Aspen Plus軟件在化工原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

1 概述

化工原理最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是工程應(yīng)用性很強(qiáng)[1]，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)(以下簡(jiǎn)稱化工專業(yè))的一門最主要的工程基礎(chǔ)課，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著承前啟后的作用，是工程化學(xué)習(xí)和應(yīng)用的基礎(chǔ)[2]。但在化工原理學(xué)習(xí)的過(guò)程中，很多學(xué)生不能很好的理解、掌握課程的核心內(nèi)容，不能很好地把所學(xué)知識(shí)相關(guān)聯(lián)，造成學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。Aspen Plus是化工類工程模擬軟件，具有模擬簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、計(jì)算精度高等特點(diǎn)[3]。充分利用現(xiàn)代教育手段，以學(xué)生為中心，指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)探索活動(dòng)[4-5]。不僅是為了鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和操作能力，更是要積極引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，開(kāi)拓學(xué)生的眼界，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 實(shí)例分析

分離乙苯-苯乙烯混合物，對(duì)于混合物的分離，可以采用連續(xù)精餾塔。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)，塔頂上升蒸汽采用全凝氣冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔頂，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。

(1) 生產(chǎn)能力：年處理乙苯-苯乙烯混合物11.0萬(wàn)t(開(kāi)工率330天/年，F(xiàn)=131.8 kmol/h)；

(2) 原料：乙苯的含量60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；

(3) 分離要求：塔頂流出液中乙苯含量不低于0.95，塔底釜液中含量不高于0.25，泡點(diǎn)進(jìn)料。

3 解決問(wèn)題的方法

3.1 逐板計(jì)算法計(jì)算理論塔板

原料液流率為F，塔頂產(chǎn)品流率為D，塔底產(chǎn)品流率為W，塔頂流出液中乙苯含量不低于0.95，塔底釜液中含量不高于0.25，對(duì)精餾塔做全塔物料衡算。有：FXf=DXd+WXw

F=D+W物料衡算，求得

表2 安托因方程中相關(guān)參數(shù)[6]

注：乙苯 苯乙烯的飽和蒸汽壓可用Antoine方程計(jì)算。

可得提餾段操作線方程為：y=1.2x-0.05

第一塊塔板的上升的蒸汽組成為y1=xD=0.95

通過(guò)逐板計(jì)算法可得：x14=0.60≤xF=0.60所以第14塊板為進(jìn)料板；x22=0.228

3.2 Aspen Plus軟件模擬

圖1 乙苯-苯乙烯模擬流程圖

圖2 乙苯-苯乙烯模擬條件及結(jié)果

通過(guò)設(shè)計(jì)內(nèi)容以及逐板計(jì)算法所得參數(shù)，對(duì)精餾體系進(jìn)行模擬研究，流程見(jiàn)圖1。模擬結(jié)果表明(圖2)，模擬的實(shí)際塔板數(shù)為34塊，其中精餾段為12塊塔板，提餾段為21塊塔板，其中第13塊塔板為進(jìn)料板。

4 結(jié)果探討

逐板計(jì)算法在衡算范圍內(nèi)，輪換使用操作線方程和相平衡方程，對(duì)溶質(zhì)作物料衡算，在計(jì)算過(guò)程中，逐板計(jì)算法是較為繁瑣的，但是方法較為直觀，使人一目了然。使用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬只需各物料參數(shù)以及溫度和壓力，所以其計(jì)算是最為簡(jiǎn)便的，所得數(shù)據(jù)是最快。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，兩種方法在精餾段差異較小，進(jìn)料位置也較為接近，但在提餾段計(jì)算差別較大，也造成了理論塔板數(shù)相差較大的現(xiàn)象。通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)果，學(xué)生可以討論誤差較大的原因。(1)安托因公式為經(jīng)驗(yàn)公式，造成計(jì)算結(jié)果有一定的偏差；(2)逐板計(jì)算法的前提是恒摩爾流假設(shè)，而實(shí)際操作不可能實(shí)現(xiàn)，這也是造成結(jié)果誤差的原因；(3)設(shè)計(jì)中選擇的回流比與模擬軟件中選擇的回流比不一致，對(duì)結(jié)果造成較大的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

將Aspen軟件引入到化工原理蒸餾中典型的設(shè)計(jì)型問(wèn)題中，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、邏輯思維，加深學(xué)生對(duì)基本概念、基本理論的理解；通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)果的差異，學(xué)生可以分析誤差造成的原因，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生分析及解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。