仿真軟件Aspen Plus 在化工原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

譚鳳玉，李 松，李開云，王克良，李 琳，李 志

（六盤水師范學(xué)院，化學(xué)與材料工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004）

1 概述

化工原理課程主要講述包含在三種傳遞過程之內(nèi)的諸多單元操作，如流體輸送、傳熱、精餾、吸收、萃取等[1]。課程中涉及不少關(guān)于單元操作的計算，并且這些計算有一定的復(fù)雜性。Aspen Plus 的單元模塊與化工原理課程中的單元操作的思想基本相同，都是將一些操作過程的共性抽象出來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而解決過程計算問題[2-3]。化工原理實驗是將化工原理理論知識轉(zhuǎn)化為實踐操作的橋梁，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。化工原理實驗課程重視工程基本概念和基本理論，主要研究各種典型單元操作過程中的基本原理及常用設(shè)備的構(gòu)造，設(shè)備選型及工藝計算[4]。隨著我校向應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展，著力于培養(yǎng)應(yīng)用型人才和工程師，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和內(nèi)容無法滿足社會對應(yīng)用型人才的要求，因此，需要不斷改革教育手段和教學(xué)方法，更新教學(xué)內(nèi)容，使之與人才培養(yǎng)模式相協(xié)調(diào)發(fā)展。

Aspen Plus 是20 世紀(jì)70 年代由MIT（麻省理工學(xué)院）開發(fā)的，已成為大型化工企業(yè)首選的通用流程模擬軟件，目前已被相關(guān)高校化工專業(yè)作為必要的教輔工具。該軟件基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評價的大型化工流程模擬軟件。它為用戶提供了一套完整的單元操作模型，包括分離單元、流體輸送機(jī)械單元、換熱器單元等，可用于模擬各種單元操作，完成從單個單元操作到整個工藝流程的模擬，其中最突出的優(yōu)點就可以模擬實際生產(chǎn)過程[5-8]。因此，目前許多高校為了培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)、創(chuàng)新實踐能力，將Aspen P1us 軟件引入到課堂教學(xué)，得到了廣泛推廣。

2 塔設(shè)備單元模擬實驗

化工原理實驗是繼理論知識學(xué)習(xí)完成之后的一個重要事件環(huán)節(jié)，通過化工原理實驗教學(xué)，不僅能夠加深學(xué)生對理論課堂中所學(xué)過的化工原理的理解，以及對單元操作典型設(shè)備的感性認(rèn)識，而且能培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能，彌補課堂理論教學(xué)中的不足，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識[9]。我院現(xiàn)有的虛擬仿真實驗室建設(shè)于2012 年，主要針對化工相關(guān)專業(yè)開設(shè)流程模擬實驗、化工原理實驗等。以塔設(shè)備單元模塊的流程模擬為例，實驗?zāi)康氖钦莆站s塔的簡捷、嚴(yán)格設(shè)計與校核單元的基本概念和具體操作步驟；掌握設(shè)計變量、靈敏度分析、計算模塊的應(yīng)用，并完成塔設(shè)備單元的過程模擬與分析。

實驗任務(wù)：設(shè)計精餾塔分離乙苯-苯乙烯，混合物的進(jìn)料量為12500kg/h，進(jìn)料溫度42/℃，壓力101.325kPa；進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為乙苯0.5843，苯乙烯0.415，焦油0.0007（用正十七烷表焦油）；回流比R=1.2 Rmin，冷凝器壓力6 kPa，再沸器壓力13 kPa，塔頂全回流。分離要求：塔頂產(chǎn)品中乙苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%，塔底產(chǎn)品中苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%。

2.1 繪制乙苯-苯乙烯體系相圖

在Aspen Plus 界面中選擇Template，組分中輸入乙苯、苯乙烯，選定物性方法PENG-ROB方程，選Tools→Analysis→Property→Binary→T-x-y，即可以得到乙苯-苯乙烯的T-x-y 圖，見圖1 所示。

圖1 乙苯-苯乙烯的T-x-y 圖

2.2 簡捷塔DSTWU 設(shè)計

在Aspen Plus 界面中按照實驗要求，輸入各股物流信息，在精餾塔DSTWU 模塊中建立模擬流程圖（圖2），輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，運行得到結(jié)果見圖3，并繪制回流比與塔板數(shù)的關(guān)系圖（圖4）。

圖2 DSTWU 模擬流程圖

圖3 簡捷精餾設(shè)計單元模擬結(jié)果圖

圖4 回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線

2.3 嚴(yán)格塔RADFRAC 設(shè)計

Aspen Plus 軟件的嚴(yán)格精餾模塊RADFRAC模型中，建立模擬流程圖（圖5），將DSTWU 模擬結(jié)果輸入，運行得到塔內(nèi)液相質(zhì)量組成分布曲線圖（圖6）、塔內(nèi)溫度分布曲線圖（圖7）、不同理論板數(shù)時再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化圖（圖8）。

3 教學(xué)效果評價

圖5 DSTWU 模擬流程圖

圖6 塔內(nèi)液相質(zhì)量組成分布曲線

圖7 塔內(nèi)溫度分布曲線

圖8 不同理論板數(shù)時再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料位置的變化

仿真軟件Aspen Plus 不僅可以用于精餾單元設(shè)備操作，還可以用于吸收、反應(yīng)器、閃蒸等單元操作。在Aspen Plus 應(yīng)用于化工原理實驗教學(xué)過程中，主要從以下幾點進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)：

1）開設(shè)化工原理課程的同時開設(shè)化工原理實驗課。化工原理實驗課的內(nèi)容與理論課同步，實驗課的內(nèi)容從基礎(chǔ)型-仿真模擬-應(yīng)用型-設(shè)計型四個層次逐步提升。

2）Aspen Plus 流程模擬涉及參數(shù)、操作較為復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中先學(xué)習(xí)基本的理論知識和簡單的操作模塊的模擬設(shè)計，掌握模擬的基本概念后才能完成完整的工藝流程模擬。

3）學(xué)生學(xué)習(xí)Aspen Plus 的過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從模塊的選擇、組分的輸入、進(jìn)料條件、物性方法的選擇及修正等基礎(chǔ)操作，到靈敏度分析、單元模塊設(shè)計規(guī)定等工況分析，應(yīng)逐步深化理解理論知識，達(dá)到流程優(yōu)化設(shè)計的效果。

4）根據(jù)化工原理課程上下冊對應(yīng)的單元操作，結(jié)合現(xiàn)有實驗裝置設(shè)備，設(shè)計與理論知識對應(yīng)的Aspen Plus 仿真模擬實驗項目，使得學(xué)生對化工原理實驗所涉及的單元操作及實驗原理等有效地學(xué)習(xí)。在具體的實驗操作中學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，并有針對性地分析和解決遇到的問題。

5）完成基礎(chǔ)驗證型、仿真模擬及綜合應(yīng)用型實驗后，進(jìn)行設(shè)計型實驗。設(shè)計型實驗的內(nèi)容包含所學(xué)的基本單元模塊，學(xué)生可以獨立完成全流程的模擬，利用Aspen Plus 軟件對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將化工原理理論知識融入實踐操作。

4 結(jié)語

化工原理實驗是一門對工程觀點和實踐技能要求較高的課程，單一的實驗操作對單元設(shè)備裝置有直觀的認(rèn)識，但不能全面鍛煉學(xué)生分析解決實驗過程中遇到問題的能力。通過Aspen Plus 與化工原理實驗的有機(jī)結(jié)合，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不斷得到改進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性大幅提高，可以增強(qiáng)學(xué)生工程技術(shù)能力，提高教學(xué)效果[10]。理論知識分冊對應(yīng)化工原理實驗項目的設(shè)計，使學(xué)生從理論知識到實際操作的過程緊密銜接；Aspen Plus單元模塊操作入門到高級分析，使學(xué)生從簡單操作到全流程模擬得到全面提升；仿真模擬實驗到創(chuàng)新設(shè)計型實驗的逐步深入，加之正確的Aspen Plus 軟件模擬數(shù)據(jù)，學(xué)生學(xué)以致用，可以指導(dǎo)學(xué)生正確操作，在實踐中加深對理論知識的理解，增強(qiáng)學(xué)生解決工程問題的能力。