用计算机软件辅助化工分离工程教学

王剑 赵红坤 刁国旺

摘要： 针对成人高等教育的特点，将MATLAB及Aspen Plus 软件应用到分离工程教学中。结果表明，用MATLAB及Aspen Plus 软件解决计算问题简单，易于掌握。

关键词：分离工程;教学改革;教学实践

中图分类号：G4 文献标识码：A

分离工程是混合物分离与提纯的工程科学。分离工程的数学计算过程有插值、参数拟和、偏微分方程等。MATLAB是应用于工程计算的高级语言。用MATLAB编写程序，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。引进Aspen Plus软件，模拟分离工艺，可加深学生对这门课程的理解。本文研究Aspen Plus与Matlab软件的交互实现，并应用于分离工程的教学与实践中，能够培养企业所需要的应用型人才。

1计算实例

已知乙酸乙酯-2-丙醇系统的VLE实验数据（液相组成及总压）如表1所示。已知乙酸乙酯和2-丙醇的饱和蒸汽压按照Antoine方程计算：

式中，Psat为饱和蒸汽压，kPa;a1、a2、a3为Antoine常数（表2）。试利用已知的VLE实验数据估计Margules模型中的未知参数，并计算对应的气相摩尔分数。同时将含乙酸乙酯25%、2-丙醇75%（质量分数）的混合物（F=900kg/h，p=0.15MPa，T=25℃）用精馏塔（塔压为0.15MPa）分离，采用全凝器，20块理论塔板，加料版在第12块，摩尔回流比为0.52，馏出物/加料物质的量比为0.61，试核算分离效果、再沸器功率。

采用MATLAB编程，获得Margules模型中的未知参数及对应的气相摩尔分数，计算程序如下：

clear all

clc

x1 = 0.00：0.10：1.00; x2 = 1 - x1;

Pexp = [38.8， 44.6， 48.4， 52.0， 54.6， 56.4， 57.6， 58.5， 58.6， 57.8， 55.9];

T = 20;

a1 = [4.13361， 1195.130， 212.470];

a2 = [5.24268， 1580.920， 219.610];

Ps1 = Psat（T，a1）;

Ps2 = Psat（T，a2）;

lb = [0  0];

ub = [+inf  +inf];

beta0 = [1  1];

[beta，resnorm，residual，exitflag，output，lambda，jacobian] = ...

lsqnonlin（@ObjFunc，beta0，lb，ub，[]，x1，x2，Ps1，Ps2，Pexp）

ci = nlparci（beta，residual，jacobian）

[P1，P2，Pcal] = PressureCal（beta，x1，x2，Ps1，Ps2）;

y1 = P1./Pcal;

% ------------------------------------------------------------------

function f = ObjFunc（A，x1，x2，Ps1，Ps2，Pexp）

[P1，P2，Pcal] = PressureCal（A，x1，x2，Ps1，Ps2）;

f = Pcal - Pexp;

% ------------------------------------------------------------------

function [P1，P2，Pcal] = PressureCal（A，x1，x2，Ps1，Ps2）

gamma1 = exp（x2.^2.*（ A（1）+2*（A（2）- A（1）） *x1））;

gamma2 = exp（x1.^2.*（ A（2）+2*（A（1）- A（2）） *x2））;

P1 = x1.*gamma1*Ps1;

P2 = x2.*gamma2*Ps2;

Pcal = P1 + P2;

% ------------------------------------------------------------------

function Ps = Psat（T，a）

logPs = a（1）-a（2）/（T+a（3））;

Ps = exp（log（10）*logPs）;

程序結果显示，y1=[0.000 0.178 0.317 0.419 0.471 0.533 0.623 0.704 0.784 0.870 1.000]。采用ASPEN软件对精馏塔进行模拟，物性方法选择NRTL-RK，设置进料物流参数和模型参数，结果显示再沸器功率为0.4652MW。

2 结论

将化工流程模拟软件Aspen Plus及MATLAB 数值模拟软件应用于分离工程课程的教学与实践中， 可以加深学生对课堂内容的理解，增强工程意识和工程思维，获得良好的教学效果。

参考文献

[1] 李倩，杨西萍，展宗瑞.高职化工类枟化工分离工程枠课程改革与实践[J].兰州石化职业技术学院学报，2017，17（2）：64-66.

[2] 杨涛.MATLAB 在物理化学实验教学中的应用[J].计算机与应用化学，2012，29（11）：1387-1390.

[基金项目] 扬州大学2019年继续教育教改课题（2019jj-jg01）;江苏高校品牌专业建设工程项目（PPZY2015B112）

[作者简介] 王剑（1983-），男，江苏泰州人，博士，副教授，主要研究方向为化工热力学。