Aspen Plus在化工原理輔助實踐教學中的應用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高軍 馬小隆 張治山

Aspen Plus在化工原理輔助實踐教學中的應用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高軍 馬小隆 張治山

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.173

針對化工原理課程的特點，借助Aspen Plus軟件對化工單元操作進行模擬計算。首先對Aspen Plus模擬軟件進行介紹，然后應用Aspen Plus軟件以傳熱和精餾為例進行模擬，得出相應的計算結果，使學生更加深刻地掌握化工原理單元操作知識及操作變量對整個單元操作過程的影響，并提高其搜集資料、應用計算機進行流程模擬、分析與思考解決實際生產問題及提高化工設計等能力，達到增強教學效果的目的。

Aspen Plus；化工原理；模擬計算

1 引言

化工原理作為化工類及相關專業學生所接觸到的第一門具有工程特色的專業基礎課程，幾乎是化工類專業考研的必考課之一，在基礎課和專業課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用，是學生建立工程概念接觸到的第一門化學工程啟蒙課，因此顯得尤為重要?；ぴ砭哂杏嬎懔看蠖鴱碗s、理論性強以及密切聯系工程實踐的特點，因此，僅僅通過讓學生完成課后作業和開展化工基本單元操作實驗來教學，尚不能保證化工原理的實踐教學效果，仍需進一步提高學生運用專業知識和理論來分析和解決化工生產過程中常見實際問題的能力。

近些年來，高校關于提高化工原理教學效率的研究越來越多，例如：韋曉燕［1］等人應用Aspen Plus通過對課程設計、實際的案例分析以及單元模塊操作等階段的具體訓練，加深了學生對化工單元設計的理解；薛科創［2］探討了Aspen Plus在化工設計中的具體應用，利用軟件計算速度快、計算結果精確的特點，大大提升了化工設計效率；盧澤湘［3］等人研究了Aspen Plus在分離工程教學中的應用，使得課程教學能夠更貼近于工程實踐，并獲得較好的教學效果；張毅博［4］等人將Aspen Plus應用于科研及化工教學中，有效實現了科研的發展和創新。

本文應用Aspen Plus，以精餾、傳熱為例來進行模擬分析，分析操作變量對整個單元操作過程的影響，同時對手算結果進行及時校驗，從而進一步提高學生分析和解決化工過程實際問題的能力，達到增強教學效果的目的。

2 Aspen Plus在傳熱中的應用

換熱器是用來改變物流熱力學狀態的傳熱設備。Aspen Plus提供了多種不同的傳熱單元模塊，具體見表1。

換熱器Heater可以用于模擬計算單股或多股進口物流，使其變成某一特定溫度、壓力或相態下的單股物流；也可以通過設定條件來求解已知組成物流的熱力學狀態。換熱器Heater可以進行多種類型的計算和模擬，常見的有計算已知物流的泡點或露點、計算已知物流達到某一狀態所必需的熱負荷等。以Aspen Plus換熱器Heater模塊為例，模擬軟件在傳熱中的應用。

【例】求壓力為0.3 MPa，流率為220 kg/h，含水50%（質量分數）、含乙醇50%（質量分數）的混合物的露點和泡點。物性方法選擇UNIQUAC。規定物流在換熱器HEATER入口為飽和液相，出口為飽和氣相。

建立如圖1所示流程圖，輸入水和乙醇組分，選擇UNIQUAC物性方法（見圖2），輸入進料條件（見圖3），壓力為0.3 MPa，氣相分率為0（進料為飽和液相），流率為220 kg/h，其組成為含水50%（質量分數），含乙醇50%（質量分數）。閃蒸規定物性出口氣相分率為1（出口為飽和氣相），壓降為0。輸入完成進行模擬。

在result中查看相應的結果，得混合物在0.3 MPa壓力下的泡點為386.15 K，露點為397.02 K。若單元操作條件發生任何改變，只需在數據輸入中調整相關變量，重新模擬，相應的結果即刻就可以得出，非常方便快捷，可以及時觀察變量改變對單元操作結果的影響。

圖1 冷凝器流程圖

表1 換熱器單元模塊介紹

表2 塔模塊介紹

圖2 物性方法選擇界面

圖3 冷凝器進料條件輸入界面

3 Aspen Plus在精餾中的應用

Aspen Plus提供了DSTWU、Distl、RadFrac、Extract等分離單元模塊，這些模塊可以模擬蒸餾、吸收、萃取等過程；可以采用嚴格算法，也可以采用簡捷算法；可以模擬普通精餾，也可以模擬特殊精餾，如萃取精餾、共沸精餾、反應精餾等，各個塔模塊的介紹見表2。

DSTWU是多組分精餾的簡捷設計模塊，針對相對揮發度近似恒定的物系開發，用于計算僅有一股進料和兩股產品的簡單精餾塔。以Aspen Plus分離單元DSTWU模塊為例，模擬軟件在精餾中的應用。

【例】甲醇—水精餾塔的設計，進料量為水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，溫度45 ℃，進料壓力為110 kPa，塔頂為全凝器，回流比為最小回流比的1.3倍，塔的操作壓力為100 kPa，要求塔頂甲醇的回收率為98.38%，塔頂水的回收率為5.16%。冷凝器壓力為6 kPa，再沸器的壓力為14 kPa，采用NRTL-RK物性方法。求實際回流比、理論板數、進料位置以及塔頂產品與進料的摩爾流率比。

圖4 冷凝器模擬結果界面

圖5 甲醇—水精餾塔工藝流程圖

圖6 物性方法選擇界面

圖7 精餾塔進料條件輸入界面

建立如圖5所示流程圖，輸入組分甲醇和水，選用NRTL-RK物性方法（見圖6），輸入進料條件（見圖7），水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，溫度45 ℃，進料壓力為110 kPa，總流率為135 kmol/h。然后進行輕重關鍵組分及壓力選項的輸入，輸入完成進行模擬?？聪鄳慕Y果（圖8），得到最小回流比為0.58，實際回流比為0.76，最小理論板數為5，實際理論板數為11，進料位置為第6塊板，塔頂產品與進料摩爾流率比為0.3623。

同理，若改變操作參數，只需重新運行模擬，新結果即可得出。而且可參照實際理論板數對回流比的靈敏度分析曲線來幫助學生選擇合適的回流比和理論板數，及時觀察變量變化對單元操作結果的影響。

4 結語

圖8 精餾塔模擬結果界面

Aspen Plus軟件的模擬能夠將化工原理復雜的計算過程用軟件來實現，并能對具體化工生產過程進行模擬指導。Aspen Plus軟件模擬出的工藝參數準確，由所得數據繪制的圖表更加直觀，且大大減少了人工計算的工作量，通過改變操作變量和靈敏度分析等手段，能使學生及時觀察操作變量對單元操作過程的影響。將Aspen Plus模擬軟件應用到化工原理的實踐教學中，能夠有效將理論聯系到實際，激發學生學習化工原理的興趣，提高學生解決工程實際問題的能力，提高教學效率，為教學改革開辟新的路徑?！?/p>

［1］韋曉燕，譚軍，胡萬鵬，等.Aspen Plus軟件在化工原理教學中的應用探索［J］.化工時刊，2012（6）:69-70.

［2］薛科創.Aspen Plus 7.3在化工設計中的應用［J］.安徽化工，2014（3）:44-45，47.

［3］盧澤湘，范立維，廖益強.Aspen Plus在《分離工程》教學中的應用［J］.福建農林大學學報:哲學社會科學版，2010（5）:106-108.

［4］張毅博，劉楊.ASPEN PLUS在化工教學及科研中的應用［J］.技術與教育，2015（1）:7-9，37.

G642.44

B

1671-489X（2015）24-0173-03

作者：徐冬梅，博士，山東科技大學副教授，研究方向為化工分離工程、過程模擬與優化；王宏、李敏、高軍、馬小隆、張治山，山東科技大學（266590）。