Aspen Plus在化工原理輔助實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高軍 馬小隆 張治山

Aspen Plus在化工原理輔助實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高軍 馬小隆 張治山

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.173

針對化工原理課程的特點(diǎn)，借助Aspen Plus軟件對化工單元操作進(jìn)行模擬計算。首先對Aspen Plus模擬軟件進(jìn)行介紹，然后應(yīng)用Aspen Plus軟件以傳熱和精餾為例進(jìn)行模擬，得出相應(yīng)的計算結(jié)果，使學(xué)生更加深刻地掌握化工原理單元操作知識及操作變量對整個單元操作過程的影響，并提高其搜集資料、應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行流程模擬、分析與思考解決實(shí)際生產(chǎn)問題及提高化工設(shè)計等能力，達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。

Aspen Plus；化工原理；模擬計算

1 引言

化工原理作為化工類及相關(guān)專業(yè)學(xué)生所接觸到的第一門具有工程特色的專業(yè)基礎(chǔ)課程，幾乎是化工類專業(yè)考研的必考課之一，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用，是學(xué)生建立工程概念接觸到的第一門化學(xué)工程啟蒙課，因此顯得尤為重要。化工原理具有計算量大而復(fù)雜、理論性強(qiáng)以及密切聯(lián)系工程實(shí)踐的特點(diǎn)，因此，僅僅通過讓學(xué)生完成課后作業(yè)和開展化工基本單元操作實(shí)驗(yàn)來教學(xué)，尚不能保證化工原理的實(shí)踐教學(xué)效果，仍需進(jìn)一步提高學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識和理論來分析和解決化工生產(chǎn)過程中常見實(shí)際問題的能力。

近些年來，高校關(guān)于提高化工原理教學(xué)效率的研究越來越多，例如：韋曉燕［1］等人應(yīng)用Aspen Plus通過對課程設(shè)計、實(shí)際的案例分析以及單元模塊操作等階段的具體訓(xùn)練，加深了學(xué)生對化工單元設(shè)計的理解；薛科創(chuàng)［2］探討了Aspen Plus在化工設(shè)計中的具體應(yīng)用，利用軟件計算速度快、計算結(jié)果精確的特點(diǎn)，大大提升了化工設(shè)計效率；盧澤湘［3］等人研究了Aspen Plus在分離工程教學(xué)中的應(yīng)用，使得課程教學(xué)能夠更貼近于工程實(shí)踐，并獲得較好的教學(xué)效果；張毅博［4］等人將Aspen Plus應(yīng)用于科研及化工教學(xué)中，有效實(shí)現(xiàn)了科研的發(fā)展和創(chuàng)新。

本文應(yīng)用Aspen Plus，以精餾、傳熱為例來進(jìn)行模擬分析，分析操作變量對整個單元操作過程的影響，同時對手算結(jié)果進(jìn)行及時校驗(yàn)，從而進(jìn)一步提高學(xué)生分析和解決化工過程實(shí)際問題的能力，達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。

2 Aspen Plus在傳熱中的應(yīng)用

換熱器是用來改變物流熱力學(xué)狀態(tài)的傳熱設(shè)備。Aspen Plus提供了多種不同的傳熱單元模塊，具體見表1。

換熱器Heater可以用于模擬計算單股或多股進(jìn)口物流，使其變成某一特定溫度、壓力或相態(tài)下的單股物流；也可以通過設(shè)定條件來求解已知組成物流的熱力學(xué)狀態(tài)。換熱器Heater可以進(jìn)行多種類型的計算和模擬，常見的有計算已知物流的泡點(diǎn)或露點(diǎn)、計算已知物流達(dá)到某一狀態(tài)所必需的熱負(fù)荷等。以Aspen Plus換熱器Heater模塊為例，模擬軟件在傳熱中的應(yīng)用。

【例】求壓力為0.3 MPa，流率為220 kg/h，含水50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、含乙醇50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的混合物的露點(diǎn)和泡點(diǎn)。物性方法選擇UNIQUAC。規(guī)定物流在換熱器HEATER入口為飽和液相，出口為飽和氣相。

建立如圖1所示流程圖，輸入水和乙醇組分，選擇UNIQUAC物性方法（見圖2），輸入進(jìn)料條件（見圖3），壓力為0.3 MPa，氣相分率為0（進(jìn)料為飽和液相），流率為220 kg/h，其組成為含水50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），含乙醇50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。閃蒸規(guī)定物性出口氣相分率為1（出口為飽和氣相），壓降為0。輸入完成進(jìn)行模擬。

在result中查看相應(yīng)的結(jié)果，得混合物在0.3 MPa壓力下的泡點(diǎn)為386.15 K，露點(diǎn)為397.02 K。若單元操作條件發(fā)生任何改變，只需在數(shù)據(jù)輸入中調(diào)整相關(guān)變量，重新模擬，相應(yīng)的結(jié)果即刻就可以得出，非常方便快捷，可以及時觀察變量改變對單元操作結(jié)果的影響。

圖1 冷凝器流程圖

表1 換熱器單元模塊介紹

表2 塔模塊介紹

圖2 物性方法選擇界面

圖3 冷凝器進(jìn)料條件輸入界面

3 Aspen Plus在精餾中的應(yīng)用

Aspen Plus提供了DSTWU、Distl、RadFrac、Extract等分離單元模塊，這些模塊可以模擬蒸餾、吸收、萃取等過程；可以采用嚴(yán)格算法，也可以采用簡捷算法；可以模擬普通精餾，也可以模擬特殊精餾，如萃取精餾、共沸精餾、反應(yīng)精餾等，各個塔模塊的介紹見表2。

DSTWU是多組分精餾的簡捷設(shè)計模塊，針對相對揮發(fā)度近似恒定的物系開發(fā)，用于計算僅有一股進(jìn)料和兩股產(chǎn)品的簡單精餾塔。以Aspen Plus分離單元DSTWU模塊為例，模擬軟件在精餾中的應(yīng)用。

【例】甲醇—水精餾塔的設(shè)計，進(jìn)料量為水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，溫度45 ℃，進(jìn)料壓力為110 kPa，塔頂為全凝器，回流比為最小回流比的1.3倍，塔的操作壓力為100 kPa，要求塔頂甲醇的回收率為98.38%，塔頂水的回收率為5.16%。冷凝器壓力為6 kPa，再沸器的壓力為14 kPa，采用NRTL-RK物性方法。求實(shí)際回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料位置以及塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料的摩爾流率比。

圖4 冷凝器模擬結(jié)果界面

圖5 甲醇—水精餾塔工藝流程圖

圖6 物性方法選擇界面

圖7 精餾塔進(jìn)料條件輸入界面

建立如圖5所示流程圖，輸入組分甲醇和水，選用NRTL-RK物性方法（見圖6），輸入進(jìn)料條件（見圖7），水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，溫度45 ℃，進(jìn)料壓力為110 kPa，總流率為135 kmol/h。然后進(jìn)行輕重關(guān)鍵組分及壓力選項(xiàng)的輸入，輸入完成進(jìn)行模擬?？聪鄳?yīng)的結(jié)果（圖8），得到最小回流比為0.58，實(shí)際回流比為0.76，最小理論板數(shù)為5，實(shí)際理論板數(shù)為11，進(jìn)料位置為第6塊板，塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料摩爾流率比為0.3623。

同理，若改變操作參數(shù)，只需重新運(yùn)行模擬，新結(jié)果即可得出。而且可參照實(shí)際理論板數(shù)對回流比的靈敏度分析曲線來幫助學(xué)生選擇合適的回流比和理論板數(shù)，及時觀察變量變化對單元操作結(jié)果的影響。

4 結(jié)語

圖8 精餾塔模擬結(jié)果界面

Aspen Plus軟件的模擬能夠?qū)⒒ぴ韽?fù)雜的計算過程用軟件來實(shí)現(xiàn)，并能對具體化工生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬指導(dǎo)。Aspen Plus軟件模擬出的工藝參數(shù)準(zhǔn)確，由所得數(shù)據(jù)繪制的圖表更加直觀，且大大減少了人工計算的工作量，通過改變操作變量和靈敏度分析等手段，能使學(xué)生及時觀察操作變量對單元操作過程的影響。將Aspen Plus模擬軟件應(yīng)用到化工原理的實(shí)踐教學(xué)中，能夠有效將理論聯(lián)系到實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的興趣，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，提高教學(xué)效率，為教學(xué)改革開辟新的路徑。■

［1］韋曉燕，譚軍，胡萬鵬，等.Aspen Plus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探索［J］.化工時刊，2012（6）:69-70.

［2］薛科創(chuàng).Aspen Plus 7.3在化工設(shè)計中的應(yīng)用［J］.安徽化工，2014（3）:44-45，47.

［3］盧澤湘，范立維，廖益強(qiáng).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:哲學(xué)社會科學(xué)版，2010（5）:106-108.

［4］張毅博，劉楊.ASPEN PLUS在化工教學(xué)及科研中的應(yīng)用［J］.技術(shù)與教育，2015（1）:7-9，37.

G642.44

B

1671-489X（2015）24-0173-03

作者：徐冬梅，博士，山東科技大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榛し蛛x工程、過程模擬與優(yōu)化；王宏、李敏、高軍、馬小隆、張治山，山東科技大學(xué)（266590）。