李成帥, 姚媛媛

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院, 山東 東營(yíng) 257061)

精細(xì)化工過(guò)程及設(shè)備課程是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生的一門主干課程, 是建立在高等數(shù)學(xué)、 物理化學(xué)、 化工原理、 精細(xì)化工工藝學(xué)等課程知識(shí)基礎(chǔ)上的一門重要專業(yè)課程。 隨著化工行業(yè)的迅速發(fā)展, 精細(xì)化工過(guò)程及設(shè)備在現(xiàn)代化工及相關(guān)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越重要[1]。

在新工科的形勢(shì)下, 根據(jù)學(xué)校教育教學(xué)改革精神以及應(yīng)用型本科學(xué)校對(duì)應(yīng)用化學(xué)人才培養(yǎng)的要求, 學(xué)校對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)不能在停留在課程講解, 而應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。 尤其是我們學(xué)校所在地東營(yíng)市精細(xì)化工型企業(yè)非常多, 而我們培養(yǎng)的學(xué)生目的在于服務(wù)當(dāng)?shù)仄髽I(yè), 能否培養(yǎng)出合格的學(xué)生服務(wù)于東營(yíng)企業(yè)顯得非常重要。 根據(jù)企業(yè)的反饋以及學(xué)生就業(yè)后部分反饋發(fā)現(xiàn), 學(xué)生就業(yè)后不能快速融入企業(yè), 迅速適應(yīng)工作內(nèi)容, 與我們課程內(nèi)容停留在理論的講解, 忽略了企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況有直接關(guān)系, 因此課程有必要適當(dāng)改革以滿足企業(yè)需求和學(xué)生的培養(yǎng)。

因此在現(xiàn)有課程內(nèi)容的講解的基礎(chǔ)上, 將化工常見的軟件CAD 和Aspen Plus 應(yīng)用到課程中, 增強(qiáng)學(xué)生的工程認(rèn)識(shí)。 CAD是目前廣泛應(yīng)用的繪圖軟件[2], 在企事業(yè)單位中廣泛應(yīng)用, 學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)使用CAD 繪制工藝流程圖, 一方面增加了對(duì)軟件的熟悉程度, 另一方面增加對(duì)工藝流程的理解, 加深對(duì)課程的認(rèn)識(shí)。 Aspen Plus 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù), 常見的物質(zhì)性質(zhì)都可以查詢到, 對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在的物質(zhì)也可以進(jìn)行物性的估算[3]。 目前已經(jīng)有大量的教學(xué)研究將Aspen Plus 應(yīng)用于化工專業(yè)的課程中, 并取得了較好的效果[4-5]。 把Aspen Plus 化工流程模擬軟件引入到《精細(xì)化工過(guò)程及設(shè)備》課程教學(xué)中進(jìn)行課程內(nèi)容的講授, 可使課程教學(xué)更加形象生動(dòng), 緊密聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn), 提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[6]。

本文以精細(xì)化工生產(chǎn)中常見的化工原料順丁烯二酸酐生產(chǎn)工藝流程[7]為例, 將化工軟件CAD 和Aspen Plus 為例應(yīng)用于于其中, 提高學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)知。

1 苯氧化制順丁烯流程介紹

苯經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)后與空氣混合, 進(jìn)入熱交換器, 然后進(jìn)入列管式固定床反應(yīng)器, 在催化劑作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 產(chǎn)物得到順丁烯二酸酐, 二氧化碳和水; 反應(yīng)物為氣體, 然后再經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝后進(jìn)入吸收塔T1, 吸收塔采用鄰苯二甲酸二甲酯為吸收劑, 經(jīng)過(guò)吸收之后塔底得到鄰苯二甲酸二甲酯循環(huán)利用, 塔頂廢氣排出。 T2 為溶劑回收塔, 塔底為精制后的鄰苯二甲酸二甲酯, 塔頂為順丁烯二酸酐和水進(jìn)入T3。 T3 為精餾塔, 經(jīng)過(guò)精餾分離之后塔頂為水, 塔底為純度大于98%的順丁烯二酸酐。

1.1 CAD-工藝流程圖

根據(jù)流程的特點(diǎn), 借助CAD 將苯氧化制順丁烯二酸酐流程繪制出來(lái), 如圖1 所示。 通過(guò)圖1 我們可以清楚到看到對(duì)于此過(guò)程可以分成: 反應(yīng)階段、 分離階段。 反應(yīng)階段主要包括從物料進(jìn)入, 苯和空氣經(jīng)過(guò)壓縮之后輸送進(jìn)入到反應(yīng)器中, 反應(yīng)完成后進(jìn)入分離處理階段。 分離階段包括三個(gè)塔, T1、 T2、T3。 具體設(shè)備參數(shù)后文。

圖1 苯氧化制順丁烯二酸酐流程圖Fig.1 The process of the oxidation of benzene to maleic anhydride

1.2 Aspen plus 模擬工藝流程圖

引導(dǎo)學(xué)生熟悉了順丁烯二酸酐生產(chǎn)工藝流程后, 理解各個(gè)單元操作之間的關(guān)系, 對(duì)上述流程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理, 得到如圖2所示的Aspen Plus 模擬圖。 進(jìn)口參數(shù)如表1 所示。

圖2 Aspen Plus 工藝流程模擬圖Fig.2 The simulation process flow sheet

表1 進(jìn)入物流參數(shù)Table 1 The parameters of Shipping

1.2.1 建模思想

(1)順丁烯二酸酐生產(chǎn)工藝流程模擬假設(shè):

順丁烯二酸酐生產(chǎn)工藝流程可以總結(jié)為氣液相反應(yīng)以及分離過(guò)程, 所以模擬過(guò)程中遵循雙模理論和精餾、 吸收氣液相傳質(zhì)平衡[8]。

(2)順丁烯二酸酐生產(chǎn)工藝流程收斂方法: Aspen Plus 中模擬計(jì)算方法有三種: 聯(lián)立方程法, 聯(lián)立模塊法, 和序貫迭代法,一般情況默認(rèn)序貫迭代法。 對(duì)于本文例子有萃取劑循環(huán)利用,所以對(duì)于循環(huán)物流的流程(RECY)反復(fù)迭代計(jì)算, 直至收斂。

(3)物性方法的選擇: 根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的四大化學(xué)等知識(shí),參與化學(xué)反應(yīng)的為常見的氣液相物系, 選擇物性方法為活度系數(shù)模型中NRTL 就可以。

(4)亨利定律的使用: Aspen Plus 模擬過(guò)程中, 亨利定律非常重要, 在本文中我們根據(jù)物系特點(diǎn)將N2、 O2、 CO2設(shè)置為亨利組分。

(5)模擬模塊的選擇: 順丁烯二酸酐生產(chǎn)工藝流程中主要的設(shè)備是反應(yīng)器, 然后是三個(gè)塔設(shè)備。 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。 對(duì)于反應(yīng)器選擇 Reactors 下的 RPlug 中的 ICON2 模塊,吸收塔 T1 選擇 Column 下 Radfrac 模塊中 ABSORB1, T2 選擇Column 下 Radfrac 模塊中 FracT1, T2 選擇 Column 下 Radfrac 模塊中FracT1, 對(duì)于混合物流比如選擇Mixers 模塊中的Mixer,對(duì)于壓縮機(jī)選擇Pressure changers 中Compr, 對(duì)于換熱器則選擇Heater 模塊中 HEAXTER 或者 Furnace。

(6)化學(xué)反應(yīng)方程式的設(shè)置:

表2 化學(xué)反應(yīng)方程式的設(shè)置Table 2 The setting up of Reaction equation

1.2.2 模擬結(jié)果分析

采用Aspen Plus 引入課程中, 一方面借助繪制流程圖增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工藝流程圖的認(rèn)識(shí), 另一方面增加對(duì)物料守恒、 化學(xué)反應(yīng)、 分離過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

以 T2、 H1、 R1為例, 借助 Aspen Plus 模擬結(jié)果判斷是否守恒。 具體模擬結(jié)果如表3 所示。

表3 物流模擬結(jié)果表Table 3 The results of simulation

總的模擬結(jié)果: 鑒于數(shù)據(jù)太多, 摘選了一部分進(jìn)行分析。

T1 吸收塔參數(shù): 理論塔板數(shù)10, 進(jìn)料位置1、 /1, 塔頂壓力100 kPa, 模擬結(jié)果見表4。

表4 T1 模擬結(jié)果表Table 4 The simulation results

2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí), 學(xué)生在了解精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上, 學(xué)習(xí)使用CAD 和Aspen Plus 化工軟件, 充分體現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際的思路。 引入實(shí)際化工生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)例,通過(guò)CAD 繪制工藝流程圖, 利用Aspen Plus 軟件建立相應(yīng)的化工流程模型, 讓學(xué)生從模擬過(guò)程理解涉及的化學(xué)反應(yīng)、 分離過(guò)程等, 加深對(duì)本門課程的認(rèn)識(shí), 同時(shí)也掌握了一定的軟件基礎(chǔ), 為以后工作學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

此外, 學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上, 學(xué)習(xí)了軟件的使用,參加全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽, 多次取得一等獎(jiǎng), 二等獎(jiǎng)的成績(jī)。