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(yáng)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(guò)程模擬(也稱(chēng)流程模擬)技術(shù)以工藝過(guò)程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助手段，進(jìn)行化工過(guò)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(jìn)行方案的選擇和優(yōu)化，使過(guò)程的投資和費(fèi)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(jì)算在化工中的應(yīng)用等多門(mén)課程內(nèi)容，而且深化了各門(mén)課程之間的有機(jī)聯(lián)系，突出理論結(jié)合實(shí)踐，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)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(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅減少化工專(zhuān)業(yè)的計(jì)算工作量，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，鞏固和提高學(xué)生的化工專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而且培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，拓寬了科研和畢設(shè)的選題范圍，為學(xué)生將來(lái)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(kāi)設(shè)化工模擬與優(yōu)化類(lèi)課程，并在教學(xué)與科研中應(yīng)用流程模擬軟件進(jìn)行探索與研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用化工流程模擬軟件Aspen Plus近些年發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量呈逐年遞增趨勢(shì)(僅知網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，如圖1所示。

我院于2012年開(kāi)設(shè)的化工過(guò)程模擬與優(yōu)化課程，為化工專(zhuān)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(guò)程中，存在著一些急需解決的問(wèn)題。首先，本課程綜合性較強(qiáng)、內(nèi)容較為抽象，涉及到多門(mén)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生無(wú)法將各門(mén)課程內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，往往存在孤立、片面的看待問(wèn)題。其次，課程實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，單純以教授Aspen Plus的使用方法往往會(huì)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(shí)不夠，軟件操作能力及分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力較低，僅僅局限于書(shū)本的知識(shí)與習(xí)題，碰到實(shí)際問(wèn)題難以靈活應(yīng)用，無(wú)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(xiàn)發(fā)表數(shù)量

針對(duì)本課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并結(jié)合開(kāi)展“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的需要，對(duì)課程教學(xué)方法、教學(xué)手段等進(jìn)行了如下改革。

1 改革教學(xué)方式，強(qiáng)化案例教學(xué)

化工過(guò)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(guò)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(shí)的講解，學(xué)生對(duì)軟件的理解及掌握較為困難，模擬過(guò)程中存在知其然而不知其所以然，碰到錯(cuò)誤無(wú)法分析解決。為幫助學(xué)生提高處理和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，課程改革后重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)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(shí)講解相輔相成的教學(xué)方式[3]。

Aspen中flash模塊對(duì)應(yīng)的是閃蒸模型，即連續(xù)的單級(jí)分離過(guò)程，該模型以MESH方程為計(jì)算基礎(chǔ)，多級(jí)分離中嚴(yán)格計(jì)算RadFrac模塊也以此為計(jì)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(shí)，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(lèi)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(gè)，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(gè)，而獨(dú)立變量數(shù)有3c+8個(gè)，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(gè)數(shù)。在理論講解的同時(shí)，教師可打開(kāi)軟件界面操作，使學(xué)生更為透徹的理解為何需在進(jìn)料和閃蒸規(guī)定中設(shè)置參數(shù)，同時(shí)給這幾個(gè)參數(shù)賦值后，才能求解其他參數(shù)。

把理論教學(xué)和上機(jī)操作揉合在一起，再輔以案例式教學(xué)[4]，形成理論知識(shí)、Aspen Plus應(yīng)用、案例教學(xué)的一體化教學(xué)方式，可進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)Aspen 軟件操作的理解以及對(duì)應(yīng)用流程模擬模擬軟件進(jìn)行化工全過(guò)程設(shè)計(jì)與優(yōu)化的掌握，提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，達(dá)到實(shí)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(jì)一個(gè)脫乙烷精餾塔的案例，教師可指導(dǎo)學(xué)生先通過(guò)簡(jiǎn)捷計(jì)算求取理論板數(shù)，回流比，進(jìn)料位置等基本參數(shù)，然后用RadFrac模型進(jìn)行嚴(yán)格核算，再利用靈敏度分析改變進(jìn)料位置，回流比等生產(chǎn)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的純度和塔能耗的影響，多方案比較后實(shí)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(xiàn)的確定，教師可指導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同的合成方案進(jìn)行計(jì)算和比較，在此過(guò)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(jìn)行全面量化的分析，不僅僅使學(xué)生將化工專(zhuān)業(yè)的所有課程融會(huì)貫通起來(lái)，更強(qiáng)化了學(xué)生的化工設(shè)計(jì)能力。

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

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

3 鼓勵(lì)學(xué)生參加化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

“三井杯”全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽由中國(guó)化工學(xué)會(huì)、中國(guó)化工教育協(xié)會(huì)、教育部高等學(xué)?；ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在企業(yè)的資助下舉辦的全國(guó)性化工競(jìng)賽。該賽事涉及內(nèi)容豐常豐富，能夠?qū)W(xué)生的化工知識(shí)綜合運(yùn)用能力、化工設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的全方位進(jìn)行全方位考查，其宗旨是通過(guò)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽，加深其對(duì)化工專(zhuān)業(yè)背景的了解，提高知識(shí)綜合實(shí)踐的能力、激發(fā)化工學(xué)生科技創(chuàng)業(yè)、實(shí)踐成才的熱情。

我學(xué)院依托化工設(shè)計(jì)大賽，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念素養(yǎng)與團(tuán)隊(duì)合作能力。在為期幾個(gè)月的作品設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生需要積極主動(dòng)思考、查閱大量的文獻(xiàn)資料，全面分析設(shè)計(jì)過(guò)程，不斷強(qiáng)化工程意識(shí)，運(yùn)用流程模擬優(yōu)化軟件對(duì)工藝方案選擇、每個(gè)工段解析，再到每一個(gè)反應(yīng)器分離器選擇，動(dòng)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(jì)算與校核。整個(gè)過(guò)程顯著拓寬了學(xué)生所學(xué)的知識(shí)面，學(xué)生的工程觀念、經(jīng)濟(jì)分析與軟件應(yīng)用能力也顯著提高，在與參加設(shè)計(jì)大賽的學(xué)生交談中明顯感覺(jué)工程術(shù)語(yǔ)詞匯量一個(gè)接一個(gè)的往外蹦，而沒(méi)參賽的同學(xué)仍然還是本本主義，差別甚大。同時(shí)，通過(guò)化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣明顯大幅度提升。

自2014年以來(lái)，我院已連續(xù)參加三屆化工設(shè)計(jì)競(jìng)賽，在校、院領(lǐng)導(dǎo)的支持與關(guān)心下，我院的參賽隊(duì)伍數(shù)也由剛開(kāi)始的1支隊(duì)伍躍變?yōu)?支隊(duì)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(lái)看，參加化工設(shè)計(jì)競(jìng)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?jiàn)，類(lèi)似的設(shè)計(jì)類(lèi)競(jìng)賽，充分提升了我專(zhuān)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(kāi)展校企合作畢設(shè)，提升學(xué)生模擬優(yōu)化的實(shí)踐創(chuàng)新能力

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

通過(guò)對(duì)我院化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)近幾年來(lái)畢業(yè)生就業(yè)情況的調(diào)查，我們分析歸納了本專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)特點(diǎn)，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題與行業(yè)發(fā)展需求的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)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(gè)大型煉油企業(yè)外，我國(guó)煉油行業(yè)與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍差距較大，整體競(jìng)爭(zhēng)力較弱。而目前Aspen Plus、Hysys、ChemCAD等是廣泛應(yīng)用于化工流程開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的大型流程模擬與優(yōu)化軟件，采用這項(xiàng)信息化技術(shù)可以有效的實(shí)現(xiàn)化工工藝全流程的模擬與優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化工藝操作參數(shù)來(lái)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(jì)、生產(chǎn)類(lèi)企業(yè)越來(lái)越廣泛的關(guān)注?；诖?，我院與揚(yáng)子公司合作開(kāi)展化工模擬類(lèi)方向的畢業(yè)設(shè)計(jì)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，將化工過(guò)程模擬與優(yōu)化內(nèi)容融入了畢設(shè)設(shè)計(jì)課題中，鼓勵(lì)對(duì)模擬方向感興趣的同學(xué)選擇相關(guān)課題，通過(guò)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(chǎng)參數(shù)，提出優(yōu)化操作，為煉油現(xiàn)場(chǎng)降低能耗及提高產(chǎn)量提供參考依據(jù)，并對(duì)生產(chǎn)操作提出的建議，為現(xiàn)場(chǎng)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(guò)此類(lèi)畢業(yè)設(shè)計(jì)也進(jìn)一步提高了學(xué)生的基礎(chǔ)能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(gè)有用的工具。

總之，我們的化工過(guò)程模擬與優(yōu)化課程改革，通過(guò)強(qiáng)化案例教學(xué)，理論與實(shí)踐并重的考核，積極參加化工設(shè)計(jì)競(jìng)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(shí)，更提升了工程實(shí)踐能力。課程教學(xué)改革的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)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(kuò)充理論知識(shí)，提高自身的業(yè)務(wù)水平。另一方面，積極參加專(zhuān)業(yè)發(fā)展、課程內(nèi)涵建設(shè)、實(shí)踐課程改革等教學(xué)研討活動(dòng)，定期邀請(qǐng)高校專(zhuān)家和企業(yè)工程師來(lái)院做學(xué)術(shù)講座，加深對(duì)本課程的理解和認(rèn)識(shí)，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(shí)踐綜合能力，將學(xué)生培養(yǎng)成更符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才。

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