基于過程系統工程理念的化工專業教學改革*
——以精餾工藝、設備及控制一體化為例

翟 持，支云飛

(昆明理工大學 化學工程學院，云南 昆明 650500)

近年來，由工業大數據引發的智能化工建設越來越發受到關注。智能工廠強調物理過程與伴隨的信息流的深度融合及優化配置，行業的發展不僅需要單一技術和裝備的突破，更需要系統化的集成與創新[1]。因此，急需高校培養具有寬口徑知識和現代科學創新意識的高級化工技術人才[2]?！盎瘜W工程”是傳統工程專業，但當前本科培養存在不可忽視的問題，表現在：高校所學與企業需求脫節，授課內容陳舊，知識體系不合理，高層次人才貫通培養困難，培養的學生專業方向單一等。

本文討論從過程系統工程(Process System Engineering,PSE)的觀點出發，借助計算機輔助手段，將不同專業知識融合，以工程案例為推手，系統化呈現知識[3]。針對傳統化工人才培養院系分工過于細化，筆者探討了推動化學工程與工藝、過程裝備與控制專業的交叉教學，踐行不同院系學生的交流合作，為培養復合型人才提供一定的方法基礎及教學經驗[4]。

1 化學工程學科的發展過程

最早的化學工程(Chemical Engineering,ChE)培養方案是化學及機械工程學科的結合體，專業課定位為應用及工業化學。1915年，美國麻省理工大學A. D. Little提出“單元操作”的概念，即將復雜的化工過程歸納為若干的單元操作，如閃蒸、精餾、萃取、流體輸送等，這標志著ChE發展成為一門獨立于化學、機械工程的專門的學科。隨后，教學的關注點集中在過程的物料、能量守恒及單元設備計算上，衍生出熱力學、化工設備設計、反應動力學及催化反應器設計等課程。

ChE所涉單元操作均可進一步從介、微尺度(100～0.1 μm)抽象成物質、動量及能量的傳遞過程。1960年代形成《傳遞》[5]理論是該學科發展的又一個里程碑。接下來，基于相似原理的工程放大應用到反應器設計[6]，計算機輔助的全流程模擬[7,8]等。這個階段的ChE逐漸升華成工程科學(engineering science)，教學內容理論化、抽象化，所涉工程問題一般化，ChE不再專指化學工業，類似的如冶金、造紙、發酵等過程也逐步囊括其中。

隨著ChE課程的理論化、數學化，當前的教學普遍面臨縱向不貫通、橫向不系統的教學困境。顯然，知識交叉與融合是未來ChE培養創新人才的著力點。因此，本文探討基于PSE理念的教學改革，其核心目的是推動學科交叉融合，促進理工結合，推進跨院系、跨學科、跨專業培養工程人才。

2 基于PSE的化學工程學科改革

2.1 PSE理念

如圖1所示，化工過程往往是通過反應獲得目的產物，圍繞著反應器需要進行原料處理及產品分離，甚至全廠能量管理及供應鏈優化。化工過程的設計和優化需要用到熱力學、化工原理、三傳一反、過程優化，甚至技術經濟等知識。更重要地，還需將這些知識綜合運用，并對具體工程問題給出合理的決策。

圖1 化工過程的系統集成洋蔥圖

化工過程系統集成是一個ChE專業課知識運用和綜合的過程，圖2給出化工過程綜合的知識體系關系圖。但是，化工過程的模型化及計算求解過程不僅需要運用大量的ChE知識，還需要進行數學編程等，因此，化工過程的全流程模擬與分析是極具挑戰的任務。Aspen Plus等流程模擬軟件的出現為基于PSE理念進行ChE專業的橫、縱向貫通提供了工具支持。

圖2 化工過程系統綜合的層次圖

2.2 《化工過程分析與合成》課程介紹

為串聯課程知識，對ChE專業建立系統觀，1996年，北京化工大學、天津大學等高校修訂培養方案，增設《化工過程分析與合成》(Analysis and Synthesis for Chemical Engineering Process,ASCEP)課程，并于2002年出版同名教材[9]。ASCEP是將PSE的理論和方法應用于化工領域的交叉學科。課程基于系統論中演繹與歸納這對辯證邏輯，分成過程分析與過程合成兩個部分：過程分析探討化工過程的穩/動態模擬，是自上而下(top-down)對化工過程系統進行解構；過程合成探索化工過程(數學上的)最優化、基于夾點技術的換熱網絡能量集成、分離序列綜合優化，是自下而上(bottom-up)對過程單元進行構建。

該課程的目的是訓練學生綜合運用之前學習的專業知識的能力，將ChE專業知識用數學語言和計算機程序整合起來并加以運用。以過程系統為對象，傳授《系統論》的概念、原理、方法和策略，培養學生發現主要矛盾和矛盾主要方面的能力，對工業實際問題的綜合、抽象化能力，抽象思維和演繹分析的能力從技術經濟的各個方面分析、解決實際問題的能力。

ASCEP課程在整個課程體系中具有承上啟下的作用，一方面借助Aspen等流程模擬軟件鞏固學生之前學習的化學工程專業知識;另一方面激勵學生運用這些專業知識去研究實際工程問題，梳理具體工藝的技術瓶頸，并利用有限資源和條件對過程系統集成優化，讓學生具備整體的觀點和全局優化的思想，能夠進行過程系統的操作分析與設計，為后續的畢業設計，乃至工程實踐打下堅實的理論基礎和能動的解決實際問題的能力。

2.3 PSE理念下的跨學科教學改革

早期化工廠的工程人員分為工藝、設備、儀表等崗位，故高校專業也相應細化。以筆者所在學校為例，化工學院包含化學工程與工藝、過程裝備與控制、輕化工及實驗中心，各系之間相對獨立。然而，隨著工廠自動化水平的提高，尤其是工業大數據的廣泛運用，企業對具有寬口徑知識的復合型化工人才的訴求日益凸顯。

貫通培養需要跨院系、多學科的開放辦學，工程師思維的培養，需要從企業訴求出發，即基于PSE的眼光看待化工問題。傳統生產過程中工藝、設備及運行管控等部門共同決策的工程問題，在未來智慧工廠可能需要復合型人才快速決斷。因此，本文基于ASCEP課程設置(表1)，以精餾塔動態的模擬為出發點，探討精餾塔工藝、設備及控制一體化教學方法。

表1 課程內容及課時安排

本文以典型的精餾過程為研究對象，基于ASCEP課程進行工藝、設備及控制相關知識的系統化呈現：精餾是一類典型的化工操作過程(《化工原理》，化學工程方向)，精餾塔是一類典型的化工設備(《過程設備設計》，過程機械方向)，而精餾塔的控制是其正常工作的必要條件(《過程控制工程》，過程控制方向)。通過本文精餾過程仿真平臺的構建，將涉及到精餾的不同專業知識進行串聯，并為不同專業背景的學生提供一個交叉學習及交流的平臺。為便于后續的仿真平臺介紹，本章節簡要梳理精餾過程相關的知識點。

3 精餾過程的跨學科教學改革

3.1 精餾所涉課本知識點

3.1.1 工藝及水力學設計

《化工原理》課程詳細介紹了逐板計算法分離理想二組分物系的過程，是學生必須掌握的核心知識點。對多組分、非理想物系的精餾設計，可通過Aspen Plus計算獲得[10](《化工過程模擬》，化學工程與工藝專業)。假設原料為500 kmol/h的常溫、常壓物流，且n(苯)∶n(甲苯)∶n(二甲苯)=0.3∶0.4∶0.3，熱力學方法選取RK-SOAVE，要求塔頂甲苯質量分數≤1.7%，塔釜苯質量分數≤5%。通過Winn-Undrewood- Gilliland關聯方法設計獲得初步設計結果，并使用RadFrac模塊進行嚴格計算，在回流比為1.21，理論板29塊，進料板第17塊時，達到分離要求。

確定工藝后，需要對精餾塔進行水力學核算(《化工原理》，化學工程與工藝專業)。本例選用泡罩塔，由于回流比僅為1.21，精餾段及提餾段的液相流量差距較大，故采用變徑塔設計。通過表2所示設計方案，各塊塔板的水力學(液泛限，漏液限，塔板壓降，降液管液位/塔間距)校核滿足條件。

表2 變徑塔的設備參數設計

考慮到上述逐板計算法采用的是理論板，而實際精餾的傳質推動力來自氣、液相濃差，故使用rate-based迭代計算來更新各板的壓降及Murphree效率。經核算，精餾段的塔板效率約為66%，提餾段約為89%。最終校核回流比1.23，實際板數為37塊，進料板為第24塊，此時的再沸器能耗為5610.3 kW，冷凝器移熱 3846.4 kW，塔頂甲苯質量分數≤1.04%，塔釜苯質量分數為4.96%，達到設計要求。其溫度及壓差分布如圖3所示。

圖3 苯塔的液相溫度、壓差分布曲線

3.1.2 塔設備強度校核

基于上述工藝及水力學核算，對該塔進行設備設計[11](《過程設備設計》，化工過程機械專業)。依據NB/T 47041-2014規范，選擇材料型號Q235-B，選用SW6-2011軟件對塔的橢圓封頭，裙座及殼體進行強度核算，確定該塔的名義厚度15 mm，允許內壓0.9911 MPa。還需對變徑塔的風載荷及地震載荷進行核算，計算組合應力，地腳螺栓及地腳螺栓座核算，焊接接頭核算。最后，根據GB150.3-2011標準進行各個部件的液壓試驗、厚度及重量、壓力及開孔補強校核。

3.1.3 精餾過程的動態模擬

實際運行的化工過程往往是隨時間變化的，需要在了解精餾塔動態特性的基礎上對其進行控制設計。精餾塔動態建?？紤]液位、組分及熱量的時間累積效應，形成多集中參數系統的常微分方程組，即動態的MESH方程組[7](《化工過程分析與合成》，化學工程與工藝專業)。由于本例塔板數達到37塊，且相平衡及歸一化條件導致模型復雜，因此使用計算機輔助手段，通過壓差驅動獲得Aspen Dynamics模型。本文運用該動態模型建立基于機理模型的動態仿真系統，并在此基礎上進行精餾過程控制教學及仿真實踐。

3.2 精餾仿真平臺搭建

基于Aspen Dynamics建立的精餾塔機理模型，本文利用Matlab/Simulink研究該過程的輸入-輸出關系，通過OPC通訊，實現該機理模型與KingSCADA人機界面交互[12]。學生在此仿真平臺下進行串級和解耦控制的操作與運用實踐。

3.2.1 Aspen Dynamics-Simulink連接

運用AMSimulation動態鏈接模塊，將精餾塔動態模型與Simulink鏈接，該機理模型通過Matlab環境下的s語言調用如公式(1)所示。為研究精餾塔的解耦控制(《過程控制》，過程裝備與控制專業)，如圖4所示。分別對該塔的回流量L及塔釜再沸熱量Qr引入±10%與±5%的隨機擾動，獲取模擬數據(采樣周期為0.02 h，時長10 h)，以模擬實際工程數據。接下來，通過數據辨識的手段建立數據驅動模型，為方便后續控制運用，將系統設置為一階的:

圖4 苯塔模擬數據及訓練結果

TDTB

(1)

進一步地為研究回流罐、塔釜的液位控制，用同樣的方法獲取液位及流量關系，并且訓練得到二階系統:

(2)

本節所述過程的傳遞函數為后續基于仿真平臺的過程控制的教學實踐提供支撐。

基于KingSCADA的精餾塔液位與溫度控制系統，其上位機包括圖形界面的繪制、變量的定義、基本動畫的設計、趨勢曲線配置、數據報表及報警窗配置、子畫面的繪制等；下位機通過OPC技術與底層的Simulink通訊。

3.2.2 OPC通訊

在本仿真案例，用Aspen Dynamics-Simulink連接生成的數據模擬工程現場采集的數據，OPC提供了標準數據接口，可以實現KingSCADA與Simulink的數據讀寫和儲存。其數據通信流程圖如圖5所示。通過OPC通訊技術將控制算法和人機界面相連，設計好相應參數，就可以進行實時監控。圖6展示搭建好的精餾塔控制系統監控畫面，可直接通過監控系統查看控制參數并進行實時控制。

圖5 OPC通信流程圖

圖6 基于KingSCADA的苯塔人機操作界面

OPC度接口將來自KingSCADA的操控數據讀入該仿真系統，而回流罐、塔釜液位及溫度計算以后獲得的輸出，通過OPC寫入上層的界面，并且呈現到KingSCADA相應的位置。那么，操作該平臺的同學可以通過反饋的信息調整相應的操作及控制輸入，實現人機交互。

3.3 教學實踐

基于上述精仿真平臺，可以進行典型精餾過程控制的實踐教學(《過程控制》，過程裝備與控制專業)。筆者所在單位的實踐教學環節中(《工程實驗》，過程裝備與控制專業)，需要學生掌握PID、串級和解耦控制的設計、參數整定及投運等，學生基于此平臺完成典型的過程控制實踐。

3.3.1 苯塔底液位-流量的PID控制實驗

本例分別給出回流罐及塔釜液位-流量的傳遞函數，因此可以使用PID控制器進行兩個液位的控制。學生需通過臨界比例度法或經驗試湊法確定相關PID參數及控制效果。圖7為某同學的仿真結果，未使苯塔液位衰減比為4∶1，對該過程進行參數整定，確定未PI控制，且整定得Kp= 6.00，KI=2.00，Kd= 0。

圖7 參數整定苯塔液位響應曲線

3.3.2 回流罐液位-流量串級控制實驗

由于容量滯后及閥位-流量響應偏差，工業上液位通常采用串級控制。本仿真通過添加液位-壓力信號轉換環節來構建閥位-流量傳遞函數，形成串級控制的副回路。當副回路Kp取值較大，副回路快速響應，充當閥位-流量矯正器。此時，主回路具有魯棒性。

仿真過程中，分別在主、副回路中設置干擾模塊，并研究各回路的抗干擾能力。在副回路采用P控制(Kp=10.00)，通過經驗試湊法對系統進行參數整定，在主回路的整定參數為Kp=4.80，KI=4.76，Kd=0.40時，當主回路加入擾動時(即打開含硫污水排放閥，3 s后關閉)，由圖8可知，加入擾動后液位發生明顯變化，最大偏差為11.20，約38 s后，重回穩態值。當在副回路加入擾動時(即打開回流管中的離心泵，增加冷凝液輸送壓力，使流出量增大，3 s后關閉)，加入擾動后液位發生較小波動，偏差值為1.80，15 s后克服干擾，達到穩定值。

主回路添加擾動

副回路添加擾動圖8 苯塔回流罐液位-流量控制仿真

3.3.3 精餾塔溫度的解耦控制

工業上精餾過程塔頂和塔釜的產品收率及純度是通過控制溫度來實現的，而精餾塔溫度的控制是一個典型的多輸入多輸出(MIMO)問題。本例討論使用(L,Qr)進行塔頂、塔釜溫度控制，方程(1)給出該系統傳遞函數矩陣。如圖9所示，解耦控制通過前饋補償等手段，通過矩陣的對角化，把含有相互關聯的多參數控制轉化成相互獨立的單輸入-單輸出控制過程。

在Simulink平臺下，借助Looptune，可以實現超調量≤15%，響應時間≤20s及帶寬0.4的自適應整定PID，相應的解耦控制相應如圖9所示，發現主對角線上的階躍相應占優，實現線下的解耦控制。

圖9 經解耦的苯塔階躍響應

對于仿真平臺上的在線解耦控制，打開主界面上的“塔頂/塔底溫度控制系統”按鈕，在此子界面進行聯調。當打開非解耦開關，響應曲線如圖10所示，設置TD控制器參數：Kp=2.00，KI=0.80，Kd=0.03，給定值為40.00；TB參數為0。發現僅控制塔頂溫度TD時，塔底溫度TB也會受到影響；當改變TB的參數：Kp=3.00，KI=1.00，Kd=0.20，設定值為20.0。發現塔頂溫度TD也會變化。由該仿真結果可知，非解耦狀態下，不同輸入均影響的輸出結果。

圖10 非解耦下苯塔溫度控制的仿真

當打開解耦開關，響應曲線如圖11所示，設置TD控制器參數：Kp=2.00，KI=0.80，Kd=0.03，給定值為40.0℃；TB參數不變。發現控制塔頂溫度TD時，塔底溫度TB穩定。當改變TB的參數：Kp=2.00，KI=0.80，Kd=0.03，給定值為40.0，發現塔頂溫度TD不會變化；當TD與TB均處于穩態值40.0時，先后分別改變兩溫度控制器參數并將其給定值設置為60.0。由此可得，在解耦狀態下，兩回路間的耦合作用被解耦補償器抵消，同時可知一個控制回路中若出現擾動，另一回路不受影響。

圖11 解耦下苯塔溫度控制的仿真

4 結論與展望

本文基于精餾塔的仿真平臺構建及使用，探討了潛在的化學工程、過程裝備、控制及計算機專業的交叉融合教學實踐。將精餾塔工藝核算，設備尺寸設計及校核，串級、解耦控制等知識點進行融合，著力推動化學工程與工藝和過程裝備與控制的交叉專業教學。通過該平臺的串聯，不同專業背景的學生以小組為單位，通過工程項目的推進實現對已學知識的加深鞏固，并且開拓視野，進一步學習更多的“工程經驗”，這有助于學生學以致用，能積極培養學生發現問題、解決問題的工程師思維。教學實踐中，學生對所涉及的工程項目表現出極大的興趣，激發學生的求知欲望，通過學生主動學習、相互學習，極大促進他們自主思考的能力，為“智能化”人才培養提供一定的思路和借鑒。