过程装备与控制工程:第十四届全国高等学校过程装备与控制工程专业教学与科研校际交流会论文集
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化工工艺学Aspen Plus项目设计教学探讨

邓建强 梅 玫 陈志华 刘 芹

(西安交通大学过程装备与控制工程系 陕西西安 710049)

【摘要】 过程装备专业专业课工业化学/化工工艺学侧重于对典型生产流程予以重点讲解,教学内容主要包括化工生产流程、生产方法以及生产设备等。在教学中授以设计分析的思想,发挥过程设计分析的理论支撑和实践指导作用,是“工艺学”内在要求。在化工工艺学的教学中,立足于教材本身,结合过程模拟软件Aspen Plus兼具理论性和工程性的特点,以工艺设计为主题设计课程项目课题,以接近实际工程的过程模拟,帮助学生更加形象具体的认识包含复杂物理化学过程的化工流程,从而搭建课堂教学与实践教育的“桥梁”,通过三年实践证明,该教学方式既能培养学生融会贯通能力和工程实践能力,也能激发学生的学习兴趣,收到了良好的效果。

【关键词】 化工工艺学;实践教育;工艺设计;Aspen Plus

0 引言

工业化学/化工工艺学属于过程装备与控制工程专业课程体系中重要的专业课程,教学大纲中要求本科生掌握典型化工产品的生产工艺、流程、典型过程所用的设备型式及其基本构造和工作原理。化工工艺学教学内容以大学化学、传热学、流体力学、化工原理、化工分离工程等基础和专业课程为基础,具有涉及面广知识点多的特点。另外,化工工艺学是理论联系实际非常紧密的课程,化工生产技术难度大,工艺流程复杂,操作技术要求较高,其教学理论性、技术性和实践性较强。鉴于以上特点,在教学现场授课中仅采用传统的教学模式不利于学生理解知识,但由于化工系统实验装置成本高,完整的工艺设备庞大、耗时较长等特点使得大型实验演示教学不现实。作者也在化工工艺学教学实践中,思考如何紧密把握工艺学的发展突破方向,总结以往教学经验,精选教学内容,不断改革传统教学模式,努力探索新的教学方法,突出教学重点,提高教学效果。其中,依托化工流程模拟软件Aspen Plus可以帮助学生形象化了解具体化工生产流程,掌握稳态过程的物料平衡及能量平衡、设备尺寸,进而对过程投资进行经济成本分析,培养现代能源化工过程及工艺背景下的工程素养,使学生适应经济发展和行业发展对专业人才的需求。

1 Aspen Plus概述

Aspen Plus(Advanced System for Processing Engineering简称Aspen)是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统软件。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高,已先后推出了十多个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件,应用案例数以百万计。它用严格和最新的计算方法,进行化工单元和全流程的模拟运算。其主要产品功能和特点如下。

(1)Aspen Plus拥有完备的物性数据库,包括纯组分数据库、电解质水溶液数据库、Henry常数库,无机物数据库,水溶液数据库等等,同时用户也可以把自己的物性数据与Aspen Plus系统连接。

(2)Aspen Plus备有全面、广泛的化工单元操作模型,能方便地构成各种化工生产流程。能够进行近10种气液平衡系统模拟计算,包含精馏模型、多塔模型等单元操作模块,可广泛模拟分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶金等工业过程。

(3)Aspen Plus提供一套功能强大的模型分析工具,能够进行收敛分析、灵敏度分析,将工艺模型与真实的装置数据进行拟合,确保精确、有效的真实装置模型。

(4)Aspen Plus根据模型的复杂程度,支持规模工作流,在整个工艺生命周期,优化工作流程;回归实验数据;用简单的设备模型,初步设计流程;用详细的设备模型,严格地计算物料和能量平衡;确定主要设备的尺寸;在线优化完整的工艺装置;可以从简单的、单一的装置流程到巨大的、多个工程师开发和维护的全厂流程。

基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价,Aspen Plus广泛应用于化学与石油工业、炼油加工、生物及医药等方面,成为大型企业选用的模拟软件。Aspen Plus的应用有效地扩散了创新性实验的选题范围,节约了实验成本,是教学改革和科研创新发展的最佳选择。

2 立足于教学目标,开展项目设计

2.1 结合化工工艺学课程,选取相关项目课题

化工工艺学课程目前涵盖硫酸工业、合成氨工业、碱工业、石油炼制与石油加工、煤化工工业等众多领域,介绍了化工流程性工业生产过程中的问题与答案,大量的叙述、案例、流程图标等信息灵活生动地展示了化工流程,在过程装备学科体系中起到了背景和衔接的作用。另外,化工工艺学与化工学科“三传一反”中的理论知识、生产实际都紧密联系,真正体现学以致用的作用。同时,化工工艺学涉及能源、机械、化工等领域,其过程、设备、控制等内容充分体现学科体系的交叉互动。结合化工工艺学课程的覆盖领域,选取的项目设计课题包括:煤的干燥处理流程、异丙苯工厂的生产模拟,甲醇与水分离模拟,轻质气体在液相中溶解度模拟,分馏塔简捷设计与严格核算模型应用,液液萃取模拟,反应器模拟,换热器模拟及氯乙烯工厂模拟等。化工流程中需要采用蒸馏、萃取、干燥等方式进行液液分离、气液分离、固液分离等,上述项目设计课题可以很好地使学生掌握基础专业知识与实践经验。

2.2 突出项目设计重点,掌握典型生产流程

项目设计课题开展工作,选取了有代表性的工厂流程如氯乙烯工厂的生产流程为例介绍。氯乙烯单体(VCM)是通过1,2二氯乙烷(EDC)的高温裂解反应生成,这是一个高压高温的非催化反应过程。反应式如下:CH2Cl—CH2Cl(EDC)HCl+CHClCH2(VCM)。用两个蒸馏塔来提纯VCM产品。在第一个塔中,在塔顶除去无水HCl,并把它送到氧氯化单元。在第二个塔中,在塔顶得到VCM产品,含有未反应的EDC的塔底物流循环回裂解炉。从两个塔出来VCM塔的塔顶馏出物为饱和液体。针对具体的进料条件、模块条件、反应器、急冷器及塔一和塔二的参数,建立基本工况,可得裂解炉、急冷器热负荷、急冷器出口温度、VCM在产品流股中的浓度等。而DEC的转化率对反应器、急冷器热负荷的影响可由学生自行通过在Aspen Plus改变参数进行探讨。对典型的分离过程如甲醇与水的分离过程,学习严格蒸馏模型(RADFRAC)的部分功能,给出具体的进料条件和蒸馏塔参数,让学生掌握了解设计规定,查看控制面板信息,学习板效率的应用,塔板设计,塔板核算及冷凝器/再沸器负荷曲线。应用模拟软件,加强了案例教学,让学生掌握了典型的化工生产流程,从而实现了真正意义上的工程设计。

3 课堂教学与组织实践

3.1 借力课程项目设计,注重培养能力

为了充分调动学生学习的自觉性和积极性,挖掘学生的学习潜能,通过开展课程项目设计,培养学生独立寻找问题、确定问题、解决问题、评价问题的能力,使学生运用一门或几门课程和知识解决一个不太复杂但却是综合性的问题,从而了解简单工程项目设计全过程,初步获得工程技术的基本训练。这样既能增强学生的学习兴趣,又能提高学生分析问题解决问题的能力,为解决实际生产问题奠定基础。课题设置立足于工艺背景,以工艺设计为主题设计课程项目题目,融入“装备”和“控制”等相关知识,增加对工艺、装备、控制三方面进行综合与集成的设计要求,着重培养学生解决工艺实际问题的能力,增强将“装备”和“控制”同工艺联系起来的思维能力与综合应用能力。

3.2 合理组织教学,侧重实际应用

在教学实践环节中,采用灵活多样的教学方式,帮助学生更好地理解课本知识的同时,很好地调动学生积极性。布置十多个具有一定拓展性的课题分配给学生完成,从中选取十个题目,如某一具体化工流程的模拟,教师在此过程中加强指导。为保证完成好任务,将学生分为十个小组,每个小组有四、五个学生,每个小组负责一个课题,由一个学生担任组长,组长需对每个组员分工完成情况进行监督,确保每位组员在此过程中都有所贡献有所收获,学生通过查阅文献、编程计算、软件模拟等方式完成课题任务并进一步完成课题调研报告。这样既能提高学生的学习兴趣,又能提高学生分析问题解决问题的能力,为解决实际生产问题奠定基础。在工作结束后,各小组统一在课堂上进行展示,向其他小组展示课题解决的方案,模拟结果及收获,小组之间借此进行互相学习、分享经验、总结不足和进行改进。

4 Aspen Plus项目设计教学与生产实习相互促进

深入化工厂实习是学生将理论知识联系实际生产的重要途径,在专业二年级结束后有简单生产认知实习;在三年级结束后的暑期有更具体、融合程度更高的生产实习。通过在化工工艺学课程上学习的运用Aspen Plus模拟典型的化工生产流程,有利于学生在生产实习中更好的理解工艺过程的运行、化工过程的工艺和控制系统的动态特性。学生进厂以后,首先工程师为学生介绍生产工艺过程,并进行安全教育,然后根据工段或岗位情况进行分组,每个组跟随相应岗位的工人师傅,进行参观,增强对实际生产过程的直观认识。在工厂中可具体接触到实际的流程和设备,在Aspen Plus模拟中运用的模型与控制在工厂中被实际的反映出来,模拟与实践互相促进理解。实习结束时,学生必须独立完成实习报告,此外指导教师还对学生的实习情况采用口试、笔试的办法进行考核。经过多重学习与考核,学生将对具体生产过程与工艺实现方法有更加深刻的理解。

5 结论

通过以上教学探讨在Aspen Plus项目设计中三年的实践,该项目得到了良好的效果,总结得出:在Aspen Plus覆盖众多的生产过程应用领域,被大型企业广泛采用,被科研生产创新所采用的时代,培养学生掌握并运用Aspen Plus,提高了学生在新型能源化工时代下的工程素养,增强了学生的就业竞争能力,满足了行业发展对人才的需求;采用灵活多样的教学方式使学生的学习变被动为主动,学生的课堂上课的兴趣和积极性有了明显的提高,最后的考核成绩也有了显著提升,证明了这种教学模式能提高教学质量和教学效果;基于化工工艺学课程综合的理论性、技术性、实践性的特点,通过开展项目课程设计,选取典型的生产流程,并运用Aspen Plus进行模拟与探讨,实现真正意义上的工程设计;生产实习中Aspen Plus案例模拟和生产实践的结合加深了对所学内容的理解,使知识学得更扎实、更牢固、更灵活,增强了分析和解决实际问题的能力,使学生更加深刻的认识到生产工艺设计。最后,化工工艺学教学旨在培养基础专业知识与工程实践能力强的综合性人才,是一项长期的和探索性的工作,还需要广大过程装备与控制工程专业师生的共同努力与完善。

参考文献

[1] 邓建强,张早校,赵小玲.化工工艺学[M].北京:北京大学出版社,2009.

[2] 王彩红,林雄超,董敏,王永刚.ASPEN PLUS在化工实验教学和科研中的应用[J].化工时刊,2009(6):73-75.

[3] 汪斌,舒莉,朱炳龙.Aspen plus在化工设计教学中应用[J].化工时刊,2010(9):48-50.