计算机技术在化工设计中的合理应用

　　化工设计是化学工程与工艺专业的一门主干课程，具有综合性、实用性和工程性等特点，为学生向工程师的转化、顺利走向工作岗位奠定了基础[1,2]。以往的化工设计教学过程大多是采用传统的PPT+板书，学生的练习也是传统的列式计算+手画图。随着科技(尤其是计算机知识)的快速发展，计算机技术已渗透到社会各个行业。就化工设计过程而言，工艺计算、设备选型、绘图以及环境评估、经济效益及社会效益分析等大量的工作也都可通过计算机来完成。如果仍采用人工计算、绘图的工艺设计方式，则大大落后于时代步伐，亦无法在激烈的市场经济竞争中站稳脚跟。尤其是进入21世纪，计算机辅助化工设计变得更加广泛和深入。为了跟上时代的发展，培养合格的工程技术人才，在化工设计课程教学中应该改变陈旧的教学思想和教学内容，把计算机技术应用到化工设计中，强调计算机辅助化工设计的重要性，并强化学生在该方面的培养和锻炼。目前，计算机辅助化工设计主要体现在流程模拟、化工图纸的绘制及设备选型等方面。鉴于此，我校对化工设计课程教学进行了针对性的改进，强化了计算机技术在化工设计中的应用。现将我校在化工设计课程教学中对计算机辅助设计的应用做简要的介绍。
　　1　计算机技术在工艺计算中的应用
　　通常在讲解工艺计算时，根据物料及能量衡算方程对工艺过程进行计算。需要通过烦琐的解方程及方程组实现，既费时又费力。随着计算机软硬件的发展，相继出现了一些用于化工工艺模拟的软件，主要包括Aspen Plus，ChemCAD，PROII，HYSYS等[3,4]，工艺计算过程完全可以通过这些流程模拟软件实现，与徒手计算相比，大大节省了工作时间。
　　以《物料衡算和能量衡算》章节中一连续反应过程的物料衡算为例。如题：苯乙烯反应器，年生产能力为1 000 t，年工作时间为8 000 h，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为90%，苯的选择性为3%，甲苯的选择性为5%，焦油选择性为2%。原料乙苯中含甲苯2%(质量分数)，反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气的比为1:1.5(质量比)，要求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。如果按课本中的物料衡算的步骤进行计算，先应进行物料组分的编号、画计算简图、列物料平衡方程，然后通过烦琐的计算过程才能得出结果。然而，如果我们用 AspenPlus中的化学计量反应器模块进行模拟计算，只需要简单的填写反应设定参数及工艺物料量，就可以运行计算，很快就能得到反应器出口物料的流量和组成，与手算得到的结果完全一致。除此之外，在用AspenPlus进行物料衡算的计算过程中，在反应模块中如果把计算反应热勾选上，即可直接给出能量衡算结果，极大了节省了计算时间。学生也会对这个如此快速计算物料衡算的软件产生极大的兴趣。
　　鉴于此，针对化工工艺部分的学习，我们训练的是学生如何运用流程模拟软件(Aspen Plus)进行计算。让学生能够掌握常用流程模拟软件的使用方法，为其将来从事化工设计工作打下良好的基础。
　　2　计算机技术在化工图纸绘制中的应用
　　化工设计另一重要的内容就是化工图纸(包括物料流程图、带控制点的工艺流程图、设备装配图和车间平立面布置图等)的绘制。常规教学中，这些图纸都是采用手绘或者是CAD绘制。随着科技的发展，目前又出现了一些新的更适合于化工设计过程中图纸绘制的软件，如PIDCAD，Smart Plant 3D，CADWorx等。
　　PIDCAD是深圳市维远泰克科技有限公司设计的，主要用于化工工程设计、管道及仪表工艺物料流程图绘制的工具软件。PIDCAD集成了600多种化工标准图例，并按行业标准，建有国家标准图幅库、设备符号库、阀门库、仪表库，可快速地绘制各种化工设备，并同时赋予设备属性，大大提高绘图效率[5]。使用PIDCAD比其他软件绘工艺流程图，特别是绘制管道及仪表流程图，效率更高。在采用CAD绘制化工流程图的时候，每一个原件都需要操作者逐步绘制，而如果采用PIDCAD软件绘图，可以很好地利用其数据库自带的化工原件(符号、阀门及各种设备图形等)，不仅大大加快作图效率，还可以使图形更加规范化。
　　此外，一些三维工厂软件，如CADWorx，SmartPlant 3D，可以加快立体图形的绘制。这些软件可为设计者提供三维结构设计、设备布置、配管设计。在化工设计教学过程中，要求学生熟悉PIDCAD软件的应用。通过各种工艺图纸的绘制来强化学生对该绘图软件的应用能力。同时，对一些有能力的学生鼓励其用CADWorx软件来做三维配管等设计。通过这些软件的学习可以让学生从一种新的不同于课本学习的角度进一步熟悉化工制图过程，而且大大加快学生的作图效率，并能更好的增加作图的规范性，提高学生的学习兴趣。
　　3　计算机技术在设备选型中的应用
　　化工设计中设备的选型是一项非常复杂的工作，涉及大量的计算。尤其是对于塔、换热器和反应器的设计和选型。由于在前期的化工原理课中已讲述了塔和换热器设计的过程和基本原理，并且在化工原理课程设计中已经对换热器和塔进行了徒手计算。因此，在化工设计课程教学中，我们不应该再强调理论知识的掌握，而是引导学生如何把所学到的理论知识运用到实践中，重点强调应用能力。鉴于设备选型软件的快速发展，同时也为了跟上新时期化工设计的发展，我们用更多的时间是让学生学习如何使用软件进行塔和换热器的设计。近年来，随着计算机软硬件的快速发展，设备设计和选型的软件也得到了长足进展。塔设计软件包括KG-Tower，FRI，TCD以及CUP-Tower等软件。对于换热器设计软件比较流行的有美国传质及传热协会开发的HTRI、英国传热及流体流动学会开发的HTFS以及美国ASPEN TECH公司开发的B-JAC。这些计算机软件完全可以代替手工计算，成为换热器工艺计算的主要手段，在国内的设计院所也得到广泛使用。由于相关的基本原理学生已经掌握，所以任何一款软件，学生学习起来都比较容易上手。计算机软件的应用使原本枯燥的计算过程变得有趣，不仅增加了学生的学习兴趣，还大大加快了设计的进度。
　　4　积极推进计算机技术在化工设计中的应用
　　目前在化工设计课程的教学过程中，已经加大了相应软件的教学与应用，但是学生还仅限于就课堂的内容进行学习，还没有将软件真正的用起来。为了更好地锻炼并检查学生的应用效果，我们准备增设上机实践环节。在这个环节中，充分调动学生对软件的动手操作能力。强化学生应用软件进行相关设计过程的实践能力。同时开设该门课程的课程设计，针对一个给定的题目，要求学生尽可能多的应用相关软件进行设计。并要求学生用电子版打印设计说明书，进一步强化学生的计算机办公软件的应用能力，为毕业设计的顺利进行奠定良好的基础。
　　5　结束语
　　进入21世纪， 我国化工行业进入新的发展阶段，一些化工工程公司已逐步采用化工过程综合集成、流程优化、化工设备设计、在线数据库、三维 CAD、项目协作管理、电子文档交换等信息技术的现代设计思想、方法和工具进行设计。面对这样的形势，在化工设计教学过程中，把计算机技术融入课堂尤为重要。
　　通过相关化工软件的学习，使学生在弄清原理的基础上充分借助计算机软件完成相关设计内容，从而提高学生的设计兴趣和工作效率。具有这样能力的毕业生也会受到的广大设计院和工程公司的欢迎，在就业市场中也具有较强的竞争力。