Aspen Plus在化工專業課程教學中的應用

鄭建東1，徐杰，馮建華，楊靖

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Aspen Plus在化工專業課程教學中的應用

鄭建東1，徐杰，馮建華，楊靖

（滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州 239000）

為了培養學生的工程實踐能力，將Aspen Plus軟件應用于化學工程與工藝專業課程教學．介紹了Aspen Plus軟件在課堂教學中的應用，從而提高學生對化工專業課程的理解能力，增強學生的工程意識，有助于學生學習興趣的提高．

Aspen Plus；化工原理；分離工程

隨著我國經濟快速發展，化工行業對化工工程技術人才的工程實踐創新能力要求不斷增高．大多數工科畢業的學生都將從事工程技術行業，如何體現工程技術人員的創新應用能力，已經成為畢業生關注的問題．而如何培養大學生在校期間的創新能力，包括新產品的工藝開發，新流程和新裝置的的工藝設計等內容，已成為工科專業院校的辦學新思路[1]．

Aspen Plus軟件在使用過程中最突出的優點就是可以模擬實際生產過程．因此，目前許多高校為了培養大學生的工程技術能力和創新思維技能，已廣泛地應用Aspen Plus軟件．

1Aspen Plus軟件介紹

Aspen Plus是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統，它幾乎能滿足大多數化工設計及生產計算的要求，其計算結果得到許多同行的認可[2]．該軟件由麻省理工學院化工系有關教授組織了一個由高等學校和企業部門各方人員參加的開發小組，集中進行新一代化工流程模擬系統的開發，于1979年初開發成功Aspen（Advanced System for Process Engineering），并投入使用[3]．它被用于化學和石油工業、煉油加工、發電、金屬加工、合成燃料和采礦、紙漿和造紙、食品、醫藥及生物技術等領域，在過程開發、過程設計及企業的改造設計中發揮著重要的作用．尤其在近些年，中國化工學會、中國化工教育協會、教育部高等學校化學工程與工藝專業教學指導分委員會在中國石化和三井化學公司的冠名贊助下舉辦“中國石化-三井化學杯”大學生化工設計競賽，要求所有的參賽學生必須應用Aspen Plus軟件進行工藝流程設計．可見，應用型人才培養對Aspen Plus軟件在課程教學的重視程度已經達到了必須的要求．

Aspen Plus軟件主要包括3部分內容：物性數據庫、單元操作和模塊分析．它的操作界面較為易懂，用戶使用起來方便靈活，數據輸入方便、直觀，所需數據均以填表方式輸入，系統自動引導幫助用戶逐步完成數據的輸入工作．

軟件數據包里有不斷更新且完備的物性數據庫，具有物性數據回歸、自選物性及數據庫管理等功能．

備有全面、廣泛的化工單元操作模型庫，能方便地構成各種化工生產流程，如化工原理課程里所應用到的精餾和吸收工藝流程[4-5]，反應工程里所涉及的各種反應器都可以在Aspen Plus軟件進行模擬[6]．同時，Aspen Plus軟件提供了一些重要的模擬分析工具，還可以對一些工藝過程進行強大的流程分析與優化功能，如流程優化、靈敏度分析、設計規定及工況研究等．其還具有技術經濟估算系統，可以進行設備投資費用、操作費用及工程利潤估算．

2Aspen Plus軟件與化工專業課程教學結合實例

通過對Aspen Plus軟件的學習，將其中部分內容運用到課堂教學中，并通過實例說明該軟件的實用性．

例1化工原理課程：甲醇與水的混合溶液，甲醇∶水=2∶3，進料溫度為40 ℃，壓力為1.01×105N/m，流量為1 000 kg/h，確定該物流的泡點溫度（露點溫度）．

計算泡點溫度的常規算法是利用兩組分的飽和蒸汽壓和總壓，然后根據進料摩爾組成，在一定范圍內進行試差法（計算步驟見圖1）．計算過程繁瑣，同時還存在誤差．

用Aspen Plus軟件進行計算，過程就比較簡單，2 min就可以得到結果．首先繪制流程圖，見圖2．選擇單元模塊區中“Seperator（分離器）”下的“Flash2（閃蒸）”模塊．之后將鼠標移到流程區單擊，在流程圖區域內將出現一個分離器．然后再將鼠標移到物流、能流區，并單擊，這時將在塔圖形上出現需要連接的物流，連接進出該分離器的物流．

然后，點擊菜單欄里的“N→”，按照要求輸入相關數據，最后系統開始計算，計算完成后，可以點擊“Results Summary”查看計算結果（見圖3）．可以看到泡點溫度為79.49 ℃，與試差計算相差無幾．同時也可以再次打開前面的工藝流程圖，通過設置可以看到帶有數據顯示的工藝流程圖（見圖4）．

圖5　苯-甲苯精餾過程

例2分離工程課程：對于分離工程教學中經常會遇到類似的問題，例如：用一常壓操作的連續精餾塔，分離含苯為0.44摩爾分數的苯-甲苯混合液，要求塔頂產品中含苯不低于0.975摩爾分數，塔底產品中含苯不高于0.023 5摩爾分數．操作回流比為3.5．試用Aspen Plus計算原料液為20 ℃的冷液體時的理論板層數和加料板位置．

此題一般用圖解法（見圖5）或者逐板計算法，對于圖解法必須畫出操作線和進料線；而對于逐板計算法又要重復運用操作線方程和平衡線方程進行多次計算，過程繁瑣而且比較復雜，容易出現誤差．

用Aspen Plus軟件實施，就比較簡單、迅速，幾分鐘就可以解決問題．首先繪制流程圖（見圖6）．選擇單元模塊區中“Columns（塔）”下的“DSTWU（簡捷法）”模塊．之后將鼠標移到流程區單擊，在流程圖區域內將出現一個塔．然后再將鼠標移到物流、能流區并單擊，這時將在塔圖形上出現需要連接的物流，連接進出該精餾塔的物流．

然后點擊菜單欄里的“N→（下一個）”，按照要求輸入相關數據，最后系統開始計算，計算完成后，可以點擊“Results Summary”查看計算結果（見圖7）．可以看到在該分離要求下的最小回流比為1.12，最小理論板數為8.17，實際所需理論板數為10.43，加料板位置為6.32．

Aspen Plus軟件在反應器設計、工藝流程的優化等方面都有著很好的應用．鑒于該軟件的應用范圍比較廣泛，同時實用性能比較良好，因此現在國內大部分高校，尤其是在工科院校的化學工程與工藝專業學生都已經涉及到該軟件的學習和應用．

3結束語

Aspen Plus模擬軟件能把專業課程教學中復雜的過程計算用計算機軟件來完成，而且能模擬出化工生產過程．把Aspen Plus軟件應用到化工專業課程教學中，可以將理論聯系實際，學生看到的都是實際的工程實例，這樣不僅能提高了學生的學習興趣，而且可以促進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．

[1] 李利軍，勞國瑞．Aspen工程軟件在化工過程工藝開發中的應用[J]．化學工業與工程技術，2010，31（2）：54-57

[2] 倪帥軍，曹俊興，孔繁津，等．ASPEN PLUS在甲醇加壓精餾塔中的應用[J]．安徽化工，2008（3）：31-32

[3] 張春勇，鄭純智．Aspen Plus軟件在化工原理教學中的應用[J]．江蘇技術師范學院學報，2010（1）：78-81

[4] 孫蘭義，張月明．Aspen Plus在化工原理課程設計教學中的應用[J]．廣東化工，2009（12）：173-175

[5] 王賢書．Aspen Plus在制藥化工原理汽液平衡教學中的應用[J]．廣東化工，2011（13）：186-188

[6] 王彥飛，朱亮，楊立斌，等．Aspen Plus應用于反應工程教學的實踐[J]．廣東化工，2011（9）：187-188

Application of Aspen Plus in the teaching of chemical engineering major

ZHENG Jian-dong，XU Jie，FENG Jian-hua，YANG Jing

（School of Material and Chemical Engineering，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China）

In order to raise the student's practical ability，apply Aspen Plus to the courses teaching．Introduced the application of Aspen Plus in the teaching of course of chemical engineering major．The results shows that the application of Aspen Plus can deepen students' understanding of chemical engineering course and increase engineering consciousness of students．At the same time it can enhance the students's interests of learning．

Aspen Plus；chemical engineering principle；separation engineering

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.025

2015-12-28

安徽省教育廳質量工程項目（2014zjjh042，2015sjjd024，2015jxtd040）

鄭建東（1971-），男，河南南陽人，教授，博士，主要從事工業催化方面的研究．E-mail：zjd071@126.com