基于半實物煤制甲醇實訓平臺的開放實驗教學

王訓遒， 寧卓遠， 陳衛航

(鄭州大學 化工與能源學院， 河南 鄭州 450001)

基于半實物煤制甲醇實訓平臺的開放實驗教學

王訓遒， 寧卓遠， 陳衛航

(鄭州大學 化工與能源學院， 河南 鄭州 450001)

以煤氣化制甲醇工業生產流程為背景，建成了半實物煤制甲醇實訓平臺。學生在該平臺上可完成煤氣化、合成氣變換、低溫甲醇洗、甲醇合成與精制等5個工段的開車、停車以及故障處理等操作。3年多的運行表明，學生參與積極性高，通過實訓培養了學生的化工流程觀念和團隊協作精神，提高了學生的工程素養和創新能力。該實訓平臺為工程專業認證及卓越工程師計劃的實施奠定了基礎。

煤制甲醇； 實訓； 開放實驗； 教學實踐

實踐教學是工科專業人才培養的重要內容，強化工程實踐能力培養是工程類學科提高教學質量的關鍵所在[1-3]。在培養化工類專業學生的工程能力方面，實驗教學具有課堂教學所無法替代的作用，是培養學生工程能力的“主戰場”[4-5]。實習是高等學校化學工程類專業非常重要的實踐性教學環節，對于學生加深所學理論知識的理解、增強對所學專業的感性認識、提高分析問題和解決問題的能力以及動手能力起著重要作用[6-7]。

目前，高校化工及相關專業的實踐教學環節所占學時都不少，但是實習和實驗等教學環節卻往往存在問題。

(1) 實習難，效果不佳。主要是難于聯系實習場所、難于接近生產裝置、難于動手操作。由于化工生產所涉及物料多為易燃、易爆、有毒物質，且許多生產過程都是連續的，從生產和安全的角度，企業是不太愿意接納學生實習的，即使接納學生實習，也只是帶學生簡單參觀一下主要設備和中控室，不但時間很短，而且難以近距離觀察，更無法進行相關操作，學生難以在實習中建立化工流程的概念、提高工程實踐能力[8-12]。

(2) 實驗教學項目驗證性內容多、綜合性內容少[13]，特別是能綜合多門課程內容的實驗更少。鄭州大學化工與能源學院現有化學工程與工藝、制藥工程、過程裝備與控制工程、熱能與動力工程、環境科學、安全工程等6個本科專業，開設專業基礎實驗和專業實驗項目110余個，但綜合性實驗項目只有三分之一左右，2011年以前沒有開設大型綜合性實驗項目。

為了彌補實踐教學的不足，鄭州大學利用國家“中央與地方共建高等學校優勢學科實驗室”項目的專項資金，投入近600萬元，聯合天津睿智天成有限公司以及北京東方仿真有限公司共同開發了“半實物仿真工廠——流程級煤制甲醇仿真實訓裝置”。該項目2009年啟動，分兩期建設，2013年12月全部建成。該平臺填補了鄭州大學大型化工綜合實驗項目的空白，為工程專業認證及卓越工程師計劃的實施奠定了基礎。

1 實訓平臺的構成與特色

流程級半實物煤制甲醇仿真實訓平臺屬于第三代仿真技術——“半實物仿真工廠”，包括煤氣化、合成氣變換、低溫甲醇洗、甲醇合成和甲醇精制等5個工段，部分生產現場場景如圖1所示。實訓工藝是以河南煤化集團義馬氣化廠生產工藝為背景，該系統的操作環境與生產中的中控室相似，操作參數、故障設置、出現故障時參數的變化及處理方法均來源于企業。仿真軟件提供了一個與真實生產裝置非常相似的操作環境，其中各種畫面的布置、顏色、數值信息動態顯示、狀態信息動態指示、操作方式等均與真實化工裝置的DCS操作環境相同，仿真操作在“仿控制室”內進行。

圖1 實訓平臺現場場景

學生在仿真系統上操作訓練不會發生人身傷害、設備損壞、環境污染，實訓過程安全、經濟、環保。學生認識各種顯示儀表，體驗各種閥門的使用方法，按照操作規程完成單元設備或過程的冷態開車、停車及事故處理。貼近真實生產操作系統的界面具有很強的交互性、重復性，在仿真系統上可反復進行開車訓練、停車訓練和事故處置訓練。系統具有時標設定、快門設定、程序凍結、畫面選擇、成績評定、趨勢記錄、參數修改和綜合報表等功能，能夠幫助學生了解典型的化學工藝過程原理、生產方法、工藝流程及主要設備。

該實訓平臺具有以下主要特色。

(1) 實物再現工廠情景。實訓平臺是按照河南煤化集團義馬氣化廠的生產工藝流程縮小約10倍建設的，涵蓋了流程中90%左右的設備，僅對一些輔助設備和多臺套的設備進行了刪減。

(2) 現場操作工廠化。實訓平臺的實驗裝置，包括現場壓力容器、顯示儀表、安全設施的設置，各類閥門、泵及動力設備等的開啟與調節，操作現場的聲效以及設備和管路標注等均接近生產實際，符合相關規定。生產實際中需在現場開啟或調節的閥門、輸送設備等均需在裝置現場手動完成，并可通過現場儀表實時觀察溫度、液位、壓強等參數的變化情況。

(3) 軟件操作在中控室進行。中控室與實際生產的控制室相似，配有工業鍵盤。自動閥的調節，溫度、液位、壓強等參數等均可利用軟件操作或顯示。中控室還配置了20余臺電腦和3臺大屏幕，可供學生進行預習和操作觀摩。

(4) 實訓內容涉及專業知識面廣。煤制甲醇實訓平臺涉及單元操作、反應工程、化工儀表、化工設備、化工設計、化工安全、系統控制、生產管理等眾多專業知識，需要學生綜合運用這些課程內容完成實訓任務。現場設置超壓、超液位等報警裝置及消防設施，可進行安全事故模擬。部分設備采用透明材質制造，并配置有側壁剖開的典型設備實物，可展現內件結構和流體的流動狀態。

(5) 利于培養學生工程實踐能力和創新意識。在實訓平臺上，學生可進行分工段和全流程的開、停車及正常生產操作，并可以自行設計故障，然后進行故障處理實訓。

2 實訓平臺開放實驗教學的實施

目前，利用該實訓平臺，面向學院化學工程與工藝等6個專業以及學校其他相關專業開設開放實驗項目，感興趣的學生均可以通過實驗中心的網站提出實驗申請。學生可選取煤氣化、合成氣變換、低溫甲醇洗、甲醇合成和甲醇精制等5個工段中的任意1個或幾個工段進行冷態開車、正常停車實驗以及故障處理操作。

2.1 課前預習

充分利用在線預習系統，結合化工原理、反應工程、化工儀表、化工設備、化工安全等先修課程，預習相關實驗原理、實驗設備和煤制甲醇生產工藝。

對未學過某些先修課程的學生，要求他們課前必須補充相關課程知識，并有針對性地對他們進行輔導。例如未學過化工儀表與自動化的學生，有針對性地講解有關控制的基本概念，包括什么是DCS，簡單控制系統，復雜控制系統，串級控制的含義、特點以及在實訓課程中的應用等內容。

2.2 集中講解(約2學時)

集中講解每次約30人，主要介紹如下內容。

(1) 實訓課程的意義。讓學生明白為什么要進行此項實訓。

(2) 結合現場裝置與流程，介紹煤制甲醇的工藝流程與設備。帶領學生參觀現場，講解現場的工藝流程、設備名稱及作用、管道走向等，幫助尚不了解煤制甲醇生產的學生初步了解生產流程和生產設備，而對在煤制甲醇生產企業實習過的學生，則要求他們找出與實習工廠的差別。

(3) 系統講解軟件。包括軟件的啟動、基本功能以及如何進行操作，方便學生進行在線預習。

(4) 強調共性問題并提出要求(包括注意事項等)。針對煤制甲醇各工段不易理解的概念、易出錯的操作等共性問題，并提出具體要求以及思考題(如精餾回流罐液位與哪些因素有關，如何控制)，讓學生帶著問題學習，有目的地進行操作。

集中講解對學生預習時的操作有良好的效果，提高了學生操作效率。

2.3 現場預習(4學時)

2～4人為一組、分工段進行。1～2名學生利用純軟件(不連接現場)模擬開、停車等操作；1～2名學生在車間現場熟悉工藝流程、設備、儀表等，并繪制工藝流程圖。

教師給出重點后，學生帶著問題去練習。在學生練習時，教師巡回觀察，給予每位學生操作指導。教師主要起到啟發和指引的作用，要求學生對于發生事故的原因和處理方法進行小組討論，調動學生學習的參與性和積極性，鼓勵學生提出自己的解決問題的思路，培養學生獨立思考的習慣。

2.4 考核(4學時)

學生機連接現場，模擬實際生產的崗位設置，學生每2～4人分為一組(與現場預習分組相同，其中1～2名外操、1～2名內操)配合完成實訓任務。根據操作的質量，軟件系統會自動給出考核結果。

2.5 總評

學生在考核結束一周內提交實驗報告。指導教師根據平時成績(包括網上在線預習、現場講解和現場預習的綜合表現，占總成績的20%)、考核成績(軟件自動給出，占40%)和實驗報告(占40%)綜合給出每一名學生的最終總成績。

3 運行效果

(1) 學生參與的積極性高、教學效果好。3年來，累計約1 200人名學生參加了實訓，每年申請人數約占全院大三學生的75%。參與學生興趣濃厚，普遍反映提高了綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力，增強了工程實踐能力、團隊意識和創新精神。

(2) 實驗教學示范中心的輻射作用顯著提高。2014年9月，中心對江漢大學化工專業的40名學生進行了為期1周的實訓，學生反映良好；浙江大學、中國礦業大學、西南民族大學、桂林理工大學等20余所國內高校曾派人到現場考察。此外，指導實訓的《煤制甲醇半實物仿真實訓教程》教材已由中國石化出版社出版，將使更多的學生受益。

(3) 在鄭州大學“化學工程與工藝”、“過程裝備與控制工程”的專業認證中得到了教育部認證專家的好評，專家一致認為該平臺是學校工程教育的一個亮點。

4 結束語

半實物煤制甲醇實訓平臺運行3年來，培養了學生的化工流程觀念和團隊協作精神，提高了學生的工程素養和創新能力，該實訓教學已成為學院工程專業教育的重要組成部分。進一步深化實訓平臺實驗教學改革的工作已獲鄭州大學校級教研課題立項。中心將進一步加強網絡建設，實現遠程仿真實訓，擴大實訓系統的使用時間和空間，實現仿真系統的共享。

References)

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Opening experimental teaching based on semi-physical simulative practice-training platform of “methanol from coal”

Wang Xunqiu, Ning Zhuoyuan, Chen Weihang

(School of Chemical and Energy Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001,China)

Taking the industrial gasification methanol production process as the background, a semi-physical coal methanol training platform is built. Students on the platform can complete 5 sections of the gasification, syngas conversion, low temperature methanol wash, such as methanol synthesis and purification, to operate on driving, parking, and troubleshooting. Three years operation shows that the students participate positively, and training students in chemical process ideas and the teamwork can improve the students’ engineering accomplishment and innovation. The training platform has become a highlight of engineering education in Zhengzhou University, and laid the foundation for the implementation of engineering certification and excellent engineers plan.

methanol from coal; practice-training; opening experiment; teaching practice

2015- 01- 28 修改日期：2015- 03- 10

鄭州大學教學改革研究項目(2014XJGLX060)

王訓遒(1969—)，男，湖南洞口，博士，教授，實驗中心主任，主要從事分離工程、納米材料改性等方面研究.

E-mail：wxqiu@zzu.edu.cn

P311.52；G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0113- 03