基于專業化工軟件對科學研究方法的思考

張小東 趙飛燕

摘? 要：專業軟件的使用可為項目的開發提供一種思路和方向，還可對工藝可行性進行驗證。我公司利用現有專業化工軟件，并將其應用到科研項目研究實踐中，形成了一套行之有效的科研方法。首先通過化學分析獲得研究對象的化學成分，然后用FACTSAGE軟件進行原理分析，JMP軟件進行實驗設計及數據處理，采用METSIM及ASPEN PLUS軟件流程模擬，最后獲得工程設計所需的指標。利用中試試驗運行中采集的數據，然后通過METSIM及ASPEN PLUS軟件模擬獲得工藝物料平衡、熱平衡、工藝流程圖、設備設計、成本估算，并與設計院、專利商提供的方案進行比較，進而形成工藝包。

關鍵詞：科研方法;FACTSAGE;JMP;METSIM;ASPEN PLUS

中圖分類號：G312 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0049-02

Abstract： Using professional software not only can broaden the idea and direction for project development， but also can verify the feasibility of the process. Our company apply the chemical professional software to the research practice of scientific research projects， and forman effective scientific research methods. That is： First， we obtain the chemical composition and use the FACTSAGE to analyze the principle. Then， we use the JMP to design the experiment and analyze the experimental data， simulate the process flow with METSIM and ASPEN PLUS software to obtain material balance， heat balance， process flowsheet drawing， equipment list， cost expenditure， and compare with the date of design institute， the proposal patent company. Finally， a process package is formed.

Keywords： research method; FACTSAGE; JMP; METSIM; ASPEN PLUS

引言

我公司圍繞粉煤灰綜合利用開展了50多個科技創新項目，形成了“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁工藝技術的工藝包，正在開展神華準格爾礦區30萬噸/年高鋁粉煤灰綜合利用工業化示范項目的初步設計工作。近年來公司引進了FACTSAGE7.3、JMP14、METSIM2016、ASPEN PLUS9.0、CHE

MCAD等專業軟件，在科研項目及項目設計中發揮了極為重要的作用，逐漸形成了一套行之有效的科研思路。

1 FACTSAGE軟件介紹

FACTSAGE軟件是加拿大THERMFACT和德國GTT-TECHNOLOGIES公司聯合開發的熱力學軟件，是化學熱力學領域中世界上完全集成數據庫最大的計算系統之一。FACTSAGE 用戶已達數百個，廣泛應用于材料科學、火法冶金、濕法冶金、冶金、腐蝕、玻璃工業、燃燒、陶瓷、地質等行業[1-4]。利用FACTSAGE 軟件可進行多元相平衡計算、相圖、優勢區圖、電位-pH圖的計算與繪制和熱力學優化等等。

我單位于2016年投資引進了一套FSCTSAGE軟件，在科研項目立項和開展試驗之前會通過FACTSAGE軟件進行熱力學計算，并進行原理分析，既可判別反應的可能性，又可提供反應的溫度范圍、配比、反應產物的存在形式，為快速開展試驗進行驗證提供科學有效的依據，為科研工作者拓寬了研究思路。

2 JMP軟件介紹

JMP軟件是由SAS公司開發的統計分析軟件，在實驗設計、探索性數據分析、數據可視化、質量管理、產品研發、專業統計分析等領域深受廣大分析愛好者的喜愛[5-7]。特別是在試驗設計及六西格瑪管理方面的應用受到廣大科研人員及企業質量管理者的喜愛。

目前，我單位JMP軟件在科研項目中的應用主要在以下兩方面：

（1）通過對測量的正確性、重復性和再現性分析對測量系統做出評價和測量問題進行分析和糾正，以保證測量數據的質量。

（2）實驗設計及數據分析。JMP軟件有著先進的設計理念，設計方法有定制設計、擴充設計、包含篩選設計、響應曲面設計、完全析因設計、混料設計的經典試驗設計及其他實驗設計。JMP軟件的數據分析及圖形展示是統計學中的王牌，有分布、篩選、擬合、聚類分析、方差分析、可靠性及生存分析、質量及控制等分析。目前，我們通過大量科研項目總結出實驗設計的先后順序：通常用部分因子實驗設計進行因子的篩選，讓因子個數不超過4個，然后用全因子試驗設計進行因子效應和交互作用的全面分析，進一步篩選因子不超過3個，最后用響應曲面方法確定回歸關系并求出最優設置。

3 METSIM軟件介紹

METSIM軟件是澳大利亞開發的專門用于冶金、化學、化工等行業物料平衡、熱平衡計算的系統集成軟件。METSIM軟件已有40多年的工程實踐，全球客戶近700家，但在我國尚處于起步階段。METSIM軟件在工藝可行性研究、不同工藝流程的評估、工廠數據模擬及優化、工廠規模的設計計算、實際操作裝置的改進研究和工廠實際操作等方面有很好的應用。從已發表的論文看，METSIM軟件在鹽酸法生產高純氧化鋁工藝、拜耳法生產冶金級氧化鋁工藝、硫酸工廠、二氧化碳的氯化工藝，金、銀、銅、鉬、鉛、鋅、鎳、鎂等金屬的采礦、冶煉、提純等工藝的應用成熟度較高[8-10]。

2016年我單位投資引進了一套METSIM軟件，已在工藝包開發、項目設計、工藝招標、指導生產等方面發揮了重要作用。通過METSIM軟件模擬工藝流程，獲得工程設計過程中需要的參數，如溫度、密度、粘度、粒徑、溶解度、固含、酸堿度、過濾性能、沸點溫升等。在試驗過程中利用上面的參數指導實驗，驗證結論。不僅可以節約時間、成本，更為重要的是能優化參數，對實驗進行系統性、規律性的研究。

在實驗獲得上述參數后，對工藝流程進行METSIM模擬，獲得設備選型、設備參數、工藝流程優化、物料平衡及熱平衡、PFD圖等信息，進一步進行投資估算及技術經濟分析。

4 ASPEN PLUS軟件介紹

ASPEN PLUS是美國ASPEN TECH公司研發的生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬軟件[11-14]。

和METSIM軟件一樣可以完成工藝流程模擬，物料平衡和熱量平衡計算，完成PFD圖，進行設備選型、投資估算進而進行工藝過程的技術經濟性分析。只是二者在應用領域的成熟度不同，METSIM更多在冶金領域，ASPEN PLUS在化工領域應用較多。METSIM在邏輯控制、計算方法更簡便，ASPEN PLUS在工藝優化、敏感性分析等方面比METSIM更有優勢。通常我們同時用METSIM和ASPEN PLUS軟件進行模擬分析并進行對比研究，并與設計院、專利商提供的方案進行比較，最終形成工藝包或設計文件。

一般形成工藝包和設計文件后還需進行HAZOP分析和SIL等級定級，對工藝及設備的危險及可操作性進行評價，進一步對項目落地的決策提供依據。

5 結束語

通過50多個科研項目實踐，總結出了一套行之有效的科研思路。首先利用FACTSAGE軟件進行原理分析，確定工藝路線，之后通過JMP軟件進行實驗設計、過程質量控制及數據分析，確定工藝最佳參數，最后采用METSIM和ASPEN PLUS軟件進行流程模擬，進行設備選型、物料平衡、熱平衡計算、投資估算及技術經濟分析。大型軟件拓寬了科研工作者的科學思路，使科研工作者提前有了工程概念可節省大量時間成本和經濟成本，但絕不能代替實驗研究和工程實踐，還需開展大量實驗和中試研究進行工藝驗證。

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