Aspen Plus在林產化工專業“化工原理課程設計”中的應用
——以蒸發為例

武海棠，任麗潔，鄭冀魯

（1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌；2.西北農林科技大學 研究生院，陜西 楊凌）

林產化工是指以森林植物等生物質資源為原料，經過化學、生物等手段對其進行加工，制備人們生產和生活需要的各種化學品的化學工業，也是林業院校的一大特色專業。近年來，森林生物質能源與材料、森林藥品、森林食品等產業異軍突起，亟待大批基礎扎實、知識廣博、能力卓越的行業技術人才。化工原理作為專業基礎課程在學生的知識結構中起著承前啟后、由理及工的“橋梁”作用[1]。“化工原理課程設計”是學生學習化工原理課程的重要實踐訓練環節。在高等學校新工科建設和工程教育專業認證背景下，強化該實踐環節是提升學生工程能力和創新能力的重要途徑[2]。傳統的“化工原理課程設計”中工藝計算以手算為主，由于課程設計具有計算量大、工程性強等特點，學生在設計中往往會產生厭學、畏難情緒。近年來，許多教師將先進的化工設計軟件Aspen Plus等引入到“化工原理課程設計”的教學中，對流程模擬技術的應用進行了探討和實踐，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Aspen Plus軟件在“化工原理課程設計”中的研究，大多數局限于精餾單元操作。森林植物資源化學加工過程中，所涉及單元操作不僅有精餾，還常常應用傳熱、蒸發、吸收等典型過程。因此，相關的教學研究未能真正實現Aspen Plus的全面應用。此外，當前應用Aspen Plus軟件在化學原理教學中的研究多集中在設備的工藝計算環節。一個完整的“化工原理課程設計”應包括設計方案的制定、工藝計算、結構設計與尺寸確定、附屬設備的設計、校核等內容，其中設計方案的制定是首要的。在化工設計中，分離過程是將混合物分成組成互不相同的兩種或幾種產品的操作。所有的分離過程都需要以熱和（或）功的形式加入能量，它是能耗比重最大的部分，其費用也是生產操作費用的主要部分。我國是一個能源匱乏的國家，因此，在化工設計過程中，應該優先選用節能的分離方法，這是在“化工原理課程設計”方案制定中需要考慮的關鍵技術問題。針對于此，我們嘗試充分挖掘Aspen Plus的各項功能，將其應用到課程設計教學中，鼓勵學生在制定方案時注重節能分離，這樣不僅與生產實際密切結合，也對培養學生的設計能力和創新思維能力起到了良好的促進作用。

一 Aspen Plus軟件特點

Aspen Plus是AspenTech公司基于穩態化工模擬、優化、靈敏度分析和經濟評價開發的大型化工流程軟件，它具有適用于工業生產、完備的物性數據庫及五十多種單元操作模型。通過執行“數據輸入-解算-結果輸出”的系統實現策略，用戶可以在交互式圖形界面來定義問題，控制計算和靈活的檢查結果[6]。利用該軟件，用戶可以方便地對工藝過程進行質量與能量衡算，獲取物流的流量、組成和性質，計算操作條件和設備尺寸，簡化煩瑣的裝置設計實踐，比較優化設計方案，調整改善生產工藝等。

二 Aspen Plus軟件在“化工原理課程設計”中的應用——以乳酸/水體系蒸發為例

在我校林產化工專業前期的化工原理理論教學中，已經為學生穿插介紹了Aspen Plus軟件的用戶界面和基本操作。因此，Aspen Plus在我校“化工原理課程設計”中的運用具有良好的基礎。下面以乳酸/水混合物蒸發操作設計為例，說明Aspen Plus在課程設計方案制定及工藝計算方面的應用。

乳酸（又稱2-羥基丙酸）是一種重要的多用途有機酸，目前已被廣泛應用于食品、醫藥、農藥、日用化工等行業，它目前主要利用木質素/半纖維素水解液、蔗渣、玉米淀粉、纖維素等生物質為原料通過微生物發酵法制備[7]。由于產物粗乳酸濃度低，所以工業上需要進一步的精制。

（一） 設計任務

某粗乳酸水溶液流率為3700kg/h，其中乳酸（以C3H6O3計算）質量分數為20%，原料液溫度為50℃，壓力為100kPa。要求：通過蒸發把粗乳酸中的水分部分蒸除，使濃縮液中乳酸質量分數提升到74.5%。多效蒸發器的最終壓力為20kPa，加熱蒸汽為120℃飽和水蒸氣。采用強制外循環蒸發器，設計模擬蒸發操作，計算并比較單效、雙效蒸發器操作的能耗，確定合適的工藝。

（二） 單效蒸發器模擬

強制外循環蒸發器一般由換熱器、氣液閃蒸器、分配器三個模塊構成。雖然Aspen Plus模塊中沒有直接提供蒸發器，但可以根據外循環蒸發器的工作原理，通過選用適當的計算模塊組建一臺蒸發器，以此來模擬蒸發過程[8]。單效蒸發器的模擬流程如圖1所示。

圖1 乳酸/水體系單效蒸發模擬流程

1.全局性參數設置。在“物性—組分—規定”欄目中輸入水、乳酸兩種組分。因為蒸發體系是水體系，選用“NRTL”性質方法。

2.設置流股信息。把設計任務給定的進料物流信息輸入相應欄目中，蒸汽消耗量暫定為3000kg/h。

3.設置模塊信息。閃蒸壓力設為20kPa，閃蒸器熱負荷設為0；分配器中規定分流出蒸汽系統液體的分配比為0.1；換熱器選用簡捷算法，設定蒸汽冷凝液汽化分率為0，壓降為0.1kPa。

4.調整蒸汽用量。控制濃縮液中乳酸質量分數為0.745，對目標值進行設定，暫定蒸汽的用量為1000～10000kg/h。

5.模擬計算。模擬計算結果表明，濃縮液中乳酸的質量分數達到74.49%，滿足蒸發濃縮要求。單效蒸發器共消耗蒸汽3015.69kg/h，蒸發水分2722.59kg/h。所以，對單效蒸發器而言，1kg蒸汽近似蒸發0.9kg水分。

（三） 雙效蒸發器模擬

前兩步驟單效蒸發相同，在單效蒸發裝置后面再串聯一個蒸發器，把第一效蒸發器的二次蒸汽引入第二效蒸發器作為加熱蒸汽，構成雙效蒸發流程，如圖2所示。

圖2 乳酸/水體系雙效蒸發模擬流程

1.設置流股信息。第一效蒸發器的蒸汽加入量暫定為2000kg/h。

2.設置模塊信息。兩級閃蒸器熱負荷設置為0，閃蒸壓力第一效設為50kPa，第二效設為20kPa；第一效的分配器規定分流出蒸發系統液體的分配比為0.2，第二效的分配器規定分流出蒸發系統液體的分配比為0.1；換熱器采用簡捷算法，設定蒸汽冷凝液汽化分率為0。

3.調整蒸汽用量。控制濃縮液中乳酸質量分數為0.745。

4.模擬計算。模擬計算結果表明，第二效蒸發器出口濃縮液中乳酸的質量分數達到74.49%，滿足蒸發濃縮要求。消耗蒸汽1625.83kg/h，蒸發水分2716.81kg/h。可以發現，采用雙效蒸發裝置1kg蒸汽蒸發了1.67kg水分，與單效蒸發相比，節省蒸汽約86%。

實際蒸發過程由于熱損失、不同壓強下汽化潛熱的差別等因素，單效蒸發器的單位蒸汽消耗量（e，kg汽/kg水）約為1.1，雙效蒸發器的單位蒸汽消耗量（e，kg汽/kg水）約為0.57，可以看出模擬結果與生產實際十分接近，這對操作來說提供了較好的理論依據。

三 Aspen Plus軟件在“化工原理課程設計”中應用的教學效果

（一） 激發了學生的學習興趣

化工原理內容繁雜、公式較多，對于課程設計來說大多數學生都是第一次接觸，學生難于將理論分析、工藝計算等教學活動結合到設計實踐中去。利用Aspen Plus，學生仿佛置身于一種虛擬的環境中，方便隨時進行物性數據的查詢、模型的搭建、過程系統研究。軟件既可用于課堂教學，也可作為學生預習、復習的工具，極大地激發了學生學習的積極性。同時學生的考核成績提升明顯，考核優秀率達到87.5%左右。

（二） 提升了學生的設計能力

“化工原理課程設計”工藝計算和結構計算通常是反復計算的過程，工作量很大。如果在計算過程中某一參數選取不當或者步驟出錯，往往需要對整個過程進行重新計算。因此，在以往的設計過程中，教師往往選擇簡單的設計題目，學生傾向于采用各種簡化方法計算，這樣不利于學生設計能力的培養。利用Aspen Plus不僅能解決課程設計中大量的復雜計算問題，而且借助于軟件，學生容易深刻理解化工過程的內在規律，保證了學生設計能力的有效提升。2019年，學生年妙香等人參加第三屆全國大學生化工實驗大賽西北賽區決賽，獲得二等獎。

（三） 培養了學生的創新思維

在以往的課程設計教學中，學生的大量創新思路和設想都無法得到驗證。而在Aspen Plus輔助的設計環境中，由于極低的重復成本，學生可以在計算機上“隨心所欲”的進行不同方案和工藝條件的探討和分析。因此軟件的應用有助于設計方案達到最優化，更重要的是充分激發了學生創新思維潛能。有的學生開始思考利用軟件解決生產實際問題，例如將“Aspen Plus在活性炭對VOCs（Volatile Organic Compounds）吸附模型構建中的應用”作為畢業論文研究題目，有的學生以“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，獲得了國家級和省級大學生創新創業計劃項目的資助。

四 結語

Aspen Plus在“化工原理課程設計”教學中的應用，培養了學生的學習興趣，鞏固了化工原理的理論知識，同時為學生未來從事化工設計工作奠定了良好的基礎。應用Aspen Plus能夠比較方便地模擬蒸發過程，通過模擬，可以獲得多效蒸發器各種操作工藝參數，便于進行設計方案的調整，確定節能分離合適的操作條件。利用流程模擬技術有助于提升學生解決工程實際問題的能力與創新思維能力。