现代化工软件在精细化工过程与设备课程教学中的应用研究∗

李成帅, 姚媛媛

(中国石油大学胜利学院, 山东 东营 257061)

精细化工过程及设备课程是应用化学专业本科生的一门主干课程, 是建立在高等数学、 物理化学、 化工原理、 精细化工工艺学等课程知识基础上的一门重要专业课程。 随着化工行业的迅速发展, 精细化工过程及设备在现代化工及相关工程领域中的应用越来越重要[1]。

在新工科的形势下, 根据学校教育教学改革精神以及应用型本科学校对应用化学人才培养的要求, 学校对学生的培养不能在停留在课程讲解, 而应该注重培养学生将理论与实践相结合的能力。 尤其是我们学校所在地东营市精细化工型企业非常多, 而我们培养的学生目的在于服务当地企业, 能否培养出合格的学生服务于东营企业显得非常重要。 根据企业的反馈以及学生就业后部分反馈发现, 学生就业后不能快速融入企业, 迅速适应工作内容, 与我们课程内容停留在理论的讲解, 忽略了企业实际生产情况有直接关系, 因此课程有必要适当改革以满足企业需求和学生的培养。

因此在现有课程内容的讲解的基础上, 将化工常见的软件CAD 和Aspen Plus 应用到课程中, 增强学生的工程认识。 CAD是目前广泛应用的绘图软件[2], 在企事业单位中广泛应用, 学生通过学习使用CAD 绘制工艺流程图, 一方面增加了对软件的熟悉程度, 另一方面增加对工艺流程的理解, 加深对课程的认识。 Aspen Plus 具有强大的数据库, 常见的物质性质都可以查询到, 对于数据库中不存在的物质也可以进行物性的估算[3]。 目前已经有大量的教学研究将Aspen Plus 应用于化工专业的课程中, 并取得了较好的效果[4-5]。 把Aspen Plus 化工流程模拟软件引入到《精细化工过程及设备》课程教学中进行课程内容的讲授, 可使课程教学更加形象生动, 紧密联系工业生产, 提高学生分析和解决实际工程问题的能力[6]。

本文以精细化工生产中常见的化工原料顺丁烯二酸酐生产工艺流程[7]为例, 将化工软件CAD 和Aspen Plus 为例应用于于其中, 提高学生对课程的认知。

1 苯氧化制顺丁烯流程介绍

苯经蒸发器蒸发后与空气混合, 进入热交换器, 然后进入列管式固定床反应器, 在催化剂作用下发生化学反应, 产物得到顺丁烯二酸酐, 二氧化碳和水; 反应物为气体, 然后再经过冷凝器冷凝后进入吸收塔T1, 吸收塔采用邻苯二甲酸二甲酯为吸收剂, 经过吸收之后塔底得到邻苯二甲酸二甲酯循环利用, 塔顶废气排出。 T2 为溶剂回收塔, 塔底为精制后的邻苯二甲酸二甲酯, 塔顶为顺丁烯二酸酐和水进入T3。 T3 为精馏塔, 经过精馏分离之后塔顶为水, 塔底为纯度大于98%的顺丁烯二酸酐。

1.1 CAD-工艺流程图

根据流程的特点, 借助CAD 将苯氧化制顺丁烯二酸酐流程绘制出来, 如图1 所示。 通过图1 我们可以清楚到看到对于此过程可以分成: 反应阶段、 分离阶段。 反应阶段主要包括从物料进入, 苯和空气经过压缩之后输送进入到反应器中, 反应完成后进入分离处理阶段。 分离阶段包括三个塔, T1、 T2、T3。 具体设备参数后文。

图1 苯氧化制顺丁烯二酸酐流程图Fig.1 The process of the oxidation of benzene to maleic anhydride

1.2 Aspen plus 模拟工艺流程图

引导学生熟悉了顺丁烯二酸酐生产工艺流程后, 理解各个单元操作之间的关系, 对上述流程进行简化处理, 得到如图2所示的Aspen Plus 模拟图。 进口参数如表1 所示。

图2 Aspen Plus 工艺流程模拟图Fig.2 The simulation process flow sheet

表1 进入物流参数Table 1 The parameters of Shipping

1.2.1 建模思想

(1)顺丁烯二酸酐生产工艺流程模拟假设:

顺丁烯二酸酐生产工艺流程可以总结为气液相反应以及分离过程, 所以模拟过程中遵循双模理论和精馏、 吸收气液相传质平衡[8]。

(2)顺丁烯二酸酐生产工艺流程收敛方法: Aspen Plus 中模拟计算方法有三种: 联立方程法, 联立模块法, 和序贯迭代法,一般情况默认序贯迭代法。 对于本文例子有萃取剂循环利用,所以对于循环物流的流程(RECY)反复迭代计算, 直至收敛。

(3)物性方法的选择: 根据学生学习的四大化学等知识,参与化学反应的为常见的气液相物系, 选择物性方法为活度系数模型中NRTL 就可以。

(4)亨利定律的使用: Aspen Plus 模拟过程中, 亨利定律非常重要, 在本文中我们根据物系特点将N2、 O2、 CO2设置为亨利组分。

(5)模拟模块的选择: 顺丁烯二酸酐生产工艺流程中主要的设备是反应器, 然后是三个塔设备。 引导学生认识整个生产过程。 对于反应器选择 Reactors 下的 RPlug 中的 ICON2 模块,吸收塔 T1 选择 Column 下 Radfrac 模块中 ABSORB1, T2 选择Column 下 Radfrac 模块中 FracT1, T2 选择 Column 下 Radfrac 模块中FracT1, 对于混合物流比如选择Mixers 模块中的Mixer,对于压缩机选择Pressure changers 中Compr, 对于换热器则选择Heater 模块中 HEAXTER 或者 Furnace。

(6)化学反应方程式的设置:

表2 化学反应方程式的设置Table 2 The setting up of Reaction equation

1.2.2 模拟结果分析

采用Aspen Plus 引入课程中, 一方面借助绘制流程图增强学生对工艺流程图的认识, 另一方面增加对物料守恒、 化学反应、 分离过程的认识。

以 T2、 H1、 R1为例, 借助 Aspen Plus 模拟结果判断是否守恒。 具体模拟结果如表3 所示。

表3 物流模拟结果表Table 3 The results of simulation

总的模拟结果: 鉴于数据太多, 摘选了一部分进行分析。

T1 吸收塔参数: 理论塔板数10, 进料位置1、 /1, 塔顶压力100 kPa, 模拟结果见表4。

表4 T1 模拟结果表Table 4 The simulation results

2 教学效果评价

通过本门课程的学习, 学生在了解精细化工产品的生产工艺流程的基础上, 学习使用CAD 和Aspen Plus 化工软件, 充分体现了理论联系实际的思路。 引入实际化工生产过程的实例,通过CAD 绘制工艺流程图, 利用Aspen Plus 软件建立相应的化工流程模型, 让学生从模拟过程理解涉及的化学反应、 分离过程等, 加深对本门课程的认识, 同时也掌握了一定的软件基础, 为以后工作学习打下基础。

此外, 学生在本课程学习的基础上, 学习了软件的使用,参加全国大学生化工设计大赛, 多次取得一等奖, 二等奖的成绩。