殷 霞，杜治平，丁一刚，高家俊，金 放，闫志国，汪铁林

（武汉工程大学 化工与制药学院，湖北 武汉 430205）

化工过程分析与合成是在化学工程学、系统工程学、运筹学、过程控制及计算机技术等学科基础上发展起来的一门新兴的、融合性较强的技术学科[1]，主要运用系统优化思想、方法和手段对过程系统进行全局模拟分析和诊断，目前在解决化工生产的节能降耗问题上已显示出较大潜力。“化工过程分析与合成”课程的教学，对于化工类专业学生化工产品生产工艺优化能力的培养至关重要，该课程已列入2018 年化工与制药类专业教学质量国家标准（化工类）的核心课程体系。学生通过本课程的学习，在掌握基本概念的基础上，应能够掌握化工过程系统模型的建立、求解、优化等基本方法，具备科学合理解决化工过程系统最优化等实际问题的能力。

工程类学科本质上应注重复杂工程问题的实际解决能力。一般的化工过程分析与合成教材为阐明基本原理和确保体系的完整性，会用大量篇幅讲解抽象的化工单元数学模型和复杂的求解算法[2-4]。学生的学习以及教师的授课往往专注于数学模型和算法，而通过数学建模来解决现实优化决策问题这一课程的本质目的，却被忽略了。目前，很多教师意识到这种 “数学式” 教学模式的缺陷，试图探索案例教学与上机实验教学模式，这在一定程度上增强了教学的实践性、互动性和趣味性，但也逐渐暴露出一些问题与不足。

复杂化工流程案例的建模优化问题，常涉及大型非线性常微分方程组的求解，需借助计算机应用软件来完成。若案例教学和上机实验独立进行，难免使案例教学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条件变化对决策结果的影响，都无从知晓，教学效果大打折扣[5-6]。而作为独立教学环节设置的上机实验，以让学生掌握现代化工流程模拟软件的操作方法为目的，学生所用的课本例题，内容相对简单、机械，缺乏互动性和挑战性，学生对上机失去新鲜感后就难免出现应付心态。

针对上述两种教学模式存在的问题和不足，并经过在教学实践中的不断探索，笔者将科研项目成果中的 “双塔变压精馏（PSD）分离甲醇-DMC 共沸物的多目标优化” 项目转化为教学案例，同时借助现代化工模拟软件Aspen Plus 对其进行模拟优化，进行上机实验教学，逐步形成了一套案例教学与上机实验一体化的教学模式。旨在引导学生灵活运用所学化工基础知识，运用系统优化思想、方法和手段，进行过程系统的分析合成与决策，提高学生解决复杂化工流程模拟优化或老装置改造等实际问题的能力。

1 工艺原理介绍

碳酸二甲酯（DMC）是一种常用的环境友好型化学试剂，具有无毒、可生物降解等特性。目前，其多条工业合成路线[7-10]都会生成甲醇-DMC 最低共沸物（常压共沸温度63.7 ℃，共沸组成甲醇质量分数为70%），而这一生成物难以进一步分离为纯DMC 和甲醇产品，形成新的经济效益。但PSD 工艺利用甲醇-DMC 体系共沸温度和组成对操作压力的敏感性，能够实现二者的完全分离。如图1 所示，当压力为0.1 MPa时，甲醇共沸组成为0.70，而1.0 MPa 时为0.98，甲醇共沸组成出现了明显偏移，从而为采用PSD 工艺分离获取纯甲醇和DMC 产品提供了可能。

图1 甲醇-DMC 共沸体系变压相平衡图

2 过程系统建模

在Aspen Plus 软件中构建典型PSD 工艺过程的稳态模型[11]，如图2 所示。其中，进料流股FEED 为25 ℃、0.12 MPa、1 000 kg/h，甲醇40 wt%，DMC 60 wt%，共沸物相行为采用NRTL 活度系数模型描述。高压塔（HP）和低压塔（LP）采用RadFrac 模块建模，其操作参数初值如表1 所示。

图2 甲醇-DMC 共沸体系PSD 工艺稳态模型

表1 PSD 工艺塔设备参数初值

3 过程系统优化

3.1 过程系统结构参数优化

运用Aspen Plus 中的灵敏度分析工具，考察典型的精馏塔结构参数，如总理论板数（NSTAGE）和进料板数（NF），对设计规定（产品纯度）和塔釜再沸器热负荷的影响，从而确定较优的塔结构参数。

设定高压塔塔釜DMC 产品与低压塔塔釜甲醇产品纯度需求均为99.8 wt%，得到优化的HP 塔和LP塔总理论板数分别为28 块和39 块（如图3 所示）。

由图4 可知，综合分析塔釜产品达到99.8 wt%与塔釜再沸器热负荷较小两个指标，可得到优化的HP塔和LP 塔进料塔板数分别为15 块和9 块。

图3 总理论板数对产品纯度及再沸器热负荷的影响

图4 进料板数对产品纯度和再沸器热负荷的影响

3.2 过程系统操作参数优化

考察典型的精馏塔操作参数回流比（RR）对设计规定（产品纯度）和塔釜再沸器热负荷的影响，从而确定较优的塔操作参数。由图5 可知，结合塔釜产品99.8 wt%的指标，可得到优化的HP 塔和LP 塔回流比分别为2 和5.5。

图5 回流比对产品纯度及再沸器热负荷的影响

3.3 过程系统经济优化

在Model Analysis Tools 中新建编号为O-1 的优化项目[12]，在O-1 项目的Input、Define 栏中分别定义：FM 为原料质量流量（kg/s），B1M 为高压塔塔釜产品质量流量（kg/s），B2M 为低压塔塔釜产品质量流量（kg/s），QREBHP、QREBLP 分别为高压塔、低压塔再沸器热负荷（kJ/s），各参数定义如表2 所示。

同时，在Objective & Constraints 栏中定义年总利润最大化函数PROFIT，并在Fortran 栏中编写优化目标函数：PROFIT= 60*60*8000/10 000*(B2M*2+B1M*5-0.5*FM-QREBHP*8.57*e-5-QREBLP*7.22*e-5)，其编写依据如表3 所示。

表2 相关经济优化参数设置

表3 经济优化目标函数编制依据

对比表3 中优化前后的数据可知，经年总利润目标函数优化后，产品采出增大，系统总耗能反而降低，年总利润增大80.8 万元/年，充分说明过程系统模拟优化技术对系统增潜挖效的经济价值。

4 一体化教学模式改革

通过在教学过程中的不断探索与尝试，实现了案例教学与上机实验一体化的教学模式，实现了扬长避短、优势互补。现以教学流程为主线，阐明各阶段教学任务以及教师和学生各自的角色分工，如图6所示。

在上述教学流程基础上，对于案例教学，需在“化工过程分析与合成” 课程绪论中引入PSD 工艺案例，并随着课程后续对过程系统基本结构、自由度分析、系统分解与断裂等基础理论知识的讲解，让学生深入分析该工艺案例，并辅以提问、小测试或讨论等教学设计，组织学生分组进行积分PK 赛。

在上机实验方面，应用Aspen Plus 软件建立工艺模型，让学生形象、直观体会“化工过程分析与合成”课程的系统分解与断裂结果，通过变换收敛算法及是否规定断裂流等，让学生体会这些条件对全流程模拟结果的影响。同时，通过对案例中的结构参数、操作参数和年总利润三个层次的优化过程，让学生理解过程系统优化的内涵，逐步提高运用流程模拟软件解决实际过程最优化问题的能力。最后，通过小组完成时间、作品质量和平时PK 赛积分，进行小组评分，并根据组内互评结果，进行组内各成员评分。

图6 PSD 工艺案例教学与上机实验一体化流程图

5 结语

将科研项目转化为教学案例，引导学生灵活运用“化工过程分析与合成” 课程各章节所学知识，对其进行深入分析。在此基础上，通过上机实验实现该过程的系统建模、求解及多目标优化，通过对PSD 工艺的塔结构参数、操作参数和年总利润的三层次优化过程，让学生领会过程系统优化的内涵，逐步提高运用流程模拟软件解决实际问题最优化问题的能力。

本文的案例教学与上机实验一体化教学模式，可弥补传统独立案例教学和上机实验的不足。同时，通过组间PK 赛、组内互评等教学设计，可提高学生学习的能动性与教学的趣味性，促进学生解决工程实际问题和科研问题能力的提高，也为 “化工过程分析与合成” 课程教学模式改革提供了新的思路。