应用Aspen plus辅助化工单元操作实践教学的探索

刘巧玲

摘 要：针对化工单元操作实习教学环节中学生不能动手实践的难题，以实习基地实际生产过程为背景，应用Aspen plus构建化工过程虚拟工厂。虚拟工厂提供实际生产过程相一致的仿真环境，使学生获得“动手”操作的工程实践训练；虚拟工厂提供了创新实践平台，学生创新设计可以得到应用和检验，培养学生创新实践能力。

关键词：单元操作 实践教学 Aspen plus

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0167-02

Abstract： Combined with the actual production process， the practical production process was simulated by using computer simulation to solve the problems of the students no hands-on practice in practice teaching. Instead of the actual production model， in the simulation environment the students can obtain effects witch is consistent with that of the operation in practice to develop students ability of engineering practice and innovative design. The simulation of virtual space is open， providing an improved optimization and innovative design platform， to develop student creative and practical ability.

Key Words： Practice teaching； Computer simulation； Aspen plus； Chemical process

企业综合实训是化工专业本科教学的必修实践教学环节，目的是使学生在专业理论课程学习的基础上，通过实践活动理论联系实际，巩固和丰富专业知识，获得实践体验和锻炼[1-3]；通过实践训练提高学生调查研究、观察问题、分析问题和解决问题的工程实践能力，也为完成毕业设计奠定基础。然而，化工生产过程工艺介质多具有一定的毒性、腐蚀性和易燃易爆性，具有操作过程复杂、操作周期长和存在危险性等特点。受实际生产条件的限制，化工专业企业综合实训，大多只能进行简单的观察，难以获得动手操作机会，达不到预期的教学目的。在计算机内的虚拟空间仿真生产现场构建虚拟工厂，在计算机上再现实际生产过程，提供与实际生产过程相一致的“动手”操作虚拟空间，学生在与仿真环境交互作用过程中，获得与真实的实践活动相同或相似的训练。以实习基地的实际生产装置为背景，利用Aspen plus软件构建虚拟工厂，在计算机上再现实际生产过程，提供与实际生产过程相一致的“动手”操作虚拟空间，学生在与仿真环境交互作用过程中，获得与真实的实践活动相同或相似的训练。本文以吸收单元设备的仿真为例，介绍利用Aspen pluss辅助化工单元操作实践教学的方法。

1 虚拟工厂的构构建的构造

1.1生产流程建立

Aspen plus软件包括单元设备模块、物性数据库和物性算法等，通过“操作者”输入单元设备的操作条件，运用序贯法进行计算所需的物流数据和单元设备参数，并根据要求输出数据[4-5]。以实习基地异丁烯精制工艺装置的实际生产过程为背景，在Aspen plus环境下构建仿真流程如图1所示。来自前一工序裂解反应物由底部进入甲醇吸收塔（T-102），甲醇精制工序的甲醇吸收用水循环使用和新鲜水由顶部进入T-102吸收裂解气中的甲醇，吸收后的液相甲醇水溶液的自T-102塔底经E-104冷却后循环回T-102塔中段，少部分甲醇水溶液进入甲醇精制工序。粗异丁烯在T-102塔顶排出，经烃压缩机C-101升压后，由冷凝器E104将气态烃冷凝为液态烃，进入异丁烯脱轻塔T-203进行吸收。粗异丁烯中的轻组分在T-203塔顶轻排放。

1.2 单元操作模拟

计算机模拟再现了实际生产过程，在仿真生产环境下，学生得到与实际生产过程相一致的动手操作和处理异常问题能力的训练。本文以甲醇吸收单元操作为例，探索Aspen plus辅助化工单元操作实践教学的方法。

根据异丁烯吸收塔详细结构参和现场操作原始记录，选用PENG-ROB方程对单元设备进行模拟和修正，使之与实际生产过程一致，以真实再现实际生产过程。流程计算涉及的9 种组分，如表1所示。输入异丁烯精制单元设备操作参数，如物料组分、流量和循环量，操作温度、压力等参数，启动仿真运算程序，模拟结果收敛，再现实际生产过程。为训练学生对生产过程中出现的异常问题的处理能力，模拟实际生产过程，人为加入干扰，如物料组分的变化、操作参数的波动等，模拟生产过程异常及事故工况，学生依据所学的理论知识和现场获得的操作经验，按照操作规程对生产过程进行调節。

1.3 生产过程分析

计算机模拟环境为学生提供了仿真操作和生产过程调优的平台。利用Aspen plus提供的灵敏度分析功能，根据所学的理论知识对生产过程分析，研究操作条件、设备结构变化对生产过程的影响，寻求最佳的操作工况，并在计算机模拟环境中实现和检验优化结果。以新鲜水量和循环吸收用水量对甲醇吸收塔T102塔顶气相中甲醇含量影响的灵敏度分析的为例，介绍在模拟环境中对吸收单元操作进行调优实训。

图2和图3分别为塔顶气相物流中甲醇浓度随新鲜水量、循环水量变化的趋势。由图2可以看出，增加新鲜水流量，可以显著地降低T-102塔顶气相中的甲醇含量。但水是不可再生资源，通过增加新鲜水量来降低提高甲醇吸收精度是有限的，新鲜水量应取适当的值。由图3可知，随着循环流量的增加，甲醇浓度也快速降低，随着循环流量的增加浓度降低速率减小。由于现装置泵的输送能力和塔尺寸本身的限制，也不能无限制地增加循环吸收用水流量，当前操作的循环吸收用水流量为1300 kg/hr。将流量增加到2600 kg/hr，甲醇浓度会降低到0.65wt%。

2 结语

（1）仿真教学用概念模型代替真实的物理模型，将Aspen plus仿真技术应用于实践教学环节，对实际系统无破坏性，具有安全、经济等特点。

（2）Aspen plus模拟流程，为学生提供了一个计算机虚拟生产环境，学生可以获得“动手”操作的机会，培养学生的工程实践能力。

（3） Aspen plus流程模拟环境为学生提供了创新设计的平台。学生通过灵敏度分析改进工艺和设备设计，并在计算机模拟环境中实现，激发学生创新意识和兴趣。

参考文献

[1] 亓鲁刚，付罡，吕文祥.流程工业虚拟工厂的实现技术探讨[J].化工进展，2012，244（1）：233-239.

[2] 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，2013，335（14）：208-209.

[3] 黄荣金.基于虚拟工厂的实训教学[J].交通职业教育，2013，186（6）：6-7，17.

[4] 韦晓燕，谭军，胡万鹏.Aspen Plus软件在化工原理教学中的应用探索[J].化工时刊，2012，300（6）：69-70.

[5] 王帅，钟宏，金一粟普.Aspen Plus在化工专业教学中的应用[J].化工时刊，2010，272（2）：67-70，73.endprint