Aspen Plus在化工原理课程教学中的应用

郑建东，徐　杰，陈纲领，王余杰，马田林

(滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州　239000)

化工原理课程主要研究化工生产中单元操作的基本原理及其设备的设计、操作与调节，以传递过程原理和研究方法论为主线，研究各个物理加工过程的基本规律、典型设备的设计方法、过程的操作和调节原理。课程所讲授的主要内容为化工生产过程中的一些单元操作，主要以“三传”为主线，即讲授动量传递为基础的流体输送、搅拌、非均相分离等单元操作；以热量传递为基础的传热、蒸发单元操作；以质量传递为基础的吸收、精馏、萃取、干燥等单元操作。讲授课程过程中要有课程设计环节，通过课程设计培养学生动手能力、观察能力、综合分析和处理问题的能力，传统的课程设计一般都是学生进行手工计算得到结果，相对比较繁琐复杂[1]。

AspenPlus软件是美国麻省理工学院于20世界70年代开发的大型化工流程及模拟软件，自推出以来就占据世界性大型化工标准流程模拟软件的重要地位， 已经成为大型化工企业研发新工艺的首选模拟软件。同时，也是相关化工高校教学环境中的必要教学辅助工具。该软件能够广泛模拟流体输送、精馏、吸收及化工反应等绝大多数化工生产过程。Aspen P1us软件在使用过程中最突出的优点就可以模拟实际生产过程[2-4]。因此，目前许多高校为了培养在校大学生的工程技术能力，培养学生的创新思维技能，Aspen P1us软件已经得到了普遍广泛的应用。

Aspen P1us软件主要包括三部分内容：物性数据库、单元操作和模块分析。操作界面较为易懂，用户使用起来方便灵活，数据输入方便、直观，所需数据均以填表方式输入，系统自动引导帮助用户逐步完成数据的输入工作[5-7]。备有全面、广泛的化工单元操作模型库，能方便地构成各种化工生产流程，我们化工原理课程里面所涉及到的三传都可以在Aspen P1us软件进行模拟[8]。同时实践证明用Aspen P1us软件对三传单元操作进行模拟，简捷可行又直观。下面通过具体实例说明Aspen P1us软件在化工原理课程教学中的实际应用。

1　在动量传递单元操作中的应用

例：一泵输送流率为100 kmol/h的苯，苯的压力为100 kPa，温度为40 ℃。泵的效率是60%,电动机效率是90%，特性曲线数据如表1所示。计算泵的出口压力、泵提供给流体的功率及泵所需的轴功率各是多少。物性方法采用RK-SOAVE。

表1　泵特性参数

该题要计算离心泵的有效功率及轴功率，如果要计算的话，必须要首先根据数据绘制离心泵的特性曲线，然后才可以得到结果，同时还存在一定读数误差，应用Aspen P1us软件，选定一台泵工作，输入相应的物性参数及单位，同时输入泵本身的参数就可以得到结果。具体如图1～图4所示。很快就得泵轴功率为9.2kW。

图1　单泵工作流程示意图

图2　输入、输出的单位、物性等基本参数

图4　泵出口压力及泵轴功率等计算结果

2　在传热单元操作中的应用

例：模拟一个换热器，热物流苯流率未65800 kg/h、温度为200℃、压力为2.8MPa，冷物流正十二烷流率未222200 kg/h、温度为40℃、压力为1.4MPa，换热完成后，苯冷却至100 ℃。两股物流逆流换热，热物流走壳程。求两股物流出口状态及换热器热负荷。

Aspen P1us软件对于换热器模拟，有Heater 和HeatX两种模型，Heater 模型用于模拟单股或多股物流，使其变成某一特定状态下的单股物流 ；而HeatX模型用于模拟两股物流逆流或并流换热时的热量交换过程，因此采用HeatX模块对上述换热器进行简捷计算，选择工艺流程，然后建立方法、输入物性参数及换热器模块参数，指明壳程和管程流体，很快就得到结果。具体如图5～图8所示。

图5　两股物流逆流换热流程示意图

图6　建立采用PENG-ROM物性方法

图7　换热器模块参数输入

图8　物流及换热器模拟结果

3　在传质单元操作中的应用

例：冷凝器压力为6 kPa，再沸器压力为14kPa，进料流量为12500 kg/h，温度为45 ℃，压力为101.325 kPa，质量组成为乙苯0.5843，苯乙烯为0.415，焦油0.0007(焦油为正十七烷)，塔顶采用全凝器，回流比为最小回流比的1.2倍，要求塔顶产品中乙苯含量不低于99%(质量分数)，塔底产品中苯乙烯含量不低于99.7%(质量分数)。求最小回流比，最小理论板数、实际回流比、实际理论板数、进料位置以及塔顶产品与进料摩尔流率比，生产回流比随理论板变化表并作图。

常规对于这样计算理论塔板的题目都要用图解法或者逐板计算法，但是工作量较大，过程繁琐而且比较复杂，容易出现误差。用Aspen P1us软件实施，就比较简单。首先建立如图9所示的工艺流程图，选择单元模块区中“Columns(塔)”下的“DSTWU(简捷法)”模块。之后输入组分数并建立分析方法，常用PENG-ROM物性方法。然后按照要求输入进料条件及塔模块参数等相关数据，最后系统开始计算，计算完成后，点击“Results Summary’’查看计算结果，如图9～图13所示。可以看到在该分离要求下的最小回流比为4.26；实际回流比为5.11；最小理论板数为34.59；实际所需理论板数为64.87；加料板位置为24.94。并且使用 Aspen 软件中灵敏度分析工具，进行灵敏度分析，考查回流比和塔板数之间的关系，很直观地看出生产回流比与理论塔板数的变化曲线。

图9　乙苯-苯乙烯-焦油精馏塔工艺流程图

图10　建立采用PENG-ROM物性方法输入组分界面

图11　输入进料条件及精馏塔模块参数界面

图12　精馏塔模拟结果输出一览表

图13　回流比随理论板变化的关系图

4　结束语

化工原理是由理论到工程实践过程中具有承上启下作用的过渡课程，从 Aspen Plus 模拟软件在化工原理教学中的应用看出，Aspen Plus 模拟软件能把化工原理中复杂的过程计算用计算机软件来计算，而且能模拟出化工生产的过程。把 Aspen Plus 软件应用到化工原理教学中，可以理论联系实际，学生看到的都是实际的工程实例，这样,不仅能提高学生的学习兴趣，而且可以促进学生解决工程实际问题的能力，提高教学效率，为教学改革开辟新的路径。现在国内大部分高校都已经涉及到该软件的学习和应用，尤其是在工科院校。我们滁州学院近些年来，通过引入Aspen P1us软件的学习，已经取得初步的成效，学生在各类化工设计竞赛取得了一定成绩，今后将继续加大学习，借助AspenPlus软件这一高效化工软件，为化工原理的教学和综合人才培养加油助力，培养出更多更优秀的应用型人才，提高我国化工专业的整体发展水平。