简介：本资源为大学生化工竞赛国赛「东华科技杯」100kt/a丙烷制环氧丙烷项目的完整设计成果包，面向化工类参赛选手、指导教师及工艺设计学习者，可用于赛题复盘、工艺方案参考与工程制图学习。包内共473个文件，涵盖pdf、doc、edr、fx2、rsm、bkp、dwg、jpg等类型，分别对应设计文档、计算说明书、图纸与模拟源文件，压缩包约676.96MB。内容按项目摘要、设计文档、设计图册与设计源文件四部分组织：文档含可行性分析、初步设计说明书、塔设备与换热器计算、反应器设计、设备选型、创新性论证及安全与环境预评价；图册含PFD、PID、设备装配图、厂区与车间平立面布置、三维配管及管道轴测图；源文件则提供Aspen Adsorption变压吸附、Aspen Dynamics动态模拟、Energy Analyzer能量分析等工程模拟文件。已有135人学习，适合系统借鉴完整赛题方案与工艺设计思路。

1. 100 kt/a 丙烷制环氧丙烷：从国赛图纸到可落地工艺包，到底在考什么

全国大学生化工设计竞赛的“东华科技杯”题目，落到“100 kt/a 丙烷制环氧丙烷项目”上，本质是让一支本科生队伍在几个月内交出一套接近工程化的工艺包：工艺路线选择、物料与能量衡算、设备设计与选型、车间布置、安全与环保专篇，最后还要有能经得起评委翻图纸的装配图和布置图。很多人第一次拿到这个题目，会本能地去找“标准答案”，但真正拉开差距的，是你能不能把设计文档、装配图、布置图和各类设计源文件做成一条自洽的链条——流程图上改一个参数，换热器面积、塔径、管口方位、设备平面定位都得跟着动。这套东西适合两类人：正在备赛、需要一套可复现工作流的队员；以及刚进设计院、想借一个完整小项目把 Aspen Plus、AutoCAD、SolidWorks 或 PDMS 串起来的新人。下面我按自己带队的习惯，把从路线确定到图纸交付的路径拆开讲，重点放在“参数怎么定、文件怎么管、哪里最容易翻车”。

2. 路线先立住：丙烷制环氧丙烷的工艺选择与衡算基准

2.1 为什么丙烯环氧化路线是国赛题目的默认主线

丙烷制环氧丙烷，字面上容易让人以为直接氧化丙烷，但工业上真正成熟且适合 100 kt/a 规模的，是丙烷先脱氢制丙烯，丙烯再经环氧化生成环氧丙烷。国赛题目里“丙烷制”三个字，考的是你对这条链路的整体把握，而不是逼你去找一个不存在的丙烷直接环氧化催化剂。常见做法是：丙烷脱氢单元采用 Oleflex 或 Catofin 的简化模型，丙烯环氧化单元采用钛硅分子筛（TS-1）催化、过氧化氢异丙苯（CHP）法或双氧水直接氧化法。我一般会建议队伍在 Aspen Plus 里把两个工段分开建模，中间用丙烯储罐或缓冲罐解耦，这样物料衡算不容易因为循环流股而全局震荡。

选型理由要写进设计文档：丙烷脱氢的转化率、选择性、反应温度与压力，直接决定后续环氧化单元的丙烯进料纯度要求。如果脱氢单元丙烯纯度只做到 99.5%，环氧化催化剂对丙烷惰性组分不敏感，那可以省掉一套精制塔；但如果催化剂对水或硫敏感，就得加干燥和脱硫。这些判断不是拍脑袋，而是从催化剂供应商的典型操作窗口反推出来的。国赛评委很看重这一点：你选这条路，得说清楚为什么不是另一条。

2.2 物料衡算的基准与 Aspen Plus 全局设定

衡算基准建议以 8000 h/a 连续操作计，100 kt/a 环氧丙烷产品，纯度按 99.9 wt% 出厂。先定产品规格，再倒推环氧化反应器的丙烯和双氧水进料量，最后倒推丙烷脱氢的丙烷新鲜进料。Aspen Plus 里全局设定要注意几个参数：物性方法选 NRTL 或 UNIQUAC 加 Henry 组分，因为体系里有极性组分和轻烃；反应器用 RStoic 或 RPlug 做初步，等流程收敛后再换 RYield 校核选择性。收敛策略上，先断开循环流股，用设计规定把新鲜丙烷进料调到脱氢转化率目标值，再逐步闭合循环。

下面这段 Aspen Plus 的 Fortran 计算器代码，是我常用来在流程里动态校核环氧丙烷收率的，放在反应器模块后面：

! Aspen Plus Fortran 计算器：校核环氧化反应器出口 PO 摩尔收率 ! 输入变量：FEED_C3H6（丙烯进料 kmol/hr），FEED_H2O2（双氧水进料 kmol/hr） ! 输出变量：YIELD_PO（环氧丙烷摩尔收率），SEL_PO（选择性） REAL FEED_C3H6, FEED_H2O2, PROD_PO, PROD_GLYCOL REAL YIELD_PO, SEL_PO, CONV_H2O2 ! 从流股读取实际进料与出料摩尔流量 FEED_C3H6 = BLOCK_IN('REACTOR', 'C3H6') ! 丙烯进料 FEED_H2O2 = BLOCK_IN('REACTOR', 'H2O2') ! 双氧水进料 PROD_PO = BLOCK_OUT('REACTOR', 'PO') ! 环氧丙烷出料 PROD_GLYCOL = BLOCK_OUT('REACTOR', 'GLYCOL') ! 丙二醇副产 ! 以双氧水为限制反应物计算转化率 IF (FEED_H2O2 > 0.0) THEN CONV_H2O2 = (FEED_H2O2 - BLOCK_OUT('REACTOR', 'H2O2')) / FEED_H2O2 ELSE CONV_H2O2 = 0.0 END IF ! 收率与选择性：以丙烯为基准 IF (FEED_C3H6 > 0.0) THEN YIELD_PO = PROD_PO / FEED_C3H6 SEL_PO = PROD_PO / (PROD_PO + PROD_GLYCOL) ELSE YIELD_PO = 0.0 SEL_PO = 0.0 END IF ! 将结果写回 Aspen Plus 全局变量，供设计规定调用 YIELD_PO = YIELD_PO SEL_PO = SEL_PO CONV_H2O2 = CONV_H2O2

逻辑说明：这段代码不参与反应动力学计算，只做在线校核。BLOCK_IN 和 BLOCK_OUT 是 Aspen Plus Fortran 块里读取流股摩尔流量的常用接口，具体变量名要和你流程里的流股 ID 一致。参数说明：FEED_C3H6 和 FEED_H2O2 的单位是 kmol/hr，YIELD_PO 和 SEL_PO 是无量纲小数。如果你在 Aspen 里用设计规定把 SEL_PO 拉到 0.95 以上，那反应器温度和双氧水配比就得同步调，不能只改一个。

2.3 能量衡算与公用工程等级划分

能量衡算最容易在国赛文档里被扣分，因为很多队伍只列了加热和冷却负荷，没写公用工程等级。常见做法是：反应器撤热用中压蒸汽副产或导热油，精馏塔再沸器按塔底温度分等级——低于 150°C 用低压蒸汽，150～250°C 用中压蒸汽，高于 250°C 用导热油或熔盐。丙烯回收塔顶冷凝用循环水或冷冻水，具体看塔顶温度。把这些整理成一张公用工程规格表，放在设计文档里，评委一眼就能看出你懂工程。

注意：Aspen Plus 里换热器负荷是净值，实际选型要乘 1.1～1.2 的裕量，再按标准换热器面积圆整。别直接把模拟值写进设备表。

3. 设备设计与装配图：从工艺参数到可制造的图纸

3.1 反应器与塔器的工艺设计参数怎么落到设备图

工艺专业提给设备专业的条件表，是装配图的起点。以环氧化反应器为例，工艺给出的条件包括：操作压力 2.0 MPa，操作温度 60～80°C，物料有丙烯、双氧水、甲醇溶剂，腐蚀性中等。设备专业据此选材：筒体用 304 或 316L，内件用钛材或衬里。装配图上要体现的尺寸有：筒体内径、切线高度、封头型式、接管法兰规格与方位、人孔与手孔位置、裙座高度。这些尺寸不是随便定的，塔径由 Aspen 的塔径计算或填料泛点气速反推，切线高度由理论板数和板间距决定。

我一般会让学生在 Aspen 里导出塔内件负荷分布，再按每块理论板对应 0.3～0.5 m 实际板间距估算塔高。反应器则按停留时间和空速反推有效体积，再乘 1.3 的装填系数。装配图上的接管方位要和管道布置图一致，否则后面配管会打架。国赛评委看装配图，重点看你能不能把工艺条件翻译成制造语言，而不是画得多漂亮。

3.2 用 AutoCAD 出装配图的图层与标注规范

装配图建议分图层管理：轮廓线、中心线、剖面线、尺寸标注、文字说明、图框各一层。线型按国标：粗实线 0.5 mm，细实线 0.25 mm，点划线 0.25 mm。标注要完整：筒体直径、壁厚、切线高度、接管规格与方位角、法兰标准号。方位角用 0°、90°、180°、270° 四个方向标注，不要写“左侧”“右侧”这种模糊词。

下面是一段 AutoLISP 代码，用来批量标注接管方位角，减少手工出错：

;; AutoLISP：在装配图上按给定角度标注接管方位 ;; 用法：加载后输入 C:NOZZLE_ANGLE，选择接管中心点，输入角度 (defun C:NOZZLE_ANGLE (/ pt ang txt) (setq pt (getpoint "\n选择接管中心点: ")) (setq ang (getreal "\n输入方位角(度): ")) (setq txt (strcat "接管方位 " (rtos ang 2 0) "°")) ;; 在点右侧 200 单位处写文字，字高 3.5 (command "_.TEXT" "J" "ML" (list (+ (car pt) 200) (cadr pt)) 3.5 0 txt) (princ) )

逻辑说明：这段代码只做一件事——在你点选的接管中心点右侧写一行方位角文字。参数说明：pt 是接管中心坐标，ang 是方位角度数，200 是文字偏移距离，3.5 是字高。实际出图时，方位角要和设备条件表里的接管表一一对应，不能图上一套、表里一套。如果你用 AutoCAD Plant 3D 或 PDMS，可以直接在模型里标方位，再抽单线图，但国赛提交的装配图通常还是二维 DWG，所以这段小工具能省不少时间。

3.3 布置图：设备平面定位与管道走向的协同

布置图不是把设备随便摆进厂房，而是要满足防火间距、检修通道、管道最短和操作视线。常见做法是：先定主操作面，把反应器、塔、换热器按流程顺序排，再定管廊走向。泵要靠近塔底或容器底部，减少吸入管阻力。换热器抽管束侧要留出至少管束长度的空间。厂房柱网按 6 m 或 9 m 模数，设备基础不能跨柱。

国赛布置图常见扣分点：设备之间净距小于 1.5 m，检修通道被管道占死，塔顶吊装空间不够。我一般会让学生在布置图上画三个东西：设备轮廓、管廊中心线、检修通道边界。管廊宽度按管道根数估算，每根管占 0.3～0.5 m，再加 20% 裕量。管道走向要避免“口袋”和“死弯”，否则后面应力分析过不了。

提示：布置图定稿前，把装配图里的接管方位拿过来对一遍，尤其是塔顶冷凝器和再沸器的管口，方位不对就得改图，越晚改越痛苦。

4. 设计源文件管理：让文档、图纸和模拟文件互相对得上

4.1 文件命名与版本控制的最小可行方案

国赛队伍最常见的翻车现场：Aspen 文件改了十几版，最后交的是哪一版没人说得清；装配图改了接管方位，布置图没同步；设计文档里的设备表和图纸对不上。我一般会强制一套命名规则：项目代号-工段-文件类型-版本号-日期。例如 PO-DH-ASPEN-V03-20240510。版本号用两位数字，日期用八位。每次修改前先复制一份旧版到 archive 文件夹，不要在原文件上直接改。

如果队伍里有人会用 Git，可以把文本类文件（如 Fortran 计算器、AutoLISP、Markdown 文档）纳入 Git 管理，二进制文件（DWG、Aspen bkp）用 Git LFS 或直接按日期归档。不会 Git 也没关系，用共享文件夹加“只读”权限，指定一个人负责合并版本。关键是：任何一份提交文件，都能追溯到它的上游文件。

4.2 设计文档与图纸的交叉引用表

设计文档里的设备表、管道表、仪表表，要和装配图、布置图、PID 图一一对应。我一般会做一张交叉引用表，放在文档附录：

这张表看起来简单，但能逼着队伍把每个设备在模拟、图纸、文档里的身份统一起来。评委翻到任何一处，都能顺着位号找到其他文件里的对应内容，可信度立刻上去。

4.3 提交前的自检清单与常见格式问题

提交前至少过一遍：PDF 图纸是否清晰、DWG 是否绑定字体、Aspen 文件是否能在他电脑上打开、设计文档目录是否自动生成、页码是否连续。常见格式问题：AutoCAD 用了非国标字体导致对方打开乱码；Aspen 文件里用了本地数据库，换电脑后物性方法报错；Word 文档里的公式用了图片，放大后模糊。我一般会让学生把最终版全部导出 PDF，Aspen 导出 bkp 加 apw 快照，DWG 用 eTransmit 打包字体和外部参照。

注意：国赛提交通常有文件大小限制，DWG 里不要嵌太多光栅图，Aspen 文件定期压缩修复，否则最后打包会超限。

5. 避坑与排查：国赛化工设计里最容易翻车的 5 个点

5.1 现象：Aspen 流程不收敛，循环流股震荡

原因：撕裂流股选得不对，或者设计规定与计算器互相打架。解决：先把循环断开，用手动赋值跑通一次，再逐步闭合；撕裂流股选组分多、流量大的那股；设计规定不要同时约束两个互相依赖的变量。

5.2 现象：装配图接管方位和布置图对不上

原因：工艺条件表改了，设备图没同步，或者布置图里设备旋转了角度但接管没跟着转。解决：定稿前做一次“接管方位对照”，把装配图、布置图、管道表三处的方位角列在一起，不一致就改。建议在布置图上标出设备方位角，不要只画轮廓。

5.3 现象：设计文档里的设备表和模拟结果对不上

原因：模拟改了参数，文档里的表格是手工填的，没更新。解决：设备表尽量从 Aspen 导出 CSV 再整理，不要手抄；每次模拟定稿后，重新导出一次设备负荷和尺寸，替换文档里的旧表。交叉引用表要同步更新。

5.4 现象：换热器面积选小了，或者公用工程等级写错

原因：Aspen 负荷是净值，没乘裕量；或者塔底温度算错，导致公用工程等级选低。解决：换热器面积乘 1.1～1.2 裕量，再按标准系列圆整；公用工程等级按最高操作温度加 20°C 余量来选，不要卡着边界选。

5.5 现象：图纸打印出来线条太粗或太细，评委看不清

原因：图层线宽没按国标设置，或者打印样式表用了 monochrome 但没调线宽。解决：按国标设线宽，打印时用 CTB 或 STB 样式表，粗线 0.5 mm，细线 0.25 mm，标注线 0.18 mm。打印前先预览，别等提交后才发现。

6. 进阶技巧：用 Excel 做参数敏感性分析，反推设计裕量

最后一章说一个我带队时最常用的技巧：不要只交一套“点设计”，而是用 Excel 或 Python 做参数敏感性分析，找出关键操作变量对产品收率和能耗的影响，再据此确定设计裕量。国赛评委很吃这一套，因为它证明你知道设计不是算一次就完，而是要留出操作弹性。

具体做法：从 Aspen 里导出反应温度、双氧水配比、丙烯进料纯度三个变量对环氧丙烷收率和再沸器负荷的数据，用 Excel 做双因素表或 Python 做响应面。下面这段 Python 代码用 pandas 和 matplotlib 快速画敏感性图：

import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt # 从 Aspen 导出的敏感性数据，列名：TEMP, H2O2_RATIO, YIELD_PO, REBOILER_DUTY df = pd.read_csv('sensitivity_po.csv') # 按双氧水配比分组，画收率随温度变化 fig, ax1 = plt.subplots(figsize=(8, 5)) for ratio, group in df.groupby('H2O2_RATIO'): ax1.plot(group['TEMP'], group['YIELD_PO'], marker='o', label=f'H2O2/C3H6={ratio}') ax1.set_xlabel('反应温度 (°C)') ax1.set_ylabel('环氧丙烷收率 (-)') ax1.legend(title='双氧水配比') ax1.grid(True, linestyle='--', alpha=0.5) # 在收率最高点附近标出推荐操作窗口 best = df.loc[df['YIELD_PO'].idxmax()] ax1.annotate(f'推荐窗口\nT={best["TEMP"]}°C\n收率={best["YIELD_PO"]:.3f}', xy=(best['TEMP'], best['YIELD_PO']), xytext=(best['TEMP']+5, best['YIELD_PO']-0.05), arrowprops=dict(arrowstyle='->')) plt.tight_layout() plt.savefig('sensitivity_yield.png', dpi=300) plt.show()

逻辑说明：这段代码读取 Aspen 导出的 CSV，按双氧水配比分组画收率曲线，并标出最高点作为推荐操作窗口。参数说明：TEMP 单位是 °C，H2O2_RATIO 是双氧水与丙烯的摩尔比，YIELD_PO 是摩尔收率，REBOILER_DUTY 单位是 kW。实际写设计文档时，把这张图和推荐窗口写进“操作弹性分析”一节，再说明设计点取在最高收率左侧 5°C 处，留出温度波动余量。

我自己的习惯是：任何一套工艺包，至少做三个变量的敏感性分析，每个变量取五档，共 125 个工况。听起来多，但 Aspen 的灵敏度分析工具可以批量跑，导出后 Excel 十分钟出图。这样你在答辩时被问到“如果丙烯纯度降了 1% 怎么办”，可以直接翻到敏感性图，指出收率下降多少、需要补多少双氧水，而不是现场编。这个习惯我保持了很多年，带过的队伍里，凡是认真做了敏感性分析的，答辩环节基本没被问倒过。希望帮到你。

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