Aspen Plus在林產(chǎn)化工專(zhuān)業(yè)“化工原理課程設(shè)計(jì)”中的應(yīng)用
——以蒸發(fā)為例

武海棠，任麗潔，鄭冀魯

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 研究生院，陜西 楊凌）

林產(chǎn)化工是指以森林植物等生物質(zhì)資源為原料，經(jīng)過(guò)化學(xué)、生物等手段對(duì)其進(jìn)行加工，制備人們生產(chǎn)和生活需要的各種化學(xué)品的化學(xué)工業(yè)，也是林業(yè)院校的一大特色專(zhuān)業(yè)。近年來(lái)，森林生物質(zhì)能源與材料、森林藥品、森林食品等產(chǎn)業(yè)異軍突起，亟待大批基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)廣博、能力卓越的行業(yè)技術(shù)人才?；ぴ碜鳛閷?zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程在學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)中起著承前啟后、由理及工的“橋梁”作用[1]?！盎ぴ碚n程設(shè)計(jì)”是學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程的重要實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)。在高等學(xué)校新工科建設(shè)和工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下，強(qiáng)化該實(shí)踐環(huán)節(jié)是提升學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的重要途徑[2]。傳統(tǒng)的“化工原理課程設(shè)計(jì)”中工藝計(jì)算以手算為主，由于課程設(shè)計(jì)具有計(jì)算量大、工程性強(qiáng)等特點(diǎn)，學(xué)生在設(shè)計(jì)中往往會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)、畏難情緒。近年來(lái)，許多教師將先進(jìn)的化工設(shè)計(jì)軟件Aspen Plus等引入到“化工原理課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)中，對(duì)流程模擬技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討和實(shí)踐，取得了一定的效果[3-5]。

然而，由于精餾單元操作具有代表性，目前有關(guān)Aspen Plus軟件在“化工原理課程設(shè)計(jì)”中的研究，大多數(shù)局限于精餾單元操作。森林植物資源化學(xué)加工過(guò)程中，所涉及單元操作不僅有精餾，還常常應(yīng)用傳熱、蒸發(fā)、吸收等典型過(guò)程。因此，相關(guān)的教學(xué)研究未能真正實(shí)現(xiàn)Aspen Plus的全面應(yīng)用。此外，當(dāng)前應(yīng)用Aspen Plus軟件在化學(xué)原理教學(xué)中的研究多集中在設(shè)備的工藝計(jì)算環(huán)節(jié)。一個(gè)完整的“化工原理課程設(shè)計(jì)”應(yīng)包括設(shè)計(jì)方案的制定、工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與尺寸確定、附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)、校核等內(nèi)容，其中設(shè)計(jì)方案的制定是首要的。在化工設(shè)計(jì)中，分離過(guò)程是將混合物分成組成互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作。所有的分離過(guò)程都需要以熱和（或）功的形式加入能量，它是能耗比重最大的部分，其費(fèi)用也是生產(chǎn)操作費(fèi)用的主要部分。我國(guó)是一個(gè)能源匱乏的國(guó)家，因此，在化工設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該優(yōu)先選用節(jié)能的分離方法，這是在“化工原理課程設(shè)計(jì)”方案制定中需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)于此，我們嘗試充分挖掘Aspen Plus的各項(xiàng)功能，將其應(yīng)用到課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，鼓勵(lì)學(xué)生在制定方案時(shí)注重節(jié)能分離，這樣不僅與生產(chǎn)實(shí)際密切結(jié)合，也對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維能力起到了良好的促進(jìn)作用。

一 Aspen Plus軟件特點(diǎn)

Aspen Plus是AspenTech公司基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)的大型化工流程軟件，它具有適用于工業(yè)生產(chǎn)、完備的物性數(shù)據(jù)庫(kù)及五十多種單元操作模型。通過(guò)執(zhí)行“數(shù)據(jù)輸入-解算-結(jié)果輸出”的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略，用戶(hù)可以在交互式圖形界面來(lái)定義問(wèn)題，控制計(jì)算和靈活的檢查結(jié)果[6]。利用該軟件，用戶(hù)可以方便地對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量與能量衡算，獲取物流的流量、組成和性質(zhì)，計(jì)算操作條件和設(shè)備尺寸，簡(jiǎn)化煩瑣的裝置設(shè)計(jì)實(shí)踐，比較優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，調(diào)整改善生產(chǎn)工藝等。

二 Aspen Plus軟件在“化工原理課程設(shè)計(jì)”中的應(yīng)用——以乳酸/水體系蒸發(fā)為例

在我校林產(chǎn)化工專(zhuān)業(yè)前期的化工原理理論教學(xué)中，已經(jīng)為學(xué)生穿插介紹了Aspen Plus軟件的用戶(hù)界面和基本操作。因此，Aspen Plus在我?！盎ぴ碚n程設(shè)計(jì)”中的運(yùn)用具有良好的基礎(chǔ)。下面以乳酸/水混合物蒸發(fā)操作設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明Aspen Plus在課程設(shè)計(jì)方案制定及工藝計(jì)算方面的應(yīng)用。

乳酸（又稱(chēng)2-羥基丙酸）是一種重要的多用途有機(jī)酸，目前已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、日用化工等行業(yè)，它目前主要利用木質(zhì)素/半纖維素水解液、蔗渣、玉米淀粉、纖維素等生物質(zhì)為原料通過(guò)微生物發(fā)酵法制備[7]。由于產(chǎn)物粗乳酸濃度低，所以工業(yè)上需要進(jìn)一步的精制。

（一） 設(shè)計(jì)任務(wù)

某粗乳酸水溶液流率為3700kg/h，其中乳酸（以C3H6O3計(jì)算）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，原料液溫度為50℃，壓力為100kPa。要求：通過(guò)蒸發(fā)把粗乳酸中的水分部分蒸除，使?jié)饪s液中乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升到74.5%。多效蒸發(fā)器的最終壓力為20kPa，加熱蒸汽為120℃飽和水蒸氣。采用強(qiáng)制外循環(huán)蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)模擬蒸發(fā)操作，計(jì)算并比較單效、雙效蒸發(fā)器操作的能耗，確定合適的工藝。

（二） 單效蒸發(fā)器模擬

強(qiáng)制外循環(huán)蒸發(fā)器一般由換熱器、氣液閃蒸器、分配器三個(gè)模塊構(gòu)成。雖然Aspen Plus模塊中沒(méi)有直接提供蒸發(fā)器，但可以根據(jù)外循環(huán)蒸發(fā)器的工作原理，通過(guò)選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模塊組建一臺(tái)蒸發(fā)器，以此來(lái)模擬蒸發(fā)過(guò)程[8]。單效蒸發(fā)器的模擬流程如圖1所示。

圖1 乳酸/水體系單效蒸發(fā)模擬流程

1.全局性參數(shù)設(shè)置。在“物性—組分—規(guī)定”欄目中輸入水、乳酸兩種組分。因?yàn)檎舭l(fā)體系是水體系，選用“NRTL”性質(zhì)方法。

2.設(shè)置流股信息。把設(shè)計(jì)任務(wù)給定的進(jìn)料物流信息輸入相應(yīng)欄目中，蒸汽消耗量暫定為3000kg/h。

3.設(shè)置模塊信息。閃蒸壓力設(shè)為20kPa，閃蒸器熱負(fù)荷設(shè)為0；分配器中規(guī)定分流出蒸汽系統(tǒng)液體的分配比為0.1；換熱器選用簡(jiǎn)捷算法，設(shè)定蒸汽冷凝液汽化分率為0，壓降為0.1kPa。

4.調(diào)整蒸汽用量?？刂茲饪s液中乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.745，對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定，暫定蒸汽的用量為1000～10000kg/h。

5.模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明，濃縮液中乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到74.49%，滿(mǎn)足蒸發(fā)濃縮要求。單效蒸發(fā)器共消耗蒸汽3015.69kg/h，蒸發(fā)水分2722.59kg/h。所以，對(duì)單效蒸發(fā)器而言，1kg蒸汽近似蒸發(fā)0.9kg水分。

（三） 雙效蒸發(fā)器模擬

前兩步驟單效蒸發(fā)相同，在單效蒸發(fā)裝置后面再串聯(lián)一個(gè)蒸發(fā)器，把第一效蒸發(fā)器的二次蒸汽引入第二效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，構(gòu)成雙效蒸發(fā)流程，如圖2所示。

圖2 乳酸/水體系雙效蒸發(fā)模擬流程

1.設(shè)置流股信息。第一效蒸發(fā)器的蒸汽加入量暫定為2000kg/h。

2.設(shè)置模塊信息。兩級(jí)閃蒸器熱負(fù)荷設(shè)置為0，閃蒸壓力第一效設(shè)為50kPa，第二效設(shè)為20kPa；第一效的分配器規(guī)定分流出蒸發(fā)系統(tǒng)液體的分配比為0.2，第二效的分配器規(guī)定分流出蒸發(fā)系統(tǒng)液體的分配比為0.1；換熱器采用簡(jiǎn)捷算法，設(shè)定蒸汽冷凝液汽化分率為0。

3.調(diào)整蒸汽用量。控制濃縮液中乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.745。

4.模擬計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明，第二效蒸發(fā)器出口濃縮液中乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到74.49%，滿(mǎn)足蒸發(fā)濃縮要求。消耗蒸汽1625.83kg/h，蒸發(fā)水分2716.81kg/h。可以發(fā)現(xiàn)，采用雙效蒸發(fā)裝置1kg蒸汽蒸發(fā)了1.67kg水分，與單效蒸發(fā)相比，節(jié)省蒸汽約86%。

實(shí)際蒸發(fā)過(guò)程由于熱損失、不同壓強(qiáng)下汽化潛熱的差別等因素，單效蒸發(fā)器的單位蒸汽消耗量（e，kg汽/kg水）約為1.1，雙效蒸發(fā)器的單位蒸汽消耗量（e，kg汽/kg水）約為0.57，可以看出模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際十分接近，這對(duì)操作來(lái)說(shuō)提供了較好的理論依據(jù)。

三 Aspen Plus軟件在“化工原理課程設(shè)計(jì)”中應(yīng)用的教學(xué)效果

（一） 激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

化工原理內(nèi)容繁雜、公式較多，對(duì)于課程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)大多數(shù)學(xué)生都是第一次接觸，學(xué)生難于將理論分析、工藝計(jì)算等教學(xué)活動(dòng)結(jié)合到設(shè)計(jì)實(shí)踐中去。利用Aspen Plus，學(xué)生仿佛置身于一種虛擬的環(huán)境中，方便隨時(shí)進(jìn)行物性數(shù)據(jù)的查詢(xún)、模型的搭建、過(guò)程系統(tǒng)研究。軟件既可用于課堂教學(xué)，也可作為學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的工具，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)學(xué)生的考核成績(jī)提升明顯，考核優(yōu)秀率達(dá)到87.5%左右。

（二） 提升了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力

“化工原理課程設(shè)計(jì)”工藝計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算通常是反復(fù)計(jì)算的過(guò)程，工作量很大。如果在計(jì)算過(guò)程中某一參數(shù)選取不當(dāng)或者步驟出錯(cuò)，往往需要對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行重新計(jì)算。因此，在以往的設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師往往選擇簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)題目，學(xué)生傾向于采用各種簡(jiǎn)化方法計(jì)算，這樣不利于學(xué)生設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。利用Aspen Plus不僅能解決課程設(shè)計(jì)中大量的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，而且借助于軟件，學(xué)生容易深刻理解化工過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律，保證了學(xué)生設(shè)計(jì)能力的有效提升。2019年，學(xué)生年妙香等人參加第三屆全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽西北賽區(qū)決賽，獲得二等獎(jiǎng)。

（三） 培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維

在以往的課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，學(xué)生的大量創(chuàng)新思路和設(shè)想都無(wú)法得到驗(yàn)證。而在Aspen Plus輔助的設(shè)計(jì)環(huán)境中，由于極低的重復(fù)成本，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上“隨心所欲”的進(jìn)行不同方案和工藝條件的探討和分析。因此軟件的應(yīng)用有助于設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)化，更重要的是充分激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新思維潛能。有的學(xué)生開(kāi)始思考利用軟件解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，例如將“Aspen Plus在活性炭對(duì)VOCs（Volatile Organic Compounds）吸附模型構(gòu)建中的應(yīng)用”作為畢業(yè)論文研究題目，有的學(xué)生以“基于Aspen Plus模擬萃取精餾分離乙酸乙酯-異丙醇-水體系”為課題，獲得了國(guó)家級(jí)和省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

四 結(jié)語(yǔ)

Aspen Plus在“化工原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固了化工原理的理論知識(shí)，同時(shí)為學(xué)生未來(lái)從事化工設(shè)計(jì)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。應(yīng)用Aspen Plus能夠比較方便地模擬蒸發(fā)過(guò)程，通過(guò)模擬，可以獲得多效蒸發(fā)器各種操作工藝參數(shù)，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，確定節(jié)能分離合適的操作條件。利用流程模擬技術(shù)有助于提升學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力與創(chuàng)新思維能力。