計算模擬在化工原理精餾實驗教學(xué)中的運用

梁亮++楊雄霖++陳瑞++莊杭坡++史博

摘要： 化工原理實驗是化工原理課堂理論消化吸收的重要實踐課程。然而局限于驗證課本理論的操作性實驗具有單一性，不利于學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。本文通過指導(dǎo)學(xué)生運用模擬軟件對化工原理精餾實驗工藝過程模擬優(yōu)化、故障診斷模擬分析、仿真開發(fā)等手段對化工原理實驗裝置運行進行操作，使學(xué)生在過程中工程能力得以形成，并對專業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生更多的學(xué)習(xí)興趣?？傮w而言，本次改革不僅將模擬計算綜合運用到化工原理實驗教學(xué)中，提高了學(xué)生工程實踐能力，還在化工原理實驗?zāi)Ｊ缴线M行了改革。改進后的實驗設(shè)備具有運行成本低、數(shù)據(jù)重復(fù)性強、耗時短的優(yōu)勢。

Abstract： The experiment of chemical engineering principles is an important practice course for the digestion and absorption of the theory of chemical engineering. However， it is not conducive to the cultivation of students' engineering ability to operate the experiment which is limited to the textbook theory. This paper guides the students to operate the experimental device of chemical engineering principles by simulation software through the process simulation and optimization of distillation experiment of chemical engineering principles， fault diagnosis simulation analysis， simulation development and other means so as to form the students' engineering ability in the process and makes them generate more interest in learning. Overall， this reform not only applies the simulation calculation to the teaching of chemical engineering principles， but also improves the students' practical ability in engineering and reforms the experimental model of chemical engineering principles. The improved experimental equipment has the advantages of low cost， strong data repeatability and short time consuming.

關(guān)鍵詞： 模擬計算；化工原理；精餾實驗；工程能力

Key words： analog simulation；principles of chemical engineering；distillation experiment；engineering capability

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0163-02

0 引言

現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展得益于計算模擬的廣泛、深入應(yīng)用?，F(xiàn)如今計算模擬已成為化工發(fā)展不可缺少的工具和手段，其在化工設(shè)計、生產(chǎn)、研究和教學(xué)中的重要性日益凸顯。例如化工單元仿真即為以化工原理為基礎(chǔ)，以計算機模擬操作為手段的綜合教學(xué)。

基于近年來國家引導(dǎo)部分地方本科高校向應(yīng)用技術(shù)型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的思想，轉(zhuǎn)型高校在校生工程能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)為改革的重中之重。因此在化工的專業(yè)基礎(chǔ)課實踐環(huán)節(jié)——化工原理實驗中，教師應(yīng)根據(jù)社會發(fā)展的信息化需求，結(jié)合現(xiàn)代化的計算模擬軟件分析實驗過程，一方面可強化學(xué)生在計算模擬軟件方面的訓(xùn)練和運用，另使一方面還可加深學(xué)生對裝置、實驗過程，甚至化工過程的深入理解。此外，在實驗裝置上進行計算模擬，還可節(jié)約大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的運行成本，亦可多次重復(fù)實驗，在形成學(xué)生解決工程問題的思維方式上具有極大的提升效果[1-3]。

精餾塔是化工流程應(yīng)用廣泛的單元操作設(shè)備，影響精餾塔操作水平和產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，且相互關(guān)系復(fù)雜。精餾實驗?zāi)軌蚴刮覀兞私饩s塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察塔內(nèi)各種傳質(zhì)狀態(tài)，學(xué)習(xí)精餾塔的操作方法和具體流程，并掌握一定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，加深我們對精餾塔對二元物系進行分離過程的理解與認識，從而培養(yǎng)我們將理論與實際相結(jié)合，并運用所學(xué)知識去解決實際問題的能力。

本文以精餾實驗裝置為例進行計算模擬操作。運用ASPEN軟件進行工藝流程模擬、故障診斷分析，并采用計算機語言開發(fā)了仿真軟件。在教學(xué)過程中進行各種環(huán)節(jié)設(shè)計，然后根據(jù)學(xué)生實驗結(jié)果進行分析總結(jié)劑點評，在實驗過程中培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力，并對專業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生更高的學(xué)習(xí)興趣。

1 ASPEN軟件在工藝流程優(yōu)化實驗中的教學(xué)設(shè)計與實施效果評價

化工過程模擬技術(shù)是以化工工藝流程的理論機理為基礎(chǔ)模型，采用計算機模擬的手段來對化工過程進行描述，并對化工的工藝流程進行熱量衡算、物料衡算、能量分析和設(shè)備尺寸估算等。因此，流程模擬不僅可以節(jié)省時間，也可節(jié)省大量操作資金，同時對經(jīng)濟效益、過程優(yōu)化、環(huán)境評價進行全面的分析與精確評估，以達到對化工過程的規(guī)劃、研究開發(fā)及技術(shù)分析，從而節(jié)約資源、優(yōu)化生產(chǎn)和提高經(jīng)濟[4]。

在工藝過程模擬中，學(xué)生按設(shè)計好的過程進行如下操作及模擬：

①試驗探究加熱電壓、回流比、進料量和進料濃度的改變對塔頂餾出液中乙醇摩爾分率的影響，得到了在一定操作條件下精餾分離的最優(yōu)化條件。

②運用化工流程模擬軟件來對乙醇-正丙醇兩組分的分離精餾實驗進行模擬，得到理論的實驗結(jié)果，并與實際結(jié)果相比較，找出實驗的影響因素。

Aspen模擬的最終結(jié)果表明，模擬值與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，模擬過程中物性參數(shù)、模塊選取合理。從模擬的結(jié)果不僅可以看出實驗數(shù)據(jù)與理論值的差異，還可得到很多實驗所不能得到的參數(shù)及變化情況，通過比較可找出實驗的錯誤和不足之處，及時進行整改，從而大大提高了實驗分離效率。

此外學(xué)生還對精餾塔的回流比、餾出比和進料位置進行了靈敏度的分析，得到了三種參數(shù)的變化規(guī)律，確定了一定條件下的最適回流比、餾出比、最佳進料板。

總的來說，ASPEN軟件模擬工藝過程最主要是讓學(xué)生了解化工模擬軟件在實際的實驗和流程操作中指導(dǎo)作用，通過理論的數(shù)據(jù)與實際的數(shù)據(jù)進行對比，判斷計算模擬的準確性，找出錯誤位置，及時進行優(yōu)化，并向授課教師提供了理論的最佳操作參數(shù)，即使學(xué)生了解設(shè)備參數(shù)變化規(guī)律，更快的確定最佳參數(shù)數(shù)值，更提高了實踐效率，節(jié)約了人工成本。

2 ASPEN軟件模擬軟件在實驗中的教學(xué)設(shè)計與實施效果評價

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，通過模擬軟件對化工過程進行計算模擬，據(jù)此對過程進行故障分析已成為一種常用手段。在本次教學(xué)改革中，學(xué)生可結(jié)合實驗裝置實踐，通過使用模擬軟件對實驗裝置進行流程模擬，經(jīng)過與實際過程參數(shù)對照分析，發(fā)現(xiàn)實際操作過程的故障原因，找出解決問題的對策，使學(xué)生在實訓(xùn)中得到工程能力的提高。[5-7]

在精餾實驗裝置上，在不告知學(xué)生情況下，人為制造一些故障，如管道泄漏、堵塞，塔內(nèi)板上構(gòu)件作改變，或者拆卸塔體保溫層等等。學(xué)生在人為故障的情況，操作實驗裝置，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，初步確定原因，然后用ASPEN軟件對實際工藝進行模擬計算，找出問題的原因。

在診斷故障過程，學(xué)生按設(shè)計好的過程進行如下操作及模擬：

①通過設(shè)備的設(shè)計參數(shù)在模擬軟件上進行模擬計算，驗證流程裝置設(shè)計的合理性；

②通過正常運行完好的設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，用現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模擬計算的數(shù)據(jù)進行對比，驗證模擬計算的參數(shù)設(shè)計合理性；

③運行人為設(shè)計故障的實驗裝置，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，對照與模擬計算不符合的部分；

④初步確定原因，對設(shè)計不符合部分在計算機上多次模擬操作；

⑤對故障部分給以改造策略，并考慮其合理性，最終給出診斷結(jié)果。

學(xué)生以模擬軟件為工具，對實驗裝置的多種情況進行了計算模擬，將計算結(jié)果與實際情況進行對比分析，診斷出裝置運行過程中的故障，分析故障的原因，并找出解決問題的方法，這種工程能力的培養(yǎng)，為其在工作崗位上進行設(shè)備維護和操作參數(shù)的調(diào)整提高很好的經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。同時在模擬數(shù)據(jù)的幫助下，對實際操作進行了在線優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)實際生產(chǎn)過程。

3 仿真軟件在實驗中的教學(xué)設(shè)計與實施效果評價

化工原理仿真實驗是以真實的實驗原理、實驗現(xiàn)象、實驗過程和實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機上通過數(shù)學(xué)模型進行模擬實驗現(xiàn)象，通過互動的動畫模擬在現(xiàn)場的真實操作，并產(chǎn)生和真實實驗一樣的操作結(jié)果[2]。這種方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、處理、解決問題能力。

學(xué)生在開發(fā)過程中運用了多種開發(fā)語言編寫，如采用Visual basic 、Visual c++、Delphi等，以及運用多種多媒體合成平臺進行繪制裝置，如Authorware、Photoshop、CAD等。

開發(fā)的仿真系統(tǒng)主要功能包括化工原理實驗仿真模擬操作訓(xùn)練、模擬操作的評分、操作數(shù)據(jù)的獲取及實驗數(shù)據(jù)處理、思考題的測試及評估、實驗裝置的多媒體展示以及在線幫助等等，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在開發(fā)過程中，我們要求學(xué)生按照以下步驟進行：①查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)教材，透徹理解原理及要求；②熟悉實驗流程，進行實驗的實際操作，掌握過程規(guī)律；③收集有關(guān)的物性數(shù)據(jù)，并從實驗數(shù)據(jù)中挑選具有代表性的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫；④使用多媒體工具與設(shè)計語言結(jié)合，繪制包括實驗設(shè)備、儀表、管路在內(nèi)的試驗流程圖；⑤熟悉過程各變量之間的復(fù)雜關(guān)系及規(guī)律，采用設(shè)計語言編寫模擬代碼，實現(xiàn)各模塊之間的聯(lián)系；⑥系統(tǒng)的調(diào)試與修改。學(xué)生對實驗過程進行仿真系統(tǒng)簡單開發(fā)，模擬了真實的實驗操作，使學(xué)生熟練掌握了如何操作化工單元過程，熟練的測定、整理實驗數(shù)據(jù)，并且提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過這種學(xué)習(xí)過程，在工作實踐中，形成模擬真實操作的思維能力，以便其能更深入了解化工過程的流程，以及影響化工過程的因素之間的復(fù)雜關(guān)系。

4 結(jié)論

學(xué)生通過將計算模擬綜合運用到化工原理實驗裝置流程中，在投入成本少、耗時短、可重復(fù)性高的情況下，使學(xué)生了解設(shè)備參數(shù)變化規(guī)律，更快地確定最佳參數(shù)數(shù)值，更提高了實踐效率；更深入了解化工過程的流程，以及影響化工過程的因素之間的復(fù)雜關(guān)系。從而提高了學(xué)生的工程實踐能力，在實踐中形成解決問題的能力。同時，其也存在不足之處，由于設(shè)備流程簡單，過程可改變的變量少，不少監(jiān)控點還需再安裝，因此，實驗裝置和實際生產(chǎn)裝置仍存在較大差別，仍需進行改進，以便更接近實際生產(chǎn)過程，更好培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

參考文獻：

[1]郭曉亞.基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的化工原理實驗教學(xué)體系的構(gòu)建[J].化學(xué)教育，2015（16）：58-60.

[2]孫蘭義.化工流程模擬實訓(xùn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]梁亮，李燕，等.化工原理實驗[M].北京：中石化出版社，2015.

[4]楊光輝.化工流程模擬技術(shù)及應(yīng)用[J].計算機與信息化，2008（8）：35-36.

[5]孫巍.ASPEN+Plus在工業(yè)精餾塔故障診斷與參數(shù)尋優(yōu)中的應(yīng)用[J].化工進展，2005（24）：935-937.

[6]涂婭莉，等.專家系統(tǒng)在精餾塔故障診斷中的應(yīng)用[J].低溫與特氣，2006，24（5）：26-29.

[7]田文德，等.基于動態(tài)模擬的精餾塔故障診斷[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2011，28（12）：1569-1572.