AspenPlus软件在化工原理辅助教学中的应用

张伟　李芊　赵振宁　方志刚　高云

【摘要】化工原理是一门内容复杂，工程性强的课程。为培养学生工程实践能力，将AspenPlus软件用于化工原理的辅助教学。在教学改革中，通过软件的辅助教学作用，分别从提高学生学习兴趣，工程素质，实践能力和优秀人才培养等方面论述了AspenPlus软件在化工原理教学中的应用，教学改革效果显著。

【关键词】AspenPlus 化工原理 辅助教学

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）06-0162-02

化工原理教学是我国高等学校中化工类高校教学设计中的重要环节，该门课程属于工程学科范畴，与工程实践和具体应用联系紧密。同时，该课程涉及诸多化工过程的原理及单元操作，具有理论性强、概念多、数学公式复杂及实用性强等特点。如何在教学过程中合理使用各种辅助教学软件帮助本科生理解并掌握化工原理的知识点，是高校化工教学工作者一直研究的课题。AspenPlus软件是美国麻省理工学院于20世界70年代开发的大型化工流程及模拟软件，自推出以来就占据世界性大型化工标准流程模拟软件的重要地位，已经成为大型化工企业研发新工艺的首选模拟软件。同时，也是相关化工高校教学环境中的必要教学辅助工具。该软件能够广泛模拟流体输送、精馏、吸收及化工反应等绝大多数化工生产过程。具有计算简单、模拟精确、可视化程度高、应用范围广的特点。

利用AspenPlus软件的工程模拟及设计计算功能，结合化工原理的教学特点，辅助化工原理的课堂教学和课下设计训练，对教学效果提升具有良好的促进作用。在课堂教学过程中，通过先提出化工单元操作问题，讲解解决问题方法，学生进行解题训练，在AspenPlus软件中模拟等环节，可以提高学生学习兴趣，提高计算和设计两种能力，为解决实际工业问题打下基础。通过教学改革研究，在化工原理教学过程中辅以AspenPlus软件的应用，提高了教学效果，具体的教学效果可以从以下方面体现。

一、单元操作可视化，提高学习理解能力

化工原理来源于美国麻省理工学院于1913年开设的“Unit Operations of Chemical Engineering ”。单元操作（Unit Operation）是化工原理课程设计的核心，授课内容也是围绕单元操作进行的模块化教学。但学生对单元操作概念的理解十分局限，认为是简单化工设备的组合形成的具有不同功能的过程，对其操作机理和数学过程理解有限。AspenPlus软件中的“单元模块”与“单元操作”的理念基本一致，都是将具有共同特点的操作单元独立出来进行数学建模，来理解和解决过程操作的实际问题。以化工原理教学中的传热一章为例，本章要求学生掌握传热的基本原理及计算方法、学会进行传热的数学模型求解。因此在教学中可以利用AspenPlus软件中提供的7种换热器模型进行传热过程基本原理的讲解，同时在计算中先利用AspenPlus软件进行换热过程求解，然后根据计算结果分析所利用的数学模型，并讲解数学模型。图1为AspenPlus软件中提供的2种常见的换热器模型。了解换热器传热原理后，可以提出如下问题：用20℃、60000kg/h的水冷却200℃、10000kg/h的化工产品（其中苯、苯乙烯、水、乙苯的质量百分含量依次为50%、20%、10%和20%，则在热交换过程中的传热量和换热面积为多少？利用AspenPlus软件中的Heater模型进行模拟计算，模拟结果为：传热量为436421cal/s，换热面积为20.2m2。引导学生分析计算结果的理论依据，并讲解数学模型，使学生能够融汇贯通，对概念上的传热过程有了具体形式上的认识和理解。化工原理课程教学中，诸如吸收、精馏、解吸等单元操作均可以采用以上方法进行辅助教学，提高学生学习兴趣和理解能力。

二、“三传”讲解模型化，提高工程素质

化工原理的教学过程本质上讲就是利用单元操作进行“质量传递、热量传递和动量传递”（简称三传）的理论介绍。“三传”包含很多操作过程，讲解复杂，学生也很难理解。在辅助教学过程中，利用AspenPlus软件架构了一个化工企业常见的甲醇-水精馏操作过程，具体精馏模型图和精馏操作模块流程连接图见图2和图3。通过具体模型化的精馏操作，来分别讲述工厂实践中的三传过程，使学生能够较快理解和掌握这一理论基础。同时，采用工厂实际案例来进行教学，利用AspenPlus模拟软件把化工原理教学中的复杂传递过程利用模型来模拟，并模拟出化工生产真实状态过程，不仅对学生提高学习主动性有帮助，而且促进学生提高解决工程问题的能力，对课堂教学过程起到了很好的补充作用。同时在工科化工专业的学习中，需要对化工原理讲授的课程内容进行工程训练，化工原理课程设计就是针对化工原理进行的工程训练。传统设计内容由于混合物的物化性质难于查找，而且在设计中所有的计算过程完全依靠学生自行计算，如果出现错误则所做计算就需要重新进行，学生的设计兴趣不浓。同时为减少设计压力，常采用简单的二元物系如甲醇-水或者甲苯-苯体系进行设计，这样造成工程训练水平下降，达不到设计的目的。而将AspenPlus软件应用与化工原理的辅助设计过程中，不但能够有效提高学生的工程训练水平，同时提高了学生的设计能力，巩固了所学的课程知识。

三、“创新”意识及先进技术课堂化，为未来发展打基础

化工专业的学生未来的发展方向主要是围绕着化工领域的相关生产和科研活动展开的，同时需要进行工程化的学习和训练。工作后必然要涉及到工程设计和工厂生产的相关内容，而在学校的学习过程中，恰恰缺少的就是这部分的训练，给学生较早适应工作造成阻碍，同时也是学校教学与工程实践脱轨的现实。AspenPlus软件集成了目前全球先进的化工生产过程所涉及的所有生产过程和数学模型，尤其是其生产过程可是进行产前设计模拟，为实际生产过程提供极其珍贵的参考资料。此外，其外带的用户设计模块为进行先进生产过程的创新设计提供了空间，这样也为进行创新性教学研究提供了辅助作用。化工原理是一门实践性很强的课程，要求能熟练掌握各种单元操作及其相关设备的原理，必然离不开实践和创新性思维。除带领学生参观化工厂对工艺过程有初步了解外，还可以利用AspenPlus软件中的工艺流程模拟在实习前就对化工工艺有系统认识，同时还可以利用软件中全面的设备及单元操作来熟悉化工单元操作及设备，开拓学生的创新空间。把学生从书本知识理解中解放出来，使其投入到工程实践训练中，这样的教学改革过程必然能提高学生的总体工程实践能力，为其在未来行业发展中奠定基础。

四、“以赛代练”精英化，培养化工专业人才

全国大学生化工设计竞赛是专门针对高校化工专业学生开展的以技能训练和能力培养为目标，选拔优秀化工专业人才的一项专业竞赛。化工设计竞赛是在学生已经具有较好专业基础知识和AspenPlus软件操作能力的基础上进行的，所选课题均为前沿性的课题，不仅可以作为教学课题，而且可以作为科研课题进行研究，培养学生的创新能力和科研能力。设计的广度也有一定要求，不仅要进行生产过程的模拟，而且要对过程结构和操作条件进行优化，对生产工艺进行技术经济分析等。化工设计竞赛涉及内容广泛，且以工程训练为主，化工原理的教学内容在化工设计竞赛中应用最为广泛。竞赛中的设计软件模拟部分要求必须采用AspenPlus软件进行，化工专业本科生在系统掌握化工原理教学内容的同时辅以流程模拟软件进行比赛，同时竞赛训练不但提高了对化工原理及其他化工专业课的理解程度，同时也能提高自身的工程设计及工程实践能力。同时参加化工设计竞赛并完成比赛且获奖的学生是本专业的优秀设计类学生，这样的学生恰恰是化工厂及设计单位所需的专业人才。通过竞赛培养化工专业精英人才，为社会塑造实用性和创新能力兼备的综合人才，是高等学校未来转型及专业设置和人才培养的一个主流方向。

五、结论

化工原理是由理论到工程实践过程中具有承上启下作用的过渡课程，因此，突出该课程的工程特色，开展创新教育和工程训练，对适应新时期高等学校教学理念创新和培养具有工程实践能力的专业人才具有重要意义，也是时代的客观需求。AspenPlus软件为代表的化工专业计算机教育和专业基础教育的有益结合，不但提供了一种新颖的教学方法和教育手段，也为培养适应现代化专业发展需求的人才提供了新的平台。但需强调的是，在化工专业教学中，基础教学过程仍是化工人才培养的基础，辅以AspenPlus软件进行教学设计是为了提高素质教育的效果和提升综合教学水平提升，不能因化工软件的参与而削弱了基础知识和基本技能的培养。在掌握基本化工原理知识和基本工程设计能力的基础上，借助AspenPlus软件这一高效化工软件，为化工原理的教学和综合人才培养加油助力，培养出更多更优秀的化工专业人才，提高我国化工专业的整体发展水平。

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基金项目：辽宁科技大学校级教改项目（CXCY-2015-15）辽宁科技大学校级青年教改项目（QNJJ-2015-04）