鄭建東，徐　杰，陳綱領(lǐng)，王余杰，馬田林

(滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 滁州　239000)

化工原理課程主要研究化工生產(chǎn)中單元操作的基本原理及其設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作與調(diào)節(jié)，以傳遞過程原理和研究方法論為主線，研究各個(gè)物理加工過程的基本規(guī)律、典型設(shè)備的設(shè)計(jì)方法、過程的操作和調(diào)節(jié)原理。課程所講授的主要內(nèi)容為化工生產(chǎn)過程中的一些單元操作，主要以“三傳”為主線，即講授動(dòng)量傳遞為基礎(chǔ)的流體輸送、攪拌、非均相分離等單元操作；以熱量傳遞為基礎(chǔ)的傳熱、蒸發(fā)單元操作；以質(zhì)量傳遞為基礎(chǔ)的吸收、精餾、萃取、干燥等單元操作。講授課程過程中要有課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力、綜合分析和處理問題的能力，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)一般都是學(xué)生進(jìn)行手工計(jì)算得到結(jié)果，相對(duì)比較繁瑣復(fù)雜[1]。

AspenPlus軟件是美國(guó)麻省理工學(xué)院于20世界70年代開發(fā)的大型化工流程及模擬軟件，自推出以來就占據(jù)世界性大型化工標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件的重要地位， 已經(jīng)成為大型化工企業(yè)研發(fā)新工藝的首選模擬軟件。同時(shí)，也是相關(guān)化工高校教學(xué)環(huán)境中的必要教學(xué)輔助工具。該軟件能夠廣泛模擬流體輸送、精餾、吸收及化工反應(yīng)等絕大多數(shù)化工生產(chǎn)過程。Aspen P1us軟件在使用過程中最突出的優(yōu)點(diǎn)就可以模擬實(shí)際生產(chǎn)過程[2-4]。因此，目前許多高校為了培養(yǎng)在校大學(xué)生的工程技術(shù)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維技能，Aspen P1us軟件已經(jīng)得到了普遍廣泛的應(yīng)用。

Aspen P1us軟件主要包括三部分內(nèi)容：物性數(shù)據(jù)庫(kù)、單元操作和模塊分析。操作界面較為易懂，用戶使用起來方便靈活，數(shù)據(jù)輸入方便、直觀，所需數(shù)據(jù)均以填表方式輸入，系統(tǒng)自動(dòng)引導(dǎo)幫助用戶逐步完成數(shù)據(jù)的輸入工作[5-7]。備有全面、廣泛的化工單元操作模型庫(kù)，能方便地構(gòu)成各種化工生產(chǎn)流程，我們化工原理課程里面所涉及到的三傳都可以在Aspen P1us軟件進(jìn)行模擬[8]。同時(shí)實(shí)踐證明用Aspen P1us軟件對(duì)三傳單元操作進(jìn)行模擬，簡(jiǎn)捷可行又直觀。下面通過具體實(shí)例說明Aspen P1us軟件在化工原理課程教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。

1　在動(dòng)量傳遞單元操作中的應(yīng)用

例：一泵輸送流率為100 kmol/h的苯，苯的壓力為100 kPa，溫度為40 ℃。泵的效率是60%,電動(dòng)機(jī)效率是90%，特性曲線數(shù)據(jù)如表1所示。計(jì)算泵的出口壓力、泵提供給流體的功率及泵所需的軸功率各是多少。物性方法采用RK-SOAVE。

表1　泵特性參數(shù)

該題要計(jì)算離心泵的有效功率及軸功率，如果要計(jì)算的話，必須要首先根據(jù)數(shù)據(jù)繪制離心泵的特性曲線，然后才可以得到結(jié)果，同時(shí)還存在一定讀數(shù)誤差，應(yīng)用Aspen P1us軟件，選定一臺(tái)泵工作，輸入相應(yīng)的物性參數(shù)及單位，同時(shí)輸入泵本身的參數(shù)就可以得到結(jié)果。具體如圖1～圖4所示。很快就得泵軸功率為9.2kW。

圖1　單泵工作流程示意圖

圖2　輸入、輸出的單位、物性等基本參數(shù)

圖4　泵出口壓力及泵軸功率等計(jì)算結(jié)果

2　在傳熱單元操作中的應(yīng)用

例：模擬一個(gè)換熱器，熱物流苯流率未65800 kg/h、溫度為200℃、壓力為2.8MPa，冷物流正十二烷流率未222200 kg/h、溫度為40℃、壓力為1.4MPa，換熱完成后，苯冷卻至100 ℃。兩股物流逆流換熱，熱物流走殼程。求兩股物流出口狀態(tài)及換熱器熱負(fù)荷。

Aspen P1us軟件對(duì)于換熱器模擬，有Heater 和HeatX兩種模型，Heater 模型用于模擬單股或多股物流，使其變成某一特定狀態(tài)下的單股物流 ；而HeatX模型用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時(shí)的熱量交換過程，因此采用HeatX模塊對(duì)上述換熱器進(jìn)行簡(jiǎn)捷計(jì)算，選擇工藝流程，然后建立方法、輸入物性參數(shù)及換熱器模塊參數(shù)，指明殼程和管程流體，很快就得到結(jié)果。具體如圖5～圖8所示。

圖5　兩股物流逆流換熱流程示意圖

圖6　建立采用PENG-ROM物性方法

圖7　換熱器模塊參數(shù)輸入

圖8　物流及換熱器模擬結(jié)果

3　在傳質(zhì)單元操作中的應(yīng)用

例：冷凝器壓力為6 kPa，再沸器壓力為14kPa，進(jìn)料流量為12500 kg/h，溫度為45 ℃，壓力為101.325 kPa，質(zhì)量組成為乙苯0.5843，苯乙烯為0.415，焦油0.0007(焦油為正十七烷)，塔頂采用全凝器，回流比為最小回流比的1.2倍，要求塔頂產(chǎn)品中乙苯含量不低于99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，塔底產(chǎn)品中苯乙烯含量不低于99.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。求最小回流比，最小理論板數(shù)、實(shí)際回流比、實(shí)際理論板數(shù)、進(jìn)料位置以及塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料摩爾流率比，生產(chǎn)回流比隨理論板變化表并作圖。

常規(guī)對(duì)于這樣計(jì)算理論塔板的題目都要用圖解法或者逐板計(jì)算法，但是工作量較大，過程繁瑣而且比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)誤差。用Aspen P1us軟件實(shí)施，就比較簡(jiǎn)單。首先建立如圖9所示的工藝流程圖，選擇單元模塊區(qū)中“Columns(塔)”下的“DSTWU(簡(jiǎn)捷法)”模塊。之后輸入組分?jǐn)?shù)并建立分析方法，常用PENG-ROM物性方法。然后按照要求輸入進(jìn)料條件及塔模塊參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，最后系統(tǒng)開始計(jì)算，計(jì)算完成后，點(diǎn)擊“Results Summary’’查看計(jì)算結(jié)果，如圖9～圖13所示?？梢钥吹皆谠摲蛛x要求下的最小回流比為4.26；實(shí)際回流比為5.11；最小理論板數(shù)為34.59；實(shí)際所需理論板數(shù)為64.87；加料板位置為24.94。并且使用 Aspen 軟件中靈敏度分析工具，進(jìn)行靈敏度分析，考查回流比和塔板數(shù)之間的關(guān)系，很直觀地看出生產(chǎn)回流比與理論塔板數(shù)的變化曲線。

圖9　乙苯-苯乙烯-焦油精餾塔工藝流程圖

圖10　建立采用PENG-ROM物性方法輸入組分界面

圖11　輸入進(jìn)料條件及精餾塔模塊參數(shù)界面

圖12　精餾塔模擬結(jié)果輸出一覽表

圖13　回流比隨理論板變化的關(guān)系圖

4　結(jié)束語(yǔ)

化工原理是由理論到工程實(shí)踐過程中具有承上啟下作用的過渡課程，從 Aspen Plus 模擬軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用看出，Aspen Plus 模擬軟件能把化工原理中復(fù)雜的過程計(jì)算用計(jì)算機(jī)軟件來計(jì)算，而且能模擬出化工生產(chǎn)的過程。把 Aspen Plus 軟件應(yīng)用到化工原理教學(xué)中，可以理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生看到的都是實(shí)際的工程實(shí)例，這樣,不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以促進(jìn)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，提高教學(xué)效率，為教學(xué)改革開辟新的路徑?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分高校都已經(jīng)涉及到該軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，尤其是在工科院校。我們滁州學(xué)院近些年來，通過引入Aspen P1us軟件的學(xué)習(xí)，已經(jīng)取得初步的成效，學(xué)生在各類化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽取得了一定成績(jī)，今后將繼續(xù)加大學(xué)習(xí)，借助AspenPlus軟件這一高效化工軟件，為化工原理的教學(xué)和綜合人才培養(yǎng)加油助力，培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的應(yīng)用型人才，提高我國(guó)化工專業(yè)的整體發(fā)展水平。