化工设计竞赛模式在化工流程模拟课程教学中的应用

2019-02-17张向宇张云杰白术杰

山东化工 2019年9期

张向宇，张云杰，白术杰，张杰，杨慧

(1.佳木斯大学药学院，黑龙江佳木斯 154007；2.佳木斯大学附属第一医院，黑龙江佳木斯 154002)

随着科学技术的发展和人类文明的进步，化学工业进入到高速发展时期，需要高层次的，创新型的和专业型的化学工程技术人才。中国石化-三井杯化工设计竞赛由教育部教学指导委员会主办，各大高校化工专业本科生和研究生组队参加。学生综合运用化工原理、化工工艺学、化工热力学、化工机械和经济分析等课程的知识，设计内容包括新的工艺流程或对现有工艺流程技术性的改进，新设备、新装置的选择和研发、车间布置和工厂设计等。通过参与竞赛，能提高学生的创新能力、竞争意识、团队协作能力和工程实践技能[1-2]。

化工流程模拟是利用计算机技术解决化工过程的先进技术手段，以Aspen plus软件为教学方式，常见无机有机化合物的数据库和物性方法为基础算法，应用于化工过程研究、开发、设计、仿真、生产过程控制、优化及技术改造等。通过流程模拟，实现对原有流程的改造和优化，新工艺和新设备的设计，物料衡算和能量衡算的计算等。化工流程模拟是参加化工设计大赛的首要任务和先决条件，合理的流程设计可以减少设计工作量，提高设计工作效率；化工设计大赛的各个设计内容又可以实现流程模拟的设计和优化[3-5]。通过本文，对我院以化工设计竞赛为模式对化工流程模拟教学的应用做一下总结。

1 教学内容的调整

Aspen plus软件包含绝大多数无机有机化合物的基本参数和一百多种物性方法，学生在短短的一个月内完全掌握所有的化合物数据和物性方法是有困难的。根据对近五年化工设计大赛的题目、原料、生产工艺和产品的研究，我们发现原料来源有两种，煤制合成气和石油裂解产物。因此我们将授课内容(教学课程的前期)的课堂练习和课后习题都安排以合成气和石油裂解产物为原料的习题，通过练习掌握相关的有机无机化合物的化学式、分子量、熔沸点和英文名称，如氢气、氧气、二氧化碳、甲烷和乙烯等；同时掌握常见有机化合物的同素异形体的结构和名称，常见的无机酸(盐酸、硫酸、硝酸、磷酸)和无机碱(纯碱、烧碱、氨水)和无机盐类的性质，基本的无机化学反应如氧化还原、加氢脱氢、中和反应和有机化学反应如烷基化、羰基化、氯化、磺化、硝化、酯化等。通过有效的课堂练习，促使学生掌握建立化工流程模拟的基础知识。

2 教学方法的转变

在以往的教学方法中，教师先讲授理论，再介绍模块，学生熟悉模块，教师再通过课堂练习和课后习题让学生练习。为了增加学生的参与度，提高学生的学习热情，同时培养学生的创新能力。我们在全国化工设计大赛本年度题目确定之后(教学课程的中后期)，提醒学生查阅资料，确定反应原料、工艺路线和产品，再后续的课题教学和课后习题中(物性方法、流程选型、模型分析工具、工艺流程模拟和流程收敛)，以学生设计的工艺流程为蓝本，重点选择工艺流程中的模块、管路和设备为实例，学有余力的学生可以选修选做其他模块练习，教师提供练习题目和参考答案。Aspen plus软件中的单元模块和化工原理中的单元操作原理是相同的，都是将共性的物理化学过程以模型的方式归纳出来，从而解决实际的工程应用问题。学生在单元模块的学习中可以复习和巩固化工原理的知识，并学习设备、管路、自动控制、环境保护和经济评价的内容，从而有效利用化工过程模拟基础课程完成本年度的全国化工设计大赛[6]。

3 在课程教学中的应用

通过化工原理、化工工艺学、化工机械等理论课程，学生能够掌握化工传递过程的基础理论和反应动力学热力学原理，通过化工专业实验和化工生产实习能有效的理解理论知识，掌握生产实际，培养学生提高工程实践的能力。但是由于黑龙江处于高寒地区，受到地域区域和教学资源的限制，许多实验教学项目设备陈旧，功能单一，无法准确有效读取数据和计算结果；仿真模拟实验受化工流程固定模式的限制，无法自主选择设备模块；另外由于黑龙江是煤矿大省及实习经费的影响，生产实习基地主要集中煤炭化工企业，企业设备陈旧，更新速度较慢。应用Aspen plus软件能以煤炭、石油、天然气为化学矿物为原料；使用混合器、反应器、吸收塔、精馏塔等多种模块设备；有效模拟动态和稳态过程，模拟复杂流程包括高分子聚合反应、液液倾析、反应精馏和固液气三态混合物的分离。结合当年化工设计大赛的题目，能有效的建立化工流程模拟，指导化工实验的设计和开展，并通过化工设计大赛促进化工实验和化工实习的进行。在春季的课程设计中，就选用当年化工设计大赛的题目作为设计任务书，以赛代练，在完成化工设计大赛的同时完成课程设计[7]。