基于Aspen Plus化工模擬的生物油品質(zhì)提質(zhì)工藝設(shè)計案例教學(xué)探討

摘 "要 "化工原理課程內(nèi)容復(fù)雜，為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，將流程模擬軟件Aspen Plus運(yùn)用到化工原理教學(xué)環(huán)節(jié)，以生物油模型化合物加氫脫氧提質(zhì)工藝為案例，指導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗出發(fā)，通過實(shí)際案例流程模擬來學(xué)習(xí)建模思想和方法。實(shí)踐表明：將Aspen Plus應(yīng)用于課程教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生分析解決工程問題的能力，還能夠促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞 "Aspen Plus；化工原理；實(shí)驗；生物油品質(zhì)提質(zhì)工藝

中圖分類號：G642.423 " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）13-0028-05

0 " 引言

化工原理是一門理論性強(qiáng)、與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密的課程，是搭建在理論與實(shí)踐之間的橋梁[1]。許多學(xué)生建立工程概念之前都會接觸到這一門課程，它有著計算量巨大、邏輯性極強(qiáng)和概念知識晦澀難懂的特點(diǎn)，很容易讓人望而生畏。如何讓學(xué)生順利入門，進(jìn)而學(xué)好該課程，成為擺在教師面前的難題。

1 " 相關(guān)文獻(xiàn)研究

《教育部關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革 "全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗的結(jié)合，教師應(yīng)及時將新知識、新理論和新技術(shù)更新到教學(xué)內(nèi)容中。2016年6月，教育部發(fā)布《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，指出教師的信息化教學(xué)水平是學(xué)校辦學(xué)水平的評判指標(biāo)之一。

為貫徹教育信息化理念，完善化工原理教學(xué)體系，解決化工原理課程學(xué)生接受程度低的問題，有不少教師將Aspen Plus軟件引入課程教學(xué)中。劉娜[2]根據(jù)Aspen Plus軟件的特點(diǎn)和煤化工的特點(diǎn)，以煤氣化為案例，通過對模擬流程中的模型選擇、物性方法、模擬流程的建立進(jìn)行分析，并成功將該模擬軟件引入煤化工的教學(xué)課堂中。李龍江等[3]以煤層氣低溫精餾分離為案例，在課堂上使用Aspen Plus對煤層氣氣液相平衡和低溫精餾過程進(jìn)行模擬，使學(xué)生可以具體了解精餾塔的參數(shù)值變化，出色地完成教學(xué)任務(wù)。管述哲等[4]將Aspen Plus應(yīng)用在化工原理課程典型的蒸餾設(shè)計問題中，不僅簡化了理論塔板數(shù)的計算，還培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維。

將Aspen Plus引入課堂，可以有效提高教學(xué)的趣味性，從而激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計的思想，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[5-7]。我國生物質(zhì)資源豐富，但生物質(zhì)行業(yè)人才和核心技術(shù)缺失，亟待加大人才培養(yǎng)力度[8]。將Aspen Plus與生物質(zhì)相關(guān)工藝結(jié)合，可以有效完善相關(guān)人才培養(yǎng)體系，提高研究工作效率[9-10]。陳漢平等[11]利用Aspen Plus建設(shè)生物質(zhì)氣化模型，用限制反應(yīng)法修正理想反應(yīng)和實(shí)際反應(yīng)的差距，并使用實(shí)際操作中得到的數(shù)據(jù)對模型成功進(jìn)行驗證。Miaomiao Niu等[12]將流化床與旋流式熔融爐結(jié)合構(gòu)建一種新型的生物質(zhì)綜合氣化聯(lián)合循環(huán)，并利用Aspen Plus對系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化。

但目前為止鮮有教師將生物油品質(zhì)提質(zhì)工藝與Aspen Plus在教學(xué)課堂上進(jìn)行結(jié)合。本研究主要利用Aspen Plus軟件對生物油品質(zhì)提質(zhì)工藝案例建立模擬流程，通過對比流程模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生原因，并對將Aspen Plus引入教學(xué)所取得的成效進(jìn)行評價分析。

2 "Aspen Plus

Aspen Plus由MIT（麻省理工學(xué)院）研發(fā)，并于1982年完成商業(yè)化，目前已成為大型化工企業(yè)首選的通用流程模擬軟件[13-18]。Aspen Plus軟件主要包括三部分：物性數(shù)據(jù)庫、單元操作和模塊分析。Aspen Plus物性數(shù)據(jù)庫極其全面，包括將近6 000種純組分的物性數(shù)據(jù)，收集了25萬多套氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)。該軟件操作窗口簡潔，模擬運(yùn)算效率高、結(jié)果準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于化工過程的研究開發(fā)、裝置設(shè)計、生產(chǎn)過程控制、工藝優(yōu)化及技術(shù)改造等方面。Aspen Plus的關(guān)鍵應(yīng)用是高精度的流程模擬和優(yōu)化，用戶可根據(jù)不同的模型選擇模塊，如混合器、蒸餾塔、反應(yīng)器、換熱器等，完成工藝流程圖的繪制[19]。國內(nèi)許多大學(xué)也開展了相關(guān)教學(xué)研究，Aspen Plus真正地走進(jìn)包括生物質(zhì)在內(nèi)的教學(xué)課堂，讓學(xué)生真正參與實(shí)驗的設(shè)計、工藝的優(yōu)化。

3 "生物油提質(zhì)工藝流程模擬

設(shè)計一套簡單的生物質(zhì)模型化合物加氫脫氧提質(zhì)實(shí)驗，在課堂上使用Aspen Plus對實(shí)驗建立模擬流程，無論是物性數(shù)據(jù)的輸入、模擬模塊的選擇、模擬流程的繪制，還是模擬結(jié)果的記錄，都采取學(xué)生為主、教師輔導(dǎo)的教學(xué)策略。將模擬結(jié)果與實(shí)驗記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，若誤差在可接受范圍內(nèi)，將兩組數(shù)據(jù)整理記錄并對誤差的產(chǎn)生進(jìn)行分析；若兩組結(jié)果差異較大，再對模擬流程進(jìn)行檢驗并對其簡單優(yōu)化，直至獲得正確結(jié)果。教學(xué)步驟如圖1所示，詳細(xì)記錄一組模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果相近的模擬流程。

3.1 "設(shè)計案例實(shí)驗

該生物油模型化合物加氫脫氧提質(zhì)實(shí)驗以結(jié)合Aspen Plus對學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)為主要目的，實(shí)驗在圖2所示裝置中進(jìn)行，采用的是一級加氫法。生物油模型化合物愈創(chuàng)木酚通過蠕動泵，與氫氣進(jìn)行混合，氫氣流量為350 ml/min。反應(yīng)器在反應(yīng)進(jìn)行前，先后三次通入氮?dú)庵脫Q空氣，再通入氫氣，保證反應(yīng)器中的氫氣氛圍。氣化爐溫度220 ℃，反應(yīng)爐溫度350 ℃，壓力1.6 MPa。當(dāng)溫度升高到達(dá)反應(yīng)溫度時，通入物料，氣體每10 min收集一次，反應(yīng)時間50 min。收集到的液相產(chǎn)物用二氯甲烷萃取并用GC-MS分析成分，余下部分低溫（3～5 ℃）保存。

為提高學(xué)生動手能力，以上所有實(shí)驗操作均由學(xué)生自主進(jìn)行，并將此實(shí)驗作為教學(xué)實(shí)驗案例，使用Aspen Plus對其流程進(jìn)行模擬，將模擬得到的產(chǎn)物組分與實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比。

3.2 "物性數(shù)據(jù)的輸入

該模擬以教學(xué)為主，生物油模型化合物選擇愈創(chuàng)木酚。該模擬中加氫脫氧采用一段加氫法，生成的產(chǎn)物主要有甲烷、2，3-二甲基十二烷、2-乙基-1-戊烯、乙基環(huán)戊烷、甲苯、1，2，3，4-四甲基苯、鄰二甲苯、聯(lián)三甲苯等。

在Aspen Plus模擬過程中，輸入反應(yīng)組分（原料及產(chǎn)物）是第一步。指導(dǎo)學(xué)生查找模擬工藝中出現(xiàn)的組分CAS號并將其輸入軟件中，結(jié)果如表1所示。

3.3 "模擬模塊的選擇

生物油加氫脫氧提質(zhì)工藝主要可以分為三個部分，即進(jìn)料、反應(yīng)、產(chǎn)物收集：進(jìn)料段主要是對反應(yīng)物料加壓至反應(yīng)所需壓力并混合、預(yù)熱；反應(yīng)段是物料在反應(yīng)器中進(jìn)行加氫脫氧反應(yīng)，對生物油進(jìn)行提質(zhì)處理；產(chǎn)物收集段是將反應(yīng)器中反應(yīng)后得到的氣相、液相產(chǎn)物分離并收集。工藝中具體選擇模擬模塊如表2所示。

3.4 "模擬流程圖的繪制

教師指導(dǎo)學(xué)生對所作模擬的流程圖進(jìn)行繪制，如圖3所示。生物油模型化合物經(jīng)由模塊蠕動泵加壓，與通過壓縮器加壓后的氫氣于混合器中充分混合。混合后的物料被充入預(yù)熱器進(jìn)行加熱，預(yù)熱至350 ℃后進(jìn)入反應(yīng)爐，進(jìn)行生物油模型化合物的加氫脫氧，完成提質(zhì)。反應(yīng)后的產(chǎn)物主要包括氣相和液相，產(chǎn)物經(jīng)冷凝器分離后分別收集。

3.5 "輸出模擬結(jié)果

根據(jù)以上條件在Aspen Plus上完成生物油加氫脫氧提質(zhì)工藝的模擬流程，得到模擬結(jié)果并讓學(xué)生記錄。流程模擬的液相產(chǎn)物和氣相產(chǎn)物輸出結(jié)果分別如圖4、圖5所示。由模型計算結(jié)果可以觀察到，愈創(chuàng)木酚轉(zhuǎn)化率與實(shí)際實(shí)驗中愈創(chuàng)木酚的轉(zhuǎn)化率基本相當(dāng)；長鏈烷烴、烯烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實(shí)驗結(jié)果近似相等；環(huán)烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于實(shí)驗結(jié)果；而芳香烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于實(shí)驗結(jié)果有一定升高。這是因為該生物油模型化合物的流程模擬中沒有添加催化劑，對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定影響；實(shí)驗操作中也存在一定的人為誤差。綜上可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果存在的誤差在可接受范圍內(nèi)，該工藝模型可以較好地模擬生物油模型化合物加氫脫氧提質(zhì)過程，可以比較出色地完成教學(xué)任務(wù)，為學(xué)生提供一定指導(dǎo)。

4 "教學(xué)效果評價

利用Aspen Plus將生物油模型化合物加氫脫氧提質(zhì)的案例帶入課堂，讓學(xué)生切實(shí)感受該門課程是理論與實(shí)踐并重，讓課程更加貼近實(shí)際。根據(jù)課堂教學(xué)過程中的體會與學(xué)生的反饋，對該教學(xué)案例的評價總結(jié)如下。

4.1 "提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

生物質(zhì)相關(guān)課程學(xué)科交叉性強(qiáng)，理論知識體系復(fù)雜，轉(zhuǎn)化過程原理本身枯燥，學(xué)生在學(xué)習(xí)時可能會感到吃力且難以理解課程的相關(guān)實(shí)際應(yīng)用。如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和探索欲，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，就成為擺在教師面前的難題。而將Aspen Plus

與生物質(zhì)模型化合物提質(zhì)工藝相結(jié)合，既可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、求知欲，還可以有效提高課程的生動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.2 "促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高

Aspen Plus作為化工流程模擬軟件，因其專業(yè)性、精度高、用途廣等特點(diǎn)而被我國多家協(xié)會和高校認(rèn)可，并以該軟件為基礎(chǔ)舉辦多屆大學(xué)生化工設(shè)計競賽[20]。引導(dǎo)學(xué)生通過Aspen Plus對流程進(jìn)行模擬來掌握相關(guān)知識，是將科研實(shí)踐研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的一次嘗試[21]。

4.3 "降低實(shí)驗成本

將Aspen Plus作為模擬軟件應(yīng)用于課程教學(xué)，可以有效解決學(xué)生多、設(shè)備少的現(xiàn)實(shí)問題，降低實(shí)驗成本[22]。由于該實(shí)驗是在高溫高壓下加氫進(jìn)行反應(yīng)，若學(xué)生操作不當(dāng)，會對學(xué)生的人身和實(shí)驗室財產(chǎn)安全造成危害。而適當(dāng)?shù)販p少實(shí)驗次數(shù)，改用Aspen Plus對實(shí)驗進(jìn)行模擬，既可以讓學(xué)生了解實(shí)驗原理，又能降低安全風(fēng)險。

5 "結(jié)論

學(xué)生通過生物油模型化合物加氫脫氧提質(zhì)的實(shí)驗掌握了實(shí)驗操作流程、注意事項，清楚了反應(yīng)條件，理解了反應(yīng)機(jī)理；通過對該實(shí)驗進(jìn)行建模分析，學(xué)生學(xué)習(xí)了Aspen Plus中數(shù)據(jù)的輸入、模塊的選擇、流程圖的繪制。將計算機(jī)軟件和實(shí)驗課程相結(jié)合，開闊了學(xué)生視野，提高了教學(xué)效率，為教學(xué)改革提供了可參考的路徑。

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