利用丙烯腈虚拟仿真工厂培养本科生工程实践能力探究

项 东，吴明元，毛昌杰，苗继斌，李 鹏，袁孝友

（安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230601）

一、引 言

化学工业是国民经济的支柱产业之一［1］，培养学生具备现代化工基本理论、基本知识和基本技能，具有工程设计和实践能力、学会解决复杂工程问题并具备创新能力，了解国际化工发展动态，是化工高等教育的重要目标。化工教学不仅要让学生掌握基础理论，还要给学生提供更多的实践机会，以培养他们的工程实践能力［2］。化工实习是专业实践教育过程中学生形成实践能力的重要环节，是培养学生工程实践能力，解决复杂工程问题能力的有效举措。然而在现实教学过程中，很多高校在化工实习教学环节，存在着大型化工厂远离校园，工厂接收大量学生实习影响其生产，实习过程安全管理存在风险等一系列困难。同时，在化工企业实习过程中学生往往不能进行实际操作，缺乏真实生产体验［3］。鉴于化工实习存在的现实困难，可利用基于现代计算机技术开发的虚拟仿真软件作为实践教学的辅助手段，以提高化工专业实践教学质量。

二、以学生发展为目标，开展虚拟仿真教学

虚拟仿真教学在现有的化工类专业课堂教学过程的应用主要有分析仪器虚拟仿真、化工原理实验虚拟仿真、化学反应工程虚拟仿真及虚拟仿真辅助化工实习等［4-7］。目前，虚拟仿真与实习过程的结合主要体现在对实际生产工艺的DCS（distributed control system，集散控制系统）操作方面，与现场装置进行联动操作教学的虚拟仿真工厂，尚处于探索发展阶段。教育部印发的《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》明确指出： “大力加强实践教学，切实提高大学生的实践能力”［8］。提升大学生工程实践能力是落实新时代人才培养战略及新工科建设的关键。安徽大学化工专业开展丙烯腈虚拟仿真工厂实践教学，通过构建逼真的化工生产操作环境，使学生理解化工生产工艺布局，在自主和交互的 “虚实” 环境中进行高效和安全操作，极大地调动了学生的学习兴趣，达成仅在化工企业实习难以实现的教学效果。此外，利用虚拟仿真工厂可以培养学生工程实践、团队协作和创新能力，对探索化工类实习课程教学改革和提高学生综合素质具有重要作用。

三、构建丙烯腈虚拟仿真工厂，学生参与并实际操作

安徽大学和北京欧倍尔软件技术开发有限公司以丙烯—氨氧化法生产丙烯腈工艺技术和实际装置的工艺流程为基础，融合化工原理、设备设计、质量能量平衡、过程控制等相关理论，通过电信号模拟实际装置的开车、停车、正常运转或异常情况处理等动态变化过程，构建丙烯腈虚拟仿真工厂。其主要由现场装置区和中控室两部分组成，其中丙烯腈生产现场设备布局如图1所示，设备尺寸按照工业装置等比例缩小，主要由反应器、急冷塔、吸收塔、回收塔、脱氢氰酸塔和成品塔等组成。设备区操作人员根据工艺要求和中控室操作人员的指示进行现场阀门的开关和开度调节操作，现场阀门的输出信号和相应工艺参数的变化输出到中控室，使DCS系统与现场装置操作融为一体，完成对生产过程的虚拟仿真。

图1 丙烯腈生产现场设备布置

丙烯腈生产工艺流程如图2所示：原料丙烯、氨和空气进入反应器生成丙烯腈、乙腈、氢氰酸、丙烯醛、丙烯酸、丙酮、CO、CO2、水及未反应原料气等；反应产物经过冷却后进入急冷塔，通过加入硫酸除氨，然后进入吸收塔以水作为吸收剂将难溶气体放空，吸收液进入回收塔以水作为萃取剂进行萃取精馏，塔顶得到丙烯腈、氢氰酸和水，乙腈从侧线采出，塔釜重组分去厂外四效蒸发工段；最后丙烯腈、乙腈和水则通过脱氢氰酸塔和成品塔提纯后得到丙烯腈产品。本丙烯腈虚拟仿真工厂可完成装置的开停车操作及异常状况处理等内容。开车过程操作顺序为建立贫水大循环系统、运转急冷塔、反应器烧氨、反应器投丙烯、急冷塔接料调整、吸收塔接料调整、回收塔接料调整、脱氢氰酸塔接料调整和成品塔接料调整。停车过程操作顺序为停反应系统、停急冷塔系统、停贫水大循环系统、停脱氢氰酸塔系统和停成品塔系统。异常状况处理主要涉及流量和液位控制阀门的故障处理。

图2 丙烯腈生产工艺流程

中控室设有1台教师机、8台学员机及2台监控大屏幕，具体如图3所示。教师机主要有班级管理、试卷管理、仿真项目启动和控制、仿真实习考试和成绩管理等功能。每位学生操作1台学员机，负责合成、急冷、回收和精制4个工段的现场监控及DCS操作控制，其主要涉及流量、压力、温度和液位的手动控制、自动控制和串级控制。教学过程中，中控室安排8～10名学生，现场设备区安排8～10名学生，根据实习学生的人数分为若干组，两个实习区域的学生，通过对讲机沟通交流来进行相应的工艺操作，并安排中控室和现场设备区学生互换岗位，使每位学生都能掌握DCS和现场设备的操作，于一周实习时间内，使其都能掌握4个工段的操作流程。另外，本仿真平台还可辐射服务于省内外其他高校，通过给定的账户和密码，登录安徽大学虚拟仿真学习平台进行线上DCS操作。

图3 丙烯腈生产中控室

四、搭建虚拟仿真技术平台，培养学生工程能力

丙烯腈虚拟仿真工厂利用虚拟现实技术，以二维和三维两种形式模拟工厂环境和操作过程。二维虚拟仿真操作以平面的形式展示丙烯腈工厂各工段的工艺流程、现场设备布置及DCS操作系统，而三维虚拟仿真操作界面与真实工厂布置基本一致。教师可通过二维和三维两种模式帮助学生熟悉丙烯腈生产工艺流程和提高实践操作能力，通过帮助学生整合 “化学反应工程” 和 “化工原理” 及 “化工设计” 等课程的知识，用于理解仿真软件中涉及的反应器、换热器和精馏塔工艺原理和设计特点，掌握内部传热传质传动量和化学反应原理，通过回顾 “化工仪表自动化” 课程的相关知识帮助学生理解工艺装置的流量、温度和压力控制的原理和操作方法。在虚拟的丙烯腈生产场景下，通过现场设备和DCS联合操作熟练掌握工艺的开停车及异常状况处理，能够较好地完成认识和生产实习的教学任务。

化工设计主要让学生进行工艺方案选择，用化工流程模拟软件完成物质和能量平衡计算，进行典型设备的选型、厂区设备布置设计及进行技术经济性能评价等。通常学生所做的化工设计形式上符合化工设计的要求，但在设计内容的准确性上，往往难以符合化工生产实际。文章提出将化工设计与虚拟仿真进行集成教学，让学生以丙烯腈虚拟仿真工厂为案例进行工程设计。具体实施过程如下：第一步，下发化工设计任务书，生产能力为年产9.2万吨丙烯腈，产品质量纯度要求达到99.5%；第二步，学生调研丙烯腈生产的主要工艺技术路线，并对本虚拟仿真工厂采用的氨氧化法主要工艺流程及功能进行说明；第三步，学生调研合成丙烯腈反应的热力学和动力学方程及反应转化率，再根据本虚拟仿真工厂主要设备的操作条件，在过程模拟软件中对丙烯腈生产的主要单元过程进行模拟，将计算机模拟结果与虚拟仿真工厂的部分运行数据进行比较验证；第四步，根据物质和能量平衡数据对主要设备如反应器和成品塔进行设备尺寸计算与选型；第五步，结合以上计算结果，绘制带控制点的工艺流程图、主要设备图和厂区布置图，并将其与本虚拟仿真工厂实际情况进行比较，最后让学生对此过程进行技术经济性能评价，以达到培养学生工程能力的目标。

五、设计复杂工程问题，培养学生创新意识

教学过程中，将学生分为两组，在老师的指导下使学生不断练习关键操作方法，一组负责DCS中控室操作，另一组负责现场操作。DCS控制和现场工艺主要有合成、急冷、回收和精制4个工段。两组操作人员通过对讲机互动，根据开车流程进行联合操作，打通从原料投入到产品输出整个流程，使工艺过程参数达到设定要求，通过反复多次练习可使每组同学都能熟练掌握开车技术关键。

虚拟仿真工厂为学生提供了充分自主的操作时间和空间，教学中有意设计复杂工程问题，培养学生解决复杂工程问题能力。以反应器开车为例，其主要有反应器烧氨和反应器投丙烯两大部分操作，学生需根据工艺条件进行原料蒸发器液位、过热器压力、原料进料流量、原料进料温度和反应温度的控制。有些设备操作条件必须达到设定值，才能进行下一步操作，而有些设备操作条件未达到设定值可直接进行下一步操作减少开停车时间，如空气进料温度和液位没有达到控制指标时，可先将液氨蒸发器液位控制在50%，但最终进入反应器的顺序必须是先空气后氨气。丙烯和氨蒸发器液位超过50%，既可通过减少液体进料量，也可通过增加出气量使液位稳定在50%左右。通过对开车顺序和异常状况处理的大胆假设和尝试，学生能够在虚拟平台中及时的验证，极大地激发了学生的创新意识和学习兴趣。

六、教学效果实时评价，促进教学持续改进

丙烯腈虚拟仿真工厂为教学效果实时评价，促进教学持续改进提供了可能。以前，生产实习过程主要通过工厂工艺技术员给学生讲授工艺流程和原理，然后带学生到生产现场参观学习，学生参与感不强，对化工实习的积极性不高，实习教学容易流于形式，教学效果难以实时体现，学生实习成绩仅依据学生实习过程中的表现和实习报告来评判。利用丙烯腈虚拟仿真工厂，可以将考核方式改为由课堂练习成绩、联合操作考试成绩及实习报告书面成绩来综合确定实习成绩。实习过程中老师要求学生在仿真实验前，对工艺原理和DCS操作原理进行预习，每一位学生都要亲自进行仿真操作。课堂练习和考试均要求学生掌握DCS和现场联合操作及团队成员协作完成冷态开车操作。通过评分系统自动打分，实时显示分值，并及时统计成绩，这样考核评价实习成绩客观公正，极大地调动了学生参与实习的积极性。同时，从实时评价学生得分情况，反映出学生实习效果，可促进教师不断改进教学方法，达成实践教育教学目标。

疫情防控时期，如疫情蔓延而导致学生无法到企业进行生产实习，可利用丙烯腈虚拟仿真工厂开展线上教学。学生们通过线上实习，熟悉丙烯腈生产工艺原理及DCS操作流程，虚拟仿真工厂作为学生理论学习与工程实践的重要补充，在化工实践教学中很好地发挥作用。

七、结 语

运用丙烯腈虚拟仿真工厂作为实践教学平台，以DCS和现场设备联合操作示范教学方法和虚实仿真相结合的教学过程体验，使学生能够在工程实践中相互协作，承担起个体或负责人角色，可以提升学生的团队合作能力。虚拟仿真工厂可以培养学生解决复杂工程问题的能力和创新意识，可以实时考核实践教学效果，更加科学合理地评价学生实习的综合水平，满足化工专业认证关于持续改进的教学要求，以达成实践教育教学目标。