过程设备设计课程的教学设计与思考*

赵 敏，郭兴建

(中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院，新疆 克拉玛依 834000)

过程设备作为石油炼制、石油化工等工艺实现的基本保障，是石油、化工等行业不可缺少的关键部分，与生产工艺紧密结合，与一般的机械设备完全不同。《过程设备设计》是过程装备与控制工程专业的核心主干课程[1-2]，理论性强、内容抽象，涉及石油、化工、环保等设备设计的理论基础[3]。许多高校都在尝试进行教学改革[4-6]。传统的理论教学模式中，受条件制约，在学校实验室很难开展典型过程设备结构、零部件及装配展示等方面的教学内容。因此，基于传统教学中存在的问题，为改善教学模式、提高教学效果，开展典型过程设备的虚拟仿真教学设计，设置典型过程设备的结构及典型零部件虚拟仿真内容，使学生更全面、具体和深入地了解实际生产中过程设备结构及原理，理解各个零件之间的相互关系及影响，提高过程装备与控制工程专业人才培养质量，提高学生的就业竞争力和石油化工等行业发展力。

1 虚拟仿真教学的必要性

《过程设备设计》课程的教学目的是通过讲授过程设备的基本结构、设计理论和设计方法，使学生获得必要的机械基础知识，初步具备压力容器和过程设备的设计能力。从教学环节设置上，该课程内容主要以课堂讲授为主，典型过程设备体积较大，零配件繁多，受制于传统的课堂教学模式、实验场地、安全、设备、经费等问题的制约，无法使学生更直观地了解和掌握典型过程设备的结构原理、零部件选择及装配、图纸绘制等内容，导致学生对这部分知识掌握程度较浅。

虚拟仿真是新工科背景下《过程设备设计》课程有效而重要的补充，是《过程设备设计》课程改革的必然趋势。立足于《过程设备设计》的课程教学内容，利用多种虚拟仿真技术通过现场图片、动画演示、图纸相结合，建立包含塔、换热器等典型过程设备的结构原理等仿真内容，直观、生动地展示机械结构，帮助学生建立直观的印象，更好地掌握典型过程设备的结构原理等知识。丰富教师教学手段的同时，实现传统教学模式的继承发扬和现代虚拟仿真实验教学体系的结合，培养和提升学生对于典型过程设备的设计能力和实践创新能力，更好地实现教学目的。

2 教学内容设计及探索

利用仿真技术等现代化的培训和教学手段，在结合传统教学的基础上，构建崭新的教学框架结构体系，建立具备可延展性的虚拟仿真实验教学体系，调动学生的学习主动性和积极性提高学生的学习效果，增强专业教学实力，提高教学质量。通过虚拟仿真平台，学生们可完成在线预习、考核、课后复习等过程，弥补教学条件的不足，使学生直观地了解到典型过程设备的结构特征以及各零部件的结构特点、选型方法等，解决传统教学中存在的问题。虚拟仿真平台中可以包括塔、换热器、罐以及反应设备等不同的典型过程设备，除了教学内容之外，增加学生自学模块和复习模块，学生可根据自己的兴趣学习相关内容。典型过程设备的具体教学内容如表1所示。

表1 典型过程设备Table 1 Typical process equipment

2.1 塔设备

塔设备通过气、液或液液两相间的充分接触，完成过程工业中的质量传递和热量传递过程，广泛用于石油加工个、煤化工、医药化工等领域。在塔设备的选型、结构设计这部分内容的教学过程中，涉及到塔设备相关的附件种类繁多，对学生实践知识和立体空间想象力的要求较高。以板式塔设备的教学内容为例，设计如下：

(1)塔的设备的应用

这部分的教学过程以教师讲解和视频播放、动画相结合的形式进行，通过教师的讲解和某一石化工厂视频充分说明塔设备应用的广泛性以及在整个石油化工行业、煤化工以及化纤行业中的应用情况，生动地了解塔设备的投资及重量在不同行业中所占的比例。另外，对于塔设备的作用，以及除了特定工艺条件外，对塔设备的基本要求可以通过虚拟动画的形式，尤其可以采用透视或剖面的方法更形象地掌握塔设备的作用及用途。

(2)塔设备的结构及选型

这部分的教学过程以教师讲解和动画相结合的形式进行。通过虚拟仿真技术建立不同种类的塔的模型，使学生直观地了解不同种类塔的区别。工业上应用最广泛的是填料塔和板式塔。可以通过仿真模型不同维度地在老师讲解的基础上展示这两种塔的区别，加上动画效果使学生更好地掌握这两种塔的区别以及应用场合的特点。结合课堂提问，使学生掌握塔体、支座、人孔、手孔、以及各种内件的结构及特点。同时，在这一部分授课内容中，可以加入学生学过的《化工原理》课程中的内容，在回顾之前知识的基础上更好地掌握教学内容。

如对于填料塔来讲，首先要让学生掌握填料塔的核心内件——填料的种类区别，在讲解的基础上加上图片、动画、视频来充分展示如环形填料、开孔环形填料、鞍形填料、金属环矩鞍填料等散装填料以及丝网波纹填料、板波纹填料等规整填料。对于每一类填料，如环形填料，对拉西环、θ环、十字环以及内螺旋填料都可以通过图片、三维动画以及视频的方式来提高学生的兴趣，从而提高学习效果。另外，对于填料塔中的内件，如填料的支承装置、液体分布器、液体收集再分布器、填料的压紧和显微装置等，都可以采用上述方法，使学生全面了解填料塔的结构以及重要的内件类型及装配。

而对于板式塔，也可以采用虚拟仿真技术(见图1)，使学生如临现场般地了解塔盘、卡子、降液管、受液盘、溢流堰等具体结构及类型，并了解不同部件之间的装配方式，为今后图纸的绘制打下基础。通过虚拟仿真技术，不仅使学生更好地掌握不同塔设备的区别和特点，也更好地了解不同塔设备的结构及其内构件的结构、尺寸和主要设计参数的意义，更好地掌握塔内件及相关构件的安装细节，增强学生对现场设备和实际生产过程的掌握程度，提高学生的工程实践能力。

图1 板式塔仿真示意图Fig.1 Simulation diagram of plate tower

(3)塔设备的附件

这部分的教学过程以教师讲解和动画相结合的形式进行。塔的相关附件如除沫器、裙座、吊柱等除了要满足使用结构要求外，还要满足工艺性要求，会随着新工艺、新设备的发展不断变化，更新较快。要让学生真正地理解具体塔附件结构工艺性的优劣，就需要在了解相应工艺方法及设备原理的基础上，进行具体比较。在传统课堂教学过程中，若仅凭老师的口头讲解以及板书来展示塔内各种具体零件结构，学生往往接受效果较差。在此部分内容中，如果能将具体的塔的加工过程动态地展现出来，并对不同塔内附件结构、装配的过程进行对比演示，便极大地提高学生的学习兴趣，使学生有身临其境的感觉，更好地理解和掌握教学内容。

(4)塔的装配

这部分的教学过程以动画形式进行，利用虚拟仿真技术，建立不同类型塔的内件及相关附件模型。在上述内容学习之后，分别建立封头、筒体、人孔及接管、法兰、支座等的结构模型，分别建立不同填料结构、塔盘结构、出口堰、降液板、受液盘等的模型，让学生自主选择相应塔的基本结构，将不同类型塔的装配生成动画进行演示，从而使塔的装配过程生动地展现给学生。同时搭配透视或者剖切视图的方式，提高学生的学习兴趣和掌握程度。

2.2 换热设备

以换热器的教学内容为例，设计如下：

(1)换热设备的应用

这部分的教学过程以教师讲解和视频播放、动画相结合的形式进行，通过教师的讲解和某一石化工厂中换热设备的视频充分说明换热设备应用的广泛性，以图片或视频实例说明换热设备在化工厂和炼油中的投资比例。对于换热设备的作用，可以通过虚拟动画的形式，尤其可以采用透视或剖面的方法形象地说明热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，满足工艺过程需求。可以以某余热锅炉图片或虚拟动画为例，说明外界引入的新鲜空气如何与烟道气、高炉炉气等烟气进行热量交换，在吸收余热的同时满足工艺需求，使同学们更好地掌握塔设备的作用及用途。

(2)换热设备的分类及特点

这部分的教学过程以教师讲解和动画相结合的形式进行。通过虚拟仿真技术建立不同种类的换热设备的模型，使学生直观地了解不同种类换热设备的特点及区别。可以按传热原理或传热方式将换热设备分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器、中间载体式换热器，教师在讲解时可以逐一展示，使学生不仅仅是局限于字面，而是在头脑中建立不同换热设备的直观印象，提高学生的学习兴趣和学习效果。对于重点要讲述的间壁式换热器板面式换热器、石墨换热器、聚四氟乙烯换热器、热管换热器等也可以采用动画和图片相结合的方式，逐一向学生进行展示，使学生充分掌握这类换热器的特点、作用原理。

(3)换热器的选型

这部分的教学过程以教师讲解和动画相结合的形式进行。换热设备种类繁多，每种结构形式的换热设备都有自身的结构特点和工作特性。通过前两部分的讲解，使学生充分掌握这些特点，再结合所处的工艺流程情况，才能完成换热器的选型和设计。

这部分可以先引导学生了解选型时的考虑因素，并对换热器选型的基本原则进行讲解，结合不同的工艺流程，使学生结合具体的工艺过程要求完成选型。

(4)管壳式换热器

管壳式换热器是石油化工行业中广泛应用的换热器。该换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。这部分的教学过程可以动画形式进行，利用虚拟仿真技术(见图2)，建立不同类型管壳式换热器的虚拟动画，利用透视或剖面的方法形象地介绍管壳式换热器的主要组合部件，如前段管箱、壳体、后端管箱，并了解这三部分部件的各种类型结构，提高学生的学习兴趣和掌握程度。采用动画和虚拟仿真介绍管程结构、壳程结构、管板结构、管束等，使学生能直观地了解管壳式换热器的结构组成，并了解每一个组元的作用和结构特点，使学生熟练掌握换热器的组成结构及特点。之后可以利用人机交互界面，使学生选择相应的元件，并自己动手完成一组典型换热器的组装，如选择壳体、折流板、支持板、纵向隔板、拉杆、防冲挡板、防短路结构、管束、管板、管箱等。通过这种方式可以最大限度地提高学生的学习兴趣以及学习主动性，提高学习效果

图2 管壳式换热器仿真示意图Fig.2 Simulation diagram of shell and tube heat exchanger

3 结 语

本文以《过程设备设计》的课程教学内容为基础，利用多种虚拟仿真技术建立包含塔、换热器等典型过程设备的结构原理等仿真内容，使学生在接近真实的人机交互界面完成仿真学习，帮助学生建立直观的印象，更好地掌握典型过程设备的结构原理等知识。另外，针对这部分知识点，设置一定的线上交互学习内容，采用线上线下结合的教学方式，增加学生的学习兴趣，提高学生课堂的参与性，激发学生探究欲望，让学生进行自主探索，沉浸于课程学习之中。同时丰富教师的教学手段，实现传统教学模式的继承发扬和现代虚拟仿真实验教学体系的结合，培养和提升学生对于典型过程设备的设计能力和实践创新能力，更好地实现教学目的。