計算模擬在化工原理精餾實驗教學中的運用

梁亮++楊雄霖++陳瑞++莊杭坡++史博

摘要： 化工原理實驗是化工原理課堂理論消化吸收的重要實踐課程。然而局限于驗證課本理論的操作性實驗具有單一性，不利于學生工程能力的培養。本文通過指導學生運用模擬軟件對化工原理精餾實驗工藝過程模擬優化、故障診斷模擬分析、仿真開發等手段對化工原理實驗裝置運行進行操作，使學生在過程中工程能力得以形成，并對專業學習產生更多的學習興趣?？傮w而言，本次改革不僅將模擬計算綜合運用到化工原理實驗教學中，提高了學生工程實踐能力，還在化工原理實驗模式上進行了改革。改進后的實驗設備具有運行成本低、數據重復性強、耗時短的優勢。

Abstract： The experiment of chemical engineering principles is an important practice course for the digestion and absorption of the theory of chemical engineering. However， it is not conducive to the cultivation of students' engineering ability to operate the experiment which is limited to the textbook theory. This paper guides the students to operate the experimental device of chemical engineering principles by simulation software through the process simulation and optimization of distillation experiment of chemical engineering principles， fault diagnosis simulation analysis， simulation development and other means so as to form the students' engineering ability in the process and makes them generate more interest in learning. Overall， this reform not only applies the simulation calculation to the teaching of chemical engineering principles， but also improves the students' practical ability in engineering and reforms the experimental model of chemical engineering principles. The improved experimental equipment has the advantages of low cost， strong data repeatability and short time consuming.

關鍵詞： 模擬計算；化工原理；精餾實驗；工程能力

Key words： analog simulation；principles of chemical engineering；distillation experiment；engineering capability

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0163-02

0 引言

現代化學工業的飛速發展得益于計算模擬的廣泛、深入應用?，F如今計算模擬已成為化工發展不可缺少的工具和手段，其在化工設計、生產、研究和教學中的重要性日益凸顯。例如化工單元仿真即為以化工原理為基礎，以計算機模擬操作為手段的綜合教學。

基于近年來國家引導部分地方本科高校向應用技術型高校轉型發展的思想，轉型高校在校生工程能力、應用能力的培養為改革的重中之重。因此在化工的專業基礎課實踐環節——化工原理實驗中，教師應根據社會發展的信息化需求，結合現代化的計算模擬軟件分析實驗過程，一方面可強化學生在計算模擬軟件方面的訓練和運用，另使一方面還可加深學生對裝置、實驗過程，甚至化工過程的深入理解。此外，在實驗裝置上進行計算模擬，還可節約大規模生產設備的運行成本，亦可多次重復實驗，在形成學生解決工程問題的思維方式上具有極大的提升效果[1-3]。

精餾塔是化工流程應用廣泛的單元操作設備，影響精餾塔操作水平和產品質量的因素很多，且相互關系復雜。精餾實驗能夠使我們了解精餾塔的內部結構，觀察塔內各種傳質狀態，學習精餾塔的操作方法和具體流程，并掌握一定的實驗數據處理方法，加深我們對精餾塔對二元物系進行分離過程的理解與認識，從而培養我們將理論與實際相結合，并運用所學知識去解決實際問題的能力。

本文以精餾實驗裝置為例進行計算模擬操作。運用ASPEN軟件進行工藝流程模擬、故障診斷分析，并采用計算機語言開發了仿真軟件。在教學過程中進行各種環節設計，然后根據學生實驗結果進行分析總結劑點評，在實驗過程中培養了學生的工程能力，并對專業學習產生更高的學習興趣。

1 ASPEN軟件在工藝流程優化實驗中的教學設計與實施效果評價

化工過程模擬技術是以化工工藝流程的理論機理為基礎模型，采用計算機模擬的手段來對化工過程進行描述，并對化工的工藝流程進行熱量衡算、物料衡算、能量分析和設備尺寸估算等。因此，流程模擬不僅可以節省時間，也可節省大量操作資金，同時對經濟效益、過程優化、環境評價進行全面的分析與精確評估，以達到對化工過程的規劃、研究開發及技術分析，從而節約資源、優化生產和提高經濟[4]。

在工藝過程模擬中，學生按設計好的過程進行如下操作及模擬：

①試驗探究加熱電壓、回流比、進料量和進料濃度的改變對塔頂餾出液中乙醇摩爾分率的影響，得到了在一定操作條件下精餾分離的最優化條件。

②運用化工流程模擬軟件來對乙醇-正丙醇兩組分的分離精餾實驗進行模擬，得到理論的實驗結果，并與實際結果相比較，找出實驗的影響因素。

Aspen模擬的最終結果表明，模擬值與實驗數據吻合較好，模擬過程中物性參數、模塊選取合理。從模擬的結果不僅可以看出實驗數據與理論值的差異，還可得到很多實驗所不能得到的參數及變化情況，通過比較可找出實驗的錯誤和不足之處，及時進行整改，從而大大提高了實驗分離效率。

此外學生還對精餾塔的回流比、餾出比和進料位置進行了靈敏度的分析，得到了三種參數的變化規律，確定了一定條件下的最適回流比、餾出比、最佳進料板。

總的來說，ASPEN軟件模擬工藝過程最主要是讓學生了解化工模擬軟件在實際的實驗和流程操作中指導作用，通過理論的數據與實際的數據進行對比，判斷計算模擬的準確性，找出錯誤位置，及時進行優化，并向授課教師提供了理論的最佳操作參數，即使學生了解設備參數變化規律，更快的確定最佳參數數值，更提高了實踐效率，節約了人工成本。

2 ASPEN軟件模擬軟件在實驗中的教學設計與實施效果評價

隨著計算機技術的發展，通過模擬軟件對化工過程進行計算模擬，據此對過程進行故障分析已成為一種常用手段。在本次教學改革中，學生可結合實驗裝置實踐，通過使用模擬軟件對實驗裝置進行流程模擬，經過與實際過程參數對照分析，發現實際操作過程的故障原因，找出解決問題的對策，使學生在實訓中得到工程能力的提高。[5-7]

在精餾實驗裝置上，在不告知學生情況下，人為制造一些故障，如管道泄漏、堵塞，塔內板上構件作改變，或者拆卸塔體保溫層等等。學生在人為故障的情況，操作實驗裝置，對現場采集數據，并對數據進行分析，初步確定原因，然后用ASPEN軟件對實際工藝進行模擬計算，找出問題的原因。

在診斷故障過程，學生按設計好的過程進行如下操作及模擬：

①通過設備的設計參數在模擬軟件上進行模擬計算，驗證流程裝置設計的合理性；

②通過正常運行完好的設備采集的數據，用現場數據與模擬計算的數據進行對比，驗證模擬計算的參數設計合理性；

③運行人為設計故障的實驗裝置，現場采集數據，對照與模擬計算不符合的部分；

④初步確定原因，對設計不符合部分在計算機上多次模擬操作；

⑤對故障部分給以改造策略，并考慮其合理性，最終給出診斷結果。

學生以模擬軟件為工具，對實驗裝置的多種情況進行了計算模擬，將計算結果與實際情況進行對比分析，診斷出裝置運行過程中的故障，分析故障的原因，并找出解決問題的方法，這種工程能力的培養，為其在工作崗位上進行設備維護和操作參數的調整提高很好的經驗和理論基礎。同時在模擬數據的幫助下，對實際操作進行了在線優化，并將優化結果指導實際生產過程。

3 仿真軟件在實驗中的教學設計與實施效果評價

化工原理仿真實驗是以真實的實驗原理、實驗現象、實驗過程和實驗數據為基礎，在計算機上通過數學模型進行模擬實驗現象，通過互動的動畫模擬在現場的真實操作，并產生和真實實驗一樣的操作結果[2]。這種方法有利于培養學生的分析能力、處理、解決問題能力。

學生在開發過程中運用了多種開發語言編寫，如采用Visual basic 、Visual c++、Delphi等，以及運用多種多媒體合成平臺進行繪制裝置，如Authorware、Photoshop、CAD等。

開發的仿真系統主要功能包括化工原理實驗仿真模擬操作訓練、模擬操作的評分、操作數據的獲取及實驗數據處理、思考題的測試及評估、實驗裝置的多媒體展示以及在線幫助等等，其基本結構如圖1所示。

在開發過程中，我們要求學生按照以下步驟進行：①查閱相關資料，閱讀相關教材，透徹理解原理及要求；②熟悉實驗流程，進行實驗的實際操作，掌握過程規律；③收集有關的物性數據，并從實驗數據中挑選具有代表性的數據，形成數據庫；④使用多媒體工具與設計語言結合，繪制包括實驗設備、儀表、管路在內的試驗流程圖；⑤熟悉過程各變量之間的復雜關系及規律，采用設計語言編寫模擬代碼，實現各模塊之間的聯系；⑥系統的調試與修改。學生對實驗過程進行仿真系統簡單開發，模擬了真實的實驗操作，使學生熟練掌握了如何操作化工單元過程，熟練的測定、整理實驗數據，并且提高學生的學習興趣。通過這種學習過程，在工作實踐中，形成模擬真實操作的思維能力，以便其能更深入了解化工過程的流程，以及影響化工過程的因素之間的復雜關系。

4 結論

學生通過將計算模擬綜合運用到化工原理實驗裝置流程中，在投入成本少、耗時短、可重復性高的情況下，使學生了解設備參數變化規律，更快地確定最佳參數數值，更提高了實踐效率；更深入了解化工過程的流程，以及影響化工過程的因素之間的復雜關系。從而提高了學生的工程實踐能力，在實踐中形成解決問題的能力。同時，其也存在不足之處，由于設備流程簡單，過程可改變的變量少，不少監控點還需再安裝，因此，實驗裝置和實際生產裝置仍存在較大差別，仍需進行改進，以便更接近實際生產過程，更好培養學生的工程實踐能力。

參考文獻：

[1]郭曉亞.基于創新人才培養的化工原理實驗教學體系的構建[J].化學教育，2015（16）：58-60.

[2]孫蘭義.化工流程模擬實訓[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3]梁亮，李燕，等.化工原理實驗[M].北京：中石化出版社，2015.

[4]楊光輝.化工流程模擬技術及應用[J].計算機與信息化，2008（8）：35-36.

[5]孫巍.ASPEN+Plus在工業精餾塔故障診斷與參數尋優中的應用[J].化工進展，2005（24）：935-937.

[6]涂婭莉，等.專家系統在精餾塔故障診斷中的應用[J].低溫與特氣，2006，24（5）：26-29.

[7]田文德，等.基于動態模擬的精餾塔故障診斷[J].計算機與應用化學，2011，28（12）：1569-1572.