Aspen Plus在化工類專業(yè)本科畢業(yè)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(yè)是我國現(xiàn)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(yè)均可簡稱為化工[1]。近年來隨著科技的進步與國民經(jīng)濟的發(fā)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(huán)境、能源、材料等領域結合發(fā)展了生物化工、環(huán)境化工、能源化工和材料化工等學科。根據(jù)教育部最新頒布的《普通高等學校本科專業(yè)目錄(2020年版)》，化學工程與工藝、制藥工程、資源循環(huán)科學與工程、能源化學工程、化學工程與工業(yè)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(yè)。上述專業(yè)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(yè)，因而具有過程工業(yè)過程的典型特點，即生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流與能量流均是連續(xù)的；生產(chǎn)工序由不同的過程單元組成，工段或設備間耦合非常明顯。過程工業(yè)上述典型特點決定了化工類專業(yè)高等教育中化工過程分析、合成與集成等教學內(nèi)容的突出重要性。

畢業(yè)設計是化工類專業(yè)最重要的一次綜合性實踐教學，對于學生綜合能力的培養(yǎng)至關重要?；ゎ悓I(yè)本科畢業(yè)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(jīng)濟分析與評價等環(huán)節(jié)(見圖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(huán)節(jié)通常需要借助計算機模擬與仿真等現(xiàn)代設計方法來實現(xiàn)，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(xù)指導我?；瘜W工程與工藝專業(yè)本科畢業(yè)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(jīng)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(yè)學生畢業(yè)設計中的應用與思考，以期能夠為化工類專業(yè)中工程設計與畢業(yè)設計等實踐教學工作提供參考。

圖1 化工類專業(yè)本科畢業(yè)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(fā)的一款通用流程模擬系統(tǒng)[2]。近年來，為了適應化工過程多尺度集成建模發(fā)展的需要，美國能源部在本世紀初又領導開發(fā)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(tǒng)[3]。目前，它已發(fā)展成為一個集生產(chǎn)裝置設計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。除了國際上各大化工、石化、煉油等過程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司外，國內(nèi)眾多高校亦是該軟件的長期用戶，與同類軟件相比，其國內(nèi)市場占有率非常高。

2 Aspen Plus軟件輔助畢業(yè)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(nèi)的爆發(fā)，大量防疫物質(zhì)(如口罩、防護服等)的原料均來自丙烯[4]。因此，近期國內(nèi)丙烯價格持續(xù)上漲，現(xiàn)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(jīng)濟效益。目前，國內(nèi)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(yōu)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(chǎn)品氣預熱至一定溫度，進入反應器之后在催化劑作用下發(fā)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(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)模擬的基礎上，進一步對工藝條件和操作參數(shù)進行了靈敏度分析與優(yōu)化設計，最終獲得了以下目標：

(1)確定了各關鍵工藝參數(shù)，對全工藝過程進行了優(yōu)化；

(2)結合模擬結果數(shù)據(jù)，對本項目工藝參數(shù)的可行性進行了驗證；

(3)模擬結果數(shù)據(jù)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(nèi)嵌大量物性數(shù)據(jù)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(fā)展成為高?；ゎ悓I(yè)教育中工程設計與畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)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(nèi)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(lián)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(yè)是國民經(jīng)濟重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，化工生產(chǎn)屬于過程工業(yè)范疇，因此我國高?；ゎ悓I(yè)教育應以系統(tǒng)工程觀點，注重化工過程設計、分析與合成等教學內(nèi)容。畢業(yè)設計是高?；ゎ悓I(yè)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(yè)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(yè)學生應當注重基礎理論知識與現(xiàn)代設計方法的并重學習，才能達到國際化工類專業(yè)教育工程認證的各項要求與標準。