“新工科”背景下“化工仿真實驗”的開放性教學實踐

杜榮斌，劉 濤，夏宏宇，孔學軍

(安慶師范大學化學化工學院，安徽安慶246133)

為培養工程科技創新和產業創新人才，2017年2月18日，教育部在復旦大學召開工程教育發展戰略研討會，達成“新工科”建設復旦共識[1]，該共識確立了“新工科”的基本內涵、新工科建設與發展路徑。新工科建設可以通過建立和發展新興工科專業以及對傳統工程專業進行升級改造兩個方面來實現[2-3]。化工實習作為大學化工類專業實踐教學的重要環節，需要與實際生產相結合，但實習過程存在一些問題，制約了實習效果的提高，隨著化工生產規模和自動化程度的提高，加上物料普遍具有易燃性和爆炸性等風險，使得整個生產過程受到嚴密監控。在生產實習期間，學生只能跟隨師傅參觀設備和中央控制室，時間短，難以近距離觀察，學生不能親自進行相關操作，如工業裝置的開車、停車和事故處理等重要操作，但“化工仿真實驗”可以很好地解決這些問題[4]。“化工仿真實驗”課程作為我校化工專業人才培養的重要核心專業實驗課程，在新工科背景下，改變了傳統的教學模式，采用了全新的開放性實踐教學方法，迅速適應新的工程學科對化工專業人才應用的要求。通過計算機模擬化工實驗，學生可以更加詳細地了解設備的工藝流程、過程參數的正常操作條件、開停車規程及事故處理手段等，掌握在典型化學生產過程中開停車、運行和消除事故的能力[5-6]。

我校化工仿真實驗使用的是北京歐倍爾軟件技術開發有限公司開發的一系列化工仿真模擬實驗教學軟件，該模擬仿真實訓平臺分為典型的化工單元操作與化工生產裝置。典型的化工單元操作有離心泵、換熱器、間歇反應釜、連續反應器、CO2壓縮機、吸收-解吸、液位控制系統、精餾，化工生產裝置包括丙烯酸甲酯工藝仿真、均苯四甲酸二酐工藝仿真、250萬噸/年常減壓裝置仿真實驗、乙烯裝置仿真等。下面以流程級丙烯酸甲酯工藝培訓系統為例，討論開放性仿真實驗教學的實施。

1 注重課前準備環節

就教師而言，在培訓之前，必須做好充分的準備，包括培訓過程中可能出現的各種問題，如正常開車時的順序，啟泵先開前閥、再啟泵、后開后閥；調節閥順序，先打開前后閥，再打開調節閥；閥門應該開大還是開小；吸收塔的加壓處理和管道堵塞等；同時也不能僅局限于某一單元操作的培訓而準備，因為化工本身就是許多單元的有機組合，換句話說，任何化工單元不能獨立存在。在學生方面，要求學生回顧化工原理、儀表自動化等專業知識；加深對泵、換熱器、吸收塔等設備結構和單元操作原理的理解，如T150塔頂冷卻器、T160塔底泵、T110丙烯酸分餾塔等；預習工藝流程，如V161、T160引丙烯酸甲酯等，初步掌握了解丙烯酸甲酯工藝和主要生產設備如圖1所示；對復雜串級控制系統的特點有一定的了解，如T-110塔釜液進E-114的流量控制采取串級控制方案，LIC101→FIC110→FV110，以LIC101為主回路，FIC110為副回路構成串級控制系統。如果學生不理解控制系統中調節器的給定值、當前值、控制閥開度、手動控制和自動控制，就不能很好地設置調節器，開停車操作就會不順暢。模擬實習時，在控制系統投入運行準備工作完成前，對化工過程控制系統的內容進行充分預習，才能保證培訓操作順利進行。

圖1 丙烯酸甲酯工藝總貌圖

2 集中講解與分散練習相結合

由于全流程模擬實習任務的內容多、難度大、操作步驟繁瑣，產生的問題也多，盡管老師課上講授的內容和知識點非常細，但學生在操作時也不可能完全記住，如DCS控制系統、串級控制系統和復雜控制系統的調節。因此集中授課模式會導致追求進度，而沒有深入理解操作細節，只關心分數。開放性教學模式意味著所有課程內容都不是一次集中講完，而是分成多次課程講授。第一次課用一上午的時間講授模擬練習界面的功能、模擬操作的注意事項、難點、評分標準、課程安排以及丙烯酸甲酯工藝的模擬練習任務；然后學生自己上機進行分工段練習。此練習涉及很多步驟，有酯化反應、丙烯酸回收、醇萃取及回收、醇拔頭、酯精制等操作。每個工段都配備了許多儀器、儀表、成套設備、手動和自動控制系統，學生可以對項目進行大量工程實踐培訓，如反應器進料流量、液位、溫度、壓力等參數的自動控制；在運行時，這些參數很容易超過極限值而報警，要求學生采取調整措施使其達到正常值，如緩慢開啟調節閥FV107，控制溫度，不可讓之漲得過快，T110塔釜溫度控制為81℃。這些練習耗時且容易出錯，我們安排了3次課來完成實驗任務，由于計算機系統的保護，第二次學生必須從一開始就重新做，重復訓練，學生對過程了解深入，達到了熟練和舉一反三的目的。

采用開放性教學模式，不僅有足夠的時間完成當前的實訓任務，還可以把余下的時間完成下一個訓練任務，如停車和事故處理部分，有足夠的時間解決實訓過程中出現的問題。另外在模擬操作過程中，由于液位、溫度、壓力等參數在運行過程中均穩定且緩慢地變化，因此不可能大幅調整閥門以追求速度，并且每個裝置與工段緊密相連，一個參數的輕微變化可能導致另一個參數的巨大變化，這對整個化工系統的承受能力是巨大的考驗。在模擬操作中，有些參數的靈敏度不足，有一定的響應時間，如塔T160回流罐V161液位和E114溫度控制，需要多次微調操作才能避免參數的大幅波動并引起報警。通過合理安排模擬練習時間，控制學生的操作進度，學生可以耐心細致地完成所有的模擬練習內容。模擬練習分階段完成，確保所有學生都能按照規定的時間表完成模擬練習。同時，在練習中進行小組討論，討論事故原因和解決途徑，教師鼓勵學生針對問題提出自己的想法，如對P110A泵而言，薄膜蒸發器E114進料流量顯示FIC110逐漸下降至0，引起E114溫度壓力的波動，E114液位降低，丙烯酸分餾塔T110液位上升，通過小組討論分析，可能為泵出現故障不能正常工作或是出口管路堵塞，學生就提出先檢查出口管路上各閥門是否工作正常，排除閥門故障后，迅速切換出口泵為P110B。加大出口調節閥FV110開度，調整T110液位LIC101至正常工作情況下液位后，再恢復FV110開度50，關閉P110A泵前后閥，這樣練習極大地提高了學生的學習參與積極性和主動性，積極研究和控制模擬裝置的操作，從而提高實驗練習的效率。

3 課下學習與課程實訓相結合

安慶師范大學化學化工虛擬仿真省級實驗教學中心，經過幾年的發展，已建成以高速網絡系統為載體，面向多專業、多層次的開放性實驗教學與培訓平臺，大部分化工仿真教學資源已實現網絡化遠程操作，學生網絡互助，利用在線化工仿真教學平臺下載客戶端，在自己電腦上安裝、注冊并激活仿真軟件，在覆蓋校園網的地方實現遠程登錄、預習、復習、在線練習、在線與教師交流、學習最新學科動態等，為此擺脫時間和空間的限制，同時教師可以在系統后臺隨時檢查學生的成績，將化學工業單元操作和化學生產全流程工藝的詳細說明和化工仿真相關參考書目發布到在線平臺供學生閱讀和學習，擴大知識面，提高學習興趣。

4 結束語

當前，我國正處于新舊動能轉換和產業轉型升級的關鍵階段，以新材料、新技術和新工藝為特征的新產業日益發展，科技創新、“互聯網+”、“中國制造2025”等重大戰略在各方面努力和支持下正在大力推進，迫切需要培養大批新興工程科技人才作為支撐。在“新工科”背景下，我校開設的“化工仿真實驗”采用開放性教學實踐，加強學生各學科知識能力的交叉融合培養，實現專業知識與實踐的有機結合，提高了學生對復雜化工過程動態操作的分析和協調控制能力，團隊合作意識，創新能力和就業競爭力，符合未來化工相關行業就業領域的人才培養要求，與新工科的理念高度吻合。