程模擬系統(tǒng)教學(xué)化學(xué)工程論文
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1在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用
化工原理系列課程包括：理論課、實驗課、生產(chǎn)或仿真實習(xí)和課程設(shè)計四個環(huán)節(jié)。其中化工單元操作過程設(shè)計方法、操作原理及其計算是理論課程教學(xué)的重要內(nèi)容，而迅速準(zhǔn)確地進行工程計算是課程設(shè)計的基礎(chǔ)，所以組織好化工原理理論課程教學(xué)是落實化工原理整體教學(xué)的關(guān)鍵。目前，化工原理主要授課內(nèi)容：流體流動、流體輸送機械、非均相物系的分離和固體流態(tài)化、傳熱、精餾、吸收、萃取、干燥等單元的基本概念、原理和工程計算方法，而通用過程模擬軟件中幾乎包括所有常見的化工單元基本模塊，在講課過程中，教師可以在講授基本原理后，使用軟件中的相關(guān)計算模塊對其工作特性進行模擬展示。東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院肖國民、李浩揚等，利用Fluent、Aspenplus軟件應(yīng)用于講授和解決“三傳”問題。其中利用Fluent軟件，對固定床反應(yīng)器進行動量模擬，結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)模型和對流傳熱模型等，研究反應(yīng)器內(nèi)一氧化碳與硝酸二乙酯偶聯(lián)反應(yīng)，從而獲得反應(yīng)器內(nèi)速度、溫度和各物質(zhì)濃度的分布情況，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。這一過程給學(xué)生清晰的展示了：不僅固定床反應(yīng)器內(nèi)部的“三傳”均和反應(yīng)的進行程度相輔相成，而且若想準(zhǔn)確計算、設(shè)計或優(yōu)化一個單元操作過程，實驗情況與計算模擬必須相互反饋，相得益彰。利用Aspenplus軟件對二苯基甲烷二異氰酸酯換熱器進行設(shè)計和工程開發(fā)，與傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計計算方法相比，結(jié)果具有可靠性高、計算用時少、繪圖快、和各專業(yè)集成效應(yīng)強等優(yōu)勢。通過對甲醇—水精餾過程模擬，說明該軟件可用于質(zhì)量傳遞方面的計算。教學(xué)實踐證明，該方法不僅可以全面反映塔內(nèi)物料組成、質(zhì)量分布狀況等工藝計算結(jié)果，而且還可通過系統(tǒng)內(nèi)置板式塔或填料塔的各種塔內(nèi)件參數(shù)，得到塔結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計，另外學(xué)生還可以通過改變模擬計算條件，綜合考察各因素對分離效果的影響，便于教學(xué)。中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院劉相、王蘭娟利用軟件：Mathcad、Aspenplus和AutoCAD與傳統(tǒng)的課程設(shè)計相結(jié)合的教學(xué)方式，簡化繁瑣的計算過程，強化學(xué)生的工程意識和制圖規(guī)范，使化工原理課程設(shè)計逐步走入規(guī)范化軌道。中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院孫蘭義，張月明等，選擇烯烴分離裝置作為研究對象應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計教學(xué)之中，利用Aspenplus、ProII獲得了最佳回流比、理論板數(shù)等重要數(shù)據(jù)，計算機教學(xué)的引入為化工原理課程設(shè)計教學(xué)注入了新的活力。江蘇技術(shù)師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院張春勇，鄭純智等利用Aspenplus軟件在流體流動和輸送機械、傳熱、精餾、吸收與脫吸中應(yīng)用，在教學(xué)過程中使學(xué)生看到的都是工程實例，充分踐行了理論聯(lián)系實際這一教學(xué)原則。嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院韋曉燕，譚軍等，山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院張治山、高軍[21]等將Aspenplus過程模擬系統(tǒng)有目、有步驟地應(yīng)用于化工原理系列課程教學(xué)，通過單元模型操作型問題、實際案例分析和課程設(shè)計三個階段的訓(xùn)練，使學(xué)生加深對化工單元設(shè)計的理解，達到培養(yǎng)“知識”+“能力”型人才的目的。另外，北京石油化工學(xué)院化學(xué)工程系葛明蘭，李翠清等和安陽大學(xué)化工系李安林，張換平等將ChemCAD軟件應(yīng)用與化工課程設(shè)計和簡捷精餾模型，青海大學(xué)化工學(xué)院李曉昆，張宏等將ECSS軟件應(yīng)用在板式精餾塔工藝計算中。華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院鄭秀玉，李瓊還將過程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化工仿真實習(xí)教學(xué)的改革與實踐當(dāng)中，取得了寶貴的教學(xué)經(jīng)驗。實際工程問題的解決方案通常是多方面因素綜合，且呈非線性關(guān)系作用的結(jié)果，解答需要經(jīng)過多次運算與討論分析。如操作型計算，盡管與設(shè)計型應(yīng)用的原理是一樣的，但是因為思考問題的角度不同，使得此類問題復(fù)雜、靈活，綜合條件的選擇計算不是一次完成，而是需要多次試算，反復(fù)迭代，加之公式復(fù)雜，計算步驟繁多，計算量很大。模擬軟件的應(yīng)用是解決這類問題行之有效的捷徑，既幫助學(xué)生加深了對各化工單元的認(rèn)識與理解，又培養(yǎng)了他們解決實際工程問題的能力。
2在化學(xué)反應(yīng)工程、分離工程教學(xué)中的應(yīng)用
化學(xué)反應(yīng)工程和化工分離工程皆為化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。其主要研究內(nèi)容的共性為過程開發(fā)、工藝設(shè)計以及實際生產(chǎn)操作過程中遇到的工程問題。在化工生產(chǎn)過程中，化學(xué)反應(yīng)是生產(chǎn)的核心，而分離過程則是其前的原料凈化和其后的產(chǎn)品精制，一般來說分離裝置的費用占總投資的70%以上。過程模擬系統(tǒng)中，基本上包含了教學(xué)過程中所包含的各式反應(yīng)器模型，另外系統(tǒng)還集成了用戶自定義模塊，用戶可根據(jù)實際需求二次開發(fā)反應(yīng)器模塊子程序。而對于化工分離過程的模擬無論是從可模擬介質(zhì)的種類和塔器的形式上，還是從模擬結(jié)果的精度上，都堪稱化工模擬技術(shù)發(fā)展的代表。如：在AspenPlus中用于模擬所有類型的多級汽-液、液-液平衡為例，其計算分為簡捷、嚴(yán)格法兩種。簡捷法計算單元模塊庫有三類：簡捷法精餾設(shè)計、簡捷法精餾核算和石油簡捷蒸餾。嚴(yán)格法計算單元模塊庫有六類：嚴(yán)格精餾、復(fù)雜塔嚴(yán)格精餾、石油嚴(yán)格蒸餾、基于質(zhì)量傳遞速率蒸餾、嚴(yán)格間歇蒸餾和嚴(yán)格液-液萃取，每一類單元模塊庫中又有多個以進料、加熱器（冷凝器）和側(cè)線物流等不同組合形式，如：嚴(yán)格精餾不僅可用于兩相(汽-液)計算，還可用于三相(汽-液-液)計算，即可模擬：普通蒸餾、吸收、再沸吸收、萃取、再沸萃取、抽提、共沸精餾、平衡和反應(yīng)比例控制蒸餾等工藝過程，而石油嚴(yán)格蒸餾庫中就有近50種形式可選，所以過程模擬系統(tǒng)不僅可以滿足化工分離工程課程主要內(nèi)容的需要，而且對其后繼石化、煉化等工藝課程，也有較大的幫助。天津科技大學(xué)王彥飛，朱亮等采用教學(xué)內(nèi)容與AspenPlus軟件相結(jié)合以提高教學(xué)質(zhì)量，討論環(huán)氧丙烷水解絕熱連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器模型的多解性，在課堂上非?？焖僦庇^的讓學(xué)生清楚了解多定態(tài)現(xiàn)象以及產(chǎn)生的原因，有助于學(xué)生對反應(yīng)過程的理解，并通過軟件使用可以回答，“如果改變某些條件，那么對于結(jié)果有哪些影響？”這樣的問題。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系戴斌，徐宏利用化工過程模擬系統(tǒng)ChemCAD二次開發(fā)工具，在SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的工藝設(shè)計上，通過使用VBA語言編程，實現(xiàn)有復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)方程的反應(yīng)器工藝設(shè)計。變換不同的SO2轉(zhuǎn)化工藝條件，計算得到與之對應(yīng)的反應(yīng)器體積，從而為裝置技改、去瓶頸和優(yōu)化提供依據(jù)。上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院吳錫慧，郁平等對化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)改革和實踐，在實驗中引入AspenPlus軟件強化計算機應(yīng)用，提高了學(xué)生們的設(shè)計和綜合分析能力。該軟件也正被學(xué)生用在大學(xué)生化工設(shè)計競賽、畢業(yè)設(shè)計和科技創(chuàng)新等環(huán)節(jié)。天津大學(xué)化工學(xué)院李士雨，齊向娟給出了應(yīng)用ChemCAD模擬軟件更新分離過程教學(xué)內(nèi)容的初步方案包括：分離過程熱力學(xué)、自由度分析的原理和方法、單級平衡和多級平衡模擬計算等。得出：無論從國內(nèi)外化工分離過程教學(xué)內(nèi)容的更新趨勢上看，還是從工業(yè)界對分離過程教學(xué)內(nèi)容需求的變化上看，在分離過程教學(xué)內(nèi)容中增加計算機模擬分析方法是大勢所趨。華東理工大學(xué)化工學(xué)院李偉，朱家文等采用模擬軟件ProII在化工分離習(xí)題課上，同時改變熱力學(xué)方法、閃蒸條件、壓力等，完成不同條件下的多種閃蒸計算。進行丙烯精制塔精確計算可對塔操作參數(shù)進行多方案計算和比較，實現(xiàn)整體優(yōu)化；通過調(diào)節(jié)操作參數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的純度和塔的能耗比較，在其之間建立量化概念，這對于思考許多分離基本問題是十分有益的。江蘇石油化工學(xué)院朱建軍、林西平等利用AspenPlus軟件對醋酸與乙醇催化反應(yīng)精餾塔進行模擬，回流比、進料組成、進料位置等對醋酸與乙醇收率的影響進行了分析，結(jié)果表明：運用AspenPlus軟件可以有效、快捷、方便地模擬脂化反應(yīng)精餾過程，結(jié)果可靠,精度高。江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院吳宇瓊將AspenPlus軟件引入分離工程課程及實驗教學(xué)中。通過演示軟件操作錄像、學(xué)習(xí)模擬經(jīng)典實例等方法，使學(xué)生迅速掌握并使用軟件，借此求解泡、露點及塔板數(shù)等。廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院秦祖贈，葛利等利用ProII對膨脹器的氣體加工裝置進行模擬，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院盧澤湘，范立維等利用AspenPlus對甲基叔丁基醚(MTBE)的催化反應(yīng)精餾工藝進行模擬，并進行教學(xué)演示和講解。著重在混合物熱力學(xué)性質(zhì)的計算、多組分平衡分離過程計算上，真正做到了“嚴(yán)格計算”。同時指出軟件對化工熱力學(xué)、化工設(shè)計等課程的學(xué)習(xí)也會有較大的幫助，連續(xù)三年化工專業(yè)本科生對過程模擬系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣調(diào)查中“，學(xué)習(xí)興趣強烈”的分別占到總?cè)藬?shù)：72.8%、83.2%、86.8%。將過程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)，避免了大量計算公式推導(dǎo)、復(fù)雜數(shù)值計算等問題，可以在少用課時的情況下，盡量全面地展示化學(xué)反應(yīng)工程的核心內(nèi)容。多組分多平衡級分離的嚴(yán)格計算，是設(shè)計分離設(shè)備和優(yōu)化操作過程的必要計算手段，也是化工分離工程教學(xué)的主要內(nèi)容。使用過程模擬系統(tǒng)，在進行MESH方程推導(dǎo)及基本算法介紹的同時，使得塔的精確計算和將熱力學(xué)中相對獨立的知識運用到具體的分離過程中，解決其工程實際問題成為可能，并且可以對塔的操作參數(shù)、分離要求和設(shè)備投資、運行費用等問題進行分析計算，極大地提高了學(xué)習(xí)的深度與廣度，使學(xué)生更加主動積極，綜合分析和解決實際工程問題的能力明顯提高。
3結(jié)語
通過對以上課程的學(xué)習(xí)及過程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用，為接下來學(xué)好化工過程合成與分析創(chuàng)造了條件，為化工設(shè)計打下了基礎(chǔ)，同時這兩門課程對過程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用又是不可或缺的。由此可見，過程模擬系統(tǒng)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心知識點有機綜合、相互貫通而成的產(chǎn)物，是新時期培養(yǎng)具有過程科學(xué)和工程知識背景的計算機應(yīng)用人才的利器。在高等教育日趨大眾化，呈現(xiàn)多樣性的今天，強調(diào)核心知識點在專業(yè)規(guī)范上的統(tǒng)一性特征，是最終形成專業(yè)特色多樣性的前提和保證，而在教學(xué)中推廣應(yīng)用過程模擬系統(tǒng)無疑是這一特征的具體體現(xiàn)。
作者：李曉昆 張宏 閆志強 湯強 張鵬宇 單位：青海大學(xué)