基于Aspen的《化工过程分析》教学改革探索

李文军　苏倩倩　魏家骏　吴骏杰

【摘要】化工过程分析是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，开展Aspen plus化工过程模拟软件上机课程，创新理论实践与上机相结合教学方法，加深实践性教学，使学生学习解决化工过程分析与合成过程的问题同时熟悉Aspen Plus软件的使用，为后续化工设计打下基础。促进了具有创新能力和工程实践能力的化工专业人才的培养。

【关键词】Aspen 化工过程分析 教学 改革

【基金项目】华北科技学院教研基金赞助项目（HKJYZD201508 ），中央高校基本科研业务费资助项目（3142015025），河北省高等学校科学技术研究项目资助（ZD2015207）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）17-0230-02

引言

化工过程分析与合成课程目的是使學生在完成化工单元操作、三传一反、化工工艺、热力学等基本课程学习的基础上， 通过系统工程的方法并结合有关化学工程、化工工艺知识和数值计算方法，掌握化工过程分析方法，解决化工过程分析与流程模拟问题。

化工过程分析课程是通过系统优化的观念和方法来分析、研究化工过程规律把工艺与工程融会贯通的一门专业课程。是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程。学生通过该课程的学习将能够对各种化工流程过程进行优化分析，从而使化工过程在各方面达到最优化，实现能源的经济化。

我校在第一届化学工程与工艺专业就开展了Aspen plus（Advanced System for Process Engineering）化工过程模拟软件上机课程。目的是加深实践性教学，培养学生的创新与科研能力，使学生在学习的过程中得到更多实践的机会，更好的学习解决化工过程分析与合成过程的问题。下面就教学中的几点尝试，谈谈我们的体会。

1.目前教学中存在的主要问题

当前社会条件下，本科毕业生面临就业压力大，正是在这种情况下，很多学生对化工厂存在抵触情绪，认为其地理位置及条件恶略，倒班工作累，前途渺茫，然而他们并不了解现代化的化工厂的生产方式及工作方式，从而导致越来越多的人转行，转专业，这个问题大部分在于在大学学习阶段，并没有得到实践和实习的机会。从而还停留在自己对这个行业的原时印象中。教师在教学过程中实践教学的强度不够，学校注重教学大于远远大于实践，将理论学习作为工科学生的主要教学内容，使学生在大量时间都在思考如何应付考试；使老师大量时间在思考如何让学生通过考试。这样在本来就非常有限的学时内，学生得不到实践，更无法深入现场，了解化工过程、化工工艺、化工设备等。学校对每届学生开展认识实习、生产实习，但现状是“僧多粥少”学生根本无法深入对某一过程进行认知和探索，仅仅是走马观花，这对于与生产实践结合如此紧密的化工专业的高等教育来说是远远不能达到教学目的的。

2.化工过程分析课程教学体系研究

华北科技学院环境工程学院化学工程与工艺系将此门课程安排在了第七学期，共设32学时，这门课程的目标是为了让学生能够掌握先进的系统工程思想、方法和策略来解决本专业中遇到的单纯用专业知识难以解决的问题。通过对这门课程的学习，学生们将掌握序贯模块法、夹点技术、直观推断法。由于这门课程的抽象性，理论性都较强，对学生的思维方式以及科研创新精神都是一项挑战。通过多年来的教学工作，笔者不断探索教学方法，整理分析教学内容，优化课时，合理安排理论学习与实践的穿插方式，形成了一套独有的教学体系。

大体上分为理论教学→实例讲解→发现问题→理论分析→过程建模→上机模拟→分析优化等七大步骤。通过这套体系将理论课课时与上机课课时实现对等，将课本知识充分融入化工过程案例中，将一个案例拆分成知识点，分组进行建模比赛，并让学生在讨论中自己发现问题，后加以指导，而解决问题。

授课案例不仅使用大型化工厂真实案例，还基于平时的科研工作，基于煤炭地下气化实验中心平台，将煤气化过程融入课堂，在课余时间组织兴趣小组参与科研工作，通过一些实验切实体会真正的化工流程，再回到Aspen软件中进行建模、模拟。使学生获得创新实践能力与工程实践能力的训练。

3.《化工过程分析》课程改革的主要内容

3.1 Aspen简介

Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）模拟软件是美国能源部于70年代后期委托麻省理工学院研制开发的，1979年投入使用，1981年专门成立了一家公司继续开发与完善这套软件，从1982年的第1版，现在己发展到第12版。这套系统功能齐全，规模庞大，可应用于化工、炼油、石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品等许多工业领域，目前己在全世界范围内广泛使用。我国自1983年由中石化北京设计院等首次引进，其用户迅速增加，应用部门涉及石油化工医药等行业。其特点如下：

（1）具有完备的物性数据库

Aspen Plus具有丰富的物性数据和完备的物性模型。Aspen Plus数据库包括将近6 000种纯组分的物性数据， 900余种离子和分子溶质估算电解质物性所需的参数，约3314种固体的固体模型参数， 61种化合物的Henry常数参数，二元交互作用参数约40000多个。Aspen Plus是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件。该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据，共计25万多套数据。

（2）完整的单元操作模块和分析工具

Aspen Plus包含完整的化工单元模块，易于组建化工流程。能够进行收敛分析、灵敏度分析，将工艺模型与真实的装置数据进行拟合，确保精确、有效的真实装置模型；能够进行近10种气/液平衡系统模拟计算，包含精馏模型、多塔模型等单元操作模块，可广泛模拟分析化工、石油化工、生物化工、合成燃料、冶金等工业过程。

（3）支持规模工作流

根据模型的复杂程度，支持规模工作流。Aspen Plus 是一种通用型化工流程模拟软件，具有界面友好、工作效率高、结果准确等优点。

3.2 改革的内容

在课程讲授时，通常情况下都是结合实例，提出问题，围绕问题启发学生思考解决问题的方法。我们发现这种教学方法不利于学生思维的扩散，所以，本人采用的教学方法如下：

（1）课前先对要讲授的内容进行提问，引导学生搜集和查询相关资料，对学生进行分组，将课堂问题分解成3～4个小部分，每一组学生负责一部分。由于学生对于实践部分往往比较好奇，但又不能不了解理论知识，在授课时，每一组学生对自己所负责的部分先提出自己的认识，并提出问题。在课堂的前十五分钟，我们采用提问与讨论相结合，共同发现和提出问题。之后，对于问题中所遇到的课本中的知识点穿插事先准备好的化工现场的图片、视频，并在讲授的过程中就自己在实践中的经历分享给学生，寓教于乐，引发出学生的兴趣。

（2）我们对课时进行了合理安排，由于课时有限，我们采用一堂理论课一堂上机课的方式。上机课我们集中教学Aspen plus软件的操作，在每一届学生的首次上机课对软件进行介绍。课后学生自己对理论课讲授的案例进行探索模拟，并在上机实践的过程中，发现实际中的问题，例如操作不当引起的设备损坏、甚至危险事故等。

（3）基于我校煤炭地下气化实验中心，对有兴趣的同学建立兴趣小组，参与现场实践及科研项目。将自己在计算机上模拟的过程搬到实际实验中，给学生提供一个宽松的学习平台，让学生自主安排时间开展创新实践活动。与此同时，我们还组建了一支勇于创新的教师队伍，对实验课程改革创新，并加大對实验经费的投入，确保实验设施的维护和实验耗材的供给。确保学生能学到并领悟到这门课程的魅力。

4.《化工过程分析》课程改革的效果

化工过程分析课程教学改革的尝试取得了一定的教学效果。以化工学科的特点和人才培养为目标，对当前化工实验课程进行教学改革。通过实际案例引导与教学，让学生学会自我探索，积极思考，解决问题，总结经验。并通过Aspen Plus辅助教学，结合实验室兴趣小组，提高教学质量，提高学生的综合能力。到目前为止，已有很多学生熟练掌握Aspen 软件的使用。并将其充分应用在毕业设计中，对于煤气化、合成氨等化工过程的能量核算都能运用软件进行模拟。实践证明，通过对化工过程分析的改革与实验教学内容的更新，并与Aspen软件的结合，提高了化工实验课程的教学质量，使其对学生的思维扩展、观察创造力和实际中解决问题能力都得到了全面且综合的训练，促进了具有创新能力和工程实践能力的化工专业人才的培养，为学生将来进入化工行业奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]麻德贤，李成岳，张卫东.化工过程分析与合成[M].北京： 化学工业出版社，2002.

[2]方立国.化工过程分析与合成课程教学模式改革实践研究[J].广州化工，2010（7）：280-282.

作者简介：

李文军，1974年生，男，江西南昌人，2011年毕业于中国矿业大学（北京） 洁净能源技术与工程专业，博士后，讲师。

通讯作者：苏倩倩，1991年生，女，山西运城人，华北科技学院，助教。