基于AspenPlus在化工工藝學教學中的應用*

唐新宜

(廣東藥科大學醫藥化工學院，廣東省化妝品工程技術研究中心，廣東　中山　528458)

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基于AspenPlus在化工工藝學教學中的應用*

唐新宜

(廣東藥科大學醫藥化工學院，廣東省化妝品工程技術研究中心，廣東中山528458)

化工工藝學是一門理論與生產相結合的課程。本文討論了化工流程模擬軟件Aspen與化工工藝學教學的關系，將AspenPlus流程模擬軟件逐步引入到化工工藝學實踐教學中，加深了學生對化工生產工藝的理解，并提高了學生利用工具解決實際問題的能力。引入AspenPlus軟件作為化工工藝學教學輔助工具，能使教學更接近實際生產過程，拓寬了學生的視野。

化工工藝；AspenPlus；教學實踐

化工工藝學是高校化學工程與工藝專業的重要專業必修課，該課程以典型化工產品生產工藝為主要內容，具有較強的工程應用和理論的背景。課程要求學生從原理、工藝流程、操作參數、典型設備等方面掌握產品生產的各個重要環節，并把理論結合到工業生產中。此外，課程還要求學生掌握操作單元，反應工程，熱力學和儀表及自動化等相關課程知識，并且綜合運用已學的知識，因此化工工藝學屬于同時具有理論性與實踐性的課程。近年，計算機仿真技術廣泛應用于各類專業課的教學中，如張衛等[1]將MathCAD軟件應用于“無機與分析化學”課程教學中。利用MathCAD軟件強大的計算與繪圖功能，使學生更直觀地理解抽象的概念及原理，有效地提高課堂的教學效果。丁雪等[2]對化工熱力學課程教學進行改革，將AspenPlus應用于教學中，效果較為明顯。徐舒等[3]以海水淡化蒸發器的應用為例，把Fluent軟件應用到課程的教學中，提高了課程的實用性和學生的學習積極性和主動性，同時拓寬了學生視野。

計算機仿真技術，如AspenPlus，Fluent等模擬軟件的應用有效地提高了實踐課程的趣味性，生動地展示了復雜且枯燥的課程內容，逐漸成為了高校課程教學改革的重要趨勢[4-6]。本文將結合“化工工藝學”課程的特點和學生學習本課程的實際情況，闡述如何把Aspen軟件引入到“化工工藝學”課程的教學實踐中。下文分別以換熱器單元、分離單元、反應器單元以及工藝流程模擬為例介紹其應用。

1　Aspen軟件與化工工藝學

AspenPlus是一款功能強大的集化工設計、核算和優化于一體的大型通用流程模擬軟件，廣泛用于設計院和大型化工企業，是由物性數據庫，單元操作模塊和工具模塊等主體部分構成，具有對工藝過程進行嚴格的物料質量和能量平衡計算、預測物流的流率組成及性質、預測操作參數和設備尺寸、工藝優化等功能。該軟件的理論基礎是以“三傳一反”和化工熱力學為核心的化工基本理論為依據。化工工藝學課程是從化工產品生產流程角度出發，闡明生產的化學反應原理和相關設備工作原理和特點，介紹典型產品的生產工藝如石油一次加工，催化裂化，催化重整，合成氣和硫酸等化工過程及產品的生產方法與原理、流程與關鍵設備、操作條件分析與節能降耗的措施。在化工工藝的實踐教學中充分應用AspenPlus軟件輔助教學，不僅具有形象生動、緊密聯系工業生產的特點，而且還能有效提高學生學習的積極性和主動性。將化工工藝學課程同AspenPlus軟件相結合，旨在強化學生工程應用的能力。為化工相關專業的學生在正式步入工作崗位之前打下堅實的計算和理論基礎，因此有必要對相關的實際工業生產作充分的介紹。

2　Aspen軟件在化工工藝學實踐教學中的應用

換熱器單元、分離單元、反應器單元是化工生產工藝流程中比較重要且常見的操作單元，而化工工藝過程模擬的實質是對整個流程建立物料平衡，能量平衡，相平衡等方程，通過對上述方程進行求解，最后得到各物流組分性質數據的過程。因此，學生學習完該課程后，完全有能力在軟件上進行簡單的操作，對所學的工藝進行核算和優化。以下以化工工藝過程中常見的換熱器單元、分離單元、反應器單元和典型工藝流程模擬為例作介紹。

2.1換熱器單元模擬

換熱器是一種能夠實現兩種物料進行熱量交換的設備，也是化工生產過程的通用設備。通常，在化工廠的建設中，換熱器約占總投資的11%～40%[7]。換熱器模型類型較多，在這里介紹常用的簡單換熱器模型，可通過設定條件來求解物料的出口溫度或換熱器的換熱面積，熱負荷等參數。圖1為Aspen中簡單換熱器流程一般連接圖。

圖1　簡單換熱器一般流程連接圖

換熱器單元模塊在Aspen軟件中需輸入的工藝參數及物性參數，可在換熱器的工藝參數Specification界面(圖2)中進行操作，主要有計算類型、流動方式和換熱器參數如溫差，壓降等幾個方面的設定。

圖2　換熱器模塊HeatX的Specification界面

在設定流動方式時，可對兩股流體流動方式如逆流，順流進行選擇。在換熱器設計的原則中，流體同時走管程和殼程[7]。換熱器的計算類型可分為核算型和設計型。學生在初學時對類型的選擇分不清楚，比較模糊。同時學生在設定參數時，對各種參數的定義也存在錯誤的認識，尤其所有操作界面均為英文，學生對專業英文的詞匯比較缺乏。因此需要強化學生在操作單元方面和專業英文方面的認識。參數輸入完畢方可進行運算。計算完成后可在Result查看換熱器的計算結果，主要結果包括有冷/熱物料出口溫度、冷/熱物料出口壓力、換熱器熱負荷等參數。

換熱器幾乎應用到所有的化工產品工藝中，如物料的預熱，冷卻，工藝過程的余熱回收等。把Aspen軟件中的換熱器模塊引入課程中，可讓學生對工藝流程中換熱器進行核算和模擬，使學生增加對換熱器計算的認識和提高基本理論的水平。

2.2分離單元模擬

在石油的一次和二次加工工藝中，分餾塔是重要的分離設備。在傳統的理論課堂中難以通過課件或口述的形式將分離過程的工藝設計和設備計算講解透徹，因而將精餾塔模塊引入工藝學的課堂中是有必要的。Aspen中精餾塔的簡捷設計模塊DSTWU的連接圖如圖3所示。DSTWU模塊是多組分精餾的簡捷設計模塊，采用Winn-Underwood-Gilliland方法進行精餾塔的簡捷設計計算。該模塊的作用是在未知回流比，理論塔板數的情況下，為達到給定的分離要求對精餾塔進行初步的計算設計。DSTWU模塊計算精度不高，不能作為流程計算的最終結果，只能作為逐板計算法的參考值或估算值。工藝參數輸入界面如圖4所示，塔工藝參數設定，包括塔板數和回流比；冷凝器和再沸器的壓力；關鍵組分的設定和冷凝器類型的設定，共四組工藝參數的設定。

圖3　DSTWU模型的連接示意圖

圖4　DSTWU模塊參數設定界面

通過DSTWU模塊的學習可以加深學生對精餾塔計算的理解，提高軟件操作的能力。

2.3反應單元模擬

反應器是化工工藝中重要且必不可少的設備。在各種化工生產中，化學反應的不同特性，反應器的類型和操作方式都會對工藝的設計或計算結果有較大的影響，AspenPlus根據不同的反應器形式，提供了七種不同的反應器模塊，包括熱力學和動力學的反應器(圖5)。

圖5　Aspen Plus中反應器模塊示意圖

2.4工藝流程模擬

環丁砜萃取分離芳烴工藝在化工工藝學課程中是重要的內容，如圖6所示。其作用是利用芳烴和非芳烴在溶劑中的溶解度不同的原理進行分離[8]。在整個工藝流程中涉及的設備較少，有利于使用Aspen軟件輔助教學。由于學習工藝學的學生都是第一次接觸Aspen軟件，因此模擬案例涉及的設備盡量簡單易懂。指導學生模擬流程時，先讓學生學習使用簡單的設計規定，計算時一般采用系統默認設置。當學生逐步深入掌握各類模塊，可以使用一些工具模塊如優化器，反饋控制器和靈敏度分析法等做一些簡單的優化或設計，進一步加深對軟件的掌握和工藝學課程的理解。

圖6　環丁砜萃取分離芳烴流程圖

3　結　語

通過將AspenPlus軟件引入化工工藝學課堂，使得化工工藝學課堂的實用性和趣味性得到提高，使得典型的化工工藝流程以及化工工藝單元在AspenPlus軟件中得到體現，并且還將實際案例應用于模擬設計中，使課程緊密貼近實際化工過程。通過學生自己的動手操作，以及設計完成后的數據處理，可以使得學生對實際的化工工藝流程有一定的了解，開闊了學生的視野，提高了學生的學習積極性，也為畢業后學生踏入工作崗位打下堅實的基礎。

[1]張衛,馬荔,陳虹錦等.MathCAD軟件在“無機與分析化學”課程教學中的應用[J].化學教育,2015,4: 59-63.

[2]丁雪,劉熠斌,宋春敏等.AspenPlus在化工熱力學教學中的應用[J].廣州化工,2014,42(18): 225-226.

[3]徐舒,金如聰.Fluent軟件在計算流體力學課程教學中的應用[J].課程教育研究,2013,12:61.

[4]王彩紅,林雄超,董敏等.AspenPlus在化工實驗教學和科研中的應用[J].化工時刊, 2019,23(6): 73-75.

[5]胡大喬,宋林勇. “分離工程”課程教學改革的探索與實踐[J].池州學院學報,2013,27(6): 138-140.

[6]曹俊雅,王光耀,朱凱等.AspenPlus在化工設計中的應用實踐與探索[J].新課程研究(中旬刊),2012,08: 93-94.

[7]孫蘭義. 化工流程模擬實訓:AspenPlus教程[M]. 北京: 化學工業出版社, 2012.

[8]吳指南. 基本有機化工工藝學[M]. 北京: 化學工業出版社,2012.

Application of Aspen Plus in the Practical Teaching of Chemical Technology*

TANG Xin-yi

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangdong Pharmaceutical University, Guangdong Cosmetics Engineering & Technology Research Center，Guangdong Zhongshan 528458, China)

ChemicalTechnologyisaratherpracticalcourse.TherelationshipbetweenAspenPlussoftwareandChemicalTechnologywerediscussed.AspenPlussoftwarewasintroducedintheteachingofChemicalTechnologycoursetostrengthentheunderstandingofChemicalEngineeringcoursesandimprovethehands-onandimplementingabilityofthestudents,whichmadetheteachingclosertoengineeringpracticeandbroadenthestudents’visualfield.

ChemicalTechnology;AspenPlus;teachingpractice

2015年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目之應用型人才培養示范專業：化學工程與工藝(序號24)。

唐新宜(1978-)，男，講師，主要從事化工工藝學課程的教學工作。

TQ03-3

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1001-9677(2016)013-0174-03