高曉新，王志，程秋冉，陸凱銳，楊 溢

（常州大學石油化工學院，江蘇常州 213164）

0 引言

建設(shè)新工科、培養(yǎng)新工科人才是高等學校目前急需解決的問題，目前重視實踐操作而忽視理論知識，或者重視理論知識強調(diào)實踐操作，沒有達到兩者的有機統(tǒng)一。理論知識和實踐能力如何相互滲透、相互促進對于高校提高學生工程實踐能力顯得尤為重要［1-2］。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等學科的發(fā)展，現(xiàn)在利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，實施數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化工廠也是趨勢所在［3-4］。數(shù)字化工廠是與一個真實的工廠對應的，通過過程建模為基礎(chǔ)，三維模型展示，仿真實踐操作，通過平臺對接反映工廠運行數(shù)據(jù)的過程。整個數(shù)字化工廠實踐工程能力過程如圖1 所示。由圖1 可見，數(shù)字化工廠中過程分析與優(yōu)化結(jié)果為工廠三維布置設(shè)計管理系統(tǒng)（Plant Design Management System，

圖1 數(shù)字化工廠實踐能力培養(yǎng)方案

PDMS）提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，PDMS 為仿真過程操作提供界面，三者相輔相成，緊密性強；該過程不僅覆蓋化工熱力學、傳質(zhì)與動力、反應工程等學科理論知識，而且在PDMS設(shè)計中提高學生實踐操作能力，對于設(shè)計模型、工廠模型、仿真模型等進行機理探究，更重要的是進行情景式教學法，在三維仿真操作實現(xiàn)一體化教學，整個過程提升教學理論內(nèi)容、強化操作能力、注重實踐的有機結(jié)合。以甲醇合成精制工藝為背景，介紹提升數(shù)字化工程實踐能力研究過程。

1 過程分析與優(yōu)化

對煤化工合成氣合成甲醇與精制過程進行了工藝分析，使用化工熱力學、傳質(zhì)與分離過程、化學反應工程等學科知識，首先對于甲醇合成精制工藝要使用過程工程的先進系統(tǒng)（Aspen Plus）軟件對過程進行分析，基于結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）數(shù)據(jù)庫選擇合適的熱力學狀態(tài)方程，建立物質(zhì)的二元交互參數(shù)，對物性數(shù)據(jù)進行分析；其次在熱力學模型正確情況下進入模擬環(huán)境進行過程建模，使用單元操作構(gòu)建工藝流程，輸入原料的質(zhì)量（或者流率）、組成、相態(tài)、溫度、壓力等參數(shù)，使用序貫模塊法進行求解，在含有循環(huán)回路的流程中，需要設(shè)定撕裂物流，對于撕裂物流，Aspen Plus先賦予其初值，然后進行計算，得到該物流的一個計算值，將計算值與初值進行比較，若在容差范圍內(nèi)，則迭代終止，否則將計算值作為下一次迭代的初值進行計算，直至前后兩次的差值在容差范圍內(nèi)；最后使用設(shè)計規(guī)定和靈敏度分析等工具對工藝進行優(yōu)化，使用根據(jù)物料和能量衡算結(jié)果，補充相關(guān)數(shù)據(jù)計算設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸［5-6］。

在運用Aspen Plus 模擬時，不同的過程需要不同的單元操作模塊（化工單元操作的數(shù)學模型）來支持。本文甲醇合成精制工藝涉及的幾種單元操作模塊如表1 所示。

表1 甲醇合成和精制工藝涉及的單元操作模塊

甲醇合成精制工藝模擬流程如圖2 所示，由外界來的合成氣（一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4））與壓縮機（C101）出口的循環(huán)氣混合后，通過換熱器（E101）加熱后進入反應器（R101），R101 底部出來的高溫反應氣體在換熱器（E102）內(nèi)用水冷卻后進入氣液分離器（V101），分離得到的氣體經(jīng)過壓縮機壓縮后循環(huán)使用，液體進入甲醇精制工段。粗甲醇進入脫烴塔（T201），在塔頂脫除低沸點組分，塔底組分進入甲醇精制塔（T202），塔頂?shù)玫胶细窦状籍a(chǎn)品。

圖2 甲醇合成和精制工藝模擬流程

1.1 反應器設(shè)備計算

使用國產(chǎn)NC309 催化劑，反應活性溫度為190～290 ℃，反應壓力為4～8 MPa，選取一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）加氫合成甲醇的反應，動力學選取Langmuir-Hinshelwood形式，反應速率以氣相組分逸度來表示：

根據(jù)相關(guān)資料確定反應本征動力學方程為k1＝0.611×103exp（-5.510×104／RT），k2＝2.455×103exp（-6.630 ×104／RT）［7-9］。根據(jù)反應的選擇性、轉(zhuǎn)化率以及收率來確定反應器設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化后反應器最佳工藝操作參數(shù)如表2 所示。

表2 反應器最佳工藝操作參數(shù)表

1.2 精餾塔的設(shè)計與優(yōu)化

脫烴塔（T101）的主要目的是將經(jīng)過汽液分層罐后的液體中夾帶的少量氣體脫除，并且盡量少減少甲醇的損失。塔的操作壓力設(shè)置為1.2 MPa。甲醇精制塔的主要目的是將經(jīng)過脫烴塔后的粗甲醇進行進一步提純，得到符合產(chǎn)品要求的精制甲醇。兩塔均采用PENG-ROB 狀態(tài)方程模型，在經(jīng)過基于Fenske-Underwood-Gilliland法的簡捷設(shè)計模塊（DSTWU）獲得兩塔理論板數(shù)、進料板位置以及回流比等參數(shù)［10-12］，兩塔的順序迭代優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 順序迭代優(yōu)化流程

在簡捷設(shè)計模塊獲得兩塔理論板數(shù)、進料板位置以及回流比等參數(shù)代入嚴格精餾模塊（RadFrac）進行詳細計算，使用設(shè)計規(guī)定以及靈敏度分析優(yōu)化參數(shù)，最終得到脫烴塔和甲醇精制塔最佳工藝參數(shù)如表3所示。

表3 脫烴塔和甲醇精制塔最佳工藝操作參數(shù)表

2 PDMS三維設(shè)計

使用三維模型軟件構(gòu)建工廠，能涵蓋廠區(qū)布置、車間布置、設(shè)備布置、管道布置等，將廠區(qū)通過三維實現(xiàn)設(shè)備、配管、鋼結(jié)構(gòu)、消防水池及暖通等一體化操作。使用三維軟件對于過程分析與優(yōu)化得到設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸首先經(jīng)過計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件繪制（管道儀表流程圖（PID）圖紙、工藝物料平衡圖（PFD）圖紙、廠區(qū)布置圖等二維圖紙，然后PDMS 開放的可編程宏語言與通用的數(shù)據(jù)庫連接，使用自動制圖（AutoDraft）程序?qū)DMS與CAD接口對接，將二維圖紙與三維進行轉(zhuǎn)換。PDMS三維可以對管道的保溫等級、壓力等級、材質(zhì)方面進行設(shè)計，更加符合工廠的實際狀態(tài)，三維配管的出現(xiàn)能有效消除管道碰撞的問題，消除了安全隱患，提高了設(shè)計工作效率［13-14］。PDMS完成三維建模導入Lumion 進行渲染，以達到最真實的效果，最后用Sketch Up軟件完成三維可視化界面。三維可視化流程界面過程如圖4 所示。

圖4 三維可視化工藝流程

3 仿真過程操作

實習是實踐教學中非常重要的一個環(huán)節(jié)，虛擬仿真結(jié)合真實的生產(chǎn)運行場景、融入現(xiàn)代工廠運行管理模式，構(gòu)建理論與實踐高度融合的“現(xiàn)代企業(yè)情景式”教學環(huán)境，研究以工廠實習和三維虛擬仿真工廠實習相互交融的新型實習實訓教學模式以及虛實結(jié)合的實驗教學模式，解決好傳統(tǒng)理論教學與學生工程能力培養(yǎng)的矛盾，通過虛實結(jié)合破解實驗實習難的問題，拓展教學的深度和廣度、加深學科知識理解、優(yōu)化實踐教學體系，培養(yǎng)卓越創(chuàng)新人才［15-16］。虛擬仿真實驗教學體系如圖5 所示。以新工科建設(shè)的產(chǎn)業(yè)需求導向為基礎(chǔ)，以學生為中心，使學生在化工生產(chǎn)仿真實習過程中，從初步的工藝認識到單元裝置的操作、生產(chǎn)工段開車、多組協(xié)作的優(yōu)化生產(chǎn)，使學生的工程意識、工程素質(zhì)、工程實踐能力顯著提升［7］。通過工藝推演、生產(chǎn)流程的獨自摸索、生產(chǎn)裝置及控制儀表的認知，學生在仿真生產(chǎn)環(huán)境下，感悟化工安全生產(chǎn)的特性，構(gòu)建出自己認知的工程意識；通過3D 虛擬仿真DCS 操作工（內(nèi)操）、化工操作工（外操）培訓，使學生掌握內(nèi)操、外操的操作和控制方法，達成深入感知，使其具備工程素質(zhì)；通過甲醇合成精制仿真生產(chǎn)裝置的在線協(xié)同操作、輪崗操作、產(chǎn)品的經(jīng)濟指標及物料消耗表，使學生完成虛擬生產(chǎn)任務，達成專項訓練，使其工程實踐能力提升。

圖5 虛擬仿真實驗教學體系

實驗項目網(wǎng)絡(luò)使用便捷，網(wǎng)絡(luò)平臺擁有甲醇合成反應工段、精制工段、事故處理等教學資源，有完善的管理和評價體系。首次下載客戶端通過網(wǎng)絡(luò)認證便可以滿足大規(guī)模線上使用；在線仿真實習項目具有教師錄制仿真課程操作過程，在線答疑以及學生交流，甲醇合成精制過程設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)和操作手冊，便于學生自主學習［17］；能夠保證在線管理和考試的順利開展，保證教師大規(guī)模網(wǎng)上授課的開展，通過線上和線下相結(jié)合，老師對于授課時間為9 學時，學生訓練為11 學時開通在線虛擬仿真教學后，教師的授課質(zhì)量沒變，但學生不受時間和地點限制，培訓時間大大增加，滿足學生的需求和學生的個性化學習，學生自主規(guī)劃學習內(nèi)容、學習節(jié)奏、風格和呈現(xiàn)知識的方式，主動學習實踐，獲得更深層次的理解，學生教師有更多時間相互交流。

另外根據(jù)生產(chǎn)實習課程的學習特點，通過PFD 圖紙學習了解工藝流程；三維工廠漫游熟悉生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)原理、各類動設(shè)備、靜設(shè)備、物料管道、廠區(qū)車間布置、安全消防設(shè)施；工藝仿真操作練習開停車過程中操作策略、工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和事故處理。通過由簡單到復雜、由易到難、由單一操作到聯(lián)合協(xié)同操作的多層次教學實施過程如圖6 所示，學生可達到掌握解決復雜化工過程問題的能力，提升工程實踐的能力。

圖6 多層次教學實施過程關(guān)系圖

4 結(jié)語

為了進一步提高學生實踐能力，以甲醇合成精制工藝為背景，在數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化工程實踐中提高數(shù)字化工程能力方面分別從過程分析與優(yōu)化、PDMS 設(shè)計、仿真過程操作進行了研究，該過程通過理論分析、構(gòu)建三維工廠到仿真實踐操作應用了多門學科知識、多種教學方法、多種軟件實踐操作，多層次提高了學生知識涵養(yǎng)、工程能力、問題分析能力以及團隊合作精神。