AspenPlus软件在化工原理教学中的应用.docx

第 16 卷第 9 期2010 年 9 月Vol.16,No.9Sep., 2010江 苏 技 术 师 范 学 院 学 报JOURNAL OF JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGYAspen Plus 软件在化工原理教学中的应用张 春 勇，郑 纯 智，汪 斌，张 国 华，文 颖 频，张 纪 霞(江苏技术师范学院 化学与环境工程学院， 江苏 常州 213001)摘 要： 化工原理是一门内容广、实践性强的课程。为了培养学生的工程实践能力， 将 Aspen Plus 软件应用于化 工原理教学 。介绍了 Aspen Plus 软件在化工原理教学中的应用， 论述了将 Aspen Plus 软件强大的参数化建模功 能应用于教学过程。将 Aspen Plus 引入到化工原理教学中， 有助于学生对化工原理的理解， 有助于学生学习兴趣 的提高。关键词：Aspen Plus；应用； 化工原理中图分类号： G642 文献标识码： A 文章编号： 1674- 8522(2010) 09- 0078- 040 引 言化工原理属于工程学科范围，与工程实践联系密切 。1913 年美国麻省理工学院首先开出一门名为 “PrinciplesofChemicalEngineering”的新课，1923 年，WH Walker等人编著并出版了世界第一部关于化工 单元操作的著作化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering) 1-3。AspenPlus 是美国麻省理工学院于 20 世纪 70 年代后期研制开发的大型化工模拟软件， 被公认为世界性大型化工标准流程模拟软件 4。Aspen Plus 自身附带有较完整的物性参数和各种模型 (如反应模型、精馏模型等)，能根据工艺的特点， 精确计 算， 广泛适用于精馏、吸收、反应等化工生产过程 5,6。当工艺参数发生变化时， 只要输入改变的参数， As- pen Plus 就可以模拟， 重新计算方便。化工原理概念多、理论性强、计算复杂、与工程实际联系密切。利用 AspenPlus 的工程设计能力， 使化 工原理的教学理论联系实际， 对化工原理的教学有很好的促进作用。在教学的过程中先把问题提出来， 让 学生先自己通过已有的知识进行计算， 然后再在 AspenPlus 软件中模拟 。这样学生就能掌握计算和设计 两种能力， 为解决工业实际问题打下良好的基础。1 在流体流动和输送机械中的应用AspenPlus 可以对流体流动进行计算 。例如将 25C、1.1atm、800m3/h 的低浓度酒精(乙醇的质量含量 为 30%，水的质量含量为 70%) 与 35C、1.8atm、700m3/h 的高浓度酒精 (乙醇的质量含量为 95%，水的质 量含量为 5%) 混合，求混合后的温度和体积流量等参数 。在 AspenPlus 中选择 Mixers模型来计算和模 拟，工艺流程如图 1 所示。打开模型 MIXERS的规定框， 输入模拟方法和设计任务相对应的参数， 点击工具栏中运行按钮进行 模拟计算 。查看结果视图， 求出混合后的温度为 29.62C、体积流量为 1489.18m3/h、压力为 1.1 atm。收稿日期：2010-4-27；修回日期：2010- 5- 11作者简介： 张春勇(1978-)，男，江苏东台人， 讲师，硕士。第 9 期 张春勇 郑纯智 汪 斌 等：Aspen Plus 软件在化工原理教学中的应用 79在化工生产过程中， 通常使用泵来输送流体， 这就需要对泵进行设计。泵的设计过程包括管路系统的 确定、泵参数的计算和泵的核算等。在使用 AspenPlus 教学过程中， 先用 AspenPlus 软件画出流程图， 输 入必要的参数， 再进行模拟。AspenPlus 可以计算出泵出口压力， 也可以计算出出口压力、流量、有效汽蚀 余量、轴功率等重要数据7。例如可以提出这样一个问题：一台离心泵将 40C、2bar 的苯加压到 5bar，苯的流量为 80 m3/h，离心泵 的效率为 70.05%，电机的效率为 85.98%，求泵提供给流体的功率 、泵所需要的轴功率 、以及电机消耗的 电功率。2 在传热中的应用AspenPlus 软件提供了 7 种换热器模型， 它们分别是 Heater、HeatX、MHeatX、Hetran、Aerotran、HXFlux 和 HTRIXIST。设计换热器的过程是先依据经验初步估计总传热系数， 计算传热面积， 确定换热器的结构尺寸， 然后 计算压降， 最后核算。在设计过程中， 要先使用 AspenPlus 模拟软件中的 AspenPinch 来选择管长、流体流 径、管子尺寸与排布、管束与壳体的直径、折流板的结构与尺寸等。例如可以提出这样一个问题：用 20C、 1.0 MPa、60 000 kg/h 的水冷却 200C、0.4 MPa、10 000kg/h 的混合物(苯的质量含量为 50%，苯乙烯的质量 含量为 20%，水的质量含量为 10%，乙苯的质量含量为 20%)，计算换热任务和换热器面积。在AspenPlus 中选择 HEAT模型来计算和模拟，工艺流程如图 2 所示。模拟的结果：换热器的任务为 436 421.34 cal/sec、换热器面积为 20.22m2。图 1 混合器工艺流程3 在精馏中的应用图 2 热交换器工艺流程精馏和蒸馏是分离液体混合物常用的单元操作手段之一。精馏和蒸馏是利用混和物中各组分间挥发 性的不同实现混合物的分离。在进行设计前， 需要知道物质的 T-x-y 图或相对挥发度。数据的来源有数据 库查询、文献查询、实验测取和理论计算等。AspenPlus 自带有约 1 773 种有机物、2 450 种无机物、3 314 种固体物、900 种水溶电解质的基本物性参数的物性数据库，还有丰富的状态方程和活度系数方法可以 用来估算物性 。对于所需的 T-x-y 图等数据可以通过查找 AspenPlus 物性数据库， 物性数据库中没有的 还可以通过 AspenPlus 软件提供的物性估算功能进行理论计算8。使用 AspenPlus 模拟软件， 对液体混合物进行模拟计算， 可以得出精馏塔的塔板数 、回流比、进料位 置等主要操作参数及工况条件9。以混合二异丙苯精馏分离为例进行模拟， 料液处理能力 1kg/s，间二异丙 苯的质量分数为 40%，对二异丙苯的质量分数为 60%，饱和液体进料， 进料温度为 25C，压力为 1.1atm， 塔顶为全凝器， 间二异丙苯的回收率 99.83%，对二异丙苯的回收率 0.17%，冷凝器 1atm，再沸器 1.3atm，80 江 苏 技 术 师 范 学 院 学 报 第 16 卷用活度系数模型 NRTL-RK来计算汽液相平衡。用 AspenDSTWU(简捷法精馏设计) 塔模型来计算和模拟 精馏塔，装置工艺流程如图3 所示。打开精馏塔的规定框， 输入模拟方法和设计任务相对应的参数， 其中回流比事先不确定， 输入任意 值 。点击工具栏中运行按钮进行模拟计算 。查看结果视图， 得出最小回流比为 15.98。使用 Aspen软件中灵敏度分析工具， 进行灵敏度分析， 考查回流比和塔板数之间的关系， 计算结果见 图 4。图 3 精馏工艺流程 图 4 回流比与塔板数的关系工艺上需要选择合适的回流比， 一般取最小回流比的 1.22.0 倍，取 1.3 倍的比较普遍。在模拟中回流比取20.78。轻关键组分间二异丙苯的回收率与塔板数之间的关系也是精馏塔设计中要考虑的主要因素。间二异丙苯的回收率和塔板数之间的灵敏度关系见图 5。由图 5 可以看出， 随着间二异丙苯的回收率的增大塔板数随之增大 。当间二异丙苯的回收率大于 0.9 983以后，随着回收率的增大塔板数急剧增大 。而且塔板数的急剧增加， 对分离能力无明显提高， 分离能力已经达图 5 间二异丙苯的回收率和塔板数之间的关系到了一个边界值。4 在吸收与脱吸中的应用在 AspenPlus 的模拟中， 吸收和精馏使用相同的模型 。AspenPlus 中的 Rad Frac 模型可以用于计算 精馏塔和吸收塔 。吸收塔的计算过程与精馏塔计算略有不同，冷凝器和再沸器没有，气体进料板为 “N+1”。脱吸过程是吸收的逆过程， 也在吸收塔中进行。脱吸与吸收的相同处是计算方法和设备均相同。不同 的是溶质组分在液相中的实际浓度总是大于与气相成平衡的浓度。因此,脱吸塔的计算过程， 与吸收塔计 算基本相同， 唯一不同的是物料的含量不同。5 结 语从 AspenPlus 模拟软件在化工原理教学中的应用看出， AspenPlus 模拟软件能把化工原理中复杂的 过程计算用计算机软件来计算， 而且能模拟出化工生产的过程 。把 AspenPlus 软件应用到化工原理教学第 9 期 张春勇 郑纯智 汪 斌 等：Aspen Plus 软件在化工原理教学中的应用 81中，可以理论联系实际， 学生看到的都是实际的工程实例， 这样,不仅能提高学生的学习兴趣， 而且可以促 进学生解决工程实际问题的能力， 提高教学效率， 为教学改革开辟新的路径。参考文献：1 张颂红，姚克俭化工原理课程教学中创新教育的探索与实践J化工高等教育,2003,77(3):83-84.2 张春勇，郑纯智，文颖频环境工程专业化工原理课程教学改革探索 J.江苏技术师范学院学报： 自然科学版,2008,14(1) :74- 77.3 李功样“化工原理”课程的教学改革实践J广东工业大学学报：社会科学版，2002,2(2) 48- 50.4 SamejkalQ, SoosM. ComparisonofcomputersimulationofreactivedistillationusingASPENPLUSand HYSYSsoftwareJ.Chem EngProcess,2002 ,41 (5) :413-418.5 ASPENTechnologyInc. ASPENPLUSGUIDE.1994.6 陈会，梅智明Aspenplus 模拟环丁砜萃取精馏苯乙烯工艺过程J.齐鲁石油化工,2009,37(3) :182- 185. 7 黄卫国AspenPlus在泵选型设计中的应用J高桥石化,2007,22(2) :27-30.8 戚一文，方云进物性估算在 ASPENPLUS软件中的应用J.浙江化工,2007,38(1) :9- 11.9 谢扬，沈庆扬ASPENPLUS化工模拟系统在精馏过程中的应用J化工生产与技术,1999,16 (3) :17-22,28.Application of Aspen Plus in the Course ofChemical Engineering PrincipleZHANG Chun-yong, ZHENG Chun-zhi,WANG Bin,ZHANG Guo-hua, WEN Ying-ping, ZHANG Ji-xia(School of Chemistry and Environment Engineering, Jiangsu Teachers University of Technology, Changzhou 213001, China)Abstract：ChemicalEngineeringPrinciple is an importanttechnical course forthe majorofChemistry and Chemical Engineering. In order to raise the students practical ability, we apply Aspen Plus to ChemicalEngineeringPrinciple teaching. This paper introduces applicationofsoftwareAspen Plus on the teachingofcourseofChemicalEngineeringPrinciple, discussesthe greatparameterizationmodeling functions applied in teaching process. It is concluded that it is helpful to introduce Aspen Plus to teachingoftechnical coursesfordeepening students understandingofChemicalEngineeringPrinciple,enhancinginterestsoflearning.Key words：AspenPlus;application;PrincipleofChemicalEngineering责任编辑 张志钊