楊宇軒

摘 要：在傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，將通用流程模擬軟件Aspen Plus有目的、有步驟地應(yīng)用于化工原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。文章以實(shí)驗(yàn)題目篩板精餾塔分離乙醇-正丙醇混合液為例，分別闡述傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及利用Aspen Plus中的簡(jiǎn)捷模塊和嚴(yán)格計(jì)算模塊對(duì)該分離過程進(jìn)行模擬和設(shè)計(jì)。通過將Aspen Plus與傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以使同學(xué)們?cè)鰪?qiáng)學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)化工單元操作的理解，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：化工原理實(shí)驗(yàn)；Aspen Plus；精餾塔

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）14-0112-03

Abstract： Based on the traditional method of experimental teaching of Chemical Engineering Principle， the general process simulation software Aspen Plus has been used to the experimental teaching with a certain purpose and step by step. This paper shows the processes of the traditional method of experimental teaching and the application of DSTWU and RadFrac within the Aspen Plus in process simulation and design through the example of the separation of ethanol-n-propyl alcohol mixture with the Sieve plate distillation column. The combination of Aspen Plus and the traditional experiments of chemical engineering principle can increase students' interest， deepen the understanding of chemical unit operations and improve the teaching effect.

Keywords： experiment of chemical engineering principle； Aspen Plus； distillation column

一、概述

化工原理是化學(xué)化工相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，與生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系，一般開設(shè)在大學(xué)的基礎(chǔ)化學(xué)課程之后，目的就是讓學(xué)生在掌握了基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)后通過化工原理課程的學(xué)習(xí)能夠建立起“工程”概念，這對(duì)于學(xué)生以后的工作和學(xué)習(xí)都具有重要意義。化工原理實(shí)驗(yàn)[1，2]則是一門以化工單元操作過程原理和設(shè)備為主要內(nèi)容、以處理工程問題的實(shí)驗(yàn)研究方法為特色的實(shí)踐性課程，是理論課與化工生產(chǎn)的紐帶，是知識(shí)轉(zhuǎn)化為化工生產(chǎn)力的重要依據(jù)。意在培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。但是由于化工原理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理通常涉及大量的概念、公式、復(fù)雜的計(jì)算以及繪圖工作，部分學(xué)生會(huì)因此望而生畏，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生排斥，也有部分同學(xué)雖然做了大量的計(jì)算工作，但是由于其中公式錯(cuò)誤或者計(jì)算方法錯(cuò)誤導(dǎo)致最終結(jié)果出錯(cuò)，不能反映其規(guī)律，從而達(dá)不到化工原理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目的。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，尤其是通用流程模擬軟件的開發(fā)越來(lái)越完備促使我們創(chuàng)新化工原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法。Aspen Plus是目前應(yīng)用比較廣泛的通用流程模擬軟件之一，該軟件是在七十年代后期由麻省理工學(xué)院開發(fā)的，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在的Aspen Plus軟件已經(jīng)具有完備的數(shù)據(jù)庫(kù)和物性模型參數(shù)，對(duì)化工原理中的絕大多數(shù)單元操作都可以進(jìn)行模擬，而且其含有很多分析工具[3]。將該模擬軟件應(yīng)用于化工原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以使學(xué)生更好的理解單元操作過程，獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)可以應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)定及靈敏度分析對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析討論，而且掌握了Aspen Plus軟件，學(xué)生可以不再局限于以前的對(duì)某一個(gè)設(shè)備的具體操作，可以自己進(jìn)行設(shè)計(jì)甚至可以完成全工藝流程的模擬。在化工原理實(shí)驗(yàn)課前讓學(xué)生先利用Aspen Plus完成相應(yīng)的流程模擬，以流程模擬輔助傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠加深理解，強(qiáng)化工程判斷能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。作者將以化工原理實(shí)驗(yàn)課程中的篩板精餾塔實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明Aspen Plus在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要意義[4，5]。

二、化工原理實(shí)驗(yàn)-篩板精餾塔實(shí)驗(yàn)

目前正在開設(shè)的篩板精餾塔實(shí)驗(yàn)是乙醇-正丙醇混合液的分離，主要是讓學(xué)生了解板式精餾塔的結(jié)構(gòu)、操作和分離原理。具體實(shí)驗(yàn)過程（以部分回流為例）：

1. 設(shè)置進(jìn)料量2L/h，回流比設(shè)置為4，同時(shí)打開塔頂塔底出料閥，接收塔頂塔底餾出液。

2. 塔內(nèi)操作穩(wěn)定一段時(shí)間，記錄塔頂塔釜溫度，取塔頂、塔底及進(jìn)料樣品利用阿貝折光儀進(jìn)行分析讀取折光率，通過查表得到相應(yīng)組成，數(shù)據(jù)如表1所示。

3. 繪制乙醇-正丙醇二元體系的T-x-y圖查得泡點(diǎn)溫度

4. 繪制y-x圖，根據(jù)塔頂、塔底及進(jìn)料的樣品組成繪制梯級(jí)求出理論塔板數(shù)NT，求出總板效率。

作者通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的觀察及學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改中發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)基本可以完成實(shí)驗(yàn)及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，但是存在以下問題：很多同學(xué)只是按照講義進(jìn)行操作，不會(huì)對(duì)該分離過程進(jìn)行深入思考，部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算存在問題，而且繪制的相圖誤差較大，缺乏深入的分析及完成分離單元設(shè)計(jì)的思想。

三、Aspen Plus輔助精餾塔實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[例]1.繪制出乙醇-正丙醇二元體系的T-x-y及x-y圖；2.含乙醇54.15%（摩爾比）、正丙醇45.85%（摩爾比）的混合物（流率F=2L/h、壓力P=0.12MPa、溫度T=19.5℃）用簡(jiǎn)捷精餾塔DSTWU（塔壓0.1MPa）分離，要求87%的乙醇從塔頂排出，90%的正丙醇從塔底排出，采用全凝器。求Rmin，Nmin；分析回流比與塔板數(shù)，確定合理的理論板數(shù)和回流比。3.利用嚴(yán)格精餾模塊對(duì)該分離過程進(jìn)行模擬，并對(duì)全塔操作工況進(jìn)行分析。

（一）乙醇-正丙醇二元體系相圖的繪制

在Aspen Plus界面中選擇Template，組分中輸入乙醇、正丙醇，選定物性方法，選擇Tools→Analysis→Property→Binary→Txy，即可以得到乙醇-正丙醇的T-x-y圖，如圖1所示；選擇Plot Wizard→y-x，即可以得到乙醇y-x圖，如圖2所示。

（二）精餾塔的設(shè)計(jì)

利用簡(jiǎn)捷精餾DSTWU根據(jù)分離要求進(jìn)行模擬，按照題目要求輸入流股信息，在精餾塔模塊B1中輸入初始回流比20以及輕重組分的回收率，建立模擬流程圖如圖3所示，運(yùn)行全塔模擬得到最小回流比Rmin，最小理論板數(shù)Nmin。然后在成功模擬基礎(chǔ)上，設(shè)定一個(gè)塔板數(shù)范圍，最小值設(shè)為Nmin，本例中選擇塔板數(shù)變化范圍7-20，繪制回流比與塔板數(shù)的曲線圖如圖4所示。

（三）結(jié)果分析

利用簡(jiǎn)捷精餾初步計(jì)算得到最小回流比1.1，最小理論板數(shù)7，進(jìn)料板位置5。在該流程模擬基礎(chǔ)上，繪制出回流比與塔板數(shù)的關(guān)系圖，如圖4所示，回流比隨著塔板數(shù)增加會(huì)先降低后趨于穩(wěn)定，合理的理論板數(shù)應(yīng)在曲線斜率絕對(duì)值較小的區(qū)域內(nèi)選擇，故針對(duì)該流程最終確定回流比1.3，理論板數(shù)14，進(jìn)料板位置9。將上述參數(shù)輸入到Aspen Plus中的嚴(yán)格精餾模塊RadFrac模型中進(jìn)行模擬，可以獲得結(jié)果簡(jiǎn)匯、分布剖形、流股結(jié)果，最終的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)出至excel如表2所示，分布剖形給出塔內(nèi)各塔板上的溫度、壓力、熱負(fù)荷、相平衡參數(shù)，以及流股流量、組成和物性，通過結(jié)果分析同學(xué)們會(huì)對(duì)精餾塔內(nèi)的操作工況建立更加直觀深刻的認(rèn)識(shí)。

四、將Aspen Plus應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)方案

通用流程模擬軟件Aspen Plus不僅可以用于精餾操作的模擬，還可以完成混合、閃蒸分離、精餾塔、反應(yīng)器以及加熱加壓等單元操作，而且學(xué)生可以在掌握各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)模擬后進(jìn)行全工藝流程的模擬設(shè)計(jì)。但是由于Aspen Plus涉及復(fù)雜的操作參數(shù)設(shè)置，因此需要學(xué)生先建立基本的模擬概念，掌握基本知識(shí)才能順利完成模擬工作。具體方案如下：

1. 學(xué)生在學(xué)習(xí)了化工原理課程后，先進(jìn)行初步的Aspen Plus模擬軟件的學(xué)習(xí)，掌握各個(gè)組分信息的輸入、模塊的選擇及參數(shù)設(shè)置，尤其是物性參數(shù)的選擇，合理的物性選擇是進(jìn)行成功模擬的前提條件，必要時(shí)還需要對(duì)物性參數(shù)進(jìn)行修正；

2. 學(xué)習(xí)Aspen Plus的模型分析及優(yōu)化工具，如靈敏度分析及設(shè)計(jì)規(guī)定，通過這些分析手段掌握各個(gè)操作單元的工況信息變化規(guī)律，深化對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)建立起優(yōu)化的概念；

3. 設(shè)計(jì)與目前已經(jīng)開設(shè)的化工原理實(shí)驗(yàn)課相對(duì)應(yīng)的模擬練習(xí)題目，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前可以通過Aspen Plus的模擬訓(xùn)練對(duì)實(shí)驗(yàn)題目所涉及的單元操作及原理有一定理解，從而做到在具體的實(shí)驗(yàn)中能夠有的放矢，不再只是按照講義進(jìn)行操作，注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析及數(shù)據(jù)的處理；

4. 完成系列模擬課程的學(xué)習(xí)及訓(xùn)練后選擇一個(gè)設(shè)計(jì)題目，包含所有已經(jīng)學(xué)習(xí)過的模塊的模擬，借此讓學(xué)生完成全流程的模擬，而且可以在此基礎(chǔ)上利用Aspen Plus自帶的分析優(yōu)化工具對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而將化工原理的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。

五、結(jié)束語(yǔ)

將Aspen Plus應(yīng)用于化工原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前先進(jìn)行相應(yīng)操作單元的模擬，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)相關(guān)的原理知識(shí)有更加深刻的認(rèn)識(shí)，而且合理的模擬結(jié)果可以避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理中缺乏正確引導(dǎo)，給出數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較大，不能夠達(dá)到以實(shí)驗(yàn)加深理論理解的效果?；ぴ韺?shí)驗(yàn)課程實(shí)踐性及工程性很強(qiáng)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生對(duì)化工單元操作及設(shè)備有直觀的認(rèn)識(shí)，輔以Aspen Plus可以讓學(xué)生對(duì)工藝流程及原理有更深刻的認(rèn)識(shí)，兩種教學(xué)方法相互輔助可以加強(qiáng)學(xué)生的“工程”概念，提升教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張治山，李桂杰.淺談流程模擬軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2008（4）：142-143.

[2]劉保柱，于鳳文，朱菊香.Aspen Plus應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐[J].化工高等教育，2007（2）：23-25.

[3]孫蘭義，張?jiān)旅?，李軍，?Aspen Plus在化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣東化工，2009（12）：173-175.

[4]宋偉，李朝艷，徐雪麗.Aspen Plus在化工設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2013（14）：208-209.

[5]韋曉燕，譚軍，胡萬(wàn)鵬，等.Aspen Plus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].化工時(shí)刊，2012（6）：69-70.