張明玨 李成勝 馬衛(wèi)紅 陳曉艷 周建成,3

(1. 東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088；2. 南京揚子職業(yè)培訓有限責任公司，江蘇 南京 210048；3. 東南大學化學化工學院，江蘇 南京 211189)

化工過程模擬(也稱流程模擬)技術以工藝過程的機理模型為基礎，通過計算機輔助手段，進行化工過程或單元設備的物料衡算、熱量衡算、設備選型和能量分析，進行方案的選擇和優(yōu)化，使過程的投資和費用最低。它不僅包含化工原理、反應工程、化工熱力學、系統(tǒng)工程、計算在化工中的應用等多門課程內容，而且深化了各門課程之間的有機聯(lián)系，突出理論結合實踐，是近幾十年發(fā)展起來的一門新技術[1]。目前應用最為廣泛的化工流程模擬軟件有Aspentech公司的Aspen plus和Aspen Hysys、SimSci公司的Pro/II及Chemstations公司的ChemCAD等[2]。

將流程模擬軟件應用于化工專業(yè)的教學實踐環(huán)節(jié)，不僅減少化工專業(yè)的計算工作量，提高設計的效率和質量，鞏固和提高學生的化工專業(yè)知識，而且培養(yǎng)了學生的工程意識，拓寬了科研和畢設的選題范圍，為學生將來的工作或科研打下良好的基礎。目前，各兄弟院校已相繼開設化工模擬與優(yōu)化類課程，并在教學與科研中應用流程模擬軟件進行探索與研究。據(jù)不完全統(tǒng)計，應用化工流程模擬軟件Aspen Plus近些年發(fā)表的文獻數(shù)量呈逐年遞增趨勢(僅知網統(tǒng)計數(shù)據(jù))，如圖1所示。

我院于2012年開設的化工過程模擬與優(yōu)化課程，為化工專業(yè)課程體系建設的內容之一，主要講授化工流程模擬軟件Aspen plus的具體應用。但在課程教學過程中，存在著一些急需解決的問題。首先，本課程綜合性較強、內容較為抽象，涉及到多門學科內容，如《化工原理》、《化工熱力學》、《反應工程》、《分離工程》等，在教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生無法將各門課程內容有機的結合起來，往往存在孤立、片面的看待問題。其次，課程實踐性較強的特點，單純以教授Aspen Plus的使用方法往往會使學生感到枯燥乏味、難以理解和掌握。另外，學生的工程意識不夠，軟件操作能力及分析問題、解決實際問題的能力較低，僅僅局限于書本的知識與習題，碰到實際問題難以靈活應用，無法符合培養(yǎng)應用型人才的改革目標。

圖1 基于ASPEN PLUS的化工模擬文獻發(fā)表數(shù)量

針對本課程教學過程中存在的問題，并結合開展“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的需要，對課程教學方法、教學手段等進行了如下改革。

1 改革教學方式，強化案例教學

化工過程模擬與優(yōu)化課程包含兩方面內容，一方面是Aspen Plus軟件的使用方法，另一方面是化工過程模擬的基礎理論。若單純教授Aspen Plus的應用而忽略理論知識的講解，學生對軟件的理解及掌握較為困難，模擬過程中存在知其然而不知其所以然，碰到錯誤無法分析解決。為幫助學生提高處理和解決實際問題的能力，課程改革后重點加強學生對化工流程和單元設備模擬的基本原理、求解方法的掌握，形成以Aspen Plus軟件應用與相關理論知識講解相輔相成的教學方式[3]。

Aspen中flash模塊對應的是閃蒸模型，即連續(xù)的單級分離過程，該模型以MESH方程為計算基礎，多級分離中嚴格計算RadFrac模塊也以此為計算基礎。因此，MESH方程是十分重要的理論授課內容。教師講解該模塊時，先將該方程組列出，具體為組分物料衡算方程，相平衡關系方程，各組分摩爾分數(shù)加和式和熱量衡算方程四類方程，再闡述模塊輸入?yún)?shù)選取和賦值的理論依據(jù)，若物系組分數(shù)有c個，在給定流率，組成，壓力和溫度的條件下，上述共有方程數(shù)2c+3個，而獨立變量數(shù)有3c+8個，方程數(shù)與變量數(shù)的差異，決定了模型的自由度，即參數(shù)輸入個數(shù)。在理論講解的同時，教師可打開軟件界面操作，使學生更為透徹的理解為何需在進料和閃蒸規(guī)定中設置參數(shù)，同時給這幾個參數(shù)賦值后，才能求解其他參數(shù)。

把理論教學和上機操作揉合在一起，再輔以案例式教學[4]，形成理論知識、Aspen Plus應用、案例教學的一體化教學方式，可進一步鞏固學生對Aspen 軟件操作的理解以及對應用流程模擬模擬軟件進行化工全過程設計與優(yōu)化的掌握，提高學生的實踐應用能力，達到實踐的目標，如圖2所示。

圖2 三位一體教學模式

例如設計一個脫乙烷精餾塔的案例，教師可指導學生先通過簡捷計算求取理論板數(shù)，回流比，進料位置等基本參數(shù)，然后用RadFrac模型進行嚴格核算，再利用靈敏度分析改變進料位置，回流比等生產參數(shù)對產品的純度和塔能耗的影響，多方案比較后實現(xiàn)模擬優(yōu)化，最后確定塔的操作性能等。再比如丙烯合成工藝路線的確定，教師可指導學生對不同的合成方案進行計算和比較，在此過程中，選用不同的工藝技術，確定不同的分離方法，指定不同的熱力學方法，進行全面量化的分析，不僅僅使學生將化工專業(yè)的所有課程融會貫通起來，更強化了學生的化工設計能力。

2 改革考核方式，基礎理論與模擬實踐結合，閉卷考試與開放式“大作業(yè)”并舉

化工過程模擬與優(yōu)化過程作為理論基礎與模擬實踐兩方面并舉的課程的特點，決定了其考核不僅包括傳統(tǒng)的理論考試，更包括實際的上機動手能力。實行一體化教學改革之后，本課程把理論教學和上機操作課時數(shù)調整為1∶1，即理論與上機并重。改變單一的期末考試評分制度，建立合理，全面的考核方法，增加上機考核在總成績中的比重，修改課程大綱后，將總評成績設置為平時成績、上機實習成績、期末考試成績三部分成績相加，平時成績占20%，上機實習成績30%，期末成績占50%。其中，期末成績中包括了期末卷面理論考試和大作業(yè)兩部分成績，設置綜合訓練題，使學生可以深化理解本課程知識體系的基本要點，獲得車間工藝設計的全程訓練，強化學生對化工過程模擬與優(yōu)化的實際能力。另外，為鞏固學生每一章的理論知識學習，加深學生理解并應用知識的能力，自編上機案例習題集，力求學生在練習中多思考，在實踐中多反思，促進學生知識，能力協(xié)調發(fā)展。

3 鼓勵學生參加化工設計競賽，提高學生學習興趣

“三井杯”全國大學生化工設計大賽由中國化工學會、中國化工教育協(xié)會、教育部高等學?；ゎ悓I(yè)教學指導委員會在企業(yè)的資助下舉辦的全國性化工競賽。該賽事涉及內容豐常豐富，能夠對學生的化工知識綜合運用能力、化工設計軟件的應用能力和創(chuàng)新意識的全方位進行全方位考查，其宗旨是通過大學生化工設計大賽，加深其對化工專業(yè)背景的了解，提高知識綜合實踐的能力、激發(fā)化工學生科技創(chuàng)業(yè)、實踐成才的熱情。

我學院依托化工設計大賽，著重培養(yǎng)學生的工程觀念素養(yǎng)與團隊合作能力。在為期幾個月的作品設計過程中，學生需要積極主動思考、查閱大量的文獻資料，全面分析設計過程，不斷強化工程意識，運用流程模擬優(yōu)化軟件對工藝方案選擇、每個工段解析，再到每一個反應器分離器選擇，動力學參數(shù)及方程的選取，工藝優(yōu)化、節(jié)能降耗、設備選型等方面作詳細的計算與校核。整個過程顯著拓寬了學生所學的知識面，學生的工程觀念、經濟分析與軟件應用能力也顯著提高，在與參加設計大賽的學生交談中明顯感覺工程術語詞匯量一個接一個的往外蹦，而沒參賽的同學仍然還是本本主義，差別甚大。同時，通過化工設計競賽學生對本專業(yè)的學習興趣明顯大幅度提升。

自2014年以來，我院已連續(xù)參加三屆化工設計競賽，在校、院領導的支持與關心下，我院的參賽隊伍數(shù)也由剛開始的1支隊伍躍變?yōu)?支隊伍，參與大賽的指導老師也由2名變成6名。從以往的情況來看，參加化工設計競賽的學生不管在就業(yè)還是升學中表現(xiàn)出色，更受企業(yè)和院校青睞?？梢?，類似的設計類競賽，充分提升了我專業(yè)本科生的培養(yǎng)質量，為學院應用型人才的培養(yǎng)提供了有力支持。

4 開展校企合作畢設，提升學生模擬優(yōu)化的實踐創(chuàng)新能力

各類化工企業(yè)擁有著豐富的實踐案例，實際工程問題等，這些在課堂的化工教學中往往是涉及不到的。開展校企合作，能夠讓學生切實去了解實際工程存在的問題或限制，以工程的角度來理解所學知識，提升學生模擬優(yōu)化的實踐能力。我院自創(chuàng)建以來，發(fā)揮毗鄰化工產業(yè)園區(qū)的優(yōu)勢，與揚子公司，南化研究院，南京化工園區(qū)等多家企業(yè)建立長期合作機制，多次組織學生到南京化工園區(qū)、揚子石化、南京紫金精細化工廠等校外實習基地開展生產實習與實踐，每年安排50%以上的學生進入相關企業(yè)和產業(yè)研究院所進行畢業(yè)實踐和畢業(yè)設計。

通過對我院化學工程專業(yè)近幾年來畢業(yè)生就業(yè)情況的調查，我們分析歸納了本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)特點，學生畢業(yè)設計課題與行業(yè)發(fā)展需求的關系，發(fā)現(xiàn)近年來煉油行業(yè)的節(jié)能總體水平雖在不斷提高，但在增產減耗方面，除幾個大型煉油企業(yè)外，我國煉油行業(yè)與國外先進水平相比仍差距較大，整體競爭力較弱。而目前Aspen Plus、Hysys、ChemCAD等是廣泛應用于化工流程開發(fā)和設計的大型流程模擬與優(yōu)化軟件，采用這項信息化技術可以有效的實現(xiàn)化工工藝全流程的模擬與優(yōu)化，通過優(yōu)化工藝操作參數(shù)來減少燃料消耗、降低裝置能耗和提高產量，受到了化工設計、生產類企業(yè)越來越廣泛的關注?；诖?，我院與揚子公司合作開展化工模擬類方向的畢業(yè)設計，結合企業(yè)生產實際，將化工過程模擬與優(yōu)化內容融入了畢設設計課題中，鼓勵對模擬方向感興趣的同學選擇相關課題，通過Aspen Plus的靈敏度分析功能，找到生產中影響裝置中各產品質量、產量現(xiàn)場參數(shù)，提出優(yōu)化操作，為煉油現(xiàn)場降低能耗及提高產量提供參考依據(jù)，并對生產操作提出的建議，為現(xiàn)場各參數(shù)穩(wěn)定調整提供方法和指導。目前，企業(yè)指導教師在學生優(yōu)秀畢業(yè)論文的基礎上已修改整理成文并準備投稿，而通過此類畢業(yè)設計也進一步提高了學生的基礎能力和應用計算機技術的模擬優(yōu)化化工生產能力，拓寬就業(yè)渠道，并最終為學生今后的工作提供一個有用的工具。

總之，我們的化工過程模擬與優(yōu)化課程改革，通過強化案例教學，理論與實踐并重的考核，積極參加化工設計競賽，校企聯(lián)合畢設等方式取得了一些成效，不僅讓學生鞏固了理論知識，更提升了工程實踐能力。課程教學改革的進一步發(fā)展，對于我們教師自身素質也提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，我們需不斷學習和消化軟件，擴充理論知識，提高自身的業(yè)務水平。另一方面，積極參加專業(yè)發(fā)展、課程內涵建設、實踐課程改革等教學研討活動，定期邀請高校專家和企業(yè)工程師來院做學術講座，加深對本課程的理解和認識，不斷深化課程改革，積極創(chuàng)新，注重培養(yǎng)和引導學生的實踐綜合能力，將學生培養(yǎng)成更符合社會經濟發(fā)展需要的應用型專業(yè)人才。

[1] 楊光輝. 化工流程模擬技術及應用[J]. 山東化工, 2008, 37(8): 35～38.

[2] 包宗宏, 武文良. 基于流程模擬軟件平臺的化工計算教材編寫[J]. 化工高等教育, 2014, (5): 101～104.

[3] 許良華, 尹曉紅, 孫喆, 等. 化工流程模擬教學新模式的探索[J]. 化工高等教育, 2016, (1): 39～42.

[4] 肖國民, 李浩揚, 肖 洋. 通用化工模擬軟件在《化工傳遞過程原理》教學中的應用[J]. 化工時刊, 2012, 26(10): 53～59.