基于Aspen的《化工過程分析》教學(xué)改革探索

李文軍　蘇倩倩　魏家駿　吳駿杰

【摘要】化工過程分析是一門具有綜合性、應(yīng)用性、研究性特色的化工類專業(yè)主干課程，開展Aspen plus化工過程模擬軟件上機課程，創(chuàng)新理論實踐與上機相結(jié)合教學(xué)方法，加深實踐性教學(xué)，使學(xué)生學(xué)習(xí)解決化工過程分析與合成過程的問題同時熟悉Aspen Plus軟件的使用，為后續(xù)化工設(shè)計打下基礎(chǔ)。促進了具有創(chuàng)新能力和工程實踐能力的化工專業(yè)人才的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】Aspen 化工過程分析 教學(xué) 改革

【基金項目】華北科技學(xué)院教研基金贊助項目（HKJYZD201508 ），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（3142015025），河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目資助（ZD2015207）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）17-0230-02

引言

化工過程分析與合成課程目的是使學(xué)生在完成化工單元操作、三傳一反、化工工藝、熱力學(xué)等基本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上， 通過系統(tǒng)工程的方法并結(jié)合有關(guān)化學(xué)工程、化工工藝知識和數(shù)值計算方法，掌握化工過程分析方法，解決化工過程分析與流程模擬問題。

化工過程分析課程是通過系統(tǒng)優(yōu)化的觀念和方法來分析、研究化工過程規(guī)律把工藝與工程融會貫通的一門專業(yè)課程。是一門具有綜合性、應(yīng)用性、研究性特色的化工類專業(yè)主干課程。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)將能夠?qū)Ω鞣N化工流程過程進行優(yōu)化分析，從而使化工過程在各方面達到最優(yōu)化，實現(xiàn)能源的經(jīng)濟化。

我校在第一屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)就開展了Aspen plus（Advanced System for Process Engineering）化工過程模擬軟件上機課程。目的是加深實踐性教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與科研能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中得到更多實踐的機會，更好的學(xué)習(xí)解決化工過程分析與合成過程的問題。下面就教學(xué)中的幾點嘗試，談?wù)勎覀兊捏w會。

1.目前教學(xué)中存在的主要問題

當(dāng)前社會條件下，本科畢業(yè)生面臨就業(yè)壓力大，正是在這種情況下，很多學(xué)生對化工廠存在抵觸情緒，認為其地理位置及條件惡略，倒班工作累，前途渺茫，然而他們并不了解現(xiàn)代化的化工廠的生產(chǎn)方式及工作方式，從而導(dǎo)致越來越多的人轉(zhuǎn)行，轉(zhuǎn)專業(yè)，這個問題大部分在于在大學(xué)學(xué)習(xí)階段，并沒有得到實踐和實習(xí)的機會。從而還停留在自己對這個行業(yè)的原時印象中。教師在教學(xué)過程中實踐教學(xué)的強度不夠，學(xué)校注重教學(xué)大于遠遠大于實踐，將理論學(xué)習(xí)作為工科學(xué)生的主要教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在大量時間都在思考如何應(yīng)付考試；使老師大量時間在思考如何讓學(xué)生通過考試。這樣在本來就非常有限的學(xué)時內(nèi)，學(xué)生得不到實踐，更無法深入現(xiàn)場，了解化工過程、化工工藝、化工設(shè)備等。學(xué)校對每屆學(xué)生開展認識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)，但現(xiàn)狀是“僧多粥少”學(xué)生根本無法深入對某一過程進行認知和探索，僅僅是走馬觀花，這對于與生產(chǎn)實踐結(jié)合如此緊密的化工專業(yè)的高等教育來說是遠遠不能達到教學(xué)目的的。

2.化工過程分析課程教學(xué)體系研究

華北科技學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院化學(xué)工程與工藝系將此門課程安排在了第七學(xué)期，共設(shè)32學(xué)時，這門課程的目標是為了讓學(xué)生能夠掌握先進的系統(tǒng)工程思想、方法和策略來解決本專業(yè)中遇到的單純用專業(yè)知識難以解決的問題。通過對這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們將掌握序貫?zāi)K法、夾點技術(shù)、直觀推斷法。由于這門課程的抽象性，理論性都較強，對學(xué)生的思維方式以及科研創(chuàng)新精神都是一項挑戰(zhàn)。通過多年來的教學(xué)工作，筆者不斷探索教學(xué)方法，整理分析教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課時，合理安排理論學(xué)習(xí)與實踐的穿插方式，形成了一套獨有的教學(xué)體系。

大體上分為理論教學(xué)→實例講解→發(fā)現(xiàn)問題→理論分析→過程建?！蠙C模擬→分析優(yōu)化等七大步驟。通過這套體系將理論課課時與上機課課時實現(xiàn)對等，將課本知識充分融入化工過程案例中，將一個案例拆分成知識點，分組進行建模比賽，并讓學(xué)生在討論中自己發(fā)現(xiàn)問題，后加以指導(dǎo)，而解決問題。

授課案例不僅使用大型化工廠真實案例，還基于平時的科研工作，基于煤炭地下氣化實驗中心平臺，將煤氣化過程融入課堂，在課余時間組織興趣小組參與科研工作，通過一些實驗切實體會真正的化工流程，再回到Aspen軟件中進行建模、模擬。使學(xué)生獲得創(chuàng)新實踐能力與工程實踐能力的訓(xùn)練。

3.《化工過程分析》課程改革的主要內(nèi)容

3.1 Aspen簡介

Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）模擬軟件是美國能源部于70年代后期委托麻省理工學(xué)院研制開發(fā)的，1979年投入使用，1981年專門成立了一家公司繼續(xù)開發(fā)與完善這套軟件，從1982年的第1版，現(xiàn)在己發(fā)展到第12版。這套系統(tǒng)功能齊全，規(guī)模龐大，可應(yīng)用于化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)境保護、動力、節(jié)能、食品等許多工業(yè)領(lǐng)域，目前己在全世界范圍內(nèi)廣泛使用。我國自1983年由中石化北京設(shè)計院等首次引進，其用戶迅速增加，應(yīng)用部門涉及石油化工醫(yī)藥等行業(yè)。其特點如下：

（1）具有完備的物性數(shù)據(jù)庫

Aspen Plus具有豐富的物性數(shù)據(jù)和完備的物性模型。Aspen Plus數(shù)據(jù)庫包括將近6 000種純組分的物性數(shù)據(jù)， 900余種離子和分子溶質(zhì)估算電解質(zhì)物性所需的參數(shù)，約3314種固體的固體模型參數(shù)， 61種化合物的Henry常數(shù)參數(shù)，二元交互作用參數(shù)約40000多個。Aspen Plus是唯一獲準與DECHEMA數(shù)據(jù)庫接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)，共計25萬多套數(shù)據(jù)。

（2）完整的單元操作模塊和分析工具

Aspen Plus包含完整的化工單元模塊，易于組建化工流程。能夠進行收斂分析、靈敏度分析，將工藝模型與真實的裝置數(shù)據(jù)進行擬合，確保精確、有效的真實裝置模型；能夠進行近10種氣/液平衡系統(tǒng)模擬計算，包含精餾模型、多塔模型等單元操作模塊，可廣泛模擬分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶金等工業(yè)過程。

（3）支持規(guī)模工作流

根據(jù)模型的復(fù)雜程度，支持規(guī)模工作流。Aspen Plus 是一種通用型化工流程模擬軟件，具有界面友好、工作效率高、結(jié)果準確等優(yōu)點。

3.2 改革的內(nèi)容

在課程講授時，通常情況下都是結(jié)合實例，提出問題，圍繞問題啟發(fā)學(xué)生思考解決問題的方法。我們發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)方法不利于學(xué)生思維的擴散，所以，本人采用的教學(xué)方法如下：

（1）課前先對要講授的內(nèi)容進行提問，引導(dǎo)學(xué)生搜集和查詢相關(guān)資料，對學(xué)生進行分組，將課堂問題分解成3～4個小部分，每一組學(xué)生負責(zé)一部分。由于學(xué)生對于實踐部分往往比較好奇，但又不能不了解理論知識，在授課時，每一組學(xué)生對自己所負責(zé)的部分先提出自己的認識，并提出問題。在課堂的前十五分鐘，我們采用提問與討論相結(jié)合，共同發(fā)現(xiàn)和提出問題。之后，對于問題中所遇到的課本中的知識點穿插事先準備好的化工現(xiàn)場的圖片、視頻，并在講授的過程中就自己在實踐中的經(jīng)歷分享給學(xué)生，寓教于樂，引發(fā)出學(xué)生的興趣。

（2）我們對課時進行了合理安排，由于課時有限，我們采用一堂理論課一堂上機課的方式。上機課我們集中教學(xué)Aspen plus軟件的操作，在每一屆學(xué)生的首次上機課對軟件進行介紹。課后學(xué)生自己對理論課講授的案例進行探索模擬，并在上機實踐的過程中，發(fā)現(xiàn)實際中的問題，例如操作不當(dāng)引起的設(shè)備損壞、甚至危險事故等。

（3）基于我校煤炭地下氣化實驗中心，對有興趣的同學(xué)建立興趣小組，參與現(xiàn)場實踐及科研項目。將自己在計算機上模擬的過程搬到實際實驗中，給學(xué)生提供一個寬松的學(xué)習(xí)平臺，讓學(xué)生自主安排時間開展創(chuàng)新實踐活動。與此同時，我們還組建了一支勇于創(chuàng)新的教師隊伍，對實驗課程改革創(chuàng)新，并加大對實驗經(jīng)費的投入，確保實驗設(shè)施的維護和實驗耗材的供給。確保學(xué)生能學(xué)到并領(lǐng)悟到這門課程的魅力。

4.《化工過程分析》課程改革的效果

化工過程分析課程教學(xué)改革的嘗試取得了一定的教學(xué)效果。以化工學(xué)科的特點和人才培養(yǎng)為目標，對當(dāng)前化工實驗課程進行教學(xué)改革。通過實際案例引導(dǎo)與教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會自我探索，積極思考，解決問題，總結(jié)經(jīng)驗。并通過Aspen Plus輔助教學(xué)，結(jié)合實驗室興趣小組，提高教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的綜合能力。到目前為止，已有很多學(xué)生熟練掌握Aspen 軟件的使用。并將其充分應(yīng)用在畢業(yè)設(shè)計中，對于煤氣化、合成氨等化工過程的能量核算都能運用軟件進行模擬。實踐證明，通過對化工過程分析的改革與實驗教學(xué)內(nèi)容的更新，并與Aspen軟件的結(jié)合，提高了化工實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，使其對學(xué)生的思維擴展、觀察創(chuàng)造力和實際中解決問題能力都得到了全面且綜合的訓(xùn)練，促進了具有創(chuàng)新能力和工程實踐能力的化工專業(yè)人才的培養(yǎng)，為學(xué)生將來進入化工行業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]麻德賢，李成岳，張衛(wèi)東.化工過程分析與合成[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]方立國.化工過程分析與合成課程教學(xué)模式改革實踐研究[J].廣州化工，2010（7）：280-282.

作者簡介：

李文軍，1974年生，男，江西南昌人，2011年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 潔凈能源技術(shù)與工程專業(yè)，博士后，講師。

通訊作者：蘇倩倩，1991年生，女，山西運城人，華北科技學(xué)院，助教。