化工辅助软件在化学反应工程教学中的应用

吴现力 王菊 杜春华 翟乃华

摘要：化学反应工程具有很强的理论性和实践性，在化学工程与工艺专业的培养体系中占有非常重要的地位。但其理论内容相对独立，加之涉及到大量的数值计算，学生在学习过程中普遍感到困难。采用虚拟仿真实验软件和Aspen流程模拟软件等辅助软件，可以从辅助实验、辅助反应器模拟设计对化学反应工程进行辅助教学，加深学生对反应工程理论的理解，并掌握反应器模拟和设计的方法。采用化工辅助软件教学可以提高学生的学习兴趣，培养学生的思维能力，丰富和深化教学内容，拓宽学生的知识面，取得了良好的教学效果。

关键词：化学反应工程；教学；虚拟仿真；Aspen

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0176-02

化学反应工程是关于如何在工业规模上实现化学反应过程，以期最有效地把原料转化为尽可能多的目标产品，争取实现经济效益，满足国民经济需要的一门学科。它的研究对象为工业反应过程，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。其研究方法是结合实验数据，通过模型化方法解决反应器的开发放大、结构选型、尺寸设计、操作优化等实际问题[1，2]。化学反应工程实验内容包括反应动力学测定、反应器流动状态测定等实验。采用真实实验装置进行实验，存在实验时间较长，实验参数不易确定，生成物检测困难等问题，而且一般同种设备只有一套，数个学生共同操作一个实验，不能进行充分的锻炼。随着计算机技术的发展，利用辅助软件进行教学以越来越显示出其优越性[3，4，5]。在化学反应工程这门课程中，可以采用化工虚拟仿真实验软件和流程模拟软件Aspen进行辅助教学，并取得了良好的辅助效果。

一、化工虚拟仿真实验软件

虚拟仿真实验是实验教学的重要补充，具有直观性、系统性、综合性、安全性、经济性的特点，能给学生提供全面的技能训练，获取完善的知识体系、完备的综合能力。

在真实的实验当中由于受教学资金的限制，实验设备台套数不足或设备陈旧，学生实验难以充分开展。而虚拟仿真实验可以快速扩容、更新升级。在真实实验平台中，部分按照人才培养计划要求必须开展的实验项目由于高危险、高成本、高消耗及高污染等问题无法开展。采用虚拟仿真软件，可以节约实验成本，以安全环保的形式强化实践训练。

传统的实验预习方法陈旧不能调动学生的积极性，用虚拟仿真实验考核来代替传统实验的预习，让学生自主通过虚拟实验知识学习系统，完成对重要知识点的学习；同时在仿真软件中练习操作，操作过程中后台会对操作结果自动评分，学生完成操作后可以提交虚拟实验仿真报告，从而大大提高预习效果。

反应过程要受到温度、压力、流动状况等多种因素的影响，且各因素之间具有很强的耦合性。在实际实验中，通过改变参数实现反应过程的最优化，要耗费大量的人力物力。而通过虚拟实验，可以快速改变参数，获得实验结果，探索反应过程的规律。把虚拟实验结果带到实际实验中加以验证。通过虚实结合，能有效提高真实实验效率和结果最优化。

学校现在有乙苯脱氢制苯乙烯、多釜串联反应器返混的测定、填料塔液相轴向混合实验、气固催化固定床实验、反应精馏制乙酸乙酯、煤制油、甲醇合成七套反应工程类的虚拟仿真实验项目。通过虚拟仿真练习，开拓了学生的视野，提升了知识结构，培养了综合设计和创新能力。

二、Aspen软件

Aspen是一个通用的流程模拟软件，采用模块化的建模方式，可以对化工生产中反应、混合、分离、换热、流体输入等单元操作进行模拟计算。在反应模块，有7个内置的反应器模型，其中生产能力类反应器2种（Rstoic、RYield）、热力学平衡类反应器2种（REquil、RGibbs）和化学动力学类反应器3种（RCSTR、RPlug和RBatch），涵盖了化学反应工程中所有的常用模型。具体的功能如表1所示。动力学模型包括内置的幂次定律、LHHW（Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson）动力学或用户自定义的动力学。自定义的动力学可以用Fortran子程序或者excel工作表格定义。通过这些模块可以计算质量和能量平衡、反应热、产品选择性、反应程度和相平衡结果。

Aspen采用向导式的操作界面，逐步输入反应体系组分、物性方法、进口流股信息、反应器模块信息就可以进行模拟计算。反应器模块中需要根据选定的模块输入反应方程式、转化率、收率、反应温度、压力、反应动力学、反应器尺寸中的部分信息。

学生可以通过Aspen软件搭建所需的反应体系模型，比固定的虚拟仿真软件更加靈活，更有助于理解化学反应工程的基础知识。Aspen软件应用于反应工程教学，也避免了复杂的数学推导以及数值求解问题，使得反应过程尽可能的形象化，有助于学生对反应过程的理解并激发学生学习兴趣。

三、结论

1.化学反应工程是一门理论和实践性均非常强的学科，采用虚拟仿真实验软件进行辅助实验教学，更加直观、便捷、安全和经济，能给学生提供全面的技能训练，并获取完善的知识体系和完备的综合能力。

2.Aspen软件是综合性强的系统软件，学生可以根据需要建立合适的反应器模型，并可以方便地进行调试和比较，完全避免了复杂的数学推导以及数值求解问题，加深了学生对反应工程的理解。

参考文献：

[1]余国琮，李士雨，张凤宝，等.“化学工程与工艺”专业创新人才培养方案的制定与实践[J].天津大学学报，2004，6（1）：1-5.

[2]粟海锋.化学反应工程课程教学实践的一些体会[J].广西大学学报，2003，28（z）：99-101.

[3]朱巧凤，慕苗.浅谈化工仿真软件在化学工艺专业教学中的应用[J].山东化工，2013，42（10）：190-191

[4]王晓安.化学工程中计算机技术的运用探讨[J].工业经济管理，2014，（10）：129.

[5]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）：187-188.

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