化工装备模拟与设计实验教学模块-青岛科技大学化工过程与装备虚拟仿真实验教学中心

化工装备模拟与设计实验教学模块

计算流体力学可以准确、直观地预测流体在管道、精馏塔、换热器、流化床及反应器内流体流动及反应时的流速、压力、温度、浓度分布。一方面，利用计算流体力学可以实现难于观察、实验条件危险的试验教学；另一方面，可以利用利用计算流体力学软件的动画实现反应流动行为的形象可视化。化工装备设计采用简捷法进行工艺条件和主要工艺尺寸的设计，设计的详细方案需要通过装备内部模拟来确定。

为了真实地显现化工装备内部流场分布情况，对学生进行装备设计与强化方面的技能训练，中心建立了化工装备模拟与设计实验教学模块（见图3）。本教学模块共开设6个实验教学项目（见表2），可以实现难于观察试验的可视化：如化工原理教学中换热器传热过程温度分布和流体流动的动态模拟、重力沉降、旋风分离器、流化床中颗粒运动行为；也可以精准地预测反应器、精馏塔等设备内流速、压力、温度、浓度分布，预测设备整体设计及内构件分布的合理性，强化反应流动过程，优化反应器结构，节约试验成本和设计时间。

图3 化工装备模拟与设计实验教学模块场景

表2 实验项目一览表II

序号	实验项目	学时	功能	效果
1	旋风分离器内流场的模拟	2	利用Fluent软件对旋风分离器内流场进行模拟分析，理解除去输送气体中携带的固体颗粒杂质和液滴的过程	通过模拟结果，可以直观的看出在旋风分离器内流体的速度、压力变化，这些数据可以给设备设计者提供客观的有力的参考，对提高设备的性能发挥不可替代的作用。
2	流化床内流场的模拟	2	利用Fluent软件模拟大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中的规律，从而掌握使颗粒具有流体的某些表观特征的固体流态化现象	模拟流化床层颗粒体积分数的变化情况，分析流化床内第一批气泡从产生到破裂的动态变化过程，将流场模拟数据与实验数据对照研究，可以更准确、经济、直观地进行化工单元设备的设计开发。
3	管壳式换热器壳程流程模拟	2	利用Fluent软件模拟换热器壳程换热的基本过程，掌握利用GAMBIT绘制几何模型并导入Fluent中求解的方法	通过模拟结果，分析温度是如何随着壳程流体的流动方向上是逐渐增大的，以及壳程流体的压力总体上上是如何沿着流动方向而逐渐减小的，从而对管壳式换热器的设计和操作起到重要的理论指导作用。
4	试差法管路计算	2	掌握速度或直径未知时的管路计算过程	控制收敛精度、初值、算法，了解它们对最终计算结果的影响。
5	列管换热器设计	2	掌握aspenONE中Exchanger Design and Rating模块设计列管换热器的过程	根据用户需求，用aspenONE自动设计列管换热器并绘出设备图。
6	图解法精馏塔理论板数计算上机	4	掌握Matlab自编程二元物系精馏塔理论板数的图解过程，以及aspen DISTIL模块进行图解法的过程	各操作线的绘制、平衡线的回归、梯级的动态绘制,掌握DISTIL的各项输入参数和输出设置。
7	单级分离过程模拟	6	利用ECSS软件计算物流的热力学性质，模拟单级分离过程。	掌握泡露点、闪蒸及液－液分层计算。本实验采用两种热力学性质计算方法：状态方程法和组合法来分别对烃类物系和非烃类物系进行热力学性质计算。
8	化学反应器计算	6	利用ECSS软件对化学反应器进行模拟计算。	本实验主要采用热力学方法模拟反应器，反应物流经过模拟反应器处理即得相应的生成物流，同时还可进行多种类型的能量计算。