計(jì)算模擬在精餾實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用論文
引言
現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展得益于計(jì)算模擬的廣泛、深入應(yīng)用�，F(xiàn)如今計(jì)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(shè)計(jì)、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(chǔ)，以計(jì)算機(jī)模擬操作為手段的綜合教學(xué)。
基于近年來(lái)國(guó)家引導(dǎo)部分地方本科高校向應(yīng)用技術(shù)型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的思想，轉(zhuǎn)型高校在校生工程能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)為改革的重中之重。因此在化工的專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)踐環(huán)節(jié)——化工原理實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)根據(jù)社會(huì)發(fā)展的信息化需求，結(jié)合現(xiàn)代化的計(jì)算模擬軟件分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程，一方面可強(qiáng)化學(xué)生在計(jì)算模擬軟件方面的訓(xùn)練和運(yùn)用，另使一方面還可加深學(xué)生對(duì)裝置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程，甚至化工過(guò)程的深入理解。此外，在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行計(jì)算模擬，還可節(jié)約大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行成本，亦可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(yīng)用廣泛的單元操作設(shè)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(fù)雜。精餾實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴刮覀兞私饩s塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察塔內(nèi)各種傳質(zhì)狀態(tài)，學(xué)習(xí)精餾塔的操作方法和具體流程，并掌握一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，加深我們對(duì)精餾塔對(duì)二元物系進(jìn)行分離過(guò)程的理解與認(rèn)識(shí)，從而培養(yǎng)我們將理論與實(shí)際相結(jié)合，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
本文以精餾實(shí)驗(yàn)裝置為例進(jìn)行計(jì)算模擬操作。運(yùn)用ASPEN軟件進(jìn)行工藝流程模擬、故障診斷分析，并采用計(jì)算機(jī)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(jié)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)劑點(diǎn)評(píng)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力，并對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生更高的學(xué)習(xí)興趣。
1、ASPEN軟件在工藝流程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施效果評(píng)價(jià)
化工過(guò)程模擬技術(shù)是以化工工藝流程的理論機(jī)理為基礎(chǔ)模型，采用計(jì)算機(jī)模擬的手段來(lái)對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行描述，并對(duì)化工的工藝流程進(jìn)行熱量衡算、物料衡算、能量分析和設(shè)備尺寸估算等。因此，流程模擬不僅可以節(jié)省時(shí)間，也可節(jié)省大量操作資金，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、過(guò)程優(yōu)化、環(huán)境評(píng)價(jià)進(jìn)行全面的分析與精確評(píng)估，以達(dá)到對(duì)化工過(guò)程的規(guī)劃、研究開(kāi)發(fā)及技術(shù)分析，從而節(jié)約資源、優(yōu)化生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)[4]。
在工藝過(guò)程模擬中，學(xué)生按設(shè)計(jì)好的過(guò)程進(jìn)行如下操作及模擬：
①試驗(yàn)探究加熱電壓、回流比、進(jìn)料量和進(jìn)料濃度的改變對(duì)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\(yùn)用化工流程模擬軟件來(lái)對(duì)乙醇-正丙醇兩組分的分離精餾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，得到理論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與實(shí)際結(jié)果相比較，找出實(shí)驗(yàn)的影響因素。
Aspen模擬的最終結(jié)果表明，模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，模擬過(guò)程中物性參數(shù)、模塊選取合理。從模擬的結(jié)果不僅可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值的差異，還可得到很多實(shí)驗(yàn)所不能得到的參數(shù)及變化情況，通過(guò)比較可找出實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤和不足之處，及時(shí)進(jìn)行整改，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)分離效率。
此外學(xué)生還對(duì)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(shù)的變化規(guī)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(yàn)和流程操作中指導(dǎo)作用，通過(guò)理論的數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性，找出錯(cuò)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(shù)，即使學(xué)生了解設(shè)備參數(shù)變化規(guī)律，更快的確定最佳參數(shù)數(shù)值，更提高了實(shí)踐效率，節(jié)約了人工成本。
2、ASPEN軟件模擬軟件在實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施效果評(píng)價(jià)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)模擬軟件對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬，據(jù)此對(duì)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(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)踐，通過(guò)使用模擬軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行流程模擬，經(jīng)過(guò)與實(shí)際過(guò)程參數(shù)對(duì)照分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)際操作過(guò)程的故障原因，找出解決問(wèn)題的對(duì)策，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中得到工程能力的提高。[5-7]
在精餾實(shí)驗(yàn)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(nèi)板上構(gòu)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(yàn)裝置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步確定原因，然后用ASPEN軟件對(duì)實(shí)際工藝進(jìn)行模擬計(jì)算，找出問(wèn)題的原因。
在診斷故障過(guò)程，學(xué)生按設(shè)計(jì)好的過(guò)程進(jìn)行如下操作及模擬：
�、偻ㄟ^(guò)設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)在模擬軟件上進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證流程裝置設(shè)計(jì)的合理性；
②通過(guò)正常運(yùn)行完好的設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬計(jì)算的參數(shù)設(shè)計(jì)合理性；
�、圻\(yùn)行人為設(shè)計(jì)故障的實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)照與模擬計(jì)算不符合的部分；
�、艹醪酱_定原因，對(duì)設(shè)計(jì)不符合部分在計(jì)算機(jī)上多次模擬操作；
⑤對(duì)故障部分給以改造策略，并考慮其合理性，最終給出診斷結(jié)果。
學(xué)生以模擬軟件為工具，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的多種情況進(jìn)行了計(jì)算模擬，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，診斷出裝置運(yùn)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(yǎng)，為其在工作崗位上進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和操作參數(shù)的調(diào)整提高很好的經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。同時(shí)在模擬數(shù)據(jù)的幫助下，對(duì)實(shí)際操作進(jìn)行了在線優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。
3、仿真軟件在實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施效果評(píng)價(jià)
化工原理仿真實(shí)驗(yàn)是以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)互動(dòng)的動(dòng)畫(huà)模擬在現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)操作，并產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的操作結(jié)果[2]。這種方法有利于培養(yǎng)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(yùn)用了多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)，如采用Visualbasic、Visualc++、Delphi等，以及運(yùn)用多種多媒體合成平臺(tái)進(jìn)行繪制裝置，如Authorware、Photoshop、CAD等。
開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)主要功能包括化工原理實(shí)驗(yàn)仿真模擬操作訓(xùn)練、模擬操作的評(píng)分、操作數(shù)據(jù)的獲取及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、思考題的測(cè)試及評(píng)估、實(shí)驗(yàn)裝置的多媒體展示以及在線幫助等等，其基本結(jié)構(gòu)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：
①查閱相關(guān)資料，閱讀相關(guān)教材，透徹理解原理及要求；
�、谑煜�(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作，掌握過(guò)程規(guī)律；
③收集有關(guān)的物性數(shù)據(jù)，并從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中挑選具有代表性的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)；
�、苁褂枚嗝襟w工具與設(shè)計(jì)語(yǔ)言結(jié)合，繪制包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀表、管路在內(nèi)的試驗(yàn)流程圖；
�、菔煜み^(guò)程各變量之間的復(fù)雜關(guān)系及規(guī)律，采用設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)模擬代碼，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的聯(lián)系；
�、尴到y(tǒng)的調(diào)試與修改。
學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)，模擬了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(cè)定、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)這種學(xué)習(xí)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(fù)雜關(guān)系。
4、結(jié)論
學(xué)生通過(guò)將計(jì)算模擬綜合運(yùn)用到化工原理實(shí)驗(yàn)裝置流程中，在投入成本少、耗時(shí)短、可重復(fù)性高的情況下，使學(xué)生了解設(shè)備參數(shù)變化規(guī)律，更快地確定最佳參數(shù)數(shù)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(fù)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(shè)備流程簡(jiǎn)單，過(guò)程可改變的變量少，不少監(jiān)控點(diǎn)還需再安裝，因此，實(shí)驗(yàn)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(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。
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