化工輔助軟件在化學反應工程教學中的應用

吳現力 王菊 杜春華 翟乃華

摘要：化學反應工程具有很強的理論性和實踐性，在化學工程與工藝專業的培養體系中占有非常重要的地位。但其理論內容相對獨立，加之涉及到大量的數值計算，學生在學習過程中普遍感到困難。采用虛擬仿真實驗軟件和Aspen流程模擬軟件等輔助軟件，可以從輔助實驗、輔助反應器模擬設計對化學反應工程進行輔助教學，加深學生對反應工程理論的理解，并掌握反應器模擬和設計的方法。采用化工輔助軟件教學可以提高學生的學習興趣，培養學生的思維能力，豐富和深化教學內容，拓寬學生的知識面，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：化學反應工程；教學；虛擬仿真；Aspen

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0176-02

化學反應工程是關于如何在工業規模上實現化學反應過程，以期最有效地把原料轉化為盡可能多的目標產品，爭取實現經濟效益，滿足國民經濟需要的一門學科。它的研究對象為工業反應過程，研究過程速率及其變化規律、傳遞規律及其對化學反應的影響。其研究方法是結合實驗數據，通過模型化方法解決反應器的開發放大、結構選型、尺寸設計、操作優化等實際問題[1，2]。化學反應工程實驗內容包括反應動力學測定、反應器流動狀態測定等實驗。采用真實實驗裝置進行實驗，存在實驗時間較長，實驗參數不易確定，生成物檢測困難等問題，而且一般同種設備只有一套，數個學生共同操作一個實驗，不能進行充分的鍛煉。隨著計算機技術的發展，利用輔助軟件進行教學以越來越顯示出其優越性[3，4，5]。在化學反應工程這門課程中，可以采用化工虛擬仿真實驗軟件和流程模擬軟件Aspen進行輔助教學，并取得了良好的輔助效果。

一、化工虛擬仿真實驗軟件

虛擬仿真實驗是實驗教學的重要補充，具有直觀性、系統性、綜合性、安全性、經濟性的特點，能給學生提供全面的技能訓練，獲取完善的知識體系、完備的綜合能力。

在真實的實驗當中由于受教學資金的限制，實驗設備臺套數不足或設備陳舊，學生實驗難以充分開展。而虛擬仿真實驗可以快速擴容、更新升級。在真實實驗平臺中，部分按照人才培養計劃要求必須開展的實驗項目由于高危險、高成本、高消耗及高污染等問題無法開展。采用虛擬仿真軟件，可以節約實驗成本，以安全環保的形式強化實踐訓練。

傳統的實驗預習方法陳舊不能調動學生的積極性，用虛擬仿真實驗考核來代替傳統實驗的預習，讓學生自主通過虛擬實驗知識學習系統，完成對重要知識點的學習；同時在仿真軟件中練習操作，操作過程中后臺會對操作結果自動評分，學生完成操作后可以提交虛擬實驗仿真報告，從而大大提高預習效果。

反應過程要受到溫度、壓力、流動狀況等多種因素的影響，且各因素之間具有很強的耦合性。在實際實驗中，通過改變參數實現反應過程的最優化，要耗費大量的人力物力。而通過虛擬實驗，可以快速改變參數，獲得實驗結果，探索反應過程的規律。把虛擬實驗結果帶到實際實驗中加以驗證。通過虛實結合，能有效提高真實實驗效率和結果最優化。

學校現在有乙苯脫氫制苯乙烯、多釜串聯反應器返混的測定、填料塔液相軸向混合實驗、氣固催化固定床實驗、反應精餾制乙酸乙酯、煤制油、甲醇合成七套反應工程類的虛擬仿真實驗項目。通過虛擬仿真練習，開拓了學生的視野，提升了知識結構，培養了綜合設計和創新能力。

二、Aspen軟件

Aspen是一個通用的流程模擬軟件，采用模塊化的建模方式，可以對化工生產中反應、混合、分離、換熱、流體輸入等單元操作進行模擬計算。在反應模塊，有7個內置的反應器模型，其中生產能力類反應器2種（Rstoic、RYield）、熱力學平衡類反應器2種（REquil、RGibbs）和化學動力學類反應器3種（RCSTR、RPlug和RBatch），涵蓋了化學反應工程中所有的常用模型。具體的功能如表1所示。動力學模型包括內置的冪次定律、LHHW（Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson）動力學或用戶自定義的動力學。自定義的動力學可以用Fortran子程序或者excel工作表格定義。通過這些模塊可以計算質量和能量平衡、反應熱、產品選擇性、反應程度和相平衡結果。

Aspen采用向導式的操作界面，逐步輸入反應體系組分、物性方法、進口流股信息、反應器模塊信息就可以進行模擬計算。反應器模塊中需要根據選定的模塊輸入反應方程式、轉化率、收率、反應溫度、壓力、反應動力學、反應器尺寸中的部分信息。

學生可以通過Aspen軟件搭建所需的反應體系模型，比固定的虛擬仿真軟件更加靈活，更有助于理解化學反應工程的基礎知識。Aspen軟件應用于反應工程教學，也避免了復雜的數學推導以及數值求解問題，使得反應過程盡可能的形象化，有助于學生對反應過程的理解并激發學生學習興趣。

三、結論

1.化學反應工程是一門理論和實踐性均非常強的學科，采用虛擬仿真實驗軟件進行輔助實驗教學，更加直觀、便捷、安全和經濟，能給學生提供全面的技能訓練，并獲取完善的知識體系和完備的綜合能力。

2.Aspen軟件是綜合性強的系統軟件，學生可以根據需要建立合適的反應器模型，并可以方便地進行調試和比較，完全避免了復雜的數學推導以及數值求解問題，加深了學生對反應工程的理解。

參考文獻：

[1]余國琮，李士雨，張鳳寶，等.“化學工程與工藝”專業創新人才培養方案的制定與實踐[J].天津大學學報，2004，6（1）：1-5.

[2]粟海鋒.化學反應工程課程教學實踐的一些體會[J].廣西大學學報，2003，28（z）：99-101.

[3]朱巧鳳，慕苗.淺談化工仿真軟件在化學工藝專業教學中的應用[J].山東化工，2013，42（10）：190-191

[4]王曉安.化學工程中計算機技術的運用探討[J].工業經濟管理，2014，（10）：129.

[5]王彥飛，朱亮，楊立斌.Aspen Plus應用于反應工程教學的實踐[J].廣東化工，2011，38（9）：187-188.

[6]Aspen Plus User Guide，Version 7.2[EB].2001.