Auto CAD和Aspen Plus軟件在化工設計課程教學中的應用探討

路小彬，張 杰，徐 平

(黔南民族師范學院 化學化工學院，貴州 都勻 558000)

化工設計課程一般講授化工工藝設計計算、化工設備圖及化工流程圖等內容，較少強調工程實踐性強的計算機模擬計算和繪圖內容，課程內容設置直接影響了學生工程實踐能力的培養。當前國家要求地方本科院校的相關專業向應用技術型轉變。為加快專業的轉型，學校修訂了化工專業培養方案，因此化工設計課程教學改革也勢在必行。

筆者通過對化工專業課程化工設計的教學和深入研究，總結出相關化工設計軟件使用對這門課的學生學習具有良好的輔助作用，能使學生更好的理解化工工藝的設計計算和化工設備設計。

1 化工設計課程教學中存在的主要問題

1.1 現行教材軟件操作內容少

目前該課程中使用的教材主要包括化工工藝設計和化工制圖兩部分內容。申請人所在學校的化工制圖課程沒有設置專門的CAD繪圖課程，化工工藝課程沒有設置Aspen Plus課程。另外，一些學校的教案和教學大綱雖然強調化工制圖和化工工藝計算部分，講授相對簡單，而對實踐能力要求較高的計算機輔助繪圖和計算更是缺少。

1.2 理論課時多，軟件操作課時少

很多老師注重理論知識，對軟件操作能力的培養缺乏足夠的重視。特別是筆者所在學校長期從事化學教育的老師，對工程實踐能力的培養認識不足。其次，在教學內容上，以前的化工設計教學中主要講授理論知識，強調學生查閱及運用標準的能力及識圖讀圖能力的培養，而對化工設備圖及工藝流程圖繪制要求較少，基本上不要求學生掌握計算機輔助設計內容的講解，對學生工程實踐能力的培養沒有重視起來。再次，在設計的具體內容上，由于本校是一所民族師范院校，正在由師范類向技術應用型轉變，工程實踐設施相對較弱。近幾年，雖然學校增加了對工程實踐裝置的投資，但對化工設計軟件方面的投資近乎于零。這就給化工設計內容及項目設置帶來一定困難。最后，我校培養的化工類人才大部分將在生產第一線從事化工設計、制造、管理等具體工作，為了適應用人單位的要求，學校和企業的交流溝通有待加強。因此，化工設計教學改革需結合本校實情和用人單位的要求進行，注重學生軟件操作能力的培養。

1.3 總課時量少

綜觀各個高校的化工設計課程教學大綱，目前化工設備圖及化工工藝圖等內容太少，軟件操作實踐部分占課時更少。為進一步加強化工設計課程的核心內容，加強學生工程實踐能力的培養，軟件操作課時要增加。

2 Auto CAD和Aspen Plus軟件在化工設計中的應用現狀

由于化工自身的特殊性，使它與計算機技術的結合尤為緊密。近幾十年發展迅速，尤其是各種化工專業軟件不斷應用。這些軟件的功能包括化學反應式書寫、圖形繪制、數據處理、計算與模擬等。化工軟件是化工專業學生的得力助手，掌握相關軟件的應用，將會極大地提高工作效率[1]。

如在化工中最常見的制圖為例，在計算機普及之前都是用手工繪制復雜的化工設備圖和化工工藝流程圖等，既費時又費力，常常占用工作人員大量的時間和精力。而隨著計算機的普及，這些工作已經完全依靠計算機來完成，如化工工程人員和研究人員利用專業的Auto CAD來繪制大型的化工設備圖和化工工藝流程圖，化工工藝模擬計算軟件采用Aspen[2-6]。利用計算機來繪制圖形和設計計算不但省時省力，而且易于保存和傳閱。因此，化工專業的大學生在大學期間就應該掌握這些和化工有關的專業計算機知識，并隨著新的軟件和技術的出現，不斷更新現有的知識，才能真正適應社會的需要[7-11]。

計算機在化工設計上的應用主要體現在計算機輔助制圖和化工模擬設計中。

2.1 Auto CAD輔助制圖

化工行業應用計算機輔助制圖設計CAD (Computer aided design)技術起步較早，目前，化工設計使用最多的通用圖形軟件Auto CAD系統，可以替代畫圖板并按照化工制圖標準繪制化工機器圖、化工設備圖、工藝流程圖等。

2.2 Aspen Plus化工工藝模擬

由于Aspen Plus具有強大的單元操作模型、優化設計能力以及齊全的物性數據庫和熱力學方法，它已經被廣泛地應用化工過程的研究開發、裝置設計、生產過程控制、工藝優化及技術改造等方面。將Aspen Plus應用于化工專業教學，不僅可以培養學生學習興趣和計算機應用能力，而且為學生將來從事相關行業的工作打下了良好的基礎。應用計算機輔助計算的化工模擬能大大提高化工設計的品質和效率。模擬設計的主要工作是將一個由許多單元過程組成的化工流程用數學模型表現。如今Aspen Plus不僅能做物料和熱量衡算，還能做單元過程計算和設計方案優選或優化，被廣泛應用在化學工程、石油煉化、制藥等過程設計領域省時省力。

Aspen Plus也可用于化工數據處理與數值計算 。

Aspen Plus還可用于化工仿真，使學生可以了解工廠工藝流程，從而進一步學習和掌握化工過程系統的操作原理，加強工藝工程意識，鍛煉分析和解決問題的能力。

3 化工設計課程教學改革的設想與具體做法

3.1 設想

課程教改的目標在于針對化工專業學生在計算機輔助化工設計方面的教學經驗、技能和管理。使化工設計課程教學目標與化工專業培養方案中提出的人才培養目標一致。

教學內容包括2個軟件Auto CAD、Aspen Plus在化工設計課程教學中的化工工藝設計計算、化工設備設計、化工過程模擬與仿真應用。在教學中采用Auto CAD軟件繪制出各種設備的二維和三維圖形，可以多角度拉動和轉動設備的三維圖形，全方位觀測設備的空間構形，比原來僵硬的教具更加生動形象，能夠提高學生的空間思維能力。另外，我們將工程實際應用中的化工設備三維圖形引入教學，鍛煉學生的空間想象能力，同時讓學生明白設備的實際用途。傳統的化工工藝設計采用手工計算，計算量大且計算結果不準確，甚至因為某些參數查找不到而不能計算。在教學過程中，由于時間少和資料有限，教師的選題范圍受到一定限制。采用Aspen Plus進行化工設計，不僅節約時間，而且提高了計算的準確度，而且可以隨時變換參數，進行最優化的過程設計，提高學生的學習興趣和創新能力。化工設計是一門與具體工程應用結合特別緊密的課程，學生在學習過程中必須反復練習，才能理解化工設計知識，掌握繪圖技巧。化工設計軟件Auto CAD、Aspen Plus可大大提高設計的速度及效率，且便于修改和管理圖紙，使圖紙更加規范化、標準化。學生學習利用計算機設計出圖，可為其將來從事化工設計、化工設備設計等工作打下良好的基礎。

教學重點是2個常用軟件Auto CAD、Aspen Plus在化工設計中的使用技巧。課程內容設置上要兼顧到不同生源，有針對性地調整課程內容，做到既靈活又突出重難點內容。設置時要注意各課程之間相關內容的銜接，如化工機械設計和化工工藝設計的銜接，從而建立一個培養學生綜合素質及工程實踐能力的化工設計課程體系。采用多媒體教學，利用Auto CAD繪制的三維空間物體進行講解，分析過程直觀、形象，讓學生在讀圖與繪圖的過程中反復訓練，達到良好的教學效果。另外，我們會給出適量的典型化工設備零件圖，讓學生反復練習，不斷提高空間想象能力。教師要在學生訓練過程中給予適當的指導，幫助學生提高讀圖和繪圖的能力。利用Aspen Plus對化工過程單元進行模擬，反復修改參數，獲得最優設計參數，克服手工計算不能反復修改的弊病。

3.2 具體做法

從Auto CAD的安裝，到基本命令的使用，再到用AutoCAD繪制化工設備圖(換熱器、精餾塔、反應器等)、化工工藝流程圖(PFD圖、PID圖)、化工管道圖(軸測圖、平面圖)、生產車間平立面布置圖。教師將工程設計思想及理念貫穿教學的全過程，在教學中引入典型化工設備的構思設計及圖樣表達，以培養學生的聯想、創造、發散思維等能力，并初步培養其機械設計能力。

從Aspen Plus的安裝，到基本命令的使用，再到用Aspen Plus進行化工流程的模擬計算(物料衡算、能量衡算、反應器及其相關物性參數、精餾塔及其操作參數的模擬優化計算、換熱網絡的模擬計算等)。

結合黔南師院學生數學功底較為薄弱的特點，側重于終端應用公式的使用，而弱化了公式的推導過程，達到了學以致用的目的，又讓學生感受了學習過程的輕松，從而堅定了學生的學習信心。對于軟件中出現較多英文單詞的問題，考慮到學生普遍英文功底不高的特點，軟件盡量采用漢化版，這樣可使學生較快掌握軟件的使用。

考核方式采用課程教學與化工設計及技能大賽相結合、理論與實踐相結合、過程與目標考核相結合、開卷與閉卷相結合、平時作業與期末考試相結合的方式進行考核。

4 總結

在信息時代的今天，如何選擇最重要和最適合化工專業的計算機教學內容也是一個值得商榷的問題。另外，建立一支既懂計算機又熟悉化工知識的貴州地方特色的專業教師隊伍也是一個刻不容緩的問題。傳統的化工專業教師往往不太熟悉計算機，而教計算機的教師往往對化工領域也不太熟悉，因此，在實際教學中，往往出現教學和實際相脫節的現象，使化工專業的學生無法學到最實用的知識。同時，計算機知識日新月異，軟件的更新換代頻率也越來越快，因此，教師隊伍本身也應加強自學，確保把最新的知識傳授給學生。所以，計算機在化工設計方面的應用依然是需要深入研究的內容。

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(本文文獻格式：路小彬，張杰，徐平.Auto CAD和Aspen Plus軟件在化工設計課程教學中的應用探討[J].山東化工，2018，47(02)：110-111.)