淺析計(jì)算機(jī)軟件在化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳廣美，邵群，楊明娣，陳霞，金杰

（安徽建筑大學(xué)　材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽　合肥　230601）

淺析計(jì)算機(jī)軟件在化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳廣美，邵群，楊明娣，陳霞，金杰

（安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230601）

化工原理課程設(shè)計(jì)、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)、化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是三個(gè)逐步加深的化工專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)。不同的設(shè)計(jì)階段，采用不同的計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)，既加強(qiáng)了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、強(qiáng)化了單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法的訓(xùn)練，又強(qiáng)調(diào)了化工過(guò)程設(shè)計(jì)中設(shè)備參數(shù)和流程的優(yōu)化以及工程能力培養(yǎng)的理念。

軟件；化工專業(yè)；課程設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)能力是工程教育培養(yǎng)的目標(biāo)。為使學(xué)生具備基本的工程設(shè)計(jì)能力，安徽建筑大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)開設(shè)了三個(gè)逐步加深的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)：化工原理課程設(shè)計(jì)、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)和化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)。在當(dāng)今的工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算、信息存儲(chǔ)和繪圖等工作，減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)逐漸取代了傳統(tǒng)的手工計(jì)算和設(shè)計(jì)。相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)和使用在化工專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中也愈發(fā)重要，一些相關(guān)的課程陸續(xù)開設(shè)，如計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（或VB程序設(shè)計(jì)）、化工制圖與CAD、計(jì)算機(jī)輔助化工設(shè)計(jì)、化工過(guò)程模擬等。近幾年，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件輔助化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)和計(jì)算，在有限的設(shè)計(jì)訓(xùn)練時(shí)間里，取得了良好的教學(xué)效果。

一、軟件在化工原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

化工原理課程設(shè)計(jì)的對(duì)象是化工單元操作設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)，它是化工工藝設(shè)計(jì)的重要組成部分。每位同學(xué)需要獨(dú)立完成一個(gè)實(shí)際裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)裝置的原理、操作、流程及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造、安裝、檢修等進(jìn)行全面考慮，并最終以簡(jiǎn)潔的文字、表格及圖紙把設(shè)計(jì)內(nèi)容正確地表達(dá)出來(lái)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用的計(jì)算方法較多，公式大多為經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算過(guò)程繁瑣，計(jì)算量大。因此，在掌握設(shè)計(jì)過(guò)程基本計(jì)算步驟和方法的前提下，應(yīng)大力提倡使用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件輔助設(shè)計(jì)。

化工過(guò)程設(shè)計(jì)中輔助設(shè)計(jì)的軟件很多，常用d的2有2：EXCEL、VB、Origin、Matlab、CU-Tower、ChemCAD、Aspen Plus、ProⅡ等?？紤]到化工原理課程設(shè)計(jì)是化工專業(yè)的學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間最先接觸到的設(shè)計(jì)課程，其教學(xué)目的是著重培養(yǎng)學(xué)生查閱技術(shù)資料、正確選取工藝數(shù)據(jù)、搜集有關(guān)的公式和使用圖表手冊(cè)的能力。因此，在此過(guò)程中，不允許學(xué)生采用Aspen、ProⅡ和ChemCAD等大型化工過(guò)程模擬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，建議采用VB、EXCEL等與具體計(jì)算過(guò)程關(guān)聯(lián)的軟件進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。具體采用哪一種軟件，同學(xué)可根據(jù)各自的熟悉程度任意選用。以苯-甲苯板式精餾塔設(shè)計(jì)為例，化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括塔高、塔徑、塔板布置等工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)計(jì)的核心是理論塔板數(shù)計(jì)算，通常采用如下設(shè)計(jì)步驟：在選定操作壓力、進(jìn)料熱狀況、塔釜加熱蒸汽和指定的分離要求的前提下，計(jì)算理論塔板數(shù)，再根據(jù)塔板效率計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)，再計(jì)算塔高和塔徑，并進(jìn)行冷凝器、再沸器、接管等附件的選型設(shè)計(jì)。計(jì)算過(guò)程中要多次反復(fù)使用氣液平衡方程、進(jìn)料方程和操作線方程。計(jì)算理論板數(shù)采用的方法可以是逐板計(jì)算法、圖解法和簡(jiǎn)捷計(jì)算法。筆者指導(dǎo)的2011級(jí)化工專業(yè)學(xué)生中，在指導(dǎo)老師引導(dǎo)下，大部分同學(xué)都是采用計(jì)算軟件逐板計(jì)算法和簡(jiǎn)捷法計(jì)算理論板數(shù)。有的采用EXCEL輸入公式反復(fù)迭代計(jì)算，有的采用VB、C語(yǔ)言編程計(jì)算，有的采用具有較強(qiáng)計(jì)算功能的Matlab進(jìn)行計(jì)算。還有個(gè)別同學(xué)采用atuoCAD圖解法計(jì)算理論板數(shù)。

在最后的答辯中，同學(xué)們?cè)敿?xì)闡述自己的計(jì)算過(guò)程、計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算結(jié)果，通過(guò)老師的點(diǎn)評(píng)、歸納總結(jié)和同學(xué)之間的相互討論，以及各種方法的比較，同學(xué)們不但熟悉了單元操作的原理、公式和設(shè)計(jì)步驟，減少了繁瑣的計(jì)算，節(jié)省了時(shí)間，而且對(duì)其他同學(xué)的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)軟件有所了解，開闊了視野、提高了學(xué)習(xí)興趣。

二、軟件在化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是化工原理課程設(shè)計(jì)的延續(xù)?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)主要是對(duì)單元操作設(shè)備工藝尺寸的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)則是對(duì)單元操作設(shè)備進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，圍繞著確定的設(shè)備厚度進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。筆者指導(dǎo)同學(xué)的設(shè)計(jì)任務(wù)是在塔的工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行塔設(shè)備的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)過(guò)程較化工原理課程設(shè)計(jì)涉及到的經(jīng)驗(yàn)公式更多，更復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程也更加繁瑣，因此，要求同學(xué)采用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)。在老師指導(dǎo)下，大多數(shù)同學(xué)仍采用EXCEL輔助設(shè)計(jì)塔體和封頭厚度計(jì)算、各種載荷與彎矩、裙座及基礎(chǔ)環(huán)、地腳螺栓等，進(jìn)而進(jìn)行塔設(shè)備的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及應(yīng)力的校核。設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及到公式的輸入、參數(shù)的查找和選取以及對(duì)計(jì)算結(jié)果的判斷，邊算、邊選、邊改，反反復(fù)復(fù)。在該設(shè)計(jì)中，再次使用EXCEL，熟能生巧，得心應(yīng)手，盡顯應(yīng)用軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)了化工原理課程設(shè)計(jì)和化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，同學(xué)們對(duì)一個(gè)完整的塔設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)步驟基本掌握，也熟悉了一些簡(jiǎn)單計(jì)算軟件的使用。此時(shí)，進(jìn)一步讓同學(xué)用塔內(nèi)件設(shè)計(jì)軟件CUP-Tower對(duì)塔的工藝參數(shù)進(jìn)行水力學(xué)綜合計(jì)算，使用過(guò)程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6進(jìn)行塔設(shè)備設(shè)計(jì)，并與前面的設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)比，從而對(duì)一些參數(shù)作進(jìn)一步修改和完善，使設(shè)計(jì)結(jié)果更加安全和經(jīng)濟(jì)。最終要求同學(xué)運(yùn)用word編輯設(shè)計(jì)說(shuō)明書，用autoCAD繪制塔設(shè)備裝配圖。將計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用到單元操作的課程設(shè)計(jì)中，不僅提高了課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，而且使設(shè)計(jì)更加規(guī)范。

三、模擬軟件在化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是指對(duì)化工過(guò)程的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的單元設(shè)備操作，將其合理地組合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)從原料的輸入到產(chǎn)品的輸出。該設(shè)計(jì)是在學(xué)生學(xué)完專業(yè)基礎(chǔ)理論課“化工原理”、“化學(xué)反應(yīng)工程”、“化工熱力學(xué)”及主要專業(yè)課“化工設(shè)計(jì)”、“化工工藝學(xué)”等課程基礎(chǔ)上，開設(shè)的一門綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

本課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是生產(chǎn)工藝的選擇、工藝條件的優(yōu)化、設(shè)備的優(yōu)化及車間布置等。在前述兩門課程設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，繼續(xù)建議學(xué)生采用化工過(guò)程模擬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。商品化的化工流程模擬系統(tǒng)出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代。目前，廣泛應(yīng)用的化工流程模擬系統(tǒng)主要有Aspen Plus、ProⅡ、ChemCAD和Hysys等，這些軟件的功能和使用方法差別不大，掌握了一種軟件系統(tǒng)，就不難學(xué)習(xí)使用其它系統(tǒng)?；ち鞒棠M軟件通常都提供了大量的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)、熱力學(xué)模型庫(kù)、單元設(shè)備模型庫(kù)。通過(guò)這些軟件，可以對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全流程模擬和優(yōu)化。

圖1 一步法制二甲醚的Aspen模擬流程圖

以合成氣一步法合成二甲醚項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例。首先論證一步法合成二甲醚的生產(chǎn)方案，確定工藝流程，然后對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬和優(yōu)化。筆者指導(dǎo)的同學(xué)采用的模擬軟件是Aspen Plus。模擬過(guò)程中，通過(guò)選用模擬模板，添加各單元設(shè)備模塊、選擇計(jì)算物性參數(shù)的熱力學(xué)模型，利用各單元設(shè)備模塊和系統(tǒng)提供的循環(huán)物流收斂方法，再輸入原料的溫度、壓力、處理量和組分和組成以及單元操作模塊的操作條件，即可完成嚴(yán)格的全流程的物料衡算和能量衡算。圖1是同學(xué)給出的一步法合成二甲醚的Aspen模擬流程圖。一定條件下，原料氣在反應(yīng)器R0101中合成二甲醚，反應(yīng)物經(jīng)閃蒸罐F-1、吸收塔T0101、預(yù)分離塔T0201后，分別進(jìn)入二甲醚精餾塔T0202和甲醇精餾塔T0203，得到產(chǎn)品二甲醚，副產(chǎn)品甲醇。由于課程設(shè)計(jì)時(shí)間的限制，采用軟件模擬，同學(xué)們可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中側(cè)重設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)以及整個(gè)工藝流程的優(yōu)化。以圖1流程中的精餾塔為例，可用2Aspen Plus軟件中的靈敏度分析“Sensitivity”得出再沸器熱負(fù)荷的變化對(duì)塔頂產(chǎn)品的影響；回流比對(duì)塔頂產(chǎn)品含量的影響；也可對(duì)進(jìn)料板進(jìn)行優(yōu)化等。采用模擬軟件還可以進(jìn)行多方案比較，如圖1流程中的甲醇分離可以采用一塔也可采用多塔；也可采用多效精餾，也可再加個(gè)反應(yīng)器利用甲醇為原料采用成熟的甲醇脫水工藝合成二甲醚后再分離，等等。這些都是在采用這些軟件設(shè)計(jì)之前難以完成的，為創(chuàng)新性設(shè)計(jì)提供了可能。

四、結(jié)語(yǔ)

采用計(jì)算機(jī)軟件輔助化工專業(yè)課程設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化很多煩瑣的計(jì)算，學(xué)生將有更多的時(shí)間和精力用于設(shè)計(jì)內(nèi)容的完善和優(yōu)化。但不論采用何種方法進(jìn)行化工過(guò)程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，最重要的一點(diǎn)是要讓學(xué)生掌握化工過(guò)程設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件的能力是非常強(qiáng)大的，但設(shè)計(jì)過(guò)程中化學(xué)工程的基本概念比較欠缺。比如采用Aspen Plus對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，塔定的溫度達(dá)到很低的溫度，對(duì)于這樣的溫度，學(xué)生通常不會(huì)認(rèn)為不合適，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮何種冷卻劑能將物料冷卻到此溫度，這表明同學(xué)們?nèi)狈σ欢ǖ墓こ谈拍?。因此，在采用?jì)算機(jī)軟件進(jìn)行化工設(shè)計(jì)時(shí)，教師需要特別強(qiáng)調(diào)一些工程方面的問(wèn)題。

Analysis of applying computer software to course design of chemical engineering

CHEN Guangmei，SHAO Qun，YANG Mingdi，CHEN Xia，JIN Jie

Course designs for Chemical Engineering Principles，Mechanical Basis of Chemical Equipment，and Chemical Engineering Design are three gradually deepening practical activity.Computer software-assisted design will not only strengthen professional basics，consolidate the training of design steps and methods of unit operations，but emphasize the teaching philosophy of device parameters，process optimization，cultivating engineering ability.

software；chemical engineering；course design

G642.421

A

1009-9530（2016）02-0132-03

2016-01-21

安徽建筑大學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目（MZ1104）

陳廣美（1965-），女，安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院教授，主要從事化工教學(xué)和科研工作。