“新工科”背景下“化工仿真实验”的开放性教学实践

杜荣斌，刘 涛，夏宏宇，孔学军

(安庆师范大学化学化工学院，安徽安庆246133)

为培养工程科技创新和产业创新人才，2017年2月18日，教育部在复旦大学召开工程教育发展战略研讨会，达成“新工科”建设复旦共识[1]，该共识确立了“新工科”的基本内涵、新工科建设与发展路径。新工科建设可以通过建立和发展新兴工科专业以及对传统工程专业进行升级改造两个方面来实现[2-3]。化工实习作为大学化工类专业实践教学的重要环节，需要与实际生产相结合，但实习过程存在一些问题，制约了实习效果的提高，随着化工生产规模和自动化程度的提高，加上物料普遍具有易燃性和爆炸性等风险，使得整个生产过程受到严密监控。在生产实习期间，学生只能跟随师傅参观设备和中央控制室，时间短，难以近距离观察，学生不能亲自进行相关操作，如工业装置的开车、停车和事故处理等重要操作，但“化工仿真实验”可以很好地解决这些问题[4]。“化工仿真实验”课程作为我校化工专业人才培养的重要核心专业实验课程，在新工科背景下，改变了传统的教学模式，采用了全新的开放性实践教学方法，迅速适应新的工程学科对化工专业人才应用的要求。通过计算机模拟化工实验，学生可以更加详细地了解设备的工艺流程、过程参数的正常操作条件、开停车规程及事故处理手段等，掌握在典型化学生产过程中开停车、运行和消除事故的能力[5-6]。

我校化工仿真实验使用的是北京欧倍尔软件技术开发有限公司开发的一系列化工仿真模拟实验教学软件，该模拟仿真实训平台分为典型的化工单元操作与化工生产装置。典型的化工单元操作有离心泵、换热器、间歇反应釜、连续反应器、CO2压缩机、吸收-解吸、液位控制系统、精馏，化工生产装置包括丙烯酸甲酯工艺仿真、均苯四甲酸二酐工艺仿真、250万吨/年常减压装置仿真实验、乙烯装置仿真等。下面以流程级丙烯酸甲酯工艺培训系统为例，讨论开放性仿真实验教学的实施。

1 注重课前准备环节

就教师而言，在培训之前，必须做好充分的准备，包括培训过程中可能出现的各种问题，如正常开车时的顺序，启泵先开前阀、再启泵、后开后阀；调节阀顺序，先打开前后阀，再打开调节阀；阀门应该开大还是开小；吸收塔的加压处理和管道堵塞等；同时也不能仅局限于某一单元操作的培训而准备，因为化工本身就是许多单元的有机组合，换句话说，任何化工单元不能独立存在。在学生方面，要求学生回顾化工原理、仪表自动化等专业知识；加深对泵、换热器、吸收塔等设备结构和单元操作原理的理解，如T150塔顶冷却器、T160塔底泵、T110丙烯酸分馏塔等；预习工艺流程，如V161、T160引丙烯酸甲酯等，初步掌握了解丙烯酸甲酯工艺和主要生产设备如图1所示；对复杂串级控制系统的特点有一定的了解，如T-110塔釜液进E-114的流量控制采取串级控制方案，LIC101→FIC110→FV110，以LIC101为主回路，FIC110为副回路构成串级控制系统。如果学生不理解控制系统中调节器的给定值、当前值、控制阀开度、手动控制和自动控制，就不能很好地设置调节器，开停车操作就会不顺畅。模拟实习时，在控制系统投入运行准备工作完成前，对化工过程控制系统的内容进行充分预习，才能保证培训操作顺利进行。

图1 丙烯酸甲酯工艺总貌图

2 集中讲解与分散练习相结合

由于全流程模拟实习任务的内容多、难度大、操作步骤繁琐，产生的问题也多，尽管老师课上讲授的内容和知识点非常细，但学生在操作时也不可能完全记住，如DCS控制系统、串级控制系统和复杂控制系统的调节。因此集中授课模式会导致追求进度，而没有深入理解操作细节，只关心分数。开放性教学模式意味着所有课程内容都不是一次集中讲完，而是分成多次课程讲授。第一次课用一上午的时间讲授模拟练习界面的功能、模拟操作的注意事项、难点、评分标准、课程安排以及丙烯酸甲酯工艺的模拟练习任务；然后学生自己上机进行分工段练习。此练习涉及很多步骤，有酯化反应、丙烯酸回收、醇萃取及回收、醇拔头、酯精制等操作。每个工段都配备了许多仪器、仪表、成套设备、手动和自动控制系统，学生可以对项目进行大量工程实践培训，如反应器进料流量、液位、温度、压力等参数的自动控制；在运行时，这些参数很容易超过极限值而报警，要求学生采取调整措施使其达到正常值，如缓慢开启调节阀FV107，控制温度，不可让之涨得过快，T110塔釜温度控制为81℃。这些练习耗时且容易出错，我们安排了3次课来完成实验任务，由于计算机系统的保护，第二次学生必须从一开始就重新做，重复训练，学生对过程了解深入，达到了熟练和举一反三的目的。

采用开放性教学模式，不仅有足够的时间完成当前的实训任务，还可以把余下的时间完成下一个训练任务，如停车和事故处理部分，有足够的时间解决实训过程中出现的问题。另外在模拟操作过程中，由于液位、温度、压力等参数在运行过程中均稳定且缓慢地变化，因此不可能大幅调整阀门以追求速度，并且每个装置与工段紧密相连，一个参数的轻微变化可能导致另一个参数的巨大变化，这对整个化工系统的承受能力是巨大的考验。在模拟操作中，有些参数的灵敏度不足，有一定的响应时间，如塔T160回流罐V161液位和E114温度控制，需要多次微调操作才能避免参数的大幅波动并引起报警。通过合理安排模拟练习时间，控制学生的操作进度，学生可以耐心细致地完成所有的模拟练习内容。模拟练习分阶段完成，确保所有学生都能按照规定的时间表完成模拟练习。同时，在练习中进行小组讨论，讨论事故原因和解决途径，教师鼓励学生针对问题提出自己的想法，如对P110A泵而言，薄膜蒸发器E114进料流量显示FIC110逐渐下降至0，引起E114温度压力的波动，E114液位降低，丙烯酸分馏塔T110液位上升，通过小组讨论分析，可能为泵出现故障不能正常工作或是出口管路堵塞，学生就提出先检查出口管路上各阀门是否工作正常，排除阀门故障后，迅速切换出口泵为P110B。加大出口调节阀FV110开度，调整T110液位LIC101至正常工作情况下液位后，再恢复FV110开度50，关闭P110A泵前后阀，这样练习极大地提高了学生的学习参与积极性和主动性，积极研究和控制模拟装置的操作，从而提高实验练习的效率。

3 课下学习与课程实训相结合

安庆师范大学化学化工虚拟仿真省级实验教学中心，经过几年的发展，已建成以高速网络系统为载体，面向多专业、多层次的开放性实验教学与培训平台，大部分化工仿真教学资源已实现网络化远程操作，学生网络互助，利用在线化工仿真教学平台下载客户端，在自己电脑上安装、注册并激活仿真软件，在覆盖校园网的地方实现远程登录、预习、复习、在线练习、在线与教师交流、学习最新学科动态等，为此摆脱时间和空间的限制，同时教师可以在系统后台随时检查学生的成绩，将化学工业单元操作和化学生产全流程工艺的详细说明和化工仿真相关参考书目发布到在线平台供学生阅读和学习，扩大知识面，提高学习兴趣。

4 结束语

当前，我国正处于新旧动能转换和产业转型升级的关键阶段，以新材料、新技术和新工艺为特征的新产业日益发展，科技创新、“互联网+”、“中国制造2025”等重大战略在各方面努力和支持下正在大力推进，迫切需要培养大批新兴工程科技人才作为支撑。在“新工科”背景下，我校开设的“化工仿真实验”采用开放性教学实践，加强学生各学科知识能力的交叉融合培养，实现专业知识与实践的有机结合，提高了学生对复杂化工过程动态操作的分析和协调控制能力，团队合作意识，创新能力和就业竞争力，符合未来化工相关行业就业领域的人才培养要求，与新工科的理念高度吻合。