Aspen plus 在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用—以甲醇尾氣處理為例

＊楊峻 向麗 任敬

（1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 湖北 430073 2.中國(guó)五環(huán)工程有限公司 湖北 430073）

化工原理是理工科學(xué)生必修的一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以“三傳一反”為主線，綜合運(yùn)用先修課程等知識(shí)，輔助分析和解決實(shí)際化工生產(chǎn)過程中的精餾、吸收等各單元操作的問題、改進(jìn)優(yōu)化現(xiàn)有裝置設(shè)備等[1]。在傳統(tǒng)的化工原理教學(xué)中，不管是操作型還是設(shè)計(jì)型計(jì)算工作量都巨大，且均以人工手算為主，工程圖紙或手繪或借助AutoCAD等，尤其在化工原理課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生望而卻步，難尋信心[2]。Aspen Plus軟件的出現(xiàn)極大地提高了化工設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。作為世界公認(rèn)的大型通用流程模擬軟件，主要由三部分組成即物性數(shù)據(jù)庫(kù)、單元操作、模塊分析，操作界面簡(jiǎn)介且系統(tǒng)可自動(dòng)引導(dǎo)用戶完成數(shù)據(jù)輸入工作，可進(jìn)行流程優(yōu)化、靈敏度分析、工況研究、工程利潤(rùn)、操作費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用估算等高難度工作，實(shí)用性極強(qiáng)[3]，即使如此，Aspen Plus也無法取代一些單元操作的人工手算。將傳統(tǒng)的人工手算與Aspen Plus軟件應(yīng)用相結(jié)合，大大地降低了計(jì)算難度，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，為理工科學(xué)生在學(xué)習(xí)化工原理課程的崎嶇之路增加了無限信心[4]。

1.Aspen Plus模擬吸收計(jì)算—以甲醇尾氣處理為例

本次課題背景條件為3萬噸/年聚四氫呋喃項(xiàng)目的甲醇尾氣處理系統(tǒng)。在聚四氫呋喃（PTMEG）的生產(chǎn)過程中，甲醇作為主要的輔助原料，同時(shí)在甲醇塔的調(diào)節(jié)，甲醇儲(chǔ)罐的“大小呼吸”和含甲醇系統(tǒng)真空泵都會(huì)有甲醇尾氣的產(chǎn)生[6]。此次設(shè)計(jì)選用吸收法對(duì)甲醇尾氣進(jìn)行捕捉吸收，吸收塔選擇通量大、阻力小、分離效率高、操作彈性大等特點(diǎn)的散裝鮑爾環(huán)填料塔單塔，甲醇尾氣由塔底進(jìn)入吸收塔與塔頂噴淋而下的水逆流接觸，在氣體與液體接觸的過程中，氣體中的甲醇溶與水，使從塔頂離開的尾氣甲醇質(zhì)量濃度滿足排放要求達(dá)到50mg/Nm3以下。運(yùn)用Aspen Plus軟件簡(jiǎn)捷計(jì)算法得到理論塔板數(shù)為15塊，根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)選用NRTL活度系數(shù)法，查閱資料得其二元交互參數(shù)，對(duì)甲醇吸收系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并和實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比[5-6]。

設(shè)計(jì)條件：甲醇尾氣進(jìn)料條件為：質(zhì)量流量1385kg/h，壓力103kPa，溫度43℃，甲醇尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.65%，其余為氮?dú)狻?/p>

水進(jìn)料條件為：質(zhì)量流量為2000kg/h，溫度為30℃。

排放要求：甲醇質(zhì)量濃度低于50mg/N（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以干氣含量計(jì)）。

(1)物料衡算

該吸收塔為常壓操作，分析甲醇和水的強(qiáng)極性，物性方法選用了NRTL活度系數(shù)。查閱文獻(xiàn)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)[3]，如表1所示。

表1 NRTL方程回歸二元交互參數(shù)

運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)甲醇尾氣吸收塔進(jìn)行模擬分析，新建模擬，吸收塔選擇Radfrac模塊中Absbr1模型，如圖1所示。

圖1 Aspen Plus軟件中反應(yīng)模塊示意圖

單擊物流線，根據(jù)箭頭指示將進(jìn)料流股和出料流股分別連接在吸收塔上，如圖2所示。

圖2 甲醇吸收工藝流程示意圖

雙擊進(jìn)料線輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，兩股進(jìn)料分別為來自塔頂?shù)腤aterin，其質(zhì)量流量為2000kg/h，溫度為30℃的水和塔底進(jìn)入的Gasin，其質(zhì)量流率為1385kg/h甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.65%的混合氣體，如圖3和4所示。

圖3 Waterin流股數(shù)據(jù)輸入示意圖

圖4 Gasin流股數(shù)據(jù)輸入示意圖

二者在吸收塔內(nèi)逆流充分接觸，得到塔頂采出甲醇?xì)怏w流量為0.00127kmol/h，如表2所示。

表2 甲醇吸收工藝各物料參數(shù)表

(2)模擬結(jié)果對(duì)標(biāo)實(shí)際工況

模擬所得結(jié)果：

滿足甲醇含量低于50mg/N的排放要求。

復(fù)算實(shí)際工況：

在混合氣中，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.65%，即被吸收的溶質(zhì)量較多，平衡關(guān)系為一條曲線屬于高濃度氣體的吸收，此時(shí)全塔的物料衡算式為：

式中：GB—惰性氣體流率kmol/(s·m2)；

LS—純?nèi)軇┝髀蔾mol/(s·m2)。

所得吸收率為99.98%，與模擬所得結(jié)果一致。

2.Aspen Plus軟件的應(yīng)用對(duì)化工原理教學(xué)的助益

(1)Aspen Plus實(shí)操引入助力教學(xué)環(huán)節(jié)

Aspen Plus軟件中的的“單元模塊”與化工原理課程中的“單元操作”有異曲同工之妙，都是將具有共性的操作過程抽象出來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過數(shù)學(xué)計(jì)算解決物理問題的過程。在3萬噸/年聚四氫呋喃項(xiàng)目的甲醇尾氣處理系統(tǒng)的研究中，將化工原理中吸收這典型單元操作對(duì)標(biāo)Aspen Plus軟件中的塔模型Radfrac中的Absbr1模塊，首先通過模擬得到吸收塔塔頂氣體中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著吸收劑溫度的降低而降低，這和理論知識(shí)中低溫有利于吸收的知識(shí)點(diǎn)相吻合，但是低溫對(duì)吸收劑的黏度影響較大，影響吸收劑的傳質(zhì)效果，降低吸收塔的效率，對(duì)泵、冷卻器、吸收塔的設(shè)備要求更高，設(shè)備成本增加，通過軟件作圖分析得到最佳吸收劑溫度為30℃。模擬軟件的引入讓理論知識(shí)得到了驗(yàn)證，計(jì)算過程被大大簡(jiǎn)化。在上述研究中，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行復(fù)算，與現(xiàn)實(shí)工況做對(duì)比，結(jié)果吻合。人工手算和軟件模擬相結(jié)合教學(xué)會(huì)讓學(xué)生理解更透徹，記憶更深刻[7]。

(2)Aspen Plus應(yīng)用激發(fā)機(jī)遇與挑戰(zhàn)

Aspen Plus在化工原理課程教學(xué)過程的應(yīng)用激發(fā)了教師們的學(xué)習(xí)深造斗志，尤其是青年教師作為骨干力量應(yīng)定期參加Aspen Plus軟件培訓(xùn)班，同時(shí)提升自身科研能力水平，強(qiáng)化校企合作，不斷發(fā)掘新的教學(xué)案例，充盈Aspen Plus解決化工問題的素材庫(kù)。不僅僅是教師，學(xué)生也在Aspen Plus軟件的使用中得到了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，學(xué)校每年都會(huì)在“全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽”開賽的前一學(xué)期開設(shè)Aspen Plus仿真實(shí)訓(xùn)課程，授課的過程中會(huì)選拔出品學(xué)兼優(yōu)，軟件實(shí)操熟練，韌性毅力俱佳的學(xué)生參與到化工設(shè)計(jì)大賽中[8]。在準(zhǔn)備賽事時(shí)，學(xué)校會(huì)召集本屆參賽選手及下一屆即將學(xué)習(xí)這門課程的學(xué)生開會(huì)，會(huì)上邀請(qǐng)往屆參賽選手分享經(jīng)驗(yàn)和心得，已經(jīng)就業(yè)的同學(xué)會(huì)分享Aspen Plus軟件在工作崗位中應(yīng)用的重要性，既能增加參賽選手的信心，也能帶動(dòng)下屆學(xué)生學(xué)習(xí)Aspen Plus的熱情。化工原理課程是與Aspen Plus仿真實(shí)訓(xùn)課程同一學(xué)期開課，學(xué)生一邊學(xué)理論知識(shí)一邊在實(shí)訓(xùn)課中應(yīng)用，鼓勵(lì)運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件解決化工原理課程和課程設(shè)計(jì)中的復(fù)雜計(jì)算問題，初步感受現(xiàn)代前沿計(jì)算機(jī)技術(shù)帶給人們的便利，鼓勵(lì)學(xué)生參加化工設(shè)計(jì)大賽，向工程實(shí)踐領(lǐng)域邁進(jìn)，為化工行業(yè)培養(yǎng)理論和工程素養(yǎng)兼具的人才[9-10]。

3.總結(jié)

化工原理是一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，作為從基礎(chǔ)到專業(yè)、從理論到應(yīng)用的橋梁，化工原理的教學(xué)在化工系統(tǒng)人才的培養(yǎng)中占據(jù)了重要地位。經(jīng)過四年的教學(xué)改革探索，深感Aspen Plus模擬軟件在傳統(tǒng)化工原理課程教學(xué)過程中的引入對(duì)學(xué)生深刻掌握化工原理知識(shí)、快速適應(yīng)化工及相關(guān)行業(yè)的工作狀態(tài)大有裨益。人工手算和軟件模擬相結(jié)合，可以把復(fù)雜的計(jì)算過程用模擬軟件清晰直觀地模擬出來以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)解決[11]。我們深刻感受到先進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件的引入為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化要求的人才提供了新的機(jī)遇，我們將為化工原理教學(xué)插上Aspen Plus的“翅膀”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其專業(yè)認(rèn)同感和工程實(shí)踐意識(shí)，鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜化工問題的能力，以培養(yǎng)具有國(guó)際視野的化工類復(fù)合應(yīng)用型人才。