基于專業(yè)化工軟件對科學(xué)研究方法的思考

張小東 趙飛燕

摘? 要：專業(yè)軟件的使用可為項目的開發(fā)提供一種思路和方向，還可對工藝可行性進行驗證。我公司利用現(xiàn)有專業(yè)化工軟件，并將其應(yīng)用到科研項目研究實踐中，形成了一套行之有效的科研方法。首先通過化學(xué)分析獲得研究對象的化學(xué)成分，然后用FACTSAGE軟件進行原理分析，JMP軟件進行實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理，采用METSIM及ASPEN PLUS軟件流程模擬，最后獲得工程設(shè)計所需的指標(biāo)。利用中試試驗運行中采集的數(shù)據(jù)，然后通過METSIM及ASPEN PLUS軟件模擬獲得工藝物料平衡、熱平衡、工藝流程圖、設(shè)備設(shè)計、成本估算，并與設(shè)計院、專利商提供的方案進行比較，進而形成工藝包。

關(guān)鍵詞：科研方法;FACTSAGE;JMP;METSIM;ASPEN PLUS

中圖分類號：G312 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

我公司圍繞粉煤灰綜合利用開展了50多個科技創(chuàng)新項目，形成了“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁工藝技術(shù)的工藝包，正在開展神華準(zhǔn)格爾礦區(qū)30萬噸/年高鋁粉煤灰綜合利用工業(yè)化示范項目的初步設(shè)計工作。近年來公司引進了FACTSAGE7.3、JMP14、METSIM2016、ASPEN PLUS9.0、CHE

MCAD等專業(yè)軟件，在科研項目及項目設(shè)計中發(fā)揮了極為重要的作用，逐漸形成了一套行之有效的科研思路。

1 FACTSAGE軟件介紹

FACTSAGE軟件是加拿大THERMFACT和德國GTT-TECHNOLOGIES公司聯(lián)合開發(fā)的熱力學(xué)軟件，是化學(xué)熱力學(xué)領(lǐng)域中世界上完全集成數(shù)據(jù)庫最大的計算系統(tǒng)之一。FACTSAGE 用戶已達數(shù)百個，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、火法冶金、濕法冶金、冶金、腐蝕、玻璃工業(yè)、燃燒、陶瓷、地質(zhì)等行業(yè)[1-4]。利用FACTSAGE 軟件可進行多元相平衡計算、相圖、優(yōu)勢區(qū)圖、電位-pH圖的計算與繪制和熱力學(xué)優(yōu)化等等。

我單位于2016年投資引進了一套FSCTSAGE軟件，在科研項目立項和開展試驗之前會通過FACTSAGE軟件進行熱力學(xué)計算，并進行原理分析，既可判別反應(yīng)的可能性，又可提供反應(yīng)的溫度范圍、配比、反應(yīng)產(chǎn)物的存在形式，為快速開展試驗進行驗證提供科學(xué)有效的依據(jù)，為科研工作者拓寬了研究思路。

2 JMP軟件介紹

JMP軟件是由SAS公司開發(fā)的統(tǒng)計分析軟件，在實驗設(shè)計、探索性數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、質(zhì)量管理、產(chǎn)品研發(fā)、專業(yè)統(tǒng)計分析等領(lǐng)域深受廣大分析愛好者的喜愛[5-7]。特別是在試驗設(shè)計及六西格瑪管理方面的應(yīng)用受到廣大科研人員及企業(yè)質(zhì)量管理者的喜愛。

目前，我單位JMP軟件在科研項目中的應(yīng)用主要在以下兩方面：

（1）通過對測量的正確性、重復(fù)性和再現(xiàn)性分析對測量系統(tǒng)做出評價和測量問題進行分析和糾正，以保證測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

（2）實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析。JMP軟件有著先進的設(shè)計理念，設(shè)計方法有定制設(shè)計、擴充設(shè)計、包含篩選設(shè)計、響應(yīng)曲面設(shè)計、完全析因設(shè)計、混料設(shè)計的經(jīng)典試驗設(shè)計及其他實驗設(shè)計。JMP軟件的數(shù)據(jù)分析及圖形展示是統(tǒng)計學(xué)中的王牌，有分布、篩選、擬合、聚類分析、方差分析、可靠性及生存分析、質(zhì)量及控制等分析。目前，我們通過大量科研項目總結(jié)出實驗設(shè)計的先后順序：通常用部分因子實驗設(shè)計進行因子的篩選，讓因子個數(shù)不超過4個，然后用全因子試驗設(shè)計進行因子效應(yīng)和交互作用的全面分析，進一步篩選因子不超過3個，最后用響應(yīng)曲面方法確定回歸關(guān)系并求出最優(yōu)設(shè)置。

3 METSIM軟件介紹

METSIM軟件是澳大利亞開發(fā)的專門用于冶金、化學(xué)、化工等行業(yè)物料平衡、熱平衡計算的系統(tǒng)集成軟件。METSIM軟件已有40多年的工程實踐，全球客戶近700家，但在我國尚處于起步階段。METSIM軟件在工藝可行性研究、不同工藝流程的評估、工廠數(shù)據(jù)模擬及優(yōu)化、工廠規(guī)模的設(shè)計計算、實際操作裝置的改進研究和工廠實際操作等方面有很好的應(yīng)用。從已發(fā)表的論文看，METSIM軟件在鹽酸法生產(chǎn)高純氧化鋁工藝、拜耳法生產(chǎn)冶金級氧化鋁工藝、硫酸工廠、二氧化碳的氯化工藝，金、銀、銅、鉬、鉛、鋅、鎳、鎂等金屬的采礦、冶煉、提純等工藝的應(yīng)用成熟度較高[8-10]。

2016年我單位投資引進了一套METSIM軟件，已在工藝包開發(fā)、項目設(shè)計、工藝招標(biāo)、指導(dǎo)生產(chǎn)等方面發(fā)揮了重要作用。通過METSIM軟件模擬工藝流程，獲得工程設(shè)計過程中需要的參數(shù)，如溫度、密度、粘度、粒徑、溶解度、固含、酸堿度、過濾性能、沸點溫升等。在試驗過程中利用上面的參數(shù)指導(dǎo)實驗，驗證結(jié)論。不僅可以節(jié)約時間、成本，更為重要的是能優(yōu)化參數(shù)，對實驗進行系統(tǒng)性、規(guī)律性的研究。

在實驗獲得上述參數(shù)后，對工藝流程進行METSIM模擬，獲得設(shè)備選型、設(shè)備參數(shù)、工藝流程優(yōu)化、物料平衡及熱平衡、PFD圖等信息，進一步進行投資估算及技術(shù)經(jīng)濟分析。

4 ASPEN PLUS軟件介紹

ASPEN PLUS是美國ASPEN TECH公司研發(fā)的生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬軟件[11-14]。

和METSIM軟件一樣可以完成工藝流程模擬，物料平衡和熱量平衡計算，完成PFD圖，進行設(shè)備選型、投資估算進而進行工藝過程的技術(shù)經(jīng)濟性分析。只是二者在應(yīng)用領(lǐng)域的成熟度不同，METSIM更多在冶金領(lǐng)域，ASPEN PLUS在化工領(lǐng)域應(yīng)用較多。METSIM在邏輯控制、計算方法更簡便，ASPEN PLUS在工藝優(yōu)化、敏感性分析等方面比METSIM更有優(yōu)勢。通常我們同時用METSIM和ASPEN PLUS軟件進行模擬分析并進行對比研究，并與設(shè)計院、專利商提供的方案進行比較，最終形成工藝包或設(shè)計文件。

一般形成工藝包和設(shè)計文件后還需進行HAZOP分析和SIL等級定級，對工藝及設(shè)備的危險及可操作性進行評價，進一步對項目落地的決策提供依據(jù)。

5 結(jié)束語

通過50多個科研項目實踐，總結(jié)出了一套行之有效的科研思路。首先利用FACTSAGE軟件進行原理分析，確定工藝路線，之后通過JMP軟件進行實驗設(shè)計、過程質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)分析，確定工藝最佳參數(shù)，最后采用METSIM和ASPEN PLUS軟件進行流程模擬，進行設(shè)備選型、物料平衡、熱平衡計算、投資估算及技術(shù)經(jīng)濟分析。大型軟件拓寬了科研工作者的科學(xué)思路，使科研工作者提前有了工程概念可節(jié)省大量時間成本和經(jīng)濟成本，但絕不能代替實驗研究和工程實踐，還需開展大量實驗和中試研究進行工藝驗證。

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