计算机辅助化工原理实验教学的研究

杨宇轩，熊 英，单炜军，姜 毅，洪 梅，矣 杰

（辽宁大学，辽宁 沈阳 110036）

化工原理课程是化工相关专业必修的一门综合性的基础课程，该课程一般开设在高等数学、大学物理及物理化学等课程之后，学生只有在掌握了一定的基础之后才能更好地理解或者解决化工原理中的复杂问题。而化工原理实验则是理论与实践的连接桥梁，以基本的单元操作、设备、流程为主要内容，经由实验来强化学生的实践操作能力和工程能力。传统的化工原理实验由于受限于场地、设备及资金等问题，并不能给学生搭建完整的生产工艺全流程帮助学生了解真实的工程问题，建立工程意识。大部分高校的化工原理实验基本都是一些简单且小型的验证性实验，但是这些实验教学对于培养学生的工程能力帮助有限。

计算机的飞速发展促进了化工原理实验教学思路及教学方式方法的创新，计算机软件图片和文字处理效率高，流程模拟可靠，数据分析能力强等特点使得其在化学化工相关领域得到了广泛的应用。通用流程模拟软件 Aspen plus及数值分析软件Matlab已经在化学化工中应用广泛，其中Aspen plus强大的数据库能够支持复杂的工艺流程模拟，Matlab软件可以解决复杂的计算问题，而且能够实现数据可视化，但是如果要进行流程优化，必须要在成功地流程模拟后再辅以相应的智能优化算法进行优化计算。本文主要介绍了Aspenplus、Matlab、智能优化算法的功能特点，在化工原理实验教学中的应用，以及以Matlab为平台，联合Aspenplus和智能优化算法进行全流程的模拟和优化。

1 Aspen plus软件、Matlab软件和智能优化算法概述

1.1 Aspen plus软件

AspenPlus软件是于20世纪70年代由麻省理工学院（MIT）开发的大型通用流程模拟系统，被美国 AspenTech公司推向市场后被称为AspenPlus软件。历经多年发展，Aspen Plus软件现在已经具备完备的物性数据，目前该软件不仅可以用于完成流体输送、传热、精馏及吸收等基础化工单元操作模块的模拟，而且可以实现全流程的模拟。而且AspenPlus设有灵敏度分析，可以帮助学生进行实验结果的分析讨论，强化化工原理理论知识的学习。学生实验前完成指定的实验的流程模拟工作，不仅可以提高学生的学习兴趣，而且模拟结果能够指导学生更好地完成实验及实验数据处理，故近年来已有众多高校将AspenPlus软件作为化工原理实验课程的辅助教学软件。

1.2 Matlab软件

Matlab软件是由美国MathWorks公司开发的一款可以应用于工程计算的数值分析软件，该软件拥有大量的计算算法及数百个涉及工程计算的数学运算函数，能够支持用户完成各种复杂的计算，在工程计算中应用广泛。Matlab软件内置计算函数都经过了优化和容错处理，而且软件指令易学易用，Matlab语言相较于C语言解决计算问题需要的编程工作量会少很多。

1.3 智能优化算法

优化问题是指在满足一系列的约束条件下，在大量的方案或可选择的变量中寻找最佳的方案或变量值，以使得某个或多个目标达到最优，或使系统的某些性能指标达到最大值或最小值。优化方法是以数学为基础，综合其他学科知识及编程技术求解各种优化问题的应用技术。受到人类智能以及大自然现象规律的一些启发，人们开发出了很多智能优化算法来解决各种领域涉及的优化问题，主要包括：模仿大自然界生物进化机制的遗传算法；模拟鸟群和鱼群群体行为的粒子群算法；模拟动物神经网络行为特征的神经网络算法等等。

2 Aspen plus软件、Matlab软件在化工原理实验中的应用

2.1 Aspen Plus软件在化工原理实验中的应用

学生利用Aspen Plus软件可以完成流体输送、传热、吸收、精馏和萃取等化工基础单元的模拟和指定生产工艺的全流程模拟。张春勇[1]等阐述了Aspen Plus在传热、吸收和精馏等模块的流程模拟中的应用。霍月洋[2]等以乙醇-正丙醇精馏分离实验为例分析了Aspen Plus在化工原理实验课程中的应用，将流程模拟软件与传统的实验教学相结合，不仅可以提升学生的学习兴趣，模拟结果还能指导学生的实验操作和数据处理。靳苗苗[3]等提出引入Aspen Plus软件辅助化工原理课程教学可以助力理论基础课程的学习，Aspen Plus强大的物性数据库可支持学生进行物化性质的模拟，而物性方法对于模拟结果是否接近实验数据具有关键性作用，对物性方法的探究可以强化学生关于热力学的学习，Aspen Plus能够支持学生完成工程实例模拟而且能够助力化工原理课程的双语教学及化工设计大赛。化工原理课程教学与Aspen Plus相结合可以培养出更多具有国际视野的化工类复合应用型人才。

2.2 Matlab软件在化工原理实验中的应用

化工原理课程及化工原理实验通常涉及大量复杂的操控型和设计型计算，计算涉及公式繁多，而且经常需要求解非线性方程和方程组，不可避免的需要解决迭代计算，赋初值等问题。如此庞大的计算必须要通过计算机完成，传统的编程语言如VB、C、C++等语言都需要具备一定的编程能力，编程工作烦琐难度高。Matlab软件是一款高性能数值计算软件，该软件集合了大量的算法和众多的工程运算函数，能够实现各种复杂计算功能。Matlab软件语言简单，编程快捷，运算符、内部函数极为丰富，该软件上手容易，易学易用，能够方便化工人员解决化工原理中的复杂计算问题。叶鹤琳[4]等将Matlab软件应用于流体流动阻力实验的数据处理中，结果显示Matlab数据处理得当，而且能够方便快捷的绘制分析图表，数据处理及讨论分析更加直观。杨金杯[5]等通过实例分析了Matlab软件在化工原理的流体输送、传热、吸收、萃取和精馏等基础单元操作及设计计算的应用，应用实例显示该软件能够帮助学生有效解决化工原理的计算问题。黄华江[6]编著的《实用化工计算机模拟—MATLAB在化学工程中的应用》中介绍了Matlab软件在复杂化工实验数据处理中的应用，并且提供了计算源代码。

3 Aspen plus、Matlab与智能优化算法联合应用于化工单元操作过程优化

AspenPlus作为传统流程模拟软件可以实现化工基础单元及化工全流程的模拟和个别的操作参数的优化及数据处理分析，但是化工过程的操作参数具有多样性和复杂性的特点，因此Aspen Plus并不能实现多目标优化，欲实现化工单元及化工流程的多目标优化，我们必须要辅以智能优化算法，Matlab软件则是AspenPlus软件与智能优化算法的连接桥梁，具体优化流程图如图1所示：

图1 化工工艺过程优化流程图

Aspen Plus软件本身也具有很强的拓展性，能够支持Active X技术实现软件的连接及自动控制，同时也满足CAPE-OPEN接口规范，允许软件或组件之间互相兼容并相互调用，因此很多用户为了解决复杂的流程计算问题将AspenPlus软件与其他软件联合应用[7]。Matlab软件就是通过ActiveX技术实现了两款软件的交互。首先在Aspen Plus中建立流程模拟文件，文件保存为bkp格式。然后在Matlab软件中通过uigetfile命令读取该bkp文件，并通过actserver命令建立ActiveX对象，两款软件便可成功连接起来。在两款软件实现交互后，Aspen Plus软件则作为Matlab的后台软件，用户可以通过Matlab获取流程模拟的数据信息，同时可以对流程模拟进行赋值。如果在这个过程中能够确定优化目标，确定可调参数，那么就可以直接将得到的流程模拟作为一个黑箱子，我们通过智能优化算法不断地调整工艺参数，赋值给黑箱子，然后经过多次迭代收敛计算，就可以得到最优的操作参数。

化工流程模拟是工艺优化和辅助流程设计的关键，而将Aspen plus、Matlab与智能优化算法联合是实现化工流程全局优化的重要途径之一。其实，智能优化算法应用于传统工艺流程模拟过程优化早有研究，而且很多优化工作已经用于指导实际生产。朱春梦[8]等以天然气脱碳工艺过程为研究对象，基于Aspen HYSYS的接口实现脱碳工艺模拟与粒子群优化算法的联合，通过粒子群优化计算得到的天然气脱碳稳态流程模拟操作工艺，最终使净化气中CO2含量从0.16mol%降低到0.05mol%，同时每年能量消耗成本降低约12.96%。该实例可推广至实际生产过程的全局优化问题中。熊俊文[9]等建立了石化生产中催化裂化分馏塔的多目标优化函数，并利用遗传算法进行优化求解，其结果表明该工艺若选择优化计算到的最佳操作条件，就可以保证分馏塔重石脑油流量和轻柴油流量同时最优。卢海等[10]模拟了吸收塔联合精馏塔进行丙酮回收的过程，并且将系统冷负荷最小和丙酮回收率最大两个指标作为优化目标，结合AspenPlus的模拟流程采用并行多家族遗传算法，以更快的收敛速度求得了最优参数。杨宇轩等[11]以低温甲醇洗工艺为例，利用Aspen Plus完成了低温甲醇洗的全工艺流程模拟，将关键性的9个操作参数作为输入值，将总公用工程能耗最低作为目标值，利用BP神经网络构建了低温甲醇洗工艺的复杂函数，通过Matlab编程，利用列队竞争算法对该工艺流程进行了优化，将优化参数反馈Aspen Plus，证实优化后的工艺流程确实将能耗大幅度降低。

近年新工科的建设目标对化工领域学生的培养提出了更高的要求。目前，我国化工类专业学生存在的主要问题就是设计与实践能力不足，该问题主要源于目前教育的理念依旧是重课堂教学、轻实践教学。因此，毕业生通常缺乏工程意识，工程实践经验不足、实操能力弱。这与“新工科”的理念与内涵相距甚远。为加强工程教育，提升学生工程能力，化工协会联合多个部门推出了化工原理大赛、化工设计大赛。全国化工相关专业高校近年都在积极参与，可以说选手之间，团队之间较量也是越来越激烈，新的发展形势要求我们必须培养出更高素质的化工专业人才，不仅需要具备扎实的基础知识，还需具备实践能力，分析问题解决问题的能力，以及工程意识和大局观。因此化工专业相关学生需要通过流程模拟建立起全流程的概念，同时引入Matlab和智能优化算法强化学生的数据处理分析能力，并且建立优化意识。能够以最低的成本，最小的环境负担，得到最优的产品，获取最大的利润应该是每个工程人员及产品工艺追求的终极目标。以计算机辅助传统的化工原理实验教学，正是践行了新工科注重人才全面发展与多学科融合的教育理念，改变传统的实验教学模式，创新教育教学方法方可培养出符合时代发展与产业行业要求的新工科人才。