“以人为苯”团队由化学工程与工艺专业的慕子墨、杨博然、封昱璇、赖思成和王禹乔五名同学组成。
团队了解到这项赛事后,主动组队报名,并联系到学院多位老师寻求指导。备赛的起点,是大二下学期紧张的课业。他们一边要跟上正常学期的课程进度,一边要提前自学竞赛所需的知识——从流程模拟软件的使用,到设备选型与校核,再到经济分析与安全评估,把课堂之外的时间大量投入到方案论证和模拟计算中。
到了暑假,备赛并没有因为假期而变得轻松。团队中有的同学留在学院做本科生科研实习,有的前往中科院上海药物所担任暑期科研助理,每个人都在科研实习与竞赛任务之间寻找平衡。白天做实验、跑数据,晚上和队友线上讨论流程参数、修改设计方案,成了那段时间的常态。
近五个月的备赛过程中,团队先后经历了省赛和华东赛区的两轮反馈与修改。每一次答辩后,他们都要根据评委意见重新审视自己的方案——调整循环回路、优化分离介质、改进换热网络结构。直到今年8月中旬,团队才最终完成作品并参与国家级奖项评选。
回顾这段经历,队长慕子墨分享道,这次比赛基本包含了类似“毕业设计”的大部分内容,每位队员都完成了资料收集、衡算和相关决策。“比赛任务给了我们了解化工设计全貌的机会,让我们从更全局的视角了解了具体的工艺过程。”
从一篇2021年的论文出发:把实验室方法“放大”到工业规模
本届竞赛以“为某大型化工企业设计一座苯乙烯清洁生产的分厂”为题。面对同一道赛题,团队没有沿用成熟的传统苯乙烯生产路线,而是将目光投向了一种较新的清洁制备方法——苯乙烯侧链烷基化法。这一方法源于2021年发表在期刊《Fuel》上的一篇研究论文,该研究报道了一种复合催化剂,能够高选择性地将甲苯和甲醇通过侧链烷基化法直接转化为苯乙烯,避免了高耗能的脱氢反应。
实验室里能够成功进行的反应,在放大到工业规模后,会面对完全不同的问题。原料供应是否稳定?反应条件能否在工业装置中稳定实现?产物如何高效分离?整个流程在经济上是否可行?
围绕这些核心问题,团队尝试将这一仍处于实验室研究阶段的技术,从“实验室可行”推向“工业可行”,进行了细致的分工。杨博然同学负责 Aspen全流程模拟,并进一步开展换热网络优化与节能设计;慕子墨同学进一步完成了PFD图纸绘制及设备校核,封昱璇同学则完成了P&ID图纸绘制,工艺流程与设备方案逐步确定后,赖思成同学完成了厂区平面布置设计,王禹乔同学则从项目整体可行性的角度开展了经济分析与安全模拟。过程中同学们积极参与,分工协作,完成了从工艺路线论证、Aspen全流程模拟,到物料能量衡算、设备设计、安全环保和经济分析的完整工程化设计。
这也是项目最大的创新点与挑战所在——用一条尚未工业化的新路线,回答一整套真实工程问题。团队在模拟完成后,又通过不断调整循环回路、分离介质及换热网络结构等进行优化,最终设计达到年产苯乙烯15万吨,产品纯度达到99.7%,并在能耗、原料利用率、碳排放及经济性方面综合实现了清洁生产。
学院老师全程指导,从“把题做对”到“把系统设计合理”
整个项目的完成离不开指导老师欧阳涛老师、Kien Woh Kow老师及王泽平博士的持续指导与帮助。欧阳涛老师拥有数十年化工行业从业经验,他耐心指导团队补全和优化工艺模拟程序,一次次纠正Aspen的报错;凭借丰富的工程实践经验,把初学者绘制的PFD和P&ID图指导为更为专业的图纸;结合行业案例,让抽象的工程概念具象化。正是在这样一次次讨论和修改中,团队开始从学生熟悉的“把题做对”,逐渐转向工程师所需要考虑的“怎样把整个系统设计得更加合理”。
欧阳涛老师表示:“团队在备赛过程中展现出了很强的自主学习能力和协作意识。面对从实验室反应放大到完整工业流程设计这一复杂任务,大家能够主动查阅资料并不断根据实际工程要求进行调整。更重要的是,他们开始学会从安全、能耗、设备和经济性等多个角度综合判断问题,这种工程思维的建立,比比赛成绩本身更有价值。”
从最初的一篇实验室研究文献,到Aspen中的一条条物流;从单个设备的计算,到整座工厂的设计;从“这个反应能不能发生”,到“这项技术能不能真正被工业采用”,团队在一次次计算、讨论和修改中,对“化学工程”有了更加具体的理解。
奖项是这段经历的成果之一,而比赛过程中形成的工程思维、解决复杂问题的能力以及团队之间的合作,则成为了更加珍贵的收获。未来,“以人为苯”团队的成员也将继续带着这段经历,在化学工程领域探索更多从想法走向现实的可能。