Aspen Plus軟件在《化工設(shè)計》中的教學(xué)應(yīng)用

李 靜，王克良，李 志，李 琳，連明磊,葉 昆

(1.六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司 華北分公司,河北 任丘 062552)

教育與培訓(xùn)

Aspen Plus軟件在《化工設(shè)計》中的教學(xué)應(yīng)用

李 靜1，王克良1，李 志1，李 琳1，連明磊1,葉 昆2

(1.六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司 華北分公司,河北 任丘 062552)

以萃取精餾為例，將Aspen Plus軟件應(yīng)用于《化工設(shè)計》中的教學(xué)中。以水為萃取劑精餾分離丙酮和甲醇共沸物，通過靈敏度分析工具，考察了萃取劑進(jìn)料量和回流比對分離效果的影響。實踐表明，采用Aspen Plus軟件，可以彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足，學(xué)生能夠更夠有更直觀地工程認(rèn)識和觀念,進(jìn)一步提高了學(xué)生解決工程問題的能力。

化工設(shè)計；Aspen Plus；萃取精餾

《化工設(shè)計》課程是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的核心課程之一，強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力[1]，是化工專業(yè)綜合性最強的一門課程，基本涵蓋和運用了所用主干課程，指導(dǎo)本科生如何將理論知識與工程實踐相結(jié)合。化工設(shè)計實踐性強，涉及到的知識面多，過程復(fù)雜，增加計算機軟件輔助教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，簡化繁雜的手算過程，提高教學(xué)成效[2-3]。化工設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容包括了工藝流程設(shè)計、物料衡算和能量衡算、設(shè)備的工藝設(shè)計及化工設(shè)備圖等，這些和目前設(shè)計院、工程公司對就業(yè)人才的要求是完全契合的。

計算機軟件種類繁多，目前用于化工流程模擬的主要有Aspen plus、ProⅡ、Chem CAD以及HYSYS等[4]。目前設(shè)計院用的比較多的是Aspen plus流程模擬軟件。因此在傳統(tǒng)的教學(xué)中，引進(jìn)計算機軟件，既能夠提高學(xué)生對這門課程的興趣，又能夠培養(yǎng)企業(yè)所需要的化工工程師。

1 工藝流程模擬-以萃取精餾為例

丙酮和甲醇均是常用的有機溶劑，但是在常壓下丙酮和甲醇會形成共沸物，共沸溫度為55.3℃，共沸組成為：丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.86，甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14[5]。采用普通精餾無法將二者有效分離，因此采用乙二醇作為萃取劑精餾萃取精餾分離。

以乙二醇為萃取劑精餾分離丙酮-甲醇共沸物，工藝流程如圖1所示。丙酮-甲醇共沸物從萃取精餾塔中部進(jìn)料，萃取劑乙二醇從塔頂進(jìn)料，經(jīng)過萃取分離后，塔頂為丙酮，塔底為甲醇和乙二醇混合物，接著進(jìn)入萃取劑再生塔進(jìn)行分離，塔頂為乙腈品，塔底為乙二醇萃取劑，經(jīng)過器降溫冷卻后返回萃取精餾塔循環(huán)利用。

已知固定變量為：共沸物進(jìn)料流量為100 kg/h，共沸組成進(jìn)料，萃取精餾塔塔全塔理論塔板數(shù)35塊，原料進(jìn)料位置為第20塊，萃取劑進(jìn)料位置為第3塊。可調(diào)變量為萃取劑進(jìn)料量以及萃取精餾塔內(nèi)回流比。

圖1 萃取精餾工藝流程圖

2 可調(diào)變量分析

2.1 萃取劑進(jìn)料量

工藝條件為：全塔理論板數(shù)(35塊)、原料進(jìn)料位置(第20塊)、萃取劑進(jìn)料位置(第3塊)。分析了萃取劑進(jìn)料量10～200 kg/h范圍內(nèi)對萃取精餾塔塔頂丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wD)、再沸器熱負(fù)荷和冷凝器熱負(fù)荷的影響見圖2。可以看出，隨著溶劑比增大，wD先急劇增大后由逐漸減小，萃取劑進(jìn)料量為20 kg/h時達(dá)到最大。冷凝器熱負(fù)荷的變化趨勢則是剛好相反，萃取劑進(jìn)料量為20 kg/h時最小，再沸器的熱負(fù)荷則是一直在增大。綜合確定萃取劑進(jìn)料量為20 kg/h。

圖2 萃取劑進(jìn)料量的影響

2.2 最佳回流比

工藝條件為：全塔理論板數(shù)35塊、原料進(jìn)料位置(第20塊)、萃取劑進(jìn)料位置(第3塊)、萃取劑進(jìn)料量為20 kg/h。利用靈敏度分析工具，分析了回流比對分離效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

隨著回流比的增加，再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷均呈現(xiàn)線性增加的趨勢，萃取精餾塔塔頂丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先急劇增大，當(dāng)回流比大于2.5后，wD基本不再變化。回流量過過或過少都會影響分離效果，這是因為如果回流量過多，會稀釋塔內(nèi)的萃取劑濃度，降低分離效果，如果回流量過少，萃取劑進(jìn)入塔頂會降低餾出物丙酮的純度。因此，確定最佳回流比為2.5。

圖3 回流比的影響

3 結(jié)論

(1)將Aspen Plus流程模擬軟件引入《化工設(shè)計》的教學(xué)應(yīng)用中，可以彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足，既能夠提高學(xué)生對這門課程的興趣，又能夠培養(yǎng)企業(yè)所需要的化工工程師。

(2)利用Aspen Plus軟件模擬了以水為萃取劑精餾分離丙酮-甲醇共沸物的過程，考察了可調(diào)變量萃取劑進(jìn)料流量以及回流比對分離效果的影響。通過模擬計算，學(xué)生能夠有更直觀地工程認(rèn)識和觀念,進(jìn)一步提高了學(xué)生解決工程問題的能力。

[1] 陳聲宗.化工設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[2] 許新樂,徐世愛,楊基礎(chǔ),等.化工設(shè)計課程群教學(xué)模式的改革與探索[J].化工高等教育,2014,31(6): 37-39.

[3] 候文順.化工設(shè)計概論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[4] 劉 垚,韓志慧,劉紅偉,等.計算機軟件輔助下的化工設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容的補充與實例[J].廣東化工,2016,43(14):248,255.

[5] 楊 斌.離子液體用于丙酮-甲醇共沸體系分離的汽液相平衡行為研究[D].北京:北京化工大學(xué),2014.

(本文文獻(xiàn)格式：李 靜，王克良，李 志，等.Aspen Plus軟件在《化工設(shè)計》中的教學(xué)應(yīng)用[J].山東化工,2017,46(11):145-146.)

Application of Aspen Plus Software in Chemical Engineering Design Course

LiJing1,WangKeliang1,LiZhi1,LiLin1,LianMinglei1,YeKun2

(1.Department of Chemistry and Chemical Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China；2.North China Company,China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Renqiu 062552,China)

Taking extractive distillation as an example, Aspen Plus software was used in in the course of chemical engineering design. The separation of acetone and methanol azeotrope using water as extractant was studied. The effects of the amount of solvent feed and reflux ratio on the separation were investigated by sensitivity analysis. It shows that Aspen Plus software can make up for the shortcomings of traditional teaching. Students can understand the project effectively and further enhance the ability of solve engineering problems.

chemical engineering design;Aspen Plus; extractive distillation

2016-11-07

貴州省教育廳教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項目(GZSJG10977201604)；貴州省科技廳聯(lián)合基金項目(黔科合J字LKLS[2013]27號)；貴州省教育廳重點科研項目(黔教合KY字[2014]282)；貴州省普通高等學(xué)校煤系固體廢棄物資源化技術(shù)創(chuàng)新團隊(No:黔教合人才團隊字[2014]46號)；貴州省教育廳特色重點實驗室項目([2011]278)；貴州省煤炭資源清潔高效利用科研實驗平臺(黔科平臺[2011]4003)

李 靜(1986—)，女，河北石家莊人，講師，工學(xué)碩士，主要從事化工傳質(zhì)與分離研究。

G642

B

1008-021X(2017)11-0145-02