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1、2005年11月Nov.2005化 学 工 业 与 工 程CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERING第22卷 增刊Vol.22Supplement收稿日期:2005-10-31基金项目:天津大学研究生院教学改革项目。作者简介:李士雨(1964-),男,天津大学化工学院教授。联系人:李士雨,E2mail:shyli 。文章编号:1004-9533(2005)增刊-0060-03采用CHEMCAD软件强化“化工分离过程”课程教学李士雨,齐向娟(天津大学化工学院,天津300072)摘要:讨论了国内外化工分离过程课程改革的趋势,认为化工分离过程的课程内容正在不断拓宽、更加重视“原理”
2、的讲授、采用计算机模拟技术更新教学内容是大势所趋、势在必行。文中最后给出了采用 CHEMCAD 软件更新化工分离过程教学内容的初步方案。关键词:分离过程;教学内容改革;CHEMCADImproving the Course of Separation Processin Chemical Engineering with CHEMCADLI Shi2yu,QI Xiang 2juan(Schoolof Chem ical Engineeringand Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China)分离过程在化工、生物、医药、能源、以及环境
3、保护等诸多领域发挥着日益重要的作用,国内外化工类专业本科生及研究生教学计划中均将“化工分离过程”作为一门重要的专业基础课程开设。90年代后期,尤其是本世纪初,化工模拟、分析、设计与优化的理论和方法得到迅速发展,ASPE NP LUS、CHEMCAD、PRO II、HYSIS、DESIG N II、FLUENT等化工软件在教学、科研、设计及工业生产中发挥着日益重要的作用。由于化工分离过程中的许多问题都可采用模拟软件解决,因而,“化工分离过程”课程的教学内容和教学方法也不断采用模拟技术进行更新。近年出版的国外名校教材1,2 及其配套习题,均含有大量模拟内容,国内也向此方向发展3,4。作者自 199
4、8 年起讲授“化工分离过程”课程,2001年开始将化工模拟技术引入该课程教学,并不断更新教学内容和教学方法,受到学生欢迎。本文分析了“化工分离过程”课程教学改革的趋势,给出了采用 ChemC AD 软件强化“化工分离过程”课程教学初步方案。1“化工分离过程”课程教学改革的趋势J D Seader和 E J Henley1 主 编 的SeparationProcess Principles(分离过程原理)是美国大学化工系选用比例最高的分离过程教材,它的变化代表着化工分离过程教学内容更新的趋势。国内许多化工分离过程及化工原理方面的教材都把这本书作为重要参考资料。这本教材的前身是EJ Henley和
5、 J DSeader5 主 编 的 EquilibriumStage SeparationOperationsin ChenmicalEngineering (化学工程中的平衡级分离操作)。表 1 给出了这两种教材的对比分析。从表 1 可以看出,化工分离过程教材改革的趋势表现在以下几个方面。1)与专业教学改革同步,内容不断拓宽:近年来,化工专业的范围逐渐扩大并且跨学科发展,其方法、理论越来越得到生物、制药、材料、电子等高新科技产业的重视,成为支撑这些产业产品生产不可缺名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 3 页 -表1两种分离工程教材的对比分析比较内容教材1 教材5 教
6、材名称名称为“化学工程中的平衡级分离操作”,限定了两个范围,即“化学工程”和“平衡级分离”名称为“分离过程原理”,更强调一般化的“分离过程”,更强调“原理”讲授内容1涉及常规精馏、吸收、萃取、间歇精馏等4个过程2侧重于宏观过程及其模型化11 涉及常规精馏、共沸精馏、反应精馏、加盐精馏、萃取精馏、吸收、萃取、气提、吸附、离子交换、色谱、超临界萃取、间歇精馏、膜分离等14个过程21 加强微观“原理”的分析和新型分离方法介绍计算技术手算及手工编程计算手算及利用模拟软件ChemC AD计算。计算技术的进步,强化了学生分析能力的培养,加深了对讲授内容的理解,许多难以展开的教学内容得以展开少的技术。根据
7、AIChE 2001 年统计,美国化工专业毕业生在传统的化工、石化以及设计、建造等行业就业的比例只占2819%,而在高科技与新兴工业,如电子、能源、生物等行业占4019%。因此,化工专业逐渐成为通用的过程工程专业,甚至成为与生物、制药、材料、电子等高新科技最密切相关的的工程专业,化工专业的界限正在淡化、范围正在拓宽。化工分离过程教材的范围也在拓宽,过去以精馏、萃取、吸收等适用于传统化工、石化行业的教学内容为主,现在则不断加入广泛应用于生物、制药领域的结晶、膜分离、吸附与离子交换等内容。“化工分离过程”课程或教材的名称也在变化为更加通用的名称,即“分离过程”。2)更加重视“原理”讲授:过去没有传
8、质机理方面内容,现在对每一种分离方法,均重视“原理”分析,让读者从“根”上理解、掌握分离方法。3)采用模拟技术拓展教学内容、强化能力培养:过去也重视计算机计算,但无论从例题上,还是在习题上,由于计算技术落后,许多程序需要由读者自己去开发,一定程度上限定了教学内容的发挥。随着CHEMCAD、ASPE N P LUS、PROII 等模拟软件的出现,读者可以使用这些通用模拟软件完成化工分离过程计算,计算效率大幅度提高,教学的重点也可由编程转变为过程分析,深化了读者对分离过程本质的理解,从而强化能力培养。教材1 中需要计算机计算的例题、习题均采用CHEMCAD 软件求解。2 工业上对化工分离过程教学内
9、容更新的需求模拟软件一经出现就得到了高等院校、科研院所以及工业界的广泛认可。据美国CHEMST ATION公司 2003 年给出的统计,至 2003 年初,全球超过300 所 大 学、800 余 个 科 研院 所 及工 业 部 门 使 用CHEMCAD 软件。ASPE NTECH 公司的情况估计更好,仅中石化系统,2003年就租用 AES工程套件614套。我国高校由于资金限制,课程内容落后于工业需求。仅中石化系统内部,近五年组织ASPE N PLUS软件培训的工程技术人员就超过6 000人次,也可说明这一点。可见,化工分离过程课程内容已经到了不得不改的地步了。3采用CHEMCAD软件强化化工分
10、离过程教学2001年开始,作者将化工模拟技术引入化工分离过程课程教学,取得较好教学效果,受到学生的普遍欢迎(研究生上课人数超过选课人数,出勤率超过100%)。课程内容主要在以下几个方面更新:分离过程热力学方面,讲授利用CHEMCAD 软件进行物性查询的方法、新物质物性的处理、不同物系 K值方法的选择、二元交互作用参数的修正、由实验数据回归纯物质及混合物物性的方法、热力学相图的绘制等。讲授应用自由度分析的原理和方法,理解各类模拟单元设计变量的规定方法,概要介绍化工模拟相关的基础知识,如信号流图及其矩阵表示方法、循环流股切割方法、数学收敛方法等,便于学生应用模拟软件进行模拟计算。单级平衡的模拟计算
11、方法,如各种闪蒸过程计算,特别是泡露点计算、物系状态判别。多级平衡过程模拟计算方法,包括简捷塔设计型、模拟型计算,内外法精馏塔模拟型计算,同时校162005年11月化工高等教育教学改革与课程建设研讨会论文集名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 3 页 -正法精馏塔模拟型计算,常规精馏、萃取精馏、加盐精馏、共沸精馏、反应精馏、间歇精馏等过程的模拟计算。分离过程的合成方法与模拟分析。与上述内容相关的单元过程的模拟,如反应单元(与反应精馏有关)、换热单元的模拟。4 小结无论从国内外化工分离过程教学内容的更新趋势上看,还是从工业界对分离过程教学内容需求的变化上看,在分离过程教学
12、内容中增加计算机模拟分析方法是大势所趋。本文给出了应用CHEMCAD模拟软件更新分离过程教学内容的初步方案,可供有关教师参考。由于模拟软件的可选性较强,每一种软件均有其自身特点,上述方案对不同的模拟软件会有所不同。参考文献:1 SEADER J D,HENLEY E J.Separation Process PrinciplesM.JohnWiley&S ons,1998.2 WARREN D SEIRER,SEADER J D,DANIEL R LEWI N.ProcessDesignPrinciples:Synthesis,AnalysisandEvaluationM.JohnWiley&S ons,1999.3 刘芙蓉,金鑫丽,王 黎,等.分离过程及系统模拟M.北京:科学出版社,2001.4 刘家祺.分离工程M.北京:化学工业出版社,2003.5 HENLEY E J,SEADER J D.Equilibrium Stage SeparationOperations inChemical Engineering M.John Wiley&Sons,1981.26化工高等教育教学改革与课程建设研讨会论文集2005年11月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 3 页 -