張偉　李芊　趙振寧　方志剛　高云

【摘要】化工原理是一門內(nèi)容復(fù)雜，工程性強的課程。為培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，將AspenPlus軟件用于化工原理的輔助教學(xué)。在教學(xué)改革中，通過軟件的輔助教學(xué)作用，分別從提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，工程素質(zhì)，實踐能力和優(yōu)秀人才培養(yǎng)等方面論述了AspenPlus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用，教學(xué)改革效果顯著。

【關(guān)鍵詞】AspenPlus 化工原理 輔助教學(xué)

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）06-0162-02

化工原理教學(xué)是我國高等學(xué)校中化工類高校教學(xué)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，該門課程屬于工程學(xué)科范疇，與工程實踐和具體應(yīng)用聯(lián)系緊密。同時，該課程涉及諸多化工過程的原理及單元操作，具有理論性強、概念多、數(shù)學(xué)公式復(fù)雜及實用性強等特點。如何在教學(xué)過程中合理使用各種輔助教學(xué)軟件幫助本科生理解并掌握化工原理的知識點，是高?；そ虒W(xué)工作者一直研究的課題。AspenPlus軟件是美國麻省理工學(xué)院于20世界70年代開發(fā)的大型化工流程及模擬軟件，自推出以來就占據(jù)世界性大型化工標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件的重要地位，已經(jīng)成為大型化工企業(yè)研發(fā)新工藝的首選模擬軟件。同時，也是相關(guān)化工高校教學(xué)環(huán)境中的必要教學(xué)輔助工具。該軟件能夠廣泛模擬流體輸送、精餾、吸收及化工反應(yīng)等絕大多數(shù)化工生產(chǎn)過程。具有計算簡單、模擬精確、可視化程度高、應(yīng)用范圍廣的特點。

利用AspenPlus軟件的工程模擬及設(shè)計計算功能，結(jié)合化工原理的教學(xué)特點，輔助化工原理的課堂教學(xué)和課下設(shè)計訓(xùn)練，對教學(xué)效果提升具有良好的促進(jìn)作用。在課堂教學(xué)過程中，通過先提出化工單元操作問題，講解解決問題方法，學(xué)生進(jìn)行解題訓(xùn)練，在AspenPlus軟件中模擬等環(huán)節(jié)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高計算和設(shè)計兩種能力，為解決實際工業(yè)問題打下基礎(chǔ)。通過教學(xué)改革研究，在化工原理教學(xué)過程中輔以AspenPlus軟件的應(yīng)用，提高了教學(xué)效果，具體的教學(xué)效果可以從以下方面體現(xiàn)。

一、單元操作可視化，提高學(xué)習(xí)理解能力

化工原理來源于美國麻省理工學(xué)院于1913年開設(shè)的“Unit Operations of Chemical Engineering ”。單元操作（Unit Operation）是化工原理課程設(shè)計的核心，授課內(nèi)容也是圍繞單元操作進(jìn)行的模塊化教學(xué)。但學(xué)生對單元操作概念的理解十分局限，認(rèn)為是簡單化工設(shè)備的組合形成的具有不同功能的過程，對其操作機理和數(shù)學(xué)過程理解有限。AspenPlus軟件中的“單元模塊”與“單元操作”的理念基本一致，都是將具有共同特點的操作單元獨立出來進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，來理解和解決過程操作的實際問題。以化工原理教學(xué)中的傳熱一章為例，本章要求學(xué)生掌握傳熱的基本原理及計算方法、學(xué)會進(jìn)行傳熱的數(shù)學(xué)模型求解。因此在教學(xué)中可以利用AspenPlus軟件中提供的7種換熱器模型進(jìn)行傳熱過程基本原理的講解，同時在計算中先利用AspenPlus軟件進(jìn)行換熱過程求解，然后根據(jù)計算結(jié)果分析所利用的數(shù)學(xué)模型，并講解數(shù)學(xué)模型。圖1為AspenPlus軟件中提供的2種常見的換熱器模型。了解換熱器傳熱原理后，可以提出如下問題：用20℃、60000kg/h的水冷卻200℃、10000kg/h的化工產(chǎn)品（其中苯、苯乙烯、水、乙苯的質(zhì)量百分含量依次為50%、20%、10%和20%，則在熱交換過程中的傳熱量和換熱面積為多少？利用AspenPlus軟件中的Heater模型進(jìn)行模擬計算，模擬結(jié)果為：傳熱量為436421cal/s，換熱面積為20.2m2。引導(dǎo)學(xué)生分析計算結(jié)果的理論依據(jù)，并講解數(shù)學(xué)模型，使學(xué)生能夠融匯貫通，對概念上的傳熱過程有了具體形式上的認(rèn)識和理解。化工原理課程教學(xué)中，諸如吸收、精餾、解吸等單元操作均可以采用以上方法進(jìn)行輔助教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和理解能力。

二、“三傳”講解模型化，提高工程素質(zhì)

化工原理的教學(xué)過程本質(zhì)上講就是利用單元操作進(jìn)行“質(zhì)量傳遞、熱量傳遞和動量傳遞”（簡稱三傳）的理論介紹?！叭齻鳌卑芏嗖僮鬟^程，講解復(fù)雜，學(xué)生也很難理解。在輔助教學(xué)過程中，利用AspenPlus軟件架構(gòu)了一個化工企業(yè)常見的甲醇-水精餾操作過程，具體精餾模型圖和精餾操作模塊流程連接圖見圖2和圖3。通過具體模型化的精餾操作，來分別講述工廠實踐中的三傳過程，使學(xué)生能夠較快理解和掌握這一理論基礎(chǔ)。同時，采用工廠實際案例來進(jìn)行教學(xué)，利用AspenPlus模擬軟件把化工原理教學(xué)中的復(fù)雜傳遞過程利用模型來模擬，并模擬出化工生產(chǎn)真實狀態(tài)過程，不僅對學(xué)生提高學(xué)習(xí)主動性有幫助，而且促進(jìn)學(xué)生提高解決工程問題的能力，對課堂教學(xué)過程起到了很好的補充作用。同時在工科化工專業(yè)的學(xué)習(xí)中，需要對化工原理講授的課程內(nèi)容進(jìn)行工程訓(xùn)練，化工原理課程設(shè)計就是針對化工原理進(jìn)行的工程訓(xùn)練。傳統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容由于混合物的物化性質(zhì)難于查找，而且在設(shè)計中所有的計算過程完全依靠學(xué)生自行計算，如果出現(xiàn)錯誤則所做計算就需要重新進(jìn)行，學(xué)生的設(shè)計興趣不濃。同時為減少設(shè)計壓力，常采用簡單的二元物系如甲醇-水或者甲苯-苯體系進(jìn)行設(shè)計，這樣造成工程訓(xùn)練水平下降，達(dá)不到設(shè)計的目的。而將AspenPlus軟件應(yīng)用與化工原理的輔助設(shè)計過程中，不但能夠有效提高學(xué)生的工程訓(xùn)練水平，同時提高了學(xué)生的設(shè)計能力，鞏固了所學(xué)的課程知識。

三、“創(chuàng)新”意識及先進(jìn)技術(shù)課堂化，為未來發(fā)展打基礎(chǔ)

化工專業(yè)的學(xué)生未來的發(fā)展方向主要是圍繞著化工領(lǐng)域的相關(guān)生產(chǎn)和科研活動展開的，同時需要進(jìn)行工程化的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。工作后必然要涉及到工程設(shè)計和工廠生產(chǎn)的相關(guān)內(nèi)容，而在學(xué)校的學(xué)習(xí)過程中，恰恰缺少的就是這部分的訓(xùn)練，給學(xué)生較早適應(yīng)工作造成阻礙，同時也是學(xué)校教學(xué)與工程實踐脫軌的現(xiàn)實。AspenPlus軟件集成了目前全球先進(jìn)的化工生產(chǎn)過程所涉及的所有生產(chǎn)過程和數(shù)學(xué)模型，尤其是其生產(chǎn)過程可是進(jìn)行產(chǎn)前設(shè)計模擬，為實際生產(chǎn)過程提供極其珍貴的參考資料。此外，其外帶的用戶設(shè)計模塊為進(jìn)行先進(jìn)生產(chǎn)過程的創(chuàng)新設(shè)計提供了空間，這樣也為進(jìn)行創(chuàng)新性教學(xué)研究提供了輔助作用?；ぴ硎且婚T實踐性很強的課程，要求能熟練掌握各種單元操作及其相關(guān)設(shè)備的原理，必然離不開實踐和創(chuàng)新性思維。除帶領(lǐng)學(xué)生參觀化工廠對工藝過程有初步了解外，還可以利用AspenPlus軟件中的工藝流程模擬在實習(xí)前就對化工工藝有系統(tǒng)認(rèn)識，同時還可以利用軟件中全面的設(shè)備及單元操作來熟悉化工單元操作及設(shè)備，開拓學(xué)生的創(chuàng)新空間。把學(xué)生從書本知識理解中解放出來，使其投入到工程實踐訓(xùn)練中，這樣的教學(xué)改革過程必然能提高學(xué)生的總體工程實踐能力，為其在未來行業(yè)發(fā)展中奠定基礎(chǔ)。

四、“以賽代練”精英化，培養(yǎng)化工專業(yè)人才

全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽是專門針對高校化工專業(yè)學(xué)生開展的以技能訓(xùn)練和能力培養(yǎng)為目標(biāo)，選拔優(yōu)秀化工專業(yè)人才的一項專業(yè)競賽?；ぴO(shè)計競賽是在學(xué)生已經(jīng)具有較好專業(yè)基礎(chǔ)知識和AspenPlus軟件操作能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所選課題均為前沿性的課題，不僅可以作為教學(xué)課題，而且可以作為科研課題進(jìn)行研究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力。設(shè)計的廣度也有一定要求，不僅要進(jìn)行生產(chǎn)過程的模擬，而且要對過程結(jié)構(gòu)和操作條件進(jìn)行優(yōu)化，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等?；ぴO(shè)計競賽涉及內(nèi)容廣泛，且以工程訓(xùn)練為主，化工原理的教學(xué)內(nèi)容在化工設(shè)計競賽中應(yīng)用最為廣泛。競賽中的設(shè)計軟件模擬部分要求必須采用AspenPlus軟件進(jìn)行，化工專業(yè)本科生在系統(tǒng)掌握化工原理教學(xué)內(nèi)容的同時輔以流程模擬軟件進(jìn)行比賽，同時競賽訓(xùn)練不但提高了對化工原理及其他化工專業(yè)課的理解程度，同時也能提高自身的工程設(shè)計及工程實踐能力。同時參加化工設(shè)計競賽并完成比賽且獲獎的學(xué)生是本專業(yè)的優(yōu)秀設(shè)計類學(xué)生，這樣的學(xué)生恰恰是化工廠及設(shè)計單位所需的專業(yè)人才。通過競賽培養(yǎng)化工專業(yè)精英人才，為社會塑造實用性和創(chuàng)新能力兼?zhèn)涞木C合人才，是高等學(xué)校未來轉(zhuǎn)型及專業(yè)設(shè)置和人才培養(yǎng)的一個主流方向。

五、結(jié)論

化工原理是由理論到工程實踐過程中具有承上啟下作用的過渡課程，因此，突出該課程的工程特色，開展創(chuàng)新教育和工程訓(xùn)練，對適應(yīng)新時期高等學(xué)校教學(xué)理念創(chuàng)新和培養(yǎng)具有工程實踐能力的專業(yè)人才具有重要意義，也是時代的客觀需求。AspenPlus軟件為代表的化工專業(yè)計算機教育和專業(yè)基礎(chǔ)教育的有益結(jié)合，不但提供了一種新穎的教學(xué)方法和教育手段，也為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化專業(yè)發(fā)展需求的人才提供了新的平臺。但需強調(diào)的是，在化工專業(yè)教學(xué)中，基礎(chǔ)教學(xué)過程仍是化工人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，輔以AspenPlus軟件進(jìn)行教學(xué)設(shè)計是為了提高素質(zhì)教育的效果和提升綜合教學(xué)水平提升，不能因化工軟件的參與而削弱了基礎(chǔ)知識和基本技能的培養(yǎng)。在掌握基本化工原理知識和基本工程設(shè)計能力的基礎(chǔ)上，借助AspenPlus軟件這一高效化工軟件，為化工原理的教學(xué)和綜合人才培養(yǎng)加油助力，培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的化工專業(yè)人才，提高我國化工專業(yè)的整體發(fā)展水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張頌紅，姚克儉. 化工原理課程教學(xué)中創(chuàng)新教育的探索與實踐[J]. 化工高等教育，2003，77（3）：83-84.

[2] 汪斌，舒莉，朱炳龍. Aspen plus在化工設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用[J]. 化工時刊，2010，24（9）：48-50.

[3] 孫蘭義，張月明，李軍等. Aspen plus在化工原理課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣東化工，2009，36（12）：173-175.

[4] 張香蘭，曹俊雅，張軍等.Excel及化工流程模擬軟件在化工專業(yè)設(shè)計課程中的應(yīng)用[J]. 化工高等教育，2012，29（3）：98-102.

[5] 陳慕華.應(yīng)用現(xiàn)代化手段進(jìn)行化工原理教學(xué)的思考[J]. 科學(xué)咨詢，2010，（25）：100-101.

[6] 王賢書.Aspen plus在制藥化工原理汽液平衡教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣州化工，2011，39（13）：186-188.

[7] 韋曉燕，譚軍，胡萬鵬等.Aspen plus軟件在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 化工時刊，2012，26（6）：69-70.

[8] 劉保柱，于鳳文，朱菊香.AspenPlus應(yīng)用與化工原理課程設(shè)計的實踐[J]. 化工高等教育，2007，24（2）：23-25.

[9] 劉英杰，徐淑玲，楊基和. Aspen plus在化工工程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣州化工，2014，42（7）：195-196.

[10] 喬柱. 計算機仿真在化工生產(chǎn)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2011，13（3）：122-124.

基金項目：遼寧科技大學(xué)校級教改項目（CXCY-2015-15）遼寧科技大學(xué)校級青年教改項目（QNJJ-2015-04）