化工輔助軟件在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用

吳現(xiàn)力 王菊 杜春華 翟乃華

摘要：化學(xué)反應(yīng)工程具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，在化學(xué)工程與工藝專業(yè)的培養(yǎng)體系中占有非常重要的地位。但其理論內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，加之涉及到大量的數(shù)值計(jì)算，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感到困難。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件和Aspen流程模擬軟件等輔助軟件，可以從輔助實(shí)驗(yàn)、輔助反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程進(jìn)行輔助教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)反應(yīng)工程理論的理解，并掌握反應(yīng)器模擬和設(shè)計(jì)的方法。采用化工輔助軟件教學(xué)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，豐富和深化教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；教學(xué)；虛擬仿真；Aspen

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）18-0176-02

化學(xué)反應(yīng)工程是關(guān)于如何在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，以期最有效地把原料轉(zhuǎn)化為盡可能多的目標(biāo)產(chǎn)品，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)需要的一門學(xué)科。它的研究對(duì)象為工業(yè)反應(yīng)過(guò)程，研究過(guò)程速率及其變化規(guī)律、傳遞規(guī)律及其對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。其研究方法是結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型化方法解決反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)放大、結(jié)構(gòu)選型、尺寸設(shè)計(jì)、操作優(yōu)化等實(shí)際問(wèn)題[1，2]。化學(xué)反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定、反應(yīng)器流動(dòng)狀態(tài)測(cè)定等實(shí)驗(yàn)。采用真實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)不易確定，生成物檢測(cè)困難等問(wèn)題，而且一般同種設(shè)備只有一套，數(shù)個(gè)學(xué)生共同操作一個(gè)實(shí)驗(yàn)，不能進(jìn)行充分的鍛煉。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用輔助軟件進(jìn)行教學(xué)以越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性[3，4，5]。在化學(xué)反應(yīng)工程這門課程中，可以采用化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件和流程模擬軟件Aspen進(jìn)行輔助教學(xué)，并取得了良好的輔助效果。

一、化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，具有直觀性、系統(tǒng)性、綜合性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，能給學(xué)生提供全面的技能訓(xùn)練，獲取完善的知識(shí)體系、完備的綜合能力。

在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中由于受教學(xué)資金的限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足或設(shè)備陳舊，學(xué)生實(shí)驗(yàn)難以充分開(kāi)展。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以快速擴(kuò)容、更新升級(jí)。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，部分按照人才培養(yǎng)計(jì)劃要求必須開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由于高危險(xiǎn)、高成本、高消耗及高污染等問(wèn)題無(wú)法開(kāi)展。采用虛擬仿真軟件，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，以安全環(huán)保的形式強(qiáng)化實(shí)踐訓(xùn)練。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方法陳舊不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，讓學(xué)生自主通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)知識(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，完成對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)；同時(shí)在仿真軟件中練習(xí)操作，操作過(guò)程中后臺(tái)會(huì)對(duì)操作結(jié)果自動(dòng)評(píng)分，學(xué)生完成操作后可以提交虛擬實(shí)驗(yàn)仿真報(bào)告，從而大大提高預(yù)習(xí)效果。

反應(yīng)過(guò)程要受到溫度、壓力、流動(dòng)狀況等多種因素的影響，且各因素之間具有很強(qiáng)的耦合性。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化，要耗費(fèi)大量的人力物力。而通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，可以快速改變參數(shù)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探索反應(yīng)過(guò)程的規(guī)律。把虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)證。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，能有效提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)效率和結(jié)果最優(yōu)化。

學(xué)校現(xiàn)在有乙苯脫氫制苯乙烯、多釜串聯(lián)反應(yīng)器返混的測(cè)定、填料塔液相軸向混合實(shí)驗(yàn)、氣固催化固定床實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)精餾制乙酸乙酯、煤制油、甲醇合成七套反應(yīng)工程類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)虛擬仿真練習(xí)，開(kāi)拓了學(xué)生的視野，提升了知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)了綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

二、Aspen軟件

Aspen是一個(gè)通用的流程模擬軟件，采用模塊化的建模方式，可以對(duì)化工生產(chǎn)中反應(yīng)、混合、分離、換熱、流體輸入等單元操作進(jìn)行模擬計(jì)算。在反應(yīng)模塊，有7個(gè)內(nèi)置的反應(yīng)器模型，其中生產(chǎn)能力類反應(yīng)器2種（Rstoic、RYield）、熱力學(xué)平衡類反應(yīng)器2種（REquil、RGibbs）和化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器3種（RCSTR、RPlug和RBatch），涵蓋了化學(xué)反應(yīng)工程中所有的常用模型。具體的功能如表1所示。動(dòng)力學(xué)模型包括內(nèi)置的冪次定律、LHHW（Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson）動(dòng)力學(xué)或用戶自定義的動(dòng)力學(xué)。自定義的動(dòng)力學(xué)可以用Fortran子程序或者excel工作表格定義。通過(guò)這些模塊可以計(jì)算質(zhì)量和能量平衡、反應(yīng)熱、產(chǎn)品選擇性、反應(yīng)程度和相平衡結(jié)果。

Aspen采用向?qū)降牟僮鹘缑妫鸩捷斎敕磻?yīng)體系組分、物性方法、進(jìn)口流股信息、反應(yīng)器模塊信息就可以進(jìn)行模擬計(jì)算。反應(yīng)器模塊中需要根據(jù)選定的模塊輸入反應(yīng)方程式、轉(zhuǎn)化率、收率、反應(yīng)溫度、壓力、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器尺寸中的部分信息。

學(xué)生可以通過(guò)Aspen軟件搭建所需的反應(yīng)體系模型，比固定的虛擬仿真軟件更加靈活，更有助于理解化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)知識(shí)。Aspen軟件應(yīng)用于反應(yīng)工程教學(xué)，也避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及數(shù)值求解問(wèn)題，使得反應(yīng)過(guò)程盡可能的形象化，有助于學(xué)生對(duì)反應(yīng)過(guò)程的理解并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)論

1.化學(xué)反應(yīng)工程是一門理論和實(shí)踐性均非常強(qiáng)的學(xué)科，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更加直觀、便捷、安全和經(jīng)濟(jì)，能給學(xué)生提供全面的技能訓(xùn)練，并獲取完善的知識(shí)體系和完備的綜合能力。

2.Aspen軟件是綜合性強(qiáng)的系統(tǒng)軟件，學(xué)生可以根據(jù)需要建立合適的反應(yīng)器模型，并可以方便地進(jìn)行調(diào)試和比較，完全避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及數(shù)值求解問(wèn)題，加深了學(xué)生對(duì)反應(yīng)工程的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]余國(guó)琮，李士雨，張鳳寶，等.“化學(xué)工程與工藝”專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案的制定與實(shí)踐[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，6（1）：1-5.

[2]粟海鋒.化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)實(shí)踐的一些體會(huì)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，28（z）：99-101.

[3]朱巧鳳，慕苗.淺談化工仿真軟件在化學(xué)工藝專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山東化工，2013，42（10）：190-191

[4]王曉安.化學(xué)工程中計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用探討[J].工業(yè)經(jīng)濟(jì)管理，2014，（10）：129.

[5]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）：187-188.

[6]Aspen Plus User Guide，Version 7.2[EB].2001.