仿真技术在“煤化工”课程教学中的应用

王淑勤, 付 懿, 付 东

(华北电力大学 环境科学与工程系, 河北 保定 071003)

“煤化工”是高校能源化工专业的必修课,也是专业核心课程,其内容包括低温干馏、炼焦、炼焦化学产品回收和精制、煤的气化、煤的间接液化、煤的直接液化、煤的碳素制品和煤化工生产的污染和防治等的生产原理、生产方法、工艺计算、操作条件及主要设备。通过该课程学习,学生应掌握煤化学工业的原料选择、工艺路线的选择、典型单元操作及化工工艺的实现,初步具备工艺过程分析、改进工艺、开发新产品的能力。

为适应现代化工行业的发展需要,培养具有化工设计基本思想和产品开发能力的专业人才,华北电力大学在理论授课以外增设了6学时实验课,安排了1个设计性实验——不同配煤对煤的胶质体指数影响实验和1个综合性实验——不同配煤灰化后对染料吸附性能的影响实验,学生必须从中选做一个实验。

能源化工专业是华北电力大学2011年创办的新专业,尽管学校已经搭建了部分化工中试平台[1],但是仍然无法大量安排煤的气化、液化、焦化等相关实验。为此,对“煤化工”课程教学内容重新组织和修改,利用“互联网+”和计算机软件实现典型煤化工工艺流程、工艺原理和设备结构的动态仿真,实现个性化教学和分层次教学,增强学生自主学习、协作学习的积极性[2]。

笔者结合毕业设计,让学生自主开发动态仿真软件,用Flash等将化工装置内部结构、系统流程呈现在屏幕上,形象、直观地呈现设备内部结构、处理过程和最终效果,使设备复杂的运行过程生动易懂[3],不仅锻炼了学生的软件开发能力,还提升了学生对专业知识的理解与记忆,将开发的动态仿真软件再用于课堂教学,收到了良好的教学效果。

1 流程动画模拟在课程教学中的应用

化工过程模拟主要包括化工过程的系统模拟、求解方法及系统合成方法[4]。通过课堂的理论教学,加上课下对于模拟动画的自主学习,可以加强学生利用课余时间自主学习的兴趣,加深学生对理论知识的理解与掌握[5]。

理论知识与流程动画模拟的相关内容有机结合,既能促进学生掌握煤化工理论知识,又能使其将这些应用到煤化工的实践中,促进理论与实践能力的共同提高。例如结合煤化工中重要的焦化工艺[6],将煤在焦化流程中的走向用动画展现出来[7],如图1“干熄焦工艺流程动画演示”所示[8],可以加深学生对于该工艺流程的整体印象。

图1 干熄焦工艺流程动画演示

2 工艺仿真对比在课程教学中的应用

直接液化工艺流程如图2所示。通过流程图的演示,学生能够清晰、直观地学习和掌握煤化工的设备组成及先后顺序[9-11],但是对技术原理与技术特点没有形成完整的认识,即使在现场参观,也只能看到设备的表观运行状态,不易掌握设备内部结构和设备相互关系。为此,在软件的3种不同煤化工工艺的板块中分别开发了不同工艺技术分类与对比的子板块。

对比教学法是在教学中将一些具有某种联系和区别的内容进行对比分析,找出这些内容的相同点和不同点,使学生在明确了一个内容之后能够自然联想到另一个内容,从而达到预期的教学目的[12]。在“煤化工”课程中,相似的概念非常多,采用对比教学方法,使学生通过找出工艺的不同点,并通过回答提问的形式将其表达出来,不仅能提升学生分析问题的能力,而且也锻炼了学生的表达能力,促进学生的全面发展。例如不同煤气化工艺技术的分类和对比(见图3),能够启发和引导学生认识固定床、气流床和流化床3种气化方式的优缺点,认识得更加深刻。

图2 神华直接液化工艺流程图

图3 气化工艺技术的动画示意

工艺技术分类与对比的子板块包括不同工艺技术原理、设备组成和不同气化工艺的对比。“Shell干粉煤气化流程动画”窗口如图4所示,上方为所述气化工艺的动画模拟示意流程,下方 “播放”“暂停/继续”“循环”等3个按钮可以控制动画实现不同功能。通过设备原理与结构的仿真,学生可以清楚地看到复杂的气化工艺过程、气化炉内速度分布的均匀状况、不同气化炉的性能差异,看到水流、煤流方向和气体流向,对各构筑物的主要功能有清晰的认识。动画演示弥补了课堂教学过程中只能看设备外表的不足,非常有利于提高学生对煤气化原理的深层次理解。

图4 Shell干粉煤气化流程动画

3 工程案例仿真在课程教学中的应用

“煤化工”课程的教材中对于各种工艺的基础理论介绍得很详细,而对于实际生产中配煤的方案等提及得不是很多。因此，利用VB.Net配合Flash与数据库开发了煤种分类和煤质要求板块[6，13],其中包括“评价煤质的主要指标介绍”“煤种分类和煤质要求”和“计算机自动配料系统-动画数据工艺”3个子板块。

“煤种分类和煤质要求”板块二级窗口左侧显示中国煤炭的分类及其符号和用途,右侧则由“评价煤质的主要指标介绍”和3种煤化工工艺对于煤质要求的三级窗口按钮组成[14]。在窗口中比较同种煤化工工艺的不同方法对应的煤质要求,展示同种煤化工工艺的不同方法的设备外观。通过该界面,学生可以明确煤样制备要求、煤质成分对炼焦的作用。

进入“计算机自动配料系统-动画数据工艺”动画演示后,首先打开的是所述工艺流程,登录选择班次和模拟设定总流量,登录后的配料系统如图5所示,最上部状态栏部分会显示班次和给定总流量以及当前时间,表格部分显示有7种不同配煤的物料名称、给定配比、实际配比、给定流量、实际流量、误差和下料累计的信息,这些信息通过程序链接到数据库,并能从下方的动画中实时显示出各种配煤的余量和示意图。在实际使用中,可以通过接入相应配煤设备，实时监视配煤系统的运转情况。通过该界面，学生可以进一步明确配煤的工业过程、作用要求,对煤种的分类、煤质成分对炼焦的作用规律有了系统、全面的认识。

图5 计算机自动配料系统-动画数据工艺界面

4 结语

开发的仿真软件完全脱离了Visual Basic的开发环境,在Windows环境中独立运行,可反复观看。该仿真模拟软件能够实现对几种煤化工工艺的仿真,可以很轻松地通过源码编程来增减板块,具有很强的通用性,便于学生自主学习、化解难点,增加学习的趣味性,提高学习效果,在“煤化工”课程教学中获得了学生一致的好评。