计算机软件在化工原理实验中的应用探究

廖益强 范立维 卢泽湘 王雪芳 张慧 陈艳希 陈礼辉

[摘 要]化工原理课程开设的目的是让学生形成工程意识。其中的化工原理实验旨在帮助学生巩固学习到的化工原理知识，促使学生掌握扎实的工程实践技能，促使学生形成良好的理实一体化理念。但是在具体的实验过程中，学生需要测量海量且复杂的数据，进行物性参数查询，并进行具体的分析和计算，并在最后将其汇总成图表、公式等。单纯利用手工计算和绘图，会耗费大量的时间和精力，也会形成一定的误差，最终影响实验结果的准确性。而计算机软件的应用使得化工原理实验变得更为简便快捷。文章以Aspen Plus软件和Origin软件为例，论述了其在化工原理实验中的具体应用。

[关键词]计算机软件;化工原理实验;Origin软件;Aspen Plus软件

[基金项目]福建农林大学2019年本科教育教学改革研究优秀项目“《化工原理》课程思政教学研究”（119/SZ1119037）;2017年福建农林大学教学团队立项“化工原理系列课程教学团队”（111416038）;福建农林大学2018年本科教育教学改革研究项目“‘对分课堂教学模式在《化工原理》课程教学中的实践”（111418122）

[作者简介]廖益强（1971—），男，福建仙游人，博士，福建農林大学材料工程学院副教授，硕士生导师，主要从事生物质能源与利用、化工原理系列课程研究;张 慧（1983—），女，山东聊城人，博士，福建农林大学材料工程学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事生物质能源、化工分离系列课程研究。

[中图分类号] TQ021.4[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）27-0391-02[收稿日期] 2019-10-26

随着计算机技术的不断发展进步，计算机已经渗透进各行各业，教育领域也不例外。与其他学科相比，化工专业与实际应用的结合更加密切，因此有关化工专业的实践教学是其中的重中之重。而化工原理实验是理论知识和化工生产实践沟通的桥梁，以化工单元操作原理、设备、流程为主要内容，经由实验来解决工程中出现的一些实际问题，主要以培养学生的创新思维、创新能力和工程能力为目的。但是在进行化工原理实验时，其数据处理方面会涉及诸多概念、公式、图表等，计算较为复杂。学生若进行手工计算，则会浪费大量的时间，而且一旦发生错误就会导致整个实验结果都发生错误，因此大多数学生对于实验的数据处理都报以“望而生畏”的态度，存在排斥的心理，这将极大地影响化工原理实验教学效率的提升。而计算机软件的出现为化工原理实验教学带来了新的机遇。计算机软件有着高效的图文处理效率，有着强大的模拟计算功能，有着可靠的数据分析能力。将其应用于化工原理实验教学能够有效提升工作效率，减少人为误差的发生率，还能够有效锻炼学生实际运用计算机的能力，提升学生的科学研究素养。本文将以Aspen Plus软件和Origin软件为例，探讨计算机软件在化工原理实验教学中的具体应用[1]。

一、Aspen Plus软件和Origin软件概述

（一）Aspen Plus软件

Aspen Plus软件最初是由麻省理工学院（MIT）于20世纪70年代开发的大型通用流程模拟系统（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），之后在20世纪80年代被美国AspenTech公司推向市场后，并被称为Aspen Plus软件。经过多年发展，该软件已经具备较为完善的数据库和物性模型参数，能够进行化工单元和全流程的模拟运算，并且已经成为目前应用比较广泛的通用流程模拟软件之一。将Aspen Plus软件应用于化工原理实验，一方面便于学生更直观地了解单元操作过程，提升计算的效率和准确度，并对灵敏度分析得出的实验结果进行分析讨论;另一方面使学生不再局限于某一设备的具体操作，而能够自主进行工艺流程设计并完成模拟，也进一步强化了学生的工程判断能力。

（二）Origin软件

Origin软件是一种进行数据分析和数据制图的软件，由OriginLab公司开发，能够在Microsoft Windows系统下运行。其数据导入、数据分析、数据绘图功能强大，曲线拟合方法多样，能够依据实验数据生成二维坐标图形便于分析趋势，能够绘制多条曲线便于比较分析，能够依据需要自行选择并定制坐标，能够回归实验数据，能够实现生成图形格式输出的多样化。就曲线拟合方法来说，Origin软件能够进行线性拟合和非线性拟合。其中，线性拟合又可分为简单线性拟合、多项式拟合等。这些均可通过软件的Analysis/Fit Linear、Analysis/Fit Ploynominal等工具实现，并将结果显示在Result Log窗口。除此之外，Origin软件还提供了指数增长函数、对数函数、Gaussian函数、指数衰减函数、S函数、Lorentzian函数等诸多非线性拟合函数以供用户选择。同时用户还可在Analysis/Non-linear Curve Fit选项中进行自定义函数的数据拟合。将Origin软件应用于化工原理实验，能够有效提升学生的数据处理能力。

二、Aspen Plus软件和Origin软件在化工原理实验中的具体应用

（一）Aspen Plus软件在化工原理实验中的具体应用

依托Aspen Plus软件，学生能够顺利完成精馏塔、混合、闪蒸分离、加热加压等单元操作的实验流程模拟。例如，学生可通过软件中的RADFRAC精馏模块模拟氯乙烯精馏中的低沸塔，还可通过改变进料位置、回流比、馏出比等参数，得到不同的实验结果，以此来得出这些参数与精馏之间的关系。再如，在进行筛板精馏塔实验时，学生可通过Aspen Plus软件分离乙醇-正丙醇混合液。学生可先设置进料量、回流比等参数，并使塔顶和塔底的出料阀处于打开状态。在塔内操作处于稳定之后，将塔顶和塔釜的温度记录下来，之后运用阿贝折光仪分析和读取塔顶、塔底和进料样品的折光率，之后选择Template工具，在组分中输入相应的乙醇和正丙醇，并选择相应的物性方法，再经由Tools/Analysis/Property/Binary/Txy绘制T-x-y图，经由Plot Wizard/y-x绘制y-x图等，最终求出理论的塔板数和总板效率。

（二）Origin软件在化工原理实验中的具体应用

依托Origin软件，学生能够更为便捷有效地完成实验数据的处理。例如，在进行流体力学综合实验时，学生可依据流体阻力的计算方式，离心泵性能参数的计算原理等计算处理实验测定的参数，并绘制摩擦系数及局部阻力系数与雷诺数的关系曲线、离心泵特性曲线、孔板流量计的流量系数曲线、孔板流量计的流量曲线，有效降低学生作图的误差，便于学生做出正确的数据分析。再如，在曲线拟合方面，Origin软件能够进行恒压过滤实验曲线的线性拟合，进行动态过滤速率曲线的非线性拟合等。在具体的实验过程中，学生可依据实验数据和拟合参数的特性进行拟合方式的选择[2-3]。

三、结语

综上，化工原理实验是一门重要的实践课程，需要学生进行工程实验的设计、组织和实施，但因其流程和设备的复杂性，再加上参数测试量大、数据处理量大，这些都为学生的实际操作带来了困难。而Matlab、Origin、PowerBuilder、Aspen Plus、Sigmaplot等计算机软件的应用，不仅丰富了教学方式，激发了学生的学习兴趣，还为学生带来了便利，有效提升了实验教学的实效性。其中，Aspen Plus软件和Origin软件更成为化工原理实验所不可或缺的计算机软件，便于学生学以致用，提升学生的工程实践能力[4]。

参考文献

[1]廖益强，卢泽湘，王雪芳，等.信息化时代化工专业实践教学模式改革研究[J].教育现代化，2019，6（69）：20-21.

[2]廖益强，王雪芳，卢泽湘，等.基于“互联网+”高校创新创业人才培养研究[J].信息记录材料，2019，20（4）：233-234.

[3]廖益强，卢泽湘，张慧，等.“对分课堂”教学模式在《化工原理》课程教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2019（37）：197-198.

[4]廖益强，卢泽湘，王雪芳，等.应用人才培养下的化工原理课程教学改革[J].教育现代化，2019，6（74）：28-29.