Aspen Plus在《化学反应工程》课程教学中的应用

王晓娟

摘要：将Aspen Plus软件应用于《化学反应工程》课程，能够让学生直观地认识化学反应器的工程特性，提高学习兴趣和教学质量。

关键词：化学反应工程；Aspen Plus；流程模拟

《化学反应工程》是高等学校化工专业学生的必修课，通过讲授化学反应动力学、化学反应器中的传递特性、化学反应器的类型和结构、数学建模方法、理想反应器的设计和选型分析等，完成化学反应器的工作原理的研究。

《化学反应工程》课程教学的理论性和实践性强，多媒体技术虽能通过文本、图形、视频等信息丰富学生的知识领域，但也仅能使学生通过数学计算了解理想反应器的物料衡算。而对于内部的物质和能量流动状态难以真实描述的真实大型化学反应器，则因数学模型的参数多、计算量大、公式复杂等因素，无法直接计算。而通过流程模拟，不仅能够对反应器的模型理论进行验证，还能够理解理想模型与非理想模型间的差别，对反应器有更加深刻的认识。

Aspen Plus是一款集化工设计、生产调优、设备或工艺改造等计算于一体的流程模拟软件，具有完备的物性系统、完整的单元操作模型库、快速可靠的流程模拟功能等，其反应器模型库包含了《化学反应工程》重点讲授的间歇釜式反应器（BR）、平推流反应器（PFR）和全混流反应器（CSTR），模块的计算方法包含理想方程和化工热力学涉及的非理想方程，满足反应器的设计计算要求。

Aspen Plus也是广泛应用于我国设计院所和企业部门中的流程模拟软件，通过在《化学反应工程》课程中引入软件的学习，不仅能夠使学生理解专业知识如何应用于实际工程工艺，还能够提高学生的专业技能、拓宽学生的就业范围、参与国际竞争，成为具备良好的应变能力的高级专门人才。

一、 Aspen Plus反应器模块库

Aspen Plus的动力学反应器有CSTR、PFR和BR，能够在已知化学反应式、动力学方程和平衡关系的情况下，计算出所需的反应器体积、所能达到的转化率、反应时间以及反应器热负荷。

为了对比反应器的出口物料差异，选择计量反应器（RSTOIC）作为连续反应器的对照对象，其中主要对比CSTR和PFR的出口物料差异，从工程计算的角度，说明化学反应工程这门课程对化学工程与工艺专业学习的重要性。

二、 动力学反应器的模拟比较

以相同的反应物进料为基础，对RSTOIC、CSTR、PFR进行模块设定，通过Aspen Plus模拟，进行出口物料的比较。

1. 流程模拟简述

三种反应器中均进行如下可逆反应：

CH3COOH（A）+C2H5OH（B）CH3COOC2H5（C）+H2O（D）

动力学方程为：

正反应R1=1.9×108exp（-E/RT）CACB；逆反应R2=5.0×107exp（-E/RT）CCCD，E=5.95×107J/kmol。

三种反应器的进料相同，A、B、C、D四种物料的进料量分别为186.59、192.6、0、8.892 kmol/h，进料温度为70℃，进料压力为0.1013 MPa。流程模拟所选用的热力学方程为NRTL-HOC。

反应器的设定中，各反应器的反应温度为70℃，反应压力为0.1013 MPa。其中RSTOIC的乙醇转化率为70%；PFR的长度为2 m，内径为0.3 m；CSTR的体积为0.14m3。

2. 运行结果比较

Aspen Plus流程模拟参数设定完成即可运行，并输出结果，结果如表1所示。

从表1的乙酸乙酯摩尔流率可知，RSTOIC>PFR>CSTR，这是因为计量反应是一类按化学计量系数进行反应且转化率能达到100%的反应。

三、 结论

Aspen Plus对可逆反应在不同反应器中的物料模拟结果表明，计量反应器的转化率最大，而全混流反应器的转化率最小，这一结果符合化学反应工程中理想反应器的基本原理。通过流程模拟，不仅能从数据上直观地展示不同类型反应器的差异，增强学生的工程意识，还能够让学生接触化工行业的大型软件，利于学生的就业和职业发展。

参考文献：

[1].余国琮，李士雨，张凤宝，等.化工类专业创新型人才的培养——“化工类专业创新人才培养模式、教学内容、教学方法和教学技术改革的研究与实施”项目成果简介[J].化工高等教育，2006，23（1）：8-11.

[2].王广全，李肖华，张智亮.Aspen Plus软件在化工原理课程设计中的应用[J].化工高等教育，2015，32（2）：60-63.endprint