現代化工軟件在精細化工過程與設備課程教學中的應用研究?

李成帥, 姚媛媛

(中國石油大學勝利學院, 山東 東營 257061)

精細化工過程及設備課程是應用化學專業本科生的一門主干課程, 是建立在高等數學、 物理化學、 化工原理、 精細化工工藝學等課程知識基礎上的一門重要專業課程。 隨著化工行業的迅速發展, 精細化工過程及設備在現代化工及相關工程領域中的應用越來越重要[1]。

在新工科的形勢下, 根據學校教育教學改革精神以及應用型本科學校對應用化學人才培養的要求, 學校對學生的培養不能在停留在課程講解, 而應該注重培養學生將理論與實踐相結合的能力。 尤其是我們學校所在地東營市精細化工型企業非常多, 而我們培養的學生目的在于服務當地企業, 能否培養出合格的學生服務于東營企業顯得非常重要。 根據企業的反饋以及學生就業后部分反饋發現, 學生就業后不能快速融入企業, 迅速適應工作內容, 與我們課程內容停留在理論的講解, 忽略了企業實際生產情況有直接關系, 因此課程有必要適當改革以滿足企業需求和學生的培養。

因此在現有課程內容的講解的基礎上, 將化工常見的軟件CAD 和Aspen Plus 應用到課程中, 增強學生的工程認識。 CAD是目前廣泛應用的繪圖軟件[2], 在企事業單位中廣泛應用, 學生通過學習使用CAD 繪制工藝流程圖, 一方面增加了對軟件的熟悉程度, 另一方面增加對工藝流程的理解, 加深對課程的認識。 Aspen Plus 具有強大的數據庫, 常見的物質性質都可以查詢到, 對于數據庫中不存在的物質也可以進行物性的估算[3]。 目前已經有大量的教學研究將Aspen Plus 應用于化工專業的課程中, 并取得了較好的效果[4-5]。 把Aspen Plus 化工流程模擬軟件引入到《精細化工過程及設備》課程教學中進行課程內容的講授, 可使課程教學更加形象生動, 緊密聯系工業生產, 提高學生分析和解決實際工程問題的能力[6]。

本文以精細化工生產中常見的化工原料順丁烯二酸酐生產工藝流程[7]為例, 將化工軟件CAD 和Aspen Plus 為例應用于于其中, 提高學生對課程的認知。

1 苯氧化制順丁烯流程介紹

苯經蒸發器蒸發后與空氣混合, 進入熱交換器, 然后進入列管式固定床反應器, 在催化劑作用下發生化學反應, 產物得到順丁烯二酸酐, 二氧化碳和水; 反應物為氣體, 然后再經過冷凝器冷凝后進入吸收塔T1, 吸收塔采用鄰苯二甲酸二甲酯為吸收劑, 經過吸收之后塔底得到鄰苯二甲酸二甲酯循環利用, 塔頂廢氣排出。 T2 為溶劑回收塔, 塔底為精制后的鄰苯二甲酸二甲酯, 塔頂為順丁烯二酸酐和水進入T3。 T3 為精餾塔, 經過精餾分離之后塔頂為水, 塔底為純度大于98%的順丁烯二酸酐。

1.1 CAD-工藝流程圖

根據流程的特點, 借助CAD 將苯氧化制順丁烯二酸酐流程繪制出來, 如圖1 所示。 通過圖1 我們可以清楚到看到對于此過程可以分成: 反應階段、 分離階段。 反應階段主要包括從物料進入, 苯和空氣經過壓縮之后輸送進入到反應器中, 反應完成后進入分離處理階段。 分離階段包括三個塔, T1、 T2、T3。 具體設備參數后文。

圖1 苯氧化制順丁烯二酸酐流程圖Fig.1 The process of the oxidation of benzene to maleic anhydride

1.2 Aspen plus 模擬工藝流程圖

引導學生熟悉了順丁烯二酸酐生產工藝流程后, 理解各個單元操作之間的關系, 對上述流程進行簡化處理, 得到如圖2所示的Aspen Plus 模擬圖。 進口參數如表1 所示。

圖2 Aspen Plus 工藝流程模擬圖Fig.2 The simulation process flow sheet

表1 進入物流參數Table 1 The parameters of Shipping

1.2.1 建模思想

(1)順丁烯二酸酐生產工藝流程模擬假設:

順丁烯二酸酐生產工藝流程可以總結為氣液相反應以及分離過程, 所以模擬過程中遵循雙模理論和精餾、 吸收氣液相傳質平衡[8]。

(2)順丁烯二酸酐生產工藝流程收斂方法: Aspen Plus 中模擬計算方法有三種: 聯立方程法, 聯立模塊法, 和序貫迭代法,一般情況默認序貫迭代法。 對于本文例子有萃取劑循環利用,所以對于循環物流的流程(RECY)反復迭代計算, 直至收斂。

(3)物性方法的選擇: 根據學生學習的四大化學等知識,參與化學反應的為常見的氣液相物系, 選擇物性方法為活度系數模型中NRTL 就可以。

(4)亨利定律的使用: Aspen Plus 模擬過程中, 亨利定律非常重要, 在本文中我們根據物系特點將N2、 O2、 CO2設置為亨利組分。

(5)模擬模塊的選擇: 順丁烯二酸酐生產工藝流程中主要的設備是反應器, 然后是三個塔設備。 引導學生認識整個生產過程。 對于反應器選擇 Reactors 下的 RPlug 中的 ICON2 模塊,吸收塔 T1 選擇 Column 下 Radfrac 模塊中 ABSORB1, T2 選擇Column 下 Radfrac 模塊中 FracT1, T2 選擇 Column 下 Radfrac 模塊中FracT1, 對于混合物流比如選擇Mixers 模塊中的Mixer,對于壓縮機選擇Pressure changers 中Compr, 對于換熱器則選擇Heater 模塊中 HEAXTER 或者 Furnace。

(6)化學反應方程式的設置:

表2 化學反應方程式的設置Table 2 The setting up of Reaction equation

1.2.2 模擬結果分析

采用Aspen Plus 引入課程中, 一方面借助繪制流程圖增強學生對工藝流程圖的認識, 另一方面增加對物料守恒、 化學反應、 分離過程的認識。

以 T2、 H1、 R1為例, 借助 Aspen Plus 模擬結果判斷是否守恒。 具體模擬結果如表3 所示。

表3 物流模擬結果表Table 3 The results of simulation

總的模擬結果: 鑒于數據太多, 摘選了一部分進行分析。

T1 吸收塔參數: 理論塔板數10, 進料位置1、 /1, 塔頂壓力100 kPa, 模擬結果見表4。

表4 T1 模擬結果表Table 4 The simulation results

2 教學效果評價

通過本門課程的學習, 學生在了解精細化工產品的生產工藝流程的基礎上, 學習使用CAD 和Aspen Plus 化工軟件, 充分體現了理論聯系實際的思路。 引入實際化工生產過程的實例,通過CAD 繪制工藝流程圖, 利用Aspen Plus 軟件建立相應的化工流程模型, 讓學生從模擬過程理解涉及的化學反應、 分離過程等, 加深對本門課程的認識, 同時也掌握了一定的軟件基礎, 為以后工作學習打下基礎。

此外, 學生在本課程學習的基礎上, 學習了軟件的使用,參加全國大學生化工設計大賽, 多次取得一等獎, 二等獎的成績。