開源流程模擬軟件DWSIM應用于化工設計課程教學

楊東曉

（河南師范大學 化學化工學院，河南新鄉 453007）

最新的工程教育專業認證標準強調學生能夠針對復雜工程問題，合理選擇、使用和開發相關資源、技術、信息技術和現代工程工具，包含對復雜的化學工程問題進行預測與模擬[1]。工程設計是工程技術的起點，只有運用先進的設計工具才能實施高效的工程設計。隨著計算機技術的飛速發展，多種計算機輔助設計軟件被廣泛應用于實踐中，已經成為不可或缺的技術手段。近年來，國內自主知識產權的工程軟件開發活動如火如荼，未來可期。但是由于國外在該領域起步較早，目前較為成熟的主流軟件幾乎均為國外公司擁有知識產權的商業軟件，其使用成本高昂。作為一個化學工業產值占GDP 約五分之一的發展中國家，我國開設化工專業的人才培養單位多達數百個。如果全國的地方院校都采用國外主流的商業軟件進行教學活動，每年的成本將是非常大的。開源軟件（即開放源代碼的軟件）遵循通用公共許可協議，可以讓全世界用戶自由使用。開源軟件常常由愛好者發起，并在大量用戶使用中不斷發展。目前，一些知名的開源軟件已經達到了很高的水平。因此，采用開源軟件替代商業軟件開展教學非常有意義。

化工設計是高等學校化學工程與工藝專業的必修課，在專業課程體系中具有重要地位。在化工設計中，工藝流程設計是整個設計過程中非常重要的環節。在化工設計教材中，運用一些知名的商業流程模擬軟件，如Aspen Plus，Pro II 等輔助工藝流程設計是重要的教學內容[3-4]。教材中很多例題就是直接用大型商業軟件進行求解的。這些商業流程模擬軟件具有完備的物性數據庫及多種常用的單元操作模型，并結合先進的算法，為化工工藝流程設計和優化提供了理想的模擬平臺。但是這些軟件成本高昂，如果在我國全面投入教育，將會造成巨大的經費負擔。DWSIM是一款符合CAPE-OPEN（Computer Aided Process Engineering-Open）的開源流程模擬軟件。自2004年推出以來，DWSIM 經過不斷升級完善，日臻成熟，展現出了優異的性能。該軟件不僅包含大型商業軟件的主要功能，還具有輕量化的優勢。DWSIM 的最新版安裝包僅131MB，不僅便于下載和安裝，而且操作響應比大型商業軟件更加快速。此外，在操作模式方面，DWSIM 在吸收主流商業軟件優點的基礎上進一步優化，形成了界面清晰，簡單易學的特點。因此，本工作嘗試將DWSIM 軟件應用于化工設計課程教學中。下面結合教材[1]中具體的例題，對DWSIM軟件的主要操作過程和結果進行說明，具體內容包括物料衡算、換熱器設計和塔設備設計等，供廣大師生參考。

1 物料衡算

物料衡算是確定化工生產過程中物料比例和物料轉變定量關系的過程，能夠為設備設計和選型提供依據，是化工工藝計算中最基本、最重要的內容之一。本文結合教材[1]第三章第四節“應用Aspen Plus 進行化工過程的物料衡算及能量衡算”中的教學實例，運用DWSIM 軟件進行模擬計算。

例題主要內容：苯和丙烯原料進入反應器反應后，進入冷凝器部分冷凝，然后經過分離器分離。分離器頂部氣相物流循環回反應器。分離器底部物流為產品。原料溫度220F，壓力36psi，苯和丙烯的摩爾流率均為40lbmol/h。丙烯單程轉化率90%。反應式為：

在DWSIM 中點擊新建化工流程，會自動彈出流程設置向導窗口。使用者可以直接按照向導的指引完成流程建立和模擬的主要內容，這對于初學者的學習是非常有幫助的。化工工藝流程的建立和模擬主要內容如下。

1.1 參數設定

主要內容包括組分信息、熱力學方法選擇、化學反應、單位選用等。與Aspen Plus 軟件不同，DWSIM 軟件將這些主要設置都集中在一個窗口中，點擊界面上的Settings 圖標即可彈出，非常方便易學。

DWSIM 軟件的物質性質數據庫包括了1 500 多種常見的化學物質。本例題涉及的苯、丙烯、異丙基苯只要輸入對應英文名稱（Benzene，Propylene，Cumene）即可找到。

物性方法方面，DWSIM 中包含了40 余種熱力學數據包，內容幾乎囊括了所有常用的熱力學方法，例 如：Peng-Robinson、Soave-Redlich-Kwong、Lee-Kesler、Lee-Kesler-Pl?cker、UNIFAC、UNIQUAC、NRTL、Chao-Seader、Raoult’s Law、IAPWS-IF97 Steam Tables、Black-Oil、Sour Water and Aqueous Electrolytes、PC-SAFT、CoolProp 等。本例題選擇Soave-Redlich-Kwong 方法進行模擬，與教材一致。

DWSIM 中可以設置4種常見反應類型，包括轉化率型、平衡型、動力學型，以及非均相催化反應。本例根據題目條件選擇轉化率型化學反應，通過輸入化學計量數和轉化率即可設置，易于理解，操作方便。計量系數設置后，物質守恒校驗、反應熱、反應方程式等內容會自動完成。

在設置（Settings）窗口的單位（System of Units）選項卡中選擇定制單位集C1，可以實現各種單位的靈活選用。本例選擇F、lbmol/h、psi 等單位，與題目條件保持一致，可以避免繁瑣的單位換算。

1.2 建立流程

在DWSIM 中流程的建立方法采用了與Aspen 軟件類似的方式，可以從單元操作模型托盤中選擇相應的圖形放入流程中即可。此外，DWSIM 還專門設置了循環邏輯模塊，該模塊所包含的加速算法能夠促進帶循環復雜流程的有效求解。如圖1中的“R”圖標即為本例題流程中插入的循環邏輯模塊。

圖1 物料衡算例題的工藝流程圖

1.3 結果與分析

在DWSIM 中，只要將光標移動到對應流股或模塊，就會自動顯示其狀態信息，非常方便。例如查看本例題中反應器出口物流REACOUT 的模擬結果，得到其摩爾流量為44.404 7lb/h。這與教材中Aspen 軟件的模擬結果44.342lb/h 非常接近，相對誤差僅約千分之一，說明DWSIM 軟件在物料衡算方面的有效性。此外，該股物流溫度為855.677F，與教材中Aspen 軟件的結果854.7F 非常接近，相對誤差同樣僅有千分之一。這顯示出DWSIM 在熱量衡算方面同樣可以得到令人滿意的結果。

2 換熱器的工藝設計與選型

換熱器是化工生產過程中實現熱量交換的常用設備，其噸位常常占整個工藝設備的20%～30%?；ぴO計教材[1]中通過多個例題對運用Aspen 軟件進行換熱器設計的方法進行了說明。在換熱器設計方面，Aspen 軟件實際上主要依托的是EDR 組件。該組件是在其收購的換熱器設計軟件基礎上發展而來的。由于EDR 組件是獨立于Aspen Plus 軟件的，所以在使用時候需要將Aspen 的數據與EDR 進行傳遞和轉換，操作繁瑣，使用不便，增加了教學難度。相比而言，DWSIM 軟件則可以在原有流程模擬的界面上直接進行換熱器的簡捷設計和嚴格設計，設計過程簡捷清晰，非常方便。本文對運用DWSIM 軟件進行換熱器設計的過程和效果進行介紹。

例題主要內容：常壓下用90℃的熱水加熱200kg/h 的乙醇，要求將乙醇從25℃加熱到75℃，熱水自身被冷卻到40℃，設計此換熱器。

2.1 參數設置與流程建立

按照前述方法建立換熱流程，并進行參數設置，如表1所示。

表1 換熱器設計例題DWSIM主要參數設置

2.2 換熱器的設計計算

DWSIM 中的換熱器設計模塊共有7種不同類型的計算模式，包括計算流體出口溫度、計算換熱面積、換熱器校核、夾點計算等。通過靈活切換計算類型，可以逐步完成對同一臺換熱器的初步設計、選型、校核、分析等各類設計任務。

首先進行熱量衡算。將換熱器計算類型設置為：計算熱流體出口溫度，并根據例題條件設置冷流體出口溫度為75℃。熱流體流量初值設置為與乙醇一致，即200kg/h。由于此時換熱器面積不影響熱量衡算結果，因此先根據經驗初步選取10m2即可。運算后查看結果冷流體出口溫度偏高，54.5℃。因此接下來通過DWSIM 的參數敏感性分析工具確定熱流體流量。敏感性分析中，設置熱流體質量流量為自變量，熱流體出口溫度為因變量，運算結果如圖2所示。根據本例題條件要求熱流體出口溫度40℃，因此選定熱流體質量流量142kg。此質量流量與教材Aspen 軟件模擬結果完全相同。

圖2 換熱器設計例題參數敏感性分析結果

然后進行換熱器換熱面積計算。將換熱器計算模式切換為計算換熱面積模式。對于熱水加熱乙醇過程，根據經驗選擇總傳熱系數80W/（m2·℃），運算得到換熱面積6.90m2。

2.3 換熱器的選型與校核

將換熱器計算模式切換為校核模式。為了跟教材上設計結果做對比，查閱同一標準文件：固定管板式換熱器系列標準（JB/T 4715—92）。初選外殼直徑325mm，4管程，管長2m，計算換熱面積7.7m2。參數設置如圖3所示。

圖3 換熱器設計校核參數設置窗口

運算后實際總傳熱系數72.58W/（m2·℃），且出口乙醇溫度70.1℃小于題目要求的75℃。因此改變參數，重新選型為：外殼直徑325mm，4管程，管長3m，計算換熱面積11.8m2。校核運算結果表明，出口乙醇溫度75.34℃，滿足要求。管程壓降34Pa，殼程壓降10Pa。相比而言，教材中所選為單管程換熱器，其管程流速很低。實際上該換熱器是不能滿足換熱出口溫度目標的。而本方案選擇4管程，顯著提高了管程流動雷諾數（仍滿足易燃液體流速要求），得到實際總傳熱系數72.71W/（m2·℃），高于教材設計結果的59.5W/（m2·℃），從而得到了更優的設計方案。

3 塔設備工藝設計

塔器是化工過程中的常見設備，能夠實現氣、液或液、液間的高效傳質、傳熱過程。本文以板式精餾塔的設計為例，說明DWSIM 軟件進行塔設計的方法和結果。

例題主要內容：原料組成（質量分數，下同）：乙苯0.584 3，苯乙烯0.41 5，焦油0.000 7，常壓進料12 500kg/h，溫度45℃。塔頂采用全凝器，壓力為6kPa。要求塔頂產品乙苯含量不低于99%，塔底苯乙烯含量不低于99.7%。

3.1 精餾塔的簡捷計算

在DWSIM 軟件中選取簡捷塔計算模塊，并根據題意設置參數。焦油用正十七烷（n-Heptadecane）表示。熱力學方法選擇Peng-Robinson。建立流程，如圖4所示。

圖4 精餾塔設計例題流程模擬

回流比初值取4運算得到實際理論塔板數為100，最小回流比3.91。利用DWSIM 的參數敏感性分析工具得到回流比與實際塔板數的關系圖如圖5所示。可以看出，當回流比小于5時，隨著回流比的增加塔板數快速下降。而回流比大于5時，變化不明顯。因此，綜合能耗和設備投資兩方面，考慮將最小回流比的1.2倍，即4.7設置為操作回流比。計算得到實際塔板數65。教材上也是選擇最小回流比的1.2倍進行操作，算得實際塔板數同樣是65。

圖5 精餾塔設計例題回流比與實際塔板數關系

3.2 精餾塔的嚴格計算

在DWSIM 軟件中選取嚴格塔計算模塊建立流程同上（DWSIM 中簡捷塔模型與嚴格精餾塔模型圖形符號相同）。根據簡捷模型結果進行參數設置：回流比為4.7，塔板數為65。以塔底產品苯乙烯質量組成0.997為計算條件，進行嚴格塔模型運算，結果表明，塔頂產品乙苯質量含量不能滿足要求，需要進一步提高塔板數。利用參數敏感性分析工具，得到塔板數與塔頂組成的關系圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，當塔板數提高到80時即可滿足分離要求。教材的結果為塔板數76，但是塔頂產品純度0.989略低。

圖6 精餾塔設計例題回流比與塔頂組成關系

3.3 精餾塔的優化

利用DWSIM 的參數敏感性分析工具，對進料板位置進行優化。分析塔頂產品純度和能耗隨進料板位置的變化關系表明，若進料位置從第38塊板改為第39塊板，能夠降低能耗，但是降幅很小。同時考慮到若第39塊板進料將導致塔頂組成有所下降，因此選擇進料板位置為38塊板。對比再沸器能耗，本設計方案4 506kW 比教材設計優化后的結果4 626kW 能耗略低一些。DWSIM 軟件設計主要結果與教材Aspen設計結果對比如表2所示。

表2 精餾塔設計例題DWSIM設計結果與教材設計結果

3.4 進行塔板的設計選型與校核

DWSIM 中集成了Chemsep（LITE Version）軟件。Chemsep 是塔設備模擬軟件，主要面向教學、研究使用。雖然Chemsep 的LITE 版軟件是免費的，但是該版軟件仍包含了多達80多種常見物質的數據庫（包括本文涉及的所有組分），并最多能夠滿足300塊理論板的設計和分析。因此，該軟件完全能夠滿足本例題精餾塔的設計、塔板選型和校核。

在DWSIM 中，將Chemsep Column 圖標拖入流程圖中，搭建精餾流程，然后雙擊塔圖標即可激活Chemsep 的設置界面。將主要參數輸入，運行后可以得到精餾過程的分析結果，內容包括氣、液相組成沿塔分布曲線，各塔板氣、液相負荷，壓力分布曲線，傳質推動力分布等內容，有助于對塔的操作狀況和性能進行分析。選擇Nutter 1’’塔板后校核的結果中，可以看到最大液相負荷塔板為第2塊塔板，其液泛因子0.75，小于0.8，滿足設計要求。

4 安全性方面

近年來，開源軟件在各個領域的應用愈加廣泛。在此背景下，有研究者提出對于開源軟件安全性的擔憂[6]。但是，在教育教學領域的應用，并不涉及到國防、金融、能源等敏感部門。因此將DWSIM 軟件應用于教學演示或給學生使用不構成重大安全性問題。此外，將國外先進開源軟件引入高等教育，可以為國內相關軟件的發展提供啟示和借鑒，有助于我國相關領域提升自主創新能力和競爭力，這在一定程度上對提升信息安全保障能力起到促進作用。

5 結束語

運用計算機軟件進行流程模擬和輔助設計是當今化工行業工程活動中的重要技術手段。本文以化工設計課程教材中的典型例題為例，嘗試運用DWSIM軟件進行流程模擬和設備工藝設計。結果表明，DWSIM 軟件展現出良好的性能，能夠滿足化工設計課程教學的需要。作為一款開源軟件，DWSIM 不僅對公眾免費開放，而且相比于同類大型商業軟件還具有體積輕巧、響應快速、界面友好、方便易學的特點。因此，我國高等院校（特別是地方院校）化工專業，利用DWSIM 軟件進行化工設計課程教學，有利于降低教學成本，提高教學效果，具有良好的應用前景。