Aspen Plus在煤化工专业实训中的应用实践与探索

秦玉珠，尹春花，邢成砚，王艳玲



Aspen Plus在煤化工专业实训中的应用实践与探索

秦玉珠[1]，尹春花1，邢成砚2，王艳玲1

（1. 黑龙江工业学院 环境工程系，黑龙江 鸡西158100；2. 河池学院 化学与生物工程学院，广西壮族自治区 宜州 546300）

把Aspen Plus引入煤化工专业实训，以煤制乙二醇为研究对象，对其工艺流程模拟、系统能量衡算和有效能分析等问题进行研究，构建煤制乙二醇流程系统分析和设计的基本框架．结果表明，把Aspen Plus引入煤化工专业实训不仅能够激发学生对煤化工实训的兴趣，让学生熟悉和掌握煤化工设计的基本原理和方法，并为培养更好、更为专业的煤炭深加工与利用专门人才开辟新的路径．

Aspen Plus；教学实践；煤化工专业实训

我国是以煤炭为主要能源的国家，随着中国能源安全问题日益严峻，煤化工已成为社会关注的热点并得到快速发展．近年来，随着人们环保意识的强化，要求企业大力开发煤炭清洁有效利用工艺[1]．煤制乙二醇是煤化工清洁生产的研究热点之一，寻求合适的煤制乙二醇工艺是解决我国能源问题的有效手段．

随着科技进步，计算机模拟软件的广泛应用使高校中的传统教学思想、教学方法和教学手段都面临着前所未有的挑战[2]．Aspen Plus作为当今流行的通用化工流程模拟软件，因其组件中含有丰富的、齐全的化工操作单元模型，可以进行关于精馏、吸收、换热和反应等各种通用化工过程的模拟计算[3]．煤化工专业实训课程是以适应煤化工生产人员岗前实训所开设的一门技能实训课程[4-6]．本文把Aspen Plus引入煤化工专业实训，以煤制乙二醇为研究对象，对其工艺流程模拟、系统能量衡算和有效能分析等问题进行了研究，构建煤制乙二醇流程系统分析和设计的基本框架，探讨Aspen Plus在煤化工专业实训中的应用．

1教学实践分析

黑龙江工业学院煤炭深加工与利用专科专业的培养方案中，主要在第3学期和第4学期开设专业基础理论课和专业课程，如化工原理、物理化学、化工设备机械基础、环保工程概论、煤炭气化工艺、炼焦化学产品回收与加工、煤液化技术和甲醇生产技术．煤化工专业实训课程是煤炭深加工与利用专业学生学完专业课程后所开设的一门综合性技能实训课程．煤化工专业实训的教学目的是：（1）掌握煤化工生产基本操作，较熟练地分析把握各个生产工艺指标；（2）熟悉掌握生产过程中基本设备的工作性能、工作原理和操作方法；（3）能正确地分析和解决生产过程中出现的一般异常现象；（4）了解煤化工生产的组织与管理体系；（5）确立正确的环保与节能意识，树立安全生产与文明生产的职业思想，具有科学的态度和实事求是的工作作风，要有创新精神．煤化工专业实训设计为校外参观工艺或校内撰写报告，本次专业实训在第一实验楼仿真实验室用化工流程模拟软件Aspen Plus设计一座煤制乙二醇分厂．通过对Aspen Plus软件的理论学习与上机实践，让学生掌握流体输送单元、传热单元和分离单元等单元操作的仿真设计和流程模拟；使他们从基础的单元模拟和计算机操作学习转向解决设计型和综合型的复杂问题；从化工设备机械基础、化工原理和物理化学课程等理论知识的学习转向工程实践能力的培养，最终达到培养学生综合运用专业理论知识和计算机技术解决实际工程实例问题能力的目的[7]．

Aspen Plus是一个功能强大的通用过程仿真软件，灵活掌握该软件有一定的难度．软件是全英文的操作界面，对学生专业英语的学习有很大帮助[8]．除此之外，为了使学生能在给定的时间内掌握软件的基本用法并利用有限的实训时间完成设计任务，学习典型的单元模块及其基本设置方法是非常必要的，如RStoic、Rplug和RCSTR反应器模块，flash2和sep分离器模块，pump和valve流体输送单元模块，DSTWU和RadFrac塔器模块，heater和heatX传热单元模块等典型单元模块．通过单元模块的仿真模拟，掌握软件的工作原理，学会分析仿真模拟结果．

2实训课题探究

实践探究以黑龙江工业学院2013级煤炭深加工与利用专业学生为实践对象，实践课题是为某企业设计一座煤制乙二醇分厂，截取甲醇与水分离工段为例（模拟流程图见图1），进料条件为：水的流率为90 kmol/h，甲醇的流率为45 kmol/h，温度65 ℃，压力110 kPa，精馏塔塔压为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%．确定精馏塔的理论板数、回流比和最佳进料板位置．

图1　精馏分离甲醇-水模拟流程图（DSTWU）

添加物流后即完成了基本的流程输入；从数据库中添加本模型所需的甲醇和水组分；物性方法选择NRTL-RK模型；定义进料物料流股，操作单元模块定义时初选回流比为最小回流比的1.3倍，输入流出物和塔釜液的产品回收率，即可完成数据输入，进行模拟．计算的物流结果见表1．最小回流比为0.58，最小理论板数为5块，进料板为第7块．

表1　精馏塔计算结果（DSTWU）

然后根据DSTWU简捷计算的结果设定模块参数，用RadFrac模块进行严格计算，运行完成后，点击Plot Wizard绘制塔内温度分布曲线（见图2），生成塔内液相质量组成分布曲线（见图3）．还可以通过灵敏度分析工具选择最佳进料板位置，进行优化设计．

图2　塔内温度分布曲线

图3　塔内液相质量组成分布曲线

3实践效果

以煤制乙二醇为研究对象，对其工艺流程模拟、系统能量衡算和有效能分析等问题进行了研究，构建煤制乙二醇流程系统分析和设计的基本框架．学生在实训中增长了知识与能力，并取得了丰富的成果．教学实践改革的优点是能够激发学生的主动性和创新性，因为以往的煤化工实训地点往往设在焦化厂、洗煤厂等企业，2个星期的工厂实习通常会流于表面，学生通常处于被动地位，并没有真正理解工厂各设备的设计精髓和运行原理．通过此次实践改革，学生的动手设计能力和创新能力得到了锻炼，学生敢于想象，勤于查资料，认真设计每个典型设备．教学实践改革缺点是由于学生没有实际的工厂操作经验，相关的流体或设备的设计经验值缺乏，技术参数的把握明显经验不足．实践结果表明，把Aspen Plus引入煤化工专业实训能够激发学生对煤化工实训的兴趣，加强了学生对煤化工基础理论和基本概念的理解，学生的动手设计能力和创新能力也得到了锻炼，从而为培养更好、更专业的煤炭深加工与利用专门人才开辟了新的路径．

[1] 陈世豪．基于ASPEN PLUS的煤气化模拟与有效能分析[D]．厦门：厦门大学，2012

[2] 秦玉珠，汪宁，孟令丽，等．计算机模拟在有机化学实验教学中的应用[J]．高师理科学刊，2014，34（2）：104-106

[3] 尹春花，秦玉珠．Aspen Plus在化工教学中的实践应用探讨[J]．牡丹江教育学院学报，2015（8）：97-98

[4] 荣俊锋，陈明功．煤化工专业实践教学改革浅析[J]．淮南职业技术学院学报，2014，14（2）：82-84

[5] 李立硕，马林，魏光涛，等．浅谈如何在化工设计课程中提高学生的设计能力[J]．化工时刊，2011，25（2）：64-65

[6] 孟献梁，褚睿智，苗真勇，等．以煤化工为特色化工类专业实习教学改革探索[J]．广州化工，2014，42（5）：150-151

[7] 曹俊雅，王光耀，朱凯，等．Aspen Plus在化工设计中的应用实践与探索[J]．新课程研究，2012，267：93-94

[8] 隋国哲，李金龙，贾丽华，等．化工设计教学改革的探讨[J]．高师理科学刊，2010，30（1）：115-116

Application and exploration of Aspen Plus in coal-chemical professional training

QIN Yu-zhu1，YIN Chun-hua1，XING Cheng-yan2，WANG Yan-ling1

（1. Department of Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Jixi 158100，China 2. College of Chemistry and Biological Engineering，Hechi University，Yizhou 546300，China）

Aspen Plus was introduced into coal-chemical industry professional training，with coal preparation of ethylene glycol as the research object，systematic energy balance framework of systematic analysis and design of coal preparation of ethylene glycol were discussed．Research shows that introducing Aspen Plus into coal-chemical industry professional training not only stimulates students′ interest in the coal-chemical professional training but also helps master the basic principles and methods of coal-chemical design．Therefore，it is useful to open up a new path for fostering better and more professional personnel of coal processing and utilization．

Aspen Plus；teaching practice；coal-chemical industry professional training

1007-9831（2016）02-0098-03

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.029

2015-11-28

黑龙江省高等教育学会科学研究课题（14Q197）

秦玉珠（1987-），女，安徽阜阳人，讲师，硕士，主要从事环境化学的研究．E-mail：qinyuzhu5233@163.com