计算机软件辅助化学反应工程教学

王剑 赵红坤 刁国旺

摘要：将数值模拟软件MATLAB及流程模拟软件Aspen Plus应用于成人高等教育《反应工程》课程的教学。实践表明，计算机软件辅助教学对于丰富和深化课堂教学内容、培养学生处理问题的能力具有不可或缺的作用。

关键词：反应工程;教学改革;教学实践

化学反应工程是高等学校化工专业学生的必修课，主要研究反应动力学和反应器，反应动力学是反应器设计与分析的基础。工业反应器中除了化学反应外，还伴随有反应组分的传递、反应热的吸收或排放、反应物料的流动与混合等物理过程，极其错综复杂，其研究方法以数学模拟为主 。数学模拟过程包括数学模型的建立和求解分析两部分，通过化工专业课程的学习，学生可以理解并掌握数学模型的推导过程，对于模型的求解则往往限于数学上的困难而无能为力[1]。MATLAB是美国MathWorks公司推出的一个科学计算软件，软件内置了丰富的数值计算方法和多种图形绘制方法，便于用户集中精力解决工程计算问题本身，而不必过多地关注计算机编程和数学问题[2]。Aspen Plus 是一款集化工设计、生产调优、设备或工艺改造等计算于一体的流程模拟软件，具有完备的物性系统、完整的单元操作模型库、快速可靠的流程模拟功能等。本文研究Aspen Plus与Matlab软件的交互实现，并应用于化学反应工程课程的教学与实践中，能够有效地将理论知识与工程实践相结合，提高学生的工程应用能力，真正培养企业所需要的工程应用型人才。

1 计算实例

乙炔氢氯化合成氯乙烯的反应如式1所示，在固定床反应器中测得的实验数据如表1所示。反应速率方程如式2所示。试根据表1中数据确定动力学参数k和KE。乙炔氢氯化合成氯乙烯的反应器长7米，乙炔和氯化氢的加量流量均为142kmol/h，反应器温度为300℃，反应器在常压下反应，求出口氯乙烯的产量？

计算程序如下：

function fanying

clear all;clc

% 实验数据

rA =[0.050619 0.06632 0.089748 0.105199 0.102027 0.107046 0.112407 0.115137 0.119637];

Ph=[15.304 20.993 30.269 37.01174 36.4603 39.17254 42.35715 45.0755 47.138];

Pe =[76.092 70.254 63.182 59.00891 57.5633 55.45684 52.9992 50.0089 49.53];

% 线性拟合

RA=Pe.*Ph./rA;y=RA’;X=[ones（size（y）） Pe’];

b= X＼y;k=1/b（1）;KE=b（2）*k;

% 非线性拟合

beta0=[k KE]

[beta，resnorm，residual，exitflag，output，lambda，jacobian]=Isqnonlin（@ObjFunc，beta0，[]，[]，[]，rA，Pe，Ph）

ci=nlparci（beta，residual，jacobian）

%.................................................................

function f=ObjFunc（beta，rA，Pe，Ph）

f=rA-beta（1）*Pe.*Ph./（1+beta（2）*Pe）;

運行程序，计算结果为k=-0.00761，KE=98.988。采用ASPEN软件模拟反应器中化学反应过程，物性方法选择PENG-ROB，设置进料物流参数、反应器操作条件、反应器构型和动力学方程参数，结果显示氯乙烯的产量为2.716 kmol/h。

2 结论

学生利用Matlab和Aspen这两类软件可简化数据处理过程，将重点放在对课程知识点的理解与问题分析上。计算软件用于化学反应工程教学，改善了教学效果，具有重要的现实意义。

参考文献

[1]蔡高健.高职化学反应工程教学实践探索[J].科技展望，2016，28（26）：216.

[2]杨涛.MATLAB 在物理化学实验教学中的应用[J].计算机与应用化学，2012，29（11）：1387-1390.

基金项目：扬州大学2019年继续教育教改课题（2019jj-jg01）;江苏高校品牌专业建设工程项目（PPZY2015B112）

作者简介：王剑（1983-），男，江苏泰州人，副教授，主要研究方向为化工热力学。