Aspen Plus在化工分離工程教學(xué)中的應(yīng)用

楊靖，鄭建東，王余杰，徐杰

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Aspen Plus在化工分離工程教學(xué)中的應(yīng)用

楊靖，鄭建東，王余杰，徐杰

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

化工分離工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課程，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和工程性．在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)下，從化工分離工程課程內(nèi)容中的相平衡方程、分離單元、分離流程和操作條件等幾方面做了一些探索，將Aspen Plus應(yīng)用于化工分離工程教學(xué)中，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和化工分離工程的教學(xué)效果．

化工分離工程；Aspen Plus；教學(xué)方法

Aspen Plus是一款由美國麻省理工學(xué)院于20世紀(jì)70年代開發(fā)的大型化工工程模擬軟件，操作簡(jiǎn)單，工程性與應(yīng)用性突出[1]．近年來，該軟件逐漸在應(yīng)用型本科院校推廣，用于培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決實(shí)際工程問題的能力．化工分離工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課程，是用來研究分離過程中分離設(shè)備共性規(guī)律，解決工程中分離、提純問題的一門重要課程，也具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和工程性[2]．因而，比較來看，化工分離工程與Aspen Plus具有很大的共性[3]（見表1）．因此，將Aspen Plus應(yīng)用于化工分離工程的教學(xué)是可行的．

表1　化工分離工程與Aspen Plus的共性

本文主要在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)下，從化工分離工程課程內(nèi)容中相平衡方程的建立、分離單元的計(jì)算、分離流程和操作條件的確定與優(yōu)化等幾方面分別探討如何將Aspen Plus應(yīng)用于化工分離工程教學(xué)中，以取得滿意的教學(xué)效果．

1　Aspen Plus應(yīng)用于化工分離工程課程教學(xué)的內(nèi)涵

1.1相平衡方程與物性系統(tǒng)相結(jié)合

化工分離工程大多知識(shí)點(diǎn)都是關(guān)于傳質(zhì)分離過程中的平衡分離，其原理是依據(jù)各組分在兩相中的分配關(guān)系差異去實(shí)現(xiàn)各組分的分離．而要量化這種分配關(guān)系的差異，就要建立相平衡方程[4]．其建立可采用狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法．這些方法中的方程大多復(fù)雜，如二元溶液的Wilson方程：，符號(hào)多，公式復(fù)雜，學(xué)生難免會(huì)失去學(xué)習(xí)的信心．如果采用Aspen Plus軟件的物性分析功能，只需在Components表格中輸入組分，在Properties中選擇Wilson方程，即可在Tools/Analysis/Property/Binary中查看到相平衡關(guān)系．甲醇-水在101.325 kPa下的--汽液平衡相圖見圖1．由圖1可見，可以獲取該壓力不同溫度下甲醇和水在汽液兩相中的組成，通過Binary analysis results中的Plot Wizard功能還可以作出-，-等汽液平衡相圖，整個(gè)過程非常直觀易懂，學(xué)生學(xué)起來也不會(huì)感到困難，可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)的信心．

圖1　甲醇-水在101.325 kPa下的T-x-y汽液平衡相圖

1.2分離單元與單元模塊庫相結(jié)合

化工分離工程一般根據(jù)分離單元（如閃蒸、精餾、吸收和萃取等）分配章節(jié)，主要講述了各分離單元的共性問題以及各分離單元的過程分析和計(jì)算方法．如關(guān)于閃蒸計(jì)算的例題：某液體混合物含苯0.6（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），甲苯0.25和對(duì)二甲苯0.15，在101.300 kPa，100 ℃下閃蒸，試計(jì)算汽液相組成和汽化率．一般常規(guī)方法是先設(shè)定初值，再進(jìn)行迭代（見圖2），過程繁瑣，有時(shí)工作量會(huì)很大．當(dāng)學(xué)生對(duì)此類題目進(jìn)行計(jì)算時(shí)，難免覺得工作枯燥繁重，不禁對(duì)化工分離工程課程失去興趣．

圖2　等溫閃蒸計(jì)算流程

如果運(yùn)用Aspen Plus軟件進(jìn)行計(jì)算，只需繪制流程圖（見圖3），并根據(jù)題目要求填寫進(jìn)料條件和閃蒸條件，即可運(yùn)算出結(jié)果（見表2）．由表2可見，通過軟件模擬計(jì)算與常規(guī)試差計(jì)算的結(jié)果相差無幾，但軟件模擬相對(duì)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)算較快，避免了常規(guī)方法的繁瑣過程，從而更能突出化工分離工程魅力．

圖3　等溫閃蒸模擬流程圖

表2　等溫閃蒸計(jì)算結(jié)果

1.3分離流程和操作條件與流程模擬和參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合

分離流程和操作條件的確定與優(yōu)化應(yīng)當(dāng)是化工分離工程課程中應(yīng)用性最強(qiáng)，工程性最顯著的內(nèi)容．然而，由于這部分內(nèi)容計(jì)算量大、過程復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方法需要學(xué)生自己編程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣就增大了教學(xué)難度，需要教師和學(xué)生具有較高的計(jì)算機(jī)編程能力[5]．在以往這部分內(nèi)容的教學(xué)過程中，教師一般只是簡(jiǎn)單介紹，從而淡化了這門課程的工程性質(zhì)．而結(jié)合模擬軟件進(jìn)行講解，如甲醇和乙腈加壓-常壓分離工藝，通過Apen Plus可以非常容易地搭建工藝流程（見圖4）；運(yùn)用Design Specs/Vary功能[6]，可以自動(dòng)調(diào)整精餾塔操作參數(shù)（如塔頂采出與塔進(jìn)料摩爾比），使得產(chǎn)品純度達(dá)到質(zhì)量要求；而采用靈敏度分析可以很直觀地看出理論板數(shù)、進(jìn)料位置和回流比對(duì)精餾塔再沸器熱負(fù)荷的影響，從而方便對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．加壓塔（T1）回流比對(duì)加壓塔和常壓塔（T2）再沸器總熱負(fù)荷（Q）的影響見圖5．由圖5可見，一共進(jìn)行了100次計(jì)算，整個(gè)過程實(shí)際持續(xù)時(shí)間不到1 min，但效果非常明顯．學(xué)生很容易就能選擇出該工藝下的最佳工藝參數(shù)，從而降低了教學(xué)難度，強(qiáng)化了課程的工程性質(zhì)．

圖4　甲醇和乙腈加壓-常壓分離工藝流程

圖5　加壓塔回流比對(duì)再沸器總熱負(fù)荷的影響

2　存在的問題和改進(jìn)措施

通過走訪2011級(jí)和2012級(jí)化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，引入Aspen Plus后，學(xué)生更愿意學(xué)習(xí)化工分離工程，也更容易掌握課程中的知識(shí)內(nèi)容，但也反映出了一些問題．

2.1缺乏軟件知識(shí)，初期教學(xué)進(jìn)度緩慢

引入Aspen Plus模擬軟件，將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，提高了教學(xué)效率，重新豐富了課程的教學(xué)內(nèi)容．但往往在課程教學(xué)初期，教學(xué)進(jìn)程非常緩慢，多數(shù)學(xué)生反映學(xué)習(xí)較為吃力．通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主要原因是學(xué)生缺乏Aspen Plus基礎(chǔ)知識(shí)．因此，針對(duì)這一情況，在化工分離工程開課的前一個(gè)學(xué)期增設(shè)了Aspen Plus軟件實(shí)訓(xùn)課程，以輔助化工分離工程課程教學(xué)．

2.2過分依賴軟件，忽略基礎(chǔ)理論知識(shí)

運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件，可以將相平衡關(guān)系表現(xiàn)的直觀，將分離過程的計(jì)算變得簡(jiǎn)便．因此，難免會(huì)有部分學(xué)生對(duì)Aspen Plus產(chǎn)生依賴心理，從而忽略了對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握．針對(duì)這一問題，可以采取如下措施：（1）教師在平常的教學(xué)過程中不應(yīng)頻繁運(yùn)用Aspen Plus，避免教師自身對(duì)模擬軟件產(chǎn)生依賴心理；（2）工作量不是很大的分離過程計(jì)算（如精餾的簡(jiǎn)捷計(jì)算），不能缺少手算內(nèi)容的講解，從而可教會(huì)學(xué)生如何運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)；（3）課后部分作業(yè)可規(guī)定學(xué)生必須手算解答，從而強(qiáng)制學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行計(jì)算．

3　結(jié)束語

化工分離工程是一門應(yīng)用性和工程性較強(qiáng)的專業(yè)課，引入工程模擬軟件Aspen Plus，可以將復(fù)雜繁瑣的問題簡(jiǎn)單化，提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；升華了課程的工程性質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)；鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生今后的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力．

[1] 鄭建東，徐杰，馮建華，等．Aspen Plus在化工專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高師理科學(xué)刊，2016，36（3）：87-89

[2] 劉家祺．分離過程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：1-5

[3] 孫蘭義．化工流程模擬實(shí)訓(xùn)——AspenPlus教程[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：2-3

[4] 朱靖，劉永光．化工分離工程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2011，11（3）：100-102

[5] 刁顯珍．提高“化工分離工程”課教學(xué)質(zhì)量的探索[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2014，1（4）：163-164

[6] 張季亮，王峰，彭偉才，等．分離碳酸二甲酯和甲醇的常壓-加壓精餾工藝流程的模擬[J]．石油化工，2010，39（6）：646-650

Application of Aspen Plus in the teaching of chemical separation engineering

YANG Jing，ZHENG Jian-dong，WANG Yu-jie，XU Jie

（School of Material and Chemical Engineering，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China）

Chemical separation engineering is one important technology course for chemical engineering and technology talent．The course is applied and has been based on engineering background．In order to cultivate high-quality application-oriented talents，with the application of Aspen Plus in the teaching of chemical separation engineering，some research has been done about equilibrium equation，separation unit，separation process and operation condition．The results showed that the application of Aspen Plus could enhance students' enthusiasm and improve teaching effect．

chemical separation engineering；Aspen Plus；teaching method

1007-9831（2016）09-0087-03

O6-0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.09.025

2016-07-02

安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2014zjjh042，2014zy072，2015jxtd040）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201510377016）

楊靖（1987-），男，安徽滁州人，助教，碩士，主要從事精細(xì)化工工藝方面的研究．E-mail：yjnjut126@126.com