计算机软件提升《化工分离工程》课程的探索

赵红永丁晓莉谭小耀张玉忠/.天津工业大学环境与化学工程学院.天津工业大学材料科学与工程学院



计算机软件提升《化工分离工程》课程的探索

赵红永1丁晓莉2谭小耀1张玉忠2/1.天津工业大学环境与化学工程学院2.天津工业大学材料科学与工程学院

【摘 要】计算机软件的成熟发展对《化工分离工程》课程的传统式教学提出了新的要求，并为该课程的进一步完善与发展提供了有利的平台。本文提出通过应用计算机软件完善《化工分离工程》课程中严格计算等相关章节的内容，促进学生对分离过程中严格计算的理解。

【关键词】课程建设；化工分离工程；严格计算；模拟软件

《化工分离工程》是一门关于化工过程的专业课，它是通过综合运用数学、物理、化学等基础知识，分析和解决化工生产中各种物理过程的工程科学[1]。目前该课程学习的重点是使学生掌握各种常用传质分离过程的基本原理与操作特点，以及相关各个过程的简捷计算。然而对于其中严格计算的相关部分大多停留在进行概念性的介绍，并无法让学生进行严格计算相关的实质性计算操作与锻炼。

计算机软件如今发展成为化工过程设计的强大工具。这类软件包含各种的单元操作模块，并且有着庞大的物性数据库，既可以进行单个设备的相关计算，也可进行整个化工生产流程的计算。在《化工分离工程》课程教学中尝试引入一些化工模拟软件（如：ASPEN PLUS，PRO/II或者CHEM CAD[2]以及计算软件（如：MATLAB）[3]辅助，希望以此能提高课程相关习题的难度，增强实用性，同时进一步提高学生对实际分离过程的认识与理解。

《化工分离工程》课程中多组份精馏与吸收是其重点，其中多组份精馏是重中之重，涉及到最基础的气液平衡常数相关计算，泡点露点计算，简单平衡级闪蒸问题计算，多组份精馏简捷计算以及其严格计算。下面对计算机软件在提升《化工分离工程》课程教学问题进行初步的探讨。

一、气液平衡基础

（一）相平衡常数

相平衡常数等的计算按照分类可由状态方程法和活度系数法进行求解，其中分别涉及到逸度系数与活度系数的求解，这些混合物的热力学性质绝大多都比较复杂，不能手算完成；如果使用MATLAB计算软件则可快速准确的求解出这些基础数据，结论更为准确与直观。

（二）泡点露点（温度/压力）计算

泡点露点计算方面，教学中通常仅针对平衡常数与组成无关的情况下的计算，并且计算过程仍需要假设迭代计算，计算量较大。而对于平衡常数与组成有关的情况下的计算则是仅仅进行粗略的介绍，因为在组成未知的情况下无法求得逸度系数与活度系数，还必须对活度系数与逸度系数进行试差，因此学生仅仅掌握计算流程即可并无实际的计算要求。如果通过MATLAB计算软件可轻松方便的对平衡常数与组成有关的情况进行计算。并且如若在此引入化工模拟软件的辅助，则可对精馏塔的塔顶温度，塔底温度以及压力变化的模拟数据与MATLAB的计算数据进行对比，使得学生更为形象直观的了解精馏塔的操作压力与各种公用工程介质使用温度之间的联系，为将来实际工作中如何选择分离塔操作压力和进行过程热集成打下了基础。

（三）简单平衡级

简单平衡级中闪蒸的计算较为重要，与泡点露点计算相似，教学中仍然着重于平衡常数与组成无关的情况下的计算，而对于平衡常数与组成有关的情况下的计算则由于平衡常数除了温度和压力外还是组成的函数，需要初估组成然后迭代求至汽化率收敛，然后再估算组成并计算平衡常数，重新迭代汽化率，直至组成无变化。整个过程迭代繁琐计算量大，教学中往往只进行简单介绍。此处如果配以MATLAB计算软件与化工模拟软件辅助则可准确迅速的进行计算，且可进行模拟数据与计算数据的对比与讨论，从而进一步掌握计算方法的内在含义。

二、多组份普通精馏与特殊精馏的简捷计算

（一）多组份普通精馏简捷计算

多组份精馏普通简捷计算方面，整体使用FUG法求解。其中最少理论塔板数利用Fenske方程进行求解，之前需要确定关键组分，估算塔顶塔底温度算出相对挥发度，然后通过Fenske方程进行求解，过程较为复杂需要进行验证非关键组分的含量，其计算量较大。如果在此配有MATLAB进行辅助，可省去繁琐的计算过程时间，使学生有更多的时间对于关键组分的选取，清晰分割的划分，分配与非分配组分的定义从计算中有一个更直观的了解与认识。

（二）萃取精馏与共沸精馏的过程分析

特殊精馏中萃取精馏与共沸精馏的方面概念性知识较多，过程分析是其重点。在此若配以化工模拟软件，则可让学生更为直观的了解萃取溶剂，共沸剂等的流速，温度浓度变化对整个特殊精馏过程的影响，并可进行萃取剂与共沸剂的选择操作，从而更直观的认识溶剂的亲和性以及共沸剂的极性与共沸点对精馏体系的影响。

三、吸收过程的过程分析

吸收过程章节，简捷计算较为简单，简化各板的吸收因子后，计算无需迭代假设。吸收过程由于其放热过程以及单项传质，使其过程分析较为重要特别是四种主要热效应的解读方面。在此如果配以化工模拟软件，通过较为接近实际的模拟吸收塔，了解吸收过程热效应对整个塔温度的影响以及单项传质对塔内流速的影响，使得学生更为形象与直观的了解与掌握吸收过程。

四、过程的严格计算

这部分中主要涉及的MESH方面的建立与求解，其中重点介绍了方程解离法中三对角矩阵法与逐板计算法的计算流程。计算中，描述精馏模型的MESH方程组求解困难，且求解过程通常还包括各种气液平衡数据的计算、多种矩阵运算和数值算法、求解热力学性质和物性时用到的插值和参数拟合等，计算非常复杂。目前的教学往往停留在简略介绍的阶段。在此如果配以MATLAB计算软件与化工模拟软件，则可大大简化计算的难度并缩短了计算时间，还可通过模拟软件中类似的模块对各个过程的严格计算使得学生对其有更为详细的了解，并且对于多组分精馏以及多组份吸收有更深刻的理解。例如：ASPEN PLUS 里的RadFrac模块就是采用严格计算方法中的逐板法。由于软件计算的效率高，模拟计算耗时少，所以在课堂教学中可选用真实精馏塔作为模拟实例进行讲解，使得学生更直观与深入的了解各工艺参数对设备分离效率和设备参数的影响。

综上所述，传统的教学方法对于实践性很强的《化工分离工程》课程来说，效果并不十分理想。通过计算机软件可以更加直观地展示分离过程的操作情况和分离设备内部结构，使得复杂结构形象化与直观化。

参考文献：

[1] 叶庆国.分离工程[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 翁连进，王士斌，李夏兰.分离工程教改实践的体会[J].化工高等教育， 2005， 83 (1): 75-76.

[3] 吴松涛，江青茵，曹志凯等.基于Matlab的精馏稳态模拟[J].厦门大学学报（自然科学版），2006，45 (1)：85-89.