Aspen plus在化工原理教学中的应用-以精馏分离甲醇-水体系为例

王克良，李 静，李 松，李 志，连明磊，杜廷召

(1.六盘水师范学院 化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004；2. 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北 任丘 062552)

Aspen plus在化工原理教学中的应用-以精馏分离甲醇-水体系为例

王克良1，李 静1，李 松1，李 志1，连明磊1，杜廷召2

(1.六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州六盘水553004；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552)

Aspen plus作为现代化工第一大型通用流程模拟软件，在工程中应用广泛，是从事化工设计工作的必用设计软件。本文以精馏分离甲醇-水体系为例，将化工原理课程与Aspen plus结合进行教学设计，有利于将教学与实践相结合，以提高教学效率和质量，培养学生的兴趣，增强其工程意识，让学生能够在将来的工作中适应现代化工设计环境。

化工原理；教学；Aspen plus；精馏

化工原理课程是化学化工及相关专业学生学习化工原理课程必修的三大环节之一，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以某一单元操作为主的一次综合性设计实践[1]，以培养学生的工程观点和分析解决工程实际问题的能力[2]。

目前化工原理课程的操作型和设计型计算题目还是以手工计算为主，对于将现代化工过程模拟软件结合的教学应用较少。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的会战，开发的新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN)[3]。Aspen Plus在现代化工设计中极大地提高了化工设计的效率和质量，将手工计算与Aspen软件结合教学，能够有效地培养学生的工程素质，提高教学效果[4]。

1 Aspen模拟精馏计算——以分离甲醇-水体系为例

设计条件及任务：进料流率：F=200kmol/h，进料组成：xF(CH4O)=0.3，进料热状态：q=1，回流比：R/Rmin=1.6；分离要求：xD(CH4O)=0.995，操作压力：常压。

图1 模拟计算模型图

1.1 简捷法设计计算

在完成手工设计计算以后，根据分离条件及任务在Aspen Plus中选择columns模型库中的DSTWU(Shortcut distillation design using the Winn-Underwood- Gilliland method)[3]简捷精馏设计模块在流程图绘制页面绘制精馏流程图。对于初学者，利用专家提醒Next依次输入进料组分，选择物性方法，进料组成条件，实际回流比与最小回流比的比值，轻关键组分和重关键组分的塔顶收率，再沸器和冷凝器压力，冷凝器的形式，然后运行计算查看计算结果。

通过简捷设计计算，得到用于严格精馏计算的初始参数：实际回流比、实际塔板数、进料塔板位置、馏出比见表1。

表1 简捷设计计算结果

1.2 严格精馏计算

简捷设计仅作为严格精馏的初步计算使用，不能得到塔板的水力学数据以及冷凝器和再沸器的热负荷[5]，产品纯度也是粗略估算。故我们需要进行严格计算，选择columns模型库中的RadFrac模块，连接好进料和出料物流，输入简捷法得到的塔参数，完成所有参数输入后运行模拟计算得到严格计算结果，如表2。

表2 严格精馏初步模拟计算结果

1.3 设计规定

利用Aspen plus中的设计规定功能，通过软件自动调整可调变量使目标变量满足要求。在塔设备模块下新建设计规定和调整变量可调范围，以规定塔顶甲醇产品摩尔纯度达到0.999为例，回流比作为可调变量：1-3，步长0.1；运行计算结果如表3，其中设计规定回流比计算结果为：2.37(摩尔)。

表3 设计规定计算结果

比较表3可知，计算结果达到设计规定的0.999，优于未做设计规定计算前的计算结果。

1.4 全塔灵敏度分析

灵敏度分析是检验过程改变如何对关键操作变量和设计变量产生影响的工具，学生可以用灵敏度分析工具做简单的过程优化。以对全塔理论塔板数灵敏度分析为例，保持其它参数不变，分析不同理论塔板数对甲醇分离效果的影响，结果如表4、表5。

表4 不同理论塔板数下的甲醇纯度(mole)(1)

表5 不同理论塔板数下的甲醇纯度(mole)(2)

由灵敏度分析结果可以找到最分离效果最好的理论塔板数为21块。除此以外，学生还可对其它操作参数进行分析以找到最佳参数。

2 结论

在现代化工设计计算中，使用大型通用过程模拟软件能够极大地提高了化工设计的效率和设计质量，在让学生更好地巩固和提高对专业知识的认识和掌握的同时，也让学生能够初步掌握化工设计软件以适应将来的工作。

[1] 孙兰义. 化工流程模拟实训--Aspen Plus教程[M].北京: 化学工业出版社, 2012.

[2] 李 静,王克良,李 志, 等. Aspen Plus软件在《化工设计》中的教学应用[J].山东化工, 2017,46:11.

[3] 马江权, 冷一新. 化工原理课程[M]. 2版. 北京: 中国石化出版社, 2011.

[4] 孙兰义, 张月明,李 军, 等. Aspen Plus在化工原理课程教学中的应用[J]. 广东化工, 2009(12):173-175.

[5] 熊杰明, 李江保. 化工流程模拟Aspen Plus教程[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2015.

(本文文献格式：王克良，李静，李松，等.Aspen plus在化工原理教学中的应用-以精馏分离甲醇-水体系为例[J].山东化工，2017，46(16)：163，165.)

G4

：B

：1008-021X(2017)16-0163-01

2017-03-031

贵州省教育厅教学内容与课程体系改革项目(GZSJG10977201604)；贵州省教育厅教学内容与课程体系改革项目(GZSJG10977201605)；贵州省教育科学规划项目(2016B288)；贵州省普通高等学校煤系固体废弃物资源化技术创新团队(黔教合人才团队字[2014]46)；贵州省教育厅特色重点实验室项目([2011]278)；贵州省煤炭资源清洁高效利用科研实验平台(黔科平台[2011]4003号)

王克良(1984—)，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，讲师，研究方向为化工传质与分离。