Aspen Plus在煤化工專業(yè)實訓中的應用實踐與探索

秦玉珠，尹春花，邢成硯，王艷玲

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Aspen Plus在煤化工專業(yè)實訓中的應用實踐與探索

秦玉珠[1]，尹春花1，邢成硯2，王艷玲1

（1. 黑龍江工業(yè)學院 環(huán)境工程系，黑龍江 雞西158100；2. 河池學院 化學與生物工程學院，廣西壯族自治區(qū) 宜州 546300）

把Aspen Plus引入煤化工專業(yè)實訓，以煤制乙二醇為研究對象，對其工藝流程模擬、系統(tǒng)能量衡算和有效能分析等問題進行研究，構建煤制乙二醇流程系統(tǒng)分析和設計的基本框架．結果表明，把Aspen Plus引入煤化工專業(yè)實訓不僅能夠激發(fā)學生對煤化工實訓的興趣，讓學生熟悉和掌握煤化工設計的基本原理和方法，并為培養(yǎng)更好、更為專業(yè)的煤炭深加工與利用專門人才開辟新的路徑．

Aspen Plus；教學實踐；煤化工專業(yè)實訓

我國是以煤炭為主要能源的國家，隨著中國能源安全問題日益嚴峻，煤化工已成為社會關注的熱點并得到快速發(fā)展．近年來，隨著人們環(huán)保意識的強化，要求企業(yè)大力開發(fā)煤炭清潔有效利用工藝[1]．煤制乙二醇是煤化工清潔生產的研究熱點之一，尋求合適的煤制乙二醇工藝是解決我國能源問題的有效手段．

隨著科技進步，計算機模擬軟件的廣泛應用使高校中的傳統(tǒng)教學思想、教學方法和教學手段都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)[2]．Aspen Plus作為當今流行的通用化工流程模擬軟件，因其組件中含有豐富的、齊全的化工操作單元模型，可以進行關于精餾、吸收、換熱和反應等各種通用化工過程的模擬計算[3]．煤化工專業(yè)實訓課程是以適應煤化工生產人員崗前實訓所開設的一門技能實訓課程[4-6]．本文把Aspen Plus引入煤化工專業(yè)實訓，以煤制乙二醇為研究對象，對其工藝流程模擬、系統(tǒng)能量衡算和有效能分析等問題進行了研究，構建煤制乙二醇流程系統(tǒng)分析和設計的基本框架，探討Aspen Plus在煤化工專業(yè)實訓中的應用．

1教學實踐分析

黑龍江工業(yè)學院煤炭深加工與利用專科專業(yè)的培養(yǎng)方案中，主要在第3學期和第4學期開設專業(yè)基礎理論課和專業(yè)課程，如化工原理、物理化學、化工設備機械基礎、環(huán)保工程概論、煤炭氣化工藝、煉焦化學產品回收與加工、煤液化技術和甲醇生產技術．煤化工專業(yè)實訓課程是煤炭深加工與利用專業(yè)學生學完專業(yè)課程后所開設的一門綜合性技能實訓課程．煤化工專業(yè)實訓的教學目的是：（1）掌握煤化工生產基本操作，較熟練地分析把握各個生產工藝指標；（2）熟悉掌握生產過程中基本設備的工作性能、工作原理和操作方法；（3）能正確地分析和解決生產過程中出現(xiàn)的一般異常現(xiàn)象；（4）了解煤化工生產的組織與管理體系；（5）確立正確的環(huán)保與節(jié)能意識，樹立安全生產與文明生產的職業(yè)思想，具有科學的態(tài)度和實事求是的工作作風，要有創(chuàng)新精神．煤化工專業(yè)實訓設計為校外參觀工藝或校內撰寫報告，本次專業(yè)實訓在第一實驗樓仿真實驗室用化工流程模擬軟件Aspen Plus設計一座煤制乙二醇分廠．通過對Aspen Plus軟件的理論學習與上機實踐，讓學生掌握流體輸送單元、傳熱單元和分離單元等單元操作的仿真設計和流程模擬；使他們從基礎的單元模擬和計算機操作學習轉向解決設計型和綜合型的復雜問題；從化工設備機械基礎、化工原理和物理化學課程等理論知識的學習轉向工程實踐能力的培養(yǎng)，最終達到培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)理論知識和計算機技術解決實際工程實例問題能力的目的[7]．

Aspen Plus是一個功能強大的通用過程仿真軟件，靈活掌握該軟件有一定的難度．軟件是全英文的操作界面，對學生專業(yè)英語的學習有很大幫助[8]．除此之外，為了使學生能在給定的時間內掌握軟件的基本用法并利用有限的實訓時間完成設計任務，學習典型的單元模塊及其基本設置方法是非常必要的，如RStoic、Rplug和RCSTR反應器模塊，flash2和sep分離器模塊，pump和valve流體輸送單元模塊，DSTWU和RadFrac塔器模塊，heater和heatX傳熱單元模塊等典型單元模塊．通過單元模塊的仿真模擬，掌握軟件的工作原理，學會分析仿真模擬結果．

2實訓課題探究

實踐探究以黑龍江工業(yè)學院2013級煤炭深加工與利用專業(yè)學生為實踐對象，實踐課題是為某企業(yè)設計一座煤制乙二醇分廠，截取甲醇與水分離工段為例（模擬流程圖見圖1），進料條件為：水的流率為90 kmol/h，甲醇的流率為45 kmol/h，溫度65 ℃，壓力110 kPa，精餾塔塔壓為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%．確定精餾塔的理論板數(shù)、回流比和最佳進料板位置．

圖1　精餾分離甲醇-水模擬流程圖（DSTWU）

添加物流后即完成了基本的流程輸入；從數(shù)據(jù)庫中添加本模型所需的甲醇和水組分；物性方法選擇NRTL-RK模型；定義進料物料流股，操作單元模塊定義時初選回流比為最小回流比的1.3倍，輸入流出物和塔釜液的產品回收率，即可完成數(shù)據(jù)輸入，進行模擬．計算的物流結果見表1．最小回流比為0.58，最小理論板數(shù)為5塊，進料板為第7塊．

表1　精餾塔計算結果（DSTWU）

然后根據(jù)DSTWU簡捷計算的結果設定模塊參數(shù)，用RadFrac模塊進行嚴格計算，運行完成后，點擊Plot Wizard繪制塔內溫度分布曲線（見圖2），生成塔內液相質量組成分布曲線（見圖3）．還可以通過靈敏度分析工具選擇最佳進料板位置，進行優(yōu)化設計．

圖2　塔內溫度分布曲線

圖3　塔內液相質量組成分布曲線

3實踐效果

以煤制乙二醇為研究對象，對其工藝流程模擬、系統(tǒng)能量衡算和有效能分析等問題進行了研究，構建煤制乙二醇流程系統(tǒng)分析和設計的基本框架．學生在實訓中增長了知識與能力，并取得了豐富的成果．教學實踐改革的優(yōu)點是能夠激發(fā)學生的主動性和創(chuàng)新性，因為以往的煤化工實訓地點往往設在焦化廠、洗煤廠等企業(yè)，2個星期的工廠實習通常會流于表面，學生通常處于被動地位，并沒有真正理解工廠各設備的設計精髓和運行原理．通過此次實踐改革，學生的動手設計能力和創(chuàng)新能力得到了鍛煉，學生敢于想象，勤于查資料，認真設計每個典型設備．教學實踐改革缺點是由于學生沒有實際的工廠操作經(jīng)驗，相關的流體或設備的設計經(jīng)驗值缺乏，技術參數(shù)的把握明顯經(jīng)驗不足．實踐結果表明，把Aspen Plus引入煤化工專業(yè)實訓能夠激發(fā)學生對煤化工實訓的興趣，加強了學生對煤化工基礎理論和基本概念的理解，學生的動手設計能力和創(chuàng)新能力也得到了鍛煉，從而為培養(yǎng)更好、更專業(yè)的煤炭深加工與利用專門人才開辟了新的路徑．

[1] 陳世豪．基于ASPEN PLUS的煤氣化模擬與有效能分析[D]．廈門：廈門大學，2012

[2] 秦玉珠，汪寧，孟令麗，等．計算機模擬在有機化學實驗教學中的應用[J]．高師理科學刊，2014，34（2）：104-106

[3] 尹春花，秦玉珠．Aspen Plus在化工教學中的實踐應用探討[J]．牡丹江教育學院學報，2015（8）：97-98

[4] 榮俊鋒，陳明功．煤化工專業(yè)實踐教學改革淺析[J]．淮南職業(yè)技術學院學報，2014，14（2）：82-84

[5] 李立碩，馬林，魏光濤，等．淺談如何在化工設計課程中提高學生的設計能力[J]．化工時刊，2011，25（2）：64-65

[6] 孟獻梁，褚睿智，苗真勇，等．以煤化工為特色化工類專業(yè)實習教學改革探索[J]．廣州化工，2014，42（5）：150-151

[7] 曹俊雅，王光耀，朱凱，等．Aspen Plus在化工設計中的應用實踐與探索[J]．新課程研究，2012，267：93-94

[8] 隋國哲，李金龍，賈麗華，等．化工設計教學改革的探討[J]．高師理科學刊，2010，30（1）：115-116

Application and exploration of Aspen Plus in coal-chemical professional training

QIN Yu-zhu1，YIN Chun-hua1，XING Cheng-yan2，WANG Yan-ling1

（1. Department of Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Jixi 158100，China 2. College of Chemistry and Biological Engineering，Hechi University，Yizhou 546300，China）

Aspen Plus was introduced into coal-chemical industry professional training，with coal preparation of ethylene glycol as the research object，systematic energy balance framework of systematic analysis and design of coal preparation of ethylene glycol were discussed．Research shows that introducing Aspen Plus into coal-chemical industry professional training not only stimulates students′ interest in the coal-chemical professional training but also helps master the basic principles and methods of coal-chemical design．Therefore，it is useful to open up a new path for fostering better and more professional personnel of coal processing and utilization．

Aspen Plus；teaching practice；coal-chemical industry professional training

1007-9831（2016）02-0098-03

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.029

2015-11-28

黑龍江省高等教育學會科學研究課題（14Q197）

秦玉珠（1987-），女，安徽阜陽人，講師，碩士，主要從事環(huán)境化學的研究．E-mail：qinyuzhu5233@163.com