化工專業(yè)理論與Aspen Plus軟件應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)模式的探討

許良華　尹曉紅　仝新利　范文元　畢亞東　馬　鋒

（天津理工大學(xué)，天津300384）

化工專業(yè)理論與Aspen Plus軟件應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)模式的探討

許良華尹曉紅仝新利范文元畢亞東馬鋒

（天津理工大學(xué)，天津300384）

化工流程模擬軟件Aspen Plus在化工專業(yè)教學(xué)與科研中的作用日漸突出，為使化工專業(yè)本科生較快掌握并正確應(yīng)用該軟件，本文提出在單獨開設(shè)該課程的基礎(chǔ)上，將化工專業(yè)相關(guān)理論知識與軟件應(yīng)用相銜接，形成理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，并著重對具體的教學(xué)內(nèi)容和課程安排等方面進(jìn)行了闡述。教學(xué)實踐表明，通過這種教學(xué)模式，Aspen Plus軟件更易被學(xué)生接受和掌握。

Aspen Plus；過程模擬；教學(xué)改革

計算機技術(shù)快速發(fā)展帶動了化工流程模擬軟件的開發(fā)和應(yīng)用，從而極大提升了化工學(xué)科在流程優(yōu)化、設(shè)備計算等領(lǐng)域的計算速度和準(zhǔn)確度。在眾多商業(yè)化工軟件中，Aspen Tech公司推出的Aspen Plus軟件以其良好的通用性、計算結(jié)果的可靠性受到化工從業(yè)者的推崇，眾多高校也將Aspen Plus軟件引入到化工專業(yè)的本科教學(xué)中。

作為一款設(shè)置過程復(fù)雜、模塊眾多的全英文軟件，Aspen Plus難于被本科學(xué)生掌握和應(yīng)用。因此，在教學(xué)過程中需要在教學(xué)形式、教學(xué)內(nèi)容上精心選擇和準(zhǔn)備，才能取得較好的教學(xué)效果。目前各高校在Aspen Plus的教學(xué)中主要采取以下兩種形式。

一是化工專業(yè)主干課中引入Aspen Plus的教學(xué)內(nèi)容。例如孫蘭義［1］、王廣全［2］等在化工原理課程設(shè)計中應(yīng)用Aspen Plus計算精餾塔的理論塔板數(shù)、回流比等操作參數(shù)；陳新志［3］在化工熱力學(xué)教學(xué)中引入Aspen Plus以完成純物質(zhì)飽和性質(zhì)的計算。這種教學(xué)形式雖然減輕了學(xué)生在專業(yè)課中的計算量，但由于需要增加講授Aspen Plus使用方法的教學(xué)內(nèi)容，分散了專業(yè)課教學(xué)重點，也不利于對Aspen Plus軟件本身的掌握。

二是單獨開設(shè)Aspen Plus軟件教學(xué)課程。天津大學(xué)、浙江大學(xué)等高校均開設(shè)了與Aspen Plus軟件相關(guān)的化工過程模擬課程，主要講授軟件的具體使用方法與調(diào)試技巧。該方式教學(xué)內(nèi)容全面，但需要學(xué)生對與之相關(guān)的基礎(chǔ)專業(yè)課程掌握的較為牢固，否則不利于學(xué)生對軟件的深刻理解與掌握。

為更好的學(xué)習(xí)該軟件，同時發(fā)揮該軟件對其他課程促進(jìn)作用，本文提出在單獨開設(shè)Aspen Plus軟件教學(xué)課程的基礎(chǔ)上，引入專業(yè)課程中的相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生在深刻理解和熟練掌握Aspen Plus軟件的應(yīng)用的同時，并不增加其他專業(yè)課程的教學(xué)負(fù)擔(dān)。本文對該模式的教學(xué)內(nèi)容的選擇和編排進(jìn)行了探討。

一、教學(xué)內(nèi)容的整體安排

常規(guī)的Aspen軟件教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包括以下四個部分，依次為：第一部分，軟件操作的一般步驟；第二部分，物性方法的正確選擇；第三部分，主要單元模塊的操作及應(yīng)用，如換熱器、精餾塔和反應(yīng)器的模擬計算；第四部分，模擬工具（Case Study、calculator等）的使用和流程優(yōu)化方法。

第一部分和第四部分注重軟件使用方法的講授，而物性方法和單元模塊的使用更需要較多的專業(yè)知識，在教學(xué)內(nèi)容上需要注重與專業(yè)知識的銜接講授。即在軟件應(yīng)用的講解過程中，對專業(yè)性較強的背景知識進(jìn)行重點講解，為軟件應(yīng)用提供準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

由于學(xué)時所限，相關(guān)專業(yè)知識不能大范圍展開講授，為此，要以軟件應(yīng)用為目標(biāo)來選擇那些針對性較強的化工專業(yè)知識，并且理論知識和實踐應(yīng)用要相互照應(yīng)，做到二者有效銜接，成為一個整體?，F(xiàn)將這種教學(xué)法的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排的重點部分介紹如下。

二、采用化工熱力學(xué)的相關(guān)知識指導(dǎo)物性方法的選擇和應(yīng)用

Aspen Plus中的物性方法（property method）是指模擬計算中所使用的物性方程和模型的集合。軟件中所有的單元模塊均需要物性方法的數(shù)據(jù)來計算得到模擬結(jié)果，而物性方法是需要用戶根據(jù)所處理的物料來進(jìn)行選擇的，選擇是否合理直接關(guān)系到計算結(jié)果的正確性。

對一個流程的模擬盡管可以做到收斂（result available），但如果物性選擇與實際偏差太大，計算結(jié)果也是錯誤的，以此為基礎(chǔ)得到的工藝參數(shù)也是不合理的。為使學(xué)生正確選擇適宜的物性方法，可將化工熱力學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容引入。表1為常用方程的分類與大類的適用物系。其中，狀態(tài)方程以及活度系數(shù)模型不易被學(xué)生理解，選擇具體物性方程的時候就比較困惑，為此將化工熱力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容引入進(jìn)行講解。

表1　常用物性方程的分類及適用物系［4］

在模擬計算中，主要熱力學(xué)性質(zhì)均來源于相平衡。系統(tǒng)達(dá)到平衡時，汽液相中每個組分i均滿足相平衡判據(jù)公式［5］，即：

當(dāng)汽相逸度（fiv）和液相逸度（fil）均采用同一狀態(tài)方程計算時，（1）式可表示為：

采用（2）式計算物性的方法稱為狀態(tài)方程法。較為常用的方程有PR方程、RK方程等。由此可見，以PR方程、RK方程為代表的狀態(tài)方程模型無需指定標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，對溫度壓力的適用范圍較廣，包括壓臨界和超臨界范圍，適用于模擬輕烴類物系和其他極性物系［6］，因極性物系非理想性較弱，更接近理想氣體。

由于狀態(tài)方程是以理想氣體為參考基準(zhǔn)，在計算氣相逸度時較為準(zhǔn)確，而在計算液相逸度時，尤其當(dāng)液相的極性很強時，偏差會很大，或計算十分復(fù)雜。為此引入活度系數(shù)的概念，以表示真實溶液與理想溶液的偏差，當(dāng)平衡判據(jù)的液相逸度以活度系數(shù)γi的形式表達(dá)時，平衡判據(jù)表達(dá)式為：

采用（3）式計算物性的方法稱活度系數(shù)法，常用方程NRTL方程、UNIFAC等。由于（3）式中有標(biāo)準(zhǔn)態(tài)逸度，可見以NRTL方程為代表的活度系數(shù)模型需要制定標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，因此只適合中低壓下的汽液平衡。但由于活度系數(shù)法以理想液體為參比態(tài)，更適合計算非理想的、較強的、非極性物系的物性。

通過以上基礎(chǔ)理論的講解，學(xué)生對Aspen Plus軟件中的物性方法就會有更深入的理解，可更準(zhǔn)確的選擇和設(shè)置物性方程。

三、采用化工分離過程的相關(guān)知識指導(dǎo)分離單元模塊的設(shè)置與應(yīng)用

Aspen Plus的模型庫中的精餾、吸收、萃取等分離單元模型的設(shè)置與化工專業(yè)課化工分離過程的相關(guān)內(nèi)容息息相關(guān)。在教學(xué)過程中，遇到設(shè)置的難點內(nèi)容時，需要將專業(yè)課中的相關(guān)內(nèi)容作為必要的補充，加深對相關(guān)專業(yè)知識和軟件設(shè)置過程的理解。這里舉兩個典型例子。

其一，在進(jìn)行精餾模擬時，一般要根據(jù)進(jìn)料和分離要求，利用模型庫中的DSTWU模塊進(jìn)行精餾過程的簡捷計算，該模塊所代表的模型即為Underwood-Fenske-Gilliland簡捷算法，即利用Underwood方程估算精餾過程中的最小回流比，利用Fenske方程計算最小理論塔板數(shù)以及利用Gilliland關(guān)聯(lián)式計算實際回流比下的理論塔板數(shù)。該計算方法在化工分離過程課程中是重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，可將該課程中輕重關(guān)鍵組分的選擇及其回收率的計算進(jìn)行簡要復(fù)習(xí)，以指導(dǎo)DSTWU模塊的正確設(shè)置。

具體而言，輕重關(guān)鍵組分是指在在多組分進(jìn)料中指定分離要求的兩個組分，一般選擇相對揮發(fā)度相鄰的兩組分。在設(shè)置具體數(shù)值時，輕重關(guān)鍵組分的回收率是指摩爾回收率而不是質(zhì)量回收率，這一點容易混淆。另一點需要注意的是在分離過程的學(xué)習(xí)中，輕重關(guān)鍵組分回收率分別為輕重關(guān)鍵組分在塔頂餾出液和釜殘液的摩爾流量占進(jìn)料量的百分?jǐn)?shù)，而在DSTWU模塊的設(shè)置中，輕重關(guān)鍵組分回收率均是輕重關(guān)鍵組分在塔頂餾出液中的摩爾流量占進(jìn)料量的百分?jǐn)?shù)，如圖1。

圖1　DSTWU模塊的數(shù)據(jù)設(shè)置表單

其二，Aspen Plus應(yīng)用最為廣泛的模塊——RadFrac為精餾的嚴(yán)格計算模塊，在化工分離過程課程中精餾嚴(yán)格計算也是重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，可將其中逐板計算法的基本過程進(jìn)行簡要講解，以利于學(xué)生在模塊設(shè)置過程中對參數(shù)的選擇和賦值，如圖2。

圖2　RadFrac模塊的數(shù)據(jù)設(shè)置表單

具體而言，由自由度分析可知［7］，單進(jìn)料精餾塔操作型計算一般由5個設(shè)計變量，其中固定變量有3個，分別是飽和液體回流、精餾段塔板數(shù)和提餾段塔板數(shù)，可調(diào)變量有2個，分別為回流比（Reflus ratio）和餾出液流量（Distllate rate）。因為要使用RadFrac模塊進(jìn)行逐板計算，理論級數(shù)以及進(jìn)料位置需在計算之前指定，再給定回流比和餾出液流量的值，就可執(zhí)行計算了，因此在RadFrac的設(shè)置中，以上五個參數(shù)需要給予設(shè)定。同時可見，根據(jù)自由度分析，在塔板數(shù)一定的情況下，產(chǎn)品純度由回流比和餾出液流量的數(shù)值決定，因此產(chǎn)品純度可通過改變回流比和餾出液流量加以調(diào)節(jié)，該功能在RadFrac模塊即為設(shè)計規(guī)定（Design Specs-Vary）功能，如圖3。

圖3　RadFrac模塊中Design Specs-Vary工具表單

四、采用反應(yīng)工程的相關(guān)知識指導(dǎo)反應(yīng)器模塊的設(shè)置與應(yīng)用

全混流反應(yīng)器RCSTR模型是反應(yīng)器Reactor模塊中應(yīng)用較為廣泛的模型，需要使用反應(yīng)對象（Reactions ID）功能對反應(yīng)方程式的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可定義的反應(yīng)類型（Reaction type）有動力學(xué)型（Kinetic）反應(yīng)和平衡型（Equilibrium）反應(yīng)兩種。以動力學(xué)型（Kinetic）為基準(zhǔn)的反應(yīng)程度由化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k決定，Aspen Plus中反應(yīng)該速率常數(shù)稱為動力學(xué)因子（kinetic factor），該值的設(shè)定如圖4（a）所示，即需要指定在標(biāo)準(zhǔn)溫度（T0）、在標(biāo)準(zhǔn)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k、反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)活化能以及組分的濃度單位基準(zhǔn)（［Ci］basis）。以平衡型（Equilibrium）反應(yīng)類型為基準(zhǔn)的，則需設(shè)定反應(yīng)平衡常數(shù)K，該數(shù)值的設(shè)定如圖4（b）所示，有反應(yīng)工程的理論知識理論可知，該平衡常數(shù)K的數(shù)值與反應(yīng)溫度（T）相關(guān)?？梢?，將以上理論課中的重點內(nèi)容引入到軟件設(shè)定的學(xué)習(xí)中，可使參數(shù)設(shè)置和模擬計算更準(zhǔn)確。

五、在課程開設(shè)時間上與相關(guān)專業(yè)課緊密銜接

原來的Aspen Plus課程開設(shè)時間為大四上學(xué)期，通過實際教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在講解化工熱力學(xué)、化工原理以及化工分離工程的相關(guān)專業(yè)知識時，學(xué)生對這些前期開設(shè)課程已經(jīng)不很熟悉，需要花一定時間復(fù)習(xí)。為使模擬軟件的應(yīng)用更好的與相關(guān)專業(yè)課相結(jié)合，將該課程的開課時間提前到大三下學(xué)期。在這個學(xué)期，化工原理剛剛講完，化工分離工程也同步開設(shè)，這樣，可使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，應(yīng)用模擬軟件解決相關(guān)計算和模擬問題。兩年的教學(xué)實踐證明，提前開設(shè)該課程是較為穩(wěn)妥的。

圖4　反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)平衡常數(shù)的設(shè)置

六、結(jié)束語

化工流程模擬軟件Aspen Plus在化工設(shè)計和過程優(yōu)化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，但在應(yīng)用過程中需要相關(guān)化工專業(yè)知識作為基礎(chǔ)才能使用正確，為更好發(fā)揮軟件的設(shè)計優(yōu)化功能，本文將專業(yè)知識與軟件應(yīng)用有機結(jié)合在一起，用高度相關(guān)的專業(yè)課知識指導(dǎo)Aspen Plus物性方程的優(yōu)選和主要模塊的參數(shù)設(shè)置，以提高軟件應(yīng)用的準(zhǔn)確性、合理性和靈活性。在課程開設(shè)時間上，與相關(guān)化工專業(yè)課緊密銜接，以利于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)和掌握。通過教學(xué)實踐證明，軟件的使用離不開專業(yè)知識的基礎(chǔ)，專業(yè)知識的必要補充可使軟件的學(xué)習(xí)更為深刻和便捷。今后，還要不斷提升理論和實踐應(yīng)用的相關(guān)性和準(zhǔn)確性，不斷探索更加專業(yè)化和現(xiàn)代化的化工教學(xué)新模式。

［1］孫蘭義，張月明，李軍，等.Aspen Plus在化工原理課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用［J］.廣州化工，2009，36（12）：173-175.

［2］王廣全，李肖華，張智亮.Aspen Plus軟件在化工原理課程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.化工高等教育，2015，142（2）：60-63.

［3］陳新志，趙倩，錢超.基于Aspen-Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)（I）均相性質(zhì)計算［J］.化工高等教育，2011，121（5）：75-79.

［4］孫蘭義，化工流程模擬實訓(xùn)Aspen Plus教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［5］馬沛生，李永紅.化工熱力學(xué)（通用型）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［6］Aspen Technology Inc.Aspen Plus User Guide Version11.1［EB/OL］，http：//www.doc88.com/p-9495366489493.html，2001.

［7］陳洪鈁，劉家祺.化工分離過程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

（責(zé)任編輯：姚歆燁）

Combining Chemical Engineering Theory and Aspen Plus in Chemistry Engineering Teaching

XU Lianghua，YIN Xiaohong，TONG Xinli，F(xiàn)ANG Wenyuan，BI Yadong，MA Feng
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

As an advanced process simulation software，Aspen Plus is playing an important role in university course teaching.In order to help students master this sophisticated software and use it correctly and skillfully，a new teaching mode that combines software operation with chemistry engineering theory should be established.This paper mainly reports on some changes in teaching contents and the course arrangement in our university.Teaching practice showed that the students can accept and master Aspen Plus more efficiently with this new course teaching mode.

Aspen Plus；process simulation；teaching reform

G642.0

許良華（1980—），男，講師，研究方向：精餾過程優(yōu)化與節(jié)能、過程系統(tǒng)工程。

天津理工大學(xué)教學(xué)基金項目（YB13-18）。