应用型化工过程模拟与优化课程教学改革

张明珏 李成胜 马卫红 陈晓艳 周建成,3

(1. 东南大学成贤学院，江苏 南京 210088；2. 南京扬子职业培训有限责任公司，江苏 南京 210048；3. 东南大学化学化工学院，江苏 南京 211189)

化工过程模拟(也称流程模拟)技术以工艺过程的机理模型为基础，通过计算机辅助手段，进行化工过程或单元设备的物料衡算、热量衡算、设备选型和能量分析，进行方案的选择和优化，使过程的投资和费用最低。它不仅包含化工原理、反应工程、化工热力学、系统工程、计算在化工中的应用等多门课程内容，而且深化了各门课程之间的有机联系，突出理论结合实践，是近几十年发展起来的一门新技术[1]。目前应用最为广泛的化工流程模拟软件有Aspentech公司的Aspen plus和Aspen Hysys、SimSci公司的Pro/II及Chemstations公司的ChemCAD等[2]。

将流程模拟软件应用于化工专业的教学实践环节，不仅减少化工专业的计算工作量，提高设计的效率和质量，巩固和提高学生的化工专业知识，而且培养了学生的工程意识，拓宽了科研和毕设的选题范围，为学生将来的工作或科研打下良好的基础。目前，各兄弟院校已相继开设化工模拟与优化类课程，并在教学与科研中应用流程模拟软件进行探索与研究。据不完全统计，应用化工流程模拟软件Aspen Plus近些年发表的文献数量呈逐年递增趋势(仅知网统计数据)，如图1所示。

我院于2012年开设的化工过程模拟与优化课程，为化工专业课程体系建设的内容之一，主要讲授化工流程模拟软件Aspen plus的具体应用。但在课程教学过程中，存在着一些急需解决的问题。首先，本课程综合性较强、内容较为抽象，涉及到多门学科内容，如《化工原理》、《化工热力学》、《反应工程》、《分离工程》等，在教学过程中发现，学生无法将各门课程内容有机的结合起来，往往存在孤立、片面的看待问题。其次，课程实践性较强的特点，单纯以教授Aspen Plus的使用方法往往会使学生感到枯燥乏味、难以理解和掌握。另外，学生的工程意识不够，软件操作能力及分析问题、解决实际问题的能力较低，仅仅局限于书本的知识与习题，碰到实际问题难以灵活应用，无法符合培养应用型人才的改革目标。

图1 基于ASPEN PLUS的化工模拟文献发表数量

针对本课程教学过程中存在的问题，并结合开展“卓越工程师教育培养计划”的需要，对课程教学方法、教学手段等进行了如下改革。

1 改革教学方式，强化案例教学

化工过程模拟与优化课程包含两方面内容，一方面是Aspen Plus软件的使用方法，另一方面是化工过程模拟的基础理论。若单纯教授Aspen Plus的应用而忽略理论知识的讲解，学生对软件的理解及掌握较为困难，模拟过程中存在知其然而不知其所以然，碰到错误无法分析解决。为帮助学生提高处理和解决实际问题的能力，课程改革后重点加强学生对化工流程和单元设备模拟的基本原理、求解方法的掌握，形成以Aspen Plus软件应用与相关理论知识讲解相辅相成的教学方式[3]。

Aspen中flash模块对应的是闪蒸模型，即连续的单级分离过程，该模型以MESH方程为计算基础，多级分离中严格计算RadFrac模块也以此为计算基础。因此，MESH方程是十分重要的理论授课内容。教师讲解该模块时，先将该方程组列出，具体为组分物料衡算方程，相平衡关系方程，各组分摩尔分数加和式和热量衡算方程四类方程，再阐述模块输入参数选取和赋值的理论依据，若物系组分数有c个，在给定流率，组成，压力和温度的条件下，上述共有方程数2c+3个，而独立变量数有3c+8个，方程数与变量数的差异，决定了模型的自由度，即参数输入个数。在理论讲解的同时，教师可打开软件界面操作，使学生更为透彻的理解为何需在进料和闪蒸规定中设置参数，同时给这几个参数赋值后，才能求解其他参数。

把理论教学和上机操作揉合在一起，再辅以案例式教学[4]，形成理论知识、Aspen Plus应用、案例教学的一体化教学方式，可进一步巩固学生对Aspen 软件操作的理解以及对应用流程模拟模拟软件进行化工全过程设计与优化的掌握，提高学生的实践应用能力，达到实践的目标，如图2所示。

图2 三位一体教学模式

例如设计一个脱乙烷精馏塔的案例，教师可指导学生先通过简捷计算求取理论板数，回流比，进料位置等基本参数，然后用RadFrac模型进行严格核算，再利用灵敏度分析改变进料位置，回流比等生产参数对产品的纯度和塔能耗的影响，多方案比较后实现模拟优化，最后确定塔的操作性能等。再比如丙烯合成工艺路线的确定，教师可指导学生对不同的合成方案进行计算和比较，在此过程中，选用不同的工艺技术，确定不同的分离方法，指定不同的热力学方法，进行全面量化的分析，不仅仅使学生将化工专业的所有课程融会贯通起来，更强化了学生的化工设计能力。

2 改革考核方式，基础理论与模拟实践结合，闭卷考试与开放式“大作业”并举

化工过程模拟与优化过程作为理论基础与模拟实践两方面并举的课程的特点，决定了其考核不仅包括传统的理论考试，更包括实际的上机动手能力。实行一体化教学改革之后，本课程把理论教学和上机操作课时数调整为1∶1，即理论与上机并重。改变单一的期末考试评分制度，建立合理，全面的考核方法，增加上机考核在总成绩中的比重，修改课程大纲后，将总评成绩设置为平时成绩、上机实习成绩、期末考试成绩三部分成绩相加，平时成绩占20%，上机实习成绩30%，期末成绩占50%。其中，期末成绩中包括了期末卷面理论考试和大作业两部分成绩，设置综合训练题，使学生可以深化理解本课程知识体系的基本要点，获得车间工艺设计的全程训练，强化学生对化工过程模拟与优化的实际能力。另外，为巩固学生每一章的理论知识学习，加深学生理解并应用知识的能力，自编上机案例习题集，力求学生在练习中多思考，在实践中多反思，促进学生知识，能力协调发展。

3 鼓励学生参加化工设计竞赛，提高学生学习兴趣

“三井杯”全国大学生化工设计大赛由中国化工学会、中国化工教育协会、教育部高等学校化工类专业教学指导委员会在企业的资助下举办的全国性化工竞赛。该赛事涉及内容丰常丰富，能够对学生的化工知识综合运用能力、化工设计软件的应用能力和创新意识的全方位进行全方位考查，其宗旨是通过大学生化工设计大赛，加深其对化工专业背景的了解，提高知识综合实践的能力、激发化工学生科技创业、实践成才的热情。

我学院依托化工设计大赛，着重培养学生的工程观念素养与团队合作能力。在为期几个月的作品设计过程中，学生需要积极主动思考、查阅大量的文献资料，全面分析设计过程，不断强化工程意识，运用流程模拟优化软件对工艺方案选择、每个工段解析，再到每一个反应器分离器选择，动力学参数及方程的选取，工艺优化、节能降耗、设备选型等方面作详细的计算与校核。整个过程显著拓宽了学生所学的知识面，学生的工程观念、经济分析与软件应用能力也显著提高，在与参加设计大赛的学生交谈中明显感觉工程术语词汇量一个接一个的往外蹦，而没参赛的同学仍然还是本本主义，差别甚大。同时，通过化工设计竞赛学生对本专业的学习兴趣明显大幅度提升。

自2014年以来，我院已连续参加三届化工设计竞赛，在校、院领导的支持与关心下，我院的参赛队伍数也由刚开始的1支队伍跃变为6支队伍，参与大赛的指导老师也由2名变成6名。从以往的情况来看，参加化工设计竞赛的学生不管在就业还是升学中表现出色，更受企业和院校青睐。可见，类似的设计类竞赛，充分提升了我专业本科生的培养质量，为学院应用型人才的培养提供了有力支持。

4 开展校企合作毕设，提升学生模拟优化的实践创新能力

各类化工企业拥有着丰富的实践案例，实际工程问题等，这些在课堂的化工教学中往往是涉及不到的。开展校企合作，能够让学生切实去了解实际工程存在的问题或限制，以工程的角度来理解所学知识，提升学生模拟优化的实践能力。我院自创建以来，发挥毗邻化工产业园区的优势，与扬子公司，南化研究院，南京化工园区等多家企业建立长期合作机制，多次组织学生到南京化工园区、扬子石化、南京紫金精细化工厂等校外实习基地开展生产实习与实践，每年安排50%以上的学生进入相关企业和产业研究院所进行毕业实践和毕业设计。

通过对我院化学工程专业近几年来毕业生就业情况的调查，我们分析归纳了本专业毕业生的就业特点，学生毕业设计课题与行业发展需求的关系，发现近年来炼油行业的节能总体水平虽在不断提高，但在增产减耗方面，除几个大型炼油企业外，我国炼油行业与国外先进水平相比仍差距较大，整体竞争力较弱。而目前Aspen Plus、Hysys、ChemCAD等是广泛应用于化工流程开发和设计的大型流程模拟与优化软件，采用这项信息化技术可以有效的实现化工工艺全流程的模拟与优化，通过优化工艺操作参数来减少燃料消耗、降低装置能耗和提高产量，受到了化工设计、生产类企业越来越广泛的关注。基于此，我院与扬子公司合作开展化工模拟类方向的毕业设计，结合企业生产实际，将化工过程模拟与优化内容融入了毕设设计课题中，鼓励对模拟方向感兴趣的同学选择相关课题，通过Aspen Plus的灵敏度分析功能，找到生产中影响装置中各产品质量、产量现场参数，提出优化操作，为炼油现场降低能耗及提高产量提供参考依据，并对生产操作提出的建议，为现场各参数稳定调整提供方法和指导。目前，企业指导教师在学生优秀毕业论文的基础上已修改整理成文并准备投稿，而通过此类毕业设计也进一步提高了学生的基础能力和应用计算机技术的模拟优化化工生产能力，拓宽就业渠道，并最终为学生今后的工作提供一个有用的工具。

总之，我们的化工过程模拟与优化课程改革，通过强化案例教学，理论与实践并重的考核，积极参加化工设计竞赛，校企联合毕设等方式取得了一些成效，不仅让学生巩固了理论知识，更提升了工程实践能力。课程教学改革的进一步发展，对于我们教师自身素质也提出了新的挑战。一方面，我们需不断学习和消化软件，扩充理论知识，提高自身的业务水平。另一方面，积极参加专业发展、课程内涵建设、实践课程改革等教学研讨活动，定期邀请高校专家和企业工程师来院做学术讲座，加深对本课程的理解和认识，不断深化课程改革，积极创新，注重培养和引导学生的实践综合能力，将学生培养成更符合社会经济发展需要的应用型专业人才。

[1] 杨光辉. 化工流程模拟技术及应用[J]. 山东化工, 2008, 37(8): 35～38.

[2] 包宗宏, 武文良. 基于流程模拟软件平台的化工计算教材编写[J]. 化工高等教育, 2014, (5): 101～104.

[3] 许良华, 尹晓红, 孙喆, 等. 化工流程模拟教学新模式的探索[J]. 化工高等教育, 2016, (1): 39～42.

[4] 肖国民, 李浩扬, 肖 洋. 通用化工模拟软件在《化工传递过程原理》教学中的应用[J]. 化工时刊, 2012, 26(10): 53～59.