Aspen Plus在《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)中的應(yīng)用

王曉娟

摘要：將Aspen Plus軟件應(yīng)用于《化學(xué)反應(yīng)工程》課程，能夠讓學(xué)生直觀地認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)器的工程特性，提高學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；Aspen Plus；流程模擬

《化學(xué)反應(yīng)工程》是高等學(xué)?；I(yè)學(xué)生的必修課，通過講授化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)器中的傳遞特性、化學(xué)反應(yīng)器的類型和結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)建模方法、理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和選型分析等，完成化學(xué)反應(yīng)器的工作原理的研究。

《化學(xué)反應(yīng)工程》課程教學(xué)的理論性和實(shí)踐性強(qiáng)，多媒體技術(shù)雖能通過文本、圖形、視頻等信息豐富學(xué)生的知識領(lǐng)域，但也僅能使學(xué)生通過數(shù)學(xué)計(jì)算了解理想反應(yīng)器的物料衡算。而對于內(nèi)部的物質(zhì)和能量流動狀態(tài)難以真實(shí)描述的真實(shí)大型化學(xué)反應(yīng)器，則因數(shù)學(xué)模型的參數(shù)多、計(jì)算量大、公式復(fù)雜等因素，無法直接計(jì)算。而通過流程模擬，不僅能夠?qū)Ψ磻?yīng)器的模型理論進(jìn)行驗(yàn)證，還能夠理解理想模型與非理想模型間的差別，對反應(yīng)器有更加深刻的認(rèn)識。

Aspen Plus是一款集化工設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)優(yōu)、設(shè)備或工藝改造等計(jì)算于一體的流程模擬軟件，具有完備的物性系統(tǒng)、完整的單元操作模型庫、快速可靠的流程模擬功能等，其反應(yīng)器模型庫包含了《化學(xué)反應(yīng)工程》重點(diǎn)講授的間歇釜式反應(yīng)器（BR）、平推流反應(yīng)器（PFR）和全混流反應(yīng)器（CSTR），模塊的計(jì)算方法包含理想方程和化工熱力學(xué)涉及的非理想方程，滿足反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算要求。

Aspen Plus也是廣泛應(yīng)用于我國設(shè)計(jì)院所和企業(yè)部門中的流程模擬軟件，通過在《化學(xué)反應(yīng)工程》課程中引入軟件的學(xué)習(xí)，不僅能夠使學(xué)生理解專業(yè)知識如何應(yīng)用于實(shí)際工程工藝，還能夠提高學(xué)生的專業(yè)技能、拓寬學(xué)生的就業(yè)范圍、參與國際競爭，成為具備良好的應(yīng)變能力的高級專門人才。

一、 Aspen Plus反應(yīng)器模塊庫

Aspen Plus的動力學(xué)反應(yīng)器有CSTR、PFR和BR，能夠在已知化學(xué)反應(yīng)式、動力學(xué)方程和平衡關(guān)系的情況下，計(jì)算出所需的反應(yīng)器體積、所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)時(shí)間以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。

為了對比反應(yīng)器的出口物料差異，選擇計(jì)量反應(yīng)器（RSTOIC）作為連續(xù)反應(yīng)器的對照對象，其中主要對比CSTR和PFR的出口物料差異，從工程計(jì)算的角度，說明化學(xué)反應(yīng)工程這門課程對化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)習(xí)的重要性。

二、 動力學(xué)反應(yīng)器的模擬比較

以相同的反應(yīng)物進(jìn)料為基礎(chǔ)，對RSTOIC、CSTR、PFR進(jìn)行模塊設(shè)定，通過Aspen Plus模擬，進(jìn)行出口物料的比較。

1. 流程模擬簡述

三種反應(yīng)器中均進(jìn)行如下可逆反應(yīng)：

CH3COOH（A）+C2H5OH（B）CH3COOC2H5（C）+H2O（D）

動力學(xué)方程為：

正反應(yīng)R1=1.9×108exp（-E/RT）CACB；逆反應(yīng)R2=5.0×107exp（-E/RT）CCCD，E=5.95×107J/kmol。

三種反應(yīng)器的進(jìn)料相同，A、B、C、D四種物料的進(jìn)料量分別為186.59、192.6、0、8.892 kmol/h，進(jìn)料溫度為70℃，進(jìn)料壓力為0.1013 MPa。流程模擬所選用的熱力學(xué)方程為NRTL-HOC。

反應(yīng)器的設(shè)定中，各反應(yīng)器的反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)壓力為0.1013 MPa。其中RSTOIC的乙醇轉(zhuǎn)化率為70%；PFR的長度為2 m，內(nèi)徑為0.3 m；CSTR的體積為0.14m3。

2. 運(yùn)行結(jié)果比較

Aspen Plus流程模擬參數(shù)設(shè)定完成即可運(yùn)行，并輸出結(jié)果，結(jié)果如表1所示。

從表1的乙酸乙酯摩爾流率可知，RSTOIC>PFR>CSTR，這是因?yàn)橛?jì)量反應(yīng)是一類按化學(xué)計(jì)量系數(shù)進(jìn)行反應(yīng)且轉(zhuǎn)化率能達(dá)到100%的反應(yīng)。

三、 結(jié)論

Aspen Plus對可逆反應(yīng)在不同反應(yīng)器中的物料模擬結(jié)果表明，計(jì)量反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率最大，而全混流反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率最小，這一結(jié)果符合化學(xué)反應(yīng)工程中理想反應(yīng)器的基本原理。通過流程模擬，不僅能從數(shù)據(jù)上直觀地展示不同類型反應(yīng)器的差異，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識，還能夠讓學(xué)生接觸化工行業(yè)的大型軟件，利于學(xué)生的就業(yè)和職業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1].余國琮，李士雨，張鳳寶，等.化工類專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)——“化工類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)技術(shù)改革的研究與實(shí)施”項(xiàng)目成果簡介[J].化工高等教育，2006，23（1）：8-11.

[2].王廣全，李肖華，張智亮.Aspen Plus軟件在化工原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工高等教育，2015，32（2）：60-63.endprint