外還有4套混合烷烴(丙烷+異丁烷)脫氫裝置。本案例即是針對(duì)UOP丙烷移動(dòng)床脫氫技術(shù)展開(kāi)，采用了Aspen Plus軟件進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)與優(yōu)化(見(jiàn)圖2)。

圖2 Aspen Plus丙烷移動(dòng)床脫氫工藝流程圖

圖2所示的UOP丙烷移動(dòng)床脫氫工藝流程簡(jiǎn)述如下：

在反應(yīng)工段，丙烷原料進(jìn)入三級(jí)脫氫移動(dòng)床反應(yīng)器之前首先被反應(yīng)器產(chǎn)品氣預(yù)熱至一定溫度，進(jìn)入反應(yīng)器之后在催化劑作用下發(fā)生脫氫反應(yīng)。由于丙烷脫氫是吸熱反應(yīng)，故在各級(jí)反應(yīng)器之前均需裝有加熱器，以保證原料物流進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)達(dá)到脫氫反應(yīng)所需溫度。產(chǎn)品分離工段由急冷、脫水分離、深冷分離、脫除輕組分和重組分等單元過(guò)程組成，各單元操作之間的緊密配合保證了最終丙烯產(chǎn)品的品質(zhì)。本案例在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)工藝條件和操作參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得了以下目標(biāo)：

(1)確定了各關(guān)鍵工藝參數(shù)，對(duì)全工藝過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化；

(2)結(jié)合模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)本項(xiàng)目工藝參數(shù)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證；

(3)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可進(jìn)一步用于單元設(shè)備物料衡算與能量衡算。

2.2 Aspen Plus輔助工藝設(shè)計(jì)教學(xué)心得體會(huì)

(1)Aspen Plus軟件功能強(qiáng)大、資源豐富，可助力化工工藝流程設(shè)計(jì)。Aspen Plus軟件內(nèi)嵌大量物性數(shù)據(jù)庫(kù)和單元操作模型庫(kù)，基本上涵蓋了所有單元操作，并能夠滿(mǎn)足各類(lèi)化工過(guò)程的設(shè)計(jì)、模擬與仿真，因此其已逐步發(fā)展成為高校化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)教育中工程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)化工過(guò)程設(shè)計(jì)與模擬的常備工具。

(2)Aspen Plus軟件學(xué)習(xí)資源眾多，每年中國(guó)化工學(xué)會(huì)及國(guó)內(nèi)其它一些培訓(xùn)機(jī)構(gòu)亦會(huì)定期舉辦軟件使用培訓(xùn)班，針對(duì)不同水平學(xué)員開(kāi)設(shè)基礎(chǔ)班、中級(jí)班和高級(jí)班等。值得注意的是，軟件雖方便易用，但其基礎(chǔ)理論知識(shí)(如化工熱力學(xué)、化工原理、分離工程、化工過(guò)程分析與合成等)和模型求解邏輯(如序貫?zāi)K法、面向方程法和聯(lián)立模塊法)均應(yīng)熟練掌握，方可在軟件使用過(guò)程中游刃有余。例如，在使用該軟件進(jìn)行工藝流程模擬時(shí)遇到的難以收斂問(wèn)題，往往需要通過(guò)化工基礎(chǔ)理論知識(shí)加以分析才能徹底解決。

3 結(jié)論

化工行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，化工生產(chǎn)屬于過(guò)程工業(yè)范疇，因此我國(guó)高?；ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)教育應(yīng)以系統(tǒng)工程觀點(diǎn)，注重化工過(guò)程設(shè)計(jì)、分析與合成等教學(xué)內(nèi)容。畢業(yè)設(shè)計(jì)是高?；ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)教育中最重要的一次綜合性實(shí)踐教學(xué)，Aspen Plus流程模擬軟件因其功能強(qiáng)大、資源豐富成為化工過(guò)程設(shè)計(jì)的常備工具，極大地提升了學(xué)生設(shè)計(jì)效率與專(zhuān)業(yè)技能，為將來(lái)步入社會(huì)實(shí)踐奠定良好根基。值得注意的是，軟件功能雖強(qiáng)大，但仍離不開(kāi)化工學(xué)科基礎(chǔ)理論知識(shí)的強(qiáng)力支撐。因此，化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生應(yīng)當(dāng)注重基礎(chǔ)理論知識(shí)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的并重學(xué)習(xí)，才能達(dá)到國(guó)際化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)教育工程認(rèn)證的各項(xiàng)要求與標(biāo)準(zhǔn)。