張明玨 李成勝 馬衛(wèi)紅 陳曉艷 周建成,3

(1. 東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088；2. 南京揚子職業(yè)培訓(xùn)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210048；3. 東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211189)

化工過程模擬(也稱流程模擬)技術(shù)以工藝過程的機理模型為基礎(chǔ)，通過計算機輔助手段，進行化工過程或單元設(shè)備的物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型和能量分析，進行方案的選擇和優(yōu)化，使過程的投資和費用最低。它不僅包含化工原理、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計算在化工中的應(yīng)用等多門課程內(nèi)容，而且深化了各門課程之間的有機聯(lián)系，突出理論結(jié)合實踐，是近幾十年發(fā)展起來的一門新技術(shù)[1]。目前應(yīng)用最為廣泛的化工流程模擬軟件有Aspentech公司的Aspen plus和Aspen Hysys、SimSci公司的Pro/II及Chemstations公司的ChemCAD等[2]。

將流程模擬軟件應(yīng)用于化工專業(yè)的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，不僅減少化工專業(yè)的計算工作量，提高設(shè)計的效率和質(zhì)量，鞏固和提高學(xué)生的化工專業(yè)知識，而且培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識，拓寬了科研和畢設(shè)的選題范圍，為學(xué)生將來的工作或科研打下良好的基礎(chǔ)。目前，各兄弟院校已相繼開設(shè)化工模擬與優(yōu)化類課程，并在教學(xué)與科研中應(yīng)用流程模擬軟件進行探索與研究。據(jù)不完全統(tǒng)計，應(yīng)用化工流程模擬軟件Aspen Plus近些年發(fā)表的文獻數(shù)量呈逐年遞增趨勢(僅知網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù))，如圖1所示。

我院于2012年開設(shè)的化工過程模擬與優(yōu)化課程，為化工專業(yè)課程體系建設(shè)的內(nèi)容之一，主要講授化工流程模擬軟件Aspen plus的具體應(yīng)用。但在課程教學(xué)過程中，存在著一些急需解決的問題。首先，本課程綜合性較強、內(nèi)容較為抽象，涉及到多門學(xué)科內(nèi)容，如《化工原理》、《化工熱力學(xué)》、《反應(yīng)工程》、《分離工程》等，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生無法將各門課程內(nèi)容有機的結(jié)合起來，往往存在孤立、片面的看待問題。其次，課程實踐性較強的特點，單純以教授Aspen Plus的使用方法往往會使學(xué)生感到枯燥乏味、難以理解和掌握。另外，學(xué)生的工程意識不夠，軟件操作能力及分析問題、解決實際問題的能力較低，僅僅局限于書本的知識與習(xí)題，碰到實際問題難以靈活應(yīng)用，無法符合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的改革目標(biāo)。

圖1 基于ASPEN PLUS的化工模擬文獻發(fā)表數(shù)量

針對本課程教學(xué)過程中存在的問題，并結(jié)合開展“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的需要，對課程教學(xué)方法、教學(xué)手段等進行了如下改革。

1 改革教學(xué)方式，強化案例教學(xué)

化工過程模擬與優(yōu)化課程包含兩方面內(nèi)容，一方面是Aspen Plus軟件的使用方法，另一方面是化工過程模擬的基礎(chǔ)理論。若單純教授Aspen Plus的應(yīng)用而忽略理論知識的講解，學(xué)生對軟件的理解及掌握較為困難，模擬過程中存在知其然而不知其所以然，碰到錯誤無法分析解決。為幫助學(xué)生提高處理和解決實際問題的能力，課程改革后重點加強學(xué)生對化工流程和單元設(shè)備模擬的基本原理、求解方法的掌握，形成以Aspen Plus軟件應(yīng)用與相關(guān)理論知識講解相輔相成的教學(xué)方式[3]。

Aspen中flash模塊對應(yīng)的是閃蒸模型，即連續(xù)的單級分離過程，該模型以MESH方程為計算基礎(chǔ)，多級分離中嚴(yán)格計算RadFrac模塊也以此為計算基礎(chǔ)。因此，MESH方程是十分重要的理論授課內(nèi)容。教師講解該模塊時，先將該方程組列出，具體為組分物料衡算方程，相平衡關(guān)系方程，各組分摩爾分?jǐn)?shù)加和式和熱量衡算方程四類方程，再闡述模塊輸入?yún)?shù)選取和賦值的理論依據(jù)，若物系組分?jǐn)?shù)有c個，在給定流率，組成，壓力和溫度的條件下，上述共有方程數(shù)2c+3個，而獨立變量數(shù)有3c+8個，方程數(shù)與變量數(shù)的差異，決定了模型的自由度，即參數(shù)輸入個數(shù)。在理論講解的同時，教師可打開軟件界面操作，使學(xué)生更為透徹的理解為何需在進料和閃蒸規(guī)定中設(shè)置參數(shù)，同時給這幾個參數(shù)賦值后，才能求解其他參數(shù)。

把理論教學(xué)和上機操作揉合在一起，再輔以案例式教學(xué)[4]，形成理論知識、Aspen Plus應(yīng)用、案例教學(xué)的一體化教學(xué)方式，可進一步鞏固學(xué)生對Aspen 軟件操作的理解以及對應(yīng)用流程模擬模擬軟件進行化工全過程設(shè)計與優(yōu)化的掌握，提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力，達到實踐的目標(biāo)，如圖2所示。

圖2 三位一體教學(xué)模式

例如設(shè)計一個脫乙烷精餾塔的案例，教師可指導(dǎo)學(xué)生先通過簡捷計算求取理論板數(shù)，回流比，進料位置等基本參數(shù)，然后用RadFrac模型進行嚴(yán)格核算，再利用靈敏度分析改變進料位置，回流比等生產(chǎn)參數(shù)對產(chǎn)品的純度和塔能耗的影響，多方案比較后實現(xiàn)模擬優(yōu)化，最后確定塔的操作性能等。再比如丙烯合成工藝路線的確定，教師可指導(dǎo)學(xué)生對不同的合成方案進行計算和比較，在此過程中，選用不同的工藝技術(shù)，確定不同的分離方法，指定不同的熱力學(xué)方法，進行全面量化的分析，不僅僅使學(xué)生將化工專業(yè)的所有課程融會貫通起來，更強化了學(xué)生的化工設(shè)計能力。

2 改革考核方式，基礎(chǔ)理論與模擬實踐結(jié)合，閉卷考試與開放式“大作業(yè)”并舉

化工過程模擬與優(yōu)化過程作為理論基礎(chǔ)與模擬實踐兩方面并舉的課程的特點，決定了其考核不僅包括傳統(tǒng)的理論考試，更包括實際的上機動手能力。實行一體化教學(xué)改革之后，本課程把理論教學(xué)和上機操作課時數(shù)調(diào)整為1∶1，即理論與上機并重。改變單一的期末考試評分制度，建立合理，全面的考核方法，增加上機考核在總成績中的比重，修改課程大綱后，將總評成績設(shè)置為平時成績、上機實習(xí)成績、期末考試成績?nèi)糠殖煽兿嗉?，平時成績占20%，上機實習(xí)成績30%，期末成績占50%。其中，期末成績中包括了期末卷面理論考試和大作業(yè)兩部分成績，設(shè)置綜合訓(xùn)練題，使學(xué)生可以深化理解本課程知識體系的基本要點，獲得車間工藝設(shè)計的全程訓(xùn)練，強化學(xué)生對化工過程模擬與優(yōu)化的實際能力。另外，為鞏固學(xué)生每一章的理論知識學(xué)習(xí)，加深學(xué)生理解并應(yīng)用知識的能力，自編上機案例習(xí)題集，力求學(xué)生在練習(xí)中多思考，在實踐中多反思，促進學(xué)生知識，能力協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 鼓勵學(xué)生參加化工設(shè)計競賽，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

“三井杯”全國大學(xué)生化工設(shè)計大賽由中國化工學(xué)會、中國化工教育協(xié)會、教育部高等學(xué)?；ゎ悓I(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會在企業(yè)的資助下舉辦的全國性化工競賽。該賽事涉及內(nèi)容豐常豐富，能夠?qū)W(xué)生的化工知識綜合運用能力、化工設(shè)計軟件的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的全方位進行全方位考查，其宗旨是通過大學(xué)生化工設(shè)計大賽，加深其對化工專業(yè)背景的了解，提高知識綜合實踐的能力、激發(fā)化工學(xué)生科技創(chuàng)業(yè)、實踐成才的熱情。

我學(xué)院依托化工設(shè)計大賽，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念素養(yǎng)與團隊合作能力。在為期幾個月的作品設(shè)計過程中，學(xué)生需要積極主動思考、查閱大量的文獻資料，全面分析設(shè)計過程，不斷強化工程意識，運用流程模擬優(yōu)化軟件對工藝方案選擇、每個工段解析，再到每一個反應(yīng)器分離器選擇，動力學(xué)參數(shù)及方程的選取，工藝優(yōu)化、節(jié)能降耗、設(shè)備選型等方面作詳細(xì)的計算與校核。整個過程顯著拓寬了學(xué)生所學(xué)的知識面，學(xué)生的工程觀念、經(jīng)濟分析與軟件應(yīng)用能力也顯著提高，在與參加設(shè)計大賽的學(xué)生交談中明顯感覺工程術(shù)語詞匯量一個接一個的往外蹦，而沒參賽的同學(xué)仍然還是本本主義，差別甚大。同時，通過化工設(shè)計競賽學(xué)生對本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣明顯大幅度提升。

自2014年以來，我院已連續(xù)參加三屆化工設(shè)計競賽，在校、院領(lǐng)導(dǎo)的支持與關(guān)心下，我院的參賽隊伍數(shù)也由剛開始的1支隊伍躍變?yōu)?支隊伍，參與大賽的指導(dǎo)老師也由2名變成6名。從以往的情況來看，參加化工設(shè)計競賽的學(xué)生不管在就業(yè)還是升學(xué)中表現(xiàn)出色，更受企業(yè)和院校青睞?？梢姡愃频脑O(shè)計類競賽，充分提升了我專業(yè)本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，為學(xué)院應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供了有力支持。

4 開展校企合作畢設(shè)，提升學(xué)生模擬優(yōu)化的實踐創(chuàng)新能力

各類化工企業(yè)擁有著豐富的實踐案例，實際工程問題等，這些在課堂的化工教學(xué)中往往是涉及不到的。開展校企合作，能夠讓學(xué)生切實去了解實際工程存在的問題或限制，以工程的角度來理解所學(xué)知識，提升學(xué)生模擬優(yōu)化的實踐能力。我院自創(chuàng)建以來，發(fā)揮毗鄰化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)的優(yōu)勢，與揚子公司，南化研究院，南京化工園區(qū)等多家企業(yè)建立長期合作機制，多次組織學(xué)生到南京化工園區(qū)、揚子石化、南京紫金精細(xì)化工廠等校外實習(xí)基地開展生產(chǎn)實習(xí)與實踐，每年安排50%以上的學(xué)生進入相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)業(yè)研究院所進行畢業(yè)實踐和畢業(yè)設(shè)計。

通過對我院化學(xué)工程專業(yè)近幾年來畢業(yè)生就業(yè)情況的調(diào)查，我們分析歸納了本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)特點，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計課題與行業(yè)發(fā)展需求的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)近年來煉油行業(yè)的節(jié)能總體水平雖在不斷提高，但在增產(chǎn)減耗方面，除幾個大型煉油企業(yè)外，我國煉油行業(yè)與國外先進水平相比仍差距較大，整體競爭力較弱。而目前Aspen Plus、Hysys、ChemCAD等是廣泛應(yīng)用于化工流程開發(fā)和設(shè)計的大型流程模擬與優(yōu)化軟件，采用這項信息化技術(shù)可以有效的實現(xiàn)化工工藝全流程的模擬與優(yōu)化，通過優(yōu)化工藝操作參數(shù)來減少燃料消耗、降低裝置能耗和提高產(chǎn)量，受到了化工設(shè)計、生產(chǎn)類企業(yè)越來越廣泛的關(guān)注?；诖?，我院與揚子公司合作開展化工模擬類方向的畢業(yè)設(shè)計，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，將化工過程模擬與優(yōu)化內(nèi)容融入了畢設(shè)設(shè)計課題中，鼓勵對模擬方向感興趣的同學(xué)選擇相關(guān)課題，通過Aspen Plus的靈敏度分析功能，找到生產(chǎn)中影響裝置中各產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量現(xiàn)場參數(shù)，提出優(yōu)化操作，為煉油現(xiàn)場降低能耗及提高產(chǎn)量提供參考依據(jù)，并對生產(chǎn)操作提出的建議，為現(xiàn)場各參數(shù)穩(wěn)定調(diào)整提供方法和指導(dǎo)。目前，企業(yè)指導(dǎo)教師在學(xué)生優(yōu)秀畢業(yè)論文的基礎(chǔ)上已修改整理成文并準(zhǔn)備投稿，而通過此類畢業(yè)設(shè)計也進一步提高了學(xué)生的基礎(chǔ)能力和應(yīng)用計算機技術(shù)的模擬優(yōu)化化工生產(chǎn)能力，拓寬就業(yè)渠道，并最終為學(xué)生今后的工作提供一個有用的工具。

總之，我們的化工過程模擬與優(yōu)化課程改革，通過強化案例教學(xué)，理論與實踐并重的考核，積極參加化工設(shè)計競賽，校企聯(lián)合畢設(shè)等方式取得了一些成效，不僅讓學(xué)生鞏固了理論知識，更提升了工程實踐能力。課程教學(xué)改革的進一步發(fā)展，對于我們教師自身素質(zhì)也提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，我們需不斷學(xué)習(xí)和消化軟件，擴充理論知識，提高自身的業(yè)務(wù)水平。另一方面，積極參加專業(yè)發(fā)展、課程內(nèi)涵建設(shè)、實踐課程改革等教學(xué)研討活動，定期邀請高校專家和企業(yè)工程師來院做學(xué)術(shù)講座，加深對本課程的理解和認(rèn)識，不斷深化課程改革，積極創(chuàng)新，注重培養(yǎng)和引導(dǎo)學(xué)生的實踐綜合能力，將學(xué)生培養(yǎng)成更符合社會經(jīng)濟發(fā)展需要的應(yīng)用型專業(yè)人才。

[1] 楊光輝. 化工流程模擬技術(shù)及應(yīng)用[J]. 山東化工, 2008, 37(8): 35～38.

[2] 包宗宏, 武文良. 基于流程模擬軟件平臺的化工計算教材編寫[J]. 化工高等教育, 2014, (5): 101～104.

[3] 許良華, 尹曉紅, 孫喆, 等. 化工流程模擬教學(xué)新模式的探索[J]. 化工高等教育, 2016, (1): 39～42.

[4] 肖國民, 李浩揚, 肖 洋. 通用化工模擬軟件在《化工傳遞過程原理》教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化工時刊, 2012, 26(10): 53～59.