計(jì)算機(jī)模擬教學(xué)方法在“化工原理”課程中的應(yīng)用
——以流體輸送為例

李 靜 ，王克良 ，李 琳 ，連明磊 ，李 志 ，葉 昆

（1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州六盤水 553004；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘062552）

“化工原理”是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力至關(guān)重要?！盎ぴ怼闭n程內(nèi)容涵蓋了動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，這門課程為化工專業(yè)學(xué)生以后的工業(yè)實(shí)踐打下一定的基礎(chǔ)[1-3]。隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬已廣泛應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐中。目前化工行業(yè)應(yīng)用比較多的流程模擬軟件還是Aspen Plus、ChemCAD、PRO/II和 HYSYS[4-8]。采用計(jì)算機(jī)模擬輔助教學(xué)，可以簡化計(jì)算，提高效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

化工過程中涉及到的物料大部分是流體，且大部分處于流動狀態(tài)，可以說流體流動是“化工原理”這門課程的基礎(chǔ)。為了培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，本文以“化工原理”課程中流體輸送為例，探討了計(jì)算機(jī)模擬在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐。

1 工程案例

基于計(jì)算機(jī)模擬，采用工程案例教學(xué)已在國內(nèi)很多工科院校開展[9]。通過工程案例教學(xué)，可以提高化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。本文選取了流體輸送的某工程案例：

某化工廠將體積流率為100 m3/h，溫度為35℃，壓力為350 kPa的水通過φ89×4 mm的管線（管內(nèi)壁粗糙度為0.06 mm）送至終點(diǎn)。管線由起點(diǎn)先向東敷設(shè)15 m，再向北敷設(shè)10 m，然后高程升高3 m后，再向西敷設(shè)20 m后到達(dá)終點(diǎn)，計(jì)算整個(gè)過程的壓力損失。

本案例采用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬，設(shè)備選擇pressure changer里面的PIPELINE，即管線系統(tǒng)，工藝流程圖如圖1所示。管線系統(tǒng)Pipeline用來模擬多段不同直徑或傾斜度的管段串聯(lián)組成的管線。在計(jì)算壓降和液體滯留時(shí)間時(shí)，將多液相（如油相和水相）作為單一均勻的液相來處理。如果存在氣-液流動，管線系統(tǒng)Pipeline可計(jì)算液體滯留和流動狀態(tài)。管線系統(tǒng)Pipeline假定流體的流動是一維、穩(wěn)態(tài)且均勻的。即模擬時(shí)不考慮入口的影響，流動方向可以是水平的，也可以是有角度的，可以規(guī)定流體溫度分布或通過熱傳遞計(jì)算其溫度分布[10-11]。

圖1 PIPELINE模塊工藝流程圖

2 模擬過程與教學(xué)研究探討

基于Aspen Plus軟件，對流體流動過程進(jìn)行模擬計(jì)算。組分添加較簡單，只有單一的水組分，物性方法采用STEAM-TA方程，選擇流率基準(zhǔn)（Flow basis）為 Std Vol。設(shè)置進(jìn)料條件：輸入進(jìn)料（FEED）溫度35℃，壓力350 kPa以及體積流率100 m3/h。

接著進(jìn)入設(shè)備設(shè)置界面。輸入PIPELINE模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算方向（Calculation direction）選擇計(jì)算出口壓力（Calculate outlet pressure），管段幾何結(jié)構(gòu)（Segment geometry）選擇輸入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（Enter nodecoordinates），熱選項(xiàng)（Thermal options）這里我們假設(shè)管線系統(tǒng)不與外界換熱，故選擇恒溫（Specify temperature profile/Constant temperature）。物性計(jì)算（Property calculations）選擇每一步做閃蒸計(jì)算（Do flash at each step），流動基準(zhǔn)（Pipeline flow basis）選擇使用入口物流（Use inlet stream flow），如圖2所示。

管線系統(tǒng)設(shè)備計(jì)算選擇有效相態(tài)Valid phase為Liquid-Only，如圖3所示。

圖2 PIPELINE模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 PIPELINE模塊有效相態(tài)

點(diǎn)擊N，進(jìn)入Blocks/PIPELINE/Setup/Connectivity頁面，設(shè)置PIPELINE模塊各管段間連接參數(shù)。由于本案例中管線拐向復(fù)雜且多樣，因此為了便于學(xué)生理解，在此我們繪制了一個(gè)方向和坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的示意圖，見圖4。

圖4管線走向示意圖

圖4 中，X軸正軸方向代表東方，Y軸正軸方向代表北方，Z軸代表高程變化。圖4中總計(jì)4個(gè)管段，包括起點(diǎn)和終點(diǎn)在內(nèi)總計(jì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們將起點(diǎn)設(shè)置在坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0）處，計(jì)為節(jié)點(diǎn) 1；管線由起點(diǎn)先向東敷設(shè) 15 m，即到達(dá)節(jié)點(diǎn) 2，坐標(biāo)為（15，0，0）；再向北敷設(shè) 10 m，即到達(dá)節(jié)點(diǎn) 3，坐標(biāo)為（15，10，0）；然后高程升高 3m 后即到達(dá)節(jié)點(diǎn) 4，坐標(biāo)為（15，10，3）；再向西敷設(shè) 20 m 后到達(dá)終點(diǎn) 5，坐標(biāo)為（-5，10，3）。

按照這個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)定義PIPELINE中的管段和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，管段1需要設(shè)置節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的坐標(biāo)，以及輸入管段1的管內(nèi)徑81 mm和管內(nèi)壁粗糙度0.06 mm，設(shè)置方法見表1。其他管段和節(jié)點(diǎn)的定義也是采用同樣的方法。

表1 PIPELINE模塊管段1參數(shù)設(shè)置

管線連接定義完成后，即可運(yùn)行模擬，查看控制面板，沒有錯誤和警告，即最終計(jì)算完成，查看結(jié)果，如表2所示。由于前面假設(shè)管線不與外界換熱，因此管線出口溫度還是35℃，最終管線出口壓力為157.81 kPa。整個(gè)過程中，物料衡算、熱量衡算均守恒。整個(gè)流體輸送過程壓力損失總計(jì)為350-157.81=192.19 kPa，也說明了流體在長距離輸送過程中，由于阻力損失和高差變化，需要不斷地采用輸送機(jī)械，如離心泵等對其增壓。

表2 PIPELINE模塊計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

經(jīng)過本案例的計(jì)算機(jī)模擬，學(xué)生對于柏努利方程、機(jī)械能衡算以及阻力損失計(jì)算有了更加清晰的認(rèn)識，真正的工業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比課本上的例題要復(fù)雜，就本案例來說，管線輸送流體，管線走向不只一個(gè)方向，甚至不只一個(gè)高程，甚至有的案例還不只一個(gè)管徑。如果簡單套課本上公式的話，計(jì)算量是非常大的。將計(jì)算機(jī)模擬教學(xué)方法引入“化工原理”課程中應(yīng)用，一方面，簡化了計(jì)算過程，提高了計(jì)算準(zhǔn)確性；另一方面，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。通過此案例的訓(xùn)練，學(xué)生可以初步解決一些簡單的工程問題。