Aspen plus在化工原理教學中的應用-以精餾分離甲醇-水體系為例

王克良，李 靜，李 松，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在化工原理教學中的應用-以精餾分離甲醇-水體系為例

王克良1，李 靜1，李 松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)

Aspen plus作為現代化工第一大型通用流程模擬軟件，在工程中應用廣泛，是從事化工設計工作的必用設計軟件。本文以精餾分離甲醇-水體系為例，將化工原理課程與Aspen plus結合進行教學設計，有利于將教學與實踐相結合，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；教學；Aspen plus；精餾

化工原理課程是化學化工及相關專業學生學習化工原理課程必修的三大環節之一，是綜合應用本門課程和有關先修課程所學知識，完成以某一單元操作為主的一次綜合性設計實踐[1]，以培養學生的工程觀點和分析解決工程實際問題的能力[2]。

目前化工原理課程的操作型和設計型計算題目還是以手工計算為主，對于將現代化工過程模擬軟件結合的教學應用較少。Aspen Plus是大型通用流程模擬系統，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學院(MIT)組織的會戰，開發的新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統”(Advanced System for Process Engineering，簡稱ASPEN)[3]。Aspen Plus在現代化工設計中極大地提高了化工設計的效率和質量，將手工計算與Aspen軟件結合教學，能夠有效地培養學生的工程素質，提高教學效果[4]。

1 Aspen模擬精餾計算——以分離甲醇-水體系為例

設計條件及任務：進料流率：F=200kmol/h，進料組成：xF(CH4O)=0.3，進料熱狀態：q=1，回流比：R/Rmin=1.6；分離要求：xD(CH4O)=0.995，操作壓力：常壓。

圖1 模擬計算模型圖

1.1 簡捷法設計計算

在完成手工設計計算以后，根據分離條件及任務在Aspen Plus中選擇columns模型庫中的DSTWU(Shortcut distillation design using the Winn-Underwood- Gilliland method)[3]簡捷精餾設計模塊在流程圖繪制頁面繪制精餾流程圖。對于初學者，利用專家提醒Next依次輸入進料組分，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，然后運行計算查看計算結果。

通過簡捷設計計算，得到用于嚴格精餾計算的初始參數：實際回流比、實際塔板數、進料塔板位置、餾出比見表1。

表1 簡捷設計計算結果

1.2 嚴格精餾計算

簡捷設計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[5]，產品純度也是粗略估算。故我們需要進行嚴格計算，選擇columns模型庫中的RadFrac模塊，連接好進料和出料物流，輸入簡捷法得到的塔參數，完成所有參數輸入后運行模擬計算得到嚴格計算結果，如表2。

表2 嚴格精餾初步模擬計算結果

1.3 設計規定

利用Aspen plus中的設計規定功能，通過軟件自動調整可調變量使目標變量滿足要求。在塔設備模塊下新建設計規定和調整變量可調范圍，以規定塔頂甲醇產品摩爾純度達到0.999為例，回流比作為可調變量：1-3，步長0.1；運行計算結果如表3，其中設計規定回流比計算結果為：2.37(摩爾)。

表3 設計規定計算結果

比較表3可知，計算結果達到設計規定的0.999，優于未做設計規定計算前的計算結果。

1.4 全塔靈敏度分析

靈敏度分析是檢驗過程改變如何對關鍵操作變量和設計變量產生影響的工具，學生可以用靈敏度分析工具做簡單的過程優化。以對全塔理論塔板數靈敏度分析為例，保持其它參數不變，分析不同理論塔板數對甲醇分離效果的影響，結果如表4、表5。

表4 不同理論塔板數下的甲醇純度(mole)(1)

表5 不同理論塔板數下的甲醇純度(mole)(2)

由靈敏度分析結果可以找到最分離效果最好的理論塔板數為21塊。除此以外，學生還可對其它操作參數進行分析以找到最佳參數。

2 結論

在現代化工設計計算中，使用大型通用過程模擬軟件能夠極大地提高了化工設計的效率和設計質量，在讓學生更好地鞏固和提高對專業知識的認識和掌握的同時，也讓學生能夠初步掌握化工設計軟件以適應將來的工作。

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

[2] 李 靜,王克良,李 志, 等. Aspen Plus軟件在《化工設計》中的教學應用[J].山東化工, 2017,46:11.

[3] 馬江權, 冷一新. 化工原理課程[M]. 2版. 北京: 中國石化出版社, 2011.

[4] 孫蘭義, 張月明,李 軍, 等. Aspen Plus在化工原理課程教學中的應用[J]. 廣東化工, 2009(12):173-175.

[5] 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在化工原理教學中的應用-以精餾分離甲醇-水體系為例[J].山東化工，2017，46(16)：163，165.)

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：1008-021X(2017)16-0163-01

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貴州省教育廳教學內容與課程體系改革項目(GZSJG10977201604)；貴州省教育廳教學內容與課程體系改革項目(GZSJG10977201605)；貴州省教育科學規劃項目(2016B288)；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(黔教合人才團隊字[2014]46)；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號)

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