摘要：化工原理实验课程重在培养学生的工程素质。以水吸收CO2为例，将Aspen Plus(大型通用流程模拟系统)软件与实验教学相结合，模拟分析探讨强化吸收过程的主要措施。基于Aspen Plus教学设计不仅培养了学生使用仿真软件进行工程设计的能力，提高了教学质量，而且增强了学生解决工程问题的能力，激发了学生学习的兴趣，满足新工科人才培养需求，落实立德树人根本任务。
关键词：Aspen Plus,化工原理实验,吸收,课程改革,高等院校
0引言
新工科建设以立德树人为方向，满足行业需求的创新型工科人才。因此对课程建设提出更高要求，重点培养学生知识获取的能力，解决工程问题的能力以及价值观的塑造[1-2]。
化工原理实验是化工原理的配套实验课程，目的在于巩固理论知识、培养学生掌握数据处理及图表绘制的技能、提高分析解决实际工程问题的能力。通过化工原理实验教学，不仅能够加深学生对所学过单元操作原理的理解和对典型设备的直观认识，而且能培养学生的实验技能，弥补课堂理论教学中的不足，与课堂理论课教学相辅相成，共同肩负起培养高素质化工人才的重任[3]。
1化工原理实验现状
化工原理实验课程涉及化工生产过程的单元操作，概念多，公式繁杂，计算复杂，误差大，通过观察学生的实验过程及批改学生的实验报告，发现大部分同学虽然可以完成实验及后续的数据处理，但存在以下问题：学生大部分只按照讲义进行操作，不会对该单元操作过程进行深入思考，繁琐的计算中还存在数据计算准确性的问题，更缺乏深入的分析能力[4]。通过调研发现学生对实验后续的数据处理存在排斥心理，因此导致学习兴趣不高。如何改善实验，加深学生对所学单元操作原理的掌握和计算的公式的应用及原理的理解，提升对单元操作的深入思考及分析能力，是化工原理实验课程亟待解决的问题。
化工原理实验作为理论知识和化工生产实践沟通的桥梁，对工业解决方案的日益增长的需求，以及技术的最新趋势，急需通过现代教学方法不断丰富教学方法，改革教学模式，为学生提供所需的技能和知识，以掌握各种环境和工业领域的设计、操作、维护和开发化学应用过程[5]。根据BLOOM的分类法，工程类课程教育需要通过更多的实践技能来提高对工程知识的掌握，从而具备解决工程问题的能力[6]。此外，化工原理实验课程使学生具备单元操作的工程原理，并帮助他们发展对工程操作的理解[7]。
2 Aspen Plus软件融入实验教学的应用实践
Aspen Plus[8]是一款集成了化学工程设计、动态模拟和其他计算的过程模拟软件，广泛应用于大型化工企业研发新工艺的模拟和高校工程类课程教学中的辅助工具。该软件能够模拟流体输送、非均相物系分离、传热、吸收、精馏、蒸发、干燥等化工原理课程所涉及的单元操作过程模拟[9]。
实验课前让学生先利用Aspen Plus完成相应的流程模拟，以流程模拟辅助传统的化工原理实验课程的学习，大大提高了教学质量，拓宽了教学渠道，将化工原理实验课程中的设备与生产实际相结合[10]。这不仅增加了学生的知识面，提高了他们的学习兴趣，培养了工程思维，强化工程判断能力，实现更好的教学效果，满足新工科人才培养目标的需求。本文以CO2吸收实验为例，利用Aspen Plus软件中进行吸收过程的模拟。
3 Aspen Plus模拟吸收实验—以CO2吸收实验为例
吸收过程涉及气相和液相之间的传质，利用组分在液体中的溶解度差异实现分离，CO2吸收实验采用纯水吸收混合气体中的CO2实验，同时测定填料塔液侧传质膜系数和总传质系数。计算过程涉及液相浓度，平衡浓度，液相摩尔分率，液相平均推动力，液相传质系数，吸收率等步骤，计算过程极其繁琐和复杂。课前让学生采用Aspen Plus对CO2吸收过程进行模拟，不仅可以更直观地掌握吸收过程的单元操作流程，还可以利用Aspen Plus中的灵敏度分析工具对流程进行模拟分析，让学生掌握影响吸收效率的因素。
3.1生产任务及条件
生产任务及条件：常压下用水吸收CO2，属于中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水作为吸收剂，且CO2不作为产品，故采用纯溶剂。填料塔直径为0.5 m，填料塔的高度为5 m，进料空气含有20%CO2，气体流速为100 kg/h，纯水进料流速为100 kg/h,选择10 mm陶瓷拉西环(ceramic raschig)作为填料。
3.2吸收过程平衡模拟
采用模型库里的RateFrac模块里的ABSBR1模型绘制CO2吸收流程图，流程图如图1所示，根据设计条件和任务选择Equilibrium模式，气体由15块板上方进料，运行结果可以得到吸收液和尾气的流率及含量，结果如表1所示。此时可计算出：
CO2吸收率=吸收液中的CO2质量流量/进料混合气中CO2摩尔质量=1.129/20×100%=5.65%(1)
式(1)与实验结果较为接近，学生可通过模拟结果来验证实验计算结果。
3.3吸收过程填料塔模拟分析
3.3.1温度和压力对吸收过程的影响
借助Aspen Plus模拟来探讨吸收剂入口温度、吸收塔压力等参数对吸收过程的影响，如图2和图3所示，以寻求适宜的操作条件。理论课上提到吸收塔温度降低或者压力升高，气体溶解度都将增大，平衡常数减小，平衡线向下移动，平均推动力增大，利于吸收操作。从图2和图3可以看出温度降低或压力增大，吸收液中CO2摩尔分率上升，吸收率增大。由此可以得到低温高压利于吸收的结论，因此借助模拟结果可以增进学生对低温高压是强化吸收措施手段之一的这部分知识的理解和巩固。
3.3.2吸收剂用量对吸收过程的影响
吸收塔操作过程中，当吸收任务一定时，增大吸收剂用量，吸收过程的推动力增大，吸收率增加。实验过程因为时间原因不能设计不同吸收剂用量对吸收率的影响，采用Aspen Plus模拟可弥补实验时间上的不足，了解吸收剂用量对吸收过程的影响，从图4可知，随着吸收剂用量增加，吸收液中CO2的摩尔分率减小，尾气中的CO2摩尔分率也下降，吸收率增加。
3.3.3理论板对吸收过程的影响
从图5可以看出随着理论板数增加，吸收液中CO2的摩尔分率增加，尾气中的CO2摩尔分率下降，当吸收塔的理论板数＞15块时，吸收液和尾气中CO2摩尔分率变化趋势减缓，因此最终确定理论板数为15块。
3.3.4填料对吸收过程的影响
吸收塔通常采用填料塔，实验讲义中给出填料塔的参数：陶瓷拉西环填料(ceramic raschig)，Aspen Plus可以根据实验条件选择填料，填料塔信息设置如图6所示，填料塔计算结果如图7所示。根据理论课上介绍，填料尺寸越小，阻力增加，通量减少，还可以通过Aspen Plus让学生了解不同填料尺寸对阻力的影响，通过对比图7(b)中填料选用75 mm，填料尺寸增大，液泛率降低，塔压降低，阻力减小，强化吸收过程另一个措施手段是减少吸收过程阻力。
综上所述，降低吸收剂入口温度，提高吸收塔压力，增加吸收剂的流量和增加理论板数等手段均是强化吸收的措施手段。学生通过实验和Aspen Plus模拟分析可以探讨以上因素对吸收效率的影响，在实践过程中把理论学习和实验内容融合起来，一方面通过Aspen Plus模拟来强化对理论知识的理解，同时使教学变得更加直观，增进学生对整个吸收分离过程的理解；另一方面学生不再局限于吸收塔的具体操作，而且能够自主进行吸收过程工艺流程设计并完成模拟，强化学生的工程判断能力。因此，Aspen Plus辅助化工原理实验可以帮助学生理解抽象的化工原理概念，激发学生学习的兴趣，调动学生学习的积极性，同时可以帮助学生深入认识信息化在未来化工行业发展战略中的重要性。
4教学效果评价
经过教学实践，通过课后反馈，学生对本门课程的教学改革给予了较高的评价，在化工原理及化工原理实验课程中引入Aspen Plus软件的学习，已经取得初步的成效。同学们表示使用Aspen Plus工程模拟软件既可以验证手动计算结果，又可以进行模拟优化，加深对抽象概念和原理的理解，同时还可以提升团队合作能力。在此基础上，学生在相关的化工类学科竞赛中有了更扎实的理论基础，近年来在化工类学科竞赛中都取得了较好的成绩。通过这些反馈，充分肯定了将Aspen Plus软件融入实验教学的教学手段在工程类应用中的重要性。
5结语
基于Aspen Plus过程模拟软件的教学通过对实验过程的模拟和探索实践，使学生从简单的实验操作提升到流程模拟，加深了学生对相关原理知识的深刻认识，锻炼了学生的创造性和批判性思维，培养了解决复杂工程问题的能力，为工程技术人才的培养起到了助力作用。学生接触到该领域的先进工具和技术，深入认识化工行业的信息化在未来工业发展战略中的关键作用，提高了学生严谨规范的职业素养，为学生在以后的就业市场上打造了竞争优势。
参考文献：
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