應用Aspen plus輔助化工單元操作實踐教學的探索

劉巧玲

摘 要：針對化工單元操作實習教學環節中學生不能動手實踐的難題，以實習基地實際生產過程為背景，應用Aspen plus構建化工過程虛擬工廠。虛擬工廠提供實際生產過程相一致的仿真環境，使學生獲得“動手”操作的工程實踐訓練；虛擬工廠提供了創新實踐平臺，學生創新設計可以得到應用和檢驗，培養學生創新實踐能力。

關鍵詞：單元操作 實踐教學 Aspen plus

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0167-02

Abstract： Combined with the actual production process， the practical production process was simulated by using computer simulation to solve the problems of the students no hands-on practice in practice teaching. Instead of the actual production model， in the simulation environment the students can obtain effects witch is consistent with that of the operation in practice to develop students ability of engineering practice and innovative design. The simulation of virtual space is open， providing an improved optimization and innovative design platform， to develop student creative and practical ability.

Key Words： Practice teaching； Computer simulation； Aspen plus； Chemical process

企業綜合實訓是化工專業本科教學的必修實踐教學環節，目的是使學生在專業理論課程學習的基礎上，通過實踐活動理論聯系實際，鞏固和豐富專業知識，獲得實踐體驗和鍛煉[1-3]；通過實踐訓練提高學生調查研究、觀察問題、分析問題和解決問題的工程實踐能力，也為完成畢業設計奠定基礎。然而，化工生產過程工藝介質多具有一定的毒性、腐蝕性和易燃易爆性，具有操作過程復雜、操作周期長和存在危險性等特點。受實際生產條件的限制，化工專業企業綜合實訓，大多只能進行簡單的觀察，難以獲得動手操作機會，達不到預期的教學目的。在計算機內的虛擬空間仿真生產現場構建虛擬工廠，在計算機上再現實際生產過程，提供與實際生產過程相一致的“動手”操作虛擬空間，學生在與仿真環境交互作用過程中，獲得與真實的實踐活動相同或相似的訓練。以實習基地的實際生產裝置為背景，利用Aspen plus軟件構建虛擬工廠，在計算機上再現實際生產過程，提供與實際生產過程相一致的“動手”操作虛擬空間，學生在與仿真環境交互作用過程中，獲得與真實的實踐活動相同或相似的訓練。本文以吸收單元設備的仿真為例，介紹利用Aspen pluss輔助化工單元操作實踐教學的方法。

1 虛擬工廠的構構建的構造

1.1生產流程建立

Aspen plus軟件包括單元設備模塊、物性數據庫和物性算法等，通過“操作者”輸入單元設備的操作條件，運用序貫法進行計算所需的物流數據和單元設備參數，并根據要求輸出數據[4-5]。以實習基地異丁烯精制工藝裝置的實際生產過程為背景，在Aspen plus環境下構建仿真流程如圖1所示。來自前一工序裂解反應物由底部進入甲醇吸收塔（T-102），甲醇精制工序的甲醇吸收用水循環使用和新鮮水由頂部進入T-102吸收裂解氣中的甲醇，吸收后的液相甲醇水溶液的自T-102塔底經E-104冷卻后循環回T-102塔中段，少部分甲醇水溶液進入甲醇精制工序。粗異丁烯在T-102塔頂排出，經烴壓縮機C-101升壓后，由冷凝器E104將氣態烴冷凝為液態烴，進入異丁烯脫輕塔T-203進行吸收。粗異丁烯中的輕組分在T-203塔頂輕排放。

1.2 單元操作模擬

計算機模擬再現了實際生產過程，在仿真生產環境下，學生得到與實際生產過程相一致的動手操作和處理異常問題能力的訓練。本文以甲醇吸收單元操作為例，探索Aspen plus輔助化工單元操作實踐教學的方法。

根據異丁烯吸收塔詳細結構參和現場操作原始記錄，選用PENG-ROB方程對單元設備進行模擬和修正，使之與實際生產過程一致，以真實再現實際生產過程。流程計算涉及的9 種組分，如表1所示。輸入異丁烯精制單元設備操作參數，如物料組分、流量和循環量，操作溫度、壓力等參數，啟動仿真運算程序，模擬結果收斂，再現實際生產過程。為訓練學生對生產過程中出現的異常問題的處理能力，模擬實際生產過程，人為加入干擾，如物料組分的變化、操作參數的波動等，模擬生產過程異常及事故工況，學生依據所學的理論知識和現場獲得的操作經驗，按照操作規程對生產過程進行調節。

1.3 生產過程分析

計算機模擬環境為學生提供了仿真操作和生產過程調優的平臺。利用Aspen plus提供的靈敏度分析功能，根據所學的理論知識對生產過程分析，研究操作條件、設備結構變化對生產過程的影響，尋求最佳的操作工況，并在計算機模擬環境中實現和檢驗優化結果。以新鮮水量和循環吸收用水量對甲醇吸收塔T102塔頂氣相中甲醇含量影響的靈敏度分析的為例，介紹在模擬環境中對吸收單元操作進行調優實訓。

圖2和圖3分別為塔頂氣相物流中甲醇濃度隨新鮮水量、循環水量變化的趨勢。由圖2可以看出，增加新鮮水流量，可以顯著地降低T-102塔頂氣相中的甲醇含量。但水是不可再生資源，通過增加新鮮水量來降低提高甲醇吸收精度是有限的，新鮮水量應取適當的值。由圖3可知，隨著循環流量的增加，甲醇濃度也快速降低，隨著循環流量的增加濃度降低速率減小。由于現裝置泵的輸送能力和塔尺寸本身的限制，也不能無限制地增加循環吸收用水流量，當前操作的循環吸收用水流量為1300 kg/hr。將流量增加到2600 kg/hr，甲醇濃度會降低到0.65wt%。

2 結語

（1）仿真教學用概念模型代替真實的物理模型，將Aspen plus仿真技術應用于實踐教學環節，對實際系統無破壞性，具有安全、經濟等特點。

（2）Aspen plus模擬流程，為學生提供了一個計算機虛擬生產環境，學生可以獲得“動手”操作的機會，培養學生的工程實踐能力。

（3） Aspen plus流程模擬環境為學生提供了創新設計的平臺。學生通過靈敏度分析改進工藝和設備設計，并在計算機模擬環境中實現，激發學生創新意識和興趣。

參考文獻

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