Aspen Plus在化工原理辅助实践教学中的应用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高军 马小隆 张治山

Aspen Plus在化工原理辅助实践教学中的应用

◆徐冬梅 王宏 李敏 高军 马小隆 张治山

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.173

针对化工原理课程的特点，借助Aspen Plus软件对化工单元操作进行模拟计算。首先对Aspen Plus模拟软件进行介绍，然后应用Aspen Plus软件以传热和精馏为例进行模拟，得出相应的计算结果，使学生更加深刻地掌握化工原理单元操作知识及操作变量对整个单元操作过程的影响，并提高其搜集资料、应用计算机进行流程模拟、分析与思考解决实际生产问题及提高化工设计等能力，达到增强教学效果的目的。

Aspen Plus；化工原理；模拟计算

1 引言

化工原理作为化工类及相关专业学生所接触到的第一门具有工程特色的专业基础课程，几乎是化工类专业考研的必考课之一，在基础课和专业课之间起着承前启后、由理及工的桥梁作用，是学生建立工程概念接触到的第一门化学工程启蒙课，因此显得尤为重要。化工原理具有计算量大而复杂、理论性强以及密切联系工程实践的特点，因此，仅仅通过让学生完成课后作业和开展化工基本单元操作实验来教学，尚不能保证化工原理的实践教学效果，仍需进一步提高学生运用专业知识和理论来分析和解决化工生产过程中常见实际问题的能力。

近些年来，高校关于提高化工原理教学效率的研究越来越多，例如：韦晓燕［1］等人应用Aspen Plus通过对课程设计、实际的案例分析以及单元模块操作等阶段的具体训练，加深了学生对化工单元设计的理解；薛科创［2］探讨了Aspen Plus在化工设计中的具体应用，利用软件计算速度快、计算结果精确的特点，大大提升了化工设计效率；卢泽湘［3］等人研究了Aspen Plus在分离工程教学中的应用，使得课程教学能够更贴近于工程实践，并获得较好的教学效果；张毅博［4］等人将Aspen Plus应用于科研及化工教学中，有效实现了科研的发展和创新。

本文应用Aspen Plus，以精馏、传热为例来进行模拟分析，分析操作变量对整个单元操作过程的影响，同时对手算结果进行及时校验，从而进一步提高学生分析和解决化工过程实际问题的能力，达到增强教学效果的目的。

2 Aspen Plus在传热中的应用

换热器是用来改变物流热力学状态的传热设备。Aspen Plus提供了多种不同的传热单元模块，具体见表1。

换热器Heater可以用于模拟计算单股或多股进口物流，使其变成某一特定温度、压力或相态下的单股物流；也可以通过设定条件来求解已知组成物流的热力学状态。换热器Heater可以进行多种类型的计算和模拟，常见的有计算已知物流的泡点或露点、计算已知物流达到某一状态所必需的热负荷等。以Aspen Plus换热器Heater模块为例，模拟软件在传热中的应用。

【例】求压力为0.3 MPa，流率为220 kg/h，含水50%（质量分数）、含乙醇50%（质量分数）的混合物的露点和泡点。物性方法选择UNIQUAC。规定物流在换热器HEATER入口为饱和液相，出口为饱和气相。

建立如图1所示流程图，输入水和乙醇组分，选择UNIQUAC物性方法（见图2），输入进料条件（见图3），压力为0.3 MPa，气相分率为0（进料为饱和液相），流率为220 kg/h，其组成为含水50%（质量分数），含乙醇50%（质量分数）。闪蒸规定物性出口气相分率为1（出口为饱和气相），压降为0。输入完成进行模拟。

在result中查看相应的结果，得混合物在0.3 MPa压力下的泡点为386.15 K，露点为397.02 K。若单元操作条件发生任何改变，只需在数据输入中调整相关变量，重新模拟，相应的结果即刻就可以得出，非常方便快捷，可以及时观察变量改变对单元操作结果的影响。

图1 冷凝器流程图

表1 换热器单元模块介绍

表2 塔模块介绍

图2 物性方法选择界面

图3 冷凝器进料条件输入界面

3 Aspen Plus在精馏中的应用

Aspen Plus提供了DSTWU、Distl、RadFrac、Extract等分离单元模块，这些模块可以模拟蒸馏、吸收、萃取等过程；可以采用严格算法，也可以采用简捷算法；可以模拟普通精馏，也可以模拟特殊精馏，如萃取精馏、共沸精馏、反应精馏等，各个塔模块的介绍见表2。

DSTWU是多组分精馏的简捷设计模块，针对相对挥发度近似恒定的物系开发，用于计算仅有一股进料和两股产品的简单精馏塔。以Aspen Plus分离单元DSTWU模块为例，模拟软件在精馏中的应用。

【例】甲醇—水精馏塔的设计，进料量为水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，温度45 ℃，进料压力为110 kPa，塔顶为全凝器，回流比为最小回流比的1.3倍，塔的操作压力为100 kPa，要求塔顶甲醇的回收率为98.38%，塔顶水的回收率为5.16%。冷凝器压力为6 kPa，再沸器的压力为14 kPa，采用NRTL-RK物性方法。求实际回流比、理论板数、进料位置以及塔顶产品与进料的摩尔流率比。

图4 冷凝器模拟结果界面

图5 甲醇—水精馏塔工艺流程图

图6 物性方法选择界面

图7 精馏塔进料条件输入界面

建立如图5所示流程图，输入组分甲醇和水，选用NRTL-RK物性方法（见图6），输入进料条件（见图7），水90 kmol/h，甲醇45 kmol/h，温度45 ℃，进料压力为110 kPa，总流率为135 kmol/h。然后进行轻重关键组分及压力选项的输入，输入完成进行模拟。看相应的结果（图8），得到最小回流比为0.58，实际回流比为0.76，最小理论板数为5，实际理论板数为11，进料位置为第6块板，塔顶产品与进料摩尔流率比为0.3623。

同理，若改变操作参数，只需重新运行模拟，新结果即可得出。而且可参照实际理论板数对回流比的灵敏度分析曲线来帮助学生选择合适的回流比和理论板数，及时观察变量变化对单元操作结果的影响。

4 结语

图8 精馏塔模拟结果界面

Aspen Plus软件的模拟能够将化工原理复杂的计算过程用软件来实现，并能对具体化工生产过程进行模拟指导。Aspen Plus软件模拟出的工艺参数准确，由所得数据绘制的图表更加直观，且大大减少了人工计算的工作量，通过改变操作变量和灵敏度分析等手段，能使学生及时观察操作变量对单元操作过程的影响。将Aspen Plus模拟软件应用到化工原理的实践教学中，能够有效将理论联系到实际，激发学生学习化工原理的兴趣，提高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。■

［1］韦晓燕，谭军，胡万鹏，等.Aspen Plus软件在化工原理教学中的应用探索［J］.化工时刊，2012（6）:69-70.

［2］薛科创.Aspen Plus 7.3在化工设计中的应用［J］.安徽化工，2014（3）:44-45，47.

［3］卢泽湘，范立维，廖益强.Aspen Plus在《分离工程》教学中的应用［J］.福建农林大学学报:哲学社会科学版，2010（5）:106-108.

［4］张毅博，刘杨.ASPEN PLUS在化工教学及科研中的应用［J］.技术与教育，2015（1）:7-9，37.

G642.44

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1671-489X（2015）24-0173-03

作者：徐冬梅，博士，山东科技大学副教授，研究方向为化工分离工程、过程模拟与优化；王宏、李敏、高军、马小隆、张治山，山东科技大学（266590）。