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，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]。

1 Aspen模擬精餾計(jì)算——以分離甲醇-水體系為例

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)。

2 結(jié)論

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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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。