浅析计算机软件在化工专业课程设计中的应用

陈广美，邵群，杨明娣，陈霞，金杰

（安徽建筑大学　材料与化学工程学院，安徽　合肥　230601）

浅析计算机软件在化工专业课程设计中的应用

陈广美，邵群，杨明娣，陈霞，金杰

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽合肥230601）

化工原理课程设计、化工设备机械基础课程设计、化工设计课程设计是三个逐步加深的化工专业实践环节。不同的设计阶段，采用不同的计算机软件辅助设计，既加强了专业基础知识、强化了单元操作设备设计步骤和设计方法的训练，又强调了化工过程设计中设备参数和流程的优化以及工程能力培养的理念。

软件；化工专业；课程设计

工程设计能力是工程教育培养的目标。为使学生具备基本的工程设计能力，安徽建筑大学化学工程与工艺专业开设了三个逐步加深的实践教学环节：化工原理课程设计、化工设备机械基础课程设计和化工设计课程设计。在当今的工程设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和绘图等工作，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量，因此，计算机辅助设计逐渐取代了传统的手工计算和设计。相应的计算机软件的学习和使用在化工专业培养计划中也愈发重要，一些相关的课程陆续开设，如计算机程序设计基础——C语言程序设计（或VB程序设计）、化工制图与CAD、计算机辅助化工设计、化工过程模拟等。近几年，运用计算机软件辅助化工专业课程设计部分内容的设计和计算，在有限的设计训练时间里，取得了良好的教学效果。

一、软件在化工原理课程设计中的应用

化工原理课程设计的对象是化工单元操作设备的工艺设计，它是化工工艺设计的重要组成部分。每位同学需要独立完成一个实际装置的设计，对装置的原理、操作、流程及设备的结构、制造、安装、检修等进行全面考虑，并最终以简洁的文字、表格及图纸把设计内容正确地表达出来。在设计过程中，运用的计算方法较多，公式大多为经验和半经验公式，计算过程繁琐，计算量大。因此，在掌握设计过程基本计算步骤和方法的前提下，应大力提倡使用计算机应用软件辅助设计。

化工过程设计中辅助设计的软件很多，常用d的2有2：EXCEL、VB、Origin、Matlab、CU-Tower、ChemCAD、Aspen Plus、ProⅡ等。考虑到化工原理课程设计是化工专业的学生在校学习期间最先接触到的设计课程，其教学目的是着重培养学生查阅技术资料、正确选取工艺数据、搜集有关的公式和使用图表手册的能力。因此，在此过程中，不允许学生采用Aspen、ProⅡ和ChemCAD等大型化工过程模拟软件进行设计，建议采用VB、EXCEL等与具体计算过程关联的软件进行相应计算。具体采用哪一种软件，同学可根据各自的熟悉程度任意选用。以苯-甲苯板式精馏塔设计为例，化工原理课程设计的内容包括塔高、塔径、塔板布置等工艺尺寸的计算，设计的核心是理论塔板数计算，通常采用如下设计步骤：在选定操作压力、进料热状况、塔釜加热蒸汽和指定的分离要求的前提下，计算理论塔板数，再根据塔板效率计算实际塔板数，再计算塔高和塔径，并进行冷凝器、再沸器、接管等附件的选型设计。计算过程中要多次反复使用气液平衡方程、进料方程和操作线方程。计算理论板数采用的方法可以是逐板计算法、图解法和简捷计算法。笔者指导的2011级化工专业学生中，在指导老师引导下，大部分同学都是采用计算软件逐板计算法和简捷法计算理论板数。有的采用EXCEL输入公式反复迭代计算，有的采用VB、C语言编程计算，有的采用具有较强计算功能的Matlab进行计算。还有个别同学采用atuoCAD图解法计算理论板数。

在最后的答辩中，同学们详细阐述自己的计算过程、计算方法、计算机程序和计算结果，通过老师的点评、归纳总结和同学之间的相互讨论，以及各种方法的比较，同学们不但熟悉了单元操作的原理、公式和设计步骤，减少了繁琐的计算，节省了时间，而且对其他同学的计算方法和计算机软件有所了解，开阔了视野、提高了学习兴趣。

二、软件在化工设备机械基础课程设计中的应用

化工设备机械基础课程设计是化工原理课程设计的延续。化工原理课程设计主要是对单元操作设备工艺尺寸的设计。在此基础上，化工设备机械基础课程设计则是对单元操作设备进行机械结构的进一步设计，围绕着确定的设备厚度进行强度、刚度和稳定性的设计和校核计算。笔者指导同学的设计任务是在塔的工艺设计基础上，进一步进行塔设备的强度、刚度、稳定性和塔设备的结构设计。该设计过程较化工原理课程设计涉及到的经验公式更多，更复杂，计算过程也更加繁琐，因此，要求同学采用计算机软件设计。在老师指导下，大多数同学仍采用EXCEL辅助设计塔体和封头厚度计算、各种载荷与弯矩、裙座及基础环、地脚螺栓等，进而进行塔设备的强度、稳定性以及应力的校核。设计过程中，涉及到公式的输入、参数的查找和选取以及对计算结果的判断，边算、边选、边改，反反复复。在该设计中，再次使用EXCEL，熟能生巧，得心应手，尽显应用软件在设计过程中的优势。

经过了化工原理课程设计和化工设备机械基础课程设计，同学们对一个完整的塔设备设计过程和设计步骤基本掌握，也熟悉了一些简单计算软件的使用。此时，进一步让同学用塔内件设计软件CUP-Tower对塔的工艺参数进行水力学综合计算，使用过程设备强度计算软件SW6进行塔设备设计，并与前面的设计过程对比，从而对一些参数作进一步修改和完善，使设计结果更加安全和经济。最终要求同学运用word编辑设计说明书，用autoCAD绘制塔设备装配图。将计算机软件应用到单元操作的课程设计中，不仅提高了课程设计的质量，而且使设计更加规范。

三、模拟软件在化工设计课程设计中的应用

化工设计课程设计是指对化工过程的设计。通过设计一系列的单元设备操作，将其合理地组合起来，从而实现从原料的输入到产品的输出。该设计是在学生学完专业基础理论课“化工原理”、“化学反应工程”、“化工热力学”及主要专业课“化工设计”、“化工工艺学”等课程基础上，开设的一门综合性实践教学环节。

本课程设计的重点是生产工艺的选择、工艺条件的优化、设备的优化及车间布置等。在前述两门课程设计完成的基础上，继续建议学生采用化工过程模拟软件进行设计。商品化的化工流程模拟系统出现于上世纪70年代。目前，广泛应用的化工流程模拟系统主要有Aspen Plus、ProⅡ、ChemCAD和Hysys等，这些软件的功能和使用方法差别不大，掌握了一种软件系统，就不难学习使用其它系统。化工流程模拟软件通常都提供了大量的基础物性数据、热力学模型库、单元设备模型库。通过这些软件，可以对化工生产过程进行全流程模拟和优化。

图1 一步法制二甲醚的Aspen模拟流程图

以合成气一步法合成二甲醚项目设计为例。首先论证一步法合成二甲醚的生产方案，确定工艺流程，然后对整个工艺过程进行模拟和优化。笔者指导的同学采用的模拟软件是Aspen Plus。模拟过程中，通过选用模拟模板，添加各单元设备模块、选择计算物性参数的热力学模型，利用各单元设备模块和系统提供的循环物流收敛方法，再输入原料的温度、压力、处理量和组分和组成以及单元操作模块的操作条件，即可完成严格的全流程的物料衡算和能量衡算。图1是同学给出的一步法合成二甲醚的Aspen模拟流程图。一定条件下，原料气在反应器R0101中合成二甲醚，反应物经闪蒸罐F-1、吸收塔T0101、预分离塔T0201后，分别进入二甲醚精馏塔T0202和甲醇精馏塔T0203，得到产品二甲醚，副产品甲醇。由于课程设计时间的限制，采用软件模拟，同学们可以在设计过程中侧重设备设计参数以及整个工艺流程的优化。以图1流程中的精馏塔为例，可用2Aspen Plus软件中的灵敏度分析“Sensitivity”得出再沸器热负荷的变化对塔顶产品的影响；回流比对塔顶产品含量的影响；也可对进料板进行优化等。采用模拟软件还可以进行多方案比较，如图1流程中的甲醇分离可以采用一塔也可采用多塔；也可采用多效精馏，也可再加个反应器利用甲醇为原料采用成熟的甲醇脱水工艺合成二甲醚后再分离，等等。这些都是在采用这些软件设计之前难以完成的，为创新性设计提供了可能。

四、结语

采用计算机软件辅助化工专业课程设计，可以简化很多烦琐的计算，学生将有更多的时间和精力用于设计内容的完善和优化。但不论采用何种方法进行化工过程设计训练，最重要的一点是要让学生掌握化工过程设计的基本方法和步骤，培养学生的工程意识。学生学习计算机软件的能力是非常强大的，但设计过程中化学工程的基本概念比较欠缺。比如采用Aspen Plus对塔设备进行设计时，塔定的温度达到很低的温度，对于这样的温度，学生通常不会认为不合适，但是在实际生产中，要考虑何种冷却剂能将物料冷却到此温度，这表明同学们缺乏一定的工程概念。因此，在采用计算机软件进行化工设计时，教师需要特别强调一些工程方面的问题。

Analysis of applying computer software to course design of chemical engineering

CHEN Guangmei，SHAO Qun，YANG Mingdi，CHEN Xia，JIN Jie

Course designs for Chemical Engineering Principles，Mechanical Basis of Chemical Equipment，and Chemical Engineering Design are three gradually deepening practical activity.Computer software-assisted design will not only strengthen professional basics，consolidate the training of design steps and methods of unit operations，but emphasize the teaching philosophy of device parameters，process optimization，cultivating engineering ability.

software；chemical engineering；course design

G642.421

A

1009-9530（2016）02-0132-03

2016-01-21

安徽建筑大学质量工程项目（MZ1104）

陈广美（1965-），女，安徽建筑大学材料与化学工程学院教授，主要从事化工教学和科研工作。