《化工原理》課程創(chuàng)新思路探索

李英利，吳東恩

(常州工程職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 常州 213164)

Aspen Plus是一個生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學院(MIT)組織的會戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為Aspen Plus。該軟件經(jīng)過多年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬計。全球各大化工、石化、煉油等過程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是Aspen Plus的用戶。

化工原理課程是化學工業(yè)技術(shù)和化學工程科學發(fā)展的必然產(chǎn)物。十九世紀九十年代國外高等學校相繼設(shè)置化學工程系,開出的課程大都是針對不同化工行業(yè)編寫各自的生產(chǎn)工藝學,直到二十世紀初才明確認識到各行各業(yè)通用的物理操作的共性,并于1923年美國一名教授出版了第一部《化工原理》。本課程實踐性很強，是一門關(guān)于化學加工過程的技術(shù)基礎(chǔ)課，它為過程工業(yè)(包括化工、輕工、醫(yī)藥、食品、環(huán)境、材料、冶金等工業(yè)部門)提供科學基礎(chǔ)，對化工及相近學科的發(fā)展起支撐作用?；ぴ碚n程以單元操作為內(nèi)容，以傳遞過程原理和研究方法論為主線，研究各個物理加工過程的基本規(guī)律，典型設(shè)備的設(shè)計方法，過程的操作和調(diào)節(jié)原理。

為了學好化工原理，建議對aspen軟件加以合理的創(chuàng)新利用，對教學效果會大有裨益。下面以化工原理精餾部分的理論塔板數(shù)的兩種計算方法為例加以說明。

1 用逐板計算法求苯—甲苯分離所需理論塔板數(shù)

理論板數(shù)的計算是確定精餾塔實際塔板數(shù)及塔高的重要數(shù)據(jù)。逐板計算法計算理論板數(shù)的最基本的方法。其依據(jù)是氣液平衡關(guān)系式和操作線方程。

先看一個例子，已知苯-甲苯混合液，含苯50%(摩爾百分比，下同)，用精餾塔分離。要求塔頂產(chǎn)品易揮發(fā)組分組成xD=0.95,塔底產(chǎn)品易揮發(fā)組分組成xW=0.05,選用回流比R=2.0,泡點進料，α=2.45,現(xiàn)用逐板計算法求理論塔板數(shù)NT。

解：(1)_列出有關(guān)計算公式：

(a)寫出氣液平衡關(guān)系式

(c)提餾段操作線方程

令f=F/D=200/100=2，f定義為單位餾出液所需要的進料量

(2)用逐板法計算理論塔板數(shù):

(a) 精餾段:第一塊板：因y1=xD=0.95，x1=y1/(2.45-1.45y1)=0.95/(2.45-1.45×0.95) =0.886

第二塊板：y2=0.667x1+0.317=0.908

按照此法，逐板求得精餾段各塔板的y和x列表如表1：

表1 精餾段逐板求得精餾段各塔板的y和x

(b)提餾段:于xF=0.50，而x5=0.506，故第五塊板以后改用提餾段操作線方程計算。

第6塊板：y6=1.33x5-0.017=1.33×0.506-0.017=0.685，x6=y6/(2.45-1.45y6)=0.658/(2.45-1.45×0.658)=0.440

如此逐板求得提餾段各塔板的y和x列表如表2。

表2 提餾段逐板求得精餾段各塔板的y和x

x11=0.044

2 用Aspen軟件精餾塔簡捷設(shè)計法計算苯—甲苯分離所需理論塔板數(shù)

例子，設(shè)計一個常壓連續(xù)精餾塔，實現(xiàn)苯和甲苯混合液的分離，已知原料液中含有苯0.50(摩爾分數(shù)，下同)，要求塔頂餾出液中含苯不小于0.95，塔底釜液中含苯不大于0.05。操作回流比為2，泡點進料，進料流量200 kmol/hr，進料中。α=2.45,試用aspen軟件法求理論塔板數(shù)NT。

該類型屬于精餾設(shè)計型計算的命題，主要涉及操作壓力、回流比、所需理論板數(shù)和進料位置等參數(shù)確定。精餾過程操作壓力有常壓、加壓和減壓三種情況。這里采用常壓精餾。

在Aspen Plus中建立流程模擬，選擇塔Columns模塊中的 DSTWU簡捷模塊進行計算，并連接好物流，DSTWU是多組分精餾的簡捷設(shè)計模塊，DSTWU模塊用Winn-Underwood-Gilliland方法進行精餾塔的簡捷設(shè)計計算。針對相對揮發(fā)度近似恒定的物系開發(fā)，用于計算僅有一股進料和兩股產(chǎn)品的簡單精餾塔。通過Winn方程(之后Fenske對Winn方程進行了完善)計算最小理論板數(shù)，使用Underwood方程計算最小回流比，根據(jù)Gilliland關(guān)聯(lián)圖來確定操作回流比下的理論板數(shù)或一定理論板數(shù)下所需要的回流比，及進料位置。DSTWU模塊計算精度不高，常用于初步設(shè)計，當存在共沸物時，計算結(jié)果可能會出現(xiàn)錯誤，DSTWU模塊的計算結(jié)果可以為嚴格精餾計算提供合適的初值。然后，利用Aspen Plus中特有的“NEXT”引導式輸入功能，依次輸入待分離的組分、選擇熱力學方法、進料流股信息、模塊即DSTWU 信息。DSTWU 信息包括回流比(設(shè)置為2)、塔頂和塔釜壓力(均為常壓)、輕關(guān)鍵組分和重關(guān)鍵組分的塔頂回收率(分別為苯0.95、甲苯0.05)、塔頂冷凝器為全凝器。通過上述設(shè)置，可以模擬出該分離要求下的最小回流比和最小理論板數(shù)。具體步驟如下：

2.1 連接流股

苯和甲苯分離流程圖見圖1。

圖1 苯和甲苯分離流程圖

圖2 設(shè)定全局特性

2.2 設(shè)定全局特性

DSTWU模塊有四組模塊設(shè)定參數(shù)：塔設(shè)定(Column specifications)?關(guān)鍵組分回收率(Key component recoveries)?壓力(Pressure )④ 冷凝器設(shè)定(Condenser specifications)?？梢渣c擊simulation,進入setup|specifications|global頁面進行設(shè)置。見圖2。

2.3 輸入化學組分信息

對ASPEN Plus V10先點擊Properties，進入Components|Selection頁面,輸入組分Benzene(苯)，Toluene(甲苯)，見圖3。

圖3 輸入化學組分信息

圖4 選擇計算方法和模型

2.4 選擇計算方法和模型

物性方法是IDEAL，因為苯與甲苯性質(zhì)相似。根據(jù)不同的物系，選擇不同的物性計算方法。對于理想物系，可以選擇Ideal方法，非理想物系可選擇典型的Wiston或 Uniquac等方法。電解質(zhì)溶液也有其相應(yīng)的計算方法，在這里苯和甲苯體系可近似看成理想系 我們選擇Ideal方法，其他設(shè)置由系統(tǒng)默認確定。確定物性的計算方法和模型，在窗口左側(cè)的目錄樹結(jié)構(gòu)中選擇properties文件夾進行物性設(shè)置，點擊其下的 specification 出現(xiàn)圖 4所示窗口。

2.5 輸入外部流股信息

定義流程中每股進料條件，在simulation文件夾中，在窗口左側(cè)的目錄樹結(jié)構(gòu)中選擇streams文件夾，將可看到我們先前在流程圖中定義的三股物料 D，F(xiàn)EED，L 。其中FEED流股為已知，流股D、 L 流股為待定流股。故我們僅定義FEED流股的狀態(tài)參數(shù)。選擇FEED文件夾中的Input后出現(xiàn)如圖5所示窗口，輸入苯摩爾分數(shù)0.50，甲苯摩爾分數(shù)0.50，進料流量200kmol/hr，溫度為泡點進料90攝氏度。

圖5 輸入外部流股信息

圖6 輸入單元模塊參數(shù)

2.6 輸入單元模塊參數(shù)

確定流程中每個單元操作設(shè)備的模擬模型和設(shè)計操作條件。在此流程中只有column這一個Dstwu模型。下面定義這個模型。在窗口左側(cè)的目錄樹結(jié)構(gòu)中選擇Blocks文件夾，將可看到我們先前在流程圖中定義的column模型，選擇column文件夾中的Input后，出現(xiàn)如圖6所示窗口。此模型既可以定義塔板數(shù)進行操作型計算，又可以定義回流比進行設(shè)計型計算。由于我們進行的是設(shè)計型計算，在這里定義回流比。定義回流比時有兩種定義方法：定義回流比的實際值或定義回流比與最小回流比的比值，前者直接輸入數(shù)值即可，后者輸入負號后再入數(shù)值。在這里我們?nèi)』亓鞅葹?。接下來定義輕、重關(guān)鍵組分的回收率，來確定分離要求。注意：塔頂易揮發(fā)組分的回收率為D·xD/F·xF=100×0.95/200×0.5=0.95,塔頂難揮發(fā)組分的回收率為D·(1-xD)/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05,塔釜難揮發(fā)組分的回收率為W·(1-xW)/F·(1-xF)=100×0.95/200×0.5=0.95，塔釜易揮發(fā)組分的回收率為W·xW/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05。需要注意的是：在這個模塊里，輕、重關(guān)鍵組分的回收率都是指在塔頂?shù)幕厥章?。?jīng)過計算可得輕關(guān)鍵組分的回收率為D·xD/F·xF=100×0.95/200×0.5=0.95，重關(guān)鍵組分的回收率為塔頂難揮發(fā)組分的回收率為D·(1-xD)/F·xF=100×0.05/200×0.5=0.05。接下來輸入再沸器和冷凝器的壓力。在一般的精餾設(shè)計中，再沸器和冷凝器的壓力比較接近大氣壓力，且再沸器壓力高于冷凝器壓力。這里我們分別取為110kPa和105kPa，冷凝器使用全凝器。其余設(shè)置由系統(tǒng)默認確定，窗口如圖6所示。

2.7 運行模擬

到此，數(shù)據(jù)輸入完畢，可以進行模擬，點擊工具欄中的藍色 N->圖標，出現(xiàn)新對話框，如圖畫面，點擊OK即可進行模擬。如圖7所示。

圖7 運行模擬

圖8 查看結(jié)果

2.8 查看結(jié)果

點擊左側(cè)的Streams文件夾或 Blocks文件夾即可查看物流或模塊模型的計算結(jié)果，點擊 Blocks文件夾，點擊子文件夾Column中的Results可看到塔的設(shè)計參數(shù)包括最小回流比、實際回流比、最小理論板數(shù)、實際理論板數(shù)、冷凝器和再沸器的熱負荷等。如圖8所示，其計算出的數(shù)據(jù)包括最小回流比：1.12，實際回流比：2，最小理論板數(shù)：7；理論板數(shù)：11，加料板位置：7?？梢姾颓懊娴闹鸢逵嬎惴ńY(jié)果一致。

3 總結(jié)

本文探討了化工模擬軟件Aspen Plus在化工原理精餾理論塔板數(shù)的計算過程中的應(yīng)用，并和逐板計算法作了對比。事實證明，Aspen Plus容易上手，能有效地提高計算的效率與精度，使課堂教學更接近工程實際，大大提高了學生的工程觀念和學習興趣，同時能拓寬教師的教學理念，拓展了和其他專業(yè)課程的相關(guān)性，本文就苯和甲苯的分離實例為依據(jù)作了一定程度的教學創(chuàng)新方法的探索。