基于专业化工软件对科学研究方法的思考

2020-12-24张小东赵飞燕

科技创新与应用 2020年27期

张小东赵飞燕

摘要：专业软件的使用可为项目的开发提供一种思路和方向，还可对工艺可行性进行验证。我公司利用现有专业化工软件，并将其应用到科研项目研究实践中，形成了一套行之有效的科研方法。首先通过化学分析获得研究对象的化学成分，然后用FACTSAGE软件进行原理分析，JMP软件进行实验设计及数据处理，采用METSIM及ASPEN PLUS软件流程模拟，最后获得工程设计所需的指标。利用中试试验运行中采集的数据，然后通过METSIM及ASPEN PLUS软件模拟获得工艺物料平衡、热平衡、工艺流程图、设备设计、成本估算，并与设计院、专利商提供的方案进行比较，进而形成工艺包。

关键词：科研方法;FACTSAGE;JMP;METSIM;ASPEN PLUS

中图分类号：G312 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）27-0049-02

Abstract： Using professional software not only can broaden the idea and direction for project development， but also can verify the feasibility of the process. Our company apply the chemical professional software to the research practice of scientific research projects， and forman effective scientific research methods. That is： First， we obtain the chemical composition and use the FACTSAGE to analyze the principle. Then， we use the JMP to design the experiment and analyze the experimental data， simulate the process flow with METSIM and ASPEN PLUS software to obtain material balance， heat balance， process flowsheet drawing， equipment list， cost expenditure， and compare with the date of design institute， the proposal patent company. Finally， a process package is formed.

Keywords： research method; FACTSAGE; JMP; METSIM; ASPEN PLUS

引言

我公司圍绕粉煤灰综合利用开展了50多个科技创新项目，形成了“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化铝工艺技术的工艺包，正在开展神华准格尔矿区30万吨/年高铝粉煤灰综合利用工业化示范项目的初步设计工作。近年来公司引进了FACTSAGE7.3、JMP14、METSIM2016、ASPEN PLUS9.0、CHE

MCAD等专业软件，在科研项目及项目设计中发挥了极为重要的作用，逐渐形成了一套行之有效的科研思路。

1 FACTSAGE软件介绍

FACTSAGE软件是加拿大THERMFACT和德国GTT-TECHNOLOGIES公司联合开发的热力学软件，是化学热力学领域中世界上完全集成数据库最大的计算系统之一。FACTSAGE 用户已达数百个，广泛应用于材料科学、火法冶金、湿法冶金、冶金、腐蚀、玻璃工业、燃烧、陶瓷、地质等行业[1-4]。利用FACTSAGE 软件可进行多元相平衡计算、相图、优势区图、电位-pH图的计算与绘制和热力学优化等等。

我单位于2016年投资引进了一套FSCTSAGE软件，在科研项目立项和开展试验之前会通过FACTSAGE软件进行热力学计算，并进行原理分析，既可判别反应的可能性，又可提供反应的温度范围、配比、反应产物的存在形式，为快速开展试验进行验证提供科学有效的依据，为科研工作者拓宽了研究思路。

2 JMP软件介绍

JMP软件是由SAS公司开发的统计分析软件，在实验设计、探索性数据分析、数据可视化、质量管理、产品研发、专业统计分析等领域深受广大分析爱好者的喜爱[5-7]。特别是在试验设计及六西格玛管理方面的应用受到广大科研人员及企业质量管理者的喜爱。

目前，我单位JMP软件在科研项目中的应用主要在以下两方面：

（1）通过对测量的正确性、重复性和再现性分析对测量系统做出评价和测量问题进行分析和纠正，以保证测量数据的质量。

（2）实验设计及数据分析。JMP软件有着先进的设计理念，设计方法有定制设计、扩充设计、包含筛选设计、响应曲面设计、完全析因设计、混料设计的经典试验设计及其他实验设计。JMP软件的数据分析及图形展示是统计学中的王牌，有分布、筛选、拟合、聚类分析、方差分析、可靠性及生存分析、质量及控制等分析。目前，我们通过大量科研项目总结出实验设计的先后顺序：通常用部分因子实验设计进行因子的筛选，让因子个数不超过4个，然后用全因子试验设计进行因子效应和交互作用的全面分析，进一步筛选因子不超过3个，最后用响应曲面方法确定回归关系并求出最优设置。

3 METSIM软件介绍

METSIM软件是澳大利亚开发的专门用于冶金、化学、化工等行业物料平衡、热平衡计算的系统集成软件。METSIM软件已有40多年的工程实践，全球客户近700家，但在我国尚处于起步阶段。METSIM软件在工艺可行性研究、不同工艺流程的评估、工厂数据模拟及优化、工厂规模的设计计算、实际操作装置的改进研究和工厂实际操作等方面有很好的应用。从已发表的论文看，METSIM软件在盐酸法生产高纯氧化铝工艺、拜耳法生产冶金级氧化铝工艺、硫酸工厂、二氧化碳的氯化工艺，金、银、铜、钼、铅、锌、镍、镁等金属的采矿、冶炼、提纯等工艺的应用成熟度较高[8-10]。

2016年我单位投资引进了一套METSIM软件，已在工艺包开发、项目设计、工艺招标、指导生产等方面发挥了重要作用。通过METSIM软件模拟工艺流程，获得工程设计过程中需要的参数，如温度、密度、粘度、粒径、溶解度、固含、酸碱度、过滤性能、沸点温升等。在试验过程中利用上面的参数指导实验，验证结论。不仅可以节约时间、成本，更为重要的是能优化参数，对实验进行系统性、规律性的研究。

在实验获得上述参数后，对工艺流程进行METSIM模拟，获得设备选型、设备参数、工艺流程优化、物料平衡及热平衡、PFD图等信息，进一步进行投资估算及技术经济分析。

4 ASPEN PLUS软件介绍

ASPEN PLUS是美国ASPEN TECH公司研发的生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟软件[11-14]。

和METSIM软件一样可以完成工艺流程模拟，物料平衡和热量平衡计算，完成PFD图，进行设备选型、投资估算进而进行工艺过程的技术经济性分析。只是二者在应用领域的成熟度不同，METSIM更多在冶金领域，ASPEN PLUS在化工领域应用较多。METSIM在邏辑控制、计算方法更简便，ASPEN PLUS在工艺优化、敏感性分析等方面比METSIM更有优势。通常我们同时用METSIM和ASPEN PLUS软件进行模拟分析并进行对比研究，并与设计院、专利商提供的方案进行比较，最终形成工艺包或设计文件。

一般形成工艺包和设计文件后还需进行HAZOP分析和SIL等级定级，对工艺及设备的危险及可操作性进行评价，进一步对项目落地的决策提供依据。

5 结束语

通过50多个科研项目实践，总结出了一套行之有效的科研思路。首先利用FACTSAGE软件进行原理分析，确定工艺路线，之后通过JMP软件进行实验设计、过程质量控制及数据分析，确定工艺最佳参数，最后采用METSIM和ASPEN PLUS软件进行流程模拟，进行设备选型、物料平衡、热平衡计算、投资估算及技术经济分析。大型软件拓宽了科研工作者的科学思路，使科研工作者提前有了工程概念可节省大量时间成本和经济成本，但绝不能代替实验研究和工程实践，还需开展大量实验和中试研究进行工艺验证。

参考文献：

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