程模擬系統(tǒng)教學化學工程論文

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1在化工原理教學中的應(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的重要內(nèi)容，而迅速準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是落實化工原理整體教學的關(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。東南大學化學化工學院肖國民、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)詳細設(shè)計，另外學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。中國石油大學（華東）化學工程學院劉相、王蘭娟利用軟件：Mathcad、Aspenplus和AutoCAD與傳統(tǒng)的課程設(shè)計相結(jié)合的教學方式，簡化繁瑣的計算過程，強化學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（華東）化學工程學院孫蘭義，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)，計算機教學的引入為化工原理課程設(shè)計教學注入了新的活力。江蘇技術(shù)師范學院化學與環(huán)境工程學院張春勇，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，在教學過程中使學生看到的都是工程實例，充分踐行了理論聯(lián)系實際這一教學原則。嘉興學院生物與化學工程學院韋曉燕，譚軍等，山東科技大學化學與環(huán)境工程學院張治山、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，通過單元模型操作型問題、實際案例分析和課程設(shè)計三個階段的訓練，使學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，北京石油化工學院化學工程系葛明蘭，李翠清等和安陽大學化工系李安林，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，青海大學化工學院李曉昆，張宏等將ECSS軟件應(yīng)用在板式精餾塔工藝計算中。華南理工大學化學與化工學院鄭秀玉，李瓊還將過程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化工仿真實習教學的改革與實踐當中，取得了寶貴的教學經(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，反復迭代，加之公式復雜，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，既幫助學生加深了對各化工單元的認識與理解，又培養(yǎng)了他們解決實際工程問題的能力。

2在化學反應(yīng)工程、分離工程教學中的應(yīng)用

化學反應(yīng)工程和化工分離工程皆為化學工程與工藝專業(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。嚴格法計算單元模塊庫有六類：嚴格精餾、復雜塔嚴格精餾、石油嚴格蒸餾、基于質(zhì)量傳遞速率蒸餾、嚴格間歇蒸餾和嚴格液-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。天津科技大學王彥飛，朱亮等采用教學內(nèi)容與AspenPlus軟件相結(jié)合以提高教學質(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^的讓學生清楚了解多定態(tài)現(xiàn)象以及產(chǎn)生的原因，有助于學生對反應(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)有復雜反應(yīng)動力學方程的反應(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)學院吳錫慧，郁平等對化學反應(yīng)工程教學改革和實踐，在實驗中引入AspenPlus軟件強化計算機應(yīng)用，提高了學生們的設(shè)計和綜合分析能力。該軟件也正被學生用在大學生化工設(shè)計競賽、畢業(yè)設(shè)計和科技創(chuàng)新等環(huán)節(jié)。天津大學化工學院李士雨，齊向娟給出了應(yīng)用ChemCAD模擬軟件更新分離過程教學內(nèi)容的初步方案包括：分離過程熱力學、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內(nèi)容的更新趨勢上看，還是從工業(yè)界對分離過程教學內(nèi)容需求的變化上看，在分離過程教學內(nèi)容中增加計算機模擬分析方法是大勢所趨。華東理工大學化工學院李偉，朱家文等采用模擬軟件ProII在化工分離習題課上，同時改變熱力學方法、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。江漢大學化學與環(huán)境工程學院吳宇瓊將AspenPlus軟件引入分離工程課程及實驗教學中。通過演示軟件操作錄像、學習模擬經(jīng)典實例等方法，使學生迅速掌握并使用軟件，借此求解泡、露點及塔板數(shù)等。廣西大學化學化工學院秦祖贈，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)林大學材料工程學院盧澤湘，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，并進行教學演示和講解。著重在混合物熱力學性質(zhì)的計算、多組分平衡分離過程計算上，真正做到了“嚴格計算”。同時指出軟件對化工熱力學、化工設(shè)計等課程的學習也會有較大的幫助，連續(xù)三年化工專業(yè)本科生對過程模擬系統(tǒng)的學習興趣調(diào)查中“，學習興趣強烈”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)用于化學反應(yīng)工程教學，避免了大量計算公式推導、復雜數(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反應(yīng)工程的核心內(nèi)容。多組分多平衡級分離的嚴格計算，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的主要內(nèi)容。使用過程模擬系統(tǒng)，在進行MESH方程推導及基本算法介紹的同時，使得塔的精確計算和將熱力學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，極大地提高了學習的深度與廣度，使學生更加主動積極，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習及過程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用，為接下來學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