化工仿真实习教学的创新

化工仿真实习教学的创新1、教学过程中出现的问题华南理工大学化学与化工学院化工仿真实验室现有50台计算机，由于仿真实习的学时所限，采用3种化工过程典型单元、工段仿真软件，分别是加热炉、65t/h锅炉、30万t/a合成氨转化工段。面向的学生有化学工程与工艺、制药工程、能源工程、应用化学专业的学生。由于该门课程所涉及的专业较多，学生之前所学的基础知识不同，教材中所介绍的仿真实习内容较为简单，对实习任务的一些相关的知识点没有提及，比如控制系统，学生不能很好地理解所叙述的仿真实习任务。学生在仿真操作过程中出现赶进度、急于求成的现象。为了解决教学过程中存在的问题，需要对《仿真实习》课程进行教学改革，以期提高教学效果。2、增加化工过程控制系统内容由于应用化学、制药工程专业的学生没上过化工过程控制系统的内容，化学工程与工艺专业的学生只有少部分学生选修过化工过程控制系统。学生对控制系统中调节器的给定值、当前值、调节阀的开度、手动控制、自动控制这些内容不理解，不能很好地设定调节器。而在仿真实习操作过程中需要充分了解化工过程控制系统的内容，才能很好地进行控制系统的投运。因此，我们在课程教学中增加化工过程控制系统的内容，并且所举的例子是以仿真实习中的控制系统为例，比如65t/h锅炉中的蒸汽压力控制系统，合成氨转化工段中汽包水位串级控制系统和石脑油流量、水蒸汽流量的比值控制系统。以控制系统流程图、控制系统方块图来加以说明。教学中增加过程控制系统的内容，使学生能够认识仿真实习中出现的每个控制系统，了解每个控制系统的被控变量、执行器以及调节器的投运等，使学生在调节过程中得心应手。3、增加AspenPlus流程模拟内容化工过程系统稳态模拟的目的是通过对某一化工系统建立数学模型，利用对数学模型的求解，研究这一化工系统的整体稳态特性，即通过稳态过程模拟，分析系统中各单元输入、输出物流，设备结构产生和操作参数间的关系及对系统整体特性的影响。AspenPlus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部20世纪70年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”(AdvancedSystemforProcessEngineering，简称ASPEN)，并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为AspenPlus[5]。该软件经过不断地改进、扩充和提高，已先后推出了多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是AspenPlus的用户。仿真实习中增加自主设计创新内容——化工过程流程模拟软件AspenPlus及其操作步骤。利用当今最流行的AspenPlus软件，学生可以自己组建一个生产流程、输入物料组分、流量以及温度、压力、优化等实验条件，通过计算得到结果，完全按照学生的意愿进行。并举了几个例子(如：混合气体的冷却过程模拟实验、闪蒸过程模拟实验)介绍AspenPlus的功能，学生按照书上的步骤即可模拟运行过程流程。这是对化工过程仿真的一个有益的补充，使学生能全面把握化工过程的仿真、流程模拟。4、集中授课模式改为分散授课模式在课程改革之前，采用集中授课模式，该模式是采用教师集中授课，讲授仿真实习界面的功能，三个仿真实习任务的目的、原理、流程走向、设备结构，仿真操作的一些注意事项，评分考核等内容，把所有的内容讲授完后，由学生自行操作，教师辅助指导。由于三个仿真实习任务的流程多而杂，相关的知识点比较多，这种集中授课模式直接导致学生一下子难于掌握老师所讲的所有内容。当学生做加热炉仿真实习任务的时候，由于该任务比较简单，流程也简单易懂，可以很好地完成该项实习任务，但到65t/h时锅炉和30万t/a合成氨转化工段的时候，由于这两个仿真实习任务的内容和难度加大，操作步骤也更加繁多，出现的问题也越多，对于老师课上所讲的内容学生操作时可能基本忘记，一些知识点也没有记住，比如串级控制系统的调节，教师在课堂上演示了一遍，但是学生操作时仍旧忘记。集中授课模式还造成一些学生赶进度，做完一个仿真实习任务后紧接着做下一个任务，对于具体的内容不求甚解，应付了事。通过课程改革，改变集中授课模式为分散授课模式。分散授课模式是指所有的课程内容不是集中一次讲完，而是分成几次课程讲授。第一次课讲授仿真实习界面的功能、仿真操作的一些注意事项、评分考核、课程安排以及加热炉仿真实习任务，用一个上午的时间讲完，下午学生自行上机进行加热炉仿真操作，教师辅助指导，解答学生提出的问题。加热炉的操作较为简单，学生用一个下午的时间就能全部完成，而且得到的分数都很高。第二天上午讲授65t/h锅炉仿真实习任务，讲完课后学生可以立即进行操作。由于该仿真实习操作步骤较多，调节起来比较繁琐，该仿真实习任务我们安排两天的时间做完。第四天上午讲授30万t/a合成氨转化工段，讲完后学生自行操作。这项实习任务的操作步骤更多，有氮循环、氨裂解、投油、加空气、系统负荷逐渐上升等操作。一段转化炉的温度上升过程中，一炉转化炉的烟气温度、对流段的各个换热器的出口温度也会随之上升，容易超过限制温度而报警，此时需要学生采取调节措施使温度处于正常值。这些操作比较耗时，容易出错，我们安排3天的时间来完成该项仿真实习任务，由于电脑系统的保护作用，第2天学生重做的时候必须从头来过，通过反复训练，使学生对过程了解透彻，达到熟能生巧的目的。第7天讲授AspenPlus流程模拟软件，学生自行练习。第8天上午考试。通过分散教学模式，学生有充裕的时间完成每一个任务，由于没有新的任务等待，学生可以耐心地把当前的任务做好，不急于求成。做完当前的实习任务，时间充裕的学生还会把停车部分做完。对于实习过程中出现的问题会耐心地寻求问题所在，从而解决问题。改革后的教学方式克服了学生调节时急躁的现象。在仿真操作过程中，不能为了追求速度而大幅度调整阀门。因为化工过程操作是一个平稳缓慢变化的过程，一个参数的细微变化有可能导致另一个参数的巨大变化，这对整个化工系统的承受能力是重大的考验。在仿真操作时，有时一些参数的变化不是特别灵敏，有一定的响应时间，若调节时未见参数变化而加大开度，待响应时降低开度，此时该参数将继续上升而导致发生警报。这些都需要学生耐心的操作，才能保证系统不会大起大落。通过合理安排仿真实习时间，控制学生的操作进度，使学生可以耐心、细心地完成所有的仿真实习内容。仿真实习内容分阶段完成，保证所有学生都能按照规定的时间安排完成仿真实习任务，同时教师可以掌握所有学生的实习情况，对实习过程中出现的问题统一讲解。5、考核方式我们从仿真操作、考试、报告三方面来衡量学生的仿真实习成绩，通过权衡各项的难易程度，调整各项考核成绩所占的比例。其中，加热炉仿真操作占10%;锅炉仿真操作占20%;合成氨转化工段仿真操作占45%;考试是以开卷的形式，出一些选择题来检测学生对仿真实习操作的掌握程度，占15%;仿真实习报告主要是写学生在操作过程中出现的问题、如何解决问题以及实习的心得体会，占10%。调整后的考核方式更科学、合理。6、编写适合自身教学模式的仿真实习教材由于目前已出版的《化工仿真实习指南》中所介绍的仿真实习任务较多，新编的教材采用原教材中的三个仿真实习任务，并采用不同于原教材的编著方式，以学生最常见的实验操作指导书的方式来编写。教材内容包括五个部分：仿真实习技术、智能控制(IPC)模式仿真实习界面、化工过程控制系统、智能控制(IPC)模式仿真实习、化工过程流程模拟。教材详细介绍每个仿真实习任务的实验目的、基本原理、主要实验设备、工艺流程简介、流程图说明、控制系统简介、仿真实验操作步骤、实验数据记录等内容。增加了一些相关的知识点，比如：一段转化反应的影响因素，一段转化炉、二段转化炉的介绍等。由于原有教材中所叙述的一些设备在流程图上没有标明，例如锅炉中的省煤器、混合联箱等，学生不能直观地认识设备在流程图上所处的位置，不利于理解整个流程。我们把主要实验设备以图上标示的方式标出每个设备的名称，使学生一目了然，如图1所示30万t/a合成氨转化工段工艺设备图。以操作流程框图的方式把复杂繁多的步骤整理出来，使步骤清晰明了，如图2所示30万t/a合成氨转化工段仿真操作框图。增加实验数据记录的内容，根据不同的记录时刻记录实验数据，作为考核学生的依据。本教材能使学生更全面地了解化工仿真实习、化工过程流程模拟的内容，锻炼了学生从化工专业角度思考问题，分析、综合的能力。通过观察、联想、探索，提高学生的认知能力，从直观到思维上把握了化工过程仿真的属性及其内在联系。7、结束语我们对化工仿真实习的教学内容、教学模式、考核方式、教材四个方面进行教学改革，通过教学实践，证明改革