Aspen Plus在化工原理輔助實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高軍 馬小隆 張治山

Aspen Plus在化工原理輔助實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高軍 馬小隆 張治山

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.173

針對(duì)化工原理課程的特點(diǎn)，借助Aspen Plus軟件對(duì)化工單元操作進(jìn)行模擬計(jì)算。首先對(duì)Aspen Plus模擬軟件進(jìn)行介紹，然后應(yīng)用Aspen Plus軟件以傳熱和精餾為例進(jìn)行模擬，得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，使學(xué)生更加深刻地掌握化工原理單元操作知識(shí)及操作變量對(duì)整個(gè)單元操作過程的影響，并提高其搜集資料、應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行流程模擬、分析與思考解決實(shí)際生產(chǎn)問題及提高化工設(shè)計(jì)等能力，達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。

Aspen Plus；化工原理；模擬計(jì)算

1 引言

化工原理作為化工類及相關(guān)專業(yè)學(xué)生所接觸到的第一門具有工程特色的專業(yè)基礎(chǔ)課程，幾乎是化工類專業(yè)考研的必考課之一，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用，是學(xué)生建立工程概念接觸到的第一門化學(xué)工程啟蒙課，因此顯得尤為重要。化工原理具有計(jì)算量大而復(fù)雜、理論性強(qiáng)以及密切聯(lián)系工程實(shí)踐的特點(diǎn)，因此，僅僅通過讓學(xué)生完成課后作業(yè)和開展化工基本單元操作實(shí)驗(yàn)來教學(xué)，尚不能保證化工原理的實(shí)踐教學(xué)效果，仍需進(jìn)一步提高學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和理論來分析和解決化工生產(chǎn)過程中常見實(shí)際問題的能力。

近些年來，高校關(guān)于提高化工原理教學(xué)效率的研究越來越多，例如：韋曉燕［1］等人應(yīng)用Aspen Plus通過對(duì)課程設(shè)計(jì)、實(shí)際的案例分析以及單元模塊操作等階段的具體訓(xùn)練，加深了學(xué)生對(duì)化工單元設(shè)計(jì)的理解；薛科創(chuàng)［2］探討了Aspen Plus在化工設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，利用軟件計(jì)算速度快、計(jì)算結(jié)果精確的特點(diǎn)，大大提升了化工設(shè)計(jì)效率；盧澤湘［3］等人研究了Aspen Plus在分離工程教學(xué)中的應(yīng)用，使得課程教學(xué)能夠更貼近于工程實(shí)踐，并獲得較好的教學(xué)效果；張毅博［4］等人將Aspen Plus應(yīng)用于科研及化工教學(xué)中，有效實(shí)現(xiàn)了科研的發(fā)展和創(chuàng)新。

本文應(yīng)用Aspen Plus，以精餾、傳熱為例來進(jìn)行模擬分析，分析操作變量對(duì)整個(gè)單元操作過程的影響，同時(shí)對(duì)手算結(jié)果進(jìn)行及時(shí)校驗(yàn)，從而進(jìn)一步提高學(xué)生分析和解決化工過程實(shí)際問題的能力，達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。

2 Aspen Plus在傳熱中的應(yīng)用

換熱器是用來改變物流熱力學(xué)狀態(tài)的傳熱設(shè)備。Aspen Plus提供了多種不同的傳熱單元模塊，具體見表1。

換熱器Heater可以用于模擬計(jì)算單股或多股進(jìn)口物流，使其變成某一特定溫度、壓力或相態(tài)下的單股物流；也可以通過設(shè)定條件來求解已知組成物流的熱力學(xué)狀態(tài)。換熱器Heater可以進(jìn)行多種類型的計(jì)算和模擬，常見的有計(jì)算已知物流的泡點(diǎn)或露點(diǎn)、計(jì)算已知物流達(dá)到某一狀態(tài)所必需的熱負(fù)荷等。以Aspen Plus換熱器Heater模塊為例，模擬軟件在傳熱中的應(yīng)用。

【例】求壓力為0.3 MPa，流率為220 kg/h，含水50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、含乙醇50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的混合物的露點(diǎn)和泡點(diǎn)。物性方法選擇UNIQUAC。規(guī)定物流在換熱器HEATER入口為飽和液相，出口為飽和氣相。

建立如圖1所示流程圖，輸入水和乙醇組分，選擇UNIQUAC物性方法（見圖2），輸入進(jìn)料條件（見圖3），壓力為0.3 MPa，氣相分率為0（進(jìn)料為飽和液相），流率為220 kg/h，其組成為含水50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），含乙醇50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。閃蒸規(guī)定物性出口氣相分率為1（出口為飽和氣相），壓降為0。輸入完成進(jìn)行模擬。

在result中查看相應(yīng)的結(jié)果，得混合物在0.3 MPa壓力下的泡點(diǎn)為386.15 K，露點(diǎn)為397.02 K。若單元操作條件發(fā)生任何改變，只需在數(shù)據(jù)輸入中調(diào)整相關(guān)變量，重新模擬，相應(yīng)的結(jié)果即刻就可以得出，非常方便快捷，可以及時(shí)觀察變量改變對(duì)單元操作結(jié)果的影響。

圖1 冷凝器流程圖

表1 換熱器單元模塊介紹

表2 塔模塊介紹

圖2 物性方法選擇界面

圖3 冷凝器進(jìn)料條件輸入界面

3 Aspen Plus在精餾中的應(yīng)用

Aspen Plus提供了DSTWU、Distl、RadFrac、Extract等分離單元模塊，這些模塊可以模擬蒸餾、吸收、萃取等過程；可以采用嚴(yán)格算法，也可以采用簡(jiǎn)捷算法；可以模擬普通精餾，也可以模擬特殊精餾，如萃取精餾、共沸精餾、反應(yīng)精餾等，各個(gè)塔模塊的介紹見表2。

DSTWU是多組分精餾的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)模塊，針對(duì)相對(duì)揮發(fā)度近似恒定的物系開發(fā)，用于計(jì)算僅有一股進(jìn)料和兩股產(chǎn)品的簡(jiǎn)單精餾塔。以Aspen Plus分離單元DSTWU模塊為例，模擬軟件在精餾中的應(yīng)用。

【例】甲醇—水精餾塔的設(shè)計(jì)，進(jìn)料量為水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，溫度45 ℃，進(jìn)料壓力為110 kPa，塔頂為全凝器，回流比為最小回流比的1.3倍，塔的操作壓力為100 kPa，要求塔頂甲醇的回收率為98.38%，塔頂水的回收率為5.16%。冷凝器壓力為6 kPa，再沸器的壓力為14 kPa，采用NRTL-RK物性方法。求實(shí)際回流比、理論板數(shù)、進(jìn)料位置以及塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料的摩爾流率比。

圖4 冷凝器模擬結(jié)果界面

圖5 甲醇—水精餾塔工藝流程圖

圖6 物性方法選擇界面

圖7 精餾塔進(jìn)料條件輸入界面

建立如圖5所示流程圖，輸入組分甲醇和水，選用NRTL-RK物性方法（見圖6），輸入進(jìn)料條件（見圖7），水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，溫度45 ℃，進(jìn)料壓力為110 kPa，總流率為135 kmol/h。然后進(jìn)行輕重關(guān)鍵組分及壓力選項(xiàng)的輸入，輸入完成進(jìn)行模擬。看相應(yīng)的結(jié)果（圖8），得到最小回流比為0.58，實(shí)際回流比為0.76，最小理論板數(shù)為5，實(shí)際理論板數(shù)為11，進(jìn)料位置為第6塊板，塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料摩爾流率比為0.3623。

同理，若改變操作參數(shù)，只需重新運(yùn)行模擬，新結(jié)果即可得出。而且可參照實(shí)際理論板數(shù)對(duì)回流比的靈敏度分析曲線來幫助學(xué)生選擇合適的回流比和理論板數(shù)，及時(shí)觀察變量變化對(duì)單元操作結(jié)果的影響。

4 結(jié)語

圖8 精餾塔模擬結(jié)果界面

Aspen Plus軟件的模擬能夠?qū)⒒ぴ韽?fù)雜的計(jì)算過程用軟件來實(shí)現(xiàn)，并能對(duì)具體化工生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬指導(dǎo)。Aspen Plus軟件模擬出的工藝參數(shù)準(zhǔn)確，由所得數(shù)據(jù)繪制的圖表更加直觀，且大大減少了人工計(jì)算的工作量，通過改變操作變量和靈敏度分析等手段，能使學(xué)生及時(shí)觀察操作變量對(duì)單元操作過程的影響。將Aspen Plus模擬軟件應(yīng)用到化工原理的實(shí)踐教學(xué)中，能夠有效將理論聯(lián)系到實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理的興趣，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，提高教學(xué)效率，為教學(xué)改革開辟新的路徑。■

［1］韋曉燕，譚軍，胡萬鵬，等.Aspen Plus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探索［J］.化工時(shí)刊，2012（6）:69-70.

［2］薛科創(chuàng).Aspen Plus 7.3在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.安徽化工，2014（3）:44-45，47.

［3］盧澤湘，范立維，廖益強(qiáng).Aspen Plus在《分離工程》教學(xué)中的應(yīng)用［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2010（5）:106-108.

［4］張毅博，劉楊.ASPEN PLUS在化工教學(xué)及科研中的應(yīng)用［J］.技術(shù)與教育，2015（1）:7-9，37.

G642.44

B

1671-489X（2015）24-0173-03

作者：徐冬梅，博士，山東科技大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榛し蛛x工程、過程模擬與優(yōu)化；王宏、李敏、高軍、馬小隆、張治山，山東科技大學(xué)（266590）。