計算機輔助化工原理實驗教學的研究

楊宇軒，熊 英，單煒軍，姜 毅，洪 梅，矣 杰

（遼寧大學，遼寧 沈陽 110036）

化工原理課程是化工相關專業必修的一門綜合性的基礎課程，該課程一般開設在高等數學、大學物理及物理化學等課程之后，學生只有在掌握了一定的基礎之后才能更好地理解或者解決化工原理中的復雜問題。而化工原理實驗則是理論與實踐的連接橋梁，以基本的單元操作、設備、流程為主要內容，經由實驗來強化學生的實踐操作能力和工程能力。傳統的化工原理實驗由于受限于場地、設備及資金等問題，并不能給學生搭建完整的生產工藝全流程幫助學生了解真實的工程問題，建立工程意識。大部分高校的化工原理實驗基本都是一些簡單且小型的驗證性實驗，但是這些實驗教學對于培養學生的工程能力幫助有限。

計算機的飛速發展促進了化工原理實驗教學思路及教學方式方法的創新，計算機軟件圖片和文字處理效率高，流程模擬可靠，數據分析能力強等特點使得其在化學化工相關領域得到了廣泛的應用。通用流程模擬軟件 Aspen plus及數值分析軟件Matlab已經在化學化工中應用廣泛，其中Aspen plus強大的數據庫能夠支持復雜的工藝流程模擬，Matlab軟件可以解決復雜的計算問題，而且能夠實現數據可視化，但是如果要進行流程優化，必須要在成功地流程模擬后再輔以相應的智能優化算法進行優化計算。本文主要介紹了Aspenplus、Matlab、智能優化算法的功能特點，在化工原理實驗教學中的應用，以及以Matlab為平臺，聯合Aspenplus和智能優化算法進行全流程的模擬和優化。

1 Aspen plus軟件、Matlab軟件和智能優化算法概述

1.1 Aspen plus軟件

AspenPlus軟件是于20世紀70年代由麻省理工學院（MIT）開發的大型通用流程模擬系統，被美國 AspenTech公司推向市場后被稱為AspenPlus軟件。歷經多年發展，Aspen Plus軟件現在已經具備完備的物性數據，目前該軟件不僅可以用于完成流體輸送、傳熱、精餾及吸收等基礎化工單元操作模塊的模擬，而且可以實現全流程的模擬。而且AspenPlus設有靈敏度分析，可以幫助學生進行實驗結果的分析討論，強化化工原理理論知識的學習。學生實驗前完成指定的實驗的流程模擬工作，不僅可以提高學生的學習興趣，而且模擬結果能夠指導學生更好地完成實驗及實驗數據處理，故近年來已有眾多高校將AspenPlus軟件作為化工原理實驗課程的輔助教學軟件。

1.2 Matlab軟件

Matlab軟件是由美國MathWorks公司開發的一款可以應用于工程計算的數值分析軟件，該軟件擁有大量的計算算法及數百個涉及工程計算的數學運算函數，能夠支持用戶完成各種復雜的計算，在工程計算中應用廣泛。Matlab軟件內置計算函數都經過了優化和容錯處理，而且軟件指令易學易用，Matlab語言相較于C語言解決計算問題需要的編程工作量會少很多。

1.3 智能優化算法

優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，以使得某個或多個目標達到最優，或使系統的某些性能指標達到最大值或最小值。優化方法是以數學為基礎，綜合其他學科知識及編程技術求解各種優化問題的應用技術。受到人類智能以及大自然現象規律的一些啟發，人們開發出了很多智能優化算法來解決各種領域涉及的優化問題，主要包括：模仿大自然界生物進化機制的遺傳算法；模擬鳥群和魚群群體行為的粒子群算法；模擬動物神經網絡行為特征的神經網絡算法等等。

2 Aspen plus軟件、Matlab軟件在化工原理實驗中的應用

2.1 Aspen Plus軟件在化工原理實驗中的應用

學生利用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單元的模擬和指定生產工藝的全流程模擬。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用。霍月洋[2]等以乙醇-正丙醇精餾分離實驗為例分析了Aspen Plus在化工原理實驗課程中的應用，將流程模擬軟件與傳統的實驗教學相結合，不僅可以提升學生的學習興趣，模擬結果還能指導學生的實驗操作和數據處理。靳苗苗[3]等提出引入Aspen Plus軟件輔助化工原理課程教學可以助力理論基礎課程的學習，Aspen Plus強大的物性數據庫可支持學生進行物化性質的模擬，而物性方法對于模擬結果是否接近實驗數據具有關鍵性作用，對物性方法的探究可以強化學生關于熱力學的學習，Aspen Plus能夠支持學生完成工程實例模擬而且能夠助力化工原理課程的雙語教學及化工設計大賽。化工原理課程教學與Aspen Plus相結合可以培養出更多具有國際視野的化工類復合應用型人才。

2.2 Matlab軟件在化工原理實驗中的應用

化工原理課程及化工原理實驗通常涉及大量復雜的操控型和設計型計算，計算涉及公式繁多，而且經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算，賦初值等問題。如此龐大的計算必須要通過計算機完成，傳統的編程語言如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值計算軟件，該軟件集合了大量的算法和眾多的工程運算函數，能夠實現各種復雜計算功能。Matlab軟件語言簡單，編程快捷，運算符、內部函數極為豐富，該軟件上手容易，易學易用，能夠方便化工人員解決化工原理中的復雜計算問題。葉鶴琳[4]等將Matlab軟件應用于流體流動阻力實驗的數據處理中，結果顯示Matlab數據處理得當，而且能夠方便快捷的繪制分析圖表，數據處理及討論分析更加直觀。楊金杯[5]等通過實例分析了Matlab軟件在化工原理的流體輸送、傳熱、吸收、萃取和精餾等基礎單元操作及設計計算的應用，應用實例顯示該軟件能夠幫助學生有效解決化工原理的計算問題。黃華江[6]編著的《實用化工計算機模擬—MATLAB在化學工程中的應用》中介紹了Matlab軟件在復雜化工實驗數據處理中的應用，并且提供了計算源代碼。

3 Aspen plus、Matlab與智能優化算法聯合應用于化工單元操作過程優化

AspenPlus作為傳統流程模擬軟件可以實現化工基礎單元及化工全流程的模擬和個別的操作參數的優化及數據處理分析，但是化工過程的操作參數具有多樣性和復雜性的特點，因此Aspen Plus并不能實現多目標優化，欲實現化工單元及化工流程的多目標優化，我們必須要輔以智能優化算法，Matlab軟件則是AspenPlus軟件與智能優化算法的連接橋梁，具體優化流程圖如圖1所示：

圖1 化工工藝過程優化流程圖

Aspen Plus軟件本身也具有很強的拓展性，能夠支持Active X技術實現軟件的連接及自動控制，同時也滿足CAPE-OPEN接口規范，允許軟件或組件之間互相兼容并相互調用，因此很多用戶為了解決復雜的流程計算問題將AspenPlus軟件與其他軟件聯合應用[7]。Matlab軟件就是通過ActiveX技術實現了兩款軟件的交互。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。在兩款軟件實現交互后，Aspen Plus軟件則作為Matlab的后臺軟件，用戶可以通過Matlab獲取流程模擬的數據信息，同時可以對流程模擬進行賦值。如果在這個過程中能夠確定優化目標，確定可調參數，那么就可以直接將得到的流程模擬作為一個黑箱子，我們通過智能優化算法不斷地調整工藝參數，賦值給黑箱子，然后經過多次迭代收斂計算，就可以得到最優的操作參數。

化工流程模擬是工藝優化和輔助流程設計的關鍵，而將Aspen plus、Matlab與智能優化算法聯合是實現化工流程全局優化的重要途徑之一。其實，智能優化算法應用于傳統工藝流程模擬過程優化早有研究，而且很多優化工作已經用于指導實際生產。朱春夢[8]等以天然氣脫碳工藝過程為研究對象，基于Aspen HYSYS的接口實現脫碳工藝模擬與粒子群優化算法的聯合，通過粒子群優化計算得到的天然氣脫碳穩態流程模擬操作工藝，最終使凈化氣中CO2含量從0.16mol%降低到0.05mol%，同時每年能量消耗成本降低約12.96%。該實例可推廣至實際生產過程的全局優化問題中。熊俊文[9]等建立了石化生產中催化裂化分餾塔的多目標優化函數，并利用遺傳算法進行優化求解，其結果表明該工藝若選擇優化計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最優。盧海等[10]模擬了吸收塔聯合精餾塔進行丙酮回收的過程，并且將系統冷負荷最小和丙酮回收率最大兩個指標作為優化目標，結合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參數。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，將關鍵性的9個操作參數作為輸入值，將總公用工程能耗最低作為目標值，利用BP神經網絡構建了低溫甲醇洗工藝的復雜函數，通過Matlab編程，利用列隊競爭算法對該工藝流程進行了優化，將優化參數反饋Aspen Plus，證實優化后的工藝流程確實將能耗大幅度降低。

近年新工科的建設目標對化工領域學生的培養提出了更高的要求。目前，我國化工類專業學生存在的主要問題就是設計與實踐能力不足，該問題主要源于目前教育的理念依舊是重課堂教學、輕實踐教學。因此，畢業生通常缺乏工程意識，工程實踐經驗不足、實操能力弱。這與“新工科”的理念與內涵相距甚遠。為加強工程教育，提升學生工程能力，化工協會聯合多個部門推出了化工原理大賽、化工設計大賽。全國化工相關專業高校近年都在積極參與，可以說選手之間，團隊之間較量也是越來越激烈，新的發展形勢要求我們必須培養出更高素質的化工專業人才，不僅需要具備扎實的基礎知識，還需具備實踐能力，分析問題解決問題的能力，以及工程意識和大局觀。因此化工專業相關學生需要通過流程模擬建立起全流程的概念，同時引入Matlab和智能優化算法強化學生的數據處理分析能力，并且建立優化意識。能夠以最低的成本，最小的環境負擔，得到最優的產品，獲取最大的利潤應該是每個工程人員及產品工藝追求的終極目標。以計算機輔助傳統的化工原理實驗教學，正是踐行了新工科注重人才全面發展與多學科融合的教育理念，改變傳統的實驗教學模式，創新教育教學方法方可培養出符合時代發展與產業行業要求的新工科人才。