計算機軟件輔助化學反應工程教學

王劍 趙紅坤 刁國旺

摘要：將數(shù)值模擬軟件MATLAB及流程模擬軟件Aspen Plus應用于成人高等教育《反應工程》課程的教學。實踐表明，計算機軟件輔助教學對于豐富和深化課堂教學內(nèi)容、培養(yǎng)學生處理問題的能力具有不可或缺的作用。

關(guān)鍵詞：反應工程;教學改革;教學實踐

化學反應工程是高等學校化工專業(yè)學生的必修課，主要研究反應動力學和反應器，反應動力學是反應器設(shè)計與分析的基礎(chǔ)。工業(yè)反應器中除了化學反應外，還伴隨有反應組分的傳遞、反應熱的吸收或排放、反應物料的流動與混合等物理過程，極其錯綜復雜，其研究方法以數(shù)學模擬為主 。數(shù)學模擬過程包括數(shù)學模型的建立和求解分析兩部分，通過化工專業(yè)課程的學習，學生可以理解并掌握數(shù)學模型的推導過程，對于模型的求解則往往限于數(shù)學上的困難而無能為力[1]。MATLAB是美國MathWorks公司推出的一個科學計算軟件，軟件內(nèi)置了豐富的數(shù)值計算方法和多種圖形繪制方法，便于用戶集中精力解決工程計算問題本身，而不必過多地關(guān)注計算機編程和數(shù)學問題[2]。Aspen Plus 是一款集化工設(shè)計、生產(chǎn)調(diào)優(yōu)、設(shè)備或工藝改造等計算于一體的流程模擬軟件，具有完備的物性系統(tǒng)、完整的單元操作模型庫、快速可靠的流程模擬功能等。本文研究Aspen Plus與Matlab軟件的交互實現(xiàn)，并應用于化學反應工程課程的教學與實踐中，能夠有效地將理論知識與工程實踐相結(jié)合，提高學生的工程應用能力，真正培養(yǎng)企業(yè)所需要的工程應用型人才。

1 計算實例

乙炔氫氯化合成氯乙烯的反應如式1所示，在固定床反應器中測得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。反應速率方程如式2所示。試根據(jù)表1中數(shù)據(jù)確定動力學參數(shù)k和KE。乙炔氫氯化合成氯乙烯的反應器長7米，乙炔和氯化氫的加量流量均為142kmol/h，反應器溫度為300℃，反應器在常壓下反應，求出口氯乙烯的產(chǎn)量？

計算程序如下：

function fanying

clear all;clc

% 實驗數(shù)據(jù)

rA =[0.050619 0.06632 0.089748 0.105199 0.102027 0.107046 0.112407 0.115137 0.119637];

Ph=[15.304 20.993 30.269 37.01174 36.4603 39.17254 42.35715 45.0755 47.138];

Pe =[76.092 70.254 63.182 59.00891 57.5633 55.45684 52.9992 50.0089 49.53];

% 線性擬合

RA=Pe.*Ph./rA;y=RA’;X=[ones（size（y）） Pe’];

b= X＼y;k=1/b（1）;KE=b（2）*k;

% 非線性擬合

beta0=[k KE]

[beta，resnorm，residual，exitflag，output，lambda，jacobian]=Isqnonlin（@ObjFunc，beta0，[]，[]，[]，rA，Pe，Ph）

ci=nlparci（beta，residual，jacobian）

%.................................................................

function f=ObjFunc（beta，rA，Pe，Ph）

f=rA-beta（1）*Pe.*Ph./（1+beta（2）*Pe）;

運行程序，計算結(jié)果為k=-0.00761，KE=98.988。采用ASPEN軟件模擬反應器中化學反應過程，物性方法選擇PENG-ROB，設(shè)置進料物流參數(shù)、反應器操作條件、反應器構(gòu)型和動力學方程參數(shù)，結(jié)果顯示氯乙烯的產(chǎn)量為2.716 kmol/h。

2 結(jié)論

學生利用Matlab和Aspen這兩類軟件可簡化數(shù)據(jù)處理過程，將重點放在對課程知識點的理解與問題分析上。計算軟件用于化學反應工程教學，改善了教學效果，具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

[1]蔡高健.高職化學反應工程教學實踐探索[J].科技展望，2016，28（26）：216.

[2]楊濤.MATLAB 在物理化學實驗教學中的應用[J].計算機與應用化學，2012，29（11）：1387-1390.

基金項目：揚州大學2019年繼續(xù)教育教改課題（2019jj-jg01）;江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項目（PPZY2015B112）

作者簡介：王劍（1983-），男，江蘇泰州人，副教授，主要研究方向為化工熱力學。