楊東曉

（河南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007）

最新的工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題，合理選擇、使用和開(kāi)發(fā)相關(guān)資源、技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代工程工具，包含對(duì)復(fù)雜的化學(xué)工程問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)與模擬[1]。工程設(shè)計(jì)是工程技術(shù)的起點(diǎn)，只有運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具才能實(shí)施高效的工程設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，多種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐中，已經(jīng)成為不可或缺的技術(shù)手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工程軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)如火如荼，未來(lái)可期。但是由于國(guó)外在該領(lǐng)域起步較早，目前較為成熟的主流軟件幾乎均為國(guó)外公司擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商業(yè)軟件，其使用成本高昂。作為一個(gè)化學(xué)工業(yè)產(chǎn)值占GDP 約五分之一的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)開(kāi)設(shè)化工專業(yè)的人才培養(yǎng)單位多達(dá)數(shù)百個(gè)。如果全國(guó)的地方院校都采用國(guó)外主流的商業(yè)軟件進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，每年的成本將是非常大的。開(kāi)源軟件（即開(kāi)放源代碼的軟件）遵循通用公共許可協(xié)議，可以讓全世界用戶自由使用。開(kāi)源軟件常常由愛(ài)好者發(fā)起，并在大量用戶使用中不斷發(fā)展。目前，一些知名的開(kāi)源軟件已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。因此，采用開(kāi)源軟件替代商業(yè)軟件開(kāi)展教學(xué)非常有意義。

化工設(shè)計(jì)是高等學(xué)?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)的必修課，在專業(yè)課程體系中具有重要地位。在化工設(shè)計(jì)中，工藝流程設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。在化工設(shè)計(jì)教材中，運(yùn)用一些知名的商業(yè)流程模擬軟件，如Aspen Plus，Pro II 等輔助工藝流程設(shè)計(jì)是重要的教學(xué)內(nèi)容[3-4]。教材中很多例題就是直接用大型商業(yè)軟件進(jìn)行求解的。這些商業(yè)流程模擬軟件具有完備的物性數(shù)據(jù)庫(kù)及多種常用的單元操作模型，并結(jié)合先進(jìn)的算法，為化工工藝流程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理想的模擬平臺(tái)。但是這些軟件成本高昂，如果在我國(guó)全面投入教育，將會(huì)造成巨大的經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)。DWSIM是一款符合CAPE-OPEN（Computer Aided Process Engineering-Open）的開(kāi)源流程模擬軟件。自2004年推出以來(lái)，DWSIM 經(jīng)過(guò)不斷升級(jí)完善，日臻成熟，展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。該軟件不僅包含大型商業(yè)軟件的主要功能，還具有輕量化的優(yōu)勢(shì)。DWSIM 的最新版安裝包僅131MB，不僅便于下載和安裝，而且操作響應(yīng)比大型商業(yè)軟件更加快速。此外，在操作模式方面，DWSIM 在吸收主流商業(yè)軟件優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，形成了界面清晰，簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)。因此，本工作嘗試將DWSIM 軟件應(yīng)用于化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)中。下面結(jié)合教材[1]中具體的例題，對(duì)DWSIM軟件的主要操作過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，具體內(nèi)容包括物料衡算、換熱器設(shè)計(jì)和塔設(shè)備設(shè)計(jì)等，供廣大師生參考。

1 物料衡算

物料衡算是確定化工生產(chǎn)過(guò)程中物料比例和物料轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的過(guò)程，能夠?yàn)樵O(shè)備設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)，是化工工藝計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容之一。本文結(jié)合教材[1]第三章第四節(jié)“應(yīng)用Aspen Plus 進(jìn)行化工過(guò)程的物料衡算及能量衡算”中的教學(xué)實(shí)例，運(yùn)用DWSIM 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

例題主要內(nèi)容：苯和丙烯原料進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)后，進(jìn)入冷凝器部分冷凝，然后經(jīng)過(guò)分離器分離。分離器頂部氣相物流循環(huán)回反應(yīng)器。分離器底部物流為產(chǎn)品。原料溫度220F，壓力36psi，苯和丙烯的摩爾流率均為40lbmol/h。丙烯單程轉(zhuǎn)化率90%。反應(yīng)式為：

在DWSIM 中點(diǎn)擊新建化工流程，會(huì)自動(dòng)彈出流程設(shè)置向?qū)Т翱凇Ｊ褂谜呖梢灾苯影凑障驅(qū)У闹敢瓿闪鞒探⒑湍M的主要內(nèi)容，這對(duì)于初學(xué)者的學(xué)習(xí)是非常有幫助的?；すに嚵鞒痰慕⒑湍M主要內(nèi)容如下。

1.1 參數(shù)設(shè)定

主要內(nèi)容包括組分信息、熱力學(xué)方法選擇、化學(xué)反應(yīng)、單位選用等。與Aspen Plus 軟件不同，DWSIM 軟件將這些主要設(shè)置都集中在一個(gè)窗口中，點(diǎn)擊界面上的Settings 圖標(biāo)即可彈出，非常方便易學(xué)。

DWSIM 軟件的物質(zhì)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)包括了1 500 多種常見(jiàn)的化學(xué)物質(zhì)。本例題涉及的苯、丙烯、異丙基苯只要輸入對(duì)應(yīng)英文名稱（Benzene，Propylene，Cumene）即可找到。

物性方法方面，DWSIM 中包含了40 余種熱力學(xué)數(shù)據(jù)包，內(nèi)容幾乎囊括了所有常用的熱力學(xué)方法，例 如：Peng-Robinson、Soave-Redlich-Kwong、Lee-Kesler、Lee-Kesler-Pl?cker、UNIFAC、UNIQUAC、NRTL、Chao-Seader、Raoult’s Law、IAPWS-IF97 Steam Tables、Black-Oil、Sour Water and Aqueous Electrolytes、PC-SAFT、CoolProp 等。本例題選擇Soave-Redlich-Kwong 方法進(jìn)行模擬，與教材一致。

DWSIM 中可以設(shè)置4種常見(jiàn)反應(yīng)類型，包括轉(zhuǎn)化率型、平衡型、動(dòng)力學(xué)型，以及非均相催化反應(yīng)。本例根據(jù)題目條件選擇轉(zhuǎn)化率型化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)輸入化學(xué)計(jì)量數(shù)和轉(zhuǎn)化率即可設(shè)置，易于理解，操作方便。計(jì)量系數(shù)設(shè)置后，物質(zhì)守恒校驗(yàn)、反應(yīng)熱、反應(yīng)方程式等內(nèi)容會(huì)自動(dòng)完成。

在設(shè)置（Settings）窗口的單位（System of Units）選項(xiàng)卡中選擇定制單位集C1，可以實(shí)現(xiàn)各種單位的靈活選用。本例選擇F、lbmol/h、psi 等單位，與題目條件保持一致，可以避免繁瑣的單位換算。

1.2 建立流程

在DWSIM 中流程的建立方法采用了與Aspen 軟件類似的方式，可以從單元操作模型托盤中選擇相應(yīng)的圖形放入流程中即可。此外，DWSIM 還專門設(shè)置了循環(huán)邏輯模塊，該模塊所包含的加速算法能夠促進(jìn)帶循環(huán)復(fù)雜流程的有效求解。如圖1中的“R”圖標(biāo)即為本例題流程中插入的循環(huán)邏輯模塊。

圖1 物料衡算例題的工藝流程圖

1.3 結(jié)果與分析

在DWSIM 中，只要將光標(biāo)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)流股或模塊，就會(huì)自動(dòng)顯示其狀態(tài)信息，非常方便。例如查看本例題中反應(yīng)器出口物流REACOUT 的模擬結(jié)果，得到其摩爾流量為44.404 7lb/h。這與教材中Aspen 軟件的模擬結(jié)果44.342lb/h 非常接近，相對(duì)誤差僅約千分之一，說(shuō)明DWSIM 軟件在物料衡算方面的有效性。此外，該股物流溫度為855.677F，與教材中Aspen 軟件的結(jié)果854.7F 非常接近，相對(duì)誤差同樣僅有千分之一。這顯示出DWSIM 在熱量衡算方面同樣可以得到令人滿意的結(jié)果。

2 換熱器的工藝設(shè)計(jì)與選型

換熱器是化工生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱量交換的常用設(shè)備，其噸位常常占整個(gè)工藝設(shè)備的20%～30%?；ぴO(shè)計(jì)教材[1]中通過(guò)多個(gè)例題對(duì)運(yùn)用Aspen 軟件進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了說(shuō)明。在換熱器設(shè)計(jì)方面，Aspen 軟件實(shí)際上主要依托的是EDR 組件。該組件是在其收購(gòu)的換熱器設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。由于EDR 組件是獨(dú)立于Aspen Plus 軟件的，所以在使用時(shí)候需要將Aspen 的數(shù)據(jù)與EDR 進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換，操作繁瑣，使用不便，增加了教學(xué)難度。相比而言，DWSIM 軟件則可以在原有流程模擬的界面上直接進(jìn)行換熱器的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)和嚴(yán)格設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)捷清晰，非常方便。本文對(duì)運(yùn)用DWSIM 軟件進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)的過(guò)程和效果進(jìn)行介紹。

例題主要內(nèi)容：常壓下用90℃的熱水加熱200kg/h 的乙醇，要求將乙醇從25℃加熱到75℃，熱水自身被冷卻到40℃，設(shè)計(jì)此換熱器。

2.1 參數(shù)設(shè)置與流程建立

按照前述方法建立換熱流程，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 換熱器設(shè)計(jì)例題DWSIM主要參數(shù)設(shè)置

2.2 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

DWSIM 中的換熱器設(shè)計(jì)模塊共有7種不同類型的計(jì)算模式，包括計(jì)算流體出口溫度、計(jì)算換熱面積、換熱器校核、夾點(diǎn)計(jì)算等。通過(guò)靈活切換計(jì)算類型，可以逐步完成對(duì)同一臺(tái)換熱器的初步設(shè)計(jì)、選型、校核、分析等各類設(shè)計(jì)任務(wù)。

首先進(jìn)行熱量衡算。將換熱器計(jì)算類型設(shè)置為：計(jì)算熱流體出口溫度，并根據(jù)例題條件設(shè)置冷流體出口溫度為75℃。熱流體流量初值設(shè)置為與乙醇一致，即200kg/h。由于此時(shí)換熱器面積不影響熱量衡算結(jié)果，因此先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選取10m2即可。運(yùn)算后查看結(jié)果冷流體出口溫度偏高，54.5℃。因此接下來(lái)通過(guò)DWSIM 的參數(shù)敏感性分析工具確定熱流體流量。敏感性分析中，設(shè)置熱流體質(zhì)量流量為自變量，熱流體出口溫度為因變量，運(yùn)算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)本例題條件要求熱流體出口溫度40℃，因此選定熱流體質(zhì)量流量142kg。此質(zhì)量流量與教材Aspen 軟件模擬結(jié)果完全相同。

圖2 換熱器設(shè)計(jì)例題參數(shù)敏感性分析結(jié)果

然后進(jìn)行換熱器換熱面積計(jì)算。將換熱器計(jì)算模式切換為計(jì)算換熱面積模式。對(duì)于熱水加熱乙醇過(guò)程，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇總傳熱系數(shù)80W/（m2·℃），運(yùn)算得到換熱面積6.90m2。

2.3 換熱器的選型與校核

將換熱器計(jì)算模式切換為校核模式。為了跟教材上設(shè)計(jì)結(jié)果做對(duì)比，查閱同一標(biāo)準(zhǔn)文件：固定管板式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 4715—92）。初選外殼直徑325mm，4管程，管長(zhǎng)2m，計(jì)算換熱面積7.7m2。參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 換熱器設(shè)計(jì)校核參數(shù)設(shè)置窗口

運(yùn)算后實(shí)際總傳熱系數(shù)72.58W/（m2·℃），且出口乙醇溫度70.1℃小于題目要求的75℃。因此改變參數(shù)，重新選型為：外殼直徑325mm，4管程，管長(zhǎng)3m，計(jì)算換熱面積11.8m2。校核運(yùn)算結(jié)果表明，出口乙醇溫度75.34℃，滿足要求。管程壓降34Pa，殼程壓降10Pa。相比而言，教材中所選為單管程換熱器，其管程流速很低。實(shí)際上該換熱器是不能滿足換熱出口溫度目標(biāo)的。而本方案選擇4管程，顯著提高了管程流動(dòng)雷諾數(shù)（仍滿足易燃液體流速要求），得到實(shí)際總傳熱系數(shù)72.71W/（m2·℃），高于教材設(shè)計(jì)結(jié)果的59.5W/（m2·℃），從而得到了更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

3 塔設(shè)備工藝設(shè)計(jì)

塔器是化工過(guò)程中的常見(jiàn)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)氣、液或液、液間的高效傳質(zhì)、傳熱過(guò)程。本文以板式精餾塔的設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明DWSIM 軟件進(jìn)行塔設(shè)計(jì)的方法和結(jié)果。

例題主要內(nèi)容：原料組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）：乙苯0.584 3，苯乙烯0.41 5，焦油0.000 7，常壓進(jìn)料12 500kg/h，溫度45℃。塔頂采用全凝器，壓力為6kPa。要求塔頂產(chǎn)品乙苯含量不低于99%，塔底苯乙烯含量不低于99.7%。

3.1 精餾塔的簡(jiǎn)捷計(jì)算

在DWSIM 軟件中選取簡(jiǎn)捷塔計(jì)算模塊，并根據(jù)題意設(shè)置參數(shù)。焦油用正十七烷（n-Heptadecane）表示。熱力學(xué)方法選擇Peng-Robinson。建立流程，如圖4所示。

圖4 精餾塔設(shè)計(jì)例題流程模擬

回流比初值取4運(yùn)算得到實(shí)際理論塔板數(shù)為100，最小回流比3.91。利用DWSIM 的參數(shù)敏感性分析工具得到回流比與實(shí)際塔板數(shù)的關(guān)系圖如圖5所示。可以看出，當(dāng)回流比小于5時(shí)，隨著回流比的增加塔板數(shù)快速下降。而回流比大于5時(shí)，變化不明顯。因此，綜合能耗和設(shè)備投資兩方面，考慮將最小回流比的1.2倍，即4.7設(shè)置為操作回流比。計(jì)算得到實(shí)際塔板數(shù)65。教材上也是選擇最小回流比的1.2倍進(jìn)行操作，算得實(shí)際塔板數(shù)同樣是65。

圖5 精餾塔設(shè)計(jì)例題回流比與實(shí)際塔板數(shù)關(guān)系

3.2 精餾塔的嚴(yán)格計(jì)算

在DWSIM 軟件中選取嚴(yán)格塔計(jì)算模塊建立流程同上（DWSIM 中簡(jiǎn)捷塔模型與嚴(yán)格精餾塔模型圖形符號(hào)相同）。根據(jù)簡(jiǎn)捷模型結(jié)果進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：回流比為4.7，塔板數(shù)為65。以塔底產(chǎn)品苯乙烯質(zhì)量組成0.997為計(jì)算條件，進(jìn)行嚴(yán)格塔模型運(yùn)算，結(jié)果表明，塔頂產(chǎn)品乙苯質(zhì)量含量不能滿足要求，需要進(jìn)一步提高塔板數(shù)。利用參數(shù)敏感性分析工具，得到塔板數(shù)與塔頂組成的關(guān)系圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)塔板數(shù)提高到80時(shí)即可滿足分離要求。教材的結(jié)果為塔板數(shù)76，但是塔頂產(chǎn)品純度0.989略低。

圖6 精餾塔設(shè)計(jì)例題回流比與塔頂組成關(guān)系

3.3 精餾塔的優(yōu)化

利用DWSIM 的參數(shù)敏感性分析工具，對(duì)進(jìn)料板位置進(jìn)行優(yōu)化。分析塔頂產(chǎn)品純度和能耗隨進(jìn)料板位置的變化關(guān)系表明，若進(jìn)料位置從第38塊板改為第39塊板，能夠降低能耗，但是降幅很小。同時(shí)考慮到若第39塊板進(jìn)料將導(dǎo)致塔頂組成有所下降，因此選擇進(jìn)料板位置為38塊板。對(duì)比再沸器能耗，本設(shè)計(jì)方案4 506kW 比教材設(shè)計(jì)優(yōu)化后的結(jié)果4 626kW 能耗略低一些。DWSIM 軟件設(shè)計(jì)主要結(jié)果與教材Aspen設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 精餾塔設(shè)計(jì)例題DWSIM設(shè)計(jì)結(jié)果與教材設(shè)計(jì)結(jié)果

3.4 進(jìn)行塔板的設(shè)計(jì)選型與校核

DWSIM 中集成了Chemsep（LITE Version）軟件。Chemsep 是塔設(shè)備模擬軟件，主要面向教學(xué)、研究使用。雖然Chemsep 的LITE 版軟件是免費(fèi)的，但是該版軟件仍包含了多達(dá)80多種常見(jiàn)物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括本文涉及的所有組分），并最多能夠滿足300塊理論板的設(shè)計(jì)和分析。因此，該軟件完全能夠滿足本例題精餾塔的設(shè)計(jì)、塔板選型和校核。

在DWSIM 中，將Chemsep Column 圖標(biāo)拖入流程圖中，搭建精餾流程，然后雙擊塔圖標(biāo)即可激活Chemsep 的設(shè)置界面。將主要參數(shù)輸入，運(yùn)行后可以得到精餾過(guò)程的分析結(jié)果，內(nèi)容包括氣、液相組成沿塔分布曲線，各塔板氣、液相負(fù)荷，壓力分布曲線，傳質(zhì)推動(dòng)力分布等內(nèi)容，有助于對(duì)塔的操作狀況和性能進(jìn)行分析。選擇Nutter 1’’塔板后校核的結(jié)果中，可以看到最大液相負(fù)荷塔板為第2塊塔板，其液泛因子0.75，小于0.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 安全性方面

近年來(lái)，開(kāi)源軟件在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。在此背景下，有研究者提出對(duì)于開(kāi)源軟件安全性的擔(dān)憂[6]。但是，在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并不涉及到國(guó)防、金融、能源等敏感部門。因此將DWSIM 軟件應(yīng)用于教學(xué)演示或給學(xué)生使用不構(gòu)成重大安全性問(wèn)題。此外，將國(guó)外先進(jìn)開(kāi)源軟件引入高等教育，可以為國(guó)內(nèi)相關(guān)軟件的發(fā)展提供啟示和借鑒，有助于我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域提升自主創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力，這在一定程度上對(duì)提升信息安全保障能力起到促進(jìn)作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行流程模擬和輔助設(shè)計(jì)是當(dāng)今化工行業(yè)工程活動(dòng)中的重要技術(shù)手段。本文以化工設(shè)計(jì)課程教材中的典型例題為例，嘗試運(yùn)用DWSIM軟件進(jìn)行流程模擬和設(shè)備工藝設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，DWSIM 軟件展現(xiàn)出良好的性能，能夠滿足化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)的需要。作為一款開(kāi)源軟件，DWSIM 不僅對(duì)公眾免費(fèi)開(kāi)放，而且相比于同類大型商業(yè)軟件還具有體積輕巧、響應(yīng)快速、界面友好、方便易學(xué)的特點(diǎn)。因此，我國(guó)高等院校（特別是地方院校）化工專業(yè)，利用DWSIM 軟件進(jìn)行化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)，有利于降低教學(xué)成本，提高教學(xué)效果，具有良好的應(yīng)用前景。