Aspen Plus在化工原理課程設計教學中的應用

王克良，李 靜，李 松，李 琳，李 志，連明磊，杜廷召

(1.六盤水師范學院 化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司,河北 任丘 062552)

Aspen Plus在化工原理課程設計教學中的應用

王克良1，李 靜1，李 松1，李 琳1，李 志1，連明磊1，杜廷召2

(1.六盤水師范學院 化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司,河北 任丘 062552)

本文以精餾分離苯-乙苯體系為例，將先進的過程模擬計算軟件-Aspen plus引入教學，與化工原理課程設計傳統手工計算相結合，實現教學與實踐相結合，以提高教學效率和質量，培養學生的興趣，增強其工程意識，讓學生能夠在將來的工作中適應現代化工設計環境。

化工原理課程設計；教學；Aspen plus；精餾；苯：乙苯

隨著科學的進步和化工技術的發展，人們已在化工計算機模擬計算方面取得了長足的進步[1]，其中以Aspen Plus為代表的流程模擬軟件取得了非常大的成功。通用化工模擬軟件在現代化工設計計算中的廣泛應用極大提高了設計的效率和質量[2]。然而，在化工設計過程中，仍然離不開基本原理的指導。傳統的化工原理課程設計幾乎都是以手工計算為主，在課程設計過程中，學生通常會遇到計算誤差大，查找物性數據困難，接觸不到先進的現代化工模擬軟件等問題。若將Aspen Plus過程模擬軟件引入化工原理課程設計，將手工計算與軟件模擬計算相結合，可以有效解決學生物性數據查找困難[3]、學習與實際工程應用脫節等問題，同時提高學生對本專業的興趣，提高課程設計效率和質量。

1 Aspen Plus的學習使用-以精餾分離苯-乙苯為例

盡管Aspen Plus軟件具有友好的用戶界面和豐富的幫助系統，若沒有前期基本原理的學習，學生學習使用該軟件會具有相當的難度。故在課程設計教學中，先進行手工設計計算，然后安排學生上機使用Aspen Plus模擬計算。通過課程的學習，使得學生熟悉課程設計的基本內容，掌握化工設計的基本程序和方法，體察工程實際問題的復雜性，理論聯系實際，將手工計算與軟件計算結合，得到一次化工設計的基本訓練。

1.1 模擬條件

初始模擬條件見表1。

表1 初始條件

1.2 簡捷法設計計算

表2 簡捷設計計算結果

選擇Aspen Plus中columns模型庫中的DSTWU，學生初學可利用專家提醒設置所需參數：進料組分，選擇物性方法，進料組成條件，實際回流比與最小回流比的比值，輕關鍵組分和重關鍵組分的塔頂收率，再沸器和冷凝器壓力，冷凝器的形式，完成輸入后點擊Start運行計算并查看結果如表2，再將簡捷計算結果用于嚴格法精餾計算。

1.3 精餾塔嚴格計算

簡捷法是利用Winn-Underwood-Gilliland method來計算的，僅作為嚴格精餾的初步計算使用，不能得到塔板的水力學數據以及冷凝器和再沸器的熱負荷。故需要進行嚴格計算，選擇columns模型庫中的RadFrac模塊，連接好進料和出料物流，將簡捷法計算得到的塔參數輸入RadFrac模塊中，點擊Start運行計算得到嚴格計算結果，見表3和表4。

表3 嚴格法計算結果(1)

表4 嚴格法計算結果(2)

2 引入塔板效率的模擬計算

塔板效率受多種因素影響，一般可根據經驗選取[4]。本文中選擇塔板效率為70%，Aspen plus中計算所得理論塔板數中包含了冷凝器和再沸器，故應將實際塔塔板數的計算應扣除冷凝器和再沸器，這一點需對學生強調說明其中的差別，以免計算出錯。故本文中實際板數應取(15-2)/0.7≈19塊，原料進料位置按相同比例增加為(8-1)/0.7=10。因此在Aspen plus中模擬計算的時候塔板數應設置為21塊，原料進料位置為第10+1=11塊塔板。Aspen plus中可根據實際不同情況設置不同塔板效率然后根據不同塔板效率進行計算，本文塔板效率參數設置如圖1和圖2所示。計算結果如表5所示。

圖1 效率類型設置

圖2 板效率設置表5 設置塔板效率后的計算結果

項目進料物流塔頂物流塔底物流物流溫度/℃101.382.9145物流壓力/kPa0.130.110.13摩爾流率/(kmol/h)113.47372.80840.664x苯0.6430.9980.007x乙苯0.3570.0020.993

3 塔徑計算

3.1 板式塔塔徑計算

Aspen plus具有板式塔和填料塔塔徑計算功能，學生可方便地利用其Tray Sizing進行塔徑計算。設置第一塊塔板和最后一塊塔板位置(不包括再沸器和冷凝器)，選擇塔板類型，運行計算結果如圖3。

圖3 板式塔塔徑計算結果

3.2 填料塔塔徑計算

同板式塔相似，設置起始塔板和最后一塊塔板位置，選擇填料型號，規格等。運行即可得到計算結果，如圖4。

圖4 填料塔塔徑計算結果

4 結論

現代化工的設計過程都離不開計算機及計算機軟件的輔助設計，Aspen plus作為當前最強大的通用流程模擬軟件，在化工行業廣泛應用。將Aspen plus引入化工原理課程設計教學，與理論知識相結合，培養學生的工程素質，為學生將來從事化工設計工作打下良好的基礎。

[1] 陳敏恒,叢德滋,方圖南,等.化工原理[M].2版. 北京: 化學工業出版社,2006.

[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] 熊杰明,李江保.化工流程模擬Aspen Plus教程[M].2版. 北京: 化學工業出版社,2015.

(本文文獻格式：王克良，李 靜，李 松，等.Aspen Plus在化工原理課程設計教學中的應用[J].山東化工,2017,46(15):153-154.)

Application of Aspen Plus in the Course Design of Chemical Engineering Principle

WangKeliang1,LiJing1,LiSong1,LiLin1,LiZhi1,LianMinglei1,DuTingzhao2

(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)

In this paper,taking separation of benzene-ethylbenzene system as an example,the advanced process simulation software-Aspen plus was used in teaching,which was combined with the course design of chemical engineering principle of traditional manual calculation to achieve the combination of teaching and practice and improve teaching efficiency and quality,training students' interest,enhancing their engineering awareness,so that students can adapt to the future work of modern chemical design environment.

course of chemical engineering principle;teaching;Aspen plus;distillation;benzene;ethylbenzene

2017-02-14

貴州省教育廳教學內容與課程體系改革項目(GZSJG10977201604)；貴州省科技廳聯合基金項目(黔科合J字LKLS[2013]28號)；貴州省教育廳重點科研項目(黔教合KY字[2014]282)；貴州省普通高等學校煤系固體廢棄物資源化技術創新團隊(No:黔教合人才團隊字[2014]46號)；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號)

王克良(1984—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，講師，研究方向為化工傳質與分離。

G642.3

A

1008-021X(2017)15-0153-02