Aspen Plus软件在《化工设计》中的教学应用

李 静，王克良，李 志，李 琳，连明磊,叶 昆

(1.六盘水师范学院 化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004；2.中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司,河北 任丘 062552)

教育与培训

Aspen Plus软件在《化工设计》中的教学应用

李 静1，王克良1，李 志1，李 琳1，连明磊1,叶 昆2

(1.六盘水师范学院 化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004；2.中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司,河北 任丘 062552)

以萃取精馏为例，将Aspen Plus软件应用于《化工设计》中的教学中。以水为萃取剂精馏分离丙酮和甲醇共沸物，通过灵敏度分析工具，考察了萃取剂进料量和回流比对分离效果的影响。实践表明，采用Aspen Plus软件，可以弥补传统教学的不足，学生能够更够有更直观地工程认识和观念,进一步提高了学生解决工程问题的能力。

化工设计；Aspen Plus；萃取精馏

《化工设计》课程是培养学生工程能力和创新能力的核心课程之一，强化培养学生的工程能力和创新能力[1]，是化工专业综合性最强的一门课程，基本涵盖和运用了所用主干课程，指导本科生如何将理论知识与工程实践相结合。化工设计实践性强，涉及到的知识面多，过程复杂，增加计算机软件辅助教学，可以提高学生的学习兴趣，简化繁杂的手算过程，提高教学成效[2-3]。化工设计的教学内容包括了工艺流程设计、物料衡算和能量衡算、设备的工艺设计及化工设备图等，这些和目前设计院、工程公司对就业人才的要求是完全契合的。

计算机软件种类繁多，目前用于化工流程模拟的主要有Aspen plus、ProⅡ、Chem CAD以及HYSYS等[4]。目前设计院用的比较多的是Aspen plus流程模拟软件。因此在传统的教学中，引进计算机软件，既能够提高学生对这门课程的兴趣，又能够培养企业所需要的化工工程师。

1 工艺流程模拟-以萃取精馏为例

丙酮和甲醇均是常用的有机溶剂，但是在常压下丙酮和甲醇会形成共沸物，共沸温度为55.3℃，共沸组成为：丙酮的质量分数为0.86，甲醇的质量分数为0.14[5]。采用普通精馏无法将二者有效分离，因此采用乙二醇作为萃取剂精馏萃取精馏分离。

以乙二醇为萃取剂精馏分离丙酮-甲醇共沸物，工艺流程如图1所示。丙酮-甲醇共沸物从萃取精馏塔中部进料，萃取剂乙二醇从塔顶进料，经过萃取分离后，塔顶为丙酮，塔底为甲醇和乙二醇混合物，接着进入萃取剂再生塔进行分离，塔顶为乙腈品，塔底为乙二醇萃取剂，经过器降温冷却后返回萃取精馏塔循环利用。

已知固定变量为：共沸物进料流量为100 kg/h，共沸组成进料，萃取精馏塔塔全塔理论塔板数35块，原料进料位置为第20块，萃取剂进料位置为第3块。可调变量为萃取剂进料量以及萃取精馏塔内回流比。

图1 萃取精馏工艺流程图

2 可调变量分析

2.1 萃取剂进料量

工艺条件为：全塔理论板数(35块)、原料进料位置(第20块)、萃取剂进料位置(第3块)。分析了萃取剂进料量10～200 kg/h范围内对萃取精馏塔塔顶丙酮的质量分数(wD)、再沸器热负荷和冷凝器热负荷的影响见图2。可以看出，随着溶剂比增大，wD先急剧增大后由逐渐减小，萃取剂进料量为20 kg/h时达到最大。冷凝器热负荷的变化趋势则是刚好相反，萃取剂进料量为20 kg/h时最小，再沸器的热负荷则是一直在增大。综合确定萃取剂进料量为20 kg/h。

图2 萃取剂进料量的影响

2.2 最佳回流比

工艺条件为：全塔理论板数35块、原料进料位置(第20块)、萃取剂进料位置(第3块)、萃取剂进料量为20 kg/h。利用灵敏度分析工具，分析了回流比对分离效果的影响，结果如图3所示。

随着回流比的增加，再沸器和冷凝器的热负荷均呈现线性增加的趋势，萃取精馏塔塔顶丙酮的质量分数先急剧增大，当回流比大于2.5后，wD基本不再变化。回流量过过或过少都会影响分离效果，这是因为如果回流量过多，会稀释塔内的萃取剂浓度，降低分离效果，如果回流量过少，萃取剂进入塔顶会降低馏出物丙酮的纯度。因此，确定最佳回流比为2.5。

图3 回流比的影响

3 结论

(1)将Aspen Plus流程模拟软件引入《化工设计》的教学应用中，可以弥补传统教学的不足，既能够提高学生对这门课程的兴趣，又能够培养企业所需要的化工工程师。

(2)利用Aspen Plus软件模拟了以水为萃取剂精馏分离丙酮-甲醇共沸物的过程，考察了可调变量萃取剂进料流量以及回流比对分离效果的影响。通过模拟计算，学生能够有更直观地工程认识和观念,进一步提高了学生解决工程问题的能力。

[1] 陈声宗.化工设计[M].北京:化学工业出版社,2012.

[2] 许新乐,徐世爱,杨基础,等.化工设计课程群教学模式的改革与探索[J].化工高等教育,2014,31(6): 37-39.

[3] 候文顺.化工设计概论[M].北京:化学工业出版社,2012.

[4] 刘 垚,韩志慧,刘红伟,等.计算机软件辅助下的化工设计课程教学内容的补充与实例[J].广东化工,2016,43(14):248,255.

[5] 杨 斌.离子液体用于丙酮-甲醇共沸体系分离的汽液相平衡行为研究[D].北京:北京化工大学,2014.

(本文文献格式：李 静，王克良，李 志，等.Aspen Plus软件在《化工设计》中的教学应用[J].山东化工,2017,46(11):145-146.)

Application of Aspen Plus Software in Chemical Engineering Design Course

LiJing1,WangKeliang1,LiZhi1,LiLin1,LianMinglei1,YeKun2

(1.Department of Chemistry and Chemical Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China；2.North China Company,China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Renqiu 062552,China)

Taking extractive distillation as an example, Aspen Plus software was used in in the course of chemical engineering design. The separation of acetone and methanol azeotrope using water as extractant was studied. The effects of the amount of solvent feed and reflux ratio on the separation were investigated by sensitivity analysis. It shows that Aspen Plus software can make up for the shortcomings of traditional teaching. Students can understand the project effectively and further enhance the ability of solve engineering problems.

chemical engineering design;Aspen Plus; extractive distillation

2016-11-07

贵州省教育厅教学内容与课程体系改革项目(GZSJG10977201604)；贵州省科技厅联合基金项目(黔科合J字LKLS[2013]27号)；贵州省教育厅重点科研项目(黔教合KY字[2014]282)；贵州省普通高等学校煤系固体废弃物资源化技术创新团队(No:黔教合人才团队字[2014]46号)；贵州省教育厅特色重点实验室项目([2011]278)；贵州省煤炭资源清洁高效利用科研实验平台(黔科平台[2011]4003)

李 静(1986—)，女，河北石家庄人，讲师，工学硕士，主要从事化工传质与分离研究。

G642

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1008-021X(2017)11-0145-02