計(jì)算機(jī)軟件提升《化工分離工程》課程的探索

趙紅永丁曉莉譚小耀張玉忠/.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

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計(jì)算機(jī)軟件提升《化工分離工程》課程的探索

趙紅永1丁曉莉2譚小耀1張玉忠2/1.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院2.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

【摘 要】計(jì)算機(jī)軟件的成熟發(fā)展對《化工分離工程》課程的傳統(tǒng)式教學(xué)提出了新的要求，并為該課程的進(jìn)一步完善與發(fā)展提供了有利的平臺(tái)。本文提出通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件完善《化工分離工程》課程中嚴(yán)格計(jì)算等相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生對分離過程中嚴(yán)格計(jì)算的理解。

【關(guān)鍵詞】課程建設(shè)；化工分離工程；嚴(yán)格計(jì)算；模擬軟件

《化工分離工程》是一門關(guān)于化工過程的專業(yè)課，它是通過綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，分析和解決化工生產(chǎn)中各種物理過程的工程科學(xué)[1]。目前該課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是使學(xué)生掌握各種常用傳質(zhì)分離過程的基本原理與操作特點(diǎn)，以及相關(guān)各個(gè)過程的簡捷計(jì)算。然而對于其中嚴(yán)格計(jì)算的相關(guān)部分大多停留在進(jìn)行概念性的介紹，并無法讓學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算相關(guān)的實(shí)質(zhì)性計(jì)算操作與鍛煉。

計(jì)算機(jī)軟件如今發(fā)展成為化工過程設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具。這類軟件包含各種的單元操作模塊，并且有著龐大的物性數(shù)據(jù)庫，既可以進(jìn)行單個(gè)設(shè)備的相關(guān)計(jì)算，也可進(jìn)行整個(gè)化工生產(chǎn)流程的計(jì)算。在《化工分離工程》課程教學(xué)中嘗試引入一些化工模擬軟件（如：ASPEN PLUS，PRO/II或者CHEM CAD[2]以及計(jì)算軟件（如：MATLAB）[3]輔助，希望以此能提高課程相關(guān)習(xí)題的難度，增強(qiáng)實(shí)用性，同時(shí)進(jìn)一步提高學(xué)生對實(shí)際分離過程的認(rèn)識(shí)與理解。

《化工分離工程》課程中多組份精餾與吸收是其重點(diǎn)，其中多組份精餾是重中之重，涉及到最基礎(chǔ)的氣液平衡常數(shù)相關(guān)計(jì)算，泡點(diǎn)露點(diǎn)計(jì)算，簡單平衡級(jí)閃蒸問題計(jì)算，多組份精餾簡捷計(jì)算以及其嚴(yán)格計(jì)算。下面對計(jì)算機(jī)軟件在提升《化工分離工程》課程教學(xué)問題進(jìn)行初步的探討。

一、氣液平衡基礎(chǔ)

（一）相平衡常數(shù)

相平衡常數(shù)等的計(jì)算按照分類可由狀態(tài)方程法和活度系數(shù)法進(jìn)行求解，其中分別涉及到逸度系數(shù)與活度系數(shù)的求解，這些混合物的熱力學(xué)性質(zhì)絕大多都比較復(fù)雜，不能手算完成；如果使用MATLAB計(jì)算軟件則可快速準(zhǔn)確的求解出這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)論更為準(zhǔn)確與直觀。

（二）泡點(diǎn)露點(diǎn)（溫度/壓力）計(jì)算

泡點(diǎn)露點(diǎn)計(jì)算方面，教學(xué)中通常僅針對平衡常數(shù)與組成無關(guān)的情況下的計(jì)算，并且計(jì)算過程仍需要假設(shè)迭代計(jì)算，計(jì)算量較大。而對于平衡常數(shù)與組成有關(guān)的情況下的計(jì)算則是僅僅進(jìn)行粗略的介紹，因?yàn)樵诮M成未知的情況下無法求得逸度系數(shù)與活度系數(shù)，還必須對活度系數(shù)與逸度系數(shù)進(jìn)行試差，因此學(xué)生僅僅掌握計(jì)算流程即可并無實(shí)際的計(jì)算要求。如果通過MATLAB計(jì)算軟件可輕松方便的對平衡常數(shù)與組成有關(guān)的情況進(jìn)行計(jì)算。并且如若在此引入化工模擬軟件的輔助，則可對精餾塔的塔頂溫度，塔底溫度以及壓力變化的模擬數(shù)據(jù)與MATLAB的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，使得學(xué)生更為形象直觀的了解精餾塔的操作壓力與各種公用工程介質(zhì)使用溫度之間的聯(lián)系，為將來實(shí)際工作中如何選擇分離塔操作壓力和進(jìn)行過程熱集成打下了基礎(chǔ)。

（三）簡單平衡級(jí)

簡單平衡級(jí)中閃蒸的計(jì)算較為重要，與泡點(diǎn)露點(diǎn)計(jì)算相似，教學(xué)中仍然著重于平衡常數(shù)與組成無關(guān)的情況下的計(jì)算，而對于平衡常數(shù)與組成有關(guān)的情況下的計(jì)算則由于平衡常數(shù)除了溫度和壓力外還是組成的函數(shù)，需要初估組成然后迭代求至汽化率收斂，然后再估算組成并計(jì)算平衡常數(shù)，重新迭代汽化率，直至組成無變化。整個(gè)過程迭代繁瑣計(jì)算量大，教學(xué)中往往只進(jìn)行簡單介紹。此處如果配以MATLAB計(jì)算軟件與化工模擬軟件輔助則可準(zhǔn)確迅速的進(jìn)行計(jì)算，且可進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對比與討論，從而進(jìn)一步掌握計(jì)算方法的內(nèi)在含義。

二、多組份普通精餾與特殊精餾的簡捷計(jì)算

（一）多組份普通精餾簡捷計(jì)算

多組份精餾普通簡捷計(jì)算方面，整體使用FUG法求解。其中最少理論塔板數(shù)利用Fenske方程進(jìn)行求解，之前需要確定關(guān)鍵組分，估算塔頂塔底溫度算出相對揮發(fā)度，然后通過Fenske方程進(jìn)行求解，過程較為復(fù)雜需要進(jìn)行驗(yàn)證非關(guān)鍵組分的含量，其計(jì)算量較大。如果在此配有MATLAB進(jìn)行輔助，可省去繁瑣的計(jì)算過程時(shí)間，使學(xué)生有更多的時(shí)間對于關(guān)鍵組分的選取，清晰分割的劃分，分配與非分配組分的定義從計(jì)算中有一個(gè)更直觀的了解與認(rèn)識(shí)。

（二）萃取精餾與共沸精餾的過程分析

特殊精餾中萃取精餾與共沸精餾的方面概念性知識(shí)較多，過程分析是其重點(diǎn)。在此若配以化工模擬軟件，則可讓學(xué)生更為直觀的了解萃取溶劑，共沸劑等的流速，溫度濃度變化對整個(gè)特殊精餾過程的影響，并可進(jìn)行萃取劑與共沸劑的選擇操作，從而更直觀的認(rèn)識(shí)溶劑的親和性以及共沸劑的極性與共沸點(diǎn)對精餾體系的影響。

三、吸收過程的過程分析

吸收過程章節(jié)，簡捷計(jì)算較為簡單，簡化各板的吸收因子后，計(jì)算無需迭代假設(shè)。吸收過程由于其放熱過程以及單項(xiàng)傳質(zhì)，使其過程分析較為重要特別是四種主要熱效應(yīng)的解讀方面。在此如果配以化工模擬軟件，通過較為接近實(shí)際的模擬吸收塔，了解吸收過程熱效應(yīng)對整個(gè)塔溫度的影響以及單項(xiàng)傳質(zhì)對塔內(nèi)流速的影響，使得學(xué)生更為形象與直觀的了解與掌握吸收過程。

四、過程的嚴(yán)格計(jì)算

這部分中主要涉及的MESH方面的建立與求解，其中重點(diǎn)介紹了方程解離法中三對角矩陣法與逐板計(jì)算法的計(jì)算流程。計(jì)算中，描述精餾模型的MESH方程組求解困難，且求解過程通常還包括各種氣液平衡數(shù)據(jù)的計(jì)算、多種矩陣運(yùn)算和數(shù)值算法、求解熱力學(xué)性質(zhì)和物性時(shí)用到的插值和參數(shù)擬合等，計(jì)算非常復(fù)雜。目前的教學(xué)往往停留在簡略介紹的階段。在此如果配以MATLAB計(jì)算軟件與化工模擬軟件，則可大大簡化計(jì)算的難度并縮短了計(jì)算時(shí)間，還可通過模擬軟件中類似的模塊對各個(gè)過程的嚴(yán)格計(jì)算使得學(xué)生對其有更為詳細(xì)的了解，并且對于多組分精餾以及多組份吸收有更深刻的理解。例如：ASPEN PLUS 里的RadFrac模塊就是采用嚴(yán)格計(jì)算方法中的逐板法。由于軟件計(jì)算的效率高，模擬計(jì)算耗時(shí)少，所以在課堂教學(xué)中可選用真實(shí)精餾塔作為模擬實(shí)例進(jìn)行講解，使得學(xué)生更直觀與深入的了解各工藝參數(shù)對設(shè)備分離效率和設(shè)備參數(shù)的影響。

綜上所述，傳統(tǒng)的教學(xué)方法對于實(shí)踐性很強(qiáng)的《化工分離工程》課程來說，效果并不十分理想。通過計(jì)算機(jī)軟件可以更加直觀地展示分離過程的操作情況和分離設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)形象化與直觀化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉慶國.分離工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 翁連進(jìn)，王士斌，李夏蘭.分離工程教改實(shí)踐的體會(huì)[J].化工高等教育， 2005， 83 (1): 75-76.

[3] 吳松濤，江青茵，曹志凱等.基于Matlab的精餾穩(wěn)態(tài)模擬[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，45 (1)：85-89.