化工仿真實習教學的創新

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1教學過程中出現的問題

華南理工大學化學與化工學院化工仿真實驗室現有50臺計算機，由于仿真實習的學時所限，采用3種化工過程典型單元、工段仿真軟件，分別是加熱爐、65t/h鍋爐、30萬t/a合成氨轉化工段。面向的學生有化學工程與工藝、制藥工程、能源工程、應用化學專業的學生。由于該門課程所涉及的專業較多，學生之前所學的基礎知識不同，教材中所介紹的仿真實習內容較為簡單，對實習任務的一些相關的知識點沒有提及，比如控制系統，學生不能很好地理解所敘述的仿真實習任務。學生在仿真操作過程中出現趕進度、急于求成的現象。為了解決教學過程中存在的問題，需要對《仿真實習》課程進行教學改革，以期提高教學效果。

2增加化工過程控制系統內容

由于應用化學、制藥工程專業的學生沒上過化工過程控制系統的內容，化學工程與工藝專業的學生只有少部分學生選修過化工過程控制系統。學生對控制系統中調節器的給定值、當前值、調節閥的開度、手動控制、自動控制這些內容不理解，不能很好地設定調節器。而在仿真實習操作過程中需要充分了解化工過程控制系統的內容，才能很好地進行控制系統的投運。因此，我們在課程教學中增加化工過程控制系統的內容，并且所舉的例子是以仿真實習中的控制系統為例，比如65t/h鍋爐中的蒸汽壓力控制系統，合成氨轉化工段中汽包水位串級控制系統和石腦油流量、水蒸汽流量的比值控制系統。以控制系統流程圖、控制系統方塊圖來加以說明。教學中增加過程控制系統的內容，使學生能夠認識仿真實習中出現的每個控制系統，了解每個控制系統的被控變量、執行器以及調節器的投運等，使學生在調節過程中得心應手。

3增加AspenPlus流程模擬內容

化工過程系統穩態模擬的目的是通過對某一化工系統建立數學模型，利用對數學模型的求解，研究這一化工系統的整體穩態特性，即通過穩態過程模擬，分析系統中各單元輸入、輸出物流，設備結構產生和操作參數間的關系及對系統整體特性的影響。AspenPlus是大型通用流程模擬系統，源于美國能源部20世紀70年代后期在麻省理工學院（MIT）組織的會戰，開發新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統”（AdvancedSystemforProcessEngineering，簡稱ASPEN），并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為AspenPlus[5]。該軟件經過不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應用案例數以百萬計。全球各大化工、石化、煉油等過程工業制造企業及著名的工程公司都是AspenPlus的用戶。仿真實習中增加自主設計創新內容——化工過程流程模擬軟件AspenPlus及其操作步驟。利用當今最流行的AspenPlus軟件，學生可以自己組建一個生產流程、輸入物料組分、流量以及溫度、壓力、優化等實驗條件，通過計算得到結果，完全按照學生的意愿進行。并舉了幾個例子（如：混合氣體的冷卻過程模擬實驗、閃蒸過程模擬實驗）介紹AspenPlus的功能，學生按照書上的步驟即可模擬運行過程流程。這是對化工過程仿真的一個有益的補充，使學生能全面把握化工過程的仿真、流程模擬。

4集中授課模式改為分散授課模式

在課程改革之前，采用集中授課模式，該模式是采用教師集中授課，講授仿真實習界面的功能，三個仿真實習任務的目的、原理、流程走向、設備結構，仿真操作的一些注意事項，評分考核等內容，把所有的內容講授完后，由學生自行操作，教師輔助指導。由于三個仿真實習任務的流程多而雜，相關的知識點比較多，這種集中授課模式直接導致學生一下子難于掌握老師所講的所有內容。當學生做加熱爐仿真實習任務的時候，由于該任務比較簡單，流程也簡單易懂，可以很好地完成該項實習任務，但到65t/h時鍋爐和30萬t/a合成氨轉化工段的時候，由于這兩個仿真實習任務的內容和難度加大，操作步驟也更加繁多，出現的問題也越多，對于老師課上所講的內容學生操作時可能基本忘記，一些知識點也沒有記住，比如串級控制系統的調節，教師在課堂上演示了一遍，但是學生操作時仍舊忘記。集中授課模式還造成一些學生趕進度，做完一個仿真實習任務后緊接著做下一個任務，對于具體的內容不求甚解，應付了事。通過課程改革，改變集中授課模式為分散授課模式。分散授課模式是指所有的課程內容不是集中一次講完，而是分成幾次課程講授。第一次課講授仿真實習界面的功能、仿真操作的一些注意事項、評分考核、課程安排以及加熱爐仿真實習任務，用一個上午的時間講完，下午學生自行上機進行加熱爐仿真操作，教師輔助指導，解答學生提出的問題。加熱爐的操作較為簡單，學生用一個下午的時間就能全部完成，而且得到的分數都很高。第二天上午講授65t/h鍋爐仿真實習任務，講完課后學生可以立即進行操作。由于該仿真實習操作步驟較多，調節起來比較繁瑣，該仿真實習任務我們安排兩天的時間做完。第四天上午講授30萬t/a合成氨轉化工段，講完后學生自行操作。這項實習任務的操作步驟更多，有氮循環、氨裂解、投油、加空氣、系統負荷逐漸上升等操作。一段轉化爐的溫度上升過程中，一爐轉化爐的煙氣溫度、對流段的各個換熱器的出口溫度也會隨之上升，容易超過限制溫度而報警，此時需要學生采取調節措施使溫度處于正常值。這些操作比較耗時，容易出錯，我們安排3天的時間來完成該項仿真實習任務，由于電腦系統的保護作用，第2天學生重做的時候必須從頭來過，通過反復訓練，使學生對過程了解透徹，達到熟能生巧的目的。第7天講授AspenPlus流程模擬軟件，學生自行練習。第8天上午考試。通過分散教學模式，學生有充裕的時間完成每一個任務，由于沒有新的任務等待，學生可以耐心地把當前的任務做好，不急于求成。做完當前的實習任務，時間充裕的學生還會把停車部分做完。對于實習過程中出現的問題會耐心地尋求問題所在，從而解決問題。改革后的教學方式克服了學生調節時急躁的現象。在仿真操作過程中，不能為了追求速度而大幅度調整閥門。因為化工過程操作是一個平穩緩慢變化的過程，一個參數的細微變化有可能導致另一個參數的巨大變化，這對整個化工系統的承受能力是重大的考驗。在仿真操作時，有時一些參數的變化不是特別靈敏，有一定的響應時間，若調節時未見參數變化而加大開度，待響應時降低開度，此時該參數將繼續上升而導致發生警報。這些都需要學生耐心的操作，才能保證系統不會大起大落。通過合理安排仿真實習時間，控制學生的操作進度，使學生可以耐心、細心地完成所有的仿真實習內容。仿真實習內容分階段完成，保證所有學生都能按照規定的時間安排完成仿真實習任務，同時教師可以掌握所有學生的實習情況，對實習過程中出現的問題統一講解。

5考核方式

我們從仿真操作、考試、報告三方面來衡量學生的仿真實習成績，通過權衡各項的難易程度，調整各項考核成績所占的比例。其中，加熱爐仿真操作占10%；鍋爐仿真操作占20%；合成氨轉化工段仿真操作占45%；考試是以開卷的形式，出一些選擇題來檢測學生對仿真實習操作的掌握程度，占15%；仿真實習報告主要是寫學生在操作過程中出現的問題、如何解決問題以及實習的心得體會，占10%。調整后的考核方式更科學、合理。

6編寫適合自身教學模式的仿真實習教材

由于目前已出版的《化工仿真實習指南》中所介紹的仿真實習任務較多，新編的教材采用原教材中的三個仿真實習任務，并采用不同于原教材的編著方式，以學生最常見的實驗操作指導書的方式來編寫。教材內容包括五個部分：仿真實習技術、智能控制（IPC）模式仿真實習界面、化工過程控制系統、智能控制（IPC）模式仿真實習、化工過程流程模擬。教材詳細介紹每個仿真實習任務的實驗目的、基本原理、主要實驗設備、工藝流程簡介、流程圖說明、控制系統簡介、仿真實驗操作步驟、實驗數據記錄等內容。增加了一些相關的知識點，比如：一段轉化反應的影響因素，一段轉化爐、二段轉化爐的介紹等。由于原有教材中所敘述的一些設備在流程圖上沒有標明，例如鍋爐中的省煤器、混合聯箱等，學生不能直觀地認識設備在流程圖上所處的位置，不利于理解整個流程。我們把主要實驗設備以圖上標示的方式標出每個設備的名稱，使學生一目了然，如圖1所示30萬t/a合成氨轉化工段工藝設備圖。以操作流程框圖的方式把復雜繁多的步驟整理出來，使步驟清晰明了，如圖2所示30萬t/a合成氨轉化工段仿真操作框圖。增加實驗數據記錄的內容，根據不同的記錄時刻記錄實驗數據，作為考核學生的依據。本教材能使學生更全面地了解化工仿真實習、化工過程流程模擬的內容，鍛煉了學生從化工專業角度思考問題，分析、綜合的能力。通過觀察、聯想、探索，提高學生的認知能力，從直觀到思維上把握了化工過程仿真的屬性及其內在聯系。

7結束語

我們對化工仿真實習的教學內容、教學模式、考核方式、教材四個方面進行教學改革，通過教學實踐，證明改革后的教學形式對于提高學生在仿真操作過程中的耐心和細心、發現問題和解決問題具有一定的幫助，提高了仿真實習的成效，讓學生獲益匪淺。

作者：鄭秀玉李瓊單位：華南理工大學化學與化工學院