2007年第2期(总第94期)[作者简介]刘保柱(1971 ),男,讲师,硕士。

Aspen Plus 应用于化工原理课程设计的实践刘保柱,于凤文,朱菊香(浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310032)[摘要]软件的N ex t 导航按钮和特制演示视频,可以使学生较快地掌握了软件的使用。

利用DST WU 捷算模块获得不同塔板数下对应的回流比,将数据导入Ex cel 进行费用计算能得到最优回流比。

用Rad F rac 模块进行严格计算,得到完整的工艺数据,再利用自编软件即可完成塔板和换热器设计。

软件的应用增强了学生的兴趣,提高了设计效率和质量,同时拓宽了教师的选题范围,使课程设计更接近工程实际,获得了良好的教学效果。

[关键词]化工原理;课程设计;A spen Plus;精馏塔一、概述化工原理是化工类专业最重要的专业基础课,课程设计是教学中的一个重要环节。

目前课程设计尤其是工艺过程计算中主要还是手工计算,大量的手工计算会耗费学生过多的时间,使学生对化工设计产生畏难心理;同时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。

我校化工原理教研室在气液传质过程及设备方面做了大量工作,依托这一优势,课程设计中经常选择精馏装置设计作为课题。

设计中要求学生首先根据给定的数据确定精馏塔的最优回流比,然后按最优回流比进行工艺计算得到精馏塔工艺数据,接着进行塔板设计,最后完成设备设计。

为了提高设计效率,我校教师开发出塔板设计软件、换热器设计软件。

而在工艺计算方面虽开发了乙醇 水系统的回流比优化程序,但对于更多物系的工艺计算还没有很好的办法。

通用化工软件已经在现代化工设计中得到广泛应用,极大地提高了设计的效率和质量。

Aspen Plus 是其中使用较多的过程模拟软件,它由美国AspenTech 公司于上世纪80年代初推向市场,经过多年的发展完善,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口,可广泛用于各种流程的模拟计算。

2001年,我校购买了用于教学的Aspen Plus 软件。

为了给学生提供学习先进设计工具的机会并扩大课程设计选题范围,我们在2002年7月的课程设计中尝试引入该软件用于最优回流比和精馏塔的工艺计算,经过几年试用,效果良好。

二、软件使用学习Aspen Plus 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,学习使用该软件仍旧有相当难度。

为了使学生能在给定时间内掌握软件基本用法并利用它完成设计任务,我们采取了以下两条措施:1.充分利用Aspen plus 的Nex t 导航按钮输入主要数据。

Aspen Plus 用户界面如图1所示,一个项目的完成需要创建流程图和输入数据两个阶段。

流程图的生成采用图形方式,输入数23据则采用表格形式,可分为必需数据和可选数据两类,其中必需数据是完成一个计算项目的最低要求,可选数据则是为了强化功能或者为了特殊要求而输入的数据。

图1中鼠标指示即为Nex t 导航按钮,在数据输入阶段它能指示用户在完成一个数据输入后自动跳转到下一个必需数据而跳过可选数据的输入。

这样就使学生避开了干扰,从而能够顺利输入自己需要的数据。

必需数据输入完成后,学生根据教师要求修改某些可选数据以满足要求。

图1 A spen Plus 用户界面2.利用屏幕捕捉软件生成演示视频文件。

受上机条件的制约,学生不可能用太多的时间来练习软件的使用,为此我们特别制作了演示视频。

教师演示一个案例的操作过程并面对麦克风进行同步解说,利用视频捕捉软件将屏幕过程及声音录制下来,最终得到具有声音和图像的视频文件。

该演示视频可以供学生在任意计算机上观看学习。

学生通过观看演示视频熟悉了操作过程,上机操作时就能够心中有数,从而较快地掌握了软件的使用。

以上措施基本解决了学生对软件的使用问题,绝大多数学生能够在要求的时间内利用软件完成设计工作。

三、应用情况(一)在回流比优化中的应用最优回流比求解中最困难的是计算不同回流比下的精馏塔数据。

很多物系难以从资料中获取气液平衡数据,根本无法进行计算。

常见物系的数据相对容易获取,但是手工进行很多组计算的工作量难以承受。

Asepn Plus 的捷算方法则可以帮助我们解决这一问题。

首先利用Co lum ns 组的DST WU 捷算模块(图1被选中模块)建立精馏流程图,然后利用Next 导航按钮,依次输入组分、热力学方法、塔板数、轻重关键组分及回收率等参数。

以上数据输入完成后就可以运算,但为了输出我们要求的塔板数和回流比的多组数据还需要进行输出格式的设置,在精馏塔的Calcu lation Options 中设置需要输出的起始塔板数及间隔,完成后就可以得到设定塔板数下的回流比以及再沸器和冷凝器热负荷,同时还能获取达到同样分离要求的塔板数 回流比组合。

将Aspen Plus 输出的数据导入Excel 软件,首先根据设定塔板数下的冷热负荷和回流比推算出其他塔板数下的换热器及换热介质费用,然后根据塔板数和回流比推算塔高塔径等参数并计算设备费用。

将设备费和运行费累计并分摊到每一年,利用Ex cel 的图表功能对数据作图,可直观地显示出总费用对回流比的敏感程度并得到最优回流比。

图2是某例题的计算结果,待处理物料为30 3000kg/h 含苯50%的苯 甲苯二元混合物,要求分离得到99.8%的苯产品和99.8%的甲苯产品,再沸器和冷凝器分别使用0.5M Pa 的水蒸气和30 的循环冷却水,求解出的最优惠回流比为1.3594,对应理论板数为31块。

需要注意的是,完成指定分离任务存在着最小理论板数,如果我们在捷算时输入的塔板数小于最小理论板数,Aspen Plus 会自动以高于最小理论板数的某一数值进行计算。

另外,我们求得的最优理论板数一般不会和我们输入数值或系统自动选用数值吻合,我们要求将求得的最优理论板数输入系统进行第二次计算。

这样做的好处一是所有冷热负荷数据皆从基准点推算得出,以最优理论板作为基准点可以减小最优回流比附近数据点的误差。

二是捷算法可以同时得出对应塔板数下的最佳进料位置,通过用最优理论板进行二次计算得出最佳进料板可以省去严格计算时对进料板位置的优化。

24A spen Plus 应用于化工原理课程设计的实践图2 在Excel中求解最优回流比结果捷算法对一般物系的计算具有相当高的精度,对于一般极性的物系虽然有一定偏差,但作为最优回流比的估算基本可以满足要求,对于某些强极性尤其是形成共沸物的物系,捷算法计算结果误差较大不再适用。

(二)在严格工艺计算中的应用捷算法并不能输出每块理论板完整的水力学数据,为满足塔板设计的要求,我们还需要对精馏塔进行严格的逐板计算。

利用Aspen Plus的RadFrac模块(图1中右下方模块)建立精馏流程,输入完成后选中Include hydraulic parame ters选项并设计定输出所有塔板,计算完成后就可以得到每块塔板的温度、压力、气液流量、气液密度、气液粘度、表面张力等数据。

这些数据是塔板设计的基础,利用塔板设计软件对这些数据进行处理,即可以完成塔板结构的设计。

严格计算还获得了物流及物性、换热器热负荷的等数据,根据这些数据代入换热器设计软件,最终完成换热器设计。

学生将设计结果汇总,从而完成整个设计过程。

四、结论1.Aspen plus应用于化工原理课程设计,减轻了计算工作量,提高了设计效率和质量。

2.软件使用中采取抓住主要矛盾并结合演示录像的方法,使学生快速掌握了软件的使用,并为学生将来使用这些软件打下良好的基础。

3.由于Aspen plus是一种通用软件,以上方法稍作修改就可以改用在其他物系,同时还能扩展到手工难以完成的三元以上物系,有利于尽快将实际案例应用于课程设计,使课程设计紧密贴近实际化工过程。

4.需要注意的是,软件的使用可能会带来削弱手工计算的问题。

为此,我们要求学生在进行软件计算前,手工计算一种工况以掌握手算机能,多种工况的计算则由软件完成,这也有利于学生对比手算和机算的差异并分析原因。

(责任编辑:吴文水)参考文献:[1]王琴萍,邓敏,吕殿祯.化工原理课程设计计算机辅助教学[J].大学化学,2001,16(4):34 35.[2]陈振兴.化工原理课程设计的规范化[J].有色金属高教研究,1994,(2):16 18.[3]叶枫,王靖.将工程设计引入化工原理课程设计教学的尝试[J].化工高等教育,2005(2):99 100.[4]王洪元.A SPEN软件在教学与科研中的应用[J].化工高等教育,2000,(2):49 51.[5]A spen T echno lo gy,inc.A spen P lus U ser G uide,V er sio n11.1[EB].2001.[6]谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理(第二版)上册、下册[M].北京:化学工业出版社,1990.(上接第28页)学指导分委员会计划将这些软件整理后正式出版。

我们开出的综合实验、设计型实验、研究型实验和开放式实验室都已对学生开放。

过程设备与控制多功能综合实验台和过程装备与控制工程专业基本实验综合装置,已为合肥工业大学、天津理工大学、长春理工大学、郑州轻工业学院、太原理工大学、大庆石油学院等高校采用。

4.本研究成果已应用于近5届学生的培养,毕业本科生的研究生入学比例明显提高,用人单位的反映良好。

(责任编辑:吴文水)25A spen Plus应用于化工原理课程设计的实践。