“备赛之路充满挑战，流程模拟、设备选型、厂区布置、经济核算，每个环节都反复打磨推敲。能够完整参与化工项目全流程设计，打通理论与工程实践的壁垒，这份经历弥足珍贵。” 近日，在南京工业大学化工学院化工设计竞赛分享会上，第二十届 “天正设计杯” 全国大学生化工设计竞赛全国总决赛特等奖团队负责人、南工大化工学院学生承铂洋分享参赛感悟。
在这次比赛中，南工大化工学院团队历时5个多月完成的作品斩获全国总决赛特等奖，同时荣获工程图纸绘制优秀奖、现代设计方法应用优秀奖两个单项奖。这是南工大自2012年参赛以来，连续15年夺得该赛事全国总决赛特等奖。
今年全国大学生化工设计竞赛的赛题是为某大型化工企业设计一座苯乙烯清洁生产的分厂。团队需要完成市场调研、工艺路线比选、动力学方程推导、物料衡算、Aspen流程模拟、换热网络优化、图纸绘制、经济分析和碳排放计算等全流程工作。
“这不仅仅是做一道化学题，而且还要回答一个真实的工程问题。”团队指导老师、南工大化工学院教师张峰感慨道，“一道赛题，实际上是对学生知识、能力、素养的全方位检验，既要懂热力学、动力学、传递过程等专业知识，又要掌握Aspen模拟、图纸绘制、经济核算等工程实操技能。”
面对考核要求，南工大组建了跨学科协同作战的参赛队伍。这种组队模式打破了传统单一专业培养的局限，让学生在协作中学会用系统思维解决复杂工程问题。
围绕赛题，团队参赛作品以干气、苯为原料，采用中国石化乙苯负压脱氢制苯乙烯技术(S-SMT)，完成了可行性研究、流程模拟、设备选型、车间布置及自动控制等设计内容。团队创新运用Aspen-COMSOL协同方法进行多尺度径向反应器设计，并借助人工智能(AI)工具辅助编写多目标优化算法，显著提升开发效率，方案兼具技术先进性与工程实用性。
这样的创新并非一日之功。2021年，团队将4A型分子筛(NaA)膜用于异丙醇—丙酮—水三元蒸气混合物的分离。传统萃取精馏操作复杂、成本高昂，许多工厂干脆将三元混合物当作废液处理。团队引入蒸气渗透膜分离技术，如同给混合物装上一把“分子筛子”，让渗余侧截留的丙酮和异丙醇经精馏分离后循环使用，同时得到99.9%的异丙醇产品。相比传统工艺，新工艺的年操作费用降低60%，碳排放量降低63%。
此后，这把“分子筛子”被用到了更多地方。2023年，团队将其应用于反应精馏塔顶的甲醇—水汽相混合物，渗透侧得到纯度99.5%的废水，渗余液被循环回塔内继续反应，构建了甲醇的单塔循环，相对于传统的双塔方案，二氧化碳排放减少了49.14%。
膜技术的潜力还在持续被挖掘，在另一条技术路线上，团队开始给反应器装上“智能大脑”。2025年，针对过氧化氢氧化二甲基硫醚制备二甲基亚砜的强放热反应，团队融合AI与NSGA-Ⅲ算法，通过Python调用Aspen Plus生成数据集，训练XGBoost代理模型替代机理模型，最终二甲基亚砜产率达99.38%，单位反应器体积放热量降至0.53千瓦/升。
“智能大脑”与“分子筛子”逐步走向融合。2026年，团队创新运用Aspen-COMSOL协同方法进行多尺度径向反应器设计，在苯乙烯脱氢反应中让流体在床层内呈径向流动，床层压降显著降低，径向流动占比达到95%。从膜分离到AI赋能，从单点突破到系统集成，团队的创新之路越走越宽。
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