Aspen Plus在化工專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

鄭建東1，徐杰，馮建華，楊靖

?

Aspen Plus在化工專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

鄭建東1，徐杰，馮建華，楊靖

（滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，將Aspen Plus軟件應(yīng)用于化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程教學(xué)．介紹了Aspen Plus軟件在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，從而提高學(xué)生對化工專業(yè)課程的理解能力，增強學(xué)生的工程意識，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高．

Aspen Plus；化工原理；分離工程

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，化工行業(yè)對化工工程技術(shù)人才的工程實踐創(chuàng)新能力要求不斷增高．大多數(shù)工科畢業(yè)的學(xué)生都將從事工程技術(shù)行業(yè)，如何體現(xiàn)工程技術(shù)人員的創(chuàng)新應(yīng)用能力，已經(jīng)成為畢業(yè)生關(guān)注的問題．而如何培養(yǎng)大學(xué)生在校期間的創(chuàng)新能力，包括新產(chǎn)品的工藝開發(fā)，新流程和新裝置的的工藝設(shè)計等內(nèi)容，已成為工科專業(yè)院校的辦學(xué)新思路[1]．

Aspen Plus軟件在使用過程中最突出的優(yōu)點就是可以模擬實際生產(chǎn)過程．因此，目前許多高校為了培養(yǎng)大學(xué)生的工程技術(shù)能力和創(chuàng)新思維技能，已廣泛地應(yīng)用Aspen Plus軟件．

1Aspen Plus軟件介紹

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)，它幾乎能滿足大多數(shù)化工設(shè)計及生產(chǎn)計算的要求，其計算結(jié)果得到許多同行的認可[2]．該軟件由麻省理工學(xué)院化工系有關(guān)教授組織了一個由高等學(xué)校和企業(yè)部門各方人員參加的開發(fā)小組，集中進行新一代化工流程模擬系統(tǒng)的開發(fā)，于1979年初開發(fā)成功Aspen（Advanced System for Process Engineering），并投入使用[3]．它被用于化學(xué)和石油工業(yè)、煉油加工、發(fā)電、金屬加工、合成燃料和采礦、紙漿和造紙、食品、醫(yī)藥及生物技術(shù)等領(lǐng)域，在過程開發(fā)、過程設(shè)計及企業(yè)的改造設(shè)計中發(fā)揮著重要的作用．尤其在近些年，中國化工學(xué)會、中國化工教育協(xié)會、教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會在中國石化和三井化學(xué)公司的冠名贊助下舉辦“中國石化-三井化學(xué)杯”大學(xué)生化工設(shè)計競賽，要求所有的參賽學(xué)生必須應(yīng)用Aspen Plus軟件進行工藝流程設(shè)計．可見，應(yīng)用型人才培養(yǎng)對Aspen Plus軟件在課程教學(xué)的重視程度已經(jīng)達到了必須的要求．

Aspen Plus軟件主要包括3部分內(nèi)容：物性數(shù)據(jù)庫、單元操作和模塊分析．它的操作界面較為易懂，用戶使用起來方便靈活，數(shù)據(jù)輸入方便、直觀，所需數(shù)據(jù)均以填表方式輸入，系統(tǒng)自動引導(dǎo)幫助用戶逐步完成數(shù)據(jù)的輸入工作．

軟件數(shù)據(jù)包里有不斷更新且完備的物性數(shù)據(jù)庫，具有物性數(shù)據(jù)回歸、自選物性及數(shù)據(jù)庫管理等功能．

備有全面、廣泛的化工單元操作模型庫，能方便地構(gòu)成各種化工生產(chǎn)流程，如化工原理課程里所應(yīng)用到的精餾和吸收工藝流程[4-5]，反應(yīng)工程里所涉及的各種反應(yīng)器都可以在Aspen Plus軟件進行模擬[6]．同時，Aspen Plus軟件提供了一些重要的模擬分析工具，還可以對一些工藝過程進行強大的流程分析與優(yōu)化功能，如流程優(yōu)化、靈敏度分析、設(shè)計規(guī)定及工況研究等．其還具有技術(shù)經(jīng)濟估算系統(tǒng)，可以進行設(shè)備投資費用、操作費用及工程利潤估算．

2Aspen Plus軟件與化工專業(yè)課程教學(xué)結(jié)合實例

通過對Aspen Plus軟件的學(xué)習(xí)，將其中部分內(nèi)容運用到課堂教學(xué)中，并通過實例說明該軟件的實用性．

例1化工原理課程：甲醇與水的混合溶液，甲醇∶水=2∶3，進料溫度為40 ℃，壓力為1.01×105N/m，流量為1 000 kg/h，確定該物流的泡點溫度（露點溫度）．

計算泡點溫度的常規(guī)算法是利用兩組分的飽和蒸汽壓和總壓，然后根據(jù)進料摩爾組成，在一定范圍內(nèi)進行試差法（計算步驟見圖1）．計算過程繁瑣，同時還存在誤差．

用Aspen Plus軟件進行計算，過程就比較簡單，2 min就可以得到結(jié)果．首先繪制流程圖，見圖2．選擇單元模塊區(qū)中“Seperator（分離器）”下的“Flash2（閃蒸）”模塊．之后將鼠標移到流程區(qū)單擊，在流程圖區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)一個分離器．然后再將鼠標移到物流、能流區(qū)，并單擊，這時將在塔圖形上出現(xiàn)需要連接的物流，連接進出該分離器的物流．

然后，點擊菜單欄里的“N→”，按照要求輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，最后系統(tǒng)開始計算，計算完成后，可以點擊“Results Summary”查看計算結(jié)果（見圖3）．可以看到泡點溫度為79.49 ℃，與試差計算相差無幾．同時也可以再次打開前面的工藝流程圖，通過設(shè)置可以看到帶有數(shù)據(jù)顯示的工藝流程圖（見圖4）．

圖5　苯-甲苯精餾過程

例2分離工程課程：對于分離工程教學(xué)中經(jīng)常會遇到類似的問題，例如：用一常壓操作的連續(xù)精餾塔，分離含苯為0.44摩爾分數(shù)的苯-甲苯混合液，要求塔頂產(chǎn)品中含苯不低于0.975摩爾分數(shù)，塔底產(chǎn)品中含苯不高于0.023 5摩爾分數(shù)．操作回流比為3.5．試用Aspen Plus計算原料液為20 ℃的冷液體時的理論板層數(shù)和加料板位置．

此題一般用圖解法（見圖5）或者逐板計算法，對于圖解法必須畫出操作線和進料線；而對于逐板計算法又要重復(fù)運用操作線方程和平衡線方程進行多次計算，過程繁瑣而且比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)誤差．

用Aspen Plus軟件實施，就比較簡單、迅速，幾分鐘就可以解決問題．首先繪制流程圖（見圖6）．選擇單元模塊區(qū)中“Columns（塔）”下的“DSTWU（簡捷法）”模塊．之后將鼠標移到流程區(qū)單擊，在流程圖區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)一個塔．然后再將鼠標移到物流、能流區(qū)并單擊，這時將在塔圖形上出現(xiàn)需要連接的物流，連接進出該精餾塔的物流．

然后點擊菜單欄里的“N→（下一個）”，按照要求輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，最后系統(tǒng)開始計算，計算完成后，可以點擊“Results Summary”查看計算結(jié)果（見圖7）．可以看到在該分離要求下的最小回流比為1.12，最小理論板數(shù)為8.17，實際所需理論板數(shù)為10.43，加料板位置為6.32．

Aspen Plus軟件在反應(yīng)器設(shè)計、工藝流程的優(yōu)化等方面都有著很好的應(yīng)用．鑒于該軟件的應(yīng)用范圍比較廣泛，同時實用性能比較良好，因此現(xiàn)在國內(nèi)大部分高校，尤其是在工科院校的化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生都已經(jīng)涉及到該軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用．

3結(jié)束語

Aspen Plus模擬軟件能把專業(yè)課程教學(xué)中復(fù)雜的過程計算用計算機軟件來完成，而且能模擬出化工生產(chǎn)過程．把Aspen Plus軟件應(yīng)用到化工專業(yè)課程教學(xué)中，可以將理論聯(lián)系實際，學(xué)生看到的都是實際的工程實例，這樣不僅能提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以促進學(xué)生解決工程實際問題的能力，提高教學(xué)效率，為教學(xué)改革開辟新的路徑．

[1] 李利軍，勞國瑞．Aspen工程軟件在化工過程工藝開發(fā)中的應(yīng)用[J]．化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2010，31（2）：54-57

[2] 倪帥軍，曹俊興，孔繁津，等．ASPEN PLUS在甲醇加壓精餾塔中的應(yīng)用[J]．安徽化工，2008（3）：31-32

[3] 張春勇，鄭純智．Aspen Plus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用[J]．江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2010（1）：78-81

[4] 孫蘭義，張月明．Aspen Plus在化工原理課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用[J]．廣東化工，2009（12）：173-175

[5] 王賢書．Aspen Plus在制藥化工原理汽液平衡教學(xué)中的應(yīng)用[J]．廣東化工，2011（13）：186-188

[6] 王彥飛，朱亮，楊立斌，等．Aspen Plus應(yīng)用于反應(yīng)工程教學(xué)的實踐[J]．廣東化工，2011（9）：187-188

Application of Aspen Plus in the teaching of chemical engineering major

ZHENG Jian-dong，XU Jie，F(xiàn)ENG Jian-hua，YANG Jing

（School of Material and Chemical Engineering，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China）

In order to raise the student's practical ability，apply Aspen Plus to the courses teaching．Introduced the application of Aspen Plus in the teaching of course of chemical engineering major．The results shows that the application of Aspen Plus can deepen students' understanding of chemical engineering course and increase engineering consciousness of students．At the same time it can enhance the students's interests of learning．

Aspen Plus；chemical engineering principle；separation engineering

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.025

2015-12-28

安徽省教育廳質(zhì)量工程項目（2014zjjh042，2015sjjd024，2015jxtd040）

鄭建東（1971-），男，河南南陽人，教授，博士，主要從事工業(yè)催化方面的研究．E-mail：zjd071@126.com