Aspen Plus在林产化工专业“化工原理课程设计”中的应用——以蒸发为例

武海棠，任丽洁，郑冀鲁

（1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌；2.西北农林科技大学 研究生院，陕西 杨凌）

林产化工是指以森林植物等生物质资源为原料，经过化学、生物等手段对其进行加工，制备人们生产和生活需要的各种化学品的化学工业，也是林业院校的一大特色专业。近年来，森林生物质能源与材料、森林药品、森林食品等产业异军突起，亟待大批基础扎实、知识广博、能力卓越的行业技术人才。化工原理作为专业基础课程在学生的知识结构中起着承前启后、由理及工的“桥梁”作用[1]。“化工原理课程设计”是学生学习化工原理课程的重要实践训练环节。在高等学校新工科建设和工程教育专业认证背景下，强化该实践环节是提升学生工程能力和创新能力的重要途径[2]。传统的“化工原理课程设计”中工艺计算以手算为主，由于课程设计具有计算量大、工程性强等特点，学生在设计中往往会产生厌学、畏难情绪。近年来，许多教师将先进的化工设计软件Aspen Plus等引入到“化工原理课程设计”的教学中，对流程模拟技术的应用进行了探讨和实践，取得了一定的效果[3-5]。

然而，由于精馏单元操作具有代表性，目前有关Aspen Plus软件在“化工原理课程设计”中的研究，大多数局限于精馏单元操作。森林植物资源化学加工过程中，所涉及单元操作不仅有精馏，还常常应用传热、蒸发、吸收等典型过程。因此，相关的教学研究未能真正实现Aspen Plus的全面应用。此外，当前应用Aspen Plus软件在化学原理教学中的研究多集中在设备的工艺计算环节。一个完整的“化工原理课程设计”应包括设计方案的制定、工艺计算、结构设计与尺寸确定、附属设备的设计、校核等内容，其中设计方案的制定是首要的。在化工设计中，分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或几种产品的操作。所有的分离过程都需要以热和（或）功的形式加入能量，它是能耗比重最大的部分，其费用也是生产操作费用的主要部分。我国是一个能源匮乏的国家，因此，在化工设计过程中，应该优先选用节能的分离方法，这是在“化工原理课程设计”方案制定中需要考虑的关键技术问题。针对于此，我们尝试充分挖掘Aspen Plus的各项功能，将其应用到课程设计教学中，鼓励学生在制定方案时注重节能分离，这样不仅与生产实际密切结合，也对培养学生的设计能力和创新思维能力起到了良好的促进作用。

一 Aspen Plus软件特点

Aspen Plus是AspenTech公司基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价开发的大型化工流程软件，它具有适用于工业生产、完备的物性数据库及五十多种单元操作模型。通过执行“数据输入-解算-结果输出”的系统实现策略，用户可以在交互式图形界面来定义问题，控制计算和灵活的检查结果[6]。利用该软件，用户可以方便地对工艺过程进行质量与能量衡算，获取物流的流量、组成和性质，计算操作条件和设备尺寸，简化烦琐的装置设计实践，比较优化设计方案，调整改善生产工艺等。

二 Aspen Plus软件在“化工原理课程设计”中的应用——以乳酸/水体系蒸发为例

在我校林产化工专业前期的化工原理理论教学中，已经为学生穿插介绍了Aspen Plus软件的用户界面和基本操作。因此，Aspen Plus在我校“化工原理课程设计”中的运用具有良好的基础。下面以乳酸/水混合物蒸发操作设计为例，说明Aspen Plus在课程设计方案制定及工艺计算方面的应用。

乳酸（又称2-羟基丙酸）是一种重要的多用途有机酸，目前已被广泛应用于食品、医药、农药、日用化工等行业，它目前主要利用木质素/半纤维素水解液、蔗渣、玉米淀粉、纤维素等生物质为原料通过微生物发酵法制备[7]。由于产物粗乳酸浓度低，所以工业上需要进一步的精制。

（一） 设计任务

某粗乳酸水溶液流率为3700kg/h，其中乳酸（以C3H6O3计算）质量分数为20%，原料液温度为50℃，压力为100kPa。要求：通过蒸发把粗乳酸中的水分部分蒸除，使浓缩液中乳酸质量分数提升到74.5%。多效蒸发器的最终压力为20kPa，加热蒸汽为120℃饱和水蒸气。采用强制外循环蒸发器，设计模拟蒸发操作，计算并比较单效、双效蒸发器操作的能耗，确定合适的工艺。

（二） 单效蒸发器模拟

强制外循环蒸发器一般由换热器、气液闪蒸器、分配器三个模块构成。虽然Aspen Plus模块中没有直接提供蒸发器，但可以根据外循环蒸发器的工作原理，通过选用适当的计算模块组建一台蒸发器，以此来模拟蒸发过程[8]。单效蒸发器的模拟流程如图1所示。

图1 乳酸/水体系单效蒸发模拟流程

1.全局性参数设置。在“物性—组分—规定”栏目中输入水、乳酸两种组分。因为蒸发体系是水体系，选用“NRTL”性质方法。

2.设置流股信息。把设计任务给定的进料物流信息输入相应栏目中，蒸汽消耗量暂定为3000kg/h。

3.设置模块信息。闪蒸压力设为20kPa，闪蒸器热负荷设为0；分配器中规定分流出蒸汽系统液体的分配比为0.1；换热器选用简捷算法，设定蒸汽冷凝液汽化分率为0，压降为0.1kPa。

4.调整蒸汽用量。控制浓缩液中乳酸质量分数为0.745，对目标值进行设定，暂定蒸汽的用量为1000～10000kg/h。

5.模拟计算。模拟计算结果表明，浓缩液中乳酸的质量分数达到74.49%，满足蒸发浓缩要求。单效蒸发器共消耗蒸汽3015.69kg/h，蒸发水分2722.59kg/h。所以，对单效蒸发器而言，1kg蒸汽近似蒸发0.9kg水分。

（三） 双效蒸发器模拟

前两步骤单效蒸发相同，在单效蒸发装置后面再串联一个蒸发器，把第一效蒸发器的二次蒸汽引入第二效蒸发器作为加热蒸汽，构成双效蒸发流程，如图2所示。

图2 乳酸/水体系双效蒸发模拟流程

1.设置流股信息。第一效蒸发器的蒸汽加入量暂定为2000kg/h。

2.设置模块信息。两级闪蒸器热负荷设置为0，闪蒸压力第一效设为50kPa，第二效设为20kPa；第一效的分配器规定分流出蒸发系统液体的分配比为0.2，第二效的分配器规定分流出蒸发系统液体的分配比为0.1；换热器采用简捷算法，设定蒸汽冷凝液汽化分率为0。

3.调整蒸汽用量。控制浓缩液中乳酸质量分数为0.745。

4.模拟计算。模拟计算结果表明，第二效蒸发器出口浓缩液中乳酸的质量分数达到74.49%，满足蒸发浓缩要求。消耗蒸汽1625.83kg/h，蒸发水分2716.81kg/h。可以发现，采用双效蒸发装置1kg蒸汽蒸发了1.67kg水分，与单效蒸发相比，节省蒸汽约86%。

实际蒸发过程由于热损失、不同压强下汽化潜热的差别等因素，单效蒸发器的单位蒸汽消耗量（e，kg汽/kg水）约为1.1，双效蒸发器的单位蒸汽消耗量（e，kg汽/kg水）约为0.57，可以看出模拟结果与生产实际十分接近，这对操作来说提供了较好的理论依据。

三 Aspen Plus软件在“化工原理课程设计”中应用的教学效果

（一） 激发了学生的学习兴趣

化工原理内容繁杂、公式较多，对于课程设计来说大多数学生都是第一次接触，学生难于将理论分析、工艺计算等教学活动结合到设计实践中去。利用Aspen Plus，学生仿佛置身于一种虚拟的环境中，方便随时进行物性数据的查询、模型的搭建、过程系统研究。软件既可用于课堂教学，也可作为学生预习、复习的工具，极大地激发了学生学习的积极性。同时学生的考核成绩提升明显，考核优秀率达到87.5%左右。

（二） 提升了学生的设计能力

“化工原理课程设计”工艺计算和结构计算通常是反复计算的过程，工作量很大。如果在计算过程中某一参数选取不当或者步骤出错，往往需要对整个过程进行重新计算。因此，在以往的设计过程中，教师往往选择简单的设计题目，学生倾向于采用各种简化方法计算，这样不利于学生设计能力的培养。利用Aspen Plus不仅能解决课程设计中大量的复杂计算问题，而且借助于软件，学生容易深刻理解化工过程的内在规律，保证了学生设计能力的有效提升。2019年，学生年妙香等人参加第三届全国大学生化工实验大赛西北赛区决赛，获得二等奖。

（三） 培养了学生的创新思维

在以往的课程设计教学中，学生的大量创新思路和设想都无法得到验证。而在Aspen Plus辅助的设计环境中，由于极低的重复成本，学生可以在计算机上“随心所欲”的进行不同方案和工艺条件的探讨和分析。因此软件的应用有助于设计方案达到最优化，更重要的是充分激发了学生创新思维潜能。有的学生开始思考利用软件解决生产实际问题，例如将“Aspen Plus在活性炭对VOCs（Volatile Organic Compounds）吸附模型构建中的应用”作为毕业论文研究题目，有的学生以“基于Aspen Plus模拟萃取精馏分离乙酸乙酯-异丙醇-水体系”为课题，获得了国家级和省级大学生创新创业计划项目的资助。

四 结语

Aspen Plus在“化工原理课程设计”教学中的应用，培养了学生的学习兴趣，巩固了化工原理的理论知识，同时为学生未来从事化工设计工作奠定了良好的基础。应用Aspen Plus能够比较方便地模拟蒸发过程，通过模拟，可以获得多效蒸发器各种操作工艺参数，便于进行设计方案的调整，确定节能分离合适的操作条件。利用流程模拟技术有助于提升学生解决工程实际问题的能力与创新思维能力。