化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽模式在化工流程模擬課程教學(xué)中的應(yīng)用

張向宇，張?jiān)平?，白術(shù)杰，張 杰，楊 慧

(1.佳木斯大學(xué) 藥學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué) 附屬第一醫(yī)院，黑龍江 佳木斯 154002)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)文明的進(jìn)步，化學(xué)工業(yè)進(jìn)入到高速發(fā)展時(shí)期，需要高層次的，創(chuàng)新型的和專(zhuān)業(yè)型的化學(xué)工程技術(shù)人才。中國(guó)石化-三井杯化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽由教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦，各大高校化工專(zhuān)業(yè)本科生和研究生組隊(duì)參加。學(xué)生綜合運(yùn)用化工原理、化工工藝學(xué)、化工熱力學(xué)、化工機(jī)械和經(jīng)濟(jì)分析等課程的知識(shí)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括新的工藝流程或?qū)ΜF(xiàn)有工藝流程技術(shù)性的改進(jìn)，新設(shè)備、新裝置的選擇和研發(fā)、車(chē)間布置和工廠(chǎng)設(shè)計(jì)等。通過(guò)參與競(jìng)賽，能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程實(shí)踐技能[1-2]。

化工流程模擬是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決化工過(guò)程的先進(jìn)技術(shù)手段，以Aspen plus軟件為教學(xué)方式，常見(jiàn)無(wú)機(jī)有機(jī)化合物的數(shù)據(jù)庫(kù)和物性方法為基礎(chǔ)算法，應(yīng)用于化工過(guò)程研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、仿真、生產(chǎn)過(guò)程控制、優(yōu)化及技術(shù)改造等。通過(guò)流程模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有流程的改造和優(yōu)化，新工藝和新設(shè)備的設(shè)計(jì)，物料衡算和能量衡算的計(jì)算等?；ち鞒棠M是參加化工設(shè)計(jì)大賽的首要任務(wù)和先決條件，合理的流程設(shè)計(jì)可以減少設(shè)計(jì)工作量，提高設(shè)計(jì)工作效率；化工設(shè)計(jì)大賽的各個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容又可以實(shí)現(xiàn)流程模擬的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[3-5]。通過(guò)本文，對(duì)我院以化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽為模式對(duì)化工流程模擬教學(xué)的應(yīng)用做一下總結(jié)。

1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

Aspen plus軟件包含絕大多數(shù)無(wú)機(jī)有機(jī)化合物的基本參數(shù)和一百多種物性方法，學(xué)生在短短的一個(gè)月內(nèi)完全掌握所有的化合物數(shù)據(jù)和物性方法是有困難的。根據(jù)對(duì)近五年化工設(shè)計(jì)大賽的題目、原料、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的研究，我們發(fā)現(xiàn)原料來(lái)源有兩種，煤制合成氣和石油裂解產(chǎn)物。因此我們將授課內(nèi)容(教學(xué)課程的前期)的課堂練習(xí)和課后習(xí)題都安排以合成氣和石油裂解產(chǎn)物為原料的習(xí)題，通過(guò)練習(xí)掌握相關(guān)的有機(jī)無(wú)機(jī)化合物的化學(xué)式、分子量、熔沸點(diǎn)和英文名稱(chēng)，如氫氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和乙烯等；同時(shí)掌握常見(jiàn)有機(jī)化合物的同素異形體的結(jié)構(gòu)和名稱(chēng)，常見(jiàn)的無(wú)機(jī)酸(鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸)和無(wú)機(jī)堿(純堿、燒堿、氨水)和無(wú)機(jī)鹽類(lèi)的性質(zhì)，基本的無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)如氧化還原、加氫脫氫、中和反應(yīng)和有機(jī)化學(xué)反應(yīng)如烷基化、羰基化、氯化、磺化、硝化、酯化等。通過(guò)有效的課堂練習(xí)，促使學(xué)生掌握建立化工流程模擬的基礎(chǔ)知識(shí)。

2 教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變

在以往的教學(xué)方法中，教師先講授理論，再介紹模塊，學(xué)生熟悉模塊，教師再通過(guò)課堂練習(xí)和課后習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)。為了增加學(xué)生的參與度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。我們?cè)谌珖?guó)化工設(shè)計(jì)大賽本年度題目確定之后(教學(xué)課程的中后期)，提醒學(xué)生查閱資料，確定反應(yīng)原料、工藝路線(xiàn)和產(chǎn)品，再后續(xù)的課題教學(xué)和課后習(xí)題中(物性方法、流程選型、模型分析工具、工藝流程模擬和流程收斂)，以學(xué)生設(shè)計(jì)的工藝流程為藍(lán)本，重點(diǎn)選擇工藝流程中的模塊、管路和設(shè)備為實(shí)例，學(xué)有余力的學(xué)生可以選修選做其他模塊練習(xí)，教師提供練習(xí)題目和參考答案。Aspen plus軟件中的單元模塊和化工原理中的單元操作原理是相同的，都是將共性的物理化學(xué)過(guò)程以模型的方式歸納出來(lái)，從而解決實(shí)際的工程應(yīng)用問(wèn)題。學(xué)生在單元模塊的學(xué)習(xí)中可以復(fù)習(xí)和鞏固化工原理的知識(shí)，并學(xué)習(xí)設(shè)備、管路、自動(dòng)控制、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的內(nèi)容，從而有效利用化工過(guò)程模擬基礎(chǔ)課程完成本年度的全國(guó)化工設(shè)計(jì)大賽[6]。

3 在課程教學(xué)中的應(yīng)用

通過(guò)化工原理、化工工藝學(xué)、化工機(jī)械等理論課程，學(xué)生能夠掌握化工傳遞過(guò)程的基礎(chǔ)理論和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)原理，通過(guò)化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)和化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)能有效的理解理論知識(shí)，掌握生產(chǎn)實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生提高工程實(shí)踐的能力。但是由于黑龍江處于高寒地區(qū)，受到地域區(qū)域和教學(xué)資源的限制，許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)備陳舊，功能單一，無(wú)法準(zhǔn)確有效讀取數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果；仿真模擬實(shí)驗(yàn)受化工流程固定模式的限制，無(wú)法自主選擇設(shè)備模塊；另外由于黑龍江是煤礦大省及實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)的影響，生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地主要集中煤炭化工企業(yè)，企業(yè)設(shè)備陳舊，更新速度較慢。應(yīng)用Aspen plus軟件能以煤炭、石油、天然氣為化學(xué)礦物為原料；使用混合器、反應(yīng)器、吸收塔、精餾塔等多種模塊設(shè)備；有效模擬動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò) 程，模擬復(fù)雜流程包括高分子聚合反應(yīng)、液液傾析、反應(yīng)精餾和固液氣三態(tài)混合物的分離。結(jié)合當(dāng)年化工設(shè)計(jì)大賽的題目，能有效的建立化工流程模擬，指導(dǎo)化工實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開(kāi)展，并通過(guò)化工設(shè)計(jì)大賽促進(jìn)化工實(shí)驗(yàn)和化工實(shí)習(xí)的進(jìn)行。在春季的課程設(shè)計(jì)中，就選用當(dāng)年化工設(shè)計(jì)大賽的題目作為設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，以賽代練，在完成化工設(shè)計(jì)大賽的同時(shí)完成課程設(shè)計(jì)[7]。

4 結(jié)論

化工過(guò)程模擬基礎(chǔ)-Aspen plus軟件課程在近年來(lái)的教學(xué)中已經(jīng)取得了良好的成果，學(xué)生多次獲得大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽國(guó)家級(jí)省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，也促進(jìn)了其他專(zhuān)業(yè)課程的順利開(kāi)展。在今后的教學(xué)后，我們會(huì)以化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽為教學(xué)模式，繼續(xù)發(fā)揮Aspen plus軟件創(chuàng)新性和應(yīng)用性的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)更好的復(fù)合型化工專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才。