工程軟件在化工原理課程設(shè)計中的應(yīng)用

2016-05-30 20:26:04熊航行李官銳許維秀

教育教學論壇 2016年22期

熊航行李官銳許維秀

摘要：本文介紹了Excel、Aspen Plus、AutoCAD三種軟件在化工原理課程設(shè)計的應(yīng)用，免去了粗糙、煩瑣、耗時的手工計算，以期使學生的計算機用能力和工程能力得到培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Excel；Aspen Plus；AutoCAD

中圖分類號：TQ021.4 文獻標志碼：B 文章編號：1674-9324（2016）22-0209-02

化工原理課程設(shè)計屬于化工原理的一個分支，是化工原理不可或缺的一個分支，是化工類專業(yè)的學生在校期間進行的第一次設(shè)計，是化工原理課程理論教學結(jié)束后，針對化工生產(chǎn)過程中某一具體單元操作，利用大一、大二學過的機械制圖、計算機基礎(chǔ)、Auto CAD、物理化學、化工原理等相關(guān)學科的基礎(chǔ)知識，在給定的工藝條件下，由學生獨立進行的一次設(shè)計實踐[1]。

計算機科技的進步是計算機軟件的應(yīng)用和發(fā)展突飛猛進，使現(xiàn)代工業(yè)飛快發(fā)展。由于化工原理課程設(shè)計所采用的公式多，計算工作量大，并且復(fù)雜，學生做起來費時費力。隨著工程軟件的發(fā)展，利用工程軟件進行化工原理課程設(shè)計，可以給學生注入現(xiàn)代設(shè)計理念，使學生的計算量和計算強度大幅度降低，使學生的設(shè)計水平得到大大提到，以便適應(yīng)企業(yè)將來的需要[2-4]。

一、利用EXCEL軟件簡化計算

Excel是微軟公司辦公軟件Office的重要組成部分，Excel具有強大的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理能力，在分析、計算和優(yōu)化復(fù)雜工程問題時應(yīng)用較廣。例如，回歸分析試驗或統(tǒng)計數(shù)據(jù)，求解多變量、非線型方程組，定量預(yù)測技術(shù)、經(jīng)濟可行性等。化工類專業(yè)的學生在大一學習過計算機基礎(chǔ)，學生比較熟悉該軟件。Excel具有自動填充功能、簡單函數(shù)功能以及單變量求解功能，利用Excel的自動填充功能可以自動計算一些要逐板計算法或者圖解法求解的一些化工問題，該方法高效、準確、簡便，減少學生的計算量，提高學生的積極性[5-6]。大多數(shù)院校的化工原理課程設(shè)計題目大多選擇的是精餾塔（含換熱器）的設(shè)計，對于精餾塔（含換熱器）的設(shè)計，需要多次的反復(fù)試差計算，再確定氣液兩相的相平衡關(guān)系；精餾塔塔頂、塔底的溫度的確定；理論塔板數(shù)的逐板計算和圖解計算；適宜回流比的確定；換熱器傳熱系數(shù)的選取與校核；精餾塔負荷性能圖的繪制等方面均可以使用Excel軟件，從而簡化很多煩瑣的計算，并且計算結(jié)果相對于手工計算更趨合理和可靠性，可使學生對Excel的功能有深層次的認識和理解。

比如：利用逐板計算方法計算精餾塔的理論塔板數(shù)，需要交替利用相平衡方程和操作線方程進行多次重復(fù)計算，當理論塔板數(shù)很多時，若是手工計算必將難以勝任的。而利用Excel具有循環(huán)功能，只需要輸入操作線方程和平鄉(xiāng)縣方程中所需要的判斷條件和參數(shù)，精餾段理論板數(shù)、加料板位置以及全塔理論板數(shù)就能很快得到。

劉承先[7]進行精餾塔理論板數(shù)的計算時使用了Excel，利用Excel軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力，既顯示出利用手進行逐板計算法的準確，還顯示出各板汽液組成能算出的優(yōu)點，而且免去了煩瑣的逐板計算法，特別是在操作性計算類型中更顯示出優(yōu)越性。結(jié)果表明，Excel軟件無論是對簡單的二元精餾還是對多元物系復(fù)雜的精餾，均可減輕試差或計算的麻煩。

劉俏[8]等人在計算不同回流比下各個塔板上的汽-液平衡組成時也使用了利用Excel軟件，通過物系的溫度-組成數(shù)據(jù)表，求取各板上泡點液利用了其液相組成，即可快速找到不同回流比下最大泡點差所對應(yīng)的理論板——靈敏板。當進料組成及回流比發(fā)生波動時，既有助于控制精餾塔的正常運轉(zhuǎn)，又穩(wěn)定了餾出液的組成。

二、利用Aspen Plus流程模擬軟件使設(shè)計變得高效、快捷

化工過程流程模擬就是將一個由許多過程組成的化工流程用數(shù)學模型表現(xiàn)，用計算機求解描述整個化工生產(chǎn)過程的數(shù)學模型，得到有關(guān)該化工過程性能的信息。受數(shù)據(jù)可得性和手算可行性的限制，教師往往選擇簡單或簡化的化工原理課程設(shè)計題目，難以真正反映實際的化工設(shè)計過程，勢必使課程設(shè)計的效果受到影響。因此，有必要將先進的計算機模擬技術(shù)引入計算過程中。

化工過程流程模擬軟件Aspen Plus的單元模塊類似于化工原理課程中的單元操作，都是將抽象出操作過程中的共性來進行數(shù)學建模，從而對計算問題進行解決；但Aspen Plus軟件根據(jù)自己的算法建立了一系列的模型以適應(yīng)計算機計算的，用戶只要解決問題時，根據(jù)不同模型的特點選擇即可[9-12]。

化工原理課程設(shè)計的工藝計算中的部分環(huán)節(jié)，如：獲得理想物系理論板數(shù)和回流比之間的關(guān)系可以利用流程模擬軟件Aspen Plus中的DSTWU這一簡捷法設(shè)計模塊[2]；利用靈敏度分析工具可以優(yōu)化設(shè)計進料板的位置，確定最適宜的進料位置；獲得化工原理課程設(shè)計所需要的物性參數(shù)；利用Aspen Plus中的嚴格精餾計算模塊RADFRAC和換熱計算HEATX模塊對冷凝器和再沸器的熱負荷以及換熱器面積和公用工程耗量進行計算；充分挖掘Aspen Plus的各項功能可以計算總費用等等。通過Aspen Plus軟件可以全部完成化工原理課程設(shè)計中的工藝計算部分，這樣顯著提高設(shè)計的效率，避免手工計算的高工作量，而且設(shè)計結(jié)果更可靠，更貼近工程實際。

三、利用Auto CAD軟件強化學生工程意識

化工類專業(yè)一般開設(shè)有AutoCAD和化工原理兩門課，并且AutoCAD在化工原理課程之前先行開設(shè)，為了強化學生的計算機應(yīng)用能力，在化工原理課程設(shè)計中可以要求學生利用AutoCAD來進行畫圖，淘汰費時費力的手工畫圖。比如可以要求學生利用AUTOCAD解決如下問題：繪制相平衡曲線；圖解法求取理論塔板數(shù)；不規(guī)則平衡線下的最小回流比的求取；板式塔的汽液負荷性能圖；工藝流程圖；工藝條件圖；裝配圖；吸收計算中利用CAD查詢法求取傳質(zhì)單元數(shù)；三元物系萃取的圖解計算[13-16]。

由于AutoCAD的圖解過程直觀、簡單、精確，可以大大提高學生將計算機應(yīng)用于工程計算的能力，培養(yǎng)學生的工程意識，為培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才目標打下了一定的基礎(chǔ)。

例如：XD=0.95，XF=0.40，XW=0.05，R=1.6，q=1.22，α=2.92，精餾段操作線方程：y■=0.667x■+0.317；提餾段操作線方程：y■=1.44x■-0.022，泡點進料，塔頂為全凝器，利用Auto CAD軟件求取理論塔板數(shù)的方法精餾塔的理論塔板數(shù)的求取見圖1。

四、結(jié)束語

將計算機技術(shù)與工程問題相結(jié)合，利用工程軟件輔助設(shè)計是提高化工原理課程設(shè)計質(zhì)量的有效方法，一次成功的化工原理課程設(shè)計訓練，可以有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神科學和計算能力，提高學生學習的積極性和主動性，提高學生的工程觀念和綜合能力，從而培養(yǎng)出以工程軟件為工具的高等技術(shù)應(yīng)用型人才。

參考文獻：

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[5]劉玉蘭，齊鳴齋.Excel在精餾塔設(shè)計中的應(yīng)用[J].化工高等教育，20009，26（4）：93-95，100.

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[7]劉承先.用Excel進行精餾塔的理論板數(shù)的計算[J].山東化工，2003，（2）：9-11.

[8]劉俏，王劍鋒.用Excel電子表格確定精餾塔靈敏板位置[J].計算機與應(yīng)用化學，2000，（4）.

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[11]劉保柱，于鳳文，朱菊香.Aspen Plus應(yīng)用于化工原理課程設(shè)計的實踐[J].化工高等教育，2007，（2）：23-25.