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化工课程设计中设计与仿真平台研究

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摘要:针对本科院校在培养学生工程实践能力中所遇到的问题,我校拟探求一种将化工原理课程教学、实验教学、课程设计与仿真平台进行有效融合的一体化模式。利用仿真DCS人机界面,开发化工原理(精馏塔工艺)设计平台软件,使设计成品利用仿真平台进行实际模拟测试,从投资、运行成本、操作可行性等方面进行反复验证,这一过程将会极大地促进学生的工程实践能力及创新能力的培养。

关键词:设计与仿真平台;实践能力;人机界面

随着我国市场经济改革的不断深入,应用型技术人才越来越受到社会的欢迎,工科学科的专业认证更是对毕业生应用能力提出了更高的要求[1],如何使学生将理论知识应用到实际生产中,解决实际问题,是培养应用型人才必须考虑的问题[2]。化工工程设计是化工类学生所必需的一项技能,是从理论通向工程实际的桥梁,也是提高就业层次和就业率的重要手段之一[3]。“化工原理课程设计”是化工原理教学的一个重要组成部分,是一项重要的学生实践[4]。在设计过程中,学生需要综合运用所学课程知识,兼顾技术可行性和经济合理性。然而,在化工原理课程设计课程的教学过程中,尚存在一些问题:(1)学生的工程意识较弱,由于对单元操作设备缺少感性认识,对设备操作及结构原理难以理解;(2)化工原理实验装置一般价格高、体积庞大、占地面积大,需要很大的人力物力消耗,尽管学校在强化化工原理教学方面做了大量工作,但实验装置和学生人数匹配度上仍存在很大问题,也就造成了学生在工程实践方面训练不足;(3)由于学生习惯于“教师讲授为主”的被动教学模式,在进行课程设计这种需要独立解决问题的题目时,感到茫然,难以顺利入手,设计成品很少有更好的创新,学生对自己设计成品的优劣也无法准确判断。为了有效克服上述缺陷,充分发挥学生学习的主动性,我校开发了一种将化工原理课程教学、实验教学、化工原理课程设计教学与仿真平台进行有效融合的一体化模式。学生根据化工原理所学课程知识利用软件按照设计任务要求进行设计,设计成品利用仿真平台进行实际模拟测试,对所进行的设计从投资、运行成本、操作可行性等方面进行反复验证,优化其设计方案,这一过程不仅能够有效提高学生设计的质量,也可以大大提高学生独立学习的积极性和创新能力。化工原理(精馏塔工艺)仿真设计平台分为两部分,其一为优化设计模拟,其二为仿真操作。利用精馏仿真设计可以对精馏工艺中的关键设备精馏塔及换热器进行优化设计及校核计算,为设备选型提供参数,对设计的合理性进行评价,考查学生设计的装置是否兼顾操作弹性等多方面的因素,并对所设计的工艺流程进行能耗分析;其二为仿真模拟,构建真实的设备和流程场景,生产过程采用仿真运行,能很好地实现装置的常规操作,开、停车练习,事故处理等方面的实训学习,真正提升学生的工程实践能力。

一、设计任务实施

将真实的设计计算过程与仿真操作验证过程相结合,与虚拟的社会环境(任务获取,设备选型采购等)相结合,具体过程包括:

1.根据设计任务进行仿真训练,确定设计方案。为了更好让学生理解课程设计的意义,在下达设计任务后,先让学生在3D仿真软件上进行训练,并带着问题进行思考,如:工艺流程中设置了哪些参数控制点?如何控制的?监测了哪些参数?在哪些部位设置的?在哪些部位设置了调节阀门?精馏塔塔顶为什么要设置回流罐和回流泵?为了防止事故的发生工艺中需要考虑哪些问题?工艺中公用工程物料有哪些?流程中哪些位置会产生能耗?这些问题要在相应的实习报告中体现出来,占设计成绩的一部分。仿真训练可以反复进行,有效强化了学生对工程实际生产过程的感性认识。通过仿真训练,学生对设备、管路、厂区布局、参数控制等有了相当的认识后,还要进行工艺方案确定,学生需要回答如下问题:(1)塔顶冷凝器采用哪种冷却剂?冷却剂进出口温度如何设定?(2)是否要采用原料预热器?从投资及能耗进行考虑。(3)预热器及塔底再沸器采用哪种加热剂?温度如何设定?(4)精馏塔采用填料塔还是板式塔?

2.进行工艺设计。确定了工艺方案后,开始进行设计计算,设计计算鼓励学生采用大型模拟软件进行设计,设计包含的内容主要有精馏塔主体及结构设计、辅助设备设计计算及选型、管路计算及选型、经济指标评估等内容。

3.利用仿真平台对设计成品进行验证调试。计算完成后将设计结果与仿真平台所提供的精馏塔设计模拟软件和换热器设计模拟软件进行校核计算,并进行对比优化,找出自己设计中出现的问题。验证操作结束后,对操作过程中的电耗、水耗、原料等各项成本进行经济核算,计算得到生成单位质量产品所需成本。

4.优化设计成品。根据在仿真训练中对精馏工艺的认识,对自己的设计进行论证和核算,如无法满足设计要求,或成本超标,学生应重新审核、修正自己的设计,并提出自己设计方案的优缺点。

二、达成目标

1.计算机设计软件辅助教学。在进行设计计算时,强调要求学生采用设计软件(如Aspen)等进行计算,利用各种绘图软件如AutoCAD等来完成绘制工程图纸的设计工作,并鼓励学生采用PDMS等三维CAD软件绘制三维模型图纸。化工生产过程多是连续的和复杂的,涉及许多原料、辅料、中间产品、成品和副产品,经过各种设备和机器,有时还有若干物流在系统中循环,设计过程的复杂性使得当今的设计工作越来越多地依赖各种软件进行辅助设计,这些软件的使用将会极大地提高设计工作效率,保证设计质量。

2.探究以学生为主教师为辅的教学模式。《化工原理》课程学习及化工课程设计是理论联系实际的专业课,为了让学生真正认识到课程的重要性和实用性,必须改变以教师讲授为主的被动学习模式。完成《化工原理》教学后,学生进行设计所需要的理论基础已经具备,学生可以自己尝试进行设计性的工作,在整个设计过程中,可采取以学生为主,教师引导的教学模式,让学生充分发挥其主观能动性,将知识活学活用,提高其分析问题和解决问题的能力;而设计工作又可以进一步促进《化工原理》的教学,通过设计、模拟、验证等各个环节的训练,学生对《化工原理》课程中所涉及的各个单元操作的认识也进一步加深。

参考文献:

[1]陈勇.应用型大学化工原理课程教学中的工程素养教育[J].化工高等教育,2017,(158):75-78.

[2]白娟,张兴法.应用型高校化工原理课程教学改革探究[J].广州化工,2014,42(22):172-173.

[3]刘瑞江,张业旺,李红霞,柳春华.化工原理课程设计实践教学研究[J].实验科学与技术,2015,13(2):92-95.

[4]卫粉艳.课程设计在提升化工教学质量中的作用[J].广州化工,2017,45(10):184-185.

作者:卢素敏 刘秀军 郭玉高 张庆印 管山 单位:天津工业大学

化工课程设计中设计与仿真平台研究责任编辑:张雨    阅读:人次