基于AspenPlus在化工工藝學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

唐新宜

(廣東藥科大學(xué)醫(yī)藥化工學(xué)院，廣東省化妝品工程技術(shù)研究中心，廣東　中山　528458)

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基于AspenPlus在化工工藝學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

唐新宜

(廣東藥科大學(xué)醫(yī)藥化工學(xué)院，廣東省化妝品工程技術(shù)研究中心，廣東中山528458)

化工工藝學(xué)是一門理論與生產(chǎn)相結(jié)合的課程。本文討論了化工流程模擬軟件Aspen與化工工藝學(xué)教學(xué)的關(guān)系，將AspenPlus流程模擬軟件逐步引入到化工工藝學(xué)實(shí)踐教學(xué)中，加深了學(xué)生對(duì)化工生產(chǎn)工藝的理解，并提高了學(xué)生利用工具解決實(shí)際問題的能力。引入AspenPlus軟件作為化工工藝學(xué)教學(xué)輔助工具，能使教學(xué)更接近實(shí)際生產(chǎn)過程，拓寬了學(xué)生的視野。

化工工藝；AspenPlus；教學(xué)實(shí)踐

化工工藝學(xué)是高校化學(xué)工程與工藝專業(yè)的重要專業(yè)必修課，該課程以典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝為主要內(nèi)容，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用和理論的背景。課程要求學(xué)生從原理、工藝流程、操作參數(shù)、典型設(shè)備等方面掌握產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)重要環(huán)節(jié)，并把理論結(jié)合到工業(yè)生產(chǎn)中。此外，課程還要求學(xué)生掌握操作單元，反應(yīng)工程，熱力學(xué)和儀表及自動(dòng)化等相關(guān)課程知識(shí)，并且綜合運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)，因此化工工藝學(xué)屬于同時(shí)具有理論性與實(shí)踐性的課程。近年，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類專業(yè)課的教學(xué)中，如張衛(wèi)等[1]將MathCAD軟件應(yīng)用于“無機(jī)與分析化學(xué)”課程教學(xué)中。利用MathCAD軟件強(qiáng)大的計(jì)算與繪圖功能，使學(xué)生更直觀地理解抽象的概念及原理，有效地提高課堂的教學(xué)效果。丁雪等[2]對(duì)化工熱力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行改革，將AspenPlus應(yīng)用于教學(xué)中，效果較為明顯。徐舒等[3]以海水淡化蒸發(fā)器的應(yīng)用為例，把Fluent軟件應(yīng)用到課程的教學(xué)中，提高了課程的實(shí)用性和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)拓寬了學(xué)生視野。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，如AspenPlus，F(xiàn)luent等模擬軟件的應(yīng)用有效地提高了實(shí)踐課程的趣味性，生動(dòng)地展示了復(fù)雜且枯燥的課程內(nèi)容，逐漸成為了高校課程教學(xué)改革的重要趨勢(shì)[4-6]。本文將結(jié)合“化工工藝學(xué)”課程的特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的實(shí)際情況，闡述如何把Aspen軟件引入到“化工工藝學(xué)”課程的教學(xué)實(shí)踐中。下文分別以換熱器單元、分離單元、反應(yīng)器單元以及工藝流程模擬為例介紹其應(yīng)用。

1　Aspen軟件與化工工藝學(xué)

AspenPlus是一款功能強(qiáng)大的集化工設(shè)計(jì)、核算和優(yōu)化于一體的大型通用流程模擬軟件，廣泛用于設(shè)計(jì)院和大型化工企業(yè)，是由物性數(shù)據(jù)庫(kù)，單元操作模塊和工具模塊等主體部分構(gòu)成，具有對(duì)工藝過程進(jìn)行嚴(yán)格的物料質(zhì)量和能量平衡計(jì)算、預(yù)測(cè)物流的流率組成及性質(zhì)、預(yù)測(cè)操作參數(shù)和設(shè)備尺寸、工藝優(yōu)化等功能。該軟件的理論基礎(chǔ)是以“三傳一反”和化工熱力學(xué)為核心的化工基本理論為依據(jù)。化工工藝學(xué)課程是從化工產(chǎn)品生產(chǎn)流程角度出發(fā)，闡明生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)原理和相關(guān)設(shè)備工作原理和特點(diǎn)，介紹典型產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝如石油一次加工，催化裂化，催化重整，合成氣和硫酸等化工過程及產(chǎn)品的生產(chǎn)方法與原理、流程與關(guān)鍵設(shè)備、操作條件分析與節(jié)能降耗的措施。在化工工藝的實(shí)踐教學(xué)中充分應(yīng)用AspenPlus軟件輔助教學(xué)，不僅具有形象生動(dòng)、緊密聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，而且還能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。將化工工藝學(xué)課程同AspenPlus軟件相結(jié)合，旨在強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用的能力。為化工相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在正式步入工作崗位之前打下堅(jiān)實(shí)的計(jì)算和理論基礎(chǔ)，因此有必要對(duì)相關(guān)的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)作充分的介紹。

2　Aspen軟件在化工工藝學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

換熱器單元、分離單元、反應(yīng)器單元是化工生產(chǎn)工藝流程中比較重要且常見的操作單元，而化工工藝過程模擬的實(shí)質(zhì)是對(duì)整個(gè)流程建立物料平衡，能量平衡，相平衡等方程，通過對(duì)上述方程進(jìn)行求解，最后得到各物流組分性質(zhì)數(shù)據(jù)的過程。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程后，完全有能力在軟件上進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，對(duì)所學(xué)的工藝進(jìn)行核算和優(yōu)化。以下以化工工藝過程中常見的換熱器單元、分離單元、反應(yīng)器單元和典型工藝流程模擬為例作介紹。

2.1換熱器單元模擬

換熱器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)兩種物料進(jìn)行熱量交換的設(shè)備，也是化工生產(chǎn)過程的通用設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的11%～40%[7]。換熱器模型類型較多，在這里介紹常用的簡(jiǎn)單換熱器模型，可通過設(shè)定條件來求解物料的出口溫度或換熱器的換熱面積，熱負(fù)荷等參數(shù)。圖1為Aspen中簡(jiǎn)單換熱器流程一般連接圖。

圖1　簡(jiǎn)單換熱器一般流程連接圖

換熱器單元模塊在Aspen軟件中需輸入的工藝參數(shù)及物性參數(shù)，可在換熱器的工藝參數(shù)Specification界面(圖2)中進(jìn)行操作，主要有計(jì)算類型、流動(dòng)方式和換熱器參數(shù)如溫差，壓降等幾個(gè)方面的設(shè)定。

圖2　換熱器模塊HeatX的Specification界面

在設(shè)定流動(dòng)方式時(shí)，可對(duì)兩股流體流動(dòng)方式如逆流，順流進(jìn)行選擇。在換熱器設(shè)計(jì)的原則中，流體同時(shí)走管程和殼程[7]。換熱器的計(jì)算類型可分為核算型和設(shè)計(jì)型。學(xué)生在初學(xué)時(shí)對(duì)類型的選擇分不清楚，比較模糊。同時(shí)學(xué)生在設(shè)定參數(shù)時(shí)，對(duì)各種參數(shù)的定義也存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，尤其所有操作界面均為英文，學(xué)生對(duì)專業(yè)英文的詞匯比較缺乏。因此需要強(qiáng)化學(xué)生在操作單元方面和專業(yè)英文方面的認(rèn)識(shí)。參數(shù)輸入完畢方可進(jìn)行運(yùn)算。計(jì)算完成后可在Result查看換熱器的計(jì)算結(jié)果，主要結(jié)果包括有冷/熱物料出口溫度、冷/熱物料出口壓力、換熱器熱負(fù)荷等參數(shù)。

換熱器幾乎應(yīng)用到所有的化工產(chǎn)品工藝中，如物料的預(yù)熱，冷卻，工藝過程的余熱回收等。把Aspen軟件中的換熱器模塊引入課程中，可讓學(xué)生對(duì)工藝流程中換熱器進(jìn)行核算和模擬，使學(xué)生增加對(duì)換熱器計(jì)算的認(rèn)識(shí)和提高基本理論的水平。

2.2分離單元模擬

在石油的一次和二次加工工藝中，分餾塔是重要的分離設(shè)備。在傳統(tǒng)的理論課堂中難以通過課件或口述的形式將分離過程的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備計(jì)算講解透徹，因而將精餾塔模塊引入工藝學(xué)的課堂中是有必要的。Aspen中精餾塔的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊DSTWU的連接圖如圖3所示。DSTWU模塊是多組分精餾的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊，采用Winn-Underwood-Gilliland方法進(jìn)行精餾塔的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)計(jì)算。該模塊的作用是在未知回流比，理論塔板數(shù)的情況下，為達(dá)到給定的分離要求對(duì)精餾塔進(jìn)行初步的計(jì)算設(shè)計(jì)。DSTWU模塊計(jì)算精度不高，不能作為流程計(jì)算的最終結(jié)果，只能作為逐板計(jì)算法的參考值或估算值。工藝參數(shù)輸入界面如圖4所示，塔工藝參數(shù)設(shè)定，包括塔板數(shù)和回流比；冷凝器和再沸器的壓力；關(guān)鍵組分的設(shè)定和冷凝器類型的設(shè)定，共四組工藝參數(shù)的設(shè)定。

圖3　DSTWU模型的連接示意圖

圖4　DSTWU模塊參數(shù)設(shè)定界面

通過DSTWU模塊的學(xué)習(xí)可以加深學(xué)生對(duì)精餾塔計(jì)算的理解，提高軟件操作的能力。

2.3反應(yīng)單元模擬

反應(yīng)器是化工工藝中重要且必不可少的設(shè)備。在各種化工生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的類型和操作方式都會(huì)對(duì)工藝的設(shè)計(jì)或計(jì)算結(jié)果有較大的影響，AspenPlus根據(jù)不同的反應(yīng)器形式，提供了七種不同的反應(yīng)器模塊，包括熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的反應(yīng)器(圖5)。

圖5　Aspen Plus中反應(yīng)器模塊示意圖

2.4工藝流程模擬

環(huán)丁砜萃取分離芳烴工藝在化工工藝學(xué)課程中是重要的內(nèi)容，如圖6所示。其作用是利用芳烴和非芳烴在溶劑中的溶解度不同的原理進(jìn)行分離[8]。在整個(gè)工藝流程中涉及的設(shè)備較少，有利于使用Aspen軟件輔助教學(xué)。由于學(xué)習(xí)工藝學(xué)的學(xué)生都是第一次接觸Aspen軟件，因此模擬案例涉及的設(shè)備盡量簡(jiǎn)單易懂。指導(dǎo)學(xué)生模擬流程時(shí)，先讓學(xué)生學(xué)習(xí)使用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)規(guī)定，計(jì)算時(shí)一般采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。當(dāng)學(xué)生逐步深入掌握各類模塊，可以使用一些工具模塊如優(yōu)化器，反饋控制器和靈敏度分析法等做一些簡(jiǎn)單的優(yōu)化或設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深對(duì)軟件的掌握和工藝學(xué)課程的理解。

圖6　環(huán)丁砜萃取分離芳烴流程圖

3　結(jié)　語(yǔ)

通過將AspenPlus軟件引入化工工藝學(xué)課堂，使得化工工藝學(xué)課堂的實(shí)用性和趣味性得到提高，使得典型的化工工藝流程以及化工工藝單元在AspenPlus軟件中得到體現(xiàn)，并且還將實(shí)際案例應(yīng)用于模擬設(shè)計(jì)中，使課程緊密貼近實(shí)際化工過程。通過學(xué)生自己的動(dòng)手操作，以及設(shè)計(jì)完成后的數(shù)據(jù)處理，可以使得學(xué)生對(duì)實(shí)際的化工工藝流程有一定的了解，開闊了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也為畢業(yè)后學(xué)生踏入工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]張衛(wèi),馬荔,陳虹錦等.MathCAD軟件在“無機(jī)與分析化學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育,2015,4: 59-63.

[2]丁雪,劉熠斌,宋春敏等.AspenPlus在化工熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣州化工,2014,42(18): 225-226.

[3]徐舒,金如聰.Fluent軟件在計(jì)算流體力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教育研究,2013,12:61.

[4]王彩紅,林雄超,董敏等.AspenPlus在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中的應(yīng)用[J].化工時(shí)刊, 2019,23(6): 73-75.

[5]胡大喬,宋林勇. “分離工程”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].池州學(xué)院學(xué)報(bào),2013,27(6): 138-140.

[6]曹俊雅,王光耀,朱凱等.AspenPlus在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐與探索[J].新課程研究(中旬刊),2012,08: 93-94.

[7]孫蘭義. 化工流程模擬實(shí)訓(xùn):AspenPlus教程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

[8]吳指南. 基本有機(jī)化工工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

Application of Aspen Plus in the Practical Teaching of Chemical Technology*

TANG Xin-yi

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangdong Pharmaceutical University, Guangdong Cosmetics Engineering & Technology Research Center，Guangdong Zhongshan 528458, China)

ChemicalTechnologyisaratherpracticalcourse.TherelationshipbetweenAspenPlussoftwareandChemicalTechnologywerediscussed.AspenPlussoftwarewasintroducedintheteachingofChemicalTechnologycoursetostrengthentheunderstandingofChemicalEngineeringcoursesandimprovethehands-onandimplementingabilityofthestudents,whichmadetheteachingclosertoengineeringpracticeandbroadenthestudents’visualfield.

ChemicalTechnology;AspenPlus;teachingpractice

2015年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目之應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范專業(yè)：化學(xué)工程與工藝(序號(hào)24)。

唐新宜(1978-)，男，講師，主要從事化工工藝學(xué)課程的教學(xué)工作。

TQ03-3

A

1001-9677(2016)013-0174-03