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化工过程模拟实训AspenPlus教程第二版课程设计1. 简介Aspen Plus是一种广泛使用的化工过程模拟软件，它可以模拟各种化学工艺操作和过程。
本教程将介绍如何使用Aspen Plus进行化工过程模拟实训。
本教程是第二版，增加了更多的实例和案例，以便读者更好地理解和应用Aspen Plus。
2. Aspen Plus基础在开始使用Aspen Plus前，需要了解以下基础概念：2.1 单元操作单元操作是指物料转化和传递过程中的基本操作，如反应、蒸馏、吸收、萃取等。
Aspen Plus提供了许多单元操作模块，可以用来构建整个流程。
2.2 组成组成是指物料的组成成分。
在Aspen Plus中，组成可以用化学式、分子式、元素符号等表示。
2.3 热力学热力学是指物料的能量状况。
在Aspen Plus中，可以使用不同的热力学库来模拟不同的物料。
2.4 流程图流程图是Aspen Plus中最基本的概念，所有的操作都可以在流程图中进行。
3. Aspen Plus实例3.1 空气分离实例空气分离是工业化学中常见的过程。
它可以通过液化空气来分离氮气和氧气。
在Aspen Plus中，可以使用cryogenic splitter模块来模拟这个过程。
1.创建流程图并选择cryogenic splitter模块。
2.设置物料组成和流量。
3.设置冷却剂和回收装置。
4.进行模拟并查看结果。
3.2 甲醇制备实例甲醇制备是另一个常见的化学工艺过程。
它可以使用甲烷和水制备甲醇。
在Aspen Plus中，可以使用reactor模块来模拟这个过程。
1.创建流程图并选择reactor模块。
2.设置物料组成和流量。
3.设置反应条件和反应器类型。
4.进行模拟并查看结果。
3.3 精制实例精制是化学工业中重要的过程，它可以使物料纯度更高。
在Aspen Plus中，可以使用distillation column模块来模拟这个过程。
1.创建流程图并选择distillation column模块。
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第２ ４卷第 ２期 化 工时 刊 Ｃｈ ｍ ｉａ Ｉｄ ｓ ｒ ｉ ｅ ｅ ｃ ｌ ｎ ｕ ｔ Ｔｍ ｓ ｙ Ｖｏ ． ４， ． １ ２ Ｎｏ ２ ２１ ０ ０年 ２月 Ｆ ｂ ２． ０１ ｅ ． ２ ０ ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／． ｓ ．０ ２—１ ４ ２ １ ．２ ０ ８ ｓ ５ Ｘ． ０ ０ ０ ． １ Ａ ｐｎＰｕ 在 化 工 专 业 教 学 中 的应 用 ｓｅ ｌｓ 王 帅 钟 宏 金一粟 满瑞林 李海普 （ 中南 大学化 学化 工学 院 湖南 长 沙 ４ ０８ ） １０ ３ 摘 要 通过化工专科课程体系结构的分析 ， 在传统理论 教学 和设计教学的基础上 ， Ａ ｓｎＰｕ 流程模拟软件有 目 将 ｐｅ ｌ ｓ 的、 有步骤地应用于化工专业教学 ， 通过单元模型操作、 过程系统模拟和化工厂设计 ３个 阶段 的训练 ， 使学生逐步掌握 Ａ ｐｎＰｕ 软件的使用和化工设计的精髓 ， ｓｅ ｌｓ 达到培养专 业知识深 厚、 计算 机应用 能力较强 的“ 知识 ”＋“ 能力 ” 型人才 的 目的 。
关键词 Ａ ｐｎＰｕ 化工教学 ｓｅ ｌｓ 课程设计 将 专业 知识教 育 与计 算 机应 用 能 力 培养 结 合起 来， 培养能够熟练运用计算机技术解决化工专业 问题 的学生 ， 是化 工专业 教育 的重要 目标之一 。
为 了实现 这 一培 养 目标 ， 了基 础 的计 算 机知 识 教 学外 ， 内 除 国 地 应用化 工过 程 的研 究开 发 、 置设 计 、 产 过程 控 装 生 制、 工艺 优化及 技 术 改造 等 方 面 训 。
将 Ａ ｐｎＰｕ ｓｅ ｌ ｓ 应 用于化 工专 业教 学 ， 不仅 可 以培 养学生 学 习兴 趣和 计 算机应 用能力 ， 且为学 生将来 从事相关 行业 的工 而 作 打下 了 良好 的基 础 。
Aspen Plus 在化工设计及模拟中的应用（摘自方利国等编《计算机在化学化工的应用》第九章，化学工业出版社，2003 年）Aspen P1us 是一款功能强大的化工设计、动态模拟及各类计算的软件，它几乎能满足大多数化工设计及计算的要求，其计算结果得到许多同行的认可，该软件也和其他软件一样在不断地升级。
在美国能源部的拨款资助下，麻省理上学院化工系有关教授组织了一个由高等学校和企业部门各方人员参加的开发小组，集中进行新一代化工流程模拟系统的开发，于1979 年初开发成功Aspen，并投入使用。
1981年专门成立了一家公司接管了这套系统的继续开发和完善工作，同时软件更名为Aspen P1us。
它被用于化学和石油工业、炼油加工、发电、金属加工、合成燃料和采矿、纸浆和造纸、食品、医药及生物技术等领域，在过程开发、过程设计及老厂的改造中发挥着重要的作用。
该软件主要由三部分组成，简述如下。
(1)）物性在物性部分中包括基础物性数据库、热力学性质和传递物性，下面分别加以介绍。
①基础物性数据库Aspen Plus 中含有一个大型物性数据库．共含有32 类近900 种纯物质的物性，主要有：分子量、Pitzer 偏心因子、临界性质、标准生成自由能、标准生成热、正常沸点下汽化浴热、回转半径、凝固点、偶极矩、比重等。
同时还有：理想气体热容方程式的参数、Antoine 方程的参数、液体焓方程系数。
对UNIQAC 和UNIFAC 方程的参数也收集在数据库中，在计算过程中，只要所计算的组分在物性数据库中存在，则可自动从数据库中取出基础物性进行传递物性和热力学性质的计算。
②燃烧物数据库燃烧物数据库是计算高温气体性质的专用数据库。
该数据库含有常见燃烧物的59 种组分的参数，其温度可高达6000K，而用Aspen P1us 主数据库，当温度超过1500K 以上时，计算结果就不精确了。
燃烧物数据库只适用于部分单元操作模型对理想气体的计算。
Aspen Plus软件在化工原理课程各教学环节中的应用李微;刘世熙;马志刚;袁申富【摘要】Principles of Chemical Engineering is an important fundamental technology course for students majoring in Chemical Engineering.It is an application course with the focuses of practicality and engineering.The model blocks in Aspen Plus are closely related to unitoperations.Employing Aspen Plus in theory teaching,experiment teaching and curriculum design of Principles of Chemical Engineering realizes the combination of theory and practical application.It can not only improve the quality of teaching,but also promote the cultivation of students' engineering practical ability.The application of Aspen Plus in the teaching links of chemical engineering principles was emphatically introduced,and some concrete examples were presented.%化工原理是化工类专业的重要基础技术课,工程性和实践性很强,其各单元操作与Aspen Plus软件中的单元模块紧密联系.将Aspen Plus应用于化工原理理论教学、实验教学以及课程设计等环节,实现理论与实际应用的充分结合,不仅可以提高教学质量,而且能够促进学生工程实践能力的培养.本文分点介绍了Aspen Plus软件在化工原理各教学环节中的应用,并给予了实例说明.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2017(045)011【总页数】5页(P185-189)【关键词】AspenPlus;化工原理;实3【作者】李微;刘世熙;马志刚;袁申富【作者单位】云南大学化学科学与工程学院,云南昆明 650091;云南大学化学科学与工程学院,云南昆明 650091;云南大学化学科学与工程学院,云南昆明 650091;云南大学化学科学与工程学院,云南昆明 650091【正文语种】中文【中图分类】TQ019化工原理是化工类专业学生最基础的专业课程，其概念多，计算复杂，理论性和实践性都很强。
Aspen Plus在化工原理实验教学中的应用作者：***来源：《高教学刊》2017年第14期摘要：在传统的化工原理实验教学基础上，将通用流程模拟软件Aspen Plus有目的、有步骤地应用于化工原理的实验教学中。
文章以实验题目筛板精馏塔分离乙醇-正丙醇混合液为例，分别阐述传统的实验教学方法及利用Aspen Plus中的简捷模块和严格计算模块对该分离过程进行模拟和设计。
通过将Aspen Plus与传统的化工原理实验相结合，可以使同学们增强学习兴趣，加深对化工单元操作的理解，提升教学效果。
关键词：化工原理实验；Aspen Plus；精馏塔中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）14-0112-03Abstract： Based on the traditional method of experimental teaching of Chemical Engineering Principle， the general process simulation software Aspen Plus has been used to the experimental teaching with a certain purpose and step by step. This paper shows the processes of the traditional method of experimental teaching and the application of DSTWU and RadFrac within the Aspen Plus in process simulation and design through the example of the separation of ethanol-n-propyl alcohol mixture with the Sieve plate distillation column. The combination of Aspen Plus and the traditional experiments of chemical engineering principle can increase students' interest， deepen the understanding of chemical unit operations and improve the teaching effect.Keywords： experiment of chemical engineering principle； Aspen Plus； distillation column一、概述化工原理是化學化工相关专业的一门重要基础课程，与生产实际紧密联系，一般开设在大学的基础化学课程之后，目的就是让学生在掌握了基础化学知识后通过化工原理课程的学习能够建立起“工程”概念，这对于学生以后的工作和学习都具有重要意义。
208科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N科 技 教 育化工设计课程是化工类专业的必修课程之一,是一门融合化工工艺学、化工原理、化工设备、化工热力学、化学反应工程等专业基础课知识并最能体现学生专业综合能力的学科。
陈显彰在其《化工设计概论》中讲“故凡修习化学工程者,皆以化工设计为最高攻读目标”[1]。
由此可见该课程的重要性。
这门课是将一个系统(如一个工厂、一个车间或一套装置等)全部用工程制图的方法,描绘成图纸、表格及必要的文字说明,也就是把工艺流程、技术装备转化为工程语言的过程。
它是通过设计人员运用各种手段,通过大脑的创造性劳动,将人们的要求变为现实生产的第一步。
它属于科学技术,是生产力的一部分[2]。
在21世纪的今天,世界各国之间的竞争主要是科技、人才和综合国力之间的竞争,人才竞争是竞争的实质。
中国高等工程教育的出发点和归宿是培养现代职场需要的、具有创造性及开拓性、能够参与国际竞争、具备良好的应变能力的高级专门人才。
化工设计课是一门实践性较强的学科,需要把理论和实践紧密结合;并且化工生产技术难度大,工艺流程复杂,操作技术求较高。
由于化工实验成本高,工艺设备庞大,耗时较长等特点使得实验室仅设了一些小型的、简单的验证性实验,这对于培养生的创新能力以及解决工程实际问题能力帮助不大。
鉴于上述特点,在授课及实验教学中仅采传统的教学模式比较困难。
为了强化对学生设计能力的培养,提高学生的上岗工作能力,适应社会发展需求,许多化工院校都有针对性地开设了课程设计以及创新性实验等教学环节,使学生运用一门或几门课程识解决一个不太复杂但却是综合性的问题,从而初步获得工程技术的基本训练。
计算机仿真技术模软件的应用有效地扩展了创新性实验的选题范围,节约了实验成本,成为高校实验教学改革和科研创新发展的最佳选择。
现在较为成功的模拟系统软件有Aspen Plus、PRO／II、HYSYS 等,其中Aspen Plus在我国设计院所和企业部门应用较为广泛。
要想学好aspen很难，无论是入门新手还是入道较早的进阶者都会有如此的感慨。
是啊，学好aspen的确不是件容易的事，更不用说精通了！其实aspen难不仅仅难在它的本身，更难的还是它所涉及的广泛的知识和实际工作应用技能。
要学好aspen首先你要很好的掌握“化工热力学”、“化工单元操作”、“化学反应工程”等方面的理论与方法；然后你又要有能够实际应用这些理论知识的能力，也就是说你是一个很好的设计人员，或者是很好的操作者。
这些能力具备了，学习aspen自然就不难了，只要掌握它的使用方法就行了。
换句话说，aspen软件本身并不难，而它涉及的广泛的理论应用才真正的难。
比如用aspen搞设计，如果你不用aspen能够做出这个设计，那么用aspen当然就可以做出了。
反之，如果不用aspen你做不出来，那么用了aspen你也很难做出来，搞操作模拟同样也是这个道理。
Aspen不是救世主，真正的上帝是你，是你在主宰着aspen。
下用换热器设计的例子来说明这一点。
大家都知道，设计一台列管式换热器主要按下面步骤进行：1. 试算并初步设计换热器的结构首先是依据经验初步估计总传热系数，由此初步计算传热面积，然后初步确定换热器的结构尺寸。
2. 计算压降3. 核算总传热系数或传热面积。
4. 依据核算结果重新从第一步开始，直到得到满意的结果。
第1步中涉及到选择流体流径、管子尺寸的选择取与排布、管束与壳体的直径确定、折流板的结构与尺寸等等，这些是设计者要做的事情，aspen是做不了的。
当然第2、3步可以由aspen程序完成，但到第4步，核算结果不满意时，面对那么多的可以调整的参数，aspen就无能为力了，aspen不是专家系统。
只能由设计者根据具体情况调整不同的结构和参数。
接下来再让aspen计算。
这就是aspen Heatx的Detailed模块不能进行设计计算的原因。
你熟悉换热器设计的全过程，那么你就知道应该给aspen输入什么工艺和结构参数，它能计算出什么结果。
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。
