過程模擬系統在化學工程專業教學中的應用研究進展

李曉昆，張 宏，閆志強，湯 強，張鵬宇

(青海大學 化工學院，青海 西寧 810016)

模擬與計算

過程模擬系統在化學工程專業教學中的應用研究進展

李曉昆，張 宏，閆志強，湯 強，張鵬宇

(青海大學 化工學院，青海 西寧 810016)

過程模擬系統在當今的化學工程領域倍受關注。綜述了近幾年來過程模擬系統在化學工程與工藝專業核心課程：化工熱力學、化工原理、化學反應工程和分離工程等教學過程中的應用成果，并對其發展趨勢和應用的必要性進行展望。

過程模擬系統；化工教學；應用

隨著電子計算機和各種數值計算軟件在化學工程中的廣泛應用，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勢，傳統的化學工程專業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科，而計算能力無疑也是學生創新能力的重要組成部分。對利用過程模擬系統在計算機上建立起來的“虛擬化工廠”、“桌面煉油廠”等從設計預測到操作運行，到性能反饋、改進改造等各個細節進行詳細研究，這種方法出現于上世紀50～60年代[1]。沿革至今，過程模擬系統一般包含完備的熱力學、單元操作和反應過程模塊，并配備有龐大的物性數據庫和物性估算系統，以及功能強大的數學計算方法庫，使其既可進行單個設備計算，也可進行整個化工生產流程計算[2-4]。通用穩態過程模擬系統有Aspen Plus、ProII、ChemCAD和ECSS等，在當今過程工程科研領域得到普遍應用的同時，產生的巨大經濟效益，推動了技術進步。

在工程教育國際化，并與科學研究、工業生產趨向一體化的背景下，怎樣將化工專業核心課程在教學過程中相互融合、相互貫通，使之與現代科學技術發展同步，是化工專業教育亟待解決的共性問題[5,6]。過程模擬系統的應用是解決這種貫通和結合的方法之一，對國內高等學校化學工程專業課程內容的深化、教學效果的提高更具有實際意義。

1 在化工熱力學教學中的應用

在化學工程與工藝本科生必修專業課程中，化工熱力學是核心課程之一，其原理和知識點是從事化工過程研究、開發和設計等方面工作必不可少的重要理論基礎，是一門理論性與工程應用性均較強的課程。化工熱力學的主要研究范疇在于決定設計各種單元操作過程、分離過程和化學反應器所需的相平衡、化學反應平衡數據、參數和平衡時的狀態參數及對化工過程進行熱力學分析等[7,8]。過程模擬系統攜帶幾十種化工熱力學方程及其物性數據庫，可以對化工過程中主要物系進行描述。如果數據庫中沒有相關物性數據時，可以使用物性估算系統進行近似估算，也可使用較少的實驗數據對物性參數進行回歸[9]。

浙江大學化學工程與生物工程學系陳新志、趙倩等[10,11]，在化工熱力學教學中，基于Aspen Plus在計算均相和純物質飽和性質時，只需輸入獨立變量和相態即可通過軟件自帶的特性數據庫獲得。在計算混合物性質時，同樣可調用純組分臨界參數、二元相互作用參數等數據和模型。過程簡便、效率高、結果準確，有助于后續化工專業課程的學習和對熱力學性質的理解。華東理工大學國家化學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，計算發酵液中低濃度1，3-丙二醇分離的中間產物2-甲基-1，3-二噁烷(2MD)的物性，得到：如果軟件物性數據庫中沒有計算物質的物性, 可利用軟件本身的物性估算系統進行估算，其結果經已知的實驗數據校驗具有一定可靠性，計算精度完全可以滿足工程設計的需要。東南大學李英杰, 趙長遂[13]等利用過程模擬系統對O2/CO2氣氛下煤的燃燒產物進行了熱力學模擬計算。結果表明，這種方法可以較好的模擬煤在O2/CO2氣氛下的燃燒過程。經過幾年的發展，Aspen Plus在煤化工領域得到廣泛的應用，同時可以模擬生物質的燃燒、氣化等生產工藝，得到許多精確模擬結果，能夠較好反映其變化趨勢。應用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整和熱力設備設計、改造提供參考數據。中國科學院山西煤炭化學研究所、中國科學院研究生院高軍虎、吳寶山[14]等基于Aspen Plus軟件建立了費托合成產物（一氧化碳和氫氣轉化為液體燃料或化學品）物性數據庫和熱力學平衡模擬分析模型, 對費托合成的全局和局部熱力學平衡進行了詳細研究，熱力學平衡預測的總產物分布與實驗產物分布非常相似；若假定反應處于局部熱力學平衡, 則預測的產物分布鏈增長因子和烯烷比很接近實驗值；熱力學預測的反應條件對產物分布的影響也與實驗結果基本一致。中國化工科學研究總院楊友麒[15]對一個常規的硫氧化過程用Aspen模擬系統來進行損耗功分析和熱力學分析，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模擬系統為實現工業實際的復雜流程的熱力學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，化工熱力學與Aspen物性計算的原理是一致的，在教學中運用該軟件，可簡化計算過程，激發學生學習興趣，大大提高教學效率；另一方面，學生在利用軟件過程中，可了解更多基礎數據來源，掌握軟件計算原理的內核，提高其應用能力，解決了在以往學習中只知結果，不能分析結果的問題，為后續課程學習打下了扎實的基礎，也使得化工過程熵計算成為可能。

2 在化工原理教學中的應用

以化工原理為代表的化工原理系列課程是化學工程與工藝專業本科生必修的專業基礎課中最重要的課程，起著由“理”及“工”承上啟下的橋梁作用，其教學目的就是培養學生運用所學知識分析和解決化工單元操作中實際工程問題的能力。化工原理系列課程包括：理論課、實驗課、生產或仿真實習和課程設計四個環節。其中化工單元操作過程設計方法、操作原理及其計算是理論課程教學的重要內容，而迅速準確地進行工程計算是課程設計的基礎，所以組織好化工原理理論課程教學是落實化工原理整體教學的關鍵。目前，化工原理主要授課內容：流體流動、流體輸送機械、非均相物系的分離和固體流態化、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，使用軟件中的相關計算模塊對其工作特性進行模擬展示。

東南大學化學化工學院肖國民、李浩揚[3]等，利用Fluent、Aspen plus軟件應用于講授和解決“三傳”問題。其中利用Fluent軟件，對固定床反應器進行動量模擬，結合反應動力學模型和對流傳熱模型等，研究反應器內一氧化碳與硝酸二乙酯偶聯反應，從而獲得反應器內速度、溫度和各物質濃度的分布情況，模擬結果與實驗數據吻合良好。這一過程給學生清晰的展示了：不僅固定床反應器內部的“三傳”均和反應的進行程度相輔相成，而且若想準確計算、設計或優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計和工程開發，與傳統的換熱器設計計算方法相比，結果具有可靠性高、計算用時少、繪圖快、和各專業集成效應強等優勢。通過對甲醇—水精餾過程模擬，說明該軟件可用于質量傳遞方面的計算。教學實踐證明，該方法不僅可以全面反映塔內物料組成、質量分布狀況等工藝計算結果，而且還可通過系統內置板式塔或填料塔的各種塔內件參數，得到塔結構詳細設計，另外學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。中國石油大學（華東）化學工程學院劉相、王蘭娟[16]利用軟件：Mathcad、Aspen plus和AutoCAD與傳統的課程設計相結合的教學方式，簡化繁瑣的計算過程，強化學生的工程意識和制圖規范，使化工原理課程設計逐步走入規范化軌道。中國石油大學（華東）化學工程學院孫蘭義，張月明[17,18]等，選擇烯烴分離裝置作為研究對象應用于化工原理課程設計教學之中，利用Aspen plus、ProII獲得了最佳回流比、理論板數等重要數據，計算機教學的引入為化工原理課程設計教學注入了新的活力。江蘇技術師范學院化學與環境工程學院張春勇，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、吸收與脫吸中應用，在教學過程中使學生看到的都是工程實例，充分踐行了理論聯系實際這一教學原則。嘉興學院生物與化學工程學院韋曉燕，譚軍[20]等，山東科技大學化學與環境工程學院張治山、高軍[21]等將Aspen plus過程模擬系統有目、有步驟地應用于化工原理系列課程教學，通過單元模型操作型問題、實際案例分析和課程設計三個階段的訓練，使學生加深對化工單元設計的理解，達到培養“知識”+“能力”型人才的目的。另外，北京石油化工學院化學工程系葛明蘭，李翠清[22]等和安陽大學化工系李安林，張換平[23]等將ChemCAD軟件應用與化工課程設計和簡捷精餾模型，青海大學化工學院李曉昆，張宏[24]等將ECSS軟件應用在板式精餾塔工藝計算中。華南理工大學化學與化工學院鄭秀玉，李瓊[25]還將過程模擬系統應用于化工仿真實習教學的改革與實踐當中，取得了寶貴的教學經驗。

實際工程問題的解決方案通常是多方面因素綜合，且呈非線性關系作用的結果，解答需要經過多次運算與討論分析。如操作型計算，盡管與設計型應用的原理是一樣的，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，反復迭代，加之公式復雜，計算步驟繁多，計算量很大。模擬軟件的應用是解決這類問題行之有效的捷徑，既幫助學生加深了對各化工單元的認識與理解，又培養了他們解決實際工程問題的能力。

3 在化學反應工程、分離工程教學中的應用

化學反應工程和化工分離工程皆為化學工程與工藝專業本科生必修的專業基礎課程。其主要研究內容的共性為過程開發、工藝設計以及實際生產操作過程中遇到的工程問題。在化工生產過程中，化學反應是生產的核心，而分離過程則是其前的原料凈化和其后的產品精制，一般來說分離裝置的費用占總投資的70%以上。過程模擬系統中，基本上包含了教學過程中所包含的各式反應器模型，另外系統還集成了用戶自定義模塊，用戶可根據實際需求二次開發反應器模塊子程序。而對于化工分離過程的模擬無論是從可模擬介質的種類和塔器的形式上，還是從模擬結果的精度上，都堪稱化工模擬技術發展的代表。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、復雜塔嚴格精餾、石油嚴格蒸餾、基于質量傳遞速率蒸餾、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，所以過程模擬系統不僅可以滿足化工分離工程課程主要內容的需要，而且對其后繼石化、煉化等工藝課程，也有較大的幫助。

天津科技大學王彥飛，朱亮[26]等采用教學內容與 Aspen Plus 軟件相結合以提高教學質量，討論環氧丙烷水解絕熱連續攪拌釜式反應器模型的多解性，在課堂上非常快速直觀的讓學生清楚了解多定態現象以及產生的原因，有助于學生對反應過程的理解，并通過軟件使用可以回答，“如果改變某些條件，那么對于結果有哪些影響？”這樣的問題。南京化工職業技術學院化工系戴斌，徐宏[27]利用化工過程模擬系統ChemCAD二次開發工具，在SO2轉化反應器的工藝設計上，通過使用VBA語言編程，實現有復雜反應動力學方程的反應器工藝設計。變換不同的SO2轉化工藝條件，計算得到與之對應的反應器體積，從而為裝置技改、去瓶頸和優化提供依據。上海應用技術學院吳錫慧，郁平[28]等對化學反應工程教學改革和實踐，在實驗中引入Aspen Plus軟件強化計算機應用，提高了學生們的設計和綜合分析能力。該軟件也正被學生用在大學生化工設計競賽、畢業設計和科技創新等環節。天津大學化工學院李士雨，齊向娟[29]給出了應用ChemCAD模擬軟件更新分離過程教學內容的初步方案包括：分離過程熱力學、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：無論從國內外化工分離過程教學內容的更新趨勢上看，還是從工業界對分離過程教學內容需求的變化上看，在分離過程教學內容中增加計算機模擬分析方法是大勢所趨。華東理工大學化工學院李偉，朱家文[30]等采用模擬軟件ProII在化工分離習題課上，同時改變熱力學方法、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進行多方案計算和比較，實現整體優化；通過調節操作參數實現產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，結果表明：運用Aspen Plus軟件可以有效、快捷、方便地模擬脂化反應精餾過程，結果可靠, 精度高。江漢大學化學與環境工程學院吳宇瓊[32]將Aspen Plus軟件引入分離工程課程及實驗教學中。通過演示軟件操作錄像、學習模擬經典實例等方法，使學生迅速掌握并使用軟件，借此求解泡、露點及塔板數等。廣西大學化學化工學院秦祖贈，葛利[33]等利用ProII對膨脹器的氣體加工裝置進行模擬，福建農林大學材料工程學院盧澤湘，范立維[34]等利用Aspen Plus對甲基叔丁基醚(MTBE)的催化反應精餾工藝進行模擬，并進行教學演示和講解。著重在混合物熱力學性質的計算、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、化工設計等課程的學習也會有較大的幫助，連續三年化工專業本科生對過程模擬系統的學習興趣調查中，“學習興趣強烈”的分別占到總人數：72.8%、83.2%、86.8%。

將過程模擬系統應用于化學反應工程教學，避免了大量計算公式推導、復雜數值計算等問題，可以在少用課時的情況下，盡量全面地展示化學反應工程的核心內容。多組分多平衡級分離的嚴格計算，是設計分離設備和優化操作過程的必要計算手段，也是化工分離工程教學的主要內容。使用過程模擬系統，在進行MESH方程推導及基本算法介紹的同時，使得塔的精確計算和將熱力學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、分離要求和設備投資、運行費用等問題進行分析計算，極大地提高了學習的深度與廣度，使學生更加主動積極，綜合分析和解決實際工程問題的能力明顯提高。

4 結 語

通過對以上課程的學習及過程模擬系統的應用，為接下來學好化工過程合成與分析創造了條件，為化工設計打下了基礎，同時這兩門課程對過程模擬系統的應用又是不可或缺的。由此可見，過程模擬系統是化學工程與工藝專業核心知識點有機綜合、相互貫通而成的產物，是新時期培養具有過程科學和工程知識背景的計算機應用人才的利器。在高等教育日趨大眾化，呈現多樣性的今天，強調核心知識點在專業規范上的統一性特征，是最終形成專業特色多樣性的前提和保證，而在教學中推廣應用過程模擬系統無疑是這一特征的具體體現。

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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年畢業于青海大學無機化工專業，研究方向：從事化工原理課程教學和化工工藝過程設計開發工作。E-mail：2374894262@qq.com。