Aspen Plus在化工专业课程教学中的应用

郑建东1，徐杰，冯建华，杨靖



Aspen Plus在化工专业课程教学中的应用

郑建东1，徐杰，冯建华，杨靖

（滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州 239000）

为了培养学生的工程实践能力，将Aspen Plus软件应用于化学工程与工艺专业课程教学．介绍了Aspen Plus软件在课堂教学中的应用，从而提高学生对化工专业课程的理解能力，增强学生的工程意识，有助于学生学习兴趣的提高．

Aspen Plus；化工原理；分离工程

随着我国经济快速发展，化工行业对化工工程技术人才的工程实践创新能力要求不断增高．大多数工科毕业的学生都将从事工程技术行业，如何体现工程技术人员的创新应用能力，已经成为毕业生关注的问题．而如何培养大学生在校期间的创新能力，包括新产品的工艺开发，新流程和新装置的的工艺设计等内容，已成为工科专业院校的办学新思路[1]．

Aspen Plus软件在使用过程中最突出的优点就是可以模拟实际生产过程．因此，目前许多高校为了培养大学生的工程技术能力和创新思维技能，已广泛地应用Aspen Plus软件．

1Aspen Plus软件介绍

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，它几乎能满足大多数化工设计及生产计算的要求，其计算结果得到许多同行的认可[2]．该软件由麻省理工学院化工系有关教授组织了一个由高等学校和企业部门各方人员参加的开发小组，集中进行新一代化工流程模拟系统的开发，于1979年初开发成功Aspen（Advanced System for Process Engineering），并投入使用[3]．它被用于化学和石油工业、炼油加工、发电、金属加工、合成燃料和采矿、纸浆和造纸、食品、医药及生物技术等领域，在过程开发、过程设计及企业的改造设计中发挥着重要的作用．尤其在近些年，中国化工学会、中国化工教育协会、教育部高等学校化学工程与工艺专业教学指导分委员会在中国石化和三井化学公司的冠名赞助下举办“中国石化-三井化学杯”大学生化工设计竞赛，要求所有的参赛学生必须应用Aspen Plus软件进行工艺流程设计．可见，应用型人才培养对Aspen Plus软件在课程教学的重视程度已经达到了必须的要求．

Aspen Plus软件主要包括3部分内容：物性数据库、单元操作和模块分析．它的操作界面较为易懂，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．

软件数据包里有不断更新且完备的物性数据库，具有物性数据回归、自选物性及数据库管理等功能．

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，如化工原理课程里所应用到的精馏和吸收工艺流程[4-5]，反应工程里所涉及的各种反应器都可以在Aspen Plus软件进行模拟[6]．同时，Aspen Plus软件提供了一些重要的模拟分析工具，还可以对一些工艺过程进行强大的流程分析与优化功能，如流程优化、灵敏度分析、设计规定及工况研究等．其还具有技术经济估算系统，可以进行设备投资费用、操作费用及工程利润估算．

2Aspen Plus软件与化工专业课程教学结合实例

通过对Aspen Plus软件的学习，将其中部分内容运用到课堂教学中，并通过实例说明该软件的实用性．

例1化工原理课程：甲醇与水的混合溶液，甲醇∶水=2∶3，进料温度为40 ℃，压力为1.01×105N/m，流量为1 000 kg/h，确定该物流的泡点温度（露点温度）．

计算泡点温度的常规算法是利用两组分的饱和蒸汽压和总压，然后根据进料摩尔组成，在一定范围内进行试差法（计算步骤见图1）．计算过程繁琐，同时还存在误差．

用Aspen Plus软件进行计算，过程就比较简单，2 min就可以得到结果．首先绘制流程图，见图2．选择单元模块区中“Seperator（分离器）”下的“Flash2（闪蒸）”模块．之后将鼠标移到流程区单击，在流程图区域内将出现一个分离器．然后再将鼠标移到物流、能流区，并单击，这时将在塔图形上出现需要连接的物流，连接进出该分离器的物流．

然后，点击菜单栏里的“N→”，按照要求输入相关数据，最后系统开始计算，计算完成后，可以点击“Results Summary”查看计算结果（见图3）．可以看到泡点温度为79.49 ℃，与试差计算相差无几．同时也可以再次打开前面的工艺流程图，通过设置可以看到带有数据显示的工艺流程图（见图4）．

图5　苯-甲苯精馏过程

例2分离工程课程：对于分离工程教学中经常会遇到类似的问题，例如：用一常压操作的连续精馏塔，分离含苯为0.44摩尔分数的苯-甲苯混合液，要求塔顶产品中含苯不低于0.975摩尔分数，塔底产品中含苯不高于0.023 5摩尔分数．操作回流比为3.5．试用Aspen Plus计算原料液为20 ℃的冷液体时的理论板层数和加料板位置．

此题一般用图解法（见图5）或者逐板计算法，对于图解法必须画出操作线和进料线；而对于逐板计算法又要重复运用操作线方程和平衡线方程进行多次计算，过程繁琐而且比较复杂，容易出现误差．

用Aspen Plus软件实施，就比较简单、迅速，几分钟就可以解决问题．首先绘制流程图（见图6）．选择单元模块区中“Columns（塔）”下的“DSTWU（简捷法）”模块．之后将鼠标移到流程区单击，在流程图区域内将出现一个塔．然后再将鼠标移到物流、能流区并单击，这时将在塔图形上出现需要连接的物流，连接进出该精馏塔的物流．

然后点击菜单栏里的“N→（下一个）”，按照要求输入相关数据，最后系统开始计算，计算完成后，可以点击“Results Summary”查看计算结果（见图7）．可以看到在该分离要求下的最小回流比为1.12，最小理论板数为8.17，实际所需理论板数为10.43，加料板位置为6.32．

Aspen Plus软件在反应器设计、工艺流程的优化等方面都有着很好的应用．鉴于该软件的应用范围比较广泛，同时实用性能比较良好，因此现在国内大部分高校，尤其是在工科院校的化学工程与工艺专业学生都已经涉及到该软件的学习和应用．

3结束语

Aspen Plus模拟软件能把专业课程教学中复杂的过程计算用计算机软件来完成，而且能模拟出化工生产过程．把Aspen Plus软件应用到化工专业课程教学中，可以将理论联系实际，学生看到的都是实际的工程实例，这样不仅能提高了学生的学习兴趣，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．

[1] 李利军，劳国瑞．Aspen工程软件在化工过程工艺开发中的应用[J]．化学工业与工程技术，2010，31（2）：54-57

[2] 倪帅军，曹俊兴，孔繁津，等．ASPEN PLUS在甲醇加压精馏塔中的应用[J]．安徽化工，2008（3）：31-32

[3] 张春勇，郑纯智．Aspen Plus软件在化工原理教学中的应用[J]．江苏技术师范学院学报，2010（1）：78-81

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

[5] 王贤书．Aspen Plus在制药化工原理汽液平衡教学中的应用[J]．广东化工，2011（13）：186-188

[6] 王彦飞，朱亮，杨立斌，等．Aspen Plus应用于反应工程教学的实践[J]．广东化工，2011（9）：187-188

Application of Aspen Plus in the teaching of chemical engineering major

ZHENG Jian-dong，XU Jie，FENG Jian-hua，YANG Jing

（School of Material and Chemical Engineering，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China）

In order to raise the student's practical ability，apply Aspen Plus to the courses teaching．Introduced the application of Aspen Plus in the teaching of course of chemical engineering major．The results shows that the application of Aspen Plus can deepen students' understanding of chemical engineering course and increase engineering consciousness of students．At the same time it can enhance the students's interests of learning．

Aspen Plus；chemical engineering principle；separation engineering

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.025

2015-12-28

安徽省教育厅质量工程项目（2014zjjh042，2015sjjd024，2015jxtd040）

郑建东（1971-），男，河南南阳人，教授，博士，主要从事工业催化方面的研究．E-mail：zjd071@126.com