計算機軟件提升《化工分離工程》課程的探索

趙紅永丁曉莉譚小耀張玉忠/.天津工業大學環境與化學工程學院.天津工業大學材料科學與工程學院

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計算機軟件提升《化工分離工程》課程的探索

趙紅永1丁曉莉2譚小耀1張玉忠2/1.天津工業大學環境與化學工程學院2.天津工業大學材料科學與工程學院

【摘 要】計算機軟件的成熟發展對《化工分離工程》課程的傳統式教學提出了新的要求，并為該課程的進一步完善與發展提供了有利的平臺。本文提出通過應用計算機軟件完善《化工分離工程》課程中嚴格計算等相關章節的內容，促進學生對分離過程中嚴格計算的理解。

【關鍵詞】課程建設；化工分離工程；嚴格計算；模擬軟件

《化工分離工程》是一門關于化工過程的專業課，它是通過綜合運用數學、物理、化學等基礎知識，分析和解決化工生產中各種物理過程的工程科學[1]。目前該課程學習的重點是使學生掌握各種常用傳質分離過程的基本原理與操作特點，以及相關各個過程的簡捷計算。然而對于其中嚴格計算的相關部分大多停留在進行概念性的介紹，并無法讓學生進行嚴格計算相關的實質性計算操作與鍛煉。

計算機軟件如今發展成為化工過程設計的強大工具。這類軟件包含各種的單元操作模塊，并且有著龐大的物性數據庫，既可以進行單個設備的相關計算，也可進行整個化工生產流程的計算。在《化工分離工程》課程教學中嘗試引入一些化工模擬軟件（如：ASPEN PLUS，PRO/II或者CHEM CAD[2]以及計算軟件（如：MATLAB）[3]輔助，希望以此能提高課程相關習題的難度，增強實用性，同時進一步提高學生對實際分離過程的認識與理解。

《化工分離工程》課程中多組份精餾與吸收是其重點，其中多組份精餾是重中之重，涉及到最基礎的氣液平衡常數相關計算，泡點露點計算，簡單平衡級閃蒸問題計算，多組份精餾簡捷計算以及其嚴格計算。下面對計算機軟件在提升《化工分離工程》課程教學問題進行初步的探討。

一、氣液平衡基礎

（一）相平衡常數

相平衡常數等的計算按照分類可由狀態方程法和活度系數法進行求解，其中分別涉及到逸度系數與活度系數的求解，這些混合物的熱力學性質絕大多都比較復雜，不能手算完成；如果使用MATLAB計算軟件則可快速準確的求解出這些基礎數據，結論更為準確與直觀。

（二）泡點露點（溫度/壓力）計算

泡點露點計算方面，教學中通常僅針對平衡常數與組成無關的情況下的計算，并且計算過程仍需要假設迭代計算，計算量較大。而對于平衡常數與組成有關的情況下的計算則是僅僅進行粗略的介紹，因為在組成未知的情況下無法求得逸度系數與活度系數，還必須對活度系數與逸度系數進行試差，因此學生僅僅掌握計算流程即可并無實際的計算要求。如果通過MATLAB計算軟件可輕松方便的對平衡常數與組成有關的情況進行計算。并且如若在此引入化工模擬軟件的輔助，則可對精餾塔的塔頂溫度，塔底溫度以及壓力變化的模擬數據與MATLAB的計算數據進行對比，使得學生更為形象直觀的了解精餾塔的操作壓力與各種公用工程介質使用溫度之間的聯系，為將來實際工作中如何選擇分離塔操作壓力和進行過程熱集成打下了基礎。

（三）簡單平衡級

簡單平衡級中閃蒸的計算較為重要，與泡點露點計算相似，教學中仍然著重于平衡常數與組成無關的情況下的計算，而對于平衡常數與組成有關的情況下的計算則由于平衡常數除了溫度和壓力外還是組成的函數，需要初估組成然后迭代求至汽化率收斂，然后再估算組成并計算平衡常數，重新迭代汽化率，直至組成無變化。整個過程迭代繁瑣計算量大，教學中往往只進行簡單介紹。此處如果配以MATLAB計算軟件與化工模擬軟件輔助則可準確迅速的進行計算，且可進行模擬數據與計算數據的對比與討論，從而進一步掌握計算方法的內在含義。

二、多組份普通精餾與特殊精餾的簡捷計算

（一）多組份普通精餾簡捷計算

多組份精餾普通簡捷計算方面，整體使用FUG法求解。其中最少理論塔板數利用Fenske方程進行求解，之前需要確定關鍵組分，估算塔頂塔底溫度算出相對揮發度，然后通過Fenske方程進行求解，過程較為復雜需要進行驗證非關鍵組分的含量，其計算量較大。如果在此配有MATLAB進行輔助，可省去繁瑣的計算過程時間，使學生有更多的時間對于關鍵組分的選取，清晰分割的劃分，分配與非分配組分的定義從計算中有一個更直觀的了解與認識。

（二）萃取精餾與共沸精餾的過程分析

特殊精餾中萃取精餾與共沸精餾的方面概念性知識較多，過程分析是其重點。在此若配以化工模擬軟件，則可讓學生更為直觀的了解萃取溶劑，共沸劑等的流速，溫度濃度變化對整個特殊精餾過程的影響，并可進行萃取劑與共沸劑的選擇操作，從而更直觀的認識溶劑的親和性以及共沸劑的極性與共沸點對精餾體系的影響。

三、吸收過程的過程分析

吸收過程章節，簡捷計算較為簡單，簡化各板的吸收因子后，計算無需迭代假設。吸收過程由于其放熱過程以及單項傳質，使其過程分析較為重要特別是四種主要熱效應的解讀方面。在此如果配以化工模擬軟件，通過較為接近實際的模擬吸收塔，了解吸收過程熱效應對整個塔溫度的影響以及單項傳質對塔內流速的影響，使得學生更為形象與直觀的了解與掌握吸收過程。

四、過程的嚴格計算

這部分中主要涉及的MESH方面的建立與求解，其中重點介紹了方程解離法中三對角矩陣法與逐板計算法的計算流程。計算中，描述精餾模型的MESH方程組求解困難，且求解過程通常還包括各種氣液平衡數據的計算、多種矩陣運算和數值算法、求解熱力學性質和物性時用到的插值和參數擬合等，計算非常復雜。目前的教學往往停留在簡略介紹的階段。在此如果配以MATLAB計算軟件與化工模擬軟件，則可大大簡化計算的難度并縮短了計算時間，還可通過模擬軟件中類似的模塊對各個過程的嚴格計算使得學生對其有更為詳細的了解，并且對于多組分精餾以及多組份吸收有更深刻的理解。例如：ASPEN PLUS 里的RadFrac模塊就是采用嚴格計算方法中的逐板法。由于軟件計算的效率高，模擬計算耗時少，所以在課堂教學中可選用真實精餾塔作為模擬實例進行講解，使得學生更直觀與深入的了解各工藝參數對設備分離效率和設備參數的影響。

綜上所述，傳統的教學方法對于實踐性很強的《化工分離工程》課程來說，效果并不十分理想。通過計算機軟件可以更加直觀地展示分離過程的操作情況和分離設備內部結構，使得復雜結構形象化與直觀化。

參考文獻：

[1] 葉慶國.分離工程[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2] 翁連進，王士斌，李夏蘭.分離工程教改實踐的體會[J].化工高等教育， 2005， 83 (1): 75-76.

[3] 吳松濤，江青茵，曹志凱等.基于Matlab的精餾穩態模擬[J].廈門大學學報（自然科學版），2006，45 (1)：85-89.