仿真軟件Aspen Plus 在化工原理實驗教學中的應用研究

譚鳳玉，李 松，李開云，王克良，李 琳，李 志

（六盤水師范學院，化學與材料工程學院,貴州 六盤水 553004）

1 概述

化工原理課程主要講述包含在三種傳遞過程之內的諸多單元操作，如流體輸送、傳熱、精餾、吸收、萃取等[1]。課程中涉及不少關于單元操作的計算，并且這些計算有一定的復雜性。Aspen Plus 的單元模塊與化工原理課程中的單元操作的思想基本相同，都是將一些操作過程的共性抽象出來進行數學建模，從而解決過程計算問題[2-3]。化工原理實驗是將化工原理理論知識轉化為實踐操作的橋梁，具有較強的工程應用性。化工原理實驗課程重視工程基本概念和基本理論，主要研究各種典型單元操作過程中的基本原理及常用設備的構造，設備選型及工藝計算[4]。隨著我校向應用型高校轉型發展，著力于培養應用型人才和工程師，在教學過程中發現，傳統的教學方法和內容無法滿足社會對應用型人才的要求，因此，需要不斷改革教育手段和教學方法，更新教學內容，使之與人才培養模式相協調發展。

Aspen Plus 是20 世紀70 年代由MIT（麻省理工學院）開發的，已成為大型化工企業首選的通用流程模擬軟件，目前已被相關高校化工專業作為必要的教輔工具。該軟件基于穩態化工模擬、優化、靈敏度分析和經濟評價的大型化工流程模擬軟件。它為用戶提供了一套完整的單元操作模型，包括分離單元、流體輸送機械單元、換熱器單元等，可用于模擬各種單元操作，完成從單個單元操作到整個工藝流程的模擬，其中最突出的優點就可以模擬實際生產過程[5-8]。因此，目前許多高校為了培養學生的工程技術、創新實踐能力，將Aspen P1us 軟件引入到課堂教學，得到了廣泛推廣。

2 塔設備單元模擬實驗

化工原理實驗是繼理論知識學習完成之后的一個重要事件環節，通過化工原理實驗教學，不僅能夠加深學生對理論課堂中所學過的化工原理的理解，以及對單元操作典型設備的感性認識，而且能培養學生的實驗技能，彌補課堂理論教學中的不足，增強學生的工程意識[9]。我院現有的虛擬仿真實驗室建設于2012 年，主要針對化工相關專業開設流程模擬實驗、化工原理實驗等。以塔設備單元模塊的流程模擬為例，實驗目的是掌握精餾塔的簡捷、嚴格設計與校核單元的基本概念和具體操作步驟；掌握設計變量、靈敏度分析、計算模塊的應用，并完成塔設備單元的過程模擬與分析。

實驗任務：設計精餾塔分離乙苯-苯乙烯，混合物的進料量為12500kg/h，進料溫度42/℃，壓力101.325kPa；進料質量分數為乙苯0.5843，苯乙烯0.415，焦油0.0007（用正十七烷表焦油）；回流比R=1.2 Rmin，冷凝器壓力6 kPa，再沸器壓力13 kPa，塔頂全回流。分離要求：塔頂產品中乙苯質量分數≥99%，塔底產品中苯乙烯質量分數≥99.7%。

2.1 繪制乙苯-苯乙烯體系相圖

在Aspen Plus 界面中選擇Template，組分中輸入乙苯、苯乙烯，選定物性方法PENG-ROB方程，選Tools→Analysis→Property→Binary→T-x-y，即可以得到乙苯-苯乙烯的T-x-y 圖，見圖1 所示。

圖1 乙苯-苯乙烯的T-x-y 圖

2.2 簡捷塔DSTWU 設計

在Aspen Plus 界面中按照實驗要求，輸入各股物流信息，在精餾塔DSTWU 模塊中建立模擬流程圖（圖2），輸入相關數據，運行得到結果見圖3，并繪制回流比與塔板數的關系圖（圖4）。

圖2 DSTWU 模擬流程圖

圖3 簡捷精餾設計單元模擬結果圖

圖4 回流比與理論板數關系曲線

2.3 嚴格塔RADFRAC 設計

Aspen Plus 軟件的嚴格精餾模塊RADFRAC模型中，建立模擬流程圖（圖5），將DSTWU 模擬結果輸入，運行得到塔內液相質量組成分布曲線圖（圖6）、塔內溫度分布曲線圖（圖7）、不同理論板數時再沸器熱負荷隨進料位置的變化圖（圖8）。

3 教學效果評價

圖5 DSTWU 模擬流程圖

圖6 塔內液相質量組成分布曲線

圖7 塔內溫度分布曲線

圖8 不同理論板數時再沸器熱負荷隨進料位置的變化

仿真軟件Aspen Plus 不僅可以用于精餾單元設備操作，還可以用于吸收、反應器、閃蒸等單元操作。在Aspen Plus 應用于化工原理實驗教學過程中，主要從以下幾點進行教學改進：

1）開設化工原理課程的同時開設化工原理實驗課。化工原理實驗課的內容與理論課同步，實驗課的內容從基礎型-仿真模擬-應用型-設計型四個層次逐步提升。

2）Aspen Plus 流程模擬涉及參數、操作較為復雜，學生在學習的過程中先學習基本的理論知識和簡單的操作模塊的模擬設計，掌握模擬的基本概念后才能完成完整的工藝流程模擬。

3）學生學習Aspen Plus 的過程應循序漸進，從模塊的選擇、組分的輸入、進料條件、物性方法的選擇及修正等基礎操作，到靈敏度分析、單元模塊設計規定等工況分析，應逐步深化理解理論知識，達到流程優化設計的效果。

4）根據化工原理課程上下冊對應的單元操作，結合現有實驗裝置設備，設計與理論知識對應的Aspen Plus 仿真模擬實驗項目，使得學生對化工原理實驗所涉及的單元操作及實驗原理等有效地學習。在具體的實驗操作中學習目標明確，并有針對性地分析和解決遇到的問題。

5）完成基礎驗證型、仿真模擬及綜合應用型實驗后，進行設計型實驗。設計型實驗的內容包含所學的基本單元模塊，學生可以獨立完成全流程的模擬，利用Aspen Plus 軟件對工藝參數進行優化設計，將化工原理理論知識融入實踐操作。

4 結語

化工原理實驗是一門對工程觀點和實踐技能要求較高的課程，單一的實驗操作對單元設備裝置有直觀的認識，但不能全面鍛煉學生分析解決實驗過程中遇到問題的能力。通過Aspen Plus 與化工原理實驗的有機結合，傳統的教學方法不斷得到改進，學生學習積極性大幅提高，可以增強學生工程技術能力，提高教學效果[10]。理論知識分冊對應化工原理實驗項目的設計，使學生從理論知識到實際操作的過程緊密銜接；Aspen Plus單元模塊操作入門到高級分析，使學生從簡單操作到全流程模擬得到全面提升；仿真模擬實驗到創新設計型實驗的逐步深入，加之正確的Aspen Plus 軟件模擬數據，學生學以致用，可以指導學生正確操作，在實踐中加深對理論知識的理解，增強學生解決工程問題的能力。