程模擬系統(tǒng)教學(xué)化學(xué)工程論文

前言：想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了程模擬系統(tǒng)教學(xué)化學(xué)工程論文范文，希望能給你帶來(lái)靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。

1在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用

化工原理系列課程包括：理論課、實(shí)驗(yàn)課、生產(chǎn)或仿真實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)。其中化工單元操作過(guò)程設(shè)計(jì)方法、操作原理及其計(jì)算是理論課程教學(xué)的重要內(nèi)容，而迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行工程計(jì)算是課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，所以組織好化工原理理論課程教學(xué)是落實(shí)化工原理整體教學(xué)的關(guān)鍵。目前，化工原理主要授課內(nèi)容：流體流動(dòng)、流體輸送機(jī)械、非均相物系的分離和固體流態(tài)化、傳熱、精餾、吸收、萃取、干燥等單元的基本概念、原理和工程計(jì)算方法，而通用過(guò)程模擬軟件中幾乎包括所有常見(jiàn)的化工單元基本模塊，在講課過(guò)程中，教師可以在講授基本原理后，使用軟件中的相關(guān)計(jì)算模塊對(duì)其工作特性進(jìn)行模擬展示。東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院肖國(guó)民、李浩揚(yáng)等，利用Fluent、Aspenplus軟件應(yīng)用于講授和解決“三傳”問(wèn)題。其中利用Fluent軟件，對(duì)固定床反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)量模擬，結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和對(duì)流傳熱模型等，研究反應(yīng)器內(nèi)一氧化碳與硝酸二乙酯偶聯(lián)反應(yīng)，從而獲得反應(yīng)器內(nèi)速度、溫度和各物質(zhì)濃度的分布情況，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。這一過(guò)程給學(xué)生清晰的展示了：不僅固定床反應(yīng)器內(nèi)部的“三傳”均和反應(yīng)的進(jìn)行程度相輔相成，而且若想準(zhǔn)確計(jì)算、設(shè)計(jì)或優(yōu)化一個(gè)單元操作過(guò)程，實(shí)驗(yàn)情況與計(jì)算模擬必須相互反饋，相得益彰。利用Aspenplus軟件對(duì)二苯基甲烷二異氰酸酯換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程開(kāi)發(fā)，與傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算方法相比，結(jié)果具有可靠性高、計(jì)算用時(shí)少、繪圖快、和各專業(yè)集成效應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)甲醇—水精餾過(guò)程模擬，說(shuō)明該軟件可用于質(zhì)量傳遞方面的計(jì)算。教學(xué)實(shí)踐證明，該方法不僅可以全面反映塔內(nèi)物料組成、質(zhì)量分布狀況等工藝計(jì)算結(jié)果，而且還可通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置板式塔或填料塔的各種塔內(nèi)件參數(shù)，得到塔結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)，另外學(xué)生還可以通過(guò)改變模擬計(jì)算條件，綜合考察各因素對(duì)分離效果的影響，便于教學(xué)。中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院劉相、王蘭娟利用軟件：Mathcad、Aspenplus和AutoCAD與傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，簡(jiǎn)化繁瑣的計(jì)算過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)和制圖規(guī)范，使化工原理課程設(shè)計(jì)逐步走入規(guī)范化軌道。中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院孫蘭義，張?jiān)旅鞯?，選擇烯烴分離裝置作為研究對(duì)象應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)之中，利用Aspenplus、ProII獲得了最佳回流比、理論板數(shù)等重要數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)教學(xué)的引入為化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)注入了新的活力。江蘇技術(shù)師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院張春勇，鄭純智等利用Aspenplus軟件在流體流動(dòng)和輸送機(jī)械、傳熱、精餾、吸收與脫吸中應(yīng)用，在教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生看到的都是工程實(shí)例，充分踐行了理論聯(lián)系實(shí)際這一教學(xué)原則。嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院韋曉燕，譚軍等，山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院張治山、高軍[21]等將Aspenplus過(guò)程模擬系統(tǒng)有目、有步驟地應(yīng)用于化工原理系列課程教學(xué)，通過(guò)單元模型操作型問(wèn)題、實(shí)際案例分析和課程設(shè)計(jì)三個(gè)階段的訓(xùn)練，使學(xué)生加深對(duì)化工單元設(shè)計(jì)的理解，達(dá)到培養(yǎng)“知識(shí)”+“能力”型人才的目的。另外，北京石油化工學(xué)院化學(xué)工程系葛明蘭，李翠清等和安陽(yáng)大學(xué)化工系李安林，張換平等將ChemCAD軟件應(yīng)用與化工課程設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)捷精餾模型，青海大學(xué)化工學(xué)院李曉昆，張宏等將ECSS軟件應(yīng)用在板式精餾塔工藝計(jì)算中。華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院鄭秀玉，李瓊還將過(guò)程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化工仿真實(shí)習(xí)教學(xué)的改革與實(shí)踐當(dāng)中，取得了寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際工程問(wèn)題的解決方案通常是多方面因素綜合，且呈非線性關(guān)系作用的結(jié)果，解答需要經(jīng)過(guò)多次運(yùn)算與討論分析。如操作型計(jì)算，盡管與設(shè)計(jì)型應(yīng)用的原理是一樣的，但是因?yàn)樗伎紗?wèn)題的角度不同，使得此類問(wèn)題復(fù)雜、靈活，綜合條件的選擇計(jì)算不是一次完成，而是需要多次試算，反復(fù)迭代，加之公式復(fù)雜，計(jì)算步驟繁多，計(jì)算量很大。模擬軟件的應(yīng)用是解決這類問(wèn)題行之有效的捷徑，既幫助學(xué)生加深了對(duì)各化工單元的認(rèn)識(shí)與理解，又培養(yǎng)了他們解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

2在化學(xué)反應(yīng)工程、分離工程教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)反應(yīng)工程和化工分離工程皆為化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。其主要研究?jī)?nèi)容的共性為過(guò)程開(kāi)發(fā)、工藝設(shè)計(jì)以及實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中遇到的工程問(wèn)題。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)是生產(chǎn)的核心，而分離過(guò)程則是其前的原料凈化和其后的產(chǎn)品精制，一般來(lái)說(shuō)分離裝置的費(fèi)用占總投資的70%以上。過(guò)程模擬系統(tǒng)中，基本上包含了教學(xué)過(guò)程中所包含的各式反應(yīng)器模型，另外系統(tǒng)還集成了用戶自定義模塊，用戶可根據(jù)實(shí)際需求二次開(kāi)發(fā)反應(yīng)器模塊子程序。而對(duì)于化工分離過(guò)程的模擬無(wú)論是從可模擬介質(zhì)的種類和塔器的形式上，還是從模擬結(jié)果的精度上，都堪稱化工模擬技術(shù)發(fā)展的代表。如：在AspenPlus中用于模擬所有類型的多級(jí)汽-液、液-液平衡為例，其計(jì)算分為簡(jiǎn)捷、嚴(yán)格法兩種。簡(jiǎn)捷法計(jì)算單元模塊庫(kù)有三類：簡(jiǎn)捷法精餾設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)捷法精餾核算和石油簡(jiǎn)捷蒸餾。嚴(yán)格法計(jì)算單元模塊庫(kù)有六類：嚴(yán)格精餾、復(fù)雜塔嚴(yán)格精餾、石油嚴(yán)格蒸餾、基于質(zhì)量傳遞速率蒸餾、嚴(yán)格間歇蒸餾和嚴(yán)格液-液萃取，每一類單元模塊庫(kù)中又有多個(gè)以進(jìn)料、加熱器（冷凝器）和側(cè)線物流等不同組合形式，如：嚴(yán)格精餾不僅可用于兩相(汽-液)計(jì)算，還可用于三相(汽-液-液)計(jì)算，即可模擬：普通蒸餾、吸收、再沸吸收、萃取、再沸萃取、抽提、共沸精餾、平衡和反應(yīng)比例控制蒸餾等工藝過(guò)程，而石油嚴(yán)格蒸餾庫(kù)中就有近50種形式可選，所以過(guò)程模擬系統(tǒng)不僅可以滿足化工分離工程課程主要內(nèi)容的需要，而且對(duì)其后繼石化、煉化等工藝課程，也有較大的幫助。天津科技大學(xué)王彥飛，朱亮等采用教學(xué)內(nèi)容與AspenPlus軟件相結(jié)合以提高教學(xué)質(zhì)量，討論環(huán)氧丙烷水解絕熱連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器模型的多解性，在課堂上非?？焖僦庇^的讓學(xué)生清楚了解多定態(tài)現(xiàn)象以及產(chǎn)生的原因，有助于學(xué)生對(duì)反應(yīng)過(guò)程的理解，并通過(guò)軟件使用可以回答，“如果改變某些條件，那么對(duì)于結(jié)果有哪些影響？”這樣的問(wèn)題。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系戴斌，徐宏利用化工過(guò)程模擬系統(tǒng)ChemCAD二次開(kāi)發(fā)工具，在SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)上，通過(guò)使用VBA語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)有復(fù)雜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)。變換不同的SO2轉(zhuǎn)化工藝條件，計(jì)算得到與之對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器體積，從而為裝置技改、去瓶頸和優(yōu)化提供依據(jù)。上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院吳錫慧，郁平等對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)改革和實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)中引入AspenPlus軟件強(qiáng)化計(jì)算機(jī)應(yīng)用，提高了學(xué)生們的設(shè)計(jì)和綜合分析能力。該軟件也正被學(xué)生用在大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)和科技創(chuàng)新等環(huán)節(jié)。天津大學(xué)化工學(xué)院李士雨，齊向娟給出了應(yīng)用ChemCAD模擬軟件更新分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容的初步方案包括：分離過(guò)程熱力學(xué)、自由度分析的原理和方法、單級(jí)平衡和多級(jí)平衡模擬計(jì)算等。得出：無(wú)論從國(guó)內(nèi)外化工分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容的更新趨勢(shì)上看，還是從工業(yè)界對(duì)分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容需求的變化上看，在分離過(guò)程教學(xué)內(nèi)容中增加計(jì)算機(jī)模擬分析方法是大勢(shì)所趨。華東理工大學(xué)化工學(xué)院李偉，朱家文等采用模擬軟件ProII在化工分離習(xí)題課上，同時(shí)改變熱力學(xué)方法、閃蒸條件、壓力等，完成不同條件下的多種閃蒸計(jì)算。進(jìn)行丙烯精制塔精確計(jì)算可對(duì)塔操作參數(shù)進(jìn)行多方案計(jì)算和比較，實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化；通過(guò)調(diào)節(jié)操作參數(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的純度和塔的能耗比較，在其之間建立量化概念，這對(duì)于思考許多分離基本問(wèn)題是十分有益的。江蘇石油化工學(xué)院朱建軍、林西平等利用AspenPlus軟件對(duì)醋酸與乙醇催化反應(yīng)精餾塔進(jìn)行模擬，回流比、進(jìn)料組成、進(jìn)料位置等對(duì)醋酸與乙醇收率的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：運(yùn)用AspenPlus軟件可以有效、快捷、方便地模擬脂化反應(yīng)精餾過(guò)程，結(jié)果可靠,精度高。江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院吳宇瓊將AspenPlus軟件引入分離工程課程及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過(guò)演示軟件操作錄像、學(xué)習(xí)模擬經(jīng)典實(shí)例等方法，使學(xué)生迅速掌握并使用軟件，借此求解泡、露點(diǎn)及塔板數(shù)等。廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院秦祖贈(zèng)，葛利等利用ProII對(duì)膨脹器的氣體加工裝置進(jìn)行模擬，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院盧澤湘，范立維等利用AspenPlus對(duì)甲基叔丁基醚(MTBE)的催化反應(yīng)精餾工藝進(jìn)行模擬，并進(jìn)行教學(xué)演示和講解。著重在混合物熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算、多組分平衡分離過(guò)程計(jì)算上，真正做到了“嚴(yán)格計(jì)算”。同時(shí)指出軟件對(duì)化工熱力學(xué)、化工設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)也會(huì)有較大的幫助，連續(xù)三年化工專業(yè)本科生對(duì)過(guò)程模擬系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣調(diào)查中“，學(xué)習(xí)興趣強(qiáng)烈”的分別占到總?cè)藬?shù)：72.8%、83.2%、86.8%。將過(guò)程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)，避免了大量計(jì)算公式推導(dǎo)、復(fù)雜數(shù)值計(jì)算等問(wèn)題，可以在少用課時(shí)的情況下，盡量全面地展示化學(xué)反應(yīng)工程的核心內(nèi)容。多組分多平衡級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算，是設(shè)計(jì)分離設(shè)備和優(yōu)化操作過(guò)程的必要計(jì)算手段，也是化工分離工程教學(xué)的主要內(nèi)容。使用過(guò)程模擬系統(tǒng)，在進(jìn)行MESH方程推導(dǎo)及基本算法介紹的同時(shí)，使得塔的精確計(jì)算和將熱力學(xué)中相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)運(yùn)用到具體的分離過(guò)程中，解決其工程實(shí)際問(wèn)題成為可能，并且可以對(duì)塔的操作參數(shù)、分離要求和設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算，極大地提高了學(xué)習(xí)的深度與廣度，使學(xué)生更加主動(dòng)積極，綜合分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力明顯提高。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上課程的學(xué)習(xí)及過(guò)程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用，為接下來(lái)學(xué)好化工過(guò)程合成與分析創(chuàng)造了條件，為化工設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，同時(shí)這兩門課程對(duì)過(guò)程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用又是不可或缺的。由此可見(jiàn)，過(guò)程模擬系統(tǒng)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心知識(shí)點(diǎn)有機(jī)綜合、相互貫通而成的產(chǎn)物，是新時(shí)期培養(yǎng)具有過(guò)程科學(xué)和工程知識(shí)背景的計(jì)算機(jī)應(yīng)用人才的利器。在高等教育日趨大眾化，呈現(xiàn)多樣性的今天，強(qiáng)調(diào)核心知識(shí)點(diǎn)在專業(yè)規(guī)范上的統(tǒng)一性特征，是最終形成專業(yè)特色多樣性的前提和保證，而在教學(xué)中推廣應(yīng)用過(guò)程模擬系統(tǒng)無(wú)疑是這一特征的具體體現(xiàn)。

作者：李曉昆 張宏 閆志強(qiáng) 湯強(qiáng) 張鵬宇 單位：青海大學(xué)