DWSIM在《制药设备与工艺设计》教学中的应用*

杨忠连，江章应

(安徽理工大学化学工程学院，安徽　淮南　232001)



DWSIM在《制药设备与工艺设计》教学中的应用*

杨忠连，江章应

(安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001)

根据《制药工程本科专业教学质量国家标准》要求，对制药工程专业核心课程《制药设备与工艺设计》进行课程改革，将开源化工流程模拟系统DWSIM引入到教学中。通过结合典型教学案例，将设备工艺设计、热量衡算与物料工艺计算等理论教学内容与软件模拟实践应用相结合，突出了教学中心，提高了教学效率。学生学习成本下降的同时，工程实践能力得以增强，取得了良好的教学效果。

DWSIM；制药工程；工艺设计；教学软件

《制药设备与工艺设计》是制药工程专业的一门专业核心课程，内容包括药物合成、分离、加工过程及其关键设备的工程原理与放大，GMP车间设计原理和方法等[1]。通过该课程的学习，要求学生掌握制药关键设备的工程原理、工艺计算和 GMP车间设计。由于该课程综合运用物理化学、化工原理、反应工程、化工设备、GMP等专业课程理论和工程技术知识，教学内容覆盖面广，工程实践性强[2]，为了在短时间内使学生对教学内容有全面清晰的认识，强化创新设计能力，有必要通过流程综合模拟系统辅助学习。

目前国内主要的化工流程模拟系统有Aspen Plus、HYSYS、PRO/II、ChemCAD等商用软件[3]，尽管功能强大但学习成本相对较高，从版权保护角度来说不适宜作为教学辅助工具。而近年来随着CAPE-OPEN标准[4]的推广，在开源社区出现了大量可移植的单元操作模块，其中影响较大的是以DWSIM为代表的开源化工过程模拟器，经过近十年不断更新，已经具备了诸如多种热力学模型、常见单元操作模拟、多变量约束优化、灵敏度分析、支持CAPE-OPEN模块等特性，同时开发有DWSIM Calculator等跨平台移动端应用[5]，其操作方式与上述商用软件相似，具有入门快、价格低、适应性强等特点。且由于软件基于序贯模块法，采用VB.NET和C#开发，在源代码层面可用于描述和理解设备原理和工艺设计计算，容易学习和阅读，并可根据需要自行开发单元操作模块。通过一段时间的教学实践，现对该软件在本课程中的常见应用案例作一总结说明。

1　反应器的参数计算

反应器是制药设备设计计算的核心。以甲烷-水蒸气制氢反应为例，计算Gibbs反应器工艺参数[6]。在新建流程模拟项目后使用向导工具从物性数据库中找出CH4、H2O、H2、CO2、CO加入项目，之后通过向导界面依次选择物质活度计算模型和汽液相平衡模型。在设置好各工艺量纲单位后，进入FlowSheet(流程图)绘制界面。在Object Palette(对象面板)中先选择Material Stream(物料流)拖动到流程图中，设置进入反应器前的物料摩尔流量组成(本例为3 mol/s CH4和 2 mol/s H2O)，在左侧对象选择(Selected Object)面板的工艺参数 (Properties)设置中填写温度和压力(1000 K, 101 325 Pa)，并可在样式(Appearance)界面中设置其显示样式。再选择Gibbs Reactor拖动到FlowSheet中，暂停计算模式后设置物料与能量的出入连接形成工艺流程。通过设置反应器计算参数，如计算方法、反应包含物料、出口物料初始估值、元素守恒矩阵、操作模式和压降等，重新启动计算模式后可获得计算结果。若结合反应管理工具，则可获得不同反应方程式的反应程度，如图1所示，在相同工艺参数下，出口物流中有微小改变。由计算可知，物料反应趋于平衡时(Mass Balance→0)，进料中CH4转化率为64.1%，H2O转化率为97.6%，反应后仅获得气相物料。

图1　使用反应管理工具模拟甲烷-水蒸气制氢反应的 Gibbs反应器流程Fig.1　The flowsheet of hydrogen production in Gibbs reactor by methane steam reforming reaction using Chemical Reactions Manager of DWSIM

DWSIM中反应器类型比较丰富，除了上述Gibbs自由能最小化反应器以外，在其他流程模拟软件中的反应器类型基本均有对应，如转化率反应器(Conversion Reactor)、平衡反应器(Equilibrium Reactor)以及平推流(PFR)、全混流(CSTR)两种理想动力学反应器形式，对应可计算的项目较多，降低了学习反应器设计时的难度。

2　热量计算

热量计算包括两类，一类在热量衡算中使用较多，如冷凝冷却过程和加热汽化过程。图2为计算1000 kg/h水蒸汽从125 ℃(232.19 kPa)经冷凝冷却后降至常压25 ℃时所释放的热量，在流程图中绘制冷却单元后，设置出口温度，即可计算结果为4.35×105kJ/h。

图2　水蒸汽冷凝冷却过程的热量计算Fig.2　Heat calculation of water vapor condensation-cooling process

另一类用于对换热器单元操作中的设计型问题和操作型问题进行计算。如图3使用水在管壳式换热器中对燃料降温，根据物料进出口工艺参数设计换热面积193.38 m2，并计算出总传热系数为424.38 W/(m2·K)。

图3　管壳式换热器的设计计算(水冷却汽油)Fig.3　Design and calculation of shell and tube heat exchanger by water cooling gasoline

3　物料计算

DWSIM物料计算应用于《制药设备与工艺设计》中，可分为三类：①物质的物理化学性质计算；②单元操作中的物料工艺参数计算；③物料衡算。下面分别进行简要介绍。

3.1理化性质

理化性质是工艺设计的基础。对于各种过程模拟软件，基本都提供有自定义组分编辑器，以适应各种设计环境。DWSIM除自带的物质属性数据库以外，还可以XML文件形式兼容ChemSep等多种物质数据库格式，此外软件还附带有多个物性编辑工具可实现对特殊物料的物理化学性质计算[7]。图4所示为完全建立一新物质的操作界面，可通过查阅文献输入相关物质的UNIFAC、MODFAC、Joback等基团模型和蒸汽压、热容、密度、黏度等回归参数，从而实现新物质在工艺设计中的在线计算。

图4　物质理化性质参数输入界面Fig.4　The DWSIM user interface of physical and chemical properties parameter input

3.2物流工艺参数计算

图5　物料流工艺参数换算和设置界面Fig.5　The DWSIM user interface of material streams’ process parameters conversion and settings

该类计算主要包括一定的温度、压力或其他热力学参数条件下，物流的组成、分率、密度、热容、黏度等工艺参数等。由于制药车间设计计算一般用质量产量来确定工艺流程中的物料，而化学过程则采用摩尔数进行计量，此外还涉及相平衡等体积换算，物理量的工艺状态计算需要耗费大量时间。在课程教学实践中发现，物料理想状态下的理化性质一旦确定，DWSIM即可根据实际已知项，进行如图5所示摩尔量-质量-体积量之间的自动计算并对所有物料进行归一化处理，可以使教学活动集中于工艺设计和优化，从而摆脱繁琐的计算工作。

3.3物料衡算

无论是操作型还是设计型物料衡算，都是制药车间工艺设计过程中的重要环节。通过DWSIM流程绘制、物料流与能量流设置以及单元操作计算等步骤，可以在如图6所示Material Streams表中获得各股物料的详细参数。

图6　Material Streams物料衡算表Fig.6　Material balance sheet in Material Streams interface

4　结　语

(1) 通过教学内容与教学方法改革，将DWSIM软件引入

《制药设备与工艺设计》教学，促进了学生的学习兴趣，有效降低了计算工作量和学习成本，使课程的教学更加接近实际制药车间设计。

(2) 通过DWSIM将工艺流程绘制、反应器设计、单元操作计算、物料能量衡算以及设备工艺选型等实践与教学相结合，使课程教学集中于工艺设计和优化，提高了教学效果和质量，且已向移动手机客户端进行移植设计计算，有利于实现专业课程体系化以及慕课建设。

[1]元英进,尤启冬,于奕峰,等.制药工程本科专业建设研究[J].化工高等教育,2006, 22(1):12-15.

[2]刘艳飞,刘珍宝,彭东明,等.制药设备与车间工艺设计课程教学改革与实践[J].广州化工, 2014(5):128-130.

[3]许良华,尹晓红,孙喆,等.化工流程模拟教学新模式的探索[J].化工高等教育, 2016(1):39-42.

[4]白昊,王瑶,王正权.基于CAPE-OPEN标准的单元模型的建立[J].山东化工,2011, 40(9):22-25.

[5]DWSIM Wiki. Calculator-DWSIM Wiki[OL]. http://dwsim.inforside.com.br/wiki/index.php?title=Calculator.

[6]Daniel Medeiros. Using the Gibbs Reactor (Windows/Linux/OS X)[OL]. http://dwsim.sourceforge.net/tutorials/gibbs/gibbs.htm.

[7]Rahmawati S D, Hoda M F, Wagner D, et al. Mix-n-match Reservoir Coupling in Integrated Modeling and Optimization[A]. IPTC Conference Paper-2014[C]. Kuala Lumpur(Malaysia): International Petroleum Technology Conference, 2014. doi:10.2523/IPTC-17727-MS.

Applications of DWSIM in the Curriculum Teaching ofPharmaceuticalEquipmentandProcessDesign*

YANGZhong-lian,JIANGZhang-ying

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

An open source chemical process simulation system DWSIM was introduced into the teaching progress ofPharmaceuticalEquipmentandProcessDesign, a core curriculum of Pharmaceutical Engineering specialty inNationalStandardforTeachingQualityofPharmaceuticalEngineering, through the curriculum reform. Theoretical teaching and software simulation practicing were coupling in some typical teaching cases as the design of process equipment, heat balance calculation, material process calculation, and other specialty subjects. These applications showed that a good teaching effect was achieved, the important teaching points can be highlighted and the teaching efficiency also can be improved. Using DWSIM in this curriculum can reduce the cost of the study and enhance the students’ ability of engineering practice.

DWSIM; Pharmaceutical Engineering; process design; teaching software

安徽省高校自然科学研究项目(KJ2016A197)；安徽理工大学引进人才科研启动基金资助项目。

杨忠连(1981-)，男，讲师，博士，主要从事化工基础课程教学工作。

TQ015.9, G642.0

B

1001-9677(2016)015-0184-03