Aspen+Plus在化工原理课程设计教学中的应用
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第16卷第9期江苏技术师范学院学报JOURNAL OF JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.16,No.9Sep .,20102010年9月0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“Principles of Chemical Engineering ”的新课,1923年,W H 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》(Principles of Chemical Engineering )[1-3]。
Aspen Plus 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]。
AspenPlus 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Aspen Plus 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Aspen Plus 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Aspen Plus 可以对流体流动进行计算。
例如将25℃、1.1atm 、800m 3/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35℃、1.8atm 、700m 3/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Aspen Plus 中选择Mixers 模型来计算和模拟,工艺流程如图1所示。
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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 。
aspenplus课程设计一、课程目标知识目标:1. 掌握Aspen Plus软件的基本操作和界面布局;2. 学习运用Aspen Plus进行化工流程模拟的基本步骤和方法;3. 掌握Aspen Plus中常用的单元操作模块及其应用;4. 了解化工过程中物料平衡、能量平衡的基本原理。
技能目标:1. 能够独立使用Aspen Plus软件搭建简单的化工流程;2. 能够运用Aspen Plus对化工流程进行模拟、优化和分析;3. 能够通过Aspen Plus解决实际化工过程中的问题;4. 能够在团队协作中发挥自己的作用,与他人共同完成化工流程模拟任务。
情感态度价值观目标:1. 培养学生对化工流程模拟的兴趣,激发学习积极性;2. 培养学生的动手操作能力和问题解决能力,增强自信心;3. 培养学生团队合作精神,提高沟通协调能力;4. 培养学生关注环保、节能、高效化工生产过程的意识。
本课程针对高年级化工专业学生,结合Aspen Plus软件在化工领域的实际应用,旨在提高学生的化工流程模拟能力。
课程要求学生在掌握基本原理的基础上,通过实践操作,达到能够解决实际问题的水平。
课程目标明确、具体,以便学生和教师能够清晰地了解课程预期成果,并为后续的教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. Aspen Plus软件入门- 软件安装与启动- 界面布局与基本操作2. Aspen Plus单元操作模块- 常用单元操作模块介绍- 物料平衡与能量平衡模块应用3. 化工流程模拟基本步骤- 数据输入与模型搭建- 模拟与优化- 结果分析与输出4. 实践操作案例- 简单化工流程模拟与分析- 复杂化工流程模拟与优化5. 团队协作与项目实践- 小组讨论与分工合作- 项目实施与成果展示教学内容依据课程目标,结合课本相关章节,进行科学、系统地组织和安排。
教学大纲明确指出教学内容的安排和进度,确保学生在掌握基本原理的基础上,能够逐步提高实践操作能力。
Aspen Plus在化工设计教学中的应用摘要:随着计算机技术的发展,ApsenPlus作为高水平的仿真软件在高校教学中备受青睐,本文在传统教学的基础上,将ApsenPlus 流程模拟软件有步骤地应用于化工设计课程的教学中,通过ApsenPlus软件对一精馏塔进行模拟设计,使学生逐步掌握AspenPlus 软件的使用和加深对化工设计这门课的理解。
关键词:ApsenPlus化工设计模拟设计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。
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。
⑧热力学性质和传递物性在模拟中用来计算传递物性和热力学性质的模型和各种方法的组合共有43种,主要有:计算理想混合物汽液平衡的拉乌尔定律、烃类混合物的Chao-Seader、非极性和弱极性混合物的Redlich-Kwong-Soave、BWR-Lee-Starling、Peng-Robinson。
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。
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。