Aspen Plus在化工原理課程教學中的應用

鄭建東，徐　杰，陳綱領，王余杰，馬田林

(滁州學院 材料與化學工程學院，安徽 滁州　239000)

化工原理課程主要研究化工生產中單元操作的基本原理及其設備的設計、操作與調節，以傳遞過程原理和研究方法論為主線，研究各個物理加工過程的基本規律、典型設備的設計方法、過程的操作和調節原理。課程所講授的主要內容為化工生產過程中的一些單元操作，主要以“三傳”為主線，即講授動量傳遞為基礎的流體輸送、攪拌、非均相分離等單元操作；以熱量傳遞為基礎的傳熱、蒸發單元操作；以質量傳遞為基礎的吸收、精餾、萃取、干燥等單元操作。講授課程過程中要有課程設計環節，通過課程設計培養學生動手能力、觀察能力、綜合分析和處理問題的能力，傳統的課程設計一般都是學生進行手工計算得到結果，相對比較繁瑣復雜[1]。

AspenPlus軟件是美國麻省理工學院于20世界70年代開發的大型化工流程及模擬軟件，自推出以來就占據世界性大型化工標準流程模擬軟件的重要地位， 已經成為大型化工企業研發新工藝的首選模擬軟件。同時，也是相關化工高校教學環境中的必要教學輔助工具。該軟件能夠廣泛模擬流體輸送、精餾、吸收及化工反應等絕大多數化工生產過程。Aspen P1us軟件在使用過程中最突出的優點就可以模擬實際生產過程[2-4]。因此，目前許多高校為了培養在校大學生的工程技術能力，培養學生的創新思維技能，Aspen P1us軟件已經得到了普遍廣泛的應用。

Aspen P1us軟件主要包括三部分內容：物性數據庫、單元操作和模塊分析。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[5-7]。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，我們化工原理課程里面所涉及到的三傳都可以在Aspen P1us軟件進行模擬[8]。同時實踐證明用Aspen P1us軟件對三傳單元操作進行模擬，簡捷可行又直觀。下面通過具體實例說明Aspen P1us軟件在化工原理課程教學中的實際應用。

1　在動量傳遞單元操作中的應用

例：一泵輸送流率為100 kmol/h的苯，苯的壓力為100 kPa，溫度為40 ℃。泵的效率是60%,電動機效率是90%，特性曲線數據如表1所示。計算泵的出口壓力、泵提供給流體的功率及泵所需的軸功率各是多少。物性方法采用RK-SOAVE。

表1　泵特性參數

該題要計算離心泵的有效功率及軸功率，如果要計算的話，必須要首先根據數據繪制離心泵的特性曲線，然后才可以得到結果，同時還存在一定讀數誤差，應用Aspen P1us軟件，選定一臺泵工作，輸入相應的物性參數及單位，同時輸入泵本身的參數就可以得到結果。具體如圖1～圖4所示。很快就得泵軸功率為9.2kW。

圖1　單泵工作流程示意圖

圖2　輸入、輸出的單位、物性等基本參數

圖4　泵出口壓力及泵軸功率等計算結果

2　在傳熱單元操作中的應用

例：模擬一個換熱器，熱物流苯流率未65800 kg/h、溫度為200℃、壓力為2.8MPa，冷物流正十二烷流率未222200 kg/h、溫度為40℃、壓力為1.4MPa，換熱完成后，苯冷卻至100 ℃。兩股物流逆流換熱，熱物流走殼程。求兩股物流出口狀態及換熱器熱負荷。

Aspen P1us軟件對于換熱器模擬，有Heater 和HeatX兩種模型，Heater 模型用于模擬單股或多股物流，使其變成某一特定狀態下的單股物流 ；而HeatX模型用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時的熱量交換過程，因此采用HeatX模塊對上述換熱器進行簡捷計算，選擇工藝流程，然后建立方法、輸入物性參數及換熱器模塊參數，指明殼程和管程流體，很快就得到結果。具體如圖5～圖8所示。

圖5　兩股物流逆流換熱流程示意圖

圖6　建立采用PENG-ROM物性方法

圖7　換熱器模塊參數輸入

圖8　物流及換熱器模擬結果

3　在傳質單元操作中的應用

例：冷凝器壓力為6 kPa，再沸器壓力為14kPa，進料流量為12500 kg/h，溫度為45 ℃，壓力為101.325 kPa，質量組成為乙苯0.5843，苯乙烯為0.415，焦油0.0007(焦油為正十七烷)，塔頂采用全凝器，回流比為最小回流比的1.2倍，要求塔頂產品中乙苯含量不低于99%(質量分數)，塔底產品中苯乙烯含量不低于99.7%(質量分數)。求最小回流比，最小理論板數、實際回流比、實際理論板數、進料位置以及塔頂產品與進料摩爾流率比，生產回流比隨理論板變化表并作圖。

常規對于這樣計算理論塔板的題目都要用圖解法或者逐板計算法，但是工作量較大，過程繁瑣而且比較復雜，容易出現誤差。用Aspen P1us軟件實施，就比較簡單。首先建立如圖9所示的工藝流程圖，選擇單元模塊區中“Columns(塔)”下的“DSTWU(簡捷法)”模塊。之后輸入組分數并建立分析方法，常用PENG-ROM物性方法。然后按照要求輸入進料條件及塔模塊參數等相關數據，最后系統開始計算，計算完成后，點擊“Results Summary’’查看計算結果，如圖9～圖13所示。可以看到在該分離要求下的最小回流比為4.26；實際回流比為5.11；最小理論板數為34.59；實際所需理論板數為64.87；加料板位置為24.94。并且使用 Aspen 軟件中靈敏度分析工具，進行靈敏度分析，考查回流比和塔板數之間的關系，很直觀地看出生產回流比與理論塔板數的變化曲線。

圖9　乙苯-苯乙烯-焦油精餾塔工藝流程圖

圖10　建立采用PENG-ROM物性方法輸入組分界面

圖11　輸入進料條件及精餾塔模塊參數界面

圖12　精餾塔模擬結果輸出一覽表

圖13　回流比隨理論板變化的關系圖

4　結束語

化工原理是由理論到工程實踐過程中具有承上啟下作用的過渡課程，從 Aspen Plus 模擬軟件在化工原理教學中的應用看出，Aspen Plus 模擬軟件能把化工原理中復雜的過程計算用計算機軟件來計算，而且能模擬出化工生產的過程。把 Aspen Plus 軟件應用到化工原理教學中，可以理論聯系實際，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。現在國內大部分高校都已經涉及到該軟件的學習和應用，尤其是在工科院校。我們滁州學院近些年來，通過引入Aspen P1us軟件的學習，已經取得初步的成效，學生在各類化工設計競賽取得了一定成績，今后將繼續加大學習，借助AspenPlus軟件這一高效化工軟件，為化工原理的教學和綜合人才培養加油助力，培養出更多更優秀的應用型人才，提高我國化工專業的整體發展水平。