熊航行 李官銳 許維秀

摘要：本文介紹了Excel、Aspen Plus、AutoCAD三種軟件在化工原理課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用，免去了粗糙、煩瑣、耗時(shí)的手工計(jì)算，以期使學(xué)生的計(jì)算機(jī)用能力和工程能力得到培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Excel；Aspen Plus；AutoCAD

中圖分類號(hào)：TQ021.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-9324（2016）22-0209-02

化工原理課程設(shè)計(jì)屬于化工原理的一個(gè)分支，是化工原理不可或缺的一個(gè)分支，是化工類專業(yè)的學(xué)生在校期間進(jìn)行的第一次設(shè)計(jì)，是化工原理課程理論教學(xué)結(jié)束后，針對化工生產(chǎn)過程中某一具體單元操作，利用大一、大二學(xué)過的機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、Auto CAD、物理化學(xué)、化工原理等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，在給定的工藝條件下，由學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行的一次設(shè)計(jì)實(shí)踐[1]。

計(jì)算機(jī)科技的進(jìn)步是計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用和發(fā)展突飛猛進(jìn)，使現(xiàn)代工業(yè)飛快發(fā)展。由于化工原理課程設(shè)計(jì)所采用的公式多，計(jì)算工作量大，并且復(fù)雜，學(xué)生做起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著工程軟件的發(fā)展，利用工程軟件進(jìn)行化工原理課程設(shè)計(jì)，可以給學(xué)生注入現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，使學(xué)生的計(jì)算量和計(jì)算強(qiáng)度大幅度降低，使學(xué)生的設(shè)計(jì)水平得到大大提到，以便適應(yīng)企業(yè)將來的需要[2-4]。

一、利用EXCEL軟件簡化計(jì)算

Excel是微軟公司辦公軟件Office的重要組成部分，Excel具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理能力，在分析、計(jì)算和優(yōu)化復(fù)雜工程問題時(shí)應(yīng)用較廣。例如，回歸分析試驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，求解多變量、非線型方程組，定量預(yù)測技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性等?；ゎ悓I(yè)的學(xué)生在大一學(xué)習(xí)過計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，學(xué)生比較熟悉該軟件。Excel具有自動(dòng)填充功能、簡單函數(shù)功能以及單變量求解功能，利用Excel的自動(dòng)填充功能可以自動(dòng)計(jì)算一些要逐板計(jì)算法或者圖解法求解的一些化工問題，該方法高效、準(zhǔn)確、簡便，減少學(xué)生的計(jì)算量，提高學(xué)生的積極性[5-6]。大多數(shù)院校的化工原理課程設(shè)計(jì)題目大多選擇的是精餾塔（含換熱器）的設(shè)計(jì)，對于精餾塔（含換熱器）的設(shè)計(jì)，需要多次的反復(fù)試差計(jì)算，再確定氣液兩相的相平衡關(guān)系；精餾塔塔頂、塔底的溫度的確定；理論塔板數(shù)的逐板計(jì)算和圖解計(jì)算；適宜回流比的確定；換熱器傳熱系數(shù)的選取與校核；精餾塔負(fù)荷性能圖的繪制等方面均可以使用Excel軟件，從而簡化很多煩瑣的計(jì)算，并且計(jì)算結(jié)果相對于手工計(jì)算更趨合理和可靠性，可使學(xué)生對Excel的功能有深層次的認(rèn)識(shí)和理解。

比如：利用逐板計(jì)算方法計(jì)算精餾塔的理論塔板數(shù)，需要交替利用相平衡方程和操作線方程進(jìn)行多次重復(fù)計(jì)算，當(dāng)理論塔板數(shù)很多時(shí)，若是手工計(jì)算必將難以勝任的。而利用Excel具有循環(huán)功能，只需要輸入操作線方程和平鄉(xiāng)縣方程中所需要的判斷條件和參數(shù)，精餾段理論板數(shù)、加料板位置以及全塔理論板數(shù)就能很快得到。

劉承先[7]進(jìn)行精餾塔理論板數(shù)的計(jì)算時(shí)使用了Excel，利用Excel軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，既顯示出利用手進(jìn)行逐板計(jì)算法的準(zhǔn)確，還顯示出各板汽液組成能算出的優(yōu)點(diǎn)，而且免去了煩瑣的逐板計(jì)算法，特別是在操作性計(jì)算類型中更顯示出優(yōu)越性。結(jié)果表明，Excel軟件無論是對簡單的二元精餾還是對多元物系復(fù)雜的精餾，均可減輕試差或計(jì)算的麻煩。

劉俏[8]等人在計(jì)算不同回流比下各個(gè)塔板上的汽-液平衡組成時(shí)也使用了利用Excel軟件，通過物系的溫度-組成數(shù)據(jù)表，求取各板上泡點(diǎn)液利用了其液相組成，即可快速找到不同回流比下最大泡點(diǎn)差所對應(yīng)的理論板——靈敏板。當(dāng)進(jìn)料組成及回流比發(fā)生波動(dòng)時(shí)，既有助于控制精餾塔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又穩(wěn)定了餾出液的組成。

二、利用Aspen Plus流程模擬軟件使設(shè)計(jì)變得高效、快捷

化工過程流程模擬就是將一個(gè)由許多過程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)求解描述整個(gè)化工生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，得到有關(guān)該化工過程性能的信息。受數(shù)據(jù)可得性和手算可行性的限制，教師往往選擇簡單或簡化的化工原理課程設(shè)計(jì)題目，難以真正反映實(shí)際的化工設(shè)計(jì)過程，勢必使課程設(shè)計(jì)的效果受到影響。因此，有必要將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)引入計(jì)算過程中。

化工過程流程模擬軟件Aspen Plus的單元模塊類似于化工原理課程中的單元操作，都是將抽象出操作過程中的共性來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而對計(jì)算問題進(jìn)行解決；但Aspen Plus軟件根據(jù)自己的算法建立了一系列的模型以適應(yīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算的，用戶只要解決問題時(shí)，根據(jù)不同模型的特點(diǎn)選擇即可[9-12]。

化工原理課程設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算中的部分環(huán)節(jié)，如：獲得理想物系理論板數(shù)和回流比之間的關(guān)系可以利用流程模擬軟件Aspen Plus中的DSTWU這一簡捷法設(shè)計(jì)模塊[2]；利用靈敏度分析工具可以優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)料板的位置，確定最適宜的進(jìn)料位置；獲得化工原理課程設(shè)計(jì)所需要的物性參數(shù)；利用Aspen Plus中的嚴(yán)格精餾計(jì)算模塊RADFRAC和換熱計(jì)算HEATX模塊對冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷以及換熱器面積和公用工程耗量進(jìn)行計(jì)算；充分挖掘Aspen Plus的各項(xiàng)功能可以計(jì)算總費(fèi)用等等。通過Aspen Plus軟件可以全部完成化工原理課程設(shè)計(jì)中的工藝計(jì)算部分，這樣顯著提高設(shè)計(jì)的效率，避免手工計(jì)算的高工作量，而且設(shè)計(jì)結(jié)果更可靠，更貼近工程實(shí)際。

三、利用Auto CAD軟件強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)

化工類專業(yè)一般開設(shè)有AutoCAD和化工原理兩門課，并且AutoCAD在化工原理課程之前先行開設(shè)，為了強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，在化工原理課程設(shè)計(jì)中可以要求學(xué)生利用AutoCAD來進(jìn)行畫圖，淘汰費(fèi)時(shí)費(fèi)力的手工畫圖。比如可以要求學(xué)生利用AUTOCAD解決如下問題：繪制相平衡曲線；圖解法求取理論塔板數(shù)；不規(guī)則平衡線下的最小回流比的求取；板式塔的汽液負(fù)荷性能圖；工藝流程圖；工藝條件圖；裝配圖；吸收計(jì)算中利用CAD查詢法求取傳質(zhì)單元數(shù)；三元物系萃取的圖解計(jì)算[13-16]。

由于AutoCAD的圖解過程直觀、簡單、精確，可以大大提高學(xué)生將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工程計(jì)算的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，為培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才目標(biāo)打下了一定的基礎(chǔ)。

例如：XD=0.95，XF=0.40，XW=0.05，R=1.6，q=1.22，α=2.92，精餾段操作線方程：y■=0.667x■+0.317；提餾段操作線方程：y■=1.44x■-0.022，泡點(diǎn)進(jìn)料，塔頂為全凝器，利用Auto CAD軟件求取理論塔板數(shù)的方法精餾塔的理論塔板數(shù)的求取見圖1。

四、結(jié)束語

將計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程問題相結(jié)合，利用工程軟件輔助設(shè)計(jì)是提高化工原理課程設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效方法，一次成功的化工原理課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神科學(xué)和計(jì)算能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的工程觀念和綜合能力，從而培養(yǎng)出以工程軟件為工具的高等技術(shù)應(yīng)用型人才。

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