Aspen Plus在化工原理实验教学中的应用

杨宇轩

摘 要：在传统的化工原理实验教学基础上，将通用流程模拟软件Aspen Plus有目的、有步骤地应用于化工原理的实验教学中。文章以实验题目筛板精馏塔分离乙醇-正丙醇混合液为例，分别阐述传统的实验教学方法及利用Aspen Plus中的简捷模块和严格计算模块对该分离过程进行模拟和设计。通过将Aspen Plus与传统的化工原理实验相结合，可以使同学们增强学习兴趣，加深对化工单元操作的理解，提升教学效果。

关键词：化工原理实验；Aspen Plus；精馏塔

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）14-0112-03

Abstract： Based on the traditional method of experimental teaching of Chemical Engineering Principle， the general process simulation software Aspen Plus has been used to the experimental teaching with a certain purpose and step by step. This paper shows the processes of the traditional method of experimental teaching and the application of DSTWU and RadFrac within the Aspen Plus in process simulation and design through the example of the separation of ethanol-n-propyl alcohol mixture with the Sieve plate distillation column. The combination of Aspen Plus and the traditional experiments of chemical engineering principle can increase students' interest， deepen the understanding of chemical unit operations and improve the teaching effect.

Keywords： experiment of chemical engineering principle； Aspen Plus； distillation column

一、概述

化工原理是化學化工相关专业的一门重要基础课程，与生产实际紧密联系，一般开设在大学的基础化学课程之后，目的就是让学生在掌握了基础化学知识后通过化工原理课程的学习能够建立起“工程”概念，这对于学生以后的工作和学习都具有重要意义。化工原理实验[1，2]则是一门以化工单元操作过程原理和设备为主要内容、以处理工程问题的实验研究方法为特色的实践性课程，是理论课与化工生产的纽带，是知识转化为化工生产力的重要依据。意在培养学生的工程能力，创新思维和创新能力。但是由于化工原理实验的数据处理通常涉及大量的概念、公式、复杂的计算以及绘图工作，部分学生会因此望而生畏，对实验数据处理产生排斥，也有部分同学虽然做了大量的计算工作，但是由于其中公式错误或者计算方法错误导致最终结果出错，不能反映其规律，从而达不到化工原理实验课的教学目的。

近年来，计算机的快速发展，尤其是通用流程模拟软件的开发越来越完备促使我们创新化工原理实验课程的教学方法。Aspen Plus是目前应用比较广泛的通用流程模拟软件之一，该软件是在七十年代后期由麻省理工学院开发的，经过多年的发展，现在的Aspen Plus软件已经具有完备的数据库和物性模型参数，对化工原理中的绝大多数单元操作都可以进行模拟，而且其含有很多分析工具[3]。将该模拟软件应用于化工原理的实验教学中，可以使学生更好的理解单元操作过程，获得更准确的计算结果，同时可以应用设计规定及灵敏度分析对结果进行分析讨论，而且掌握了Aspen Plus软件，学生可以不再局限于以前的对某一个设备的具体操作，可以自己进行设计甚至可以完成全工艺流程的模拟。在化工原理实验课前让学生先利用Aspen Plus完成相应的流程模拟，以流程模拟辅助传统的化工原理实验课程的学习，不仅能够提升学生的学习兴趣，而且能够加深理解，强化工程判断能力，进而实现更好的教学效果。作者将以化工原理实验课程中的筛板精馏塔实验为例说明Aspen Plus在化工原理实验教学中的重要意义[4，5]。

二、化工原理实验-筛板精馏塔实验

目前正在開设的筛板精馏塔实验是乙醇-正丙醇混合液的分离，主要是让学生了解板式精馏塔的结构、操作和分离原理。具体实验过程（以部分回流为例）：

1. 设置进料量2L/h，回流比设置为4，同时打开塔顶塔底出料阀，接收塔顶塔底馏出液。

2. 塔内操作稳定一段时间，记录塔顶塔釜温度，取塔顶、塔底及进料样品利用阿贝折光仪进行分析读取折光率，通过查表得到相应组成，数据如表1所示。

3. 绘制乙醇-正丙醇二元体系的T-x-y图查得泡点温度

4. 绘制y-x图，根据塔顶、塔底及进料的样品组成绘制梯级求出理论塔板数NT，求出总板效率。

作者通过实验教学中的观察及学生实验报告的批改中发现大部分同学基本可以完成实验及后续的数据处理，但是存在以下问题：很多同学只是按照讲义进行操作，不会对该分离过程进行深入思考，部分数据计算存在问题，而且绘制的相图误差较大，缺乏深入的分析及完成分离单元设计的思想。

三、Aspen Plus辅助精馏塔实验教学

[例]1.绘制出乙醇-正丙醇二元体系的T-x-y及x-y图；2.含乙醇54.15%（摩尔比）、正丙醇45.85%（摩尔比）的混合物（流率F=2L/h、压力P=0.12MPa、温度T=19.5℃）用简捷精馏塔DSTWU（塔压0.1MPa）分离，要求87%的乙醇从塔顶排出，90%的正丙醇从塔底排出，采用全凝器。求Rmin，Nmin；分析回流比与塔板数，确定合理的理论板数和回流比。3.利用严格精馏模块对该分离过程进行模拟，并对全塔操作工况进行分析。

（一）乙醇-正丙醇二元体系相图的绘制

在Aspen Plus界面中选择Template，组分中输入乙醇、正丙醇，选定物性方法，选择Tools→Analysis→Property→Binary→Txy，即可以得到乙醇-正丙醇的T-x-y图，如图1所示；选择Plot Wizard→y-x，即可以得到乙醇y-x图，如图2所示。

（二）精馏塔的设计

利用简捷精馏DSTWU根据分离要求进行模拟，按照题目要求输入流股信息，在精馏塔模块B1中输入初始回流比20以及轻重组分的回收率，建立模拟流程图如图3所示，运行全塔模拟得到最小回流比Rmin，最小理论板数Nmin。然后在成功模拟基础上，设定一个塔板数范围，最小值设为Nmin，本例中选择塔板数变化范围7-20，绘制回流比与塔板数的曲线图如图4所示。

（三）结果分析

利用简捷精馏初步计算得到最小回流比1.1，最小理论板数7，进料板位置5。在该流程模拟基础上，绘制出回流比与塔板数的关系图，如图4所示，回流比随着塔板数增加会先降低后趋于稳定，合理的理论板数应在曲线斜率绝对值较小的区域内选择，故针对该流程最终确定回流比1.3，理论板数14，进料板位置9。将上述参数输入到Aspen Plus中的严格精馏模块RadFrac模型中进行模拟，可以获得结果简汇、分布剖形、流股结果，最终的数据结果导出至excel如表2所示，分布剖形给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及流股流量、组成和物性，通过结果分析同学们会对精馏塔内的操作工况建立更加直观深刻的认识。

四、将Aspen Plus应用于化工原理实验方案

通用流程模拟软件Aspen Plus不仅可以用于精馏操作的模拟，还可以完成混合、闪蒸分离、精馏塔、反应器以及加熱加压等单元操作，而且学生可以在掌握各个模块的设计模拟后进行全工艺流程的模拟设计。但是由于Aspen Plus涉及复杂的操作参数设置，因此需要学生先建立基本的模拟概念，掌握基本知识才能顺利完成模拟工作。具体方案如下：

1. 學生在学习了化工原理课程后，先进行初步的Aspen Plus模拟软件的学习，掌握各个组分信息的输入、模块的选择及参数设置，尤其是物性参数的选择，合理的物性选择是进行成功模拟的前提条件，必要时还需要对物性参数进行修正；

2. 学习Aspen Plus的模型分析及优化工具，如灵敏度分析及设计规定，通过这些分析手段掌握各个操作单元的工况信息变化规律，深化对理论知识的理解，同时建立起优化的概念；

3. 设计与目前已经开设的化工原理实验课相对应的模拟练习题目，让学生进行实验前可以通过Aspen Plus的模拟训练对实验题目所涉及的单元操作及原理有一定理解，从而做到在具体的实验中能够有的放矢，不再只是按照讲义进行操作，注重实验现象的观察、分析及数据的处理；

4. 完成系列模拟课程的学习及训练后选择一个设计题目，包含所有已经学习过的模块的模拟，借此让学生完成全流程的模拟，而且可以在此基础上利用Aspen Plus自带的分析优化工具对工艺参数进行优化，进而将化工原理的理论知识应用于实践。

五、结束语

将Aspen Plus应用于化工原理的实验教学中，让学生在进行实验之前先进行相应操作单元的模拟，能够提升学生的学习兴趣，使学生对相关的原理知识有更加深刻的认识，而且合理的模拟结果可以避免学生在实验及数据处理中缺乏正确引导，给出数据结果偏差较大，不能够达到以实验加深理论理解的效果。化工原理实验课程实践性及工程性很强，传统的实验教学可以让学生对化工单元操作及设备有直观的认识，辅以Aspen Plus可以让学生对工艺流程及原理有更深刻的认识，两种教学方法相互辅助可以加强学生的“工程”概念，提升教学效果。

参考文献：

[1]张治山，李桂杰.浅谈流程模拟软件在化工原理教学中的应用[J].化学工程与装备，2008（4）：142-143.

[2]刘保柱，于凤文，朱菊香.Aspen Plus应用于化工原理课程设计的实践[J].化工高等教育，2007（2）：23-25.

[3]孙兰义，张月明，李军，等.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.

[4]宋伟，李朝艳，徐雪丽.Aspen Plus在化工设计教学中的应用[J].科技资讯，2013（14）：208-209.

[5]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.