AspenPlus軟件在化工原理輔助教學中的應用

張偉　李芊　趙振寧　方志剛　高云

【摘要】化工原理是一門內容復雜，工程性強的課程。為培養學生工程實踐能力，將AspenPlus軟件用于化工原理的輔助教學。在教學改革中，通過軟件的輔助教學作用，分別從提高學生學習興趣，工程素質，實踐能力和優秀人才培養等方面論述了AspenPlus軟件在化工原理教學中的應用，教學改革效果顯著。

【關鍵詞】AspenPlus 化工原理 輔助教學

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）06-0162-02

化工原理教學是我國高等學校中化工類高校教學設計中的重要環節，該門課程屬于工程學科范疇，與工程實踐和具體應用聯系緊密。同時，該課程涉及諸多化工過程的原理及單元操作，具有理論性強、概念多、數學公式復雜及實用性強等特點。如何在教學過程中合理使用各種輔助教學軟件幫助本科生理解并掌握化工原理的知識點，是高校化工教學工作者一直研究的課題。AspenPlus軟件是美國麻省理工學院于20世界70年代開發的大型化工流程及模擬軟件，自推出以來就占據世界性大型化工標準流程模擬軟件的重要地位，已經成為大型化工企業研發新工藝的首選模擬軟件。同時，也是相關化工高校教學環境中的必要教學輔助工具。該軟件能夠廣泛模擬流體輸送、精餾、吸收及化工反應等絕大多數化工生產過程。具有計算簡單、模擬精確、可視化程度高、應用范圍廣的特點。

利用AspenPlus軟件的工程模擬及設計計算功能，結合化工原理的教學特點，輔助化工原理的課堂教學和課下設計訓練，對教學效果提升具有良好的促進作用。在課堂教學過程中，通過先提出化工單元操作問題，講解解決問題方法，學生進行解題訓練，在AspenPlus軟件中模擬等環節，可以提高學生學習興趣，提高計算和設計兩種能力，為解決實際工業問題打下基礎。通過教學改革研究，在化工原理教學過程中輔以AspenPlus軟件的應用，提高了教學效果，具體的教學效果可以從以下方面體現。

一、單元操作可視化，提高學習理解能力

化工原理來源于美國麻省理工學院于1913年開設的“Unit Operations of Chemical Engineering ”。單元操作（Unit Operation）是化工原理課程設計的核心，授課內容也是圍繞單元操作進行的模塊化教學。但學生對單元操作概念的理解十分局限，認為是簡單化工設備的組合形成的具有不同功能的過程，對其操作機理和數學過程理解有限。AspenPlus軟件中的“單元模塊”與“單元操作”的理念基本一致，都是將具有共同特點的操作單元獨立出來進行數學建模，來理解和解決過程操作的實際問題。以化工原理教學中的傳熱一章為例，本章要求學生掌握傳熱的基本原理及計算方法、學會進行傳熱的數學模型求解。因此在教學中可以利用AspenPlus軟件中提供的7種換熱器模型進行傳熱過程基本原理的講解，同時在計算中先利用AspenPlus軟件進行換熱過程求解，然后根據計算結果分析所利用的數學模型，并講解數學模型。圖1為AspenPlus軟件中提供的2種常見的換熱器模型。了解換熱器傳熱原理后，可以提出如下問題：用20℃、60000kg/h的水冷卻200℃、10000kg/h的化工產品（其中苯、苯乙烯、水、乙苯的質量百分含量依次為50%、20%、10%和20%，則在熱交換過程中的傳熱量和換熱面積為多少？利用AspenPlus軟件中的Heater模型進行模擬計算，模擬結果為：傳熱量為436421cal/s，換熱面積為20.2m2。引導學生分析計算結果的理論依據，并講解數學模型，使學生能夠融匯貫通，對概念上的傳熱過程有了具體形式上的認識和理解。化工原理課程教學中，諸如吸收、精餾、解吸等單元操作均可以采用以上方法進行輔助教學，提高學生學習興趣和理解能力。

二、“三傳”講解模型化，提高工程素質

化工原理的教學過程本質上講就是利用單元操作進行“質量傳遞、熱量傳遞和動量傳遞”（簡稱三傳）的理論介紹。“三傳”包含很多操作過程，講解復雜，學生也很難理解。在輔助教學過程中，利用AspenPlus軟件架構了一個化工企業常見的甲醇-水精餾操作過程，具體精餾模型圖和精餾操作模塊流程連接圖見圖2和圖3。通過具體模型化的精餾操作，來分別講述工廠實踐中的三傳過程，使學生能夠較快理解和掌握這一理論基礎。同時，采用工廠實際案例來進行教學，利用AspenPlus模擬軟件把化工原理教學中的復雜傳遞過程利用模型來模擬，并模擬出化工生產真實狀態過程，不僅對學生提高學習主動性有幫助，而且促進學生提高解決工程問題的能力，對課堂教學過程起到了很好的補充作用。同時在工科化工專業的學習中，需要對化工原理講授的課程內容進行工程訓練，化工原理課程設計就是針對化工原理進行的工程訓練。傳統設計內容由于混合物的物化性質難于查找，而且在設計中所有的計算過程完全依靠學生自行計算，如果出現錯誤則所做計算就需要重新進行，學生的設計興趣不濃。同時為減少設計壓力，常采用簡單的二元物系如甲醇-水或者甲苯-苯體系進行設計，這樣造成工程訓練水平下降，達不到設計的目的。而將AspenPlus軟件應用與化工原理的輔助設計過程中，不但能夠有效提高學生的工程訓練水平，同時提高了學生的設計能力，鞏固了所學的課程知識。

三、“創新”意識及先進技術課堂化，為未來發展打基礎

化工專業的學生未來的發展方向主要是圍繞著化工領域的相關生產和科研活動展開的，同時需要進行工程化的學習和訓練。工作后必然要涉及到工程設計和工廠生產的相關內容，而在學校的學習過程中，恰恰缺少的就是這部分的訓練，給學生較早適應工作造成阻礙，同時也是學校教學與工程實踐脫軌的現實。AspenPlus軟件集成了目前全球先進的化工生產過程所涉及的所有生產過程和數學模型，尤其是其生產過程可是進行產前設計模擬，為實際生產過程提供極其珍貴的參考資料。此外，其外帶的用戶設計模塊為進行先進生產過程的創新設計提供了空間，這樣也為進行創新性教學研究提供了輔助作用。化工原理是一門實踐性很強的課程，要求能熟練掌握各種單元操作及其相關設備的原理，必然離不開實踐和創新性思維。除帶領學生參觀化工廠對工藝過程有初步了解外，還可以利用AspenPlus軟件中的工藝流程模擬在實習前就對化工工藝有系統認識，同時還可以利用軟件中全面的設備及單元操作來熟悉化工單元操作及設備，開拓學生的創新空間。把學生從書本知識理解中解放出來，使其投入到工程實踐訓練中，這樣的教學改革過程必然能提高學生的總體工程實踐能力，為其在未來行業發展中奠定基礎。

四、“以賽代練”精英化，培養化工專業人才

全國大學生化工設計競賽是專門針對高校化工專業學生開展的以技能訓練和能力培養為目標，選拔優秀化工專業人才的一項專業競賽。化工設計競賽是在學生已經具有較好專業基礎知識和AspenPlus軟件操作能力的基礎上進行的，所選課題均為前沿性的課題，不僅可以作為教學課題，而且可以作為科研課題進行研究，培養學生的創新能力和科研能力。設計的廣度也有一定要求，不僅要進行生產過程的模擬，而且要對過程結構和操作條件進行優化，對生產工藝進行技術經濟分析等。化工設計競賽涉及內容廣泛，且以工程訓練為主，化工原理的教學內容在化工設計競賽中應用最為廣泛。競賽中的設計軟件模擬部分要求必須采用AspenPlus軟件進行，化工專業本科生在系統掌握化工原理教學內容的同時輔以流程模擬軟件進行比賽，同時競賽訓練不但提高了對化工原理及其他化工專業課的理解程度，同時也能提高自身的工程設計及工程實踐能力。同時參加化工設計競賽并完成比賽且獲獎的學生是本專業的優秀設計類學生，這樣的學生恰恰是化工廠及設計單位所需的專業人才。通過競賽培養化工專業精英人才，為社會塑造實用性和創新能力兼備的綜合人才，是高等學校未來轉型及專業設置和人才培養的一個主流方向。

五、結論

化工原理是由理論到工程實踐過程中具有承上啟下作用的過渡課程，因此，突出該課程的工程特色，開展創新教育和工程訓練，對適應新時期高等學校教學理念創新和培養具有工程實踐能力的專業人才具有重要意義，也是時代的客觀需求。AspenPlus軟件為代表的化工專業計算機教育和專業基礎教育的有益結合，不但提供了一種新穎的教學方法和教育手段，也為培養適應現代化專業發展需求的人才提供了新的平臺。但需強調的是，在化工專業教學中，基礎教學過程仍是化工人才培養的基礎，輔以AspenPlus軟件進行教學設計是為了提高素質教育的效果和提升綜合教學水平提升，不能因化工軟件的參與而削弱了基礎知識和基本技能的培養。在掌握基本化工原理知識和基本工程設計能力的基礎上，借助AspenPlus軟件這一高效化工軟件，為化工原理的教學和綜合人才培養加油助力，培養出更多更優秀的化工專業人才，提高我國化工專業的整體發展水平。

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基金項目：遼寧科技大學校級教改項目（CXCY-2015-15）遼寧科技大學校級青年教改項目（QNJJ-2015-04）