Aspen Plus在化工分離工程教學中的應用

楊靖，鄭建東，王余杰，徐杰

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Aspen Plus在化工分離工程教學中的應用

楊靖，鄭建東，王余杰，徐杰

（滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州 239000）

化工分離工程是化學工程與工藝專業的一門專業技術課程，具有很強的應用性和工程性．在培養應用型人才的目標下，從化工分離工程課程內容中的相平衡方程、分離單元、分離流程和操作條件等幾方面做了一些探索，將Aspen Plus應用于化工分離工程教學中，提高了學生學習的積極性和化工分離工程的教學效果．

化工分離工程；Aspen Plus；教學方法

Aspen Plus是一款由美國麻省理工學院于20世紀70年代開發的大型化工工程模擬軟件，操作簡單，工程性與應用性突出[1]．近年來，該軟件逐漸在應用型本科院校推廣，用于培養學生工程意識和解決實際工程問題的能力．化工分離工程是化學工程與工藝專業的一門專業技術課程，是用來研究分離過程中分離設備共性規律，解決工程中分離、提純問題的一門重要課程，也具有很強的應用性和工程性[2]．因而，比較來看，化工分離工程與Aspen Plus具有很大的共性[3]（見表1）．因此，將Aspen Plus應用于化工分離工程的教學是可行的．

表1　化工分離工程與Aspen Plus的共性

本文主要在培養應用型人才的目標下，從化工分離工程課程內容中相平衡方程的建立、分離單元的計算、分離流程和操作條件的確定與優化等幾方面分別探討如何將Aspen Plus應用于化工分離工程教學中，以取得滿意的教學效果．

1　Aspen Plus應用于化工分離工程課程教學的內涵

1.1相平衡方程與物性系統相結合

化工分離工程大多知識點都是關于傳質分離過程中的平衡分離，其原理是依據各組分在兩相中的分配關系差異去實現各組分的分離．而要量化這種分配關系的差異，就要建立相平衡方程[4]．其建立可采用狀態方程法和活度系數法．這些方法中的方程大多復雜，如二元溶液的Wilson方程：，符號多，公式復雜，學生難免會失去學習的信心．如果采用Aspen Plus軟件的物性分析功能，只需在Components表格中輸入組分，在Properties中選擇Wilson方程，即可在Tools/Analysis/Property/Binary中查看到相平衡關系．甲醇-水在101.325 kPa下的--汽液平衡相圖見圖1．由圖1可見，可以獲取該壓力不同溫度下甲醇和水在汽液兩相中的組成，通過Binary analysis results中的Plot Wizard功能還可以作出-，-等汽液平衡相圖，整個過程非常直觀易懂，學生學起來也不會感到困難，可以增強學習的信心．

圖1　甲醇-水在101.325 kPa下的T-x-y汽液平衡相圖

1.2分離單元與單元模塊庫相結合

化工分離工程一般根據分離單元（如閃蒸、精餾、吸收和萃取等）分配章節，主要講述了各分離單元的共性問題以及各分離單元的過程分析和計算方法．如關于閃蒸計算的例題：某液體混合物含苯0.6（摩爾分數，下同），甲苯0.25和對二甲苯0.15，在101.300 kPa，100 ℃下閃蒸，試計算汽液相組成和汽化率．一般常規方法是先設定初值，再進行迭代（見圖2），過程繁瑣，有時工作量會很大．當學生對此類題目進行計算時，難免覺得工作枯燥繁重，不禁對化工分離工程課程失去興趣．

圖2　等溫閃蒸計算流程

如果運用Aspen Plus軟件進行計算，只需繪制流程圖（見圖3），并根據題目要求填寫進料條件和閃蒸條件，即可運算出結果（見表2）．由表2可見，通過軟件模擬計算與常規試差計算的結果相差無幾，但軟件模擬相對操作簡單，運算較快，避免了常規方法的繁瑣過程，從而更能突出化工分離工程魅力．

圖3　等溫閃蒸模擬流程圖

表2　等溫閃蒸計算結果

1.3分離流程和操作條件與流程模擬和參數優化相結合

分離流程和操作條件的確定與優化應當是化工分離工程課程中應用性最強，工程性最顯著的內容．然而，由于這部分內容計算量大、過程復雜，傳統的教學方法需要學生自己編程進行設計計算，這樣就增大了教學難度，需要教師和學生具有較高的計算機編程能力[5]．在以往這部分內容的教學過程中，教師一般只是簡單介紹，從而淡化了這門課程的工程性質．而結合模擬軟件進行講解，如甲醇和乙腈加壓-常壓分離工藝，通過Apen Plus可以非常容易地搭建工藝流程（見圖4）；運用Design Specs/Vary功能[6]，可以自動調整精餾塔操作參數（如塔頂采出與塔進料摩爾比），使得產品純度達到質量要求；而采用靈敏度分析可以很直觀地看出理論板數、進料位置和回流比對精餾塔再沸器熱負荷的影響，從而方便對工藝參數進行優化．加壓塔（T1）回流比對加壓塔和常壓塔（T2）再沸器總熱負荷（Q）的影響見圖5．由圖5可見，一共進行了100次計算，整個過程實際持續時間不到1 min，但效果非常明顯．學生很容易就能選擇出該工藝下的最佳工藝參數，從而降低了教學難度，強化了課程的工程性質．

圖4　甲醇和乙腈加壓-常壓分離工藝流程

圖5　加壓塔回流比對再沸器總熱負荷的影響

2　存在的問題和改進措施

通過走訪2011級和2012級化學工程與工藝專業的學生發現，引入Aspen Plus后，學生更愿意學習化工分離工程，也更容易掌握課程中的知識內容，但也反映出了一些問題．

2.1缺乏軟件知識，初期教學進度緩慢

引入Aspen Plus模擬軟件，將復雜的問題簡單化，提高了教學效率，重新豐富了課程的教學內容．但往往在課程教學初期，教學進程非常緩慢，多數學生反映學習較為吃力．通過調查發現，主要原因是學生缺乏Aspen Plus基礎知識．因此，針對這一情況，在化工分離工程開課的前一個學期增設了Aspen Plus軟件實訓課程，以輔助化工分離工程課程教學．

2.2過分依賴軟件，忽略基礎理論知識

運用Aspen Plus模擬軟件，可以將相平衡關系表現的直觀，將分離過程的計算變得簡便．因此，難免會有部分學生對Aspen Plus產生依賴心理，從而忽略了對基礎理論知識的學習和掌握．針對這一問題，可以采取如下措施：（1）教師在平常的教學過程中不應頻繁運用Aspen Plus，避免教師自身對模擬軟件產生依賴心理；（2）工作量不是很大的分離過程計算（如精餾的簡捷計算），不能缺少手算內容的講解，從而可教會學生如何運用基礎理論知識；（3）課后部分作業可規定學生必須手算解答，從而強制學生運用基礎理論知識進行計算．

3　結束語

化工分離工程是一門應用性和工程性較強的專業課，引入工程模擬軟件Aspen Plus，可以將復雜繁瑣的問題簡單化，提高了教學效率和學生的學習興趣；升華了課程的工程性質，培養了學生的工程意識；鍛煉了學生解決實際問題的能力，增強了學生今后的社會競爭力．

[1] 鄭建東，徐杰，馮建華，等．Aspen Plus在化工專業課程教學中的應用[J]．高師理科學刊，2016，36（3）：87-89

[2] 劉家祺．分離過程[M]．北京：化學工業出版社，2002：1-5

[3] 孫蘭義．化工流程模擬實訓——AspenPlus教程[M]．北京：化學工業出版社，2012：2-3

[4] 朱靖，劉永光．化工分離工程教學改革與實踐[J]．河北理工大學學報：社會科學版，2011，11（3）：100-102

[5] 刁顯珍．提高“化工分離工程”課教學質量的探索[J]．重慶科技學院學報：社會科學版，2014，1（4）：163-164

[6] 張季亮，王峰，彭偉才，等．分離碳酸二甲酯和甲醇的常壓-加壓精餾工藝流程的模擬[J]．石油化工，2010，39（6）：646-650

Application of Aspen Plus in the teaching of chemical separation engineering

YANG Jing，ZHENG Jian-dong，WANG Yu-jie，XU Jie

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

Chemical separation engineering is one important technology course for chemical engineering and technology talent．The course is applied and has been based on engineering background．In order to cultivate high-quality application-oriented talents，with the application of Aspen Plus in the teaching of chemical separation engineering，some research has been done about equilibrium equation，separation unit，separation process and operation condition．The results showed that the application of Aspen Plus could enhance students' enthusiasm and improve teaching effect．

chemical separation engineering；Aspen Plus；teaching method

1007-9831（2016）09-0087-03

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.09.025

2016-07-02

安徽省高校省級質量工程項目（2014zjjh042，2014zy072，2015jxtd040）；國家級大學生創新創業項目（201510377016）

楊靖（1987-），男，安徽滁州人，助教，碩士，主要從事精細化工工藝方面的研究．E-mail：yjnjut126@126.com