Aspen Plus在化工原理實驗教學中的應用

楊宇軒

摘 要：在傳統的化工原理實驗教學基礎上，將通用流程模擬軟件Aspen Plus有目的、有步驟地應用于化工原理的實驗教學中。文章以實驗題目篩板精餾塔分離乙醇-正丙醇混合液為例，分別闡述傳統的實驗教學方法及利用Aspen Plus中的簡捷模塊和嚴格計算模塊對該分離過程進行模擬和設計。通過將Aspen Plus與傳統的化工原理實驗相結合，可以使同學們增強學習興趣，加深對化工單元操作的理解，提升教學效果。

關鍵詞：化工原理實驗；Aspen Plus；精餾塔

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）14-0112-03

Abstract： Based on the traditional method of experimental teaching of Chemical Engineering Principle， the general process simulation software Aspen Plus has been used to the experimental teaching with a certain purpose and step by step. This paper shows the processes of the traditional method of experimental teaching and the application of DSTWU and RadFrac within the Aspen Plus in process simulation and design through the example of the separation of ethanol-n-propyl alcohol mixture with the Sieve plate distillation column. The combination of Aspen Plus and the traditional experiments of chemical engineering principle can increase students' interest， deepen the understanding of chemical unit operations and improve the teaching effect.

Keywords： experiment of chemical engineering principle； Aspen Plus； distillation column

一、概述

化工原理是化學化工相關專業的一門重要基礎課程，與生產實際緊密聯系，一般開設在大學的基礎化學課程之后，目的就是讓學生在掌握了基礎化學知識后通過化工原理課程的學習能夠建立起“工程”概念，這對于學生以后的工作和學習都具有重要意義。化工原理實驗[1，2]則是一門以化工單元操作過程原理和設備為主要內容、以處理工程問題的實驗研究方法為特色的實踐性課程，是理論課與化工生產的紐帶，是知識轉化為化工生產力的重要依據。意在培養學生的工程能力，創新思維和創新能力。但是由于化工原理實驗的數據處理通常涉及大量的概念、公式、復雜的計算以及繪圖工作，部分學生會因此望而生畏，對實驗數據處理產生排斥，也有部分同學雖然做了大量的計算工作，但是由于其中公式錯誤或者計算方法錯誤導致最終結果出錯，不能反映其規律，從而達不到化工原理實驗課的教學目的。

近年來，計算機的快速發展，尤其是通用流程模擬軟件的開發越來越完備促使我們創新化工原理實驗課程的教學方法。Aspen Plus是目前應用比較廣泛的通用流程模擬軟件之一，該軟件是在七十年代后期由麻省理工學院開發的，經過多年的發展，現在的Aspen Plus軟件已經具有完備的數據庫和物性模型參數，對化工原理中的絕大多數單元操作都可以進行模擬，而且其含有很多分析工具[3]。將該模擬軟件應用于化工原理的實驗教學中，可以使學生更好的理解單元操作過程，獲得更準確的計算結果，同時可以應用設計規定及靈敏度分析對結果進行分析討論，而且掌握了Aspen Plus軟件，學生可以不再局限于以前的對某一個設備的具體操作，可以自己進行設計甚至可以完成全工藝流程的模擬。在化工原理實驗課前讓學生先利用Aspen Plus完成相應的流程模擬，以流程模擬輔助傳統的化工原理實驗課程的學習，不僅能夠提升學生的學習興趣，而且能夠加深理解，強化工程判斷能力，進而實現更好的教學效果。作者將以化工原理實驗課程中的篩板精餾塔實驗為例說明Aspen Plus在化工原理實驗教學中的重要意義[4，5]。

二、化工原理實驗-篩板精餾塔實驗

目前正在開設的篩板精餾塔實驗是乙醇-正丙醇混合液的分離，主要是讓學生了解板式精餾塔的結構、操作和分離原理。具體實驗過程（以部分回流為例）：

1. 設置進料量2L/h，回流比設置為4，同時打開塔頂塔底出料閥，接收塔頂塔底餾出液。

2. 塔內操作穩定一段時間，記錄塔頂塔釜溫度，取塔頂、塔底及進料樣品利用阿貝折光儀進行分析讀取折光率，通過查表得到相應組成，數據如表1所示。

3. 繪制乙醇-正丙醇二元體系的T-x-y圖查得泡點溫度

4. 繪制y-x圖，根據塔頂、塔底及進料的樣品組成繪制梯級求出理論塔板數NT，求出總板效率。

作者通過實驗教學中的觀察及學生實驗報告的批改中發現大部分同學基本可以完成實驗及后續的數據處理，但是存在以下問題：很多同學只是按照講義進行操作，不會對該分離過程進行深入思考，部分數據計算存在問題，而且繪制的相圖誤差較大，缺乏深入的分析及完成分離單元設計的思想。

三、Aspen Plus輔助精餾塔實驗教學

[例]1.繪制出乙醇-正丙醇二元體系的T-x-y及x-y圖；2.含乙醇54.15%（摩爾比）、正丙醇45.85%（摩爾比）的混合物（流率F=2L/h、壓力P=0.12MPa、溫度T=19.5℃）用簡捷精餾塔DSTWU（塔壓0.1MPa）分離，要求87%的乙醇從塔頂排出，90%的正丙醇從塔底排出，采用全凝器。求Rmin，Nmin；分析回流比與塔板數，確定合理的理論板數和回流比。3.利用嚴格精餾模塊對該分離過程進行模擬，并對全塔操作工況進行分析。

（一）乙醇-正丙醇二元體系相圖的繪制

在Aspen Plus界面中選擇Template，組分中輸入乙醇、正丙醇，選定物性方法，選擇Tools→Analysis→Property→Binary→Txy，即可以得到乙醇-正丙醇的T-x-y圖，如圖1所示；選擇Plot Wizard→y-x，即可以得到乙醇y-x圖，如圖2所示。

（二）精餾塔的設計

利用簡捷精餾DSTWU根據分離要求進行模擬，按照題目要求輸入流股信息，在精餾塔模塊B1中輸入初始回流比20以及輕重組分的回收率，建立模擬流程圖如圖3所示，運行全塔模擬得到最小回流比Rmin，最小理論板數Nmin。然后在成功模擬基礎上，設定一個塔板數范圍，最小值設為Nmin，本例中選擇塔板數變化范圍7-20，繪制回流比與塔板數的曲線圖如圖4所示。

（三）結果分析

利用簡捷精餾初步計算得到最小回流比1.1，最小理論板數7，進料板位置5。在該流程模擬基礎上，繪制出回流比與塔板數的關系圖，如圖4所示，回流比隨著塔板數增加會先降低后趨于穩定，合理的理論板數應在曲線斜率絕對值較小的區域內選擇，故針對該流程最終確定回流比1.3，理論板數14，進料板位置9。將上述參數輸入到Aspen Plus中的嚴格精餾模塊RadFrac模型中進行模擬，可以獲得結果簡匯、分布剖形、流股結果，最終的數據結果導出至excel如表2所示，分布剖形給出塔內各塔板上的溫度、壓力、熱負荷、相平衡參數，以及流股流量、組成和物性，通過結果分析同學們會對精餾塔內的操作工況建立更加直觀深刻的認識。

四、將Aspen Plus應用于化工原理實驗方案

通用流程模擬軟件Aspen Plus不僅可以用于精餾操作的模擬，還可以完成混合、閃蒸分離、精餾塔、反應器以及加熱加壓等單元操作，而且學生可以在掌握各個模塊的設計模擬后進行全工藝流程的模擬設計。但是由于Aspen Plus涉及復雜的操作參數設置，因此需要學生先建立基本的模擬概念，掌握基本知識才能順利完成模擬工作。具體方案如下：

1. 學生在學習了化工原理課程后，先進行初步的Aspen Plus模擬軟件的學習，掌握各個組分信息的輸入、模塊的選擇及參數設置，尤其是物性參數的選擇，合理的物性選擇是進行成功模擬的前提條件，必要時還需要對物性參數進行修正；

2. 學習Aspen Plus的模型分析及優化工具，如靈敏度分析及設計規定，通過這些分析手段掌握各個操作單元的工況信息變化規律，深化對理論知識的理解，同時建立起優化的概念；

3. 設計與目前已經開設的化工原理實驗課相對應的模擬練習題目，讓學生進行實驗前可以通過Aspen Plus的模擬訓練對實驗題目所涉及的單元操作及原理有一定理解，從而做到在具體的實驗中能夠有的放矢，不再只是按照講義進行操作，注重實驗現象的觀察、分析及數據的處理；

4. 完成系列模擬課程的學習及訓練后選擇一個設計題目，包含所有已經學習過的模塊的模擬，借此讓學生完成全流程的模擬，而且可以在此基礎上利用Aspen Plus自帶的分析優化工具對工藝參數進行優化，進而將化工原理的理論知識應用于實踐。

五、結束語

將Aspen Plus應用于化工原理的實驗教學中，讓學生在進行實驗之前先進行相應操作單元的模擬，能夠提升學生的學習興趣，使學生對相關的原理知識有更加深刻的認識，而且合理的模擬結果可以避免學生在實驗及數據處理中缺乏正確引導，給出數據結果偏差較大，不能夠達到以實驗加深理論理解的效果。化工原理實驗課程實踐性及工程性很強，傳統的實驗教學可以讓學生對化工單元操作及設備有直觀的認識，輔以Aspen Plus可以讓學生對工藝流程及原理有更深刻的認識，兩種教學方法相互輔助可以加強學生的“工程”概念，提升教學效果。

參考文獻：

[1]張治山，李桂杰.淺談流程模擬軟件在化工原理教學中的應用[J].化學工程與裝備，2008（4）：142-143.

[2]劉保柱，于鳳文，朱菊香.Aspen Plus應用于化工原理課程設計的實踐[J].化工高等教育，2007（2）：23-25.

[3]孫蘭義，張月明，李軍，等.Aspen Plus在化工原理課程設計教學中的應用[J].廣東化工，2009（12）：173-175.

[4]宋偉，李朝艷，徐雪麗.Aspen Plus在化工設計教學中的應用[J].科技資訊，2013（14）：208-209.

[5]韋曉燕，譚軍，胡萬鵬，等.Aspen Plus軟件在化工原理教學中的應用探索[J].化工時刊，2012（6）：69-70.