Aspen Plus在化工分离工程教学中的应用

杨靖，郑建东，王余杰，徐杰



Aspen Plus在化工分离工程教学中的应用

杨靖，郑建东，王余杰，徐杰

（滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州 239000）

化工分离工程是化学工程与工艺专业的一门专业技术课程，具有很强的应用性和工程性．在培养应用型人才的目标下，从化工分离工程课程内容中的相平衡方程、分离单元、分离流程和操作条件等几方面做了一些探索，将Aspen Plus应用于化工分离工程教学中，提高了学生学习的积极性和化工分离工程的教学效果．

化工分离工程；Aspen Plus；教学方法

Aspen Plus是一款由美国麻省理工学院于20世纪70年代开发的大型化工工程模拟软件，操作简单，工程性与应用性突出[1]．近年来，该软件逐渐在应用型本科院校推广，用于培养学生工程意识和解决实际工程问题的能力．化工分离工程是化学工程与工艺专业的一门专业技术课程，是用来研究分离过程中分离设备共性规律，解决工程中分离、提纯问题的一门重要课程，也具有很强的应用性和工程性[2]．因而，比较来看，化工分离工程与Aspen Plus具有很大的共性[3]（见表1）．因此，将Aspen Plus应用于化工分离工程的教学是可行的．

表1　化工分离工程与Aspen Plus的共性

本文主要在培养应用型人才的目标下，从化工分离工程课程内容中相平衡方程的建立、分离单元的计算、分离流程和操作条件的确定与优化等几方面分别探讨如何将Aspen Plus应用于化工分离工程教学中，以取得满意的教学效果．

1　Aspen Plus应用于化工分离工程课程教学的内涵

1.1相平衡方程与物性系统相结合

化工分离工程大多知识点都是关于传质分离过程中的平衡分离，其原理是依据各组分在两相中的分配关系差异去实现各组分的分离．而要量化这种分配关系的差异，就要建立相平衡方程[4]．其建立可采用状态方程法和活度系数法．这些方法中的方程大多复杂，如二元溶液的Wilson方程：，符号多，公式复杂，学生难免会失去学习的信心．如果采用Aspen Plus软件的物性分析功能，只需在Components表格中输入组分，在Properties中选择Wilson方程，即可在Tools/Analysis/Property/Binary中查看到相平衡关系．甲醇-水在101.325 kPa下的--汽液平衡相图见图1．由图1可见，可以获取该压力不同温度下甲醇和水在汽液两相中的组成，通过Binary analysis results中的Plot Wizard功能还可以作出-，-等汽液平衡相图，整个过程非常直观易懂，学生学起来也不会感到困难，可以增强学习的信心．

图1　甲醇-水在101.325 kPa下的T-x-y汽液平衡相图

1.2分离单元与单元模块库相结合

化工分离工程一般根据分离单元（如闪蒸、精馏、吸收和萃取等）分配章节，主要讲述了各分离单元的共性问题以及各分离单元的过程分析和计算方法．如关于闪蒸计算的例题：某液体混合物含苯0.6（摩尔分数，下同），甲苯0.25和对二甲苯0.15，在101.300 kPa，100 ℃下闪蒸，试计算汽液相组成和汽化率．一般常规方法是先设定初值，再进行迭代（见图2），过程繁琐，有时工作量会很大．当学生对此类题目进行计算时，难免觉得工作枯燥繁重，不禁对化工分离工程课程失去兴趣．

图2　等温闪蒸计算流程

如果运用Aspen Plus软件进行计算，只需绘制流程图（见图3），并根据题目要求填写进料条件和闪蒸条件，即可运算出结果（见表2）．由表2可见，通过软件模拟计算与常规试差计算的结果相差无几，但软件模拟相对操作简单，运算较快，避免了常规方法的繁琐过程，从而更能突出化工分离工程魅力．

图3　等温闪蒸模拟流程图

表2　等温闪蒸计算结果

1.3分离流程和操作条件与流程模拟和参数优化相结合

分离流程和操作条件的确定与优化应当是化工分离工程课程中应用性最强，工程性最显著的内容．然而，由于这部分内容计算量大、过程复杂，传统的教学方法需要学生自己编程进行设计计算，这样就增大了教学难度，需要教师和学生具有较高的计算机编程能力[5]．在以往这部分内容的教学过程中，教师一般只是简单介绍，从而淡化了这门课程的工程性质．而结合模拟软件进行讲解，如甲醇和乙腈加压-常压分离工艺，通过Apen Plus可以非常容易地搭建工艺流程（见图4）；运用Design Specs/Vary功能[6]，可以自动调整精馏塔操作参数（如塔顶采出与塔进料摩尔比），使得产品纯度达到质量要求；而采用灵敏度分析可以很直观地看出理论板数、进料位置和回流比对精馏塔再沸器热负荷的影响，从而方便对工艺参数进行优化．加压塔（T1）回流比对加压塔和常压塔（T2）再沸器总热负荷（Q）的影响见图5．由图5可见，一共进行了100次计算，整个过程实际持续时间不到1 min，但效果非常明显．学生很容易就能选择出该工艺下的最佳工艺参数，从而降低了教学难度，强化了课程的工程性质．

图4　甲醇和乙腈加压-常压分离工艺流程

图5　加压塔回流比对再沸器总热负荷的影响

2　存在的问题和改进措施

通过走访2011级和2012级化学工程与工艺专业的学生发现，引入Aspen Plus后，学生更愿意学习化工分离工程，也更容易掌握课程中的知识内容，但也反映出了一些问题．

2.1缺乏软件知识，初期教学进度缓慢

引入Aspen Plus模拟软件，将复杂的问题简单化，提高了教学效率，重新丰富了课程的教学内容．但往往在课程教学初期，教学进程非常缓慢，多数学生反映学习较为吃力．通过调查发现，主要原因是学生缺乏Aspen Plus基础知识．因此，针对这一情况，在化工分离工程开课的前一个学期增设了Aspen Plus软件实训课程，以辅助化工分离工程课程教学．

2.2过分依赖软件，忽略基础理论知识

运用Aspen Plus模拟软件，可以将相平衡关系表现的直观，将分离过程的计算变得简便．因此，难免会有部分学生对Aspen Plus产生依赖心理，从而忽略了对基础理论知识的学习和掌握．针对这一问题，可以采取如下措施：（1）教师在平常的教学过程中不应频繁运用Aspen Plus，避免教师自身对模拟软件产生依赖心理；（2）工作量不是很大的分离过程计算（如精馏的简捷计算），不能缺少手算内容的讲解，从而可教会学生如何运用基础理论知识；（3）课后部分作业可规定学生必须手算解答，从而强制学生运用基础理论知识进行计算．

3　结束语

化工分离工程是一门应用性和工程性较强的专业课，引入工程模拟软件Aspen Plus，可以将复杂繁琐的问题简单化，提高了教学效率和学生的学习兴趣；升华了课程的工程性质，培养了学生的工程意识；锻炼了学生解决实际问题的能力，增强了学生今后的社会竞争力．

[1] 郑建东，徐杰，冯建华，等．Aspen Plus在化工专业课程教学中的应用[J]．高师理科学刊，2016，36（3）：87-89

[2] 刘家祺．分离过程[M]．北京：化学工业出版社，2002：1-5

[3] 孙兰义．化工流程模拟实训——AspenPlus教程[M]．北京：化学工业出版社，2012：2-3

[4] 朱靖，刘永光．化工分离工程教学改革与实践[J]．河北理工大学学报：社会科学版，2011，11（3）：100-102

[5] 刁显珍．提高“化工分离工程”课教学质量的探索[J]．重庆科技学院学报：社会科学版，2014，1（4）：163-164

[6] 张季亮，王峰，彭伟才，等．分离碳酸二甲酯和甲醇的常压-加压精馏工艺流程的模拟[J]．石油化工，2010，39（6）：646-650

Application of Aspen Plus in the teaching of chemical separation engineering

YANG Jing，ZHENG Jian-dong，WANG Yu-jie，XU Jie

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

Chemical separation engineering is one important technology course for chemical engineering and technology talent．The course is applied and has been based on engineering background．In order to cultivate high-quality application-oriented talents，with the application of Aspen Plus in the teaching of chemical separation engineering，some research has been done about equilibrium equation，separation unit，separation process and operation condition．The results showed that the application of Aspen Plus could enhance students' enthusiasm and improve teaching effect．

chemical separation engineering；Aspen Plus；teaching method

1007-9831（2016）09-0087-03

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.09.025

2016-07-02

安徽省高校省级质量工程项目（2014zjjh042，2014zy072，2015jxtd040）；国家级大学生创新创业项目（201510377016）

杨靖（1987-），男，安徽滁州人，助教，硕士，主要从事精细化工工艺方面的研究．E-mail：yjnjut126@126.com