石油化工過(guò)程及裝備課程教學(xué)中項(xiàng)目設(shè)計(jì)的應(yīng)用

崔巍　張穎　馬云闊　李偉　龍飛飛

【摘 要】本文分析石油化工過(guò)程及裝備課程教學(xué)中項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的意義，提出石油化工過(guò)程及裝備課程教學(xué)中項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施措施。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目設(shè)計(jì) 石油化工過(guò)程及裝備 卓越工程師

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2016）10C-0060-02

2010年6月23日，教育部在天津大學(xué)召開(kāi)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”啟動(dòng)會(huì)，聯(lián)合有關(guān)部門(mén)和行業(yè)協(xié)（學(xué)）會(huì)，共同實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“卓越計(jì)劃”）。東北石油大學(xué)的過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)是國(guó)家級(jí)和省級(jí)“卓越計(jì)劃”試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)，石油化工過(guò)程及裝備是過(guò)程裝備與控制工程系根據(jù)“卓越工程師”培養(yǎng)要求，對(duì)該專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行調(diào)整和整合出的一門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課程。本文試以東北石油大學(xué)為例，對(duì)石油化工過(guò)程及裝備課程進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)研究和探討，以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力，并促進(jìn)構(gòu)建具有鮮明工程教育特色的卓越工程師培養(yǎng)體系，為進(jìn)行專(zhuān)業(yè)認(rèn)證奠定良好基礎(chǔ)。

一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的意義

石油化工過(guò)程及裝備是一門(mén)綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)、涉及知識(shí)面較廣的課程。該課程既具有較強(qiáng)的理論性又緊貼工程實(shí)際，對(duì)學(xué)生畢業(yè)后從事設(shè)備專(zhuān)業(yè)及相關(guān)工作具有舉足輕重的作用。為了提高課程教學(xué)質(zhì)量，有必要引進(jìn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)是在學(xué)生掌握了有關(guān)基本知識(shí)和分析的基礎(chǔ)上，在教師精心策劃和指導(dǎo)下，根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容要求，運(yùn)用實(shí)際案例設(shè)計(jì)，通過(guò)學(xué)生的獨(dú)立思考和集體協(xié)作，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

石油化工過(guò)程及裝備是過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，該專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)模式以專(zhuān)業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)為專(zhuān)業(yè)能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。在石油化工過(guò)程及裝備課程的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，可以使學(xué)生加深對(duì)課程主要知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，加深對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)與典型設(shè)備設(shè)計(jì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的掌握，從而以一個(gè)未來(lái)工程師的角色定位面對(duì)本專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施措施

針對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力差、對(duì)課程中學(xué)習(xí)到的典型設(shè)備設(shè)計(jì)不會(huì)應(yīng)用、理論聯(lián)系實(shí)際能力差、繪圖能力差等問(wèn)題，為了解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo)，從2013年開(kāi)始，東北石油大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)在石油化工過(guò)程及裝備課程中增設(shè)了項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)典型設(shè)備的設(shè)計(jì)思路與方法，它通過(guò)實(shí)際案例的設(shè)計(jì)，使學(xué)生深入理解典型設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程，更重要的是讓學(xué)生掌握如何利用所學(xué)理論知識(shí)去解決工程實(shí)際問(wèn)題。

（一）項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)培訓(xùn)目標(biāo)。石油化工過(guò)程及裝備課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)是配合學(xué)生在學(xué)習(xí)了有關(guān)設(shè)備類(lèi)課程的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)后，對(duì)基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力。通過(guò)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，使過(guò)程裝備與控制工程卓越工程師教育培養(yǎng)試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生掌握過(guò)程裝備中典型設(shè)備的工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，以及工藝流程類(lèi)圖的閱讀和繪制等。

（二）培訓(xùn)對(duì)象。石油化工過(guò)程及裝備課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的典型過(guò)程設(shè)備包括換熱器、塔設(shè)備和反應(yīng)器。過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)3個(gè)班，90人，采用小組合作學(xué)習(xí)的方式，分成30組，每組3個(gè)人。30組對(duì)應(yīng)30個(gè)設(shè)計(jì)題目，其中10個(gè)換熱器題目，10個(gè)塔設(shè)備題目，10個(gè)反應(yīng)器題目，每組3個(gè)人的部分設(shè)計(jì)參數(shù)不同。學(xué)生通過(guò)課下以完成大作業(yè)的形式進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，課上配比4個(gè)學(xué)時(shí)供教師與學(xué)生研討，制訂了詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃，規(guī)定每一個(gè)環(huán)節(jié)必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才能進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，更好地保障設(shè)計(jì)任務(wù)的完成。

（三）項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容。具體如下：

1.化工工藝圖。為了促使學(xué)生熟練閱讀工藝流程圖、掌握工藝流程圖的繪制原則，在這部分實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，需要每名學(xué)生繪制1張帶控制點(diǎn)的工藝流程圖并撰寫(xiě)工藝流程；繪制1張輔助管道系統(tǒng)圖。

2.典型過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)。完成一種典型過(guò)程設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算。以苯-甲苯連續(xù)精餾塔設(shè)計(jì)為例。

設(shè)計(jì)條件如下：在常壓連續(xù)篩板精餾塔中精餾分離含苯41%的苯、甲苯混合液，要求塔頂餾出液中含甲苯不大于4%，塔底釜液中含甲苯量不低于96%（以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。苯、甲苯混合液處理量6t/h；泡點(diǎn)進(jìn)料；操作回流比取為最小回流比的1.8倍；塔頂壓強(qiáng)，4kPa（表壓）；熱源，低壓飽和水蒸氣；單板壓降，不大于0.7KPa。

設(shè)計(jì)步驟如下：（1）工藝計(jì)算。運(yùn)用給定的工藝參數(shù)進(jìn)行工藝計(jì)算，采用圖解法求得理論塔板數(shù)，如圖1所示，圖解得NT=12-1=11（不含塔釜）。其中精餾段NT1=5塊，提餾段NT2=6塊塊，第6塊為加料板位置。并得到部分塔的操作工藝條件及相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)工藝計(jì)算數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（2）設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)塔設(shè)備的常用結(jié)構(gòu)，參考有關(guān)資料和規(guī)范確定塔的各零部件的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和尺寸，并進(jìn)行塔板上的流體力學(xué)驗(yàn)算，得到塔板負(fù)荷性能圖。（3）設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。（4）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)及繪制設(shè)備的總裝配圖。通過(guò)前面的工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，每名學(xué)生撰寫(xiě)一份設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，并繪制相應(yīng)設(shè)備的裝配圖。

圖1 苯-甲苯氣液相平衡曲線及圖解理論板層數(shù)

3.化工過(guò)程模擬軟件的應(yīng)用。利用化工流程模擬系統(tǒng)ChemCAD對(duì)塔的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和操作性能的驗(yàn)證。首先選擇精餾單元的Shortcut模塊，算出最小理論塔板數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)，然后用SCDS模塊依據(jù)此塔板數(shù)，計(jì)算出塔頂、塔底組分是否滿(mǎn)足給定的工藝條件，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬得到塔頂苯的摩爾分率95.999998%滿(mǎn)足要求，模擬得到塔板數(shù)為15塊，進(jìn)料板位置為第8塊。最后采用了最優(yōu)化方法中的靈敏度分析，以進(jìn)料板位置為自變量，以再沸器負(fù)荷與回流質(zhì)量流率為因變量，分別得到再沸器熱負(fù)荷、回流質(zhì)量流率隨進(jìn)料板位置變化的曲線，如圖2、圖3所示。由圖2可看出，第10塊塔板進(jìn)料時(shí)，再沸器熱負(fù)荷最小，第8塊塔板到底11塊塔板進(jìn)料，熱負(fù)荷變化較小。由圖3可看出，第10塊塔板進(jìn)料時(shí)，回流量最小，第8塊塔板到底11塊塔板進(jìn)料，回流量變化較小。通過(guò)對(duì)比，軟件模擬和計(jì)算稍有差別，軟件模擬對(duì)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，找到最優(yōu)的進(jìn)料板。

圖2 再沸器熱負(fù)荷隨進(jìn)料板位置變化的曲線

圖3 回流質(zhì)量流率隨進(jìn)料板位置變化的曲線

4.成績(jī)組成。項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)占石油化工過(guò)程及裝備課程成績(jī)的30%，這30%組成包括4個(gè)部分，化工制圖部分占30%，工藝設(shè)計(jì)計(jì)算部分30%以及設(shè)備設(shè)計(jì)與制圖部分占40%。

經(jīng)過(guò)以上項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生以下方面的能力：設(shè)計(jì)化工過(guò)程設(shè)備能力；繪制工藝流程圖、設(shè)備裝配圖等化工制圖的能力；應(yīng)用化工流程模擬軟件進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)模擬與分析，學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低成本的能力。同時(shí)，由于采用小組學(xué)習(xí)的形式，每組學(xué)生的設(shè)計(jì)條件相近，經(jīng)常在一起研究設(shè)計(jì)，因而也可以提升團(tuán)隊(duì)意識(shí)，培養(yǎng)吃苦耐勞的精神。

總之，項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)使得學(xué)生從實(shí)際工程問(wèn)題出發(fā)進(jìn)行本專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的興趣，引導(dǎo)他們探索并掌握解決實(shí)際工程問(wèn)題的途徑與方法，也為學(xué)生從事石油石化設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)，是高等工程教育的有利途徑。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬云闊，楊文強(qiáng).高校推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新的問(wèn)題與對(duì)策研究[J].國(guó)家教育行政學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（7）

[2]莊哲民，沈民奮.基于CDIO理念的1級(jí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].高等工程教育研究學(xué)報(bào)，2008（6）

[3]顏志勇.基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)設(shè)計(jì)[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2016（6）

【基金項(xiàng)目】黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度課題“‘卓越計(jì)劃背景下石油化工過(guò)程及裝備（卓）課程建設(shè)研究”（GBC1214004）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于‘卓越計(jì)劃的過(guò)程裝備專(zhuān)業(yè)工程認(rèn)證體系建設(shè)”（JG2014010652）；東北石油大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于職業(yè)資格認(rèn)證的全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革”（JGXM_NEPU_201401）

【作者簡(jiǎn)介】崔 ?。?984— ），女，博士，東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向：壓力容器設(shè)計(jì)和無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)。

（責(zé)編 劉健華）