王克良,李 靜,李 松,李 志,連明磊,杜廷召
(1.六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系,貴州 六盤(pán)水 553004;2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,河北 任丘 062552)
Aspen plus在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用-以精餾分離甲醇-水體系為例
王克良1,李 靜1,李 松1,李 志1,連明磊1,杜廷召2
(1.六盤(pán)水師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系,貴州六盤(pán)水553004;2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,河北任丘062552)
Aspen plus作為現(xiàn)代化工第一大型通用流程模擬軟件,在工程中應(yīng)用廣泛,是從事化工設(shè)計(jì)工作的必用設(shè)計(jì)軟件。本文以精餾分離甲醇-水體系為例,將化工原理課程與Aspen plus結(jié)合進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),有利于將教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合,以提高教學(xué)效率和質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生的興趣,增強(qiáng)其工程意識(shí),讓學(xué)生能夠在將來(lái)的工作中適應(yīng)現(xiàn)代化工設(shè)計(jì)環(huán)境。
化工原理;教學(xué);Aspen plus;精餾
化工原理課程是化學(xué)化工及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程必修的三大環(huán)節(jié)之一,是綜合應(yīng)用本門(mén)課程和有關(guān)先修課程所學(xué)知識(shí),完成以某一單元操作為主的一次綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐[1],以培養(yǎng)學(xué)生的工程觀(guān)點(diǎn)和分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[2]。
目前化工原理課程的操作型和設(shè)計(jì)型計(jì)算題目還是以手工計(jì)算為主,對(duì)于將現(xiàn)代化工過(guò)程模擬軟件結(jié)合的教學(xué)應(yīng)用較少。Aspen Plus是大型通用流程模擬系統(tǒng),源于美國(guó)能源部七十年代后期在麻省理工學(xué)院(MIT)組織的會(huì)戰(zhàn),開(kāi)發(fā)的新型第三代流程模擬軟件。該項(xiàng)目稱(chēng)為“過(guò)程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”(Advanced System for Process Engineering,簡(jiǎn)稱(chēng)ASPEN)[3]。Aspen Plus在現(xiàn)代化工設(shè)計(jì)中極大地提高了化工設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,將手工計(jì)算與Aspen軟件結(jié)合教學(xué),能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì),提高教學(xué)效果[4]。
設(shè)計(jì)條件及任務(wù):進(jìn)料流率:F=200kmol/h,進(jìn)料組成:xF(CH4O)=0.3,進(jìn)料熱狀態(tài):q=1,回流比:R/Rmin=1.6;分離要求:xD(CH4O)=0.995,操作壓力:常壓。
圖1 模擬計(jì)算模型圖
1.1 簡(jiǎn)捷法設(shè)計(jì)計(jì)算
在完成手工設(shè)計(jì)計(jì)算以后,根據(jù)分離條件及任務(wù)在A(yíng)spen Plus中選擇columns模型庫(kù)中的DSTWU(Shortcut distillation design using the Winn-Underwood- Gilliland method)[3]簡(jiǎn)捷精餾設(shè)計(jì)模塊在流程圖繪制頁(yè)面繪制精餾流程圖。對(duì)于初學(xué)者,利用專(zhuān)家提醒Next依次輸入進(jìn)料組分,選擇物性方法,進(jìn)料組成條件,實(shí)際回流比與最小回流比的比值,輕關(guān)鍵組分和重關(guān)鍵組分的塔頂收率,再沸器和冷凝器壓力,冷凝器的形式,然后運(yùn)行計(jì)算查看計(jì)算結(jié)果。
通過(guò)簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)計(jì)算,得到用于嚴(yán)格精餾計(jì)算的初始參數(shù):實(shí)際回流比、實(shí)際塔板數(shù)、進(jìn)料塔板位置、餾出比見(jiàn)表1。
表1 簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果
1.2 嚴(yán)格精餾計(jì)算
簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)僅作為嚴(yán)格精餾的初步計(jì)算使用,不能得到塔板的水力學(xué)數(shù)據(jù)以及冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷[5],產(chǎn)品純度也是粗略估算。故我們需要進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算,選擇columns模型庫(kù)中的RadFrac模塊,連接好進(jìn)料和出料物流,輸入簡(jiǎn)捷法得到的塔參數(shù),完成所有參數(shù)輸入后運(yùn)行模擬計(jì)算得到嚴(yán)格計(jì)算結(jié)果,如表2。
表2 嚴(yán)格精餾初步模擬計(jì)算結(jié)果
1.3 設(shè)計(jì)規(guī)定
利用Aspen plus中的設(shè)計(jì)規(guī)定功能,通過(guò)軟件自動(dòng)調(diào)整可調(diào)變量使目標(biāo)變量滿(mǎn)足要求。在塔設(shè)備模塊下新建設(shè)計(jì)規(guī)定和調(diào)整變量可調(diào)范圍,以規(guī)定塔頂甲醇產(chǎn)品摩爾純度達(dá)到0.999為例,回流比作為可調(diào)變量:1-3,步長(zhǎng)0.1;運(yùn)行計(jì)算結(jié)果如表3,其中設(shè)計(jì)規(guī)定回流比計(jì)算結(jié)果為:2.37(摩爾)。
表3 設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算結(jié)果
比較表3可知,計(jì)算結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的0.999,優(yōu)于未做設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算前的計(jì)算結(jié)果。
1.4 全塔靈敏度分析
靈敏度分析是檢驗(yàn)過(guò)程改變?nèi)绾螌?duì)關(guān)鍵操作變量和設(shè)計(jì)變量產(chǎn)生影響的工具,學(xué)生可以用靈敏度分析工具做簡(jiǎn)單的過(guò)程優(yōu)化。以對(duì)全塔理論塔板數(shù)靈敏度分析為例,保持其它參數(shù)不變,分析不同理論塔板數(shù)對(duì)甲醇分離效果的影響,結(jié)果如表4、表5。
表4 不同理論塔板數(shù)下的甲醇純度(mole)(1)
表5 不同理論塔板數(shù)下的甲醇純度(mole)(2)
由靈敏度分析結(jié)果可以找到最分離效果最好的理論塔板數(shù)為21塊。除此以外,學(xué)生還可對(duì)其它操作參數(shù)進(jìn)行分析以找到最佳參數(shù)。
在現(xiàn)代化工設(shè)計(jì)計(jì)算中,使用大型通用過(guò)程模擬軟件能夠極大地提高了化工設(shè)計(jì)的效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量,在讓學(xué)生更好地鞏固和提高對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和掌握的同時(shí),也讓學(xué)生能夠初步掌握化工設(shè)計(jì)軟件以適應(yīng)將來(lái)的工作。
[1] 孫蘭義. 化工流程模擬實(shí)訓(xùn)--Aspen Plus教程[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.
[2] 李 靜,王克良,李 志, 等. Aspen Plus軟件在《化工設(shè)計(jì)》中的教學(xué)應(yīng)用[J].山東化工, 2017,46:11.
[3] 馬江權(quán), 冷一新. 化工原理課程[M]. 2版. 北京: 中國(guó)石化出版社, 2011.
[4] 孫蘭義, 張?jiān)旅?李 軍, 等. Aspen Plus在化工原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣東化工, 2009(12):173-175.
[5] 熊杰明, 李江保. 化工流程模擬Aspen Plus教程[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015.
(本文文獻(xiàn)格式:王克良,李靜,李松,等.Aspen plus在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用-以精餾分離甲醇-水體系為例[J].山東化工,2017,46(16):163,165.)
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:1008-021X(2017)16-0163-01
2017-03-031
貴州省教育廳教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項(xiàng)目(GZSJG10977201604);貴州省教育廳教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項(xiàng)目(GZSJG10977201605);貴州省教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(2016B288);貴州省普通高等學(xué)校煤系固體廢棄物資源化技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(黔教合人才團(tuán)隊(duì)字[2014]46);貴州省教育廳特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目([2011]278);貴州省煤炭資源清潔高效利用科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(黔科平臺(tái)[2011]4003號(hào))
王克良(1984—),黑龍江齊齊哈爾人,碩士,講師,研究方向?yàn)榛髻|(zhì)與分離。