李曉昆，張 宏，閆志強，湯 強，張鵬宇

(青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

模擬與計算

過程模擬系統(tǒng)在化學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究進展

李曉昆，張 宏，閆志強，湯 強，張鵬宇

(青海大學(xué) 化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

過程模擬系統(tǒng)在當(dāng)今的化學(xué)工程領(lǐng)域倍受關(guān)注。綜述了近幾年來過程模擬系統(tǒng)在化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心課程：化工熱力學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和分離工程等教學(xué)過程中的應(yīng)用成果，并對其發(fā)展趨勢和應(yīng)用的必要性進行展望。

過程模擬系統(tǒng)；化工教學(xué)；應(yīng)用

隨著電子計算機和各種數(shù)值計算軟件在化學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用，計算機輔助手段越來越顯示出其可靠性強、計算速度快和集成度高等眾多優(yōu)勢，傳統(tǒng)的化學(xué)工程專業(yè)也已成為一門集實驗研究、計算研究和理論研究于一體的綜合性學(xué)科，而計算能力無疑也是學(xué)生創(chuàng)新能力的重要組成部分。對利用過程模擬系統(tǒng)在計算機上建立起來的“虛擬化工廠”、“桌面煉油廠”等從設(shè)計預(yù)測到操作運行，到性能反饋、改進改造等各個細節(jié)進行詳細研究，這種方法出現(xiàn)于上世紀50～60年代[1]。沿革至今，過程模擬系統(tǒng)一般包含完備的熱力學(xué)、單元操作和反應(yīng)過程模塊，并配備有龐大的物性數(shù)據(jù)庫和物性估算系統(tǒng)，以及功能強大的數(shù)學(xué)計算方法庫，使其既可進行單個設(shè)備計算，也可進行整個化工生產(chǎn)流程計算[2-4]。通用穩(wěn)態(tài)過程模擬系統(tǒng)有Aspen Plus、ProII、ChemCAD和ECSS等，在當(dāng)今過程工程科研領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用的同時，產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟效益，推動了技術(shù)進步。

在工程教育國際化，并與科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)趨向一體化的背景下，怎樣將化工專業(yè)核心課程在教學(xué)過程中相互融合、相互貫通，使之與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展同步，是化工專業(yè)教育亟待解決的共性問題[5,6]。過程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用是解決這種貫通和結(jié)合的方法之一，對國內(nèi)高等學(xué)?；瘜W(xué)工程專業(yè)課程內(nèi)容的深化、教學(xué)效果的提高更具有實際意義。

1 在化工熱力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在化學(xué)工程與工藝本科生必修專業(yè)課程中，化工熱力學(xué)是核心課程之一，其原理和知識點是從事化工過程研究、開發(fā)和設(shè)計等方面工作必不可少的重要理論基礎(chǔ)，是一門理論性與工程應(yīng)用性均較強的課程?；崃W(xué)的主要研究范疇在于決定設(shè)計各種單元操作過程、分離過程和化學(xué)反應(yīng)器所需的相平衡、化學(xué)反應(yīng)平衡數(shù)據(jù)、參數(shù)和平衡時的狀態(tài)參數(shù)及對化工過程進行熱力學(xué)分析等[7,8]。過程模擬系統(tǒng)攜帶幾十種化工熱力學(xué)方程及其物性數(shù)據(jù)庫，可以對化工過程中主要物系進行描述。如果數(shù)據(jù)庫中沒有相關(guān)物性數(shù)據(jù)時，可以使用物性估算系統(tǒng)進行近似估算，也可使用較少的實驗數(shù)據(jù)對物性參數(shù)進行回歸[9]。

浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系陳新志、趙倩等[10,11]，在化工熱力學(xué)教學(xué)中，基于Aspen Plus在計算均相和純物質(zhì)飽和性質(zhì)時，只需輸入獨立變量和相態(tài)即可通過軟件自帶的特性數(shù)據(jù)庫獲得。在計算混合物性質(zhì)時，同樣可調(diào)用純組分臨界參數(shù)、二元相互作用參數(shù)等數(shù)據(jù)和模型。過程簡便、效率高、結(jié)果準確，有助于后續(xù)化工專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和對熱力學(xué)性質(zhì)的理解。華東理工大學(xué)國家化學(xué)工程重點實驗室戚一文，方云進[12]利用Aspen Plus軟件提供的物性估算功能，計算發(fā)酵液中低濃度1，3-丙二醇分離的中間產(chǎn)物2-甲基-1，3-二噁烷(2MD)的物性，得到：如果軟件物性數(shù)據(jù)庫中沒有計算物質(zhì)的物性, 可利用軟件本身的物性估算系統(tǒng)進行估算，其結(jié)果經(jīng)已知的實驗數(shù)據(jù)校驗具有一定可靠性，計算精度完全可以滿足工程設(shè)計的需要。東南大學(xué)李英杰, 趙長遂[13]等利用過程模擬系統(tǒng)對O2/CO2氣氛下煤的燃燒產(chǎn)物進行了熱力學(xué)模擬計算。結(jié)果表明，這種方法可以較好的模擬煤在O2/CO2氣氛下的燃燒過程。經(jīng)過幾年的發(fā)展，Aspen Plus在煤化工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時可以模擬生物質(zhì)的燃燒、氣化等生產(chǎn)工藝，得到許多精確模擬結(jié)果，能夠較好反映其變化趨勢。應(yīng)用Aspen Plus對煤在O2/CO2氣氛下燃燒進行模擬, 所得到的各種燃燒產(chǎn)物和熱量分布能夠為采用富氧燃燒的燃煤電站進行燃燒調(diào)整和熱力設(shè)備設(shè)計、改造提供參考數(shù)據(jù)。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所、中國科學(xué)院研究生院高軍虎、吳寶山[14]等基于Aspen Plus軟件建立了費托合成產(chǎn)物（一氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為液體燃料或化學(xué)品）物性數(shù)據(jù)庫和熱力學(xué)平衡模擬分析模型, 對費托合成的全局和局部熱力學(xué)平衡進行了詳細研究，熱力學(xué)平衡預(yù)測的總產(chǎn)物分布與實驗產(chǎn)物分布非常相似；若假定反應(yīng)處于局部熱力學(xué)平衡, 則預(yù)測的產(chǎn)物分布鏈增長因子和烯烷比很接近實驗值；熱力學(xué)預(yù)測的反應(yīng)條件對產(chǎn)物分布的影響也與實驗結(jié)果基本一致。中國化工科學(xué)研究總院楊友麒[15]對一個常規(guī)的硫氧化過程用Aspen模擬系統(tǒng)來進行損耗功分析和熱力學(xué)分析，得到損耗功的主要根源，提出了去“瓶頸”改進能量利用效率的具體方案。證明Aspen模擬系統(tǒng)為實現(xiàn)工業(yè)實際的復(fù)雜流程的熱力學(xué)第二定律分析提供了一個強有力的手段。

可見，在物性計算中，化工熱力學(xué)與Aspen物性計算的原理是一致的，在教學(xué)中運用該軟件，可簡化計算過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，大大提高教學(xué)效率；另一方面，學(xué)生在利用軟件過程中，可了解更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，掌握軟件計算原理的內(nèi)核，提高其應(yīng)用能力，解決了在以往學(xué)習(xí)中只知結(jié)果，不能分析結(jié)果的問題，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下了扎實的基礎(chǔ)，也使得化工過程熵計算成為可能。

2 在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用

以化工原理為代表的化工原理系列課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課中最重要的課程，起著由“理”及“工”承上啟下的橋梁作用，其教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析和解決化工單元操作中實際工程問題的能力?；ぴ硐盗姓n程包括：理論課、實驗課、生產(chǎn)或仿真實習(xí)和課程設(shè)計四個環(huán)節(jié)。其中化工單元操作過程設(shè)計方法、操作原理及其計算是理論課程教學(xué)的重要內(nèi)容，而迅速準確地進行工程計算是課程設(shè)計的基礎(chǔ)，所以組織好化工原理理論課程教學(xué)是落實化工原理整體教學(xué)的關(guān)鍵。目前，化工原理主要授課內(nèi)容：流體流動、流體輸送機械、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、原理和工程計算方法，而通用過程模擬軟件中幾乎包括所有常見的化工單元基本模塊，在講課過程中，教師可以在講授基本原理后，使用軟件中的相關(guān)計算模塊對其工作特性進行模擬展示。

東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院肖國民、李浩揚[3]等，利用Fluent、Aspen plus軟件應(yīng)用于講授和解決“三傳”問題。其中利用Fluent軟件，對固定床反應(yīng)器進行動量模擬，結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)模型和對流傳熱模型等，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)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。這一過程給學(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)的進行程度相輔相成，而且若想準確計算、設(shè)計或優(yōu)化一個單元操作過程，實驗情況與計算模擬必須相互反饋，相得益彰。利用Aspen plus軟件對二苯基甲烷二異氰酸酯換熱器進行設(shè)計和工程開發(fā)，與傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計計算方法相比，結(jié)果具有可靠性高、計算用時少、繪圖快、和各專業(yè)集成效應(yīng)強等優(yōu)勢。通過對甲醇—水精餾過程模擬，說明該軟件可用于質(zhì)量傳遞方面的計算。教學(xué)實踐證明，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算結(jié)果，而且還可通過系統(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)詳細設(shè)計，另外學(xué)生還可以通過改變模擬計算條件，綜合考察各因素對分離效果的影響，便于教學(xué)。中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院劉相、王蘭娟[16]利用軟件：Mathcad、Aspen plus和AutoCAD與傳統(tǒng)的課程設(shè)計相結(jié)合的教學(xué)方式，簡化繁瑣的計算過程，強化學(xué)生的工程意識和制圖規(guī)范，使化工原理課程設(shè)計逐步走入規(guī)范化軌道。中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院孫蘭義，張月明[17,18]等，選擇烯烴分離裝置作為研究對象應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計教學(xué)之中，利用Aspen plus、ProII獲得了最佳回流比、理論板數(shù)等重要數(shù)據(jù)，計算機教學(xué)的引入為化工原理課程設(shè)計教學(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[19]等利用Aspen plus軟件在流體流動和輸送機械、傳熱、精餾、吸收與脫吸中應(yīng)用，在教學(xué)過程中使學(xué)生看到的都是工程實例，充分踐行了理論聯(lián)系實際這一教學(xué)原則。嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院韋曉燕，譚軍[20]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Aspen plus過程模擬系統(tǒng)有目、有步驟地應(yīng)用于化工原理系列課程教學(xué)，通過單元模型操作型問題、實際案例分析和課程設(shè)計三個階段的訓(xùn)練，使學(xué)生加深對化工單元設(shè)計的理解，達到培養(yǎng)“知識”+“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[22]等和安陽大學(xué)化工系李安林，張換平[23]等將ChemCAD軟件應(yīng)用與化工課程設(shè)計和簡捷精餾模型，青海大學(xué)化工學(xué)院李曉昆，張宏[24]等將ECSS軟件應(yīng)用在板式精餾塔工藝計算中。華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院鄭秀玉，李瓊[25]還將過程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化工仿真實習(xí)教學(xué)的改革與實踐當(dāng)中，取得了寶貴的教學(xué)經(jīng)驗。

實際工程問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)過多次運算與討論分析。如操作型計算，盡管與設(shè)計型應(yīng)用的原理是一樣的，但是因為思考問題的角度不同，使得此類問題復(fù)雜、靈活，綜合條件的選擇計算不是一次完成，而是需要多次試算，反復(fù)迭代，加之公式復(fù)雜，計算步驟繁多，計算量很大。模擬軟件的應(yīng)用是解決這類問題行之有效的捷徑，既幫助學(xué)生加深了對各化工單元的認識與理解，又培養(yǎng)了他們解決實際工程問題的能力。

3 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。其主要研究內(nèi)容的共性為過程開發(fā)、工藝設(shè)計以及實際生產(chǎn)操作過程中遇到的工程問題。在化工生產(chǎn)過程中，化學(xué)反應(yīng)是生產(chǎn)的核心，而分離過程則是其前的原料凈化和其后的產(chǎn)品精制，一般來說分離裝置的費用占總投資的70%以上。過程模擬系統(tǒng)中，基本上包含了教學(xué)過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)實際需求二次開發(fā)反應(yīng)器模塊子程序。而對于化工分離過程的模擬無論是從可模擬介質(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Aspen Plus中用于模擬所有類型的多級汽-液、液-液平衡為例，其計算分為簡捷、嚴格法兩種。簡捷法計算單元模塊庫有三類：簡捷法精餾設(shè)計、簡捷法精餾核算和石油簡捷蒸餾。嚴格法計算單元模塊庫有六類：嚴格精餾、復(fù)雜塔嚴格精餾、石油嚴格蒸餾、基于質(zhì)量傳遞速率蒸餾、嚴格間歇蒸餾和嚴格液-液萃取，每一類單元模塊庫中又有多個以進料、加熱器（冷凝器）和側(cè)線物流等不同組合形式，如：嚴格精餾不僅可用于兩相(汽-液)計算，還可用于三相(汽-液-液)計算，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程，而石油嚴格蒸餾庫中就有近50種形式可選，所以過程模擬系統(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[26]等采用教學(xué)內(nèi)容與 Aspen Plus 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，在課堂上非常快速直觀的讓學(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)生對反應(yīng)過程的理解，并通過軟件使用可以回答，“如果改變某些條件，那么對于結(jié)果有哪些影響？”這樣的問題。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系戴斌，徐宏[27]利用化工過程模擬系統(tǒng)ChemCAD二次開發(fā)工具，在SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的工藝設(shè)計上，通過使用VBA語言編程，實現(xiàn)有復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)方程的反應(yīng)器工藝設(shè)計。變換不同的SO2轉(zhuǎn)化工藝條件，計算得到與之對應(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[28]等對化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)改革和實踐，在實驗中引入Aspen Plus軟件強化計算機應(yīng)用，提高了學(xué)生們的設(shè)計和綜合分析能力。該軟件也正被學(xué)生用在大學(xué)生化工設(shè)計競賽、畢業(yè)設(shè)計和科技創(chuàng)新等環(huán)節(jié)。天津大學(xué)化工學(xué)院李士雨，齊向娟[29]給出了應(yīng)用ChemCAD模擬軟件更新分離過程教學(xué)內(nèi)容的初步方案包括：分離過程熱力學(xué)、自由度分析的原理和方法、單級平衡和多級平衡模擬計算等。得出：無論從國內(nèi)外化工分離過程教學(xué)內(nèi)容的更新趨勢上看，還是從工業(yè)界對分離過程教學(xué)內(nèi)容需求的變化上看，在分離過程教學(xué)內(nèi)容中增加計算機模擬分析方法是大勢所趨。華東理工大學(xué)化工學(xué)院李偉，朱家文[30]等采用模擬軟件ProII在化工分離習(xí)題課上，同時改變熱力學(xué)方法、閃蒸條件、壓力等，完成不同條件下的多種閃蒸計算。進行丙烯精制塔精確計算可對塔操作參數(shù)進行多方案計算和比較，實現(xiàn)整體優(yōu)化；通過調(diào)節(jié)操作參數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的純度和塔的能耗比較，在其之間建立量化概念，這對于思考許多分離基本問題是十分有益的。江蘇石油化工學(xué)院朱建軍、林西平[31]等利用Aspen Plus 軟件對醋酸與乙醇催化反應(yīng)精餾塔進行模擬，回流比、進料組成、進料位置等對醋酸與乙醇收率的影響進行了分析，結(jié)果表明：運用Aspen Plus軟件可以有效、快捷、方便地模擬脂化反應(yīng)精餾過程，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[32]將Aspen Plus軟件引入分離工程課程及實驗教學(xué)中。通過演示軟件操作錄像、學(xué)習(xí)模擬經(jīng)典實例等方法，使學(xué)生迅速掌握并使用軟件，借此求解泡、露點及塔板數(shù)等。廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院秦祖贈，葛利[33]等利用ProII對膨脹器的氣體加工裝置進行模擬，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院盧澤湘，范立維[34]等利用Aspen Plus對甲基叔丁基醚(MTBE)的催化反應(yīng)精餾工藝進行模擬，并進行教學(xué)演示和講解。著重在混合物熱力學(xué)性質(zhì)的計算、多組分平衡分離過程計算上，真正做到了“嚴格計算”。同時指出軟件對化工熱力學(xué)、化工設(shè)計等課程的學(xué)習(xí)也會有較大的幫助，連續(xù)三年化工專業(yè)本科生對過程模擬系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣調(diào)查中，“學(xué)習(xí)興趣強烈”的分別占到總?cè)藬?shù)：72.8%、83.2%、86.8%。

將過程模擬系統(tǒng)應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)，避免了大量計算公式推導(dǎo)、復(fù)雜數(shù)值計算等問題，可以在少用課時的情況下，盡量全面地展示化學(xué)反應(yīng)工程的核心內(nèi)容。多組分多平衡級分離的嚴格計算，是設(shè)計分離設(shè)備和優(yōu)化操作過程的必要計算手段，也是化工分離工程教學(xué)的主要內(nèi)容。使用過程模擬系統(tǒng)，在進行MESH方程推導(dǎo)及基本算法介紹的同時，使得塔的精確計算和將熱力學(xué)中相對獨立的知識運用到具體的分離過程中，解決其工程實際問題成為可能，并且可以對塔的操作參數(shù)、分離要求和設(shè)備投資、運行費用等問題進行分析計算，極大地提高了學(xué)習(xí)的深度與廣度，使學(xué)生更加主動積極，綜合分析和解決實際工程問題的能力明顯提高。

4 結(jié) 語

通過對以上課程的學(xué)習(xí)及過程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用，為接下來學(xué)好化工過程合成與分析創(chuàng)造了條件，為化工設(shè)計打下了基礎(chǔ)，同時這兩門課程對過程模擬系統(tǒng)的應(yīng)用又是不可或缺的。由此可見，過程模擬系統(tǒng)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心知識點有機綜合、相互貫通而成的產(chǎn)物，是新時期培養(yǎng)具有過程科學(xué)和工程知識背景的計算機應(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，強調(diào)核心知識點在專業(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)用過程模擬系統(tǒng)無疑是這一特征的具體體現(xiàn)。

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Progress of Application and Research on Process Simulation Software in Chemical Engineering Teaching

LI Xiao-kun, ZHANG Hong, YAN Zhi-Qiang, TANG Qiang, ZHANG Pen-Yu
(School of Chemistry and Engineering, Qinghai University, Qinghai Xining 810016, China)

The process simulation software has gained more attention in the field of chemical industry. In the article, application results of the process simulation software in chemical engineering core courses which include chemical engineering thermodynamics, chemical engineering principle, chemical reaction engineering and chemical separation engineering in recent years were introduced, and the development trend was prospected.

Process simulation software; Chemical engineering teaching; Application

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）02-0392-05

青海省科技廳基金項目，項目號：2013-G-Q15A-2。

2014-09-12

李曉昆（1969-），男，北京人，副教授，1990年畢業(yè)于青海大學(xué)無機化工專業(yè)，研究方向：從事化工原理課程教學(xué)和化工工藝過程設(shè)計開發(fā)工作。E-mail：2374894262@qq.com。