Aspen Plus在化工類專業本科畢業設計中的應用與思考

杜玉朋，王一飛，田 暉，王 瑋，趙玉潮，任萬忠

(煙臺大學 化學化工學院，山東 煙臺 264005)

化工類專業是我國現行高等教育中的重要組成部分。廣義上講，化學工程、化學工藝和化學工業均可簡稱為化工[1]。近年來隨著科技的進步與國民經濟的發展，化工與其他學科之間不斷交叉融合，其范疇日益擴大，例如化工與生物、環境、能源、材料等領域結合發展了生物化工、環境化工、能源化工和材料化工等學科。根據教育部最新頒布的《普通高等學校本科專業目錄(2020年版)》，化學工程與工藝、制藥工程、資源循環科學與工程、能源化學工程、化學工程與工業生物工程、化工安全工程、涂料工程和精細化工等均屬于化工類專業。上述專業擁有一個共同的特點，即研究對象均是與化工相關的過程工業，因而具有過程工業過程的典型特點，即生產過程中的物質流與能量流均是連續的；生產工序由不同的過程單元組成，工段或設備間耦合非常明顯。過程工業上述典型特點決定了化工類專業高等教育中化工過程分析、合成與集成等教學內容的突出重要性。

畢業設計是化工類專業最重要的一次綜合性實踐教學，對于學生綜合能力的培養至關重要。化工類專業本科畢業設計任務通常主要包括：項目可行性論證(選題)、工藝流程設計、設備選型及典型設備設計、圖紙繪制、車間設備與裝置總體布置設計，以及經濟分析與評價等環節(見圖1)，且各環節之間環環相扣，任一環節的缺失或遺漏都將難以保證整個設計任務的完成。其中，工藝流程的設計更是重中之重，且這一環節通常需要借助計算機模擬與仿真等現代設計方法來實現，最常用的工藝流程設計軟件主要有Aspen Plus、Hysys、Pro II、ECSS等。自2016年以來，筆者已連續指導我校化學工程與工藝專業本科畢業設計題目十余項，全國大學生化工設計競賽四屆，在化工過程設計實踐教學與學科競賽指導方面積累了一定的經驗。本文以丙烷脫氫制丙烯工藝過程的設計為案例，旨在介紹Aspen Plus在本專業學生畢業設計中的應用與思考，以期能夠為化工類專業中工程設計與畢業設計等實踐教學工作提供參考。

圖1 化工類專業本科畢業設計主要任務及常用設計工具

1 Aspen Plus軟件簡介

Aspen Plus是上世紀七十年代由美國能源部組織開發的一款通用流程模擬系統[2]。近年來，為了適應化工過程多尺度集成建模發展的需要，美國能源部在本世紀初又領導開發了通過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[3]。目前，它已發展成為一個集生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統。除了國際上各大化工、石化、煉油等過程工業制造企業及著名的工程公司外，國內眾多高校亦是該軟件的長期用戶，與同類軟件相比，其國內市場占有率非常高。

2 Aspen Plus軟件輔助畢業設計案例與教學心得體會

2.1 Aspen Plus工藝流程設計

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的爆發，大量防疫物質(如口罩、防護服等)的原料均來自丙烯[4]。因此，近期國內丙烯價格持續上漲，現已達到6600元/噸。當前，丙烯主要來自石油催化裂化、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，具有非常顯著的經濟效益。目前，國內已建成投入運行的PDH裝置9套，其中6套采用UOP技術、3套采用Lummus技術，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UOP丙烷移動床脫氫技術展開，采用了Aspen Plus軟件進行工藝流程設計與優化(見圖2)。

圖2 Aspen Plus丙烷移動床脫氫工藝流程圖

圖2所示的UOP丙烷移動床脫氫工藝流程簡述如下：

在反應工段，丙烷原料進入三級脫氫移動床反應器之前首先被反應器產品氣預熱至一定溫度，進入反應器之后在催化劑作用下發生脫氫反應。由于丙烷脫氫是吸熱反應，故在各級反應器之前均需裝有加熱器，以保證原料物流進入反應器時達到脫氫反應所需溫度。產品分離工段由急冷、脫水分離、深冷分離、脫除輕組分和重組分等單元過程組成，各單元操作之間的緊密配合保證了最終丙烯產品的品質。本案例在穩態模擬的基礎上，進一步對工藝條件和操作參數進行了靈敏度分析與優化設計，最終獲得了以下目標：

(1)確定了各關鍵工藝參數，對全工藝過程進行了優化；

(2)結合模擬結果數據，對本項目工藝參數的可行性進行了驗證；

(3)模擬結果數據可進一步用于單元設備物料衡算與能量衡算。

2.2 Aspen Plus輔助工藝設計教學心得體會

(1)Aspen Plus軟件功能強大、資源豐富，可助力化工工藝流程設計。Aspen Plus軟件內嵌大量物性數據庫和單元操作模型庫，基本上涵蓋了所有單元操作，并能夠滿足各類化工過程的設計、模擬與仿真，因此其已逐步發展成為高校化工類專業教育中工程設計與畢業設計等實踐教學環節化工過程設計與模擬的常備工具。

(2)Aspen Plus軟件學習資源眾多，每年中國化工學會及國內其它一些培訓機構亦會定期舉辦軟件使用培訓班，針對不同水平學員開設基礎班、中級班和高級班等。值得注意的是，軟件雖方便易用，但其基礎理論知識(如化工熱力學、化工原理、分離工程、化工過程分析與合成等)和模型求解邏輯(如序貫模塊法、面向方程法和聯立模塊法)均應熟練掌握，方可在軟件使用過程中游刃有余。例如，在使用該軟件進行工藝流程模擬時遇到的難以收斂問題，往往需要通過化工基礎理論知識加以分析才能徹底解決。

3 結論

化工行業是國民經濟重要支柱產業之一，化工生產屬于過程工業范疇，因此我國高校化工類專業教育應以系統工程觀點，注重化工過程設計、分析與合成等教學內容。畢業設計是高校化工類專業教育中最重要的一次綜合性實踐教學，Aspen Plus流程模擬軟件因其功能強大、資源豐富成為化工過程設計的常備工具，極大地提升了學生設計效率與專業技能，為將來步入社會實踐奠定良好根基。值得注意的是，軟件功能雖強大，但仍離不開化工學科基礎理論知識的強力支撐。因此，化工類專業學生應當注重基礎理論知識與現代設計方法的并重學習，才能達到國際化工類專業教育工程認證的各項要求與標準。