化工工藝學Aspen Plus項目設計教學探討

鄧建強　梅　玫　陳志華　劉　芹

（西安交通大學過程裝備與控制工程系　陜西西安　710049）

0　引言

工業化學/化工工藝學屬于過程裝備與控制工程專業課程體系中重要的專業課程，教學大綱中要求本科生掌握典型化工產品的生產工藝、流程、典型過程所用的設備型式及其基本構造和工作原理。化工工藝學教學內容以大學化學、傳熱學、流體力學、化工原理、化工分離工程等基礎和專業課程為基礎，具有涉及面廣知識點多的特點。另外，化工工藝學是理論聯系實際非常緊密的課程，化工生產技術難度大，工藝流程復雜，操作技術要求較高，其教學理論性、技術性和實踐性較強。鑒于以上特點，在教學現場授課中僅采用傳統的教學模式不利于學生理解知識，但由于化工系統實驗裝置成本高，完整的工藝設備龐大、耗時較長等特點使得大型實驗演示教學不現實。作者也在化工工藝學教學實踐中，思考如何緊密把握工藝學的發展突破方向，總結以往教學經驗，精選教學內容，不斷改革傳統教學模式，努力探索新的教學方法，突出教學重點，提高教學效果。其中，依托化工流程模擬軟件Aspen Plus可以幫助學生形象化了解具體化工生產流程，掌握穩態過程的物料平衡及能量平衡、設備尺寸，進而對過程投資進行經濟成本分析，培養現代能源化工過程及工藝背景下的工程素養，使學生適應經濟發展和行業發展對專業人才的需求。

1　Aspen Plus概述

Aspen Plus（Advanced System for Processing Engineering簡稱Aspen）是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統軟件。該軟件經過20多年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應用案例數以百萬計。它用嚴格和最新的計算方法，進行化工單元和全流程的模擬運算。其主要產品功能和特點如下。

（1）Aspen Plus擁有完備的物性數據庫，包括純組分數據庫、電解質水溶液數據庫、Henry常數庫，無機物數據庫，水溶液數據庫等等，同時用戶也可以把自己的物性數據與Aspen Plus系統連接。

（2）Aspen Plus備有全面、廣泛的化工單元操作模型，能方便地構成各種化工生產流程。能夠進行近10種氣液平衡系統模擬計算，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、冶金等工業過程。

（3）Aspen Plus提供一套功能強大的模型分析工具，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據進行擬合，確保精確、有效的真實裝置模型。

（4）Aspen Plus根據模型的復雜程度，支持規模工作流，在整個工藝生命周期，優化工作流程；回歸實驗數據；用簡單的設備模型，初步設計流程；用詳細的設備模型，嚴格地計算物料和能量平衡；確定主要設備的尺寸；在線優化完整的工藝裝置；可以從簡單的、單一的裝置流程到巨大的、多個工程師開發和維護的全廠流程。

基于穩態化工模擬、優化、靈敏度分析和經濟評價，Aspen Plus廣泛應用于化學與石油工業、煉油加工、生物及醫藥等方面，成為大型企業選用的模擬軟件。Aspen Plus的應用有效地擴散了創新性實驗的選題范圍，節約了實驗成本，是教學改革和科研創新發展的最佳選擇。

2　立足于教學目標，開展項目設計

2.1　結合化工工藝學課程，選取相關項目課題

化工工藝學課程目前涵蓋硫酸工業、合成氨工業、堿工業、石油煉制與石油加工、煤化工工業等眾多領域，介紹了化工流程性工業生產過程中的問題與答案，大量的敘述、案例、流程圖標等信息靈活生動地展示了化工流程，在過程裝備學科體系中起到了背景和銜接的作用。另外，化工工藝學與化工學科“三傳一反”中的理論知識、生產實際都緊密聯系，真正體現學以致用的作用。同時，化工工藝學涉及能源、機械、化工等領域，其過程、設備、控制等內容充分體現學科體系的交叉互動。結合化工工藝學課程的覆蓋領域，選取的項目設計課題包括：煤的干燥處理流程、異丙苯工廠的生產模擬，甲醇與水分離模擬，輕質氣體在液相中溶解度模擬，分餾塔簡捷設計與嚴格核算模型應用，液液萃取模擬，反應器模擬，換熱器模擬及氯乙烯工廠模擬等。化工流程中需要采用蒸餾、萃取、干燥等方式進行液液分離、氣液分離、固液分離等，上述項目設計課題可以很好地使學生掌握基礎專業知識與實踐經驗。

2.2　突出項目設計重點，掌握典型生產流程

項目設計課題開展工作，選取了有代表性的工廠流程如氯乙烯工廠的生產流程為例介紹。氯乙烯單體（VCM）是通過1，2二氯乙烷（EDC）的高溫裂解反應生成，這是一個高壓高溫的非催化反應過程。反應式如下：CH₂Cl—CH₂Cl（EDC）HCl+CHClCH₂（VCM）。用兩個蒸餾塔來提純VCM產品。在第一個塔中，在塔頂除去無水HCl，并把它送到氧氯化單元。在第二個塔中，在塔頂得到VCM產品，含有未反應的EDC的塔底物流循環回裂解爐。從兩個塔出來VCM塔的塔頂餾出物為飽和液體。針對具體的進料條件、模塊條件、反應器、急冷器及塔一和塔二的參數，建立基本工況，可得裂解爐、急冷器熱負荷、急冷器出口溫度、VCM在產品流股中的濃度等。而DEC的轉化率對反應器、急冷器熱負荷的影響可由學生自行通過在Aspen Plus改變參數進行探討。對典型的分離過程如甲醇與水的分離過程，學習嚴格蒸餾模型（RADFRAC）的部分功能，給出具體的進料條件和蒸餾塔參數，讓學生掌握了解設計規定，查看控制面板信息，學習板效率的應用，塔板設計，塔板核算及冷凝器/再沸器負荷曲線。應用模擬軟件，加強了案例教學，讓學生掌握了典型的化工生產流程，從而實現了真正意義上的工程設計。

3　課堂教學與組織實踐

3.1　借力課程項目設計，注重培養能力

為了充分調動學生學習的自覺性和積極性，挖掘學生的學習潛能，通過開展課程項目設計，培養學生獨立尋找問題、確定問題、解決問題、評價問題的能力，使學生運用一門或幾門課程和知識解決一個不太復雜但卻是綜合性的問題，從而了解簡單工程項目設計全過程，初步獲得工程技術的基本訓練。這樣既能增強學生的學習興趣，又能提高學生分析問題解決問題的能力，為解決實際生產問題奠定基礎。課題設置立足于工藝背景，以工藝設計為主題設計課程項目題目，融入“裝備”和“控制”等相關知識，增加對工藝、裝備、控制三方面進行綜合與集成的設計要求，著重培養學生解決工藝實際問題的能力，增強將“裝備”和“控制”同工藝聯系起來的思維能力與綜合應用能力。

3.2　合理組織教學，側重實際應用

在教學實踐環節中，采用靈活多樣的教學方式，幫助學生更好地理解課本知識的同時，很好地調動學生積極性。布置十多個具有一定拓展性的課題分配給學生完成，從中選取十個題目，如某一具體化工流程的模擬，教師在此過程中加強指導。為保證完成好任務，將學生分為十個小組，每個小組有四、五個學生，每個小組負責一個課題，由一個學生擔任組長，組長需對每個組員分工完成情況進行監督，確保每位組員在此過程中都有所貢獻有所收獲，學生通過查閱文獻、編程計算、軟件模擬等方式完成課題任務并進一步完成課題調研報告。這樣既能提高學生的學習興趣，又能提高學生分析問題解決問題的能力，為解決實際生產問題奠定基礎。在工作結束后，各小組統一在課堂上進行展示，向其他小組展示課題解決的方案，模擬結果及收獲，小組之間借此進行互相學習、分享經驗、總結不足和進行改進。

4　Aspen Plus項目設計教學與生產實習相互促進

深入化工廠實習是學生將理論知識聯系實際生產的重要途徑，在專業二年級結束后有簡單生產認知實習；在三年級結束后的暑期有更具體、融合程度更高的生產實習。通過在化工工藝學課程上學習的運用Aspen Plus模擬典型的化工生產流程，有利于學生在生產實習中更好的理解工藝過程的運行、化工過程的工藝和控制系統的動態特性。學生進廠以后，首先工程師為學生介紹生產工藝過程，并進行安全教育，然后根據工段或崗位情況進行分組，每個組跟隨相應崗位的工人師傅，進行參觀，增強對實際生產過程的直觀認識。在工廠中可具體接觸到實際的流程和設備，在Aspen Plus模擬中運用的模型與控制在工廠中被實際的反映出來，模擬與實踐互相促進理解。實習結束時，學生必須獨立完成實習報告，此外指導教師還對學生的實習情況采用口試、筆試的辦法進行考核。經過多重學習與考核，學生將對具體生產過程與工藝實現方法有更加深刻的理解。

5　結論

通過以上教學探討在Aspen Plus項目設計中三年的實踐，該項目得到了良好的效果，總結得出：在Aspen Plus覆蓋眾多的生產過程應用領域，被大型企業廣泛采用，被科研生產創新所采用的時代，培養學生掌握并運用Aspen Plus，提高了學生在新型能源化工時代下的工程素養，增強了學生的就業競爭能力，滿足了行業發展對人才的需求；采用靈活多樣的教學方式使學生的學習變被動為主動，學生的課堂上課的興趣和積極性有了明顯的提高，最后的考核成績也有了顯著提升，證明了這種教學模式能提高教學質量和教學效果；基于化工工藝學課程綜合的理論性、技術性、實踐性的特點，通過開展項目課程設計，選取典型的生產流程，并運用Aspen Plus進行模擬與探討，實現真正意義上的工程設計；生產實習中Aspen Plus案例模擬和生產實踐的結合加深了對所學內容的理解，使知識學得更扎實、更牢固、更靈活，增強了分析和解決實際問題的能力，使學生更加深刻的認識到生產工藝設計。最后，化工工藝學教學旨在培養基礎專業知識與工程實踐能力強的綜合性人才，是一項長期的和探索性的工作，還需要廣大過程裝備與控制工程專業師生的共同努力與完善。

參考文獻

［1］　鄧建強，張早校，趙小玲.化工工藝學［M］.北京：北京大學出版社，2009.

［2］　王彩紅，林雄超，董敏，王永剛.ASPEN PLUS在化工實驗教學和科研中的應用［J］.化工時刊，2009（6）：73-75.

［3］　汪斌，舒莉，朱炳龍.Aspen plus在化工設計教學中應用［J］.化工時刊，2010（9）：48-50.