基于Aspen Plus化工模擬的生物油品質提質工藝設計案例教學探討

摘 "要 "化工原理課程內容復雜，為培養學生工程實踐能力，將流程模擬軟件Aspen Plus運用到化工原理教學環節，以生物油模型化合物加氫脫氧提質工藝為案例，指導學生從實驗出發，通過實際案例流程模擬來學習建模思想和方法。實踐表明：將Aspen Plus應用于課程教學，不僅可以提高學生分析解決工程問題的能力，還能夠促進教學質量的提升。

關鍵詞 "Aspen Plus；化工原理；實驗；生物油品質提質工藝

中圖分類號：G642.423 " "文獻標識碼：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、與生產實際聯系緊密的課程，是搭建在理論與實踐之間的橋梁[1]。許多學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、邏輯性極強和概念知識晦澀難懂的特點，很容易讓人望而生畏。如何讓學生順利入門，進而學好該課程，成為擺在教師面前的難題。

1 " 相關文獻研究

《教育部關于進一步深化本科教學改革 "全面提高教學質量的若干意見》強調要加強科學研究和教學實驗的結合，教師應及時將新知識、新理論和新技術更新到教學內容中。2016年6月，教育部發布《教育信息化“十三五”規劃》，指出教師的信息化教學水平是學校辦學水平的評判指標之一。

為貫徹教育信息化理念，完善化工原理教學體系，解決化工原理課程學生接受程度低的問題，有不少教師將Aspen Plus軟件引入課程教學中。劉娜[2]根據Aspen Plus軟件的特點和煤化工的特點，以煤氣化為案例，通過對模擬流程中的模型選擇、物性方法、模擬流程的建立進行分析，并成功將該模擬軟件引入煤化工的教學課堂中。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行模擬，使學生可以具體了解精餾塔的參數值變化，出色地完成教學任務。管述哲等[4]將Aspen Plus應用在化工原理課程典型的蒸餾設計問題中，不僅簡化了理論塔板數的計算，還培養了學生的發散思維。

將Aspen Plus引入課堂，可以有效提高教學的趣味性，從而激發學生的專業學習興趣和積極性，培養學生工程設計的思想，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力[5-7]。我國生物質資源豐富，但生物質行業人才和核心技術缺失，亟待加大人才培養力度[8]。將Aspen Plus與生物質相關工藝結合，可以有效完善相關人才培養體系，提高研究工作效率[9-10]。陳漢平等[11]利用Aspen Plus建設生物質氣化模型，用限制反應法修正理想反應和實際反應的差距，并使用實際操作中得到的數據對模型成功進行驗證。Miaomiao Niu等[12]將流化床與旋流式熔融爐結合構建一種新型的生物質綜合氣化聯合循環，并利用Aspen Plus對系統進行分析優化。

但目前為止鮮有教師將生物油品質提質工藝與Aspen Plus在教學課堂上進行結合。本研究主要利用Aspen Plus軟件對生物油品質提質工藝案例建立模擬流程，通過對比流程模擬結果與實際實驗結果，分析誤差產生原因，并對將Aspen Plus引入教學所取得的成效進行評價分析。

2 "Aspen Plus

Aspen Plus由MIT（麻省理工學院）研發，并于1982年完成商業化，目前已成為大型化工企業首選的通用流程模擬軟件[13-18]。Aspen Plus軟件主要包括三部分：物性數據庫、單元操作和模塊分析。Aspen Plus物性數據庫極其全面，包括將近6 000種純組分的物性數據，收集了25萬多套氣液平衡和液液平衡數據。該軟件操作窗口簡潔，模擬運算效率高、結果準，被廣泛應用于化工過程的研究開發、裝置設計、生產過程控制、工藝優化及技術改造等方面。Aspen Plus的關鍵應用是高精度的流程模擬和優化，用戶可根據不同的模型選擇模塊，如混合器、蒸餾塔、反應器、換熱器等，完成工藝流程圖的繪制[19]。國內許多大學也開展了相關教學研究，Aspen Plus真正地走進包括生物質在內的教學課堂，讓學生真正參與實驗的設計、工藝的優化。

3 "生物油提質工藝流程模擬

設計一套簡單的生物質模型化合物加氫脫氧提質實驗，在課堂上使用Aspen Plus對實驗建立模擬流程，無論是物性數據的輸入、模擬模塊的選擇、模擬流程的繪制，還是模擬結果的記錄，都采取學生為主、教師輔導的教學策略。將模擬結果與實驗記錄數據進行比對，若誤差在可接受范圍內，將兩組數據整理記錄并對誤差的產生進行分析；若兩組結果差異較大，再對模擬流程進行檢驗并對其簡單優化，直至獲得正確結果。教學步驟如圖1所示，詳細記錄一組模擬結果與實驗結果相近的模擬流程。

3.1 "設計案例實驗

該生物油模型化合物加氫脫氧提質實驗以結合Aspen Plus對學生進行培訓為主要目的，實驗在圖2所示裝置中進行，采用的是一級加氫法。生物油模型化合物愈創木酚通過蠕動泵，與氫氣進行混合，氫氣流量為350 ml/min。反應器在反應進行前，先后三次通入氮氣置換空氣，再通入氫氣，保證反應器中的氫氣氛圍。氣化爐溫度220 ℃，反應爐溫度350 ℃，壓力1.6 MPa。當溫度升高到達反應溫度時，通入物料，氣體每10 min收集一次，反應時間50 min。收集到的液相產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。

為提高學生動手能力，以上所有實驗操作均由學生自主進行，并將此實驗作為教學實驗案例，使用Aspen Plus對其流程進行模擬，將模擬得到的產物組分與實驗結果進行對比。

3.2 "物性數據的輸入

該模擬以教學為主，生物油模型化合物選擇愈創木酚。該模擬中加氫脫氧采用一段加氫法，生成的產物主要有甲烷、2，3-二甲基十二烷、2-乙基-1-戊烯、乙基環戊烷、甲苯、1，2，3，4-四甲基苯、鄰二甲苯、聯三甲苯等。

在Aspen Plus模擬過程中，輸入反應組分（原料及產物）是第一步。指導學生查找模擬工藝中出現的組分CAS號并將其輸入軟件中，結果如表1所示。

3.3 "模擬模塊的選擇

生物油加氫脫氧提質工藝主要可以分為三個部分，即進料、反應、產物收集：進料段主要是對反應物料加壓至反應所需壓力并混合、預熱；反應段是物料在反應器中進行加氫脫氧反應，對生物油進行提質處理；產物收集段是將反應器中反應后得到的氣相、液相產物分離并收集。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

教師指導學生對所作模擬的流程圖進行繪制，如圖3所示。生物油模型化合物經由模塊蠕動泵加壓，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熱器進行加熱，預熱至350 ℃后進入反應爐，進行生物油模型化合物的加氫脫氧，完成提質。反應后的產物主要包括氣相和液相，產物經冷凝器分離后分別收集。

3.5 "輸出模擬結果

根據以上條件在Aspen Plus上完成生物油加氫脫氧提質工藝的模擬流程，得到模擬結果并讓學生記錄。流程模擬的液相產物和氣相產物輸出結果分別如圖4、圖5所示。由模型計算結果可以觀察到，愈創木酚轉化率與實際實驗中愈創木酚的轉化率基本相當；長鏈烷烴、烯烴的質量分數與實驗結果近似相等；環烴的質量分數略低于實驗結果；而芳香烴的質量分數相較于實驗結果有一定升高。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，對模擬結果產生一定影響；實驗操作中也存在一定的人為誤差。綜上可知，模擬結果與實驗結果存在的誤差在可接受范圍內，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過程，可以比較出色地完成教學任務，為學生提供一定指導。

4 "教學效果評價

利用Aspen Plus將生物油模型化合物加氫脫氧提質的案例帶入課堂，讓學生切實感受該門課程是理論與實踐并重，讓課程更加貼近實際。根據課堂教學過程中的體會與學生的反饋，對該教學案例的評價總結如下。

4.1 "提高學生的學習興趣

生物質相關課程學科交叉性強，理論知識體系復雜，轉化過程原理本身枯燥，學生在學習時可能會感到吃力且難以理解課程的相關實際應用。如何調動學生學習的積極性和探索欲，提高學生學習的樂趣，就成為擺在教師面前的難題。而將Aspen Plus

與生物質模型化合物提質工藝相結合，既可以培養學生的動手能力、求知欲，還可以有效提高課程的生動性，提高學生的學習興趣。

4.2 "促進教學質量提高

Aspen Plus作為化工流程模擬軟件，因其專業性、精度高、用途廣等特點而被我國多家協會和高校認可，并以該軟件為基礎舉辦多屆大學生化工設計競賽[20]。引導學生通過Aspen Plus對流程進行模擬來掌握相關知識，是將科研實踐研究成果轉化為教學資源的一次嘗試[21]。

4.3 "降低實驗成本

將Aspen Plus作為模擬軟件應用于課程教學，可以有效解決學生多、設備少的現實問題，降低實驗成本[22]。由于該實驗是在高溫高壓下加氫進行反應，若學生操作不當，會對學生的人身和實驗室財產安全造成危害。而適當地減少實驗次數，改用Aspen Plus對實驗進行模擬，既可以讓學生了解實驗原理，又能降低安全風險。

5 "結論

學生通過生物油模型化合物加氫脫氧提質的實驗掌握了實驗操作流程、注意事項，清楚了反應條件，理解了反應機理；通過對該實驗進行建模分析，學生學習了Aspen Plus中數據的輸入、模塊的選擇、流程圖的繪制。將計算機軟件和實驗課程相結合，開闊了學生視野，提高了教學效率，為教學改革提供了可參考的路徑。

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