仿真软件Aspen Plus 在化工原理实验教学中的应用研究

谭凤玉，李 松，李开云，王克良，李 琳，李 志

（六盘水师范学院，化学与材料工程学院,贵州 六盘水 553004）

1 概述

化工原理课程主要讲述包含在三种传递过程之内的诸多单元操作，如流体输送、传热、精馏、吸收、萃取等[1]。课程中涉及不少关于单元操作的计算，并且这些计算有一定的复杂性。Aspen Plus 的单元模块与化工原理课程中的单元操作的思想基本相同，都是将一些操作过程的共性抽象出来进行数学建模，从而解决过程计算问题[2-3]。化工原理实验是将化工原理理论知识转化为实践操作的桥梁，具有较强的工程应用性。化工原理实验课程重视工程基本概念和基本理论，主要研究各种典型单元操作过程中的基本原理及常用设备的构造，设备选型及工艺计算[4]。随着我校向应用型高校转型发展，着力于培养应用型人才和工程师，在教学过程中发现，传统的教学方法和内容无法满足社会对应用型人才的要求，因此，需要不断改革教育手段和教学方法，更新教学内容，使之与人才培养模式相协调发展。

Aspen Plus 是20 世纪70 年代由MIT（麻省理工学院）开发的，已成为大型化工企业首选的通用流程模拟软件，目前已被相关高校化工专业作为必要的教辅工具。该软件基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程模拟软件。它为用户提供了一套完整的单元操作模型，包括分离单元、流体输送机械单元、换热器单元等，可用于模拟各种单元操作，完成从单个单元操作到整个工艺流程的模拟，其中最突出的优点就可以模拟实际生产过程[5-8]。因此，目前许多高校为了培养学生的工程技术、创新实践能力，将Aspen P1us 软件引入到课堂教学，得到了广泛推广。

2 塔设备单元模拟实验

化工原理实验是继理论知识学习完成之后的一个重要事件环节，通过化工原理实验教学，不仅能够加深学生对理论课堂中所学过的化工原理的理解，以及对单元操作典型设备的感性认识，而且能培养学生的实验技能，弥补课堂理论教学中的不足，增强学生的工程意识[9]。我院现有的虚拟仿真实验室建设于2012 年，主要针对化工相关专业开设流程模拟实验、化工原理实验等。以塔设备单元模块的流程模拟为例，实验目的是掌握精馏塔的简捷、严格设计与校核单元的基本概念和具体操作步骤；掌握设计变量、灵敏度分析、计算模块的应用，并完成塔设备单元的过程模拟与分析。

实验任务：设计精馏塔分离乙苯-苯乙烯，混合物的进料量为12500kg/h，进料温度42/℃，压力101.325kPa；进料质量分数为乙苯0.5843，苯乙烯0.415，焦油0.0007（用正十七烷表焦油）；回流比R=1.2 Rmin，冷凝器压力6 kPa，再沸器压力13 kPa，塔顶全回流。分离要求：塔顶产品中乙苯质量分数≥99%，塔底产品中苯乙烯质量分数≥99.7%。

2.1 绘制乙苯-苯乙烯体系相图

在Aspen Plus 界面中选择Template，组分中输入乙苯、苯乙烯，选定物性方法PENG-ROB方程，选Tools→Analysis→Property→Binary→T-x-y，即可以得到乙苯-苯乙烯的T-x-y 图，见图1 所示。

图1 乙苯-苯乙烯的T-x-y 图

2.2 简捷塔DSTWU 设计

在Aspen Plus 界面中按照实验要求，输入各股物流信息，在精馏塔DSTWU 模块中建立模拟流程图（图2），输入相关数据，运行得到结果见图3，并绘制回流比与塔板数的关系图（图4）。

图2 DSTWU 模拟流程图

图3 简捷精馏设计单元模拟结果图

图4 回流比与理论板数关系曲线

2.3 严格塔RADFRAC 设计

Aspen Plus 软件的严格精馏模块RADFRAC模型中，建立模拟流程图（图5），将DSTWU 模拟结果输入，运行得到塔内液相质量组成分布曲线图（图6）、塔内温度分布曲线图（图7）、不同理论板数时再沸器热负荷随进料位置的变化图（图8）。

3 教学效果评价

图5 DSTWU 模拟流程图

图6 塔内液相质量组成分布曲线

图7 塔内温度分布曲线

图8 不同理论板数时再沸器热负荷随进料位置的变化

仿真软件Aspen Plus 不仅可以用于精馏单元设备操作，还可以用于吸收、反应器、闪蒸等单元操作。在Aspen Plus 应用于化工原理实验教学过程中，主要从以下几点进行教学改进：

1）开设化工原理课程的同时开设化工原理实验课。化工原理实验课的内容与理论课同步，实验课的内容从基础型-仿真模拟-应用型-设计型四个层次逐步提升。

2）Aspen Plus 流程模拟涉及参数、操作较为复杂，学生在学习的过程中先学习基本的理论知识和简单的操作模块的模拟设计，掌握模拟的基本概念后才能完成完整的工艺流程模拟。

3）学生学习Aspen Plus 的过程应循序渐进，从模块的选择、组分的输入、进料条件、物性方法的选择及修正等基础操作，到灵敏度分析、单元模块设计规定等工况分析，应逐步深化理解理论知识，达到流程优化设计的效果。

4）根据化工原理课程上下册对应的单元操作，结合现有实验装置设备，设计与理论知识对应的Aspen Plus 仿真模拟实验项目，使得学生对化工原理实验所涉及的单元操作及实验原理等有效地学习。在具体的实验操作中学习目标明确，并有针对性地分析和解决遇到的问题。

5）完成基础验证型、仿真模拟及综合应用型实验后，进行设计型实验。设计型实验的内容包含所学的基本单元模块，学生可以独立完成全流程的模拟，利用Aspen Plus 软件对工艺参数进行优化设计，将化工原理理论知识融入实践操作。

4 结语

化工原理实验是一门对工程观点和实践技能要求较高的课程，单一的实验操作对单元设备装置有直观的认识，但不能全面锻炼学生分析解决实验过程中遇到问题的能力。通过Aspen Plus 与化工原理实验的有机结合，传统的教学方法不断得到改进，学生学习积极性大幅提高，可以增强学生工程技术能力，提高教学效果[10]。理论知识分册对应化工原理实验项目的设计，使学生从理论知识到实际操作的过程紧密衔接；Aspen Plus单元模块操作入门到高级分析，使学生从简单操作到全流程模拟得到全面提升；仿真模拟实验到创新设计型实验的逐步深入，加之正确的Aspen Plus 软件模拟数据，学生学以致用，可以指导学生正确操作，在实践中加深对理论知识的理解，增强学生解决工程问题的能力。