[Aspen,Plus,在化工设计中的应用实践与探索]化工实践报告

　　摘要： Aspen Plus是针对化工为代表的功能强大的过程系统模拟软件，本文介绍了如何将其引入化工设计环节。教学实践表明，使用软件模拟可以节省计算量、提高效率，培养学生解决工程问题的能力，与手工计算的差异对比分析原因，巩固化工原理知识。
　　关键词：Aspen Plus；化工设计；教学实践
　　中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）23-0093-02
　　一、引言
　　化工设计是指对化工过程的设计，通过设计一系列的单元设备操作，将其合理地组合起来，从而实现从原料的输入到产品的输出。[1]化工设计课程是高校化学工程与工艺专业的一门重要的专业必修课，是在学生学完专业基础理论课《化工原理》、《化学反应工程》、《化工热力学》及主要专业课《化工工艺学》、《化工仪表自动化》、《化工设备》后，所开设的一门综合性实践教学课程。
　　近年来，随着计算机技术在化工生产及过程设计应用上的快速发展，掌握先进的计算机控制与设计技术，以适应行业的发展，显得尤为重要。Aspen Plus是一种适应化工工程日益综合化、大型化、复杂化趋势，已全方位应用于化工过程研究、开发、设计、仿真、生产过程控制、优化及技术改造等的大型软件，具有最适用于工业、且最完备的物性系统。它计算精准，是目前国内外化工设计院使用的主流软件。[2]将Aspen Plus应用于化工设计课程教学，不仅可以培养学生学习兴趣和计算机应用能力，而且为学生将来从事相关行业的工作打下坚实的基础。
　　Aspen Plus是一款针对以化工为代表的过程系统模拟软件，其设计基础是以“三传一反”和化工系统工程为核心的化工专业知识，本文结合Aspen Plus在化工设计教学中的应用实践粗谈教学体会。
　　二、教学现状分析
　　中国矿业大学（以下简称“我校”）化学工程与工艺专业的本科生培养方案中，主要在第五和第六学期开设专业基础理论课和重要的专业课程，如《化工原理》、《化学反应工程》、《化工热力学》和《化工分离工程》等。在第六学期开设《计算机化工应用》，通过对Aspen Plus软件的理论学习与上机实践，让学生掌握流体输送单元、传热单元、分离单元等单元操作的仿真设计和流程模拟；通过学期末的《化工原理课程设计》的手工计算，让学生熟悉和掌握化工设计的基本原理和方法，并辅以Aspen Plus软件进行流程模拟，刘保柱等]和孙兰义等将软件用于化工原理课程设计教学中取得了很好的效果。[3,4]在第七学期开设的《化工专业综合设计》和第八学期的毕设环节，要求学生设计化工厂，针对指定的化工生产系统进行模拟和优化。通过这一系列课程的学习，使学生从简单的单元操作模块模拟，过渡到对整个化工生产系统的模拟和优化；从基础的计算机操作的学习，转向解决设计型和综合型的复杂问题；从理论知识的学习转向工程实践能力的培养，最终达到培养学生综合运用专业理论知识和计算机技术解决实际工程问题的能力的目的。
　　2011年，我校购买了用于教学的Aspen公司的“University package for Process Engineering”5年使用权（可同时使用150人），给学生提供了学习先进设计工具的机会，也给《计算机化工应用》课程提供了上机保证，使我校化工专业的设计软件与国际接轨，提高了学生的竞争力。
　　Aspen Plus是一个功能强大的通用过程仿真软件，但要灵活掌握、使用软件，学习起来仍有相当难度。软件是全英文的操作界面，对学生的专业英语水平也提出了更高的要求。为了使学生能在给定时间内掌握软件的基本用法并利用它完成设计任务，利用有限学时，在教学环节介绍软件的使用步骤、用户界面；物性计算模型的选择；流体输送单元选择pump和valve；传热单元选择heater和heatX；分离器选择flash2和sep；塔器选择DSTWU和RadFrac；反应器选择RStoic、Rplug和RCSTR等典型的单元模块进行教学，让学生学习典型单元模块的基本设置方法，通过单元模块的仿真模拟，掌握软件的工作原理，学会分析仿真模拟结果，并结合化工原理课程设计中的手工计算结果，进行对比分析。在教学环节中，通过屏幕捕捉软件制作单元操作模拟视频，通过软件的Next专家导航系统和强大的在线帮助功能，可以使学生较快地掌握软件的基本使用功能。需要注意的是，在用软件模拟仿真之前，要求学生掌握手工计算的方法和原理，通过对比手工计算和软件模拟的差异学会分析原因。
　　三、教学实例探讨
　　以精馏模拟为例，模拟对象是乙苯——苯乙烯系统一级精馏塔，进料条件为：乙苯28.4％（质量分数），苯乙烯71.6％（质量分数），流率1000 kg/h，压力0.12 MPa，温度30 ?C；精馏塔塔压0.02 MPa；要求99.8%的乙苯从塔顶排出，99.9%的苯乙烯从塔底排出，确定精馏塔的理论板数、回流比和最佳进料板位置。首先用DSTWU模块进行精馏塔的简捷计算，确定出回流比、理论板数等基本参数，模拟流程图见图1。
　　图1 精馏分离乙苯-苯乙烯模拟流程图（DSTWU）
　　添加完物流后即完成了基本的流程输入；从数据库中添加本模型所需的乙苯和苯乙烯组分；物性方法选择NRTL模型；定义进料物料流股，操作单元模块定义时初选回流比为最小回流比的1.5倍，输入流出物和塔釜液的产品回收率，即可完成数据的输入，进行模拟。计算的物流结果见表1，最小回流比为12.13，最小理论板数为55块，进料板为第48块。
　　表1 塔计算结果（DSTWU）
　　将计算选项中选择“生成回流比——理论板数关系表”，此结果对选取合理的理论板数很有参考价值；然后通过“plo”进行绘图，见图2，合理的理论板数可在图中曲线斜率绝对值较小的区域（80～0之间）选择，回流比选择为25，理论板数选为85。
　　图2 精馏塔理论板数和回流比关系曲线
　　然后，用RadFrac模块进行严格计算，物料组分信息都不变，流程图中只需将DSTWU模块换成RadFrac模块，重新连接流股，根据DSTWU简捷计算的结果设定模块参数，运行结果如表2所示。通过浓度分布剖形结果表可知，在16块板处的组分质量分数与进料组成较为接近，把进料板数设为16重新运行，进行校核计算。还可以通过灵敏度分析工具选择最佳进料板位置，进行优化设计。