利用丙烯腈虛擬仿真工廠培養(yǎng)本科生工程實(shí)踐能力探究

項(xiàng) 東，吳明元，毛昌杰，苗繼斌，李 鵬，袁孝友

（安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230601）

一、引 言

化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一［1］，培養(yǎng)學(xué)生具備現(xiàn)代化工基本理論、基本知識和基本技能，具有工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力、學(xué)會解決復(fù)雜工程問題并具備創(chuàng)新能力，了解國際化工發(fā)展動態(tài)，是化工高等教育的重要目標(biāo)?；そ虒W(xué)不僅要讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論，還要給學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會，以培養(yǎng)他們的工程實(shí)踐能力［2］?；?shí)習(xí)是專業(yè)實(shí)踐教育過程中學(xué)生形成實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，解決復(fù)雜工程問題能力的有效舉措。然而在現(xiàn)實(shí)教學(xué)過程中，很多高校在化工實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，存在著大型化工廠遠(yuǎn)離校園，工廠接收大量學(xué)生實(shí)習(xí)影響其生產(chǎn)，實(shí)習(xí)過程安全管理存在風(fēng)險等一系列困難。同時，在化工企業(yè)實(shí)習(xí)過程中學(xué)生往往不能進(jìn)行實(shí)際操作，缺乏真實(shí)生產(chǎn)體驗(yàn)［3］。鑒于化工實(shí)習(xí)存在的現(xiàn)實(shí)困難，可利用基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)的虛擬仿真軟件作為實(shí)踐教學(xué)的輔助手段，以提高化工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

二、以學(xué)生發(fā)展為目標(biāo)，開展虛擬仿真教學(xué)

虛擬仿真教學(xué)在現(xiàn)有的化工類專業(yè)課堂教學(xué)過程的應(yīng)用主要有分析儀器虛擬仿真、化工原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真、化學(xué)反應(yīng)工程虛擬仿真及虛擬仿真輔助化工實(shí)習(xí)等［4-7］。目前，虛擬仿真與實(shí)習(xí)過程的結(jié)合主要體現(xiàn)在對實(shí)際生產(chǎn)工藝的DCS（distributed control system，集散控制系統(tǒng)）操作方面，與現(xiàn)場裝置進(jìn)行聯(lián)動操作教學(xué)的虛擬仿真工廠，尚處于探索發(fā)展階段。教育部印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》明確指出： “大力加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，切實(shí)提高大學(xué)生的實(shí)踐能力”［8］。提升大學(xué)生工程實(shí)踐能力是落實(shí)新時代人才培養(yǎng)戰(zhàn)略及新工科建設(shè)的關(guān)鍵。安徽大學(xué)化工專業(yè)開展丙烯腈虛擬仿真工廠實(shí)踐教學(xué)，通過構(gòu)建逼真的化工生產(chǎn)操作環(huán)境，使學(xué)生理解化工生產(chǎn)工藝布局，在自主和交互的 “虛實(shí)” 環(huán)境中進(jìn)行高效和安全操作，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)成僅在化工企業(yè)實(shí)習(xí)難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。此外，利用虛擬仿真工廠可以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新能力，對探索化工類實(shí)習(xí)課程教學(xué)改革和提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要作用。

三、構(gòu)建丙烯腈虛擬仿真工廠，學(xué)生參與并實(shí)際操作

安徽大學(xué)和北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司以丙烯—氨氧化法生產(chǎn)丙烯腈工藝技術(shù)和實(shí)際裝置的工藝流程為基礎(chǔ)，融合化工原理、設(shè)備設(shè)計(jì)、質(zhì)量能量平衡、過程控制等相關(guān)理論，通過電信號模擬實(shí)際裝置的開車、停車、正常運(yùn)轉(zhuǎn)或異常情況處理等動態(tài)變化過程，構(gòu)建丙烯腈虛擬仿真工廠。其主要由現(xiàn)場裝置區(qū)和中控室兩部分組成，其中丙烯腈生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備布局如圖1所示，設(shè)備尺寸按照工業(yè)裝置等比例縮小，主要由反應(yīng)器、急冷塔、吸收塔、回收塔、脫氫氰酸塔和成品塔等組成。設(shè)備區(qū)操作人員根據(jù)工藝要求和中控室操作人員的指示進(jìn)行現(xiàn)場閥門的開關(guān)和開度調(diào)節(jié)操作，現(xiàn)場閥門的輸出信號和相應(yīng)工藝參數(shù)的變化輸出到中控室，使DCS系統(tǒng)與現(xiàn)場裝置操作融為一體，完成對生產(chǎn)過程的虛擬仿真。

圖1 丙烯腈生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備布置

丙烯腈生產(chǎn)工藝流程如圖2所示：原料丙烯、氨和空氣進(jìn)入反應(yīng)器生成丙烯腈、乙腈、氫氰酸、丙烯醛、丙烯酸、丙酮、CO、CO2、水及未反應(yīng)原料氣等；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過冷卻后進(jìn)入急冷塔，通過加入硫酸除氨，然后進(jìn)入吸收塔以水作為吸收劑將難溶氣體放空，吸收液進(jìn)入回收塔以水作為萃取劑進(jìn)行萃取精餾，塔頂?shù)玫奖╇妗淝杷岷退?，乙腈從?cè)線采出，塔釜重組分去廠外四效蒸發(fā)工段；最后丙烯腈、乙腈和水則通過脫氫氰酸塔和成品塔提純后得到丙烯腈產(chǎn)品。本丙烯腈虛擬仿真工廠可完成裝置的開停車操作及異常狀況處理等內(nèi)容。開車過程操作順序?yàn)榻⒇毸笱h(huán)系統(tǒng)、運(yùn)轉(zhuǎn)急冷塔、反應(yīng)器燒氨、反應(yīng)器投丙烯、急冷塔接料調(diào)整、吸收塔接料調(diào)整、回收塔接料調(diào)整、脫氫氰酸塔接料調(diào)整和成品塔接料調(diào)整。停車過程操作順序?yàn)橥７磻?yīng)系統(tǒng)、停急冷塔系統(tǒng)、停貧水大循環(huán)系統(tǒng)、停脫氫氰酸塔系統(tǒng)和停成品塔系統(tǒng)。異常狀況處理主要涉及流量和液位控制閥門的故障處理。

圖2 丙烯腈生產(chǎn)工藝流程

中控室設(shè)有1臺教師機(jī)、8臺學(xué)員機(jī)及2臺監(jiān)控大屏幕，具體如圖3所示。教師機(jī)主要有班級管理、試卷管理、仿真項(xiàng)目啟動和控制、仿真實(shí)習(xí)考試和成績管理等功能。每位學(xué)生操作1臺學(xué)員機(jī)，負(fù)責(zé)合成、急冷、回收和精制4個工段的現(xiàn)場監(jiān)控及DCS操作控制，其主要涉及流量、壓力、溫度和液位的手動控制、自動控制和串級控制。教學(xué)過程中，中控室安排8～10名學(xué)生，現(xiàn)場設(shè)備區(qū)安排8～10名學(xué)生，根據(jù)實(shí)習(xí)學(xué)生的人數(shù)分為若干組，兩個實(shí)習(xí)區(qū)域的學(xué)生，通過對講機(jī)溝通交流來進(jìn)行相應(yīng)的工藝操作，并安排中控室和現(xiàn)場設(shè)備區(qū)學(xué)生互換崗位，使每位學(xué)生都能掌握DCS和現(xiàn)場設(shè)備的操作，于一周實(shí)習(xí)時間內(nèi)，使其都能掌握4個工段的操作流程。另外，本仿真平臺還可輻射服務(wù)于省內(nèi)外其他高校，通過給定的賬戶和密碼，登錄安徽大學(xué)虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行線上DCS操作。

圖3 丙烯腈生產(chǎn)中控室

四、搭建虛擬仿真技術(shù)平臺，培養(yǎng)學(xué)生工程能力

丙烯腈虛擬仿真工廠利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以二維和三維兩種形式模擬工廠環(huán)境和操作過程。二維虛擬仿真操作以平面的形式展示丙烯腈工廠各工段的工藝流程、現(xiàn)場設(shè)備布置及DCS操作系統(tǒng)，而三維虛擬仿真操作界面與真實(shí)工廠布置基本一致。教師可通過二維和三維兩種模式幫助學(xué)生熟悉丙烯腈生產(chǎn)工藝流程和提高實(shí)踐操作能力，通過幫助學(xué)生整合 “化學(xué)反應(yīng)工程” 和 “化工原理” 及 “化工設(shè)計(jì)” 等課程的知識，用于理解仿真軟件中涉及的反應(yīng)器、換熱器和精餾塔工藝原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，掌握內(nèi)部傳熱傳質(zhì)傳動量和化學(xué)反應(yīng)原理，通過回顧 “化工儀表自動化” 課程的相關(guān)知識幫助學(xué)生理解工藝裝置的流量、溫度和壓力控制的原理和操作方法。在虛擬的丙烯腈生產(chǎn)場景下，通過現(xiàn)場設(shè)備和DCS聯(lián)合操作熟練掌握工藝的開停車及異常狀況處理，能夠較好地完成認(rèn)識和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)任務(wù)。

化工設(shè)計(jì)主要讓學(xué)生進(jìn)行工藝方案選擇，用化工流程模擬軟件完成物質(zhì)和能量平衡計(jì)算，進(jìn)行典型設(shè)備的選型、廠區(qū)設(shè)備布置設(shè)計(jì)及進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能評價等。通常學(xué)生所做的化工設(shè)計(jì)形式上符合化工設(shè)計(jì)的要求，但在設(shè)計(jì)內(nèi)容的準(zhǔn)確性上，往往難以符合化工生產(chǎn)實(shí)際。文章提出將化工設(shè)計(jì)與虛擬仿真進(jìn)行集成教學(xué)，讓學(xué)生以丙烯腈虛擬仿真工廠為案例進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。具體實(shí)施過程如下：第一步，下發(fā)化工設(shè)計(jì)任務(wù)書，生產(chǎn)能力為年產(chǎn)9.2萬噸丙烯腈，產(chǎn)品質(zhì)量純度要求達(dá)到99.5%；第二步，學(xué)生調(diào)研丙烯腈生產(chǎn)的主要工藝技術(shù)路線，并對本虛擬仿真工廠采用的氨氧化法主要工藝流程及功能進(jìn)行說明；第三步，學(xué)生調(diào)研合成丙烯腈反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)方程及反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，再根據(jù)本虛擬仿真工廠主要設(shè)備的操作條件，在過程模擬軟件中對丙烯腈生產(chǎn)的主要單元過程進(jìn)行模擬，將計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與虛擬仿真工廠的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證；第四步，根據(jù)物質(zhì)和能量平衡數(shù)據(jù)對主要設(shè)備如反應(yīng)器和成品塔進(jìn)行設(shè)備尺寸計(jì)算與選型；第五步，結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、主要設(shè)備圖和廠區(qū)布置圖，并將其與本虛擬仿真工廠實(shí)際情況進(jìn)行比較，最后讓學(xué)生對此過程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能評價，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程能力的目標(biāo)。

五、設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

教學(xué)過程中，將學(xué)生分為兩組，在老師的指導(dǎo)下使學(xué)生不斷練習(xí)關(guān)鍵操作方法，一組負(fù)責(zé)DCS中控室操作，另一組負(fù)責(zé)現(xiàn)場操作。DCS控制和現(xiàn)場工藝主要有合成、急冷、回收和精制4個工段。兩組操作人員通過對講機(jī)互動，根據(jù)開車流程進(jìn)行聯(lián)合操作，打通從原料投入到產(chǎn)品輸出整個流程，使工藝過程參數(shù)達(dá)到設(shè)定要求，通過反復(fù)多次練習(xí)可使每組同學(xué)都能熟練掌握開車技術(shù)關(guān)鍵。

虛擬仿真工廠為學(xué)生提供了充分自主的操作時間和空間，教學(xué)中有意設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問題，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。以反應(yīng)器開車為例，其主要有反應(yīng)器燒氨和反應(yīng)器投丙烯兩大部分操作，學(xué)生需根據(jù)工藝條件進(jìn)行原料蒸發(fā)器液位、過熱器壓力、原料進(jìn)料流量、原料進(jìn)料溫度和反應(yīng)溫度的控制。有些設(shè)備操作條件必須達(dá)到設(shè)定值，才能進(jìn)行下一步操作，而有些設(shè)備操作條件未達(dá)到設(shè)定值可直接進(jìn)行下一步操作減少開停車時間，如空氣進(jìn)料溫度和液位沒有達(dá)到控制指標(biāo)時，可先將液氨蒸發(fā)器液位控制在50%，但最終進(jìn)入反應(yīng)器的順序必須是先空氣后氨氣。丙烯和氨蒸發(fā)器液位超過50%，既可通過減少液體進(jìn)料量，也可通過增加出氣量使液位穩(wěn)定在50%左右。通過對開車順序和異常狀況處理的大膽假設(shè)和嘗試，學(xué)生能夠在虛擬平臺中及時的驗(yàn)證，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和學(xué)習(xí)興趣。

六、教學(xué)效果實(shí)時評價，促進(jìn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)

丙烯腈虛擬仿真工廠為教學(xué)效果實(shí)時評價，促進(jìn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)提供了可能。以前，生產(chǎn)實(shí)習(xí)過程主要通過工廠工藝技術(shù)員給學(xué)生講授工藝流程和原理，然后帶學(xué)生到生產(chǎn)現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)，學(xué)生參與感不強(qiáng)，對化工實(shí)習(xí)的積極性不高，實(shí)習(xí)教學(xué)容易流于形式，教學(xué)效果難以實(shí)時體現(xiàn)，學(xué)生實(shí)習(xí)成績僅依據(jù)學(xué)生實(shí)習(xí)過程中的表現(xiàn)和實(shí)習(xí)報(bào)告來評判。利用丙烯腈虛擬仿真工廠，可以將考核方式改為由課堂練習(xí)成績、聯(lián)合操作考試成績及實(shí)習(xí)報(bào)告書面成績來綜合確定實(shí)習(xí)成績。實(shí)習(xí)過程中老師要求學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)前，對工藝原理和DCS操作原理進(jìn)行預(yù)習(xí)，每一位學(xué)生都要親自進(jìn)行仿真操作。課堂練習(xí)和考試均要求學(xué)生掌握DCS和現(xiàn)場聯(lián)合操作及團(tuán)隊(duì)成員協(xié)作完成冷態(tài)開車操作。通過評分系統(tǒng)自動打分，實(shí)時顯示分值，并及時統(tǒng)計(jì)成績，這樣考核評價實(shí)習(xí)成績客觀公正，極大地調(diào)動了學(xué)生參與實(shí)習(xí)的積極性。同時，從實(shí)時評價學(xué)生得分情況，反映出學(xué)生實(shí)習(xí)效果，可促進(jìn)教師不斷改進(jìn)教學(xué)方法，達(dá)成實(shí)踐教育教學(xué)目標(biāo)。

疫情防控時期，如疫情蔓延而導(dǎo)致學(xué)生無法到企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，可利用丙烯腈虛擬仿真工廠開展線上教學(xué)。學(xué)生們通過線上實(shí)習(xí)，熟悉丙烯腈生產(chǎn)工藝原理及DCS操作流程，虛擬仿真工廠作為學(xué)生理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐的重要補(bǔ)充，在化工實(shí)踐教學(xué)中很好地發(fā)揮作用。

七、結(jié) 語

運(yùn)用丙烯腈虛擬仿真工廠作為實(shí)踐教學(xué)平臺，以DCS和現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)合操作示范教學(xué)方法和虛實(shí)仿真相結(jié)合的教學(xué)過程體驗(yàn)，使學(xué)生能夠在工程實(shí)踐中相互協(xié)作，承擔(dān)起個體或負(fù)責(zé)人角色，可以提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。虛擬仿真工廠可以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新意識，可以實(shí)時考核實(shí)踐教學(xué)效果，更加科學(xué)合理地評價學(xué)生實(shí)習(xí)的綜合水平，滿足化工專業(yè)認(rèn)證關(guān)于持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)要求，以達(dá)成實(shí)踐教育教學(xué)目標(biāo)。