基于Aspen的《化工過程分析》教學改革探索

李文軍　蘇倩倩　魏家駿　吳駿杰

【摘要】化工過程分析是一門具有綜合性、應用性、研究性特色的化工類專業主干課程，開展Aspen plus化工過程模擬軟件上機課程，創新理論實踐與上機相結合教學方法，加深實踐性教學，使學生學習解決化工過程分析與合成過程的問題同時熟悉Aspen Plus軟件的使用，為后續化工設計打下基礎。促進了具有創新能力和工程實踐能力的化工專業人才的培養。

【關鍵詞】Aspen 化工過程分析 教學 改革

【基金項目】華北科技學院教研基金贊助項目（HKJYZD201508 ），中央高校基本科研業務費資助項目（3142015025），河北省高等學校科學技術研究項目資助（ZD2015207）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）17-0230-02

引言

化工過程分析與合成課程目的是使學生在完成化工單元操作、三傳一反、化工工藝、熱力學等基本課程學習的基礎上， 通過系統工程的方法并結合有關化學工程、化工工藝知識和數值計算方法，掌握化工過程分析方法，解決化工過程分析與流程模擬問題。

化工過程分析課程是通過系統優化的觀念和方法來分析、研究化工過程規律把工藝與工程融會貫通的一門專業課程。是一門具有綜合性、應用性、研究性特色的化工類專業主干課程。學生通過該課程的學習將能夠對各種化工流程過程進行優化分析，從而使化工過程在各方面達到最優化，實現能源的經濟化。

我校在第一屆化學工程與工藝專業就開展了Aspen plus（Advanced System for Process Engineering）化工過程模擬軟件上機課程。目的是加深實踐性教學，培養學生的創新與科研能力，使學生在學習的過程中得到更多實踐的機會，更好的學習解決化工過程分析與合成過程的問題。下面就教學中的幾點嘗試，談談我們的體會。

1.目前教學中存在的主要問題

當前社會條件下，本科畢業生面臨就業壓力大，正是在這種情況下，很多學生對化工廠存在抵觸情緒，認為其地理位置及條件惡略，倒班工作累，前途渺茫，然而他們并不了解現代化的化工廠的生產方式及工作方式，從而導致越來越多的人轉行，轉專業，這個問題大部分在于在大學學習階段，并沒有得到實踐和實習的機會。從而還停留在自己對這個行業的原時印象中。教師在教學過程中實踐教學的強度不夠，學校注重教學大于遠遠大于實踐，將理論學習作為工科學生的主要教學內容，使學生在大量時間都在思考如何應付考試；使老師大量時間在思考如何讓學生通過考試。這樣在本來就非常有限的學時內，學生得不到實踐，更無法深入現場，了解化工過程、化工工藝、化工設備等。學校對每屆學生開展認識實習、生產實習，但現狀是“僧多粥少”學生根本無法深入對某一過程進行認知和探索，僅僅是走馬觀花，這對于與生產實踐結合如此緊密的化工專業的高等教育來說是遠遠不能達到教學目的的。

2.化工過程分析課程教學體系研究

華北科技學院環境工程學院化學工程與工藝系將此門課程安排在了第七學期，共設32學時，這門課程的目標是為了讓學生能夠掌握先進的系統工程思想、方法和策略來解決本專業中遇到的單純用專業知識難以解決的問題。通過對這門課程的學習，學生們將掌握序貫模塊法、夾點技術、直觀推斷法。由于這門課程的抽象性，理論性都較強，對學生的思維方式以及科研創新精神都是一項挑戰。通過多年來的教學工作，筆者不斷探索教學方法，整理分析教學內容，優化課時，合理安排理論學習與實踐的穿插方式，形成了一套獨有的教學體系。

大體上分為理論教學→實例講解→發現問題→理論分析→過程建模→上機模擬→分析優化等七大步驟。通過這套體系將理論課課時與上機課課時實現對等，將課本知識充分融入化工過程案例中，將一個案例拆分成知識點，分組進行建模比賽，并讓學生在討論中自己發現問題，后加以指導，而解決問題。

授課案例不僅使用大型化工廠真實案例，還基于平時的科研工作，基于煤炭地下氣化實驗中心平臺，將煤氣化過程融入課堂，在課余時間組織興趣小組參與科研工作，通過一些實驗切實體會真正的化工流程，再回到Aspen軟件中進行建模、模擬。使學生獲得創新實踐能力與工程實踐能力的訓練。

3.《化工過程分析》課程改革的主要內容

3.1 Aspen簡介

Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）模擬軟件是美國能源部于70年代后期委托麻省理工學院研制開發的，1979年投入使用，1981年專門成立了一家公司繼續開發與完善這套軟件，從1982年的第1版，現在己發展到第12版。這套系統功能齊全，規模龐大，可應用于化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫藥、冶金、環境保護、動力、節能、食品等許多工業領域，目前己在全世界范圍內廣泛使用。我國自1983年由中石化北京設計院等首次引進，其用戶迅速增加，應用部門涉及石油化工醫藥等行業。其特點如下：

（1）具有完備的物性數據庫

Aspen Plus具有豐富的物性數據和完備的物性模型。Aspen Plus數據庫包括將近6 000種純組分的物性數據， 900余種離子和分子溶質估算電解質物性所需的參數，約3314種固體的固體模型參數， 61種化合物的Henry常數參數，二元交互作用參數約40000多個。Aspen Plus是唯一獲準與DECHEMA數據庫接口的軟件。該數據庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數據，共計25萬多套數據。

（2）完整的單元操作模塊和分析工具

Aspen Plus包含完整的化工單元模塊，易于組建化工流程。能夠進行收斂分析、靈敏度分析，將工藝模型與真實的裝置數據進行擬合，確保精確、有效的真實裝置模型；能夠進行近10種氣/液平衡系統模擬計算，包含精餾模型、多塔模型等單元操作模塊，可廣泛模擬分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶金等工業過程。

（3）支持規模工作流

根據模型的復雜程度，支持規模工作流。Aspen Plus 是一種通用型化工流程模擬軟件，具有界面友好、工作效率高、結果準確等優點。

3.2 改革的內容

在課程講授時，通常情況下都是結合實例，提出問題，圍繞問題啟發學生思考解決問題的方法。我們發現這種教學方法不利于學生思維的擴散，所以，本人采用的教學方法如下：

（1）課前先對要講授的內容進行提問，引導學生搜集和查詢相關資料，對學生進行分組，將課堂問題分解成3～4個小部分，每一組學生負責一部分。由于學生對于實踐部分往往比較好奇，但又不能不了解理論知識，在授課時，每一組學生對自己所負責的部分先提出自己的認識，并提出問題。在課堂的前十五分鐘，我們采用提問與討論相結合，共同發現和提出問題。之后，對于問題中所遇到的課本中的知識點穿插事先準備好的化工現場的圖片、視頻，并在講授的過程中就自己在實踐中的經歷分享給學生，寓教于樂，引發出學生的興趣。

（2）我們對課時進行了合理安排，由于課時有限，我們采用一堂理論課一堂上機課的方式。上機課我們集中教學Aspen plus軟件的操作，在每一屆學生的首次上機課對軟件進行介紹。課后學生自己對理論課講授的案例進行探索模擬，并在上機實踐的過程中，發現實際中的問題，例如操作不當引起的設備損壞、甚至危險事故等。

（3）基于我校煤炭地下氣化實驗中心，對有興趣的同學建立興趣小組，參與現場實踐及科研項目。將自己在計算機上模擬的過程搬到實際實驗中，給學生提供一個寬松的學習平臺，讓學生自主安排時間開展創新實踐活動。與此同時，我們還組建了一支勇于創新的教師隊伍，對實驗課程改革創新，并加大對實驗經費的投入，確保實驗設施的維護和實驗耗材的供給。確保學生能學到并領悟到這門課程的魅力。

4.《化工過程分析》課程改革的效果

化工過程分析課程教學改革的嘗試取得了一定的教學效果。以化工學科的特點和人才培養為目標，對當前化工實驗課程進行教學改革。通過實際案例引導與教學，讓學生學會自我探索，積極思考，解決問題，總結經驗。并通過Aspen Plus輔助教學，結合實驗室興趣小組，提高教學質量，提高學生的綜合能力。到目前為止，已有很多學生熟練掌握Aspen 軟件的使用。并將其充分應用在畢業設計中，對于煤氣化、合成氨等化工過程的能量核算都能運用軟件進行模擬。實踐證明，通過對化工過程分析的改革與實驗教學內容的更新，并與Aspen軟件的結合，提高了化工實驗課程的教學質量，使其對學生的思維擴展、觀察創造力和實際中解決問題能力都得到了全面且綜合的訓練，促進了具有創新能力和工程實踐能力的化工專業人才的培養，為學生將來進入化工行業奠定了良好的基礎。

參考文獻：

[1]麻德賢，李成岳，張衛東.化工過程分析與合成[M].北京： 化學工業出版社，2002.

[2]方立國.化工過程分析與合成課程教學模式改革實踐研究[J].廣州化工，2010（7）：280-282.

作者簡介：

李文軍，1974年生，男，江西南昌人，2011年畢業于中國礦業大學（北京） 潔凈能源技術與工程專業，博士后，講師。

通訊作者：蘇倩倩，1991年生，女，山西運城人，華北科技學院，助教。