計(jì)算機(jī)輔助化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

楊宇軒，熊 英，單煒軍，姜 毅，洪 梅，矣 杰

（遼寧大學(xué)，遼寧 沈陽 110036）

化工原理課程是化工相關(guān)專業(yè)必修的一門綜合性的基礎(chǔ)課程，該課程一般開設(shè)在高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理及物理化學(xué)等課程之后，學(xué)生只有在掌握了一定的基礎(chǔ)之后才能更好地理解或者解決化工原理中的復(fù)雜問題。而化工原理實(shí)驗(yàn)則是理論與實(shí)踐的連接橋梁，以基本的單元操作、設(shè)備、流程為主要內(nèi)容，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)來強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐操作能力和工程能力。傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)由于受限于場地、設(shè)備及資金等問題，并不能給學(xué)生搭建完整的生產(chǎn)工藝全流程幫助學(xué)生了解真實(shí)的工程問題，建立工程意識(shí)。大部分高校的化工原理實(shí)驗(yàn)基本都是一些簡單且小型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，但是這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力幫助有限。

計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展促進(jìn)了化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路及教學(xué)方式方法的創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)軟件圖片和文字處理效率高，流程模擬可靠，數(shù)據(jù)分析能力強(qiáng)等特點(diǎn)使得其在化學(xué)化工相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通用流程模擬軟件 Aspen plus及數(shù)值分析軟件Matlab已經(jīng)在化學(xué)化工中應(yīng)用廣泛，其中Aspen plus強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫能夠支持復(fù)雜的工藝流程模擬，Matlab軟件可以解決復(fù)雜的計(jì)算問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，但是如果要進(jìn)行流程優(yōu)化，必須要在成功地流程模擬后再輔以相應(yīng)的智能優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。本文主要介紹了Aspenplus、Matlab、智能優(yōu)化算法的功能特點(diǎn)，在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以及以Matlab為平臺(tái)，聯(lián)合Aspenplus和智能優(yōu)化算法進(jìn)行全流程的模擬和優(yōu)化。

1 Aspen plus軟件、Matlab軟件和智能優(yōu)化算法概述

1.1 Aspen plus軟件

AspenPlus軟件是于20世紀(jì)70年代由麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的大型通用流程模擬系統(tǒng)，被美國 AspenTech公司推向市場后被稱為AspenPlus軟件。歷經(jīng)多年發(fā)展，Aspen Plus軟件現(xiàn)在已經(jīng)具備完備的物性數(shù)據(jù)，目前該軟件不僅可以用于完成流體輸送、傳熱、精餾及吸收等基礎(chǔ)化工單元操作模塊的模擬，而且可以實(shí)現(xiàn)全流程的模擬。而且AspenPlus設(shè)有靈敏度分析，可以幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，強(qiáng)化化工原理理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)前完成指定的實(shí)驗(yàn)的流程模擬工作，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且模擬結(jié)果能夠指導(dǎo)學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，故近年來已有眾多高校將AspenPlus軟件作為化工原理實(shí)驗(yàn)課程的輔助教學(xué)軟件。

1.2 Matlab軟件

Matlab軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的一款可以應(yīng)用于工程計(jì)算的數(shù)值分析軟件，該軟件擁有大量的計(jì)算算法及數(shù)百個(gè)涉及工程計(jì)算的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，能夠支持用戶完成各種復(fù)雜的計(jì)算，在工程計(jì)算中應(yīng)用廣泛。Matlab軟件內(nèi)置計(jì)算函數(shù)都經(jīng)過了優(yōu)化和容錯(cuò)處理，而且軟件指令易學(xué)易用，Matlab語言相較于C語言解決計(jì)算問題需要的編程工作量會(huì)少很多。

1.3 智能優(yōu)化算法

優(yōu)化問題是指在滿足一系列的約束條件下，在大量的方案或可選擇的變量中尋找最佳的方案或變量值，以使得某個(gè)或多個(gè)目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，或使系統(tǒng)的某些性能指標(biāo)達(dá)到最大值或最小值。優(yōu)化方法是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，綜合其他學(xué)科知識(shí)及編程技術(shù)求解各種優(yōu)化問題的應(yīng)用技術(shù)。受到人類智能以及大自然現(xiàn)象規(guī)律的一些啟發(fā)，人們開發(fā)出了很多智能優(yōu)化算法來解決各種領(lǐng)域涉及的優(yōu)化問題，主要包括：模仿大自然界生物進(jìn)化機(jī)制的遺傳算法；模擬鳥群和魚群群體行為的粒子群算法；模擬動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等等。

2 Aspen plus軟件、Matlab軟件在化工原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 Aspen Plus軟件在化工原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

學(xué)生利用Aspen Plus軟件可以完成流體輸送、傳熱、吸收、精餾和萃取等化工基礎(chǔ)單元的模擬和指定生產(chǎn)工藝的全流程模擬。張春勇[1]等闡述了Aspen Plus在傳熱、吸收和精餾等模塊的流程模擬中的應(yīng)用。霍月洋[2]等以乙醇-正丙醇精餾分離實(shí)驗(yàn)為例分析了Aspen Plus在化工原理實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用，將流程模擬軟件與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，模擬結(jié)果還能指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理。靳苗苗[3]等提出引入Aspen Plus軟件輔助化工原理課程教學(xué)可以助力理論基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，Aspen Plus強(qiáng)大的物性數(shù)據(jù)庫可支持學(xué)生進(jìn)行物化性質(zhì)的模擬，而物性方法對于模擬結(jié)果是否接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵性作用，對物性方法的探究可以強(qiáng)化學(xué)生關(guān)于熱力學(xué)的學(xué)習(xí)，Aspen Plus能夠支持學(xué)生完成工程實(shí)例模擬而且能夠助力化工原理課程的雙語教學(xué)及化工設(shè)計(jì)大賽。化工原理課程教學(xué)與Aspen Plus相結(jié)合可以培養(yǎng)出更多具有國際視野的化工類復(fù)合應(yīng)用型人才。

2.2 Matlab軟件在化工原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

化工原理課程及化工原理實(shí)驗(yàn)通常涉及大量復(fù)雜的操控型和設(shè)計(jì)型計(jì)算，計(jì)算涉及公式繁多，而且經(jīng)常需要求解非線性方程和方程組，不可避免的需要解決迭代計(jì)算，賦初值等問題。如此龐大的計(jì)算必須要通過計(jì)算機(jī)完成，傳統(tǒng)的編程語言如VB、C、C++等語言都需要具備一定的編程能力，編程工作煩瑣難度高。Matlab軟件是一款高性能數(shù)值計(jì)算軟件，該軟件集合了大量的算法和眾多的工程運(yùn)算函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜計(jì)算功能。Matlab軟件語言簡單，編程快捷，運(yùn)算符、內(nèi)部函數(shù)極為豐富，該軟件上手容易，易學(xué)易用，能夠方便化工人員解決化工原理中的復(fù)雜計(jì)算問題。葉鶴琳[4]等將Matlab軟件應(yīng)用于流體流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中，結(jié)果顯示Matlab數(shù)據(jù)處理得當(dāng)，而且能夠方便快捷的繪制分析圖表，數(shù)據(jù)處理及討論分析更加直觀。楊金杯[5]等通過實(shí)例分析了Matlab軟件在化工原理的流體輸送、傳熱、吸收、萃取和精餾等基礎(chǔ)單元操作及設(shè)計(jì)計(jì)算的應(yīng)用，應(yīng)用實(shí)例顯示該軟件能夠幫助學(xué)生有效解決化工原理的計(jì)算問題。黃華江[6]編著的《實(shí)用化工計(jì)算機(jī)模擬—MATLAB在化學(xué)工程中的應(yīng)用》中介紹了Matlab軟件在復(fù)雜化工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，并且提供了計(jì)算源代碼。

3 Aspen plus、Matlab與智能優(yōu)化算法聯(lián)合應(yīng)用于化工單元操作過程優(yōu)化

AspenPlus作為傳統(tǒng)流程模擬軟件可以實(shí)現(xiàn)化工基礎(chǔ)單元及化工全流程的模擬和個(gè)別的操作參數(shù)的優(yōu)化及數(shù)據(jù)處理分析，但是化工過程的操作參數(shù)具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此Aspen Plus并不能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，欲實(shí)現(xiàn)化工單元及化工流程的多目標(biāo)優(yōu)化，我們必須要輔以智能優(yōu)化算法，Matlab軟件則是AspenPlus軟件與智能優(yōu)化算法的連接橋梁，具體優(yōu)化流程圖如圖1所示：

圖1 化工工藝過程優(yōu)化流程圖

Aspen Plus軟件本身也具有很強(qiáng)的拓展性，能夠支持Active X技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件的連接及自動(dòng)控制，同時(shí)也滿足CAPE-OPEN接口規(guī)范，允許軟件或組件之間互相兼容并相互調(diào)用，因此很多用戶為了解決復(fù)雜的流程計(jì)算問題將AspenPlus軟件與其他軟件聯(lián)合應(yīng)用[7]。Matlab軟件就是通過ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩款軟件的交互。首先在Aspen Plus中建立流程模擬文件，文件保存為bkp格式。然后在Matlab軟件中通過uigetfile命令讀取該bkp文件，并通過actserver命令建立ActiveX對象，兩款軟件便可成功連接起來。在兩款軟件實(shí)現(xiàn)交互后，Aspen Plus軟件則作為Matlab的后臺(tái)軟件，用戶可以通過Matlab獲取流程模擬的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可以對流程模擬進(jìn)行賦值。如果在這個(gè)過程中能夠確定優(yōu)化目標(biāo)，確定可調(diào)參數(shù)，那么就可以直接將得到的流程模擬作為一個(gè)黑箱子，我們通過智能優(yōu)化算法不斷地調(diào)整工藝參數(shù)，賦值給黑箱子，然后經(jīng)過多次迭代收斂計(jì)算，就可以得到最優(yōu)的操作參數(shù)。

化工流程模擬是工藝優(yōu)化和輔助流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而將Aspen plus、Matlab與智能優(yōu)化算法聯(lián)合是實(shí)現(xiàn)化工流程全局優(yōu)化的重要途徑之一。其實(shí)，智能優(yōu)化算法應(yīng)用于傳統(tǒng)工藝流程模擬過程優(yōu)化早有研究，而且很多優(yōu)化工作已經(jīng)用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。朱春夢[8]等以天然氣脫碳工藝過程為研究對象，基于Aspen HYSYS的接口實(shí)現(xiàn)脫碳工藝模擬與粒子群優(yōu)化算法的聯(lián)合，通過粒子群優(yōu)化計(jì)算得到的天然氣脫碳穩(wěn)態(tài)流程模擬操作工藝，最終使凈化氣中CO2含量從0.16mol%降低到0.05mol%，同時(shí)每年能量消耗成本降低約12.96%。該實(shí)例可推廣至實(shí)際生產(chǎn)過程的全局優(yōu)化問題中。熊俊文[9]等建立了石化生產(chǎn)中催化裂化分餾塔的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，其結(jié)果表明該工藝若選擇優(yōu)化計(jì)算到的最佳操作條件，就可以保證分餾塔重石腦油流量和輕柴油流量同時(shí)最優(yōu)。盧海等[10]模擬了吸收塔聯(lián)合精餾塔進(jìn)行丙酮回收的過程，并且將系統(tǒng)冷負(fù)荷最小和丙酮回收率最大兩個(gè)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合AspenPlus的模擬流程采用并行多家族遺傳算法，以更快的收斂速度求得了最優(yōu)參數(shù)。楊宇軒等[11]以低溫甲醇洗工藝為例，利用Aspen Plus完成了低溫甲醇洗的全工藝流程模擬，將關(guān)鍵性的9個(gè)操作參數(shù)作為輸入值，將總公用工程能耗最低作為目標(biāo)值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了低溫甲醇洗工藝的復(fù)雜函數(shù)，通過Matlab編程，利用列隊(duì)競爭算法對該工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，將優(yōu)化參數(shù)反饋Aspen Plus，證實(shí)優(yōu)化后的工藝流程確實(shí)將能耗大幅度降低。

近年新工科的建設(shè)目標(biāo)對化工領(lǐng)域?qū)W生的培養(yǎng)提出了更高的要求。目前，我國化工類專業(yè)學(xué)生存在的主要問題就是設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力不足，該問題主要源于目前教育的理念依舊是重課堂教學(xué)、輕實(shí)踐教學(xué)。因此，畢業(yè)生通常缺乏工程意識(shí)，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足、實(shí)操能力弱。這與“新工科”的理念與內(nèi)涵相距甚遠(yuǎn)。為加強(qiáng)工程教育，提升學(xué)生工程能力，化工協(xié)會(huì)聯(lián)合多個(gè)部門推出了化工原理大賽、化工設(shè)計(jì)大賽。全國化工相關(guān)專業(yè)高校近年都在積極參與，可以說選手之間，團(tuán)隊(duì)之間較量也是越來越激烈，新的發(fā)展形勢要求我們必須培養(yǎng)出更高素質(zhì)的化工專業(yè)人才，不僅需要具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，還需具備實(shí)踐能力，分析問題解決問題的能力，以及工程意識(shí)和大局觀。因此化工專業(yè)相關(guān)學(xué)生需要通過流程模擬建立起全流程的概念，同時(shí)引入Matlab和智能優(yōu)化算法強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)據(jù)處理分析能力，并且建立優(yōu)化意識(shí)。能夠以最低的成本，最小的環(huán)境負(fù)擔(dān)，得到最優(yōu)的產(chǎn)品，獲取最大的利潤應(yīng)該是每個(gè)工程人員及產(chǎn)品工藝追求的終極目標(biāo)。以計(jì)算機(jī)輔助傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，正是踐行了新工科注重人才全面發(fā)展與多學(xué)科融合的教育理念，改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，創(chuàng)新教育教學(xué)方法方可培養(yǎng)出符合時(shí)代發(fā)展與產(chǎn)業(yè)行業(yè)要求的新工科人才。