工程软件在化工原理课程设计中的应用
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摘要：本文介绍了Excel、Aspen Plus、AutoCAD三种软件在化工原理课程设计的应用，免去了粗糙、烦琐、耗时的手工计算，以期使学生的计算机用能力和工程能力得到培养。
关键词：Excel；Aspen Plus；AutoCAD
中图分类号：TQ021.4 文献标志码：B 文章编号：1674-9324（2016）22-0209-02
化工原理课程设计属于化工原理的一个分支，是化工原理不可或缺的一个分支，是化工类专业的学生在校期间进行的第一次设计，是化工原理课程理论教学结束后，针对化工生产过程中某一具体单元操作，利用大一、大二学过的机械制图、计算机基础、Auto CAD、物理化学、化工原理等相关学科的基础知识，在给定的工艺条件下，由学生独立进行的一次设计实践[1]。
计算机科技的进步是计算机软件的应用和发展突飞猛进，使现代工业飞快发展。由于化工原理课程设计所采用的公式多，计算工作量大，并且复杂，学生做起来费时费力。随着工程软件的发展，利用工程软件进行化工原理课程设计，可以给学生注入现代设计理念，使学生的计算量和计算强度大幅度降低，使学生的设计水平得到大大提到，以便适应企业将来的需要[2-4]。
一、利用EXCEL软件简化计算
Excel是微软公司办公软件Office的重要组成部分，Excel具有强大的数据分析和数据处理能力，在分析、计算和优化复杂工程问题时应用较广。例如，回归分析试验或统计数据，求解多变量、非线型方程组，定量预测技术、经济可行性等。化工类专业的学生在大一学习过计算机基础，学生比较熟悉该软件。Excel具有自动填充功能、简单函数功能以及单变量求解功能，利用Excel的自动填充功能可以自动计算一些要逐板计算法或者图解法求解的一些化工问题，该方法高效、准确、简便，减少学生的计算量，提高学生的积极性[5-6]。大多数院校的化工原理课程设计题目大多选择的是精馏塔（含换热器）的设计，对于精馏塔（含换热器）的设计，需要多次的反复试差计算，再确定气液两相的相平衡关系；精馏塔塔顶、塔底的温度的确定；理论塔板数的逐板计算和图解计算；适宜回流比的确定；换热器传热系数的选取与校核；精馏塔负荷性能图的绘制等方面均可以使用Excel软件，从而简化很多烦琐的计算，并且计算结果相对于手工计算更趋合理和可靠性，可使学生对Excel的功能有深层次的认识和理解。
比如：利用逐板计算方法计算精馏塔的理论塔板数，需要交替利用相平衡方程和操作线方程进行多次重复计算，当理论塔板数很多时，若是手工计算必将难以胜任的。而利用Excel具有循环功能，只需要输入操作线方程和平乡县方程中所需要的判断条件和参数，精馏段理论板数、加料板位置以及全塔理论板数就能很快得到。
刘承先[7]进行精馏塔理论板数的计算时使用了Excel，利用Excel软件强大的数据处理能力，既显示出利用手进行逐板计算法的准确，还显示出各板汽液组成能算出的优点，而且免去了烦琐的逐板计算法，特别是在操作性计算类型中更显示出优越性。结果表明，Excel软件无论是对简单的二元精馏还是对多元物系复杂的精馏，均可减轻试差或计算的麻烦。
刘俏[8]等人在计算不同回流比下各个塔板上的汽-液平衡组成时也使用了利用Excel软件，通过物系的温度-组成数据表，求取各板上泡点液利用了其液相组成，即可快速找到不同回流比下最大泡点差所对应的理论板――灵敏板。当进料组成及回流比发生波动时，既有助于控制精馏塔的正常运转，又稳定了馏出液的组成。
二、利用Aspen Plus流程模拟软件使设计变得高效、快捷
化工过程流程模拟就是将一个由许多过程组成的化工流程用数学模型表现，用计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型，得到有关该化工过程性能的信息。受数据可得性和手算可行性的限制，教师往往选择简单或简化的化工原理课程设计题目，难以真正反映实际的化工设计过程，势必使课程设计的效果受到影响。因此，有必要将先进的计算机模拟技术引入计算过程中。
化工过程流程模拟软件Aspen Plus的单元模块类似于化工原理课程中的单元操作，都是将抽象出操作过程中的共性来进行数学建模，从而对计算问题进行解决；但Aspen Plus软件根据自己的算法建立了一系列的模型以适应计算机计算的，用户只要解决问题时，根据不同模型的特点选择即可[9-12]。
化工原理课程设计的工艺计算中的部分环节，如：获得理想物系理论板数和回流比之间的关系可以利用流程模拟软件Aspen Plus中的DSTWU这一简捷法设计模块[2]；利用灵敏度分析工具可以优化设计进料板的位置，确定最适宜的进料位置；获得化工原理课程设计所需要的物性参数；利用Aspen Plus中的严格精馏计算模块RADFRAC和换热计算HEATX模块对冷凝器和再沸器的热负荷以及换热器面积和公用工程耗量进行计算；充分挖掘Aspen Plus的各项功能可以计算总费用等等。通过Aspen Plus软件可以全部完成化工原理课程设计中的工艺计算部分，这样显著提高设计的效率，避免手工计算的高工作量，而且设计结果更可靠，更贴近工程实际。
三、利用Auto CAD软件强化学生工程意识
化工类专业一般开设有AutoCAD和化工原理两门课，并且AutoCAD在化工原理课程之前先行开设，为了强化学生的计算机应用能力，在化工原理课程设计中可以要求学生利用AutoCAD来进行画图，淘汰费时费力的手工画图。比如可以要求学生利用AUTOCAD解决如下问题：绘制相平衡曲线；图解法求取理论塔板数；不规则平衡线下的最小回流比的求取；板式塔的汽液负荷性能图；工艺流程图；工艺条件图；装配图；吸收计算中利用CAD查询法求取传质单元数；三元物系萃取的图解计算[13-16]。
由于AutoCAD的图解过程直观、简单、精确，可以大大提高学生将计算机应用于工程计算的能力，培养学生的工程意识，为培养高水平应用型人才目标打下了一定的基础。
例如：XD=0.95，XF=0.40，XW=0.05，R=1.6，q=1.22，α=2.92，精馏段操作线方程：y■=0.667x■+0.317；提馏段操作线方程：y■=1.44x■-0.022，泡点进料，塔顶为全凝器，利用Auto CAD软件求取理论塔板数的方法精馏塔的理论塔板数的求取见图1。
四、结束语
将计算机技术与工程问题相结合，利用工程软件辅助设计是提高化工原理课程设计质量的有效方法，一次成功的化工原理课程设计训练，可以有效培养学生的创新精神科学和计算能力，提高学生学习的积极性和主动性，提高学生的工程观念和综合能力，从而培养出以工程软件为工具的高等技术应用型人才。
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