ASPEN PLUS與化工專業(yè)核心課程體系建設(shè)

黃毅萍，徐 暢，王 嵩，張忠潔

Aspen Plus流程模擬軟件在化工專業(yè)課程體系中處于重要地位，正如Aspen World 1997中的一句話所述：“如果你不能對你的工藝進行建模，你就不能了解它；如果你不了解它，你就不能改進它；如果你不能改進它，你在21世紀就不會具有競爭力?！边@是進行化工工藝模擬和工藝改造的化學(xué)工程人員都非常清楚的。Aspen Plus是一個生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于七十年代后期的麻省理工大學(xué)，被稱為“過程工程的先進系統(tǒng)（Advanced System for Process Engineering）”，簡稱Aspen，于1981年完成，1982年將其商品化，并稱之為Aspen Plus。該軟件經(jīng)過20多年的不斷改進、擴充和提高，先后推出十多個版本，現(xiàn)今已成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件［1－2］。

大部分化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程包含原料的凈化、反應(yīng)和產(chǎn)品的分離，這三大部分又包括許許多多的單元操作和化學(xué)反應(yīng)，涉及到的知識不是在一兩門化工專業(yè)課程中就可以解決的，它滲透到化工專業(yè)教育的整個過程。如何將這些專業(yè)課程在教學(xué)中融會貫通，并有機結(jié)合現(xiàn)階段科技發(fā)展趨勢，是化工專業(yè)教育的一個共性問題。將Aspen Plus流程模擬軟件應(yīng)用于化工專業(yè)的設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，是解決這種有機結(jié)合的方法之一，也已經(jīng)成為國內(nèi)高校化工專業(yè)課程體系建設(shè)的內(nèi)容之一，并且在大學(xué)生全國化工設(shè)計競賽中被要求應(yīng)用。

結(jié)合我們學(xué)院化工專業(yè)課程體系建設(shè)，將Aspen Plus模擬軟件應(yīng)用融入到教學(xué)過程中，一直是努力的目標。經(jīng)過十余年的課程體系建設(shè)，我校的化學(xué)工程與工藝專業(yè)已具有以“化工原理、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、分離工程、化工工藝設(shè)計”為主干的核心專業(yè)課程群，同時設(shè)有的相關(guān)課程有：化工設(shè)備、化工傳遞過程、化工儀表及自動化、計算機在化工中的應(yīng)用、科技英語、化工工藝學(xué)、實習等。采用Aspen Plus進行流程模擬，其知識與化工專業(yè)核心課程緊密相關(guān)，對課程內(nèi)容的深化、教學(xué)效果的提高更具有實際意義。

1 Aspen Plus與化工原理

化工原理課程是化工專業(yè)核心課程群的起始，主要內(nèi)容涉及化工生產(chǎn)中各單元操作的基本原理和基本計算，而在Aspen Plus流程圖窗口中，各個單元操作均存在，表1列出了Aspen Plus中與化工原理相關(guān)的單元操作［1］。

表1 Aspen Plus內(nèi)單元操作模型

化工原理課程中各單元操作的基本計算分為設(shè)計型計算和操作型計算兩種。對于各單元操作的操作型計算，由于影響因素多且呈非線性關(guān)系，使此類問題復(fù)雜和靈活，成為化工原理教學(xué)的難點［3－4］。而在大多數(shù)教材中類似問題往往僅用簡短的文字作定性分析或用繁瑣的試差法編程求解，這勢必會影響學(xué)生對單元操作原理和一些概念的深刻理解，更無法觸類旁通。利用Aspen Plus模擬軟件解決操作型問題是一條非常有效的捷徑，不僅有助于學(xué)生加深對各單元過程的理解，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生利用流程模擬優(yōu)化技術(shù)解決工程實際問題的能力。如，對于精餾單元的操作型計算，利用Aspen Plus模擬軟件中的靈敏度分析，可以定量計算并繪制曲線，圖1是乙苯－苯乙烯精餾塔的進料位置和總理論板數(shù)變化對再沸器熱負荷的影響曲線，圖中很直觀地看到理論板數(shù)－進料板位置－再沸器熱負荷三者之間關(guān)系，從而使學(xué)生對精餾的基本原理和概念產(chǎn)生更加深刻的理解，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

圖1 不同理論板數(shù)時再沸器熱負荷隨進料位置的變化（圖中方框內(nèi)數(shù)字表示理論板數(shù)）

2 Aspen Plus與化學(xué)反應(yīng)工程

化工專業(yè)重要的專業(yè)課程可以認為是“三傳一反”，其中的“一反”就是指化學(xué)反應(yīng)工程?；瘜W(xué)反應(yīng)工程研究的基本內(nèi)容包括反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計與分析兩個方面，內(nèi)容新穎而難點較多。教學(xué)上應(yīng)該突出反應(yīng)工程的理論思維方法運用，強調(diào)從分析工程因素的本質(zhì)入手，針對反應(yīng)動力學(xué)特征來判斷工程因素對反應(yīng)結(jié)果的影響。化學(xué)反應(yīng)工程是工科專業(yè)比較難學(xué)的一門課程，最大的困難是數(shù)學(xué)問題。為了規(guī)避數(shù)學(xué)問題，國內(nèi)大部分教材往往只涉及微積分及常微分方程，另外還涉及少量的概率論和數(shù)理統(tǒng)計方面的知識，這就限制了同學(xué)對實際反應(yīng)過程的深入了解，在碰到具體實際問題時往往會束手無策。

近年出版的國外名?；瘜W(xué)反應(yīng)工程教材、專著，均含有大量模擬內(nèi)容，國內(nèi)一些高校，如浙江大學(xué)，已將Aspen Plus引入到了化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)過程中［5］。Aspen Plus軟件內(nèi)的反應(yīng)器模塊可分為生產(chǎn)能力類反應(yīng)器、熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)類反應(yīng)器，三大類共七種，如表2，基本上覆蓋了反應(yīng)工程教學(xué)所涉及的各種反應(yīng)器類型。在具備相關(guān)物性的基礎(chǔ)上，Aspen Plus可以對反應(yīng)過程中的各種反應(yīng)器模型進行化學(xué)反應(yīng)平衡、反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計。

表2 Aspen Plus中反應(yīng)器模型簡述

圖2是應(yīng)用Aspen plus分別采用化學(xué)計量反應(yīng)器Rstoic、吉布斯平衡反應(yīng)器Rgibbs、全混釜反應(yīng)器RCSTR、平推流反應(yīng)器Rplug模擬同一反應(yīng)：乙酸＋乙酯→乙酸乙酯＋水。通過各個反應(yīng)器不同的輸入條件以及反應(yīng)結(jié)果的比較，進一步理解反應(yīng)工程中的基本理論、基本概念以及反應(yīng)器設(shè)計。表3給出圖2對應(yīng)不同反應(yīng)器類型的模擬輸入條件以及根據(jù)這些條件計算得到的反應(yīng)器出口物料組成，4種情況下進口物料組成及狀態(tài)一致。從表中結(jié)果可以看到不同反應(yīng)器類型，在相同進料條件下，模擬得到的出口產(chǎn)物組成是不一樣的，平衡反應(yīng)器模擬得到的產(chǎn)率最高。

圖2 乙酸乙酯合成不同反應(yīng)器類型的Aspen Plus模擬

表3 Aspen Plus模擬不同反應(yīng)器計算乙酸乙酯合成結(jié)果

Aspen Plus軟件應(yīng)用于反應(yīng)工程的教學(xué)，避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及數(shù)值求解等非反應(yīng)工程課程內(nèi)應(yīng)該專注的問題，在課時內(nèi)完全展現(xiàn)反應(yīng)工程的主要內(nèi)容。從而可以提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，使得反應(yīng)過程盡可能形象化，有助于學(xué)生對反應(yīng)過程的理解。

3 Aspen Plus與化工熱力學(xué)

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程的基礎(chǔ)學(xué)科，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的必修課程。學(xué)習化工熱力學(xué)課程的目的是為了解決實際問題，物性數(shù)據(jù)的計算是本課程的重要內(nèi)容，因化工過程的研究、設(shè)計和操作都離不開物性數(shù)據(jù)。與物理化學(xué)不同，化工熱力學(xué)的研究對象更接近實際過程，實際過程所涉及的系統(tǒng)如此復(fù)雜，溫度、壓力范圍如此寬廣，化學(xué)工程師們不能再用簡單的理想氣體或理想溶液模型來計算，而是需要適用范圍更廣、準確性更好、復(fù)雜性更高的模型，如SRK、PR等立方型狀態(tài)方程，甚至是MH、BWR等高次的狀態(tài)方程。采用真實系統(tǒng)的模型計算熱力學(xué)性質(zhì)，要完成大量的計算。

Aspen Plus物性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)包括離子種類、二元交互參數(shù)、離子反應(yīng)所需數(shù)據(jù)等。共含5000個純組分、40000個二元交互參數(shù)、5000個二元混合物及與250000多個混合物實驗數(shù)據(jù)的Detherm數(shù)據(jù)庫接口和與In－h(huán)ouse（內(nèi)部）數(shù)據(jù)庫接口［6］。表4是Aspen Plus純組分參數(shù)的主要數(shù)據(jù)源，并且在Aspen Plus中描述組分的物性方法，即物性模型可以分成理想狀態(tài)模型、狀態(tài)方程模型、活度系數(shù)模型和特殊模型。

表4 Aspen Plus純組分參數(shù)的主要數(shù)據(jù)源

化工熱力學(xué)教學(xué)中引入Aspen－Plus具有如下優(yōu)點：化工熱力學(xué)計算熱力學(xué)性質(zhì)的原理與Aspen Plus物性計算的原理是一致的，用該軟件輔助化工熱力學(xué)教學(xué)，能提高教學(xué)效率，簡化計算過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。另一方面，也能使學(xué)生掌握Aspen Plus軟件物性計算原理的內(nèi)核，了解更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，提高應(yīng)用能力，不至于再像從前那樣，只知計算結(jié)果，不知計算原理，不明所用的模型，不能分析結(jié)果。用Aspen Plus進行熱力學(xué)性質(zhì)計算，會使得后續(xù)課程（化工設(shè)計、分離工程、畢業(yè)設(shè)計）的基礎(chǔ)更加扎實。表5給出分別采用IDEAL、BWR－LS、PENG－RPB和RK－SOAVE物性處理方法，將400℃、3MPa下的1000m3／h 水 蒸 氣、1000m3／h 二 氧 化 碳 和1000m3／h甲醇等壓混合后，進行溫度和體積流量計算結(jié)果，4種方法得到的計算結(jié)果有些差別，但并不很明顯，也說明這4種模擬方法在該體系計算中具有相同的準確性和敏感度。

表5 不同物性方法計算混合物的溫度和體積流量

4 Aspen Plus與分離工程

分離工程主要研究混合物的分離和純化過程，使用的分離方法，一是化工原理中傳統(tǒng)分離方法的不斷改進和發(fā)展，如萃取精餾、反應(yīng)精餾、恒沸精餾、液液萃取、多組分多級分離的嚴格計算，二是新分離方法的應(yīng)用，如膜分離，涉及并綜合應(yīng)用了物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)和傳遞過程原理等多門基礎(chǔ)課知識。該課程的特點是，具有工程應(yīng)用背景強、計算過程復(fù)雜、多采用計算機編程求解。在分離工程教學(xué)過程中，教師只采用單純語言的形式是難以將分離過程的工藝設(shè)計及計算過程講解透徹。在分離工程課程的教學(xué)中，如果用Aspen Plus模擬特殊混合物（如，恒沸組成或相對揮發(fā)度較小的組分）的分離過程［7，8］，以例題的形式引入課堂，譬如，萃取精餾分離甲基環(huán)己烷（MC）和甲苯（MB）工藝過程的模擬，流程見圖3。從分析MC和MB的沸點、分離方法的選擇、萃取劑的選擇、流程的確定、模擬使用的物性方法選擇以及各種已知條件在Aspen Plus中的輸入，一直到通過操作參數(shù)調(diào)節(jié)達到產(chǎn)品的純度和產(chǎn)率要求，整個過程下來，學(xué)生對分離工程中涉及的萃取精餾的內(nèi)容印象會非常深刻，對課程內(nèi)容的理解程度加深，同時拓寬了學(xué)生的視野，使課程教學(xué)更接近工程實際。

圖3 甲基環(huán)己烷（MC）和甲苯（MB）萃取精餾過程Aspen Plus流程

Aspen Plus和化工專業(yè)教育的結(jié)合，不但提供了一種新的教育手段，也為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化要求的人才提供了新的平臺。但是，在化工專業(yè)教學(xué)中，專業(yè)基礎(chǔ)知識仍然是化工專業(yè)人才培養(yǎng)的基石，不能為培養(yǎng)計算機應(yīng)用能力而削弱了基礎(chǔ)知識和手工計算能力的培養(yǎng)，計算機技術(shù)越發(fā)達，越需要基礎(chǔ)能力強的人才。在掌握基本知識和基本能力的基礎(chǔ)上，借助Aspen Plus這一強有力的工具，方便有效地模擬化工工藝過程，從而了解它，再進一步改進它，為化工設(shè)計插上一雙翅膀，讓化工設(shè)計飛到更高、更遠的層次，培養(yǎng)出更加優(yōu)秀的、具有競爭力化工專業(yè)人才。

［1］ 孫蘭義.化工流程模擬軟件實訓(xùn)——Aspen Plus教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［2］ 王 帥，鐘 宏，金一粟，等.Aspen Plus在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.化工時刊，2012（2）：67－70.

［3］ 張治山，高 君，李 敏.Aspen Plus在精餾操作分析中的應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2010（15）：95－96.

［4］ 王國勝，王祝敏，王紅心，等.有助于掌握化工原理內(nèi)容與實質(zhì)的討論題（二）－精餾塔操作型問題［J］.化工高等教育，2008（1）：77－80.

［5］ 王彥飛，朱 亮，楊立斌.Aspen Plus應(yīng)用于反應(yīng)工程教學(xué)的實踐［J］.廣東化工，2011（9）：187－189.

［6］ 陳新志，趙倩，錢超.基于Aspen Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)（1）－均相性質(zhì)計算［J］.化工高等教育，2011（5）：75－79.

［7］ 張春勇，鄭純智，唐江宏，等.萃取精餾分離甲基環(huán)己烷和甲苯工藝過程的模擬［J］.石油化工，2011，40（5）：532－535.

［8］ 盧澤湘，范立維，廖益強.Aspen Plus在《分離工程》教學(xué)中的應(yīng)用［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2010，13（5）：106－108.