过程模拟系统在化学工程专业教学中的应用研究进展

李晓昆，张 宏，闫志强，汤 强，张鹏宇

(青海大学 化工学院，青海 西宁 810016)

模拟与计算

过程模拟系统在化学工程专业教学中的应用研究进展

李晓昆，张 宏，闫志强，汤 强，张鹏宇

(青海大学 化工学院，青海 西宁 810016)

过程模拟系统在当今的化学工程领域倍受关注。综述了近几年来过程模拟系统在化学工程与工艺专业核心课程：化工热力学、化工原理、化学反应工程和分离工程等教学过程中的应用成果，并对其发展趋势和应用的必要性进行展望。

过程模拟系统；化工教学；应用

随着电子计算机和各种数值计算软件在化学工程中的广泛应用，计算机辅助手段越来越显示出其可靠性强、计算速度快和集成度高等众多优势，传统的化学工程专业也已成为一门集实验研究、计算研究和理论研究于一体的综合性学科，而计算能力无疑也是学生创新能力的重要组成部分。对利用过程模拟系统在计算机上建立起来的“虚拟化工厂”、“桌面炼油厂”等从设计预测到操作运行，到性能反馈、改进改造等各个细节进行详细研究，这种方法出现于上世纪50～60年代[1]。沿革至今，过程模拟系统一般包含完备的热力学、单元操作和反应过程模块，并配备有庞大的物性数据库和物性估算系统，以及功能强大的数学计算方法库，使其既可进行单个设备计算，也可进行整个化工生产流程计算[2-4]。通用稳态过程模拟系统有Aspen Plus、ProII、ChemCAD和ECSS等，在当今过程工程科研领域得到普遍应用的同时，产生的巨大经济效益，推动了技术进步。

在工程教育国际化，并与科学研究、工业生产趋向一体化的背景下，怎样将化工专业核心课程在教学过程中相互融合、相互贯通，使之与现代科学技术发展同步，是化工专业教育亟待解决的共性问题[5,6]。过程模拟系统的应用是解决这种贯通和结合的方法之一，对国内高等学校化学工程专业课程内容的深化、教学效果的提高更具有实际意义。

1 在化工热力学教学中的应用

在化学工程与工艺本科生必修专业课程中，化工热力学是核心课程之一，其原理和知识点是从事化工过程研究、开发和设计等方面工作必不可少的重要理论基础，是一门理论性与工程应用性均较强的课程。化工热力学的主要研究范畴在于决定设计各种单元操作过程、分离过程和化学反应器所需的相平衡、化学反应平衡数据、参数和平衡时的状态参数及对化工过程进行热力学分析等[7,8]。过程模拟系统携带几十种化工热力学方程及其物性数据库，可以对化工过程中主要物系进行描述。如果数据库中没有相关物性数据时，可以使用物性估算系统进行近似估算，也可使用较少的实验数据对物性参数进行回归[9]。

浙江大学化学工程与生物工程学系陈新志、赵倩等[10,11]，在化工热力学教学中，基于Aspen Plus在计算均相和纯物质饱和性质时，只需输入独立变量和相态即可通过软件自带的特性数据库获得。在计算混合物性质时，同样可调用纯组分临界参数、二元相互作用参数等数据和模型。过程简便、效率高、结果准确，有助于后续化工专业课程的学习和对热力学性质的理解。华东理工大学国家化学工程重点实验室戚一文，方云进[12]利用Aspen Plus软件提供的物性估算功能，计算发酵液中低浓度1，3-丙二醇分离的中间产物2-甲基-1，3-二噁烷(2MD)的物性，得到：如果软件物性数据库中没有计算物质的物性, 可利用软件本身的物性估算系统进行估算，其结果经已知的实验数据校验具有一定可靠性，计算精度完全可以满足工程设计的需要。东南大学李英杰, 赵长遂[13]等利用过程模拟系统对O2/CO2气氛下煤的燃烧产物进行了热力学模拟计算。结果表明，这种方法可以较好的模拟煤在O2/CO2气氛下的燃烧过程。经过几年的发展，Aspen Plus在煤化工领域得到广泛的应用，同时可以模拟生物质的燃烧、气化等生产工艺，得到许多精确模拟结果，能够较好反映其变化趋势。应用Aspen Plus对煤在O2/CO2气氛下燃烧进行模拟, 所得到的各种燃烧产物和热量分布能够为采用富氧燃烧的燃煤电站进行燃烧调整和热力设备设计、改造提供参考数据。中国科学院山西煤炭化学研究所、中国科学院研究生院高军虎、吴宝山[14]等基于Aspen Plus软件建立了费托合成产物（一氧化碳和氢气转化为液体燃料或化学品）物性数据库和热力学平衡模拟分析模型, 对费托合成的全局和局部热力学平衡进行了详细研究，热力学平衡预测的总产物分布与实验产物分布非常相似；若假定反应处于局部热力学平衡, 则预测的产物分布链增长因子和烯烷比很接近实验值；热力学预测的反应条件对产物分布的影响也与实验结果基本一致。中国化工科学研究总院杨友麒[15]对一个常规的硫氧化过程用Aspen模拟系统来进行损耗功分析和热力学分析，得到损耗功的主要根源，提出了去“瓶颈”改进能量利用效率的具体方案。证明Aspen模拟系统为实现工业实际的复杂流程的热力学第二定律分析提供了一个强有力的手段。

可见，在物性计算中，化工热力学与Aspen物性计算的原理是一致的，在教学中运用该软件，可简化计算过程，激发学生学习兴趣，大大提高教学效率；另一方面，学生在利用软件过程中，可了解更多基础数据来源，掌握软件计算原理的内核，提高其应用能力，解决了在以往学习中只知结果，不能分析结果的问题，为后续课程学习打下了扎实的基础，也使得化工过程熵计算成为可能。

2 在化工原理教学中的应用

以化工原理为代表的化工原理系列课程是化学工程与工艺专业本科生必修的专业基础课中最重要的课程，起着由“理”及“工”承上启下的桥梁作用，其教学目的就是培养学生运用所学知识分析和解决化工单元操作中实际工程问题的能力。化工原理系列课程包括：理论课、实验课、生产或仿真实习和课程设计四个环节。其中化工单元操作过程设计方法、操作原理及其计算是理论课程教学的重要内容，而迅速准确地进行工程计算是课程设计的基础，所以组织好化工原理理论课程教学是落实化工原理整体教学的关键。目前，化工原理主要授课内容：流体流动、流体输送机械、非均相物系的分离和固体流态化、传热、精馏、吸收、萃取、干燥等单元的基本概念、原理和工程计算方法，而通用过程模拟软件中几乎包括所有常见的化工单元基本模块，在讲课过程中，教师可以在讲授基本原理后，使用软件中的相关计算模块对其工作特性进行模拟展示。

东南大学化学化工学院肖国民、李浩扬[3]等，利用Fluent、Aspen plus软件应用于讲授和解决“三传”问题。其中利用Fluent软件，对固定床反应器进行动量模拟，结合反应动力学模型和对流传热模型等，研究反应器内一氧化碳与硝酸二乙酯偶联反应，从而获得反应器内速度、温度和各物质浓度的分布情况，模拟结果与实验数据吻合良好。这一过程给学生清晰的展示了：不仅固定床反应器内部的“三传”均和反应的进行程度相辅相成，而且若想准确计算、设计或优化一个单元操作过程，实验情况与计算模拟必须相互反馈，相得益彰。利用Aspen plus软件对二苯基甲烷二异氰酸酯换热器进行设计和工程开发，与传统的换热器设计计算方法相比，结果具有可靠性高、计算用时少、绘图快、和各专业集成效应强等优势。通过对甲醇—水精馏过程模拟，说明该软件可用于质量传递方面的计算。教学实践证明，该方法不仅可以全面反映塔内物料组成、质量分布状况等工艺计算结果，而且还可通过系统内置板式塔或填料塔的各种塔内件参数，得到塔结构详细设计，另外学生还可以通过改变模拟计算条件，综合考察各因素对分离效果的影响，便于教学。中国石油大学（华东）化学工程学院刘相、王兰娟[16]利用软件：Mathcad、Aspen plus和AutoCAD与传统的课程设计相结合的教学方式，简化繁琐的计算过程，强化学生的工程意识和制图规范，使化工原理课程设计逐步走入规范化轨道。中国石油大学（华东）化学工程学院孙兰义，张月明[17,18]等，选择烯烃分离装置作为研究对象应用于化工原理课程设计教学之中，利用Aspen plus、ProII获得了最佳回流比、理论板数等重要数据，计算机教学的引入为化工原理课程设计教学注入了新的活力。江苏技术师范学院化学与环境工程学院张春勇，郑纯智[19]等利用Aspen plus软件在流体流动和输送机械、传热、精馏、吸收与脱吸中应用，在教学过程中使学生看到的都是工程实例，充分践行了理论联系实际这一教学原则。嘉兴学院生物与化学工程学院韦晓燕，谭军[20]等，山东科技大学化学与环境工程学院张治山、高军[21]等将Aspen plus过程模拟系统有目、有步骤地应用于化工原理系列课程教学，通过单元模型操作型问题、实际案例分析和课程设计三个阶段的训练，使学生加深对化工单元设计的理解，达到培养“知识”+“能力”型人才的目的。另外，北京石油化工学院化学工程系葛明兰，李翠清[22]等和安阳大学化工系李安林，张换平[23]等将ChemCAD软件应用与化工课程设计和简捷精馏模型，青海大学化工学院李晓昆，张宏[24]等将ECSS软件应用在板式精馏塔工艺计算中。华南理工大学化学与化工学院郑秀玉，李琼[25]还将过程模拟系统应用于化工仿真实习教学的改革与实践当中，取得了宝贵的教学经验。

实际工程问题的解决方案通常是多方面因素综合，且呈非线性关系作用的结果，解答需要经过多次运算与讨论分析。如操作型计算，尽管与设计型应用的原理是一样的，但是因为思考问题的角度不同，使得此类问题复杂、灵活，综合条件的选择计算不是一次完成，而是需要多次试算，反复迭代，加之公式复杂，计算步骤繁多，计算量很大。模拟软件的应用是解决这类问题行之有效的捷径，既帮助学生加深了对各化工单元的认识与理解，又培养了他们解决实际工程问题的能力。

3 在化学反应工程、分离工程教学中的应用

化学反应工程和化工分离工程皆为化学工程与工艺专业本科生必修的专业基础课程。其主要研究内容的共性为过程开发、工艺设计以及实际生产操作过程中遇到的工程问题。在化工生产过程中，化学反应是生产的核心，而分离过程则是其前的原料净化和其后的产品精制，一般来说分离装置的费用占总投资的70%以上。过程模拟系统中，基本上包含了教学过程中所包含的各式反应器模型，另外系统还集成了用户自定义模块，用户可根据实际需求二次开发反应器模块子程序。而对于化工分离过程的模拟无论是从可模拟介质的种类和塔器的形式上，还是从模拟结果的精度上，都堪称化工模拟技术发展的代表。如：在Aspen Plus中用于模拟所有类型的多级汽-液、液-液平衡为例，其计算分为简捷、严格法两种。简捷法计算单元模块库有三类：简捷法精馏设计、简捷法精馏核算和石油简捷蒸馏。严格法计算单元模块库有六类：严格精馏、复杂塔严格精馏、石油严格蒸馏、基于质量传递速率蒸馏、严格间歇蒸馏和严格液-液萃取，每一类单元模块库中又有多个以进料、加热器（冷凝器）和侧线物流等不同组合形式，如：严格精馏不仅可用于两相(汽-液)计算，还可用于三相(汽-液-液)计算，即可模拟：普通蒸馏、吸收、再沸吸收、萃取、再沸萃取、抽提、共沸精馏、平衡和反应比例控制蒸馏等工艺过程，而石油严格蒸馏库中就有近50种形式可选，所以过程模拟系统不仅可以满足化工分离工程课程主要内容的需要，而且对其后继石化、炼化等工艺课程，也有较大的帮助。

天津科技大学王彦飞，朱亮[26]等采用教学内容与 Aspen Plus 软件相结合以提高教学质量，讨论环氧丙烷水解绝热连续搅拌釜式反应器模型的多解性，在课堂上非常快速直观的让学生清楚了解多定态现象以及产生的原因，有助于学生对反应过程的理解，并通过软件使用可以回答，“如果改变某些条件，那么对于结果有哪些影响？”这样的问题。南京化工职业技术学院化工系戴斌，徐宏[27]利用化工过程模拟系统ChemCAD二次开发工具，在SO2转化反应器的工艺设计上，通过使用VBA语言编程，实现有复杂反应动力学方程的反应器工艺设计。变换不同的SO2转化工艺条件，计算得到与之对应的反应器体积，从而为装置技改、去瓶颈和优化提供依据。上海应用技术学院吴锡慧，郁平[28]等对化学反应工程教学改革和实践，在实验中引入Aspen Plus软件强化计算机应用，提高了学生们的设计和综合分析能力。该软件也正被学生用在大学生化工设计竞赛、毕业设计和科技创新等环节。天津大学化工学院李士雨，齐向娟[29]给出了应用ChemCAD模拟软件更新分离过程教学内容的初步方案包括：分离过程热力学、自由度分析的原理和方法、单级平衡和多级平衡模拟计算等。得出：无论从国内外化工分离过程教学内容的更新趋势上看，还是从工业界对分离过程教学内容需求的变化上看，在分离过程教学内容中增加计算机模拟分析方法是大势所趋。华东理工大学化工学院李伟，朱家文[30]等采用模拟软件ProII在化工分离习题课上，同时改变热力学方法、闪蒸条件、压力等，完成不同条件下的多种闪蒸计算。进行丙烯精制塔精确计算可对塔操作参数进行多方案计算和比较，实现整体优化；通过调节操作参数实现产品的纯度和塔的能耗比较，在其之间建立量化概念，这对于思考许多分离基本问题是十分有益的。江苏石油化工学院朱建军、林西平[31]等利用Aspen Plus 软件对醋酸与乙醇催化反应精馏塔进行模拟，回流比、进料组成、进料位置等对醋酸与乙醇收率的影响进行了分析，结果表明：运用Aspen Plus软件可以有效、快捷、方便地模拟脂化反应精馏过程，结果可靠, 精度高。江汉大学化学与环境工程学院吴宇琼[32]将Aspen Plus软件引入分离工程课程及实验教学中。通过演示软件操作录像、学习模拟经典实例等方法，使学生迅速掌握并使用软件，借此求解泡、露点及塔板数等。广西大学化学化工学院秦祖赠，葛利[33]等利用ProII对膨胀器的气体加工装置进行模拟，福建农林大学材料工程学院卢泽湘，范立维[34]等利用Aspen Plus对甲基叔丁基醚(MTBE)的催化反应精馏工艺进行模拟，并进行教学演示和讲解。着重在混合物热力学性质的计算、多组分平衡分离过程计算上，真正做到了“严格计算”。同时指出软件对化工热力学、化工设计等课程的学习也会有较大的帮助，连续三年化工专业本科生对过程模拟系统的学习兴趣调查中，“学习兴趣强烈”的分别占到总人数：72.8%、83.2%、86.8%。

将过程模拟系统应用于化学反应工程教学，避免了大量计算公式推导、复杂数值计算等问题，可以在少用课时的情况下，尽量全面地展示化学反应工程的核心内容。多组分多平衡级分离的严格计算，是设计分离设备和优化操作过程的必要计算手段，也是化工分离工程教学的主要内容。使用过程模拟系统，在进行MESH方程推导及基本算法介绍的同时，使得塔的精确计算和将热力学中相对独立的知识运用到具体的分离过程中，解决其工程实际问题成为可能，并且可以对塔的操作参数、分离要求和设备投资、运行费用等问题进行分析计算，极大地提高了学习的深度与广度，使学生更加主动积极，综合分析和解决实际工程问题的能力明显提高。

4 结 语

通过对以上课程的学习及过程模拟系统的应用，为接下来学好化工过程合成与分析创造了条件，为化工设计打下了基础，同时这两门课程对过程模拟系统的应用又是不可或缺的。由此可见，过程模拟系统是化学工程与工艺专业核心知识点有机综合、相互贯通而成的产物，是新时期培养具有过程科学和工程知识背景的计算机应用人才的利器。在高等教育日趋大众化，呈现多样性的今天，强调核心知识点在专业规范上的统一性特征，是最终形成专业特色多样性的前提和保证，而在教学中推广应用过程模拟系统无疑是这一特征的具体体现。

［1］杨友麒,项曙光.化工过程模拟与优化[M].北京:化学工业出版社,2006:4-5.

［2］朱开宏.化学工程与工艺专业学生计算能力培养刍议[J].化学高等教育,2006,91（5）:19-20.

［3］周文水.化工模拟系统探析[J].科技信息,2009（18）：451-452.

［4］肖国民,李浩扬,肖洋.通用化工模拟软件在《化工传递过程原理》教学中的应用[J].化工时刊,2012,26（10）：58-59.

［5］黄毅萍,徐畅,王嵩,张忠洁.ASPEN PLUS与化工专业核心课程体系建设[J].滁州学院学报，2013,15（2）：107-110.

［6］姜兆华,赵力等.面向国家需求的化学工程与工艺特色专业课程[J].中国大学教学,2013（11）：53-55.

［7］王敏炜,邱祖民,杜 军,罗美.精品课程《化工热力学》的建设[J].教育教学论坛,2012（2）：200-202.

［8］周毓婷,赖晨光,赵清华,王耀琼.提高《化工热力学》教学质量与效果的探讨与实践[J].广州化工，2013,14（13）：256-257.

［9］庄淑娟,宋 峰.ASPEN系列软件在化工教学中的应用[J].广州化工，2013,41（19）：164-166.

［10］陈新志,赵倩,钱超.基于Aspen-Plus的化工热力学教学（Ⅱ）纯物质饱和性质计算[J].化工高等教育,2011（6）：59-60.

［11］陈新志,赵倩,钱超.基于Aspen-Plus的化工热力学教学(I)均相性质计算[J].化工高等教育,2011（5）：75-78.

［12］戚一文,方云进.物性估算在ASPEN PLUS软件中的应用[J].浙江化工,2007,38（1）：9-11.

［13］李英杰,赵长遂,段伦博.O2/CO2气氛下煤燃烧产物的热力学分析[J].热能动力工程,2007,22(3）：332-335.

［14］高军虎,吴宝山,杨 勇,郝栩,李永旺.费托合成产物分布的热力学平衡分析[J].计算机与应用化学,2013,30（1）：72-74.

［15］杨友麒,H•布赖特,M•崔巴斯,L•B•艾文斯.用ASPEN对一个常规的硫氧化过程的计算机模拟和热力学分析[J].硫酸工业,1984（1）：1-3.

［16］刘相，王兰娟.化工设计软件在化工原理课程设计中的应用[J].化工高等教育,2012（6）：64-65.

［17］孙兰义,张月明,李军,刘雪暖.Aspen Plus 在化工原理课程设计教学中的应用[J].广州化工,2009,36（12）：173-176.

［18］孙兰义,胡有元,李军,刘雪暖.Pro/Ⅱ应用于化工原理课程设计的实践[J].化学工程与装备,2009（10）：199-201.

［19］张春勇,郑纯智,汪 斌,张国华,文颖频,张纪霞. Aspen Plus 软件在化工原理教学中的应用[J].江苏技术师范学院学报,2010,16(9）：78-80.

［20］韦晓燕,谭 军,胡万鹏,李 雷.Aspen Plus 软件在化工原理教学中的应用探索[J].化工时刊,2012,26（6）：69-70.

［21］张治山,高 军,李 敏.Aspen Plus在精馏操作分析中的应用[J].中国教育技术装备，2010（15）：95-96.

［22］葛明兰,李翠青,任绍梅.ChemCAD软件及在化工课程设计中的应用[J].计算机与应用化学,2004,21（5）：781-785.

［23］李安林，张换平，杜 慧.模拟软件中简捷精馏模型的原理与应用[J].数字化工,2005（12）：49-50.

［24］李晓昆,张 宏,张晓林,陈爱琴,刘 进.ECSS 软件在板式精馏塔工艺计算中的应用[J].青海大学学报（自然科学版）,2011,29（6）：90-94.

［25］郑秀玉,李 琼.化工仿真实习教学的改革与实践[J].当代化工,2013, 42（8）：1105-1108.

［26］王彦飞,朱 亮,杨立斌.Aspen Plus应用于反应工程教学的实践[J].广东化工,2011,38（9）:187-182.

［27］戴 斌,徐 宏.CHEMCAD应用在SO2转化反应器的工艺设计[J].计算机与应用化学.2008,25（4）：464-466.

［28］吴锡慧,郁 平,王 磊.化学反应工程教学改革与实践[J].广东化工,2013,40（6）：207.

［29］李士雨,齐向娟.采用CHEMCAD 软件强化“化工分离过程”课程教学[J].化学工业与工程,2005,22(增刊）：60-62.

［30］李伟,朱家文,徐心茹,杨金根,唐小琪,陈鸿雁.现代化工模拟软件在分离工程课程教学中的应用[J].化工高等教育,2007（2）：66-68.

［31］朱建军,林西平,李海权.ASPEN PLUS 模拟与分析醋化反应精馏过程[J].江苏石油化工学院学报,1995,7(3）：15-18.

［32］吴宇琼.《分离工程》教学改革初探[J].江汉大学学报（自然科学版）,2012,40(6）：96-99.

［33］秦祖赠,葛利,曾玉凤,杨克迪.Pro/II在《化工分离工程》教学中的应用[J].广西轻工业,2011（8）：186-188.

［34］卢泽湘,范立维,廖益强.Aspen plus在《分离工程》教学中的应用[J].福建农林大学学报(哲学社会科学版),2010,13(5）：106-108.

Progress of Application and Research on Process Simulation Software in Chemical Engineering Teaching

LI Xiao-kun, ZHANG Hong, YAN Zhi-Qiang, TANG Qiang, ZHANG Pen-Yu
(School of Chemistry and Engineering, Qinghai University, Qinghai Xining 810016, China)

The process simulation software has gained more attention in the field of chemical industry. In the article, application results of the process simulation software in chemical engineering core courses which include chemical engineering thermodynamics, chemical engineering principle, chemical reaction engineering and chemical separation engineering in recent years were introduced, and the development trend was prospected.

Process simulation software; Chemical engineering teaching; Application

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）02-0392-05

青海省科技厅基金项目，项目号：2013-G-Q15A-2。

2014-09-12

李晓昆（1969-），男，北京人，副教授，1990年毕业于青海大学无机化工专业，研究方向：从事化工原理课程教学和化工工艺过程设计开发工作。E-mail：2374894262@qq.com。