應(yīng)用Aspen plus輔助化工單元操作實踐教學(xué)的探索

劉巧玲

摘 要：針對化工單元操作實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生不能動手實踐的難題，以實習(xí)基地實際生產(chǎn)過程為背景，應(yīng)用Aspen plus構(gòu)建化工過程虛擬工廠。虛擬工廠提供實際生產(chǎn)過程相一致的仿真環(huán)境，使學(xué)生獲得“動手”操作的工程實踐訓(xùn)練；虛擬工廠提供了創(chuàng)新實踐平臺，學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計可以得到應(yīng)用和檢驗，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

關(guān)鍵詞：單元操作 實踐教學(xué) Aspen plus

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0167-02

Abstract： Combined with the actual production process， the practical production process was simulated by using computer simulation to solve the problems of the students no hands-on practice in practice teaching. Instead of the actual production model， in the simulation environment the students can obtain effects witch is consistent with that of the operation in practice to develop students ability of engineering practice and innovative design. The simulation of virtual space is open， providing an improved optimization and innovative design platform， to develop student creative and practical ability.

Key Words： Practice teaching； Computer simulation； Aspen plus； Chemical process

企業(yè)綜合實訓(xùn)是化工專業(yè)本科教學(xué)的必修實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，目的是使學(xué)生在專業(yè)理論課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過實踐活動理論聯(lián)系實際，鞏固和豐富專業(yè)知識，獲得實踐體驗和鍛煉[1-3]；通過實踐訓(xùn)練提高學(xué)生調(diào)查研究、觀察問題、分析問題和解決問題的工程實踐能力，也為完成畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。然而，化工生產(chǎn)過程工藝介質(zhì)多具有一定的毒性、腐蝕性和易燃易爆性，具有操作過程復(fù)雜、操作周期長和存在危險性等特點。受實際生產(chǎn)條件的限制，化工專業(yè)企業(yè)綜合實訓(xùn)，大多只能進行簡單的觀察，難以獲得動手操作機會，達不到預(yù)期的教學(xué)目的。在計算機內(nèi)的虛擬空間仿真生產(chǎn)現(xiàn)場構(gòu)建虛擬工廠，在計算機上再現(xiàn)實際生產(chǎn)過程，提供與實際生產(chǎn)過程相一致的“動手”操作虛擬空間，學(xué)生在與仿真環(huán)境交互作用過程中，獲得與真實的實踐活動相同或相似的訓(xùn)練。以實習(xí)基地的實際生產(chǎn)裝置為背景，利用Aspen plus軟件構(gòu)建虛擬工廠，在計算機上再現(xiàn)實際生產(chǎn)過程，提供與實際生產(chǎn)過程相一致的“動手”操作虛擬空間，學(xué)生在與仿真環(huán)境交互作用過程中，獲得與真實的實踐活動相同或相似的訓(xùn)練。本文以吸收單元設(shè)備的仿真為例，介紹利用Aspen pluss輔助化工單元操作實踐教學(xué)的方法。

1 虛擬工廠的構(gòu)構(gòu)建的構(gòu)造

1.1生產(chǎn)流程建立

Aspen plus軟件包括單元設(shè)備模塊、物性數(shù)據(jù)庫和物性算法等，通過“操作者”輸入單元設(shè)備的操作條件，運用序貫法進行計算所需的物流數(shù)據(jù)和單元設(shè)備參數(shù)，并根據(jù)要求輸出數(shù)據(jù)[4-5]。以實習(xí)基地異丁烯精制工藝裝置的實際生產(chǎn)過程為背景，在Aspen plus環(huán)境下構(gòu)建仿真流程如圖1所示。來自前一工序裂解反應(yīng)物由底部進入甲醇吸收塔（T-102），甲醇精制工序的甲醇吸收用水循環(huán)使用和新鮮水由頂部進入T-102吸收裂解氣中的甲醇，吸收后的液相甲醇水溶液的自T-102塔底經(jīng)E-104冷卻后循環(huán)回T-102塔中段，少部分甲醇水溶液進入甲醇精制工序。粗異丁烯在T-102塔頂排出，經(jīng)烴壓縮機C-101升壓后，由冷凝器E104將氣態(tài)烴冷凝為液態(tài)烴，進入異丁烯脫輕塔T-203進行吸收。粗異丁烯中的輕組分在T-203塔頂輕排放。

1.2 單元操作模擬

計算機模擬再現(xiàn)了實際生產(chǎn)過程，在仿真生產(chǎn)環(huán)境下，學(xué)生得到與實際生產(chǎn)過程相一致的動手操作和處理異常問題能力的訓(xùn)練。本文以甲醇吸收單元操作為例，探索Aspen plus輔助化工單元操作實踐教學(xué)的方法。

根據(jù)異丁烯吸收塔詳細結(jié)構(gòu)參和現(xiàn)場操作原始記錄，選用PENG-ROB方程對單元設(shè)備進行模擬和修正，使之與實際生產(chǎn)過程一致，以真實再現(xiàn)實際生產(chǎn)過程。流程計算涉及的9 種組分，如表1所示。輸入異丁烯精制單元設(shè)備操作參數(shù)，如物料組分、流量和循環(huán)量，操作溫度、壓力等參數(shù)，啟動仿真運算程序，模擬結(jié)果收斂，再現(xiàn)實際生產(chǎn)過程。為訓(xùn)練學(xué)生對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常問題的處理能力，模擬實際生產(chǎn)過程，人為加入干擾，如物料組分的變化、操作參數(shù)的波動等，模擬生產(chǎn)過程異常及事故工況，學(xué)生依據(jù)所學(xué)的理論知識和現(xiàn)場獲得的操作經(jīng)驗，按照操作規(guī)程對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。

1.3 生產(chǎn)過程分析

計算機模擬環(huán)境為學(xué)生提供了仿真操作和生產(chǎn)過程調(diào)優(yōu)的平臺。利用Aspen plus提供的靈敏度分析功能，根據(jù)所學(xué)的理論知識對生產(chǎn)過程分析，研究操作條件、設(shè)備結(jié)構(gòu)變化對生產(chǎn)過程的影響，尋求最佳的操作工況，并在計算機模擬環(huán)境中實現(xiàn)和檢驗優(yōu)化結(jié)果。以新鮮水量和循環(huán)吸收用水量對甲醇吸收塔T102塔頂氣相中甲醇含量影響的靈敏度分析的為例，介紹在模擬環(huán)境中對吸收單元操作進行調(diào)優(yōu)實訓(xùn)。

圖2和圖3分別為塔頂氣相物流中甲醇濃度隨新鮮水量、循環(huán)水量變化的趨勢。由圖2可以看出，增加新鮮水流量，可以顯著地降低T-102塔頂氣相中的甲醇含量。但水是不可再生資源，通過增加新鮮水量來降低提高甲醇吸收精度是有限的，新鮮水量應(yīng)取適當(dāng)?shù)闹?。由圖3可知，隨著循環(huán)流量的增加，甲醇濃度也快速降低，隨著循環(huán)流量的增加濃度降低速率減小。由于現(xiàn)裝置泵的輸送能力和塔尺寸本身的限制，也不能無限制地增加循環(huán)吸收用水流量，當(dāng)前操作的循環(huán)吸收用水流量為1300 kg/hr。將流量增加到2600 kg/hr，甲醇濃度會降低到0.65wt%。

2 結(jié)語

（1）仿真教學(xué)用概念模型代替真實的物理模型，將Aspen plus仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對實際系統(tǒng)無破壞性，具有安全、經(jīng)濟等特點。

（2）Aspen plus模擬流程，為學(xué)生提供了一個計算機虛擬生產(chǎn)環(huán)境，學(xué)生可以獲得“動手”操作的機會，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

（3） Aspen plus流程模擬環(huán)境為學(xué)生提供了創(chuàng)新設(shè)計的平臺。學(xué)生通過靈敏度分析改進工藝和設(shè)備設(shè)計，并在計算機模擬環(huán)境中實現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和興趣。

參考文獻

[1] 亓魯剛，付罡，呂文祥.流程工業(yè)虛擬工廠的實現(xiàn)技術(shù)探討[J].化工進展，2012，244（1）：233-239.

[2] 宋偉，李朝艷，徐雪麗.Aspen Plus在化工設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2013，335（14）：208-209.

[3] 黃榮金.基于虛擬工廠的實訓(xùn)教學(xué)[J].交通職業(yè)教育，2013，186（6）：6-7，17.

[4] 韋曉燕，譚軍，胡萬鵬.Aspen Plus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].化工時刊，2012，300（6）：69-70.

[5] 王帥，鐘宏，金一粟普.Aspen Plus在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工時刊，2010，272（2）：67-70，73.endprint