基于AspenPlus在化工工艺学教学中的应用*

唐新宜

(广东药科大学医药化工学院，广东省化妆品工程技术研究中心，广东　中山　528458)



基于AspenPlus在化工工艺学教学中的应用*

唐新宜

(广东药科大学医药化工学院，广东省化妆品工程技术研究中心，广东中山528458)

化工工艺学是一门理论与生产相结合的课程。本文讨论了化工流程模拟软件Aspen与化工工艺学教学的关系，将AspenPlus流程模拟软件逐步引入到化工工艺学实践教学中，加深了学生对化工生产工艺的理解，并提高了学生利用工具解决实际问题的能力。引入AspenPlus软件作为化工工艺学教学辅助工具，能使教学更接近实际生产过程，拓宽了学生的视野。

化工工艺；AspenPlus；教学实践

化工工艺学是高校化学工程与工艺专业的重要专业必修课，该课程以典型化工产品生产工艺为主要内容，具有较强的工程应用和理论的背景。课程要求学生从原理、工艺流程、操作参数、典型设备等方面掌握产品生产的各个重要环节，并把理论结合到工业生产中。此外，课程还要求学生掌握操作单元，反应工程，热力学和仪表及自动化等相关课程知识，并且综合运用已学的知识，因此化工工艺学属于同时具有理论性与实践性的课程。近年，计算机仿真技术广泛应用于各类专业课的教学中，如张卫等[1]将MathCAD软件应用于“无机与分析化学”课程教学中。利用MathCAD软件强大的计算与绘图功能，使学生更直观地理解抽象的概念及原理，有效地提高课堂的教学效果。丁雪等[2]对化工热力学课程教学进行改革，将AspenPlus应用于教学中，效果较为明显。徐舒等[3]以海水淡化蒸发器的应用为例，把Fluent软件应用到课程的教学中，提高了课程的实用性和学生的学习积极性和主动性，同时拓宽了学生视野。

计算机仿真技术，如AspenPlus，Fluent等模拟软件的应用有效地提高了实践课程的趣味性，生动地展示了复杂且枯燥的课程内容，逐渐成为了高校课程教学改革的重要趋势[4-6]。本文将结合“化工工艺学”课程的特点和学生学习本课程的实际情况，阐述如何把Aspen软件引入到“化工工艺学”课程的教学实践中。下文分别以换热器单元、分离单元、反应器单元以及工艺流程模拟为例介绍其应用。

1　Aspen软件与化工工艺学

AspenPlus是一款功能强大的集化工设计、核算和优化于一体的大型通用流程模拟软件，广泛用于设计院和大型化工企业，是由物性数据库，单元操作模块和工具模块等主体部分构成，具有对工艺过程进行严格的物料质量和能量平衡计算、预测物流的流率组成及性质、预测操作参数和设备尺寸、工艺优化等功能。该软件的理论基础是以“三传一反”和化工热力学为核心的化工基本理论为依据。化工工艺学课程是从化工产品生产流程角度出发，阐明生产的化学反应原理和相关设备工作原理和特点，介绍典型产品的生产工艺如石油一次加工，催化裂化，催化重整，合成气和硫酸等化工过程及产品的生产方法与原理、流程与关键设备、操作条件分析与节能降耗的措施。在化工工艺的实践教学中充分应用AspenPlus软件辅助教学，不仅具有形象生动、紧密联系工业生产的特点，而且还能有效提高学生学习的积极性和主动性。将化工工艺学课程同AspenPlus软件相结合，旨在强化学生工程应用的能力。为化工相关专业的学生在正式步入工作岗位之前打下坚实的计算和理论基础，因此有必要对相关的实际工业生产作充分的介绍。

2　Aspen软件在化工工艺学实践教学中的应用

换热器单元、分离单元、反应器单元是化工生产工艺流程中比较重要且常见的操作单元，而化工工艺过程模拟的实质是对整个流程建立物料平衡，能量平衡，相平衡等方程，通过对上述方程进行求解，最后得到各物流组分性质数据的过程。因此，学生学习完该课程后，完全有能力在软件上进行简单的操作，对所学的工艺进行核算和优化。以下以化工工艺过程中常见的换热器单元、分离单元、反应器单元和典型工艺流程模拟为例作介绍。

2.1换热器单元模拟

换热器是一种能够实现两种物料进行热量交换的设备，也是化工生产过程的通用设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11%～40%[7]。换热器模型类型较多，在这里介绍常用的简单换热器模型，可通过设定条件来求解物料的出口温度或换热器的换热面积，热负荷等参数。图1为Aspen中简单换热器流程一般连接图。

图1　简单换热器一般流程连接图

换热器单元模块在Aspen软件中需输入的工艺参数及物性参数，可在换热器的工艺参数Specification界面(图2)中进行操作，主要有计算类型、流动方式和换热器参数如温差，压降等几个方面的设定。

图2　换热器模块HeatX的Specification界面

在设定流动方式时，可对两股流体流动方式如逆流，顺流进行选择。在换热器设计的原则中，流体同时走管程和壳程[7]。换热器的计算类型可分为核算型和设计型。学生在初学时对类型的选择分不清楚，比较模糊。同时学生在设定参数时，对各种参数的定义也存在错误的认识，尤其所有操作界面均为英文，学生对专业英文的词汇比较缺乏。因此需要强化学生在操作单元方面和专业英文方面的认识。参数输入完毕方可进行运算。计算完成后可在Result查看换热器的计算结果，主要结果包括有冷/热物料出口温度、冷/热物料出口压力、换热器热负荷等参数。

换热器几乎应用到所有的化工产品工艺中，如物料的预热，冷却，工艺过程的余热回收等。把Aspen软件中的换热器模块引入课程中，可让学生对工艺流程中换热器进行核算和模拟，使学生增加对换热器计算的认识和提高基本理论的水平。

2.2分离单元模拟

在石油的一次和二次加工工艺中，分馏塔是重要的分离设备。在传统的理论课堂中难以通过课件或口述的形式将分离过程的工艺设计和设备计算讲解透彻，因而将精馏塔模块引入工艺学的课堂中是有必要的。Aspen中精馏塔的简捷设计模块DSTWU的连接图如图3所示。DSTWU模块是多组分精馏的简捷设计模块，采用Winn-Underwood-Gilliland方法进行精馏塔的简捷设计计算。该模块的作用是在未知回流比，理论塔板数的情况下，为达到给定的分离要求对精馏塔进行初步的计算设计。DSTWU模块计算精度不高，不能作为流程计算的最终结果，只能作为逐板计算法的参考值或估算值。工艺参数输入界面如图4所示，塔工艺参数设定，包括塔板数和回流比；冷凝器和再沸器的压力；关键组分的设定和冷凝器类型的设定，共四组工艺参数的设定。

图3　DSTWU模型的连接示意图

图4　DSTWU模块参数设定界面

通过DSTWU模块的学习可以加深学生对精馏塔计算的理解，提高软件操作的能力。

2.3反应单元模拟

反应器是化工工艺中重要且必不可少的设备。在各种化工生产中，化学反应的不同特性，反应器的类型和操作方式都会对工艺的设计或计算结果有较大的影响，AspenPlus根据不同的反应器形式，提供了七种不同的反应器模块，包括热力学和动力学的反应器(图5)。

图5　Aspen Plus中反应器模块示意图

2.4工艺流程模拟

环丁砜萃取分离芳烃工艺在化工工艺学课程中是重要的内容，如图6所示。其作用是利用芳烃和非芳烃在溶剂中的溶解度不同的原理进行分离[8]。在整个工艺流程中涉及的设备较少，有利于使用Aspen软件辅助教学。由于学习工艺学的学生都是第一次接触Aspen软件，因此模拟案例涉及的设备尽量简单易懂。指导学生模拟流程时，先让学生学习使用简单的设计规定，计算时一般采用系统默认设置。当学生逐步深入掌握各类模块，可以使用一些工具模块如优化器，反馈控制器和灵敏度分析法等做一些简单的优化或设计，进一步加深对软件的掌握和工艺学课程的理解。

图6　环丁砜萃取分离芳烃流程图

3　结　语

通过将AspenPlus软件引入化工工艺学课堂，使得化工工艺学课堂的实用性和趣味性得到提高，使得典型的化工工艺流程以及化工工艺单元在AspenPlus软件中得到体现，并且还将实际案例应用于模拟设计中，使课程紧密贴近实际化工过程。通过学生自己的动手操作，以及设计完成后的数据处理，可以使得学生对实际的化工工艺流程有一定的了解，开阔了学生的视野，提高了学生的学习积极性，也为毕业后学生踏入工作岗位打下坚实的基础。

[1]张卫,马荔,陈虹锦等.MathCAD软件在“无机与分析化学”课程教学中的应用[J].化学教育,2015,4: 59-63.

[2]丁雪,刘熠斌,宋春敏等.AspenPlus在化工热力学教学中的应用[J].广州化工,2014,42(18): 225-226.

[3]徐舒,金如聪.Fluent软件在计算流体力学课程教学中的应用[J].课程教育研究,2013,12:61.

[4]王彩红,林雄超,董敏等.AspenPlus在化工实验教学和科研中的应用[J].化工时刊, 2019,23(6): 73-75.

[5]胡大乔,宋林勇. “分离工程”课程教学改革的探索与实践[J].池州学院学报,2013,27(6): 138-140.

[6]曹俊雅,王光耀,朱凯等.AspenPlus在化工设计中的应用实践与探索[J].新课程研究(中旬刊),2012,08: 93-94.

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

[8]吴指南. 基本有机化工工艺学[M]. 北京: 化学工业出版社,2012.

Application of Aspen Plus in the Practical Teaching of Chemical Technology*

TANG Xin-yi

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangdong Pharmaceutical University, Guangdong Cosmetics Engineering & Technology Research Center，Guangdong Zhongshan 528458, China)

ChemicalTechnologyisaratherpracticalcourse.TherelationshipbetweenAspenPlussoftwareandChemicalTechnologywerediscussed.AspenPlussoftwarewasintroducedintheteachingofChemicalTechnologycoursetostrengthentheunderstandingofChemicalEngineeringcoursesandimprovethehands-onandimplementingabilityofthestudents,whichmadetheteachingclosertoengineeringpracticeandbroadenthestudents’visualfield.

ChemicalTechnology;AspenPlus;teachingpractice

2015年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目之应用型人才培养示范专业：化学工程与工艺(序号24)。

唐新宜(1978-)，男，讲师，主要从事化工工艺学课程的教学工作。

TQ03-3

A

1001-9677(2016)013-0174-03