過(guò)程模擬系統(tǒng)在化學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李曉昆，張 宏，閆志強(qiáng)，湯 強(qiáng)，張鵬宇

(青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

模擬與計(jì)算

過(guò)程模擬系統(tǒng)在化學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李曉昆，張 宏，閆志強(qiáng)，湯 強(qiáng)，張鵬宇

(青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

過(guò)程模擬系統(tǒng)在當(dāng)今的化學(xué)工程領(lǐng)域倍受關(guān)注。綜述了近幾年來(lái)過(guò)程模擬系統(tǒng)在化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心課程：化工熱力學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和分離工程等教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用成果，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用的必要性進(jìn)行展望。

過(guò)程模擬系統(tǒng)；化工教學(xué)；應(yīng)用

隨著電子計(jì)算機(jī)和各種數(shù)值計(jì)算軟件在化學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助手段越來(lái)越顯示出其可靠性強(qiáng)、計(jì)算速度快和集成度高等眾多優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的化學(xué)工程專業(yè)也已成為一門集實(shí)驗(yàn)研究、計(jì)算研究和理論研究于一體的綜合性學(xué)科，而計(jì)算能力無(wú)疑也是學(xué)生創(chuàng)新能力的重要組成部分。對(duì)利用過(guò)程模擬系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上建立起來(lái)的“虛擬化工廠”、“桌面煉油廠”等從設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)到操作運(yùn)行，到性能反饋、改進(jìn)改造等各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)研究，這種方法出現(xiàn)于上世紀(jì)50～60年代[1]。沿革至今，過(guò)程模擬系統(tǒng)一般包含完備的熱力學(xué)、單元操作和反應(yīng)過(guò)程模塊，并配備有龐大的物性數(shù)據(jù)庫(kù)和物性估算系統(tǒng)，以及功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算方法庫(kù)，使其既可進(jìn)行單個(gè)設(shè)備計(jì)算，也可進(jìn)行整個(gè)化工生產(chǎn)流程計(jì)算[2-4]。通用穩(wěn)態(tài)過(guò)程模擬系統(tǒng)有Aspen Plus、ProII、ChemCAD和ECSS等，在當(dāng)今過(guò)程工程科研領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用的同時(shí)，產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步。

在工程教育國(guó)際化，并與科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)趨向一體化的背景下，怎樣將化工專業(yè)核心課程在教學(xué)過(guò)程中相互融合、相互貫通，使之與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展同步，是化工專業(yè)教育亟待解決的共性問(wèn)題[5,6]。過(guò)程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用是解決這種貫通和結(jié)合的方法之一，對(duì)國(guó)內(nèi)高等學(xué)?；瘜W(xué)工程專業(yè)課程內(nèi)容的深化、教學(xué)效果的提高更具有實(shí)際意義。

1 在化工熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在化學(xué)工程與工藝本科生必修專業(yè)課程中，化工熱力學(xué)是核心課程之一，其原理和知識(shí)點(diǎn)是從事化工過(guò)程研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)等方面工作必不可少的重要理論基礎(chǔ)，是一門理論性與工程應(yīng)用性均較強(qiáng)的課程。化工熱力學(xué)的主要研究范疇在于決定設(shè)計(jì)各種單元操作過(guò)程、分離過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)器所需的相平衡、化學(xué)反應(yīng)平衡數(shù)據(jù)、參數(shù)和平衡時(shí)的狀態(tài)參數(shù)及對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析等[7,8]。過(guò)程模擬系統(tǒng)攜帶幾十種化工熱力學(xué)方程及其物性數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)化工過(guò)程中主要物系進(jìn)行描述。如果數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有相關(guān)物性數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用物性估算系統(tǒng)進(jìn)行近似估算，也可使用較少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)物性參數(shù)進(jìn)行回歸[9]。

浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系陳新志、趙倩等[10,11]，在化工熱力學(xué)教學(xué)中，基于Aspen Plus在計(jì)算均相和純物質(zhì)飽和性質(zhì)時(shí)，只需輸入獨(dú)立變量和相態(tài)即可通過(guò)軟件自帶的特性數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。在計(jì)算混合物性質(zhì)時(shí)，同樣可調(diào)用純組分臨界參數(shù)、二元相互作用參數(shù)等數(shù)據(jù)和模型。過(guò)程簡(jiǎn)便、效率高、結(jié)果準(zhǔn)確，有助于后續(xù)化工專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和對(duì)熱力學(xué)性質(zhì)的理解。華東理工大學(xué)國(guó)家化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戚一文，方云進(jìn)[12]利用Aspen Plus軟件提供的物性估算功能，計(jì)算發(fā)酵液中低濃度1，3-丙二醇分離的中間產(chǎn)物2-甲基-1，3-二噁烷(2MD)的物性，得到：如果軟件物性數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有計(jì)算物質(zhì)的物性, 可利用軟件本身的物性估算系統(tǒng)進(jìn)行估算，其結(jié)果經(jīng)已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)具有一定可靠性，計(jì)算精度完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。東南大學(xué)李英杰, 趙長(zhǎng)遂[13]等利用過(guò)程模擬系統(tǒng)對(duì)O2/CO2氣氛下煤的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了熱力學(xué)模擬計(jì)算。結(jié)果表明，這種方法可以較好的模擬煤在O2/CO2氣氛下的燃燒過(guò)程。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，Aspen Plus在煤化工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)可以模擬生物質(zhì)的燃燒、氣化等生產(chǎn)工藝，得到許多精確模擬結(jié)果，能夠較好反映其變化趨勢(shì)。應(yīng)用Aspen Plus對(duì)煤在O2/CO2氣氛下燃燒進(jìn)行模擬, 所得到的各種燃燒產(chǎn)物和熱量分布能夠?yàn)椴捎酶谎跞紵娜济弘娬具M(jìn)行燃燒調(diào)整和熱力設(shè)備設(shè)計(jì)、改造提供參考數(shù)據(jù)。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院研究生院高軍虎、吳寶山[14]等基于Aspen Plus軟件建立了費(fèi)托合成產(chǎn)物（一氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為液體燃料或化學(xué)品）物性數(shù)據(jù)庫(kù)和熱力學(xué)平衡模擬分析模型, 對(duì)費(fèi)托合成的全局和局部熱力學(xué)平衡進(jìn)行了詳細(xì)研究，熱力學(xué)平衡預(yù)測(cè)的總產(chǎn)物分布與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分布非常相似；若假定反應(yīng)處于局部熱力學(xué)平衡, 則預(yù)測(cè)的產(chǎn)物分布鏈增長(zhǎng)因子和烯烷比很接近實(shí)驗(yàn)值；熱力學(xué)預(yù)測(cè)的反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物分布的影響也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。中國(guó)化工科學(xué)研究總院楊友麒[15]對(duì)一個(gè)常規(guī)的硫氧化過(guò)程用Aspen模擬系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行損耗功分析和熱力學(xué)分析，得到損耗功的主要根源，提出了去“瓶頸”改進(jìn)能量利用效率的具體方案。證明Aspen模擬系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)際的復(fù)雜流程的熱力學(xué)第二定律分析提供了一個(gè)強(qiáng)有力的手段。

可見，在物性計(jì)算中，化工熱力學(xué)與Aspen物性計(jì)算的原理是一致的，在教學(xué)中運(yùn)用該軟件，可簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，大大提高教學(xué)效率；另一方面，學(xué)生在利用軟件過(guò)程中，可了解更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，掌握軟件計(jì)算原理的內(nèi)核，提高其應(yīng)用能力，解決了在以往學(xué)習(xí)中只知結(jié)果，不能分析結(jié)果的問(wèn)題，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)，也使得化工過(guò)程熵計(jì)算成為可能。

2 在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用

以化工原理為代表的化工原理系列課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課中最重要的課程，起著由“理”及“工”承上啟下的橋梁作用，其教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決化工單元操作中實(shí)際工程問(wèn)題的能力?；ぴ硐盗姓n程包括：理論課、實(shí)驗(yàn)課、生產(chǎn)或仿真實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)。其中化工單元操作過(guò)程設(shè)計(jì)方法、操作原理及其計(jì)算是理論課程教學(xué)的重要內(nèi)容，而迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行工程計(jì)算是課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所以組織好化工原理理論課程教學(xué)是落實(shí)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(dòng)、流體輸送機(jī)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(jì)算方法，而通用過(guò)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(guò)程中，教師可以在講授基本原理后，使用軟件中的相關(guān)計(jì)算模塊對(duì)其工作特性進(jìn)行模擬展示。

東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院肖國(guó)民、李浩揚(yáng)[3]等，利用Fluent、Aspen plus軟件應(yīng)用于講授和解決“三傳”問(wèn)題。其中利用Fluent軟件，對(duì)固定床反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)量模擬，結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。這一過(guò)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(jìn)行程度相輔相成，而且若想準(zhǔn)確計(jì)算、設(shè)計(jì)或優(yōu)化一個(gè)單元操作過(guò)程，實(shí)驗(yàn)情況與計(jì)算模擬必須相互反饋，相得益彰。利用Aspen plus軟件對(duì)二苯基甲烷二異氰酸酯換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程開發(fā)，與傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算方法相比，結(jié)果具有可靠性高、計(jì)算用時(shí)少、繪圖快、和各專業(yè)集成效應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)甲醇—水精餾過(guò)程模擬，說(shuō)明該軟件可用于質(zhì)量傳遞方面的計(jì)算。教學(xué)實(shí)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(jì)算結(jié)果，而且還可通過(guò)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(jì)，另外學(xué)生還可以通過(guò)改變模擬計(jì)算條件，綜合考察各因素對(duì)分離效果的影響，便于教學(xué)。中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院劉相、王蘭娟[16]利用軟件：Mathcad、Aspen plus和AutoCAD與傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，簡(jiǎn)化繁瑣的計(jì)算過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)和制圖規(guī)范，使化工原理課程設(shè)計(jì)逐步走入規(guī)范化軌道。中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院孫蘭義，張?jiān)旅鱗17,18]等，選擇烯烴分離裝置作為研究對(duì)象應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)之中，利用Aspen plus、ProII獲得了最佳回流比、理論板數(shù)等重要數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)教學(xué)的引入為化工原理課程設(shè)計(jì)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[19]等利用Aspen plus軟件在流體流動(dòng)和輸送機(jī)械、傳熱、精餾、吸收與脫吸中應(yīng)用，在教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生看到的都是工程實(shí)例，充分踐行了理論聯(lián)系實(shí)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[20]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Aspen plus過(guò)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(guò)單元模型操作型問(wèn)題、實(shí)際案例分析和課程設(shè)計(jì)三個(gè)階段的訓(xùn)練，使學(xué)生加深對(duì)化工單元設(shè)計(jì)的理解，達(dá)到培養(yǎng)“知識(shí)”+“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[22]等和安陽(yáng)大學(xué)化工系李安林，張換平[23]等將ChemCAD軟件應(yīng)用與化工課程設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)捷精餾模型，青海大學(xué)化工學(xué)院李曉昆，張宏[24]等將ECSS軟件應(yīng)用在板式精餾塔工藝計(jì)算中。華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院鄭秀玉，李瓊[25]還將過(guò)程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化工仿真實(shí)習(xí)教學(xué)的改革與實(shí)踐當(dāng)中，取得了寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

實(shí)際工程問(wèn)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(guò)多次運(yùn)算與討論分析。如操作型計(jì)算，盡管與設(shè)計(jì)型應(yīng)用的原理是一樣的，但是因?yàn)樗伎紗?wèn)題的角度不同，使得此類問(wèn)題復(fù)雜、靈活，綜合條件的選擇計(jì)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(jì)算步驟繁多，計(jì)算量很大。模擬軟件的應(yīng)用是解決這類問(wèn)題行之有效的捷徑，既幫助學(xué)生加深了對(duì)各化工單元的認(rèn)識(shí)與理解，又培養(yǎng)了他們解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

3 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?jī)?nèi)容的共性為過(guò)程開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)以及實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中遇到的工程問(wèn)題。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)是生產(chǎn)的核心，而分離過(guò)程則是其前的原料凈化和其后的產(chǎn)品精制，一般來(lái)說(shuō)分離裝置的費(fèi)用占總投資的70%以上。過(guò)程模擬系統(tǒng)中，基本上包含了教學(xué)過(guò)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(shí)際需求二次開發(fā)反應(yīng)器模塊子程序。而對(duì)于化工分離過(guò)程的模擬無(wú)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Aspen Plus中用于模擬所有類型的多級(jí)汽-液、液-液平衡為例，其計(jì)算分為簡(jiǎn)捷、嚴(yán)格法兩種。簡(jiǎn)捷法計(jì)算單元模塊庫(kù)有三類：簡(jiǎn)捷法精餾設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)捷法精餾核算和石油簡(jiǎn)捷蒸餾。嚴(yán)格法計(jì)算單元模塊庫(kù)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(kù)中又有多個(gè)以進(jìn)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(jì)算，還可用于三相(汽-液-液)計(jì)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(guò)程，而石油嚴(yán)格蒸餾庫(kù)中就有近50種形式可選，所以過(guò)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(duì)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[26]等采用教學(xué)內(nèi)容與 Aspen Plus 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，在課堂上非常快速直觀的讓學(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(duì)反應(yīng)過(guò)程的理解，并通過(guò)軟件使用可以回答，“如果改變某些條件，那么對(duì)于結(jié)果有哪些影響？”這樣的問(wèn)題。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系戴斌，徐宏[27]利用化工過(guò)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(jì)上，通過(guò)使用VBA語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)有復(fù)雜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)。變換不同的SO2轉(zhuǎn)化工藝條件，計(jì)算得到與之對(duì)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[28]等對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)改革和實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)中引入Aspen Plus軟件強(qiáng)化計(jì)算機(jī)應(yīng)用，提高了學(xué)生們的設(shè)計(jì)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(jì)競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)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[29]給出了應(yīng)用ChemCAD模擬軟件更新分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容的初步方案包括：分離過(guò)程熱力學(xué)、自由度分析的原理和方法、單級(jí)平衡和多級(jí)平衡模擬計(jì)算等。得出：無(wú)論從國(guó)內(nèi)外化工分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容的更新趨勢(shì)上看，還是從工業(yè)界對(duì)分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容需求的變化上看，在分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容中增加計(jì)算機(jī)模擬分析方法是大勢(shì)所趨。華東理工大學(xué)化工學(xué)院李偉，朱家文[30]等采用模擬軟件ProII在化工分離習(xí)題課上，同時(shí)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(jì)算。進(jìn)行丙烯精制塔精確計(jì)算可對(duì)塔操作參數(shù)進(jìn)行多方案計(jì)算和比較，實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化；通過(guò)調(diào)節(jié)操作參數(shù)實(shí)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(duì)于思考許多分離基本問(wèn)題是十分有益的。江蘇石油化工學(xué)院朱建軍、林西平[31]等利用Aspen Plus 軟件對(duì)醋酸與乙醇催化反應(yīng)精餾塔進(jìn)行模擬，回流比、進(jìn)料組成、進(jìn)料位置等對(duì)醋酸與乙醇收率的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：運(yùn)用Aspen Plus軟件可以有效、快捷、方便地模擬脂化反應(yīng)精餾過(guò)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[32]將Aspen Plus軟件引入分離工程課程及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過(guò)演示軟件操作錄像、學(xué)習(xí)模擬經(jīng)典實(shí)例等方法，使學(xué)生迅速掌握并使用軟件，借此求解泡、露點(diǎn)及塔板數(shù)等。廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院秦祖贈(zèng)，葛利[33]等利用ProII對(duì)膨脹器的氣體加工裝置進(jìn)行模擬，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院盧澤湘，范立維[34]等利用Aspen Plus對(duì)甲基叔丁基醚(MTBE)的催化反應(yīng)精餾工藝進(jìn)行模擬，并進(jìn)行教學(xué)演示和講解。著重在混合物熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算、多組分平衡分離過(guò)程計(jì)算上，真正做到了“嚴(yán)格計(jì)算”。同時(shí)指出軟件對(duì)化工熱力學(xué)、化工設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)也會(huì)有較大的幫助，連續(xù)三年化工專業(yè)本科生對(duì)過(guò)程模擬系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣調(diào)查中，“學(xué)習(xí)興趣強(qiáng)烈”的分別占到總?cè)藬?shù)：72.8%、83.2%、86.8%。

將過(guò)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(jì)算公式推導(dǎo)、復(fù)雜數(shù)值計(jì)算等問(wèn)題，可以在少用課時(shí)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(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算，是設(shè)計(jì)分離設(shè)備和優(yōu)化操作過(guò)程的必要計(jì)算手段，也是化工分離工程教學(xué)的主要內(nèi)容。使用過(guò)程模擬系統(tǒng)，在進(jìn)行MESH方程推導(dǎo)及基本算法介紹的同時(shí)，使得塔的精確計(jì)算和將熱力學(xué)中相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)運(yùn)用到具體的分離過(guò)程中，解決其工程實(shí)際問(wèn)題成為可能，并且可以對(duì)塔的操作參數(shù)、分離要求和設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)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(dòng)積極，綜合分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力明顯提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上課程的學(xué)習(xí)及過(guò)程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用，為接下來(lái)學(xué)好化工過(guò)程合成與分析創(chuàng)造了條件，為化工設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，同時(shí)這兩門課程對(duì)過(guò)程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用又是不可或缺的。由此可見，過(guò)程模擬系統(tǒng)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心知識(shí)點(diǎn)有機(jī)綜合、相互貫通而成的產(chǎn)物，是新時(shí)期培養(yǎng)具有過(guò)程科學(xué)和工程知識(shí)背景的計(jì)算機(jī)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(qiáng)調(diào)核心知識(shí)點(diǎn)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(guò)程模擬系統(tǒng)無(wú)疑是這一特征的具體體現(xiàn)。

［1］楊友麒,項(xiàng)曙光.化工過(guò)程模擬與優(yōu)化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:4-5.

［2］朱開宏.化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生計(jì)算能力培養(yǎng)芻議[J].化學(xué)高等教育,2006,91（5）:19-20.

［3］周文水.化工模擬系統(tǒng)探析[J].科技信息,2009（18）：451-452.

［4］肖國(guó)民,李浩揚(yáng),肖洋.通用化工模擬軟件在《化工傳遞過(guò)程原理》教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工時(shí)刊,2012,26（10）：58-59.

［5］黃毅萍,徐暢,王嵩,張忠潔.ASPEN PLUS與化工專業(yè)核心課程體系建設(shè)[J].滁州學(xué)院學(xué)報(bào)，2013,15（2）：107-110.

［6］姜兆華,趙力等.面向國(guó)家需求的化學(xué)工程與工藝特色專業(yè)課程[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2013（11）：53-55.

［7］王敏煒,邱祖民,杜 軍,羅美.精品課程《化工熱力學(xué)》的建設(shè)[J].教育教學(xué)論壇,2012（2）：200-202.

［8］周毓婷,賴晨光,趙清華,王耀瓊.提高《化工熱力學(xué)》教學(xué)質(zhì)量與效果的探討與實(shí)踐[J].廣州化工，2013,14（13）：256-257.

［9］莊淑娟,宋 峰.ASPEN系列軟件在化工教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣州化工，2013,41（19）：164-166.

［10］陳新志,趙倩,錢超.基于Aspen-Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)（Ⅱ）純物質(zhì)飽和性質(zhì)計(jì)算[J].化工高等教育,2011（6）：59-60.

［11］陳新志,趙倩,錢超.基于Aspen-Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)(I)均相性質(zhì)計(jì)算[J].化工高等教育,2011（5）：75-78.

［12］戚一文,方云進(jìn).物性估算在ASPEN PLUS軟件中的應(yīng)用[J].浙江化工,2007,38（1）：9-11.

［13］李英杰,趙長(zhǎng)遂,段倫博.O2/CO2氣氛下煤燃燒產(chǎn)物的熱力學(xué)分析[J].熱能動(dòng)力工程,2007,22(3）：332-335.

［14］高軍虎,吳寶山,楊 勇,郝栩,李永旺.費(fèi)托合成產(chǎn)物分布的熱力學(xué)平衡分析[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2013,30（1）：72-74.

［15］楊友麒,H?布賴特,M?崔巴斯,L?B?艾文斯.用ASPEN對(duì)一個(gè)常規(guī)的硫氧化過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬和熱力學(xué)分析[J].硫酸工業(yè),1984（1）：1-3.

［16］劉相，王蘭娟.化工設(shè)計(jì)軟件在化工原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工高等教育,2012（6）：64-65.

［17］孫蘭義,張?jiān)旅?李軍,劉雪暖.Aspen Plus 在化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣州化工,2009,36（12）：173-176.

［18］孫蘭義,胡有元,李軍,劉雪暖.Pro/Ⅱ應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐[J].化學(xué)工程與裝備,2009（10）：199-201.

［19］張春勇,鄭純智,汪 斌,張國(guó)華,文穎頻,張紀(jì)霞. Aspen Plus 軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010,16(9）：78-80.

［20］韋曉燕,譚 軍,胡萬(wàn)鵬,李 雷.Aspen Plus 軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].化工時(shí)刊,2012,26（6）：69-70.

［21］張治山,高 軍,李 敏.Aspen Plus在精餾操作分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2010（15）：95-96.

［22］葛明蘭,李翠青,任紹梅.ChemCAD軟件及在化工課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2004,21（5）：781-785.

［23］李安林，張換平，杜 慧.模擬軟件中簡(jiǎn)捷精餾模型的原理與應(yīng)用[J].數(shù)字化工,2005（12）：49-50.

［24］李曉昆,張 宏,張曉林,陳愛琴,劉 進(jìn).ECSS 軟件在板式精餾塔工藝計(jì)算中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011,29（6）：90-94.

［25］鄭秀玉,李 瓊.化工仿真實(shí)習(xí)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].當(dāng)代化工,2013, 42（8）：1105-1108.

［26］王彥飛,朱 亮,楊立斌.Aspen Plus應(yīng)用于反應(yīng)工程教學(xué)的實(shí)踐[J].廣東化工,2011,38（9）:187-182.

［27］戴 斌,徐 宏.CHEMCAD應(yīng)用在SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué).2008,25（4）：464-466.

［28］吳錫慧,郁 平,王 磊.化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].廣東化工,2013,40（6）：207.

［29］李士雨,齊向娟.采用CHEMCAD 軟件強(qiáng)化“化工分離過(guò)程”課程教學(xué)[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2005,22(增刊）：60-62.

［30］李偉,朱家文,徐心茹,楊金根,唐小琪,陳鴻雁.現(xiàn)代化工模擬軟件在分離工程課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工高等教育,2007（2）：66-68.

［31］朱建軍,林西平,李海權(quán).ASPEN PLUS 模擬與分析醋化反應(yīng)精餾過(guò)程[J].江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),1995,7(3）：15-18.

［32］吳宇瓊.《分離工程》教學(xué)改革初探[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,40(6）：96-99.

［33］秦祖贈(zèng),葛利,曾玉鳳,楊克迪.Pro/II在《化工分離工程》教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西輕工業(yè),2011（8）：186-188.

［34］盧澤湘,范立維,廖益強(qiáng).Aspen plus在《分離工程》教學(xué)中的應(yīng)用[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版),2010,13(5）：106-108.

Progress of Application and Research on Process Simulation Software in Chemical Engineering Teaching

LI Xiao-kun, ZHANG Hong, YAN Zhi-Qiang, TANG Qiang, ZHANG Pen-Yu
(School of Chemistry and Engineering, Qinghai University, Qinghai Xining 810016, China)

The process simulation software has gained more attention in the field of chemical industry. In the article, application results of the process simulation software in chemical engineering core courses which include chemical engineering thermodynamics, chemical engineering principle, chemical reaction engineering and chemical separation engineering in recent years were introduced, and the development trend was prospected.

Process simulation software; Chemical engineering teaching; Application

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）02-0392-05

青海省科技廳基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2013-G-Q15A-2。

2014-09-12

李曉昆（1969-），男，北京人，副教授，1990年畢業(yè)于青海大學(xué)無(wú)機(jī)化工專業(yè)，研究方向：從事化工原理課程教學(xué)和化工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)開發(fā)工作。E-mail：2374894262@qq.com。