计算模拟在化工原理精馏实验教学中的运用

梁亮++杨雄霖++陈瑞++庄杭坡++史博

摘要： 化工原理实验是化工原理课堂理论消化吸收的重要实践课程。然而局限于验证课本理论的操作性实验具有单一性，不利于学生工程能力的培养。本文通过指导学生运用模拟软件对化工原理精馏实验工艺过程模拟优化、故障诊断模拟分析、仿真开发等手段对化工原理实验装置运行进行操作，使学生在过程中工程能力得以形成，并对专业学习产生更多的学习兴趣。总体而言，本次改革不仅将模拟计算综合运用到化工原理实验教学中，提高了学生工程实践能力，还在化工原理实验模式上进行了改革。改进后的实验设备具有运行成本低、数据重复性强、耗时短的优势。

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.

关键词： 模拟计算；化工原理；精馏实验；工程能力

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

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0163-02

0 引言

现代化学工业的飞速发展得益于计算模拟的广泛、深入应用。现如今计算模拟已成为化工发展不可缺少的工具和手段，其在化工设计、生产、研究和教学中的重要性日益凸显。例如化工单元仿真即为以化工原理为基础，以计算机模拟操作为手段的综合教学。

基于近年来国家引导部分地方本科高校向应用技术型高校转型发展的思想，转型高校在校生工程能力、应用能力的培养为改革的重中之重。因此在化工的专业基础课实践环节——化工原理实验中，教师应根据社会发展的信息化需求，结合现代化的计算模拟软件分析实验过程，一方面可强化学生在計算模拟软件方面的训练和运用，另使一方面还可加深学生对装置、实验过程，甚至化工过程的深入理解。此外，在实验装置上进行计算模拟，还可节约大规模生产设备的运行成本，亦可多次重复实验，在形成学生解决工程问题的思维方式上具有极大的提升效果[1-3]。

精馏塔是化工流程应用广泛的单元操作设备，影响精馏塔操作水平和产品质量的因素很多，且相互关系复杂。精馏实验能够使我们了解精馏塔的内部结构，观察塔内各种传质状态，学习精馏塔的操作方法和具体流程，并掌握一定的实验数据处理方法，加深我们对精馏塔对二元物系进行分离过程的理解与认识，从而培养我们将理论与实际相结合，并运用所学知识去解决实际问题的能力。

本文以精馏实验装置为例进行计算模拟操作。运用ASPEN软件进行工艺流程模拟、故障诊断分析，并采用计算机语言开发了仿真软件。在教学过程中进行各种环节设计，然后根据学生实验结果进行分析总结剂点评，在实验过程中培养了学生的工程能力，并对专业学习产生更高的学习兴趣。

1 ASPEN软件在工艺流程优化实验中的教学设计与实施效果评价

化工过程模拟技术是以化工工艺流程的理论机理为基础模型，采用计算机模拟的手段来对化工过程进行描述，并对化工的工艺流程进行热量衡算、物料衡算、能量分析和设备尺寸估算等。因此，流程模拟不仅可以节省时间，也可节省大量操作资金，同时对经济效益、过程优化、环境评价进行全面的分析与精确评估，以达到对化工过程的规划、研究开发及技术分析，从而节约资源、优化生产和提高经济[4]。

在工艺过程模拟中，学生按设计好的过程进行如下操作及模拟：

①试验探究加热电压、回流比、进料量和进料浓度的改变对塔顶馏出液中乙醇摩尔分率的影响，得到了在一定操作条件下精馏分离的最优化条件。

②运用化工流程模拟软件来对乙醇-正丙醇两组分的分离精馏实验进行模拟，得到理论的实验结果，并与实际结果相比较，找出实验的影响因素。

Aspen模拟的最终结果表明，模拟值与实验数据吻合较好，模拟过程中物性参数、模块选取合理。从模拟的结果不仅可以看出实验数据与理论值的差异，还可得到很多实验所不能得到的参数及变化情况，通过比较可找出实验的错误和不足之处，及时进行整改，从而大大提高了实验分离效率。

此外学生还对精馏塔的回流比、馏出比和进料位置进行了灵敏度的分析，得到了三种参数的变化规律，确定了一定条件下的最适回流比、馏出比、最佳进料板。

总的来说，ASPEN软件模拟工艺过程最主要是让学生了解化工模拟软件在实际的实验和流程操作中指导作用，通过理论的数据与实际的数据进行对比，判断计算模拟的准确性，找出错误位置，及时进行优化，并向授课教师提供了理论的最佳操作参数，即使学生了解设备参数变化规律，更快的确定最佳参数数值，更提高了实践效率，节约了人工成本。

2 ASPEN软件模拟软件在实验中的教学设计与实施效果评价

随着计算机技术的发展，通过模拟软件对化工过程进行计算模拟，据此对过程进行故障分析已成为一种常用手段。在本次教学改革中，学生可结合实验装置实践，通过使用模拟软件对实验装置进行流程模拟，经过与实际过程参数对照分析，发现实际操作过程的故障原因，找出解决问题的对策，使学生在实训中得到工程能力的提高。[5-7]

在精馏实验装置上，在不告知学生情况下，人为制造一些故障，如管道泄漏、堵塞，塔内板上构件作改变，或者拆卸塔体保温层等等。学生在人为故障的情况，操作实验装置，对现场采集数据，并对数据进行分析，初步确定原因，然后用ASPEN软件对实际工艺进行模拟计算，找出问题的原因。

在诊断故障过程，学生按设计好的过程进行如下操作及模拟：

①通过设备的设计参数在模拟软件上进行模拟计算，验证流程装置设计的合理性；

②通过正常运行完好的设备采集的数据，用现场数据与模拟计算的数据进行对比，验证模拟计算的参数设计合理性；

③运行人为设计故障的实验装置，现场采集数据，对照与模拟计算不符合的部分；

④初步确定原因，对设计不符合部分在计算机上多次模拟操作；

⑤对故障部分给以改造策略，并考虑其合理性，最终给出诊断结果。

学生以模拟软件为工具，对实验装置的多种情况进行了计算模拟，将计算结果与实际情况进行对比分析，诊断出装置运行过程中的故障，分析故障的原因，并找出解决问题的方法，这种工程能力的培养，为其在工作岗位上进行设备维护和操作参数的调整提高很好的经验和理论基础。同时在模拟数据的帮助下，对实际操作进行了在线优化，并将优化结果指导实际生产过程。

3 仿真软件在实验中的教学设计与实施效果评价

化工原理仿真实验是以真实的实验原理、实验现象、实验过程和实验数据为基础，在计算机上通过数学模型进行模拟实验现象，通过互动的动画模拟在现场的真实操作，并产生和真实实验一样的操作结果[2]。这种方法有利于培养学生的分析能力、处理、解决问题能力。

学生在开发过程中运用了多种开发语言编写，如采用Visual basic 、Visual c++、Delphi等，以及运用多種多媒体合成平台进行绘制装置，如Authorware、Photoshop、CAD等。

开发的仿真系统主要功能包括化工原理实验仿真模拟操作训练、模拟操作的评分、操作数据的获取及实验数据处理、思考题的测试及评估、实验装置的多媒体展示以及在线帮助等等，其基本结构如图1所示。

在开发过程中，我们要求学生按照以下步骤进行：①查阅相关资料，阅读相关教材，透彻理解原理及要求；②熟悉实验流程，进行实验的实际操作，掌握过程规律；③收集有关的物性数据，并从实验数据中挑选具有代表性的数据，形成数据库；④使用多媒体工具与设计语言结合，绘制包括实验设备、仪表、管路在内的试验流程图；⑤熟悉过程各变量之间的复杂关系及规律，采用设计语言编写模拟代码，实现各模块之间的联系；⑥系统的调试与修改。学生对实验过程进行仿真系统简单开发，模拟了真实的实验操作，使学生熟练掌握了如何操作化工单元过程，熟练的测定、整理实验数据，并且提高学生的学习兴趣。通过这种学习过程，在工作实践中，形成模拟真实操作的思维能力，以便其能更深入了解化工过程的流程，以及影响化工过程的因素之间的复杂关系。

4 结论

学生通过将计算模拟综合运用到化工原理实验装置流程中，在投入成本少、耗时短、可重复性高的情况下，使学生了解设备参数变化规律，更快地确定最佳参数数值，更提高了实践效率；更深入了解化工过程的流程，以及影响化工过程的因素之间的复杂关系。从而提高了学生的工程实践能力，在实践中形成解决问题的能力。同时，其也存在不足之处，由于设备流程简单，过程可改变的变量少，不少监控点还需再安装，因此，实验装置和实际生产装置仍存在较大差别，仍需进行改进，以便更接近实际生产过程，更好培养学生的工程实践能力。

参考文献：

[1]郭晓亚.基于创新人才培养的化工原理实验教学体系的构建[J].化学教育，2015（16）：58-60.

[2]孙兰义.化工流程模拟实训[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]梁亮，李燕，等.化工原理实验[M].北京：中石化出版社，2015.

[4]杨光辉.化工流程模拟技术及应用[J].计算机与信息化，2008（8）：35-36.

[5]孙巍.ASPEN+Plus在工业精馏塔故障诊断与参数寻优中的应用[J].化工进展，2005（24）：935-937.

[6]涂娅莉，等.专家系统在精馏塔故障诊断中的应用[J].低温与特气，2006，24（5）：26-29.

[7]田文德，等.基于动态模拟的精馏塔故障诊断[J].计算机与应用化学，2011，28（12）：1569-1572.