DWSIM在《制藥設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)》教學(xué)中的應(yīng)用*

楊忠連，江章應(yīng)

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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DWSIM在《制藥設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)》教學(xué)中的應(yīng)用*

楊忠連，江章應(yīng)

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001)

根據(jù)《制藥工程本科專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》要求，對(duì)制藥工程專業(yè)核心課程《制藥設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)》進(jìn)行課程改革，將開源化工流程模擬系統(tǒng)DWSIM引入到教學(xué)中。通過結(jié)合典型教學(xué)案例，將設(shè)備工藝設(shè)計(jì)、熱量衡算與物料工藝計(jì)算等理論教學(xué)內(nèi)容與軟件模擬實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，突出了教學(xué)中心，提高了教學(xué)效率。學(xué)生學(xué)習(xí)成本下降的同時(shí)，工程實(shí)踐能力得以增強(qiáng)，取得了良好的教學(xué)效果。

DWSIM；制藥工程；工藝設(shè)計(jì)；教學(xué)軟件

《制藥設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)》是制藥工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，內(nèi)容包括藥物合成、分離、加工過程及其關(guān)鍵設(shè)備的工程原理與放大，GMP車間設(shè)計(jì)原理和方法等[1]。通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握制藥關(guān)鍵設(shè)備的工程原理、工藝計(jì)算和 GMP車間設(shè)計(jì)。由于該課程綜合運(yùn)用物理化學(xué)、化工原理、反應(yīng)工程、化工設(shè)備、GMP等專業(yè)課程理論和工程技術(shù)知識(shí)，教學(xué)內(nèi)容覆蓋面廣，工程實(shí)踐性強(qiáng)[2]，為了在短時(shí)間內(nèi)使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容有全面清晰的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，有必要通過流程綜合模擬系統(tǒng)輔助學(xué)習(xí)。

目前國內(nèi)主要的化工流程模擬系統(tǒng)有Aspen Plus、HYSYS、PRO/II、ChemCAD等商用軟件[3]，盡管功能強(qiáng)大但學(xué)習(xí)成本相對(duì)較高，從版權(quán)保護(hù)角度來說不適宜作為教學(xué)輔助工具。而近年來隨著CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)[4]的推廣，在開源社區(qū)出現(xiàn)了大量可移植的單元操作模塊，其中影響較大的是以DWSIM為代表的開源化工過程模擬器，經(jīng)過近十年不斷更新，已經(jīng)具備了諸如多種熱力學(xué)模型、常見單元操作模擬、多變量約束優(yōu)化、靈敏度分析、支持CAPE-OPEN模塊等特性，同時(shí)開發(fā)有DWSIM Calculator等跨平臺(tái)移動(dòng)端應(yīng)用[5]，其操作方式與上述商用軟件相似，具有入門快、價(jià)格低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。且由于軟件基于序貫?zāi)K法，采用VB.NET和C#開發(fā)，在源代碼層面可用于描述和理解設(shè)備原理和工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，容易學(xué)習(xí)和閱讀，并可根據(jù)需要自行開發(fā)單元操作模塊。通過一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，現(xiàn)對(duì)該軟件在本課程中的常見應(yīng)用案例作一總結(jié)說明。

1　反應(yīng)器的參數(shù)計(jì)算

反應(yīng)器是制藥設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算的核心。以甲烷-水蒸氣制氫反應(yīng)為例，計(jì)算Gibbs反應(yīng)器工藝參數(shù)[6]。在新建流程模擬項(xiàng)目后使用向?qū)Чぞ邚奈镄詳?shù)據(jù)庫中找出CH4、H2O、H2、CO2、CO加入項(xiàng)目，之后通過向?qū)Ы缑嬉来芜x擇物質(zhì)活度計(jì)算模型和汽液相平衡模型。在設(shè)置好各工藝量綱單位后，進(jìn)入FlowSheet(流程圖)繪制界面。在Object Palette(對(duì)象面板)中先選擇Material Stream(物料流)拖動(dòng)到流程圖中，設(shè)置進(jìn)入反應(yīng)器前的物料摩爾流量組成(本例為3 mol/s CH4和 2 mol/s H2O)，在左側(cè)對(duì)象選擇(Selected Object)面板的工藝參數(shù) (Properties)設(shè)置中填寫溫度和壓力(1000 K, 101 325 Pa)，并可在樣式(Appearance)界面中設(shè)置其顯示樣式。再選擇Gibbs Reactor拖動(dòng)到FlowSheet中，暫停計(jì)算模式后設(shè)置物料與能量的出入連接形成工藝流程。通過設(shè)置反應(yīng)器計(jì)算參數(shù)，如計(jì)算方法、反應(yīng)包含物料、出口物料初始估值、元素守恒矩陣、操作模式和壓降等，重新啟動(dòng)計(jì)算模式后可獲得計(jì)算結(jié)果。若結(jié)合反應(yīng)管理工具，則可獲得不同反應(yīng)方程式的反應(yīng)程度，如圖1所示，在相同工藝參數(shù)下，出口物流中有微小改變。由計(jì)算可知，物料反應(yīng)趨于平衡時(shí)(Mass Balance→0)，進(jìn)料中CH4轉(zhuǎn)化率為64.1%，H2O轉(zhuǎn)化率為97.6%，反應(yīng)后僅獲得氣相物料。

圖1　使用反應(yīng)管理工具模擬甲烷-水蒸氣制氫反應(yīng)的 Gibbs反應(yīng)器流程Fig.1　The flowsheet of hydrogen production in Gibbs reactor by methane steam reforming reaction using Chemical Reactions Manager of DWSIM

DWSIM中反應(yīng)器類型比較豐富，除了上述Gibbs自由能最小化反應(yīng)器以外，在其他流程模擬軟件中的反應(yīng)器類型基本均有對(duì)應(yīng)，如轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器(Conversion Reactor)、平衡反應(yīng)器(Equilibrium Reactor)以及平推流(PFR)、全混流(CSTR)兩種理想動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器形式，對(duì)應(yīng)可計(jì)算的項(xiàng)目較多，降低了學(xué)習(xí)反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)的難度。

2　熱量計(jì)算

熱量計(jì)算包括兩類，一類在熱量衡算中使用較多，如冷凝冷卻過程和加熱汽化過程。圖2為計(jì)算1000 kg/h水蒸汽從125 ℃(232.19 kPa)經(jīng)冷凝冷卻后降至常壓25 ℃時(shí)所釋放的熱量，在流程圖中繪制冷卻單元后，設(shè)置出口溫度，即可計(jì)算結(jié)果為4.35×105kJ/h。

圖2　水蒸汽冷凝冷卻過程的熱量計(jì)算Fig.2　Heat calculation of water vapor condensation-cooling process

另一類用于對(duì)換熱器單元操作中的設(shè)計(jì)型問題和操作型問題進(jìn)行計(jì)算。如圖3使用水在管殼式換熱器中對(duì)燃料降溫，根據(jù)物料進(jìn)出口工藝參數(shù)設(shè)計(jì)換熱面積193.38 m2，并計(jì)算出總傳熱系數(shù)為424.38 W/(m2·K)。

圖3　管殼式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算(水冷卻汽油)Fig.3　Design and calculation of shell and tube heat exchanger by water cooling gasoline

3　物料計(jì)算

DWSIM物料計(jì)算應(yīng)用于《制藥設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)》中，可分為三類：①物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)計(jì)算；②單元操作中的物料工藝參數(shù)計(jì)算；③物料衡算。下面分別進(jìn)行簡要介紹。

3.1理化性質(zhì)

理化性質(zhì)是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)于各種過程模擬軟件，基本都提供有自定義組分編輯器，以適應(yīng)各種設(shè)計(jì)環(huán)境。DWSIM除自帶的物質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫以外，還可以XML文件形式兼容ChemSep等多種物質(zhì)數(shù)據(jù)庫格式，此外軟件還附帶有多個(gè)物性編輯工具可實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊物料的物理化學(xué)性質(zhì)計(jì)算[7]。圖4所示為完全建立一新物質(zhì)的操作界面，可通過查閱文獻(xiàn)輸入相關(guān)物質(zhì)的UNIFAC、MODFAC、Joback等基團(tuán)模型和蒸汽壓、熱容、密度、黏度等回歸參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)新物質(zhì)在工藝設(shè)計(jì)中的在線計(jì)算。

圖4　物質(zhì)理化性質(zhì)參數(shù)輸入界面Fig.4　The DWSIM user interface of physical and chemical properties parameter input

3.2物流工藝參數(shù)計(jì)算

圖5　物料流工藝參數(shù)換算和設(shè)置界面Fig.5　The DWSIM user interface of material streams’ process parameters conversion and settings

該類計(jì)算主要包括一定的溫度、壓力或其他熱力學(xué)參數(shù)條件下，物流的組成、分率、密度、熱容、黏度等工藝參數(shù)等。由于制藥車間設(shè)計(jì)計(jì)算一般用質(zhì)量產(chǎn)量來確定工藝流程中的物料，而化學(xué)過程則采用摩爾數(shù)進(jìn)行計(jì)量，此外還涉及相平衡等體積換算，物理量的工藝狀態(tài)計(jì)算需要耗費(fèi)大量時(shí)間。在課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，物料理想狀態(tài)下的理化性質(zhì)一旦確定，DWSIM即可根據(jù)實(shí)際已知項(xiàng)，進(jìn)行如圖5所示摩爾量-質(zhì)量-體積量之間的自動(dòng)計(jì)算并對(duì)所有物料進(jìn)行歸一化處理，可以使教學(xué)活動(dòng)集中于工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而擺脫繁瑣的計(jì)算工作。

3.3物料衡算

無論是操作型還是設(shè)計(jì)型物料衡算，都是制藥車間工藝設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。通過DWSIM流程繪制、物料流與能量流設(shè)置以及單元操作計(jì)算等步驟，可以在如圖6所示Material Streams表中獲得各股物料的詳細(xì)參數(shù)。

圖6　Material Streams物料衡算表Fig.6　Material balance sheet in Material Streams interface

4　結(jié)　語

(1) 通過教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革，將DWSIM軟件引入

《制藥設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)》教學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效降低了計(jì)算工作量和學(xué)習(xí)成本，使課程的教學(xué)更加接近實(shí)際制藥車間設(shè)計(jì)。

(2) 通過DWSIM將工藝流程繪制、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、單元操作計(jì)算、物料能量衡算以及設(shè)備工藝選型等實(shí)踐與教學(xué)相結(jié)合，使課程教學(xué)集中于工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高了教學(xué)效果和質(zhì)量，且已向移動(dòng)手機(jī)客戶端進(jìn)行移植設(shè)計(jì)計(jì)算，有利于實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程體系化以及慕課建設(shè)。

[1]元英進(jìn),尤啟冬,于奕峰,等.制藥工程本科專業(yè)建設(shè)研究[J].化工高等教育,2006, 22(1):12-15.

[2]劉艷飛,劉珍寶,彭東明,等.制藥設(shè)備與車間工藝設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].廣州化工, 2014(5):128-130.

[3]許良華,尹曉紅,孫喆,等.化工流程模擬教學(xué)新模式的探索[J].化工高等教育, 2016(1):39-42.

[4]白昊,王瑤,王正權(quán).基于CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)的單元模型的建立[J].山東化工,2011, 40(9):22-25.

[5]DWSIM Wiki. Calculator-DWSIM Wiki[OL]. http://dwsim.inforside.com.br/wiki/index.php?title=Calculator.

[6]Daniel Medeiros. Using the Gibbs Reactor (Windows/Linux/OS X)[OL]. http://dwsim.sourceforge.net/tutorials/gibbs/gibbs.htm.

[7]Rahmawati S D, Hoda M F, Wagner D, et al. Mix-n-match Reservoir Coupling in Integrated Modeling and Optimization[A]. IPTC Conference Paper-2014[C]. Kuala Lumpur(Malaysia): International Petroleum Technology Conference, 2014. doi:10.2523/IPTC-17727-MS.

Applications of DWSIM in the Curriculum Teaching ofPharmaceuticalEquipmentandProcessDesign*

YANGZhong-lian,JIANGZhang-ying

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

An open source chemical process simulation system DWSIM was introduced into the teaching progress ofPharmaceuticalEquipmentandProcessDesign, a core curriculum of Pharmaceutical Engineering specialty inNationalStandardforTeachingQualityofPharmaceuticalEngineering, through the curriculum reform. Theoretical teaching and software simulation practicing were coupling in some typical teaching cases as the design of process equipment, heat balance calculation, material process calculation, and other specialty subjects. These applications showed that a good teaching effect was achieved, the important teaching points can be highlighted and the teaching efficiency also can be improved. Using DWSIM in this curriculum can reduce the cost of the study and enhance the students’ ability of engineering practice.

DWSIM; Pharmaceutical Engineering; process design; teaching software

安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2016A197)；安徽理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目。

楊忠連(1981-)，男，講師，博士，主要從事化工基礎(chǔ)課程教學(xué)工作。

TQ015.9, G642.0

B

1001-9677(2016)015-0184-03