《化工原理》課程創新思路探索

李英利，吳東恩

(常州工程職業技術學院，江蘇 常州 213164)

Aspen Plus是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統。是大型通用流程模擬系統，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學院(MIT)組織的會戰，開發新型第三代流程模擬軟件。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為Aspen Plus。該軟件經過多年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應用案例數以百萬計。全球各大化工、石化、煉油等過程工業制造企業及著名的工程公司都是Aspen Plus的用戶。

化工原理課程是化學工業技術和化學工程科學發展的必然產物。十九世紀九十年代國外高等學校相繼設置化學工程系,開出的課程大都是針對不同化工行業編寫各自的生產工藝學,直到二十世紀初才明確認識到各行各業通用的物理操作的共性,并于1923年美國一名教授出版了第一部《化工原理》。本課程實踐性很強，是一門關于化學加工過程的技術基礎課，它為過程工業(包括化工、輕工、醫藥、食品、環境、材料、冶金等工業部門)提供科學基礎，對化工及相近學科的發展起支撐作用。化工原理課程以單元操作為內容，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。

為了學好化工原理，建議對aspen軟件加以合理的創新利用，對教學效果會大有裨益。下面以化工原理精餾部分的理論塔板數的兩種計算方法為例加以說明。

1 用逐板計算法求苯—甲苯分離所需理論塔板數

理論板數的計算是確定精餾塔實際塔板數及塔高的重要數據。逐板計算法計算理論板數的最基本的方法。其依據是氣液平衡關系式和操作線方程。

先看一個例子，已知苯-甲苯混合液，含苯50%(摩爾百分比，下同)，用精餾塔分離。要求塔頂產品易揮發組分組成xD=0.95,塔底產品易揮發組分組成xW=0.05,選用回流比R=2.0,泡點進料，α=2.45,現用逐板計算法求理論塔板數NT。

解：(1)_列出有關計算公式：

(a)寫出氣液平衡關系式

(c)提餾段操作線方程

令f=F/D=200/100=2，f定義為單位餾出液所需要的進料量

(2)用逐板法計算理論塔板數:

(a) 精餾段:第一塊板：因y1=xD=0.95，x1=y1/(2.45-1.45y1)=0.95/(2.45-1.45×0.95) =0.886

第二塊板：y2=0.667x1+0.317=0.908

按照此法，逐板求得精餾段各塔板的y和x列表如表1：

表1 精餾段逐板求得精餾段各塔板的y和x

(b)提餾段:于xF=0.50，而x5=0.506，故第五塊板以后改用提餾段操作線方程計算。

第6塊板：y6=1.33x5-0.017=1.33×0.506-0.017=0.685，x6=y6/(2.45-1.45y6)=0.658/(2.45-1.45×0.658)=0.440

如此逐板求得提餾段各塔板的y和x列表如表2。

表2 提餾段逐板求得精餾段各塔板的y和x

x11=0.044

2 用Aspen軟件精餾塔簡捷設計法計算苯—甲苯分離所需理論塔板數

例子，設計一個常壓連續精餾塔，實現苯和甲苯混合液的分離，已知原料液中含有苯0.50(摩爾分數，下同)，要求塔頂餾出液中含苯不小于0.95，塔底釜液中含苯不大于0.05。操作回流比為2，泡點進料，進料流量200 kmol/hr，進料中。α=2.45,試用aspen軟件法求理論塔板數NT。

該類型屬于精餾設計型計算的命題，主要涉及操作壓力、回流比、所需理論板數和進料位置等參數確定。精餾過程操作壓力有常壓、加壓和減壓三種情況。這里采用常壓精餾。

在Aspen Plus中建立流程模擬，選擇塔Columns模塊中的 DSTWU簡捷模塊進行計算，并連接好物流，DSTWU是多組分精餾的簡捷設計模塊，DSTWU模塊用Winn-Underwood-Gilliland方法進行精餾塔的簡捷設計計算。針對相對揮發度近似恒定的物系開發，用于計算僅有一股進料和兩股產品的簡單精餾塔。通過Winn方程(之后Fenske對Winn方程進行了完善)計算最小理論板數，使用Underwood方程計算最小回流比，根據Gilliland關聯圖來確定操作回流比下的理論板數或一定理論板數下所需要的回流比，及進料位置。DSTWU模塊計算精度不高，常用于初步設計，當存在共沸物時，計算結果可能會出現錯誤，DSTWU模塊的計算結果可以為嚴格精餾計算提供合適的初值。然后，利用Aspen Plus中特有的“NEXT”引導式輸入功能，依次輸入待分離的組分、選擇熱力學方法、進料流股信息、模塊即DSTWU 信息。DSTWU 信息包括回流比(設置為2)、塔頂和塔釜壓力(均為常壓)、輕關鍵組分和重關鍵組分的塔頂回收率(分別為苯0.95、甲苯0.05)、塔頂冷凝器為全凝器。通過上述設置，可以模擬出該分離要求下的最小回流比和最小理論板數。具體步驟如下：

2.1 連接流股

苯和甲苯分離流程圖見圖1。

圖1 苯和甲苯分離流程圖

圖2 設定全局特性

2.2 設定全局特性

DSTWU模塊有四組模塊設定參數：塔設定(Column specifications)?關鍵組分回收率(Key component recoveries)?壓力(Pressure )④ 冷凝器設定(Condenser specifications)。可以點擊simulation,進入setup|specifications|global頁面進行設置。見圖2。

2.3 輸入化學組分信息

對ASPEN Plus V10先點擊Properties，進入Components|Selection頁面,輸入組分Benzene(苯)，Toluene(甲苯)，見圖3。

圖3 輸入化學組分信息

圖4 選擇計算方法和模型

2.4 選擇計算方法和模型

物性方法是IDEAL，因為苯與甲苯性質相似。根據不同的物系，選擇不同的物性計算方法。對于理想物系，可以選擇Ideal方法，非理想物系可選擇典型的Wiston或 Uniquac等方法。電解質溶液也有其相應的計算方法，在這里苯和甲苯體系可近似看成理想系 我們選擇Ideal方法，其他設置由系統默認確定。確定物性的計算方法和模型，在窗口左側的目錄樹結構中選擇properties文件夾進行物性設置，點擊其下的 specification 出現圖 4所示窗口。

2.5 輸入外部流股信息

定義流程中每股進料條件，在simulation文件夾中，在窗口左側的目錄樹結構中選擇streams文件夾，將可看到我們先前在流程圖中定義的三股物料 D，FEED，L 。其中FEED流股為已知，流股D、 L 流股為待定流股。故我們僅定義FEED流股的狀態參數。選擇FEED文件夾中的Input后出現如圖5所示窗口，輸入苯摩爾分數0.50，甲苯摩爾分數0.50，進料流量200kmol/hr，溫度為泡點進料90攝氏度。

圖5 輸入外部流股信息

圖6 輸入單元模塊參數

2.6 輸入單元模塊參數

確定流程中每個單元操作設備的模擬模型和設計操作條件。在此流程中只有column這一個Dstwu模型。下面定義這個模型。在窗口左側的目錄樹結構中選擇Blocks文件夾，將可看到我們先前在流程圖中定義的column模型，選擇column文件夾中的Input后，出現如圖6所示窗口。此模型既可以定義塔板數進行操作型計算，又可以定義回流比進行設計型計算。由于我們進行的是設計型計算，在這里定義回流比。定義回流比時有兩種定義方法：定義回流比的實際值或定義回流比與最小回流比的比值，前者直接輸入數值即可，后者輸入負號后再入數值。在這里我們取回流比為2。接下來定義輕、重關鍵組分的回收率，來確定分離要求。注意：塔頂易揮發組分的回收率為D·xD/F·xF=100×0.95/200×0.5=0.95,塔頂難揮發組分的回收率為D·(1-xD)/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05,塔釜難揮發組分的回收率為W·(1-xW)/F·(1-xF)=100×0.95/200×0.5=0.95，塔釜易揮發組分的回收率為W·xW/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05。需要注意的是：在這個模塊里，輕、重關鍵組分的回收率都是指在塔頂的回收率。經過計算可得輕關鍵組分的回收率為D·xD/F·xF=100×0.95/200×0.5=0.95，重關鍵組分的回收率為塔頂難揮發組分的回收率為D·(1-xD)/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05。接下來輸入再沸器和冷凝器的壓力。在一般的精餾設計中，再沸器和冷凝器的壓力比較接近大氣壓力，且再沸器壓力高于冷凝器壓力。這里我們分別取為110kPa和105kPa，冷凝器使用全凝器。其余設置由系統默認確定，窗口如圖6所示。

2.7 運行模擬

到此，數據輸入完畢，可以進行模擬，點擊工具欄中的藍色 N->圖標，出現新對話框，如圖畫面，點擊OK即可進行模擬。如圖7所示。

圖7 運行模擬

圖8 查看結果

2.8 查看結果

點擊左側的Streams文件夾或 Blocks文件夾即可查看物流或模塊模型的計算結果，點擊 Blocks文件夾，點擊子文件夾Column中的Results可看到塔的設計參數包括最小回流比、實際回流比、最小理論板數、實際理論板數、冷凝器和再沸器的熱負荷等。如圖8所示，其計算出的數據包括最小回流比：1.12，實際回流比：2，最小理論板數：7；理論板數：11，加料板位置：7。可見和前面的逐板計算法結果一致。

3 總結

本文探討了化工模擬軟件Aspen Plus在化工原理精餾理論塔板數的計算過程中的應用，并和逐板計算法作了對比。事實證明，Aspen Plus容易上手，能有效地提高計算的效率與精度，使課堂教學更接近工程實際，大大提高了學生的工程觀念和學習興趣，同時能拓寬教師的教學理念，拓展了和其他專業課程的相關性，本文就苯和甲苯的分離實例為依據作了一定程度的教學創新方法的探索。