Aspen Plus軟件在化工原理課程設計中的應用

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(新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830091)

1 概述

化工原理最重要的一個特點就是工程應用性很強[1]，是化學工程與工藝專業(以下簡稱化工專業)的一門最主要的工程基礎課，在基礎課和專業課之間起著承前啟后的作用，是工程化學習和應用的基礎[2]。但在化工原理學習的過程中，很多學生不能很好的理解、掌握課程的核心內容，不能很好地把所學知識相關聯，造成學生失去學習興趣。Aspen Plus是化工類工程模擬軟件，具有模擬簡單、應用范圍廣、計算精度高等特點[3]。充分利用現代教育手段，以學生為中心，指導學生的學習探索活動[4-5]。不僅是為了鍛煉學生的學習能力和操作能力，更是要積極引導學生設計的創新，開拓學生的眼界，增強學生的學習興趣。

2 實例分析

分離乙苯-苯乙烯混合物，對于混合物的分離，可以采用連續精餾塔。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內，塔頂上升蒸汽采用全凝氣冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔頂，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。

(1) 生產能力：年處理乙苯-苯乙烯混合物11.0萬t(開工率330天/年，F=131.8 kmol/h)；

(2) 原料：乙苯的含量60%(質量分數，下同)；

(3) 分離要求：塔頂流出液中乙苯含量不低于0.95，塔底釜液中含量不高于0.25，泡點進料。

3 解決問題的方法

3.1 逐板計算法計算理論塔板

原料液流率為F，塔頂產品流率為D，塔底產品流率為W，塔頂流出液中乙苯含量不低于0.95，塔底釜液中含量不高于0.25，對精餾塔做全塔物料衡算。有：FXf=DXd+WXw

F=D+W物料衡算，求得

表2 安托因方程中相關參數[6]

注：乙苯 苯乙烯的飽和蒸汽壓可用Antoine方程計算。

可得提餾段操作線方程為：y=1.2x-0.05

第一塊塔板的上升的蒸汽組成為y1=xD=0.95

通過逐板計算法可得：x14=0.60≤xF=0.60所以第14塊板為進料板；x22=0.228

3.2 Aspen Plus軟件模擬

圖1 乙苯-苯乙烯模擬流程圖

圖2 乙苯-苯乙烯模擬條件及結果

通過設計內容以及逐板計算法所得參數，對精餾體系進行模擬研究，流程見圖1。模擬結果表明(圖2)，模擬的實際塔板數為34塊，其中精餾段為12塊塔板，提餾段為21塊塔板，其中第13塊塔板為進料板。

4 結果探討

逐板計算法在衡算范圍內，輪換使用操作線方程和相平衡方程，對溶質作物料衡算，在計算過程中，逐板計算法是較為繁瑣的，但是方法較為直觀，使人一目了然。使用Aspen Plus軟件進行模擬只需各物料參數以及溫度和壓力，所以其計算是最為簡便的，所得數據是最快。設計結果表明，兩種方法在精餾段差異較小，進料位置也較為接近，但在提餾段計算差別較大，也造成了理論塔板數相差較大的現象。通過設計結果，學生可以討論誤差較大的原因。(1)安托因公式為經驗公式，造成計算結果有一定的偏差；(2)逐板計算法的前提是恒摩爾流假設，而實際操作不可能實現，這也是造成結果誤差的原因；(3)設計中選擇的回流比與模擬軟件中選擇的回流比不一致，對結果造成較大的影響。

5 結束語

將Aspen軟件引入到化工原理蒸餾中典型的設計型問題中，培養學生的發散思維、邏輯思維，加深學生對基本概念、基本理論的理解；通過設計結果的差異，學生可以分析誤差造成的原因，培養了學生獨立思考的能力，調動了學生學習的積極性和主動性，提高學生分析及解決實際工程問題的能力。