Aspen+Plus在化工原理课程设计教学中的应用

２００９年第１２期第３６卷总第２００期广东化工ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｒｎ・１７３震震ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ在化工原理课程设计教学中的应用孙兰义，张月明，李军，刘雪暖（中国石油大学化学化工学院，山东青岛２６６５５５）【摘要］ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ是一款大型商业过程模拟软件，文章结合了多年的化工原理课程设计教学经验，介绍了如何将流程模拟软件ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ运用到化工原理澡程设计环节中。

实践经验表明，过程模拟软件的应用不仅可以培养学生的兴趣，提高设计效率和质量，增强学生的工程意识，同时也能拓宽教师的选题范围，使课程设计更接近工程实际．更有利于教学与实践的结合。

【关键词ｊ化－亡原理课程没计；ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ；精馏塔【中国分类号】Ｇ４［文献标识码】Ｂ【文章编号】ｌ００７—１８６５（２００９）１２－０１７３—０３ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｓｐｅｎＰｌｕｓｉｎｔｈｅＣｏｕｒｓｅＤｅｓｉｇｎｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｉｎｃｉｐｌｅＳｕｎＬａｎｙｉ，ＺｈａｎｇＹｕｅｍｉｎｇ，ＬｉＪｕｎ，ＬｉｕＸｕｅｎｕａｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５５５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｐｅｎＰｌｕｓｉｓａｍａｒｋｅｔ－ｌｅａｄｉｎｇｐｒｏｆｅｓｓｍｏｄｅｌｉｎｇｔｏｏｌｆｏｒＰｒｏｃｅｓｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｗａｙｏｆａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅＡｓｐｅｎＰｌｕｓｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔ０ｔｈｅＣｏｕｒｓｅＤｅｓｉｇｎｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｙｅａｒｓｏｆｐｒａｃｔｉｃｅｔｅａｃｈｉｎｇ．ＰｒａｃｔｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｓｐｅｎＰｌｕｓｎｑａｄｅｃｏｕｒｓｅｄｅｓｉｇｎｍｏｒｅｃｌｏｓｅｔＯｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅａｌｉｔｙａｎｄＷａＳｈｅｌｐｆｕｌｔｏｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｐｒａｃｔｉｃｅａｎｄｔｅａｃｈｉｎｇ，Ｃａｌｌｎｏｔｏｎｌｙｆｏｓｔｅｒｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｉｎｔｅｒｅｓｔａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｃｉｏｕｓｎｅｓｓ，ｅｎｈａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙ，ｂｕｔａｌｓｏｅｘｔｅｎｄｔｈｅＳＣＯｐｅｏｆｓｕｂｊｅｃｔｓｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｕｒｓｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ａＳｐｅｎｐｌｕｓ；ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ化工原理是化工类专业重要的专业基础课，而课程设计是在学习了化工原理基础知识、基本理论之后的一次实践教学，是化工原理教学中的十分重要的教学环节。

它町以使学生找到理论与实践的切合点，是对学生化工原理知识的一次综合考验，并能有效地培养学生的动手能力和独立思考的能力［Ｉ－２Ｊ。

目前化工原理课程设计尤其是工艺过程计算部分还是以手工计算为主，大量的手工计算会耗费学生过多的时间，计算中一旦出现错误，往往会影响到后续的设计。

在我们课程设计的教学实践中，经常有学生由于在设计的开始阶段出现错误，没有得到及时的纠正，发现错误后又重新计算，这样的来回反复使学生对化工原理课程设计产生了畏惧心理。

另外大最的手工计算，也给教师的批改和评判带来一定的困难。

而且设计中需要的一些数据难以从文献中获得，教师在选题时受到限制，难以反映化工发展的实际，降低了学生对课题的兴趣。

通用化工软件在现代化工设计中的广泛应用极大地提高了设计的效率和质量。

ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ是其中大型通用流程模拟系统之一，它由美国ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司于上世纪８０年代初推向市场，该软件经过近３０年的不断地改进、扩充和提高，目前的版本配有完备的物性模型和全面的单元操作模型，并且具有方便直观的数据输入输出接１３，可广泛用于各种流程的模拟计算ｐ…。

若将ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ应用于化工原理课程设计，可以有效解决物性难杏找的问题，克服物料衡算和能量衡算中繁琐的计算，避免手算中常见的错误，有效提高学生的计算的准确性和效塞。

１软件的学习使用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ是一个功能强大的通用过程软件，尽管它具有友好的用户界面和丰富的帮助系统，学习使用该软件仍然有相当难度。

为了使学生能在给定时间内完成设计任务，我们设置了四个课时的软件讲座，绝大部分学生町以在课时内掌握完成设计任务需要用到的软件功能，课程做如Ｆ安排。

１．１用户界面的演示简单介绍ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ用户界面（如图１所示），首先介绍工艺流程窗口，简单讲述窗口每个部分的功能，对于菜单栏中经常使用到的功能加以洋述。

然后介绍每个模块的作用，对于课程设计中需要用到的模块稍加详细介绍。

图１ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ用户界面Ｆｉｇ．１ＴｈｅｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆＡｓｐｅｎＰｌｕｓ１．２功能及使用方法的介绍在这节内容里，给学生讲述ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的工作原理，需要教师站在化工原理课程设计的角度讲述完成一个精馏塔的模拟，需要输入哪些数据，在ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ里如何将这屿数据准确输入。

通过讲述输入内容引导学生熟悉操作，并明自其中的内涵。

具体步骤町以依次如下：讲述模拟流程图的绘画的方法，全局变量及其信息的输入，组分数据的查找与输入，物性方法选择与输入，物流数据的输入，最后是模块数据的输入。

其中【收稿日期】２００９一０８．２５【基金项目】教育部博士点基金新教师项目资助课题（２００７０４２５５３０）【作者简介】孙兰义．（１９７２一），男，山东冠县人，博士，副教授，主要研究方向为过程模拟与优化。

１７４广东化工ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ２００９年第１２期第３６卷总第２００期在模块数据输入部分，需要重点讲述ＤＳＴＷＵ精馏模块、ＲａｄＦｒａｃ精馏模块、阀和泵的输入。

１．３ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ入门及实例模拟演示在这节里，需要学生明白ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的智能导航键Ｎｅｘｔ的用法，掌握对于上述繁琐的输入项也可以在Ｎｅｘｔ键引导下完成，并以一个二元体系为例，教师亲自演示如何完成一个精馏塔筒捷设计的模拟和一个精馏塔严格设计的模拟，演示步骤从新建一个模拟开始，依次画流程图，输入各项数据，到运行及调整，直至模拟收敛并得到分离的产品，对于演示过程不明白的地方，学生需及时提问，教师予以详解。

１．４教师现场指导模拟对于软件的学习，学生动手能力显得尤其重要。

完成上述三个课时后，教９Ｉｌｉ可以选择一个二元体系，譬如甲醇一水体系，指导学生当堂完成模拟。

对于有问题的学生，及时解决其问题，由于许多学生可能此时掌握的还是不够熟练，需要需要耐心的进行指导。

以上每节为一个课时，其中第一、二节制作幻灯片讲解，第三、四节为上机课时。

完成四个课时后，安排学生课下学习ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ用户指南上的例题，以熟悉操作，同时町视学生掌握情况而决定是否增开答疑课时。

２ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件与化工原理课程设计结合实例中国石油大学（华东）化工原理教研室在课程设计的选题上，通常选择烃类分离装置作为设计对象，设计中学生首先明确分离的要求，根据分离要求给出最优分离顺序，确立工艺流程，再进行物料筏算、能量衡算，接着就是设备的计算与选型，最后是设备与流程图的绘制［５－６１。

以往，在进行物料衡算和能量衡算中有大量反复的手算。

在运用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ进行辅助教学中，这些问题便迎刃『面解。

下面简单介绍如何将ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ运用到课程设计中。

设计题目为：４０万ｔ，ａ烃类分离装置工艺设计，原料：乙烯装置脱丙烷塔塔釜液，组成如表ｌ所示。

表１原料组成Ｔａｂ．１Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｅｅｄ序号原料组成模拟采用组成／（ｍ０１）％１丁二烯／Ｃ４炔烃丁二烯２５．４０７２丁烯１．丁烯１９．２０１３Ｃ５烃类正戊烷１１．０６２４Ｃ６非芳正己烷４．７４０５苯苯１８．９ｌｌ６甲苯甲苯８．９１２７二甲苯问二甲苯７．５１２８Ｃ９以上烃类癸烷４．２５５合计１００．００产品及其需要达到的分离要求（均为ｍ０１％）如下：（１）Ｃ４馏分：Ｃ４总含量／＞９９．５％；Ｃ４损失率≤１％；（２）Ｃ５馏分：Ｃ５含量≥９５％；Ｃ５总损失率≤４％；（３）芳烃为主的Ｃ６．Ｃ８烃类混合物：苯、甲苯、二甲苯总含量≥８５％，苯、甲苯、二甲苯总损失率≤ｌ％。

图２４０万ｔ／ａ烃类分离装置工艺流程图Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｆｌｏｗｓｈｅｅｔｏｆ４００ｔｈｏｕｓａｎｄｔｏｎｓｐｅｒｙｅａｒｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓｅｐａｒａｔｉｏｎｕｎｉｔ２．１简捷计算首先根据分离要求，分析可能的分离次序，得到最优分离次序为：先分离出ｃ４馏分，再分离出ｃ５馏分，最后分离芳烃组份和Ｃ９以上组分。

确立分离次序以后，根据分离要求，确定每个精馏塔分离的轻重关键组分在塔顶蒸馏的含量。

然后在ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ里建立模拟，选择ｃｏｌｕｍｎｓ中的ＤＳＴｗＵ模块，连接进出物流，如图２所示。

再利用Ｎｅｘｔ导航器，依次输入组分，热力学方法，物流组成，实际回流比与最小回流比的比值，冷凝器和再沸器的压力，轻重关键组分的塔顶收率，以及冷凝器的形式。

这样就町以模拟出需要的最小回流比与最少理论板数。

回流比是精馏操作中的一个重要参数，其下限是最小回流比。

采用较大回流比可以减少理论板数并降低塔高，但塔径、再沸器及其冷凝器的热负荷、泵的动力消耗也随之增加。

所以需要综合考虑，认真选取，力求使得设备费用和操作费用之和为最小，而且所设计的塔要具有一定的操作弹性。

由于化工原理课程设计中不可能进行全面的经济核算，通常采用作回流比一理论板的经验图来确定最优的回流比。

在我们利用ＤＳＴＷＵ进行简捷法计算时，在ＤＳＴＷＵ输入项的“ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＯｐｔｉｏｎ”中选择获得回流比与理论板数关系表，将此表输入到ｅｘｃｅｌ表中作经验图，可以得到实际的回流比和理论板数‘５１。

在简捷计算的开始，输入了一项操作回流比与最小回流比之比的初值，而一般情况下最优的比例都不是输入的初始值，在我们求得最优值之后，重新输入最优值，这样ＤＳＴＷＵ就能计算得到实际回流比对应的实际理论板数，以及相应的进料位置。

利用这些参数可以进行严格计算。

对于上述分离体系可以得到最优的各精馏塔的回流比、理论塔板数以及进料位置见表２。

表２各塔的最佳回流比、理论板数及进料位置Ｔａｂ．２Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｒｅｆｌｕｘｒａｔｉｏ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｌａｔｅｎｕｍｂｅｒａｎｄｆｅｅｄｓｔａｔｉｏｎｏｆａｌｌｃｏｌｕｍｎ２．２严格计算简捷计算不能得到每块塔板的水力学数据，也无法准确的计算再沸器和冷凝器的负荷，而且其产品的纯度要求也需要严格计算的进一步的确认。