過程設備設計課程的教學設計與思考*

2024-05-30 12:28:24郭興建

廣州化工 2024年1期

趙敏，郭興建

(中國石油大學(北京)克拉瑪依校區工學院，新疆克拉瑪依 834000)

過程設備作為石油煉制、石油化工等工藝實現的基本保障，是石油、化工等行業不可缺少的關鍵部分，與生產工藝緊密結合，與一般的機械設備完全不同。《過程設備設計》是過程裝備與控制工程專業的核心主干課程[1-2]，理論性強、內容抽象，涉及石油、化工、環保等設備設計的理論基礎[3]。許多高校都在嘗試進行教學改革[4-6]。傳統的理論教學模式中，受條件制約，在學校實驗室很難開展典型過程設備結構、零部件及裝配展示等方面的教學內容。因此，基于傳統教學中存在的問題，為改善教學模式、提高教學效果，開展典型過程設備的虛擬仿真教學設計，設置典型過程設備的結構及典型零部件虛擬仿真內容，使學生更全面、具體和深入地了解實際生產中過程設備結構及原理，理解各個零件之間的相互關系及影響，提高過程裝備與控制工程專業人才培養質量，提高學生的就業競爭力和石油化工等行業發展力。

1 虛擬仿真教學的必要性

《過程設備設計》課程的教學目的是通過講授過程設備的基本結構、設計理論和設計方法，使學生獲得必要的機械基礎知識，初步具備壓力容器和過程設備的設計能力。從教學環節設置上，該課程內容主要以課堂講授為主，典型過程設備體積較大，零配件繁多，受制于傳統的課堂教學模式、實驗場地、安全、設備、經費等問題的制約，無法使學生更直觀地了解和掌握典型過程設備的結構原理、零部件選擇及裝配、圖紙繪制等內容，導致學生對這部分知識掌握程度較淺。

虛擬仿真是新工科背景下《過程設備設計》課程有效而重要的補充，是《過程設備設計》課程改革的必然趨勢。立足于《過程設備設計》的課程教學內容，利用多種虛擬仿真技術通過現場圖片、動畫演示、圖紙相結合，建立包含塔、換熱器等典型過程設備的結構原理等仿真內容，直觀、生動地展示機械結構，幫助學生建立直觀的印象，更好地掌握典型過程設備的結構原理等知識。豐富教師教學手段的同時，實現傳統教學模式的繼承發揚和現代虛擬仿真實驗教學體系的結合，培養和提升學生對于典型過程設備的設計能力和實踐創新能力，更好地實現教學目的。

2 教學內容設計及探索

利用仿真技術等現代化的培訓和教學手段，在結合傳統教學的基礎上，構建嶄新的教學框架結構體系，建立具備可延展性的虛擬仿真實驗教學體系，調動學生的學習主動性和積極性提高學生的學習效果，增強專業教學實力，提高教學質量。通過虛擬仿真平臺，學生們可完成在線預習、考核、課后復習等過程，彌補教學條件的不足，使學生直觀地了解到典型過程設備的結構特征以及各零部件的結構特點、選型方法等，解決傳統教學中存在的問題。虛擬仿真平臺中可以包括塔、換熱器、罐以及反應設備等不同的典型過程設備，除了教學內容之外，增加學生自學模塊和復習模塊，學生可根據自己的興趣學習相關內容。典型過程設備的具體教學內容如表1所示。

表1 典型過程設備Table 1 Typical process equipment

2.1 塔設備

塔設備通過氣、液或液液兩相間的充分接觸，完成過程工業中的質量傳遞和熱量傳遞過程，廣泛用于石油加工個、煤化工、醫藥化工等領域。在塔設備的選型、結構設計這部分內容的教學過程中，涉及到塔設備相關的附件種類繁多，對學生實踐知識和立體空間想象力的要求較高。以板式塔設備的教學內容為例，設計如下：

(1)塔的設備的應用

這部分的教學過程以教師講解和視頻播放、動畫相結合的形式進行，通過教師的講解和某一石化工廠視頻充分說明塔設備應用的廣泛性以及在整個石油化工行業、煤化工以及化纖行業中的應用情況，生動地了解塔設備的投資及重量在不同行業中所占的比例。另外，對于塔設備的作用，以及除了特定工藝條件外，對塔設備的基本要求可以通過虛擬動畫的形式，尤其可以采用透視或剖面的方法更形象地掌握塔設備的作用及用途。

(2)塔設備的結構及選型

這部分的教學過程以教師講解和動畫相結合的形式進行。通過虛擬仿真技術建立不同種類的塔的模型，使學生直觀地了解不同種類塔的區別。工業上應用最廣泛的是填料塔和板式塔。可以通過仿真模型不同維度地在老師講解的基礎上展示這兩種塔的區別，加上動畫效果使學生更好地掌握這兩種塔的區別以及應用場合的特點。結合課堂提問，使學生掌握塔體、支座、人孔、手孔、以及各種內件的結構及特點。同時，在這一部分授課內容中，可以加入學生學過的《化工原理》課程中的內容，在回顧之前知識的基礎上更好地掌握教學內容。

如對于填料塔來講，首先要讓學生掌握填料塔的核心內件——填料的種類區別，在講解的基礎上加上圖片、動畫、視頻來充分展示如環形填料、開孔環形填料、鞍形填料、金屬環矩鞍填料等散裝填料以及絲網波紋填料、板波紋填料等規整填料。對于每一類填料，如環形填料，對拉西環、θ環、十字環以及內螺旋填料都可以通過圖片、三維動畫以及視頻的方式來提高學生的興趣，從而提高學習效果。另外，對于填料塔中的內件，如填料的支承裝置、液體分布器、液體收集再分布器、填料的壓緊和顯微裝置等，都可以采用上述方法，使學生全面了解填料塔的結構以及重要的內件類型及裝配。

而對于板式塔，也可以采用虛擬仿真技術(見圖1)，使學生如臨現場般地了解塔盤、卡子、降液管、受液盤、溢流堰等具體結構及類型，并了解不同部件之間的裝配方式，為今后圖紙的繪制打下基礎。通過虛擬仿真技術，不僅使學生更好地掌握不同塔設備的區別和特點，也更好地了解不同塔設備的結構及其內構件的結構、尺寸和主要設計參數的意義，更好地掌握塔內件及相關構件的安裝細節，增強學生對現場設備和實際生產過程的掌握程度，提高學生的工程實踐能力。

圖1 板式塔仿真示意圖Fig.1 Simulation diagram of plate tower

(3)塔設備的附件

這部分的教學過程以教師講解和動畫相結合的形式進行。塔的相關附件如除沫器、裙座、吊柱等除了要滿足使用結構要求外，還要滿足工藝性要求，會隨著新工藝、新設備的發展不斷變化，更新較快。要讓學生真正地理解具體塔附件結構工藝性的優劣，就需要在了解相應工藝方法及設備原理的基礎上，進行具體比較。在傳統課堂教學過程中，若僅憑老師的口頭講解以及板書來展示塔內各種具體零件結構，學生往往接受效果較差。在此部分內容中，如果能將具體的塔的加工過程動態地展現出來，并對不同塔內附件結構、裝配的過程進行對比演示，便極大地提高學生的學習興趣，使學生有身臨其境的感覺，更好地理解和掌握教學內容。

(4)塔的裝配

這部分的教學過程以動畫形式進行，利用虛擬仿真技術，建立不同類型塔的內件及相關附件模型。在上述內容學習之后，分別建立封頭、筒體、人孔及接管、法蘭、支座等的結構模型，分別建立不同填料結構、塔盤結構、出口堰、降液板、受液盤等的模型，讓學生自主選擇相應塔的基本結構，將不同類型塔的裝配生成動畫進行演示，從而使塔的裝配過程生動地展現給學生。同時搭配透視或者剖切視圖的方式，提高學生的學習興趣和掌握程度。

2.2 換熱設備

以換熱器的教學內容為例，設計如下：

(1)換熱設備的應用

這部分的教學過程以教師講解和視頻播放、動畫相結合的形式進行，通過教師的講解和某一石化工廠中換熱設備的視頻充分說明換熱設備應用的廣泛性，以圖片或視頻實例說明換熱設備在化工廠和煉油中的投資比例。對于換熱設備的作用，可以通過虛擬動畫的形式，尤其可以采用透視或剖面的方法形象地說明熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規定的指標，滿足工藝過程需求。可以以某余熱鍋爐圖片或虛擬動畫為例，說明外界引入的新鮮空氣如何與煙道氣、高爐爐氣等煙氣進行熱量交換，在吸收余熱的同時滿足工藝需求，使同學們更好地掌握塔設備的作用及用途。

(2)換熱設備的分類及特點

這部分的教學過程以教師講解和動畫相結合的形式進行。通過虛擬仿真技術建立不同種類的換熱設備的模型，使學生直觀地了解不同種類換熱設備的特點及區別。可以按傳熱原理或傳熱方式將換熱設備分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器、中間載體式換熱器，教師在講解時可以逐一展示，使學生不僅僅是局限于字面，而是在頭腦中建立不同換熱設備的直觀印象，提高學生的學習興趣和學習效果。對于重點要講述的間壁式換熱器板面式換熱器、石墨換熱器、聚四氟乙烯換熱器、熱管換熱器等也可以采用動畫和圖片相結合的方式，逐一向學生進行展示，使學生充分掌握這類換熱器的特點、作用原理。

(3)換熱器的選型

這部分的教學過程以教師講解和動畫相結合的形式進行。換熱設備種類繁多，每種結構形式的換熱設備都有自身的結構特點和工作特性。通過前兩部分的講解，使學生充分掌握這些特點，再結合所處的工藝流程情況，才能完成換熱器的選型和設計。

這部分可以先引導學生了解選型時的考慮因素，并對換熱器選型的基本原則進行講解，結合不同的工藝流程，使學生結合具體的工藝過程要求完成選型。

(4)管殼式換熱器

管殼式換熱器是石油化工行業中廣泛應用的換熱器。該換熱器是把換熱管束與管板連接后，再用筒體與管箱包起來，形成兩個獨立的空間。這部分的教學過程可以動畫形式進行，利用虛擬仿真技術(見圖2)，建立不同類型管殼式換熱器的虛擬動畫，利用透視或剖面的方法形象地介紹管殼式換熱器的主要組合部件，如前段管箱、殼體、后端管箱，并了解這三部分部件的各種類型結構，提高學生的學習興趣和掌握程度。采用動畫和虛擬仿真介紹管程結構、殼程結構、管板結構、管束等，使學生能直觀地了解管殼式換熱器的結構組成，并了解每一個組元的作用和結構特點，使學生熟練掌握換熱器的組成結構及特點。之后可以利用人機交互界面，使學生選擇相應的元件，并自己動手完成一組典型換熱器的組裝，如選擇殼體、折流板、支持板、縱向隔板、拉桿、防沖擋板、防短路結構、管束、管板、管箱等。通過這種方式可以最大限度地提高學生的學習興趣以及學習主動性，提高學習效果

圖2 管殼式換熱器仿真示意圖Fig.2 Simulation diagram of shell and tube heat exchanger

3 結語