計算模擬在精餾實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中的運用論文

　　引言

　　現代化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展得益于計算模擬的廣泛、深入應用�，F如今計算模擬已成為化工發(fā)展不可缺少的工具和手段，其在化工設計、生產(chǎn)、研究和教學(xué)中的重要性日益凸顯。例如化工單元仿真即為以化工原理為基礎，以計算機模擬操作為手段的綜合教學(xué)。

　　基于近年來(lái)國家引導部分地方本科高校向應用技術(shù)型高校轉型發(fā)展的思想，轉型高校在校生工程能力、應用能力的培養為改革的重中之重。因此在化工的專(zhuān)業(yè)基礎課實(shí)踐環(huán)節——化工原理實(shí)驗中，教師應根據社會(huì )發(fā)展的信息化需求，結合現代化的計算模擬軟件分析實(shí)驗過(guò)程，一方面可強化學(xué)生在計算模擬軟件方面的訓練和運用，另使一方面還可加深學(xué)生對裝置、實(shí)驗過(guò)程，甚至化工過(guò)程的深入理解。此外，在實(shí)驗裝置上進(jìn)行計算模擬，還可節約大規模生產(chǎn)設備的運行成本，亦可多次重復實(shí)驗，在形成學(xué)生解決工程問(wèn)題的思維方式上具有極大的提升效果[1-3]。

　　精餾塔是化工流程應用廣泛的單元操作設備，影響精餾塔操作水平和產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，且相互關(guān)系復雜。精餾實(shí)驗能夠使我們了解精餾塔的內部結構，觀(guān)察塔內各種傳質(zhì)狀態(tài)，學(xué)習精餾塔的操作方法和具體流程，并掌握一定的實(shí)驗數據處理方法，加深我們對精餾塔對二元物系進(jìn)行分離過(guò)程的理解與認識，從而培養我們將理論與實(shí)際相結合，并運用所學(xué)知識去解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

　　本文以精餾實(shí)驗裝置為例進(jìn)行計算模擬操作。運用ASPEN軟件進(jìn)行工藝流程模擬、故障診斷分析，并采用計算機語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了仿真軟件。在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行各種環(huán)節設計，然后根據學(xué)生實(shí)驗結果進(jìn)行分析總結劑點(diǎn)評，在實(shí)驗過(guò)程中培養了學(xué)生的工程能力，并對專(zhuān)業(yè)學(xué)習產(chǎn)生更高的學(xué)習興趣。

　　1、ASPEN軟件在工藝流程優(yōu)化實(shí)驗中的教學(xué)設計與實(shí)施效果評價(jià)

　　化工過(guò)程模擬技術(shù)是以化工工藝流程的理論機理為基礎模型，采用計算機模擬的手段來(lái)對化工過(guò)程進(jìn)行描述，并對化工的工藝流程進(jìn)行熱量衡算、物料衡算、能量分析和設備尺寸估算等。因此，流程模擬不僅可以節省時(shí)間，也可節省大量操作資金，同時(shí)對經(jīng)濟效益、過(guò)程優(yōu)化、環(huán)境評價(jià)進(jìn)行全面的分析與精確評估，以達到對化工過(guò)程的規劃、研究開(kāi)發(fā)及技術(shù)分析，從而節約資源、優(yōu)化生產(chǎn)和提高經(jīng)濟[4]。

　　在工藝過(guò)程模擬中，學(xué)生按設計好的過(guò)程進(jìn)行如下操作及模擬：

　�、僭囼炋骄考訜犭妷�、回流比、進(jìn)料量和進(jìn)料濃度的改變對塔頂餾出液中乙醇摩爾分率的影響，得到了在一定操作條件下精餾分離的最優(yōu)化條件。

　�、谶\用化工流程模擬軟件來(lái)對乙醇-正丙醇兩組分的分離精餾實(shí)驗進(jìn)行模擬，得到理論的實(shí)驗結果，并與實(shí)際結果相比較，找出實(shí)驗的影響因素。

　　Aspen模擬的最終結果表明，模擬值與實(shí)驗數據吻合較好，模擬過(guò)程中物性參數、模塊選取合理。從模擬的結果不僅可以看出實(shí)驗數據與理論值的差異，還可得到很多實(shí)驗所不能得到的參數及變化情況，通過(guò)比較可找出實(shí)驗的錯誤和不足之處，及時(shí)進(jìn)行整改，從而大大提高了實(shí)驗分離效率。

　　此外學(xué)生還對精餾塔的回流比、餾出比和進(jìn)料位置進(jìn)行了靈敏度的分析，得到了三種參數的變化規律，確定了一定條件下的最適回流比、餾出比、最佳進(jìn)料板。

　　總的來(lái)說(shuō)，ASPEN軟件模擬工藝過(guò)程最主要是讓學(xué)生了解化工模擬軟件在實(shí)際的實(shí)驗和流程操作中指導作用，通過(guò)理論的數據與實(shí)際的數據進(jìn)行對比，判斷計算模擬的準確性，找出錯誤位置，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，并向授課教師提供了理論的最佳操作參數，即使學(xué)生了解設備參數變化規律，更快的確定最佳參數數值，更提高了實(shí)踐效率，節約了人工成本。

　　2、ASPEN軟件模擬軟件在實(shí)驗中的教學(xué)設計與實(shí)施效果評價(jià)

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)模擬軟件對化工過(guò)程進(jìn)行計算模擬，據此對過(guò)程進(jìn)行故障分析已成為一種常用手段。在本次教學(xué)改革中，學(xué)生可結合實(shí)驗裝置實(shí)踐，通過(guò)使用模擬軟件對實(shí)驗裝置進(jìn)行流程模擬，經(jīng)過(guò)與實(shí)際過(guò)程參數對照分析，發(fā)現實(shí)際操作過(guò)程的故障原因，找出解決問(wèn)題的對策，使學(xué)生在實(shí)訓中得到工程能力的提高。[5-7]

　　在精餾實(shí)驗裝置上，在不告知學(xué)生情況下，人為制造一些故障，如管道泄漏、堵塞，塔內板上構件作改變，或者拆卸塔體保溫層等等。學(xué)生在人為故障的情況，操作實(shí)驗裝置，對現場(chǎng)采集數據，并對數據進(jìn)行分析，初步確定原因，然后用ASPEN軟件對實(shí)際工藝進(jìn)行模擬計算，找出問(wèn)題的原因。

　　在診斷故障過(guò)程，學(xué)生按設計好的過(guò)程進(jìn)行如下操作及模擬：

　�、偻ㄟ^(guò)設備的設計參數在模擬軟件上進(jìn)行模擬計算，驗證流程裝置設計的合理性；

　�、谕ㄟ^(guò)正常運行完好的設備采集的數據，用現場(chǎng)數據與模擬計算的數據進(jìn)行對比，驗證模擬計算的參數設計合理性；

　�、圻\行人為設計故障的實(shí)驗裝置，現場(chǎng)采集數據，對照與模擬計算不符合的部分；

　�、艹醪酱_定原因，對設計不符合部分在計算機上多次模擬操作；

　�、輰�故障部分給以改造策略，并考慮其合理性，最終給出診斷結果。

　　學(xué)生以模擬軟件為工具，對實(shí)驗裝置的多種情況進(jìn)行了計算模擬，將計算結果與實(shí)際情況進(jìn)行對比分析，診斷出裝置運行過(guò)程中的故障，分析故障的原因，并找出解決問(wèn)題的方法，這種工程能力的培養，為其在工作崗位上進(jìn)行設備維護和操作參數的調整提高很好的經(jīng)驗和理論基礎。同時(shí)在模擬數據的幫助下，對實(shí)際操作進(jìn)行了在線(xiàn)優(yōu)化，并將優(yōu)化結果指導實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

　　3、仿真軟件在實(shí)驗中的教學(xué)設計與實(shí)施效果評價(jià)

　　化工原理仿真實(shí)驗是以真實(shí)的實(shí)驗原理、實(shí)驗現象、實(shí)驗過(guò)程和實(shí)驗數據為基礎，在計算機上通過(guò)數學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗現象，通過(guò)互動(dòng)的動(dòng)畫(huà)模擬在現場(chǎng)的真實(shí)操作，并產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗一樣的操作結果[2]。這種方法有利于培養學(xué)生的分析能力、處理、解決問(wèn)題能力。

　　學(xué)生在開(kāi)發(fā)過(guò)程中運用了多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)，如采用Visualbasic、Visualc++、Delphi等，以及運用多種多媒體合成平臺進(jìn)行繪制裝置，如Authorware、Photoshop、CAD等。

　　開(kāi)發(fā)的仿真系統主要功能包括化工原理實(shí)驗仿真模擬操作訓練、模擬操作的評分、操作數據的獲取及實(shí)驗數據處理、思考題的測試及評估、實(shí)驗裝置的多媒體展示以及在線(xiàn)幫助等等，其基本結構如圖1所示。

　　在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們要求學(xué)生按照以下步驟進(jìn)行：

　�、俨殚喯嚓P(guān)資料，閱讀相關(guān)教材，透徹理解原理及要求；

　�、谑煜�實(shí)驗流程，進(jìn)行實(shí)驗的實(shí)際操作，掌握過(guò)程規律；

　�、凼占�有關(guān)的物性數據，并從實(shí)驗數據中挑選具有代表性的數據，形成數據庫；

　�、苁褂枚嗝襟w工具與設計語(yǔ)言結合，繪制包括實(shí)驗設備、儀表、管路在內的試驗流程圖；

　�、菔煜み^(guò)程各變量之間的復雜關(guān)系及規律，采用設計語(yǔ)言編寫(xiě)模擬代碼，實(shí)現各模塊之間的聯(lián)系；

　�、尴到y的調試與修改。

　　學(xué)生對實(shí)驗過(guò)程進(jìn)行仿真系統簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)，模擬了真實(shí)的實(shí)驗操作，使學(xué)生熟練掌握了如何操作化工單元過(guò)程，熟練的測定、整理實(shí)驗數據，并且提高學(xué)生的學(xué)習興趣。通過(guò)這種學(xué)習過(guò)程，在工作實(shí)踐中，形成模擬真實(shí)操作的思維能力，以便其能更深入了解化工過(guò)程的流程，以及影響化工過(guò)程的因素之間的復雜關(guān)系。

　　4、結論

　　學(xué)生通過(guò)將計算模擬綜合運用到化工原理實(shí)驗裝置流程中，在投入成本少、耗時(shí)短、可重復性高的情況下，使學(xué)生了解設備參數變化規律，更快地確定最佳參數數值，更提高了實(shí)踐效率；更深入了解化工過(guò)程的流程，以及影響化工過(guò)程的因素之間的復雜關(guān)系。從而提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，在實(shí)踐中形成解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，其也存在不足之處，由于設備流程簡(jiǎn)單，過(guò)程可改變的變量少，不少監控點(diǎn)還需再安裝，因此，實(shí)驗裝置和實(shí)際生產(chǎn)裝置仍存在較大差別，仍需進(jìn)行改進(jìn)，以便更接近實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，更好培養學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

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