“化工過程分析與合成” 課程教學(xué)模式改革探討

殷 霞，杜治平，丁一剛，高家俊，金 放，閆志國，汪鐵林

（武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430205）

化工過程分析與合成是在化學(xué)工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、過程控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興的、融合性較強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科[1]，主要運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化思想、方法和手段對(duì)過程系統(tǒng)進(jìn)行全局模擬分析和診斷，目前在解決化工生產(chǎn)的節(jié)能降耗問題上已顯示出較大潛力?！盎み^程分析與合成”課程的教學(xué)，對(duì)于化工類專業(yè)學(xué)生化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝優(yōu)化能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，該課程已列入2018 年化工與制藥類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)（化工類）的核心課程體系。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，在掌握基本概念的基礎(chǔ)上，應(yīng)能夠掌握化工過程系統(tǒng)模型的建立、求解、優(yōu)化等基本方法，具備科學(xué)合理解決化工過程系統(tǒng)最優(yōu)化等實(shí)際問題的能力。

工程類學(xué)科本質(zhì)上應(yīng)注重復(fù)雜工程問題的實(shí)際解決能力。一般的化工過程分析與合成教材為闡明基本原理和確保體系的完整性，會(huì)用大量篇幅講解抽象的化工單元數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜的求解算法[2-4]。學(xué)生的學(xué)習(xí)以及教師的授課往往專注于數(shù)學(xué)模型和算法，而通過數(shù)學(xué)建模來解決現(xiàn)實(shí)優(yōu)化決策問題這一課程的本質(zhì)目的，卻被忽略了。目前，很多教師意識(shí)到這種 “數(shù)學(xué)式” 教學(xué)模式的缺陷，試圖探索案例教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，這在一定程度上增強(qiáng)了教學(xué)的實(shí)踐性、互動(dòng)性和趣味性，但也逐漸暴露出一些問題與不足。

復(fù)雜化工流程案例的建模優(yōu)化問題，常涉及大型非線性常微分方程組的求解，需借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件來完成。若案例教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立進(jìn)行，難免使案例教學(xué)止步于模型的初步建立及定性分析，至于模型仿真的有效性及操作條件變化對(duì)決策結(jié)果的影響，都無從知曉，教學(xué)效果大打折扣[5-6]。而作為獨(dú)立教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，以讓學(xué)生掌握現(xiàn)代化工流程模擬軟件的操作方法為目的，學(xué)生所用的課本例題，內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單、機(jī)械，缺乏互動(dòng)性和挑戰(zhàn)性，學(xué)生對(duì)上機(jī)失去新鮮感后就難免出現(xiàn)應(yīng)付心態(tài)。

針對(duì)上述兩種教學(xué)模式存在的問題和不足，并經(jīng)過在教學(xué)實(shí)踐中的不斷探索，筆者將科研項(xiàng)目成果中的 “雙塔變壓精餾（PSD）分離甲醇-DMC 共沸物的多目標(biāo)優(yōu)化” 項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，同時(shí)借助現(xiàn)代化工模擬軟件Aspen Plus 對(duì)其進(jìn)行模擬優(yōu)化，進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，逐步形成了一套案例教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)一體化的教學(xué)模式。旨在引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)化工基礎(chǔ)知識(shí)，運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化思想、方法和手段，進(jìn)行過程系統(tǒng)的分析合成與決策，提高學(xué)生解決復(fù)雜化工流程模擬優(yōu)化或老裝置改造等實(shí)際問題的能力。

1 工藝原理介紹

碳酸二甲酯（DMC）是一種常用的環(huán)境友好型化學(xué)試劑，具有無毒、可生物降解等特性。目前，其多條工業(yè)合成路線[7-10]都會(huì)生成甲醇-DMC 最低共沸物（常壓共沸溫度63.7 ℃，共沸組成甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%），而這一生成物難以進(jìn)一步分離為純DMC 和甲醇產(chǎn)品，形成新的經(jīng)濟(jì)效益。但PSD 工藝?yán)眉状?DMC 體系共沸溫度和組成對(duì)操作壓力的敏感性，能夠?qū)崿F(xiàn)二者的完全分離。如圖1 所示，當(dāng)壓力為0.1 MPa時(shí)，甲醇共沸組成為0.70，而1.0 MPa 時(shí)為0.98，甲醇共沸組成出現(xiàn)了明顯偏移，從而為采用PSD 工藝分離獲取純甲醇和DMC 產(chǎn)品提供了可能。

圖1 甲醇-DMC 共沸體系變壓相平衡圖

2 過程系統(tǒng)建模

在Aspen Plus 軟件中構(gòu)建典型PSD 工藝過程的穩(wěn)態(tài)模型[11]，如圖2 所示。其中，進(jìn)料流股FEED 為25 ℃、0.12 MPa、1 000 kg/h，甲醇40 wt%，DMC 60 wt%，共沸物相行為采用NRTL 活度系數(shù)模型描述。高壓塔（HP）和低壓塔（LP）采用RadFrac 模塊建模，其操作參數(shù)初值如表1 所示。

圖2 甲醇-DMC 共沸體系PSD 工藝穩(wěn)態(tài)模型

表1 PSD 工藝塔設(shè)備參數(shù)初值

3 過程系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

運(yùn)用Aspen Plus 中的靈敏度分析工具，考察典型的精餾塔結(jié)構(gòu)參數(shù)，如總理論板數(shù)（NSTAGE）和進(jìn)料板數(shù)（NF），對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)定（產(chǎn)品純度）和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響，從而確定較優(yōu)的塔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

設(shè)定高壓塔塔釜DMC 產(chǎn)品與低壓塔塔釜甲醇產(chǎn)品純度需求均為99.8 wt%，得到優(yōu)化的HP 塔和LP塔總理論板數(shù)分別為28 塊和39 塊（如圖3 所示）。

由圖4 可知，綜合分析塔釜產(chǎn)品達(dá)到99.8 wt%與塔釜再沸器熱負(fù)荷較小兩個(gè)指標(biāo)，可得到優(yōu)化的HP塔和LP 塔進(jìn)料塔板數(shù)分別為15 塊和9 塊。

圖3 總理論板數(shù)對(duì)產(chǎn)品純度及再沸器熱負(fù)荷的影響

圖4 進(jìn)料板數(shù)對(duì)產(chǎn)品純度和再沸器熱負(fù)荷的影響

3.2 過程系統(tǒng)操作參數(shù)優(yōu)化

考察典型的精餾塔操作參數(shù)回流比（RR）對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)定（產(chǎn)品純度）和塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響，從而確定較優(yōu)的塔操作參數(shù)。由圖5 可知，結(jié)合塔釜產(chǎn)品99.8 wt%的指標(biāo)，可得到優(yōu)化的HP 塔和LP 塔回流比分別為2 和5.5。

圖5 回流比對(duì)產(chǎn)品純度及再沸器熱負(fù)荷的影響

3.3 過程系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化

在Model Analysis Tools 中新建編號(hào)為O-1 的優(yōu)化項(xiàng)目[12]，在O-1 項(xiàng)目的Input、Define 欄中分別定義：FM 為原料質(zhì)量流量（kg/s），B1M 為高壓塔塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量（kg/s），B2M 為低壓塔塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量（kg/s），QREBHP、QREBLP 分別為高壓塔、低壓塔再沸器熱負(fù)荷（kJ/s），各參數(shù)定義如表2 所示。

同時(shí)，在Objective & Constraints 欄中定義年總利潤最大化函數(shù)PROFIT，并在Fortran 欄中編寫優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：PROFIT= 60*60*8000/10 000*(B2M*2+B1M*5-0.5*FM-QREBHP*8.57*e-5-QREBLP*7.22*e-5)，其編寫依據(jù)如表3 所示。

表2 相關(guān)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

表3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)編制依據(jù)

對(duì)比表3 中優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)年總利潤目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化后，產(chǎn)品采出增大，系統(tǒng)總耗能反而降低，年總利潤增大80.8 萬元/年，充分說明過程系統(tǒng)模擬優(yōu)化技術(shù)對(duì)系統(tǒng)增潛挖效的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 一體化教學(xué)模式改革

通過在教學(xué)過程中的不斷探索與嘗試，實(shí)現(xiàn)了案例教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)一體化的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)長避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。現(xiàn)以教學(xué)流程為主線，闡明各階段教學(xué)任務(wù)以及教師和學(xué)生各自的角色分工，如圖6所示。

在上述教學(xué)流程基礎(chǔ)上，對(duì)于案例教學(xué)，需在“化工過程分析與合成” 課程緒論中引入PSD 工藝案例，并隨著課程后續(xù)對(duì)過程系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、自由度分析、系統(tǒng)分解與斷裂等基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解，讓學(xué)生深入分析該工藝案例，并輔以提問、小測(cè)試或討論等教學(xué)設(shè)計(jì)，組織學(xué)生分組進(jìn)行積分PK 賽。

在上機(jī)實(shí)驗(yàn)方面，應(yīng)用Aspen Plus 軟件建立工藝模型，讓學(xué)生形象、直觀體會(huì)“化工過程分析與合成”課程的系統(tǒng)分解與斷裂結(jié)果，通過變換收斂算法及是否規(guī)定斷裂流等，讓學(xué)生體會(huì)這些條件對(duì)全流程模擬結(jié)果的影響。同時(shí)，通過對(duì)案例中的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和年總利潤三個(gè)層次的優(yōu)化過程，讓學(xué)生理解過程系統(tǒng)優(yōu)化的內(nèi)涵，逐步提高運(yùn)用流程模擬軟件解決實(shí)際過程最優(yōu)化問題的能力。最后，通過小組完成時(shí)間、作品質(zhì)量和平時(shí)PK 賽積分，進(jìn)行小組評(píng)分，并根據(jù)組內(nèi)互評(píng)結(jié)果，進(jìn)行組內(nèi)各成員評(píng)分。

圖6 PSD 工藝案例教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)一體化流程圖

5 結(jié)語

將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用“化工過程分析與合成” 課程各章節(jié)所學(xué)知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行深入分析。在此基礎(chǔ)上，通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)該過程的系統(tǒng)建模、求解及多目標(biāo)優(yōu)化，通過對(duì)PSD 工藝的塔結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和年總利潤的三層次優(yōu)化過程，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)過程系統(tǒng)優(yōu)化的內(nèi)涵，逐步提高運(yùn)用流程模擬軟件解決實(shí)際問題最優(yōu)化問題的能力。

本文的案例教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)模式，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)獨(dú)立案例教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)的不足。同時(shí)，通過組間PK 賽、組內(nèi)互評(píng)等教學(xué)設(shè)計(jì)，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性與教學(xué)的趣味性，促進(jìn)學(xué)生解決工程實(shí)際問題和科研問題能力的提高，也為 “化工過程分析與合成” 課程教學(xué)模式改革提供了新的思路。