化工課程設計中設計與仿真平臺研究范文

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摘要：針對本科院校在培養學生工程實踐能力中所遇到的問題，我校擬探求一種將化工原理課程教學、實驗教學、課程設計與仿真平臺進行有效融合的一體化模式。利用仿真DCS人機界面，開發化工原理（精餾塔工藝）設計平臺軟件，使設計成品利用仿真平臺進行實際模擬測試，從投資、運行成本、操作可行性等方面進行反復驗證，這一過程將會極大地促進學生的工程實踐能力及創新能力的培養。

關鍵詞：設計與仿真平臺；實踐能力；人機界面

隨著我國市場經濟改革的不斷深入，應用型技術人才越來越受到社會的歡迎，工科學科的專業認證更是對畢業生應用能力提出了更高的要求[1]，如何使學生將理論知識應用到實際生產中，解決實際問題，是培養應用型人才必須考慮的問題[2]。化工工程設計是化工類學生所必需的一項技能，是從理論通向工程實際的橋梁，也是提高就業層次和就業率的重要手段之一[3]。“化工原理課程設計”是化工原理教學的一個重要組成部分，是一項重要的學生實踐[4]。在設計過程中，學生需要綜合運用所學課程知識，兼顧技術可行性和經濟合理性。然而，在化工原理課程設計課程的教學過程中，尚存在一些問題：（1）學生的工程意識較弱，由于對單元操作設備缺少感性認識，對設備操作及結構原理難以理解；（2）化工原理實驗裝置一般價格高、體積龐大、占地面積大，需要很大的人力物力消耗，盡管學校在強化化工原理教學方面做了大量工作，但實驗裝置和學生人數匹配度上仍存在很大問題，也就造成了學生在工程實踐方面訓練不足；（3）由于學生習慣于“教師講授為主”的被動教學模式，在進行課程設計這種需要獨立解決問題的題目時，感到茫然，難以順利入手，設計成品很少有更好的創新，學生對自己設計成品的優劣也無法準確判斷。為了有效克服上述缺陷，充分發揮學生學習的主動性，我校開發了一種將化工原理課程教學、實驗教學、化工原理課程設計教學與仿真平臺進行有效融合的一體化模式。學生根據化工原理所學課程知識利用軟件按照設計任務要求進行設計，設計成品利用仿真平臺進行實際模擬測試，對所進行的設計從投資、運行成本、操作可行性等方面進行反復驗證，優化其設計方案，這一過程不僅能夠有效提高學生設計的質量，也可以大大提高學生獨立學習的積極性和創新能力。化工原理（精餾塔工藝）仿真設計平臺分為兩部分，其一為優化設計模擬，其二為仿真操作。利用精餾仿真設計可以對精餾工藝中的關鍵設備精餾塔及換熱器進行優化設計及校核計算，為設備選型提供參數，對設計的合理性進行評價，考查學生設計的裝置是否兼顧操作彈性等多方面的因素，并對所設計的工藝流程進行能耗分析；其二為仿真模擬，構建真實的設備和流程場景，生產過程采用仿真運行，能很好地實現裝置的常規操作，開、停車練習，事故處理等方面的實訓學習，真正提升學生的工程實踐能力。

一、設計任務實施

將真實的設計計算過程與仿真操作驗證過程相結合，與虛擬的社會環境（任務獲取，設備選型采購等）相結合，具體過程包括：

1.根據設計任務進行仿真訓練，確定設計方案。為了更好讓學生理解課程設計的意義，在下達設計任務后，先讓學生在3D仿真軟件上進行訓練，并帶著問題進行思考，如：工藝流程中設置了哪些參數控制點？如何控制的？監測了哪些參數？在哪些部位設置的？在哪些部位設置了調節閥門？精餾塔塔頂為什么要設置回流罐和回流泵？為了防止事故的發生工藝中需要考慮哪些問題？工藝中公用工程物料有哪些？流程中哪些位置會產生能耗？這些問題要在相應的實習報告中體現出來，占設計成績的一部分。仿真訓練可以反復進行，有效強化了學生對工程實際生產過程的感性認識。通過仿真訓練，學生對設備、管路、廠區布局、參數控制等有了相當的認識后，還要進行工藝方案確定，學生需要回答如下問題：（1）塔頂冷凝器采用哪種冷卻劑？冷卻劑進出口溫度如何設定？（2）是否要采用原料預熱器？從投資及能耗進行考慮。（3）預熱器及塔底再沸器采用哪種加熱劑？溫度如何設定？（4）精餾塔采用填料塔還是板式塔？

2.進行工藝設計。確定了工藝方案后，開始進行設計計算，設計計算鼓勵學生采用大型模擬軟件進行設計，設計包含的內容主要有精餾塔主體及結構設計、輔助設備設計計算及選型、管路計算及選型、經濟指標評估等內容。

3.利用仿真平臺對設計成品進行驗證調試。計算完成后將設計結果與仿真平臺所提供的精餾塔設計模擬軟件和換熱器設計模擬軟件進行校核計算，并進行對比優化，找出自己設計中出現的問題。驗證操作結束后，對操作過程中的電耗、水耗、原料等各項成本進行經濟核算，計算得到生成單位質量產品所需成本。

4.優化設計成品。根據在仿真訓練中對精餾工藝的認識，對自己的設計進行論證和核算，如無法滿足設計要求，或成本超標，學生應重新審核、修正自己的設計，并提出自己設計方案的優缺點。

二、達成目標

1.計算機設計軟件輔助教學。在進行設計計算時，強調要求學生采用設計軟件（如Aspen）等進行計算，利用各種繪圖軟件如AutoCAD等來完成繪制工程圖紙的設計工作，并鼓勵學生采用PDMS等三維CAD軟件繪制三維模型圖紙。化工生產過程多是連續的和復雜的，涉及許多原料、輔料、中間產品、成品和副產品，經過各種設備和機器，有時還有若干物流在系統中循環，設計過程的復雜性使得當今的設計工作越來越多地依賴各種軟件進行輔助設計，這些軟件的使用將會極大地提高設計工作效率，保證設計質量。

2.探究以學生為主教師為輔的教學模式。《化工原理》課程學習及化工課程設計是理論聯系實際的專業課，為了讓學生真正認識到課程的重要性和實用性，必須改變以教師講授為主的被動學習模式。完成《化工原理》教學后，學生進行設計所需要的理論基礎已經具備，學生可以自己嘗試進行設計性的工作，在整個設計過程中，可采取以學生為主，教師引導的教學模式，讓學生充分發揮其主觀能動性，將知識活學活用，提高其分析問題和解決問題的能力；而設計工作又可以進一步促進《化工原理》的教學，通過設計、模擬、驗證等各個環節的訓練，學生對《化工原理》課程中所涉及的各個單元操作的認識也進一步加深。

參考文獻：

[1]陳勇.應用型大學化工原理課程教學中的工程素養教育[J].化工高等教育,2017,(158):75-78.

[2]白娟,張興法.應用型高校化工原理課程教學改革探究[J].廣州化工,2014,42(22):172-173.

[3]劉瑞江,張業旺,李紅霞,柳春華.化工原理課程設計實踐教學研究[J].實驗科學與技術,2015,13(2):92-95.

[4]衛粉艷.課程設計在提升化工教學質量中的作用[J].廣州化工,2017,45(10):184-185.

作者：盧素敏 劉秀軍 郭玉高 張慶印 管山 單位：天津工業大學