李　濤 ， 沙　嬌 ， 李　玉 ， 徐　麗 ， 任保增

(1 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院 ， 河南 鄭州　450001 ； 2河南省食品工業(yè)科學(xué)研究所有限公司 ， 河南 鄭州　450053)

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計(jì)算機(jī)軟件在化工工藝專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李濤1， 沙嬌2， 李玉1， 徐麗1， 任保增1

(1 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院 ， 河南 鄭州450001 ； 2河南省食品工業(yè)科學(xué)研究所有限公司 ， 河南 鄭州450053)

課程設(shè)計(jì)是化工工藝專業(yè)教學(xué)過程中十分重要的環(huán)節(jié)，針對(duì)課程設(shè)計(jì)中存在的計(jì)算復(fù)雜、工作量大等問題，將AtuoCAD、PRO/Ⅱ、Aspen Plus以及Math CAD等計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)中，有效地解決了這些問題，課程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量得到了提高，學(xué)生熟練掌握了多種工程軟件，工程實(shí)踐能力得到了很好的培養(yǎng)。

計(jì)算機(jī)軟件 ； 化工工藝專業(yè) ； 設(shè)計(jì) ； 應(yīng)用

隨著化工行業(yè)的不斷發(fā)展，化工學(xué)科的內(nèi)涵也在不斷豐富，行業(yè)對(duì)具有良好工程意識(shí)和較強(qiáng)工程能力的工程技術(shù)人才的需求量日益增大[1]。高等學(xué)校工科專業(yè)為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，其主要目標(biāo)是培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才[2]。因此，新時(shí)期高等學(xué)?；I(yè)的重點(diǎn)和關(guān)鍵除了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力外，需要進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)和工程能力的培養(yǎng)。作為國家特色建設(shè)專業(yè)和國家級(jí)綜合改革示范專業(yè)，鄭州大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)對(duì)于如何提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，對(duì)設(shè)計(jì)類課程群進(jìn)行了大量的改革和創(chuàng)新，也取得了較好的效果[3-4]。隨著世界計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，化工設(shè)計(jì)過程中引入計(jì)算機(jī)工具已成為大勢(shì)所趨[5]。為此，由于專業(yè)設(shè)計(jì)課程學(xué)時(shí)有限，要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)作品，引入計(jì)算機(jī)技術(shù)顯得尤為重要。面對(duì)這一發(fā)展形勢(shì)，專門開設(shè)了設(shè)計(jì)理論課程，重點(diǎn)增加了學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容，包括AtuoCAD、PRO/Ⅱ、Aspen Plus以及Math CAD等軟件。在熟練掌握相關(guān)軟件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行化工工藝專業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，將軟件靈活運(yùn)用，大大地減少了繁雜的手工計(jì)算工作量，學(xué)生對(duì)專業(yè)課程設(shè)計(jì)的興趣也得到了提高，教學(xué)效果得到了明顯的改善。本文將對(duì)不同計(jì)算機(jī)軟件在化工工藝專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹，并對(duì)應(yīng)用后的教學(xué)效果進(jìn)行總結(jié)。

1　AutoCAD的應(yīng)用

AtuoCAD是由美國Autodesk公司研制開發(fā)的一種計(jì)算機(jī)輔助繪圖設(shè)計(jì)軟件[6]。目前，AtuoCAD由原來的二維繪圖發(fā)展到三維繪圖，版本也在不斷的更新和升級(jí)(AutocCAD2016)，并且可以和其他的計(jì)算機(jī)軟件合并使用，設(shè)計(jì)得到的動(dòng)畫更為真實(shí)。AtuoCAD是世界上應(yīng)用最為廣泛的CAD軟件之一，它在化工設(shè)計(jì)繪圖中有著極其重大的作用[7-8]。在進(jìn)行化工工藝專業(yè)課程設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)所設(shè)計(jì)的單元操作或工藝車間進(jìn)行制圖，學(xué)生利用AtuoCAD對(duì)設(shè)計(jì)涉及到的化工設(shè)備、化工工藝流程、設(shè)備及廠房布置以及化工管道布置等進(jìn)行快速繪制。

2　Aspen Plus的應(yīng)用

美國麻省理工學(xué)院在20世紀(jì)70年代開發(fā)了大型化工模擬軟件Aspen Plus，該軟件具備單元操作模型強(qiáng)大、設(shè)計(jì)能力優(yōu)秀、物性數(shù)據(jù)庫和熱力學(xué)方法齊全等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛的應(yīng)用到化工過程的工藝設(shè)計(jì)、項(xiàng)目研發(fā)、技術(shù)改造、工藝優(yōu)化、過程集成、設(shè)備設(shè)計(jì)等方面[9-12]。Aspen Plus在學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)起到了重要的作用。例如，在進(jìn)行精餾塔的設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算不同回流比下精餾塔數(shù)據(jù)求解最優(yōu)回流比，由于很多物系的相平衡數(shù)據(jù)缺乏，直接計(jì)算難度很大。學(xué)生通過利用Aspen Plus的捷算方法有效地解決的這一難題。首先，以Columns組的DSTWU模塊建立需要設(shè)計(jì)的精餾過程流程圖，然后依次輸入組成、塔板數(shù)等控制參數(shù)，輸入完成后可以進(jìn)行運(yùn)算得到設(shè)定塔板數(shù)下的回流比、再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷，還能得到在相同分離要求下不同塔板數(shù)和回流比數(shù)據(jù)組，依據(jù)該數(shù)據(jù)組即可獲得最優(yōu)回流比。

3　PRO/Ⅱ的應(yīng)用

Pro/Ⅱ是由美國SIMSCI 科學(xué)模擬公司在結(jié)合Process 和Aspen 軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的專業(yè)化工流程模擬軟件[13]。Pro/Ⅱ的物性數(shù)據(jù)庫十分完善，熱力學(xué)物性計(jì)算系統(tǒng)強(qiáng)大，單元操作模塊多達(dá)40多種，應(yīng)用范圍廣闊，將其應(yīng)用于化工工藝專業(yè)的課程設(shè)計(jì)中，不僅能大大減少設(shè)計(jì)的計(jì)算量，還能提高計(jì)算的準(zhǔn)確性[14]。同樣，在進(jìn)行精餾塔設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可以通過運(yùn)用Pro/Ⅱ進(jìn)行精餾設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算。具體的計(jì)算分為兩步：①以捷算法(Shortcut)進(jìn)行塔板數(shù)或回流比，采用Fenske方程計(jì)算出全回流條件下的最小理論板數(shù)，以Underwood獲得最小回流比，根據(jù)具體情況由Gillian的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖求解實(shí)際的回流比或理論板數(shù)；②利用Distillation模型對(duì)再沸器和冷凝器的負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并對(duì)精餾塔進(jìn)行逐板計(jì)算，得到各物流組成及流量數(shù)據(jù)。

4　Math CAD的應(yīng)用

Math CAD是美國Math soft公司于1986年推出的一款具有強(qiáng)大數(shù)學(xué)運(yùn)算、繪圖、編程的數(shù)學(xué)系統(tǒng)軟件[15-16]。Math CAD操作簡單、易懂好學(xué)、用它進(jìn)行計(jì)算時(shí)一般不需要編程，能夠解決很多科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算問題，簡化計(jì)算過程，提高計(jì)算效率，應(yīng)用十分廣泛。在進(jìn)行化工工藝課程設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常需要要用到試差法，計(jì)算過程十分復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，運(yùn)用Math CAD進(jìn)行計(jì)算，很好地解決了以上問題。例如，在進(jìn)行合成氨工藝過程氨合成工段工藝設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行冷交換熱量衡算時(shí)若手工計(jì)算需要試差，學(xué)生利用Math CAD將溫度條件、冷量計(jì)算函數(shù)進(jìn)行定義，直接就能得到計(jì)算結(jié)果。

5　結(jié)語

綜上所述，鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院化工工藝專業(yè)在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)過程中，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程問題緊密結(jié)合，學(xué)生利用AtuoCAD、PRO/II、Aspen Plus以及Math CAD等軟件解決了課程設(shè)計(jì)過程中存在的計(jì)算復(fù)雜、工作量大等問題，提高了課程設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算效率，課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量也得到了的提高。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的同時(shí)，學(xué)生熟練掌握了多種工程軟件，進(jìn)行化工課程設(shè)計(jì)的積極性明顯提高，工程實(shí)踐能力得到了很好的培養(yǎng)，綜合創(chuàng)新能力也得到了鍛煉，這為鄭州大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)“卓越工程師”，提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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2016-07-15

李濤(1982-)，男，副教授，從事化工教育及科研工作，電話：13733807595；聯(lián)系人：任保增(1962-)，男，教授，博導(dǎo)，從事化工教育及科研工作，電話：13803846110。

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